成都理工大學巖石物理結課報告

1、巖石物理學基礎結課報告專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 日 期： 2014.6-2014.7指導老師: 一：名詞釋義各向異性介質：介質的彈性性質具有方向特性的介質。EDA介質：地殼中廣泛存在的一種方位各向異性介質，主要由定向的裂隙引起。雙相介質：雙相介質是指由兩種具有不同相態(tài)的物質所組成的介質。其表現形式常為固液相、固氣相兩種。例如，巖石骨架與孔隙中的水、石油或天然氣等所構成的介質。塑性介質：若某物體在外力作用下產生形變，物體仍保持形變后的某種形態(tài)，不能恢復原狀，該物體具有塑性，為塑性介質。彈性介質：若某物體在外力作用下產生形變；當外力去掉之后，物體能迅速恢復到受力前的形態(tài)和大小，物體的這種性質稱

2、為彈性。具有這種性質的物質，稱為彈性介質。重力勘探：重力勘探是測量與圍巖有密度差異的地質體在其周圍引起的重力異常以確定這些地質體存在的空間位置大小和形狀從而對工作地區(qū)的地質構造和礦產分布情況作出判斷的一種地球物理勘探方法。磁法勘探：通過觀測和分析由巖石、礦石（或其他探測對象）磁性差異所引起的磁異常進而研究地質構造和礦產資源（或其他探測對象）的分布規(guī)律的一種地球物理勘探方法。電法勘探：根據地殼中各類巖石或礦體的電磁學性質（ 如導電性、導磁性、介電性）和電化學特性的差異，通過對人工或天然電場、電磁場或電化學場的空間分布規(guī)律和時間特性的觀測和研究，尋找不同類型有用礦床和查明地質構造及解決地質問題的地

3、球物理勘探方法。主要用于尋找金屬、非金屬礦床、勘查地下水資源和能源、解決某些工程地質及深部地質問題。地震勘探：利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應，推斷地下巖層的性質和形態(tài)的地球物理勘探方法叫作地震勘探。地震勘探是鉆探前勘測石油與天然氣資源的重要手段，在煤田和工程地質勘查、區(qū)域地質研究和地殼研究等方面，也得到廣泛應用。橫波分裂現象（橫波雙折射現象）：橫波分裂就是橫波通過各向異性介質時，沿每一條射線路徑可以分裂成兩種偏振波。它們具有不同的傳播速度和不同的偏振方向，而且在后續(xù)的各項同性介質中傳播時可保留這種特性。在地震記錄上表現為出現的似SV波與似SH波到時的不一

4、致現象，這也是各向異性區(qū)別于各項同性介質模型的重要依據之一雙程旅行時：彈性波從震源激發(fā)，垂直入射到波阻抗界面并反射回震源附近所經過的時間?；莞乖恚喝我鈺r刻傳播的波前面上任意一點都可以看做是新的點源，產生二次擾動形成元波前，而下一個時刻的新波前位置可以認為是該時刻各元波前的包絡。縱橫波振動方向與波傳播方向示意圖（SV波，SH波的質點振動方向與波傳播方向之間的關系）SV波質點振動方向與傳播方向一致，SH波質點振動方向與傳播方向垂直。二：問題回答巖石物理學的主要研究內容：巖石物理學是專門研究巖石的各種物理性質和生產機制的一門邊緣性學科，同時也研究其物理性質的相互關系及應用。針對不同研究領域，巖石

5、物理的研究內容不同，如   ：能源勘探(如石油工業(yè))，以巖石的彈性為主；  地質災害(地震)，以巖石的力學性質為主；   環(huán)境保護與監(jiān)測，以流體的流動 為主；其中石油工業(yè)是主要的研究力量，在一些大學開展這方面的研究，同時幾乎所有的大石油公司都在進行同樣的研究。巖石物理學測試縱橫波速度的方法，以及縱橫波速度測量過程中的誤差分析：有光彈法和示波器測VP，VS速度兩種方法。光彈法在下面問題中將給出答案；示波器法：在已知材料的長寬高等參數情況下，將材料垂直置于兩個信號接收探頭之間，當超聲縱波發(fā)生器激發(fā)后，上探頭接

6、收到信號，確定波的起跳時間，當波通過材料傳播到下探頭時，確定終止時間。通過對時間和距離的計算即可算出速度。誤差分析：兩次測的速度單位（m/s）縱波VP橫波VS1、光彈法594735682、示波器法52632941假設以光彈法測得的縱橫波速度VP1，VS1為標準，則縱波的絕對誤差為:|VP1VP2|=684；相對誤差為|VP1VP2|/VP1*100%=11.5%橫波的絕對誤差為:|VS1VS2|=627；相對誤差為|VS1VS2|/VS1*100%=17.6%示波器測的VP及VS速度是通過手動調節(jié)增益旋鈕調出較好的波形，人工調節(jié)基準線與起跳時間，然后通過示波器顯示時間。這樣做難免有一定的誤差，

