Распространение сейсмических волн в микронеоднородных средах при контактных взаимодействиях элементарных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат физико-математических наук Сибиряков, Егор Борисович
- Специальность ВАК РФ25.00.10
- Количество страниц 83
Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сибиряков, Егор Борисович
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН В ОДНОМЕРНЫХ ЦЕПОЧКАХ,
ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ПО ЗАКОНУ ГЕРЦА.
1.1. Анализ длинноволнового приближения для одномерной цепочки сферических гранул.
1.2. Отражение волн на границе двух «звуковых вакуумов».
1.3. Выводы.
Глава 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН В ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ
ОТЛОЖНИЯХ.
2.1. Слабые волны в песках.
2.1.1. Основные направления предшествующих исследований по теме.
2.1.2. Теоретическая часть.
2.1.3. Эксперимент.
2.2. Распространение волн малой амплитуды в глинах.
2.3. Волны конечной амплитуды в песках.
2.4. Выводы.
Глава 3. СЛАБЫЕ ВОЛНЫ В КОНСОЛИДИРОВАННЫХ СРЕДАХ.
3.1. Постановка и решение задачи.
3.2. Выводы.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», 25.00.10 шифр ВАК
Особенности взаимодействия многофазных микроструктурированных сред с акустическими и электрическими полями2009 год, кандидат физико-математических наук Подбережный, Максим Юрьевич
Моделирование неоднородностей конструкционных материалов в задачах ультразвуковой дефектоскопии2002 год, кандидат технических наук Ромашкин, Сергей Владимирович
Гиротропия микронеоднородных сред диссимметричного строения1998 год, кандидат физико-математических наук Чичинина, Татьяна Иннокентьевна
Математические модели распространения плоских сейсмических волн в нелинейных упругих и флюидо-насыщенных средах2007 год, доктор физико-математических наук Гурьянов, Вадим Владимирович
Прогнозирование макроскопических свойств пьезоактивных композитов стохастической структуры1984 год, кандидат физико-математических наук Лещенко, Петр Викторович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Распространение сейсмических волн в микронеоднородных средах при контактных взаимодействиях элементарных объектов»
Объектом исследований является зависимость распространения сейсмических волн в микронеоднородных средах от структуры и контактных взаимодействий элементарных объектов, составляющих среду.
Актуальность темы определяется тем, что объекты, содержащие поры и трещины, заполненные флюидами {контрастные микронеоднородные среды, то есть такие, в которых перепад физико-механических свойств хотя бы по одному параметру составляет многие порядки), являются очень перспективными с точки зрения обнаружения в них залежей углеводородов. Кроме того, микронеоднородные среды необходимо изучать с точки зрения прогноза устойчивости напряжённого состояния и возникновения природных и техногенных катастроф. Теория микронеоднородных сред в большой степени несовершенна: задача об установлении связей между макро- и микропараметрами изотропной среды решалась либо в одномерном случае, что выявило качественное несоответствие реальной среды какой-либо одномерной цепочке, либо для конкретной правильной упаковки (что приводит к появлению анизотропии в изотропной среде). Дальнейшее развитие этой теории соискатель связывает с учётом влияния микроструктуры на параметры излучаемых волн, что открывает перспективы дистанционного определения геометрии микроструктуры пористых и трещиноватых тел по сейсмическим данным, а также выяснению зависимости скоростей продольных и поперечных волн от контактного взаимодействия зёрен, составляющих породу.
Цель исследований. На основе рассмотрения контактного взаимодействия и некоторых процедур осреднения построить модель распространения волн в средах с микроструктурой, в которой все макропараметры среды выражались бы через микропараметры, которые возможно определить в лаборатории.
Основная задача исследований - определить зависимость параметров волн в микронеоднородных средах от микроструктуры среды и законов взаимодействия на контактах для песков, изотропных глин сотовой структуры и консолидированных сред. Поставленная задача решалась в 3 этапа:
1) разработка процедуры осреднения, связывающей свойства изотропной среды с микроструктурой и контактным взаимодействием составляющих её объектов;
2) получение (в двухмерном случае) основных уравнений движения микронеоднородных сред на основе рассмотрения физики взаимодействия отдельных частиц друг с другом и использования процедуры осреднения;
3) определение качественных и количественных различий процессов распространения волн в микроструктурных средах и их континуальных моделях на основе исследования этих уравнений.
