多尺度随机裂缝岩石的力学性质及弹性波场特征研究

裂缝型岩石是煤炭、煤层气、油气勘探的主要对象，是广泛存在并具有代表性的非均匀地质体，研究它的力学性质具有很强的应用背景和重要的学术价值。确定不规则地质体的计算模型时需要考虑大量的不确定性参数，必须采用随机介质模型理论。但常用的连续随机介质模型不能合理地解释由小尺度裂缝、孔隙等产生的散射波。在研究裂缝型岩石中波场特征时，最为关键的是要确定介质的宏观弹性参数，但目前的模型大都把含裂缝的非均匀介质等效为理想的连续均匀介质，不能对介质的宏观特性给出定量的解释，从而很难把模型结果与测井数据相结合。本项目旨在建立具有明确物理意义的非均匀随机散射元模型，考虑实际裂缝的多尺度分布，从微观到宏观尺度上定量研究裂缝特征参数在空间分布上的改变对波传播特性的影响。改进现有的非均匀介质中的边界元法程序，使其能将随机介质模型的微观参数与裂缝岩石的宏观力学性质联系起来。

完成了改进后的非均匀介质中的边界元法数值模拟程序，使其能将裂缝介质模型的微观参数与裂缝岩石的宏观特性直接联系起来；用改进后的边界元程序模拟了裂缝岩石中地震波的传播特性，研究了含裂缝介质的微观参数（如取向、裂缝密度、纵横比、填充物等）在空间分布上的改变对波传播特性的影响，探索了Hudson理论中裂缝微观特征参数的适用范围及其局限性。结果表明，波长和裂缝特征尺度的比值是等效介质理论是否成立的一个重要因素；纵波衰减因子随裂缝密度的变化幅度比纵波传播速度变化的幅度大。. 建立了多尺度孔隙岩石弹性理论模型，该模型考虑了孔隙和裂缝之间的流体流动以及裂缝尺度的影响。数值结果显示，地震频带内发生了频率相关即频散现象，P波速度的频散和衰减至少在两个数量级的频率范围内都很重要。. 提出了裂缝岩石中具有明确物理意义的非均匀体统计分布的随机散射元模型，确立了随机模型中微观参数与裂缝介质的宏观力学性质之间的联系。数值模拟结果表明，选择合适的模型参数可以产生能够描述实际复杂孔隙介质的各种随机多尺度孔隙岩石模型。