含氮气煤体超声各向异性特征实验研究

探讨含气煤体超声响应特征可为利用超声技术在煤岩物性特征测试中的应用提供依据。利用自主研发的煤储层物性特征实验系统,选取平煤八矿己_16-17煤层煤样,制备平行层理与面割理（x）、平行层理垂直面割理（y）和垂直层理（z）等3类煤样,对含氮气煤体在不同气体压力及不同吸附时间下的超声特征进行测试。实验结果表明：（1）轴压恒定时,随着围压增加,煤的弹性波速度不断增加,煤体抽真空状态下的纵、横波速度略大于常压下的波速;（2）煤柱从负压状态到注气吸附状态,随着注气时间的延长,波速先下降,然后缓慢升高;（3）轴压和围压不变时,随着气体压力的变化,纵波和横波速度均有所增加;（4）平行层理与面割理、平行层理垂直面割理和垂直层理方向各向异性明显,但超声响应规律基本一致;（5）煤样纵波和横波垂直、平行层理方向各向异性程度与吸附时间的关系差异明显,纵波各向异性程度对吸附时间更加敏感。     

页岩层理与含水率对声波传播影响的实验研究

岩石声学特性研究是开展测井岩石力学及储层性质评价的基础工作,而页岩的声波特性受层理及水化程度影响尤为突出。为此,对层理性页岩在不同含水率条件下进行了超声波透射实验,以研究声波的传播速度及能量衰减特征。研究认为,层理倾角越大,纵、横波速度及纵横波速度比越低,而纵、横波衰减系数越高。另外,纵波速度随含水率的增加先减小后增大,纵波衰减系数反之;横波速度在含水率较低时有所减少,含水率较高时基本不变,而横波衰减系数与含水率的关系并不显著。对比分析归一化结果可知,层理倾角对纵、横波速度的影响皆大于含水率的影响。     

激光超声纵波用于磨牙内部轮廓无损检测的理论研究

针对目前口腔医学在临床上对牙齿内部轮廓无法准确检测的问题,提出了利用激光超声纵波检测磨牙内部轮廓的方法.首先利用有限元方法模拟激光辐照牙齿产生超声波的过程,通过CT扫描与三维重建技术获取牙齿的三维模型,建立了超声纵波以及纵波在磨牙中传播的有限元模型.考虑激光在牙釉质中的渗透,修正了等效点声源的位置.选取磨牙上的一个截面,对其进行旋转扫描,并在激发点附近同侧接收得到多组超声信号.通过信号分析,求解纵波在牙釉质—牙本质界面反射点的位置,最终实现牙齿内部轮廓的检测.与牙齿的实际内部轮廓进行比较,结果精度比较高,验证了用激光超声纵波检测牙齿内部轮廓的可行性.最后分析了该方法的误差来源以及其适用条件.研究结果将对牙齿内部结构临床检测提供理论依据和检测方法,有助于激光超声技术在临床医学检测中的进一步发展和应用.     

川东龙马溪组页岩渗透率各向异性及应力敏感性实验研究

页岩渗透率各向异性和应力敏感性对其水平井产能评价和合理工作制度制定有较大影响,目前还没有对页岩各向异性及其应力敏感性进行过系统的测试分析。基于此,应用川东龙马溪组页岩进行页岩测试渗透率各向异性和应力敏感性研究。实验用岩心分为两组,一组垂直层理面取心,岩心与层理面对称轴的夹角分别为0°、45°、90°,另一组平行层理面取心,岩心与层理面对称轴的夹角分别为30°、90°、150°,利用美国岩心公司的PDP—200脉冲衰减法渗透率仪进行测试。实验结果表明,川东龙马溪组页岩的渗透率均在10~(-6)μm~2数量级,随着与层理面夹角增大,页岩岩心渗透率明显降低,沿层理面取样页岩的渗透率与垂直层理面取样页岩的渗透率比在3左右,在层理面的不同方位取样的页岩渗透率测试结果较为接近;不同岩样的渗透率随着有效应力增大而呈现指数递减,在1 500 psi有效应力时,各岩心渗透率均降低至10~(-9)μm~2数量级的较低水平,平行层理的页岩渗透率应力敏感性相对更强。     

煤体层理方向对液态CO2致裂效果的影响规律

煤体原生层理裂隙对煤岩的性质有明显的影响,为研究液态CO_2致裂煤体的各向异性,对5种不同层理方位的煤岩进行注入液态CO_2致裂实验,借助超声波检测仪与低场核磁共振设备,分析其波速变化、孔隙分布及渗流空间演化规律.研究结果表明:不同层理方位的煤体致裂效果具有明显的各向异性.纵波波速变化与层理角度负相关,不同孔径的孔隙变化与层理角度正相关,且中、大孔径(渗流孔)相对于微小孔的层理方向效应更高.孔隙度与层理角度呈二次函数关系.该研究对现场注入液态CO_2致裂增透高效抽采瓦斯具有一定的指导意义.     

