基于差异共振声谱仪多阶共振模式的弹性模量频散测量
发布时间：2021-06-24 23:42
利用差异共振声谱系统（DARS）可测量岩石样品在～600 Hz下的压缩系数或弹性模量,该测量依靠DARS系统的一阶共振模式测量来实现,而忽略了使用更高阶共振模式可以获得的信息。本文利用DARS系统的第二、三阶共振模式测量以估算岩石样品的体积模量。使用三个参考样品代替两个参考样品,我们获得了具有更高准确度的校准参数。通过对校准参数分析,改进了测量过程,选择了具有较高敏感度的测量位置来替代传统的多点测量。在此基础上,提出了一种新的线性最小二乘反演算法,用于获得校准参数和样品弹性参数。利用这种高精度反演方法获得了7块不同孔隙度的人工砂岩样品在三个共振频率下的体积模量。这些样品的体积模量显示出从低阶共振频率（～600 Hz）到第三阶共振频率（～1800 Hz）的频散。对于具有相对低到中等渗透率的样品,频散较大,而对于具有高渗透率的样品,频散较弱。这种频散差异受渗透率控制,是由于样品孔隙中流体流动性不同,导致不同的样品落入不同的"域"。对于渗透率相对较低或中等的样品,DARS共振频率可能在频散特征频率范围内,因此频散较强。对于渗透率较高的样品,DARS共振频率处于低频范围内,体积模量几乎不随频率...
【文章来源】：石油科学通报. 2020,5(04)
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
理想条件下(没有加载样品)，第一、第二和第三阶共振模式下共振腔内的声压振幅分布
采集共振频率的位置覆盖了共振腔的整个长度。对应于不同共振模式，样品#16的共振频率数据如图2所示，图中还显示了通过对样品#16数据的反演获得的参数A和B。需要注意的是，共振频率随测量位置的变化与压力波场随不同波长的变化有关(见图1)。在每个共振模式下，参数A与共振频率同相，而参数B与共振频率反相。这种变化趋势可以通过A和B的定义来解释，因为它们的值与波场的分布紧密关联。尽管测量点数量少，似乎不足以对波场进行采样，但是共振频率信息对于获得样品的压缩率和密度是冗余的。实际上，在两个位置进行测量足以给出校准参数以及样品的压缩率和密度。但是，较大的A值更好，因为高A值体现更高的灵敏度和反演压缩率的准确性。测量频率增加有助于获得稳定的反演结果。因此，在实际实验中，可以在最高共振频率附近的多个频点进行测量，并用于压缩率的反演。为了检查与反演方法相关的整体误差，使用了3个参考样本和测试样品的所有共振频率。测量点的选择是在实际实验中进行的，这将在下一部分中进行描述。我们利用3个参考样品和测试样品的所有模拟共振频率，将所有16个假想样品在600 Hz,1200 Hz和1800 Hz的压缩率和密度进行了反演。对于所有三种共振模式(图3a,3b)，样品的压缩率或体积模量都显示出与真实值的偏差很小，随机分布的误差大多在±5%之内(参见表2)，这表明扰动方程对于第二阶和第三阶共振模式也是有效的。假想样品的压缩率和密度的误差主要是由于A和B的估计误差以及从模拟中获得的共振频率的误差引起的。A和B的估计通常需要两个标准样品的共振频率才能满足方程式(1)。但是，由于方程式(1)中定义的压力场的属性随不同的样品而变化，因此会产生一定程度的误差。因此，估计值A和B实际上是在标准样品之间平均的。在实际实验中，我们选择了3个参考样品而不是两个，一个固体铝，一个固体树脂和一种混合固体材料。这可以提高A和B值的准确性，因为可以对3个样本进行平均，其中两个样品的体积模量可与岩石样本相比。无论如何，如数值模拟所示，总体误差水平不会超过±5%。
我们利用3个参考样品和测试样品的所有模拟共振频率，将所有16个假想样品在600 Hz,1200 Hz和1800 Hz的压缩率和密度进行了反演。对于所有三种共振模式(图3a,3b)，样品的压缩率或体积模量都显示出与真实值的偏差很小，随机分布的误差大多在±5%之内(参见表2)，这表明扰动方程对于第二阶和第三阶共振模式也是有效的。假想样品的压缩率和密度的误差主要是由于A和B的估计误差以及从模拟中获得的共振频率的误差引起的。A和B的估计通常需要两个标准样品的共振频率才能满足方程式(1)。但是，由于方程式(1)中定义的压力场的属性随不同的样品而变化，因此会产生一定程度的误差。因此，估计值A和B实际上是在标准样品之间平均的。在实际实验中，我们选择了3个参考样品而不是两个，一个固体铝，一个固体树脂和一种混合固体材料。这可以提高A和B值的准确性，因为可以对3个样本进行平均，其中两个样品的体积模量可与岩石样本相比。无论如何，如数值模拟所示，总体误差水平不会超过±5%。为了测试更高阶共振的扰动方程，我们还在真实的DARS测量中使用了由均质材料制成的固体测试样品，以在三个共振频率下获得压缩率(体积模量)。它的体积模量也由超声技术(～1 MHz)测得的密度和速度计算得出。测量结果表明，在不同共振频率下测得的压缩率几乎没有变化，并且在不考虑误差棒的情况下，从超声测量压缩率(～1 MHz)到DARS测量压缩率(～600～1800 Hz)大约增加了5%(图3c)。相应地，从DARS结果到超声结果，体积模量增加了约5%(图3d)。压缩率的增加很可能是由与DARS技术和超声技术相关的系统误差引起的。均质和各向同性测试样品的体积模量几乎没有频散。在3个不同的共振频率下测量了3到4次压缩率(体积模量)，误差在平均值的±5%范围内。这些结果表明，如果不存在频散(例如纯固体样品)，则DARS技术将在前三个共振频率下获得几乎相同的结果，从而证实了扰动方程仍适用于更高的共振频率。因此，DARS方法可用于量化一阶和更高阶共振下材料的体积模量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低频地震岩石物理测量系统改进及致密砂岩实验研究[J]. 赵立明,唐跟阳,王尚旭,董春晖,贺艳晓,赵建国,孙超,韩旭. 石油科学通报. 2019(02)