Фактический материал и методы исследований. Теоретической основой исследований является рассмотрение сил, действующих на контактах зёрен (закон Герца, законы электростатики), процедура осреднения, предложенная соискателем, длинноволновое приближение, замена разностных операторов дифференциальными (корректность которой связана с длинноволновым приближением), метод нахождения решений слабо нелинейных уравнений в первом приближении, сопоставление полученных результатов с опытом и данными физического моделирования. Измерение скоростей распространения продольных волн в слабосвязных сыпучих средах подтверждают предложенную теоретическую модель. Основные защищаемые результаты.
1. Разработан и теоретически обоснован новый подход к выводу динамических уравнений равновесия микронеоднородной дискретно построенной среды, учитывающий параметры микростуктуры, (средний диаметр зерен, среднее число контактов, пористость, закон взаимодействия на контакте). Построена теоретическая модель распространения волн в изотропной микронеоднородной среде.
2. Предложены механизмы затухания плоских продольных и поперечных волн, распространяющихся в структурированной слабосвязной среде, качественно различные для продольных и поперечных волн: при распространении плоской поперечной волны происходит переизлучение части энергии в продольные колебания частиц среды, а при распространении продольной волны излучения поперечных волн не происходит. Коэффициент затухания при этом пропорционален первой степени частоты.
3. Теоретически получено отношение скоростей продольных и поперечных волн (y-Cs/Cp) для глин сотовой структуры (на основе электростатического взаимодействия зёрен и процедуры осреднения), что подтверждается экспериментальными данными.
4. Объяснен характер зависимости скорости продольных волн для металлов (падает с ростом плотности) и консолидированных горных пород (неметаллов) - обратное соотношение.
Научная новизна и личный вклад.
1. Разработана процедура осреднения сил, действующих на случайную частицу, которая заключается в представлении микронеоднородной среды в виде набора одинаковых мезоструктур с хаотичной ориентацией. Осреднение при этом происходит по всем возможным ориен-тациям мезоструктуры. При помощи этой процедуры получены уравнения, описывающие волновые процессы в неодномерных микронеоднородных средах на основе физики контактного взаимодействия отдельных частиц друг с другом.
2. Выведены выражения для скоростей распространения продольных и поперечных волн в зависимости от микроструктуры и интегрально-геометрических характеристик среды и внешнего давления.
3. Разработана методика проведения экспериментов по изучению волновых процессов в сыпучих гранулированных средах. Теоретическая часть работы (главы 2-4), а также численное исследование распространения солитонов в одномерных цепочках и сравнение полученных результатов с экспериментом (глава 1) выполнена соискателем лично. Эксперименты по определению зависимости скорости распространения продольных волн в песках от диаметра зерна (глава 2) были проведены совместно с В.А. Куликовым. Практическое значение:
1) получение дополнительной информации о среде при использовании сейсмических методов разведки и скважинных сейсмических исследованиях;
2) оптимизация условий излучения сейсмических волн, возбуждаемых взрывами;
3) обоснование подобия физических явлений в натуре и лабораторной модели (создать в лабораторных условиях давления, соответствующие глубинам в несколько километров, возможно только в небольших объёмах, а потребности полноценного моделирования физических процессов в лаборатории требуют значительно больших объёмов, следовательно, возникает необходимость пересчёта кинематических и динамических характеристик поля при небольших давлениях в аналогичные характеристики, соответствующие реальным геологическим пластам). 9
Апробация работы и публикации.
Основные положения данной работы докладывались на следующих российских и международных конференциях: Международном семинаре «Акустика неоднородных сред» IV (Новосибирск, 1994), Международном семинаре «Акустика неоднородных сред» VII (Новосибирск, 2000), Международной геофизической конференции EAGE 61 (Амстердам 2001), Международной конференции молодых учёных, специалистов и студентов «Геофизика 2001» (Новосибирск, 2001), Международном семинаре «Акустика неоднородных сред» VIII (Новосибирск, 2002).
