煤巖聲波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究

閆 森，何海銘，熊 健，黃林林，肖 鵬

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500）

隨著我國(guó)對(duì)能源需求的進(jìn)一步增加，煤層氣作為一種非常規(guī)能源引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。煤層氣井作業(yè)常采用清水鉆井液，可以有效保護(hù)儲(chǔ)層避免污染。但清水鉆井液易滲入煤巖內(nèi)部，在力學(xué)-化學(xué)耦合作用下煤巖結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致坍塌、埋鉆具等事故，嚴(yán)重影響煤層氣井的經(jīng)濟(jì)效益和作業(yè)安全。由于井下環(huán)境復(fù)雜，無(wú)法直接測(cè)量煤巖在清水鉆井液下的物性變化，只能借助室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究煤巖浸泡清水后的變化特征，煤巖介質(zhì)超聲波測(cè)試技術(shù)通過(guò)測(cè)定超聲波穿透煤巖體后聲波信號(hào)的聲學(xué)參數(shù)變化，間接地了解煤巖體的力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特征，目前已廣泛用于煤巖體動(dòng)彈性參數(shù)、煤巖結(jié)構(gòu)物性特征測(cè)量等方面。因此，研究煤巖的聲波傳播特性對(duì)于煤層氣的開(kāi)采具有重要意義。

目前，針對(duì)巖石聲波傳播特性及其影響因素，許多研究學(xué)者展開(kāi)了大量的研究。朱洪林等[1]研究了白云巖受壓聲學(xué)特性及其在裂縫研究中的應(yīng)用。胡明明等[2]對(duì)砂巖開(kāi)展了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并在加載過(guò)程中同步進(jìn)行3 個(gè)方向的聲波測(cè)試，獲得了砂巖加載過(guò)程中3 個(gè)不同方向聲波波速與應(yīng)力的演化規(guī)律。劉向君等[3]通過(guò)對(duì)孔洞發(fā)育程度不同的縫洞型碳酸鹽巖進(jìn)行不同孔隙壓力下的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了孔隙壓力與不同類(lèi)型碳酸鹽巖縱橫波時(shí)差及衰減系數(shù)之間的關(guān)系，并探討了孔隙壓力對(duì)不同類(lèi)型碳酸鹽縱橫波在時(shí)域及頻域上的影響。梁利喜等[4]對(duì)層理性頁(yè)巖聲波影響特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著層理角度增大聲波時(shí)差、聲波衰減系數(shù)均線性增大，聲波速度與層理密度呈線性負(fù)相關(guān)。陳超等[5]對(duì)碳酸鹽巖的聲波波形、傳播速度和波譜特征進(jìn)行了研究。周龍濤[6]針對(duì)孔洞型碳酸鹽巖超聲波衰減特性進(jìn)行了研究，探討了單因素對(duì)衰減和強(qiáng)度參數(shù)的影響，指出了基于衰減預(yù)測(cè)強(qiáng)度參數(shù)的適用條件。李盟[7]以不同礦區(qū)、不同變質(zhì)程度類(lèi)型的煤樣作為研究對(duì)象，測(cè)試其不同條件下的超聲波參數(shù),研究超聲波在煤體中傳播的影響因素。趙宇等[8]通過(guò)研究煤巖不同吸水率來(lái)探討對(duì)巖石聲波速度各向異性的影響。陳旭等[9]利用智能聲波儀對(duì)紅砂巖、大理巖和花崗巖試樣在干燥及飽和條件下進(jìn)行了聲波縱波透射實(shí)驗(yàn),研究聲波在巖石中傳播的速度特征,同時(shí)利用傅里葉變換及小波變換研究聲波在巖石中傳播的波形、波幅衰減規(guī)律、波譜特征。黃開(kāi)樺等[10]對(duì)致密砂巖巖石彈性各向異性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。黃裕萌等[11]研究了含水飽和度對(duì)致密砂巖聲波特性的影響。張溪等[12]以某工程地區(qū)地質(zhì)條件為研究背景,對(duì)復(fù)雜巖體介質(zhì)及裂隙中聲波傳導(dǎo)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。孟召平等[13]探究了煤系巖石聲波速度及其影響因素。Domnesteanu 等[14]研究了不同條件下頁(yè)巖波速的變化并討論了壓力對(duì)頁(yè)巖波速各向異性的影響。Vernik 等[15]研究了頁(yè)巖彈性各向異性，并討論了干燥條件下其特點(diǎn)。以上研究成果說(shuō)明了在不同巖性巖石的聲波傳播特性等方面研究取得了一定的認(rèn)識(shí)，而針對(duì)滇東地區(qū)煤巖的聲波傳播特性研究還有待深入。

