基于深部原位环境保真重构的岩石物理力学参数超声探测与反演方法

本发明涉及一种岩石物性参数测试分析方法，具体是一种基于深部原位环境保真重构的岩石物理力学参数超声探测与反演方法，属于岩石物理力学参数测试。

背景技术：

1、随着浅部能源与矿产资源的持续消耗，煤炭、油气、地热及矿产等资源开发不断向深部延伸。与浅部工程相比，深部岩体长期处于高应力、高地温、高渗透压及强扰动等复杂环境，深部工程活动的安全高效推进高度依赖对岩石物理力学参数（孔隙率、体积模量、剪切模量等）的精准掌握，这些岩石物理力学参数是井壁设计、矿压控制、岩爆等动力灾害预警的重要依据，因此，准确获取深部原位环境条件下岩石的物理力学参数，是实现深部资源安全高效开发的基础。

2、然而，当前深部岩石物理力学参数测试技术存在根本性缺陷。常规测试方法需将深部钻取的岩芯转移至地表实验室原位环境进行测试。这一过程中，岩芯经历高地应力卸载、温度下降以及孔隙压力消散，会导致岩芯内部结构发生不可逆损伤（如孔隙扩张、微裂隙萌生），形成 “环境失稳型失真”。因此，在地表常规条件下测得的岩石波速、体积模量、剪切模量等参数，与深部原位真实状态偏差显著，无法反映岩石在高地温、高地压下的真实力学行为，从而削弱了测试结果在深部能源资源开发利用的工程建设与运维的适用性。

3、超声波测试技术凭借无损、高效、高分辨率的优势，已成为岩石波速测试的主流手段，但现有深部超声测试技术仍存在三大核心瓶颈，难以满足精准测试需求：传统超声测试多采用单一对穿或表面布置探头，信号传播路径单一，难以获取岩芯内部波速的空间分布特征，且易受岩芯表面状态、耦合剂性能及边界效应（如测试舱壁、岩芯覆膜或套管）的影响，测试精度受限。此外，传统的岩芯装载方式（如从侧方封堵盖板装入）难以精确控制岩芯在测试舱中的同轴度，微小的偏心会引入显著的声波路径误差，影响波速计算准确性。现有方法对波速信号的处理多基于直接走时读取，未考虑波在水-岩界面的折射及路径弯曲效应，尤其在非均质岩石中误差较大。同时，缺乏系统的温度与压作用对波速及反演力学参数影响的分析模型，难以满足深部岩石力学研究对高精度、原位保真数据的需求。因此，亟需一种能够在深部原位保真环境下实现岩石物理力学参数精准超声探测与反演的方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于深部原位环境保真重构的岩石物理力学参数超声探测与反演方法，能够在深部原位保真环境下精准获取岩石原位波速，并结合非直线传播迭代修正与多传感器数据统计反演深部岩石原位物理力学参数，可以为后续研究深部岩石力学行为规律提供精准、可靠的数据支撑。

2、为实现上述目的，本基于深部原位环境保真重构的岩石物理力学参数超声探测与反演方法所使用的测试系统包括保真舱体、超声测试单元、温压控制单元和数据采集处理单元；

3、保真舱体包括前后对称设置且同轴密封对结安装连接的两个舱体段、且对接设置的两个舱体段内部形成整体轴向贯通的样品测试腔，每个舱体段的对接端均设有环形传感器安装槽，每个舱体段的非对接端均设有内小外大的锥形导向结构、且锥形导向结构的小径端与样品测试腔平滑对接，每个舱体段的非对接端还分别同轴密封安装有转换法兰；

