巖塊超聲橫波速度高精度測試方法試驗研究

魏建新，狄?guī)妥?/p>

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249;2.中國石油大學(xué)CNPC物探重點實驗室，北京102249;3.中國石油大學(xué)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249)

巖塊超聲橫波速度高精度測試方法試驗研究

魏建新1，2，3，狄?guī)妥?，2，3

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249;2.中國石油大學(xué)CNPC物探重點實驗室，北京102249;3.中國石油大學(xué)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249)

通過不同振動特性和直徑的縱橫波換能器，利用3種超聲波速度測試方法對不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大樣品進行測試精度研究。試驗結(jié)果表明:大塊巖石橫波速度的超聲測試精度會受到巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測試方法的影響;垂直透射法可以獲得較高測試精度的橫波速度，剪切橫波也可以得到巖石的非均質(zhì)性和各向異性程度的信息;間接測試法只能用橫波換能器才可以進行橫波速度測試，測試到的是巖石橫波的平均速度，受巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和換能器振動特征的影響，間接法的測試精度會有較大的誤差，選用合適的頻率和小直徑換能器，并增大發(fā)射能量可以提高間接法的橫波速度測試精度。

橫波速度測試;巖石試塊;間接測試法;超聲換能器;測試精度分析

超聲縱橫波速度測試是獲取巖塊動力參數(shù)的有效手段，可以獲取巖塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息［1-4］。巖塊的橫波速度測試由于受到縱波干擾以及橫波換能器特性、測試方法和巖石非均質(zhì)等諸多因素的影響，其精度低于縱波速度。已有的巖塊橫波速度測試研究［5-6］中試圖用縱波間接測試方法得到，但是否能正確地測試到橫波速度值得商榷。在橫波測試法的研究結(jié)果［8-9］中，缺少測試精度的分析。為此，筆者利用不同的測試方法在3種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大尺寸試塊上進行縱橫波速度的測試，通過縱橫波換能器振動特性，討論不同測試方法對橫波速度測試的可靠性以及相關(guān)的測試精度，給出提高測試巖石橫波速度精度的最佳方法。

1 巖塊超聲橫波速度的測試方法

實驗室對大巖石樣品的超聲縱橫波速度測試常用3種方法(圖1)［10］。所謂大巖石樣品是指樣品最小一個方向的尺寸至少在100 mm以上，此種樣品也稱為巖石試塊。當(dāng)巖石可加工成兩平行面的樣品時用垂直透射法(圖2(a))，簡稱直接法。當(dāng)巖石試塊過大或只能加工一個平面或兩個相鄰垂直面時，可以用間接測試方法——直達波法(圖1(b))和半透射波法(圖1(c))。

圖1 巖石試塊超聲波速度測試方法Fig.1 Three kinds of ultrasonic measurement techniques

與垂直透射法波的傳播方式不同，兩種間接法中波的傳播主要是巖塊的表面或是近似體波方式。另一方面，由于震源與接收換能器在相同方向，測試一個點無法確定波傳播路徑是兩個換能器中心(L')或是邊緣距離(L)(圖1(b)、(c))，只有采用多點測試形成多道記錄解決，通過各點距離與時間的時距曲線計算速度，消除換能器直徑的影響。

為討論3種測試方法對橫波速度測試的可靠性和測試精度，選用了3個不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的樣品作測試塊，樣品加工成矩形塊。有機玻璃(X×Y×Z:200 mm×200 mm×72.74 mm)具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、各向同性和縱橫波速度差異大的特點，有利于縱橫波的特征分析;粗砂巖塊(120 mm×120 mm×73.4 mm)均質(zhì)性較好，顆粒分布均勻，砂粒粒徑為0.3～1.2 mm，平均為0.6 mm;粗晶大理石(145 mm×115 mm×114 mm)外表能明顯見到并行分布的裂縫，裂縫面近似平行于X-Y面，非均質(zhì)性和衰減較強。后兩塊巖石試塊具有一定典型性。

