储层地球物理学1-岩石物理学

1、地震勘探中的岩石物理性质储层地球物理学1-岩石物理参数地震勘探中的岩石物理性质岩石物理性质岩石物理性质 1-1 地震波速度及影响因地震波速度及影响因素素 岩石矿物成分对岩石矿物成分对V的影响的影响 岩石密度的影响岩石密度的影响 孔隙度的影响孔隙度的影响 埋深的影响埋深的影响 孔隙流体对波速的影响孔隙流体对波速的影响 温度影响温度影响 横波速度问题横波速度问题 石灰岩速度的特殊性石灰岩速度的特殊性 1-2 地震波的吸收、衰地震波的吸收、衰减减 介质的品质因素介质的品质因素 吸收系数吸收系数 衰减的影响因素衰减的影响因素地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质 地震

2、勘探中地震波的特点除受激发、接收因素的影响外，还主要受岩石的物理性质影响，它包括：弹性模量、密度、吸收特性。 本章主要讨论两个问题： 地震波速度 地震波吸收、衰减 地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质1-1 地震波速度及影响因素地震波速度及影响因素 V是一个重要参数：用于时深转换和储层预测一、一、 岩石矿物成分对岩石矿物成分对V的影响的影响 在均匀各向同性完全弹性介质中，V取决于介质的弹性模量 +2 k+4/3 E(1-) 纵波速度 VP 2= - = - = - (1+)(1-2) E 横波速度 VS 2= - = - 2(1+)其中：-密度， -剪切模量，E- 杨氏模量 -拉梅

3、常数， K=+2/3， -泊松比地震勘探中的岩石物理性质岩石矿物成分比较复杂，因而不同类型岩石波速变化较大 岩石类型岩石类型 速度范围速度范围(m/s) 沉积岩 1500-6000 变质岩 3500-6500 花岗岩 4500-6500 玄武岩 4500-8000地震勘探中的岩石物理性质二、岩石密度的影响二、岩石密度的影响 由纵横波速度公式： +2 k+4/3 E(1-) 纵波速度 VP2 = - = - = - (1+)(1-2) E 横波速度 VS2= - = - 2(1+) 可知，随着增大，VP 、 VS也增大，但由公式看，增大，VP 、 VS 应降低，为什么它反而增大？ 这是因为增大，

4、杨氏模量E也增大，且其增大的级次比高得多，所以增大，VP 、 VS也增大。地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质砂泥岩横波速度密度关系砂泥岩横波速度密度关系(p=0.600Vs0.183)地震勘探中的岩石物理性质1974年，G.H.F. Gardner 统计出沉积岩中VP 与的关系式，即有名的Gardner公式： = 0.31(VP )1/4 式中： 的单位为：g/cm3 VP 的单位为：m/s 不同地区统计的经验公式不尽相同。 Gardner公式很有用，在制作人工合成记录时，当工区内变化较大且又无测井时，则可通过Gardner公式计算。地震勘探中的岩石物理性

5、质三、孔隙度的影响三、孔隙度的影响 一般说来，在其它因素相同的情况下，孔隙度大时，岩石的波速V低，也就是说，孔隙度和波的传播速度V成反比。 Wyllie 提出了V-关系的经验公式： 1 1- - = - + - （时间平均方程） V Vf Vm 式中：V - 流体饱和岩石中的波速 Vf -孔隙所含流体波速 Vm -岩石骨架速度 -孔隙度 地震勘探中的岩石物理性质 图中：实线代表氧化硅，骨架速度=5950M/S 虚线代表石灰岩，骨架速度=7050M/S 水，Vf =1500M/S地震勘探中的岩石物理性质两种不同岩性速度随孔隙度变化趋势图地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的

6、岩石物理性质 上述方程只适用于流体压力与岩石压力相等的情况下，随着流体压力的减小，上述“时间平时间平均方程均方程”要修改为： 1 C 1-C - = - + - V Vf Vm 式中C是某个常数，当流体压力=岩石压力的一半，且岩石压力相当于埋深在1900m深处所承受的压力达2700kg/m2时，C值取0.85左右。 地震勘探中的岩石物理性质四、埋深的影响四、埋深的影响 在岩石成分不变的情况下，埋深增加时波速通常要增大，在实际情况中岩石成分是变化的，故V增长也不是单调变化。 早在1951年，F根据井的资料和地震剖面的资料，统计得出砂、泥岩剖面中岩石的纵波速度与深度关系的经验公式为： V = a

7、(HT)1 / 6 式中：V - 纵波速度 T - 地质年龄 H - 深度 a - 常数地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质 当V的单位取 ft/s ， H的单位取 ft， T的单位取年, 则 a = 125.3 此公式用得较多。注意：其应用条件是-砂、泥岩剖面，深度不太大。由右图看出： H增大，V增大 T增大，V增大 在23km内，V增长是非线性的 深层，VH几乎呈线性关系图图1.3 层速度随深度和地质年龄变化趋势图层速度随深度和地质年龄变化趋势图地震勘探中的岩石物理性质压力对致密岩石和多孔隙岩石中波速的影响不压力对致密岩石和多孔隙岩石中波速的影响不一样。一样。1 、致密介质致密

