專利名稱：用于檢測(cè)測(cè)量地質(zhì)巖石樣品中的彈性各向異性的方法和裝置的制作方法
概括地講，本發(fā)明涉及到的是一種用于檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石樣品中的彈性各向異性的方法和裝置。
一般說(shuō)來(lái)，單晶材料能顯示出與它們晶體對(duì)稱性有關(guān)的彈性各向異性性質(zhì)，這已是眾所周知的了。巖石一般是若干個(gè)礦物質(zhì)的凝聚組合體，若假定其組合是隨機(jī)的，則通常假設(shè)這種巖石是各向同性的;然而，若礦物質(zhì)的排列取向不是隨機(jī)的，則可以期望這種巖石將會(huì)清楚地顯示出類似各向異性晶體的種種性質(zhì)。具有明顯的可見紋路的巖石，例如頁(yè)巖、片巖和其它類型的變質(zhì)巖，以及象橄欖巖那樣的火成巖等等，已經(jīng)由許多文獻(xiàn)明確地證實(shí)了它們確實(shí)具有彈性各向異性，而且是這種性質(zhì)還與它們的可見紋路以及礦物質(zhì)構(gòu)成特別有關(guān)。而且還存在有某些更加復(fù)雜的因素，如在巖石中的裂縫的存在和取向等等，它們也能導(dǎo)致各向異性特征的出現(xiàn)。
一般說(shuō)來(lái)，其各向異性一直是一個(gè)復(fù)雜的問題，除了在研究具有明顯的礦物質(zhì)排列取向的火成巖和變質(zhì)巖以外，它往往被研究者們所忽略。然而，現(xiàn)已證明，沉積巖巖石，以及含有裂縫的巖石，亦可能會(huì)具有明顯的并可加以測(cè)量的彈性各向異性。事實(shí)上，近年來(lái)的地震研究已經(jīng)指出，在地球外殼表面中比人們?cè)纫阎母蟮牟糠謪^(qū)域中，均可能具有更多的各向異性。因此，一般認(rèn)為以前對(duì)取自沉積盆地的樣品進(jìn)行的聲速實(shí)驗(yàn)測(cè)量存在有誤差(這依賴于是否存在有各向異性而定)，其主要原因就是在測(cè)量時(shí)其各向異性沒有被考慮在內(nèi)。與地質(zhì)巖石各向異性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究中，一般均把注意力集中在其速度分析上，而很少注意對(duì)其振幅隨各向異性變化的變化的分析上。最近，在1986年12月30日批準(zhǔn)的授與SPrunt等人的美國(guó)專利4631963和4631964中均介紹的是用于測(cè)量在巖層結(jié)構(gòu)樣品中的剪力波波速各向異性的方法和裝置。
本發(fā)明提供了一種可精確測(cè)量巖層結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的大小和對(duì)稱狀態(tài)的新穎的方法，這種方法能大大簡(jiǎn)化和加快其彈性各向異性的檢測(cè)、測(cè)量。
本發(fā)明提供的是一種新穎的用于檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的方法和裝置。對(duì)表示樣品對(duì)所輸入的剪力波的響應(yīng)的時(shí)序信號(hào)并向量實(shí)施記錄，然后可以對(duì)該時(shí)序信號(hào)并向量加以處理以檢測(cè)、測(cè)量出樣品中的彈性各向異性。更具體地講就是，用輸入具有第一和第二偏振方位的剪力波的方法來(lái)采集其時(shí)序信號(hào)的并向量，樣品對(duì)所輸入的每一剪力波的響應(yīng)通過(guò)具有第一和第二偏振方位的剪力波發(fā)送器實(shí)施記錄。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該時(shí)序信號(hào)并向量可以進(jìn)行對(duì)角化處理以檢測(cè)、測(cè)量出其樣品的彈性各向異性。在另一個(gè)實(shí)施例中，該時(shí)序信號(hào)并向量可以用一系列的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)加以處理，并且其最后得出的經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)處理的時(shí)序信號(hào)并向量可以相對(duì)應(yīng)于所選定的旋轉(zhuǎn)角度加以顯示，以便檢測(cè)、測(cè)量出其樣品的彈性各向異性。
本發(fā)明還提供了一種用于記錄代表著地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石樣品對(duì)所輸入的剪力波的響應(yīng)的時(shí)序信號(hào)的并向量、從而能檢測(cè)、測(cè)量出該樣品中的彈性各向異性的新穎的裝置。該裝置還包括有用于處理其時(shí)序信號(hào)并向量以檢測(cè)、測(cè)量出其地質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的處理裝置。通過(guò)記錄時(shí)序信號(hào)并向量，將可以大大簡(jiǎn)化和加速對(duì)地質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的檢測(cè)、測(cè)量。在這種裝置的一個(gè)實(shí)施例中，具有正交偏振方位的第一和第二剪力波發(fā)送變送器產(chǎn)生沿樣品縱軸方向傳播的剪力波，具有正交偏振方位的第一和第二剪力波接收變送器記錄代表著樣品對(duì)于在其另一端所輸入的各剪力波中的每一個(gè)的響應(yīng)的時(shí)序信號(hào)。在這種裝置的另一個(gè)實(shí)施例中，可在第一和第二偏振方位之間轉(zhuǎn)動(dòng)的一剪力波發(fā)送變送器產(chǎn)生沿樣品縱軸方向傳播的剪力波，并用可在第一和第二偏振方位之間轉(zhuǎn)動(dòng)的一剪力波接收變送器記錄其樣品對(duì)沿其第一和第二偏振方位輸入的剪力波的響應(yīng)。


