岩石物理学

地震勘探中的岩石物理性质岩石物理性质•1-1地震波速度及影响因素•岩石矿物成分对V的影响•岩石密度的影响•孔隙度的影响•埋深的影响•孔隙流体对波速的影响•温度影响•横波速度问题•石灰岩速度的特殊性•1-2地震波的吸收、衰减•介质的品质因素•吸收系数•衰减的影响因素地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中地震波的特点除受激发、接收因素的影响外，还主要受岩石的物理性质影响，它包括：弹性模量、密度、吸收特性。本章主要讨论两个问题：⑴地震波速度⑵地震波吸收、衰减地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质1-1地震波速度及影响因素V是一个重要参数：用于时深转换和储层预测一、岩石矿物成分对V的影响在均匀各向同性完全弹性介质中，V取决于介质的弹性模量+2k+4/3E(1-)纵波速度VP=---------=------------=-----------(1+)(1-2)E横波速度VS=------=-------------2(1+)其中：--密度，--剪切模量，E--杨氏模量--拉梅常数，K=+2/3，--泊松比地震勘探中的岩石物理性质岩石矿物成分比较复杂，因而不同类型岩石波速变化较大岩石类型速度范围(m/s)沉积岩1500-6000变质岩3500-6500花岗岩4500-6500玄武岩4500-8000地震勘探中的岩石物理性质二、岩石密度的影响由纵横波速度公式：+2k+4/3E(1-)纵波速度VP=---------=------------=----------------(1+)(1-2)E横波速度VS=------=-------------2(1+)可知，随着增大，VP、VS也增大，但由公式看，增大，VP、VS应降低，为什么它反而增大？这是因为增大，杨氏模量E也增大，且其增大的级次比高得多，所以增大，VP、VS也增大。地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质砂泥岩横波速度密度关系(p=0.600Vs0.183)地震勘探中的岩石物理性质1974年，G.H.F.Gardner统计出沉积岩中VP与的关系式，即有名的Gardner公式：=0.31(VP)1/4式中：的单位为：g/cm3VP的单位为：m/s不同地区统计的经验公式不尽相同。Gardner公式很有用，在制作人工合成记录时，当工区内变化较大且又无测井时，则可通过Gardner公式计算。地震勘探中的岩石物理性质三、孔隙度的影响一般说来，在其它因素相同的情况下，孔隙度大时，岩石的波速V低，也就是说，孔隙度和波的传播速度V成反比。Wyllie提出了V-关系的经验公式：11-------=-----+--------（时间平均方程）VVfVm式中：V--流体饱和岩石中的波速Vf--孔隙所含流体波速Vm--岩石骨架速度--孔隙度地震勘探中的岩石物理性质图中：实线代表氧化硅，骨架速度=5950M/S虚线代表石灰岩，骨架速度=7050M/S水，Vf=1500M/S地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质上述方程只适用于流体压力与岩石压力相等的情况下，随着流体压力的减小，上述“时间平均方程”要修改为：1C1-C-----=-----+---------VVfVm式中C是某个常数，当流体压力=岩石压力的一半，且岩石压力相当于埋深在1900m深处所承受的压力达2700kg/m2时，C值取0.85左右。地震勘探中的岩石物理性质四、埋深的影响在岩石成分不变的情况下，埋深增加时波速通常要增大，在实际情况中岩石成分是变化的，故V增长也不是单调变化。