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声波测试技术在评价爆破震动对岩体的影响中的应用黄来源;李雪峰;李远强;陈伟;李军辉【摘要】在抽水蓄能电站上水库盆的岩体开挖过程中，通常采用工程爆破的技术手段。
爆破施工中要尽可能减小爆破震动对上水库盆的影响，控制岩体松动破坏的范围，为下一步防渗工程的实施奠定基础。
如何在提高工程施工效率的同时严格控制爆破震动对岩体产生影响，需要通过各种监测手段和技术方法来监测、分析和评价爆破施工对岩体的影响范围，然后来指导爆破施工。
本文通过具体工程案例，介绍了施工前或施工后通过声波测试的实际应用，来评价爆破震动对周围岩体的影响，并圈定具体影响范围。
%In the process of rock excavation on reservoir basin of the pumped-storage power station, blasting technology is usually adopted. For further implementation of the seepage control project, we must minimize the blasting vibration on reservoir basin during the blasting construction and controlling the inlfuence of the scope of rock loose damage. For improving construction efifciency and strictly controlling impact of blasting vibration on rock, it needs to monitor tools and techniques through a variety of methods to monitor, analyze and evaluate the impact of blasting on rock mass range, and then to guide the blasting. This paper describes the speciifc case of the construction project before or after construction through the practical application of acoustic test, to evaluate the blasting vibration impact on the surrounding rock, and to delineate the speciifc inlfuence.【期刊名称】《城市地质》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】4页(P52-55)【关键词】爆破;震动;声波测试;评价【作者】黄来源;李雪峰;李远强;陈伟;李军辉【作者单位】北京市地质研究所，北京 100120; 中国科技大学，北京 100083;中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024;北京市地质研究所，北京100120;北京市地质研究所，北京 100120;北京市地质研究所，北京 100120【正文语种】中文【中图分类】P631近年来中国抽水蓄能电站的发展迅速。
玄武岩声波时差1. 简介玄武岩是一种常见的火山岩石，具有较高的密度和硬度。
声波时差是指声波在不同介质中传播时，由于介质密度和弹性模量的变化而导致的传播速度变化所引起的时间差。
本文将探讨玄武岩中声波的传播特性以及相关的时差现象。
2. 玄武岩的特性玄武岩是一种含有较多镁铁质成分的火山喷发产物，主要由斜方辉石和钙长石组成。
其相对密度较高，通常在2.6-3.0之间。
同时，玄武岩具有较高的硬度，一般在5-6之间。
3. 声波在玄武岩中的传播声波是一种机械波，需要介质作为媒介才能传播。
当声波遇到两个不同介质界面时，会发生折射和反射现象。
对于玄武岩这样的固体介质来说，声波主要通过颗粒间的振动来传播。
在玄武岩中，声波的传播速度取决于介质的密度和弹性模量。
由于玄武岩的相对密度较高，而且具有较高的硬度，导致声波在其中传播时速度相对较快。
此外，玄武岩中颗粒间的振动也会导致声波的散射和衰减。
4. 玄武岩声波时差现象当声波从一个介质传播到另一个介质时，由于介质特性的不同，会引起传播速度的变化，从而产生时差现象。
在玄武岩中，由于其密度和弹性模量与周围环境不同，声波传播速度也会发生变化。
玄武岩中声波时差主要表现为两个方面：折射和反射。
4.1 折射时差当声波从一个介质斜入射到另一个介质时，会发生折射现象。
根据斯涅尔定律，入射角、折射角以及两个介质中的传播速度之间存在关系：n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)其中，n1和n2分别为两个介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角。
在玄武岩中，由于其特殊的物理特性，声波在传播过程中会发生频繁的折射。
这种折射现象导致了声波传播路径的曲线变化，从而产生了时差。
4.2 反射时差当声波遇到介质界面时，部分能量会被反射回原介质中。
反射时差是指由于反射现象而引起的时间延迟。
在玄武岩中，声波与界面发生反射时，会受到界面形状、入射角度等因素的影响。
这些因素导致了反射声波与入射声波之间存在一定的时间差。
岩石工程中的声学技术岩石工程是一门涉及岩石矿物、岩土力学、地下水流等多学科交叉融合的专业。
其中，在岩石工程的钻探、爆破等工艺中，声学技术被广泛应用。
本文将围绕岩石工程中的声学技术展开论述。
一、声波在岩石中的传播在岩石工程中，声学技术常常用于地质勘探、爆破等环节。
因此，了解声波在岩石中的传播原理对于应用声学技术也是非常必要的。
声波在岩石中的传播受到岩石性质的限制，其传播速度与岩石的含水率、密度、泊松比等因素有关。
通常情况下，岩石中传播速度越高，则其密度越大、含水率越低、泊松比越小。
除了传播速度，声波在岩石中传播还受到反射、折射、衍射等现象的影响。
因此，在应用声学技术时，需要充分考虑以上因素对声波的影响。
二、声学技术在地质勘探中的应用在地质勘探中，声学技术被广泛应用于勘探岩层厚度、岩性、裂隙等信息。
最常用的声学技术是隆起波法。
隆起波法利用声波在不同介质间传播时发生的反射和折射现象，通过测量声波的传播时间、幅值、频率等参数，计算物质的密度、泊松比等物理特性。
此外，隆起波法还可以用于岩层裂隙的检测。
当声波传播到含有裂隙的岩层时，一部分声波会进入裂隙中而发生衍射等现象，从而导致反射延迟或衰减。
通过对衰减程度和反射延迟的测量，可以计算出裂隙的深度、宽度等参数。
三、声学技术在爆破中的应用在岩石工程中，爆破是一种常见的开采建筑材料和挖掘隧道的方法。
而在爆破过程中，声学技术可以用于爆破效果的监测和评估。
监测爆破效果主要是通过声波的传播和反射来实现的。
爆破后，岩石表面会产生一些微小的裂缝和空洞，使声波的传播速度和反射符号发生变化。
通过测量爆破前后岩石中声波的传播时间、幅值、反射强度等参数，可以推断爆破后岩石的裂缝分布、空洞大小等信息，从而评估爆破效果。
除了监测爆破效果，声学技术还可以用于爆破安全控制。
爆破时，声波会产生振动和冲击效应，如果振幅过大，则有可能引发坍塌和地面沉降等安全事故。
在这种情况下，可以通过测量声波的传播速度和振幅，调整爆破参数，以保证爆破的安全性和效果。
声波时差资料在页岩成熟度预测中的应用
孟江辉;潘仁芳;宋换新;金吉能
【期刊名称】《石油天然气学报》
【年(卷),期】2013(035)011
【摘要】通过大量实测数据分析发现,镜质体反射率(R.)与声波时差(△t)之间存在较理想的反线性关系.以松辽盆地古龙凹陷下白垩统青山口组(K2 qs)和东营凹陷古近系沙河街组沙四下亚段(Es})泥质页岩为例,根据实测R.和△t建立了R.的预测模型.最终预测的R.与实测R.较为相符,展示了较好的应用效果.
