郭健，喬文孝，車小花，段文星

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一種巖心樣品橫波速度的實驗室測量方法

郭健，喬文孝，車小花，段文星

(中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249)

準確測量聲波在不同類型巖心中的傳播速度是巖心聲學性質(zhì)分析的基礎(chǔ)。一般實驗室利用超聲波透射法所測試的巖心樣品均為小尺寸巖心樣品。在測量小尺寸巖心樣品橫波波速時，難以消除的縱波余震信號會對橫波的識別產(chǎn)生干擾。提出了一個在實驗室內(nèi)測量小尺寸巖心樣品中橫波波速的“輔助塊”超聲波透射波測試方案，較好地實現(xiàn)了縱橫波的分離，減小了橫波波速的測量誤差，提高了巖心樣品橫波波速測試的精度。給出了上述測量方案和測量實例分析，該方法亦可用于一般固體樣品中橫波波速的測量。

橫波測量；輔助塊；小尺寸巖心

0 引言

基于透射法的超聲波速度測試技術(shù)在地球物理實驗中已被廣泛應(yīng)用。尤其是在巖石中的傳播速度的研究更加深入。目前這些研究中主要以縱波測試為主，相對而言橫波波速的測量顯得困難一些。究其原因主要是實驗室對橫波波速的測試要比縱波復(fù)雜[1-2]。一般實驗室測試的樣品直徑和長度都比較小，這就導(dǎo)致了透射波波形中縱波波形與橫波波形有重疊，縱波的存在會對橫波到時的準確提取產(chǎn)生一定的負面影響[3]。

魏建新[4]對實驗室橫波測試技術(shù)研究比較深入，主要是通過改變耦合劑以及橫波換能器來消除橫波波速測量中縱波的影響，但仍然不能解決透射波波形中縱橫波難以分辨的問題。本文提出了一種在透射波波形中分離縱橫波的方案，通過在測試中加入輔助測量物塊，實現(xiàn)縱波與橫波的較好分離，以達到準確測量橫波速度的目的。

在實際巖心樣品測試過程中，橫波換能器也會產(chǎn)生幅度較小的縱波?？v波的傳播速度要比橫波傳播速度快，橫波會緊跟在縱波之后。雖然縱波振幅很小，但是它也會影響橫波的初至起跳點的識別[5]。因此，我們設(shè)想可以通過增加測試輔助塊來增大波的傳播距離，從而實現(xiàn)縱橫波較好分離的目的。

圖1是未添加輔助塊直接測量巖心樣品得到的縱波、橫波波形圖。圖中的對零波形代表的是直接將換能器輻射面和接收面對接得到的接收波形， 1~5的波形代表5個巖心樣品測試得到的波形。圖中黑色箭頭所指點為波至點。圖1(a)中使用縱波探頭測得首波到時在12 μs附近，圖1(b)中使用橫波探頭首波到時也在12 μs附近，很顯然圖1(b)中最先到達的仍然是縱波，無法從圖1(b)中判斷橫波到時。通過圖1(a)和1(b)的比較可見，直接測量巖心樣品得到的橫波波速并不準確，縱波對橫波到時的讀取干擾很大。

(a) P-wave

(b) S-wave

圖1 直接測量巖心樣品所得到波形圖

Fig.1 Waveforms from directly measuring rock samples

1 測試方案和步驟

巖心樣品的橫波速度測試采用脈沖透射法，我們采用如圖2所示的實驗裝置進行測試。試驗中用到的是信號源(HP 214B)、示波器(Tektronix DPO3012)、超聲波換能器(PANAMETRICS V1548 0.1 MHz)、聲波耦合劑(蜂蜜)、輔助塊以及待測巖心樣品。激勵信號為半方波(脈寬5 us)。激勵信號源接到發(fā)射換能器T上，同時與示波器的一個端口同步，接收換能器R接在示波器的接收端口。這樣就可以在示波器上同時顯示激勵信號以及接收的波形。各個接觸界面之間均采用蜂蜜作為耦合劑。實驗過程中要用夾持設(shè)備使發(fā)射換能器、輔助塊、巖心樣品、接收換能器的軸線在同一直線上。夾持設(shè)備為兩個夾持面在一個水平板上的U型設(shè)備，一夾持面固定，另一面可以軸向移動并固定。輔助塊為一矩形柱，表1給出了輔助塊的物理參數(shù)。

