儲(chǔ)層地球物理學(xué)1-巖石物理學(xué)

1、巖石物理性質(zhì),1-1 地震波速度及影響因素巖石礦物成分對(duì)V的影響巖石密度的影響孔隙度的影響埋深的影響孔隙流體對(duì)波速的影響溫度影響橫波速度問題石灰?guī)r速度的特殊性,1-2 地震波的吸收、衰減介質(zhì)的品質(zhì)因素吸收系數(shù)衰減的影響因素,地震勘探中的巖石物理性質(zhì)  地震勘探中地震波的特點(diǎn)除受激發(fā)、接收因素的影響外，還主要受巖石的物理性質(zhì)影響，它包括：彈性模量、密度、吸收特性。 本章主要討論兩個(gè)問題：

2、⑴ 地震波速度⑵ 地震波吸收、衰減,地震勘探中的巖石物理性質(zhì),1-1 地震波速度及影響因素 V是一個(gè)重要參數(shù)：用于時(shí)深轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)層預(yù)測一、 巖石礦物成分對(duì)V的影響 在均勻各向同性完全彈性介質(zhì)中，V取決于介質(zhì)的彈性模量 ?+2? k+4?/3 E(1-?) 縱波速度 VP = --------- = ------

3、------ = ----------- ? ? ?(1+?)(1-2?) ? E 橫波速度 VS = ------ = -------------

4、 ? 2?(1+?)其中：?--密度， ?--剪切模量，E-- 楊氏模量 ?--拉梅常數(shù)， K=?+2?/3， ?--泊松比,巖石礦物成分比較復(fù)雜，因而不同類型巖石波速變化較大  巖石類型 速度范圍(m/s) 沉積巖 1500-6000 變質(zhì)巖 3500-6500 花崗

5、巖 4500-6500 玄武巖 4500-8000,二、巖石密度的影響 由縱橫波速度公式： ?+2? k+4?/3 E(1-?) 縱波速度 VP = --------- = ------------ = ----------------

6、 ? ? ?(1+?)(1-2?)  ? E 橫波速度 VS = ------ = ------------- ? 2

7、?(1+?) 可知，隨著?增大，VP 、 VS也增大，但由公式看，?增大，VP 、 VS 應(yīng)降低，為什么它反而增大？ 這是因?yàn)?增大，楊氏模量E也增大，且其增大的級(jí)次比?高得多，所以?增大，VP 、 VS也增大。,地震勘探中的巖石物理性質(zhì),,砂泥巖橫波速度密度關(guān)系(p=0.600Vs0.183),1974年，G.H.F. Gardner 統(tǒng)計(jì)出沉積巖中VP 與?的關(guān)系式，即有名的Gardner公式：

8、 ? = 0.31(VP )1/4 式中： ?的單位為：g/cm3 VP 的單位為：m/s,不同地區(qū)統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式不盡相同。 Gardner公式很有用，在制作人工合成記錄時(shí)，當(dāng)工區(qū)內(nèi)?變化較大且又無?測井時(shí)，則可通過Gardner公式計(jì)算?。,三、孔隙度的影響 一般說來，在其它因素相同的情況下，孔隙度?大時(shí)，巖石的波速V低，也就是說，孔隙

9、度?和波的傳播速度V成反比。 Wyllie 提出了V-?關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式： 1 ? 1-? ------ = ----- + -------- （時(shí)間平均方程） V Vf Vm 式中：V -- 流體飽和巖石中的波速 Vf --孔隙所含流體波速 V

10、m --巖石骨架速度 ? --孔隙度,圖中：實(shí)線代表氧化硅，骨架速度=5950M/S 虛線代表石灰?guī)r，骨架速度=7050M/S 水，Vf =1500M/S,地震勘探中的巖石物理性質(zhì),地震勘探中的巖石物理性質(zhì),上述方程只適用于流體壓力與巖石壓力相等的情況下，隨著流體壓力的減小，上述“時(shí)間平