圖1a是用于檢測(cè)、測(cè)量巖石樣品中的彈性各向異性的裝置的剖面圖。
圖1b是圖1a所示的用于檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)樣品的彈性各向異性的裝置的透視圖。
圖2示出了對(duì)于一各向同性材料(如熔凝石英)用具有固定取向ψt的偏振發(fā)送變送器和具有一系列取向ψr的偏振接收變送器所采集到的一系列的時(shí)序信號(hào)。
圖3示出了作為接收變送器取向ψr的函數(shù)的信號(hào)振幅的理論值和觀測(cè)值。
圖4示出了對(duì)于一各向異性材料(如McNabb頁(yè)巖)用具有固定取向ψt的偏振發(fā)送變送器和具有一系列取向ψr的偏振接收變送器所采集到的一系列的時(shí)序信號(hào)。
圖5示出了在圖4所示條件下但樣品方位已轉(zhuǎn)過(guò)了45°角時(shí)的對(duì)各向異性材料所采集到的一系列的時(shí)序信號(hào)。
圖6示出了所觀測(cè)到的、作為接收器方位角ψr的函數(shù)的、由圖5所示的快的(信號(hào)1)和慢的(信號(hào)2)這兩種傳播模的信號(hào)的振幅。
圖7示出了對(duì)于一各向異性材料(如McNabb頁(yè)巖)用可產(chǎn)生剪力波的偏振發(fā)送變送器和可記錄時(shí)序信號(hào)的偏振接收變送器所采集到的一系列的時(shí)序信號(hào)，且其發(fā)送和接收變送器的偏振方位同時(shí)在0°-180°方位角內(nèi)同步旋轉(zhuǎn)。
圖8示出了對(duì)于一各向異性材料(如Berea沙巖)用具有其固定取向ψt與各向異性材料的可見層面相平行的偏振發(fā)送變送器和具有一系列取向ψr的偏振接收變送器所采集到的一系列的時(shí)序信號(hào)。
圖9示出了在圖8所示條件下但其樣品方位已轉(zhuǎn)過(guò)了20°角時(shí)的對(duì)各向異性材料所采集到的一系列的時(shí)序信號(hào)。
圖10a示出了對(duì)于一各向異性材料(如McNabb頁(yè)巖所采集到的時(shí)序信號(hào)的并向量。
圖10b示出了對(duì)于圖10a所示的McNabb頁(yè)巖的并向量施加了一系列旋轉(zhuǎn)角度后所產(chǎn)生的一系列相應(yīng)的側(cè)向分量時(shí)序信號(hào)Φ12。
圖10c示出了對(duì)于圖10a所示的McNabb頁(yè)巖的并向量施加了一系列旋轉(zhuǎn)角度后所產(chǎn)生的一系列相應(yīng)的側(cè)向分量時(shí)序信號(hào)Φ21。
下面將結(jié)合最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)和測(cè)量其地質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的裝置和方法。
參見圖1a和圖1b，它們示出了一種已經(jīng)改進(jìn)了的用于檢測(cè)、測(cè)量巖層結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的試驗(yàn)裝置。圖1a示出了本發(fā)明的這種試驗(yàn)裝置的剖面圖，圖1b示出了該試驗(yàn)裝置的透視圖。該試驗(yàn)裝置可用于根據(jù)在其樣品S中傳播的剪力波的傳播速度和振幅來(lái)檢測(cè)、測(cè)量其彈性各向異性的大小及其對(duì)稱效應(yīng)。該試驗(yàn)裝置包括有一帶有一對(duì)環(huán)元件12、14的樣品支架A，且每一個(gè)環(huán)的孔徑大小應(yīng)適合于放置樣品S。每一個(gè)環(huán)12、14還可以進(jìn)一步包括有牢固地固定在其中的緩沖棒元件16、18。緩沖棒最好是用某種其阻抗性能與其待測(cè)樣品的阻抗良好匹配的各向同性材料(例如膠質(zhì)玻璃)制造，且環(huán)12、14中的每一個(gè)均配置有角度座標(biāo)刻度尺。在這種試驗(yàn)裝置的第一種實(shí)施例中，緩沖棒16、18中的每一個(gè)均配置有一個(gè)用環(huán)氧樹脂固定在其中的具有單一偏振方位的剪力波變送器20、22。在這種試驗(yàn)裝置的第二種實(shí)施例中，每一個(gè)剪力波變送器20、22中均包括有兩個(gè)其偏振方位彼此正交的剪力波變送器。在下文中，其變送器20將被稱為發(fā)送變送器20，而變送器22將被稱為接收變送器22。這一區(qū)分僅僅是為了簡(jiǎn)化下面的討論，而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是能夠適當(dāng)?shù)剡x擇變送器20或變送器22中的某一個(gè)用作發(fā)送變送器或接收變送器。
