CN110618198B

CN110618198B - 一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法

Info

Publication number: CN110618198B
Application number: CN201910916473.9A
Authority: CN
Inventors: 高亚楠; 高峰; 高明忠; 白云; 高瑞; 赵晗旭
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: ZA202100601B; WO2021008229A1; CN110618198A

Abstract

本发明公开了一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，选用圆柱形容器，在其内部通过两个固定装置分别固定设置声发波发射探头和声波接收探头，选用安装有波形信号发生器和信号采集卡的声波测试系统，将其与声波接收探头以及声波发射探头相连接，圆柱形容器内注入液体声波传输介质，在保真环境下能够实现非接触式测量岩石波速，所需设备结构简易、造价低廉、测量方法简单；利用普通的声发射试验系统就能实现本发明的非接触式岩石声波测试，不仅可以大幅提高岩石声波测试效率，也可为后期连续性岩石物性测试一体化工作提供支撑，对于深入研究深部原位岩体力学性质具有重要意义。

Description

一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程技术领域，具体涉及一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法。

背景技术

不同深度赋存岩层原位岩石力学行为规律是深地钻探、深部资源开发利用、地球应用科学的先导性科学与重要理论基础，其核心与关键是如何获取深部环境条件下对原位岩芯进行实时加载测试与分析。波速是岩芯的重要物理参数，与弹性模量等力学参数可以相互反演，同时声波测试目前也成为探究岩芯内部结构的重要参数。

常规岩石声波测试过程中，需要将声波探头与岩芯紧贴，且需要在声波探头与岩芯接触面之间涂抹耦合剂以消除接触面处间隙对声发射信号的影响，常规声波测试过程虽然简单，但是准备工作复杂，更重要的是由于安放探头等前期工作过程中已经破坏了深部原位环境，所得出的测试结果也已经失真，保真环境是在深部原位环境截取岩石时，收集岩石所处环境，并在整个实验过程中，保证式样岩石与深部原位的温度、压力、湿度基本保持一致。根据深部岩体力学及工程需要，如果能够实现非接触式岩石声波测试，不仅可以大幅提高岩石声波测试效率，也可为后期连续性岩芯物性测试一体化工作提供支撑，因此，本试验装置深入探究保真环境下非接触式岩石声波波速测试具有重要的理论和工程实践意义。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，其既考虑到了试验试样在原位环境条件，又采用非接触的方式测量，大大提高了声发射测岩石波速的效率，同时还保证了试件所处原位环境状态下的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

S1、选用一圆柱形容器，在其内部通过两个固定装置分别固定设置两个等高的声波发射探头和声波接收探头；

S2、选用安装有波形信号发生器和信号采集卡的声波测试系统，将其与前置放大器以及声波发射探头相连接，将声波接收探头与声波测试系统连接；

S3、将波形信号发生器的输出接口与信号采集卡相连，作为用于监测声波信号的同步信号；

S4、向圆柱形容器中注满液体声波传输介质；

S5、用密封盖密封圆柱形容器，随后通过外部加压泵施加静水压力到目标压力，压力范围0～150MPa，通过外部电加热圈加热到目标温度，室温～150℃，，室温及常压下测试可略过此步骤；

S6、在不放入岩芯的条件下，打开声波测试系统和波形信号发生器，声波测试系统在记录声信号的同时利用声波发射探头和声波接收探头采集通过液体声波传输介质传播后的声波信号，发射若干次声波信号后，停止发射信号；

S7、利用声波测试系统读取声波同步信号和在两探头之间传播的声波信号，求出两个信号之间声波时差t_p1；

S8、用两探头之间的距离a₁与t_p1–t_o的差值相比，得出声波在液体声波传输介质中传播的纵波波速v_p1；t_o为系统误差，由软件分析与实际波形起跳点的时间误差计算得出；

S9、调节外部加压泵卸压，并冷却至室温时，打开密封盖将保存在保真环境中的试样岩石放置在声波发射探头和声波接收探头中间位置，使两探头中心连线穿过岩芯截面圆心；

S10、参照S5步骤密封加压加温，参照S7、S8步骤测出声波传播的总时间t_p2；

S11、声波在岩石中传播的速度v_p2＝a₂/t，a₂为岩石在两探头中线方向上的最大横向距离，t＝t_p2-t_o-t_l,t为声波在岩石中传播时间，t_l为液体声波传输介质传播时间，t_l＝(a₁-a₂)/v_p1。

