基于Biot-喷射流统一模型Maxwell流体饱和孔隙介质中的弹性波

推广Biot-Tsiklauri声学模型的同时借鉴Dvorkin和Nur的工作,建立了具有任意孔径分布并顾及喷射流动机制的非牛顿流体饱和孔隙介质声学模型,研究了非牛顿流体(Maxwell流体)饱和孔隙介质中的弹性波的衰减和频散特性.着重讨论充孔隙Maxwell流体的非牛顿流效应对弹性波的频散和衰减的影响.研究表明,饱和流体的非牛顿流效应和喷射流动机制均是引起弹性波波频散和衰减的重要因素.依据非牛顿流体(Maxwell流体)饱和各向同性孔隙介质的Biot-喷射流声学模型,喷射流动只影响纵波的频散和衰减,而饱和流体的非牛顿流效应不仅影响纵波,而且还影响横波的频散和衰减.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

无限流体中孔隙介质圆柱周向导波的传播特性

为研究无限大流体约束的孔隙圆柱中周向导波的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,建立了无限流体中孔隙介质圆柱的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立了周向导波频散方程,通过数值模拟计算得到无限流体中孔隙介质圆柱的频散曲线,探讨了圆柱半径和孔隙参数对导波传播特性的影响,并对导波的衰减特性进行了分析;通过数值计算,得到了周向导波的时域波形,讨论了孔隙参数对波形的影响.结果表明,孔隙介质圆柱半径的改变影响圆柱尺度,孔隙度的改变影响孔隙介质中体声波的波速,都对周向导波频散曲线产生一定的影响,所得到的频散曲线特征及衰减曲线与时域波形吻合.研究结果对开展无限流体中孔隙介质圆柱的超声无损评价提供了一定的理论参考.     

含气孔裂隙地层的声波测井响应特征

本文以径向分层的孔、裂隙地层多极子井孔声场理论为基础,利用孔、裂隙介质弹性波动统一理论,数值模拟了井壁上有侵入时,单极和偶极声源激发的井孔声场随原状地层含气饱和度变化的特征和规律。结果表明：当原状地层裂隙发育时,相较于饱含水,饱含气时纵波幅度衰减严重,横波波至提前,波幅增大,斯通利波幅度变化不明显,低频时弯曲波到时提前,幅度增大;当原状地层裂隙不发育时,单极子、偶极子波形都对流体性质没有明显响应。可见,原状地层中裂隙的存在加剧了含气对纵波、横波的幅度以及到时的影响,而侵入带的存在使得斯通利波和高频弯曲波对原状地层流体性质变化不敏感。数值计算结果为利用声波响应特征识别致密气层提供了参考。     

孔隙内填充单一固体的固-固孔隙介质中的声波传播

连通孔隙空间被有别于骨架固体的另一种固相介质充填而形成的双组分连通固体孔隙介质,简称固-固孔隙介质.推导出了固-固孔隙介质的声波动力学方程和本构关系,利用平面波分析的方法研究了各种波的频散和衰减特性.在此基础上,提出了基于一阶速度-应力方程的时间分裂的高阶交错网格有限差分算法,对其中的声场演化特点进行了模拟计算,分析了各种波的产生机制和能量分布,并详细讨论了两种固体间的摩擦系数和声源频率对各种波传播特性的影响.数值模拟表明:固-固孔隙介质中存在两种纵波(P1和P2)和两种横波(S1和S2),其中P1和S1波能量主要在骨架固体中传播;P2和S2波是骨架固体和孔隙固体之间相对运动产生的慢波,能量主要在孔隙固体中传播.固体骨架和孔隙固体之间的摩擦主要影响慢波(P2和S2)的衰减,且低频时衰减大于高频.     

孔隙地层井壁上的声波首波及其诱导电磁场的原因

声波测井时孔隙地层中的声波首波平行于井轴沿井壁传播，它既有轴向位移分量，又有垂直于井壁的位移分量.这种以快纵波速度传播的波, 不仅含有由快、慢纵波势给出的梯度场,而且还含有由横波势给出的旋度场.慢纵波势的梯度是渗流位移首波的主要构成成分, 也是声电效应测井响应中存在伴随声波首波电场的主要原因.首波包含有旋度位移场，是存在伴随声波首波磁场的原因. 关键词： 孔隙介质 声波首波 诱导电磁场 测井     

孔隙地层震电测井波场分波分析

由于孔道的双电层结构和流体-固体耦合运动, 弹性波在孔隙地层中传播时会引起电磁场. 前人提出了基于这种耦合效应的震电测井方法, 但对井中震电波的特性缺少细致的分析. 本文对孔隙地层充流体井孔中点声源激发的震电耦合波的分波进行分析, 证明了井孔流体电磁波波数不是井内震电波场支点, 计算了地层电磁波支点、横波支点和快纵波支点对应的侧面波. 在利用辐角原理求出震电波场函数的复极点之后, 针对典型砂岩地层计算了震电波场模式波(包括泄漏模式)的频散曲线和声压、电场激发曲线. 计算了各个侧面波和模式波的电场激发强度与声压激发强度的比值(电声激发比), 发现纵波的电声激发比相对于横波和模式波更高, 而Stoneley波电声激发比的辐角对渗透率敏感, 其敏感性会随频率增大而增加, 随孔隙度增大而降低.     

