岩石物理手册——孔隙介质地震分析工具

岩石物理是一门发现岩石物性与地球物理观测结果之间关系的学科。在过去30年，科学家已经发现了岩石物性之间越来越多的关系，而这些关系在过去看来是不存在的。本书既包含许多理论，又包含地震研究人员非常需要的数据，也提供了便于研究人员使用的大量实验室数据和理论结果。     

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.     

分层介质的反射特性

在导电和非导电情况下，对1／3Cantor分形结构相对应的周期分层介质的反射谱进行了分析计算，发现周期分层介质与分形介质的反射谱具有相同规律和相似的形状。非导电介质的反射谱具有周期性和自相似性，导电介质的反射谱不具有周期性，但是，当频率高于某一值时，其反射谱就又具有明显的周期性。     

分层介质的反射特性

在导电和非导电情况下 ,对 1 /3Cantor分形结构相对应的周期分层介质的反射谱进行了分析计算 ,发现周期分层介质与分形介质的反射谱具有相同规律和相似的形状 .非导电介质的反射谱具有周期性和自相似性 ,导电介质的反射谱不具有周期性 ,但是 ,当频率高于某一值时 ,其反射谱就又具有了明显的周期性 .     

基于孔隙介质理论的路基压实度确定方法

为克服以往路基压实度快速检测法中需要繁琐的标定试验及忽视初始地应力对变形参数影响的缺陷,建立了路基压实度快速检测新方法.首先,基于孔隙介质理论,研究了孔隙率、变形模量及密度随路基材料变形而变化的规律;其次,引入分层总和法和分级加载思想,考虑初始地应力和路基变形均影响路基力学参数变化的特征,建立静力贯入条件下贯入荷载-沉降解析关系;然后,在路基静力贯入试验测得荷载-沉降试验曲线的基础上,利用自适应遗传退火算法反演得路基贯入荷载-沉降解析关系中的各参数,从而建立基于孔隙介质理论的路基压实度确定方法;最后,通过工程实例对比可知,本文方法精确度满足工程要求,检测过程中无需繁琐的灌水法标定试验,能快速准确地检测路基压实度,表明了本文方法的合理性和可行性.     

含油水各向异性孔隙介质中地震波传播方程

油气勘探的重点是寻找油气储层的分布，而地下油气的存在必然对地震记录产生影响。传统的地震波理论是建立在纯弹性固体基础之上，没有考虑固体中所含的流体，因此，它难以研究含油水岩石的物理性质，如岩石的渗透率和孔隙度、油水粘度。从固、液介质系统能量和本构方程出发，推导出固体、油相和水相的动力学方程，进而建立起含油水两相流体各向异性孔隙介质的地震波传播方程。该方程包括有岩石和油水的物理参数，更适合于油田的勘探和开发。     

未饱和孔隙介质的声场响应

利用平面波分析方法,推导了Santos三相孔隙弹性理论的纵横波频散关系方程.考虑参考压力、高频影响校正以及孔隙中两种流体之间的牵引耦合,详细分析了含气饱和度和频率对Santos理论所预计的四类体波的相速度和衰减的影响.将理论结果与公开文献中的低频和高频实验数据分别进行了对比分析.结果显示,对于低频情况,纵横波速度的理论和实验结果的吻合令人满意.对于高频情况,Santos理论预计的纵波速度不理想.高频实验对比中,还比较了几种流行的孔隙介质模型,其中White模型与实验数据的匹配较好,但该模型中的参数b影响较大.利用线性黏弹性理论,对Santos模型进行了衰减机制的扩展,并与实验结果进行了对比.结果显示,含水饱和度低于90%,扩展模型给出了较好的横波衰减预计.纵波的理论衰减结果与实验数据之间存在一定的差别,但该差别可用已有的实验观测结果给予解释.     

非饱和流固耦合双重孔隙介质模型控制方程

裂隙岩体非饱和渗流和流固耦合是普遍存在的现象,利用双重孔隙介质模型,在多孔介质弹性理论和广义有效应力的基础上,给出了双重孔隙介质非饱和流固耦合方程的数学推导,经过离散化后可以用于数值计算,最后提出了一些需要进一步解决的问题.     