附在環(huán)12上的角度座標(biāo)刻度尺可以用來(lái)相對(duì)于某固定座標(biāo)(即樣品S上的固定標(biāo)記)或相對(duì)于接收變送器22的偏振方位來(lái)確定其發(fā)送變送器20的偏振方位的取向。類似的，附在環(huán)14上的角度座標(biāo)刻度尺亦可以用來(lái)相對(duì)于某固定座標(biāo)(即樣品S上的固定標(biāo)記)或相對(duì)于發(fā)送變送器20的偏振方位確定其接收變送器22的偏振方位的取向。環(huán)12、14兩者還都配置于若干個(gè)緊固螺絲24，它們可用來(lái)相對(duì)應(yīng)于樣品S的縱軸L軸向固定各膠質(zhì)玻璃緩沖棒16、18(從而固定了發(fā)送變送器20和接收變送器22的偏振方位)。緊固螺絲24還可以用來(lái)使當(dāng)偏振剪力波變送器20、22在一系列方位傾角中取任一方位傾角時(shí)能相對(duì)于樣品S縱軸L軸向轉(zhuǎn)動(dòng)定位。為了保證剪力波變送器20、22與樣品S間的有效聲學(xué)耦合，可以使用某種粘性聚合物(例如聚苯乙烯)將聲能量耦合進(jìn)并耦合出樣品S。
當(dāng)把試驗(yàn)裝置用的隨時(shí)間變化的電壓用輸入裝置26施加(以固定振幅和頻率的簡(jiǎn)單的正弦波脈沖的形式)到發(fā)送變送器20上時(shí)，一剪力波可以被輸入進(jìn)樣品S并作為時(shí)間序列信號(hào)由接收變送器所記錄。這一時(shí)序信號(hào)可以由輸出裝置28輸出;隨后由處理電路組件(未示出)進(jìn)行放大和數(shù)字化以進(jìn)一步處理，以便檢測(cè)、測(cè)量出其樣品S中的彈性各向異性，如以下將要進(jìn)一步討論的那樣。
還可以利用兩套與檢測(cè)、測(cè)量其彈性各向異性有關(guān)的分立的角度編碼索引指示。第一套中包含有由樣品S上的某一固定標(biāo)記處可相對(duì)于順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向?qū)嵤y(cè)量的方位角ψt和ψr。其方位角ψt和ψr亦可以根據(jù)環(huán)12、14上的角度座標(biāo)刻度尺實(shí)施測(cè)量。因此，方位角ψt和ψr分別確定了發(fā)送變送器20和接收變送器22的偏振方位相對(duì)應(yīng)于樣品S上的某固定方位的取向或彼此之間的取向。類似的，第二套角度θ亦可以由樣品S上的某一固定標(biāo)記處開始相對(duì)于順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向?qū)嵤y(cè)量。第二套中的角θ是由樣品S的某一固定標(biāo)記開始測(cè)量到所測(cè)樣品的彈性主軸θP之間的或到樣品S的可見巖石紋路之間的角度。因此，角θ確定了相對(duì)應(yīng)于樣品S上的某固定方位的樣品S的軸性主軸和可見巖石紋路的方位取向。本發(fā)明所具有的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)將證明具有這兩類沿同一方向的參考角度θ和ψ所帶來(lái)的收益。應(yīng)該注意到，樣品S的方位傾角(即角θP)和發(fā)送及接收變送器的方位傾角(即角ψt、ψr)可能是相同的，但一般說(shuō)來(lái)這些傾角是有區(qū)別的。
為了有助于理解本發(fā)明，本發(fā)明還提供了下述討論和例子。一種各向異性材料的特征可以說(shuō)是由在這種各向異性材料中剪力波的彼此正交的傳播模(偏振)的傳播的速度來(lái)給出的。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)給定一個(gè)傳播方向后，就存在有兩個(gè)通過(guò)各向異性材料傳播的剪力波的正交傳播模(偏振)。在這種各向異性材料中，不同傳播模的剪力波的傳播速度是不同的。如果激勵(lì)源產(chǎn)生的激勵(lì)波，其波模并不吻合于某一允許的傳播模，那么該剪力波將分裂為兩個(gè)在這一傳播過(guò)程所允許的特征傳播模。這種現(xiàn)象一般稱為剪力波雙折射。對(duì)于某一給定的傳播方向，若此時(shí)在該各向異性材料中不出現(xiàn)剪力波的分裂，則存在有兩個(gè)正交的剪力波偏振方位并且只存在有其兩個(gè)允許的傳播模(或稱偏振)中的一個(gè)的傳播。在各向異性材料中，其某一剪力波傳播模的傳播速度比其它剪力波傳播的傳播速度更大的偏振方向被稱為該各向異性材料的彈性主軸方向。
對(duì)通過(guò)各向同性材料的波的傳播進(jìn)行分析就下述意義上來(lái)是簡(jiǎn)單的，即此時(shí)只有一壓縮波和一可以沿任意傳播路徑傳播的剪力波存在。例如由一各向同性樣品的一端傳播到另一端的偏振的剪力波可以用一類似的偏振剪力波變送器來(lái)檢測(cè)并可以使用前述過(guò)的試驗(yàn)裝置的第一個(gè)實(shí)施例來(lái)記錄其時(shí)序信號(hào)。由通過(guò)保持相對(duì)應(yīng)于樣品S縱軸方向而固定的發(fā)送變送器20的偏振方位的方位角ψt的方法，由輸入發(fā)送變送器20產(chǎn)生的剪力波和通過(guò)將接收變送器22的偏振方位相對(duì)于樣品S縱軸方向依次旋轉(zhuǎn)過(guò)一系列的方位角ψr以記錄樣品對(duì)所輸入的剪力波的響應(yīng)的方法，可以記錄到一系列不同的時(shí)序信號(hào)。接收變送器22的偏振方位的取向可以通過(guò)圍繞著樣品S的縱軸L作順時(shí)針或逆時(shí)針的方位旋轉(zhuǎn)加以改變。當(dāng)一次次地增加方位角ψr(由發(fā)送變送器20和接收變送器22的偏振方位均加以調(diào)整以使ψr＝0°時(shí)的初始方位角開始測(cè)量)時(shí)，在方位角ψr＝90°時(shí)將在記錄到的時(shí)序信號(hào)中觀測(cè)到信號(hào)消失現(xiàn)象出現(xiàn)?？梢灶A(yù)測(cè)這種信號(hào)消失現(xiàn)象將在當(dāng)發(fā)送器和接收器的偏振方位取向彼此垂直時(shí)出現(xiàn)。類似的，當(dāng)接收變送器偏振方位再次與發(fā)送變送器偏振方位垂直時(shí)，即在接收器方位角ψr＝270°處將會(huì)出現(xiàn)第二次信號(hào)消失現(xiàn)象。