11、均方程”要修改為： 1 C? 1-C? ----- = ----- + --------- V Vf Vm  式中C是某個(gè)常數(shù)，當(dāng)流體壓力=巖石壓力的一半，且?guī)r石壓力相當(dāng)于埋深在1900m深處所承受的壓力達(dá)2700kg/m2時(shí)，C值取0.85左右。,四、埋深的影響 在巖石成分不變的情況下，埋深

12、增加時(shí)波速通常要增大，在實(shí)際情況中巖石成分是變化的，故V增長也不是單調(diào)變化。 早在1951年，F(xiàn)根據(jù)井的資料和地震剖面的資料，統(tǒng)計(jì)得出砂、泥巖剖面中巖石的縱波速度與深度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為： V = a (HT)1 / 6 式中：V -- 縱波速度 T -- 地質(zhì)年齡 H -- 深度

13、 a -- 常數(shù),地震勘探中的巖石物理性質(zhì),當(dāng)V的單位取 ft/s ， H的單位取 ft， T的單位取年, 則 a = 125.3 此公式用得較多。注意：其應(yīng)用條件是----砂、泥巖剖面，深度不太大。由右圖看出：,? H增大，V增大 ? T增大，V增大? 在2～3km內(nèi)，V增長是非線性的? 深層，V～H幾乎呈線性關(guān)系,壓力對(duì)致密巖石和多孔隙巖石中波速的影響不一樣。

14、1 、致密介質(zhì) 相同礦物成分的均勻介質(zhì)速度只受外壓力的影響，如有微裂縫致密巖石，隨深度加深壓力增大。導(dǎo)致微裂縫在高壓下閉合， 使V增大。例如：巖鹽2、孔隙介質(zhì) 孔隙介質(zhì)受來自圍巖的外壓力及孔隙內(nèi)流體的壓力作用。,關(guān)于壓力的幾個(gè)述語,流體壓力：儲(chǔ)集層孔隙中的各種流體總是處于一定的壓力之下，這種作用于孔隙所含流體的壓力，稱為地層壓力或流體壓力。上覆壓力：地下巖層所承受的由上覆巖層拄的重量所造成的壓力。骨架壓力：是上

15、覆壓力與孔隙內(nèi)流體壓力之差。骨架壓力又稱為“有效壓力”。,研究表明：A、深度不大時(shí)，在壓力增加的影響下，速度變化最快； B、深度增加時(shí)，由壓力引起的速度增長明顯地變慢。,Phillips 1989年給出了V～P的實(shí)驗(yàn)公式：  Vp=5.77-6.94?-1.73 C+0.446(0.01P-e-0.167p) Vs=3.52-4.91?-1.57 C+0.361(0.01P-

16、e-0.167p)式中：V --- 速度，單位為 m/s ，? --- 孔隙度，C --- 泥質(zhì)含量，P --- 有效壓力, 單位為 MpaPhillips 指出： 有效壓力低時(shí)，V與有效壓力近似為指數(shù)關(guān)系 有效壓力高時(shí)，V與有效壓力近似為線性關(guān)系  壓力對(duì)波速的影響在深為2～3km內(nèi)最大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論： ? 為 1～3%，壓力增加50～60MP V增加才5～7% ?為 20%， 壓

17、力增加50～60MP V增加才30～407%,五、孔隙流體對(duì)波速的影響 1、孔隙流體性質(zhì)的影響,流體飽和固體中波的性質(zhì)決定于固體骨架和孔隙流體的：密度；粘滯性；壓縮系數(shù)；孔隙度；滲透率?？聪聢D頁巖、油、氣、水、砂巖的V～H關(guān)系曲線,2、未固結(jié)砂巖中流體飽和度對(duì)P波速度的影響看右圖1-6 V 油砂巖隨SW增大而增大 V氣砂巖隨SW增大而減小，到SW=0.8時(shí)，開始增大至0.95時(shí)急劇增大,垂直反射系