含孔隙、裂隙岩石的高频体积模量

前人大量的实验观测证实了体波在流体饱和多孔岩石中传播时存在速度随频率变化的现象.体积模量是决定纵波波速的重要参数之一,研究多孔岩石的高频体积模量对解释超声实验测得的纵波波速具有重要意义.考虑岩石中软孔隙(比如裂隙)的影响,Mavko和Jizba提出了一种修正的Gassmann公式,计算液体饱和多孔岩石的高频体积模量.但Mavko和Jizba提出的计算公式不是通过严格推导得出的,有些过程带有一定猜测性.至今没有一个基于严格推导得到的高频体积模量表达式,人们对多孔岩石高频体积模量物理内涵的认识仍存在不足.本文基于双重孔隙介质理论推导含孔隙、裂隙的流体饱和岩石的高频体积模量表达式,它与Brown-Korringa公式具有相同的形式,只需要将原Brown-Korringa公式中的排水体积模量、固体基质体积模量和孔隙体积模量分别替换为高频时的有效排水体积模量、固体基质体积模量和孔隙体积模量.由于在高频时裂隙与孔隙间没有流体交换,含有流体的裂隙相当于是固体基质的一部分,因此高频有效固体基质的体积模量小于纯固体的体积模量;如果裂隙内流体压强不影响孔隙内流体含量变化,本文得到的高频有效排水体积模量的表达式与Gurevich基于Sayers-Kachanov方法得到的完全一致.数值计算表明:裂隙含量越高,利用Mavko-Jizba公式计算出的高频体积模量与本文公式的偏差越大;高频有效孔隙体积模量总是近似等于纯固体的体积模量,不像高频有效固体基质体积模量那样随裂隙含量的增加而显著降低.     

煤层中双重孔隙介质渗流理论的应用

 考虑煤层气稳定解吸和不稳定解吸特征,提出了两类窜流方式不同的双重孔隙介质煤层不定常渗流模型——双重孔隙介质煤层拟稳态和不稳态窜流不定常渗流模型.用有限体积法对其求解,并分析了两类模型在不同地质参数情况下的特征曲线.结果表明,稳定解吸和不稳定解吸现象的存在都延缓了煤层中压力波的传播;解吸系数的增大使煤层压降变缓,且在压力和压力导数曲线上表现为边界距离的增大.对于不同的煤层,当窜流系数过大或过小,或煤层储能系数过大时,计算得到的理论曲线不能表现出双重孔隙介质特征.这与现场测试资料曲线较难出现双重孔隙介质特征一致,从而找到了现场煤层测试难以出现双重介质特征问题的根源.     

牛顿流体在充满多孔介质圆管内的结构流特征

引入研究多孔介质流体流动的体积平均方法和体均原理,采用Darcy阻力经验公式和Forch-heimer修正,得到了多孔介质内流体流动的Brinkman-Forchheimer广义Darcy定律.提出了牛顿流体在充满多孔介质管道内的结构流概念,并通过边界层动量积分计算证实了流核的存在,获得了流核流速和流核半径的计算结果;分析了Darcy数和惯性参数对速度剖面的影响程度.     

多孔混凝土排水基层路用性能研究

多孔混凝土作为路面的基层，应具有良好的物理性质和力学性质。文中通过室内试验与理论分析，给出多孔混凝土有效空隙率与全空隙率、渗透系数与空隙率的关系。得出多孔混凝土强度随龄期的发展规律，弯拉强度、劈裂强度与抗压强度的相关关系，抗压强度与空隙率的关系以及2种形式下的双对数疲劳方程；多孔混凝土弯拉弹性模量与弯拉强度，以及抗压弹性模量与轴心抗压强度的关系；多孔混凝土的温缩系数和干缩系数。     