高温下页岩水化损伤的各向异性实验研究

为了研究高温页岩水化损伤的各向异性特征,以龙马溪页岩为例,利用FEI Qemscan 650F型矿物定量分析-热场发射环境扫描电子显微镜(EDS-FESEM),系统观察不同温度、压力和浸泡时间下页岩平行层理和垂直层理面特征黏土矿物及微观结构变化特征.研究结果表明,龙马溪页岩细观尺度的各向异性引起页岩水化特征存在明显区别,即平行层理面表现为大量微纳米溶蚀孔伴生发育的原生裂隙膨胀、闭合、塌陷的损伤模式,而垂直层理面表现为大量微纳米长石矿物溶蚀孔隙的损伤模式.相同浸泡时间和压力下,温度越高页岩细观结构的水化损伤越快;相同温度和压力下,随着浸泡时间增加,页岩细观结构的水化程度先增大后逐渐趋于平缓,温度升高减小了页岩水化特征时间,其内在联系需进一步开展实验探讨.     

不同角度层理煤样的力学特征与其波速关联性分析

煤样中层理等较大尺度裂隙的分布对其力学性质影响显著。为明晰不同层理角度煤样各项物理力学参量间相互关系,首先按照不同层理角度分组加工煤样试件,然后测试完整煤样波速,并利用MTS815型岩石伺服刚性试验系统完成单轴实验,获得煤样各项力学参量,分析不同层理角度煤样各物理量间关联性。研究表明,煤体力学和声学特征各向异性突出:水平层理煤样强度约为其他2组煤样2倍,斜交层理煤样弹性模量及变形模量小于其他2组且离散性最大;随层理与煤样轴线夹角增大波速呈降低趋势,超声波在竖直层理煤样中传播最快,离散性也最高。对于同一层理角度煤样,强度、弹性模量及变形模量等力学参数与波速具有良好线性相关性,表明可以利用超声无损探测技术反演煤岩力学参数。     

激光超声测量金属材料弹性常数实验与有限元分析

利用激光诱导产生的多种模态超声波的波速反演金属铝板的弹性常数.实验中将脉冲激光聚焦成线源在铝板表面诱导超声波,采用双通道非接触接收表面波的时域信息并测算其速度.在有限元分析中,将激光等效为时间和空间上均满足高斯分布的脉冲载荷,建立热力耦合分析模型对激光诱导超声波的过程进行模拟,提取超声信号的时域信息并计算表面波和纵波速度,利用声弹性方程得到铝的弹性常数.数值结果与理论值相吻合,表明建立的激光超声力学模型能够有效模拟激光诱导超声波的物理过程,为进一步利用激光超声技术研究材料力学性能提供了依据.     

黏度和矿化度对岩石速度各向异性影响的实验研究

利用不同黏度(煤油和真空泵油)、不同矿化度(蒸馏水、50mg/L和150mg/L的NaCl溶液)的流体对页岩和具有明显层理的砂岩进行饱和,在实验室超声频率下研究样品不同方向纵、横波速度以及各向异性参数ε、γ随压力的变化规律.结果表明:(1) 随着黏度的增加,岩石纵、横波速度增大,各向异性参数ε、γ减小;(2) 随着矿化度的增加,岩石纵、横波速度增大,各向异性参数ε、γ的变化在实验误差范围内可以忽略不计.     

