岩块超声横波速度高精度测试方法试验研究

魏建新，狄帮让

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249;2.中国石油大学CNPC物探重点实验室，北京102249;3.中国石油大学地球物理与信息工程学院，北京102249)

岩块超声横波速度高精度测试方法试验研究

魏建新1，2，3，狄帮让1，2，3

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249;2.中国石油大学CNPC物探重点实验室，北京102249;3.中国石油大学地球物理与信息工程学院，北京102249)

通过不同振动特性和直径的纵横波换能器，利用3种超声波速度测试方法对不同内部结构的大样品进行测试精度研究。试验结果表明:大块岩石横波速度的超声测试精度会受到岩石内部结构和测试方法的影响;垂直透射法可以获得较高测试精度的横波速度，剪切横波也可以得到岩石的非均质性和各向异性程度的信息;间接测试法只能用横波换能器才可以进行横波速度测试，测试到的是岩石横波的平均速度，受岩石内部结构和换能器振动特征的影响，间接法的测试精度会有较大的误差，选用合适的频率和小直径换能器，并增大发射能量可以提高间接法的横波速度测试精度。

横波速度测试;岩石试块;间接测试法;超声换能器;测试精度分析

超声纵横波速度测试是获取岩块动力参数的有效手段，可以获取岩块内部结构的信息［1-4］。岩块的横波速度测试由于受到纵波干扰以及横波换能器特性、测试方法和岩石非均质等诸多因素的影响，其精度低于纵波速度。已有的岩块横波速度测试研究［5-6］中试图用纵波间接测试方法得到，但是否能正确地测试到横波速度值得商榷。在横波测试法的研究结果［8-9］中，缺少测试精度的分析。为此，笔者利用不同的测试方法在3种不同内部结构的大尺寸试块上进行纵横波速度的测试，通过纵横波换能器振动特性，讨论不同测试方法对横波速度测试的可靠性以及相关的测试精度，给出提高测试岩石横波速度精度的最佳方法。

1 岩块超声横波速度的测试方法

实验室对大岩石样品的超声纵横波速度测试常用3种方法(图1)［10］。所谓大岩石样品是指样品最小一个方向的尺寸至少在100 mm以上，此种样品也称为岩石试块。当岩石可加工成两平行面的样品时用垂直透射法(图2(a))，简称直接法。当岩石试块过大或只能加工一个平面或两个相邻垂直面时，可以用间接测试方法——直达波法(图1(b))和半透射波法(图1(c))。

图1 岩石试块超声波速度测试方法Fig.1 Three kinds of ultrasonic measurement techniques

与垂直透射法波的传播方式不同，两种间接法中波的传播主要是岩块的表面或是近似体波方式。另一方面，由于震源与接收换能器在相同方向，测试一个点无法确定波传播路径是两个换能器中心(L')或是边缘距离(L)(图1(b)、(c))，只有采用多点测试形成多道记录解决，通过各点距离与时间的时距曲线计算速度，消除换能器直径的影响。

为讨论3种测试方法对横波速度测试的可靠性和测试精度，选用了3个不同内部结构的样品作测试块，样品加工成矩形块。有机玻璃(X×Y×Z:200 mm×200 mm×72.74 mm)具有内部结构均匀、各向同性和纵横波速度差异大的特点，有利于纵横波的特征分析;粗砂岩块(120 mm×120 mm×73.4 mm)均质性较好，颗粒分布均匀，砂粒粒径为0.3～1.2 mm，平均为0.6 mm;粗晶大理石(145 mm×115 mm×114 mm)外表能明显见到并行分布的裂缝，裂缝面近似平行于X-Y面，非均质性和衰减较强。后两块岩石试块具有一定典型性。

2 纵横波换能器的振动特征

从图1的3种测试方法可知，能否真正观测到横波取决于作为震源和接收器的超声换能器振动特性。超声换能器是以片状的压电陶瓷作为激活元件(简称压电晶片)，纵波换能器使用厚度振动模式的圆片压电晶片，横波换能器使用剪切振动模式的矩形片压电晶片。压电晶片本身具有不同的振动模式:纵波换能器中圆片压电晶片在做厚度方向主振动时，伴有径向上缩胀，产生径向杂振动(图2(a));剪切型横波换能器在做剪切主振动的同时晶片也产生纵(厚度)振动。换能器的杂振动与压电晶片的厚度与直径之比有关，比值差异较大时杂振动明显减弱。