7、但是在不要求精確的數據時，一定范圍內也是很有意義的。對應力應變曲線的理解： 注意：應力不是力，是單位面積上的力（協強）應力單位： 應變e包括體積形變和形狀形變，有線應變，體應變，角形變等名詞 應變率：巖石的本構關系 ：描述巖石應變或應變率同應力s，溫度T，時間t等因素（變量的函數關系稱為巖石的本構關系。 在彈性力學中，本構關系描述了彈性體的應變與應力之間的關系，比較單一。而在巖石力學中，自然界的巖石，處于較大的溫度、壓力條件下，而且受力變形的時間很長（地質年代）。這是其特殊性，與一般的彈性體不同。但對人工地震而言，地震波作用時間很短，彈性力學的本構關系仍

8、然適用。 典型的單向應力下的應力（壓應力）應變關系曲線隨壓應力增加，應變增加的速度趨緩，好像巖石變硬了，又稱OA段為“作功硬化”階段。原因：巖石中的裂隙在壓應力作用下，逐漸閉合：AB段，彈性階段，和呈線性關系BC段 出現巖石的膨脹（dilatancy），隨增加，增加似乎巖石變軟了，稱為“作功軟化”階段。原因：垂向裂縫產生，并增加。有一種各向異性介質稱為EDA（Extensive dilatancy anisotropy）介質，它表示裂縫的垂直定向排列。 （擴容性裂縫）各向異性C點  形變達到極大值，臨界破裂狀態(tài) CD段，巖石

9、發(fā)生強烈破壞，應力能量大量釋放。斷裂，巖體失穩(wěn)，地震產生等，破碎后形變局部化，很難測量評價CD段的變化關系。DE段：破裂已經完成，形變表現為巖石（體）沿斷面或破裂而滑動。巖石物理學研究的工作流程參考對象地區(qū)的前期資料確定采樣坐標、埋深等采樣并妥善保存運回實驗室加工實驗室測試巖石物理學實驗儀器結構及其組成如MTS巖石物性測試系統(tǒng)，ARS-300TM巖石電阻率測試系統(tǒng)，巖石聲發(fā)射測試系統(tǒng)，放射性測量等設備。動態(tài)光彈物理模擬的工作原理：根據編制好的程序，由計算機發(fā)出指令，使“聲光延時控制器”輸出指定重復周期的電脈沖信號，輸出分兩路，一路為高壓脈沖信號用來激勵超聲換能器發(fā)射聲波，產生的聲波在固體中傳播

10、；一路用來激勵LED(脈沖)光源發(fā)出很短的光脈沖。這樣每個周期產生一個聲脈沖和一個按指定時間延時的光脈沖，CCD相機上就可以記錄下脈沖光照亮時刻的瞬態(tài)聲波圖像。計算機通過圖像采集卡和CCD相機相連，得到相應的瞬態(tài)聲波圖像，并在屏幕上顯示出來。改變延時設定，我們就可以看到不同時刻的聲波圖像，還可以演示聲波的傳播過程。動態(tài)光彈實驗中的波場特征分析激發(fā)的縱波遇到光學玻璃的頂界面的時候，相當于從空氣進入玻璃介質，分界面為波阻抗界面，產生透射縱波和透射橫波，縱波波速明顯大于橫波波速，縱波在光學玻璃介質傳播一段距離后橫波才開始在圖像中出現，縱波傳播到地面的時候產生反射縱波向上傳播，途中遇到還在向下傳播的透

11、射橫波發(fā)生干涉。光彈實驗中的實驗過程及其步驟1、儀器的調整：1/4波片以及各透鏡的中心要在同一個軸線上，并且要放置水平，樣品應放置在光場的中心部位；2、光路調整：首先卸下兩塊1/4波片，開啟電源，(聲光延時控制器放在連續(xù)檔位)調節(jié)光源（S）與聚光鏡間(L1)的距離以產生平行光線，并且平行光線要在偏振片內（P、A），調節(jié)擴束凸透鏡(L2),使光聚焦到攝像頭中心；3 、加上1/4波片旋轉至顯示器里面的成像較暗，聲波最清晰；4、過程中要反復微調，保證光路在顯示器里的成像均勻；5、數據的采集：通過計算機在一定的時間內，對聲波的傳播圖像進行拍攝。2、3步驟的技巧：通過在顯示器里面的成像來微調，已到達調整

12、相機的焦距，顯示器的成像等比變化為目標。光圈盡可能的小。巖石物理實驗測試的相關規(guī)律主要依據運動學和動力學原理巖石物理中的儲層裂隙及其描述裂縫成因分為力學成因和地質成因，可以使一些不具備孔隙的巖層變成儲層和生產層。裂縫能改善儲層的滲透率，加快產油速度，但總的來說對提高采收率是不利的。有一些參數用來描述裂縫：裂縫密度：體積密度，面積密度，線密度等；裂縫方位：在空間上主要展布方向；裂縫張開度：縫壁之間的垂直距離；裂縫產狀：傾角，傾向，走向等。已知縱橫波速度計算其他巖石的物理參數密度從理論上講地震速度不會必然地隨體積密度增加。例如，與白云巖相比硬石膏具有更高的體積密度但卻有更低的速度。進而，對部分氣/