宽带相控线阵声源在套管井外地层辐射声场的指向性

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽带相控线阵声源在套管井外均匀地层中产生的纵横波声场的指向性。结果表明,在任意胶结状况下,均可实现向套管井外地层定向辐射纵横波的技术;与地层中纵波的传播特征不同的是在主瓣偏转角方向横波幅度随着偏转角的增大逐渐增加,且在主瓣辐射方向的横波幅度受套管井胶结状况的影响较纵波小;采用玻璃钢套管代替钢套管,会进一步减弱地层声场受胶结状况的影响,这有利于实现在套管井外地层较大范围内的精确定向辐射声波的技术。     

气泡线性振动对含气泡水饱和多孔介质声传播的影响

为了研究孔隙水含少量气泡时多孔介质中波的传播,本文在Biot模型的基础上,将孔隙水中气泡的体积振动融合到多孔介质的孔隙流体渗流连续性方程中,从而得到了考虑气泡体积振动的孔隙流体渗流连续性方程.在此基础上,根据气泡线性振动下气泡瞬时半径和介质背景压力的关系,以及多孔介质运动方程和流体介质运动方程,导出了受气泡影响下多孔介质位移矢量波动方程,建立了非水饱和多孔介质声速频散和衰减预报模型.气泡的存在增大了孔隙水的压缩率,导致含气泡水饱和多孔介质声速的降低.当声波频率等于气泡的共振频率时,在声波激励下,介质呈现高频散,且孔隙水中的气泡产生共振,吸收截面达到最大,使得多孔介质的声衰减也达到最大.文中数值分析验证了上述结论,表明了气泡含量、大小和驱动声场频率是影响声波在含少量气泡的水饱和多孔介质中传播的主要因素.     

多尺度波致流非饱和孔隙介质波传播理论研究

弹性波在非饱和孔隙介质中传播时,孔隙流体会发生宏观Biot流、微观喷射流以及由于孔隙流体不同(气、液双相)导致的介(中)观流.将非饱和孔隙介质等效为含液相孔隙流体的背景介质中嵌入含气相孔隙流体的包裹体,在非饱和双重孔隙介质模型基础上,引入微观喷射流,建立了包含宏观、微观和介观三种尺度波至流的非饱和孔隙介质波传播方程.数值分析表明该模型可以更好地预测更宽频带内的波速频散和衰减.     

孔隙介质中快纵波的衰减特性和动力协调现象

依据Biot理论并采用前人的骨架模量孔隙度关系,计算了弹性波在孔隙介质中的衰减曲线,发现快纵波存在零衰减点.为解释这种现象,分析了孔隙流体相对于骨架运动的特点.结果表明,存在快纵波动力协调介质,快纵波在这种介质中传播时,流体和骨架之间无宏观相对位移,因此无论频率多高,流体粘滞系数多大,快纵波都不衰减.一个引申的结论是,在动力协调的渗透性孔隙介质中,即使存在双电层,快纵波也不产生流动电势.     

利用井中偶极弯曲波反演渗透率的影响因素及灵敏度分析

本文以各向同性饱和流体孔隙介质充液井孔中声场传播理论为基础,系统考察了影响偶极弯曲波特征的主要因素,分析了快慢地层条件下弯曲波衰减和速度对不同参数的敏感度,对比结果表明,弯曲波的速度基本不受地层渗透率的影响,其衰减对渗透率的敏感性要远高于速度。弯曲波中心频率会随着波的衰减而发生偏移,说明利用弯曲波衰减和频移特征联合反演地层渗透率是可行的。通过对比快慢地层下的弯曲波衰减和速度灵敏度曲线,发现在慢速地层中反演渗透率的结果要好于快速地层。同时,本文也指出在低孔低渗储层中,还可以考虑利用弯曲波衰减识别气层。     

流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性

研究流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性,分析孔隙介质孔隙率等参数对频散曲线的影响。理论上建立了无限大流体包裹孔隙介质圆柱界面波的模型,利用孔隙介质弹性波动理论,通过数值模拟计算得到流体-孔隙介质圆柱的频散曲线及时域波形,并分析了孔隙介质为开孔和闭孔状态下孔隙介质圆柱半径、孔隙率及渗透率对频散曲线的影响。结果表明,时域上斯通利波可以被明显区分开,孔隙介质圆柱半径的变化改变了圆柱尺度,孔隙率的变化改变了孔隙介质的纵、横波波速,因此对于斯通利波频散曲线的影响较大。而渗透率的变化既不改变圆柱的尺度也不改变孔隙层的纵、横波速度,因此对斯通利波频散曲线影响较小。      