图2 纵横波换能器中压电晶片的振动模式Fig.2 Vibration modes of piezoelectric substrate in P-and S-waves transducers

压电晶片尺度纵横比除与杂振动强度有关外，还影响晶片的辐射特性和频率特性［11］。当晶片直径受限制时，厚度增大降低频率，杂振动和边缘辐射增强，就有可能在纵波观测时得到横波信号，或横波测试有纵波。纵波换能器中的径向振动是垂直于声轴(晶片圆心轴)的胀缩振动，垂直于传播方向，所产生的横波能量主要集中在声轴附近。横波换能器中产生的纵波能量与辐射面有关。

大尺度和内部颗粒或晶体较粗的岩块，因其非均质性对波的衰减严重，一般选用频率低于500 kHz的换能器。针对不同的测试方法选用不同直径换能器:大直径换能器辐射能量和指向性强，仅适用于垂直透射法;间接测试法因利用换能器的杂振动和边缘辐射能量须用小直径换能器。为说明不同测试方法对换能器振动和直径的要求，选用了8对不同频率和直径的宽频带纵横波换能器，见表1。

表1 不同直径和频率的纵横波换能器Table1 P-and S-waves transducers with different diameters and frequencies

不同尺寸和频率宽频带纵横波换能器(表1)在有机玻璃块上用垂直透射法观测到的波形记录见图3(a)。图3(a)各道记录中第一个强信号即为透射纵波，后面方框内的弱信号为换能器径向振动引起的横波，其波形起跳时间与图3(b)中的横波波形时间完全一致。可以看到当压电晶片直径相同(20 mm)时，频率低(厚度加厚)的横波振幅明显增大(波形2)。当频率相同时，晶片直径减小径向振动的横波振幅略有增大，其径向频率增高(波形3)。从图3(a)中看出，即使小直径低频纵波换能器的横波信号增大，但还是比纵波信号小得多，较难利用这种径向振动横波进行速度测试。

剪切型横波换能器的杂振动主要是压电晶片的厚度振动(图2(b))，由于这种厚度振动产生的纵波在介质中的传播速度大于横波，所以其信号始终在横波信号的前面，当能量较大或传播距离较短时会影响横波的时间拾取。剪切压电陶瓷片的厚度振动也可通过加大压电晶片的纵横向尺寸来抑制，但不能完全消除，这是剪切横波换能器的一个特点，在实际使用中可选择合适的耦合物质抑制这种杂振动。图3(b)是3对不同尺寸和频率宽频带横波换能器在有机玻璃块上用垂直透射法观测到的波形记录，测试时换能器与试块之间使用了黏稠的蜂蜜作耦合剂，保证了换能器中的剪切振动的传递。图3(b)中第1道波形和第2道波波形的换能器压电晶片横向尺寸相同，频率不同，可以见到频率低的记录中厚度纵振动的信号(框内)明显大于高频换能器的纵振动信号。第1道和第3道波形所用换能器频率相近，但压电晶片横向尺寸不同，纵振动信号的振幅基本一致。

图3 有机玻璃块上纵波和剪切横波换能器的透射波形Fig.3 Transmitted waveforms of P-wave transducer and S-wave transducer in plexiglass block

横波测试中为了能尽可能抑制纵波信号，提高信噪比，还使用一种多剪切压电片组合的扭转型横波换能器［12-13］，其振动方向与组合晶片的声轴垂直而形成横波(图2(c))。组合压电晶片中各剪切压电片的厚度振动因对称分布而使其振动方向相反从而得到抑制，而每片剪切振动的方向一致使扭转振动加强，从而得到高灵敏的扭转振动横波。扭转换能器是一种特殊的换能器，只有在垂直传播时才能作为横波换能器使用，且无偏振特性。当传播方向有一定角度时，其振动模式会发生明显的变化。两种不同频率的扭转横波换能器在有机玻璃块上用垂直透射法观测到的波形记录见图3(c)。同样用黏稠的蜂蜜作耦合剂，在两个波形记录上28 μs处没有出现明显的纵振动信号。图3(c)中两个波形的起跳时间不一致是由于两对换能器的对零时间不同引起的。无论是窄频带扭转换能器记录波形1还是宽频带扭转换能器记录波形2，它们的首波(第一半周期)振幅均小于后续两个半周期波振幅，这是扭转横波换能器的另一个特征。