13、水飽和巖石加入更多的水以增加體積密度，但也將降低速度，因為加入的水增加了體積密度但不改變體積模量。確實存在地震速度隨體積密度增加的經驗關系式，其中的之一是Gardner等（1974）給出的經典關系： 7-1式中Vp是縱波速度（ft/s）；是體積密度（g/cm3）。然而，Gardner等的關系式僅考慮從水飽和沉積巖石的體積密度來估算縱波速度。雖然Gardner等根據（26）式處理了所有沉積巖石（作為單獨一組），確實給出了不同巖性的獨立曲線，但這樣一來對所有沉積巖石就只存在單一的Vp關系了。Gardner等人的平均變換在砂巖與頁巖的趨勢線之間。 Castagna(1993)擴充了Gardner的工

14、作，得出了不同巖性的速度-密度變換式如圖。修改后的變換式如下(單位分別是g/mc3和ft/s)：砂巖：頁巖：石灰?guī)r：白云巖：硬石膏：基質地震特性也受巖石的基質結構所控制，諸如顆粒-顆粒接觸關系、圓度、分選性、膠結程度等等，顆粒-顆粒接觸關系差通常導致很低的地震速度和波阻抗，而膠結程度明顯地增強地震特性。因為顆粒之間的接觸區(qū)域大，所以大顆粒的砂層比細顆粒砂層呈現更高的地震速度。分選性差的砂層呈現較高的地震速度，因為分選性差降低了孔隙度。Spencer等（1994）認為，未固結砂層的分選性和顆粒尺寸會影響未固結砂層的Vp /Vs 和泊松比。砂粒的圓度或有角性也會影響地震速度和Vp /Vs ：圓滑的

15、顆粒導致更好的顆粒接觸關系，從而具有更高的速度。因為沉積巖石的基質難以量化且難有巖芯來描述，所以基質結構對地震特性的影響也就難以量化了。這個問題目需要作進一步的研究。 巖性對于給定的孔隙度與孔隙縱橫比分布，儲層巖石中白云巖具有最高的Vp，其后是石灰?guī)r、砂巖及未固結砂層。如果降低Vs的話則其順序將有所不同，可能的順序是砂巖、白云巖、石灰?guī)r及未固結砂層。由此可知石灰?guī)r具有最高的Vp / Vs比，其后為白云巖、深埋未固結砂層及砂巖。淺的未固結砂層由于顆粒接觸差可能會有非常高的Vp / Vs ，但如果在壓力下顆粒的相互接觸一但變好，則未固結砂層通常顯示比碳酸鹽巖低的Vp / Vs比。因此，Vp / V

16、s比的差異性為巖性識別提供了工具手段。當然，由于存在孔隙縱橫比分布、裂隙排列、壓力影響等多種因素，速度值和Vp / Vs是很復雜的。頁巖是儲層的蓋層巖石，它也具有不同的速度和波阻抗。然而，頁巖總是具有比儲層砂層高的Vp / Vs比。因此，當蓋層泥巖與儲層砂巖具有相似的P波阻抗時，它們的S波阻抗不同。MacLeod等（1999）給出了北海Alba油田的例子，由于蓋層泥巖和儲層砂層之間具有相似的P波阻抗，海上拖纜P波地震數據不足以定義油藏邊界線。但是在儲層頂部S波阻抗差很大，通過利用P波和S轉換波成功地實現了儲層成像?？紫抖群涂紫缎螤钫惩梁繉λ俣鹊挠绊憥r石的速度和波阻抗隨著孔隙度的增高而減小。然

17、而，速度或波阻抗相對于孔隙度的這種關系僅僅是在統(tǒng)計意義上有效，因為與孔隙度相比，巖石的地震特性受孔隙形狀的影響更大（例如，Kuster和Toksoz，1974）。例如，與具有高縱橫比球形孔隙的巖石相比，具有低縱橫比扁平孔隙的巖石可能具有更低的地震速度，因為扁平孔隙比球形孔隙的可壓縮率高得多。由此可以推論，速度或波阻抗相對孔隙度關系的擴散性，可以部分地歸因于巖石樣品中孔隙形狀的差別。然而，沉積巖石中的孔隙形狀變化多端，且難以量化衡量。實際上對于油藏儲層中的每一種巖相，必須建立起孔隙度和地震特性之間的統(tǒng)計關系，包括其標準偏差。許多儲集砂層和砂巖中含有粘土。粘土對地震特性的影響進一步取決于粘土微粒在

