煤岩声波传播特性实验研究

2020-11-23何海铭黄林林

石油化工应用 2020年10期

闫森，何海铭，熊健，黄林林，肖鹏

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川成都 610500）

随着我国对能源需求的进一步增加，煤层气作为一种非常规能源引起了学者们的广泛关注。煤层气井作业常采用清水钻井液，可以有效保护储层避免污染。但清水钻井液易渗入煤岩内部，在力学-化学耦合作用下煤岩结构被破坏，导致坍塌、埋钻具等事故，严重影响煤层气井的经济效益和作业安全。由于井下环境复杂，无法直接测量煤岩在清水钻井液下的物性变化，只能借助室内实验研究煤岩浸泡清水后的变化特征，煤岩介质超声波测试技术通过测定超声波穿透煤岩体后声波信号的声学参数变化，间接地了解煤岩体的力学特性及结构特征，目前已广泛用于煤岩体动弹性参数、煤岩结构物性特征测量等方面。因此，研究煤岩的声波传播特性对于煤层气的开采具有重要意义。

目前，针对岩石声波传播特性及其影响因素，许多研究学者展开了大量的研究。朱洪林等[1]研究了白云岩受压声学特性及其在裂缝研究中的应用。胡明明等[2]对砂岩开展了单轴压缩实验，并在加载过程中同步进行3 个方向的声波测试，获得了砂岩加载过程中3 个不同方向声波波速与应力的演化规律。刘向君等[3]通过对孔洞发育程度不同的缝洞型碳酸盐岩进行不同孔隙压力下的声学实验测试，得到了孔隙压力与不同类型碳酸盐岩纵横波时差及衰减系数之间的关系，并探讨了孔隙压力对不同类型碳酸盐纵横波在时域及频域上的影响。梁利喜等[4]对层理性页岩声波影响特征进行研究，结果表明随着层理角度增大声波时差、声波衰减系数均线性增大，声波速度与层理密度呈线性负相关。陈超等[5]对碳酸盐岩的声波波形、传播速度和波谱特征进行了研究。周龙涛[6]针对孔洞型碳酸盐岩超声波衰减特性进行了研究，探讨了单因素对衰减和强度参数的影响，指出了基于衰减预测强度参数的适用条件。李盟[7]以不同矿区、不同变质程度类型的煤样作为研究对象，测试其不同条件下的超声波参数,研究超声波在煤体中传播的影响因素。赵宇等[8]通过研究煤岩不同吸水率来探讨对岩石声波速度各向异性的影响。陈旭等[9]利用智能声波仪对红砂岩、大理岩和花岗岩试样在干燥及饱和条件下进行了声波纵波透射实验,研究声波在岩石中传播的速度特征,同时利用傅里叶变换及小波变换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减规律、波谱特征。黄开桦等[10]对致密砂岩岩石弹性各向异性进行了实验研究。黄裕萌等[11]研究了含水饱和度对致密砂岩声波特性的影响。张溪等[12]以某工程地区地质条件为研究背景,对复杂岩体介质及裂隙中声波传导特性进行实验研究。孟召平等[13]探究了煤系岩石声波速度及其影响因素。Domnesteanu 等[14]研究了不同条件下页岩波速的变化并讨论了压力对页岩波速各向异性的影响。Vernik 等[15]研究了页岩弹性各向异性，并讨论了干燥条件下其特点。以上研究成果说明了在不同岩性岩石的声波传播特性等方面研究取得了一定的认识，而针对滇东地区煤岩的声波传播特性研究还有待深入。

本文以滇东地区煤岩为研究对象，在干燥、不同含水饱和度条件下，采用透射法对岩样进行声波测试，获取岩样的声学参数，进而研究岩样在不同含水饱和度、不同围压条件下，煤岩纵横波波速与弹性各向异性的变化规律。

1 实验样品与实验方法

实验选取国内某区块煤岩为研究对象，在对岩样的处理中，选取边长不小于200 mm 的原煤煤块，利用岩心钻取机取样，在X、Y、Z 三个方向上钻取岩心，将两端打磨抛光、加工成的全直径圆柱形岩样。

将钻取的煤岩样品置于恒定40 ℃下处理24 h，然后放入干燥皿中冷却至室温，利用游标卡尺、电子天平等仪器测量煤岩样品的长度、直径、质量等基本物理参数，对岩样孔隙率、渗透率进行测量、记录；利用超声波透射法处理煤岩样品，测量岩石的声波特性，实验装置包括（声波测量装置见图1）：人机交互Ultra scope 软件，超声波激发、接收装置，岩心夹持器，个人计算机等，依据所得的声波波形、岩心长度L，读取横、纵首波到时ts、tp以及仪器给定的系统延时t0（声波透射夹持器所需时间），计算纵、横波波速Vp、Vs的计算方式分别为:

