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1、第九章：岩石声学性质及实验测定方法第九章：岩石声学性质及实验测定方法主讲人: 韩学辉 博士(后) 1 在岩石的物理性质中，声学性质是比较重要的一个。作为重要的测井方法，声速和幅度能够反映储层岩性(骨架矿物、粒度组成)、孔隙性(孔隙度、孔隙结构)、孔隙中流体类型和分布等信息，刻度后能够在储层评价中发挥作用。更为重要的是，作为弹性学参数，它能够评价地层和井筒的弹性力学性作为弹性学参数，它能够评价地层和井筒的弹性力学性质，因此在井壁稳定性质，因此在井壁稳定性(地层破裂压力、出砂地层破裂压力、出砂)、水泥胶结质量、水泥胶结质量等评价中具有其它测井方法无法比拟的优势和特色。等评价中具有其它测井方法无法比
2、拟的优势和特色。 开展岩石的声学性质研究，特别是实验研究，如确定骨架骨架、泥质和流体（油、气、水）的声速、动静力学参数转换关系、泥质和流体（油、气、水）的声速、动静力学参数转换关系等对认识不同特性储层和工程对象的声学性质和测井评价，具有“地质刻度测井”的重要意义。2 动静力学参数转换 二者的概念、区别和联系 动态力学参数指通过声速、密度测量确定的弹性力学参数。 特点：小应力、小形变。 工程应用：通常可用来近似估计动态力学参数。 静态力学参数指通过应力-应变曲线测量确定的弹性力学参数。 特点：大应力、大形变。 工程应用：主要应用于井壁稳定性、如跨塌、出砂预计。 区别：因为岩石并不是理想的弹性体。
3、受力机制不同，力学参数也不同。 联系：二者之间可以有确定的统计关系。3主要内容9.1岩石的声学特性9.2声速和声衰减的定义9.3声速及声衰减实验观测方法脉冲透射法 9.4声速及声衰减实验观测的误差来源9.5有关岩石的声学实验研究的结果及工程应用9.6动静力学参数转换4 弹性：指物体在(有限的)外力作用下发生形变，取消外力后恢复原来状态的性质。 塑性：指物体在外力作用下发生形变，取消外力后不能恢复原来状态的性质。 对应的物体： 弹性体 塑性体 物体的弹性或塑性与物体性质、外力大小、外力作用时间、作用方式等有关。 一般地，小应力、作用时间很短时，物体表现为弹性；大应力、作用时间很长时，物体会表现出
4、塑性。9.1 岩石的声学特性岩石的声学特性9.1.1 岩石的弹性岩石的弹性5岩石的弹性模量杨氏模量: E = (F/A) / (L/L) 应力与应变之比 泊松比: v= - (D/D) / (L/L) 横、纵向应变之比（00.5)切变模量： = （Ft/A）/ (L/L) 切应力与切应变之比体积形变模量： K = P / (V/V) 压力与体积应变之比 69.1.2声波在岩石中的传播特性1)纵波 质点的振动方向与波的传播方向一致的机械波称为纵(P)波，也称压缩波。其速度用Vp表示：2)横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直的机械波称为横(S)波，也称剪切波。其速度用Vs表示：783)纵横波速度
5、比Vp/Vs纵横波速度比只与泊松比有关。 对大多数岩石，泊松比一般在0.25左右，当取为0.25时，有：99.2声速和声衰减的定义9.2.1 声速 声波在介质中传播一段距离以后，会经历一段时间，传播距离 x与所用时间t的比值即为介质的声波速度，记为 单位：1km/s=1000m/s=3280 feet/s 109.2.2声衰减的定义声衰减参数包括:1)衰减系数考虑平面波的情况，假设声波在介质中的传播服从指数规律，在声源处幅度为A0，声波速度为v，假设声衰减情况下有幅度降低A与传播距离成正比，则距声源为x处的声波幅度为： 波数，波长的倒数，f/v圆频率，2f可以作为声衰减的一种量度，表示单位距离
