张岩

摘要：影响砂岩中纵横波速度的因素有很多，为了定性研究饱和度与砂岩纵横波速度的关系，实验室利用石英砂粉与环氧树脂、固化剂在不同的配比下混合均匀，放入固化槽中制作出人工砂岩模型。使用超声波测试系统测量人工砂岩样品的纵横波波速，发现了它们随饱和度变化的不同规律，对实验结果进行了理论分析和计算，绘出了速度随饱和变化的拟合曲线，为了能更准确的描述地层结构和地层性质以适应越来越复杂的油气储藏勘探的需要，研究不同饱和人工砂岩的纵横波速度变化的规律具有很强的实际意义。

关键词：人工砂岩；含水饱和度；纵波波速；横波波速

前言

地震波在沉积岩中传播速度与岩石的孔隙度和含水性有密切的关系，近些年进行了许多的研究。因为岩石孔隙中含油或水或气时，岩石的波速（及密度）会发生变化，因而引起波阻抗的变化，最后导致在该界面的反射波振幅的变化。现在的亮点技术就是利用地震波振幅的变化与反射界面波阻抗直接联系起来进行找油找气的方法[1]。在大多数沉积岩中，在岩石中传播的波的实际波速是由岩石介质、孔隙度、饱和度等很多因素来决定的。

在此背景中，我们在实验室利用多孔材料制作不同饱和度的人工砂岩模型，并利用组合式超声波测试系统测定砂岩模型的纵横波速度，应用Biot流理论和喷射流理论对声波速度进行分析，并将理论分析结果和实验测量结果分析比较，综合得出不同饱和人工砂岩纵横波速度变化的分析。

1 人工砂岩的制作

1.1 人工砂岩的制作方法

我们选定的在实验室制作砂岩样品的原料有石英砂，环氧树脂和固化剂3种，用环氧树脂作为胶结物。模型采用沙子和环氧树脂的混合物质（环氧树脂与沙子的比例为1：10）并加入了少量的固化剂作为基质。其中石英砂我们又选择了80目、100目和120目3种以增加变化。砂岩分别在压力机的压强为2MP、2.6MP和3.2MP下固结。我们用不同比例的3种原料进行混合拌匀，再放入固定的模具中，用压力机加压一定时间，放置一段时间使其凝固成块，然后取出放入烘烤箱。为了把砂岩样品的孔隙度控制在30%以内，我们参照前科学家的制作方法，前三组以石英砂，环氧树脂和固化剂的含量比例为6：1：0.2进行制作。

第一组 压力机压强为2MP，用不同种类（80目、100目和120目）的石英砂分别制作一个砂岩样品。分别编号为1，2，3号。

第二组 压力机压强为2.6MP，不同种类（80目、100目和120目）的石英砂分别制作一个砂岩样品。分别编号为4，5，6，7号。

第三组 压力机压强为4MP，80目的石英砂分别制作一个砂岩样品。分别编号为8，9，10号。

第四组 压力机压强为3.2MP，用120目的石英砂，三个砂岩样品的石英砂，环氧树脂和固化剂的含量比例分别为7：1：0.2，8：1：0.2，9：1：0.2。分别编号为11，12号。

含可控裂隙人工砂岩物理模型的制作：我们要做的模型就是用一个立方体来模拟石油的储集层。然后在其中引入裂隙，通过Hudson理论可以计算其裂缝密度。

1.2人工砂岩物理性质的测定

在实验室中，我们使用的是液体饱和法。将已洗干净、烘干的岩羊在空气中称质量记为w1，然后将岩样抽成真空然后饱和水，在空气中称出饱和水后岩样的的质量记为w2。两次质量差即为进入岩心空隙的水质量。水的密度我们取做1g/cm3，则岩石的孔隙体积为Vp为