18、巖石中的位置和粘土類型。如果粘土是巖石基質的一部分，以及如果粘土比石英更可壓縮，則速度和波阻抗將隨著粘土含量的增加而減小。Han,Nur和Morgan(1986)認為：如果巖石孔隙內充填的是粘土，其縱波速度要比充填液體的速度慢30%，會使橫波速度降低40%。除了密度影響外，充填粘土的孔隙對地震特性幾乎沒有影響，除非孔隙完全被填滿。Tosaya和Nur（1982）等首先研究了孔隙度和粘土含量對地震速度的聯合影響。Han等（1986）擴展了這種研究，并基于約80塊砂巖樣品的實驗室測量結果，開發(fā)了速度、孔隙度及粘土含量之間的一組經驗關系式。該關系式的線性形式為 Vp = Vpo 一a1 一a2 C

19、（24）和 Vs = Vso 一b1 一b2 C （25）式中 和C分別是以體積百分數表示的孔隙度和粘土含量；Vp和Vs是縱波和橫波速度（km/s）。a1、a2、b1、b2為回歸常數是上覆巖層凈壓力的函數（表2）。 （24）和（25）式清楚地顯示出Vp和Vs隨著孔隙度和粘土含量的增加而統(tǒng)計性地降低。這些關系式沒有考慮粘土微粒在巖石中的位置，它們僅僅是經驗性的，沒有物理上的必要性。Eberhart-Phillips等（1989）進一步將Han等（1986）的回歸公式推廣到包括壓力。Castagna等（1985）報告了從測井數據推導出的類似（24）和（25）式的關系式。表2 關于（24）和（25）

20、式的回歸常量 凈壓力 Vpo a1 a2 Vso b1 b2 水飽和 40 MPa 5.59 6.93 2.18 3.52 4.91 1.89 30 Mpa 5.55 6.96 2.18 3.47 4.84 1.87 20 Mpa 5.49 6.94 2.17 3.39 4.73 1.81 10 Mpa 5.39 7.08 2.13 3.29 4.73 1.74 5 Mpa 5.26 7.08 2.02 3.16 4.77 1.64 空氣飽和 40 Mpa 5.41 6.35 2.87 3.57 4.57 1.83顆粒接觸與固結對速度的影響壓力地震P波和S波的速度和波阻抗隨上覆巖層凈壓力的增加

21、而增加。然而，地震特性和上覆巖層凈壓力之間的關系是非線性的：在上覆巖層凈壓力低的地方，地震特性增加更快（高斜率）。因此，在諸如4D和AVO等地震應用中知道儲層壓力狀態(tài)是十分重要的。例如，圖4給出了砂巖中Vp相對于上覆巖層凈壓力的關系曲線。上覆巖層凈壓力從1650增加至2650 psi，引起Vp 有5.2%的增加；而當上覆巖層凈壓力以相同的增量從4500增至5500 psi，僅導致0.5%的Vp 增高。在常規(guī)生產和強化開采（EOR）過程中，儲層壓力和流體飽和度都發(fā)生變化。壓力和飽和度的影響可以相互加強或彼此競爭。所造成地震特性（速度和波阻抗）的變化取決于壓力和飽和度變化的綜合影響。例如，在水驅動

22、過程中，水置換了原油所以含油飽和度降低；在此期間由于生產可能引起儲層壓力下跌，從而導致上覆儲層凈壓力增加。含油飽和度和儲層壓力的降低將使P波速度和波阻抗增加，所以說這兩種影響相互加強。反之，在注水過程中，注入的水置換了原油使得含油飽和度降低（含水飽和度增高），但是儲層壓力是典型地隨著水的注入而增加，導致上覆儲層凈壓力下降。含油飽和度變低將增高P波速度和波阻抗，而儲層壓力變高將降低P波速度和波阻抗。其結果是在這種情況下飽和度和壓力部分地或整體地彼此競爭，抵消了對地震特性的相互影響。這兩個例子說明在規(guī)劃和定時進行4D地震測量時，弄清儲層內部作用過程和巖石特性變化的重要性。 圖4 砂巖中Vp相對于上

23、覆巖層凈壓力的關系曲線。上覆巖層凈壓力從1650增加至2650 psi，引起Vp 有5.2%的增加；而當上覆巖層凈壓力以相同的增量從4500增至5500 psi，僅導致0.5%的Vp 增高。溫度當溫度升高時，氣飽和或水飽和巖石的地震速度和波阻抗僅稍有增加（Timur，1977；Wang和Nur，1990b）。然而，當巖石為原油飽和時，地震特性可以隨著溫度的增加而大幅度地降低，尤其是在含重油的未固結砂層中。油氣飽和巖石速度對溫度的這種依賴關系，為熱EOR的地震監(jiān)測提供了物理基礎。Tosaya等（1987）首先顯示了重油砂層縱波速度引人注目的降低。當溫度從25°增至125°C時

