岩石物理

岩石物理学RockPhysics讲课人：魏建新课程安排•上课时间:第1－12周，共48个学时。課外练习：2次考试：课内考试，形式？主要参考书1、岩石物理学，陈顒黄庭芳，北京大学出版社，2001年。2、油层物理学，杨胜来，魏俊之.石油工业出版社，1994年3、地下的声音－地震波的应用，[美]J.E怀特著，陆其鹄，齐国英译，地震出版社，1986年。4、孔隙介质声学，[法]T.布尔贝，O.库索，B.甄斯纳著，许云译，石油工业出版社，1994年5、TheRockPhysics,Handbook,G.Mavko,T.Mukerji,J.dvorkin,CambridgeUniversityPress,19986、地震振幅解释，[美]FredJ.Hilterman，孙夕平，赵良武等译，石油工业出版社，2006年12月7、Seismicandacousticvelocitiesinreservoirrocks,Vol.3:Recentdevelopment，Wang,Z.,andNur,A.,Eds。8、Fundamentalsofseismicrockphysics.Zhijing（Zee）Wang王之敬Geophysics,Vol.66,No.2，2001，参考书•岩石物理学第一章引言•岩石物理学(PetrophysicsRockphysics)•Petrophysics有表示“石,岩”之义,表“含石油的”之义，在石油工程和测井中常用此词。•石油工程专门有一门“油层物理学”Petrophysics课。•Rockphysics在岩石力学，地震勘探中较常用。•两者没有严格的区分。主要研究内容可归结为：•从实验和理论上研究：1)岩石本身的各种物理性质；2)这些性质间的相互关系；3)它们在地球物理和岩石物理数据中的反映。例如在地球物理学和油气勘探中的作用。1.1岩石物理学的研究意义•地球的结构和动力学性质必然与岩石的各种物理性质密切相关。•岩石的不同于其它材料的特性，也就决定了岩石物理学所具有的独特的研究内容、方法和手段。•岩石物理学研究的重点是与地质学、地球物理学、地球化学、油储地球物理学、地热学和环境科学密切有关的特性。•岩石物理学的研究特点，反映了这门学科的基础性和应用性。岩石物理学的特点•岩石物理学是一门高度交叉的综合性学科。•针对不同研究领域，岩石物理的研究内容不同，如：能源勘探(如石油工业)，以岩石的弹性为主；地质灾害(天然地震)，以岩石的力学性质；环境保护与监测，以流体的流动；•其中石油工业是主要的研究力量。特别强调三点•第一，岩石材料的特殊，地球内部的特殊环境•第二，在岩石的各种性质中，研究的重点是那些与地球内部构造与运动、能源和资源的勘察与开发、地质灾害的成因与减灾、环境保护与监测有密切关系的特性。•第三，岩石物理学在油储问题研究领域较成功。•第四，国内在这方面的研究较为薄弱。岩石物理学的研究基础•研究基础是各种测试技术：特别是以实验室的测试和测井技术测试为主。•在实验室利用各种物理测试手段，测试岩石的各种物理量，获得岩石性质与物理参数之间的关系。•理论上，提出岩石中各种物理性质之间一般关系(理论模型)。两个方面：1)针对岩石特性在假设条件下提出简化模型；2)解释实验观测到的现象和结果。地球物理中的测量技术•四方面：1、空间观测2、地面观测：3、井中观测：电缆测井、VSP和井间地震、随钻测量、取芯，用于研究地层的物理性质，确定油气位置，划分油水层。4、实验室观测：岩芯分析，岩芯各种物理量测试，模拟地层测试等。空间观测•航磁，红外遥感，航空放射性测量，卫星拍照等。•用于确定大地构造，确定地表形态。地面观测•地质观察、地球物理方法(天然地震，人工地震，各种重、磁、电等)、地球化学方法。•用于确定有利的地质构造,寻找油气分布等。井中观测•地震井中观测：VSP、井间地震和水平井。•测井技术：测井，取芯，各种物理方法测试技术，主要用于研究地层的物理性质，确定油气位置，划分油水层。