張佳佳，　張廣智，　吳國忱，　曹丹平，　宗兆云

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 青島 266580)

0　引　言

高等學(xué)校肩負(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重任，必須大力加強大學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)[1-3]?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)是中國石油大學(xué)(華東)首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點專業(yè)和國家特色專業(yè)，通過開展大量實驗教學(xué)和工程實訓(xùn)課程，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造性思維[4-6]。常規(guī)實驗教學(xué)中大多數(shù)要求學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書操作完成，加深對知識點的理解和掌握，但缺乏對實驗方案設(shè)計、實驗儀器調(diào)配和實驗方法選擇等多方面的綜合訓(xùn)練[7-9]。綜合實驗是將基礎(chǔ)理論知識以及各種實驗技能和實驗方法加以歸納、分析、相互滲透的一種有效的實驗形式，有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識和實驗技能解決實際問題的能力[10-11]。

對現(xiàn)有的巖石物理實驗課程進(jìn)行改革，設(shè)計了“壓力、溫度和流體對巖石速度的影響”綜合實驗，測量不同壓力、溫度和流體條件下的巖石速度，分析壓力、溫度和流體對巖石速度的影響。通過開設(shè)綜合實驗，鼓勵學(xué)生自己動手設(shè)計實驗方案，配置實驗儀器，利用理論知識分析實驗數(shù)據(jù)并總結(jié)實驗結(jié)論，充分調(diào)動學(xué)生實驗的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。

1　實驗設(shè)計和實施

1.1　實驗原理

巖石速度是地下巖石的的重要彈性參數(shù)之一，對于利用地震勘探原理對地下構(gòu)造、巖性以及油氣藏進(jìn)行勘探具有重要的指導(dǎo)作用[12]。測量巖石速度的方法有很多種，目前地震巖石物理中常用的是超聲波法[13]。

將巖石樣品放于兩個超聲波換能器之間，其中一個超聲波換能器是用來發(fā)射超聲波(包括縱波速度和橫波速度)，超聲波透過巖石樣品后，被另一個超聲波換能器接收(包括縱波速度和橫波速度)，通過數(shù)字示波器記錄超聲波波形。通過拾取超聲波初至?xí)r間，就可確定超聲波透過巖樣所需的時間，再用游標(biāo)卡尺測量巖石樣品的長度，就可以計算得到超聲波在巖樣傳播的速度[14]：

vP=L/tP,vS=L/tS

(1)

式中:vP和vS分別為巖石樣品的縱波速度和橫波速度；tP和tS分別為縱波和橫波透過巖樣所需的時間；L為巖石樣品的長度。

1.2　實驗儀器與材料

儀器：智能超聲P·S波綜合測試儀(HF-G型，揚州市廣陵專用超聲設(shè)備廠，同時測量縱波速度和橫波速度)，微機伺服巖石三軸試驗機(TAW-1000型，長春市朝陽試驗儀器有限公司，壓力范圍：0～70 MPa，溫度范圍：0～150 ℃)，游標(biāo)卡尺(MGS-YB-RF，福州瑪格森電子科技有限公司)。

材料：凡士林，橡膠套，O型圈。

1.3　實驗步驟

(1) 巖樣制取。實驗測試使用兩種規(guī)格的巖樣：φ50 mm×100 mm和φ25 mm×50 mm的圓柱體巖樣，其中φ50 mm×100 mm的巖樣用于測量頻率為500 kHz的超聲波換能器測試；φ25 mm×50 mm的巖樣用于測量頻率為1 MHz的超聲波換能器測試。利用巖石鉆樣機鉆取標(biāo)準(zhǔn)直徑的巖樣，再用巖石切磨兩用機切取合適的長度，最后用雙端面磨石機將巖樣端面磨平，以滿足精度要求。其中φ25 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣和實際制取的巖樣如圖1所示。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)巖樣示意圖與實際巖樣(mm)

(2) 巖樣封裝。在實驗測試過程中需要在巖樣和超聲波換能器的接觸面墊上鉛箔、涂沫凡士林并在巖樣兩端和周圍施加一定的壓力等方法以保證巖樣和超聲波換能器的耦合良好，才能使數(shù)字示波器接收到的縱波速度和橫波速度波形完整，初至明顯。

開展高溫高壓超聲波速度測量需要將巖樣封裝在高溫高壓反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜中的圍壓通過注入硅油來實現(xiàn)，因此巖樣必須和硅油彼此隔開，需要在巖樣周圍套上耐溫、耐油熱縮圈，兩端裝上超聲波換能器，再用彈性鋼圈和橡膠圈將熱縮管和超聲波換能器夾緊，這樣才能夠保證巖樣密封完好。圖2為巖樣密封示意圖與實際封裝巖樣。