【总页数】4页(P81-84)
【作者】孟江辉;潘仁芳;宋换新;金吉能
【作者单位】非常规油气湖北省协同创新中心(长江大学)长江大学地球科学学院,湖北武汉430100;非常规油气湖北省协同创新中心(长江大学)长江大学地球科学学院,湖北武汉430100;菲常规油气湖北省协同创新中心(长江大学),湖北武汉430100;长江大学地球科学学院,湖北武汉430100
【正文语种】中文
【中图分类】P631.84
【相关文献】
1.测井资料在优质页岩气储层识别中的应用——以鄂尔多斯盆地东南部长7段黑色页岩为例
2.气体钻井中泥页岩地层声波时差的实验研究
3.声波时差测井在岩石
可钻性预测中的应用4.声波时差资料在天然气综合扩散系数预测中的应用5.地震反演预测页岩有机质成熟度的研究
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岩石声波测试实验心得体会在进行岩石声波测试实验的过程中，我深刻认识到了岩石声波测试的重要性和应用价值。
此次实验中，我对岩石声波测试的基本原理、实验步骤以及数据处理方法有了更深入的了解，并且体会到了实验中的困难与挑战。
首先，岩石声波测试是一种通过声波传播特性来对岩石进行测试和分析的方法。
通过观察声波在岩石中的传播速度、衰减特性以及反射和折射等现象，可以获取岩石的物理性质和结构信息。
这对于地质勘探、地下工程和岩石力学等领域具有重要的应用价值。
实验的第一步是制备岩石样本。
为了保证实验的可靠性和准确性，我们需要根据实际需求选择代表性的岩石样本，并进行样本的制备和处理。
在此次实验中，我们选择了花岗岩和砂岩两种常见的岩石类型作为研究对象。
通过使用岩石样本切割机和研磨机进行样本的制备，保证了样本的平整度和精度。
第二步是进行实验装置的调试和校准。
岩石声波测试使用的是声波传感器和信号发生器等设备。
在实验之前，我们需要对这些设备进行调试和校准，以确保实验的准确性和可靠性。
调试过程中，我们发现设备之间的连接和传输存在一定的问题，需要进行排除和修复。
同时，还需要校准设备的标定值，以便于后续实验中数据的准确计算和分析。
第三步是进行实验数据的采集和记录。
在实验过程中，我们设置了不同的声波频率和强度，并记录了声波在岩石中的传播时间和幅度。
为了保证实验的可靠性，我们对每组数据进行了三次重复测量，并计算了平均数和标准差。
通过对实验数据的分析，我们发现声波传播速度和幅度与岩石类型和结构密切相关。
第四步是对实验数据进行处理和分析。
在实验数据的处理过程中，我们使用了图表和数学模型来描述声波在岩石中的传播特性。
通过对实验数据的分析，我们可以计算出岩石的声波传播速度、衰减系数和反射系数等参数。
这些参数对于岩石的物理性质和结构信息具有重要的意义。
通过此次实验，我深刻体会到了岩石声波测试的重要性和应用价值。
岩石声波测试可以帮助我们了解地下岩石的物理性质和结构信息，为地质勘探、地下工程和岩石力学等领域提供有力的支持。
利用声波时差预测岩石可钻性新方法
刘卫东
【期刊名称】《钻采工艺》
【年(卷),期】1995(018)002
【摘要】本文在弹性力学原理的基础上，通过室内实验，提出了利用测井资料中的声波时差预测岩石可钻性的新方法。
该方法优于常规方法，经现场验证，认为是可行的，可节约大量的资金，具有很大的经济效益。
【总页数】3页(P1-3)
【作者】刘卫东
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.声波时差测井在岩石可钻性预测中的应用 [J], 王忠福;孟金城;张志邦
2.利用声波时差检测地层孔隙压力的新方法 [J], 梁红军;樊洪海
3.利用声波时差资料确定岩石可钻性的研究 [J], 邹德永;陈永红
4.中原油田岩石可钻性与声波时差关系研究 [J], 张召平;翁行芳
5.岩石声波时差与岩石可钻性的关系及其应用 [J], 杨进;郑权方
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Biot系数非线性解释初探及其在井壁稳定性分析中的应用李忠平;周文;谢润成;邵晶【摘要】The Biot coefficient has an important application value on the drilling engineering & fracturing engineering.The equation, which is used for the log interpretation of Biot coefficient, is dependent on all-wave logging,so its spread is limited. Based on the results of core tests,taking the deformation mechanism of grain-rock and chemical crystallized rock,the interpretation method for Biot coefficient is presented utilizing the broad sense Usher model, and the profiles of rock mechanics and in-situ stress parameters calculated by this model are coincident with the drilling data based on the log data. That means, this model is valuable for spreading application.%Biot系数在钻井工程、压裂工程等方面具有重要应用价值,目前常用的测井解释Biot系数公式依赖于全波测井,推广性有限.