2 縱橫波換能器的振動特征

從圖1的3種測試方法可知，能否真正觀測到橫波取決于作為震源和接收器的超聲換能器振動特性。超聲換能器是以片狀的壓電陶瓷作為激活元件(簡稱壓電晶片)，縱波換能器使用厚度振動模式的圓片壓電晶片，橫波換能器使用剪切振動模式的矩形片壓電晶片。壓電晶片本身具有不同的振動模式:縱波換能器中圓片壓電晶片在做厚度方向主振動時，伴有徑向上縮脹，產(chǎn)生徑向雜振動(圖2(a));剪切型橫波換能器在做剪切主振動的同時晶片也產(chǎn)生縱(厚度)振動。換能器的雜振動與壓電晶片的厚度與直徑之比有關(guān)，比值差異較大時雜振動明顯減弱。

圖2 縱橫波換能器中壓電晶片的振動模式Fig.2 Vibration modes of piezoelectric substrate in P-and S-waves transducers

壓電晶片尺度縱橫比除與雜振動強度有關(guān)外，還影響晶片的輻射特性和頻率特性［11］。當(dāng)晶片直徑受限制時，厚度增大降低頻率，雜振動和邊緣輻射增強，就有可能在縱波觀測時得到橫波信號，或橫波測試有縱波?？v波換能器中的徑向振動是垂直于聲軸(晶片圓心軸)的脹縮振動，垂直于傳播方向，所產(chǎn)生的橫波能量主要集中在聲軸附近。橫波換能器中產(chǎn)生的縱波能量與輻射面有關(guān)。

大尺度和內(nèi)部顆粒或晶體較粗的巖塊，因其非均質(zhì)性對波的衰減嚴(yán)重，一般選用頻率低于500 kHz的換能器。針對不同的測試方法選用不同直徑換能器:大直徑換能器輻射能量和指向性強，僅適用于垂直透射法;間接測試法因利用換能器的雜振動和邊緣輻射能量須用小直徑換能器。為說明不同測試方法對換能器振動和直徑的要求，選用了8對不同頻率和直徑的寬頻帶縱橫波換能器，見表1。

表1 不同直徑和頻率的縱橫波換能器Table1 P-and S-waves transducers with different diameters and frequencies

不同尺寸和頻率寬頻帶縱橫波換能器(表1)在有機玻璃塊上用垂直透射法觀測到的波形記錄見圖3(a)。圖3(a)各道記錄中第一個強信號即為透射縱波，后面方框內(nèi)的弱信號為換能器徑向振動引起的橫波，其波形起跳時間與圖3(b)中的橫波波形時間完全一致。可以看到當(dāng)壓電晶片直徑相同(20 mm)時，頻率低(厚度加厚)的橫波振幅明顯增大(波形2)。當(dāng)頻率相同時，晶片直徑減小徑向振動的橫波振幅略有增大，其徑向頻率增高(波形3)。從圖3(a)中看出，即使小直徑低頻縱波換能器的橫波信號增大，但還是比縱波信號小得多，較難利用這種徑向振動橫波進行速度測試。

剪切型橫波換能器的雜振動主要是壓電晶片的厚度振動(圖2(b))，由于這種厚度振動產(chǎn)生的縱波在介質(zhì)中的傳播速度大于橫波，所以其信號始終在橫波信號的前面，當(dāng)能量較大或傳播距離較短時會影響橫波的時間拾取。剪切壓電陶瓷片的厚度振動也可通過加大壓電晶片的縱橫向尺寸來抑制，但不能完全消除，這是剪切橫波換能器的一個特點，在實際使用中可選擇合適的耦合物質(zhì)抑制這種雜振動。圖3(b)是3對不同尺寸和頻率寬頻帶橫波換能器在有機玻璃塊上用垂直透射法觀測到的波形記錄，測試時換能器與試塊之間使用了黏稠的蜂蜜作耦合劑，保證了換能器中的剪切振動的傳遞。圖3(b)中第1道波形和第2道波波形的換能器壓電晶片橫向尺寸相同，頻率不同，可以見到頻率低的記錄中厚度縱振動的信號(框內(nèi))明顯大于高頻換能器的縱振動信號。第1道和第3道波形所用換能器頻率相近，但壓電晶片橫向尺寸不同，縱振動信號的振幅基本一致。

