專利名稱：一種新的巖石各向異性參數(shù)的精確測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖石物理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新的巖石各向異性參數(shù)的精確測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
聲信號(hào)在巖石樣品(簡(jiǎn)稱巖樣)中傳播速度的測(cè)量裝置如圖I所示。它由薄片聲源換能器(簡(jiǎn)稱聲源)、薄片接收換能器(簡(jiǎn)稱接收器)和巖樣構(gòu)成。圖I中I是巖樣的長度。電驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)聲源發(fā)射聲信號(hào)，經(jīng)巖樣傳播到聲波接收器，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后被記錄下來。傳統(tǒng)的聲信號(hào)在巖樣中的傳播速度的測(cè)量方法是將電驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)聲源的時(shí)刻作為輻射的聲信號(hào)在巖樣中傳播的起始時(shí)間，將傳播到接收器的聲信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后的時(shí)刻作為聲信號(hào)到達(dá)接收器的時(shí)間，進(jìn)而用巖樣的長度除以上述聲信號(hào)在巖樣中“視傳播時(shí)間”得到其在巖樣中的傳播速度。沒有考慮聲源的電-聲轉(zhuǎn)換特性和接收器的聲-電轉(zhuǎn)換 特性對(duì)測(cè)量的聲信號(hào)產(chǎn)生的傳輸延遲和濾波作用，因而獲得的聲信號(hào)在巖樣中的傳播速度與真實(shí)的聲波速度之間會(huì)產(chǎn)生一定的差異。地球內(nèi)部的實(shí)際巖層通常是存在著一定的各向異性的。巖石的各向異性通常被認(rèn)為切向各向同性的。Backus和Au I d論述了巖石的切向各向同性的性質(zhì)可用固體物理中的六角系統(tǒng)來描述。關(guān)于垂直軸對(duì)稱的切向各向同性介質(zhì)被稱為VTI介質(zhì)。VTI介質(zhì)模型通常應(yīng)用于水平層狀地層的地震勘探的正演數(shù)值計(jì)算和地震勘探數(shù)據(jù)的反演解釋。關(guān)于水平軸對(duì)稱的切向各向同性介質(zhì)被稱為HTI介質(zhì)。HTI介質(zhì)模型應(yīng)用于井間地震測(cè)量的正演數(shù)值計(jì)算及其數(shù)據(jù)資料的反演解釋。將VTI介質(zhì)或HTI介質(zhì)繞水平軸旋轉(zhuǎn)一定的角度就變成了 TTI介質(zhì)。TTI介質(zhì)模型則用于斜層存在的情況下的地震勘探或VSP測(cè)量的正演數(shù)值計(jì)算和測(cè)量數(shù)據(jù)的反演解釋。從19世紀(jì)至今，物理學(xué)家和地球物理學(xué)家對(duì)介質(zhì)(包括巖石)的各向異性做了大量的研究。Kelvin(1856)和Christoffel (在原理上都對(duì)各向異性介質(zhì)的相速做出了理論上的闡述。Rudzki (1897，1898)對(duì)VTI和正交各向異性介質(zhì)進(jìn)行了特別處理并討論了它們的相速。Daley和Hron以及Carcione給出了在VTI介質(zhì)中傳播的準(zhǔn)縱波和準(zhǔn)橫波的相速的解，給出了 VTI介質(zhì)之間界面上產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換波相速的解是唯一的。Fa等人的計(jì)算結(jié)果顯示了 VTI介質(zhì)之間界面上產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換波相速可以存在多解，相應(yīng)地可以在過入射臨界角范圍中存在一個(gè)異常入射角。他們的目的是研究各向異性對(duì)聲信號(hào)在介質(zhì)中的傳播和散射這兩個(gè)基本問題的影響。即使是對(duì)于均勻各向異性彈性介質(zhì)，除了簡(jiǎn)正(或退化)模式夕卜，在一般情況下聲信號(hào)的相速和能速的大小和方向都是不相同的。