考虑颗粒岩及结晶岩受力变形机制,在岩心试验测试结果的基础上,利用广义Usher模型建立起Biot系数解释方法.利用该模型,结合测井数据,计算得到单井岩石力学及地应力参数剖面,与实钻资料吻合情况良好,表明该Biot系数评价方法有一定的推广应用价值.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2012(034)001【总页数】4页(P39-42)【关键词】Biot系数;岩心试验;Usher模型;井壁稳定性;变形机制【作者】李忠平;周文;谢润成;邵晶【作者单位】成都理工大学能源学院,四川成都610059;中国石化西南油气分公司开发处,四川成都610016;成都理工大学能源学院,四川成都610059;青海油田采油一厂,青海海西洲816400;青海油田采油一厂,青海海西洲816400【正文语种】中文【中图分类】TE21Biot系数是描述岩石等多孔介质的一个非常重要的特性参数，是水力压裂设计、出砂预测、井眼轨迹优化设计以及井壁稳定性分析计算所需的关键参数［1］。
声波-岩石物理状态实验研究主要进展研究者时间主要结果及结论岩体声波检测专题讨论会1982 ①中国电子学会应用声学学会检测声学组于1981年召开了“岩体声波检测专题讨论会”②会议提出“关于工程岩体(岩石)声学参数检测方法及其分级的建议”林睦曾1983 ①采用超声波测量了岩石中纵波速度随含水量的变化。
通过干燥和饱和岩石的分析，纵波速度之差异随孔隙率的增加而增加。
勘探工程1985 ①地质矿产部地质博物馆和水文、工程地质技术方法研究队协作进行岩心声波检测的试验研究工作，利用纵波速度进行钻探岩石分级、定级；又开始了横波速度检测，求取岩石动弹性力学参数，与岩石可钻性找相关关系。
颜玉定1989 ①用砂岩、凝灰岩、页岩三类岩石试件进行长时间的饱水,对声波参数波速、频率和幅值随饱水时间的变化进行研究,得出了水对岩石各动态参数的作用有物理,化学两种效应,以及两种效应均具有初期快速效应和长期缓慢效应的特点;波速，频率，幅值的值尽管初期效应时有增减,但长期的结果都比风干状态的值低。
林志仁1990 ①分析了热导率与纵、横波之间的相关关系;探讨了影响波速测试的几个主要因素;指出用超声检测技术测试岩石热导率是可行的。
陈达力1990 ①进行了岩石声波频谱分析，采用我们研究建立的岩石声谱分析宽带声测、数字处理微机系统和声谱测试技术,对七、八十块岩石试件进行声波频谱分析的初步试验成果②结果表明:不同岩石有不同频谱,它反映了岩石特性。
秦四清等1991 ①依据建立的岩石复合Q模型,探讨了品质因数Q 值与频率、饱水度及压力的关系②燥岩石Q值与频率无关;含水岩石Q 值与频率有关。
若施加频率远小于谐振频率,Q 值与频率弱相关③S 波衰减峰值发生在饱水度为100％时,而P波衰减峰值发生在饱水度为60％—90％范围内。
史哥等1993 ①干燥岩石中,纵波衰减比横波高;在被流体完全或部分饱和的岩石中,纵、横波的衰减均高于在干燥岩石中的衰减,横波的衰减的增加量比纵波大,并以复杂的方式依赖于饱和度②在饱和盐水的岩石中, 声波振幅随频率的增高而呈指数衰减。
利用声波测井数据分析地层可钻性刘明轶【摘要】地层可钻性级值是评价不同地层钻井中破岩难易程度的重要指标.室内实验表明,可钻性级值与纵波时差具有良好的相关性,利用测井数据可以分析地层可钻性随井深的变化规律,也可对区域可钻性做出合理预测.因此,总结了国内对地层可钻性与声波时差规律的研究成果,并通过综合分析,建立了地层可钻性与纵波时差的自然对数值之间的线性关系,以及PDC钻头可钻性与牙轮钻头可钻性之间的幂函数关系.根据建立的关系式,可利用声波时差测井数据计算采用不同钻头钻井时地层的可钻性,有助于钻头选型及钻井工作的开展.【期刊名称】《内蒙古石油化工》【年(卷),期】2012(038)024【总页数】2页(P56-57)【关键词】可钻性;声波时差;牙轮钻头;PDC钻头【作者】刘明轶【作者单位】胜利油田有限公司现河采油厂,山东东营257000【正文语种】中文【中图分类】P631.8+1在油气钻井工程中,地层可钻性评价是分析机械钻速、进行钻头选型的重要指标之一,其评价方法有实验方法、钻速反推方法、声波时差计算法、岩屑硬度法等多种。
在可钻性的表示方面,我国采用岩心微钻法进行研究,记录钻深 2.4mm所耗时间,换算成以2为底的对数来表示可钻性,称为可钻性级值。
1987年原石油工业部召开了全国岩石可钻性研究成果鉴定会,将岩石按可钻性级值划分为 10级,从此我国石油钻井界正式采用微钻法来测定岩石可钻性[1]。
可钻性的测定虽然是以室内微钻实验为基础的,但微钻实验法由于受各种原因限制,存在一些问题,如不能反应地下实际温度压力情况、难以建立连续剖面、耗费较大人力物力等,因此,国内外石油工作者开展研究,利用测井解释、现场岩屑分析等方法来研究地层可钻性。
目前在工程中应用最多的是采用测井资料中的声波时差数据建立地层可钻性剖面。
1 声波时差数据分析地层可钻性方法钻井中的测井数据能够反应地层各种性质的变化,其中声波时差测井测量声波在地层中的传播速度,间接反应地层强度、弹性模量、泊松比等力学性质,并且声波时差测井资料来源广泛,受井下环境影响较小,因此在石油工程中得到了广泛应用。
- 114 -工 程 技 术0 引言随着经济的发展，重难点项目逐渐增多，对工程勘察提出了更高的要求。
传统的勘察方法以钻探为主，通过钻探岩芯直接判断地层的工程地质特征。
岩芯的质量受到多种因素的影响，如机械设备、钻机机长技术、钻探工艺等，在复杂地层时常无法取芯或者采取率低，无法准确推断地层地质情况。
声波测井属于地震勘探方法的范畴[1]，同时也属于原位测试技术，其方法主要是通过测试岩体波速与深度关系曲线中的异常变化来判别岩体结构面的发育情况[2]。
王献[3]通过钻孔测试表明声波测井测试可以获得钻孔深度范围内各种岩体平均纵波波速，结合室内岩石试验测得岩块平均纵波波速，可计算得到岩体完整性指数，即可判断岩体的完整程度，为围岩分级提供依据。
