岩石物理学讲义

岩石物理学讲义一、内容简介本课程是地球物理探测专业的一门专业课。课程目的是通过各种教学环节，使学生正确认识和理解地球中岩石的诸多物理性质(尤其是岩石的弹性性质)与岩石本身特性间的一些基本关系，熟悉基本的岩石物理概念和理论，了解获取岩石物理性质的一些基本方法和岩石物理参数应用方面的知。为以后从事与地震勘探、资源环境和地质灾害方面的工作和科学研究打下基础。本课程内容主要针对油气地球物理探测领域，其中包括：岩石物理学的基本概念，基本理论知识，实验过程和技术，岩石的分类和特点、岩石的孔隙和裂隙、岩石中的流体和流动、岩石的弹性和波的传播衰减、岩石的电学和热学性质，以及岩石特性在地震勘探中的应用。三、课程安排第一章引言（2学时）岩石物理学的概念及发展概况、研究意义和应用方向，本课程的特点和安排。第二章地球上的岩石（2学时）地球上的岩石和矿物，岩石的分类和特点；油气储层岩石的特点。第三章储层岩石的多孔特性（4学时）岩石的骨架、密度，孔隙、裂隙和孔洞，孔隙率、裂隙的基本概念，孔隙和裂隙的几何形态，相关的介质模型。孔隙中的流体，流体的流动，饱和度和渗透率，双相介质中的概念第四章岩石的弹性（4学时）岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。第五章岩石中弹性波速度和衰减（10学时）岩石中的弹性波传播的基本概念，波在分界面上的反射和折射，岩石的速度各向异性，波速和衰减的实验测试原理和技术，弹性波传播衰减的基本知识，衰减实验测试的结果，衰减机制和理论第六章岩石速度的影响因素（10学时）岩石速度的影响因素定性描述，波速与岩石物性的经验关系；孔隙、压力温度、流体等因素的影响，速度的各向异性第七章流体饱和岩石中波的传播（8学时）有效介质模型，流体置换方程，Biot理论和实验观测第八章岩石的其它物理性质（6学时）岩石的电学性质，岩石的热学性质，核磁共振第九章石油地球物理中的应用（2学时）地震勘探中的应用，测井中的应用。四、目录第一章引言1.1研究岩石物理学的意义1.2在石油工业的研究1.3本课程的内容、特点和时间安排。第二章地球上的岩石2.1地球上的岩石和矿物，2.1.1矿物定义2.1.2岩石定义2.1.3岩石的尺度微构造(microstructure)均匀介质与非均质2.2岩石的分类2.2.1成岩过程三种岩石2.2.2火成岩概念2.2.3沉积岩概念2.2.4变质岩概念2.2.5岩石成岩的旋回(rockcycle)2.3岩石的特点2.3.1高压高温环境2.3.2多孔介质2.3.3长期作用2.3.4最广泛应用的材料2.4油气藏储层的岩石2.4.1油气藏储层的地质环境沉积结构：盆地概念？储层圈闭2.4.2沉积岩储层岩石的分类和成分2.4.3碳氢化合物源岩与碳氢化合物产生2.4.4现场条件第三章岩石的多孔特性3.1多孔岩石的骨架岩石颗粒粒度测试表示形态比面颗粒密度岩石胶结物3.2岩石的孔隙和裂隙3.3孔隙中的流体3.4流体饱和度和渗透率，3.5毛细压力第四章岩石的弹性4.1应力和应变4.2胡克定律岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。4.3波动方程4.4岩石的各向异性理论。第五章岩石中弹性波速度和衰减5.1岩石中的弹性波5.1.1波的传播5.1.2波在分界面上的反射和折射声阻抗5.2岩石的速度各向异性5.3岩石弹性波的衰减5.4岩石中波速度和衰减的测试5.2.1声波测试系统工作原理5.2.2超声的产生和接收产生和接收的一些常用方法压电式换能器换能器的性能5.2.3温度压力设备第六章岩石速度的影响因素6.1岩石速度的影响因素定性描述建立区域和局部的岩石特性趋势线6.2波速与岩石物性的经验关系砂岩中的P-和S-波速度孔隙度和孔隙形状粘土含量对速度的影响密度和基质岩性温度和压力临界孔隙率颗粒接触与固结对速度的影响6.3Vp-Vs关系Vp/Vs比值泊松比6.3孔隙流体特性的影响孔隙流体特性流体饱和对速度6.5各向异性第七章流体饱和多孔介质中波的传播7.1空间平均（有效介质）模型7.2流体置换：Gassmann方程7.3Biot理论第八章岩石的其它物理性质岩石的电学性质，岩石的热学性质第九章石油地球物理中的应用（4学时）地震勘探中的应用，测井中的应用。五、详细内容岩石物理学Rockphysics第一章引言岩石物理学（Rockphysics）是一们涉及范围较广的边缘学科，只要与岩石本身特性和其物理特性相关的都可以归在这们学科内。岩石的物理性质主要有力学、声学、电学等。这些物理性质在不同的应用领域中形成的各自岩石物理学。其中在石油工业得到了广泛的应用。在石油工业常用英文字Petrophysics表示岩石物理，英文字头Petro-有“石,岩”、“含石油的”之义，在石油工程和测井中常用此词。在石油工程用Petrophysics表示“油层物理学”。其内容包括油气储层中流体的物理和化学性质、储层岩石和物理性质(孔、渗、饱)、多相流体物理性质和渗流机理等。Rockphysics在岩石力学，地震勘探中较常用。