CN108593377A - 一种低频测量系统中的样品及制备方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种低频测量系统中的样品及制备方法和使用方法，包括标准件、样品、振动源、应变片、超声波探头(P波和S波)、水压端；其中标准件内包括中段圆柱体、上端和下端，上端内部嵌有超声波探头(P波和S波)，中段为中空结构。水压端下端嵌有超声波探头(P波和S波)。样品表面粘贴4组应变片(水平方向和竖直方向)，每组应变片等间隔放置。标准件表面等间隔(90°)粘贴四个竖直方向应变片。在进行地震频带测量(2Hz‑800Hz)时，将水压端、样品、标准件和振动源依次从上至下叠放，且利用水压泵通过水压端施加预竖直方向压力600Psi。本发明提供的样品制备方法可实现地震频带弹性参数测量，且效率高，可进行重复性测量。

Description

一种低频测量系统中的样品及制备方法和使用方法

技术领域

本发明属于岩石测量技术领域，涉及一种在实验室中实现地震频带内弹性参数测量的技术，具体涉及一种低频测量系统中的样品及制备方法和使用方法。

背景技术

由于波的频散与衰减有多种成因，而且在其所分析的频率范围内占有相对优势。因此，一定程度上，实验观测结果有助于理解所观测现象的形成机理。当波通过含孔隙流体的岩石时，波场扰动会引起不同特性的孔隙之间产生压力差，为了让孔隙内部压力达到平衡，就会发生流体交换，导致流体相对于岩石骨架产生相对运动，部分能量就会因为摩擦生成热能而耗散，该过程称之为波的本征频散与衰减。

波的频散与衰减对频率有一种强烈的依赖关系。根据岩石物理测量技术发展历程，超声波测量、共振棒谐波振动测量及应力应变测量技术先后被用来直接测量介质的弹性性质。

超声波震源一般是压电换能器，其频率为10⁶Hz左右，由于其易于实现，测量精度高，因此首先被用来研究多孔介质在不同测量条件下的波频散与衰减性质。具体而言，脉冲发射法和透射法被用来测量波的频散与衰减，二者基本原理相同，但其应用则有细节差异。然而，超声波观测条件下的频率范围(频率为10⁶Hz)与野外实际地震资料采集采用的频率(地震为50Hz左右，测井为10kHz)相比是完全不同的，因此超声波观测的频散与衰减结果及建立的岩石物理模型很难直接应用到实际地震资料的解释与储层预测中，这主要是因为频率(波长)与介质尺度的相互关系对波传播特性具有不可忽视的影响。因此，利用共振棒产生谐波振动测量技术被应用到多孔介质的弹性参数测量，振动可用压电、静电元件激发或电磁激发源。其频带覆盖范围为0.5～9kHz。Murphy(1982,1984)和Yin(1992)又将共振棒测量频率拓展到0.3～14kHz，使得测量的频散和衰减关系可以用来定量化解释测井数据，但由于在实验室难以测量大于一米的样品，因而很难使测量频段降低到地震波频带。

Spencer首次把应力应变测量法应用到孔隙介质中来测量波的频散与衰减，且满足地震波的基本特征：(1)频率覆盖范围可从几Hz到10³Hz；(2)满足远场地震波的弹性形变要求，即施加应力引起的介质应变小于10^-6。故其测量结果可直接应用来刻画多孔介质的地震响应特征。虽然很多学者在地震频带内测量波频散与衰减方面取得进展，但是在实验室进行应力应变测量依然面临很多挑战。其中一个关键难点是如何进行样品制备，让样品制备过程对测量结果产生误差影响最小。此外，如何进行样品制备使得测量结果具有代表性和可重复性是另外一个值得研究的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种低频测量系统中的样品及制备方法和使用方法，可以达到测量结果准确、具有代表性、同时可进行重复测量的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低频测量系统中的样品制备方法，首先制作标准件，标准件包括由下向上依次设置的下端体、中空结构的中段圆柱体与上端体；上端体顶部嵌有第一超声纵波探头和第一超声横波探头；

然后制作样品，样品呈圆柱状，样品表面贴有四组等间距分布的应变片，每组应变片包括第一水平应变片和第一竖直应变片，四组应变片在样品周向上均匀分布；

再制作水压端，水压端底部嵌有第二超声纵波探头和第二超声横波探头，水压端顶部设置有孔隙导水管。

本发明进一步的改进在于，中段圆柱体表面上周向均匀粘贴有四个第二竖直应变片。

本发明进一步的改进在于，第一超声纵波探头位于第一超声横波探头上方。

本发明进一步的改进在于，四组应变片分别为贴在样品周向上的0°方位应变片、90°方位应变片、180°方位应变片以及270°方位应变片。

本发明进一步的改进在于，第二超声纵波探头位于第二超声横波探头下方。

本发明进一步的改进在于，孔隙导水管连接有压力泵。

本发明进一步的改进在于，振动源为压电陶瓷。

一种根据上述的制备方法制得的样品。

一种样品的使用方法，将振动源、标准件、样品、水压端从下至上依次叠放，将振动源外接电源；将标准件上等间隔的四个应变片外接接收器；将样品上的四组等间隔设置的应变片外接接收器；调整好每个应变片位置；利用水压端对系统进行加压到600Psi；检测信号；