层理地层基质与弱面坍塌失稳规律分析

渤海深部地层中存在大量的硬脆性泥页岩,易发生井壁失稳问题。将硬脆性泥页岩当作一种横观各向同性介质,建立了横观各向同性地层井周基质及层理弱面应力计算模型,在此基础上,获取了弹性参数各向异性、井眼轨迹及层理产状对井壁坍塌破坏的影响规律。研究表明,各向异性对层理弱面应力分布影响显著,与各向同性模型相比,误差最大约为31%;随弹性模量各向异性程度增大,井壁坍塌风险增高;直井钻进时,井壁坍塌破坏方位不仅受水平地应力方位影响,还与层理弱面的倾斜角和倾向角、井眼轨迹等参数相关。随层理面倾斜角和倾向角增大,井壁坍塌形状依次为岩石只发生沿水平最小地应力方位的基质坍塌、层理面单对角坍塌及层理面双对角坍塌,基质坍塌方位对应最小地应力方位,层理面坍塌方位与弱面的倾向方位保持一致,最优钻井方位应结合层理弱面的倾向;当定向井钻进时,井眼沿井斜30°~75°,最大地应力方位附近,坍塌最为严重。对渤中一口深井进行井壁失稳实例分析,分析结果与实际情况吻合良好,研究成果对层理地层钻井作业有一定的指导意义。     

高边坡岩体结构面各向异性检测与稳定性分析

针对风化边坡岩体内存在对岩体强度有重要影响的定向排列裂隙结构软弱面及剪切带，从而导致边坡岩体的剪切波速度各向异性，分析了各向异性介质中弹性波的传播特征，论证了应用弹性波技术探测岩体结构面及其各向异性的可行性，提出了基于纵波震源、地震转换波技术的岩体结构面检测技术及动力学特性各向异性的测试方法，以西南某高速公路岩体边坡工程为例进行检测研究。研究结果表明：边坡结构面的反射波场具有各向异性特征，转换横波分量能量、频谱特征、测线交点处的闲合差是反映地层各向异性的重要指标参数；采用瞬态面波法可以反映岩体动力特性的各向异性特征。采用所提出的方法可以有效地反映边坡结构面度其各向异性，以确保边坡岩体的动力稳定。     

基于Tsvankin参数页岩储层各向异性强度预测

在页岩气勘探开发过程中,各向异性强弱与储层品质、地震波速度、岩石脆性、岩石弹性参数等都有关系,所以对页岩各向异性特征的定量描述具有重要意义。综合考虑页岩页片状层理大量发育,基于VTI介质模型对页岩进行模拟,通过对Thomsen参数简化而利用Tsvankin参数进行页岩各向异性表征,然后以叠前偏移结果为基准,修正均方根速度使得叠前偏移后的CRP道集层拉平效果明显,迭代计算出使得叠前偏移效果最优时的各向异性强度的Tsvankin参数值,并利用Tsvankin参数对叠前道集剩余时差进行校正,最后输出Tsvankin参数数据体,分析Tsvankin参数与页岩层脆性发育及储层性质的关系。将该方法应用于四川长宁"宁201"井区的下志留统龙马溪组页岩,综合地震资料分析发现Tsvankin参数谱值域范围与页岩脆性概率分布趋势正相关,能够预测页岩储层各向异性强度并能反映页岩地层脆性强弱,在"甜点"预测中有一定的指导意义。     

刻槽法拾取岩样横波波速的试验方法

在小尺寸试件拾取横波难度高的情况下,根据波的传播规律,通过试件底部界面刻槽的方法,对反射纵波形成绕射,消除了反射纵波对横波初至的干扰,成功地实现了利用纵波探头拾取小尺寸岩样横波速度的测试.通过试验,利用纵波探头获得了岩样的横波速度参数,计算了横波速度各向异性系数.研究表明,层状结构岩石横波速度变化规律与纵波速度变化规律相似,即遵循椭圆方程的规律.通过顺层方向纵、横波速度的比值分析,证明试件底部界面刻槽测试横波的测试方法是合理的.     

超声波在固体中沿圆柱形空腔散射的可视化研究

采用和金属声速接近的光学玻璃为样品.利用研制的动态光弹成像系统,研究了玻璃内圆柱形空腔对脉冲纵波和横波的散射情况,拍摄了纵波入射一对横穿圆柱形空腔的传播图像,记录了0～99.9 μs时间内超声波声场散射的传播规律,利用开发的软件系统计算了超声波的爬波速度,并绘制了传播区域的声应力场图.由此来模拟超声波在非透明固体材料空腔中的传播行为,为超声波检测固体材料内部和表面缺陷提供了实验依据.     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

三维双相各向异性介质弹性波方程交错网格高阶有限差分法模拟

基于Biot理论,给出了三维双相各向异性介质应力-速度弹性波方程交错网格任意偶阶精度有限差分解法,并对三维双相各向异性(TIH)介质中弹性波场进行了模拟.结果表明,弹性波在三维双相各向异性介质中传播时存在快纵波qP1、快横波qS1、慢横波qS2和慢纵波qP2,并清楚地观测到了横波分裂、横波分裂盲点、波面三分叉等特殊现象.快纵波在固相和流相中的相位相同;而慢纵波在固相和流相中的相位相反,即慢纵波在流相中振幅大,而在固相中的振幅较小.另外,三维双相各向异性介质中弹性波场的快纵波和快横波的耦合关系、波的类型、能量分布和相位等都是在三维空间中变化的.     

