页岩岩屑高精度波速测量的仪器与方法

压裂改造是页岩气开发的关键技术,岩石的脆性评价是储层可改造性的重要参数之一。实验室中通常利用岩芯柱进行波速测量,获得杨氏模量和泊松比以评价页岩的脆性系数。但规则的页岩岩芯很难获得。为此,利用非规则的页岩岩屑,设计并提出了一套基于脉冲回声法的岩屑高精度波速测量的仪器和方法。分析了影响岩屑波速测量精度的主要因素,引入了新针式高频声波探头和新数字信号分析方法,利用脉冲回声法,通过提高采样率和信噪比、使用自相关的方法来提高精度,形成了一套页岩岩屑高精度波速测量的仪器与方法。同时试验结果也与规则岩芯测量结果进行了对比,证实了此仪器与方法的可靠性。     

用初至P波确定震级：单台方法

受地震预警系统研究与应用近期取得成功的促使，我们研究了地震震级与单台接收的前3秒P波性质之间的关系。利用台湾宽频地震台阵的NACB台站记录到的震中距小于100km的46个地震的波形，我们发现高达6．5级地震的震级与初至P波特征周期的对数有线性相关关系。我们还发现，M〈6．5级地震的震级与初至P波的峰值振幅存在确定性的关系。虽然更大地震的初至P波峰值振幅的行为有待进一步研究，但我们建议在现场（单台）地震早期预警操作中联合使用前3秒初至P波的特征频率和峰值振幅。     

利用超声尾波干涉评价页岩应力敏感性

岩石应力敏感性是岩石内部微裂隙发育的一种反映,对于致密储层物性和成缝能力（可压性）评价具有重要作用。由于页岩油气储层基质模量高,对应力的敏感性相对较弱,需要寻求新的高灵敏度测试方法。尾波干涉是运用介质中的散射波来监测介质微弱变化的一种测量方法,对岩石应力变化具有较高的敏感性。借助GCTS RTR-1500高温、高压三轴测试试验系统,对重庆城口县下寒武统鲁家坪组露头页岩开展尾波干涉试验,研究了页岩尾波发育规律及其对应力的响应,分析了页岩在不同围压下的应力敏感性。结果表明：页岩尾波应力敏感性大于直达波,S波应力敏感性大于P波;尾波波速相对变化率随应力的变化能够较好地反映页岩内部裂隙的产生,与扩容点有很好的对应关系;围压使部分裂隙闭合,天然裂隙密度减小,页岩应力敏感性系数降低。尾波干涉可作为页岩的应力敏感性和成缝能力评价的方法。     

利用周期振荡法测试超低渗储层的渗透率

渗透率是储层最重要的物性参数,也是油气开发的基础。随着页岩气、致密砂岩油气等非常规油气的开发,迫切需要开展超低渗透率（<0.1×10-3 μm2）测试,对测试方法和仪器都提出了挑战,是非常规油气开发研究的难点。目前我国石油工业中主要采用稳态法和脉冲衰减法进行超低渗透率测试,在测试精度、稳定性和测试周期方面还存在不足,探索高精度超低渗透率的方法十分重要。分析了室内渗透率测量的稳态法、脉冲衰减法和周期振荡法3种方法原理,在三轴应力下进行了岩石超低渗透率对比测量。结果表明,相比稳态法和脉冲衰减法,周期振荡法具有稳定性好、精度高、用时短的优点,建议引入非常规超低渗透储层渗透率测试。对周期振荡法的设备要求和数据处理方法进行了讨论,提出采用快速富里叶变换（FFT）、互谱法等信号处理方法提高数据信噪比,提高超低渗透率的测试精度和稳定性。     

旋转运动物理学新进展教材

介绍了线性连续介质理论,包含非对称应力场,也包含对称应变和反对称旋转。我们讨论了相关的本构定律和平衡方程。在这个理论里,与应力反对称部分平衡相关的运动方程中,用应力矩代替了平衡。我们的理论证实了旋转波甚至可能存在于均匀的弹性连续介质中。考虑了不同种类的极限形变,介绍和讨论了包括旋转和扭转场之间相互作用的波动方程的解。利用应力的对称部分和反对称部分,得到了位错密度—应力之间的关系式。对于具有粒化和微裂纹化的更高级形变状态的材料,介绍了旋转和震相移动π/2的扭转及同步解。记录到的一些旋转和扭转例子证实了同步的假设。     

