巖石物理學(xué)及其應(yīng)用RockPhysics賀振華研究報告

Rockphysicsandit’sapplications

巖石物理學(xué)及其應(yīng)用賀振華成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院2010年9月提綱Outline

以王之敬（WangZee）的學(xué)術(shù)報告為主，適當(dāng)增補、修改了一些內(nèi)容。Whatisrockphysics?

什么是巖石物理Whyrockphysics?

為什么要研究巖石物理Usesandabuses應(yīng)用及濫用Somerecentresults一些近期結(jié)果Challenges挑戰(zhàn)

主要參考文獻(xiàn)1）陳颙，黃庭芳著，巖石物理學(xué)，北京大學(xué)出版社，2001年2）陳颙，黃庭芳，劉恩儒編著，巖石物理學(xué)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，20093）王之敬（WangZee）“巖石物理概述”學(xué)術(shù)報告（PPT），20024）賀振華、黃德濟、文曉濤著裂縫油氣藏地球物理預(yù)測，四川科學(xué)技術(shù)出版社，2007年5）R.E.Sheriffet.al.,ReservoirGeophysics,SEG,19926）AmosNur著，許云譯，雙相介質(zhì)中波的傳播，石油工業(yè)出版社，19867)PerAvseth,TapanMukerjiandGaryMavko,QuantitativeSeismicInterpretation—ApplyingRockPhysicsToolstoReduceInterpretationRick,CambridgeUniversityPress,20058）LeonThomsen，Understandingseismicanisotropyinexplorationandexploitation，SEG，20029）G.Mavko,T.Mukerji,J.DvorkinTherockphysicshandbook–toolsforseismicinporousmedia,CambridgeUniversityPress,200310）B.Ｈ.Ｒussell,Ｋ.ＨedlinFluid-propertydiscriminationwithAVO:ABiot-Gassmanprospective.2003Geophysics,68(1):29~39`

1、巖石物理學(xué)概述

王之敬（WangZee）為成都理工大學(xué)校友，現(xiàn)為美國ChevronTexaco公司的研究員，美國斯坦福大學(xué)客座教授。杰出的國際巖石物理學(xué)家，曾任美國SEG協(xié)會副主席。LaboratorymeasurementsChevronTexaco

Rock

Physics

Laboratories

1、巖石物理學(xué)概述

RockphysicsStudiesthephysicsofrocksbutmostlyconcentratesonseismicproperties(velocity,impedance,attenuation)ofsedimentary

rocksinrelationtootherpetrophysicalpropertiesandreservoirparameters

顧名思義，巖石物理研究巖石的物理性質(zhì)，但主要集中在沉積巖石的地震特性:波速、阻抗、衰減，以及與其他巖性和油藏參數(shù)的關(guān)系Whatdoesrockphysicsdo?Bridgesrockandfluidpropertiesandseismicdata連接地震數(shù)據(jù)和巖石、流體特性的橋梁Isthephysicalbasisforseismicreservoircharacterizationanddirecthydrocarbondetection地震油藏定性描述及直接找油氣的物理基礎(chǔ)地球物理地質(zhì)巖性石油工程巖石物理三個學(xué)科的橋梁ReservoirpropertiesPorosity孔隙度Density密度Saturation飽和度Fluidtype流體類型Pressure壓力Temperature溫度Fracture裂隙SeismicpropertiesSeismicvelocity地震波速Traveltime走時Impedance阻抗Amplitude振幅AVOresponseAVO響應(yīng)Otherattributes

其他屬性RockPhysics:bridgebetweenreservoirandseismicproperties4DFeasibility&Seismicmodeling四維地震可行性及地震模擬InterpretationandInversion

解釋及反演RockPhysicsRockPhysicsRoleofRockPhysicsinSeismicLithologyLithology,porosity,fluids巖性、孔隙度、流體類型Seismicpropertiesandreflectivityarecontrolledbylithology,fluids,porosity,pressure,temperature,mineralogy,texture,…,etc.地震性質(zhì)及反射率受控于巖性、流體類型、孔隙度、壓力、溫度、礦物、層理、等Whataretherelationshipsbetweenrock/fluidandseismicproperties?地震性質(zhì)與巖性、流體類型之間的關(guān)系是什么Dothepredictedorinvertedpropertiesmakephysicalsense?預(yù)測或反演來的特性是否有物理意義Rockphysicsisthebasisforbuildingthepredictivetoolsandinterpretingthepredictedorinverteddata

