地震巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張佳佳, 印興耀, 張廣智, 王保麗, 梁　鍇

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島　266580)

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地震巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張佳佳, 印興耀, 張廣智, 王保麗, 梁鍇

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島266580)

為了加深學(xué)生對地震巖石物理理論知識的理解以及鍛煉學(xué)生的實(shí)際動手能力,結(jié)合勘查技術(shù)與工程專業(yè)專業(yè)特色和教學(xué)特點(diǎn),從研究性教學(xué)的理念出發(fā),設(shè)計(jì)了地震巖石物理綜合實(shí)驗(yàn),并詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路、內(nèi)容和方法。實(shí)踐結(jié)果表明,地震巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新思維、提高工程實(shí)踐能力,符合勘查技術(shù)與工程專業(yè)“卓越計(jì)劃”工程教育培養(yǎng)模式的要求。

勘查技術(shù)與工程； 地震巖石物理； 綜合實(shí)驗(yàn)； 物性參數(shù)； 彈性參數(shù)

勘查技術(shù)與工程專業(yè)屬于應(yīng)用型工科專業(yè),主要培養(yǎng)國土資源勘探與評價(jià)、建設(shè)工程勘察、環(huán)境勘查與評價(jià)的應(yīng)用型高級技術(shù)人才[1-3]。目前全國共有32所高校設(shè)置了勘查技術(shù)與工程專業(yè),且培養(yǎng)各具特色[4]。中國石油大學(xué)(華東)勘查技術(shù)與工程專業(yè)主要面向石油勘探開發(fā)領(lǐng)域,是國家第一批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè),屬于國家特色專業(yè)和山東省品牌專業(yè),并列入國家重點(diǎn)(培育)學(xué)科建設(shè)行列[5-6]。

地震勘探原理是勘查技術(shù)與工程專業(yè)的核心課程之一,課程涉及地震勘探的采集、處理和解釋各個(gè)方面。其中地震巖石物理是該課程的基礎(chǔ)理論部分,主要介紹地下巖石的巖石物理性質(zhì)以及這些物理性質(zhì)與地震響應(yīng)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)過程中理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié),旨在提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì),培養(yǎng)動手操作能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力[7-12]。本文根據(jù)中國石油大學(xué)(華東)勘查技術(shù)與工程專業(yè)的本科培養(yǎng)目標(biāo),設(shè)計(jì)了地震巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是對課本理論知識的直觀體現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,不僅能夠幫助學(xué)生深入理解理論知識、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識、鍛煉學(xué)生實(shí)際操作能力,還能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程奠定了良好的基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)方法原理

地震勘探是以研究地震波在地下巖石中的傳播規(guī)律為理論基礎(chǔ)的,地下巖石的彈性性質(zhì)不相同,地震波在其中的傳播規(guī)律就不一樣。地震勘探就是利用這種傳播規(guī)律的差異來研究地下巖石的地質(zhì)構(gòu)造和巖性規(guī)律。理論研究和實(shí)際資料表明,地震波在巖石中的傳播速度與巖石的性質(zhì)密切相關(guān)。地震巖石物理實(shí)驗(yàn)主要是模擬地下巖石在高溫、高壓環(huán)境下與地震波傳播有關(guān)的巖石物理性質(zhì)(如巖石的密度、孔隙度、飽和度、滲透率和孔隙流體類型等)，以及這些物理性質(zhì)與巖石地震彈性特征(包括巖石的縱波速度和橫波速度等)之間的關(guān)系。因此,地震巖石物理實(shí)驗(yàn)可分為物性參數(shù)測量和彈性參數(shù)測量兩種實(shí)驗(yàn),前者主要用來測量巖石的物理性質(zhì)(如密度、孔隙度和滲透率等)，后者主要用來測量巖石的彈性性質(zhì)(如縱波速度和橫波速度),然后再研究兩者之間的關(guān)系。