聲信號(hào)在固體媒質(zhì)或巖層中是按照能速的大小和方向傳播的。除了各向異性特性外，通常地下巖石還具有一定的聲衰減特性。在巖石中傳播的聲信號(hào)由許多頻率分量構(gòu)成。聲信號(hào)在傳播過程中，巖石對(duì)聲信號(hào)的各個(gè)頻率分量產(chǎn)生的聲衰減是不同的。聲信號(hào)的各個(gè)頻率分量在巖石中的傳播速度也是不同的。因此在巖石中傳播的聲信號(hào)的傳播速度不僅是其傳播方向的函數(shù)(由巖石的各向異性引起)，而且聲信號(hào)各個(gè)頻率分量的傳播速度還與其頻率相關(guān)。由于聲衰減作用，到達(dá)接收器的聲信號(hào)的頻率分量的構(gòu)成發(fā)生變化，引起聲信號(hào)的時(shí)域波形發(fā)生變化。再經(jīng)接收器的聲-電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其頻率特性和時(shí)域波形進(jìn)一步發(fā)生變化，并會(huì)產(chǎn)生一定的聲-電傳輸延遲。傳統(tǒng)的測(cè)量聲信號(hào)在巖樣中傳播速度的方法是對(duì)在接收電路中或?qū)Σ杉穆曅盘?hào)的處理軟件設(shè)一門檻電壓值，當(dāng)被接收器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)的首波幅度值大于這個(gè)門檻值時(shí)，認(rèn)為這個(gè)時(shí)刻減去電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)刻就是聲信號(hào)在巖樣中傳播時(shí)間，并除以巖樣長度1，獲得聲信號(hào)在巖樣中的傳播速度。從嚴(yán)格的理論上講，任何具有聲衰減特性的介質(zhì)是不存在一個(gè)固定的聲波傳播速度的，即聲波信號(hào)在具有聲衰減特性的介質(zhì)中的傳播速度是測(cè)不準(zhǔn)的。然而，地震勘探信號(hào)的主頻只有30Hz左右，聲波測(cè)井信號(hào)的中心頻率為IOkHz 20kHz，小幾何尺寸巖樣的聲學(xué)參數(shù)測(cè)量過程中，所采用的聲信號(hào)的中心頻率也僅為幾百kHz。對(duì)于大多數(shù)固體介質(zhì)，其粘性系數(shù)是非常小的，即使是在頻率高達(dá)IGHz時(shí)，對(duì)于準(zhǔn)P-波、準(zhǔn)SV-波和SH-波分別存在關(guān)系nn/Cn)2 << I、(co 1I44/C44)2 << I和(Co n66/Cn)2 << I。由準(zhǔn)P-波、準(zhǔn)SV-波和SH-波的色散關(guān)系可知，在上述聲信號(hào)頻率范圍內(nèi)，盡管巖石可以使得傳播的聲信號(hào)的各個(gè)頻率分量產(chǎn)生不同的聲衰減，即引起聲信號(hào)的時(shí)域波形發(fā)生一定的變化，但是仍然可以近似認(rèn)為聲信號(hào)的各個(gè)頻率分量在巖石中的傳播速度是相同的。這里《是聲信號(hào)各頻率分量的角頻率，nn、n44和n66是巖石的粘滯系·數(shù)張量分量；cn、c44和C66是巖石的剛度常數(shù)張量分量。因此可以近似認(rèn)為巖石的聲衰減特性不影響聲信號(hào)的傳播速度，聲信號(hào)的相速和能速僅僅是巖石的物理參數(shù)和它在巖石中傳播方向的函數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)存在以下缺陷I.傳統(tǒng)的聲信號(hào)在巖樣中的傳播速度的測(cè)量方法沒有考慮聲源的電-聲轉(zhuǎn)換特性和接收器的聲-電轉(zhuǎn)換特性對(duì)測(cè)量的聲信號(hào)產(chǎn)生的傳輸延遲和濾波作用，因而獲得的聲信號(hào)在巖樣中的傳播速度與真實(shí)的聲波速度之間會(huì)產(chǎn)生一定的差異。2.之前技術(shù)測(cè)量準(zhǔn)P-波、準(zhǔn)SV-波和SH-波在巖樣中的傳播速度時(shí)，一是沒有考慮聲源的電-聲轉(zhuǎn)換和接收器的聲-電轉(zhuǎn)換對(duì)測(cè)量得到的聲信號(hào)產(chǎn)生的傳輸延遲，使得測(cè)量在巖樣中準(zhǔn)P-波、準(zhǔn)SV-波和SH-波的傳播速度與實(shí)際的傳播速度有所差異。