非对称连续介质中的基本变形

震源区内过程的复杂性促使我们考虑非对称连续介质中基本的运动与变形,包括单纯的运动(平移和称为自转的旋转)和单纯的变形。单纯的变形包括轴向,即点膨胀/压缩,以及关于弦—弦点变形的剪切核。将点变形进一步定义为另一种旋转,称为扭转,表示主剪切轴的振动及其振幅。在记录系统上加上一些标记以测量这些运动和变形。     

环境激励下桥梁结构模态频率与波速变化监测研究

基于环境激励的桥梁健康监测方法是未来的发展方向。我们采用宽频带地震计Guralp CMG-6TD,建立了在线桥梁监测系统,对北京市昌平区鲁疃西路大桥进行了连续监测。分别使用随机子空间识别获得桥梁模态参数和尾波干涉法监测桥梁波速变化。结果表明：（1）采用的高灵敏度宽频带速度型地震计,能够连续准确记录宽频带范围内的三分量振动信号,非常适用于长期桥梁动态监测;（2）基于连续记录的环境激励信号,随机子空间法能够稳定可靠地识别桥梁低阶模态参数,尾波干涉法能够连续精确地监测桥梁材料的细微波速变化;（3）温度变化会引起桥梁材料的弹性模量发生显著变化。波速变化呈现振幅为1%的日变化特征,与温度变化呈明显的反相关性,温度敏感系数约为。同时模态频率的变化不太明显,说明波速可能是比模态频率更为敏感的量化损伤指标;（4）模态频率是桥梁整体状态的一种度量,而波速变化可以监测桥梁局部材料弹性性质的变化。将这两者结合起来,利用环境激励信号,连续准确识别桥梁模态频率以及监测波速变化,对于桥梁健康监测具有潜在重要应用价值。     

一种改进的声发射模板识别流程及其在大尺度页岩水力压裂主被动观测实验中的应用研究

提出一种改进的实验室声发射模板识别流程.该流程联合RMS-AIC算法优化了模板事件的检测效果,将一种改进的绝对离差中位数（观测数据的二分位数与MAD的和）应用于不同时段RMS与互相关序列的动态阈值的设置中,并对声发射模板事件与多通道连续波形数据的互相关叠加方式进行了改进,以避免弱初至延迟量不准确对叠加异常点的影响.我们开展了大尺度龙马溪组页岩水力压裂过程的主动源超声检测与声发射事件联合观测实验,并将该流程应用于主、被动连续观测数据中声发射信号的识别.研究结果表明：利用本文提出的流程检测出1720个声发射信号,数量比声发射模板信号大约多5.54倍.利用更为完备的声发射目录,我们观测到页岩水力压裂过程中的主压裂点大约发生在152 s,且压裂后早期3 s内声发射率呈现出较慢的幂率衰减（p=0.130）,而后以较快速率（p=1.403）衰减至稳定值.此外,我们对多种震相拾取算法的比较、声发射的频-幅分布特征等方面开展了讨论.这一新的声发射识别流程可以有效提高在主、被动联合观测下的声发射识别效果,完备水力压裂过程中声发射的时序分布特征,为页岩气开采及风险评估的实验室研究提供有效支撑.

     

脆性岩石损伤及物理性质演化的实验研究

地壳岩石均含有一定数量的缺陷损伤,是强非均质和各向异性材料,性质复杂,取决于其所处的构造和地质环境。实验表明,裂纹对岩石的孔隙度贡献不大,几乎可以忽略,但却是影响岩石有效弹性性质的主导因素而非孔隙。增加裂纹损伤会显著地引起岩石物理性质,包括强度、弹性性质、力学性质以及各向异性等的变化。另外,大部分地壳岩石的裂纹和孔隙都处于流体饱和状态,裂纹中的流体通过化学和力学作用显著影响岩石性质的变化。因此理解脆性岩石受力变形过程中的损伤和物理性质的演化具有重要意义,是岩石力学的长期目标之一。     

火山地震活动的实验室模拟

火山体内产生地震活动的物理过程非常复杂,目前仍然没有被完全理解。我们在实验室内用来自埃特纳火山(意大利)的玄武岩做了变形和破碎实验并报道了实验结果。该实验用一组围绕样品的传感器监测,以完成全波形记录及微震事件定位和分析。充满液体的孔隙和损伤区快速破裂后减压激发了许多低频事件,类似于长周期火山地震活动。低频事件与孔隙流体的减压有关,位于破裂样本的损伤区;这些事件都具有一个弱剪切滑动分量(双力偶),与发生在活火山下的流体驱动事件相一致。