24、，Vp幾乎下降了35%至90%！這樣巨大的降低部分地是由于原油的可壓縮率增加所造成。進而，Vp降低的部分原因是在Tosaya等的實驗中異常高的孔隙壓力所致：當巖心加熱時，孔隙空間內部的原油膨脹得非?？?，而孔隙壓力通道被壓力管外部的冷稠油所堵塞。盡管如此，Vp降低的量級是那樣驚人，有必要值得進一步研究。Wang和Nur（1990b）測量了多種重油砂巖和油氣飽和巖石，他們的結果說明Vp和Vs隨著溫度的增加而降低。在他們的實驗中避免了超壓問題，并且發(fā)現當溫度從20°增至125°C時，Vp降低了40%以上。圖5a和5b分別給出了重油砂巖Vp和Vs隨溫度變化的曲線。實驗中Vp和Vs是

25、隨溫度變化從室溫（71°F或22°C）到350°F（177°C）來測定的。在圖5a中隨著溫度從22°增至177°C時，Vp降低了約15%；圖5b表明溫度從22°增至177°C時，Vs也降低了約15%。因為Vs理論上不受流體所影響，圖5b上的Vs降低是巖石骨架變化和巖石流體相互作用的結果。因為重油是粘稠的，在原油和巖石顆粒之間存在一種很強的界面力（一種模擬是用于鋪路的瀝青）。當溫度增加時，原油的粘滯性和界面力減小，砂巖顆粒松開致使體積模量和剪切剛度降低。 圖5 重油砂巖Vp（圖5a）和Vs（圖5b）隨溫度變化的曲線。

26、隨著溫度從22°增至177°C時，Vp和Vs都降低了約15%；當巖石內的水轉變?yōu)檎魵猓▓D5a頂端兩條曲線），溫度在120° 至177°C之間的低孔隙壓力（50和100 psi）情況下，Vp的降低顯示出一個臺階，其降低幅度額外增加了約10%；而Vs由于水變蒸汽大約增高了5%。當水趨于轉變?yōu)檎魵猓敹藘蓷l曲線），溫度在120° 至177°C之間的低孔隙壓力（50和100 psi）情況下，Vp的降低顯示出一個臺階，其降低幅度額外增加了約10%。而Vs由于水變蒸汽大約增高了5%。Vp降低幅度的額外增加是因為蒸汽比熱水可壓縮率高所致（圖2a）。

27、Vs增高是由于蒸汽體積膨脹置換了孔隙空間外的液體而使體積密度降低所致。巖石物理學在油儲地球物理的應用目前，在石油工業(yè)的主要服務對象是儲層描述和采收率監(jiān)測，巖石物理學主要服務有：地震和測井解釋、儲量估算、提高采收率。對儲層巖石物理特性的完全描述，意味著要確定各個儲層、定義有關解釋算法的所需巖石物理參數。對于地學家來說這是一個新的方向。儲層描述技術的發(fā)展是石油工業(yè)中從勘探到開發(fā)的一個實質性的轉變結果。人們估計（mark,1995）地震監(jiān)測在接下來的幾年中會增長到每年二十億美元。 研究對象沉積巖是烴原巖中的一個主要的巖類。研究沉積巖的性質是巖石物理中的一個主要目標。 沉積巖是由復雜地歷史條件下的（物

28、理、化學）多孔性材料生成的。幾十種參數(諸如：礦物成分、孔隙度、密度、顆粒大小和形狀、顆粒的連接和膠結程度等)被用來描述巖石的性質。然而，我們在定量的測量和處理一些與孔隙結構有關的（諸如孔隙的幾何性質，顆粒的連接性和膠結程度）重要的巖石參數方面仍然有一定的困難。三：總結對巖石物理學的認識巖石物理學是一門相對來說比較新興的學科，在本學期的學習中只是對它有了初步的了解，狹義來說，巖石物理即研究巖石的物理性質，但也是主要研究性質之間的相互關系，特別是研究巖石的孔隙度、滲透率飽和度與地震波速度、電阻率、溫度等物理參數的關系。為地震勘探和測井資料處理和解釋服務。地球的結構和動力學性質必然與巖石的各種物理

29、性質密切相關。巖石的不同于其它材料的特性，也就決定了巖石物理學所具有的獨特的研究內容、方法和手段。 巖石物理學研究的重點是與地質學、地球物理學、地球化學、油儲地球物理學、地熱學和環(huán)境科學密切有關的特性。巖石物理學的研究特點，反映了這門學科的基礎性和應用性。在此總結了一些巖石物理學的特點：巖石物理學是一門高度交叉的綜合性學科，包含了地質學、地球物理學、物理學(聲、電、磁、核等) ，聲學、測井、巖芯分析、石油工程、地球化學、化工及力學工程和實驗測試技術等學科。針對不同研究領域，巖石物理的研究內容不同，如 能源勘探(如石油工業(yè))，以巖石的彈性為主； 地質災害(地震)，以巖石的力學性質 環(huán)境保護與監(jiān)測