圖2　巖樣密封示意圖與實際封裝巖樣

(3) 儀器校正。在巖石超聲波速度實驗測試時，由于超聲波頻率非常高，其波長往往只有幾個mm，因此實驗測試過程中一定要注意對測量儀器的誤差進(jìn)行校正以保證測試結(jié)果的精度要求。一般利用波速已知的標(biāo)準(zhǔn)巖樣來對測量儀器進(jìn)行校正，使用的標(biāo)準(zhǔn)巖樣包括有機玻璃、鋁和鋼3種，每種標(biāo)準(zhǔn)巖樣都有不同的長度。對標(biāo)準(zhǔn)巖樣分別測得不同長度下超聲波的傳播時間，以標(biāo)準(zhǔn)巖樣的長度為縱坐標(biāo)，超聲波傳播時間為橫坐標(biāo)作圖，得到的直線斜率的倒數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)巖樣的超聲波速度，而直線與時間軸的交點即為測試儀器的對零時間。測試儀器的對零時間通常由有機玻璃、鋼和鋁3種標(biāo)準(zhǔn)巖樣的對零時間取算術(shù)平均值。

(4) 巖樣測試。將巖樣裝載在高溫高壓反應(yīng)釜中，再使用TAW-1000型微機伺服巖石三軸試驗對巖樣加載軸壓和圍壓，并對反應(yīng)釜外的加熱圈進(jìn)行加熱，模擬地下高溫高壓環(huán)境。然后使用智能超聲P·S波綜合測試儀激發(fā)和接收超聲波，記錄超聲波波形，拾取超聲波初至?xí)r間，計算得到超聲波在巖樣傳播的速度。在測試過程中，要注意保持實驗條件的一致性，也就是要保持超聲波激發(fā)能量和接收增益的一致性[15]。

① 干燥巖樣實驗方案。首先將圍壓加載為5 MPa，再加載軸壓，為了消除滯后效應(yīng)及微裂紋對巖石速度的影響，以0.5 MPa/s的速度將差應(yīng)力(軸壓與圍壓之差)由5 MPa升至20 MPa，再以同樣速度將差應(yīng)力由20 MPa降至5 MPa，進(jìn)行兩個循環(huán)，并且在這兩個循環(huán)中不進(jìn)行巖石超聲波速度測量。然后將保持圍壓不變，差應(yīng)力依次設(shè)置為5、8、11、14、17和20 MPa，分別測量縱橫波聲波時差，該圍壓下實驗測試完畢。然后將圍壓以5 MPa的步長增大至40 MPa，在每一個圍壓下，差應(yīng)力均依次設(shè)置為5、8、11、14、17和20 MPa，差應(yīng)力隨時間的變化曲線如圖3所示。具體實驗方案見表1。

圖3巖樣壓力加載路徑

表1　干燥巖樣實驗方案

② 飽和巖樣實驗方案。首先將巖石放置加壓飽和儀中，配置一定礦化度的鹽水來模擬地下地層水，對巖樣進(jìn)行真空加壓飽和，飽和時長24 h。然后裝載在高溫高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行飽和巖樣的超聲波速度測量。飽和巖樣實驗方案同干燥巖樣類似，只是圍壓的增長步長變大，差應(yīng)力也隨著增大，同時溫度也逐漸升高，并且始終保持1 MPa的孔隙壓力。具體的實驗方案見表2。

表2　飽和巖樣實驗方案

2　實驗結(jié)果與討論

2.1　壓力對巖石速度的影響

指導(dǎo)學(xué)生依次測量不同壓力下的干燥巖樣的超聲波速度，記錄并作圖顯示。圖4為干燥巖樣縱波速度和橫波速度隨壓力的變化規(guī)律以及擬合關(guān)系式。從圖中可以看到：隨著壓力增加，干燥巖石的縱波速度和橫波速度均逐漸增加；當(dāng)壓力較低時，縱波速度和橫波速度增加較快；當(dāng)壓力增加到一定程度時，縱波速度和橫波速度趨于平緩。由此分析可得：當(dāng)壓力較低時，巖石中微孔隙含量較多，導(dǎo)致速度偏低；隨著壓力逐漸增加，巖石中微孔隙逐漸關(guān)閉，速度逐漸增高；當(dāng)壓力增加到一定程度時，巖石中微孔隙已經(jīng)全部關(guān)閉，速度就逐漸趨于平緩。

(a)

(b)

