Экспериментальное исследование медленной релаксации скорости звука в карбонатной породе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты комплексных исследований явления медленной релаксации скорости звука в структурно-неоднородных материалах после вибрационного воздействия конечной амплитуды деформаций. Результаты получены на созданной для этих исследований экспериментальной установке, обеспечившей высокую точность измерений линейных и нелинейных акустических характеристик различных материалов. Приведены результаты экспериментального исследования релаксации в карбонатной горной породе, представляющей собой структурно-неоднородный материал со сложной системой внутренних связей. Измерения позволили определить зависимости параметров релаксации от амплитуды и времени возбуждения, а также эффекты, обусловленные конечной амплитудой зондирующей волны. Дана интерпретация полученных результатов и отмечены эффекты, не получившие исчерпывающего объяснения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Лебедев

Институт прикладной физики РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: swan@appl.sci-nnov.ru
Россия, Нижний Новгород

С. А. Манаков

Институт прикладной физики РАН

Email: manakovsergej@mail.ru
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Руденко О.В. Гигантские нелинейности структурно-неоднородных сред и основы методов нелинейной акустической диагностики // Успехи физ. наук. 2006. Т. 176. № 1. С. 77–95.
  2. Guyer R.A., Johnson P.A. Nonlinear mesoscopic elasticity: evidence for a new class of materials // Physics Today. 1999. V. 52. № 4. P. 30–36.
  3. Ostrovsky L.A., Johnson P.A. Dynamic nonlinear elasticity in geomaterials // Rivista del Nuovo Cimento. 2001. V. 24. № 7. P. 1–46.
  4. Guyer R.A., Johnson P.A. Nonlinear mesoscopic elasticity: the complex behaviour of rocks, soil, concrete. Wiley-VCH. 2009. 410p.
  5. Van Den Abeele K., Johnson P.A., Sutin A.M. Non-linear Elastic Wave Spectroscopy (NEWS) techniques to discern material damage. Part I: Non-linear Wave Modulation Spectroscopy // Res. Nondestr. Eval. 2000. V. 12. № 1. P. 17–30.
  6. Van Den Abeele K., Sutin A.M., Carmeliet J., Johnson P.A. Micro-damage diagnostics using nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS) // NDT&E International. 2001. V. 34. P. 239–248.
  7. Sclerandi M., Agostini V., Delsanto P.P., Van Den Abeele K., Johnson P.A. Local interaction simulation approach to modeling nonclassical nonlinear elastic wave behavior in solids // J. Acoust. Soc. Am. 2003. V. 113. № 6. P. 3049–3059.
  8. Johnson P., Sutin A.M. Slow dynamics and anomalous nonlinear fast dynamics in diverse solids // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 117. № 1. P. 124–130.
  9. Lebedev A.V., Ostrovsky L.A. A unified model of hysteresis and long-time relaxation in heterogeneous materials // Acoust. Phys. 2014. V. 60. № 5. P. 555–561.
  10. Авербах В.С., Лебедев А.В., Марышев А.П., Таланов В.И. Наблюдение эффектов медленной динамики в неконсолидированных средах в натурных условиях // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 2. С. 208–215.
  11. Lebedev A.V. Slow time phenomena in heterogeneous materials: from microscopic fluctuations to macroscopic relaxation // Acoust. Phys. 2023. V. 69. № 1. P. 58–73. [Open Access article].
  12. TenCate J.A., Shankland T.J. Slow dynamics in the nonlinear elastic response of Berea sandstone // Geoph. Res. Lett. 1996. V. 23. № 21. P. 3019–3022.
  13. TenCate J.A., Smith E., Guyer R. Universal slow dynamics in granular solids // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. № 5. P. 1020–1023.
  14. Миронов М.А., Шеломихина И.А., Зозуля О.М., Есипов И.Б. Медленная кинетика вязкоупругих свойств нефти при низкочастотных сдвиговых колебаниях // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 1. С. 132–140.
  15. Коробов А.И., Одина Н.И., Мехедов Д.М. Влияние медленной динамики на упругие свойства материалов с остаточными и сдвиговыми деформациями // Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 4. С. 438–444.
  16. Есипов И.Б., Зозуля О.М., Миронов М.А. Медленная кинетика нелинейности вязкоупругих свойств нефти при сдвиговых колебаниях // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 2. С. 166–172.
  17. Авербах В.С., Бредихин В.В., Лебедев А.В., Манаков С.А. Нелинейная акустическая спектроскопия карбонатной горной породы // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 3. С. 323–336.
  18. Brenguier F., Campillo M., Hadziioannou C., Shapiro N., Nadeau R., Larose E. Postseismic relaxation along the San Andreas fault at Parkfield from continuous seismological observations // Science. 2008. V. 321. 5895. P. 1478–1481.
  19. Ostrovsky L., Lebedev A., Riviere J., Shokouhi P., Wu C., Stuber Geesey M.A., Johnson P.A. Long-time relaxation induced by dynamic forcing in geomaterials // J. of Geophys. Res.: Solid Earth. 2019. V. 124. № 5. P. 5003–5013.
  20. Averbakh V.S., Bredikhin V.V., Lebedev A.V., Manakov S.A. Acoustic spectroscopy of fluid saturation effects in carbonate rock // Acoust. Phys. 2010. V. S56. P. 794–806.
  21. Lebedev A.V., Bredikhin V.V., Soustova I.A., Sutin A.M., Kusunose K. Resonant acoustic spectroscopy of microfracture in a Westerly granite sample // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. B10. P. EPM11(1–12).
  22. Horowitz P., Hill W. The art of electronics. Cambridge University Press. 3-rd edition. 2015. 1192 p.
  23. Massarotto M., Carlosena A., López-Martn A.J. Two-stage differential charge and transresistance amplifiers // IEEE Trans. on Instr. and Meas. 2008. V. 57. № 2. P. 309–320.
  24. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 2001. 560 с.
