岩石粘弹性质的实验研究——衰减、波速频散及加卸载响应比

摘要

衰减、波速及其频散和加卸载响应比与岩石的粘弹性密切相关，本文从以上几个参量研究岩石的粘弹性质。
　　 关于衰减的研究很多，但通常比较笼统，没有说明或很少说明在多大应力振幅、应力作用周期或初应力水平下的衰减，侧重于用同一种方法测不同的样品，对同一块样品用不同方法测较宽频率域上的衰减研究相对较少。本文研究针对这两个方面定量地得出了应力振幅、初应力水平及应力作用周期对衰减（Q-1）的影响，在此基础上用蠕变实验对比了超声波实验下的衰减，联合已有的0.1～1MHz下Q值近似常量的规律，就可以得到同一块样品在较宽应力作用频率域内衰减随频率变化。
　　 为了找出衰减同初应力水平、应力振幅以及应力作用周期之间的关系，对大庆油田砂岩，分别在4.4MPa、8.8MPa、13.2MPa的初应力水平下（即振幅的基线），进行了一系列地震学中感兴趣的应变范围（10-6～10-3）内的等振幅（2.65MPa）变周期（60s、120s、150s、300s、600s）、等周期（100s）变振幅（0.85MPa、1.70MPa、2.65MPa、3.5MPa、4.35MPa）、三角波单轴压缩试验，定量地找出了衰减与三者关系，并用线性粘弹理论、内时理论、P-M模型给予了解释，利用已有的实验结果计算了内时理论模型参数α，用实验规律对未知应力振幅和作用周期下衰减值进行了预测并和实验值进行了对比，预测值和实验值符合很好。
　　 为了获得长周期下衰减，对大庆砂岩、郯庐断裂带合肥段紫蓬山干燥砂岩，在扣除应力振幅对衰减影响的基础上，在不同初应力水平下（8.8MPa、13.2MPa）
　　 进行时间为1小时、2小时、4小时、12小时、1天、2天、3天的蠕变实验，发现衰减随蠕变时间增大而增大，这与内时理论中关于衰减随应变振幅增大而增大的结论也一致。并将用应力应变曲线法计算出长时间大应变量下的衰减对比了相同初应力水平下超声波频率470KHz、700KHz 下测得的衰减，实验结果显示10-6～10-4Hz 下衰减要大于1MHz 下衰减，两者相差最多可达200％，除了不同方法对结果影响外还可能与频率有关，这种规律性与标准线性体衰减-频率理论推导一致。地下岩石长时间处于一定应力作用状态因此蠕变作用下衰减比其他方法测得的结果更接近于地层条件下岩石衰减。波速测量的研究也很多，通常强调的是实验的结果和规律性，对实验条件对结果造成的影响讨论较少，不同的测量条件会对实验结果造成偏差，即使同一块样品同一个人在不同的测量条件下获取的波速值也可能不同，研究各种因素对波速影响对规范测量条件获取准确波速是必要的。
　　 为了总结出测量条件对波速的影响，对上百块不同尺寸、不同衰减、空气干燥的样品（砂岩、大理岩、花岗岩、铁、铝、有机玻璃）用不同频率的换能器进行了波速测量，定量地得出样品长度、换能器频率、放大器倍数、耦合强度和耦合剂对波速的影响，揭示了尺寸和本征衰减对频散的影响，其中关于稳定波速所需的样品长度比现有推荐长度要小，说明推荐标准还有放宽可能。尝试了频散法测衰减得到了与频谱振幅比法相一致的结果，修正了岩体完整性系数，降低了不同频率完整性系数平均差。
　　 加卸载响应比理论对岩石破裂实验数据处理已取得很好效果，但对蠕变破裂过程的响应比的变化研究较少。为了从响应比的角度来研究整个蠕变破裂过程，本文通过逐级加载的蠕变实验获得了大理岩蠕变破裂全过程曲线，并进行了分解，计算了蠕变破裂过程中杨氏模量，蠕变量，蠕变速率等参数的加卸载响应比，讨论了蠕变各阶段响应比的变化。发现与已有的孕震破裂过程中响应比一致；杨氏模量随应力的响应曲线异于典型本构曲线，可能与岩石的弱化和稳态蠕变向加速蠕变过渡有关。
　　 实验结果显示衰减和响应比都随蠕变时间增加而增加，应力作用时间越长粘弹性表现的越明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1 章绪论

第2 章岩石流变模型

第3 章应力加载频率及振幅对砂岩衰减的影响

第4 章蠕变及超声波频率下的衰减

第5 章波速及其频散

第6 章岩石蠕变破裂过程中加卸载响应比的变化

第7 章结论和讨论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果