岩石物理综合实验——压力、温度和流体对岩石速度的影响

张佳佳，　张广智，　吴国忱，　曹丹平，　宗兆云

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院， 山东 青岛 266580)

0　引　言

高等学校肩负着培养创新型人才的重任，必须大力加强大学生创新能力和实践能力的培养[1-3]。勘查技术与工程专业是中国石油大学(华东)首批“卓越工程师教育培养计划”试点专业和国家特色专业，通过开展大量实验教学和工程实训课程，培养学生的动手能力和创造性思维[4-6]。常规实验教学中大多数要求学生按照实验指导书操作完成，加深对知识点的理解和掌握，但缺乏对实验方案设计、实验仪器调配和实验方法选择等多方面的综合训练[7-9]。综合实验是将基础理论知识以及各种实验技能和实验方法加以归纳、分析、相互渗透的一种有效的实验形式，有助于培养学生综合运用理论知识和实验技能解决实际问题的能力[10-11]。

对现有的岩石物理实验课程进行改革，设计了“压力、温度和流体对岩石速度的影响”综合实验，测量不同压力、温度和流体条件下的岩石速度，分析压力、温度和流体对岩石速度的影响。通过开设综合实验，鼓励学生自己动手设计实验方案，配置实验仪器，利用理论知识分析实验数据并总结实验结论，充分调动学生实验的主动性和积极性，培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

1　实验设计和实施

1.1　实验原理

岩石速度是地下岩石的的重要弹性参数之一，对于利用地震勘探原理对地下构造、岩性以及油气藏进行勘探具有重要的指导作用[12]。测量岩石速度的方法有很多种，目前地震岩石物理中常用的是超声波法[13]。

将岩石样品放于两个超声波换能器之间，其中一个超声波换能器是用来发射超声波(包括纵波速度和横波速度)，超声波透过岩石样品后，被另一个超声波换能器接收(包括纵波速度和横波速度)，通过数字示波器记录超声波波形。通过拾取超声波初至时间，就可确定超声波透过岩样所需的时间，再用游标卡尺测量岩石样品的长度，就可以计算得到超声波在岩样传播的速度[14]：

vP=L/tP,vS=L/tS

(1)

式中:vP和vS分别为岩石样品的纵波速度和横波速度；tP和tS分别为纵波和横波透过岩样所需的时间；L为岩石样品的长度。

1.2　实验仪器与材料

仪器：智能超声P·S波综合测试仪(HF-G型，扬州市广陵专用超声设备厂，同时测量纵波速度和横波速度)，微机伺服岩石三轴试验机(TAW-1000型，长春市朝阳试验仪器有限公司，压力范围：0～70 MPa，温度范围：0～150 ℃)，游标卡尺(MGS-YB-RF，福州玛格森电子科技有限公司)。

材料：凡士林，橡胶套，O型圈。

1.3　实验步骤

(1) 岩样制取。实验测试使用两种规格的岩样：φ50 mm×100 mm和φ25 mm×50 mm的圆柱体岩样，其中φ50 mm×100 mm的岩样用于测量频率为500 kHz的超声波换能器测试；φ25 mm×50 mm的岩样用于测量频率为1 MHz的超声波换能器测试。利用岩石钻样机钻取标准直径的岩样，再用岩石切磨两用机切取合适的长度，最后用双端面磨石机将岩样端面磨平，以满足精度要求。其中φ25 mm×50 mm的标准岩样和实际制取的岩样如图1所示。

图1　标准岩样示意图与实际岩样(mm)

(2) 岩样封装。在实验测试过程中需要在岩样和超声波换能器的接触面垫上铅箔、涂沫凡士林并在岩样两端和周围施加一定的压力等方法以保证岩样和超声波换能器的耦合良好，才能使数字示波器接收到的纵波速度和横波速度波形完整，初至明显。

开展高温高压超声波速度测量需要将岩样封装在高温高压反应釜中，反应釜中的围压通过注入硅油来实现，因此岩样必须和硅油彼此隔开，需要在岩样周围套上耐温、耐油热缩圈，两端装上超声波换能器，再用弹性钢圈和橡胶圈将热缩管和超声波换能器夹紧，这样才能够保证岩样密封完好。图2为岩样密封示意图与实际封装岩样。

