各向异性渗流条件下弹性波的传播特征.pdf

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．6(2014) 069101 各向异性渗流条件下弹性波的传播特征术 —王一丁 )2)十 张美／、-根fL) 1)(中国科学院地质与地球物理研究所，油气资源研究重点实验室，北京 100029) 2)(中国科学院大学，北京 100049) (2013年8月21日收到；2013年12月16日收到修改稿) 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1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． 关键词：多孔介质，孔隙弹性理论，弹性波传播，各向异性 PACS：91．30．Cd，91．60．Lj，91．60．Qr，91．65．My DOI：10．7498／aps．63．069101 的关系与实际情况相反 [9J．这是由于Biot理论成 l 引 言 立的前提是假设介质为均匀完全饱和且充填单一 流体，它仅考虑在波扰动下的全局宏观流，流体压 对声波或弹性波在孔隙介质中传播特性的研 力梯度具有波长尺度．但真实介质 中往往分布着裂 究在许多学科 中有着重要的意义，如应用声学、勘 缝、裂纹和多种流体 同时存在等非均匀体 [10,11]，在 探地球物理学、水文地质学等 ]．由于孔隙介质骨 弹性波扰动下，流体可以在这些具有不同物性参数 架和充填流体的可压缩性，在弹性波的扰动下，介 或几何结构的孔隙之间发生中微观尺度上的运动． 质 中流体压力将以波的形式发生传播．Biot[3_6】理 Biot一喷射流统一模型fBISQ1模型试图把宏观流和 论是研究孔隙弹性理论的一种有效方法，它成功地 微观流统一考虑 [12]，在某些频段得到了更符合实 预测了第二种纵波f慢纵波)的存在，该波具有低速 际数据的理论结果．但该模型不能解释在低频时与 性和高衰减性：同时它在整个波动响应中起到重要 Gassmann理论 l【3J相违背的现象 [14,15】，而且其慢 的作用，如波能量的转化和波型的转变等．慢纵波 纵波在低频时不符合实际[16】i7】．并且发现BISQ模 的本质是流体 中传播的压缩波，但受到固体骨架的 型在求取介质孔隙压力时用到了零边界条件，而且 影响，所以有别于一般流体 中的声波． 该模型未把介质作为一整体加以考虑f裂纹周边的 当弹性波通过孔隙介质时，流体会在各个尺度 零压力孔隙视为研究对象之外的部分)，而且假设 上发生流动，这是波衰减的一个重要原因7[，8l，其 在介质的每一处都存在局部流现象，这些假设显然 中包括波长尺度上的宏观全局流fBiot流)和裂纹 不合理． 及孔隙尺度上的中微观局部流f喷射流)．由Biot理 作为弹性波衰减的一个重要原因，喷射流一直 论得到的弹性波的衰减和频散值在某些频段远小