4、超声测试单元包括中心对称定位设置于环形传感器安装槽内的个超声探头，其中为偶数、且，超声探头的检测面与样品测试腔内壁齐平；

5、温压控制单元包括加载装置、加热装置、冷却装置、温度传感器和压力传感器；

6、数据采集处理单元包括中央控制器和采集控制回路，中央控制器分别与超声探头和温压控制单元电连接；

7、基于深部原位环境保真重构的岩石物理力学参数超声探测与反演方法具体包括以下步骤：

8、s1，数据获取与分析：利用测试系统采集原始声波信号，并对原始声波信号进行剔除异常值的预处理，对非直线传播波速进行折射迭代修正得到原位波速；采用加权平均法计算全截面平均波速，作为反演基础参数；

9、s2，构建岩石波速与物理力学参数的理论模型与反演：首先分别构建纵波波速与压力的正演模型和纵波波速与温度的正演模型，然后基于正演模型及易测得的波速反演物性参数，然后对反演得到的物性参数进行数值拟合迭代优化，直至理论预测满足精度要求；

10、s3，构建修正系数模型：分别建立修正系数与温度的函数模型和修正系数与压力的函数模型以消除附件干扰对测试结果的影响，将实测波速换算为真实岩芯波速。

11、进一步的，s1具体如下：

12、s1-1，数据获取：首先通过“一发多收”模式和“轮换激发”模式进行全角度范围内的原始声波信号采集，原始声波信号包括反射波信号和透射波信号，“一发多收”模式是某个超声探头作为发射端时其余的个超声探头作为接收端，“轮换激发”模式是个超声探头依次作为发射端；

13、s1-2，数据预处理：对采集的原始声波信号进行滤波、降噪，提取纵波和横波的到时数据；每组参数重复测试多次，剔除异常值后取均值，进行直线传播波速和非直线传播波速的计算，然后以直线传播波速为基准对非直线传播波速进行折射修正，并剔除非直线传播波速中的异常值，统计不同折射角度下的波速分布特征；

14、s1-3，采用按路径长度加权的平均算法进行平均值的计算，获得整体波速。

15、进一步的，s1-2中，直线传播波速的计算公式如下：

16、

17、式中：为直线路径中声波在两侧去离子水层内的总传播时间；为单侧超声探头检测面至岩芯外表面的距离；为去离子水中的声速，按当前温度、压力工况标定或实时校准；为直线传播路径计算得到的岩芯波速；为岩芯直径；为直线传播路径中激发波与到达波之间的实测传播时差；

18、非直线传播波速按“水介质段—岩芯段—水介质段”的折线路径进行计算，并结合斯涅尔定律对岩芯段有效传播长度进行迭代修正，具体计算公式如下：

19、

20、式中：为第条非直线传播路径的总传播长度；为第条非直线传播路径在水介质段相对于界面法线的入射角；为第条非直线传播路径在岩芯内部相对于界面法线的折射角；为第条非直线传播路径对应的岩芯波速。

21、进一步的，s1-2中，以直线传播波速为基准对非直线传播波速进行折射修正，是结合斯涅尔定律对岩芯段有效传播长度进行迭代修正，具体如下：

22、以直线传播路径测得的直线传播波速作为岩芯波速初始基准值的更新值，代入斯涅尔定律公式，则修正后计算初始折射角表示如下式所示：

23、

24、式中：为第次迭代得到的岩芯内折射角；为上一轮迭代得到的岩芯波速；

25、计算得到岩芯内声波实际传播长度如下式所示：

26、

27、式中：为第次迭代中第条非直线路径在岩芯内部的有效传播长度；

28、则岩芯内声波实际总传播路径长度如下式所示：

29、

30、式中：为第次迭代中第条非直线传播路径的实际总路径长度；为两侧水介质段传播长度之和；

31、则修正波速计算如下式所示：

32、

33、式中：为第次迭代计算得到的第条非直线传播路径岩芯波速；为第条非直线传播路径的实测时差；为两侧水介质段声波传播时间；

34、迭代误差计算如下所示：

35、

36、式中：为第次迭代的相对误差；

37、设定误差限，若，则以作为新基准值重复迭代；当时停止迭代、并将此时的第条非直线传播路径折射迭代修正后的波速作为修正后的非直线传播波速。

38、进一步的，s1-3中，波速平均值计算如下式所示：

39、

40、式中：为全截面平均波速；为直线传播波速；为直线传播路径权重；为第条非直线传播路径折射迭代修正后的波速；为剔除发射探头自身及对向直线接收路径后参与平均的非直线路径数量；为第条非直线传播路径权重，各权重按路径几何长度、信噪比或标定置信度综合设定，在仅按路径长度加权时取进行归一化；