在测量过程中煤心与换能器之间始终保持一个相对稳定的位置和方向。纵、横波换能器与岩样间采用凡士林做耦合剂，对X、Y、Z 三个方向钻取岩样进行超声波测试。将煤岩岩心分为两组，每组含有X、Y、Z 方向各一个，1-1、2-1、3-1 为第一组，1-2、2-2、3-2 为第二组（见表1）。

图1 声波测量装置原理图

实验中，将岩心置于干燥、不同含水饱和度条件下，采用透射法对岩样进行声波测试，测试过程中对岩心施加从0 MPa 到40 MPa 的围压，每隔10 MPa 测量、记录一次岩样的纵波参数；每隔5 MPa 测量、记录一次岩样的横波参数。由于测量空间密闭性较好，不考虑含水饱和度的变化，依次对三个方向的岩心做同样的实验处理。

表1 煤岩岩样的基础参数

实验中的煤岩渗透率、孔隙度极小，为使岩样完全饱和所配制的溶液，对岩样进行48 h 抽真空饱和水处理，在岩样自然浸水的过程中，持续测量岩样的实时质量，最终获得浸水时间1 h、2 h、6 h、18 h、24 h 以及48 h 状态下的岩样，并与干燥岩样的声波参数进行对比，含水饱和度计算公式为：

式中：Sw-含水饱和度；m烘干-岩心烘干后质量；m饱和-岩样在饱和液中静置12 h 后的质量，视为地层水的100 %饱和；m-岩心自然风干过程中的实时质量。

2 结果与讨论

2.1 煤岩声波特性

实验条件下测得干燥状态下不同方向煤岩岩样的部分岩石声波属性参数和弹性参数。不同方向煤岩岩样的声波属性参数和弹性参数存在明显差异，煤岩岩样具有明显的各向异性特征。不同方向煤岩纵横波速度变化规律（见图2（a）），从图2（a）中可看出，三个方向的煤岩纵横波速度存在差异，其中X 方向煤岩纵横波速度最小，Y 方向煤岩速度介于X、Z 之间，Z 方向纵横波速度最大，纵波分布范围为1 500 m/s～1 700 m/s，横波分布范围为890 m/s～950 m/s，这与煤岩内部的割理发育程度、孔隙结构等有关。不同方向煤岩纵波、横波衰减系数、弹性模量和泊松比存在较大的差异，其中纵波衰减系数分布范围为52 dB/m～73 dB/m，横波衰减系数范围为49 dB/m～91 dB/m（见图2（b））；弹性模量分布范围为2.52 GPa～2.83 GPa（见图2（c））；泊松比分布范围为0.2～0.28（见图2（d））。以上研究结果表明煤岩岩样的声波属性参数、弹性参数都具有较明显的各向异性特性。

图2 煤岩声波属性参数与弹性参数

图3 岩样纵波波速随含水饱和度的变化

2.2 含水饱和度对煤岩波速的影响

实验条件下测得不同方向煤岩岩样纵波速度随含水饱和度的变化规律（见图3）。从图3 中可以看出，不同方向煤岩纵波速度随着含水饱和度的增加而增加，这一规律与赵宇等[8，9]得到的规律相似。同时，从图3 中还可以看出当含水饱和度较小时，纵波速度增速较快，当含水饱和度大于0.4 时，纵波速度逐渐趋于稳定。这是因为，在持续加压条件下，蒸馏水首先进入煤岩的大孔隙中，占据了主要的储集空间，纵波速度变化明显；随着浸水时间的增加，水逐渐进入煤岩的微小孔隙中，纵波速度趋于稳定。

2.3 围压对煤岩波速的影响

不同方向煤岩的纵横速度随围压的变化规律（见图4）。从图4 中可看出不同方向煤岩的纵横波速度随着围压增大而呈增大的趋势。同时，从图4 中还注意到当围压较小时纵横波波速增速较快，当围压逐渐增大时，纵横波波速增速变得缓慢，当围压大于20 MPa 时，纵横速度逐渐趋于稳定。这说明围压改变了煤岩岩样的性质，进而影响了煤岩波速的变化。与横波相比，不同方向的煤岩纵波速度随围压增加的变化幅度较大。这说明不同方向的煤岩纵横波速度存在一定差异，说明纵横波在煤岩中传播存在各向异性的特点。

2.4 围压对煤岩弹性各向异性参数的影响

在各向异性参数分析方面，国内外学者提供了许多研究方法。本文采用Thomsen[16，17]所提出的三个与弹性模量相关的物理量δ、ε、γ 及其计算公式，基于室内实验所测数据计算各向异性参数，探究各向异性参数随围压的变化规律（见图5）。从图5 中可以看出煤岩弹性各向异性值比较大，说明煤岩表现为弱各向异性，且弹性各向异性参数随围压的变化规律基本相同，即煤岩纵横波各向异性参数（δ、γ）、纵波变异参数δ 随围压的增大总体都呈下降趋势，这一结论与邓继新[18]等得出的结论相同。上述表明围压的变化改变了煤岩岩样的性质，进而影响煤岩的弹性性质，这说明了围压对煤岩弹性各向异性产生较大影响。