本文以滇東地區(qū)煤巖為研究對(duì)象，在干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對(duì)巖樣進(jìn)行聲波測(cè)試，獲取巖樣的聲學(xué)參數(shù)，進(jìn)而研究巖樣在不同含水飽和度、不同圍壓條件下，煤巖縱橫波波速與彈性各向異性的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)某區(qū)塊煤巖為研究對(duì)象，在對(duì)巖樣的處理中，選取邊長(zhǎng)不小于200 mm 的原煤煤塊，利用巖心鉆取機(jī)取樣，在X、Y、Z 三個(gè)方向上鉆取巖心，將兩端打磨拋光、加工成的全直徑圓柱形巖樣。

將鉆取的煤巖樣品置于恒定40 ℃下處理24 h，然后放入干燥皿中冷卻至室溫，利用游標(biāo)卡尺、電子天平等儀器測(cè)量煤巖樣品的長(zhǎng)度、直徑、質(zhì)量等基本物理參數(shù)，對(duì)巖樣孔隙率、滲透率進(jìn)行測(cè)量、記錄；利用超聲波透射法處理煤巖樣品，測(cè)量巖石的聲波特性，實(shí)驗(yàn)裝置包括（聲波測(cè)量裝置見(jiàn)圖1）：人機(jī)交互Ultra scope 軟件，超聲波激發(fā)、接收裝置，巖心夾持器，個(gè)人計(jì)算機(jī)等，依據(jù)所得的聲波波形、巖心長(zhǎng)度L，讀取橫、縱首波到時(shí)ts、tp以及儀器給定的系統(tǒng)延時(shí)t0（聲波透射夾持器所需時(shí)間），計(jì)算縱、橫波波速Vp、Vs的計(jì)算方式分別為:

在測(cè)量過(guò)程中煤心與換能器之間始終保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置和方向?？v、橫波換能器與巖樣間采用凡士林做耦合劑，對(duì)X、Y、Z 三個(gè)方向鉆取巖樣進(jìn)行超聲波測(cè)試。將煤巖巖心分為兩組，每組含有X、Y、Z 方向各一個(gè)，1-1、2-1、3-1 為第一組，1-2、2-2、3-2 為第二組（見(jiàn)表1）。

圖1 聲波測(cè)量裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)中，將巖心置于干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對(duì)巖樣進(jìn)行聲波測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中對(duì)巖心施加從0 MPa 到40 MPa 的圍壓，每隔10 MPa 測(cè)量、記錄一次巖樣的縱波參數(shù)；每隔5 MPa 測(cè)量、記錄一次巖樣的橫波參數(shù)。由于測(cè)量空間密閉性較好，不考慮含水飽和度的變化，依次對(duì)三個(gè)方向的巖心做同樣的實(shí)驗(yàn)處理。

表1 煤巖巖樣的基礎(chǔ)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中的煤巖滲透率、孔隙度極小，為使巖樣完全飽和所配制的溶液，對(duì)巖樣進(jìn)行48 h 抽真空飽和水處理，在巖樣自然浸水的過(guò)程中，持續(xù)測(cè)量巖樣的實(shí)時(shí)質(zhì)量，最終獲得浸水時(shí)間1 h、2 h、6 h、18 h、24 h 以及48 h 狀態(tài)下的巖樣，并與干燥巖樣的聲波參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，含水飽和度計(jì)算公式為：

式中：Sw-含水飽和度；m烘干-巖心烘干后質(zhì)量；m飽和-巖樣在飽和液中靜置12 h 后的質(zhì)量，視為地層水的100 %飽和；m-巖心自然風(fēng)干過(guò)程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤巖聲波特性

實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得干燥狀態(tài)下不同方向煤巖巖樣的部分巖石聲波屬性參數(shù)和彈性參數(shù)。不同方向煤巖巖樣的聲波屬性參數(shù)和彈性參數(shù)存在明顯差異，煤巖巖樣具有明顯的各向異性特征。不同方向煤巖縱橫波速度變化規(guī)律（見(jiàn)圖2（a）），從圖2（a）中可看出，三個(gè)方向的煤巖縱橫波速度存在差異，其中X 方向煤巖縱橫波速度最小，Y 方向煤巖速度介于X、Z 之間，Z 方向縱橫波速度最大，縱波分布范圍為1 500 m/s～1 700 m/s，橫波分布范圍為890 m/s～950 m/s，這與煤巖內(nèi)部的割理發(fā)育程度、孔隙結(jié)構(gòu)等有關(guān)。不同方向煤巖縱波、橫波衰減系數(shù)、彈性模量和泊松比存在較大的差異，其中縱波衰減系數(shù)分布范圍為52 dB/m～73 dB/m，橫波衰減系數(shù)范圍為49 dB/m～91 dB/m（見(jiàn)圖2（b））；彈性模量分布范圍為2.52 GPa～2.83 GPa（見(jiàn)圖2（c））；泊松比分布范圍為0.2～0.28（見(jiàn)圖2（d））。以上研究結(jié)果表明煤巖巖樣的聲波屬性參數(shù)、彈性參數(shù)都具有較明顯的各向異性特性。

