煤巖聲波傳播特性實驗研究

閆 森，何海銘，熊 健，黃林林，肖 鵬

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（西南石油大學(xué)），四川成都 610500）

隨著我國對能源需求的進一步增加，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，可以有效保護儲層避免污染。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)濟效益和作業(yè)安全。由于井下環(huán)境復(fù)雜，無法直接測量煤巖在清水鉆井液下的物性變化，只能借助室內(nèi)實驗研究煤巖浸泡清水后的變化特征，煤巖介質(zhì)超聲波測試技術(shù)通過測定超聲波穿透煤巖體后聲波信號的聲學(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彈性參數(shù)、煤巖結(jié)構(gòu)物性特征測量等方面。因此，研究煤巖的聲波傳播特性對于煤層氣的開采具有重要意義。

目前，針對巖石聲波傳播特性及其影響因素，許多研究學(xué)者展開了大量的研究。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]對砂巖開展了單軸壓縮實驗，并在加載過程中同步進行3 個方向的聲波測試，獲得了砂巖加載過程中3 個不同方向聲波波速與應(yīng)力的演化規(guī)律。劉向君等[3]通過對孔洞發(fā)育程度不同的縫洞型碳酸鹽巖進行不同孔隙壓力下的聲學(xué)實驗測試，得到了孔隙壓力與不同類型碳酸鹽巖縱橫波時差及衰減系數(shù)之間的關(guān)系，并探討了孔隙壓力對不同類型碳酸鹽縱橫波在時域及頻域上的影響。梁利喜等[4]對層理性頁巖聲波影響特征進行研究，結(jié)果表明隨著層理角度增大聲波時差、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]對碳酸鹽巖的聲波波形、傳播速度和波譜特征進行了研究。周龍濤[6]針對孔洞型碳酸鹽巖超聲波衰減特性進行了研究，探討了單因素對衰減和強度參數(shù)的影響，指出了基于衰減預(yù)測強度參數(shù)的適用條件。李盟[7]以不同礦區(qū)、不同變質(zhì)程度類型的煤樣作為研究對象，測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]通過研究煤巖不同吸水率來探討對巖石聲波速度各向異性的影響。陳旭等[9]利用智能聲波儀對紅砂巖、大理巖和花崗巖試樣在干燥及飽和條件下進行了聲波縱波透射實驗,研究聲波在巖石中傳播的速度特征,同時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。黃開樺等[10]對致密砂巖巖石彈性各向異性進行了實驗研究。黃裕萌等[11]研究了含水飽和度對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,對復(fù)雜巖體介質(zhì)及裂隙中聲波傳導(dǎo)特性進行實驗研究。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巖波速的變化并討論了壓力對頁巖波速各向異性的影響。Vernik 等[15]研究了頁巖彈性各向異性，并討論了干燥條件下其特點。以上研究成果說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，而針對滇東地區(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)煤巖為研究對象，在干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對巖樣進行聲波測試，獲取巖樣的聲學(xué)參數(shù)，進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 實驗樣品與實驗方法

實驗選取國內(nèi)某區(qū)塊煤巖為研究對象，在對巖樣的處理中，選取邊長不小于200 mm 的原煤煤塊，利用巖心鉆取機取樣，在X、Y、Z 三個方向上鉆取巖心，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、電子天平等儀器測量煤巖樣品的長度、直徑、質(zhì)量等基本物理參數(shù)，對巖樣孔隙率、滲透率進行測量、記錄；利用超聲波透射法處理煤巖樣品，測量巖石的聲波特性，實驗裝置包括（聲波測量裝置見圖1）：人機交互Ultra scope 軟件，超聲波激發(fā)、接收裝置，巖心夾持器，個人計算機等，依據(jù)所得的聲波波形、巖心長度L，讀取橫、縱首波到時ts、tp以及儀器給定的系統(tǒng)延時t0（聲波透射夾持器所需時間），計算縱、橫波波速Vp、Vs的計算方式分別為:

在測量過程中煤心與換能器之間始終保持一個相對穩(wěn)定的位置和方向。縱、橫波換能器與巖樣間采用凡士林做耦合劑，對X、Y、Z 三個方向鉆取巖樣進行超聲波測試。將煤巖巖心分為兩組，每組含有X、Y、Z 方向各一個，1-1、2-1、3-1 為第一組，1-2、2-2、3-2 為第二組（見表1）。

圖1 聲波測量裝置原理圖

實驗中，將巖心置于干燥、不同含水飽和度條件下，采用透射法對巖樣進行聲波測試，測試過程中對巖心施加從0 MPa 到40 MPa 的圍壓，每隔10 MPa 測量、記錄一次巖樣的縱波參數(shù)；每隔5 MPa 測量、記錄一次巖樣的橫波參數(shù)。由于測量空間密閉性較好，不考慮含水飽和度的變化，依次對三個方向的巖心做同樣的實驗處理。

表1 煤巖巖樣的基礎(chǔ)參數(shù)

實驗中的煤巖滲透率、孔隙度極小，為使巖樣完全飽和所配制的溶液，對巖樣進行48 h 抽真空飽和水處理，在巖樣自然浸水的過程中，持續(xù)測量巖樣的實時質(zhì)量，最終獲得浸水時間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)進行對比，含水飽和度計算公式為：

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)干過程中的實時質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤巖聲波特性

實驗條件下測得干燥狀態(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（見圖2（a）），從圖2（a）中可看出，三個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（見圖2（b））；彈性模量分布范圍為2.52 GPa～2.83 GPa（見圖2（c））；泊松比分布范圍為0.2～0.28（見圖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 含水飽和度對煤巖波速的影響

實驗條件下測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，從圖3 中還可以看出當(dāng)含水飽和度較小時，縱波速度增速較快，當(dāng)含水飽和度大于0.4 時，縱波速度逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為，在持續(xù)加壓條件下，蒸餾水首先進入煤巖的大孔隙中，占據(jù)了主要的儲集空間，縱波速度變化明顯；隨著浸水時間的增加，水逐漸進入煤巖的微小孔隙中，縱波速度趨于穩(wěn)定。

2.3 圍壓對煤巖波速的影響

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。同時，從圖4 中還注意到當(dāng)圍壓較小時縱橫波波速增速較快，當(dāng)圍壓逐漸增大時，縱橫波波速增速變得緩慢，當(dāng)圍壓大于20 MPa 時，縱橫速度逐漸趨于穩(wěn)定。這說明圍壓改變了煤巖巖樣的性質(zhì)，進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。這說明不同方向的煤巖縱橫波速度存在一定差異，說明縱橫波在煤巖中傳播存在各向異性的特點。

2.4 圍壓對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]所提出的三個與彈性模量相關(guān)的物理量δ、ε、γ 及其計算公式，基于室內(nèi)實驗所測數(shù)據(jù)計算各向異性參數(shù)，探究各向異性參數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律（見圖5）。從圖5 中可以看出煤巖彈性各向異性值比較大，說明煤巖表現(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，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)，進而影響煤巖的彈性性質(zhì)，這說明了圍壓對煤巖彈性各向異性產(chǎn)生較大影響。

圖4 圍壓對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，波速增加較快，而含水飽和度大于40 %時波速增加變緩。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。