岩石物理学(地大)12第五章.pdf

岩石物理学与地震学系统岩石物理学与地震学系统 12多孔介质中波的传播 12多孔介质中波的传播 顾问 陈颙院士顾问 陈颙院士 yongchen 於文辉 教授於文辉 教授 wenhuiy 第三节多孔介质中波的速度 在均匀弹性介质中 无论在一维或是三维传播 的波 其速度可以用介质本身的弹性常数来表 示 它们可以直接从波动方程中推导出来 表 给出在三维介质中速度和各种弹性常数之间的 关系 在多孔介质内 同样知道了介质的弹性常数就 可以计算出速度 这时要考虑固体骨架和孔隙 内的弹性模量 就比较复杂 多孔介质中波的传播多孔介质中波的传播 从表中看到在均匀各向同性介质中 只有二个 独立的弹性参数 速度可以用任意两个参数及 介质的密度来表示 同样也可以速度表示各种 弹性常数 这里引入一个无量纲参数 泊松比 横向应变与纵向应变之比 当一根杆被拉伸 时 其相对横向压缩与相对纵向伸长之比 纵波速度横波速度 2 4 弹性常数弹性常数 体积模量体积模量K 弹性体受均匀静压力时所加压力和物体形变的比 值 此处负号表示在外力作用下 体积变小 K v 弹性体受均匀静压力时所加压力和物体形变的比 值 此处负号表示在外力作用下 体积变小 K vp2 p2 4 v 4 vs2 s2 3 剪切模量 v 3 剪切模量 vs2 s2 泊松比 速度比 v泊松比 速度比 vp2 p2 v vs2 s2 物体受力后横向形变与纵向形变之比 1 2 物体受力后横向形变与纵向形变之比 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2 5 6 多孔介质的有效弹性模量 7 多孔介质的孔隙和密度 孔隙度 孔隙空间 总体积 密度 岩石质量 体积 岩石的总密度 1 ma fl ma 岩石颗粒 骨架 的密度 fl 孔隙流体的密度 fl 碳氢 1 SW 盐水SW 8 Wyllie 时间平均方程 这是一个由实验得出的经验公式 孔隙 较大 20 的情况下适合 fM VVV 11 fM ttt 1 9 第四节多孔介质中波的传播 1 双相介质 饱和多孔隙介质是由固相和液相相互渗透所形成的一 种介质 称为双相介质 其中固相是物体的基质 液 相构成饱和流体 这种相互渗透以两种不同形式出 现 一种液相不连续 另一种是连续的 纵波和横波可在固体中存在 在液相中只有纵波 那 么在双相介质中是否存在两种纵波和一种横波 要使 这种可能的存在 至少液相和固相要连通 事实上 并不存在一种在固体另一种在流体中传播的纵波 10 2 饱和多孔隙介质中慢纵波实验观测 Biot在1955 1956年在理论上预测了饱和多孔介质 中存在着三种波的传播 除纵波和横波外 还有一种第 二类纵波 简称慢纵波 直到1980 82年 这个预测被 Plona所证实 现在看来Plona的实验似乎是简单的 实际上 要观 察到慢波 有必要允许流体与固体可运动 从而使波的 发射与记录均远离该固体 这意味着要避免将传感器粘 着于样品上 那样会有碍于记录慢波 实验在充水水槽 内进行 Plona 1980 1982 所发射信号对该多孔隙 介质的入射角能够变动 11 Plona慢纵横波实验 方法 超声波水中透射技 术 它使固体平板内产生 体波 应用了波在液 固 界面折射原理 运用类似的技术可测定通 常的纵波和横波以及纵 波 样品 烧结玻璃小球的流 体饱和多孔介质 右图给出了实验示意图 12 测试系统与前面描述的一样 超声换能器用两种 频率 一是直径28 6mm的500kHz 另一对是直径 25 4mm频率2 25MHz纵波换能器 样品的玻璃小球直径2 21到0 