因而不能精確地獲得巖樣的五個(gè)剛度常數(shù)；二是上述測(cè)量方法在理論上可以準(zhǔn)確地獲得巖樣的四個(gè)剛度常數(shù)C33，C11, C44和C66，但是在巖樣的45°方向上，測(cè)量得到的是該方向的能速Vep (45° )。該測(cè)量方法不是用相速Vp (45° )、而是用測(cè)量得到的能速Vep (45° )來計(jì)算剛度常數(shù)C13的，因而獲得的C13是不準(zhǔn)確的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)缺陷，提供一種新的巖石各向異性參數(shù)的精確測(cè)量方法，構(gòu)建了巖石樣品的聲信號(hào)子波傳輸網(wǎng)絡(luò)模型(四端網(wǎng)絡(luò)，六端網(wǎng)絡(luò))，建立由于聲源系統(tǒng)的電-聲轉(zhuǎn)換特性和接收器的聲-電轉(zhuǎn)換特性引起的聲信號(hào)子波的記錄延遲的理論關(guān)系，精確地測(cè)量聲信號(hào)子波在巖石樣品中的真實(shí)傳播速度；建立計(jì)算P-波在各向異性巖石樣品中對(duì)應(yīng)45°相角方向上的能角的理論算法，為精確的測(cè)量各向異性巖石樣品的剛度常數(shù)C13提供理論依據(jù)。其技術(shù)方案為一種新的巖石各向異性參數(shù)的精確測(cè)量方法，包括以下步驟
(I).建立薄片狀壓縮波換能器的機(jī)-電-聲網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出其電-聲沖激響應(yīng)和傳輸函數(shù)以及它的聲-電沖激響應(yīng)和傳輸函數(shù)將聲學(xué)測(cè)量過程類比成一個(gè)由電-聲傳輸子系統(tǒng)、介質(zhì)聲傳輸子系統(tǒng)和聲-電傳輸子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)，聲源的電學(xué)端為系統(tǒng)的輸入端，接收器的電學(xué)端為系統(tǒng)的輸出端。和113(1:)分別是聲源的電-聲沖激響應(yīng)、巖樣的聲學(xué)沖激響應(yīng)和接收器的聲-電沖激響應(yīng)，U1Uhxahpa)和u2a)分別是電驅(qū)動(dòng)信號(hào)、聲源輻射的聲信號(hào)、通過巖樣傳播到接收器的聲信號(hào)和被接收器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，聲波傳輸網(wǎng)絡(luò)可以表示為U2 (t) = U1 (t) ^h1 (t) *h2 (t) *h3 (t)(2)建立聲源系統(tǒng)和接收器系統(tǒng)構(gòu)成的巖石樣品聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的傳輸網(wǎng)絡(luò)模型，并分別計(jì)算出壓縮波和切變波在巖石樣品中的傳播過程中由聲源系統(tǒng)的電-聲轉(zhuǎn)換特性和接收器系統(tǒng)的聲-電轉(zhuǎn)換特性所引起的延遲，分析轉(zhuǎn)換對(duì)信號(hào)相位和幅度的影響，確定相位和幅度的變化，精確地測(cè)量聲信號(hào)子波在巖石樣品中的真實(shí)傳播速度。在力學(xué)網(wǎng)絡(luò)里的質(zhì)點(diǎn)位移V，類比為電學(xué)網(wǎng)絡(luò)的電流I ;質(zhì)量m類比為近似等效電感L ;剛度系數(shù)C可以類比電容C。；而力阻Rm可以類比電阻R ;摩擦力F則是類比成電壓降U ;機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)O類似變壓器的轉(zhuǎn)換電路線圈的匝數(shù)比；以四端網(wǎng)絡(luò)為例，聲源等效電路根據(jù)聲源的等效電路，可得聲源拉普拉斯變換沖擊響應(yīng)表達(dá)式
權(quán)利要求