多孔混凝土排水基层路用性能研究

多孔混凝土作为路面的基层,应具有良好的物理性质和力学性质。文中通过室内试验与理论分析,给出多孔混凝土有效空隙率与全空隙率、渗透系数与空隙率的关系。得出多孔混凝土强度随龄期的发展规律,弯拉强度、劈裂强度与抗压强度的相关关系,抗压强度与空隙率的关系以及2种形式下的双对数疲劳方程;多孔混凝土弯拉弹性模量与弯拉强度,以及抗压弹性模量与轴心抗压强度的关系;多孔混凝土的温缩系数和干缩系数。     

具强非线性源的多孔介质方程的Cauchy问题

主要研究了方程ut-Δum=t-σuq的Cauchy问题,其中初值是Radon测度。当θ[q-1-(1-σ)(m-1)]<2(1-σ)时,得到了解的存在性。同时证明了这一假设条件对解的存在性来说是最优的。     

多孔介质钝体火焰稳定特性实验研究

提出采用多孔介质材料制作火焰稳定器,利用其通透和弥散性能改善钝体后燃空比,降低钝体引起的压力损失,提高火焰稳定性.通过实心钝体、10和40PPI(pores per inch)多孔介质钝体火焰稳定特性和冷态尾迹测量对比实验发现:多孔介质火焰稳定器可获得更宽的火焰稳定范围;相同燃料和空气伴流条件下,多孔介质钝体后火焰刚性更强,燃烧更充分;实心钝体回流区较靠近钝体,回流区强度较强;多孔介质钝体回流区向下游发展,回流区强度较弱,但空气燃料混合更好.因此多孔介质稳定器关键是要确定合适的孔径,使火焰更稳定燃烧.     

多孔介质模型的三维重构方法

建立准确的多孔介质模型在微观渗流机理的研究中具有重要意义.为了更加方便准确地建立多孔介质模型,总结了多孔介质模型重构的物理实验方法和数值重构方法,通过重构方法的优缺点对比及适用性分析,优选出马尔可夫链-蒙特卡洛方法(MCMC).针对3种不同性质的多孔介质,采用MCMC方法分别对其进行了重构.结果表明,MCMC方法计算速度快,适用范围广泛,重构效果好.最后将MCMC方法扩展到三维空间,重构出三维多孔介质模型,为微观渗流机理的研究提供了一个模拟平台.     

介质参数对多孔介质腔内自然对流换热的影响

采用局部非热平衡模型,对非热平衡多孔介质方腔内的非达西自然对流进行了数值研究,采用Brinkman-Darcy-Forchheimer模型描述多孔介质内的流动,研究在不同参数条件下,即Pr、Da、空隙率φ、Ra等参数的不同取值下,有效导热系数比γ及无量纲容积换热系数H对多孔介质自然对流换热的影响,研究表明:γ的增加会削弱方腔内自然对流换热;ε、Da数的增大能够增加流体相平均Nu数,而对于固体相则有降低的作用;综合表明,只有在γ取值达到10.0以上时,局部热平衡假设才能得以成立。     

多孔介质催化燃烧特性的数值分析

采用Deutschman甲烷/空气/铂氧化表面反应机理,气相反应采用GRI3.0机理,基于体积平均的双温度模型,对Pt催化的甲烷/空气在多孔介质燃烧器内的预混燃烧进行一维数值模拟,并与惰性多孔介质内预混燃烧结果进行比较.数值研究结果表明,有催化时,多孔介质内火焰面前移,且随着进口质量流率增大,火焰面前移更明显.催化使得多孔介质内温度分布更均匀,反应区内的最高温度亦低于惰性多孔介质过滤燃烧的最高值.催化剂的引入还可缩小燃烧器尺寸,有效降低污染物的排放.     

具有超薄厚度的多孔介质中非定常的Stokes流的均匀化

主要研究了在三维的多孔介质中具有超薄厚度的多孔介质中非定常的Stokes流的均匀化。经过细致的分析,我们最后论证了当流体区域的厚度充分小时,流体的运动状态满足平面流中的“达西定律”。