巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)
——壓力、溫度和流體對(duì)巖石速度的影響

張佳佳，　張廣智，　吳國(guó)忱，　曹丹平，　宗兆云

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 青島 266580)

0　引　言

高等學(xué)校肩負(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重任，必須大力加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)[1-3]?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)是中國(guó)石油大學(xué)(華東)首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)和國(guó)家特色專業(yè)，通過(guò)開(kāi)展大量實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程實(shí)訓(xùn)課程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造性思維[4-6]。常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大多數(shù)要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)操作完成，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，但缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)配和實(shí)驗(yàn)方法選擇等多方面的綜合訓(xùn)練[7-9]。綜合實(shí)驗(yàn)是將基礎(chǔ)理論知識(shí)以及各種實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法加以歸納、分析、相互滲透的一種有效的實(shí)驗(yàn)形式，有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力[10-11]。

對(duì)現(xiàn)有的巖石物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革，設(shè)計(jì)了“壓力、溫度和流體對(duì)巖石速度的影響”綜合實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同壓力、溫度和流體條件下的巖石速度，分析壓力、溫度和流體對(duì)巖石速度的影響。通過(guò)開(kāi)設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，配置實(shí)驗(yàn)儀器，利用理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施

1.1　實(shí)驗(yàn)原理

巖石速度是地下巖石的的重要彈性參數(shù)之一，對(duì)于利用地震勘探原理對(duì)地下構(gòu)造、巖性以及油氣藏進(jìn)行勘探具有重要的指導(dǎo)作用[12]。測(cè)量巖石速度的方法有很多種，目前地震巖石物理中常用的是超聲波法[13]。

將巖石樣品放于兩個(gè)超聲波換能器之間，其中一個(gè)超聲波換能器是用來(lái)發(fā)射超聲波(包括縱波速度和橫波速度)，超聲波透過(guò)巖石樣品后，被另一個(gè)超聲波換能器接收(包括縱波速度和橫波速度)，通過(guò)數(shù)字示波器記錄超聲波波形。通過(guò)拾取超聲波初至?xí)r間，就可確定超聲波透過(guò)巖樣所需的時(shí)間，再用游標(biāo)卡尺測(cè)量巖石樣品的長(zhǎng)度，就可以計(jì)算得到超聲波在巖樣傳播的速度[14]：

vP=L/tP,vS=L/tS

(1)

式中:vP和vS分別為巖石樣品的縱波速度和橫波速度；tP和tS分別為縱波和橫波透過(guò)巖樣所需的時(shí)間；L為巖石樣品的長(zhǎng)度。

1.2　實(shí)驗(yàn)儀器與材料

儀器：智能超聲P·S波綜合測(cè)試儀(HF-G型，揚(yáng)州市廣陵專用超聲設(shè)備廠，同時(shí)測(cè)量縱波速度和橫波速度)，微機(jī)伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)(TAW-1000型，長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司，壓力范圍：0～70 MPa，溫度范圍：0～150 ℃)，游標(biāo)卡尺(MGS-YB-RF，福州瑪格森電子科技有限公司)。

材料：凡士林，橡膠套，O型圈。

1.3　實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 巖樣制取。實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用兩種規(guī)格的巖樣：φ50 mm×100 mm和φ25 mm×50 mm的圓柱體巖樣，其中φ50 mm×100 mm的巖樣用于測(cè)量頻率為500 kHz的超聲波換能器測(cè)試；φ25 mm×50 mm的巖樣用于測(cè)量頻率為1 MHz的超聲波換能器測(cè)試。利用巖石鉆樣機(jī)鉆取標(biāo)準(zhǔn)直徑的巖樣，再用巖石切磨兩用機(jī)切取合適的長(zhǎng)度，最后用雙端面磨石機(jī)將巖樣端面磨平，以滿足精度要求。其中φ25 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣和實(shí)際制取的巖樣如圖1所示。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)巖樣示意圖與實(shí)際巖樣(mm)

(2) 巖樣封裝。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中需要在巖樣和超聲波換能器的接觸面墊上鉛箔、涂沫凡士林并在巖樣兩端和周圍施加一定的壓力等方法以保證巖樣和超聲波換能器的耦合良好，才能使數(shù)字示波器接收到的縱波速度和橫波速度波形完整，初至明顯。

開(kāi)展高溫高壓超聲波速度測(cè)量需要將巖樣封裝在高溫高壓反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜中的圍壓通過(guò)注入硅油來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此巖樣必須和硅油彼此隔開(kāi)，需要在巖樣周圍套上耐溫、耐油熱縮圈，兩端裝上超聲波換能器，再用彈性鋼圈和橡膠圈將熱縮管和超聲波換能器夾緊，這樣才能夠保證巖樣密封完好。圖2為巖樣密封示意圖與實(shí)際封裝巖樣。

