地震物理模拟技术作为验证和解决实际生产问题的有力工具，在地震勘探的方法研究以及波长分析等方面得到了广泛的应用.早在20世纪20年代，英国地球物理学家E.C.Bullard就提出通过超声波模拟地震波，从而在小尺度的模型上研究地震学的问题(赵鸿儒等，1986)，随后，中国科学院和北京大学等单位通过光点和照相的记录方式，针对简单的模型进行二维和三维数据的测试分析工作，使得地震物理模型技术在地震勘探领域得到了重要的发展(薛乾康，1962；滕吉文，1963a，1963b；滕吉文，1964).地震物理模拟技术作为一种重要的正演方法，相比于数学模拟技术，可以更加真实有效的模拟油气田勘探中的地质模型问题(French et al.，1974；French et al.，1975；McDonald et al.，1988).地震物理模拟技术是一门综合性学科，其中包括地震勘探方法、无损检测技术、材料科学和电子科学与技术等诸多方面知识与方法.地震物理模型材料作为地震物理模拟技术的关键技术，在推进地震物理模拟技术方面起到了关键的支撑作用，并决定了地震物理模型能否真实有效的模拟实际地震模型问题.目前，国外物理模型材料技术方面的研究内容较少，休斯顿大学联合地球物理实验室(Allied Geophysical laboratories)(Poscoal et al.，1983；Ladzekpo et al.，1984；Urosevic et al.，1985；Tatham et al.，1987)、荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)地震和声学实验室(Blacquieère et al.，1999；Blacquieère et al.，2002)、中国石油大学CNPC物探重点实验室(魏建新等，2002；魏建新和狄帮让，2006；徐超等，2014)和中石化地球物理重点实验室(郝守玲和赵群，2002；李智宏等，2009；赵群等，2010)针对物理模型技术进行了大量的研究.

在制作地震物理模型过程中，构建具有不同地层速度的地质模型是研究的难点之一.

第一，实际地层岩石的速度分布不均，并且岩石的速度跨度比较大，地震物理模型要按一定的尺寸将野外的地质体缩小，故在设计物理模型时必须考虑模型与实际地质体之间的相似性.实验室中，由于模型材料的速度变化范围小于实际岩石速度变化范围，需要按照相似比原则，缩小速度变化范围，才能够制作出合适的物理模型，因此，不需要将各种地层的速度全部模拟出来.

第二，实际的地质构造是十分复杂的，这就要求地震物理模型选取的材料需要具备良好的流动性，从而易于浇注成型，利于加工和制作，与实际地质情况相符.

第三，地震物理模型应符合地质沉积特征，所以地层内介质应该是相对均匀的，并且不同介质之间的胶结性良好.通过上述阐述分析，地震物理模型材料的选取范围具有严格的要求，同时，也对地震物理模型材料应具有的特性提出了明确的要求(牟永光，2003).

环氧树脂因其优异的粘结性、耐磨性、力学性能以及化学稳定性等诸多优点，已成为地震物理模型材料的最为重要的材料之一，环氧树脂一般用于模拟高速介质或者基性岩体在地震波场中的波场特征，但是由于其脆性大、内部张力大，并且对化学反应要求比较高，固化过程中由于开环放热，形成放热峰，如果聚热过快，温度太高，环氧树脂容易出现开裂、起泡和变形等现象.硅橡胶具有优良的散热性以及优异的粘接性、流动性，一般用于模拟低速介质在地震波场中的波场特征，但是它需要有介质支撑，且用于模型材料时收缩性较大(李智宏等，2005，2006).早在1988年，休斯顿大学联合地球物理实验室(Allied Geophysical laboratories)就已对环氧树脂/硅橡胶复合材料作为模型材料进行了研究.研究表明，环氧树脂固化后的速度大约为2600 m/s，而硅橡胶固化后的速度大约为1000 m/s.环氧树脂和硅橡胶以不同比例共混，复合材料的速度范围可以控制在1000~2600 m/s.同时，环氧树脂/硅橡胶复合材料具有良好的流动性，可以有效的控制模型构造的形态(McDonald et al.，1988).但是，硅橡胶的引入仅仅实现了模型材料速度的调节，并无法提升环氧树脂作为模型材料的速度，很大程度地限制了该模型材料的应用.

本文主要介绍了硅微粉对三维地震物理模型材料进行掺杂改性研究，针对其材料性质进行详细的分析.实验结果表明，硅微粉的引入可以有效提高环氧树脂地震物理模型材料的速度.其中，当硅微粉掺杂量为50%时，其速度达到2851 m/s，并且振幅由纯环氧树脂的180 mV提高至420 mV，同时，该模型材料具有良好的稳定性和穿透性，这将有利于该新型模型材料在大尺寸模型中的应用.

实验采用的材料原料主要有：E-51型环氧树脂(环氧值0.48~0.54 eq/100 g)；9229型固化剂；硅微粉(400目)等.