1.一種新的巖石各向異性參數(shù)的精確測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)建立薄片狀壓縮波換能器的機(jī)-電-聲網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出其電-聲沖激響應(yīng)和傳輸函數(shù)以及它的聲-電沖激響應(yīng)和傳輸函數(shù) 將聲學(xué)測(cè)量過程類比成一個(gè)由電-聲傳輸子系統(tǒng)、介質(zhì)聲傳輸子系統(tǒng)和聲-電傳輸子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)，聲源的電學(xué)端為系統(tǒng)的輸入端，接收器的電學(xué)端為系統(tǒng)的輸出端，^(t), h2(t)和113(0分別是聲源的電-聲沖激響應(yīng)、巖樣的聲學(xué)沖激響應(yīng)和接收器的聲-電沖激響應(yīng)七⑴^⑴^⑴U2(t)分別是電驅(qū)動(dòng)信號(hào)、聲源輻射的聲信號(hào)、通過巖樣傳播到接收器的聲信號(hào)和被接收器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，聲波傳輸網(wǎng)絡(luò)可以表示為 U2 (t) = U1 (t) ^h1 (t) *h2 (t) *h3 (t) (2)建立聲源系統(tǒng)和接收器系統(tǒng)構(gòu)成的巖石樣品聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的傳輸網(wǎng)絡(luò)模型，并分別計(jì)算出壓縮波和切變波在巖石樣品中的傳播過程中由聲源系統(tǒng)的電-聲轉(zhuǎn)換特性和接收器系統(tǒng)的聲-電轉(zhuǎn)換特性所引起的延遲。分析轉(zhuǎn)換對(duì)信號(hào)相位和幅度的影響，確定相位和幅度的變化，精確地測(cè)量聲信號(hào)子波在巖石樣品中的真實(shí)傳播速度； 在力學(xué)網(wǎng)絡(luò)里的質(zhì)點(diǎn)位移V，類比為電學(xué)網(wǎng)絡(luò)的電流I ;質(zhì)量m類比為近似等效電感L ;剛度系數(shù)C可以類比電容C。；而力阻Rm可以類比電阻R ;摩擦力F則是類比成電壓降U ;機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)O類似變壓器的轉(zhuǎn)換電路線圈的匝數(shù)比； 聲源等效電路根據(jù)聲源的等效電路，可得聲源拉普拉斯變換沖擊響應(yīng)表達(dá)式
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測(cè)量方法，其特征在于，步驟(2)中所述傳輸網(wǎng)絡(luò)模型為四端網(wǎng)絡(luò)或者六端網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖石各向異性參數(shù)的測(cè)量方法，包括以下步驟建立薄片狀壓縮波換能器的機(jī)-電-聲網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出其電-聲沖激響應(yīng)和傳輸函數(shù)以及它的聲-電沖激響應(yīng)和傳輸函數(shù)；建立聲源系統(tǒng)和接收器系統(tǒng)構(gòu)成的巖石樣品聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的傳輸網(wǎng)絡(luò)模型，并分別計(jì)算出壓縮波和切變波在巖石樣品中的傳播過程中由聲源系統(tǒng)的電-聲轉(zhuǎn)換特性和接收器系統(tǒng)的聲-電轉(zhuǎn)換特性所引起的延遲；對(duì)于各向異性巖石樣品，建立確定P-波對(duì)應(yīng)45°相角方向上的能角的算法，保證通過對(duì)在該能角方向上測(cè)量的能速的計(jì)算而準(zhǔn)確地獲得45°相角方向上的P-波相速，從而計(jì)算出巖石樣品的剛度常數(shù)C13。本方法計(jì)算結(jié)果精確，適用于巖石物理技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N29/07GK102706965SQ20121019101
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者鞏稼民, 張延?xùn)|, 張?chǎng)? 李國輝, 法林, 申寧, 范瑾, 鄭雅娟 申請(qǐng)人:西安郵電大學(xué)