地震岩石物理综合实验设计

张佳佳, 印兴耀, 张广智, 王保丽, 梁　锴

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛　266580)



地震岩石物理综合实验设计

张佳佳, 印兴耀, 张广智, 王保丽, 梁锴

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛266580)

为了加深学生对地震岩石物理理论知识的理解以及锻炼学生的实际动手能力,结合勘查技术与工程专业专业特色和教学特点,从研究性教学的理念出发,设计了地震岩石物理综合实验,并详细阐述了实验设计的思路、内容和方法。实践结果表明,地震岩石物理综合实验可以激发学生主动学习兴趣、培养实践创新思维、提高工程实践能力,符合勘查技术与工程专业“卓越计划”工程教育培养模式的要求。

勘查技术与工程； 地震岩石物理； 综合实验； 物性参数； 弹性参数

勘查技术与工程专业属于应用型工科专业,主要培养国土资源勘探与评价、建设工程勘察、环境勘查与评价的应用型高级技术人才[1-3]。目前全国共有32所高校设置了勘查技术与工程专业,且培养各具特色[4]。中国石油大学(华东)勘查技术与工程专业主要面向石油勘探开发领域,是国家第一批“卓越工程师教育培养计划”试点专业,属于国家特色专业和山东省品牌专业,并列入国家重点(培育)学科建设行列[5-6]。

地震勘探原理是勘查技术与工程专业的核心课程之一,课程涉及地震勘探的采集、处理和解释各个方面。其中地震岩石物理是该课程的基础理论部分,主要介绍地下岩石的岩石物理性质以及这些物理性质与地震响应之间的关系。实验教学是教学过程中理论联系实际的重要环节,旨在提高学生专业素质,培养动手操作能力和实践创新能力[7-12]。本文根据中国石油大学(华东)勘查技术与工程专业的本科培养目标,设计了地震岩石物理综合实验。该实验是对课本理论知识的直观体现和实验验证,不仅能够帮助学生深入理解理论知识、培养学生实践创新意识、锻炼学生实际操作能力,还能够为学生学习其他专业课程奠定了良好的基础。

1　实验方法原理

地震勘探是以研究地震波在地下岩石中的传播规律为理论基础的,地下岩石的弹性性质不相同,地震波在其中的传播规律就不一样。地震勘探就是利用这种传播规律的差异来研究地下岩石的地质构造和岩性规律。理论研究和实际资料表明,地震波在岩石中的传播速度与岩石的性质密切相关。地震岩石物理实验主要是模拟地下岩石在高温、高压环境下与地震波传播有关的岩石物理性质(如岩石的密度、孔隙度、饱和度、渗透率和孔隙流体类型等)，以及这些物理性质与岩石地震弹性特征(包括岩石的纵波速度和横波速度等)之间的关系。因此,地震岩石物理实验可分为物性参数测量和弹性参数测量两种实验,前者主要用来测量岩石的物理性质(如密度、孔隙度和渗透率等)，后者主要用来测量岩石的弹性性质(如纵波速度和横波速度),然后再研究两者之间的关系。

2　实验环节设计

设计地震岩石物理综合实验包括岩石样品制取、物性参数测量和弹性参数测量3部分。

2.1岩石样品制取

(1) 岩样钻取:地震岩石物理实验对象是地下岩石,因此需要对地下岩石进行钻取,得到25mm× 50mm的岩样。

(2) 岩样洗油、洗盐:对于含油的岩样,在测量物性参数和弹性参数之前必须进行除油处理；对于含有高矿化度地层水的岩样,还需要进行除盐处理。

(3) 岩样烘干、饱和:将岩石分成两组,一组进行恒温烘干处理,得到干燥岩石,另一组进行真空高压饱和,得到流体饱和岩石。

2.2物性参数测量

(1) 密度测量:使用电子天平测量岩样的质量,利用浮力法测量岩样的体积,再用质量除以体积就可得到岩样的密度。

(2) 孔隙度测量:利用KXD-Ⅱ型孔隙度测定仪气测法测量岩样的孔隙度,测量原理是在恒温下岩心室体积固定,放入岩心室岩样的孔隙度越大,则岩心室中气体所占体积越大,与标准室连通后,平衡压力越低；反之,当放入岩心室内的岩样孔隙度越小,所需的平衡压力越高。