2　實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)地震巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)包括巖石樣品制取、物性參數(shù)測量和彈性參數(shù)測量3部分。

2.1巖石樣品制取

(1) 巖樣鉆取:地震巖石物理實(shí)驗(yàn)對象是地下巖石,因此需要對地下巖石進(jìn)行鉆取,得到25mm× 50mm的巖樣。

(2) 巖樣洗油、洗鹽:對于含油的巖樣,在測量物性參數(shù)和彈性參數(shù)之前必須進(jìn)行除油處理；對于含有高礦化度地層水的巖樣,還需要進(jìn)行除鹽處理。

(3) 巖樣烘干、飽和:將巖石分成兩組,一組進(jìn)行恒溫烘干處理,得到干燥巖石,另一組進(jìn)行真空高壓飽和,得到流體飽和巖石。

2.2物性參數(shù)測量

(1) 密度測量:使用電子天平測量巖樣的質(zhì)量,利用浮力法測量巖樣的體積,再用質(zhì)量除以體積就可得到巖樣的密度。

(2) 孔隙度測量:利用KXD-Ⅱ型孔隙度測定儀氣測法測量巖樣的孔隙度,測量原理是在恒溫下巖心室體積固定,放入巖心室?guī)r樣的孔隙度越大,則巖心室中氣體所占體積越大,與標(biāo)準(zhǔn)室連通后,平衡壓力越低；反之,當(dāng)放入巖心室內(nèi)的巖樣孔隙度越小,所需的平衡壓力越高。

(3) 滲透率測量:利用HXK-5型多直徑高壓滲透率測定儀氣測法測量巖樣的滲透率,測量原理是氣體以一定流速通過巖樣,在巖樣兩端會有一定的壓力差,利用氣體流量計(jì)測出氣體通過巖樣的流量,再利用達(dá)西公式計(jì)算巖樣的滲透率。

2.3彈性參數(shù)測量

使用TAW-1000型微機(jī)伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī),模擬地下高溫、高壓環(huán)境,將巖樣放入壓力釜中,對壓力釜加載軸壓和圍壓,并對壓力釜外的加熱圈進(jìn)行加熱。將巖樣放于智能超聲P?S波綜合測試儀2個(gè)超聲波探頭之間,其中一個(gè)探頭是用來發(fā)射超聲波,超聲波透過巖樣后,被另一探頭接收,通過電腦監(jiān)測繪制接收到的超聲波波形,就可確定超聲波透過巖樣所需的時(shí)間,再根據(jù)巖樣的長度就可以計(jì)算得到超聲波在巖樣傳播的速度。綜合實(shí)驗(yàn)具體流程圖如圖1所示。

圖1　綜合實(shí)驗(yàn)流程圖

3　實(shí)驗(yàn)實(shí)施及結(jié)果分析

圖2為經(jīng)過鉆取和洗油、洗鹽后的巖石樣品。圖3為巖石樣品加載圖。圖4為TAW-1000型微機(jī)伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的壓力控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)對壓力釜的軸壓、圍壓和溫度控制的顯示界面,利用該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀測到軸壓(軸負(fù)荷)、軸位移、圍壓、圍位移、孔壓、孔壓位置和溫度等各種參數(shù)。圖5為智能超聲P?S波綜合測試儀激發(fā)并接收得到清晰的縱波和橫波波形。利用該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確讀出縱波和橫波的起跳位置,即為縱波和橫波的首波波至?xí)r間,再根據(jù)巖石樣品的長度就可以得到巖石樣品的縱波速度和橫波速度。圖6為某個(gè)巖石樣品的彈性參數(shù)測量結(jié)果(圖中p為壓力，v為波速),可以看到縱波速度和橫波速度隨著壓力的增大都逐漸增加,這是因?yàn)殡S著壓力增大,巖石的孔隙特別是裂縫等微孔隙逐漸閉合,從而導(dǎo)致巖石速度增加,這與地震巖石物理理論以及實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果是吻合的。