圖3 有機玻璃塊上縱波和剪切橫波換能器的透射波形Fig.3 Transmitted waveforms of P-wave transducer and S-wave transducer in plexiglass block

橫波測試中為了能盡可能抑制縱波信號，提高信噪比，還使用一種多剪切壓電片組合的扭轉(zhuǎn)型橫波換能器［12-13］，其振動方向與組合晶片的聲軸垂直而形成橫波(圖2(c))。組合壓電晶片中各剪切壓電片的厚度振動因?qū)ΨQ分布而使其振動方向相反從而得到抑制，而每片剪切振動的方向一致使扭轉(zhuǎn)振動加強，從而得到高靈敏的扭轉(zhuǎn)振動橫波。扭轉(zhuǎn)換能器是一種特殊的換能器，只有在垂直傳播時才能作為橫波換能器使用，且無偏振特性。當(dāng)傳播方向有一定角度時，其振動模式會發(fā)生明顯的變化。兩種不同頻率的扭轉(zhuǎn)橫波換能器在有機玻璃塊上用垂直透射法觀測到的波形記錄見圖3(c)。同樣用黏稠的蜂蜜作耦合劑，在兩個波形記錄上28 μs處沒有出現(xiàn)明顯的縱振動信號。圖3(c)中兩個波形的起跳時間不一致是由于兩對換能器的對零時間不同引起的。無論是窄頻帶扭轉(zhuǎn)換能器記錄波形1還是寬頻帶扭轉(zhuǎn)換能器記錄波形2，它們的首波(第一半周期)振幅均小于后續(xù)兩個半周期波振幅，這是扭轉(zhuǎn)橫波換能器的另一個特征。

由上可見，縱橫波換能器中都存在雜振動，當(dāng)換能器的頻率越低時，雜振動的影響越大，使有效信號的信噪比降低，但邊緣振動增大?？v波換能器中的徑向振動由于信噪比低并不能進行橫波速度測試，橫波換能器的縱振動在橫波測試時會影響橫波的波至位置，可以選擇使用寬頻帶換能器、耦合物抑制和扭轉(zhuǎn)換能器等方法提高信噪比。

3 不同測試方法的試驗結(jié)果討論

3.1 直接測試法——脈沖垂直透射法

使用不同頻率的縱橫波換能器在有機玻璃塊Z方向上測試的透射波形(圖3)信號都有很高的信噪比。剪切換能器的厚度振動并不影響橫波初至的拾取，兩種類型橫波換能器所測得的橫波速度(1.378 km/s)完全一致，在不同測試點得到的誤差小于1%，此誤差與測試系統(tǒng)誤差相一致。在此有機玻璃塊的其他兩個方向橫波速度與X方向完全一致，縱波速度為2.735 km/s，說明有機玻璃塊具有很好的均勻各向同性。對比橫波兩種振動模式的波形，剪切橫波的首波明顯大于扭轉(zhuǎn)橫波的波形，有利于橫波時間的拾取。

在粗砂巖試塊和大理石X方向上的縱橫波透射波記錄見圖4。從中可清楚地識別出各換能器所測到的波形，從而得到縱橫波的起跳時間。同時也可看出，當(dāng)換能器直徑小時信噪比有所降低。在橫波記錄中，扭轉(zhuǎn)橫波的信號明顯小于剪切波，其起跳時間在兩個剪切橫波之間。由于大理石內(nèi)部裂隙和晶體引起的散射，縱橫波記錄都較凌亂，但并不影響其速度測試。值得注意的是，剪切橫波垂直裂隙傳播時出現(xiàn)了極性反向現(xiàn)象，這對橫波的識別有一定的影響。兩試塊粗砂巖的非均質(zhì)性約為3%，大理石的非均質(zhì)性為5%，試塊兩端的速度大于中間位置。兩試塊在X方向不同測試點上得到的透射縱橫波的平均速度見表2。從表2中可以看出在X方向兩塊樣品都有橫波各向異性，粗砂巖為4%，大理石有8%，它們的測試誤差都小于2%。