圖2　巖樣密封示意圖與實(shí)際封裝巖樣

(3) 儀器校正。在巖石超聲波速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，由于超聲波頻率非常高，其波長(zhǎng)往往只有幾個(gè)mm，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中一定要注意對(duì)測(cè)量?jī)x器的誤差進(jìn)行校正以保證測(cè)試結(jié)果的精度要求。一般利用波速已知的標(biāo)準(zhǔn)巖樣來(lái)對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校正，使用的標(biāo)準(zhǔn)巖樣包括有機(jī)玻璃、鋁和鋼3種，每種標(biāo)準(zhǔn)巖樣都有不同的長(zhǎng)度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)巖樣分別測(cè)得不同長(zhǎng)度下超聲波的傳播時(shí)間，以標(biāo)準(zhǔn)巖樣的長(zhǎng)度為縱坐標(biāo)，超聲波傳播時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，得到的直線斜率的倒數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)巖樣的超聲波速度，而直線與時(shí)間軸的交點(diǎn)即為測(cè)試儀器的對(duì)零時(shí)間。測(cè)試儀器的對(duì)零時(shí)間通常由有機(jī)玻璃、鋼和鋁3種標(biāo)準(zhǔn)巖樣的對(duì)零時(shí)間取算術(shù)平均值。

(4) 巖樣測(cè)試。將巖樣裝載在高溫高壓反應(yīng)釜中，再使用TAW-1000型微機(jī)伺服巖石三軸試驗(yàn)對(duì)巖樣加載軸壓和圍壓，并對(duì)反應(yīng)釜外的加熱圈進(jìn)行加熱，模擬地下高溫高壓環(huán)境。然后使用智能超聲P·S波綜合測(cè)試儀激發(fā)和接收超聲波，記錄超聲波波形，拾取超聲波初至?xí)r間，計(jì)算得到超聲波在巖樣傳播的速度。在測(cè)試過(guò)程中，要注意保持實(shí)驗(yàn)條件的一致性，也就是要保持超聲波激發(fā)能量和接收增益的一致性[15]。

① 干燥巖樣實(shí)驗(yàn)方案。首先將圍壓加載為5 MPa，再加載軸壓，為了消除滯后效應(yīng)及微裂紋對(duì)巖石速度的影響，以0.5 MPa/s的速度將差應(yīng)力(軸壓與圍壓之差)由5 MPa升至20 MPa，再以同樣速度將差應(yīng)力由20 MPa降至5 MPa，進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)，并且在這兩個(gè)循環(huán)中不進(jìn)行巖石超聲波速度測(cè)量。然后將保持圍壓不變，差應(yīng)力依次設(shè)置為5、8、11、14、17和20 MPa，分別測(cè)量縱橫波聲波時(shí)差，該圍壓下實(shí)驗(yàn)測(cè)試完畢。然后將圍壓以5 MPa的步長(zhǎng)增大至40 MPa，在每一個(gè)圍壓下，差應(yīng)力均依次設(shè)置為5、8、11、14、17和20 MPa，差應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

圖3巖樣壓力加載路徑

表1　干燥巖樣實(shí)驗(yàn)方案

② 飽和巖樣實(shí)驗(yàn)方案。首先將巖石放置加壓飽和儀中，配置一定礦化度的鹽水來(lái)模擬地下地層水，對(duì)巖樣進(jìn)行真空加壓飽和，飽和時(shí)長(zhǎng)24 h。然后裝載在高溫高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行飽和巖樣的超聲波速度測(cè)量。飽和巖樣實(shí)驗(yàn)方案同干燥巖樣類似，只是圍壓的增長(zhǎng)步長(zhǎng)變大，差應(yīng)力也隨著增大，同時(shí)溫度也逐漸升高，并且始終保持1 MPa的孔隙壓力。具體的實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2　飽和巖樣實(shí)驗(yàn)方案

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　壓力對(duì)巖石速度的影響

指導(dǎo)學(xué)生依次測(cè)量不同壓力下的干燥巖樣的超聲波速度，記錄并作圖顯示。圖4為干燥巖樣縱波速度和橫波速度隨壓力的變化規(guī)律以及擬合關(guān)系式。從圖中可以看到：隨著壓力增加，干燥巖石的縱波速度和橫波速度均逐漸增加；當(dāng)壓力較低時(shí)，縱波速度和橫波速度增加較快；當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)，縱波速度和橫波速度趨于平緩。由此分析可得：當(dāng)壓力較低時(shí)，巖石中微孔隙含量較多，導(dǎo)致速度偏低；隨著壓力逐漸增加，巖石中微孔隙逐漸關(guān)閉，速度逐漸增高；當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)，巖石中微孔隙已經(jīng)全部關(guān)閉，速度就逐漸趨于平緩。

