《低頻巖石物理頻散衰減測(cè)試方法》

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GRM

中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/GRM001—2019

低頻巖石物理頻散衰減測(cè)試方法

Thenormativetechnicalrequirementsandwritingrulesforthelow-frequencyrock

physicaldispersionattenuationtestingmethodstandard

2023-07-1發(fā)布2023-08-01實(shí)施

中關(guān)村綠色礦山產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布

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低頻巖石物理頻散衰減測(cè)試方法

1范圍

本文件規(guī)定了低頻巖石物理頻散衰減測(cè)試方法的原理、儀器設(shè)備、樣品安裝、注意事項(xiàng)、測(cè)試步驟、

計(jì)算方法、精密度和測(cè)試報(bào)告、。

本文件適用于低頻巖石物理實(shí)驗(yàn)中頻散衰減的測(cè)定。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，凡是注日期的引用

文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適

用于本文件。

GB/T4756石油液體手工取樣法

GB/T6682分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法

3術(shù)語(yǔ)和定義

本文件沒(méi)有需要界定的術(shù)語(yǔ)和定義。

4原理

低頻測(cè)量的原理基于胡克定律（應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系），直接測(cè)量彈性常數(shù)而不是速度。在各向同性介質(zhì)

中，只有兩個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)，利用應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)，選擇楊氏模量E和泊松比，利用正弦應(yīng)力場(chǎng)垂

直施加到巖石樣品上。將一組應(yīng)變片垂直粘貼在標(biāo)準(zhǔn)樣品上，兩組應(yīng)變片垂直和水平地附著在巖石樣品

表面上，直接測(cè)量獲得的分別為粘貼在標(biāo)準(zhǔn)鋁樣縱向應(yīng)變、巖石樣品表面平行于應(yīng)力的應(yīng)變v和垂

Alr

直于應(yīng)力的應(yīng)變h。這樣可以根據(jù)巖石樣品與標(biāo)準(zhǔn)鋁樣的等應(yīng)力過(guò)程計(jì)算得到巖石的楊氏模量，并根

r

據(jù)其相位數(shù)據(jù)計(jì)算衰減的大小。

5儀器設(shè)備

低頻巖石物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試流程見(jiàn)圖1。

1

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圖1低頻巖石物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及流程

低頻巖石物理測(cè)量系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生與接收系統(tǒng)、溫度和壓力加載系統(tǒng)、流體驅(qū)

替系統(tǒng)等，具體如下：

a)函數(shù)發(fā)生器；

b)電信號(hào)功率放大器；

c)激振器；

d)應(yīng)變片；

e)接收信號(hào)放大器；

f)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

g)溫度控制系統(tǒng)：溫度控制器、高溫高壓釜、高精度溫度傳感器；

h)壓力加載系統(tǒng)：氮?dú)鈨?chǔ)氣罐、耐高壓流體管線、加壓泵、高精度壓力傳感器；

i)流體驅(qū)替系統(tǒng)：柱塞泵、蒸餾水（一級(jí)水）、流體管線、回壓裝置。

6樣品制備

首先，保證巖芯端面平整，在巖芯兩端粘貼鋁塊，見(jiàn)圖2：

圖2巖芯兩端粘貼鋁塊示意

在四個(gè)相互垂直的對(duì)稱方向畫(huà)出應(yīng)變片粘貼位置；

巖芯兩端纏繞保護(hù)層：在巖芯兩端約25±5mm處用透明膠帶纏繞一圈，（避免后續(xù)工作中將巖芯

兩端污染），中間留出約30mm的地方；

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粘貼中間絕緣層：在巖芯中間約30mm處粘貼絕緣層。首先將環(huán)氧樹(shù)脂均勻的涂抹在絕緣膠帶上，