29mm 在温度700度 到740度范围烧结 通过控制最高炉温及在此温度 下的时间长短 可得不同孔隙的样品 孔隙最大 为28 3 还有25 8 18 5和7 5 样品直径在90到100mm之间 厚度在14到21mm之 间 两平面平行 烧玻璃珠样品 当入射角为0度时 只有A是直达纵波 C E和G时间相 等为板内的多次纵波 D和F是新出现的波 其中D波的时间较A波慢得多 而F 比D晚 正好是AC之间的时间 表明F脉冲是D脉冲在板 内以快纵波传播的二次波 两者的相位相反 注意 这 说明D波在界面上与快纵波有波形转换 证明是压缩 波 D和F是新出现的波 因为在非多孔介质中没有观测 到 各种多孔介质中的慢波 Plona又对一系列不同材料的多孔介质了慢波观测 如 第一类金属材料 钢 钛和铬镍铁合金 第二类是 不同厂商所产的陶瓷品 滤石 作过滤用 第三类是实 验室自己烧结的物质 玻璃珠 在这些材料中都观 观测到了慢纵波 其速度比饱和 流体的速度慢 多孔材料多孔材料孔隙度 孔隙度 平均孔隙r m 平均孔隙r m 快纵波V快纵波VP1 P1 m s m s 横波V横波VS S m s m s 慢纵波V慢纵波VP2 P2 m s m s 玻璃熔珠玻璃熔珠128 350405023701040 玻璃熔珠玻璃熔珠218 52048402930820 玻璃熔珠玻璃熔珠310 51051502970580 Coors41 541 539502160960 3M 5534 55527601410910 3M 4030 04029101620960 多孔钢多孔钢48 02027401540920 多孔钛多孔钛41 03027201790910 滤石滤石140 06046502910940 多孔铬镍铁合 金 多孔铬镍铁合 金 36 09021201150930 从上表可以看到 在这些材料中都观测到了慢纵波 其速 度比饱和流体的速度慢 慢波的振幅还与透射信号波长对孔隙尺寸的比值有关 即 与颗粒大小有关 三种波的速度与孔隙度的关系 快纵波和横波随孔隙度增 大速度降低 孔隙大介质的刚度减小 慢度相反速度有所 增加 实验表明 慢波与多孔介质中孔隙连通的曲折程度的关 扭曲率 也与孔隙的径喉的关 Plona用实验说明了在多孔介质中存在一种非常接近 Biot理论所预言的一种慢波 这种波仅在满足下列条件时才能作为一种传播的波 而存在 1 固相与液相具有连续性 即流体与固体的差异运动的 可能性 2 入射波频率充分高而流体粘滞性充分低 即波的衰减 机制 3 为避免散射 入射波的波长与孔隙尺寸相比充分 大 而孔隙尺寸又必须足以避免孔隙壁上出现粘滞 影响 趋肤深度影响 4 流体与固体的体积模量有非常大的差异 便于区分 出两种压缩波 关系流体的粘滞性对慢纵波影响的定性描述 从实验结果看到 慢纵波的速度比饱和液体的速度要低得 多 也就是说双相介质中第二类纵波是固相与液相相对运 动产生的波 这种相对运动的大小与液体的粘滞性有关 如果液体不粘滞在固相和液相分界面上无粘滞耦合力 与 此相反流体粘滞性很大 就存在巨大的耦合力 阻止了相 对流动的运动 这也说明了多孔介质中流体粘滞性的重要 性 粘滞耦合力的强度依赖波的频率 在无限大频率 粘滞流 体的表现好象就不存在粘滞性 而在低频时 即使低粘滞 性也能够引起显著的耦合力 天然岩石中慢纵波的观测 关于慢纵波的观测大多是在人工多孔介质中进行的 人们一直试图在天然岩石中观测慢波 但成功的实验 较少 Plona和 Johnson曾用粘滞度为零的液氦2作为 饱和流体 实验初步结果已显示在岩石中存在一慢 波 没找到相关的文章 97年 Kelder