現(xiàn)在參見圖2，它示出了使用本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的第一個(gè)實(shí)施例對(duì)一各向同性材料樣品(例如熔凝石英)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)記錄。在樣品S的端面上用黑箭頭示出了發(fā)送變送器20和接收變送器22的偏振方位的初始取向。當(dāng)接收變送器22圍繞著樣品S的縱軸以逆時(shí)針方向依次轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)一系列的方位角ψr時(shí)，可以記錄到并顯示出一系列的相對(duì)應(yīng)于各個(gè)方位角ψr的時(shí)序信號(hào)。在這里，時(shí)間是沿著每一時(shí)序信號(hào)的徑向向外延伸而增加的。圖中還清楚地表明了在方位角ψr＝90°和ψr＝270°處會(huì)發(fā)生信號(hào)消失現(xiàn)象。
簡(jiǎn)單的理論分析將能推出，其信號(hào)振幅應(yīng)該對(duì)應(yīng)于角ψr呈現(xiàn)為一簡(jiǎn)單的余弦關(guān)系。實(shí)際上，圖3已把觀察到的各信號(hào)振幅(在接收變送器偏振方位處于不同方位角ψr時(shí)所測(cè)得的值)與相對(duì)應(yīng)于同一方位角的理論推算出的振幅值進(jìn)行了比較。
可以對(duì)一各向異性材料(例如McNabb)進(jìn)行類似的試驗(yàn)。圖4示出了使用該試驗(yàn)裝置的第一實(shí)施例和前述的測(cè)量技術(shù)對(duì)McNabb頁(yè)巖所記錄到的一系列的時(shí)序信號(hào)。黑箭頭表示其偏振發(fā)送變送器20的固定方位(ψt＝0°)和偏振接收變送器22的初始方位，它們通常平行于巖石上的可見紋路，而這些紋路已用一系列的平行線示出了(即θf(wàn)＝0°)。當(dāng)接收變送器22圍繞著樣品S的縱軸依次旋轉(zhuǎn)到某一方位角ψr時(shí)，所記錄到的時(shí)序信號(hào)示出在記錄該時(shí)序信號(hào)時(shí)的方位角的方位上。樣品S用一園柱形端面示出，而本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠知道也可以采用其它的樣品形狀。觀測(cè)到的最大的信號(hào)振幅對(duì)應(yīng)于ψr＝0°處，而在ψr＝90°和270°(即發(fā)送變送器20的偏振方位與接收變送器22的偏振方位相互垂直)時(shí)將觀測(cè)到信號(hào)消失。而且正如在時(shí)序信號(hào)所記錄到的那樣，只有一種剪力波傳播通過(guò)樣品S。將發(fā)送變送器20的偏振方位調(diào)整到與樣品S上的可見紋路相互垂直時(shí)，也可以實(shí)施其類似的試驗(yàn)。正如所預(yù)期的那樣，亦只能觀測(cè)到一種剪力波信號(hào)傳播通過(guò)樣品S;然而它的傳播速度比圖4所描述的那種剪力波的傳播速度低。而且，當(dāng)接收和發(fā)送變送器的偏振方位彼此平行時(shí)時(shí)序信號(hào)亦具有其最大振幅，而在接收變送器22的方位相對(duì)于發(fā)送變送器20的方位測(cè)量出的轉(zhuǎn)動(dòng)角度ψr為90°或270°時(shí)亦將觀測(cè)到信號(hào)的全部消失。
因此，這些試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了下述理論推論，即當(dāng)發(fā)送變送器20的偏振方位被調(diào)整到與樣品的各向異性彈性主軸相平行或相垂直時(shí)，存在有具有不同傳播速度的剪力波傳播模。然而，當(dāng)樣品的可見紋路或其彈性主軸與發(fā)送變送器20的偏振方位不相垂直時(shí)，所記錄到的時(shí)序信號(hào)就會(huì)變得非常復(fù)雜和混亂。圖5示出了所記錄到的一系列的、作為接收變送器22的方位角ψr的函數(shù)的時(shí)序信號(hào)，它們也是使用這種試驗(yàn)裝置的第一實(shí)施方案和前面已討論過(guò)的技術(shù)所采集到的。其中，黑色箭頭表示接收變送器22的初始方位和相對(duì)應(yīng)于樣品S固定的發(fā)送變送器20的偏振方位的方位角ψt。樣品中的平行線表示樣品的可見紋路的取向。在這里，樣品的可見紋路的取向確定為方位角θf(wàn)＝45°，該角度是在樣品的可見紋路與發(fā)送變送器20的偏振方位之間測(cè)得的。