表1 輔助塊物理參數(shù)

在波速測量實驗中通過耦合劑將換能器與測試樣品連接起來，以達到將換能器的能量充分傳遞給樣品的目的。耦合劑按照以下原則進行選?。嚎v波換能器一般選用液體和油脂作為耦合劑；而橫波換能器一般采用蜂蜜作為耦合劑。本次測量方案中用蜂蜜作為耦合劑。

輔助塊按照以下原則進行選?。?/p>

(1) 輔助塊波速較小時，輔助塊的長度可以短一些，可實現(xiàn)縱橫波較好的分離。

(2) 輔助塊波速較大時，輔助塊的長度要長一些，方可實現(xiàn)縱橫波較好的分離。

(3) 實際測量時要選取一個折衷的方案，選擇一個合適的長度既要滿足縱橫波能夠分離，又要盡少減少能量在輔助塊中的損耗。

測試步驟：

(1) 將發(fā)收橫波探頭直接耦合，使橫波發(fā)射探頭發(fā)出脈沖波形、接收探頭接收到“對零波形”；

(2) 將發(fā)收探頭與“輔助塊”經(jīng)過耦合劑直接耦合，使橫波發(fā)射探頭發(fā)出脈沖波形,接收探頭接收到橫波穿過輔助塊的波形并獲取橫波到時0；

(3) 將發(fā)收探頭與“輔助塊”、待測樣品經(jīng)過耦合劑耦合，使橫波發(fā)射探頭發(fā)出脈沖波形，接收探頭接收到橫波先后穿過輔助塊和待測樣品后的波形并獲取橫波到時1；

在以上測量中，始終注意橫波發(fā)收探頭的偏振化方向保持一致。

在測試過程中判斷橫波信號與提取波至時間是精確測試橫波速度的關(guān)鍵[4]。

2 測試實例分析

2.1 對5塊巖心樣品的測量

為了驗證通過添加輔助塊能夠使縱橫波分離，選取了5塊巖心樣品進行測試。表2給出了巖心樣品的物理參數(shù)。

表2 巖心物理參數(shù)

采用輔助塊與未采用輔助塊測量巖心樣品得到的波形圖如圖3所示。對比圖3(a)與圖3(b)可以看出，增加輔助塊測量，實現(xiàn)了縱波與橫波的較好分離。

圖3(b)中箭頭所指的分別為縱波與橫波的波至點?？梢宰x出輔助塊的橫波波至時間0以及測試樣品的波至時間1。

巖心樣品聲速測量結(jié)果如表3所示。

2.2 對有機玻璃樣品的測量

為了檢驗本測量方法，選取了速度參數(shù)已知的圓柱形有機玻璃塊進行測量，并將測量結(jié)果與有機玻璃樣品的給定速度進行了對比。待測樣品的具體參數(shù)表4所示，測得的波形圖如圖4所示。

(a) 未加輔助塊直接測試得到的波形

(b) 添加輔助塊測試得到的波形圖

圖3 測試得到波形圖

Fig.3 Tested waveforms with and without auxiliary block

表3 巖心樣品聲速測量結(jié)果

表4 有機玻璃物理參數(shù)

對比圖4中有機玻璃直接透射波形與有機玻璃加輔助塊透射波形，可以發(fā)現(xiàn)加輔助塊測試可以使縱橫波較好分離。

在圖4輔助塊透射波形與有機玻璃加輔助塊透射波形兩道波形中，箭頭指示的分別是縱波與橫波的波至點。通過計算兩道波形中橫波到時差與縱波到時差，即縱波橫波在有機玻璃中的傳播時間，利用公式，可求出縱波與橫波在有機玻璃中的傳播速度。