多孔介质BISQ模型中的慢纵波

着重研究了多孔介质BISQ模型中慢纵波的基本特性.给出了BISQ模型下慢纵波速度 和衰减的低频近似公式.与Biot理论对比，BISQ模型中慢纵波的衰减随频率降低急剧增大， 且随喷射流长度的减小而增加；相速度随喷射流长度的减小而增加，其低频极限值不是零； 孔隙流体位移与固相骨架位移之比的幅值随喷射流长度的增加而减小，其相位特点与Biot模 型预测的不同；在流体与孔隙介质的边界上可产生更大的渗流.为对比，同时也给出快纵波 的行为.依据BISQ模型可推断：非黏滞流体饱和孔隙介质中不存在喷射流机理；BISQ模型中 关键词： 多孔介质 喷射流 慢纵波 动力协调     

各向异性渗流条件下弹性波的传播特征

研究了弹性波在非均匀裂纹孔隙介质中的传播特性,建立了各向异性喷射流模型.当弹性波通过裂纹孔隙介质时,由于波的扰动及裂纹和孔隙几何结构的不一致,导致在裂纹内部及裂纹与周边孔隙之间同时存在着流体压力梯度.此时的弹性波波动响应中包含着裂纹内连通性特征和背景孔隙渗透率信息.流体的动态流动过程使得介质的等效弹性参数为复数(非完全弹性),并且具有频率依赖性.当弹性波为低频和高频极限时,介质为完全弹性;当处于中间频段时,波有衰减和频率依赖.裂纹孔隙介质的各向异性连通性(渗透率)对应着各向异性特征频率(当渗流长度等于非均匀尺度时的弹性波频率),波的传播受到裂纹内连通性的影响.在一定频段内,随着裂纹厚度的增加,将出现第二峰值,峰值大小同时受到裂纹厚度和半径的影响.     

介观非均匀双相介质中局域流对弹性波传播的影响

针对弹性波衰减与速度频散问题，基于Pride和Berryman的介观非均匀双重孔隙介质理论模型，推导一组用位移表示，另一组用位移及孔压表示的全新形式的耦合动力学方程组，并基于双孔介质模型，推导出弹性波的相速度与逆品质因子的解析式，重点讨论介观尺度下的局域流动对弹性波传播特性的影响.数值算例表明：快波的速度随着频率的增加而迅速增加，且介观流动损失比Biot损失至少高一个数量级；同时局域流对慢波也有着不同程度的影响.证实了局域流是波能损失和相速度频散的主要因素.     

随钻单极子声波测井模式优化及远探测

针对非均匀性地层地质力学评价和地质导向钻井的需要,研究了随钻单极子声波的方位特性和反射声场特征,并研制了随钻声波测量装置.建立了不同方向速度模型井和反射声场模型,数值模拟了两个模型的单极子声波传播特征,使用单极子声源发射和偏极子接收器接收的测量模式,分别获得了波速周向变化图和反射波的方位特征.模拟结果表明,纵波对地层方...     

弯曲模式声波在充液井孔中的传播

本文由波动方程讨论了充液井孔中,弯曲模式声波在弹性和非弹性、无限大井壁介质以及有限大井壁介质情况下沿井轴方向的传播。数值计算了它们的相速度频散曲线和井孔的频率响应特性,计算了衰减正弦信号在井孔中激励的波形。利用PZT压电晶片的弯曲振动模式,制作了偶极子测井换能器,在混凝土浇注的人工模拟井中进行了测试,试验结果与理论计算结果作了对比。     

一阶速度-应力Biot双相各向同性介质弹性波

提出一种等价的一阶双曲型速度一应力Biot双相各向同性介质弹性波波动方程,以实现双相介质混合波场中纯快慢纵波和纯横波波场分离的问题.应用散度和旋度理论证明双相介质等价方程波场分离的可行性,采用高阶交错网格有限差分法构建高精度正演算子,推导其PML吸收边界条件和稳定性条件,并对均匀双相介质和层状非均匀双相介质模型进行数值...     

被孔隙介质约束的弹性杆中的导波*

为了研究导波在被孔隙介质约束的弹性杆结构中的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,本文建立了无限大孔隙介质包裹圆柱体的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,分析了导波的频散曲线,以及圆柱半径和孔隙参数对于导波传播特性的影响。结果表明,在该结构中传播的纵向导波存在频散特性。内部圆柱半径的改变影响波导结构,从而影响导波传播。外部孔隙介质的渗透率对于导波频散的影响较小,孔隙度的改变影响孔隙介质体波波速,从而影响导波频散曲线的截止频率。同时,导波存在较小的衰减,且衰减随孔隙度增大而增大。这些结果对于后续开展无限大介质包裹弹性杆结构的超声无损评价提供了一定的理论参考。