不同飽和人工砂巖縱橫波速度變化分析

張巖

摘要：影響砂巖中縱橫波速度的因素有很多，為了定性研究飽和度與砂巖縱橫波速度的關系，實驗室利用石英砂粉與環(huán)氧樹脂、固化劑在不同的配比下混合均勻，放入固化槽中制作出人工砂巖模型。使用超聲波測試系統(tǒng)測量人工砂巖樣品的縱橫波波速，發(fā)現(xiàn)了它們隨飽和度變化的不同規(guī)律，對實驗結果進行了理論分析和計算，繪出了速度隨飽和變化的擬合曲線，為了能更準確的描述地層結構和地層性質以適應越來越復雜的油氣儲藏勘探的需要，研究不同飽和人工砂巖的縱橫波速度變化的規(guī)律具有很強的實際意義。

關鍵詞：人工砂巖；含水飽和度；縱波波速；橫波波速

前言

地震波在沉積巖中傳播速度與巖石的孔隙度和含水性有密切的關系，近些年進行了許多的研究。因為巖石孔隙中含油或水或氣時，巖石的波速（及密度）會發(fā)生變化，因而引起波阻抗的變化，最后導致在該界面的反射波振幅的變化。現(xiàn)在的亮點技術就是利用地震波振幅的變化與反射界面波阻抗直接聯(lián)系起來進行找油找氣的方法[1]。在大多數(shù)沉積巖中，在巖石中傳播的波的實際波速是由巖石介質、孔隙度、飽和度等很多因素來決定的。

在此背景中，我們在實驗室利用多孔材料制作不同飽和度的人工砂巖模型，并利用組合式超聲波測試系統(tǒng)測定砂巖模型的縱橫波速度，應用Biot流理論和噴射流理論對聲波速度進行分析，并將理論分析結果和實驗測量結果分析比較，綜合得出不同飽和人工砂巖縱橫波速度變化的分析。

1 人工砂巖的制作

1.1 人工砂巖的制作方法

我們選定的在實驗室制作砂巖樣品的原料有石英砂，環(huán)氧樹脂和固化劑3種，用環(huán)氧樹脂作為膠結物。模型采用沙子和環(huán)氧樹脂的混合物質（環(huán)氧樹脂與沙子的比例為1：10）并加入了少量的固化劑作為基質。其中石英砂我們又選擇了80目、100目和120目3種以增加變化。砂巖分別在壓力機的壓強為2MP、2.6MP和3.2MP下固結。我們用不同比例的3種原料進行混合拌勻，再放入固定的模具中，用壓力機加壓一定時間，放置一段時間使其凝固成塊，然后取出放入烘烤箱。為了把砂巖樣品的孔隙度控制在30%以內，我們參照前科學家的制作方法，前三組以石英砂，環(huán)氧樹脂和固化劑的含量比例為6：1：0.2進行制作。

第一組 壓力機壓強為2MP，用不同種類（80目、100目和120目）的石英砂分別制作一個砂巖樣品。分別編號為1，2，3號。

第二組 壓力機壓強為2.6MP，不同種類（80目、100目和120目）的石英砂分別制作一個砂巖樣品。分別編號為4，5，6，7號。

第三組 壓力機壓強為4MP，80目的石英砂分別制作一個砂巖樣品。分別編號為8，9，10號。

第四組 壓力機壓強為3.2MP，用120目的石英砂，三個砂巖樣品的石英砂，環(huán)氧樹脂和固化劑的含量比例分別為7：1：0.2，8：1：0.2，9：1：0.2。分別編號為11，12號。

含可控裂隙人工砂巖物理模型的制作：我們要做的模型就是用一個立方體來模擬石油的儲集層。然后在其中引入裂隙，通過Hudson理論可以計算其裂縫密度。

1.2人工砂巖物理性質的測定

在實驗室中，我們使用的是液體飽和法。將已洗干凈、烘干的巖羊在空氣中稱質量記為w1，然后將巖樣抽成真空然后飽和水，在空氣中稱出飽和水后巖樣的的質量記為w2。兩次質量差即為進入巖心空隙的水質量。水的密度我們取做1g/cm3，則巖石的孔隙體積為Vp為

