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

2、在工程卸荷作用下岩石类材料的声发射特性。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

3、的破坏机制。研究现状文献[2－4]中介绍了根据岩体和岩块中纵波速度的差异来判断岩体完整性的方法。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

4、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

5、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　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

6、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

7、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

8、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(，