41、其中直线传播路径权重和非直线传播路径权重的取值根据路径几何长度比例进行设定。

42、进一步的，s2中，

43、孔隙率在压力作用下的演化模型表示如下：

44、

45、式中：为围压或有效压力，单位mpa；为压力下的孔隙率；为常压初始孔隙率；为极高压力下的孔隙率极限值；为孔隙压缩系数，单位mpa-1；

46、饱和密度在压力作用下的演化模型表示如下：

47、

48、式中：为压力下的岩石饱和密度；为固体基质密度；为孔隙流体密度；为压力下的孔隙率；

49、体积模量在压力作用下的演化模型表示如下：

50、

51、式中：为压力下的干燥骨架体积模量；为无损或参考状态干燥骨架体积模量；为体积模量孔隙退化系数；为压力下的孔隙率；

52、剪切模量在压力作用下的演化模型表示如下：

53、

54、式中：为压力下的干燥骨架剪切模量；为无损或参考状态干燥骨架剪切模量；为剪切模量孔隙退化系数；为压力下的孔隙率；

55、饱和体积模量在压力作用下的演化模型表示如下：

56、

57、式中：为压力下的饱和体积模量；为压力下的干燥骨架体积模量；为固体矿物颗粒体积模量；为孔隙流体体积模量；为压力下的孔隙率；

58、则，纵波波速与压力的正演模型表示如下：

59、

60、式中：为压力下的纵波波速；、和分别为同一压力工况下的饱和体积模量、干燥骨架剪切模量和饱和密度；

61、将正演模型中饱和密度、剪切模量、饱和体积模量均表示为孔隙率的函数，并代入波速公式，整理得到关于求解孔隙率的隐式方程，如下所示：

62、

63、式中：为压力路径下关于孔隙率的隐式残差函数；为当前压力工况下实测并经修正的纵波波速；、和分别表示将孔隙率作为自变量代入对应压力模型后的函数；

64、将由上述隐式方程求得的孔隙率作为核心中间变量，带回正演模型的对应表达式，反演出该状态下各物性参数的理论值，具体计算公式如下：

65、饱和密度反演如下所示：

66、

67、式中：为反演得到的饱和密度；为由隐式方程求得的孔隙率；

68、体积模量反演如下所示：

69、

70、式中：为反演得到的干燥骨架体积模量；为由隐式方程求得的孔隙率；

71、剪切模量反演如下所示：

72、

73、式中：为反演得到的干燥骨架剪切模量；为由隐式方程求得的孔隙率；

74、压力路径数值拟合迭代计算流程如下：

75、①初始化：将参数分为ⅰ类参数和ⅱ类参数两类，先固定ⅰ类参数的当前赋值，将作为压力路径待优化参数向量并赋予初始值，后续通过数据拟合进行确定；ⅱ类参数通过独立试验或查文献获得；

76、②正演计算：对于每个压力点，适用当前参数集计算波速值，计算过程遵循已建立的孔隙率、密度、模量及波速公式；

77、③构建目标函数：最小化理论波速与实测波速的残差平方和，如下所示：

78、

79、式中：为压力路径拟合目标函数；为压力路径待优化参数向量；为压力工况数量；为第个压力点的实测纵波波速；为模型预测纵波波速；

80、④迭代优化：通过不断更新使目标函数最小化，直至满足收敛准则；

81、⑤验证与反馈：确定最终参数后，反演计算物性参数理论值，并与上述独立实验实测值比对，若误差超限，则需要调整相关ⅰ类参数的赋值，并重复上述优化过程，直至理论预测满足精度要求。