對比扭轉(zhuǎn)橫波與剪切橫波記錄可發(fā)現(xiàn)，無論試塊是否存在各向異性，扭轉(zhuǎn)橫波速度是剪切橫波速度的綜合反映，在粗砂巖中其速度接近快橫波，而在有裂隙的大理石中接近慢橫波，所以扭轉(zhuǎn)橫波并非是快慢橫波的算術(shù)平均，而是一種與巖石內(nèi)部各向異性成因有關(guān)的加權(quán)平均。

圖4 粗砂巖和大理石X方向的縱橫波透射記錄Fig.4 Records of transmitted P-and S-waves along X-axis in coarse sandstone and marble

表2 不同測試方法在3種試塊X方向上的縱橫波速度值Table 2 P-and S-waves velocity of three kinds of rock samples along X-axis with different measurement techniqueskm/s

由上見到，在巖塊速度測試中垂直透射法是一種測試精度較高的方法，但在兩種巖塊的縱波記錄中無法正確地獲得橫波信號，而在橫波記錄中縱波信號在橫波之前較好識別。

3.2 間接法——表面直達波法

直達波法測試是把震源和接收器放置在X-Y表面上(圖1(b))，要測試到橫波，必須使波的振動方向與傳播方向垂直，波沿試塊表面X方向傳播。縱波換能器的主振動方向垂直表面，沿表面?zhèn)鞑サ哪芰恐饕獊碓从趽Q能器的徑向振動和晶片輻射的邊緣能量(指向性)。使用剪切型橫波換能器測試時，當(dāng)發(fā)射和接收換能器的振動方向與傳播方向垂直時可傳播橫波。試驗采用小直徑的縱橫波換能器(直徑為10 mm)，目的是增大邊緣振動和減小直徑對測試距離的影響。

在有機玻璃塊上采用多點等距測試方式得到的記錄見圖5，起始測點發(fā)－收換能器的中心距為3 cm，移動接收器測10個點，每個測點間距1 cm。在圖5(a)中可見到兩個波組同相軸，傳播時間在前的是直達縱波，它主要由縱波換能器的徑向振動引起，由時距曲線計算得到縱波速度為2.696 km/s。從圖5(a)記錄中第二個波同相軸時距曲線得到的速度為1.269 km/s，約為透射橫波速度(1.378 km/s)的0.92倍，正好與面波速度一致。在圖5(b)的橫波記錄中直達縱波的能量很弱，而直達橫波的信號較強，可直接拾取每個測點的橫波時間，由其時距曲線得到的橫波速度為1.390 km/s，與透射橫波速度基本一致。

圖5 有機玻璃塊上直達波法多道記錄Fig.5 Multi-trace records in plexiglass block with direct-wave method

用相同的表面直達波法分別對粗砂巖和大理石試塊X方向進行縱橫波測試，換能器放置在X-Y表面上，測試間隔為10 mm。在這兩試塊上僅較明顯地觀測到一個直達波的同相軸(圖6和圖7)。用時距曲線可計算粗砂巖和大理石試塊縱波記錄中第一個強直達波至的速度為2.107 km/s和2.652 km/s，此速度明顯小于兩試塊的橫波速度，所以此波應(yīng)為面波。在圖6(b)和圖7(b)的橫波記錄中兩試塊的直達波至速度為2.306 km/s和3.326 km/s，此速度分別略低或略高于用透射法得到的橫波速度，說明了測試方法不同所引起的速度差異。