Vp=（w2-w1）/p0 （3.4）

該方法裝置簡單，操作方便，注意使用時最好要用地層水，以防巖心遇水膨脹。用電子刻度尺測其各邊長度，計算其體積。

2 超聲波脈沖透射法

2.1 人工砂巖模型縱橫波速度的獲取

實驗室內一般使用組合形式的聲波測試系統(tǒng)。由脈沖發(fā)生器、超聲換能器、數(shù)字示波器、控制主機等幾部分組成。

脈沖信號發(fā)生器：是供給震源換能器的一個激勵電信號，實驗表明，當電脈沖信號的幅度大于100V，脈寬在0.1-5us范圍內可變時，基本上已能適應地震物理模型中各種測試目的。更高的要求是，電脈沖的寬度和幅度能分段可調。因為在許多實驗過程中，一個實驗會改變不同的頻率，用分段方法可使每次變動是已知的，從而減少測試的誤差[9]。

數(shù)字示波器：用來記錄來自接收探頭的信號。

控制主機：PC機一臺，運行示波器圖形采集系統(tǒng)，采用操作系統(tǒng)為Windows XP版，示波器和信號源是掛在IEEE-488總線上，在微機上利用接口卡來對示波器和信號源進行通信。

換能器：用于實現(xiàn)電聲能量的互相轉換裝置，處在發(fā)射狀態(tài)時換能器把電能轉換為機械振動能，從而發(fā)出向外輻射的超聲波，換能器處于接收狀態(tài)時與發(fā)射狀態(tài)相反。

換能器激發(fā)的子波的波形影響到測量的結果。為了更好的分析波的衰減，換能器激發(fā)的子波盡量窄，帶寬要盡量寬，主頻與帶寬比要小。具有脈沖形的波形。

我們使用的換能器的子波很窄，只有一個周期的波形。干擾波很小，帶寬達到了680Khz，主頻與帶寬比為0.61，這說明使用的換能器的性質良好，符合實驗的條件，可以進行實驗。

2.2測試過程及結果處理

為研究每個樣品不同飽和度與縱橫波速度的變化規(guī)律，將測量所獲的數(shù)據(jù)通過分析可以看出：

（1）使用高頻換能器所測的縱波波速、橫波波速比使用低頻換能器所測的縱波波速、橫波波速要高。

（2）縱波的波速隨著含水飽和度的升高而增大。

（3）橫波的波速與含水飽和度的高低基本沒有關系，保持不變。

通過對比分析，我們可以更清晰的得到：

（1）使用高頻換能器所測的縱波波速、橫波波速比使用低頻換能器所測的縱波波速、橫波波速要高。

（2）縱波的波速隨著含水飽和度的升高而增大，橫波的波速與含水飽和度基本沒有關系，保持不變。

（3）由（2）可知，隨著含水飽和度的變化，縱橫波速度比會升高，進而可得知泊松比會升高，與理論值吻合。

（4）我們發(fā)現(xiàn)流體存在時，頻散現(xiàn)象更大，說明流體的存在會使頻散現(xiàn)象更大，定量的研究則需要更進一步的研究。

分析產(chǎn)生此狀況的原因：

（1）隨著砂巖含水飽和度的升高，縱波速度急劇上升，而橫波速度則比較穩(wěn)定，這是因為介質的孔隙度較大，水的滲入加大了介質的壓縮模量，所以縱波的速度會升高，而橫波是剪切波，水沒有剪切模量，故沒有影響。

（2）無論是人工砂巖，還是天然砂巖，我們用不同頻率的超聲波進行透射時，都會發(fā)生頻散現(xiàn)象。即觸發(fā)的超聲波的頻率越高，速度越高，反之亦然。

3結論

1）隨著砂巖含水飽和度的升高，縱波速度急劇上升，而橫波速度則比較穩(wěn)定，這是因為介質的孔隙度較大，水的沖入加大了縱波的壓縮模量，而橫波是剪切波，故沒有影響。在含水飽和度最大時縱波速度達到最大。

2）無論是人工砂巖，我們用不同頻率的超聲波進行透射時，都會發(fā)生頻散現(xiàn)象。即觸發(fā)的超聲波的頻率越高，速度越高，反之亦然。

3）所用石英沙粉和環(huán)氧樹脂的比例不同，也會造成砂巖樣本的結構不同。所用石英砂粉和環(huán)氧樹脂的比例越大，它們混合后越稀松。所得巖石樣本密度減少，孔隙度增大。而巖石樣本的速度會減小。

4）人工砂巖對研究不同飽和砂巖縱橫波波速變化情況具有很好的適用效果，實驗結論清晰，效果顯著。

參考文獻

[1]陸基孟.地震勘探原理及資料解釋.北京：石油工業(yè)出版社，1991

[2]辛治國.疏松砂巖油藏注水開發(fā)聲波速度的影響因素.中國石油大學學報（自然科學版），2008，32（4）：11-15