早在1951年，F根据井的资料和地震剖面的资料，统计得出砂、泥岩剖面中岩石的纵波速度与深度关系的经验公式为：V=a(HT)1/6式中：V--纵波速度T--地质年龄H--深度a--常数地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质当V的单位取ft/s，H的单位取ft，T的单位取年,则a=125.3此公式用得较多。注意：其应用条件是----砂、泥岩剖面，深度不太大。由右图看出：H增大，V增大T增大，V增大在2～3km内，V增长是非线性的深层，V～H几乎呈线性关系地震勘探中的岩石物理性质压力对致密岩石和多孔隙岩石中波速的影响不一样。1、致密介质相同矿物成分的均匀介质速度只受外压力的影响，如有微裂缝致密岩石，随深度加深压力增大。导致微裂缝在高压下闭合，使V增大。例如：岩盐2、孔隙介质孔隙介质受来自围岩的外压力及孔隙内流体的压力作用。地震勘探中的岩石物理性质关于压力的几个述语•流体压力：储集层孔隙中的各种流体总是处于一定的压力之下，这种作用于孔隙所含流体的压力，称为地层压力或流体压力。•上覆压力：地下岩层所承受的由上覆岩层拄的重量所造成的压力。•骨架压力：是上覆压力与孔隙内流体压力之差。骨架压力又称为“有效压力”。地震勘探中的岩石物理性质研究表明：A、深度不大时，在压力增加的影响下，速度变化最快；B、深度增加时，由压力引起的速度增长明显地变慢。地震勘探中的岩石物理性质Phillips1989年给出了V～P的实验公式：Vp=5.77-6.94-1.73C+0.446(0.01P-e-0.167p)Vs=3.52-4.91-1.57C+0.361(0.01P-e-0.167p)式中：V---速度，单位为m/s，---孔隙度，C---泥质含量，P---有效压力,单位为MpaPhillips指出：有效压力低时，V与有效压力近似为指数关系有效压力高时，V与有效压力近似为线性关系压力对波速的影响在深为2～3km内最大。实验结论：为1～3%，压力增加50～60MPV增加才5～7%为20%，压力增加50～60MPV增加才30～407%地震勘探中的岩石物理性质五、孔隙流体对波速的影响1、孔隙流体性质的影响流体饱和固体中波的性质决定于固体骨架和孔隙流体的：密度；粘滞性；压缩系数；孔隙度；渗透率。看下图页岩、油、气、水、砂岩的V～H关系曲线地震勘探中的岩石物理性质2、未固结砂岩中流体饱和度对P波速度的影响看右图1-6V油砂岩随SW增大而增大V气砂岩随SW增大而减小，到SW=0.8时，开始增大至0.95时急剧增大地震勘探中的岩石物理性质垂直反射系数页岩–气砂岩R在Sw0.9时剧变，放射振幅的变化并不与含气量成简单的先行关系。Domenic实验室结论：A、未固结砂岩含气水混合物Vp随呈线性变化。B、Sw=0–0.85Vp=常数Sw0.85Vp急剧增大C、孔隙中气水分布的均匀性对Vp有影响。Vp均Vp不均D、理论计算和实验测量值只是定性一致。地震勘探中的岩石物理性质3、固结岩石中流体饱和度对P波速度和反射系数的影响。A.R.Gregory(1976）研究结论：不同孔隙度岩石中P波速度随含水饱和度变化特点不同。看图1-9地震勘探中的岩石物理性质P波速度随围压的增大而增大，不同围压时，Vp随含水饱和度变化曲线有所不同，围压增大，V随SW变化率有减小趋势。看左图地震勘探中的岩石物理性质不同岩石中，VP随SW变化特点有差异，这种差异小于变化的影响。从实验结果看，固结岩石为含气～原油混合物、含气～水混合物时，V随含液体饱和度变化特征的差别是不确定的。固体和非固体岩石中孔隙流体及其饱和度对P波速度影响的一致点：I饱含流体时比饱含气时VP要高；IIVP随SW的变化是非线性的；III充满液体的孔隙空间变成含少量气时，VP要明显降低。地震勘探中的岩石物理性质六、温度影响大量实验研究得出：1完全重油饱和未固结砂岩时温度变化非常敏感，比对压力变化敏感得多。图11为马拉开波湖Venezulan未固结砂岩实验结果，由图可以看出，在300bar或多或100bar固定有效压力下，随着温度的升高速度急剧下降。