生物礁储层岩样含水饱和度与纵横波品质因子的超声波实验研究

生物礁储层岩样含水饱和度与纵横波品质因子的超声波实验研究 生物礁储层岩样含水饱和度与纵横波品质 因子的超声波实验研究 科学论坛 I? 生物礁储层岩样含水饱和度与纵横波品质因子的超声波实 验研究 彭鑫 (1.成都理工大学信息工程学院成都610059 王忠桃 2.成都理工大学网络学院成都610059) [摘要]本文利用MTS岩石物理测试系统,开展了生物礁储层碳酸盐岩岩样含水饱和度与纵横波品质因子的超声波实验研究.研究表明:随着含水饱和 度的增加纵波速度增加,而横波速度减小:纵波速度相对变化量比横波相对变化量大:纵横波的主振幅与纵横波品质因子呈强相关性:对于纵波,在中间含水饱和 度时品质因子Q出现最小值:对于横波,随含水饱和度增加Q值减小,在开始时随饱和度的增加Q值迅速下降,其后当饱和度达到…定值时,变化趋缓. 【关键词]谱比法纵横波品质因子衰减超声波实验 中图分类号:P631.41文献标识码:A文章编号:1009913X(2010)16,004602 生物礁油气储层在油气勘探开发中占有十分重要的地位,但生物礁储层常 常面临的主要问是预测难度大,钻探成功率低.因此,探讨超声波在不同类 型生物礁储层岩样传播过程中衰减的变化规律,可为生物礁储层地震响应特征 的研究提供实验依据,将会对降低储层预测的多解性和钻探风险有着十分重要 的作用.+ 1岩样品质因子(衰减)实验测量的技术 基于MTS岩石物理参数测试系统的特点,本方主要讨论如何通过脉冲透射 法来测量岩石的纵横波衰减,获取岩样的品质因子.地震波的衰减通常用品 质因子Q来刻划其特征.对于在均匀介质中传播的平面波,其振幅谱可表示 为: A(fG(x)e一(力,啪(1,1) 式中:h:振幅;f:频率x:波传播的距离:G(X):几何扩散因子:(71(f): 与频率有关的衰减系数. 假定在测量频率范围内,a(f)是频率的线性函数,即: )=?'(卜2) 式中:Y为常数,Y与品质因子,即Q值的关系为: g=(1-3)W 式中:v为实验室测试速度. 平面波振幅除受地层衰减影响外,还受几何扩散等因素的影响,为了消除 几何扩散的影响,仅测量衰减对平面波振幅的影响,可用测量两个样即参考样 和岩样的方法来消除几何扩散等因素的影响,测量超声波分别透过参考样和岩 样的振幅谱. 参考样的谱为 A1(,)=GI(x)e""口(1,4) 岩样的谱为 42(. ,)=qae-~2(f)xg'.研一(1-5) 当两个测试样的几何形状,测试(直径,传感器,安装排列方式) 相同时,Gl()和G2)是与频率无关的比例因子.则富氏振幅谱的比值为 =gr矗(1__6) )) 两边取自然对数得 州(器)(1._7) 式中:为样品长度.当Gl()和()与频率无关时,可由铆Ar两(f)) 46i科技博览 图1—1岩样,与Sw之间的关系 的最小二乘拟合线的斜率求得(),一).若参考样的Q值已知时,则可求出 岩样的.若参考样的Q值非常大,即Q兰?,=0,则2可直接从最小二乘 拟合线的斜率求得,从而由(卜3)式计算出岩样的Q值.通常将这种测试计算 方法称为"谱比法". 2生物礁储层岩样的品质因了测试结果分析 21含水饱和度对纵横波速度的影响 本次测试是在温度25?,围压为OMPa,轴压IOKN条件下通过改变含水饱 和度进行测试,通过不同含水饱和度的测试结果分析,由图1—1表明,岩样随着 含水饱和度的增加,纵波速度都有不同程度的增加,相对变化量在l0.3%一l6. 8%之间:横波速度减小,相对变化量在1.03%一7.56%之间:但是纵波速度相对 变化量绝对值大于横波相对变化量绝对值.因为,对横波而言,它在介质中传 播时,不会引起介质孔隙体积的变化,而流体本身也不具有抗剪能力,因此横波 速度不受孔隙流体的影响,剪切横量不变,而岩样密度有所增加,因此横波速度 降低. 22流体饱和度对纵横波品质因子的影响 由图卜2表明,孔隙度大的岩石,Q值较小:纵波品质因子在饱和度低和高 的时候,衰减并不是很大,在30%一70%之间,Q值达到最小,衰减最大,最后逐 渐变大:但是含水饱和度100%时的Q值比含水饱和度0%时的Q值要小,三块岩 样Q值分别降低了4.84%,7.14%,l2.5%:横波品质因子随含水饱和度增加 而减小,始Q值降低得快,最后变化得很缓慢,三块岩样Q值分别降低了1. 56%,2.98%,3.41%.纵横波品质因子与纵横波主振幅呈强相关性,相关系 数的平方达到了0.9213以上. 纵波在部分饱和水的情况下,会出现品质因子最小,衰减最大的情况.由 于在湿岩石中,孔隙中渗透一部份的液体,这样会在骨架颗粒间行成一个薄薄 的液膜,增加了岩石的黏滞性,起到减少超载压力和保持裂纹张开的作用.