巖石物理是建立預(yù)測工具及解釋反演結(jié)果的物理基礎(chǔ)RockPhysicsRockPhysicsSeismicdata

RockpropertiesSeismicattributes地震屬性Currentemphasisisonstatisticalcorrelationswithoutworryingaboutphysicalmeaning目前著重于統(tǒng)計相關(guān)，而不顧及其物理意義Butseismicattributesareinfluencedbyphysicalandgeologicalpropertiesofrocksandfluids但巖石、流體的物理及地質(zhì)特性影響地震屬性Rockphysicshelpsusunderstandtherelationshipsamongattributes巖石物理幫我們理解各種屬性間的關(guān)系

RoleofRockPhysicsinSeismicAttributesRockPhysicsRockPhysicsSeismicdata

RockpropertiesRockPhysicsinReservoirCharacterization4Dfeasibility四維地震的可行性Effectsoffluid,pressure,andtemperaturechangescausedbyproduction/injectiononseismicvelocities/impedancesandreflectivity由采油、注流體引起的流體、壓力、溫度的變化對地震波速、阻抗、反射率的影響Arethechangeslargeenoughtoberesolvedseismically?這些變化是否大于地震的分辨率QuantitativeInterpretation定量解釋Time-lapseseismicdatameasurestheoverallchangescausedbyseveralfactors時移地震數(shù)據(jù)測到的變化是由幾個因素引起的Rockphysicsquantifies/decomposesthesefactors巖石物理對這些因素分解、量化RockPhysicsRockPhysicsSeismicdata

RockpropertiesRockPhysicsinAngleDependentReflectivityAngle-dependentreflectivity依賴于角度的反射率Seismicreflectivityatnon-zeroanglesiscontrolledbymorethantheP-waveimpedancecontrast非零度入射的地震反射率并非只受縱波阻抗差的控制Howareseismicpropertiesaffectedbyrockproperties?地震特性如何受到巖石特性的影響Howdovariationsinrockpropertiesaffectangle-dependentreflectivity?巖石特性的變化如何影響依賴于角度的反射率Interpretation解釋Seismicdatameasurestheoveralleffectsofmanyfactors地震測到的是各種影響的總和Rockphysicsquantifies/decomposesthesefactors巖石物理對這些因素分解、定量化RockPhysicsRockPhysicsSeismicdata

RockpropertiesRockphysics:usesandabuses巖石物理的應(yīng)用與濫用Theoriesandmodels理論與模型Laboratorymeasurementsandempiricalrelations實驗室測量與經(jīng)驗關(guān)系Rockphysics:usesandabusesTheoriesandmodels理論與模型Fast,inexpensive,andsometimessimple

快速、節(jié)省、有時簡單

But但是Stillrequiremeasurementofinputparameters

仍需去測量輸入?yún)?shù)Alltheoriesneedassumptionstosimplifymath,andsomeofwhichmaybephysicallyunrealistic

所有的理論都需要假設(shè)以簡化數(shù)學(xué)，這些假設(shè)有時在物理上不現(xiàn)實It’simperativetoknowtherangeofapplicabilityofatheoryormodel對于一個理論，一定要弄懂它的應(yīng)用區(qū)間Bewarefudgefactors

主要其中的可調(diào)（虛假）參數(shù)Example:time-averageequationforfluidsubstitution

例如：用時間平均公式來做流體替換Allmodelsarewrong……someareuseful所有模型都有問題,但有些是有用的。（PerAvseth，2005）串珠狀縫洞的地震正演模擬與反演解釋超覆尖滅潛山頂面+內(nèi)幕串珠狀溶洞的實際地震剖面（潛山頂面埋深大于5000m）

地質(zhì)模型圖，圖中的地層尖滅和內(nèi)幕溶洞（黑點）是重點研究目標(biāo)

