裂隙诱导弹性波传播各向异性机理及应用

摘要

地表岩石往往是孔隙、裂隙并存的双孔介质。裂隙作为一种复杂的空间结构，大量存在于致密砂岩、碳酸盐岩等天然裂缝储层岩石中，并且在应力场的作用下，裂隙分布具有方向性，从而造成地层呈现各向异性。 地层裂隙发育又使得油、气、水等孔隙流体的流通性大大加强，而孔隙、裂隙间流体的局部流动会显著影响介质的弹性性质和弹性波传播。Dvorkin和Nur指出，孔隙尺度上“局部流动”效应会造成岩石中弹性波速度相当可观的频散和衰减。唐晓明将 Biot理论与挤喷流机制统一起来，提出了“含孔隙、裂隙介质的双孔介质统一理论”，该理论也很好地解释波在实际岩石中的衰减和频散。因此研究裂隙分布及其充填流体挤喷效应对于裂隙介质弹性参数与弹性波传播的影响具有重要意义。 应力场是造成裂隙介质各向异性的本质因素，因此文章首先研究应力模型，即裂隙随机分布的各向同性岩石模型，受到单轴应力作用，垂直应力方向的缝隙优先闭合，使得岩石呈现出横向各向异性。前人对干燥岩石中应力引起的弹性波速度各向异性开展了大量研究，但未考虑充填流体对于介质弹性性质和弹性波传播的影响。在文章研究中，利用硬币形裂隙模型，同时考虑挤喷流和应力诱导各向异性的影响，我们建立了应力作用下含流体岩石各向异性模型。基于文章的模型，我们研究了裂隙介质中单轴应力和充填流体对弹性波传播的影响。我们的模型成功预测了弹性波速度随应力的增加，同时表明了挤喷流造成纵波的各向异性频散更显著。 应力最终会造成地层裂隙定向分布，使得岩石介质呈现各向异性。因此文章还对应力作用下定向分布的裂隙模型进行了研究。在文章研究中，我们将 Hoenig 复合介质的各向异性理论与孔隙、裂隙间的挤喷流机制相结合，将Thomsen模型推广至全频段，建立了弹性参数的频率响应关系，并且模拟和研究了裂隙定向分布介质中弹性波传播的频散特征和衰减特征。我们将推广模型应用于实验弹性波各向异性测量数据，较准确地模拟了实验数据的变化规律，并且可以对于实验现象给出合理的解释。

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