圖2 煤巖聲波屬性參數(shù)與彈性參數(shù)

圖3 巖樣縱波波速隨含水飽和度的變化

2.2 含水飽和度對(duì)煤巖波速的影響

實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得不同方向煤巖巖樣縱波速度隨含水飽和度的變化規(guī)律（見(jiàn)圖3）。從圖3 中可以看出，不同方向煤巖縱波速度隨著含水飽和度的增加而增加，這一規(guī)律與趙宇等[8，9]得到的規(guī)律相似。同時(shí)，從圖3 中還可以看出當(dāng)含水飽和度較小時(shí)，縱波速度增速較快，當(dāng)含水飽和度大于0.4 時(shí)，縱波速度逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)?，在持續(xù)加壓條件下，蒸餾水首先進(jìn)入煤巖的大孔隙中，占據(jù)了主要的儲(chǔ)集空間，縱波速度變化明顯；隨著浸水時(shí)間的增加，水逐漸進(jìn)入煤巖的微小孔隙中，縱波速度趨于穩(wěn)定。

2.3 圍壓對(duì)煤巖波速的影響

不同方向煤巖的縱橫速度隨圍壓的變化規(guī)律（見(jiàn)圖4）。從圖4 中可看出不同方向煤巖的縱橫波速度隨著圍壓增大而呈增大的趨勢(shì)。同時(shí)，從圖4 中還注意到當(dāng)圍壓較小時(shí)縱橫波波速增速較快，當(dāng)圍壓逐漸增大時(shí)，縱橫波波速增速變得緩慢，當(dāng)圍壓大于20 MPa 時(shí)，縱橫速度逐漸趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明圍壓改變了煤巖巖樣的性質(zhì)，進(jìn)而影響了煤巖波速的變化。與橫波相比，不同方向的煤巖縱波速度隨圍壓增加的變化幅度較大。這說(shuō)明不同方向的煤巖縱橫波速度存在一定差異，說(shuō)明縱橫波在煤巖中傳播存在各向異性的特點(diǎn)。

2.4 圍壓對(duì)煤巖彈性各向異性參數(shù)的影響

在各向異性參數(shù)分析方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提供了許多研究方法。本文采用Thomsen[16，17]所提出的三個(gè)與彈性模量相關(guān)的物理量δ、ε、γ 及其計(jì)算公式，基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各向異性參數(shù)，探究各向異性參數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律（見(jiàn)圖5）。從圖5 中可以看出煤巖彈性各向異性值比較大，說(shuō)明煤巖表現(xiàn)為弱各向異性，且彈性各向異性參數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律基本相同，即煤巖縱橫波各向異性參數(shù)（δ、γ）、縱波變異參數(shù)δ 隨圍壓的增大總體都呈下降趨勢(shì)，這一結(jié)論與鄧?yán)^新[18]等得出的結(jié)論相同。上述表明圍壓的變化改變了煤巖巖樣的性質(zhì)，進(jìn)而影響煤巖的彈性性質(zhì)，這說(shuō)明了圍壓對(duì)煤巖彈性各向異性產(chǎn)生較大影響。

圖4 圍壓對(duì)干燥巖樣聲波速度的影響

圖5 干燥巖樣各向異性參數(shù)隨圍壓的變化

3 結(jié)論

（1）不同方向煤巖巖樣的縱橫波速度、衰減系數(shù)、彈性模量以及泊松比存在差異，說(shuō)明了煤巖具有各向異性特征。

（2）巖樣的縱橫波速度隨含水飽和度的增加而增大，其中含水飽和度較低時(shí)，波速增加較快，而含水飽和度大于40 %時(shí)波速增加變緩。且煤巖的縱橫波速度隨圍壓的增加而單調(diào)增加。

（3）煤巖屬于弱各向異性介質(zhì)，縱橫波各向異性參數(shù)、縱波變異參數(shù)隨圍壓的增大總體都呈下降趨勢(shì)。