and Smeulders在水饱和NivelsteinerNivelsteiner 砂岩中观测到慢波 第五节 各向异性介质中的波 各向异性的认识 越来越多的野外地震自量和实验室岩石样品测试结 果都证明 地壳上部的沉积岩对地震波速度表现出 各向异性 在1980年以前人们普遍认为沉积岩不是 各向同性就是具有垂直对称轴的横向同性 TIV 介 质 然而在横波勘探中常遇到很多困难 如横波测 线交点不闭合 计算的反射深度偏深等 使人们猜 想到岩石的各向异性 为此国外一些石油公司从专 门设计的横波记录中证实了有比横向各向同性更复 杂的方位各向异性 各向异性的研究发展 Crampin等人 1984 1987 对此问题作了一系列的 理论研究 证明大部分沉积岩地层具有方位各向异 性 认为各向异性P波速度的变化仅与传播方向有 关 影响较弱 一般不易观测到 横波的各向异性 比纵波强 Levin 1979 各向异性对横波速度的 影响不仅在传播方向 而且与横波的偏振方向也有 关 Thomsen 1986 总结了不同沉积岩岩芯各向异 性样品的速度测试结果并进行了理论研究 认为许 多沉积岩存在弱各向异性 小于10 地震勘探中的各向异性 当地震波进入弹性介质时 其速度随方位变化介 质就表现出各向异性 介质向异性有两种类型 1 具有与自由界面正交对称轴的六方系介 质 常称横向各向同性 TI 2 对于其它 对称轴系统和其它的六方系称为方位各向异性 对于横向各向同性介质人们较熟悉有如页岩 薄 层和薄互层等 方位各向异性种类很多 在沉积 岩普遍存在 其中受应力影响的定向分布的裂隙 和孔隙引起的各向异性 在油气勘探中是十分重 要的 各向异性的实验研究 在各种研究领域中 对介质的各向异性定义有 所不同 然而超声波与地震波之间差别主要在 尺度上 并不影响他们的传播规律特性 所以 可以用超声波在简单的各向异性模型的传播来 模拟地震波的传播过程和机制 实验室用超声 波对岩石样品观测得到的现象 可代表地震波 在岩石传播的规律 例如 C S Rci 1986 年 在实验室观测到了砂岩 泥岩和页岩的横 波分裂现象 证实了岩石中存在横波分裂现 象 这就大大地方便了我们对地震波在各向异 性传播问题的研究 各向异性的基本概念 在各个研究领域对各向异性的定义是有区别的 广 义上讲 如果介质在同一位置测量时物理两随方向 而变时 则称介质为各向异性 如地震波速度随测 量方向变化称地震速度各向异性 在勘探地球物理 学中 作者之间对各向异性这一术语也有不同的用 法 Grampin 1989 建议对该术语进行统一规范 但他选择的一些定义也引起了研究者的疑问 为 此 Winterstein 1990 对地球物理性中速度各向 异性术语作了进一步的阐述 严格的讲对各向异性的使用还存在尺度问题 这是与 介质非均匀性的一个主要区别 在地球物理性学中 仅把各向异性用在波长范围上探测是均匀介质上 也 就是说是均匀介质的性质随方向变化 在某种意义将 我们所处理的各向异性是均匀的各向异性 地球物理 学中介质的各向异性的尺度是可变的 与它所用的波 长有关 对于地震波可以是几十米 声波测井为几分 米 而试验室超声测试仅几个毫米 对同介质 在不 同尺度上各向异性的程度和类型可能不同 但对于在 不同尺度上各向异性的程度和类型相同的介质 它们 有关各向异性的特征是相同的 这就使得我们可以把 实验室超声测试结果直接用地震波勘探上 在研究各向异性问题时 介质的弹性对称性是一个 重要的概念 介质的各向异性可依据其弹性的对称性分 类 一般分为八类对称系统介质以及它们的独立弹性常 数数目 这种对称系 可以通过在各向同性岩性中引入 不同