然后將絕緣膠帶粘貼在巖樣的中間部位；

固化：為使絕緣膠帶很好的與巖芯粘接牢固，需要用透明膠帶將絕緣層的接口處粘住，應(yīng)均勻用

力，不宜將環(huán)氧樹(shù)脂擠出。然后放置24小時(shí)，讓其自然固化；

巖芯中間纏繞保護(hù)層：將絕緣層接口處的透明膠帶除掉，然后用寬透明膠帶將絕緣層整個(gè)纏繞一

圈，應(yīng)避免絕緣層污染；

巖芯與粘接換能器粘接：將換能器及巖樣表面用酒精擦拭干凈，均勻的涂抹上環(huán)氧樹(shù)脂，使換能

器與巖樣粘接在一起。粘接時(shí)注意：

a)一定要縱波對(duì)縱波，橫波對(duì)橫波，上下對(duì)齊；

b)將換能器中間的空隙用透明膠帶粘住以防環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)入；

c)粘接時(shí)將換能器與巖芯固定牢固以防換能器滑動(dòng)；

固化：將粘好換能器的巖芯放置24小時(shí)，讓其自然固化；

換能器纏繞保護(hù)層：將粘接在巖芯兩端的換能器上端約20mm處用透明膠帶纏繞一圈，以防受污染；

粘貼巖芯兩端絕緣層：將巖芯兩端起保護(hù)作用的透明膠帶去除，把均勻涂抹環(huán)氧樹(shù)脂后的絕緣膠

帶纏繞在巖芯兩端及換能器2/3位置上，并用膠帶將絕緣層接口處粘住，放置24小時(shí)，讓其自然固化；

換能器粘接應(yīng)變片：在換能器上粘貼垂直方向的應(yīng)變片2片；

巖芯上粘貼應(yīng)變片：在巖樣中間部分粘貼垂直方向和水平方向應(yīng)變片4對(duì)8片，應(yīng)變片如圖3；

圖3應(yīng)變片

焊接應(yīng)變片和導(dǎo)線；

外表包裹環(huán)氧樹(shù)脂。

7樣品安裝

低頻巖石物理實(shí)驗(yàn)安裝樣品前，要清潔樣品上下兩端探頭和流體導(dǎo)管，用酒精擦拭探頭。應(yīng)注意

避免膠體殘余落入流體導(dǎo)管堵塞導(dǎo)管。

直接安裝樣品和底部震源，調(diào)整震源位置，使震源能夠壓在樣品上同時(shí)在軸向上有足夠空間震動(dòng)。

應(yīng)盡量保證樣品中心軸與樣品軸重合。

涂抹AB膠，使樣品固定在上下震源中。用螺絲將底部震源固定在金屬架上。靜止等待膠體凝固。

將電橋與樣品表面應(yīng)變片和電信號(hào)接收系統(tǒng)連接，見(jiàn)圖4。將輸出信號(hào)接入示波器，檢查信號(hào)波

形的相位振幅是否符合預(yù)期。

檢查通過(guò)后，用膠帶包裹金屬架，其目的是束縛金屬架內(nèi)的導(dǎo)線及電橋，防止金屬架與腔壁摩擦

損壞電路。

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圖4電橋連接方式

8測(cè)試步驟

壓力、溫度、流體驅(qū)替控制的設(shè)置

8.1.1打開(kāi)冷熱循環(huán)器總開(kāi)關(guān)，打開(kāi)并設(shè)置溫度（20℃-100℃）。

8.1.2檢查增壓系統(tǒng)的電腦主機(jī)，系統(tǒng)連接是否正常，打開(kāi)電腦。

8.1.3關(guān)閉高溫高壓釜的放氣閥門(mén)。

8.1.4電腦操作增壓系統(tǒng)，設(shè)置加壓到約40MPa，測(cè)量思路是先加壓到最高圍壓，再加孔壓，測(cè)量后

每降5MPa，再測(cè)量直到降為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

8.1.5當(dāng)圍壓加到待測(cè)的最高值時(shí)，停止加壓，不要關(guān)閉壓力控制系統(tǒng)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，關(guān)閉氮?dú)馄块y

門(mén)。

8.1.6打開(kāi)流體驅(qū)替管線，打開(kāi)流體柱塞泵，可以根據(jù)流體柱塞泵注入的液體體積來(lái)計(jì)算進(jìn)入巖芯的

液體，注意記錄控制面板上的液體體積變化；

數(shù)據(jù)采集

8.2.1打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器，約2分鐘之后按順序打開(kāi)電腦、振動(dòng)信號(hào)放大器、采集信號(hào)放大器，檢測(cè)系

統(tǒng)之間是否連接好。

8.2.2進(jìn)行控制面板參數(shù)設(shè)置。

8.2.3輸入測(cè)試頻率范圍和頻率點(diǎn)。

8.2.4設(shè)置數(shù)據(jù)文件和儲(chǔ)存路徑。

8.2.5開(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

8.2.6等待系統(tǒng)設(shè)定所有頻率運(yùn)行完畢，改變圍壓，每5MPa為一測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)改變相應(yīng)的孔壓控制

不同含水飽和度（0—100%，一般取四或五個(gè)點(diǎn)）。

8.2.7測(cè)量完畢后關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)放大器，在關(guān)閉信號(hào)放大器的時(shí)候注意先將增益調(diào)小為零之

后再關(guān)閉。

注意事項(xiàng)：

a)包裹內(nèi)層環(huán)氧樹(shù)脂的要保證其平整，同時(shí)為了不影響應(yīng)變的傳遞，內(nèi)層樹(shù)脂盡量薄。搓導(dǎo)線

時(shí)，使每股導(dǎo)線盡量密集。

b)粘貼應(yīng)變片時(shí)，需要輕壓應(yīng)變片以使其緊密貼合，應(yīng)保護(hù)壓敏電阻絲。每組應(yīng)變片應(yīng)相互垂

直。

c)在制備最外層環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，要進(jìn)行抽真空操作，保證環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)沒(méi)有氣泡影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

d)由于只能依靠泵中的流體含量判定注入水的量，為保證精準(zhǔn)需要先將流體充滿管線之中再連

接腔體向樣品注入流體。

9計(jì)算

由下公式獲得待測(cè)巖石樣品的楊氏模量與泊松比：

························································(1)

???

?

??=?????4

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··························································(2)

?

??

?

式中：：樣品楊氏模量；：標(biāo)準(zhǔn)鋁樣楊氏模量?；?：標(biāo)準(zhǔn)鋁樣縱向應(yīng)變；v：樣品

ErEAl?=?Alr

縱向應(yīng)變；：測(cè)試樣品泊松比；h：樣品橫向應(yīng)變

r

待測(cè)巖石樣品的縱波速度、橫波速度可以由公式（3）（4）獲得，其中為測(cè)量巖石樣品

VPVS

的密度：

··················································(3)

??1??

??=1?2?1+?·?··?··················································(4)

??

1

衰減因子通常用逆品質(zhì)因子Q量化，?即?：=21+???

·························································(5)

11??

W是每單位循環(huán)的彈性應(yīng)變能，W是每單位?循=環(huán)2?消?耗的能量。在小衰減下，逆品質(zhì)因子等于應(yīng)變和

應(yīng)力之間的相位差的正切：

······················································(6)

?1

實(shí)驗(yàn)上可以獨(dú)立的分別測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變的相位?，因=此??可?以?使用（6）計(jì)算樣品材料的品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而有

·················································(7)

?1??

同樣可求得縱橫波速度與體積模量的衰減?：?=??????????

·············································(8)

?1?1?1··························(9)