用MIVMAS方法獲得的多尺度地震正演記錄

模擬記錄的聲學(xué)波動方程偏移剖面

MIVMAS地震數(shù)值模擬Rockphysics:usesandabusesLaboratorymeasurementsandempiricalrelations實驗室測量與經(jīng)驗關(guān)系Verifytheoreticalresultsandprovideinputdatatotheoriesandmodels驗證理論結(jié)果及對理論與模型提供輸入?yún)?shù)Gatherrealrocksfromthefield,whereastheoriesassumeuniversalrocks從油田采集真正的巖石，而理論總是假設(shè)一個通用巖石Simulatereservoirconditionsandprocesses模擬油藏環(huán)境及過程But但是Smallsamples,needtomeasuremanysamplestoderivestatisticalrelationships(scalingproblem)用的標(biāo)本很小，需要測量很多標(biāo)本而導(dǎo)出統(tǒng)計關(guān)系（尺度問題）Samplesmaybemishandledordamaged

標(biāo)本有可能被誤處理、破壞Wrongdatamayhavebeengatheredduetoincorrectprocedures,mishandling,orinexperience

由于錯誤的測量步驟、處理不當(dāng)、或經(jīng)驗不足，所測的數(shù)據(jù)可能是錯的Examples:例如Poormeasurementplanningandexperiments測量規(guī)劃不對Over-dryingclay-richsandsorshales對含粘土的巖石過分干燥Inaccurateorwrongdata不精確甚至是錯誤的數(shù)據(jù)Rockphysics:usesandabusesRockphysics:usesandabusesσ為負(fù)σ為正用現(xiàn)代技術(shù)測量的巖中的孔隙流體連通網(wǎng)絡(luò)垂直應(yīng)力與垂直裂縫示意圖Poission效應(yīng)引起的垂直裂縫S.Crampin的定向應(yīng)力流體飽和粒緣順服裂縫模型，應(yīng)力SH=0時，礦物顆粒邊緣的裂紋呈自然分布，SH=0.5時，顆粒間的水平裂紋和小角度裂紋開始閉合，大角度裂紋開裂程度加大，SH=1時，水平裂紋進(jìn)一步閉合，垂直裂紋進(jìn)一步開裂，到達(dá)臨界狀態(tài)，并形成定向（垂直方向）順服粒緣裂縫系統(tǒng)，應(yīng)力SH=3時，超過臨界狀態(tài)，巖石將沿垂向破裂。Poission效應(yīng)引起的垂直裂縫Porepressure(psi)Velocity(m/s)VpVs32%porosity,oil-saturatedsoftsandsFromauniversitylab.14.7PSI=1大氣壓力Rockphysics:usesandabusesRockphysics:usesandabuses32%porositysoftsandChevronTexacoLabRepeatQCthedatayouuse

對你的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控

Don’talwaystrust

thedatayouget

不要總是信任你拿到的數(shù)據(jù)P波和S波的變化規(guī)律相反!FromacommerciallabChevronTexacoLabRepeat26%porositysandstoneLaboratorymeasurements

雪佛龍巖石物理實驗室ChevronTexacoRockPhysicsLaboratoriesLaboratorymeasurementsChevronTexacoRockPhysicsLaboratoriesMTS系統(tǒng)照片MTS巖石物性測試系統(tǒng)（測量P波和兩個正交的橫波）成都理工大學(xué)巖石物性測試系統(tǒng)FactorsaffectingseismicrockpropertiesManyfactorsinfluenceseismicpropertiesofsedimentaryrocks許多因素影響沉積巖石地震特性RockpropertiesEnvironmentFluidpropertiesLithology巖性

Compaction緊密度

Consolidationhistory

強固史

Cementation粘結(jié)度

Bulkdensity密度

Porosity孔隙度

Poreshape孔隙形狀

Texture結(jié)構(gòu)

Age年代

Claycontent粘土含量

Anisotropy各向異性

Fluidtype流體類型

Fluidcomposition

流體成分

Viscosity粘度

Wettability可濕性

Phase相態(tài)

