巖石物理綜合實驗
——壓力、溫度和流體對巖石速度的影響

張佳佳，　張廣智，　吳國忱，　曹丹平，　宗兆云

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院， 山東 青島 266580)

0　引　言

高等學校肩負著培養創新型人才的重任，必須大力加強大學生創新能力和實踐能力的培養[1-3]。勘查技術與工程專業是中國石油大學(華東)首批“卓越工程師教育培養計劃”試點專業和國家特色專業，通過開展大量實驗教學和工程實訓課程，培養學生的動手能力和創造性思維[4-6]。常規實驗教學中大多數要求學生按照實驗指導書操作完成，加深對知識點的理解和掌握，但缺乏對實驗方案設計、實驗儀器調配和實驗方法選擇等多方面的綜合訓練[7-9]。綜合實驗是將基礎理論知識以及各種實驗技能和實驗方法加以歸納、分析、相互滲透的一種有效的實驗形式，有助于培養學生綜合運用理論知識和實驗技能解決實際問題的能力[10-11]。

對現有的巖石物理實驗課程進行改革，設計了“壓力、溫度和流體對巖石速度的影響”綜合實驗，測量不同壓力、溫度和流體條件下的巖石速度，分析壓力、溫度和流體對巖石速度的影響。通過開設綜合實驗，鼓勵學生自己動手設計實驗方案，配置實驗儀器，利用理論知識分析實驗數據并總結實驗結論，充分調動學生實驗的主動性和積極性，培養學生綜合分析問題和解決問題的能力。

1　實驗設計和實施

1.1　實驗原理

巖石速度是地下巖石的的重要彈性參數之一，對于利用地震勘探原理對地下構造、巖性以及油氣藏進行勘探具有重要的指導作用[12]。測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超聲波換能器之間，其中一個超聲波換能器是用來發射超聲波(包括縱波速度和橫波速度)，超聲波透過巖石樣品后，被另一個超聲波換能器接收(包括縱波速度和橫波速度)，通過數字示波器記錄超聲波波形。通過拾取超聲波初至時間，就可確定超聲波透過巖樣所需的時間，再用游標卡尺測量巖石樣品的長度，就可以計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巖樣所需的時間；L為巖石樣品的長度。

1.2　實驗儀器與材料

儀器：智能超聲P·S波綜合測試儀(HF-G型，揚州市廣陵專用超聲設備廠，同時測量縱波速度和橫波速度)，微機伺服巖石三軸試驗機(TAW-1000型，長春市朝陽試驗儀器有限公司，壓力范圍：0～70 MPa，溫度范圍：0～150 ℃)，游標卡尺(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　實驗步驟

(1) 巖樣制取。實驗測試使用兩種規格的巖樣：φ50 mm×100 mm和φ25 mm×50 mm的圓柱體巖樣，其中φ50 mm×100 mm的巖樣用于測量頻率為500 kHz的超聲波換能器測試；φ25 mm×50 mm的巖樣用于測量頻率為1 MHz的超聲波換能器測試。利用巖石鉆樣機鉆取標準直徑的巖樣，再用巖石切磨兩用機切取合適的長度，最后用雙端面磨石機將巖樣端面磨平，以滿足精度要求。其中φ25 mm×50 mm的標準巖樣和實際制取的巖樣如圖1所示。

圖1　標準巖樣示意圖與實際巖樣(mm)

(2) 巖樣封裝。在實驗測試過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。

開展高溫高壓超聲波速度測量需要將巖樣封裝在高溫高壓反應釜中，反應釜中的圍壓通過注入硅油來實現，因此巖樣必須和硅油彼此隔開，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際封裝巖樣。

圖2　巖樣密封示意圖與實際封裝巖樣

(3) 儀器校正。在巖石超聲波速度實驗測試時，由于超聲波頻率非常高，其波長往往只有幾個mm，因此實驗測試過程中一定要注意對測量儀器的誤差進行校正以保證測試結果的精度要求。一般利用波速已知的標準巖樣來對測量儀器進行校正，使用的標準巖樣包括有機玻璃、鋁和鋼3種，每種標準巖樣都有不同的長度。對標準巖樣分別測得不同長度下超聲波的傳播時間，以標準巖樣的長度為縱坐標，超聲波傳播時間為橫坐標作圖，得到的直線斜率的倒數是標準巖樣的超聲波速度，而直線與時間軸的交點即為測試儀器的對零時間。測試儀器的對零時間通常由有機玻璃、鋼和鋁3種標準巖樣的對零時間取算術平均值。

(4) 巖樣測試。將巖樣裝載在高溫高壓反應釜中，再使用TAW-1000型微機伺服巖石三軸試驗對巖樣加載軸壓和圍壓，并對反應釜外的加熱圈進行加熱，模擬地下高溫高壓環境。然后使用智能超聲P·S波綜合測試儀激發和接收超聲波，記錄超聲波波形，拾取超聲波初至時間，計算得到超聲波在巖樣傳播的速度。在測試過程中，要注意保持實驗條件的一致性，也就是要保持超聲波激發能量和接收增益的一致性[15]。

