岩石力学中声学的应用

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1、岩石力学中声学的应用摘 要：岩石力学参数是油气开发过程中的基本参数。岩石力学参数可以直接通过三轴 试验获得静力学参数和测井资料与实验室声波测量间接获得动力学参数，动力学参数比较容 易获得且全面，而静力学参数则必须经过取芯的一系列复杂工序才能获得，究竟动静力学参 数测量机理之间有何不同及参数间有何关系，希望能找到他们之间关系以有助于人们对地层 信息的全面掌握来更好地指导生产。通过对加、卸荷应力状态下岩石类材料声发射变化的比 较，探讨岩石类材料破坏过程中的声发射现象。在三维应力状态下对岩体模型试样进行三种 卸荷破坏试验，依据损伤力学理论对试验结果进行分析，揭示了在工程卸荷作用下岩石类材 料的声发射

2、特性。关键词：应力频率；孔隙；应力状态；声发射；动力学参数；静力学参数； 引言超声波测试技术由于具有快捷、无损等优点，在岩石力学研究中得到了广泛应用。岩石 是一种典型的非均质材料， 内部存在大量的裂纹、空隙等各种微观结构。超声波在岩石中 是绕过裂隙传播的， 从而延长了传播时间，降低了波速1。岩石在荷载作用下发生破坏， 主要与裂纹的产生、扩展及断裂过程有关。裂纹形成或扩展时，造成应力松弛，贮存的部分 能量以应力波的形式突然释放出来，产生声发射现象9。通过对岩石的声发射信号的分析和 研究，可推断岩石内部的性态变化，反演岩石的破坏机制。研究现状文献24中介绍了根据岩体和岩块中纵波速度的差异来判断岩体

3、完整性的方法。目 前，有学者通过室内试验，研究了超声波速度与岩样力学参数之间的关系；在一些文献中， 有利用超声波速度来预测岩样单轴抗压强度的介绍5-8。许多研究人员对岩石动、静态弹性 参数间的差别进行了试验研究9-12, Warpinski将声波测井解释值与室内静态测试值进行了对 比分析13，得出了一些经验关系式，并已在工程实践中应用。超声波测试在岩石力学领域 得到广泛的应用.通过测试纵、横波在岩石内的传播速度可以确定动态杨氏模量、泊松比系 数等参数；而根据岩体和岩块中纵波速度的差异能够判断岩体的完整性14-16。不过,岩石种 类繁多,内部存在空隙、裂纹等各种微观结构,实际情况极为复杂。岩样的

4、应力-应变曲线 并非直线,杨氏模量有多种定义。声发射技术是研究岩石力学性质的一种声学方法。 1 岩石动静力学参数1.1 岩石静力学参数优势及其局限性根据地下岩层的应力形成和起作用的机理,特别是在应力幅值、加载速度和所引起的岩 石变形等方面,更接近岩石静态测试的条件因此在地应力计算和实际工程中应采用岩石的静 态弹性参数。Montmayeur、Graves、Yale和Jamieson也指出静态测试参数更能代表石油 工程中岩石的受载条件。但静态测试由于需要从地层中取出待研究层段的岩心,在室内进行 加载测试。因此测试岩样数量有限,而且岩石本身固有特性也决定了地层岩石的弹性参数带 有较强的波动性。1.2

5、 岩石动力学参数优势及其局限性动态法（现场声波测井）可获得沿井深连续的岩层弹性系数,克服了静态法的一些缺点, 但动态弹性参数是根据测井体积密度、超声波在岩石中的纵、横波速转换得到的计算结果, 其影响因素较多。1.3 动静参数的测定岩石弹性模量和泊松比的测定方法有动态法和静态法两种。静态法是通过在实验室内使 用单轴、三轴岩石力学实验仪对岩样进行静态加载测其变形得到。动态法可分为两种：一是 可以使用测井设备在原地应力条件下进行现场声波测井，测定超声波在地层岩石中的传播速 度转换得到，而且可以获得沿井深连续的岩层弹性系数；二是可以在实验室内通过测定超声 波在岩样中的传播速度转换得到。1.4 岩石动态

6、与静态弹性参数差别的微观机理 岩石动、静态弹性参数的差别是由岩石材料的结构特征所决定的，由微观机制控制。欲 准确地把握岩石动、静态弹性参数间的关系，须在岩石的微观尺度内进行分析。动、静态弹 性参数存在差别是由于岩石内部存在微裂隙与孔隙流体。在不同应变幅值和频率的动、静态 载荷作用下，微裂隙与孔隙流体的微观变形特征不同。在静态大应变下，沿颗粒边界或裂隙 面的摩擦滑动使岩石表观模量减小，而声波引起的应变很小，不足以引起这种滑动。另外， 动态载荷下岩石处于 “不排水”状态，并因“粒间喷流”引起模量频散，使得岩石动态模 量高于静态模量。具体如下：(1) 岩石动、静态弹性参数间存在差别的内部原因是岩石内