6、上声波能量的损耗，单位：db/m传播时间，x/v频率112)对数衰减 若在声传播路径上距声源 x1，x2的两个位置处的声波幅度为：对数衰减为：单位：Np/m123)品质因子 Q品质因子与衰减系数 的关系为：为每个胁迫振动周期中的能量损失。为一个周期中的峰值能量密度。当 很小，有：波长139.3声速及声衰减实验观测方法脉冲透射法9.3.1声速、声衰减实验观测方法概述方法类型方 法使用频率实现难易观测技术Q值精度驻波振动单 摆低频，几Hz相当容易强迫振荡自由振荡如3Q100，精度5%共 振 杆1kHz10kHz相当容易强迫振荡自由振荡如3Q10%透透 射射500kHz5MHz非常容易升起时间频谱幅
7、度比值10%应力与应变相位差-循环几Hz 几十 Hz困难耗散能量510%相位观测400Hz困难相位差(-)510%声速、声衰减实验观测方法149.3.2脉冲透射法1)利用透射法测定声速和衰减系数的不同技术 利用脉冲透射法测定衰减系数的不同技术 R接收探头S发射探头特点：样品长度小于其直径，从而可认为来自侧面的反射忽略不计。 推荐使用。推荐使用。特点：样品长度与其直径相比非常大，所产生的波非常类似于圆柱杆内的导波。常用。常用。 特点：样品为大型块状，可根据发射器与接收器之间两种不同距离记录信号的比较直接观测衰减系数。不推荐使用。不推荐使用。152)典型的实验观测系统和测量结果脉冲发生器岩样示波器
8、换能器岩石声速、声衰减观测系统示意图波至，确定声速波形,确定幅度和衰减纵波测量结果溶液声速、声衰减观测系统示意图如果需要考虑储层压力条如果需要考虑储层压力条件，可用加压装置对岩样件，可用加压装置对岩样施以围压施以围压(上覆地层压力上覆地层压力)和地层和地层(孔隙孔隙)压力，二者压力，二者差值为有效压力。差值为有效压力。163)声速测量的关键波至时刻的选取对接波至时刻t1穿过岩样后波至t2纵波测量结果 (1)走时的确定 实验室准确测量声速的前提是对距离和传播时间的确定。一般的，介质的长度是确定的，因此对于介质声速的测量，其技术关键在于声波初至点的选取以及传播时间的确定。 使用脉冲透射法进行声速测
9、量时，一般先对接，选择波形的第一个起跳点的下沿作为初至点(零时)，得到时刻t1，然后用相同的方法从穿透试样后的声波波形提取初至点，得到时刻t2，则声波在介质中的传播时间为 t= t- t 当然，传播时间的测量精度会受到诸如电脉冲的长度及形状、探头的特性、接收系统特性等的影响，实验中应该引起注意。17(2)零时的确定：a探头对接；b使用标准块对同种均匀介质，声速一定。因此，测试不同长度试样，走时应与长度正正比。通常，测定两种长度的试样，可以得到两个走时。绘图，延长时间和长度的曲线到时间轴，所得时间值即为对零时间（试样长度为0的时间）。后一种方法在横波速度测量中更有效。常用的标准块为有机玻璃棒或钢
10、棒。lt0l1l2t1t2t018(3)注意问题： 由于容易受到纵波的干扰，横波波至的选取比较困难。 ？横波何时刻到达了。横波来了。19建议做法：建议做法： 测量横波时，需要使用剪切换能器，因此注意其偏振现象。a在测试时，需要调整相互位置，使横波幅度最大，并做记号，测试过程中保持方向的一致性。纵波的压缩性换能器不存在上述问题。幅度剪切换能器的偏振特性20 b加大试样尺寸，尽量减少纵波信号的干扰； c确保良好的耦合条件，端面要平行、光滑，用锡箔纸、脱水蜂蜜做耦合剂。 总的来说，横波速度、衰减的测量误差较大，通常声速误差可达到5%左右，声衰减就更大，一般的实验室甚至没有一般的实验室甚至没有勇气开展