Vp=（w2-w1）/p0 （3.4）

该方法装置简单，操作方便，注意使用时最好要用地层水，以防岩心遇水膨胀。用电子刻度尺测其各边长度，计算其体积。

2 超声波脉冲透射法

2.1 人工砂岩模型纵横波速度的获取

实验室内一般使用组合形式的声波测试系统。由脉冲发生器、超声换能器、数字示波器、控制主机等几部分组成。

脉冲信号发生器：是供给震源换能器的一个激励电信号，实验表明，当电脉冲信号的幅度大于100V，脉宽在0.1-5us范围内可变时，基本上已能适应地震物理模型中各种测试目的。更高的要求是，电脉冲的宽度和幅度能分段可调。因为在许多实验过程中，一个实验会改变不同的频率，用分段方法可使每次变动是已知的，从而减少测试的误差[9]。

数字示波器：用来记录来自接收探头的信号。

控制主机：PC机一台，运行示波器图形采集系统，采用操作系统为Windows XP版，示波器和信号源是挂在IEEE-488总线上，在微机上利用接口卡来对示波器和信号源进行通信。

换能器：用于实现电声能量的互相转换装置，处在发射状态时换能器把电能转换为机械振动能，从而发出向外辐射的超声波，换能器处于接收状态时与发射状态相反。

换能器激发的子波的波形影响到测量的结果。为了更好的分析波的衰减，换能器激发的子波尽量窄，带宽要尽量宽，主频与带宽比要小。具有脉冲形的波形。

我们使用的换能器的子波很窄，只有一个周期的波形。干扰波很小，带宽达到了680Khz，主频与带宽比为0.61，这说明使用的换能器的性质良好，符合实验的条件，可以进行实验。

2.2测试过程及结果处理

为研究每个样品不同饱和度与纵横波速度的变化规律，将测量所获的数据通过分析可以看出：

（1）使用高频换能器所测的纵波波速、横波波速比使用低频换能器所测的纵波波速、横波波速要高。

（2）纵波的波速随着含水饱和度的升高而增大。

（3）横波的波速与含水饱和度的高低基本没有关系，保持不变。

通过对比分析，我们可以更清晰的得到：

（1）使用高频换能器所测的纵波波速、横波波速比使用低频换能器所测的纵波波速、横波波速要高。

（2）纵波的波速随着含水饱和度的升高而增大，横波的波速与含水饱和度基本没有关系，保持不变。

（3）由（2）可知，随着含水饱和度的变化，纵横波速度比会升高，进而可得知泊松比会升高，与理论值吻合。

（4）我们发现流体存在时，频散现象更大，说明流体的存在会使频散现象更大，定量的研究则需要更进一步的研究。

分析产生此状况的原因：

（1）随着砂岩含水饱和度的升高，纵波速度急剧上升，而横波速度则比较稳定，这是因为介质的孔隙度较大，水的渗入加大了介质的压缩模量，所以纵波的速度会升高，而横波是剪切波，水没有剪切模量，故没有影响。

（2）無论是人工砂岩，还是天然砂岩，我们用不同频率的超声波进行透射时，都会发生频散现象。即触发的超声波的频率越高，速度越高，反之亦然。

3结论

1）随着砂岩含水饱和度的升高，纵波速度急剧上升，而横波速度则比较稳定，这是因为介质的孔隙度较大，水的冲入加大了纵波的压缩模量，而横波是剪切波，故没有影响。在含水饱和度最大时纵波速度达到最大。

2）无论是人工砂岩，我们用不同频率的超声波进行透射时，都会发生频散现象。即触发的超声波的频率越高，速度越高，反之亦然。

3）所用石英沙粉和环氧树脂的比例不同，也会造成砂岩样本的结构不同。所用石英砂粉和环氧树脂的比例越大，它们混合后越稀松。所得岩石样本密度减少，孔隙度增大。而岩石样本的速度会减小。

4）人工砂岩对研究不同饱和砂岩纵横波波速变化情况具有很好的适用效果，实验结论清晰，效果显著。

参考文献

[1]陆基孟.地震勘探原理及资料解释.北京：石油工业出版社，1991

[2]辛治国.疏松砂岩油藏注水开发声波速度的影响因素.中国石油大学学报（自然科学版），2008，32（4）：11-15