參見圖5所示的圖形，根據(jù)彈性各向異性介質(zhì)的理論，可假設(shè)一剪力波將分為其偏振方位相互垂直的兩種剪力波信號(hào)(傳播模)，其中之一的偏振方位平行于其彈性紋路，而另一的偏振方位與之垂直。作為時(shí)間函數(shù)的這兩種剪力波信號(hào)的振幅可以由公式(1)給出A(t)＝S0cosΩrcosΩtf(Vf，t)+S0sinΩtf(Vs，t) (1)信號(hào)1信號(hào)2其中，SO為發(fā)送變送器20的強(qiáng)度，Ωt和Ωr分別為發(fā)送和接收變送器的偏振方位相對(duì)應(yīng)于樣品的彈性主軸所形成的夾角，f(Vf，t)為剪力波中具有較快傳播速度的傳播模的速度Vf的波動(dòng)函數(shù)，f(Vs，t)為剪力波中具有較慢傳播速度的傳播模的速度Vs的波動(dòng)函數(shù)。當(dāng)發(fā)送變送器的方位角固定為Ωt且施加在發(fā)送變送器20上的電壓亦保持不變時(shí)，公式(1)可以簡(jiǎn)化為A(t)＝F1cosΩr+S1sinΩr(2)其中，S1和F1中含有發(fā)送變送器的源強(qiáng)度S0和方位角Ωt(F1＝SocosΩtf(Vf，t)，S1＝SOsinΩtf(Vf，t))。
當(dāng)接收變送器22的偏振方位被調(diào)整到與樣品的可見紋路相平行時(shí)，可以預(yù)測(cè)并且確實(shí)可觀測(cè)到其傳播較快的剪力波傳播模的信號(hào)具有最大的振幅。因此，接收變送器的取向吻合于方位角Ωr＝0°且公式(2)僅包括有一種傳播模的波動(dòng)信號(hào)。類似的，當(dāng)發(fā)送變送器20的取向吻合于方位角Ωt＝0°時(shí)公式(2)亦僅包括有一種傳播模的波動(dòng)信號(hào)。在發(fā)送變送器和接收變送器兩者均取其它的方位角Ω時(shí)，將同時(shí)出現(xiàn)兩種剪力波信號(hào)。這些信號(hào)的區(qū)分和識(shí)別將取決于許多因素，其中包括各向異性傳播速度的大小、傳播的路徑長(zhǎng)度、衰減和源特性等等。
McNabb頁(yè)巖具有足夠大的速度各向異性，從而能夠?qū)煞N剪力波信號(hào)進(jìn)行十分清晰的識(shí)別和檢測(cè)。在圖6中將圖5所示的對(duì)于較快的和較慢的傳播模信號(hào)的所測(cè)得的振幅表示為接收變送器22的方位角Ωr的函數(shù)。這一曲線圖示出了與公式(2)相一致的、由觀測(cè)到的振幅值構(gòu)成的三角函數(shù)曲線形式，并且示出了其第二種較慢的傳播模信號(hào)相對(duì)于較快的傳播模的信號(hào)有90°的偏移。而且，測(cè)出的振幅在降低，這一點(diǎn)在其第一種信號(hào)隨方位角增大的變化中表現(xiàn)的更為明顯。因?yàn)樵谶M(jìn)行這種試驗(yàn)中，時(shí)間是在不斷增大的方位角處隨每一順序觀測(cè)而增加的，其粘滯耦合隨時(shí)間的增加而降低及由于接收變送器22相對(duì)應(yīng)于樣品S的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的重復(fù)剪切可能是造成這種振幅漂移的主要原因。但是，若在任意時(shí)間或在相應(yīng)的方位角Ωr處，對(duì)較快的和較慢的傳播模信號(hào)的振幅加以同步測(cè)定，其結(jié)果表明它們的相對(duì)強(qiáng)度是不受其影響的。在較快的和較慢的這兩種傳播模信號(hào)的相對(duì)最大值處的振幅之間的差異可能是由于以下若干原因引起的(1)這兩種剪力波的固有衰減不同;(2)由于聲學(xué)阻抗匹配失調(diào)而引起的輸入損失。
在前述的各試驗(yàn)中，發(fā)送變送器20的偏振方位均相對(duì)應(yīng)于樣品的可見紋路而固定。在下述的使用這種試驗(yàn)裝置的第一實(shí)施方案對(duì)McNabb頁(yè)巖樣品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)送變送器20和接收變送器22的偏振方位取向同時(shí)同步地改變。所記錄到的時(shí)序信號(hào)在圖7中被繪制在方位角ψ的180°的范圍內(nèi)。對(duì)于每一方位角ψ，發(fā)送變送器20和接收變送器22的偏振方位均進(jìn)行調(diào)整并使其彼此平行。正如所預(yù)期的那樣，在ψ＝0°處導(dǎo)致兩種剪力波傳播模信號(hào)中其較快的那一傳播模的信號(hào)增大，而在ψ＝90°處則正好相反，最大振幅信號(hào)出現(xiàn)在兩種傳播模信號(hào)中較慢的那一種中。請(qǐng)注意，在ψ＝180°處并不存在偏振逆轉(zhuǎn)，這是因?yàn)榘l(fā)送變送器20和接收變送器22間的相位靈敏度在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中還保持著。