18、數(shù)頁巖 – 氣砂巖R在Sw>0.9時(shí)劇變，放射振幅的變化并不與含氣量成簡單的先行關(guān)系。 Domenic實(shí)驗(yàn)室結(jié)論：A、未固結(jié)砂巖含氣水混合物Vp隨呈線性變化。B、 Sw=0 – 0.85 Vp=常數(shù) Sw > 0.85 Vp急劇增大C、孔隙中氣水分布的均勻性對(duì)Vp有影響。 Vp均 < Vp不均D、理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量值只是定性一致。,3、固結(jié)巖石中流體飽和度對(duì)P波速度

19、和反射系數(shù)的影響。 A. R. Gregory (1976）研究結(jié)論： ? 不同孔隙度巖石中P波速度隨含水飽和度變化特點(diǎn)不同。 看圖1-9,? P波速度隨圍壓的增大而增大，不同圍壓時(shí)，Vp隨含水飽和度變化曲線有所不同，圍壓增大，V隨SW變化率有減小趨勢。 看左圖,? 不同巖石中，VP隨SW變化特點(diǎn)有差異，這種差異小于?變化的影響。 ? 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，固結(jié)巖石為含氣～原油混合物、含氣～水混合物時(shí)，V隨含液體飽

20、和度變化特征的差別是不確定的。 固體和非固體巖石中孔隙流體及其飽和度對(duì)P波速度影響的一致點(diǎn)：I 飽含流體時(shí)比飽含氣時(shí)VP要高；II VP隨SW的變化是非線性的；III 充滿液體的孔隙空間變成含少量氣時(shí)，VP要明顯降低。,六、溫度影響 大量實(shí)驗(yàn)研究得出：1 完全重油飽和未固結(jié)砂巖時(shí)溫度變化非常敏感，比對(duì)壓力變化敏感得多。,圖11為馬拉開波湖Venezulan未固結(jié)砂巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖可以看出，在

21、300bar或多或100bar固定有效壓力下，隨著溫度的升高速度急劇下降。,圖12為100%鹽水飽和時(shí)情況，除了樣品孔隙空間里重油變?yōu)辂}水外，其它樣品特征及外部條件都與圖11完全相同。,從圖上可以看出，同樣的未固結(jié)砂巖，水飽和時(shí)的縱波速度幾乎與溫度沒有關(guān)系。,含重油未固結(jié)砂巖縱波速度隨溫度升高而降低的幅度與含油飽和度有關(guān)，SO增大，降低幅度越大。 比較圖1-13（SO=50%）與圖1-11（SO=100%）,圖13與圖11中

22、砂巖樣品完全一樣，僅圖13中砂巖樣品孔隙空間里重油和鹽水各占50%，其它試驗(yàn)條件都一樣。 從圖中可以看出，縱波速度隨溫度升高而降低，但在同一溫度范圍內(nèi)降低幅度僅為20%，即介于重油飽和與鹽水飽和情況之間。,含瀝青未固結(jié)砂巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果，VP隨T增大而急劇降低。 看圖1-14 含重油或?yàn)r青的固結(jié)良好的砂巖中，VP也隨T增大而下降，但幅度較小。,七、橫波速度問題1 影響VS的因素 一般來說，影響VP的因

23、素對(duì)VS都有影響： 礦物成分、?、?、H、P、孔隙流體、T等 看圖1-16 圖1-17（隨?變化情況）,2 影響程度 就絕對(duì)變化值講，同一因素對(duì)VP影響較大，對(duì)VS影響較小。從公式： VP =a1 - a2 ? - a3 c VS =b1 - b2? - b3c ai ?