Density密度

Depth/overburden

pressure深度、覆蓋壓

Porepressure孔隙壓

Temperature溫度

Saturation飽和度

Frequency頻率

Reservoirprocess油藏過程

Productionhistory生產(chǎn)史

Depositional

environment沉積環(huán)境

Stresshistory壓力史

Fracturing裂隙Red:discussedwithexamples用例子討論Effectsof

lithology,density,texture

巖性、密度、結(jié)構(gòu)的影響Foragivenporosity,dolomitehasthehighestvelocities給定孔隙度，白云巖具有最高的波速Becauseseismicproperties(impedancesorvelocities)overlapamonglithologies,rockphysicsconstraintsseismiclithologyprediction

由于不同巖性的地震特性重疊，巖石物理可在地震巖性預(yù)測中提供約束Dolostone白云巖1.414.03.02.01.71.61.50.330.240.180.100

7.00.500.490.470.44Marinesediments海洋沉積Soil

土壤Wet

Sands

濕砂巖Softshales軟泥巖Limestone石灰?guī)rAnhydrite石膏GasSands

含氣砂巖Salt鹽巖Shales

泥巖Vp/Vs縱橫波比Poisson’sRatio波松比Effectsof

lithology,density,textureExample:Lithologypredictionincarbonates

例子：碳酸巖環(huán)境下的巖性預(yù)測

Lithologyandporositybothvaryinreef/marginsettings在珊瑚礁及其邊緣環(huán)境下，巖性和孔隙度都可能變化SimilarP-waveimpedancesbetweenporousdolomiteandtightlimestone,marl,orshale有孔隙的白云巖和無孔隙的石灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖具有相似的縱波阻抗Costlyexplorationmistakesareoftenmadedrillinginto“porosityevents”高費用的勘探錯誤經(jīng)常發(fā)生在所謂的地震“孔隙顯示”上鉆井鮞粒白云巖儲層中環(huán)狀溶孔、新月形溶孔、鮞?？缀土芽p鮞粒內(nèi)新月形溶孔鮞粒內(nèi)環(huán)狀溶孔飛仙關(guān)組溶孔與裂縫普光2井巖樣溶孔與裂縫Example:LithologypredictionincarbonatesImpedanceratioisagoodindicatoroflithologyandporosityincarbonaterocks

波阻抗比可用來區(qū)分巖性和孔隙P-PSeismicVp/Vs2.01.51.0

UsingVp/Vs=(2*TintPS/TintPP)-1:Example:Porosityandsolidbitumen例子：孔隙度與固體瀝青Solidbitumenisabigprobleminagiantcarbonatereservoir.Itreduceseffectiveporosity,whereasseismicwaves“see”thetotalporosity在一個很大的碳酸巖油田中，固體瀝青是一個大問題Bycomparingseismicpropertieswiththoseof“clean”carbonate,theamountofshiftontheporosityaxisgivestheapproximatebitumencontent通過與不含瀝青碳酸巖的比較，孔隙度軸的移動量大體就是瀝青的含量

含瀝青清潔的Example:PorosityandsolidbitumenThederivedbitumencontentcomparesreasonablywellwiththelaboratorymeasuredvalues導(dǎo)出的瀝青含量與實驗室直接測量的大致吻合ItseemsthatS-waveisbetterforbitumencontentprediction看起來在預(yù)測瀝青時，橫波要比縱波好Effectofporefluidsandsaturation