① 干燥巖樣實驗方案。首先將圍壓加載為5 MPa，再加載軸壓，為了消除滯后效應及微裂紋對巖石速度的影響，以0.5 MPa/s的速度將差應力(軸壓與圍壓之差)由5 MPa升至20 MPa，再以同樣速度將差應力由20 MPa降至5 MPa，進行兩個循環，并且在這兩個循環中不進行巖石超聲波速度測量。然后將保持圍壓不變，差應力依次設置為5、8、11、14、17和20 MPa，分別測量縱橫波聲波時差，該圍壓下實驗測試完畢。然后將圍壓以5 MPa的步長增大至40 MPa，在每一個圍壓下，差應力均依次設置為5、8、11、14、17和20 MPa，差應力隨時間的變化曲線如圖3所示。具體實驗方案見表1。

圖3巖樣壓力加載路徑

表1　干燥巖樣實驗方案

② 飽和巖樣實驗方案。首先將巖石放置加壓飽和儀中，配置一定礦化度的鹽水來模擬地下地層水，對巖樣進行真空加壓飽和，飽和時長24 h。然后裝載在高溫高壓反應釜中進行飽和巖樣的超聲波速度測量。飽和巖樣實驗方案同干燥巖樣類似，只是圍壓的增長步長變大，差應力也隨著增大，同時溫度也逐漸升高，并且始終保持1 MPa的孔隙壓力。具體的實驗方案見表2。

表2　飽和巖樣實驗方案

2　實驗結果與討論

2.1　壓力對巖石速度的影響

指導學生依次測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律以及擬合關系式。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；當壓力較低時，縱波速度和橫波速度增加較快；當壓力增加到一定程度時，縱波速度和橫波速度趨于平緩。由此分析可得：當壓力較低時，巖石中微孔隙含量較多，導致速度偏低；隨著壓力逐漸增加，巖石中微孔隙逐漸關閉，速度逐漸增高；當壓力增加到一定程度時，巖石中微孔隙已經全部關閉，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律

2.2　溫度對巖石速度的影響

圖5為飽和巖樣縱波速度和橫波速度隨壓力的變化規律以及擬合關系式。從結果可以看到：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，縱波速度相對下降3%，而橫波速度相對下降4%。由此分析可得：對于飽和含水巖石來說，當溫度沒有高到引起巖石狀態發生明顯變化導致巖石骨架產生新的微裂隙的時候，溫度對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律

2.3　流體對巖石速度的影響

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比分析，就可以確定不同的孔隙流體類型對巖石速度的影響。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律。從結果可以看到：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：當巖石孔隙由完全含氣變為完全含水，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　語

通過綜合實驗測量可以得到：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。

開展巖石物理綜合實驗，指導學生對實驗測量數據進行分析、歸納和總結，引導學生通過實驗去發現、分析和解決問題，不僅幫助學生加深理解課本上學習的理論知識，而且鍛煉學生實驗操作能力和數據處理分析能力，培養學生的知識綜合運用能力和創新實踐能力。例如在本綜合實驗的實施和支持下，勘查技術與工程專業學生已經成功完成2項國家級大學生創新訓練計劃項目，項目成績均被評為優秀。

參考文獻(References)：

[1]曹國震. 高等學校的創新教育與培養創新型人才的探索[J]. 教育教學論壇, 2015(8): 156-157.

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

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

[4]李振春, 印興耀, 孫成禹, 等. 勘查技術與工程專業卓越計劃工程教育培養模式探索[J]. 中國地質教育, 2013(2)：58-60.

[5]張廣智, 宋建國,李振春, 等. 對勘查技術與工程專業實施“卓越工程師教育培養計劃”的一些思考[J]. 中國地質教育, 2011(2)：5-9.

[6]曹丹平, 印興耀, 李振春. 加強勘查技術與工程專業工程實踐訓練環節的探討[J]. 石油教育, 2013(6): 49-52.

[7]元澤懷. 開放式設計性綜合實驗課程教學的改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(11):120-122.

[8]朱莉. 改革實驗教學, 培養創新能力[ J] .實驗技術與管理, 2003, 20(1):70-72.

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

[10]嚴文凱, 孫盾, 張勇, 等. 研究型綜合實驗的開發與實踐[J]. 實驗技術與管理, 2013, 30(3): 147-151.

[11]周秦武, 張博, 張大龍, 等. 以項目驅動為導向的專業綜合實驗課程設計與實踐[J]. 實驗技術與管理, 2014, 31(3): 183-185.

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

[13]任科英. 實驗室巖心聲學速度測試中的頻散現象[J]. 石油地球物理勘探, 2011, 46(5) : 779-782,836,665.

[14]DZ/T 0276.4-2015, 巖石物理力學性質試驗規程第24部分: 巖石聲波速度測試, 中華人民共和國地質礦產行業標準[S].

[15]唐杰. 各向異性巖石的靜態模量與動態模量實驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(S1): 3185-3191.