当进行不同程度流体饱和测量时，打开水压端的阀门；读取水压泵读数，设置流体不同饱和度；检测信号。

本发明进一步的改进在于，样品两端放置有弹性铝膜。

与现有技术相对比，本发明产生的有益效果是：

(1)本发明中的标准件的中空结构的中段圆柱体中心等间隔(90°)粘贴四个竖直方向应变片，实现测量样品(平均)杨氏模量的所需应变。且上端嵌有超声波探头(P波和S波)。测量的样品表面等间隔(90°)粘贴4组应变片，其中竖直方向应变片实现测量样品(平均)杨氏模量的所需应变，水平方向应变片实现测量样品(平均)泊松比的所需应变。

(2)本发明提供的低频系统中的样品制备方法中的置于样品表面的四组等间隔应变片可保证测量的结果具有代表性；

(3)本发明提供的低频系统中的样品制备方法中的可分离式样品与标准件使得测量结果具有可重复性，同时，样品不易毁坏，可同时进行其他性质测量。

(4)本发明提供的样品制备方法可实现地震频带弹性参数测量，且效率高，可进行重复性测量，对样品无损害，易于操作。

进一步的，本发明提供的低频系统中的样品制备方法可通过样品两端的超弹性铝膜降低接触面的不平整度，尽量达到应力平均分布的测量条件；

进一步的，所述振动源为压电陶瓷，其在2Hz～800Hz可稳定输出满足地震波场应变要求的正弦波。

进一步的，水压端上端连接的压力泵可预先为标准件-样品-振动源施加600Psi的竖直压力使得其紧密接触。且水压端下端嵌有的超声波探头(P波和S波)可与嵌在标准件上端的超声波探头(P波和S波)完成超声频弹性参数测量。

附图说明

图1是低频系统中的样品及加载示意图；

图2是样品-标准件-振动源集合体示意图；

图3是标准件示意图；

图4：样品平视示意图；

图5为样品俯视示意图；

图6：水压端示意图；

1-1：左竖支架；1-2：系统底盘；1-3：固定底座；1-4：上压盘；1-5：样品注水通道；1-6：右竖支架；1-7：样品-标准件-振动源集合体；

1：振动源；2：标准件；3：样品；4：水压端；

3-1：下端体；3-2：中段圆柱体；3-3：上端体；3-4：第一超声纵波探头；3-5：第一超声横波探头；3-6：第二竖直应变片；

4-2：第一水平应变片；4-3：第一竖直应变片；

5-1：0°方位应变片；5-2:90°方位应变片；5-3:180°方位应变片；5-4:270°方位应变片；

6-2：孔隙导水管；6-3：第二超声横波探头；6-4：第二超声纵波探头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供的低频测量系统中的样品制备方法，包括以下步骤：

首先将制作标准件，参见图3，标准件2包括由下向上依次设置的下端体3-1、中段圆柱体3-2与上端体3-3。其中，中段圆柱体3-2为中空结构，中段圆柱体3-2表面周向上均匀粘贴有四个第二竖直应变片3-6，实现测量样品(平均)杨氏模量的所需应变。上端体3-3嵌有第一超声纵波探头3-4(P波)和第一超声横波探头3-5(S波)，第一超声纵波探头3-4位于第一超声横波探头3-5上方。

然后制作样品3(即岩样)，如图4和图5所示，样品3呈圆柱状，样品3表面贴有四组等间距分布的应变片，每组应变片包括第一水平应变片4-2和第一竖直应变片4-3，参见图5，四组应变片分别为贴在样品周向上的0°方位应变片5-1、90°方位应变片5-2、180°方位应变片5-3以及270°方位应变片5-4；其中，第一竖直方向应变片4-3实现测量样品(平均)杨氏模量的所需应变，第一水平方向应变片4-2实现测量样品(平均)泊松比的所需应变。

再制作水压端4，如图6所示，水压端4底部嵌有第二超声纵波探头6-4和第二超声横波探头6-3，第二超声纵波探头6-4位于第二超声横波探头6-3下方，水压端4顶部设置有孔隙导水管6-2，孔隙导水管6-2连接有水压泵，水压端4上端连接的水压泵可预先为标准件-样品-振动源集合体1-7施加600Psi的竖直压力使得其紧密接触。且下端嵌有的超声波探头(P波和S波)可与嵌在标准件上端的超声波探头(P波和S波)完成超声频弹性参数测量。