24、 bi 說明 VP變化急劇，VS變化平緩。,3 影響方向〈1〉 VP、VS變化方向相同的 i ?增大，VP、VS增大； ii ?增大，VP、VS減?。?iii H增大，VP、VS增大?！?〉孔隙流體對(duì)VP、VS影響明顯不同的 砂巖孔隙在含水、油、氣時(shí)，VP依此減小 ? V水?V油?V氣

25、 橫波則相反 ?V水 ?V油?V氣,4 VP、VS與的關(guān)系 無論是碎屑巖還是碳酸鹽巖，縱、橫波速度是線性相關(guān)的。二次曲線也能很好地描述VP、VS之間的關(guān)系。 不管是那種經(jīng)驗(yàn)公式，其常數(shù)都表示出地區(qū)性差異，故不同地區(qū)要建立各地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式。,八 石灰?guī)r速度的特殊性 石灰?guī)r速度的變化規(guī)律有其特殊性：1 S.Chacko(1989)任為：石灰?guī)r中，VP/VS值主要取決于礦物成分。2 Roy Wilkens

26、(1984)任為：硅質(zhì)灰?guī)r的VP/VS值取決于鈣質(zhì)含量和孔隙幾何形狀，硅質(zhì)灰?guī)r中VP、VS隨密度?和鈣質(zhì)含量變化方向不相同： VP隨?增大而增大，與砂、泥巖一樣 VS在隨?變大時(shí)稍微減小一點(diǎn) 看圖1-20  VP隨鈣質(zhì)含量增加而增大 VS隨鈣質(zhì)含量增加而減小 看圖1-21,1-2 地震波的吸收、衰減  地震波的吸收：指地震波在傳播過程中

27、部分能量不可逆地轉(zhuǎn)化為熱的過程。 一 、介質(zhì)的品質(zhì)因素 品質(zhì)因素：是對(duì)介質(zhì)固有的衰減特性的定量描述，通常用Q來表示，定義為： Q = MR（?）/MI（?）式中：MR（?）--- 是復(fù)數(shù)模量M（?）的實(shí)部 MI（?）--- 是復(fù)數(shù)模量M（?）的虛部公式的物理含義： 當(dāng)? = ? 時(shí)， MI（?）= 0，表示介質(zhì)是無損耗的完全彈性介質(zhì)

28、 當(dāng)Q = 0 時(shí)， MR（?）=0，表示介質(zhì)衰減無窮大，即該介質(zhì)中波不能傳播。,對(duì)于線性彈性介質(zhì)，相位移?與Q有如下關(guān)系： 1 ------- = tan ? Q 根據(jù)正弦形變一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量?W和平均存儲(chǔ)能量W的關(guān)系，Q又可定義為： 4?W Q =

29、------------ ?W式中： ?W ---- 正弦波一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量 W ---- 平均存儲(chǔ)能量,二、吸收系數(shù) 前面已經(jīng)講過，地震波能量在傳播過程中被損耗，這是因?yàn)閷?shí)際地下介質(zhì)并非完全彈性體，這種因損耗而引起的衰減叫吸收。因吸收引起的振幅衰減隨傳播距離X成指數(shù)衰減： 即： A=Aoe -?x

30、 式中 Ao ----初始振幅 A ---- 經(jīng)吸收衰減后的振幅 ? ---- 吸收系數(shù),1 一般情況下，吸收系數(shù)與頻率成正比關(guān)系 ? ? ?Of ?O ----常數(shù) f ----頻率2 不同巖層的吸

31、收系數(shù)差別很大，砂巖的吸收系數(shù)比頁巖、石灰?guī)r的大，特別是含油的啥巖，?顯著增大。  由上述分析可知，利用地震反射波吸收系數(shù)的平面分布圖來圈定油、氣藏范圍，估算砂、頁巖剖面中砂巖的含量和厚度、鑒別巖性的橫向變化是可行的。,三 衰減的影響因素 影響很大地震波衰減的因素很多，主要有： 孔隙流體性質(zhì) 孔隙流體飽和度 巖石成分