(a)

(b)

圖4干燥巖樣的縱波速度和橫波速度隨壓力的變化規(guī)律

2.2　溫度對(duì)巖石速度的影響

圖5為飽和巖樣縱波速度和橫波速度隨壓力的變化規(guī)律以及擬合關(guān)系式。從結(jié)果可以看到：隨著溫度增加，巖石的縱波速度和橫波速度均逐漸降低。從溫度室內(nèi)溫度25 ℃升到100 ℃，縱波速度最大下降約140 m/s，橫波速度最大下降約110 m/s，縱波速度相對(duì)下降3%，而橫波速度相對(duì)下降4%。由此分析可得：對(duì)于飽和含水巖石來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度沒(méi)有高到引起巖石狀態(tài)發(fā)生明顯變化導(dǎo)致巖石骨架產(chǎn)生新的微裂隙的時(shí)候，溫度對(duì)巖石速度的影響比較小。

(a)

(b)

圖5飽和巖樣的縱波速度和橫波速度隨溫度的變化規(guī)律

2.3　流體對(duì)巖石速度的影響

由于干燥巖石等同于飽和含氣巖石，因此將相同壓力和溫度條件下的干燥巖樣和飽和含水巖樣的速度對(duì)比分析，就可以確定不同的孔隙流體類型對(duì)巖石速度的影響。圖6為同一塊巖樣在飽和含氣和飽和含水條件下隨壓力的變化規(guī)律。從結(jié)果可以看到：隨著壓力增加，含氣巖石和含水巖石的縱波速度和橫波速度均逐漸增加，含水巖石的縱波速度始終大于含氣巖石的縱波速度，含水巖石的橫波速度始終小于含氣巖石的橫波速度。由此分析可得：當(dāng)巖石孔隙由完全含氣變?yōu)橥耆?，縱波速度增加，而橫波速度降低。

(a)

(b)

圖6干燥巖樣與飽和巖樣的縱波速度和橫波速度比較

3　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)量可以得到：① 巖石的縱波速度和橫波速度均隨著壓力增加而逐漸增加；② 巖石的縱波速度和橫波速度均隨著溫度增加而逐漸降低；③ 巖石含水后縱波速度增加，而橫波速度降低。

開(kāi)展巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題，不僅幫助學(xué)生加深理解課本上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，而且鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和數(shù)據(jù)處理分析能力，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。例如在本綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和支持下，勘查技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生已經(jīng)成功完成2項(xiàng)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目成績(jī)均被評(píng)為優(yōu)秀。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]曹國(guó)震. 高等學(xué)校的創(chuàng)新教育與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的探索[J]. 教育教學(xué)論壇, 2015(8): 156-157.

[2]李靜. 有效發(fā)揮高校在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用[J]. 教育教學(xué)論壇, 2014(11): 57-58.

[3]劉志明. 高等工程教育培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的思考[J]. 中國(guó)高教研究, 2003(9): 11-14.

[4]李振春, 印興耀, 孫成禹, 等. 勘查技術(shù)與工程專業(yè)卓越計(jì)劃工程教育培養(yǎng)模式探索[J]. 中國(guó)地質(zhì)教育, 2013(2)：58-60.

[5]張廣智, 宋建國(guó),李振春, 等. 對(duì)勘查技術(shù)與工程專業(yè)實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的一些思考[J]. 中國(guó)地質(zhì)教育, 2011(2)：5-9.

[6]曹丹平, 印興耀, 李振春. 加強(qiáng)勘查技術(shù)與工程專業(yè)工程實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)的探討[J]. 石油教育, 2013(6): 49-52.

[7]元澤懷. 開(kāi)放式設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2009, 28(11):120-122.

[8]朱莉. 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué), 培養(yǎng)創(chuàng)新能力[ J] .實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2003, 20(1):70-72.

[9]段曉英, 姚天明, 楊勇, 等. 巧設(shè)綜合實(shí)驗(yàn) 提升綜合能力[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2008, 27(4): 97-99.

[10]嚴(yán)文凱, 孫盾, 張勇, 等. 研究型綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013, 30(3): 147-151.

[11]周秦武, 張博, 張大龍, 等. 以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014, 31(3): 183-185.

[12]陸基孟, 王永剛. 地震勘探原理[M]. 北京: 中國(guó)石油大學(xué)出版社, 2011: 315-319.

[13]任科英. 實(shí)驗(yàn)室?guī)r心聲學(xué)速度測(cè)試中的頻散現(xiàn)象[J]. 石油地球物理勘探, 2011, 46(5) : 779-782,836,665.

[14]DZ/T 0276.4-2015, 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程第24部分: 巖石聲波速度測(cè)試, 中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[15]唐杰. 各向異性巖石的靜態(tài)模量與動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 33(S1): 3185-3191.