本文编号：3248048
【文章来源】：石油科学通报. 2020,5(04)
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
理想条件下(没有加载样品)，第一、第二和第三阶共振模式下共振腔内的声压振幅分布
采集共振频率的位置覆盖了共振腔的整个长度。对应于不同共振模式，样品#16的共振频率数据如图2所示，图中还显示了通过对样品#16数据的反演获得的参数A和B。需要注意的是，共振频率随测量位置的变化与压力波场随不同波长的变化有关(见图1)。在每个共振模式下，参数A与共振频率同相，而参数B与共振频率反相。这种变化趋势可以通过A和B的定义来解释，因为它们的值与波场的分布紧密关联。尽管测量点数量少，似乎不足以对波场进行采样，但是共振频率信息对于获得样品的压缩率和密度是冗余的。实际上，在两个位置进行测量足以给出校准参数以及样品的压缩率和密度。但是，较大的A值更好，因为高A值体现更高的灵敏度和反演压缩率的准确性。测量频率增加有助于获得稳定的反演结果。因此，在实际实验中，可以在最高共振频率附近的多个频点进行测量，并用于压缩率的反演。为了检查与反演方法相关的整体误差，使用了3个参考样本和测试样品的所有共振频率。测量点的选择是在实际实验中进行的，这将在下一部分中进行描述。我们利用3个参考样品和测试样品的所有模拟共振频率，将所有16个假想样品在600 Hz,1200 Hz和1800 Hz的压缩率和密度进行了反演。对于所有三种共振模式(图3a,3b)，样品的压缩率或体积模量都显示出与真实值的偏差很小，随机分布的误差大多在±5%之内(参见表2)，这表明扰动方程对于第二阶和第三阶共振模式也是有效的。假想样品的压缩率和密度的误差主要是由于A和B的估计误差以及从模拟中获得的共振频率的误差引起的。A和B的估计通常需要两个标准样品的共振频率才能满足方程式(1)。但是，由于方程式(1)中定义的压力场的属性随不同的样品而变化，因此会产生一定程度的误差。因此，估计值A和B实际上是在标准样品之间平均的。在实际实验中，我们选择了3个参考样品而不是两个，一个固体铝，一个固体树脂和一种混合固体材料。这可以提高A和B值的准确性，因为可以对3个样本进行平均，其中两个样品的体积模量可与岩石样本相比。无论如何，如数值模拟所示，总体误差水平不会超过±5%。
我们利用3个参考样品和测试样品的所有模拟共振频率，将所有16个假想样品在600 Hz,1200 Hz和1800 Hz的压缩率和密度进行了反演。对于所有三种共振模式(图3a,3b)，样品的压缩率或体积模量都显示出与真实值的偏差很小，随机分布的误差大多在±5%之内(参见表2)，这表明扰动方程对于第二阶和第三阶共振模式也是有效的。假想样品的压缩率和密度的误差主要是由于A和B的估计误差以及从模拟中获得的共振频率的误差引起的。A和B的估计通常需要两个标准样品的共振频率才能满足方程式(1)。但是，由于方程式(1)中定义的压力场的属性随不同的样品而变化，因此会产生一定程度的误差。因此，估计值A和B实际上是在标准样品之间平均的。在实际实验中，我们选择了3个参考样品而不是两个，一个固体铝，一个固体树脂和一种混合固体材料。这可以提高A和B值的准确性，因为可以对3个样本进行平均，其中两个样品的体积模量可与岩石样本相比。无论如何，如数值模拟所示，总体误差水平不会超过±5%。为了测试更高阶共振的扰动方程，我们还在真实的DARS测量中使用了由均质材料制成的固体测试样品，以在三个共振频率下获得压缩率(体积模量)。它的体积模量也由超声技术(～1 MHz)测得的密度和速度计算得出。测量结果表明，在不同共振频率下测得的压缩率几乎没有变化，并且在不考虑误差棒的情况下，从超声测量压缩率(～1 MHz)到DARS测量压缩率(～600～1800 Hz)大约增加了5%(图3c)。相应地，从DARS结果到超声结果，体积模量增加了约5%(图3d)。压缩率的增加很可能是由与DARS技术和超声技术相关的系统误差引起的。均质和各向同性测试样品的体积模量几乎没有频散。在3个不同的共振频率下测量了3到4次压缩率(体积模量)，误差在平均值的±5%范围内。这些结果表明，如果不存在频散(例如纯固体样品)，则DARS技术将在前三个共振频率下获得几乎相同的结果，从而证实了扰动方程仍适用于更高的共振频率。因此，DARS方法可用于量化一阶和更高阶共振下材料的体积模量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低频地震岩石物理测量系统改进及致密砂岩实验研究[J]. 赵立明,唐跟阳,王尚旭,董春晖,贺艳晓,赵建国,孙超,韩旭. 石油科学通报. 2019(02)
本文编号：3248048
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