4 煤弹性各向异性系数测试岩石弹性各性异性参数测试做了不少工作，1986 年 Tien-when Lo 等71在最大压 力lOOObars条件下，分别测量Berea砂岩、Chicopee页岩、Chelmsford花岗岩的5 个弹性参数；在1992年Lev Vernik和Amos Nure在高温（140。）、高围压（80Mpa） 下测试页岩在不同含油饱和度情况下的各向异性参数；由于页岩是重要含油气地层， 因而对页岩的各向异性研究报道较多，Joel E.等（1995）%认为在一定围压下砂岩、 页岩、花岗岩速度均具各向异性，当围压的增加时，孔隙和裂缝逐渐闭合，它们的 各向异性不断减小，当围压增加一定程度时，各向异性主要由层理和矿物各向异性 所决定。然而，煤的弹性各性异性速度和参数测试在国内外报道较少，Gang Yu（1993 ）在 围压下煤样按顺作煤层、垂直与煤层与煤层成45o,分别测试了煤层P、SH波速度、 衰减、品质因素等，认为煤样含水饱和度对P波速度影响比SH波影响要大，随着围 压的增加，P、SH波速度逐渐增大，各向异性减小。由第三章知道，煤与其顶、底板泥岩、砂质泥岩相比具有较大的各向异性，为了 表述煤的弹性各向异性，常用Thomsens垂向P波速度V、垂向S波速度V和3个各PS向异性系数5、y表示，而各向异性系数又与各向异性弹性常数C、C、C、11 12 13C和C有关，因此通过测试煤样不同方向纵波速度V和横波速度V、V可求得 3344PSH SV各向异性系数。煤弹性常数测试横向各向同性介质可以由5个独立的弹性常数描述，图4.1是假设煤层是VTI介 质，对称轴垂直于煤层，速度测试的方向分别平行于煤层、垂直于煤层和与煤层成450 方向，每个方向测纵波速度V和横波速度V、V。PSHSV一、实验装置用超声频率对压缩波（P）和剪切波（SH、SV）速度V、V进行测量。测定过SHSV程把接收换能器与发射源换能器置于煤、岩样品的两侧，测量 S 、 S 的速度，采SHSV用横波换能器，并根据横波方向性测出 SH、 SV 波波形。煤样超声波速度是在南京石 油物探研究所模型室进行的，基本测量部件包括一对超声换能器、脉冲发声器、模数 转换器和微机等。信号获得由脉冲发生器产生脉冲电信号激发一换能器发生超声波， 超声波穿透测量的样品到接收换能器被检获，被检获的信号经模数转换，由微机储存 信号，见图 4.2。计算机记录波形，每道样点数 2048，0.1us 采样，以4 个字节长整 形数保存在存贮设备上。P波测试换能器直径d=1.5cm，频率lOOKHz, S波测试换能 器直径d=1.0cm，频率200KHz。图4.2煤样速度测试系统二、实验方法各向异性测试煤样采自淮北矿区芦岭煤矿和济宁鲍店煤矿，煤样共15块，煤样加 工成如图4.3、图4.4各图所示，加工边长在615cm，其中15号煤样采自芦岭煤 矿，煤样裂隙发育，制样困难，进行了注胶后加工。在加工与煤层成45o角平面时， 精度在土 2o。其它样品制备与实验注意事项同煤、岩样超声速度测试。图4.3煤样形态示意图图4.4实际测试煤样三、测试波形每个煤样有8个面，其中需要测试平行于煤层、垂直于煤层和与煤层成45o三个方向的速度，测试记录波形，图4.5 是1 号煤样在三个方向 P 波波形，根据初至读取 传播时间，用卡尺测量超声传播距离，进而计算V速度。每个方向同时要记录P波、 pSH波和SV波的波形，如图4.6为1号煤样三个方向上三种波形。在测试SH和SV波 形中，要注意SH和SV波的方向性，读取初至时要避免受P波的干扰。于-1垂-1.5050炉0100000 s130糾 s20020001.510.50-0.5-1-1.5050目00100000 s150炒 s200200形图4.5 1号煤样在垂直、平行和与煤层面成450方向的P波测试波形由于煤层裂缝发育，对超声的吸收能量大，所以超声在不同方向在记录波形时放 大倍数不一样，穿透距离不一样时能量吸收也不一样，在没有标定的情况下，同类型 波形的初至波不能反映能量相对变化，仅反映到达时间。从煤样测试三个方向P、SH、SV波速度来看，15块煤样中垂直于煤层方向P速度 1.5332.16km/s、与煤层成45。方向为1.632.37km/s、与煤层平行方向速度1.708 2.394km/s;垂直于煤层方向SH速度0.951.447km/s、与煤层成45。方向为0.974 1.314km/s、与煤层平行方向速度1.441.315km/s;垂直于煤层方向SV速度0.89 1.354km/s、与煤层成450方向为0.9141.315km/s、与煤层平行方向速度1.0831.384km/s。