由上可见，纵横波换能器中都存在杂振动，当换能器的频率越低时，杂振动的影响越大，使有效信号的信噪比降低，但边缘振动增大。纵波换能器中的径向振动由于信噪比低并不能进行横波速度测试，横波换能器的纵振动在横波测试时会影响横波的波至位置，可以选择使用宽频带换能器、耦合物抑制和扭转换能器等方法提高信噪比。

3 不同测试方法的试验结果讨论

3.1 直接测试法——脉冲垂直透射法

使用不同频率的纵横波换能器在有机玻璃块Z方向上测试的透射波形(图3)信号都有很高的信噪比。剪切换能器的厚度振动并不影响横波初至的拾取，两种类型横波换能器所测得的横波速度(1.378 km/s)完全一致，在不同测试点得到的误差小于1%，此误差与测试系统误差相一致。在此有机玻璃块的其他两个方向横波速度与X方向完全一致，纵波速度为2.735 km/s，说明有机玻璃块具有很好的均匀各向同性。对比横波两种振动模式的波形，剪切横波的首波明显大于扭转横波的波形，有利于横波时间的拾取。

在粗砂岩试块和大理石X方向上的纵横波透射波记录见图4。从中可清楚地识别出各换能器所测到的波形，从而得到纵横波的起跳时间。同时也可看出，当换能器直径小时信噪比有所降低。在横波记录中，扭转横波的信号明显小于剪切波，其起跳时间在两个剪切横波之间。由于大理石内部裂隙和晶体引起的散射，纵横波记录都较凌乱，但并不影响其速度测试。值得注意的是，剪切横波垂直裂隙传播时出现了极性反向现象，这对横波的识别有一定的影响。两试块粗砂岩的非均质性约为3%，大理石的非均质性为5%，试块两端的速度大于中间位置。两试块在X方向不同测试点上得到的透射纵横波的平均速度见表2。从表2中可以看出在X方向两块样品都有横波各向异性，粗砂岩为4%，大理石有8%，它们的测试误差都小于2%。

对比扭转横波与剪切横波记录可发现，无论试块是否存在各向异性，扭转横波速度是剪切横波速度的综合反映，在粗砂岩中其速度接近快横波，而在有裂隙的大理石中接近慢横波，所以扭转横波并非是快慢横波的算术平均，而是一种与岩石内部各向异性成因有关的加权平均。

图4 粗砂岩和大理石X方向的纵横波透射记录Fig.4 Records of transmitted P-and S-waves along X-axis in coarse sandstone and marble

表2 不同测试方法在3种试块X方向上的纵横波速度值Table 2 P-and S-waves velocity of three kinds of rock samples along X-axis with different measurement techniqueskm/s

由上见到，在岩块速度测试中垂直透射法是一种测试精度较高的方法，但在两种岩块的纵波记录中无法正确地获得横波信号，而在横波记录中纵波信号在横波之前较好识别。

3.2 间接法——表面直达波法

直达波法测试是把震源和接收器放置在X-Y表面上(图1(b))，要测试到横波，必须使波的振动方向与传播方向垂直，波沿试块表面X方向传播。纵波换能器的主振动方向垂直表面，沿表面传播的能量主要来源于换能器的径向振动和晶片辐射的边缘能量(指向性)。使用剪切型横波换能器测试时，当发射和接收换能器的振动方向与传播方向垂直时可传播横波。试验采用小直径的纵横波换能器(直径为10 mm)，目的是增大边缘振动和减小直径对测试距离的影响。