图2　岩样密封示意图与实际封装岩样

(3) 仪器校正。在岩石超声波速度实验测试时，由于超声波频率非常高，其波长往往只有几个mm，因此实验测试过程中一定要注意对测量仪器的误差进行校正以保证测试结果的精度要求。一般利用波速已知的标准岩样来对测量仪器进行校正，使用的标准岩样包括有机玻璃、铝和钢3种，每种标准岩样都有不同的长度。对标准岩样分别测得不同长度下超声波的传播时间，以标准岩样的长度为纵坐标，超声波传播时间为横坐标作图，得到的直线斜率的倒数是标准岩样的超声波速度，而直线与时间轴的交点即为测试仪器的对零时间。测试仪器的对零时间通常由有机玻璃、钢和铝3种标准岩样的对零时间取算术平均值。

(4) 岩样测试。将岩样装载在高温高压反应釜中，再使用TAW-1000型微机伺服岩石三轴试验对岩样加载轴压和围压，并对反应釜外的加热圈进行加热，模拟地下高温高压环境。然后使用智能超声P·S波综合测试仪激发和接收超声波，记录超声波波形，拾取超声波初至时间，计算得到超声波在岩样传播的速度。在测试过程中，要注意保持实验条件的一致性，也就是要保持超声波激发能量和接收增益的一致性[15]。

① 干燥岩样实验方案。首先将围压加载为5 MPa，再加载轴压，为了消除滞后效应及微裂纹对岩石速度的影响，以0.5 MPa/s的速度将差应力(轴压与围压之差)由5 MPa升至20 MPa，再以同样速度将差应力由20 MPa降至5 MPa，进行两个循环，并且在这两个循环中不进行岩石超声波速度测量。然后将保持围压不变，差应力依次设置为5、8、11、14、17和20 MPa，分别测量纵横波声波时差，该围压下实验测试完毕。然后将围压以5 MPa的步长增大至40 MPa，在每一个围压下，差应力均依次设置为5、8、11、14、17和20 MPa，差应力随时间的变化曲线如图3所示。具体实验方案见表1。

图3岩样压力加载路径

表1　干燥岩样实验方案

② 饱和岩样实验方案。首先将岩石放置加压饱和仪中，配置一定矿化度的盐水来模拟地下地层水，对岩样进行真空加压饱和，饱和时长24 h。然后装载在高温高压反应釜中进行饱和岩样的超声波速度测量。饱和岩样实验方案同干燥岩样类似，只是围压的增长步长变大，差应力也随着增大，同时温度也逐渐升高，并且始终保持1 MPa的孔隙压力。具体的实验方案见表2。

表2　饱和岩样实验方案

2　实验结果与讨论

2.1　压力对岩石速度的影响

指导学生依次测量不同压力下的干燥岩样的超声波速度，记录并作图显示。图4为干燥岩样纵波速度和横波速度随压力的变化规律以及拟合关系式。从图中可以看到：随着压力增加，干燥岩石的纵波速度和横波速度均逐渐增加；当压力较低时，纵波速度和横波速度增加较快；当压力增加到一定程度时，纵波速度和横波速度趋于平缓。由此分析可得：当压力较低时，岩石中微孔隙含量较多，导致速度偏低；随着压力逐渐增加，岩石中微孔隙逐渐关闭，速度逐渐增高；当压力增加到一定程度时，岩石中微孔隙已经全部关闭，速度就逐渐趋于平缓。

(a)

(b)

图4干燥岩样的纵波速度和横波速度随压力的变化规律

2.2　温度对岩石速度的影响

图5为饱和岩样纵波速度和横波速度随压力的变化规律以及拟合关系式。从结果可以看到：随着温度增加，岩石的纵波速度和横波速度均逐渐降低。从温度室内温度25 ℃升到100 ℃，纵波速度最大下降约140 m/s，横波速度最大下降约110 m/s，纵波速度相对下降3%，而横波速度相对下降4%。由此分析可得：对于饱和含水岩石来说，当温度没有高到引起岩石状态发生明显变化导致岩石骨架产生新的微裂隙的时候，温度对岩石速度的影响比较小。