從以上3個試塊的表面直達波法速度測試結(jié)果看到，在等間距記錄上可得到不同波形的直達波同相軸。在縱波記錄中，只能得到直達縱波和面波，測不到橫波。在巖石試塊中當(dāng)縱波換能器的徑向振動受到抑制時，直達縱波同相軸很弱，也較難得到縱波速度，在橫波記錄中觀測到較強的橫波同相軸。從時距曲線計算獲得縱橫波速度(表2)看到，只有在有機玻璃試塊上縱橫波速度與透射法得到的速度較一致，在粗砂巖和大理石試塊上差異較大(約3%～5%)。這種誤差除試塊本身的非均質(zhì)性因素外，由于換能器的特征不利于該測試方式，使表面直達波能量較弱。另外，由于各類直達波在巖石表面?zhèn)鞑?，隨距離增大振幅衰減較快，導(dǎo)致時間拾取的誤差增大，影響測試精度。試驗表明當(dāng)換能器直徑減小或增大遠距離直達波能量時測試精度會有較大提高。

圖6 粗砂巖直達波法多道記錄Fig.6 Multi-trace records in coarse sandstone with direct-wave method

圖7 大理石直達波法多道記錄Fig.7 Multi-trace records in marble rock with direct-wave method

3.3 間接法——半透射波法

半透射波法測試時發(fā)射和接收換能器分別放置在試塊的兩個相鄰的垂直面上(圖1(c))，此種測試法的優(yōu)點是利用發(fā)射源的主振動能量增大接收信號。試驗測試時，為減小距離的誤差讓發(fā)射換能器放置在離測試面端面最近處，接收點(換能器中心點)的距離從發(fā)射端面開始計算，每隔10 mm測試一個點。由于發(fā)射換能器中心點離接收面還有換能器半徑距離，波的傳播距離稍大于測試點與發(fā)射端面間的距離。

用小直徑(10 mm)縱橫波換能器在有機玻璃上得到的半透射測試記錄見圖8，起始測試點離發(fā)射端面60 mm，然后以間隔10 mm測試一個點，向外移動測試10個點。在圖8(a)中同樣觀測到兩個直達波同相軸，第一個同相軸的振幅明顯大于直達法(圖5(a))。當(dāng)剪切換能器發(fā)射和接收換能器在Y方向振動時，可記錄上信噪比較高的透射橫波信號(圖8(b))，其波形振幅明顯大于表面直達法(圖5(b))。通過計算記錄中第一個強波至的時距曲線可以得到這兩個波至的速度分別為2.717 km/s和1.364 km/s，分別與透射法測試的縱橫波速度一致，誤差約1%，測試精度高于表面直達波法。

圖8 有機玻璃塊上半透射波法多道記錄Fig.8 Multi-trace records in plexiglass block with half-transmitted method

在粗砂巖和大理石試塊X方向上用半透射測試的縱橫波記錄見圖9和圖10。兩個試塊的起始測點距離不同，但最后一個測試點都放在試塊的另一個側(cè)面上與發(fā)射器正好形成垂直透射記錄。對比縱波和橫波記錄可以見到，在縱波記錄上觀測到了直達縱波(第1個)波至，但能量衰減較大，這是由于發(fā)射源在X方向的能量增大的緣故。在縱波和橫波記錄中見到各測點第1個直達波的波至與它們的透射波測點(最后一道)波至相交，表明這兩個波至分別是直達縱波和橫波。由橫波記錄的時距曲線得到兩試塊的橫波速度分別為2.332 km/s和3.244 km/s，粗砂巖速度比透射法得到的速度小，而大理石橫波速度則比透射法的高，有4%～6%的誤差，這是大理石的非均質(zhì)性和裂隙引起的。

圖9 粗砂巖半透射波法多道記錄Fig.9 Multi-trace records in coarse sandstone with half-transmitted method

圖10 大理石半透射波法多道記錄Fig.10 Multi-trace records in marble rock with half-transmitted method