各种测井曲线实验室的测试技术•测试各种物理量，归纳经验公式，验证模型。•各种新的测试方法研究:1)岩芯分析2)声学参数测试3)电学参数测试研究方法一：正问题•通过已知矿物、岩石本身的性质和变化，研究其物理性质在岩体中可能有的变化，这是一个由微观到宏观的推演过程，通常称为正演。•实验室的研究主要为正问题。研究方法二：反问题•已知地质、岩体的物理性质，如何反过来推演岩石和矿物的性质，这是一个由宏观到微观，由整体到局部的反演。•野外的各种测试研究主要是反问题。研究方法三：应用问题•正问题和反问题有机结合，区域性局部规律总结成一般性规律。•例如：人为地改变矿物、岩石的特性，来预测可能影响到岩体和地质特性改变。•在岩石物理学中具有的重要的潜在应用价值。实验室具体研究方法•首先采集各种有地质意义的岩石，在实验室中分别研究各种因素对其物理性质的影响，将大量的实验结果统计归纳得到经验关系式。在建立合理而简化的数学物理模型的基础上，将由实验得到的经验关系外推到实际地球问题中去。•注意：若没有合适的模型，把实验室简单地、小尺度实验得到的外推到大尺度的自然界，常常会出现错误的结论。•其次岩石物理学是一门高度跨学科的学科分支，这就决定了在岩石物理学中，对于所研究的岩石的不同物理性质，必然要用到上述相应的学科中对应的物理方法和手段。1.2石油工业的岩石物理研究•油气勘探的目标就是为了寻找在三维复杂结构及地质历史条件下生成烃类储层。•为了探测和表征这些储层，地球科学家使用很有限维数的数据（地面数据和井下数据）来预测三维储层结构，岩石性质，流体性质及它们随时间，自然温度条件下的变化。•因此，这种反问题的解决方法不是唯一的。石油工业面临的问题•在储层勘探和开发中，为了减少涉及经济因素上的冒险，面临的挑战就是如何控制一些不确定因素来圈定储层。•涉及二大问题：1)多学科：地质、地球化学、地球物理学、工程技术和岩石物理学2)储层的尺度：从盆地到储层，到断块，岩芯，矿物颗粒和孔隙；从地震，井间地震，到测井，岩石物理的桥梁作用岩石物理的桥梁作用•岩石物理学是储层描述中的一个重要工具，因为大多数进行储层描述的技术都是基于岩石的物理性质。•岩石可测量的物理性质（诸如地震速度）能够反映地下岩石和储层的有用信息。•岩石物理学具有可解释性，岩石物理是一门用来研究岩石物理参数和一些相关性质学科，其测量数据可以被解释。•因此，它不仅仅是储层描述的工具，也为所有的地学家提供了物理基础。主要服务对象•目前，在石油工业的主要服务对象是储层描述和采收率监测，主要服务有：地震和测井解释、储量估算、提高采收率。•对储层岩石物理特性的完全描述，意味着要确定各个储层、定义有关解释算法的所需岩石物理参数。•对于地学家来说这是一个新的方向。储层描述技术的发展是石油工业中从勘探到开发的一个实质性的转变结果。研究对象•油气储集体－－沉积岩•沉积岩本身的性质，有几十种参数(诸如：矿物成分、孔隙度、密度、颗粒大小和形状、颗粒的连接和胶结程度等)用来描述岩石。•沉积岩的物理性质（弹性、电性、磁性等）。石油行业中岩石物理几个特点1、岩石物理是一门多学科的科学为了预测岩石参数，必须尽可能的研究岩石属性的不同方面。涉及到储层特征及采收率监测以下方面：1)声波性质2)电学性质3)水利属性4)机械属性5)岩相属性6)孔隙流体属性其中主要集中在储层岩石和流体的声波方面的属性。2、实验方法促使新知识的产生•不断地建立新的模型用来模拟多孔岩石属性和参数。•理想的多孔介质是怎样来影响物理属性的，与岩石的预测还差多少。•人们做了许多努力（Schwartz,1984）来建立多孔岩石模型（Barryman,1994），但是成果却十分有限。•理论模型在地学科学方面的应用还处在一个有限的水平上。•对新的区域的了解。•为了确定岩石物性和物理参数的关系，实验室就进行了相应的研究。•只有通过对岩石样品的实验研究才能提供一些相关的制约因素和最高质量的数据。•基于实验数据，速度和岩石参数之间的物理关系才能确定。