取一Berea沙巖樣品并利用這種裝置的第一實(shí)施方案和前面討論過(guò)的對(duì)于McNabb頁(yè)巖樣品測(cè)量時(shí)所使用的技術(shù)實(shí)施測(cè)量。所記錄到的作為接收變送器22的偏振方位角ψr的函數(shù)的時(shí)序信號(hào)如圖8所示。發(fā)送變送器20的偏振方位最初定位于與樣品的可見紋路相垂直的方向，如黑色箭頭所示，以保證所獲得的信號(hào)只是傳播較慢的傳播模的信號(hào)。然而如圖8所示，所記錄到的有關(guān)Berea沙巖各向異性性質(zhì)的時(shí)序信號(hào)和對(duì)McNabb頁(yè)巖所記錄到的信號(hào)相比較，看起來(lái)是相當(dāng)復(fù)雜的。對(duì)時(shí)序信號(hào)的研究揭示了這兩種信號(hào)的特征。但是，當(dāng)發(fā)送變送器的偏振方位與樣品的可見紋路相垂直時(shí)，這兩種剪力波信號(hào)的出現(xiàn)就與所預(yù)期的不符了。實(shí)際上，只有在方位角ψ大約為20°和110°處時(shí)才能觀測(cè)到簡(jiǎn)單的單一信號(hào)。若將樣品S的可見紋路相對(duì)應(yīng)于發(fā)送變送器的偏振方位機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)大約20°，就能獲得如圖9所述的時(shí)序信號(hào)。這些時(shí)序信號(hào)現(xiàn)在呈現(xiàn)出所期望的相對(duì)應(yīng)于在簡(jiǎn)單的各向異性介質(zhì)中傳播的剪力波信號(hào)的形式。當(dāng)接收和發(fā)送變送器的偏振方位相互垂直時(shí)，其相關(guān)于單一種信號(hào)的信號(hào)振幅的簡(jiǎn)單的正弦波形和信號(hào)完全消失的情況如圖10所示。出人意料的是，申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其彈性主軸與其可見紋路不相重合時(shí)，Berea沙巖具有明顯的各向異性。實(shí)際上，Berea沙巖中的各向異性彈性主軸被認(rèn)為是首先是由于細(xì)微裂縫的存在而不是由于其礦物質(zhì)的排列取向而形成的，這與McNabb頁(yè)巖樣品的情況不同。
所有上述例子簡(jiǎn)明地證實(shí)了可為熟悉物理學(xué)知識(shí)的人所理解的種種所預(yù)期的推論。然而，這種檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)巖石樣品中的彈性各向異性的方法需要記錄一系列的、相應(yīng)于圍繞著樣品縱軸的不同方位角的時(shí)序信號(hào)。申請(qǐng)人在本發(fā)明中還提供了一種更迅速和更新穎的用于檢測(cè)、確定結(jié)構(gòu)樣品中的各向異性的測(cè)量值的方法。為了便于進(jìn)行進(jìn)一步的討論，將首先給出一個(gè)已經(jīng)簡(jiǎn)化了的例子。
一McNabb頁(yè)巖樣品(與前面所評(píng)述過(guò)的相類似)的彈性主軸在用這種試驗(yàn)裝置的第一個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，其方位取向可以為任意一方位角θp。如圖10a所示，共記錄4個(gè)時(shí)序信號(hào)。用接收變送器22在與將剪力波輸入樣品的第一發(fā)送變送器20的第一偏振方位(ψt＝0°)相平行(ψr＝0°)和相垂直(ψr＝90°)時(shí)記錄其第一和第二時(shí)序信號(hào);類似的，用接收變送器22在與將剪力波輸入樣品的發(fā)送變送器20的第二偏振方位(ψt＝90°)相垂直(ψr＝90°)和相平行(ψr＝0°)時(shí)處記錄其第三和第四時(shí)序信號(hào)。不難理解，方位角ψt和ψr應(yīng)局部定位且接收變送器22和發(fā)送變送器20的偏振方法還將在某種潭壬先范ㄆ湎嘍雜諮返目杉坡坊螄嘍雜諮返牡災(zāi)髦岬募薪鉛??；瘓浠敖玻 0a所示的這四個(gè)記錄得到的時(shí)序信號(hào)也可以利用這種試驗(yàn)裝置的第二實(shí)施方案來(lái)獲得。其實(shí)施方法如下，利用具有第一偏振方位(ψt＝0°)的第一發(fā)送變送器將剪力波輸入樣品，并且用具有第一和第二偏振方位(ψr＝0°和ψr＝90°)的第一和第二接收變送器記錄樣品的相應(yīng)的響應(yīng)，利用具有第二偏振方位(ψt＝90°)的第二發(fā)送變送器將剪力波輸入樣品，并且用具有第一和第二偏振方位(ψr＝0°和ψr＝90°)的第一和第二接收變送器記錄樣品的相應(yīng)的響應(yīng)。
申請(qǐng)人已改進(jìn)出了另一種新穎的用于檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)巖石樣品中的彈性主軸方位的方法，該方法只需利用到所記錄到的通過(guò)樣品傳播的剪力波的四個(gè)時(shí)序信號(hào)。為了簡(jiǎn)化下面的討論，所記錄到的時(shí)序信號(hào)一般稱之為一并向量，并用符號(hào)Φij表示。其中下標(biāo)j表示發(fā)送變送器20的方位ψt(即1＝第一方位取向，2＝第二方位取向)。發(fā)送變送器20的第一和第二方位取向一般是相互垂直的，但這決不是必須滿足的條件。類似的，下標(biāo)i表示接收變送器22的方位取向Φr(即1＝第一方位取向，2＝第二方位取向)。通常接收變送器22的第一和第二方位取向也是相互垂直的，但這也不是必須滿足的條件。因此，圖10a中的第一時(shí)序信號(hào)可以定義為Φ11，則第二信號(hào)定義為Φ12，第三信號(hào)定義為Φ21，第四信號(hào)定義為Φ22。這四個(gè)時(shí)序信號(hào)在下面將稱之為并向量，并且可以表示為Φ11Φ12Φij＝ (3)Φ21Φ22我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，若對(duì)信號(hào)Φij的并向量進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚⑾蛄康膫?cè)向分量(即時(shí)序信號(hào)Φ12和Φ21)可以減小到基本上為零。于是，信號(hào)并向量已對(duì)角化了。因此，使這一并向量Φij對(duì)角化的角Ω可以用來(lái)測(cè)定出其各向異性樣品的彈性主軸相對(duì)應(yīng)于發(fā)送變送器20和接收變送器22的偏振方位的方位取向。