11、横波测量。勇气开展横波测量。两人跑步：甲17.32m/s (P) 乙 10m/s (S)0m10m0.58S1S0m20m1.16S2S= 0.42s= 0.84s特点：特点：走行时间长，波形距离长；纵波能量衰减多，能量更弱。214)声衰减测量方法频谱比法(1)必要性 为了校正或者消除几何发散的影响，提出了频谱比法。(2) 方法实质 其实质是对比尺寸相同的参考样(钢或铝合金)和试样的在不同频率下的振幅谱。R接收探头S发射探头L1L2似乎，按照衰减的定义，可直接测量了？答案是否定的。因为，存在与几何尺寸有关的几何发散。试样钢柱L2DDD22a测量钢块在某一频率探头下的波形，做FFT变换，得到：b
12、测量岩样在某一频率探头下的波形，做FFT变换，得到：时间域的幅度信息-波形与几何发散、反射、透射有关的系数(3)测量步骤：FFT变换频率域的幅度信息-幅度谱通常取12个周期23c假设 与频率 成线性关系，有： d由以上式，有：与频率无关。对于钢或者铝这样的金属，其品质因子大于100000，因此r1近似为0反映试样的品质因子24实际做图时，频率范围需要选取线性段。e由式(3)、(4)，绘图后曲线的斜率应为f当 r2已知后，则可算出：259.4声速及声衰减实验观测的误差来源9.4.1样品尺寸与测试频率的匹配9.4.2耦合条件9.4.3外加荷载9.4.4声学换能器的轴线偏离与旋转269.4.1样品尺
13、寸与测试频率的匹配 对于实验室岩石声学测量使用的圆柱形岩石样品，其尺寸即直径和长度对声衰减测量有着直接的影响。一般认为，只要样品尺寸与声波频率间满足一定的关系，这种影响可以忽略不计，该关系为：式中，L为样品的长度，Dmin为样品的最小横向尺寸；d为颗粒的平均直径，为声波波长。27 相比之下，声速测量对样品的几何形状要求并不是很苛刻，一般只要求测量的两个端面平行即可。 但在低频速度测量时，应选择较大直径岩心以消除波导效应造成的起跳点平缓现象。 可以看出，样品尺寸对声学参数测量的影响与声学换能器的频率、试样的几何尺寸、颗粒的直径有关。289.4.2耦合条件脉冲发生器岩样示波器换能器声速、声衰减观测
14、系统示意图耦合的部位声学探头与试样之间在岩石声学参数测量中，常使用耦合剂以保证声学换能器和试样的良好接触，目前使用的耦合剂主要有黄油、凡士林、微波脱水处理后的蜂蜜、锡箔纸等。一般的，这些耦合剂对声速测量的影响不大。 推荐，使用脱水后的推荐，使用脱水后的蜂蜜做耦合剂测纵波。蜂蜜做耦合剂测纵波。使用锡箔纸做耦合剂测使用锡箔纸做耦合剂测横波。横波。 蜂蜜的优点：耦合效蜂蜜的优点：耦合效果好果好(特别对横波特别对横波)；易；易用水洗去，不污染岩样。用水洗去，不污染岩样。299.4.3外加荷载 为了固定以及保证声学换能器与试样的良好接触，实验过程中一般会在声学换能器两侧施加一个荷载，因此也构成声学实验测
15、量的一个影响因素。 应该说，外加荷载如果不是大得足以改变试样的物理性质，外加荷载对声学测量的影响应该与试样的端面平行程外加荷载对声学测量的影响应该与试样的端面平行程度和耦合剂的性质有关度和耦合剂的性质有关。 一般的，荷载对声速测量的影响可以忽略，但是对声衰减测量的影响很大(可能与耦合剂的数量和厚度有关)。用用频谱比法测量时，应保持压力的一致性。频谱比法测量时，应保持压力的一致性。 必须强调，对于比较松散、欠压实的岩样，则可能会由于外加荷载而导致测量结果严重失真。脉冲发生器岩样示波器换能器声速、声衰减观测系统示意图P30声学声学换能器换能器声学声学换能器换能器轴线偏离轴线偏离旋转旋转声学换能器的
16、轴线偏离与旋转的示意图9.4.4声学换能器的轴线偏离与旋转1)轴线偏离与旋转定义31换能器相对位置对声学参数测量影响的实验系统图 2)考察轴线偏离和旋转对纵波测量影响的观测系统及结果32备注：所有频域信号是取波形的第一个周期做快速傅立叶变换得到的。 换能器相对位纵波到时(s)纵波幅度(V)主频(Hz)主振幅(V)轴线偏离(毫米)00.928.884420982.0310.928.444420981.9320.927.884420981.8340.927.064420981.6360.926.194420981.4580.925.444420981.27旋转(度)00.928.884420982