圖4干燥巖樣的縱波速度和橫波速度隨壓力的變化規(guī)律

2.2　溫度對巖石速度的影響

圖5為飽和巖樣縱波速度和橫波速度隨壓力的變化規(guī)律以及擬合關(guān)系式。從結(jié)果可以看到：隨著溫度增加，巖石的縱波速度和橫波速度均逐漸降低。從溫度室內(nèi)溫度25 ℃升到100 ℃，縱波速度最大下降約140 m/s，橫波速度最大下降約110 m/s，縱波速度相對下降3%，而橫波速度相對下降4%。由此分析可得：對于飽和含水巖石來說，當(dāng)溫度沒有高到引起巖石狀態(tài)發(fā)生明顯變化導(dǎo)致巖石骨架產(chǎn)生新的微裂隙的時候，溫度對巖石速度的影響比較小。

(a)

(b)

圖5飽和巖樣的縱波速度和橫波速度隨溫度的變化規(guī)律

2.3　流體對巖石速度的影響

由于干燥巖石等同于飽和含氣巖石，因此將相同壓力和溫度條件下的干燥巖樣和飽和含水巖樣的速度對比分析，就可以確定不同的孔隙流體類型對巖石速度的影響。圖6為同一塊巖樣在飽和含氣和飽和含水條件下隨壓力的變化規(guī)律。從結(jié)果可以看到：隨著壓力增加，含氣巖石和含水巖石的縱波速度和橫波速度均逐漸增加，含水巖石的縱波速度始終大于含氣巖石的縱波速度，含水巖石的橫波速度始終小于含氣巖石的橫波速度。由此分析可得：當(dāng)巖石孔隙由完全含氣變?yōu)橥耆?，縱波速度增加，而橫波速度降低。

(a)

(b)

圖6干燥巖樣與飽和巖樣的縱波速度和橫波速度比較

3　結(jié)　語

通過綜合實驗測量可以得到：① 巖石的縱波速度和橫波速度均隨著壓力增加而逐漸增加；② 巖石的縱波速度和橫波速度均隨著溫度增加而逐漸降低；③ 巖石含水后縱波速度增加，而橫波速度降低。

開展巖石物理綜合實驗，指導(dǎo)學(xué)生對實驗測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗去發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，不僅幫助學(xué)生加深理解課本上學(xué)習(xí)的理論知識，而且鍛煉學(xué)生實驗操作能力和數(shù)據(jù)處理分析能力，培養(yǎng)學(xué)生的知識綜合運用能力和創(chuàng)新實踐能力。例如在本綜合實驗的實施和支持下，勘查技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生已經(jīng)成功完成2項國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目，項目成績均被評為優(yōu)秀。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]曹國震. 高等學(xué)校的創(chuàng)新教育與培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的探索[J]. 教育教學(xué)論壇, 2015(8): 156-157.

[2]李靜. 有效發(fā)揮高校在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用[J]. 教育教學(xué)論壇, 2014(11): 57-58.

[3]劉志明. 高等工程教育培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的思考[J]. 中國高教研究, 2003(9): 11-14.

[4]李振春, 印興耀, 孫成禹, 等. 勘查技術(shù)與工程專業(yè)卓越計劃工程教育培養(yǎng)模式探索[J]. 中國地質(zhì)教育, 2013(2)：58-60.

[5]張廣智, 宋建國,李振春, 等. 對勘查技術(shù)與工程專業(yè)實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的一些思考[J]. 中國地質(zhì)教育, 2011(2)：5-9.

[6]曹丹平, 印興耀, 李振春. 加強勘查技術(shù)與工程專業(yè)工程實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)的探討[J]. 石油教育, 2013(6): 49-52.

[7]元澤懷. 開放式設(shè)計性綜合實驗課程教學(xué)的改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(11):120-122.

[8]朱莉. 改革實驗教學(xué), 培養(yǎng)創(chuàng)新能力[ J] .實驗技術(shù)與管理, 2003, 20(1):70-72.

[9]段曉英, 姚天明, 楊勇, 等. 巧設(shè)綜合實驗 提升綜合能力[J]. 實驗室研究與探索, 2008, 27(4): 97-99.

[10]嚴(yán)文凱, 孫盾, 張勇, 等. 研究型綜合實驗的開發(fā)與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2013, 30(3): 147-151.

[11]周秦武, 張博, 張大龍, 等. 以項目驅(qū)動為導(dǎo)向的專業(yè)綜合實驗課程設(shè)計與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(3): 183-185.

[12]陸基孟, 王永剛. 地震勘探原理[M]. 北京: 中國石油大學(xué)出版社, 2011: 315-319.

[13]任科英. 實驗室?guī)r心聲學(xué)速度測試中的頻散現(xiàn)象[J]. 石油地球物理勘探, 2011, 46(5) : 779-782,836,665.

[14]DZ/T 0276.4-2015, 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗規(guī)程第24部分: 巖石聲波速度測試, 中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[15]唐杰. 各向異性巖石的靜態(tài)模量與動態(tài)模量實驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 33(S1): 3185-3191.