岩石动静态弹性参数差别的微观机理

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1、岩石动静态弹性参数差别的微观机理121葛洪魁陈颙林英松12（石油大学石油工程系，山东东营257061）（国家地震局，北京100036）摘要根据岩石动静态弹性参数相互关系的观测结果及岩石力学与岩石物理学的相关理论，对动静态弹性参数差别的微观机理进行了分析。得出，动静态参数的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，其微观变形特征不同。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

2、石动态模量高于静态模量。主题词：岩石弹性参数；动静态测试；微观机理；摩擦滑动；“不排水”；“粒间喷流”0.引言岩石弹性参数（杨氏模量、泊松比等）是岩石工程设计与施工的基础数据，岩石弹性参数的常用测定方法有两种：静态法和动态法。通过对岩样进行静态加载测其变形得到静态参数，通过测定声波或超声波在岩样中的传播速度，计算得到动态参数。根据地下工程的载荷特点，在实际工程中一般应采用静态参数。但是，动态参数获取方便、迅速、成本低。研究岩石动静态弹性参数间的关系具有重要意义。[1]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（Evans,1973;Ha

3、upt[2][3][4]等，1992；葛洪魁等,1994,1998），或将声波测井解释值与室内静态测试值对比分析[5]（Warpinski等，1998），得出了一些经验关系式，在工程实践中获得应用。而机理研究方[6]面相对不足，大部分研究从宏观角度进行分析，如Gregory（1962）认为，由于大部分声能可以绕过裂隙、尤其是那些与传播方向平行的裂隙，因此，波速受微裂隙的影响比静态测[7]试小。Jizba等（1990）认为岩石动静态的差别是由于动静态弹性参数对裂隙的敏感程度不同。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，是由微观机制控制

4、的，欲准确把握岩石动静态弹性参数间的关系，需深入到岩石的微观尺度进行分析。11．岩石动静态弹性参数差别的基本规律Evans(1973)在同一高压釜内对油饱和和盐水饱和的Lueders灰岩和Pecos砂岩的动静态弹性参数进行了同步测试，得出，动静态杨氏模量随围压呈相同变化趋势，静态杨氏模量约为其动态值的一半，岩石的动静态泊松比近似相等，应力对其影响不大。Warpinski(1998)也得出室内测试得到的静态杨氏模量大约为声波测井计算值的一半，而动静态泊松比比较接近。我们在三轴应力下进行了水饱和砂岩（葛洪魁等，1993）和室内干燥条件下的砂岩、泥岩、灰

5、岩、页岩、花岗岩、凝灰岩、蚀变岩、流纹岩等（林英松和葛洪魁，1998）动静态同步测试，得出，岩石动静态杨氏模量之间存在较好的相关关系，饱和砂岩静态与动态杨氏模量比值约为0.6，其他岩性比值大多在0.6~0.8之间。而动静态泊松比之间的关系不明显。Biot孔隙弹性系数也存在动静态的差别，静态值比动态值大，二者均与孔隙度有关，并随围压的增大而减小，见图1～3。0.5140y=0.6252x-2.75670.41202R=0.7707/GPa1000.3800.260静态泊松比0.140静态杨氏模量200000.10.20.30.40.502040608

6、0100120140动态杨氏模量/GPa动态泊松比图1岩石动静态杨氏模量间的关系图2岩石动静态泊松比间的关系0.940.92静态0.90动态0.880.86Biot系数0.840.820.806111621差压力（围压－孔隙压力）/MPa图3动静态Biot系数的差别－No.3砂岩总之，测试结果表明，动静态杨氏模量相关性较强，而动静态泊松比之间的关系还没有得出一致的结论。一般岩石动态模量大于静态模量，软岩石动静态模量差别大，随着围压的增大动静态弹性参数间的差别缩小。2．动静态载荷的特点及岩石材料的基本特征－5－动静态载荷在应变幅值、载荷频率上不同，静

7、态属于无限低频率的大应变（10～1023）载荷，声波为小应变载荷，典型的频率范围为地震勘探约几十Hz、声波测井约10~20kHz、－6[8][9]超声波测试约0.5～1MHz，地震所产生应变的典型值为10（Wenkler,1979,1982；[10]Mavko,1979;Haupt,1992）。正是由于动静态载荷的这种差别，才使得岩石对动静态载荷的响应不同，动静态弹性参数不同。钢铁、铝、有机玻璃等均质材料的动静态弹性参数基本相同。而岩石的动静态弹性参数却存在差别，说明是岩石材料本身的固有特征引起了这种不同。岩石为多相复合介质，岩石内分布着孔隙裂隙，

8、孔隙内部存在流体，这正是岩石动静态弹性参数差别的内在原因。3．动静态弹性参数差别的微观机理从流变学的角度来看，岩石模量随载