  25. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1967. 295 с.
  26. Winkler K.W., Xingzhou L. Measurements of third-order elastic constants of rocks // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. № 3. P. 1392–1398.
  27. Блехман И.И., Лавендел Э.Э., Гончаревич И.Ф. Поведение сыпучих тел под действием вибрации / Вибрации в технике. Т. 4. Глава III. М.: Машиностроение, 1981. С. 78–98.
  28. Авербах В.С., Лебедев А.В., Манаков С.А., Бредихин В.В. Новый метод акустических исследований сыпучих материалов. Предварительные результаты // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2013. Т. 56. № 3. С. 149–172.
  29. Ostrovsky L., Lebedev A., Manakov S., Rivière J., Shokouhi P., Guyer R., Stuber Geesey M., Johnson P. Nonlinear relaxation in geomaterials: New results // Proc. Mtgs. Acoust. (POMA). 2018. № 34. P. 032002 (5 pages).
  30. Johnson P.A., Zinszner B., Rasolofosaon P., Cohen-Tenoudji F., Abeele K.V.D. Dynamic measurements of the nonlinear elastic parameter A in rock under varying conditions // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. B02202.
  31. Lawn B. Fracture of brittle solids. Cambridge Univ. Press. Second edition. 1993. 378 p.
  32. Мерер Х. Диффузия в твердых телах. Долгопрудный: Из-во “Интеллект”, 2011. 536 с.
  33. Estrin Y., McCormic P.G., Street R. A phenomenological model of magnetisation kinetics // J. Phys.: Condens. Matt. 1989. V. 1. P. 4845–4851.
  34. Shokouhi P., Rivière J., Guyer R.A., Johnson P.A. Slow dynamics of consolidated granular systems: Multi-scale relaxation // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 111. P. 251604(1–4).
  35. Kober J., Kruisova A., Scalerandi M. Elastic slow dynamics in polycrystalline metal alloys // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 8631.
  36. Абрамовиц М., Стиган И. Справочник по специальным функциям с формулами графиками и математическими таблицами. Глава 5: Интегральная показательная функция и связанные с ней функции. С. 55–79. М.: Наука, 1979.
  37. Israelachvili J.N. Intermolecular and surface forces. Academic press, N.Y., 1992. 450 p.
  38. Scalerandi M., Mechri C., Bentahar M., Di Bella A., Gliozzi A.S., Tortello M. Experimental evidence of correlations between conditioning and relaxation in hysteretic elastic media // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 12. P. 044002.
  39. Mavko G., Mukeji T., Dvorkin J. The Rock Physics Handbook. Tools For Seismic Analysis in Porous Media. Cambridge University Press. MA. 2-nd edition. 2009. 524 p.
  40. O’Connell R.J., Budiansky B. Seismic velocities in dry and saturated cracked solids // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. № 35. P. 5412–5426.
  41. Beresnev I.A., Johnson P.A. Elastic-wave stimulation of oil production: A review of methods and results // Geophysics. 1994. V. 59. № 6. P. 1000–1017.
  42. Сердюков С.В., Курленя М.В. Механизм стимуляции добычи нефти сейсмическими полями малой интенсивности // Акуст. журн. 2007. Т. 53. № 5. С. 703–714.
  43. Beresnev I.A., Vigil R.D., Li W., Pennington W.D., Turpening R.M., Iassonov P.P., Ewing R.P. Elastic waves push organic fluids from reservoir rock // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. P. L13303(1–5).
  44. Авербах В.С., Власов С.Н., Заславский Ю.М. Движение капли жидкости в капилляре под действием статического и акустического полей // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2000. Т. 43. № 2. С. 155–161.
  45. Лебедев А.В. Нелинейный релаксационный механизм генерации шума фильтрации в пористых средах // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2018. Т. 61. № 4. С. 343–357.
  46. Лебедев А.В. Численное моделирование шума фильтрации // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2020. Т. 63. № 2. С. 155–171.
  47. Лебедев А.В. Сравнение теории с результатами измерений шума фильтрации флюида в пористой среде // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 5. С. 530–542.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) – Внешний вид экспериментальной установки, (б) – крупным планом показан образец с акустическими преобразователями (IR – инфракрасный датчик температуры).

Скачать (383KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Воспроизводимость данных и изменчивость условий проведения измерений.

Скачать (423KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Измеренные кривые релаксации возмущений δf и δη при различных амплитудах и длительности возбуждения.

Скачать (446KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости δη(lnt) для 4-х амплитуд возбуждения.

Скачать (94KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость δf(0) от амплитуды возбуждения εp.

Скачать (67KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость δf(0) от времени при фиксированной амплитуде возбуждения εp. В верхней правой части показаны зависимости от времени величин δf(t) и δTir(t) для максимального времени возбуждения в серии измерений.

Скачать (212KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Измеренные кривые релаксации возмущений δf при фиксированной амплитуде εp = 1.5 × 10–6 и изменяющейся длительности возбуждения tp (значения указаны на графике).

Скачать (172KB)
Метаданные
9. Рис. 8. (а) – Характеристики релаксации δf(t) при фиксированной амплитуде возбуждения εp = 1.56 × 10–6 и длительности 30 мин для различных амплитуд зондирующей волны εz (величины показаны на графике). (б) – Зависимость возмущения δffin в области насыщения от величины.

Скачать (232KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Изменение скорости релаксации с ростом εz.

Скачать (70KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024