4　實(shí)驗(yàn)拓展

要求學(xué)生在完成該綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后,聯(lián)系理論知識,進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,主要包括:

(1) 實(shí)驗(yàn)方法總結(jié)。要求學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容之后,要及時(shí)總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題以及解決的方法,例如在巖樣的縱波速度和橫波速度的讀取過程中起跳點(diǎn)位置的選取問題,能否編程實(shí)現(xiàn)求取多組波形數(shù)據(jù)的相關(guān)值,再利用最大相關(guān)值來確定起跳點(diǎn)的位置。

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。要求學(xué)生測量多組不同物性和不同巖性的巖石樣品的彈性參數(shù),分析這些不同巖石樣品的彈性參數(shù)差異的原因,具體分析是由哪種因素導(dǎo)致的,是巖性不同,還是孔隙大小或者孔隙結(jié)構(gòu)不一樣等引起。

(3) 理論知識聯(lián)系。要求學(xué)生在完成地震巖石物理綜合實(shí)驗(yàn)之后,結(jié)合地震勘探原理課程中的理論知識,總結(jié)巖石的物性特征與彈性參數(shù)以及地震響應(yīng)之間的規(guī)律,深刻理解地下巖石物理性質(zhì)與地震波傳播之間的關(guān)系。

圖2　巖石樣品制取

圖3　巖石樣品加載圖

圖4 溫度和壓力控制顯示界面圖5 測得的超聲波信號

圖6　巖石樣品彈性參數(shù)測量結(jié)果

5　結(jié)語

為了能夠讓學(xué)生深入分析地下巖石的物性參數(shù)與地震波傳播規(guī)律之間的聯(lián)系,利用地震巖石物理設(shè)備模擬地下高溫、高壓環(huán)境,讓學(xué)生動手操作測量巖石的物性特征和彈性特征,有助于學(xué)生更直觀地認(rèn)識地下實(shí)際巖石,形象地了解地震波傳播規(guī)律。實(shí)踐結(jié)果表明,該綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣由顚W(xué)生對理論知識的理解、激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)興趣；并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的方法,培養(yǎng)了學(xué)生動手能力,提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)。在該綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和支撐下,勘查技術(shù)與工程專業(yè)的多

名學(xué)生成功申請到了多項(xiàng)國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。

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Designofseismicrockphysicscomprehensiveexperiment

ZhangJiajia,YinXingyao,ZhangGuangzhi,WangBaoli,LiangKai

(ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),SchoolofGeosciences,Qingdao266580,China)

Inordertostrengthenstudents’understandingofseismicrockphysicsknowledgeandtraintheirpracticalability,basedontypicalcharacteristicsandteachingfeaturesofexplorationtechnologyandengineeringspecialty,thispaperproposesanappliedcomprehensiveexperimentofseismicrockphysicsfromtheideaofresearchteaching,andillustratesitsobjectives,modeandideas.Practicehasprovedthattheappliedcomprehensiveexperimentofseismicrockphysicscangreatlyinspirestudents’interestinactivelearning,cultivatestudents’innovativethinking,andenhancetheirengineeringpracticeability,meetingtherequirementoftheexcellentengineerseducatingandtrainingprogrammodeforExplorationTechnologyandEngineeringspecialty.

explorationtechnologyandengineering；seismicrockphysics；comprehensiveexperiment；physicalparameter；elasticparameter

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.017

2016-01-26修改日期：2016-03-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41404088);中國石油大學(xué)(華東)青年教師教學(xué)改革項(xiàng)目(QN201403);中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(JY-A201220)

張佳佳(1986—)，男，湖北隨州，博士，講師，從事地震巖石物理的教學(xué)與研究工作.

E-mail：zhangjj@upc.edu.cn

P313.1；G642.0

A

1002-4956(2016)7-0067-04