地震勘探中的岩石物理性质图12为100%盐水饱和时情况，除了样品孔隙空间里重油变为盐水外，其它样品特征及外部条件都与图11完全相同。从图上可以看出，同样的未固结砂岩，水饱和时的纵波速度几乎与温度没有关系。地震勘探中的岩石物理性质含重油未固结砂岩纵波速度随温度升高而降低的幅度与含油饱和度有关，SO增大，降低幅度越大。比较图1-13（SO=50%）与图1-11（SO=100%）图13与图11中砂岩样品完全一样，仅图13中砂岩样品孔隙空间里重油和盐水各占50%，其它试验条件都一样。从图中可以看出，纵波速度随温度升高而降低，但在同一温度范围内降低幅度仅为20%，即介于重油饱和与盐水饱和情况之间。地震勘探中的岩石物理性质含沥青未固结砂岩实验结果，VP随T增大而急剧降低。看图1-14含重油或沥青的固结良好的砂岩中，VP也随T增大而下降，但幅度较小。地震勘探中的岩石物理性质七、横波速度问题1影响VS的因素一般来说，影响VP的因素对VS都有影响：矿物成分、、、H、P、孔隙流体、T等看图1-16图1-17（随变化情况）地震勘探中的岩石物理性质2影响程度就绝对变化值讲，同一因素对VP影响较大，对VS影响较小。从公式：VP=a1-a2-a3cVS=b1-b2-b3caibi说明VP变化急剧，VS变化平缓。地震勘探中的岩石物理性质3影响方向〈1〉VP、VS变化方向相同的i增大，VP、VS增大；ii增大，VP、VS减小；iiiH增大，VP、VS增大。〈2〉孔隙流体对VP、VS影响明显不同的砂岩孔隙在含水、油、气时，VP依此减小V水V油V气横波则相反V水V油V气地震勘探中的岩石物理性质4VP、VS与的关系无论是碎屑岩还是碳酸盐岩，纵、横波速度是线性相关的。二次曲线也能很好地描述VP、VS之间的关系。不管是那种经验公式，其常数都表示出地区性差异，故不同地区要建立各地区的经验公式。地震勘探中的岩石物理性质八石灰岩速度的特殊性石灰岩速度的变化规律有其特殊性：1S.Chacko(1989)任为：石灰岩中，VP/VS值主要取决于矿物成分。2RoyWilkens(1984)任为：硅质灰岩的VP/VS值取决于钙质含量和孔隙几何形状，硅质灰岩中VP、VS随密度和钙质含量变化方向不相同：VP随增大而增大，与砂、泥岩一样VS在随变大时稍微减小一点看图1-20VP随钙质含量增加而增大VS随钙质含量增加而减小看图1-21地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质1-2地震波的吸收、衰减地震波的吸收：指地震波在传播过程中部分能量不可逆地转化为热的过程。一、介质的品质因素品质因素：是对介质固有的衰减特性的定量描述，通常用Q来表示，定义为：Q=MR（）/MI（）式中：MR（）---是复数模量M（）的实部MI（）---是复数模量M（）的虚部公式的物理含义：当=时，MI（）=0，表示介质是无损耗的完全弹性介质当Q=0时，MR（）=0，表示介质衰减无穷大，即该介质中波不能传播。地震勘探中的岩石物理性质对于线性弹性介质，相位移与Q有如下关系：1-------=tanQ根据正弦形变一个周期内损耗的能量W和平均存储能量W的关系，Q又可定义为：4WQ=------------W式中：W----正弦波一个周期内损耗的能量W----平均存储能量地震勘探中的岩石物理性质二、吸收系数前面已经讲过，地震波能量在传播过程中被损耗，这是因为实际地下介质并非完全弹性体，这种因损耗而引起的衰减叫吸收。因吸收引起的振幅衰减随传播距离X成指数衰减：即：A=Aoe-x式中Ao----初始振幅A----经吸收衰减后的振幅----吸收系数地震勘探中的岩石物理性质1一般情况下，吸收系数与频率成正比关系OfO----常数f----频率2不同岩层的吸收系数差别很大，砂岩的吸收系数比页岩、石灰岩的大，特别是含油的啥岩，显著增大。由上述分析可知，利用地震反射波吸收系数的平面分布图来圈定油、气藏范围，估算砂、页岩剖面中砂岩的含量和厚度、鉴别岩性的横向变化是可行的。地震勘探中的岩石物理性质