По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Работа выполнена в Лаборатории многоволновой сейсморазведки Института геофизики СО РАН и проведена в соответствии с планом НИР.
Автор благодарит за полезные обсуждения и консультации к.т.н. В.А. Куликова, д.ф.-м.н. Б.П. Сибирякова, акад. С.В. Гольдина.
Структура и объём диссертации.
Диссертация содержит 83 стр. текста, 13 рисунков.
Похожие диссертационные работы по специальности «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», 25.00.10 шифр ВАК
Возбуждение, распространение и трансформация сейсмоакустических волн на границе раздела газообразной и твердой сред.2012 год, доктор физико-математических наук Разин, Андрей Владимирович
Статическое и динамическое деформирование сред с внутренней структурой2020 год, доктор наук Сибиряков Егор Борисович
Математические модели упругих и тепловых свойств микронеоднородных и анизотропных сред2001 год, кандидат физико-математических наук Тертычный, Владимир Васильевич
Исследование стохастических композитов с нелинейными и анизотропными свойствами компонентов1983 год, доктор физико-математических наук Маслов, Борис Петрович
Движения с плоскими волнами в предварительно деформированной упругой среде1983 год, кандидат физико-математических наук Свешникова, Елена Ивановна
Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Сибиряков, Егор Борисович
3.2 Выводы
1. Предложен новый метод вывода уравнений движения волн в консолидированных средах, который не использует традиционное уравнение состояния, а базируется на учёте взаимодействия между собой зёрен, составляющих породу.
2. Определена зависимость скоростей продольных и поперечных волн в консолидированных средах от параметров микроструктуры среды.
3. Предложено объяснение различия динамических и статических упругих модулей в консолидированных средах.
4. Предложено объяснение зависимости скорости продольных волн для неметаллов (растёт с ростом плотности) и для металлов (обратное соотношение).
5. Показана возможность оценки некоторых петрофизических свойств консолидированных материалов по сейсмическим данным, и наоборот, по петрофизическим свойствам можно оценивать сейсмические данные.
79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Преимуществом выполненного исследования является возможность все макропараметры среды выразить через микропараметры, которые могут быть измерены в лаборатории. Это позволяет:
- вывести уравнения движения микронеоднородной дискретно построенной среды, учитывая параметры микростуктуры (средний диаметр зерен, среднее число контактов, пористость);
- установить связь между упругими константами среды (Vp, Vs), коэффициентом затухания, и параметрами текстуры;
- теоретически обосновать явление трансформации ударных волн в непрерывные импульсы сжатия в достаточно широком диапазоне деформаций;
- обосновать гидростатичность деформирования среды при сильных нагрузках (что приводит к неодновременности процессов излучения Р и S волн взрывами, и различию их преобладающих частот);
- предложить объяснение различия динамических и статических упругих модулей в зернистых консолидированных средах.
Целесообразно использовать полученные результаты для:
- обоснования подобия при физическом моделировании волновых процессов, происходящих на больших глубинах (если максимальные внешние давления, которые можно создать в лабораторной установке, меньше давлений в реальных нефтегазоносных пластах, можно проводить измерения в лаборатории, а затем определять коэффициенты пересчёта);
- определения соотношений между интегрально-геометрическими характеристиками среды по результатам измерения скоростей продольных и поперечных волн в случае, когда петрофизичекие измерения недоступны;
- выбора наиболее оптимальных условий при возбуждении сейсмических волн взрывами.
Дальнейшее совершенствование подходов к решению задач, рассмотренных в работе, можно проводить по четырём направлениям:
1) на основе предложенного подхода разработать процедуру осреднения трёхмерных микронеоднородных сред;
2) теоретически найти зависимость среднего числа контактов от приложенных нагрузок;
3) экспериментально определить для широкого класса сред константы межзерновых взаимодействий, которые лежат в основе моделей деформирования консолидированных сред и подробно описаны в главе
3;
4) более точно учесть условия стеснённого деформирования в случае произвольного напряжённого состояния (с использованием уравнений теории упругости).
Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сибиряков, Егор Борисович, 2002 год
1. Нестеренко В.Ф. Импульсное нагружение гетерогенных материалов. Новосибирск: Наука, 1992, 200с.
2. Нестеренко В.Ф. Распространение нелинейных импульсов сжатия в зернистых средах // ПМТФ, 1983, №5, С. 136 148.
3. Кунин И.А. Теория упругих сред с микроструктурой. М.: Наука, 1975, 202 с.
4. Лазариди А.Н., Нестеренко В.Ф. Обнаружение уединённых волн нового типа в одномерной зернистой среде // ПМТФ. 1985. №3. С. 115-118.
5. Нестеренко В.Ф., Лазариди А.Н., Сибиряков Е.Б. Распад солитона на контакте двух «звуковых вакуумов» // ПМТФ. 1995. №2. С. 19 22.
6. Ляхов Г.М. Волны в грунтах и пористых многокомпонентных средах. М.: Наука, 1982, 288с.
7. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Стройиздат, 1981, 319с.
8. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука, 1977, 400с.
9. J. Duffy and R.D. Mindlin. J.Appl.Mech., 24, 1957, p.585-593
10. F. Gassman. Geophsics, 16, 1951, p.673-679
11. П.БеляеваИ.Ю., ЗайцевВ.Ю., Островский JI.A. Нелинейныеакустоупругие свойства зернистых сред. // Акустический журнал, 1993, Т.39, №1, С.25-32.
12. Зайцев В.Ю. Численное моделирование упругих нелинейных свойств зернистых сред с неидеальной упаковкой. // Акустический журнал, 1995, Т.41, №3,0.439-445.
13. Назаров В.Е., Колпаков А.Б., Зайцев В.Ю. Параметрическая генерация акустических видео импульсов в речном песке. // Динамика сплошной среды. Выпуск 115. Акустика неоднородных сред. Новосибирск 1999. ISSN 0420-0497, с.106-111.
14. Куликов В.А., Сибиряков Е.Б., Егоров Г.В. Распространение волн деформаций в субоднородных слабосвязных сыпучих средах. // Динамика сплошной среды. Выпуск 117. Акустика неоднородных сред. Новосибирск 2001. ISSN 0420-0497, с.139-145.
15. Е.В. Sibiriakov and V.A. Kulikov. Investigation of elastic waves in models of sands sediments. // EAGE 63rd Conference & Technical Exhibition Amsterdam, The Netherlands, 11-15 June 2001, P004
16. Сибиряков Е.Б. Распространение слабых волн в песчано-глинистых отложениях. // Труды школы-семинара «Физика нефтяного пласта». Новосибирск 2002. С.86-95.
17. Сибиряков Е.Б. Распространение слабых волн в песчано-глинистых отложениях. Геофизический вестник, М. 2002, №1, С 7-10.
18. Сибиряков Е.Б. Распространение волн в песчано-глинистых отложениях. // Международная конференция молодых учёных, специалистов и студентов «Геофизика 2001». Тезисы докладов. Новосибирск, 2001, С. 137-140.
19. Коган С.Я. Известия АН СССР, Физика Земли, 1966, №№11,12.
20. Knopoff, McDonald J.Geophys.Res., 65, №7, 1960.
21. Нерпин C.B., Чудновский А.Ф. Физика почвы. М.: Наука, 1967. -583с.
22. Сейсмическая разведка методом поперечных и обменных волн. / Пу-зырёв Н.Н., Тригубов А.В., Бродов Л.Ю., и др. М.: Недра, 1985. -277с.
23. Кобранова В.Н. Петрофизика. Учебник для вузов. М.: Недра, 1986, 392с.
24. Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232с.
25. Сибиряков Е.Б. Распространение волн в консолидированных средах. // Труды школы-семинара «Физика нефтяного пласта». Новосибирск 2002. С.80-86.
26. Белл Ф. Дж. Экспериментальные основы механики деформируемых твёрдых тел. Часть 1. Малые деформации. М.: Наука, 1984, 600с
27. Усманов Ф.А. Основы математического анализа геологических структур. Ташкент: Издательство АНУзССР, 1977, 205с.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.