该文列举了某工程项目实例，为探明桥梁桩基区域工程地质条件，采用了钻探取芯和声波时差测井综合勘察技术，分析深度-波速曲线异常变化，并与钻探岩芯进行对比，综合勘察提高了勘察的准确性，保证了工程质量。
1 声波时差测井原理一发双收声波时差测井原理示意图见图1。
探头由3个部分组成，分别为声波发射装置 T 和接收装置 R 1，R 2。
发射装置T 将接收到的地上设备通过电缆传输的脉冲电信号转化为声波脉冲信号，声波经泥浆传播至井壁。
由于在泥浆中声波的波速V 1 小于井壁岩层声波的波速V 2，根据折射波原理，当声波以临界角入射到井壁时，会有沿井壁岩层滑行的折射波，在滑行的过程也会有折射波传入泥浆中，被接收器感应到，所以R 1接收到的声波传播路径为ABCD，R 2接收到的声波传播路径为ABEF。
由于V 2>V 1 ，初至波为该滑行的折射波，2个接收器分别接收不同滑行距离的声波，通过拾取接收信号的初至时间，可读出折射波旅行时间。
L 1为第一个接收装置与发射装置的距离，L 2为2个接收装置之间的距离。
t AB CD V BCV 112（1）t AB EF V BEV 212（2）其中t 1，t 2和分别为声波到达 R 1和 R 2的旅行时间。
96新疆玛湖地区二叠系和石炭系地层以火山岩为主，受火山喷发过程的影响，火山岩地层岩性在纵向和横向上差异较大。
由于深层火山岩地层的岩石硬度大、强度高、岩石研磨性强，所以在进行火山岩地层钻进时，钻头磨损十分严重、钻头型号确定难度大。
在该区域进行钻井工程设计时，钻头选型非常困难。
因此，本研究课题旨在应用现场工程资料结合已获得的井下岩石力学参数，采用相应的绘图软件，绘制玛湖地区的岩石可钻性区域分布图。
以期将绘制岩石可钻性分布规律应用到玛湖地层钻头优选中去，为该区域的钻头系列制定提供重要的参考依据。
一、模型的建立与校正1.模型的建立（1） 单因素模型的建立声波时差与岩石可钻性在本质上是相同的，都反映了岩石的综合物理力学性质，只是表现形式不同而已，所以从理论上来说，声波时差与岩石可钻性之间必然存在确定的关系，只要找出这种关系，就可以利用声波时差来评价岩石的可钻性。
因此，以塔里木盆地近几年的实际资料为基础，选用了幂函数、指数函数、对数函数等6种模型拟合岩石可钻性和声波时差之间的关系，通过分析比较，认为指数函数模型的相关性最好，其函数关系式为Kd=10.528*e^(-0.0036*Δt)（2）多因素模型的建立用岩石的物理力学特性评价岩石可钻性是在室内采用相应的测定仪器，测量能反映破碎岩石实质的某一种或几种力学性质作为岩石可钻性的指标，其方法简便，所测指标相对稳定。
通过室内试验可以测定岩石物理力学参数中的可钻性级值、抗压强度、硬度、弹性模量和泊松比，将其进行回归分析，可以得到岩石可钻性与岩石的力学参数之间的相关函数关系式为Kd=4.0125+0.0057Py+0.0105σc -0.0235E-0.03287μ-0.2256k其中Kd为牙轮钻头可钻性，σc为岩石抗压强度，Py为岩石硬度，E为杨氏模量，μ为泊松比，k为塑性系数。
2.模型的校正实验室条件与声波时差测井的实际工作条件的差异很大，这就导致了用该模型对实际的声波测井资料的计算存在着一定的误差。
第23卷 第14期岩石力学与工程学报 23(14)：2439～24432004年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，20042003年7月14日收到初稿，2003年9月17日收到修改稿。
* 中国石油天然气集团公司“十五”项目资助课题。
作者 邹德永 简介：男，1962年生，工学硕士，1989毕业于石油大学石油工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学和破岩工具方面的研究工作。
E-amil ：zougan@ 。
岩屑声波法评价岩石可钻性的试验研究*邹德永 程远方 刘洪祺(石油大学(华东)石油工程学院 东营 257061)摘要 岩石可钻性是石油钻井中优选钻头类型的重要依据。
岩屑声波法评价岩石可钻性以容易获取、来源充足的钻井岩屑为研究资料，通过测定岩屑的声波波速，来定量计算岩石的可钻性级值，可以获得连续的地层信息，实现钻头类型的优选。
试验分析了毫米级岩屑波速测量的可行性和岩屑波速与岩石可钻性级值的相关性，表明岩屑波速具有良好的代表性，且岩屑波速与岩石可钻性级值(K d )有着密切的关系。
测定了26块有代表性的岩芯的可钻性级值及相应岩屑的声波速度，建立了岩石可钻性级值(K d )与岩屑波速的关系模型。
在一口预探井进行了随钻检测地层可钻性的现场试验，证明该方法是有效的。
关键词 石油工程，岩屑，声波速度，岩石可钻性，试验，模型分类号 TD 231.6，TE 21 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)14-2439-05TESTING STUDY ON ROCK DRILLABILITY EV ALUATIONBY ACOUSTIC VELOCITY OF CUTTINGZou Deyong ，Cheng Yuanfang ，Liu Hongqi(College of Petroleum Engineering ，University of Petroleum ， Dongying 257061 China )Abstract The rock drillability is an important index for optimizing the selection of drill bit. A new methodology for evaluating rock drillability by acoustic velocity