7、部存在微裂隙及孔隙流体，外部 原因是载荷的应变幅值与频率不同。(2) 在静态较大应变下，会发生沿颗粒边界或裂隙面的摩擦滑动，使岩石静态模量降低。声 波引起的应变很小，不会引起岩石界面滑动，因此应变幅值对动态模量无影响。(3) 孔隙流体的存在为动态测试下的岩石提供了附加刚度，岩石处于“不排水”状态，使岩 石模量增加。(4) 岩石动态模量存在频散作用，使超声测试获得的动态模量高于地震波测试值。1.5 地层条件下岩石动静力学参数的实验研究对样品进行了岩石力学和声波速度(v , v )的同步测试，由此获得了在相同应力和温ps度条件下岩石的动、静力学参数。岩石的力学参数是石油钻井、压裂工程设计，构造应力

8、场计算及裂缝预测的基础。岩石样品通过静态加载测量其变形可获得静态力学参数(抗压强度、弹性模量、泊松比)。而测定超声波(P波、S波)在岩石中的传播速度(V，v )，转换后可获ps 得岩石的动态力学参数(动模量、动泊松比等)。岩石力学性质、波速特性是受控于岩石的组 成、结构、孔裂隙数量及其分布等内在因素。但对于一定埋藏条件下的岩石，其所处的应力、 温度条件也必然会对其力学性质产生很大影响；常规测试不能反映这种环境因素对岩石力学 性质的影响， 只有在岩样所处地层应力和温度条件下测量的力学参数， 才能真正代表岩石 在地下的力学性状。同时， 岩石的动、静力学参数与其应力恢复过程、热平衡环境均有关 系；

9、因此在研究岩石动、静力学参数间的关系时，应在相同的应力变化过程和热平衡条件 下进行同步测试， 这样才能保证岩石动、静力学参数对比的精度和准确性。地层温压条件的确定Pe 二 p gh - dp * hP为上覆地层的平均密度；g为重力加速度；h为岩样深度；dp为孔隙压力梯度。T 二 t + dt * h0温度梯度为dt，地表温度t岩石的动力学参数。基于弹性理论，无限岩体中纵横波速度v、v与岩石的力学参数之间存在如下关系:ps动弹性模量EdPv2(3v2 4v 2) spsv 2 v 2ps动泊松比卩dv2( pv )2 1静泊松比巴=-软x静弹性模量E =sdezdeBiots coefficie

10、nt akd-k1.6 岩石的波速及动弹参数的变化特征（1）岩石波速及动弹参数与围压、温度和差应力的关系围压和温度对波速及动弹参数的影响即温度恒定时，增加围压，岩石中的微裂隙逐渐闭 合，岩石动、静态弹性参数的差别减小，纵横波速度增大，动弹性模量和泊松比也增大，其 增幅与岩石结构的致密程度有关，致密程度高，增幅相对要小。围压保持不变，升高温度， 纵横波速度、动弹性模量有小幅降低，一般不超过5%； 而动泊松比则基本保持不变。（2）纵横波与轴向差应力的关系及纵横波曲线的用途从轴向差应力增加直至岩石破坏的全过程，当差应力的增加在岩石弹性限度范围内时， 主要是岩石中已存微裂隙的闭合或孔隙的压缩， 岩石的

11、致密程度和刚性增加， 岩石总体表 现为弹性压缩， 故纵横波速度都增大。随着差应力的进一步增加， 岩石中开始有新的微裂 隙产生， 或原有微裂隙的扩张发展， 岩石变形不再是完全弹性的， 即开始进入屈服和塑 性变形阶段。从岩石动弹性模量随轴向差应力的变化也可以看出， 动弹性模量随差应力的 变化也是先增后降， 曲线峰值与横波速度峰值对应， 即岩石中开始产生微裂隙后， 岩石 刚性明显降低。由此可见， 在施加轴向差应力的过程中， 横波速度对岩石中微裂隙的产生 有较灵敏的反应， 利用加载过程中横波速度的峰值可以判别岩石中微裂隙开始产生的应力 值。而岩石的纵波速度对岩石中微裂隙的产生并不敏感， 只有当岩石中微

12、裂隙大规模扩展 或已产生宏观破裂时， 纵波速度才有明显的降低变化。在动泊松比与静泊松比的关系上， 砂岩和泥岩表现出一定的差异， 砂岩的动泊松比也 是高于静泊松比， 个别相等； 泥岩的动泊松比只有部分高于静泊松比， 有部分样品动泊 松比低于静泊松比。动静泊松比之间也有正相关关系，在石油工程应用中， 一般要求用岩石静态力学参数， 但岩样测试一般数量有限， 取 样分散， 而且岩石矿物组成、结构等特性决定了其静力学参数有一定的波动性。而动态法 可以利用测井和地震勘探等手段直接对地层岩石进行测试， 由此获得沿深度连续变化的岩 石动力学参数。而基于同步测试获得的岩石动、静力学参数间的关系正是联系二者的桥梁