30、，以流體的流動其中石油工業(yè)是主要的研究力量，在一些大學開展這方面的研究，同時幾乎所有的大石油公司都在進行同樣的研究。 必須強調：第一，巖石物理學是研究巖石這種特殊的材料，在地球內部特殊環(huán)境下的各種行為及其物理性質的。從巖石本身的特點可以看出。 第二，在巖石的各種性質中，研究的重點是那些與地球內部構造與運動、能源和資源的勘察與開發(fā)、地質災害的成因與減災、環(huán)境保護與監(jiān)測有密切關系的特性。第三，針對油儲問題開展的巖石物理性質的研究，是巖石物理學研究中較成功的應用領域。第四，國內在這方面的研究較為薄弱。由于巖石物理學致力于從實驗和理論上研究巖石的物理性質、這些性質間的相互關系以及它們在地球物理和巖石物

31、理數據中的反映。它研究基礎是各種測試技術：特別是以測井技術和實驗室的測試結果為主。在實驗室利用各種物理測試手段，測試巖石的各種物理量，獲得巖石性質與物理參數之間的關系。理論上，提出巖石中各種物理性質之間一般關系(理論模型)。兩個方面： 1) 針對巖石特性在假設條件下提出簡化模型； 2) 解釋實驗觀測到的現象和結果。地球物理中的測量技術主要有四方面： 1、空間觀測：航磁，紅外遙感，航空放射性測量，衛(wèi)星拍照等，用于確定大地構造，確定地表形態(tài)。 2、地面觀測：地質觀測、地球物理方法(天然地震，人工地震，各種重、磁、電等方法)，用于確定有利的地質構造,尋找油氣分布等。地質觀測：成礦的地質條件、通過觀察

32、出露在地表面的地層、巖石進行搜集和綜合分析。地球物理方法：根據地下巖石或礦體的物理性質差異所引起在地表的某些物理現象（表現為異常的現象）的變化去判斷地質構造或發(fā)現礦體。以人工地震方法為主。地球化學方法：對巖石、土壤、地下水、地表水、植物、水系以及湖底沉積物等天然產物中一種或幾種化學特征作測定。 3、井中觀測：直接得到地下的各種地質資料，可以確定地下構造特點和礦物特征，確定油氣位置，劃分油水層。方法有：電纜測井、VSP和井間地震、隨鉆測量、取芯。 4、實驗室觀測：巖芯分析，巖芯各種物理量測試，模擬地層測試等。巖石物理學中所涉及的研究方法：正問題：通過已知礦物、巖石本身的性質和變化，研究其物理性質

33、在巖體中可能有的變化，這是一個由微觀到宏觀的推演過程，通常稱為正演。反問題：已知地質、巖體的物理性質，如何反過來推演巖石和礦物的性質，這是一個由宏觀到微觀，由整體到局部的反演。應用問題：進一步，如何人為地改變礦物、巖石的特性，從而影響到巖體和地質特性的改變，這在巖石物理學中具有的重要的潛在應用價值。研究基礎是各種測試技術：特別是以實驗室的測試和測井技術測試為主。在實驗室利用各種物理測試手段，測試巖石的各種物理量，獲得巖石性質與物理參數之間的關系。理論上，提出巖石中各種物理性質之間一般關系(理論模型)。兩個方面：1) 針對巖石特性在假設條件下提出簡化模型；2) 解釋實驗觀測到的現象和結果。最感興

34、趣的部分流體置換：Gassmann方程嚴格地講上節(jié)給出的各種模型并沒有形成波在多孔介質傳播的理論，僅給出了一些經驗公式?；蛘呤菍σ恍嶒灲Y果的解釋。許多沉積巖由充滿流體的多孔骨架介質組成。骨架可能是在受覆蓋層重力作用以及某種膠結作用下的許多顆粒構成。骨架可以是具有相互連接的溶道和巖孔的連續(xù)脈石，也可以是充滿裂縫的巖體。人們對孔隙充滿油和天然氣的情況特別感興趣，因為，流體含量對地震波的可能影響及多孔介質的其它特性是值得注意的。在地球物理文獻中眾多的多孔介質波傳播理論中Gassmann方程是最廣泛使用的，因為這個方程較易求出一些參數值。Gassmann方程把流體飽和巖石的有效體積模量，用基質體積模

35、量（Kma）、干燥體積模量（Kdry）、孔隙流體體積模量（Kfl）以及孔隙度四個參量表示出來。為了以最少的簡化假設來探討流體對巖石的彈性模量的影響這一問題。Gassmann(1951a，b)假定骨架介質的性質能夠以某種方法測出，并推導了充滿性質己知液體的巖石特性的表達式。在這一推導中假定液體和固體之間的相列運動較之充波巖石本身的運動來說，小到可以忽略不計，這在低頻時可得到直觀的證明。他指出，骨架的任何各向異性性質也對飽和巖石起作用。為簡單起見我們討論兩種情況：骨裂介質由固有的各向同性的彈性同體組成，以及骨架介質是平均各向同性的。Gassmann假設流體和骨架是一起運動的，所以，密度 （1）ma