孔隙流體及其飽和的影響RockswithlesscompressibleporefluidsshowhigherP-waveimpedancesandvelocities帶有非可壓流體的巖石具有較高的波阻和波速S-wavepropertiesarehardlyaffectedbyporefluids橫波基本不受流體的影響RockswithlesscompressibleporefluidsshowhigherVp/Vsratio帶有非可壓流體的巖石具有較高的縱橫波比GasLightoilHeavieroilFreshwaterSalinewaterCompressibility可壓性BulkmodulusGas 0.01-0.2GPaCondensate 0.2-0.6GPaLightoil 0.6-1.4GPaHeavieroil 1.4-2.2GPaFreshwater 2.25GPaSalinewater 2.3-3.5GPaEffectofporefluidsandsaturationFluideffectisthekeyto4D,AVO/DHI,andoil-watercontacts流體效應(yīng)在AVO，直接找油、和油水接觸面中起主要作用However,fluideffectis“shadowed”orcomplicatedbyrockproperties:Softerrocksshowlargerfluideffect但是，流體效應(yīng)往往被巖石本身特性遮蓋或復(fù)雜化：軟的巖石顯示較大的流體效應(yīng)hardersofterEffectofporefluidsandsaturationExample:GulfCoastwaterdrive例子：墨西哥灣水驅(qū)油Highporositysoftsand高孔隙度軟沙Highsalinitybrine高鹽度水HighGORlightoil高溶氣輕油WaterdriveincreasestheP-waveimpedancebyasmuchas18%,whilehardlyaffectstheS-waveimpedance水驅(qū)油使縱波阻抗升高達(dá)百分之十八，而對橫波阻抗幾乎沒什么影響Afewwordsonpressure關(guān)于壓力Inareservoir,therearealwaystwotypesofpressuresatwork:theoverburdenpressureandthepore(reservoirfluid)pressure油層中總是存在兩種壓力：覆蓋壓與孔隙（流體）壓Overburdenpressure:pressurecausedbyrockmass=rgz(gradient

1.0psi/ft)上覆地層壓力是由油層以上的巖石引起的.(14.7psi=1.0大氣壓力=0.1Mpa)Pore(reservoirfluid)pressure:pressurecausedbyfluidcolumn=rfgz(gradient

0.46psi/ft)孔隙壓是由油層以上的流體引起的Netpressure(effective,differential):thedifferencebetweenthetwopressures=(r-rf)gz(gradient

0.54psi/ft)凈壓力（有時也叫有效壓）是兩者之差4.3%1000psi0.5%1000psi1000psi5.3%0.5%1000psi1000psi1000psi3.5%0.4%MorewordsonpressurePressureeffectonseismicpropertiesishigherinlownetpressureranges,duetotheclosureofthinporesandloosegraincontacts由于窄孔隙的關(guān)閉和巖粒間的擬合，壓力對地震特性的影響在低凈壓區(qū)中較大Knowingthepressureregimeisimportantintime-lapsereservoirmonitoring(4Dandtime-lapseAVO)了解壓力狀態(tài)對間時地震油藏監(jiān)測非常必要Rocksfromdifferentfieldshavedifferentpressureresponseswhichcanbederivedonlyfromlabmeasurements不同油田的巖石對壓力的響應(yīng)是不同的，這種響應(yīng)一般只能在實驗室得到Effectoftemperature溫度的影響Seismicpropertiesdecreaseastemperatureincreasesinrocks巖石的地震特性隨溫度的升高而降低Thedecreasesarecausedbythechangesinporefluidproperties,rockproperties,androckandfluidinteractions這種降低是由孔隙中流體特性、巖石特性、及巖石-流體的相互作用的變化引起的Seismicresponsestotemperatureisthekeyfor4Dseismicmonitoringofthermalfloods地震的溫度響應(yīng)是四維地震監(jiān)測熱采過程的主要基礎(chǔ)Effectoftemperaturepre-steamdifferencepost-steamExample:SeismicmonitoringofsteamfloodatDuri例子：杜里油田的注蒸汽地震監(jiān)測Whataboutanisotropy?各向異性Inreservoirswiththickcapshales,ignoringanisotropyinseismicimagingoftenyieldsdepthmisties,blurredstructuresandfaultimages如果泥巖層很厚，在地震成像中忽略各向異性將出現(xiàn)深度閉合差，使構(gòu)造和斷層模糊不清。FromMeadowsandAbriel,1994NigerDelta:3DAnisotropicPSDM

尼日爾三角洲三維各向異性迭前深度偏移

CourtesyofKeithHawkins,VeritasDGC5s6sAnisotropicPSDMIsotropicPSDM地震各向異性的直觀理解S1S2G1G2θ2θ1LeonThomsen（2002）對地震各向異性的定義：SeismicAnisotropyisdefinedtobe:“thedependenceofseismicvelocityuponangle.”

