单轴应力作用下水饱和岩石声弹实验研究

发布时间：2020-07-04 10:49

【摘要】：大量岩石实验证明了岩石的声弹性现象的存在,即岩石的弹性波波速会随着岩石应力状态的改变而改变。岩石的声弹性现象为地应力无损检测提供了可能,目前许多研究利用声弹性理论来测量介质中的应力和三阶弹性模量,同时也可利用岩石孔周声速的大小来预测岩石中主应力的方向。在诸多声传播的介质中,岩石的非线性效应比其他介质明显,所以一直以来研究干燥岩石声弹性效应及其孔周声速的较多。而在流体饱和孔隙介质中,由于存在流体和固体耦合的非线性项,流体饱和孔隙介质的声弹性要比单相介质情况复杂。对于其三阶弹性模量测量会有一些困难,因此,目前对于水饱和岩石的声弹性效应和孔周声速的研究较少。进行干燥和水饱和岩石三阶弹性模量及其孔周声速的实验探究,对地应力的测量和理论研究都具有重要的研究意义。本文基于声弹理论,选用不同材料的两种天然岩石,分别测定了其在未烘干状态下、干燥状态下和水饱和状态下随单轴应力变化的声速,即纵波速度、偏振方向与应力平行和垂直的横波速度。基于声弹公式,利用最小二乘法和误差分析,我们分别得到了烘干前状态、烘干后状态和饱水后状态岩石的三阶弹性模量。然后,类比Biot理论,引入渗流体应变来修正声弹理论,建立了孔隙介质的声弹性等效模型。再次运用最小二乘法,求得流体饱和孔隙介质中流-固耦合的三阶弹性模量。利用这组流-固耦合的三阶弹性模量求出了水饱和岩石的理论速度值,发现此等效模型可以很好的描述了水饱和岩石中速度与应力的关系,从而证明了此等效模型的可行性。对于应力的测定,本文这部分内容是在第一部分的实验基础上发现的,即通过对锈石加载单轴压力,通过透射法,分别测量其在烘干前样品、烘干后样品以及饱水后样品声波随不同应力变化的波形图。我们发现声波波形的幅度值随应力的增加而发生线性的变化,从而认识到波形幅度携带应力信息。由拟合公式获取的应力值与实验应力值基本一致。这启发我们对于在应力作用下波形幅度变化明显的样品,可通过幅度来求取应力值。对于带孔锈石样品的孔周声速的测量,本文分别测量了其在烘干前样品、烘干后样品以及饱水后样品的孔周声速,即在不同方位角时、加载不同单轴应力时的纵波以及与应力方向平行和垂直的横波速度值。我们发现在带孔锈石1样品中,其负载应力速度大小随方位角的变化规律与以前学者的研究基本一致,即最大波速方向对应最小主应力方向,最小波速方向对应最大主应力方向。由于带孔锈石2材质原因,其干燥和水饱和样品的声速在0°和330°左右出现非正常极大值,但是锈石2在其他方位角处的声速变化规律与锈石1的结果是相似的。因此可见,由孔周应力集中引起的饱和孔隙介质的孔周方位声弹效应变化规律与弹性情况基本一致。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O347.41
【图文】：

在初始应力的影响下，介质中的声波速象。目前有许多的研究者已经对纯弹性固研究工作和拥有众多完善的结果。自从 B理论以来，在流体饱和孔隙介质的力学理了大量的研究工作，尤其在流体饱和孔隙导了干燥岩石的三阶弹性模量的理论公式立了饱和流体孔隙介质的声弹理论的等的理论推导 和 Brugger(1964)，设样品所受单轴沿坐标1 方向传播的平面波方程为 t ……………………………

图 3-1 实验装置图增加压力，测量不同应力状态下的纵波和横波速度，由速度测近的斜率，通过理论公式，得到三阶弹性模量值，结果显示干与流体饱和孔隙岩石的实验结果不匹配。类比其实验方法，本

【参考文献】

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6 尹尚先,王尚旭;弹性模量、波速与应力的关系及其应用[J];岩土力学;2003年S2期

7 曹正良,王克协,李刚,谢荣华,刘继生,吕秀梅;井孔压力与地层应力集中诱导的偶极弯曲波的分裂[J];地球物理学报;2003年05期

8 张培源,张晓敏,汪天庚;岩石弹性模量与弹性波速的关系[J];岩石力学与工程学报;2001年06期

9 王寅观，邵良华;三阶弹性常数的超声测量方法[J];同济大学学报(自然科学版);1995年05期

10 姜文华;测量三阶弹性常数的非线性声学方法[J];物理;1994年04期

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2 刘金霞;崔志文;王克协;;应力诱导的各向异性参数与纵横波反射系数[A];中国地球物理·2009[C];2009年

3 田家勇;王恩福;;基于声弹理论的地应力超声测量方法[A];中国地震学会第11次学术大会论文摘要集[C];2006年

4 马俊;王克协;李刚;刘金霞;谢荣华;刘继生;吕秀梅;;套管井应力诱导各向异性井孔声场的三维SV-FD数值模拟[A];中国地球物理学会第二十届年会论文集[C];2004年

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4 翟小洁;岩石在单轴受荷条件下的超声波特性研究[D];成都理工大学;2008年

本文编号：2741025