专利名称：一种新的岩石各向异性参数的精确测量方法
技术领域：
本发明属于岩石物理技术领域，涉及一种新的岩石各向异性参数的精确测量方法。
背景技术：
声信号在岩石样品(简称岩样)中传播速度的测量装置如图I所示。它由薄片声源换能器(简称声源)、薄片接收换能器(简称接收器)和岩样构成。图I中I是岩样的长度。电驱动信号激励声源发射声信号，经岩样传播到声波接收器，转换成电信号后被记录下来。传统的声信号在岩样中的传播速度的测量方法是将电驱动信号激励声源的时刻作为辐射的声信号在岩样中传播的起始时间，将传播到接收器的声信号被转换成电信号后的时刻作为声信号到达接收器的时间，进而用岩样的长度除以上述声信号在岩样中“视传播时间”得到其在岩样中的传播速度。没有考虑声源的电-声转换特性和接收器的声-电转换 特性对测量的声信号产生的传输延迟和滤波作用，因而获得的声信号在岩样中的传播速度与真实的声波速度之间会产生一定的差异。地球内部的实际岩层通常是存在着一定的各向异性的。岩石的各向异性通常被认为切向各向同性的。Backus和Au I d论述了岩石的切向各向同性的性质可用固体物理中的六角系统来描述。关于垂直轴对称的切向各向同性介质被称为VTI介质。VTI介质模型通常应用于水平层状地层的地震勘探的正演数值计算和地震勘探数据的反演解释。关于水平轴对称的切向各向同性介质被称为HTI介质。HTI介质模型应用于井间地震测量的正演数值计算及其数据资料的反演解释。将VTI介质或HTI介质绕水平轴旋转一定的角度就变成了 TTI介质。TTI介质模型则用于斜层存在的情况下的地震勘探或VSP测量的正演数值计算和测量数据的反演解释。从19世纪至今，物理学家和地球物理学家对介质(包括岩石)的各向异性做了大量的研究。Kelvin(1856)和Christoffel (在原理上都对各向异性介质的相速做出了理论上的阐述。Rudzki (1897，1898)对VTI和正交各向异性介质进行了特别处理并讨论了它们的相速。Daley和Hron以及Carcione给出了在VTI介质中传播的准纵波和准横波的相速的解，给出了 VTI介质之间界面上产生模式转换波相速的解是唯一的。Fa等人的计算结果显示了 VTI介质之间界面上产生模式转换波相速可以存在多解，相应地可以在过入射临界角范围中存在一个异常入射角。他们的目的是研究各向异性对声信号在介质中的传播和散射这两个基本问题的影响。即使是对于均匀各向异性弹性介质，除了简正(或退化)模式夕卜，在一般情况下声信号的相速和能速的大小和方向都是不相同的。声信号在固体媒质或岩层中是按照能速的大小和方向传播的。除了各向异性特性外，通常地下岩石还具有一定的声衰减特性。在岩石中传播的声信号由许多频率分量构成。声信号在传播过程中，岩石对声信号的各个频率分量产生的声衰减是不同的。声信号的各个频率分量在岩石中的传播速度也是不同的。因此在岩石中传播的声信号的传播速度不仅是其传播方向的函数(由岩石的各向异性引起)，而且声信号各个频率分量的传播速度还与其频率相关。由于声衰减作用，到达接收器的声信号的频率分量的构成发生变化，引起声信号的时域波形发生变化。再经接收器的声-电转换，转换成电信号，其频率特性和时域波形进一步发生变化，并会产生一定的声-电传输延迟。传统的测量声信号在岩样中传播速度的方法是对在接收电路中或对采集的声信号的处理软件设一门槛电压值，当被接收器转换成的电信号的首波幅度值大于这个门槛值时，认为这个时刻减去电驱动信号的出现时刻就是声信号在岩样中传播时间，并除以岩样长度1，获得声信号在岩样中的传播速度。从严格的理论上讲，任何具有声衰减特性的介质是不存在一个固定的声波传播速度的，即声波信号在具有声衰减特性的介质中的传播速度是测不准的。然而，地震勘探信号的主频只有30Hz左右，声波测井信号的中心频率为IOkHz 20kHz，小几何尺寸岩样的声学参数测量过程中，所采用的声信号的中心频率也仅为几百kHz。对于大多数固体介质，其粘性系数是非常小的，即使是在频率高达IGHz时，对于准P-波、准SV-波和SH-波分别存在关系nn/Cn)2 << I、(co 1I44/C44)2 << I和(Co n66/Cn)2 << I。由准P-波、准SV-波和SH-波的色散关系可知，在上述声信号频率范围内，尽管岩石可以使得传播的声信号的各个频率分量产生不同的声衰减，即引起声信号的时域波形发生一定的变化，但是仍然可以近似认为声信号的各个频率分量在岩石中的传播速度是相同的。这里《是声信号各频率分量的角频率，nn、n44和n66是岩石的粘滞系·数张量分量；cn、c44和C66是岩石的刚度常数张量分量。因此可以近似认为岩石的声衰减特性不影响声信号的传播速度，声信号的相速和能速仅仅是岩石的物理参数和它在岩石中传播方向的函数。现有技术存在以下缺陷I.传统的声信号在岩样中的传播速度的测量方法没有考虑声源的电-声转换特性和接收器的声-电转换特性对测量的声信号产生的传输延迟和滤波作用，因而获得的声信号在岩样中的传播速度与真实的声波速度之间会产生一定的差异。2.之前技术测量准P-波、准SV-波和SH-波在岩样中的传播速度时，一是没有考虑声源的电-声转换和接收器的声-电转换对测量得到的声信号产生的传输延迟，使得测量在岩样中准P-波、准SV-波和SH-波的传播速度与实际的传播速度有所差异。