計算出的波速見表5。相關(guān)資料[6]中給出的標準有機玻璃，密度1.18(g/cm3)，橫波速度為1300 m/s，縱波速度為2700 m/s。我們的測試結(jié)果與上述資料中給出的結(jié)果基本相符。

表5 實驗測得有機玻璃的聲速

3 結(jié)論

通常脈沖透射法在小尺寸巖心樣品測試中由于縱波的存在無法準確讀取橫波到時，影響橫波波速的測量。我們設(shè)計了一個在實驗室內(nèi)小尺寸巖心樣品橫波波速的輔助塊透射波測試方案，并對多塊巖心樣品進行了測試。從測試結(jié)果中可以看出在加了輔助塊后，縱波與橫波已經(jīng)分開，能夠?qū)崿F(xiàn)準確讀取橫波到時的目的，為實現(xiàn)橫波波速的準確測量提供了保證。

[1] Robert H, Tatham M D, Matthews K K, et al. Aphysical model study of shear-wave splitting and fracture intensity [J]. Geophysics, 1992, 52(4): 647-652.

[2] Rai C S, Hanson K E. Shear-wave velocity anisotropy in sedimentary rocks: a laboratory study [J]. Geophysics, 1988, 53(7): 800- 806.

[3] 魏建新. 橫波測試技術(shù)的實驗室研究[J]. 石油地球物理勘探, 2003, 38(6): 630-636. Wei Jianxin. The study of Acoustic testing technology in laboratory[J]. OGP, 2003, 38(6): 630-636.

[4] 魏建新, 狄?guī)妥? 巖石柱塞樣品超聲橫波速度測試精度分析[J]. 石油地球物理勘探, 2012, 47(6): 918-925.WEI Jianxin, DI Bangrang. Accuracy analysis of ultrasound shear-wave velocity measurement of rock plug sample[J]. OGP, 2012, 47(6):918-925.

[5] Yale D P, Sprunt E S. Prediction of fracture direction using shear acoustic anisotropy[J]. The Log Analyst, 1989, 30(2): 65-70.

[6] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學基礎(chǔ)[M]. 2版. 南京: 南京大學出版社, 2001: 542-543. DU Gonghuan, ZHU Zhemin, GONG Xiufen. The basic of acoustics(second edition)[M]. 2ndedition. Nanjing: Nanjing University Press, 2001: 542-543.

A method of testing the S-wave velocity of the core samples in laboratory

GUO Jian, QIAO Wen-xiao, CHE Xiao-hua, DUAN Wen-xing

(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Accurate measurement of the ultrasonic in different types of cores is the basis for the analysis of the acoustic properties of the core. In general, the core samples used for the ultrasonic transmission test in laboratory aresmall-sizedcoresamples.When measuring the S-wave of the small-sized core sample,the aftershock of thecompression wave, which is hard to be eliminated, may interfere with the recognitionofS-wave.In this paper, a method of adding an ‘a(chǎn)uxiliary block’ in the transmission ultrasonic wave test is provided for measuring the S-wave velocity of the small-sized core samples in laboratory, with which the compression and shear waves can be effectively separated to reducethe measuring error of the S-wave velocity in the core sample and to improve the testaccuracy. Thispaperpresents themeasuringprogrammementioned above andmakes the analyses of several test examples.Thismethod canalso beusedformeasuring the S-wave velocities in general solid samples.

shear wave measurements; auxiliary block; small core

O422.1

A

1000-3630(2016)-04-0341-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.011

2015-09-20;

2015-12-20

國家自然科學基金項目(11204380、11374371、11134011和61102102)、國家油氣重大科技專項(2011ZX05020-009)、中國石油科技創(chuàng)新基金(2013D-5006-0304、2014D-5006-0307)和中國石油天然氣集團公司項目(2014B-4011、2014D-4105、2014A-3912)資助。

郭健(1987－), 男, 河北唐山人, 碩士研究生, 研究方向為應(yīng)用聲學。

喬文孝, E-mail:qiaowx@cup.edu.cn