在有机玻璃块上采用多点等距测试方式得到的记录见图5，起始测点发－收换能器的中心距为3 cm，移动接收器测10个点，每个测点间距1 cm。在图5(a)中可见到两个波组同相轴，传播时间在前的是直达纵波，它主要由纵波换能器的径向振动引起，由时距曲线计算得到纵波速度为2.696 km/s。从图5(a)记录中第二个波同相轴时距曲线得到的速度为1.269 km/s，约为透射横波速度(1.378 km/s)的0.92倍，正好与面波速度一致。在图5(b)的横波记录中直达纵波的能量很弱，而直达横波的信号较强，可直接拾取每个测点的横波时间，由其时距曲线得到的横波速度为1.390 km/s，与透射横波速度基本一致。

图5 有机玻璃块上直达波法多道记录Fig.5 Multi-trace records in plexiglass block with direct-wave method

用相同的表面直达波法分别对粗砂岩和大理石试块X方向进行纵横波测试，换能器放置在X-Y表面上，测试间隔为10 mm。在这两试块上仅较明显地观测到一个直达波的同相轴(图6和图7)。用时距曲线可计算粗砂岩和大理石试块纵波记录中第一个强直达波至的速度为2.107 km/s和2.652 km/s，此速度明显小于两试块的横波速度，所以此波应为面波。在图6(b)和图7(b)的横波记录中两试块的直达波至速度为2.306 km/s和3.326 km/s，此速度分别略低或略高于用透射法得到的横波速度，说明了测试方法不同所引起的速度差异。

从以上3个试块的表面直达波法速度测试结果看到，在等间距记录上可得到不同波形的直达波同相轴。在纵波记录中，只能得到直达纵波和面波，测不到横波。在岩石试块中当纵波换能器的径向振动受到抑制时，直达纵波同相轴很弱，也较难得到纵波速度，在横波记录中观测到较强的横波同相轴。从时距曲线计算获得纵横波速度(表2)看到，只有在有机玻璃试块上纵横波速度与透射法得到的速度较一致，在粗砂岩和大理石试块上差异较大(约3%～5%)。这种误差除试块本身的非均质性因素外，由于换能器的特征不利于该测试方式，使表面直达波能量较弱。另外，由于各类直达波在岩石表面传播，随距离增大振幅衰减较快，导致时间拾取的误差增大，影响测试精度。试验表明当换能器直径减小或增大远距离直达波能量时测试精度会有较大提高。

图6 粗砂岩直达波法多道记录Fig.6 Multi-trace records in coarse sandstone with direct-wave method

图7 大理石直达波法多道记录Fig.7 Multi-trace records in marble rock with direct-wave method

3.3 间接法——半透射波法

半透射波法测试时发射和接收换能器分别放置在试块的两个相邻的垂直面上(图1(c))，此种测试法的优点是利用发射源的主振动能量增大接收信号。试验测试时，为减小距离的误差让发射换能器放置在离测试面端面最近处，接收点(换能器中心点)的距离从发射端面开始计算，每隔10 mm测试一个点。由于发射换能器中心点离接收面还有换能器半径距离，波的传播距离稍大于测试点与发射端面间的距离。

用小直径(10 mm)纵横波换能器在有机玻璃上得到的半透射测试记录见图8，起始测试点离发射端面60 mm，然后以间隔10 mm测试一个点，向外移动测试10个点。在图8(a)中同样观测到两个直达波同相轴，第一个同相轴的振幅明显大于直达法(图5(a))。当剪切换能器发射和接收换能器在Y方向振动时，可记录上信噪比较高的透射横波信号(图8(b))，其波形振幅明显大于表面直达法(图5(b))。通过计算记录中第一个强波至的时距曲线可以得到这两个波至的速度分别为2.717 km/s和1.364 km/s，分别与透射法测试的纵横波速度一致，误差约1%，测试精度高于表面直达波法。

图8 有机玻璃块上半透射波法多道记录Fig.8 Multi-trace records in plexiglass block with half-transmitted method

在粗砂岩和大理石试块X方向上用半透射测试的纵横波记录见图9和图10。两个试块的起始测点距离不同，但最后一个测试点都放在试块的另一个侧面上与发射器正好形成垂直透射记录。对比纵波和横波记录可以见到，在纵波记录上观测到了直达纵波(第1个)波至，但能量衰减较大，这是由于发射源在X方向的能量增大的缘故。在纵波和横波记录中见到各测点第1个直达波的波至与它们的透射波测点(最后一道)波至相交，表明这两个波至分别是直达纵波和横波。由横波记录的时距曲线得到两试块的横波速度分别为2.332 km/s和3.244 km/s，粗砂岩速度比透射法得到的速度小，而大理石横波速度则比透射法的高，有4%～6%的误差，这是大理石的非均质性和裂隙引起的。