优选地，步骤S1中的固定装置制作材料选用PVC材料。

优选地，步骤S2中的声波发射探头和声波接收探头均进行封装处理，封装后做耐高温150℃与高压150MPa处理。

优选地，所述液体声波传输介质选用液压油。

优选地，步骤S6中，发射声波信号的次数为6～8次。

本发明的有益效果在于：在保真环境下能够实现非接触式测量岩石波速，所需设备结构简易、造价低廉、测量方法简单；利用普通的声波测试系统就能实现本发明的非接触式岩石声波测试，不仅可以大幅提高岩石声波测试效率，也可为后期连续性岩石物性测试一体化工作提供支撑，对于深入研究岩体的作用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法中各部件连接示意图。

附图标记说明：

1、声波测试系统；2、液体声波传输介质；3、圆柱形容器；4、固定装置；5、声波发射探头；6、声波采集探头，7、密封盖；8、加压泵；9、电加热圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，在常温常压下对岩芯测试，包括以下步骤：

S1、如图1所示，选用一圆柱形容器3，在其内部通过两个固定装置4分别固定两个等高的声波发射探头5和声波接收探头6，两探头距离设为103.9mm；

S2、选用安装有波形信号发生器和信号采集卡的Disp声波测试系统1，依次将其与前置放大器以及声波发射探头5相连接，将声波接收探头6与Disp声波测试系统1连接；

S3、将波形信号发生器的输出接口与信号采集卡相连，作为用于监测声发射信号的同步信号；

S4、向圆柱形容器3中注满液压油；

S5、在不放入岩芯的条件下，打开Disp声波测试系统1和波形信号发生器，采用信号源为ARB–1410型任意波形信号发生器，设置激发电压为150V，激发频率300hz，Disp声波测试系统1在记录声信号的同时利用声波发射探头5和声波接收探头6采集通过液压油传播后的声波信号，发射6～8次声波信号后，停止发射信号；

S6、利用Disp声波测试系统1读取声同步信号和在两探头之间传播的声波信号，求出两个信号之间声波时差t_p1,由Disp声波测试系统1多次测量取平均值测出t_p1＝71.3μs；

S7、用两探头之间的距离a₁与t_p1–t_o的差值相比，得出声波在液压油中传播的纵波波速v_p1，t_o为系统误差,由软件分析与实际波形起跳点的时间误差计算得出该情形下t_o＝0，v_p1＝103.9mm/(71.3μs-0)＝1457.22m/s；

S8、将试样岩芯放置在声波发射探头5和声波接收探头6中心位置，使两探头中心连线穿过岩芯截面圆心中心，为方便与接触式岩石声波测试作对比选用柱形岩石,本实施例选用花岗岩、大理岩、中砂岩三种作为测试对象，直径的误差不超过0.03cm，试样两端面不平行度误差，最大不超过0.005cm，下表为样品编号；

样品编号	岩性	直径/mm	长度/mm	测试项目
					1	花岗岩	47.5	100.30	纵波波速
2	大理岩	49.2	100.20	纵波波速
					3	中砂岩	49.4	99.70	纵波波速

S9、参照S6、S7步骤测出声波传播的总时间t_p2；

S10、声波在岩石中传播的速度v_p2＝a₂/t，a₂为岩石在两探头中线方向上的最大横向距离，t为声波在岩石中传播时间，t＝t_p2-t_o-t_l，t_l为在液压油传播时间，t_l＝(a₁-a₂)/v_p1；

(1)花岗岩：Disp声波测试系统1测试结果t_p2＝48.8μs，

根据a₁＝103.9mm、a₂＝47.5mm，t_p2＝48.8μs,t_o＝0μs,v_p1＝1457.22m/s,t＝t_p2-t_o-t_l＝48.8μs–0μs–[(103.9–47.5)/1457.22]＝10.1μs声波在花岗岩中传播的速度v_p2＝a₂/t＝47.5mm/10.1μs＝4702.97m/s