這一處理過(guò)程可以更簡(jiǎn)單地表示為Φcm＝Cci(Ωr)ΦijMjm(Ωt) (4)其中，Φcm表示已對(duì)角化了的時(shí)序信號(hào)的并向量，Φij表示所記錄到的時(shí)序信號(hào)，Cci(Ωr)和Mjm(Ωt)為轉(zhuǎn)動(dòng)算子，它們可以用來(lái)表示接收變送器和發(fā)送變送器的偏振方位轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)假想的角度Ω。
用將從0°到90°之間的一系列的角度值Ωr＝Ωt＝Ω依次代入公式(4)的方法，便可以測(cè)定出一個(gè)能使并向量Φij的側(cè)向分量減小到最小值的近似角度值。特別值得指出的是，參見圖10b和圖10c，它們已示出了依次用從0°到90°之間的一系列角度值(其增量為10°)進(jìn)行處理之后的并向量Φij的側(cè)向分量(即Φ12和Φ21)。從圖中可以清楚地看出其側(cè)向分量的最小信號(hào)振幅的位置，而且其位置還相對(duì)應(yīng)于已知的、該樣品的可見紋路和彈性主軸相對(duì)應(yīng)于發(fā)送變送器的方位取向的方位取向(即Ωt＝20°)。
正如前面所討論的那樣，用采集時(shí)序信號(hào)的并向量Φij、并實(shí)施如公式(4)所示的轉(zhuǎn)動(dòng)流程以使并向量的側(cè)向分量對(duì)角化的方法，測(cè)定出的彈性主軸位于方位角Ω＝20°處。還應(yīng)指出的是，在公式(4)中，使其時(shí)序信號(hào)并向量Φij對(duì)角化所必需的角度Ωr、Ωt可以用如下公式確定Ωr＝ (α-γ)/2 (5a)Ωt＝ (α+γ)/2 (5b)其中
其中，Ωr和Ωt分別為發(fā)送變送器20和接收變送器22相對(duì)于樣品的彈性主軸的未知的方位取向。
以上已公開了一種用于檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)巖石樣品中的彈性各向異性的方法和裝置。本領(lǐng)域的熟練的技術(shù)人員能意識(shí)到，這種方法和裝置可以進(jìn)一步加以發(fā)展以用于用測(cè)定在沿著某地質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)的相互垂直的軸向取得的三個(gè)分離的樣品中的彈性主軸的方法測(cè)定其地質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品中的各向異性的對(duì)稱性，以及進(jìn)一步發(fā)展為用于在模擬實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的高溫、高壓條件下進(jìn)行測(cè)量的方法。不難理解，在不超出為各權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的方法和裝置還可以進(jìn)一步加以改變。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的方法，包括以下步驟(a)記錄代表著樣品對(duì)所輸入的剪力波的響應(yīng)的時(shí)序信號(hào)并向量；(b)處理時(shí)序信號(hào)并向量以檢測(cè)、測(cè)量出樣品中的彈性各向異性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中的處理時(shí)序信號(hào)并向量的步驟中包括將時(shí)序信號(hào)并向量對(duì)角化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中的處理時(shí)序信號(hào)并向量的步驟中包括(a)將時(shí)序信號(hào)并向量依次旋轉(zhuǎn)過(guò)一系列的角度;(b)顯示相對(duì)應(yīng)于所述一系列角度中的每一個(gè)角度的、已轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)的時(shí)序信號(hào)并向量中的時(shí)序信號(hào)側(cè)向分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中的記錄時(shí)序信號(hào)并向量的步驟中包括(a)用一具有第一偏振方位的變送器將第一剪力波輸入其樣品中;(b)用具有第一和第二偏振方位的第一接收器記錄代表著樣品對(duì)所輸入的第一剪力波的響應(yīng)的第一和第二時(shí)序信號(hào)Φ11、Φ21;(c)用一具有第二偏振方位的變送器將第二剪力波輸入其樣品中;(d)用具有第一和第二偏振方位的第二接收器記錄代表著樣品對(duì)所輸入的第一剪力波的響應(yīng)的第一和第二時(shí)序信號(hào)Φ12、Φ22。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于其中的時(shí)序信號(hào)Φ11、Φ12、Φ21和Φ22的并向量的對(duì)角化過(guò)程如下Φcm＝Cci(Ωr)ΦijMjm(Ωt)其中Φ11Φ12Φij＝Φ21Φ22Cci(Ωr)＝第一轉(zhuǎn)動(dòng)算子Cjm(Ωt)＝第二轉(zhuǎn)動(dòng)算子Φcm＝已處理過(guò)的時(shí)序信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于其中的使時(shí)序信號(hào)并向量對(duì)角化的第一轉(zhuǎn)動(dòng)算子中的角Ωt和第二轉(zhuǎn)動(dòng)算子中的角Ωr的確定過(guò)程如下Ωr＝ (α-γ)/2Ωt＝ (α+γ)/2其中
