聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)原理.doc

聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)一.原理聲發(fā)射是指材料在受到外載荷作用時(shí)，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波從而發(fā)出聲響的現(xiàn)象。德國(guó)物理學(xué)家Kaiser發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一次應(yīng)力作用的磁滯材料如金屬，當(dāng)再次加載到先前經(jīng)受過(guò)的應(yīng)力水平后，其聲發(fā)射活動(dòng)將突然增加，這種巖石的聲發(fā)射活動(dòng)能夠“記憶”巖石所受過(guò)的最大應(yīng)力的效應(yīng)成為Kaiser效應(yīng)。從很少產(chǎn)生聲發(fā)射到大量產(chǎn)生聲發(fā)射的轉(zhuǎn)折點(diǎn)成為Kaiser點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)理論正是利用Kaiser點(diǎn)的測(cè)取來(lái)得到地應(yīng)力的大小。通常認(rèn)為聲發(fā)射是巖石的微破裂造成的，在巖石承載大于歷史最大應(yīng)力條件時(shí)，巖石出現(xiàn)新的微破裂，產(chǎn)生較強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)，出現(xiàn)Kaiser點(diǎn)。但實(shí)際情況往往會(huì)出現(xiàn)在最近一次應(yīng)力歷史中所曾受到過(guò)的最大應(yīng)力處的Kaiser效應(yīng)較為明顯，并非遵循上面的理論解釋，并且對(duì)于某些試樣，聲發(fā)射信號(hào)過(guò)于劇烈且頻繁，Kaiser點(diǎn)難于確定，于是采用重復(fù)加載的方法，利用抹錄不盡點(diǎn)來(lái)尋找Kaiser點(diǎn)。二.常規(guī)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)常規(guī)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)指的是單軸加載條件下的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)。1. 實(shí)驗(yàn)裝置 主要由聲發(fā)射儀、載荷傳感器、伺服增壓器、控制器、液壓源以及加壓缸組成。圖1. 常規(guī)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置2. 實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程 MTS電液伺服系統(tǒng)以某一加載速率均勻的給巖樣施加軸向載荷，聲發(fā)射探頭牢固的貼在巖心側(cè)面上，用它來(lái)接受受載過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，巖樣所受的載荷及聲信號(hào)同時(shí)輸入Locan AT14ch聲發(fā)射儀進(jìn)行處理、記錄，給出巖樣的聲發(fā)射信號(hào)隨載荷變化的關(guān)系曲線。由上述的Kaiser效應(yīng)原理，在聲發(fā)射信號(hào)曲線圖上找出聲發(fā)射信號(hào)明顯增加處，記錄下此處載荷大小，即為巖石在地下該方向所受的地應(yīng)力。據(jù)此，可以求得試驗(yàn)巖石在深部地層所受的地應(yīng)力（指主應(yīng)力）。3. 實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)解釋由于巖石在地下受三向力作用，所以要在不同方向取心進(jìn)行試驗(yàn)，通常在室內(nèi)對(duì)取自現(xiàn)場(chǎng)的巖心要在垂直方向取一塊，在垂直巖心軸線平面內(nèi)相隔45度取三塊（如圖2所示），由上述四個(gè)方向巖心進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得四個(gè)方向的正應(yīng)力，利用以下公式確定深部巖石地應(yīng)力。圖2 聲發(fā)射巖心取樣示意圖 （1） （2） （3） （4）其中：為上覆地層應(yīng)力：、分別為最大、最小水平主地應(yīng)力；為地層孔隙壓力；為有效應(yīng)力系數(shù)；為垂直方向巖心Kaiser點(diǎn)應(yīng)力；、分別為0、45、90三個(gè)水平方向巖心Kaiser點(diǎn)應(yīng)力。三. 圍壓條件下的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)當(dāng)所取巖心的井深大于3000米時(shí)，若按照常規(guī)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)方法對(duì)巖樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，巖樣常常在Kaiser點(diǎn)出現(xiàn)之前就發(fā)生破壞，采集到的信號(hào)是巖樣的破裂信號(hào)，而不是Kaiser效應(yīng)的信號(hào)。因此就無(wú)法用聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)來(lái)測(cè)定巖心所處地層的原地應(yīng)力大小。為此，提出了圍壓下的聲發(fā)射Kaiser實(shí)驗(yàn)，旨在提高巖樣的抗壓強(qiáng)度，希望Kaiser點(diǎn)出現(xiàn)在巖樣破壞前，能清晰辨別的Kaiser點(diǎn)。 但這種方法同時(shí)帶來(lái)些問(wèn)題，那就是Kaiser點(diǎn)出現(xiàn)與圍壓之間的相關(guān)性。Kaiser效應(yīng)是巖石具有記憶性的表現(xiàn)，是巖石發(fā)生蠕變后重新加載的一種反應(yīng)，它與巖石所處地層環(huán)境和地層受力歷史有關(guān)，從理論上很難獲取Kaiser點(diǎn)與圍壓之間的關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)可獲得一些不同巖性沉積巖的Kaiser點(diǎn)與圍壓之間的普通規(guī)律，根據(jù)這些規(guī)律可解釋巖心所處地層的原地應(yīng)力大小。1. 實(shí)驗(yàn)裝置圍壓下聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法測(cè)定地應(yīng)力的方法，除了加圍壓和信號(hào)接收方式不同外，基本上同常規(guī)聲發(fā)射試驗(yàn)方法一樣。圖3.圍壓下聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置2. 實(shí)驗(yàn)步驟 MTS電液伺服系統(tǒng)以某一加載速率均勻地給在高壓井筒內(nèi)的巖樣施加軸向載荷（巖樣同時(shí)承受圍壓），聲發(fā)射探頭牢固地貼在柱塞上，柱塞與巖心端面密切接觸，用它來(lái)接收受載過(guò)程中巖石的聲發(fā)射信號(hào)，巖樣所受的載荷及聲信號(hào)同時(shí)輸入Locan AT-14ch聲發(fā)射儀進(jìn)行處理、記錄，給出巖樣的聲發(fā)射信號(hào)隨載荷變換的關(guān)系曲線圖。從聲發(fā)射信號(hào)曲線圖上可找出相應(yīng)的圍壓條件下的Kaiser點(diǎn)出受載應(yīng)力值。3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋 解釋圍壓條件下Kaiser實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是：取若干巖樣，彼此尺寸相近，在高壓井筒內(nèi)圍壓條件下，施加一定軸向載荷，不同圍壓條件下尋求Kaiser點(diǎn)處的受載應(yīng)力值，尋找Kaiser點(diǎn)處的受載應(yīng)力值與圍壓的一些規(guī)律。用試驗(yàn)測(cè)得的Kaiser效應(yīng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力減去由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料得到的垂向主應(yīng)力，可以得到兩者差值隨圍壓的變化曲線，將Kaiser效應(yīng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力減去回歸得到的直線表達(dá)式，就可以得到圍壓下Kaiser效應(yīng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與零圍壓下應(yīng)力的轉(zhuǎn)換關(guān)系式： （5）其中：（）為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Kaiser效應(yīng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；為圍壓值；為零圍壓下相應(yīng)方向的正應(yīng)力。此時(shí)得到了、和，再利用公式（1）（4）計(jì)算出主地應(yīng)力，a,b分別為Kaiser效應(yīng)對(duì)應(yīng)應(yīng)力與圍壓回歸直線的斜率和截距。 圍壓下巖石的Kaiser效應(yīng)作為測(cè)定深