17、.03450.928.884420982.01900.928.944420982.051350.928.884420982.041800.928.884420982.032250.928.964420982.032700.928.884420982.023150.928.944420982.033600.928.884420982.02轴线偏离和旋转对纵波换能器对接时声学参数测量结果影响的数据统计表 不同程度轴线偏离的实测波形 不同程度轴线偏离的声学参数分布33 声学换能器扶正器使用效果示意图中轴线岩心声学换能器组件换能器3)测量建议 确保换能器的轴线在一条直线上。344)横波的情况既要注意轴
18、线偏离，也要注意探头偏振方向的一致，即测试过程中也要注意避免旋转。幅度剪切型换能器的偏振特性359.5有关岩石的声学实验研究的结果及工程应用9.5.1岩性对声速的影响 v=vma(1-)+vf 工程应用工程应用：划分岩性。规律规律：不同岩性其纵横波速度及二者比值分布范围不同。369.5.2密度对声速的影响 规律规律：总体趋势，密度越大，声速越高。原因原因：总体趋势，密度越大，体变模量、切变模量增加得更大，声速越高。37工程应用：工程应用：实验确定后关系后，可能在井眼跨塌时，由声速估算密度，重建密度曲线。或者在没有纵、横波速度时，依据实验重建声波测井曲线。389.5.3纵、横波速度与孔隙度、泥质
19、含量的关系规律：规律：随孔隙度、泥质含量增大，速度变小。原因原因：随孔隙度、泥质含量增加，体变模量、切变模量变小。39工程应用：刻工程应用：刻度度后由声速估算孔隙度、泥质含量或者由孔隙度和泥质含量重建声波测井曲线。有效压力增加，孔隙度变小，声速增加。有效压力增加，孔隙度变小，声速增加。409.5.4流体饱和度的影响规律规律：比较复杂，一般地，干砂岩的声速比饱和砂岩的声速低，差值与孔隙度有关。在中间部分，随水饱和度增加，声速有升有降。原因原因：估计与水的分布以及饱和度增加后，体变模量、切变模量、密度增加的情况有关。气层气层Sw=60%水层水层Sw100%干砂岩干砂岩Sw=40%41一般地，含水饱
20、和度增加，有：1体变模量增加，纵波速度增加；2密度增加；3切变模量基本不变，横波速度下降；4纵横波速度比增大。VsSw0100地层含气后，与同岩性、孔隙度的水（油）层相比，有：1纵波速度减小，纵波时差增大；2横波速度增大，横波时差变小；3纵横波速度比变大，纵横波时差比变小。对应地：42工程应用工程应用： 可用来识别天然气层。目前，是否能够用来划分油水层还存在争议。主要问题是在油水的模量上的差异太小。气层水层根据孔隙度、水的声学性质计算。439.5.5纵横波速度关系工程应用工程应用：1)划分岩性；2)在没有横波速度资料时，用纵波资料估算；3)估算地层的力学参数：E、V、K、。规律规律：仅与泊松比有关。方法方法：1)已知纵、横波速度、v按上式估算；2)根据纵横波速度关系，直接计算；3)有利条件，依据Biot、Gassmann、自洽理论方程估算。途径：声波实验、力学实验。途径：声波实验、力学实验。44对于水饱和的泥质砂岩这个统计式可以使用。注意条件：对油、注意条件：对油、气层有一定误差，气层有一定误差，气层的误差可能气层的误差可能更大。更大。459.5.6纵横波速度实验结果的概括46复习题：复习题： 1声速测量方法脉冲透射法。 2一些有关声速的实验基本规律和工程应用。47
