Question

测量数据质量和误差分析

Answer 1

岩石物性测量是在高温高压实验室的岩石原位物性测定系统上完成。测量系统的压力控制包括围压 控制和孔隙压力控制。围压用来模拟上覆地层重量引起的压力；孔隙压力模拟地层流体的压力。压力测 定用0.4级的精密压力表标定，分辨率为0.1MPa。孔隙压力通过流体从岩样的加入，从岩样的另一段同 时观察，以确保孔隙压力在岩石样品内部达到平衡。

采用高压容器外加热方式，尽可能使高压容器内温度场比较均匀。加温过程中采用热电偶进行监测，热电偶直接插入高压容器里测量围压流体的温度，并输出信号给温度控制仪，控制加热的功率，达到自 动温度控制。温度控制精度为1℃ 。

实验中，可根据需要，把有关的孔隙流体注入岩石样品中。注入方式是把要注入的流体放在分离器 的前半部，与岩石样品的一个端面连通；分离器的另一半部为传压液体（为纯净水），与一压力泵相连； 中间为一隔离活塞；通过液压泵，产生压力，推动活塞，把分离器前端的液体注入岩石样品中。

置于高压容器中的岩石样品由一个耐高温的橡胶套封包起来，与围压液体隔离。岩样两端为专门的 堵块，内含有声波传感器并有孔道与外相通。

两对声波传感器放置在岩石两端。包括一对纵波传感器和一对横波传感器。声波传感器为压电陶瓷 Pzt－5.声波传感器与方波脉冲发生接收器和数字储存示波器相连。方波脉冲发生接收器为著名的泛美公司 产品，型号为5077PR，用于产生电脉冲激发一声波传感器产生超声波，同时接收从另一个传感器传来的 接收信号，并把它放大，送给数值储存示波器显示和储存。数值存储示波器为Tektronix TDS210，其最快 的采集率为1G/s，8bitAD。一般采用100M和50M的采集率对波形数据进行采集，采集数据的时间分辨 率分别为0.01μm和0.02μm。声波到时是通过辨认纵波和横波的到达（波形）时间来确定。

对于疏松的岩样，随围压的增加，可产生明显的（压缩）变形，利用与岩样顶端相连的位移杆的移动，测量岩样的变形。位移测量采用百分表，其测量精度为0.1mm。岩样长度通过实验前岩样长度减去实验 中测量到的岩样长度方向的压缩变形来确定。

岩石的波速根据岩石样品的长度和超声波通过样品的时间来计算：

岩石波速＝岩样长度/（声波到时－系统基时）。

系统基时是指声波仪器系统中的传播时间总和，包括了声波在传感器缓冲块中的传播时间。系统基 时通过对系统的标定来确定。标定的方法包括传感器的直接对接，或用标准材料标定，一般采用金属铝 作为标准材料。按保守估计，岩石长度和变形的误差为0.3mm，对于长度25mm岩样，其长度引起的相 对误差应该为1.2％。

声波到时是通过辨认纵波和横波的到达波形来确定。采集到的波形是通过采集设备后的综合结果，其误差是设备噪音误差和声波起跳识别误差的总和。

对于设备带来的误差（随机误差），对波形数据采用了128次平均方法采集，平均处理是利用数值 存储示波器内部瞬间实现的。另一个误差来源是波形起跳识别。这两者误差之和在1～2数据点（0.02 ～0.04μs）。保守估计，25mm长的岩样中声波通过时间至少为10μs。则走时引起的误差为0.4％。

系统基时是指声波仪器系统中的传播时间总和，包括了声波在传感器缓冲块中的传播时间。系统基 时通过对系统的标定来确定。标定的方法包括传感器的直接对接，或用标准材料标定。

选用金属铝作为标准材料标定声波测量系统。表2.1是系统标定的数据：

表2.1 利用金属铝标定系统基时

从表2.1可知，确定系统基时的误差比较小。

根据分析，保守估计系统的总误差为：

系统误差＝长度测量误差＋到时测量误差＋系统基时测量误差

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此外，利用实际的岩石材料，对波速测量系统与商业材料实验机MTS上的超声测量系统比较如表2.2 所示。

表2.2 不同测量系统对纵横波速度测定比较

分析表中数据，本系统与MTS系统的波速差别1％以内。这说明，在高压条件下，高压波速测量系 统与商业材料实验机MTS上的超声测量系统具有较好的可比性。

为考察系统测量的可靠性，应对系统进行重复测量。表2.3是两个砂岩样品的重复测量数据。分析数 据表，数据重复误差远小于1％，可见高压波速测量系统测量重复性好，具有比较好的可靠性。

表2.3 验证系统可靠性的重复测量表

按照误差分析理论，根据长度测量误差、到时测量误差和系统基时测量误差，得到波速的测量误差 在2.3％以内；相应地密度测量误差在3.7％以内，对于其他弹性参数，根据误差传递理论，可确定其误 差在5％以内。

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