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于其中(a)角Ωt給出了一個(gè)相關(guān)于由樣品主軸測(cè)量到其將剪力波輸入樣品的變送器的偏振方位的方位角度測(cè)量值;(b)角Ωt給出了一個(gè)相關(guān)于由樣品主軸測(cè)量到第一和第二接收器的偏振方位的方位角度測(cè)量值。
8.一種檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)巖石結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的裝置，包括(a)用于記錄代表著樣品對(duì)所輸入的剪力波的響應(yīng)的時(shí)序信號(hào)并向量的剪力波變送器裝置;(b)用于處理時(shí)序信號(hào)并向量以探測(cè)、測(cè)量出其地質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的處理裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于其中的剪力波變送器裝置中包括(a)用于將偏振方位不同的第一和第二剪力波輸入樣品的剪力波發(fā)送變送器裝置;(b)用于記錄相應(yīng)于輸入樣品中的偏振方法不同的第一和第二剪力波中的每一個(gè)波的第一和第二時(shí)序信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于其中(a)輸入樣品的偏振方位不同的第一和第二剪力波具有相互垂直的偏振方位;(b)相對(duì)應(yīng)于輸入樣品的偏振方位不同的第一和第二剪力波中的每一個(gè)波所記錄到的第一和第二時(shí)序信號(hào)具有相互垂直的偏振方位。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于(a)剪力波發(fā)送變送器裝置包括具有其偏振方位相互垂直的第一和第二剪力波發(fā)送變送器;(b)剪力波接收變送器裝置包括具有其偏振方位相互垂直的剪力波的偏振發(fā)送器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于其中的第一和第二發(fā)送變送器的偏振方位與第一和第二接收變送器的偏振方位相互匹配。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于其中(a)剪力波發(fā)送變送器裝置包括一個(gè)可在第一和第二偏振方位之間轉(zhuǎn)動(dòng)的剪力波發(fā)送變送器;(b)剪力波接收變送器裝置包括一個(gè)可在第一和第二偏振方位之間轉(zhuǎn)動(dòng)的剪力波接收變送器。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于其中的代表著樣品對(duì)所輸入的剪力波的響應(yīng)的時(shí)序信號(hào)的并向量由下式構(gòu)成Φ11Φ12Φij＝Φ21Φ22其中，時(shí)序信號(hào)Φij表示樣品相對(duì)應(yīng)于由具有偏振方位為j的剪力波發(fā)送變送器所輸入的、并由具有偏振方位為i的剪力波接收變送器所記錄到的剪力波的響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)、測(cè)量地質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品中的彈性各向異性的新方法。用輸入一具有第一和第二偏振方位的剪力波、并用具有第一和第二偏振方位的剪力波變送器記錄樣品對(duì)所輸入的每一剪力波的響應(yīng)的方法采集其時(shí)序信號(hào)并向量。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，該時(shí)序信號(hào)并向量可以進(jìn)行對(duì)角化處理。在另一實(shí)施例中，該時(shí)序信號(hào)并向量可以用一系列旋轉(zhuǎn)角度加以處理，其最后得出的經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)處理的時(shí)序信號(hào)并向量以所選定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度加以顯示。
文檔編號(hào)G01N33/24GK1034064SQ8810843
公開日1989年7月19日 申請(qǐng)日期1988年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月14日
發(fā)明者理查德·馬丁·奧爾福德, 卡爾·亨德遜·桑德蓋爾德, 陳德拉·謝卡·賴 申請(qǐng)人:阿莫科公司