淺析裂縫中填充物的量對(duì)橫波衰減的影響

(長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院 湖北 武漢 430000)

引言

隨著油氣資源開發(fā)的升入，針對(duì)致密砂巖裂縫儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)問題，采用物理實(shí)驗(yàn)手段研究了裂縫填充物量的多少對(duì)橫波衰減的影響規(guī)律，為以后評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育情況提供參考。因此，設(shè)計(jì)了“裂縫填充物量的多少對(duì)橫波衰減的影響”綜合實(shí)驗(yàn)，測量填充物量對(duì)橫波衰減的影響。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施

(一)實(shí)驗(yàn)原理

巖石速度是地下巖石的重要彈性參數(shù)之一，對(duì)于利用聲波測井原理對(duì)地下構(gòu)造、巖性以及油氣藏進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)作用。測量巖石速度的方法有很多種，目前巖石物理中常用的是超聲波法。本文特提出聲幅衰減系數(shù)的概念，首先對(duì)采集波形計(jì)算幅度，除了通常采用的首波幅度最大值法，還可以采用均方根法計(jì)算波形幅度，其結(jié)果更為穩(wěn)定且更能代表波形能量大小。

將巖芯樣品放于兩個(gè)超聲波換能器之間，其中一個(gè)超聲波換能器是用來發(fā)射超聲波(本文特指橫波)，超聲波透過巖芯樣品后，被另一個(gè)超聲波換能器接收，通過高精度信號(hào)采集儀記錄超聲波波形。通過采集超聲波數(shù)據(jù)繪制成圖，就可確定橫波透過巖樣波形幅度，再用游標(biāo)卡尺測量加壓后巖石樣品的長度，就可以計(jì)算得到橫波在巖樣中傳播的衰減系數(shù):

(1)

式中:α：為橫波衰減系數(shù);l：為加壓0.8MPa后對(duì)接巖芯總長度;E0：為裂縫寬度為零時(shí)測量的橫波波形選擇的窗長內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的平方和;Ei：為裂縫寬度不為零時(shí)測量的橫波波形選擇的窗長內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的平方和。

(二)實(shí)驗(yàn)儀器與材料

儀器:國產(chǎn)揚(yáng)州超聲儀器廠橫波發(fā)射探頭和接收探頭。為了采集數(shù)據(jù)的需要，配套使用超聲波脈沖發(fā)生接收儀、高精度信號(hào)采集儀、數(shù)字示波器、軸向夾持壓力定量可調(diào)的巖芯樣品夾持器和電子游標(biāo)卡尺。

材料:黃油、PET薄膜、鋁箔。

(三)實(shí)驗(yàn)步驟

1.巖樣制取。實(shí)驗(yàn)測試使用一種規(guī)格的巖樣:25 mm×50 mm 的圓柱體巖樣。利用巖石鉆樣機(jī)鉆取標(biāo)準(zhǔn)直徑的巖樣，再用巖石切磨兩用機(jī)切取合適的長度，用雙端面磨石機(jī)將巖樣端面磨平。最后利用線切割將巖樣從中間切斷，加工成相等的兩部分。

飽和巖樣實(shí)驗(yàn)方案：巖芯樣品加工完成后，需要在干燥箱中干燥5小時(shí)。等待冷卻至室溫時(shí)，抽真空4小時(shí)后。放入加壓飽和設(shè)備中32小時(shí)，使巖芯樣品的孔隙被水填滿飽和。最后將巖芯樣品放入燒杯中并倒入水使其完全浸泡，待后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。

2.PET薄膜制備。實(shí)驗(yàn)測試使用PET薄膜(薄膜聲學(xué)性質(zhì)和水接近，用于模擬裂縫)來進(jìn)行等效實(shí)驗(yàn)。采集兩段巖芯直接對(duì)接面之間填充不同孔徑PET薄膜時(shí)的橫波波形。因此，需要制備與巖芯對(duì)接面外部輪廓大小一致，孔徑為6、10、14、和18um 等4種PET薄膜。將加工后的兩段巖芯直接對(duì)接(對(duì)外部輪廓大小一致沒有打孔的PET薄膜，認(rèn)為此時(shí)孔徑為0um，即裂縫中填充空氣的量為零)時(shí)的橫波波形幅度作為參考幅度。

3.儀器校正。在超聲波速度實(shí)驗(yàn)測試時(shí),由于超聲波頻率非常高，其波長往往只有幾個(gè)mm，因此實(shí)驗(yàn)測試過程中一定要注意對(duì)測量儀器的誤差進(jìn)行校正以保證測試結(jié)果的精度要求。一般利用波速已知的標(biāo)準(zhǔn)巖樣來對(duì)測量儀器進(jìn)行校正，使用的標(biāo)準(zhǔn)巖樣包括有機(jī)玻璃、鋁和鋼3種，每種標(biāo)準(zhǔn)巖樣都有不同的長度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)巖樣分別測得不同長度下超聲波的傳播時(shí)間，以標(biāo)準(zhǔn)巖樣的長度為縱坐標(biāo)，超聲波傳播時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，得到的直線斜率的倒數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)巖樣的超聲波速度,而直線與時(shí)間軸的交點(diǎn)即為測試儀器的對(duì)零時(shí)間。測試儀器的對(duì)零時(shí)間通常由有機(jī)玻璃、鋼和鋁 3 種標(biāo)準(zhǔn)巖樣的對(duì)零時(shí)間取算術(shù)平均值。

4.巖樣安裝。在實(shí)驗(yàn)測試過程中需要在巖樣和超聲波換能器的接觸面墊上鋁箔并涂沫黃油做耦合劑并在巖樣兩端施加0.8MPa的壓力等方法以保證巖樣和超聲波換能器的耦合良好，才能使數(shù)字示波器接收到良好的橫波波形，并記錄超聲波波形。在測試過程中，要注意保持實(shí)驗(yàn)條件的一致性，也就是要保持超聲波激發(fā)能量和接收增益的一致性。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

依次測量不同填充物量下的飽和巖樣的橫波波形圖并作圖顯示。圖1為飽和巖樣橫波幅度隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可以看到:隨著時(shí)間增加，飽和巖樣的橫波幅度均逐漸減小; 選定的窗長段內(nèi)，隨著孔徑的增加橫波幅度卻減小。由此分析可得:當(dāng)填充物的量增多時(shí)，裂縫中空氣的量較多，導(dǎo)致橫波能量的損耗，所以波形幅度減小橫波衰減系數(shù)增大; 圖2為飽和巖樣薄膜孔徑和橫波衰減系數(shù)的變化規(guī)律以及擬合關(guān)系式。從圖中可以看到:隨孔徑增加，橫波衰減系數(shù)逐漸增加;

三、結(jié)語

通過綜合實(shí)驗(yàn)測量可以得到:① 巖芯橫波幅度隨著填充物的量增加而逐漸減小; ② 巖芯的橫波衰減系數(shù)隨著填充物的量增加而逐漸增大; ③ 裂縫中填充物的量與衰減系數(shù)大致成線性關(guān)系。

本次實(shí)驗(yàn)未考慮圍壓、溫度等外在影響因素。而圍壓和溫度的變化均可能對(duì)巖石孔隙度、巖石礦物成分和流體飽和度等產(chǎn)生影響，因此，有必要對(duì)橫波速度與溫度、圍壓和填充物量的關(guān)系開展進(jìn)一步研究。