對于非均質(zhì)性強的大理石，遠道能量弱，測試誤差也明顯增大。對比圖9和圖10的縱橫波測試波形記錄，在縱波測試記錄中并沒有發(fā)現(xiàn)與橫波記錄中相應(yīng)的橫波波形，說明用縱波換能器進行半透射法測試時，也得不到有關(guān)橫波的信號，只有使用橫波換能器才能獲得橫波。

由表2可見，在均勻性很好的有機玻璃試塊中，用3種測試方法得到的縱橫波速度值基本一致，但在巖石試塊中有較大的差異，橫波速度的差異更大。有兩方面原因引起巖塊的橫波速度偏大或偏小:一是垂直透射法與間接法的傳播路徑不同，垂直透射法可以通過改變測試點和換能器的偏振方向得到巖石試塊的非均質(zhì)性的各向異性程度，間接法由于是多點測試，得到的是平均結(jié)果，所以在粗顆粒和裂隙發(fā)育的巖石中兩種測試方向的誤差會更大;二是受測試方法的限制，間接測試法中在近距離測試時橫波與縱波和面波混合在一起，在遠道時信號能量弱，不利于橫波初至的正確拾取，導(dǎo)致用時距曲線計算速度有較大誤差。

4 結(jié)論

(1)縱波換能器在3種測試法中不能測試橫波速度，在表面直達波法和半直接透射法測試中能進行面波測試，巖塊橫波速度測試只能用橫波換能器得到，不同的測試方法精度有差別，垂直透射法測試精度可控制在1%左右，其他方法在2%～5%。

(2)巖石試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)(裂隙、結(jié)晶和顆粒等)對橫波速度和精度有較大影響，用剪切橫波通過測試不同點和偏振方向可得到巖塊的非均質(zhì)性和各向異性程度。扭轉(zhuǎn)橫波測試時得到的是試塊的綜合橫波速度，速度值在快慢橫波之間，是試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響的一種加權(quán)平均。

(3)無論用哪種方法進行巖塊的橫波測試，首先應(yīng)選定合適的橫波換能器，在垂直透射法中，選用大直徑橫波換能器可提高測試的信噪比，在間接法測試時，選用小直徑換能器和增大發(fā)射功率的方法能夠提高測試精度。

(4)在裂隙發(fā)育和粗顆粒巖塊橫波測試中，垂直透射法與間接測試法之間存在的橫波速度差異除兩種測試方法的傳播路徑不同外，間接測試法中由于遠道信號弱對速度計算有較大影響。

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(編輯 修榮榮)

Experimental research on ultrasonic method based on laboratory measurement for accurate estimation of shear wave velocity

WEI Jian-xin1，2，3，DI Bang-rang1，2，3

(1.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.CNPC Key Physical Exploration Laboratory in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;3.College of Geophysics and Information Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

Through P-and S-waves transducers with various vibration characteristics and diameters，the measurement accuracy of huge size samples with different internal structures was studied by three kinds of ultrasonic measurement techniques.The experimental results show that the measurement accuracy of shear-wave velocity is greatly influenced by internal structure of rock samples and measurement methods.Compared with other measurement methods，transmission method can obtain relatively high measurement accuracy of shear-wave velocity，and important information relative to anisotropy and heterogeneity of rock samples is also contained in the measurement process.As an indirect measurement method，shear-wave transducers can be used to perform the measurement of shear-wave velocity.The measurement technique can only obtain the average velocity of shear waves.Noticeably，the accuracy by indirect measurement method is greatly affected by internal structure of rock samples and the vibration characteristics.A solution to improving the measurement accuracy is to select a transducer with proper frequency and small diameter，and to use stronger emission energy.

shear-wave velocity measurement;rock samples;indirect measurement method;ultrasonic transducers;measurement accuracy analysis

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.06.006

2010－12－05

國家科技重大專項課題(2008ZX05004-003)

魏建新(1958－)，男(漢族)，江蘇無錫人，教授，博士，主要從事地震物理模型研究。

1673-5005(2011)06-0036-07