图9 粗砂岩半透射波法多道记录Fig.9 Multi-trace records in coarse sandstone with half-transmitted method

图10 大理石半透射波法多道记录Fig.10 Multi-trace records in marble rock with half-transmitted method

对于非均质性强的大理石，远道能量弱，测试误差也明显增大。对比图9和图10的纵横波测试波形记录，在纵波测试记录中并没有发现与横波记录中相应的横波波形，说明用纵波换能器进行半透射法测试时，也得不到有关横波的信号，只有使用横波换能器才能获得横波。

由表2可见，在均匀性很好的有机玻璃试块中，用3种测试方法得到的纵横波速度值基本一致，但在岩石试块中有较大的差异，横波速度的差异更大。有两方面原因引起岩块的横波速度偏大或偏小:一是垂直透射法与间接法的传播路径不同，垂直透射法可以通过改变测试点和换能器的偏振方向得到岩石试块的非均质性的各向异性程度，间接法由于是多点测试，得到的是平均结果，所以在粗颗粒和裂隙发育的岩石中两种测试方向的误差会更大;二是受测试方法的限制，间接测试法中在近距离测试时横波与纵波和面波混合在一起，在远道时信号能量弱，不利于横波初至的正确拾取，导致用时距曲线计算速度有较大误差。

4 结论

(1)纵波换能器在3种测试法中不能测试横波速度，在表面直达波法和半直接透射法测试中能进行面波测试，岩块横波速度测试只能用横波换能器得到，不同的测试方法精度有差别，垂直透射法测试精度可控制在1%左右，其他方法在2%～5%。

(2)岩石试块内部结构(裂隙、结晶和颗粒等)对横波速度和精度有较大影响，用剪切横波通过测试不同点和偏振方向可得到岩块的非均质性和各向异性程度。扭转横波测试时得到的是试块的综合横波速度，速度值在快慢横波之间，是试块内部结构影响的一种加权平均。

(3)无论用哪种方法进行岩块的横波测试，首先应选定合适的横波换能器，在垂直透射法中，选用大直径横波换能器可提高测试的信噪比，在间接法测试时，选用小直径换能器和增大发射功率的方法能够提高测试精度。

(4)在裂隙发育和粗颗粒岩块横波测试中，垂直透射法与间接测试法之间存在的横波速度差异除两种测试方法的传播路径不同外，间接测试法中由于远道信号弱对速度计算有较大影响。

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(编辑 修荣荣)

Experimental research on ultrasonic method based on laboratory measurement for accurate estimation of shear wave velocity

WEI Jian-xin1，2，3，DI Bang-rang1，2，3

(1.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.CNPC Key Physical Exploration Laboratory in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;3.College of Geophysics and Information Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

Through P-and S-waves transducers with various vibration characteristics and diameters，the measurement accuracy of huge size samples with different internal structures was studied by three kinds of ultrasonic measurement techniques.The experimental results show that the measurement accuracy of shear-wave velocity is greatly influenced by internal structure of rock samples and measurement methods.Compared with other measurement methods，transmission method can obtain relatively high measurement accuracy of shear-wave velocity，and important information relative to anisotropy and heterogeneity of rock samples is also contained in the measurement process.As an indirect measurement method，shear-wave transducers can be used to perform the measurement of shear-wave velocity.The measurement technique can only obtain the average velocity of shear waves.Noticeably，the accuracy by indirect measurement method is greatly affected by internal structure of rock samples and the vibration characteristics.A solution to improving the measurement accuracy is to select a transducer with proper frequency and small diameter，and to use stronger emission energy.

shear-wave velocity measurement;rock samples;indirect measurement method;ultrasonic transducers;measurement accuracy analysis

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.06.006

2010－12－05

国家科技重大专项课题(2008ZX05004-003)

魏建新(1958－)，男(汉族)，江苏无锡人，教授，博士，主要从事地震物理模型研究。

1673-5005(2011)06-0036-07