当 地震波穿过岩石时,将会引起骨架颗粒之间相对运动,这种相对运动将消耗应 力波能量以克服液体的粘滞阻抗,造成应力波的衰减.因此,颗粒边界液膜的 存在可能是地地震波衰减的一个重要原因.岩石完全饱水后,岩石和液体相 对运动减小,从而衰减也变小,品质因子变大. 孔隙介质中的流体引起波的衰减,其机理是复杂和多方面的.衰减应该 是各种机理共同作用的结果,岩石部分饱水后,纵横波Q值随饱和度的变化与 不同阶段的孔隙流体分布状况有关,而孔隙尺度的流体分布方式又取决于L隙 空间的微观几何结构,系统的表面自由能及岩石的饱和度,部分饱和流体分 布的不均匀性还与孔隙的几何形状及其表面的化学性质有关.因此,流体饱 和度对纵横波Q值影响是非唯一的,Q值随饱和度的变化规律并不完全由孔隙 流体的饱和程度所决定. (A) 图卜2h—Q和主振幅与, 之间的关系 3主要认识与结论 (1)纵波速度随含水饱和度增加而增加,横波减小:纵波速度相对变化绝对 值大于横波速度相对变化绝对值. (2)纵横波主振幅值与纵横波品质因子呈强相关性,相关系数的平方达到 0.9213以上. 浅谈建筑结构的抗震设计 官伟兴 (华汇工程设计集团有限公司浙江绍兴312000) 科学论坛 ?I [摘要]近两年来我国地震频发,地震是一种自然现象,它具有无法预报,破坏严重的特点.因而在工程中尽可能的减小震害就显得t分重要.建筑 结构中抗震设计主要包括三方面的内容:概念设计,计算设计和构造措施. [关键词]抗震设计概念设计抗震计算构造措施 中图分类号:TU973+.31文献标识码:A文章编号:1009—913X(2010)16004701 随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展,结构抗震设计思路也经历了 , 系列的变化.经历了由弹性到非线性,由基于经验到基于非线性理论,由单 纯保证结构承载能力的"抗"到允许结构屈服,且赋予结构一定的非弹性变 形性能力的"耗"的一系列转变.现在的结构抗震设计包含三个层次的内 容:概念设计,抗震计算及构造措施. 1抗震概念设计 11概念设计的含义 所谓的概念设计一般指不经数值计算,特别在一些难以作出精确理性分析 或在规范中难以的问题中,根据整体结构体系和分体系之间的力学关系, 结构破坏机理,震害,试验现象与工程经验所获得的基本设计原则及设计 思想,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置与抗震细部措施的宏观控制. 利用概念性近似估算方法,能够在建筑设计的阶段迅速,有效地对结构 体系进行构思,比较与选择,易于手算.所得方案往往概念清晰,定性正 确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有很好的经济可靠性能. 1.2概念设计的重要性 概念设计和抗震计算相比起着更为决定性的作用,这是因为地震及地面运 动的不确定性与复杂性及对结构的复杂影响尚未被掌握.另一方面,结构地 震计算理论当前尚不能充分反映地震时结构反应与破坏的复杂过程. 由此可知,仅仅依据抗震计算结果而完成的抗震设计有时是片面的,甚至 是不安全的. 1.3概念设计的应用与发展 运用概念设计的思想,也可使结构设计的思路得到了拓宽.传统的结构 计算理论的研究与结构设计似乎仅关注如何提高结构抗力,以至混凝土的等级 越用越高,配筋量越来越大,造价越来越高.结构工程师往往仅注意到不超过 最大配筋率,结果肥梁,胖柱,深基础处处可见.用抗震设计为例,一般是 按照初定的尺寸,砼等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,然后算 配筋.可是大家知道,结构刚度越大,地震作用效应越大,配筋越多,刚度越 大,地震力就越强.因此为抵御地震而配的钢筋,增加了结构的刚度,反而使 地震作用效应增强.其实,为什么不考虑降低作用效应呢?当前在抗震设计 中,隔震消能的研究就是一个很好的例子.隔震消能的一般作法是在基础和 主体之间设柔性隔震层:增设消能支撑(类似于阻尼器的装置):有的在建筑物 顶部装一个"反摆",地震时它的位移方向和建筑物顶部的位移相反,从而对 建筑物的振动加大阻尼作用,降低加速度,减少建筑物的位移,来降低地震作用 效应.合理设计可降低地震作用效应达60%,且提高屋内物品的安全性.这 一 研究在国内外正全面地深入展开.在日本,研究成果已经广泛应用于实际 工程中,取得良好的适用,经济效果. 概念设计的思想被很多的结构工程师所接受,且将在结构设计中发挥越来 越大的作用.