13、。 有了这种关系， 我们可以将声波测井等手段获得的连续变化的动力学参数转换为静力学参 数。因此研究岩石的动、静弹性参数的变化规律及动、静态系数间的相互关系 17具有重要 意义。由于影响岩石力学特性的因素较多，实验结果常常呈现一定的波动，为了取得较有代 表性的结果，应该基于大量的实验数据进行回归分析。为了模拟地下岩层的受载条件，应在三轴应力下进行测试。同时， 岩石的弹性参数是 其应力历史的函数， 要对岩芯的动静态弹性参数进行比较，应在相同的应力历史条件下进 行同步测试。为了更准确地指导钻井作业，随钻测井能更好的反映地层真实情况。在地层温 度和压力条件实现岩石力学和声速同步测试， 保证了岩石动、静

14、力学参数对比的精度和准 确性。2岩石应变下的声发射材料或结构受力作用时发生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发 射。（Acoustic Emission, 简称AE）2.1 现状 张流等18对高围压条件下岩石破坏和摩擦滑动过程中声发射活动进行了测定,研究了 围压对声发射计数变化征和阶段划分的影响。 Mansurov19 将声发射用于测量岩石破坏过程 的信息，预测岩石的破坏类型。Holcomb和Costing0利用声发射探测脆性材料的损伤面。Li和NordlundQU用声发射测量由爆破引起的损伤，并通过起始应力曲线估算爆破干扰的影 响范围。陈中辉等22 对三维应力状态下岩石的快速加

15、卸围压对声发射的影响进行了理论探 讨。在连续加载条件下，岩石的应力-应变曲线与声发射的关系如图1所示。图1表明，在岩 石应力- 应变曲线的各阶段，其声发射状况具有如下特征。 在应力-应变曲线的压密阶段（O-A段），有小振幅的声发射产生。 在弹性变形阶段（A-B段），基本上没有声发射产生。 在裂纹的稳定扩展阶段（B-C段），声发射主要由裂纹成核、裂纹稳定扩展等产生，声 发射活动逐渐增多。 在裂纹的非稳定扩展阶段（C-D）段，声发射活动急剧增多。 在岩石的破坏阶段（D-E段）,声发射活动主要受压力机刚度控制。刚度越小，在应力 降处产生的声发射率峰值越高。（a）应力-应变曲线2.2声发射机理 加载初

16、期有不同程度的声发射活动，小事件数较多，声发射率大，能率较小。在较低 的应力作用下，试件内某些预先存在的裂纹闭合。闭合过程及闭合后部分粗糙面的破损都会 产生声发射，但能量较低，往往具有较大的波动性； 随着荷载的缓慢增加，声发射活动又逐渐趋于平静。该阶段内试件上受到的应力，还 不足以形成新裂纹，应力与应变保持线性关系。但部分岩石试样内部某些闭合的裂纹表面之 间同样会发生滑移，因此也有可能产生较低的声发射； 当载荷水平达到试样强度的约40%-60%时，岩样的新裂纹开始形成，试件出现扩容 现象，声发射率和能率都逐渐趋于活跃，并达到较高峰值。在相同的应力状态下，声发射数的增长率随试样的破坏强度而不同，

17、试样越接近破坏， 其声发射数的增长率越大；在加载与卸荷的过程中，卸荷引起的声发射数比加载引起的更多； 双向卸荷比单向卸荷产生更多的声发射数。由此可以说明，岩体在卸荷状态下产生的破坏较 加载状态下产生的破坏更突然、更强烈。 岩石类材料在加、卸荷作用下，其破坏过程呈现不同的声发射特征。岩石类材料的卸荷过程比加荷过程产生更多的声发射数。 卸荷条件下岩体的失稳比加荷更具突发性，对工程的危害也更大。 不同的卸荷方式也使岩石材料呈现不同的声发射特征。当达到一定的应力强度时，声 发射的变化随荷载的变化十分明显，尤其对卸荷特别敏感。在相同的应力状态下，单向卸荷 比双向卸荷岩石材料产生的声发射数更少。3结论动态

18、测定岩石参数和岩石声发射来反映岩石状态都能为油气田的开发提供大量宝贵的 地层信息弥补了实验室静态测定不足，它们各具优缺点，我们只有适时综合的应用才能取得 良好的效果。声学在此处的应用不少是定性分析，由此它们的应用受到一些限制，我们今后 应加强它们的定量研究。参考文献1 王开林, 杨圣奇, 苏承东 不同粒径大理岩样声学特性的研究 J 煤田地质与勘探, 2004, 32( 4) : 30-322 陈成宗 工程岩体声波测试技术 M北京: 中国铁道出版社, 1990 118- 1313 林松英, 葛洪魁, 王顺昌 岩石动静态力学参数的试验研究 J 岩石力学与工程学报, 1998, 17( 2) : 2

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