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如何建立和理解孔隙介质微观结构与等效弹性性质之间的关系是材料科学、地球物理学和固体力学中的基本问题。论文以弹性性质为例,分别从静力学和动力学两个方面,研究岩石物理参数的地震波传播响应特征。
静力学方面,首先利用等效孔隙模型法和过程法构建砂岩数字岩心,再通过有限元法计算其静力学弹性参数,分析表明弹性参数与孔隙扁率成正相关,且孔隙扁率越小,孔隙扁率对弹性参数的影响越人,二氧化碳气饱和度对砂岩储层弹性参数的影响较小。
动力学方面,将孔隙结构动力学理论与Biot理论相结合,推导出低频情况下双相孔隙弹性介质本构关系及波动理论,平面波分析结果表明:
(1)对双相各向同性孔隙弹性介质中地震波:
①快纵波、横波速度与损伤因子呈近似线性负相关关系,损伤因子的变化对慢纵波速度影响不明显;
②快纵波、横波速度受频率变化影响较小,慢纵波速度随频率增高而增大;
③快、慢纵波和横波衰减均随频率增高而增强;
④动态耦合质量密度的变化对快纵波、横波速度的影响较小,慢纵波速度随动态耦合质量密度增大而减小;
⑤耦合系数的变化对快、慢纵波和横波速度的影响均很小;
⑥快纵波与横波速度比变化很小。
(2)双相横向各向同性孔隙弹性介质中存在四种地震波:准快纵波P1、准慢纵波P2、准横波S1、准横波S2,四种波的速度和衰减体现出不同程度的横向各向同性,其中准快纵波P1、准慢纵波P2和准横波S2速度各向异性较明显。
(3)双相正交各向异性孔隙弹性介质中存在耦合的二种准横波模式。
采用经验关系对围压、孔隙度与地震响应特征的关系进行探索性分析,表明:当围压不超过70MPa时,快纵波、横波速度随围压增人显著增大,围压大于70MPa后快纵波、横波速度逐渐趋于平缓;快纵波与横波速度比及慢纵波速度受围压影响不明显;随着孔隙度增大,快纵波、横波的速度减小,但衰减增人;慢纵波速度增大,衰减减小。
比较双相横向各向同性孔隙弹性介质地震波场模拟与平面波分析结果,表明:准横波S1、准慢纵波P2吻合较好,准快纵波P1吻合略差,可能是由于球面扩散引起波形变化或者波场模拟中速度频散导致,具体原因留待今后进一步讨论。
本项研究对油气地震勘探具基础指导作用,对孔隙介质力学的理解和认识取得一定进步。