地震波速度與入射角有關(guān)。圖1上、下層介質(zhì)物性有差異，射線為折線，每個射線的入射角不同，波的傳播速度不同，出現(xiàn)各向異性圖2上、下層介質(zhì)物性無差異（或差異很?。?，射線為直線，射線的入射角不同，波的傳播速度相同，顯示各向同性由地震波各向異性的定義和圖1與圖2可以回答常見的如下問題：（1）為什么上、下層各自均勻，還會出現(xiàn)地震各向異性？（射線為折線，蓋層愈厚，各向異性影響愈大）（2）做了地震深度偏移后，為什么還會出現(xiàn)地震各向異性？（不可能每道給不同的速度）（3）為什么主要考慮目的層上方地層的各向異性？HTI與VTI介質(zhì)HTIVTIV2V1各向異性系數(shù)：Laboratorymeasurements

各向異性的實驗室測量Fortransverselyisotropicrocks,aminimumof5independentmeasurementsarerequiredtoobtainthe5independentelasticstiffness對于橫向各向同性巖石來說，要對每一塊巖石要至少測五次才能得到五個獨立的彈性參數(shù)

C11,C33,C44,C66,andC13TI（TransverseIsotropy）介質(zhì)VTI介質(zhì)有五個獨立參數(shù)C11=C22、C44=C55、C13=C23、C12=C11-2C66五個獨立參數(shù)為:C11,C33,C44,C66,andC13HTI(或EDA)介質(zhì)也有五個獨立參數(shù)C12=C13、C22=C33、C66=C55、C23=C33-2C44。五個獨立參數(shù)也為:C11,C33,C44,C66,andC13Transverseisotropy-3-plugmethodTraditionally,threeplugsorientatedatdifferentangleshavetobemeasuredtoobtainthefiveindependentelasticstiffness一般說來，要取三個不同角度的巖芯來進(jìn)行測量才能得到五個獨立彈性參數(shù)

Theequationshavethesimplestformwhenq=0o,45o,and90o上頁中的關(guān)系式在三個巖芯角度為零、四十五、九十度時最為簡化Transverseisotropy-3-plugmethodPS1S2C33,C44C11,C44,C66C13Anisotropy各向異性Becauseshalesarenonpermeable,itisextremelytime-consumingmeasuringshaleanisotropyinthelab由于泥巖的滲透率特低，實驗室中測量泥巖的各向異性特別費時Wedesignedanapparatusthatsaves2/3ofthelabtime王之敬等設(shè)計了一種設(shè)施可節(jié)約三分之二的時間Transverseisotropy-single-plugmethodWedesignedandbuiltadevicethatrequiresonlyonecoreplugtoobtainallthefiveelasticconstants王之敬等人的新方法只需測一個巖芯就可得到五個彈性參數(shù)Thismethodhasbeenrigorouslyvalidatedandtestedusingmaterialswithknowproperties王之敬等用已知材料對這個方法進(jìn)行了各種測試縱波各向異性橫波各向異性Datafrom>100datapointsofshales,200forsands,and200forcarbonates一百多泥巖數(shù)據(jù)點、兩百多砂巖數(shù)據(jù)點、兩百多碳酸巖數(shù)據(jù)點Shales泥巖edsghAnisotropyparametersandrelationships

各向異性參數(shù)及其關(guān)系Sands砂巖edsghCarbonates碳酸巖Anisotropyparametersandrelationships極化對稱坐標(biāo)介質(zhì)(VTI,HTI)的Thomsen各向異性系數(shù)ε,γ,δ的值是無量綱的,一般小于0.5當(dāng)?shù)卣鹋跈z距較大時,η表示各向同性介質(zhì)與各向異性介質(zhì)中動校時差的差異.注意:σ和η的定義不統(tǒng)一Challenges巖石物理所面臨的挑戰(zhàn)Generalobservation大體狀況Rockphysicsiswayunderusedinreservoircharacterization巖石物理沒有受到應(yīng)當(dāng)?shù)膽?yīng)用Endangeredrockphysicsspecies搞巖石物理的人越來越少Continuedindustrydownsizingandmerging工業(yè)界的裁員及合并Diminishingindustriallabs工業(yè)實驗室越來越少Fewrockphysicsstudents攻讀巖石物理的學(xué)生為數(shù)不多Evenfewerstudentswillingtodoexperiments愿意做實驗的學(xué)