儲(chǔ)層地球物理學(xué)1-巖石物理學(xué)

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(wèn)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(wèn)題：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(cè)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+4/3E(1-)縱波速度VP=---------=------------=-----------

(1+)(1-2)

E橫波速度VS=------=-------------

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+4/3E(1-)縱波速度VP=---------=------------=----------------

(1+)(1-2)

E橫波速度VS=------=-------------

2(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)樵龃?，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：

=0.31(VP)1/4式中：的單位為：g/cm3VP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(wú)測(cè)井時(shí)，則可通過(guò)Gardner公式計(jì)算。三、孔隙度的影響一般說(shuō)來(lái)，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(shuō)，孔隙度和波的傳播速度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）VVfVm式中：V--流體飽和巖石中的波速Vf--孔隙所含流體波速Vm--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)間平均方程”要修改為：1C

1-C-----=-----+---------VVfVm

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(zhǎng)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(zhǎng)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。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(lái)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(yǔ)

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(zhǎng)明顯地變慢。

Phillips1989年給出了V～P的實(shí)驗(yàn)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，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50～60MPV增加才5～7%為20%，壓力增加50～60MPV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(yè)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

垂直反射系數(shù)頁(yè)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(jiǎn)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=0–0.85Vp=常數(shù)Sw>0.85Vp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(cè)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?？磮D1-9

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(shì)?？醋髨D

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；IIVP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(méi)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(wèn)題1影響VS的因素一般來(lái)說(shuō)，影響VP的因素對(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

-a3cVS=b1-b2-b3caibi

說(shuō)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?。籭iiH增大，VP、VS增大。〈2〉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氣橫波則相反V水V油V氣4VP、VS與的關(guān)系無(wú)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：1S.Chacko(1989)任為：石灰?guī)r中，VP/VS值主要取決于礦物成分。2RoyWilkens(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(guò)程中部分能量不可逆地轉(zhuǎn)化為熱的過(guò)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(lái)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(wú)損耗的完全彈性介質(zhì)當(dāng)Q=0時(shí)，MR（）=0，表示介質(zhì)衰減無(wú)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-------=tanQ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：

4WQ=------------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(guò)，地震波能量在傳播過(guò)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

OfO----常數(shù)

f----頻率2不同巖層的吸收系數(shù)差別很大，砂巖的吸收系數(shù)比頁(yè)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(lái)圈定油、氣藏范圍，估算砂、頁(yè)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(wú)關(guān)

看圖1-22、1-23f增大，Q變化甚微。

看圖1-22、1-23f增大，Q變化甚微。

但在孔隙介質(zhì)中，無(wú)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(wú)關(guān)。

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=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、1-283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。