随着社会经济的发展及人们生活水平的提高,对建筑结构设计 也提出了更高的要求.发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型轻 质,高强,环保建材的研究和应用,当务之急是使建筑结构设计更加安全, 适用,经济,可靠. 2抗震计算 结构抗震计算可分为地震作用计算和结构抗震变形验算两个部分. 21地震作用计算 一 般情况下,要允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用且 进行抗震验算,各方向的水平地震作用要由该方向抗侧力构件承担.有斜交抗 侧力构件的结构,当相交角度大于15.时,要分别计算各抗侧力构件方向的水 平地震作用.质量与刚度分布明显不对称的结构,要计入双向水平地震作用下 的扭转影响.其他情况,要允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响. 8度,9度时的大跨度结构与氏悬臂结构及9度时的高层建筑,要计算竖向地 震作用.底部剪力法和振型分解反应谱法是结构抗震计算的基本方法,而时 程分析法作为补充计算方法,只对特别不规则,尤其重要的与较高的高层建 筑才要求采用. 抗震计算方法的采用要符合:高度不超过40m,以剪切变形为主且质量与 刚度沿高度分布比较均匀的结构以及近似于单质点体系的结构,能采用底部剪 力法等简化方法.尤其不规则的建筑(扭转,凹凸,楼板局部不连续和竖 向不规则等),甲类建筑与烈度,场地内限定高度范围的高层建筑,要采用 时程分析法进行多遇地震下的补充计算,可取多条时程曲线计算结果的平均值 和振型分解反应谱法计算结果的较大值. 2.2结构抗震变形验算 多遇地震下的抗震变形验算: 各类结构要进行多遇地震下的抗震变形验算,其楼层内最大的弹性层间位 移应适合下式要求: ?Ue?[Qe]h 罕遇地震下的抗震变形验算: 应进行弹塑性变形验算的结构有:8度III,?类场地与9度时,高大的 单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架:7,9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢 筋混凝土框架结构:高度大于150m的钢结构:甲类建筑与9度时乙类建筑中的 钢筋混凝土结构及钢结构:采用隔震与消能减震设计的结构. 宜进行弹塑性变形验算的结构有:烈度,场地内限定高度范围并且属于 竖向不规则类型的高层建筑结构:7度III,?类场地与8度时乙类建筑中的 钢筋混凝土结构及钢结构:板柱,抗震墙结构与底部框架砖房:高度不超过 15Om的高层钢结构. 3抗震构造措施 31砖混结构 砖混结构可采用的措施有:加设圈梁,加设构造柱和墙体加固.圈梁可 以增强房屋的整体性,提高房屋的抗震能力.构造柱的作用是和圈梁一起形成 封闭骨架,提高砌体结构的抗震能力.其一般增设在外墙转角,内外墙交接处 与楼梯间的四角处.增固墙体的方法一般采用把砖砌体的粉刷抹灰去掉,在砌 体外侧抹高标号水泥砂浆或布置钢筋网灰砂浆,用以提高砌体的水平承载力. 3.2混凝土结构 混凝土结构的抗震主要从以下几方面考虑:钢筋砼构件截面高宽比限值: 承重柱轴压比控制:最小配筋率要求:填充结构中设置拉结筋,较长的填充墙设 置构造柱,角柱,芯柱,短柱箍筋全高加密,剪力墙底部设置加强区等. 结语 综上所述,建筑结构的抗震设计是一个完整,系统的概念,从概念设计到 建筑的构造措施,抗震设计贯穿了整个过程.且建筑物的抗震设计是衡量建筑 结构设计是否符合要求的重要指标.所以如何准确,合理的运用不同的抗震 设计方法,是十分重要的,对于不同的建筑,不同的情况须区别对待,从而寻求 更合理的抗震设计. 参考文献 [1]龚思礼.建筑抗震设计手册.北京:中国建筑工业出版社,2002. [2]李爱群,高振世.工程结构抗震与防灾[M].南京:东南大学出版社, 2003. [3]戴国莹,李德虎.建筑结构抗震鉴定及加固的若干问题.建筑结构, 1999(4). [4]胡聿贤.地震工程学.地震出版社.1988. (3)同一岩样饱水纵横波Q值比饱气纵横波Q值要小.对于纵波,在中间 含水饱和度时品质因子Q出现最小值,随着含水饱和度的增加Q增加:对于横 波,随含水饱和度增加Q值减小,在开始时随饱和度的增加Q值迅速下降,其 后当饱和度达到一定值时,变化趋缓. 参考文献 [1]陈颐,黄庭芳.岩石物理学.北京:北京大学出版社,2000. [2]Bset,AI.沉积储集岩的速度,衰减与岩石物理性质间的关系[J] 国外油气勘探,1995,7(4):425~437. 科技博览}47