of cutting is developed ，which can easily and continuously provide drillability information of stratum. The feasibility of the measurement on rough rock fragments of very small dimensions and the correlativity between acoustic velocity of cutting and rock drillability index are investigated. The results show that the acoustic velocity obtained from small cuttings is well related to rock drillability index. The relation model between the index and the acoustic velocity is developed. Test drilling is performed and shows that this method is effective.Key words petroleum engineering ，rock cutting ，acoustic velocity ，rock drillability ，test ，model1 引 言岩石可钻性是石油钻井工程的主要基础资料之一，对钻头选型、预测钻速和制定生产定额等具有重要的指导意义。
声波时差资料在页岩成熟度预测中的应用页岩是一种资源，在能源开发过程中起着重要作用。
但是，由于页岩资源有限，对于页岩的储量、分布和质量估算也显得尤为困难。
声波时差资料（TD）的应用可以有效地将其作为计算机辅助设计成熟度模型的工具，从而进行有效的页岩质量评估。
首先，声波时差资料可以提供宏观结构信息，从而有助于定量评估页岩成熟度。
它支持成熟度评估模型构建，可以增加对页岩成熟度模型的准确度。
TD数据可以直接用于反映页岩成熟度模型的参数，
从而计算页岩的表观密度和生产性能等。
其次，TD数据可以用于优化探测技术，以识别准确的页岩结构、分布和储量。
TD数据可以用于直接提取岩心资料，从而建立声波地
震反演建模技术，可以更准确地定位目标区域的储量。
此外，TD数
据还可以用于识别精细结构，以便更准确地评估页岩的质量，以更好地改善和优化页岩资源开发计划。
此外，TD资料还可以用于预测页岩资源可采性，并为发现更丰
富的页岩资源提供指导。
TD资料可以为油藏结构分析提供数据支持，从而有助于改善页岩资源开发规划。
因此，声波时差资料可以作为一种有效的预测工具，用于预测页岩成熟度，从而为页岩资源的有效开发提供有利条件。
在实际应用中，TD数据可以用于从储量和质量估算、页岩资源开发规划等方面提供
可靠信息，从而更有效地利用页岩资源，促进经济可持续发展。
总之，声波时差资料在页岩资源开发过程中可以发挥宝贵的作用，
并在页岩成熟度预测中具有重要意义。
它可以有效地分析和评估页岩资源，为页岩开发提供有效的可靠依据。
因此，可以说声波时差资料的应用是页岩资源开发过程中不可或缺的一部分。
第20卷 第3期地 球 物 理 学 进 展Vol .20 N o .32005年9月(页码:822～827)PROGRE SS I N GEOPHYS ICSS ep . 2005岩石声波差异衰减特征及工程应用前景探讨刘 彤1, 苏天明1, 孙 健2(1.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室,北京100029; 2.吉林市水利水电设计院,吉林132000)摘 要 声波在岩石材料中传播时会发生差异衰减现象.由于岩石强度、完整性不同,造成其频率响应不同,声波通过不同强度的岩石时,对不同频率的声波信号滤除状况也就有所不同.通过力学强度高的岩石时,声波基本能够保持其原有频率成分,相反,当通过低强度岩石时,高频分量会迅速衰减而缺失,主要保留低频分量.通过实例研究,分析了声谱衰减特征与岩样矿物组成、密度及结构完整性的关系,验证了声谱衰减特征与岩体强度具有很好相关性的结论.通过分析研究声波信号在不同岩体中传播的衰减变化,指出声波衰减在一定程度上能够反映出岩体的风化程度、破碎状态、强度及各向异性等特征.可以发展成为岩体工程地质勘测、试验和施工中的常规实验方法.关键词 声波差异衰减,声吸收,波谱分析中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2005)03-0822-06S tudy on acou s t ic d iv e rs ity a t tenu a t ion prope rt ie s o f ro ck andfo regrou nd o f app ly in g in eng in e erin gLI U Tong 1, SU T ian -m ing 1, SUNJ ian2(1.K e y Labor a t ory Of Engi neering G eom echanics ,C hi nese Ac ade m y of Sciences ,B eij i ng 100029,China ;2.Instit ute of W a t er Resources and Hy dropo wer of Jilin ,Jilin 132000,China)Ab s tra c t B ased on the v iscos ity acoustic absorpt ion theory ,R ock m a teria l is na tu ra l lo w -pass filter of acoustica