(2)大理岩：Disp声波测试系统测试1结果t_p2＝48.7μs，

根据a₁＝103.9mm、a₂＝49.2mm，t_p2＝48.7μs,to＝2μs,v_p1＝1457.22m/s,t＝t_p2-t_o-t_l＝48.7μs-2μs–[(103.9–49.2)/1457.22]＝9.2μs声波在大理岩中传播的速度vp2＝a2/t＝49.2mm/9.2μs＝5347.82m/s

(3)中砂岩：Disp声波测试系统1测试结果t_p2＝67.8μs

根据a₁＝103.9mm、a₂＝49.4mm，t_p2＝67.8μs,to＝10μs,v_p1＝1457.22m/s,t＝t_p2-t_o-t_l＝67.8μs-10μs–[(103.9–49.4)/1457.22]＝20.4μs声波在中砂岩中传播的速度v_p2＝a₂/t＝49.4mm/20.4μs＝2421.56m/s此中砂岩岩样为力学实验测试后的岩样，岩样内部存在裂隙，因此波速较低

S11、移动岩样，保持两探头中心连线过岩样在该平面圆心不变，将岩样靠近声波发射探头5测一次，将岩样靠近声波采集探头6再测试一次。

S12、移动岩样，逐渐偏离中心线，测试2次。

步骤S1中的固定装置4制作材料选用PVC材料。

步骤S2中的声波发射探头和声波接收探头均进行封装处理，封装后做耐高温150℃与高压150MPa处理。

步骤S8测试的是常温常压下岩样波速，因此没有加温加压步骤，将声波发射探头5和声波接收探头6紧贴于岩石表面，探头与岩石接触处涂抹适量的声波耦合剂，利用Disp声波测试系统1，参照测步骤S6-S7测出花岗岩、大理岩和中砂岩的声波波速，将得到的结果与非接触式岩石波速测试对比如下表1与表2：

声波测试数据汇总表1

注：中砂岩岩石为力学实验测试后的岩石，岩石内部存在裂隙，因此波速较低。

声波测试数据汇总表2

通过实验数据可初步得出以下结论：

(1)当仅对液压油测波速时，测试的声波时差为71.3μs，当在声波发射探头5和声波接收探头6之间放置岩石后，声波时差均小于71.3μs，而声波在岩石中传播时的速度远大于在液压油中传播的速率，这表明在非接触式条件下测试岩石声波波速时，声波接收探头6收到的声波信号一定是穿过岩石的声信号，因此，声波探头与岩石以非接触方式测量岩石波速是可行的。

(2)观察以上实验数据，本次试验中，接触式测量和非接触式测量声波波速实验结果基本吻合，验证了非接触式条件下，声波信号从声波发射探头5产生沿中心线穿过岩石表面后，声波在岩石内部按中心线路径传播，穿过岩石另外一侧表面后，声波仍然按照中心线传播到达声波接收探头6。

实施例2，一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，在保真环境下对岩芯测试，参照实施例1，步骤S4中增加加压部分：用密封盖7密封圆柱形容器3，随后通过外部加压泵8管路穿过密封盖7和外部电加热圈9分别对液压油施加静水压力到目标压力60MPa和加温到目标温度80℃；步骤S8中增加卸压部分：调节外部加压泵8卸压并使液压油冷却至室温时，打开密封盖7后再放入试样岩石；步骤S9中再增加加压部分，除上述提到增加的步骤外，实施例2其他步骤均与实施例1的步骤相同；试验结果与实施例1对比如下表3：

声波测试数据汇总表3

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4、向圆柱形容器中注满液体声波传输介质；

S5、用密封盖密封圆柱形容器，随后通过外部加压泵施加静水压力到目标压力和外部电加热圈加热到目标温度，室温及常压下测试可略过此步骤；

2.如权利要求1所述的一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，其特征在于，步骤S1中的固定装置制作材料选用PVC材料。

3.如权利要求1所述的一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，其特征在于，步骤S2中的声波发射探头和声波接收探头均进行封装处理，封装后做耐高温高压处理。

4.如权利要求1所述的一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，其特征在于，步骤S4中，所述液体声波传输介质选用液压油。

5.如权利要求1所述的一种保真环境下非接触式测量岩石波速的测试方法，其特征在于，步骤S6中，发射声波信号的次数为6～8次。