针对地震物理模型材料和制备工艺的特点，结合地震物理模型的制备需求，本文采用自主设计与外加工相结合的方式，设计并制造了自动化浇注设备(如图 1所示)，从而从手工制模向自动化制模转变，实现了智能化、简单化和实用化.自动化制模设备总体设计分三个模块，即备料单元、控制单元和真空浇注单元.备料单元设计6个料筒，6台步进电机和三台真空泵，实现三种材料相互独立的浇注方式，通过控制系统控制各组分的流量，来控制不同材料的复合比例，并在混胶头采用动态混合器混合配制复合材料，在真空箱内完成真空浇注.首先，将纯环氧树脂加热至60 ^oC，从而去除环氧树脂中可能的结晶部分，并且降低环氧树脂的粘度；然后，利用自动化地震物理模型制备装置(图 1)，按照计量比将环氧树脂、硅微粉与固化剂进行均匀搅拌，并且将混合物抽真空去除气泡得到复合材料；最后，将去除气泡的混合物浇注在表面涂有脱模剂的木制模具中，在室温条件下固化成型.

图 1

Fig. 1

图 1 自动化地震物理模型材料制备装置 Fig. 1 Automatic instrument for the preparation of seismic physical modelmaterials

环氧树脂固话过程中对温度的影响非常敏感，在制作地震物理模型过程中，选取合适的固化剂十分重要.固化剂按照固化温度可以分为室温固化剂、中温固化剂、高温固化剂与潜伏性固化剂.在制作地震物理模型过程中，一般采用室温固化剂，室温固化剂最常用的是各种多元胺及其改性多元胺，胺类固化剂特点是反应温度高、固化速度快，并且不需要采取任何加热措施(肖卫东和何培新，2001；张春玲等，2007).另一方面，由于固化过程中固化反应会产生大量的热量，针对物理模型制备工艺存在不利的影响，因为放热反应造成物理模型材料温度上升，从而减少模型制备操作时间，使得物理模型配料时间缩短，混合不充分，并且，在物理模型材料浇注成型过程中，由于产生的大量热量无法散出，当物理模型厚度较大时，容易发生暴聚现象，导致地震物理模型出现开裂、变形等不良情况，与此同时，过高的温度将加速固化反应，造成环氧树脂固化过快，气泡无法排除，产生地震物理模型局部不均匀等现象.因此，选取合适的固化剂是制作物理模型的关键因素，尤其针对制作大模型时，必须要选取放热量低的固化剂，从而满足单次浇注量大的需求(王伟，2001).

图 2

Fig. 2

图 2 不同类型的固化剂固化E-51型环氧树脂固化放热曲线 (a)0000LST；(b)0100LST；(c)0200LST；(d)0300LST. Fig. 2 Heat release curves of E-51 epoxy resin solidified with different curing agent

在室温为33 ℃条件下，将不同类型的两种固化剂分别加入E-51型环氧树脂中，由图 2可知，大多数胺类固化剂环氧树脂放热峰较尖锐，表明大量的热量在短时间被释放出来，放热十分集中，并且放热的总量很大.通过实验数据进行对比分析，593型固化剂和1062型固化剂放热峰出现在25 mis左右，放热温度为130 ℃，与此相比，1618型固化剂、NP360型固化剂和F100型固化剂放热峰的温度有所降低，但是仍然不能满足地震物理模型制备条件，与此相比，改性胺9229型固化剂放热峰较宽，放热总量很小，放热峰的温度仅为60 ℃，593型固化剂放热减少了54%，改性胺9229型固化剂的活性较低，固化温和，适应时间较长，从而制备的地震的物理模型不易产生暴聚和开裂等现象.因此，改性胺9229型固化剂适合制备地震物理大模型.

图 3为环氧树脂和硅微粉不同配比速度曲线，实验结果表明，环氧树脂和硅微粉通过不同比例进行混合，可以将地震物理模型材料的速度控制在2500~2851 m/s之间，硅微粉的掺杂环氧树脂复合材料可以有效的提高地震物理模型材料的速度.当硅微粉的掺杂量在0~50%之间时，复合模型材料的速度随着硅微粉的掺杂量几乎呈线性提高，50%的硅微粉掺杂量能够使得复合模型材料的速度由纯环氧树脂的2500 m/s提高至2851 m/s，提升比例达到14%，这主要是因为硅微粉为晶体，而环氧树脂为非晶体，声波在晶体中传播速度比非晶体传播速度快，从而使得探测信号在硅微粉掺杂的环氧树脂复合材料具有更高的传播速度.当硅微粉的掺杂量增加至60%~70%，复合材料的速度随着硅微粉的掺杂量呈线性降低，这可能主要是因为随着硅微粉的掺杂量的继续增加，硅微粉的颗粒不能在环氧树脂中均匀地分散，产生了团聚现象，从而降低了模型材料传播探测型号的能力.当硅微粉的掺杂量为50%时，环氧树脂和硅微粉的复合地震物理模型材料速度达到最大值.

