巖石力學中聲學的應用

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1、巖石力學中聲學的應用摘　要：巖石力學參數(shù)是油氣開發(fā)過程中的基本參數(shù)。巖石力學參數(shù)可以直接通過三軸試驗獲得靜力學參數(shù)和測井資料與實驗室聲波測量間接獲得動力學參數(shù)，動力學參數(shù)比較容易獲得且全面，而靜力學參數(shù)則必須經(jīng)過取芯的一系列復雜工序才能獲得，究竟動靜力學參數(shù)測量機理之間有何不同及參數(shù)間有何關系，希望能找到他們之間關系以有助于人們對地層信息的全面掌握來更好地指導生產(chǎn)。通過對加、卸荷應力狀態(tài)下巖石類材料聲發(fā)射變化的比較，探討巖石類材料破壞過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象。在三維應力狀態(tài)下對巖體模型試樣進行三種卸荷破壞試驗，依據(jù)損傷力學理論對試驗結(jié)果進行分析，揭示了

2、在工程卸荷作用下巖石類材料的聲發(fā)射特性。關鍵詞：應力頻率；孔隙；應力狀態(tài)；聲發(fā)射；動力學參數(shù)；靜力學參數(shù)；引　言超聲波測試技術(shù)由于具有快捷、無損等優(yōu)點，在巖石力學研究中得到了廣泛應用。巖石是一種典型的非均質(zhì)材料，內(nèi)部存在大量的裂紋、空隙等各種微觀結(jié)構(gòu)。超聲波在巖石中是繞過裂隙傳播的，從而延長了傳播時間，降低了波速[1]。巖石在荷載作用下發(fā)生破壞，主要與裂紋的產(chǎn)生、擴展及斷裂過程有關。裂紋形成或擴展時，造成應力松弛，貯存的部分能量以應力波的形式突然釋放出來，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象[9]。通過對巖石的聲發(fā)射信號的分析和研究，可推斷巖石內(nèi)部的性態(tài)變化，反演巖石

3、的破壞機制。研究現(xiàn)狀文獻[2－4]中介紹了根據(jù)巖體和巖塊中縱波速度的差異來判斷巖體完整性的方法。目前，有學者通過室內(nèi)試驗，研究了超聲波速度與巖樣力學參數(shù)之間的關系；在一些文獻中，有利用超聲波速度來預測巖樣單軸抗壓強度的介紹[5-8]。許多研究人員對巖石動、靜態(tài)彈性參數(shù)間的差別進行了試驗研究[9-12]，Warpinski將聲波測井解釋值與室內(nèi)靜態(tài)測試值進行了對比分析[13]，得出了一些經(jīng)驗關系式，并已在工程實踐中應用。超聲波測試在巖石力學領域得到廣泛的應用.通過測試縱、橫波在巖石內(nèi)的傳播速度可以確定動態(tài)楊氏模量、泊松比系數(shù)等參數(shù)；而根據(jù)巖體和巖塊

4、中縱波速度的差異能夠判斷巖體的完整性[14-16]。不過，巖石種類繁多，內(nèi)部存在空隙、裂紋等各種微觀結(jié)構(gòu)，實際情況極為復雜。巖樣的應力-應變曲線并非直線，楊氏模量有多種定義。聲發(fā)射技術(shù)是研究巖石力學性質(zhì)的一種聲學方法。1　巖石動靜力學參數(shù)1.1　巖石靜力學參數(shù)優(yōu)勢及其局限性根據(jù)地下巖層的應力形成和起作用的機理，特別是在應力幅值、加載速度和所引起的巖石變形等方面，更接近巖石靜態(tài)測試的條件因此在地應力計算和實際工程中應采用巖石的靜態(tài)彈性參數(shù)。Montmayeur、Graves、Yale和Jamieson也指出靜態(tài)測試參數(shù)更能代表石油工程中巖石的受載條

5、件。但靜態(tài)測試由于需要從地層中取出待研究層段的巖心，在室內(nèi)進行加載測試。因此測試巖樣數(shù)量有限，而且?guī)r石本身固有特性也決定了地層巖石的彈性參數(shù)帶有較強的波動性。1.2　巖石動力學參數(shù)優(yōu)勢及其局限性動態(tài)法(現(xiàn)場聲波測井)可獲得沿井深連續(xù)的巖層彈性系數(shù)，克服了靜態(tài)法的一些缺點，但動態(tài)彈性參數(shù)是根據(jù)測井體積密度、超聲波在巖石中的縱、橫波速轉(zhuǎn)換得到的計算結(jié)果，其影響因素較多。1.3　動靜參數(shù)的測定巖石彈性模量和泊松比的測定方法有動態(tài)法和靜態(tài)法兩種。靜態(tài)法是通過在實驗室內(nèi)使用單軸、三軸巖石力學實驗儀對巖樣進行靜態(tài)加載測其變形得到。動態(tài)法可分為兩種：一是可以使

6、用測井設備在原地應力條件下進行現(xiàn)場聲波測井，測定超聲波在地層巖石中的傳播速度轉(zhuǎn)換得到，而且可以獲得沿井深連續(xù)的巖層彈性系數(shù)；二是可以在實驗室內(nèi)通過測定超聲波在巖樣中的傳播速度轉(zhuǎn)換得到。1.4　巖石動態(tài)與靜態(tài)彈性參數(shù)差別的微觀機理巖石動、靜態(tài)彈性參數(shù)的差別是由巖石材料的結(jié)構(gòu)特征所決定的，由微觀機制控制。欲準確地把握巖石動、靜態(tài)彈性參數(shù)間的關系，須在巖石的微觀尺度內(nèi)進行分析。動、靜態(tài)彈性參數(shù)存在差別是由于巖石內(nèi)部存在微裂隙與孔隙流體。在不同應變幅值和頻率的動、靜態(tài)載荷作用下，微裂隙與孔隙流體的微觀變形特征不同。在靜態(tài)大應變下，沿顆粒邊界或裂隙面的摩擦

7、滑動使巖石表觀模量減小，而聲波引起的應變很小，不足以引起這種滑動。另外，動態(tài)載荷下巖石處于“不排水”狀態(tài)，并因“粒間噴流”引起模量頻散，使得巖石動態(tài)模量高于靜態(tài)模量。具體如下：(1)巖石動、靜態(tài)彈性參數(shù)間存在差別的內(nèi)部原因是巖石內(nèi)部存在微裂隙及孔隙流體，外部原因是載荷的應變幅值與頻率不同。(2)在靜態(tài)較大應變下，會發(fā)生沿顆粒邊界或裂隙面的摩擦滑動，使巖石靜態(tài)模量降低。聲波引起的應變很小，不會引起巖石界面滑動，因此應變幅值對動態(tài)模量無影響。(3)孔隙流體的存在為動態(tài)測試下的巖石提供了附加剛度，巖石處于“不排水”狀態(tài)，使巖石模量增加。(4)巖石動態(tài)模

8、量存在頻散作用，使超聲測試獲得的動態(tài)模量高于地震波測試值。1.5　地層條件下巖石動靜力學參數(shù)的實驗研究對樣品進行了巖石力學和聲波速度(，