Nonlinear Mesoscopic Elasticity: Evidence for a New Class of Materials

Guyer, R. A.; Johnson, Paul A.

doi:10.1063/1.882648

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“…In effect, in moderately pressuredependent porous media Biot-Gassmann equations still roughly holds, but all the coefficients now depend on the pressure level. First of all, the pressure dependence of the grain constituent modulus is negligible compared to that induced by other constituents (i.e., fluid content, pores...) (Guyer and Johnson, 1999;Johnson and Rasolofosaon, 1996;Rasolofosaon and Yin, 1996). Beside the major role of the compliant features (e.g., grain-to-grain contacts, lowaspect-ratio cracks, joints...), omnipresent in rocks, in the pressure dependence of the velocities, the contribution of the nonlinearity of the saturating fluid must not be neglected.…”

Section: Figurementioning

confidence: 99%

Experimental Verification of the Petroelastic Model in the Laboratory – Fluid Substitution and Pressure Effects

Rasolofosaon

Zinszner

2012

Oil Gas Sci. Technol. – Rev. IFP Energies nouvelles

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Ce modèle doit prendre en compte à la fois les effets de substitution de fluides et les effets de variation de pression sur les paramètres sismiques mesurés (vitesses, impédances). Cet article décrit une vérification expérimentale au laboratoire de ce modèle. Concernant les effets de substitution de fluides, le modèle de Biot-Gassmann est le plus utilisé. Ce modèl considère que le module de cisaillement est indépendant de la nature du fluide saturant, quand celui-ci est non visqueux, et relie les variations des modules d'incompressibilité de la roche due à la substitution de fluides aux paramètres du milieu poreux et des fluides saturants. La validation expérimentale, portant donc sur les deux aspects, montre sur un échantillonnage varié de grès et de calcaires poreux que le module de cisaillement de la roche est indépendant du fluide saturant peu visqueux. Cette indépendance est vérifiée, même dans le cas de fluides visqueux (viscosité inférieure à 10 4 cP), si la pression différentielle est élevée (fermeture des microfissures) ; l'écart entre le module d'incompressibilité mesuré et calculé est toujours faible ; le module d'incompressibilité des cristaux formant une roche monominérale (calcaire, grès propre) déduit de la formule de Gassmann est proche des valeurs données dans la littérature pour ces minéraux ; lors de mesures sous une même pression différentielle, mais avec des pressions de pore différentes, les écarts observés sur les modules d'incompressibilité sont comparables à ceux prévu par la formule de BiotGassmann en prenant en compte la variation du module d'incompressibilité du fluide saturant sous l'effet de la pression de pore (non linéarité). Ces trois dernières observations convergent vers la validation de la formule de Biot-Gassmann pour le module d'incompressibilité. Concernant les effets de pression, le paramètre pertinent est la pression différentielle P diff = P c -P p , c'est-à-dire la différence entre la pression de confinement P c et la pression de pore P p . Plus précisément, nous démontrons que les vitesses des ondes P et S dépendent uniquement de la pression différentielle P diff , et non individuellement des pressions P c et P p . Cette pression, en contribuant à fermer les micro-défauts mécaniques (contacts entre grains, microfissures), a des conséquences très variables sur les vitesses et les atténuations, suivant l'abondance relative de ces micro-défauts. Les roches calcaires, quelle que soit la pression, sont souvent très peu sensibles à cet effet, à cause de la facilité avec laquelle le carbonate cimente les micro-défauts. Les grès consolidés sont souvent sensibles à la pression différentielle et les roches inconsolidées (sables) très sensibles. La relation Vitesse vs P diff est généralement du type loi puissance et l'exposant de cette relation est un excellent moyen de quantifier la sensibilité d'une roche à la pression.

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Section: Figurementioning

confidence: 99%

Experimental Verification of the Petroelastic Model in the Laboratory – Fluid Substitution and Pressure Effects

Rasolofosaon

Zinszner

2012

Oil Gas Sci. Technol. – Rev. IFP Energies nouvelles

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“…This nonlinearity is primarily due to the microstructure of the rocks. 2,3 An understanding of this microstructure is increasingly important for subsurface exploration. This study aims to characterize the nonlinearity of rocks in a laboratory scale experiment with a configuration that mimics a potential field scenario.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Characterizing the nonlinear interaction of S- and P-waves in a rock sample

Gallot

Malcolm

Szabo

et al. 2015

Journal of Applied Physics

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The nonlinear elastic response of rocks is known to be caused by the rocks' microstructure, particularly cracks and fluids. This paper presents a method for characterizing the nonlinearity of rocks in a laboratory scale experiment with a unique configuration. This configuration has been designed to open up the possibility of using the nonlinear characterization of rocks as an imaging tool in the field. In our experiment, we study the nonlinear interaction of two traveling waves: a low-amplitude 500 kHz P-wave probe and a high-amplitude 50 kHz S-wave pump in a room-dry 15 Â 15 Â 3 cm slab of Berea sandstone. Changes in the arrival time of the P-wave probe as it passes through the perturbation created by the traveling S-wave pump were recorded. Waveforms were time gated to simulate a semi-infinite medium. The shear wave phase relative to the P-wave probe signal was varied with resultant changes in the P-wave probe arrival time of up to 100 ns, corresponding to a change in elastic properties of 0.2%. In order to estimate the strain in our sample, we also measured the particle velocity at the sample surface to scale a finite difference linear elastic simulation to estimate the complex strain field in the sample, on the order of 10 À6 , induced by the S-wave pump. We derived a fourth order elastic model to relate the changes in elasticity to the pump strain components. We recover quadratic and cubic nonlinear parameters:b ¼ À872 and d ¼ À1:1 Â 10 10 , respectively, at room-temperature and when particle motions of the pump and probe waves are aligned. Temperature fluctuations are correlated to changes in the recovered values ofb andd, and we find that the nonlinear parameter changes when the particle motions are orthogonal. No evidence of slow dynamics was seen in our measurements. The same experimental configuration, when applied to Lucite and aluminum, produced no measurable nonlinear effects. In summary, a method of selectively determining the local nonlinear characteristics of rock quantitatively has been demonstrated using traveling sound waves. V C 2015 AIP Publishing LLC.

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“…This type of response was first reported for pristine rock and geomaterials by Guyer and Johnson [9]. They predicted that NEWS techniques can also be used for inspection of damaged materials since the characteristic response of damaged materials and geomaterials was similar.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 75%

“…from Los Alamos [9][10][11][12][20][21][22][23]. Van Den Abeele, Guyer and McCall [20] used a phenomenological model to show that for a nonlinear hysteretic material, linear softening (i.e.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%