36、 + fl，同時流體和骨架之間不會發(fā)生任何相互作用，即切變模型不變。Gassmann方程是根據巖石基本彈性性質的考慮直接得出的。在方程的推導中使用了另一個彈性常數K，并考慮了一個封閉的流體和系統(tǒng)?？紤]一個外部受到流體靜壓力(圍壓)p的作用，內部孔隙壓力為pP的巖石。在外部圍壓P變化時，孔隙體積必然被壓縮，而且因為是不排水情況，孔隙液體又不能向外流出，所以孔隙壓力必然要隨圍壓的變化而變化，即有壓差。Gassmann（1951）方程是利用骨架特性來計算流體置換對地震特性的影響。它利用固體基質、骨架和孔隙流體的已知體積模量來計算孔隙流體飽和介質的體積模量。對于巖石來說，固體基質是由形成巖石的礦物組成

37、的，骨架涉及到構架巖石的模型，而孔隙流體可能是氣體、原油、水，或三者的混合物。Gassmann方程的基本假設巖石流體系統(tǒng)是如此復雜以至于對于這個系統(tǒng)事實上所有的理論都不得不做出假設來簡化數學計算。Gassmann方程的基本假設是：1）巖石或多孔介質（基質和骨架）宏觀上是均勻各向同性的；2）所有孔隙都是連通或相通的；3）所有孔隙都充滿流體（液體、氣體或混和物）；4）研究中的巖石-流體系統(tǒng)是封閉的（不排液）；5）當巖石被波激勵時，流體和固體巖石之間的相對運動相比較于飽和巖石自己的運動是可以小到忽略不計的。6）孔隙流體不對固體骨架產生軟化或硬化的和固體相互作用。這些假設其中的一些很明顯的列在Gass

38、mann的文章里，而有一些卻只是隱含著的。假設條件（1）是多孔介質中波傳播的普遍理論適合的條件，它確保了波長大于顆粒和孔隙尺寸。對于大多數巖石，頻率范圍從地震頻率到實驗室頻率的波一般能符合這個假設。Brown和Korringa（1975）曾將Gassmann方程擴展到各向異性巖石。假設條件（2）暗示著巖石具有高孔隙度和高滲透率，巖石中不存在孤立或連通性差的孔隙。這個假設的目的在于確保在半個波時期的時間內波傳播引發(fā)的孔隙流體流動的充分均衡。因此孔隙連通性與波長或頻率有關。對于Gassmann方程，在假設無限波長（零頻率波）的前提下，無論孔隙的相互連通性如何，大多數巖石都能夠符合這個假設。對于地震

39、波來說，由于砂巖的高孔隙度和高滲透率，所以只有未固結的砂層能近似地符合這個假設（Wang，2000a）。對于諸如測井和實驗室所用的那些高頻率波，大多數巖石不能符合這個假設條件。因而，測井或實驗室測量的速度常常高于用Gassmann方程計算出的結果。假設條件（3）意味著飽和流體的粘度是零。這個假設的目的在于再一次確?？紫读黧w流動的充分均衡。這個假設也與波長或頻率有關，如果波的頻率為零，任何粘度的流體將在半波長的時間框架（無限時間）內均衡。如果粘度是零，孔隙流體將很容易均衡。實際上，由于所有的流體都具有限定的粘度，同時所有的波都有限定的波長，利用Gassmann方程的大多數計算都將違反這個假設條件

40、。假設（2）和（3）是關鍵之點，并且構成了Gassmann方程的本質。它們意味著波的頻率是零，這或許是實驗室和測井所測量的體積模量或速度高于Gassmann方程計算結果的原因所在。在限定的頻率處，在固體基質和孔隙流體之間將發(fā)生相對運動，從而波是彌散的。孔隙流體與巖石基質之間體積模量和剪切模量的高差異及有限的波長，造成了孔隙流體和巖石骨架之間的相對運動。假設條件（4）意味著對于實驗室?guī)r石樣品來說，巖石-流體系統(tǒng)在邊界上是封閉的，所以在巖樣表面上沒有流體能夠流進流出。對于一個非常大的體積v0（比如油藏中的儲層），其中的一部分巖石體積為v，系統(tǒng)v必定位于v0之內，在v距v0表面這樣一段距離內，波通過

41、所產生的應力變化不會造成v表面任何可觀的流體流動。這是用Gassmann方程計算孔隙流體變化對地震特性影響的關鍵，因為如果系統(tǒng)是開放的，由于孔隙流體變化造成的地震特性改變則將僅與流體密度變化有關。假設（5）是Gassmann方程的關鍵性的假設和實質。它要求波頻率為零（或波長有限）。它也可能就是為什么測量數據（體積模量或速度）總是高于那些Gassmann方程計算的原因，因為在高頻率，固體基質和孔隙流體的相對運動將會發(fā)生，所以波會分散?？紫读黧w和巖石基質的相對運動是由有限波長和孔隙流體與巖石基質體積和切變模量的高對比度所造成的。假設條件（6）消除了巖石基質和孔隙流體之間的任何化學/物理相互作用的影