超声波对测法检测钢管混凝土

随着新型材料及超声波技术的日趋成熟,在近年的一些钢管材料运用中,出现了钢管混凝土的材料。为了快捷方便了解钢管中混凝土的质量,CECS21:2000中采用了超声波无损检测法中的对测法。运用这一方法可以方便地从超声波的时域波形和频谱曲线中分辨出直达纵波和沿钢管壁传播的面波,从而利用纵波声学参数达到检测钢管中混凝土质量好坏的目的。     

基于特定材料的冲击弹性波传播规律探析

为了更好地研究冲击弹性波在平台上的传播规律,选用特定的各向同性材料和各向异性材料搭建实验平台,探究冲击弹性波在平台上的传播规律。以环氧玻璃布层压板为各向异性材料,以有机玻璃厚板为各向同性材料,利用黏附在该特定材料上的PVDF传感器群,采集并分析不同厚板和层叠板在冲击条件下弹性波的传播规律。实验结果表明,在各向异性材料上,沿纤维排列方向的横波传播速度最快,纵波的传播速度最慢;各向异性材料层叠板的纵波传播速度远慢于该材料的层压厚板的纵波传播速度;沿特定角度设置的测试通道远离材料中心区域横波的传播速度较大。基于实验结果提出有利于隔冲材料上弹性波传递和扩散的材料组合方式,即设计隔冲复合材料时加入规则排布的高声波速率的纤维材料,将隔冲材料整体设计为分层结构并且在材料边缘设置一定数量的90°锯齿形结构。     

页岩抗张力学行为各向异性实验与理论研究

开展彭水龙马溪页岩声波波速、巴西劈裂和声发射监测实验,明确页岩模量、抗张强度、声发射、破坏模式各向异性特征,并基于各向异性抗张强度CPA理论,分析页岩抗张强度及破裂角影响因素及变化规律。研究结果表明:1)随着加载角θ(加载方向与页岩层理面的夹角)增加,纵横波波速逐渐降低,抗张强度逐渐增加,破坏模式出现"简单—复杂—简单"的转变;2)随着微观参数Ω0(表征页岩强度空间分布)的增加,抗张强度逐渐增大,破裂角β_f(破坏面与基准线的夹角)在θ较小时逐渐增大,在θ较大时逐渐减小;3)径向应力对抗张强度及破裂角也有显著影响,随着径向压应力增加,抗张强度增加、β_f逐渐减小,而随着径向拉应力增加,抗张强度降低、β_f逐渐增大;4)随着抗张强度各向异性程度增加,抗张强度与β_f逐渐增大,并且β_f最大值会由较小θ逐渐偏向较大的θ。     

南堡沙河街组硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法

南堡沙河街组硬脆性泥页岩是典型的井壁易失稳地层,钻井过程中,井壁垮塌、漏失现象频发。目前,针对页岩井壁失稳现象,研究主要集中在结构面影响下的井壁垮塌。然而,实际钻井过程中,由于泥页岩层理、裂缝等结构面发育,导致地层漏失明显,严重制约了安全高效钻井。因此,本文基于室内力学实验,考虑页岩结构面发育特征,融合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,构建了一种新的硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法,明确了地层漏失压分布特征及影响因素。研究结果显示：层理与天然裂缝作为典型弱结构面,是硬脆性泥页岩地层漏失的主要控制因素。相比较均质地层,结构面发育的页岩地层漏失压力明显降低,安全井眼轨迹方位减少,钻井难度增大。此外,受弱结构面影响,难见沿基体的破裂漏失现象。漏失优先出现在天然裂缝面,天然裂缝对漏失影响强于层理面。研究成果可为硬脆性页岩地层钻井设计提供理论基础,对实现页岩地层安全高效钻井具有重要意义。