82、进一步的，s2中，

83、将热损伤引起的微裂隙等效为圆盘状裂隙，则裂隙密度定义如下所示：

84、

85、式中：为圆盘状微裂隙等效裂隙密度；为统计体积内裂隙数量；为等效圆盘裂隙半径；为统计代表体积；

86、建立裂隙密度随温度演化的经验模型如下所示：

87、

88、式中：为当前温度；为参考温度；为当前温度下的裂隙密度；为参考温度下的初始裂隙密度；为热损伤裂隙密度增量系数；为温度敏感系数；

89、则孔隙率在温度作用下的演化模型表示如下：

90、

91、式中：为当前温度下的总孔隙率；为基质孔隙率；为当前温度下的裂隙孔隙率；为圆盘状裂隙纵横比；为当前温度下的裂隙密度；

92、饱和密度在温度作用下的演化模型表示如下：

93、

94、式中：为当前温度下的岩石饱和密度；为固体基质密度；为温度相关的孔隙流体密度；为当前温度下的总孔隙率；

95、由基质模量求泊松比，如下所示：

96、

97、式中：为当前温度下基质泊松比；为温度相关的基质体积模量；为温度相关的基质剪切模量；

98、则体积模量在温度作用下的演化模型表示如下：

99、

100、式中：为当前温度下的干燥骨架体积模量；为温度相关基质体积模量；为裂隙密度对体积模量的退化系数；为当前温度下的裂隙密度；

101、剪切模量在温度作用下的演化模型表示如下：

102、

103、式中：为当前温度下的干燥骨架剪切模量；为温度相关基质剪切模量；为裂隙密度对剪切模量的退化系数；为当前温度下的裂隙密度；

104、饱和体积模量在温度作用下的演化模型表示如下：

105、

106、式中：为当前温度下的饱和体积模量；为当前温度下的干燥骨架体积模量；为固体矿物颗粒体积模量；为温度依赖的孔隙流体体积模量；为当前温度下的总孔隙率；

107、将上述参数模型带入弹性波理论的基本公式，得到纵波波速与温度的正演模型表示如下：

108、

109、式中：为当前温度下的纵波波速；、和分别为同一当前温度工况下的饱和体积模量、干燥骨架剪切模量和饱和密度；

110、将正演模型中的饱和密度、剪切模量、饱和体积模量均表示为裂隙密度的函数，并代入波速公式，整理得到关于裂隙密度的隐式方程，如下所示：

111、

112、式中：为温度路径下关于裂隙密度的隐式残差函数；为当前温度工况下实测并经修正的纵波波速；、和分别表示将裂隙密度作为自变量代入温度模型后的函数；求得后进行物性参数反演；

