儲層地球物理學(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。本章主要討論兩個問題：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是一個重要參數(shù)：用于時深轉(zhuǎn)換和儲層預(yù)測一、巖石礦物成分對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？這是因為增大，楊氏模量E也增大，且其增大的級次比高得多，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)計的經(jīng)驗公式不盡相同。Gardner公式很有用，在制作人工合成記錄時，當(dāng)工區(qū)內(nèi)變化較大且又無測井時，則可通過Gardner公式計算。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，巖石的波速V低，也就是說，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)驗公式：1

1-------=-----+--------（時間平均方程）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“時間平均方程”要修改為：1C

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

式中C是某個常數(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2700kg/m2時，C值取0.85左右。

四、埋深的影響在巖石成分不變的情況下，埋深增加時波速通常要增大，在實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增長是非線性的

深層，V～H幾乎呈線性關(guān)系壓力對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)于壓力的幾個述語

流體壓力：儲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，在壓力增加的影響下，速度變化最快；B、深度增加時，由壓力引起的速度增長明顯地變慢。

Phillips1989年給出了V～P的實驗公式：

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，V與有效壓力近似為指數(shù)關(guān)系有效壓力高時，V與有效壓力近似為線性關(guān)系

壓力對波速的影響在深為2～3km內(nèi)最大。實驗結(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，開始增大至0.95時急劇增大

垂直反射系數(shù)頁巖–氣砂巖R在Sw>0.9時劇變，放射振幅的變化并不與含氣量成簡單的先行關(guān)系。Domenic實驗室結(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Vp有影響。Vp均<Vp不均D、理論計算和實驗測量值只是定性一致。3、固結(jié)巖石中流體飽和度對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不同。看圖1-9

P波速度隨圍壓的增大而增大，不同圍壓時，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?？醋髨D

不同巖石中，VP隨SW變化特點有差異，這種差異小于變化的影響。

從實驗結(jié)果看，固結(jié)巖石為含氣～原油混合物、含氣～水混合物時，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P波速度影響的一致點：I飽含流體時比飽含氣時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，VP要明顯降低。

六、溫度影響大量實驗研究得出：1完全重油飽和未固結(jié)砂巖時溫度變化非常敏感，比對壓力變化敏感得多。圖11為馬拉開波湖Venezulan未固結(jié)砂巖實驗結(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)砂巖實驗結(jié)果，VP隨T增大而急劇降低。

看圖1-14

含重油或瀝青的固結(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的因素對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影響程度就絕對變化值講，同一因素對VP影響較大，對VS影響較小。從公式：VP=a1-a2

-a3cVS=b1-b2-b3caibi

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減小；iiiH增大，VP、VS增大?！?〉孔隙流體對VP、VS影響明顯不同的砂巖孔隙在含水、油、氣時，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在隨變大時稍微減小一點看圖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（）的實部MI（）---是復(fù)數(shù)模量M（）的虛部公式的物理含義：當(dāng)=時，MI（）=0，表示介質(zhì)是無損耗的完全彈性介質(zhì)當(dāng)Q=0時，MR（）=0，表示介質(zhì)衰減無窮大，即該介質(zhì)中波不能傳播。

對于線性彈性介質(zhì)，相位移與Q有如下關(guān)系：

1-------=tanQ根據(jù)正弦形變一個周期內(nèi)損耗的能量W和平均存儲能量W的關(guān)系，Q又可定義為：

4WQ=------------W式中：W----正弦波一個周期內(nèi)損耗的能量W----平均存儲能量

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，這是因為實際地下介質(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、1-23f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，無論是部分飽和還是完全飽和，Q對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，故可認為與頻率無關(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。而且衰減對部分飽和更敏感。P波和S波在干巖石中衰減都是最小。〈2〉

在低飽和度時，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，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，S波衰減急劇增大，完全水飽和時達到最大衰減。

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，壓力達到一定高度時，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，地震波衰減降低。