两者没有严格的区分。本课程岩石物理学的内容主要是从理论和实验上研究岩石（含有流体的多孔隙介质）的各种物理性质之间关系的科学，特别是研究岩石的孔隙度、渗透率饱和度与地震波速度、电阻率、温度等物理参数的关系。为地震勘探和测井资料处理和解释服务。主要研究内容可归结为：从理论和实验上研究：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，包含了地质学、地球物理学、物理学(声、电、磁、核等)，声学、测井、岩芯分析、石油工程、地球化学、化工及力学工程和实验测试技术等学科。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(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，在一些大学开展这方面的研究，同时几乎所有的大石油公司都在进行同样的研究。必须强调：第一，岩石物理学是研究岩石这种特殊的材料，在地球内部特殊环境下的各种行为及其物理性质的。从岩石本身的特点可以看出。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，针对油储问题开展的岩石物理性质的研究，是岩石物理学研究中较成功的应用领域。第四，国内在这方面的研究较为薄弱。由于岩石物理学致力于从实验和理论上研究岩石的物理性质、这些性质间的相互关系以及它们在地球物理和岩石物理数据中的反映。它研究基础是各种测试技术：特别是以测井技术和实验室的测试结果为主。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主要有四方面：1、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。2、地面观测：地质观测、地球物理方法(天然地震，人工地震，各种重、磁、电等方法)，用于确定有利的地质构造,寻找油气分布等。地质观测：成矿的地质条件、通过观察出露在地表面的地层、岩石进行搜集和综合分析。地球物理方法：根据地下岩石或矿体的物理性质差异所引起在地表的某些物理现象（表现为异常的现象）的变化去判断地质构造或发现矿体。以人工地震方法为主。地球化学方法：对岩石、土壤、地下水、地表水、植物、水系以及湖底沉积物等天然产物中一种或几种化学特征作测定。3、井中观测：直接得到地下的各种地质资料，可以确定地下构造特点和矿物特征，确定油气位置，划分油水层。。方法有：电缆测井、VSP和井间地震、随钻测量、取芯。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。岩石物理学中所涉及的研究方法：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。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。应用问题：进一步，如何人为地改变矿物、岩石的特性，从而影响到岩体和地质特性的改变，这在岩石物理学中具有的重要的潜在应用价值。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。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岩石物理学在石油工业的应用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。这就涉及二大问题：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。起到一个桥梁作用。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，岩石物理学主要服务有：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。人们估计（mark,1995）地震监测在接下来的几年中会增长到每年二十亿美元。研究对象沉积岩是烃原岩中的一个主要的岩类。研究沉积岩的性质是岩石物理中的一个主要目标。沉积岩是由复杂地历史条件下的（物理、化学）多孔性材料生成的。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)被用来描述岩石的性质。然而，我们在定量的测量和处理一些与孔隙结构有关的（诸如孔隙的几何性质，颗粒的连接性和胶结程度）重要的岩石参数方面仍然有一定的困难。石油行业中岩石物理几个主要特点：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一些理论模型用来模拟多孔岩石的一些特殊的物理属性及一些参数性质。这些模型建立了一个物理概念：理想的多孔介质是怎样来影响物理属性的。然而，和实际的岩石相比，这些模型却过于简单。大多数的模型能够用一种或更多种任意的参数来预测岩石属性，但是不能够用来实现实际岩石的预测。人们做了许多努力（