因而不能精确地获得岩样的五个刚度常数；二是上述测量方法在理论上可以准确地获得岩样的四个刚度常数C33，C11, C44和C66，但是在岩样的45°方向上，测量得到的是该方向的能速Vep (45° )。该测量方法不是用相速Vp (45° )、而是用测量得到的能速Vep (45° )来计算刚度常数C13的，因而获得的C13是不准确的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种新的岩石各向异性参数的精确测量方法，构建了岩石样品的声信号子波传输网络模型(四端网络，六端网络)，建立由于声源系统的电-声转换特性和接收器的声-电转换特性引起的声信号子波的记录延迟的理论关系，精确地测量声信号子波在岩石样品中的真实传播速度；建立计算P-波在各向异性岩石样品中对应45°相角方向上的能角的理论算法，为精确的测量各向异性岩石样品的刚度常数C13提供理论依据。其技术方案为一种新的岩石各向异性参数的精确测量方法，包括以下步骤
(I).建立薄片状压缩波换能器的机-电-声网络，推导出其电-声冲激响应和传输函数以及它的声-电冲激响应和传输函数将声学测量过程类比成一个由电-声传输子系统、介质声传输子系统和声-电传输子系统构成的一个信号传输系统，声源的电学端为系统的输入端，接收器的电学端为系统的输出端。和113(1:)分别是声源的电-声冲激响应、岩样的声学冲激响应和接收器的声-电冲激响应，U1Uhxahpa)和u2a)分别是电驱动信号、声源辐射的声信号、通过岩样传播到接收器的声信号和被接收器转换成的电信号，声波传输网络可以表示为U2 (t) = U1 (t) ^h1 (t) *h2 (t) *h3 (t)(2)建立声源系统和接收器系统构成的岩石样品声学参数测量的传输网络模型，并分别计算出压缩波和切变波在岩石样品中的传播过程中由声源系统的电-声转换特性和接收器系统的声-电转换特性所引起的延迟，分析转换对信号相位和幅度的影响，确定相位和幅度的变化，精确地测量声信号子波在岩石样品中的真实传播速度。在力学网络里的质点位移V，类比为电学网络的电流I ;质量m类比为近似等效电感L ;刚度系数C可以类比电容C。；而力阻Rm可以类比电阻R ;摩擦力F则是类比成电压降U ;机电转换系数O类似变压器的转换电路线圈的匝数比；以四端网络为例，声源等效电路根据声源的等效电路，可得声源拉普拉斯变换冲击响应表达式
权利要求
1.一种新的岩石各向异性参数的精确测量方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)建立薄片状压缩波换能器的机-电-声网络，推导出其电-声冲激响应和传输函数以及它的声-电冲激响应和传输函数 将声学测量过程类比成一个由电-声传输子系统、介质声传输子系统和声-电传输子系统构成的一个信号传输系统，声源的电学端为系统的输入端，接收器的电学端为系统的输出端，^(t), h2(t)和113(0分别是声源的电-声冲激响应、岩样的声学冲激响应和接收器的声-电冲激响应七⑴^⑴^⑴U2(t)分别是电驱动信号、声源辐射的声信号、通过岩样传播到接收器的声信号和被接收器转换成的电信号，声波传输网络可以表示为 U2 (t) = U1 (t) ^h1 (t) *h2 (t) *h3 (t) (2)建立声源系统和接收器系统构成的岩石样品声学参数测量的传输网络模型，并分别计算出压缩波和切变波在岩石样品中的传播过程中由声源系统的电-声转换特性和接收器系统的声-电转换特性所引起的延迟。分析转换对信号相位和幅度的影响，确定相位和幅度的变化，精确地测量声信号子波在岩石样品中的真实传播速度； 在力学网络里的质点位移V，类比为电学网络的电流I ;质量m类比为近似等效电感L ;刚度系数C可以类比电容C。；而力阻Rm可以类比电阻R ;摩擦力F则是类比成电压降U ;机电转换系数O类似变压器的转换电路线圈的匝数比； 声源等效电路根据声源的等效电路，可得声源拉普拉斯变换冲击响应表达式
2.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于，步骤(2)中所述传输网络模型为四端网络或者六端网络。
全文摘要
本发明公开了一种岩石各向异性参数的测量方法，包括以下步骤建立薄片状压缩波换能器的机-电-声网络，推导出其电-声冲激响应和传输函数以及它的声-电冲激响应和传输函数；建立声源系统和接收器系统构成的岩石样品声学参数测量的传输网络模型，并分别计算出压缩波和切变波在岩石样品中的传播过程中由声源系统的电-声转换特性和接收器系统的声-电转换特性所引起的延迟；对于各向异性岩石样品，建立确定P-波对应45°相角方向上的能角的算法，保证通过对在该能角方向上测量的能速的计算而准确地获得45°相角方向上的P-波相速，从而计算出岩石样品的刚度常数C13。本方法计算结果精确，适用于岩石物理技术领域。
文档编号G01N29/07GK102706965SQ20121019101
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者巩稼民, 张延东, 张雯, 李国辉, 法林, 申宁, 范瑾, 郑雅娟 申请人:西安邮电大学
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