图 3

Fig. 3

图 3 环氧树脂和硅微粉不同配比样品速度曲线 Fig. 3 Thechange of velocity of samples prepared with different ratio of epoxy resin and silica micropowders

环氧树脂和硅微粉不同配比材料穿透性如图 4所示，振幅的大小是表示用超声激发地震波表示地震物理模型材料穿透性能力的强弱，说明材料的实验性能优劣势，通过实验数据表明，环氧树脂和硅微粉通过不同比例进行混合，硅微粉的掺杂环氧树脂复合材料可以有效的提高地震物理模型材料的振幅，硅微粉的掺杂量在0~50%之间时，复合材料的振幅随着硅微粉的掺杂量明显提高，50%的硅微粉掺杂量能够使得复合材料的振幅最大，增加至420 mV，而纯环氧树脂的振幅只有180 mV；当硅微粉的掺杂量增加至60%~70%，复合模型材料的速度随着硅微粉的掺杂量有所降低，但是复合材料的振幅依然比纯环氧树脂的增幅大，所以，通过硅微粉掺杂改性的环氧树脂复合材料的穿透性远大于纯环氧树脂，尤其在制作大模型时，可以有效的解决能量分布不均匀，材料的穿透性差，物理模型层位配置过多、过厚造成底层反射界面不清楚的等地震物理模拟技术难题.

图 4

Fig. 4

图 4 环氧树脂和硅微粉不同配比样品材料穿透性 Fig. 4 The penetrability of the samples prepared with epoxy and silica micro-powders with different ratio

硅微粉掺杂除提升了复合模型材料传播信号的能力及穿透性外，还明显提高了复合模型材料的稳定性.图 5为环氧树脂和硅微粉不同配比模型材料速度随时间推移而变化的趋势图.如图所示，纯环氧树脂的稳定性较差，模型材料仅仅经过10天，其速度就由最初的2500 m/s降低至2400 m/s.相比之下，环氧树脂和硅微粉通过不同比例进行混合所制备的复合模型材料展现出良好的速度稳定性.

图 5

Fig. 5

图 5 环氧树脂和硅微粉不同配比样品速度稳定趋势图 Fig. 5 The velocitystability of the samples prepared with epoxy resin and silica micro-powders with different ratio

这一结果对模型材料是相当重要的，尤其是在大尺寸模型中的应用.

图 6为不同配比硅微粉掺杂改性新型物理模型材料制作的的三维地震物理模型图片，该地震物理模型尺寸为150 cm×120 cm×90 cm，由图可见，硅微粉掺杂改性新型物理模型材料的粘合性非常好，所制备的模型没有出现裂纹或分离现象.硅微粉改性的环氧树脂模型材料尤其针对制作大尺寸模型，由于其单次浇注量大，放热高，在浇注的过程中，模型会产生较明显的收缩现象，因此大尺寸模型放置时间过长一般会产生开裂的现象，而通过硅微粉掺杂改性的三维地震物理模型材料，由于选取了活性较低的固化剂，在成型过程中放热量大幅度减少，使得所制备出的三维地震物理模型具有良好的稳定性.

图 6

Fig. 6

图 6 硅微粉掺杂改性新型物理模型材料制作的三维地震物理模型 Fig. 6 3-D seismic physical model fabricated with silica micro-powders modified epoxy resin

图 7为该三维地震物理模型数据的叠加剖面分析图，从图中可以观察到，各种波至清晰可见，并且能量分布均匀，复合模型材料对于地震物理模型层位过厚、模型过大导致的深层的构造的影响很小，因此很适合作为模型材料使用.

图 7

Fig. 7

图 7 三维地震物理模型数据的叠加剖面 Fig. 7 Stacked section of 3-D seismic physical model

3.1    随着石油勘探工作的深入，勘探难度也越来越大，许多地质现象及波场传播理论需要得到进一步的验证与完善，勘探方法也有待进一步发展，物理模型模拟技术是地球物理研究的关键技术之一，是从事理论问题研究的重要“助手”.

3.2    地震物理模型材料作为地震物理模型建造的核心技术，但是通过现有的环氧树脂和硅橡胶材料以及传统的制备工艺发现，现有的材料波速范围太小、穿透性不好、材料稳定性差等弊端.本文通过硅微粉掺杂改性的方法，制备出的新型三维地震物理模型材料性能得到了很大的提高，并且得到了一定的理论认识：

1)通过硅微粉的掺杂改性，使得晶体和非晶体材料实现了共混，从而提高了材料的波速，实验表明，当硅微粉的掺杂量为50%时，环氧树脂和硅微粉的复合地震物理模型材料速度最大，达到2851 m/s；

2)制作地震物理模型大模型时，材料的穿透性尤为重要，通过硅微粉的掺杂改性，新型地震物理模型材料的穿透性得到很大的提高，由纯环氧树脂的180 mV，提高至420 mV；

3)硅微粉掺杂改性新型物理模型材料速度稳定趋势良好，制备地震物理模型过程中，浇注量得到了明显的提高，可以单次完成现有材料的2~3浇注量，实现了快速制模工艺技术，并且制备出的地震物理模型不会出现开裂的现象，使得地震物理模型得到了良好的养护.