113、将由上述隐式方程求得的裂隙密度带入正演模型得到目标温度下岩石的物性参数，具体反演公式如下：

114、孔隙率反演如下所示：

115、

116、式中：为反演得到的目标温度下的总孔隙率；为基质孔隙率；为裂隙纵横比；为由隐式方程求得的裂隙密度；

117、饱和密度反演如下所示：

118、

119、式中：为反演得到的目标温度下的饱和密度；为固体基质密度；为温度相关流体密度；为反演得到的目标温度下的总孔隙率；

120、基质泊松比反演如下所示：

121、

122、式中：为反演温度工况下的基质泊松比；和分别为当前温度下的基质体积模量与基质剪切模量；

123、体积模量反演如下所示：

124、

125、式中：为反演得到的干燥骨架体积模量；为当前温度下的基质体积模量；为体积模量裂隙退化系数；为由隐式方程求得的裂隙密度；

126、剪切模量反演如下所示：

127、

128、式中：为反演得到的干燥骨架剪切模量；为当前温度下的基质剪切模量；为剪切模量裂隙退化系数；为由隐式方程求得的裂隙密度；

129、饱和模量反演如下公式所示：

130、

131、式中：为反演得到的饱和体积模量；为反演干燥骨架体积模量；为固体矿物颗粒体积模量；为温度相关孔隙流体体积模量；为由隐式方程求得的孔隙率；

132、温度状态下数值拟合迭代计算流程如下：

133、①初始化：将参数分为ⅰ类参数和ⅱ类参数两类，先固定ⅰ类参数的当前赋值，将作为温度路径待优化参数向量并设置初始猜测值；ⅱ类参数后续通过独立试验获得；

134、②正演计算：确定当前参数集后，对于每个温度点构建隐式函数，利用实测波速值求解裂隙密度，再利用裂隙密度反演各物性参数；

135、③构建目标函数：最小化理论波速与实测波速的残差平方和，如下所示：

136、

137、式中：为温度路径拟合目标函数；为温度路径待优化参数向量；为温度工况数量；为第个温度点的实测纵波波速；为模型预测纵波波速；

138、④迭代优化：通过不断更新使目标函数最小化，直至满足收敛准则；

139、⑤验证与反馈：确定参数后计算物性参数理论值，并与上述独立实验实测值比对。若误差超限，则需要调整相关ⅰ类参数的赋值，并重复上述优化过程，直至理论预测满足精度要求。

140、进一步的，s3中，修正系数的函数形式如下所示：

141、

142、式中：、、分别为覆膜条件下的波速修正系数、套管条件下的波速修正系数、覆膜与套管共存条件下的波速修正系数；、、分别表示覆膜条件下经系统标定获得的温压修正函数、套管条件下经系统标定获得的温压修正函数、套膜与套管共存条件下经系统标定获得的温压修正函数；为当前温度；为围压或有效压力；

143、将实测波速换算为真实岩芯波速的计算公式如下所示：

144、

145、式中：为换算得到的裸露岩芯真实波速；为第类附件条件下测得的波速；为对应附件条件下的修正系数；表示覆膜条件，表示套管条件，表示覆膜与套管共存条件。

146、与现有技术相比，本基于深部原位环境保真重构的岩石物理力学参数超声探测与反演方法通过“保真环境重构-多路径超声测试-信号精准处理-波速迭代优化-力学参数反演-干扰修正”的技术路线，通过在测试舱内重构深部原位岩石高温高压环境，在保真条件下采用非接触式声测试手段精准获取原位岩样波速，结合波速计算与迭代优化技术降低测试误差，获取岩石真实波速值，建立波速与岩石力学参数的关联模型，量化温度与压力作用对测试结果的影响，同时修正覆膜、套管的干扰，实现对深部原位岩石物理力学参数的非接触、无损、精准探测，可以为深部岩石力学领域的理论研究与工程实践提供关键技术支撑。具体具有以下有益效果：

147、1. 本发明能够在测试舱内精准重构深部原位温度与压力环境，直接对岩芯开展超声探测分析，精准获取岩石原位波速，破解传统地表常温常压测试因 “环境失稳”导致岩芯参数失真、测量偏差大的难题。

148、2. 本发明依托超声探测获取的高精度波速数据，结合非直线传播迭代修正与多传感器数据统计，深入分析波速与体积模量、剪切模量、孔隙率等力学参数的关联，进一步反演深部岩石原位物理力学参数，为后续研究深部岩石力学行为规律提供精准、可靠的数据支撑。

149、3. 本发明可以系统揭示温度、压力因素对岩石力学参数的影响规律，建立的反演方法与修正模型适配砂岩、花岗岩、煤岩等典型岩性，可直接应用于油气储层评估、煤炭深井开采、深部隧道工程等场景，为工程设计优化与灾害预警提供科学依据。