l w ave .For the d ifferen t frequency response of roc ks ,the frequency co m pos ition of wave changes w ith the absorption in ea ch kind of roc ks.The degree of abundance of frequency in the rece iv ing s igna l is closely rela ted to the p roperties of rock m a teria ls .The ha rder the rock is ,the m ore abundan t the rece iv ing a coustica l s igna l co m ponen t is.On the con trary ,the receiv ing signa l is on ly the lo w frequency co m ponen t ,the h igh frequency co m ponent fade do wn because of filtra tion.The research ing ach ieve m en t can be used to resea rch the w ea thering ,crushing ,strength and an isotropy of rock -m ass ,and can be developed in to a genera l experience m ethod of rock -m ass in the eng ineering exp lora tion ,tes-ting and construction.K e yw ord s acoustic d ivers ity a ttenua tion ,acoustic absorp tion ,spectru mana lys is收稿日期 2005-01-20; 修回日期 2005-03-23.作者简介 刘彤,男,1968年生,高级工程师,现主要从事工程地质与地球物理(超声检测)方面的生产与研究工作.(E -m a il :li utong0213@163.co m )0 引 言声波在介质中传播时存在衰减现象.声波传播过程中由于波阵面的扩张引起声能空间发散,以致随距离的增加单位面积上声能减弱,声波振幅会降低;同时,由于介质中异体的散射作用,使得沿原来传播方向的声波能量减少致使波幅随距离的增加也有明显降低.此外,由于介质本身对声能存在吸收作用,包括介质的粘滞性吸收作用、热传导、和驰豫吸收(分子吸收过程)也产生沿传播方向的衰减.这种衰减是由于声能转变为其他形式的能量(热能)引起的,与介质的力学性质有关.研究表明,不论是岩石中异体对声波的散射作用,还是岩石材料对声波的吸收作用造成的衰减,它们都对不同频率声波具不同作用结果,即传播介质对声波具有选频吸收及散射作用.介质物性特征不同,对波的散射及吸收作用就不同,其规律为低频声波能量变化小,高频声波受影响强烈.其表明,岩石材料是声波的天然低通滤波器.许多学者注意到了岩石中声波信号具有波形畸变现象,并且把这种现3期刘 彤,等:岩石声波差异衰减特征及工程应用前景探讨象命名为主频漂移,其原因就是声波在岩石中传播时由于各频率成分的差异衰减形成的接收信号中主频率向低频移动,这种现象就是岩石对声信号低通滤波的结果.本文主要目的是试图从岩石的低通滤波特性来研究这一现象的工程应用前景.1 岩石材料声吸收机理声波在岩石中的衰减是一个非常复杂的过程,对于岩石材料,可理想化为开尔文体(粘弹性体),并且只考虑粘滞吸收[2,3].对开尔文体,纵波中位移u 的传播方程为ρ５2u x ５t 2=(λ+2μ)Δ2u x +(λ′+2μ′)Δ５u x ５t ,ρ５2u y ５t2=(λ+2μ)Δ2u y +(λ′+2μ′)Δ５u y ５t ,(1)横波中位移u 的传播方程为ρ５2u x ５t 2=μΔ2u x +μ′Δ５u x５t ,ρ５2u y ５t 2=μΔ2u y +μ′Δ５u y５t ,(2)式中,λ′,μ′为粘性参数(与拉梅常数λ,μ相对应).设有一平面纵波沿z 向传播,则有u x =A ·exp [i(ω·t -kz)],(3)代入(1)、(2)式,可得纵横波的相速度V P 、V S 和吸收系数αP 及αSV P ≈λ+2μρ1/2, αP ≈ω2(λ′+2μ′)/2ρV 3P ,(4)V S ≈μρ1/2, αS ≈ω2μ′/2ρV 3S,(5)可见粘弹性体V P 、V S 的近似值表达式与弹性体的相同.从这里也可看出,波速只反映了材料的弹性特征,而岩石声吸收系数不仅与弹性有关,还与材料的粘性及声信号的频率有关,相对波速而言,它携带了更多的表征岩石介质性质的信息.2 本研究的测试思路描述波在介质中的衰减可采用下式A =A 0e -αγ,(6)式中A 表示声源距γ处的波动振幅,A 0表示声源附近的波动振幅,α是与介质性质有关的吸收系数.从(6)式可以看出,振幅按距离和衰减系数α的乘积以负指数形式衰减,指数因子绝对值愈高,衰减愈大.若测试采用标准长度,即定义γ=1,上式可简化为A =A 0e -α,(7)这样,不同的样品在相同尺寸条件下,几何扩散相同,因而使不同的样品的散射和吸收衰减具有可比性.在这里我们从纵波角度来讨论这一问题:对于吸收系数α,可用(4)式来表示.从式中可以看出,α表达式由两部分因素组成,一是声波信号圆频率ω,另外是岩石的物理力学性质参数λ′、μ′、λ、μ、ρ.令z =λ′+2μ′2ρV 3P,(8)得到α=ω2z ,(9)z 与材料的粘性参数λ′、μ′和弹性参数λ、μ及介质密度ρ有关,可认为它综合表示了材料的物理力学性质.在这里,可认为z 表达了材料的力学本质,显然,对不同岩石材料,z 值是不同的.