(a)

(b)

图5饱和岩样的纵波速度和横波速度随温度的变化规律

2.3　流体对岩石速度的影响

由于干燥岩石等同于饱和含气岩石，因此将相同压力和温度条件下的干燥岩样和饱和含水岩样的速度对比分析，就可以确定不同的孔隙流体类型对岩石速度的影响。图6为同一块岩样在饱和含气和饱和含水条件下随压力的变化规律。从结果可以看到：随着压力增加，含气岩石和含水岩石的纵波速度和横波速度均逐渐增加，含水岩石的纵波速度始终大于含气岩石的纵波速度，含水岩石的横波速度始终小于含气岩石的横波速度。由此分析可得：当岩石孔隙由完全含气变为完全含水，纵波速度增加，而横波速度降低。

(a)

(b)

图6干燥岩样与饱和岩样的纵波速度和横波速度比较

3　结　语

通过综合实验测量可以得到：① 岩石的纵波速度和横波速度均随着压力增加而逐渐增加；② 岩石的纵波速度和横波速度均随着温度增加而逐渐降低；③ 岩石含水后纵波速度增加，而横波速度降低。

开展岩石物理综合实验，指导学生对实验测量数据进行分析、归纳和总结，引导学生通过实验去发现、分析和解决问题，不仅帮助学生加深理解课本上学习的理论知识，而且锻炼学生实验操作能力和数据处理分析能力，培养学生的知识综合运用能力和创新实践能力。例如在本综合实验的实施和支持下，勘查技术与工程专业学生已经成功完成2项国家级大学生创新训练计划项目，项目成绩均被评为优秀。

参考文献(References)：

[1]曹国震. 高等学校的创新教育与培养创新型人才的探索[J]. 教育教学论坛, 2015(8): 156-157.

[2]李静. 有效发挥高校在创新型人才培养中的作用[J]. 教育教学论坛, 2014(11): 57-58.

[3]刘志明. 高等工程教育培养创新型人才的思考[J]. 中国高教研究, 2003(9): 11-14.

[4]李振春, 印兴耀, 孙成禹, 等. 勘查技术与工程专业卓越计划工程教育培养模式探索[J]. 中国地质教育, 2013(2)：58-60.

[5]张广智, 宋建国,李振春, 等. 对勘查技术与工程专业实施“卓越工程师教育培养计划”的一些思考[J]. 中国地质教育, 2011(2)：5-9.

[6]曹丹平, 印兴耀, 李振春. 加强勘查技术与工程专业工程实践训练环节的探讨[J]. 石油教育, 2013(6): 49-52.

[7]元泽怀. 开放式设计性综合实验课程教学的改革与实践[J]. 实验室研究与探索, 2009, 28(11):120-122.

[8]朱莉. 改革实验教学, 培养创新能力[ J] .实验技术与管理, 2003, 20(1):70-72.

[9]段晓英, 姚天明, 杨勇, 等. 巧设综合实验 提升综合能力[J]. 实验室研究与探索, 2008, 27(4): 97-99.

[10]严文凯, 孙盾, 张勇, 等. 研究型综合实验的开发与实践[J]. 实验技术与管理, 2013, 30(3): 147-151.

[11]周秦武, 张博, 张大龙, 等. 以项目驱动为导向的专业综合实验课程设计与实践[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(3): 183-185.

[12]陆基孟, 王永刚. 地震勘探原理[M]. 北京: 中国石油大学出版社, 2011: 315-319.

[13]任科英. 实验室岩心声学速度测试中的频散现象[J]. 石油地球物理勘探, 2011, 46(5) : 779-782,836,665.

[14]DZ/T 0276.4-2015, 岩石物理力学性质试验规程第24部分: 岩石声波速度测试, 中华人民共和国地质矿产行业标准[S].

[15]唐杰. 各向异性岩石的静态模量与动态模量实验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(S1): 3185-3191.