(3) 渗透率测量:利用HXK-5型多直径高压渗透率测定仪气测法测量岩样的渗透率,测量原理是气体以一定流速通过岩样,在岩样两端会有一定的压力差,利用气体流量计测出气体通过岩样的流量,再利用达西公式计算岩样的渗透率。

2.3弹性参数测量

使用TAW-1000型微机伺服岩石三轴试验机,模拟地下高温、高压环境,将岩样放入压力釜中,对压力釜加载轴压和围压,并对压力釜外的加热圈进行加热。将岩样放于智能超声P•S波综合测试仪2个超声波探头之间,其中一个探头是用来发射超声波,超声波透过岩样后,被另一探头接收,通过电脑监测绘制接收到的超声波波形,就可确定超声波透过岩样所需的时间,再根据岩样的长度就可以计算得到超声波在岩样传播的速度。综合实验具体流程图如图1所示。

图1　综合实验流程图

3　实验实施及结果分析

图2为经过钻取和洗油、洗盐后的岩石样品。图3为岩石样品加载图。图4为TAW-1000型微机伺服岩石三轴试验机的压力控制系统和温度控制系统对压力釜的轴压、围压和温度控制的显示界面,利用该系统可以实时观测到轴压(轴负荷)、轴位移、围压、围位移、孔压、孔压位置和温度等各种参数。图5为智能超声P•S波综合测试仪激发并接收得到清晰的纵波和横波波形。利用该系统可以准确读出纵波和横波的起跳位置,即为纵波和横波的首波波至时间,再根据岩石样品的长度就可以得到岩石样品的纵波速度和横波速度。图6为某个岩石样品的弹性参数测量结果(图中p为压力，v为波速),可以看到纵波速度和横波速度随着压力的增大都逐渐增加,这是因为随着压力增大,岩石的孔隙特别是裂缝等微孔隙逐渐闭合,从而导致岩石速度增加,这与地震岩石物理理论以及实际数据结果是吻合的。

4　实验拓展

要求学生在完成该综合实验内容后,联系理论知识,进一步拓展实验内容,主要包括:

(1) 实验方法总结。要求学生在完成实验基本内容之后,要及时总结实验过程中遇到的问题以及解决的方法,例如在岩样的纵波速度和横波速度的读取过程中起跳点位置的选取问题,能否编程实现求取多组波形数据的相关值,再利用最大相关值来确定起跳点的位置。

(2) 实验结果分析。要求学生测量多组不同物性和不同岩性的岩石样品的弹性参数,分析这些不同岩石样品的弹性参数差异的原因,具体分析是由哪种因素导致的,是岩性不同,还是孔隙大小或者孔隙结构不一样等引起。

(3) 理论知识联系。要求学生在完成地震岩石物理综合实验之后,结合地震勘探原理课程中的理论知识,总结岩石的物性特征与弹性参数以及地震响应之间的规律,深刻理解地下岩石物理性质与地震波传播之间的关系。

图2　岩石样品制取

图3　岩石样品加载图

图4 温度和压力控制显示界面图5 测得的超声波信号

图6　岩石样品弹性参数测量结果

5　结语

为了能够让学生深入分析地下岩石的物性参数与地震波传播规律之间的联系,利用地震岩石物理设备模拟地下高温、高压环境,让学生动手操作测量岩石的物性特征和弹性特征,有助于学生更直观地认识地下实际岩石,形象地了解地震波传播规律。实践结果表明,该综合实验能够加深学生对理论知识的理解、激发学生主动学习兴趣；并且结合实验培养学生分析问题和解决实际问题的方法,培养了学生动手能力,提高了学生的创新能力、工程实践能力及综合素质。在该综合性实验的实施和支撑下,勘查技术与工程专业的多

名学生成功申请到了多项国家大学生创新性实验计划项目。

References)

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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

国家自然科学基金项目(41404088);中国石油大学(华东)青年教师教学改革项目(QN201403);中国石油大学(华东)教学改革重点项目(JY-A201220)

张佳佳(1986—)，男，湖北随州，博士，讲师，从事地震岩石物理的教学与研究工作.

E-mail：zhangjj@upc.edu.cn

P313.1；G642.0

A

1002-4956(2016)7-0067-04