对于不同的圆频率ω值,可得到不同吸收系数α值,即介质的声波衰减系数是声信号频率的函数,且α随频率增大而迅速增加.因此,声波信号可看作一个信息载体,声波与岩石材料相互作用,经材料滤波,得到声波衰减这一表象结果.对不同岩石材料,声波中各频率成分的衰减有差异,因此,可通过研究声波衰减的差异来对比研究岩石材料的力学性质差异.事实上,在岩石中传播的声波信号由一个复杂的波包组成.测试用超声探头激发出的声波频率并不只局限在主频范围内,除主频外,还含有其它频率的信号.理论上接收信号可视为一系列简谐波的叠加,每个简谐波的衰减直接影响了波包的形态.针对这一特点,可以作一个思路上的转换,即考虑用波谱分析的方法来研究接收信号中各频率成分能量的衰减结果.思路如下:将超声发射脉冲作为输入激励,接收波形作为输出响应.假定收、发换能器与负载构成一线性系统,则输出信号x(t)是激励信号g(t)与测试样品脉冲响应函数h(t)的卷积[4,5],即x(t)=g(t)*h(t),(10)对(10)式进行Fourier 变换,可得X (ω)=G (ω)·H(ω),(11)式中X (ω)、G (ω)分别为x(t)、g(t)的Fourier 变换,H(ω)为系统的频率响应函数,ω为圆频率(ω=2πf ,328地球物理学进展20卷f为频率).本问题中,H(ω)就是岩石材料对声波的响应能力.由于超声发射脉冲输入激励信号是稳定的,所以只需通过分析接收谱X(ω),对比接收信号中频率组成的变化情况,即可分析岩石材料的力学性质.考虑到声波各频率成分的能量只与振幅有关,与相位无关,因此本文只讨论振幅谱,未考虑相位谱.需要说明的是,针对岩石声波衰减现象的研究,理论上讲采用品质因子Q是比较合适的,但这种研究方法在实际前后测试中由于耦合条件的不一致而常常得到不合理的测定结果.采用单次采集信号的波谱分析方法,从一组信号中对比不同频率的衰减行为,客观上就避免了上述的耦合不一致造成的矛盾.采用波谱分析方法,有多种波谱特征参数可供选择.本次研究中波谱计算采用全谱DFT分析,以求取波谱形心频率坐标的方法确定参数,该值可反映频率的分布范围,信号中高频成分越丰富,波谱的形心频率坐标值就越高.形心频率坐标值可表示为[5]f c=∫fNf|A(f)|d f∫fN|A(f)|d f.(12)3研究实例3.1探头的选择、信号特征实验采用接触式纵波直探头.换能器主频220 k Hz,工作性能稳定,探头激发面直径为0.97c m.由于其压电晶片以空气为背衬,故灵敏度较高,谱峰多且窄.图1为该探头的激发信号频谱,频带内能量主要分布在100～280kH z范围内,主频率为220kH z,在420～500k Hz也有较高能量.几个明显峰值的频率段是100～130k Hz,200～240k H z,250～280 k Hz,420～450k Hz.谱峰幅度差异明显,各峰在频率轴上分布较均匀.高于600k Hz的频率分量由于幅度很低,可视为噪音信号,故图中只表示出了0～600k Hz频率段的谱.3.2测试方法实验前预先将岩芯样品加工成长8c m左右圆柱体,截面磨平抛光并尽量平行,水饱和8h以上.测试仪器采用DB4型多波参数分析仪,通带宽度设定在0.1k HZ～1MHz,微机触发,用宽度为5μs 的负方波脉冲激发探头工作.测试采用脉冲透射法,激发电压和前置放大器增益设置视接收信号的饱满程度来调整.为保证测试精度,采用信号叠加技术记录波形.波形记录长度为8192点,数据采集间隔0.1μs.为保证声信号传输质量,采用黄油为耦合剂,并均匀适当加压使探头与岩石样品通过耦合材料紧密接触,同时保证探头与岩样接触面上洁净、无水迹、无砂砾等杂质,整个测试过程中保持耦合状态不变.图1探头激发谱(A0为主频幅值)F ig.1E xciting spectrumof transducer(A0is the a m p litude of m a jor frequenc y)3.3样品特征表1列出本次试验中部分在风化程度上存在差异的几组代表性样品矿物含量参数、密度及有关特征.表1岩石样品密度、主要矿物成分及名称Tab le1 W e a th er in g an d c rack ch a rac te r is t ic s andba s ic p aram e te rs o f exp e r i m e n ta l sam p le s 样品号密度矿物组分体积百分比名称NM5'-12.57P l+Kf:>65,A m p+C hl:9Q z:22,O th:1-2,C a:2夹碎裂带的蚀变斑状花岗岩M1'-32.63P l+Kf:65-70,A m p+B io:7Qz:20-25,O th:<1-2,Ca:2具局部碎裂蚀变斑状花岗岩T2'-142.65P l+Kf:>70,A m p+B i o:<8Q z:18,O th:1-2,C a:2石英长石质碎裂岩T10-52.70P l+K f:72,A mp+B i o:5Q z:20,O th:<1-2,C a:<2部分具碎裂的蚀变斑状花岗岩注:斜长石P l、钾长石K f、石英Q z、碳酸盐岩等脉物质Ca、普通角闪石A m p,黑云母B io、绿帘石Ep、绿泥石C hl、其它矿物成分Oth.3.4样品接收信号频谱特征图2为几个代表样品的接收谱.下面是四类测试样品声波信号的波谱特征:第一类以NM5'-1为代表(图2a).从图中可看出信号主频在25k H z以下,说明此类岩芯样品对声源信号的较高频率组分没有响应.