参图2所示，振动源1、标准件2、样品3以及水压端4组成样品-标准件-振动源集合体1-7。

本发明提供的低频系统中的样品在使用时，将四组应变片等间隔贴在待测样品3的表面。测试样品准备：使用机床对样品两端进行磨光，保持两端平面平行；利用表面清洁剂对样品两端和侧面进行清理，去除小颗粒碎屑；在清理干净后的侧面均匀涂抹防水涂层；然后待防水涂层干燥后，在样品侧表面粘贴4组应变片(水平方向和竖直方向)，每组应变片等间隔(90°)放置；

根据图2所示的结构，将振动源1、标准件2、样品3、水压端4从下至上依次叠放。根据样品3平整程度，可在样品3两端放置弹性铝膜(即在标准件2顶端和测量样品3底端间放置铝膜，在样品3顶端和水压端4间放置铝膜)，且样品3两端贴有超弹性铝膜来达到应力均匀分布要求。

参见图1，振动源1、标准件2、样品3以及水压端4组成样品-标准件-振动源集合体1-7。将样品-标准件-振动源集合体1-7放置在系统槽内，系统槽包括系统底盘1-2上，系统底盘1-2上设置有左竖直支架1-1和右竖支架1-6，并且样品-标准件-振动源集合体1-7与系统底盘1-2之间设置有固定底座1-3，样品-标准件-振动源集合体1-7顶部设置有上压盘1-4，上压盘1-5上设置有样品注水通道1-5，样品注水通道1-5穿过上压盘1-4并与孔隙导水管6-2相连通。并盖上外围压力罩。

振动源1为压电陶瓷，其在2Hz～800Hz可稳定输出满足地震波场应变要求的正弦波。将振动源1外接电源；将标准件2上等间隔的四个应变片外接接收器；将样品3上的四组等间隔设置的应变片外接接收器；调整好每个应变片位置；利用水压端4对系统进行加压到600Psi；检测信号。

当进行不同程度流体饱和测量时，根据图6所示的结构，打开水压端4的阀门；读取水压泵读数，设置流体不同饱和度；检测信号。

本发明提供的样品同时含有超声纵波和产生横波探头，可在设定条件下进行低频测量(2Hz～800Hz)的同时，进行超声频测量。

本发明提供的样品制备方法采用了标准件和样品分离方法，即没有利用胶水等将标准件和样品黏在一起提高信号信噪比及一致性，但采用水压端4加压的方式依然满足高精度和重复性测量，且可保证标准件的重复利用及样品的多次测量。

本发明所述的一系列详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并不是用以限制本发明的保护范围，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低频测量系统中的样品制备方法，其特征在于，首先制作标准件(2)，标准件(2)包括由下向上依次设置的下端体(3-1)、中空结构的中段圆柱体(3-2)与上端体(3-3)；上端体(3-3)顶部嵌有第一超声纵波探头(3-4)和第一超声横波探头(3-5)；

然后制作样品(3)，样品(3)呈圆柱状，样品(3)表面贴有四组等间距分布的应变片，每组应变片包括第一水平应变片(4-2)和第一竖直应变片(4-3)，四组应变片在样品(3)周向上均匀分布；

再制作水压端(4)，水压端(4)底部嵌有第二超声纵波探头(6-4)和第二超声横波探头(6-3)，水压端(4)顶部设置有孔隙导水管(6-2)。

2.根据权利要求1所述的一种低频测量系统中的样品制备方法，其特征在于，中段圆柱体(3-2)表面上周向均匀粘贴有四个第二竖直应变片(3-6)。

3.根据权利要求1所述的一种低频测量系统中的样品制备方法，其特征在于，第一超声纵波探头(3-4)位于第一超声横波探头(3-5)上方。

4.根据权利要求1所述的一种低频测量系统中的样品制备方法，其特征在于，四组应变片分别为贴在样品周向上的0°方位应变片(5-1)、90°方位应变片(5-2)、180°方位应变片(5-3)以及270°方位应变片(5-4)。

5.根据权利要求1所述的一种低频测量系统中的样品制备方法，其特征在于，第二超声纵波探头(6-4)位于第二超声横波探头(6-3)下方。

6.根据权利要求1所述的一种低频测量系统中的样品制备方法，其特征在于，孔隙导水管(6-2)连接有压力泵。

7.根据权利要求1所述的一种低频测量系统中的样品制备方法，其特征在于，振动源(1)为压电陶瓷。

8.一种根据权利要求1所述的制备方法制得的样品。

9.一种根据权利要求1所述的制备方法制备的样品的使用方法，其特征在于，将振动源(1)、标准件(2)、样品(3)、水压端(4)从下至上依次叠放，将振动源(1)外接电源；将标准件(2)上等间隔的四个应变片外接接收器；将样品(3)上的四组等间隔设置的应变片外接接收器；调整好每个应变片位置；利用水压端(4)对系统进行加压到600Psi；检测信号；

当进行不同程度流体饱和测量时，打开水压端(4)的阀门；读取水压泵读数，设置流体不同饱和度；检测信号。

10.一种根据权利要求9所述的样品的使用方法，其特征在于，样品(3)两端放置有弹性铝膜。