42、響。實際上，孔隙流體將不可避免地與巖石的固體基質發(fā)生相互作用以改變表面能量。當巖石為流體所飽和時，流體可以削弱或者強化巖石基質。例如，當疏松砂粒與重油混合時，該混合物將具有更高的體積模量和剪切模量。當含泥砂巖以淡水飽和時，巖石基質經常受粘土的膨脹而被削弱。一種極端的情況是干燥的粘土（粘土-水混合）比水飽和粘土具有更高的彈性模量，這就是為什么在實驗室內不應過份地干燥頁巖巖樣的部分原因。這也強調了對Gassmann方程輸入的“干燥”骨架體積模量應該在不可還原的流體飽和條件下獲取。Gassmann方程推導在推導前先給出方程中各個參數的含義。把巖石中各種礦物稱為巖石的基質，基質包含各種顆粒，里面沒有孔

43、隙，基質的密度就是顆粒密度用m表示。體積模量為Km。巖石中除掉孔隙連通部分稱為巖石的骨架，值得注意是，骨架中有可能含有不流動的液體，它與干噪巖石狀態(tài)近似，但并不一定相等。骨架密度和體積模量用d和Kd表示。一個封閉的液體飽和巖石立方體，其各面都承受一壓強增量p，即有體積模量k。在液體飽和巖石單位面積上的總力定義為一般形式的法向應力，有ppxx =-pyy =-pzz骨架承受的力：pdpdxx =-pdyy =-pdzz總壓強為骨架的壓強pd和液體的壓強pf之和.p pd pf巖石體積的總變化量是流體體積和固體體積之和V Vm Vf流體體積變化量對應于流體壓強的變化為： VfV pf/kf流體壓強

44、的變化同樣引起固體的收縮： Vm1(1)V pf/km還有骨架的壓強變化引起固體體積的變化： Vm2V pd/km巖石體積的總變化為V/V (Vm1 Vm2 Vf)/V V/V-/kf -(1-)/kmpf - pd/km從另一方面考慮巖石的變化：由于骨架壓強單獨變化，從巖石的體積模量定義需要有的體積變化為 V1V pd /kd如果流體壓強增加，整修骨架收縮，為保持骨架上受到的壓強為常數，必須將各個面更雖靠近，即產生另一個體積的變化 V2V pf/km對應于pd 和pf有 V/V- pf/km - pd/kd巖石的體積為k = -p/(V/V)p pd pfV/V- /kf -(1-)/kmp

45、f - pd/kmV/V- pf/km - pd/kd解上三方程整理后可得 (1)式中K * 是以體積模量為Kf的流體所飽和的巖石的體積模量；Kd是骨架體積模量；Km是基質（顆粒）體積模量；而是孔隙度。巖石的剪切模量G * 不受流體飽和的影響，所以G * = Gd； （2）式中Gd 是巖石的骨架剪切模量。飽和巖石的密度* 簡化為* = d + f （3）式中* 和d 分別是流體飽和和干燥巖石的密度；而f 是孔隙流體的密度。請注意d =（1+）m ，其中m是基質（顆粒）密度。利用測量到的骨架巖石的速度，計算骨架部分的體積模量和剪切模量：Kd = d（Vp 2 （4/3）Vs 2） （4）Gd =

46、 d Vs 2 （5）重要的是這里指出了骨架模量不同于干燥模量。對Gassmann方程的正確應用，應在濕潤流體（通常為水）的殘余飽和度(irreducible saturation)條件下測量骨架模量。殘余流體是巖石骨架的一部分，不是孔隙空間。實驗室?guī)r樣的過分干燥將導致錯誤的Gassmann結果。利用Woods方程（Wood，1941）可以計算出混合流體的體積模量Kf ：1 / Kf = Sw / Kw + So / Ko + Sg / Kg （6）式中Kw ，Ko 和 Kg 分別是水、原油和氣體的體積模量；Sw ，So 和Sg 分別是水、原油及氣體的飽和度，表示為孔隙空間的容積組成部分，即S

47、w + So + Sg = 1。方程（6）意味著孔隙流體在孔隙中是均勻分布的?；旌狭黧w的體積密度由下式計算：f = Sw w + So o + Sg g （7）式中 w ，o 和 g 分別是水、原油和氣體的體積密度。如在（1）（7）式中所見，Gassmann方程要求若干輸入參數來計算流體對地震速度的影響，包括通常多在實驗室測得的干燥骨架體積模量和剪切模量、孔隙度、顆粒密度，以及流體體積模量（不可壓縮率）。如果沒有實驗室數據可供使用，這些參數往往也能通過測井資料或經驗關系式測量或估算出來。例如，孔隙度能從中子或聲波測井中求得；如果已知或由聲波測井數據獲得了其它輸入參數，用反向Gassmann方程可估算出干燥骨架模量。在假定巖性不變的前提下，這些信息也能從同一