这些关系可能延伸到一个比较大的范围，甚至无法测定。•许多测定的数据，比如，记录，井间数据，VSP地震数据由于缺少参数控制而显得不十分可靠。•所以这些测量方法的标准和解释必须依靠于实验室核心方法和岩石物理学知识。3、实验室研究的意义4、岩石物理学的能力：综合•实验数据和从数据中得到的知识必须与大比例尺度的测量方法相结合起来。•在采用正确的方法得到典型性的数据同时，还应寻找岩石特性与岩石参数之间物理方面的相关性。•通过相关性从大量含有噪声数据中确定最终要的参数•测量数据的解释就可以走向具有可以理解的不确定性的正确轨道。在确定测量特性之后认知岩石参数是岩石物理学的作用。5、储层技术的发源地•岩石物理研究课题的许多成果已经反映到地震储层技术的发展上。1)亮点技术的发展是基于在实验室观测到的事实。含气饱和岩石相对于盐水饱和岩石具有更低的速度。2)速度各项异性的实验研究，裂缝储层的地震探测也得到了发展。3)基于实验研究的热强化采油监测技术。4)还有AVO，4D地震油藏监测岩石物理学的作用•推动地球物理勘探数据处理和解释技术的发展6、研究方式•地震特性受到许多因素的复杂影响（诸如压力、温度、饱和度、流体类型、孔隙度、孔隙类型等等），•这些因素常常是内在关联的，当一个因素变化时许多因素也同时变化。这些变化对地震数据产生正面或负面的影响。•因此，在将岩石物理信息应用于地震解释中时，必不可少地要进行单一参数变化（其它固定不变）影响的研究。7、研究方向•开发(地球物理)一方面地球物理具有在远离钻孔的条件下确定岩石弹性性质的能力，•生产(岩石物理和石油工程)另一方面探储工程师还要求在远离钻孔条件下辨别岩石物理特征，为改进对储集层的描绘和定性，人们正迅速地推动地球物理、石油物理和储集层数据的综台研究。怎样对待岩石物理•许多影响岩石特性的因素无法定量化。对岩石物理研究的问题，应用一些哲学道理：1.承认没有绝对精确的解决方案。2.相信岩石特性是有原因的受到岩石参数的控制，并且这些物理相关性是可以认知的。3.相信自然界给了我们一个暂停。在特定条件下，岩石特性与岩石参数之间的关系是可以简化的。4.能够接受具有可理解的不确定性的并不完善的解决方案。并理解统计趋势，高峰和低谷都不利于处理这些不确定性。岩石物理的两个研究领域•按测试方法和手段分，岩石物理学的研究主要分为实验室测试和井中测试两个方面。•实验室测量与井中的测量存在尺度上的差别。•这两种方法起到互补的作用。•两种方法除尺度上有差别外，在测试类型、规模、信噪比和结果的可靠性方面也存在差异。油气勘探中研究主要内容•地震勘探方面1)岩石、流体等性质对弹性波传播的影响；2)岩石导电率及电磁波在岩石中传播的影响；3)裂缝对岩石弹性及流体输送的影响。•油气开发(石油物理和石油工程)方面1)岩石、流体等性质对油气运移的影响；2)地震方法监测和提高石油采收率中的岩石物理在测井方面的研究•岩石电学：(1)低电阻率储层的物性参数；(2)复杂储层的岩电关系；(3)岩石的电化学特性；(4)岩石的复电阻率；(5)岩石的电频散问题•核磁共振岩石物理学的发展•岩石物理学的发展，取决于石油工程技术与测井技术的进展.•而是取决于物理、化学、数学、计算机以及地球物理观测技术的进步。•对于岩石物理学的研究，尤其要注意多学科的综合应用，以及交叉学科的相互渗透。石油经济对岩石物理的影响•所有的储层项目都必须根据今天油价进行调整。地球科学家今天所面临的挑战不是创造新的技术，而是设计出更有效的项目，它应该包括：•确定决定经济成功的必须解决的首要问题。•设计一个最适宜的解决问题的计划（团队工作最好是整体化，并采用现有的技术）。•这个技术的计划水平必须和今天的经济相结合。岩石物理学的应用•岩石物理学的应用主要在储层特性描述和动态监测上。•90年代开始岩石物理方面的解释逐渐与地面地球物理(主要是地震)解释结合起来，对储层特性描述经历了1)静态属性描述2)综合特性描述3)建立动态储层特性模型