如果煤是各向同性介质，三个方向的P波速度、S波速度应该相同；如果 煤层 VTI 是横向各向同性介质，当对称轴垂直于煤层时，各向同性面内同类型速度应 该相同，而实际测试结果表明速度并不是这样，平行于煤层的速度大于与煤层成450、 垂直方向同类型波速度，这表明煤样具有正交各向异性，并且垂直方向的各向异性比 水平方各向异性来得大，但在煤田勘探范围内，煤沉积环境不变情况下，认为煤各向 异性主要由于横向异性变化造成的。形波试测向方面层煤于行平形波试测向方面层煤于直垂OO-5 0 5 1 - - -2Q0pos50忱s10Mos150500sP波测试波形SH波测试波形图4.61号煤样在垂直、平行和与煤层成45。方向的P、SH、SV波测试四、弹性常数 横向各向同性介质的弹性常数有 5 个，5 个弹性常数反映不同方向不同类型速度 的变化，如图4.7不同方向不同类型速度，设煤的密度为p ,速度、密度与弹性常数Vp4511121333441311 12133344图4.7煤样速度测试示意图的之间遵从如下关系C 二 pV 211 ParC 二 C pV 212 11 SHC 二 pV 233 PerC 44 PV$2C =C +bp2V4 2pV2(c+ C +2C)C+ C)C+ C “213 14P 45P 4511334411443344煤样中沿平行于煤层、垂直于煤层和与煤层成 450方向的纵波与横波速度决定了煤的弹性常数C、C、C、C和C。弹性常数C取决于与煤层成45。方向压缩 波相速度(V )。15块煤样测试其结果如表4.1,煤的5个弹性常数C大小3.657.94GPa,其平 均值 6.031GPa； C 大小 0.23.7GPa，平均值 1.67GPa； C 大小 0.083.61GPa,12 13平均值 1.2GPa； C 大小 4.336.05GPa,平均值 4.83GPa； C 大小 1.032.52GPa,3344平均值1.61GPa。弹性各向异性系数通常用弹性参数来描述弹性介质，前面VTI与HTI介质的本构方程可知，横向各 向同性介质中独立的弹性参数仅有C、C、C、C、C 共五个。但这些弹性参数没有明确具体的物理意义。Thomsen(1986)和Ruger(1997) 75认为在弱各向异性前表 4.1 煤样测试的各向异性参数密度速度，km/s弹性常数（GPa）各向煤样编号垂直面与煤层与煤层面成45。平行与煤层面C11C12C13C33C44g/cm3VPVSHVSVVPVSHVSVVPVSHVSV11.3042.0971.1561.1852.0480.9740.9422.3811.291.237.393.050.675.741.790.1521.2761.8911.0551.1741.9061.1381.2382.141.291.255.841.60.814.561.590.1431.2021.6980.950.9041.980.9650.9752.0561.1661.0895.081.813.013.471.030.2341.2411.8671.0821.1911.80.9760.9462.0271.3021.2085.10.890.084.331.60.0951.2822.161.2211.2062.1431.2761.242.3221.2841.2446.912.691.525.981.890.0861.2541.5331.0580.9981.8181.0541.1162.2711.2851.1816.472.330.092.951.330.671.2822.1171.4471.3542.1781.2211.2292.2461.3511.3066.471.791.015.752.520.0681.3341.9011.1441.1652.0911.2331.3152.2231.361.346.591.662.314.821.780.1891.3242.1381.2991.2762.371.3141.2832.3941.4141.3387.592.293.616.052.20.13101.2912.0261.1831.0621.9211.0811.1572.071.3251.2275.5310.865.31.630.02111.2511.8421.0050.9581.631.0120.9581.7081.141.0833.650.40.264.251.21-0.07121.2281.8741.1741.1681.831.1081.0691.931.471.3364.570.20.414.311.680.03131.3111.7281.0831.0561.7520.9280.9142.0481.2761.25.51.230.163.911.50.2141.4282.0290.9820.9592.0330.9610.9372.3581.2181.1767.943.72.055.881.350.18151.2332.0480.9510.891.8850.9031.1142.1751.4881.3845.840.371.