从谱图中可看4 283期刘 彤,等:岩石声波差异衰减特征及工程应用前景探讨(a)岩芯nm 5'-1接收谱R eceiv i ng spectrum of sa m ple n m 5'-1(b)岩芯m 1'-3接收谱Receiving spectru m of sa mp le m 1'-3(c)岩芯T2'-14接收谱Receiving spectru m of sa mp le T2'-14(d)岩芯T10-5接收谱R eceiving spectru m of sa mp le T10-5图2 样品接收谱F ig .2 Rece iving spectr umof sam p les出由于岩石介质强烈的滤波作用,接收信号中只剩下不易滤除的低频信号成分,高频信号全部消失.第二类以M 1'-3为代表(图2b).从图中可见高于25k H z 频率分量已占较多成分,同时可见主频信号也有微弱成分,说明样品对声源信号中较低频率的良好响应.比较第一类、第二类两种样品的接收谱,可看出第二类样品的滤波作用比第一类弱.第三类代表样品为T2'-14(图2c).信号频率组分主要集中在300k H z 以下,比第二类样品丰富.对激发信号主频(220k H z)响应较好,并且对激发信号中400k H z 附近频率组分也有微弱响应.表明声信号穿透介质后仍保持有声源主频信号成分,显示了本类岩石材料与前两类样品的滤波差异.第四类以样品T10-5说明,如图2d 所示.全谱形状与探头激发谱极为相似,声源主频段信号占主要成分,主频率在230～250k H z ,对高频信号(450k Hz)也有响应,说明样品对声源信号的高频分量成分响应良好.由上述分析可得,从第一类到第四类,接收谱的变化趋势为高频信号逐渐增多;一、二两类样品谱特征为缺失高频信号,第三、四类样品含较多高频分量,其中第四类样品的谱与激发谱已很相似;这说明了从第一类到第四类,各类样品的滤波作用逐渐由强变弱.随着岩样强度、完整性的提高,接收谱中高频含量逐渐增高,接收谱特征与表1中各类样品的风化破碎特征的对应关系是很明显的.3.5 声谱特征值拟合结果图3为对声谱特征值与岩石强度关系进行的统计分析结果,采用幂函数R =a D b和指数函数R =ae b D 方式拟合(D 为声谱特征值),统计效果较好.拟合结果如下:528地 球 物 理 学 进 展20卷(虚线)拟合结果:R =0.0331903f c 1.40609N =40相关系数=0.831,方差=0.271186(实线)拟合结果:R = 5.6174e0.0115765fcN =40相关系数=0.871,方差=0.21209.图3 接收谱形心频率(f c )-样品饱和单轴抗压强度R 关系(+号为实测结果)F ig .3 R ela tion between streng th and C en tra l frequency of rece iv ing spectrumof sam p les从前述分析可以看出各类样品声谱特征强度有良好的对应关系.说明实测的四类岩石样品声波信号特征与岩石风化、破碎状况具有良好的对照关系.当风化、破碎程度愈严重时,密度、强度均降低,次生矿物含量增加,与其对应,接收信号中的高频成分就愈少,波速也低.反之,则声信号中频率成分就愈丰富并含有较多高频分量.4 声波信号在岩体中的衰减研究声信号在岩体中传播时具有更明显的衰减特征.许涅特尔(S c hn ider)就发现破碎岩石中高频率信号有减弱现象,这一现象也由金(K ing)等人通过试验证实,如图4(a)为他们的实测结果.从图中可见随着岩体破碎程度的提高,声信号逐渐变得平缓,即主频变低.当声源类型为一定时,在标准距离处接收到的频率将与E d /E 0的比值有关.最后,根据现场动力测试,建立了现场静变形模量E 0与剪切波频率的直接关系:E 0=0.054f -9.2.图4(b)为李长文[9]等测定的不同砂岩模型对井孔声波频谱特征的影响,图中显示致密砂岩的高频信号成分明显多于疏松砂岩.从以上两个现象可以看出,对研究岩体的力学特征从声波信号波谱分析入手是可行的.5 结 论由以上分析可以看出,各类别样品及岩体的声(a)(b)图4 信号主频随岩体结构及性质变化特征F ig.4 C en tra l frequency of s igna l va ry w iththe prosperit ies of rock m a ss谱特征的差异主要决定于样品的风化和破碎程度,样品的风化、破碎导致了各样品对声波的吸收差异.这是由于风化作用使原有矿物分解成各种次生的亲水矿物,矿物颗粒之间的连接状态由原来的结晶连结转化为水胶连结;构造作用也使岩石中裂隙增加.这两种作用使岩石材料内部连结弱化,岩石材料弹性降低,粘性增大,从而对声波的吸收增强,在风化破碎的岩石介质中,波的穿透能力大为减弱,在接收信号中的表现就是声波的高频成分迅速衰减.风化、破碎程度不同,接收信号就有差异,即风化、破碎愈严重,接收信号中高频成分含量就愈少;反之,则声波信号中频率成分就愈丰富且含有高频分量.声波勘探在工程上的应用和分析方法,早先仅局限于时间域,然而频率在许多方面是比时间更为6283期刘彤,等:岩石声波差异衰减特征及工程应用前景探讨重要、更为有用的独立变量.事实上,许多地球物理现象在理论上都能表现出对频率的依赖关系,采用频率的表示形式,更清楚,更有意义.这种表示形式更直接地与所研究的现象联系起来.谱分析方法的另一个优点在于分析中用到整个信号的形态、相位.在时间域的声波测量是点测量,如初动到时、位移方向、或者波群最大振幅.无疑,整个波群的谱分析与时间点测量相比,得到的信息要多得多.几十年来,声波波速测定法已被认为是研究岩石力学性质的一种行之有效的方法.但是这只利用了声波的运动学信息,而对动力学信息(如振幅、相位、频率、吸收、衰减)应用得很少.后者比声速更能反映介质(岩石)的性质.只有开展动力学信息的利用,才能扩大声波勘探在工程地质工作中的应用范围,解决更多的工程地质任务.综上所述,随着计算机的广泛应用,测试技术、仪器系统的逐渐成熟和声波频谱分析技术的发展,声测技术充分应用到工程领域,应该是一个相对简单、快捷的途径.参考文献(R 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