32、 孔隙度 壓力 頻率衰減與頻率的關(guān)系 一般任為，多數(shù)巖石中Q值與頻率無關(guān) 看圖1-22、1-23 f 增大，Q 變化甚微。,看圖1-22、1-23 f 增大，Q變化甚微。,但在孔隙介質(zhì)中，無論是部分飽和還是完全飽和，Q對(duì)頻率有明顯的依賴關(guān)系。注：這三張圖上0-200HZ范圍內(nèi)Q對(duì)W的依賴性弱，而此頻段正是地震勘探中使用的頻段，故可認(rèn)為與頻率無關(guān)。

33、 看圖1-24、1-25、1-26,2 孔隙 流體及其飽和度的作用邊 〈1〉 在地殼上部，孔隙流體是衰減的主導(dǎo)因素。而且衰減對(duì)部分飽和更敏感。P波和S波在干巖石中衰減都是最小?！?〉     在低飽和度時(shí)，隨含水飽和度增大，縱、橫波的衰減都隨之增大，當(dāng)SW =60～90%時(shí)，縱波衰減和伸縮衰減（Q-1E）出現(xiàn)峰值，然后急劇下降。而橫波一直緩慢變化，至SW =

34、90%以上時(shí)，S波衰減急劇增大，完全水飽和時(shí)達(dá)到最大衰減。 看圖1-27、1-28,3 壓力影響 地震波的衰減隨有效壓力增大而減小，壓力達(dá)到一定高度時(shí)，衰減趨于穩(wěn)定。 看圖1-30～1-33,4 溫度的影響 當(dāng)溫度增大時(shí)，地震波衰減降低。 水飽和B砂巖，當(dāng)T從200C升高到1200C時(shí)，橫波衰減降低約50%。 看圖1-34,衰減隨T的

35、變化率受壓力影響，當(dāng)有效壓力增大時(shí)，衰減隨溫度變化的幅度下降。 看圖1-35,T變化方向?qū)λp變化幅度有影響 看圖1-36 T由低?高變化時(shí)，衰減降低的幅度較大 T由高?低變化時(shí)，衰減降低的幅度較小,5 石油和天然氣的影響 對(duì)油氣勘探來說，更感興趣的是油氣飽和度對(duì)衰減的影響。? 理論計(jì)算表明，油氣飽和時(shí)P波衰減的增長不大，這給儲(chǔ)層預(yù)測帶來困難。? 實(shí)際生產(chǎn)中觀測到油氣藏分布區(qū)內(nèi)

36、地震波衰減較大，特別是縱波在含油氣地層中的傳播衰減非常明顯，它比周圍非油氣地層中的衰減值大，少的大0。4倍，多的大一個(gè)數(shù)量級(jí)。在一些淺層油氣田觀測尤為明顯。,6 其它 縱、橫波Q值與巖石的泥質(zhì)含量有關(guān)： 當(dāng)泥質(zhì)含量增大時(shí)，Q值下降，衰減增強(qiáng)?原因是 泥質(zhì)增加，巖石骨架變得疏松。 ? 當(dāng)孔隙空間內(nèi)泥質(zhì)含量增加時(shí)，同樣有Q值下降。? 當(dāng)孔隙度增大時(shí)，Q值有減小的趨勢，但不明顯。? 當(dāng)滲透率K增大時(shí)，Q值

37、增大，但是弱相關(guān)。7 QP/QS與VP/VS的比較 研究表明，同一巖樣中縱、橫波Q值比與速度比的相對(duì)大小，Q值比對(duì)孔隙流體飽和度變化更為敏感。 看圖1-39、1-40,五 關(guān)于衰減的影響 有關(guān)衰減的機(jī)制提出了10種假說： 1 顆粒間磨擦 6 流體與固體的慣性藕合2 晶粒間錯(cuò)位 7 隙間流體粘滯性馳豫3 毛細(xì)