8、介质 相同矿物成分的均匀介质速度只受外压力的影响，如有微裂缝致密岩石，随深度加深压力增大。导致微裂缝在高压下闭合， 使V增大。例如：岩盐2、孔隙介质孔隙介质 孔隙介质受来自围岩的外压力及孔隙内流体的压力作用。地震勘探中的岩石物理性质关于压力的几个述语关于压力的几个述语 流体压力：流体压力：储集层孔隙中的各种流体总是处于一定的压力之下，这种作用于孔隙所含流体的压力，称为地层压力或流体压力。 上覆压力：上覆压力：地下岩层所承受的由上覆岩层拄的重量所造成的压力。 骨架压力：骨架压力：是上覆压力与孔隙内流体压力之差。骨架压力又称为“有效压力”。地震勘探中的岩石物理性质研究表明：A、深度不大时，在压力增

9、加的影响下，速度变化最快； B、深度增加时，由压力引起的速度增长明显地变慢。 地震勘探中的岩石物理性质Phillips 1989年给出了VP的实验公式： 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-e-0.167p)式中：V - 速度，单位为 m/s ， - 孔隙度，C - 泥质含量，P - 有效压力, 单位为 MpaPhillips 指出： 有效压力低时，V与有效压力近似为指数关系 有效压力高时，V与有效压力近似为线性关系 压力对波速的影响在深为23km内最大。实验结论： 为 13%，

10、压力增加5060MP V增加才57% 为 20%， 压力增加5060MP V增加才30407%地震勘探中的岩石物理性质五、五、孔隙流体对波速的影响孔隙流体对波速的影响 1、孔隙流体性质的影响 流体饱和固体中波的性质决定于固体骨架和孔隙流体的：密度；粘滞性；压缩系数；孔隙度；渗透率。看下图页岩、油、气、水、砂岩的VH关系曲线地震勘探中的岩石物理性质2、未固结砂岩中流体饱和度对P波速度的影响看右图1-6 V 油砂岩随SW增大而增大 V气砂岩随SW增大而减小，到SW=0.8时，开始增大至0.95时急剧增大 地震勘探中的岩石物理性质 垂直反射系数页岩 气砂岩R在Sw0.9时剧变，放射振幅的变化并不与含

11、气量成简单的先行关系。 Domenic实验室结论：A、未固结砂岩含气水混合物Vp随呈线性变化。B、 Sw=0 0.85 Vp=常数 Sw 0.85 Vp急剧增大C、孔隙中气水分布的均匀性对Vp有影响。 Vp均 Vp不均D、理论计算和实验测量值只是定性一致。地震勘探中的岩石物理性质3、固结岩石中流体饱和度对P波速度和反射系数的影响。 A. R. Gregory (1976）研究结论： 不同孔隙度岩石中P波速度随含水饱和度变化特点不同。 看图1-9地震勘探中的岩石物理性质 P波速度随围压的增大而增大，不同围压时，Vp随含水饱和度变化曲线有所不同，围压增大，V随SW变化率有减小趋势。 看左图地震勘探

12、中的岩石物理性质 不同岩石中，VP随SW变化特点有差异，这种差异小于变化的影响。 从实验结果看，固结岩石为含气原油混合物、含气水混合物时，V随含液体饱和度变化特征的差别是不确定的。 固体和非固体岩石中孔隙流体及其饱和度对P波速度影响的一致点：I 饱含流体时比饱含气时VP要高；II VP随SW的变化是非线性的；III 充满液体的孔隙空间变成含少量气时，VP要明显降低。 地震勘探中的岩石物理性质六、六、温度影响温度影响 大量实验研究得出：1 完全重油饱和未固结砂岩时温度变化非常敏感，比对压力变化敏感得多。图11为马拉开波湖Venezulan未固结砂岩实验结果，由图可以看出，在300bar或多或10

13、0bar固定有效压力下，随着温度的升高速度急剧下降。地震勘探中的岩石物理性质 图12为100%盐水饱和时情况，除了样品孔隙空间里重油变为盐水外，其它样品特征及外部条件都与图11完全相同。 从图上可以看出，同样的未固结砂岩，水饱和时的纵波速度几乎与温度没有关系。地震勘探中的岩石物理性质 含重油未固结砂岩纵波速度随温度升高而降低的幅度与含油饱和度有关，SO增大，降低幅度越大。 比较图1-13（SO=50%）与图1-11（SO=100%） 图13与图11中砂岩样品完全一样，仅图13中砂岩样品孔隙空间里重油和盐水各占50%，其它试验条件都一样。 从图中可以看出，纵波速度随温度升高而降低，但在同一温度范

14、围内降低幅度仅为20%，即介于重油饱和与盐水饱和情况之间。地震勘探中的岩石物理性质 含沥青未固结砂岩实验结果，VP随T增大而急剧降低。 看图1-14 含重油或沥青的固结良好的砂岩中，VP也随T增大而下降，但幅度较小。地震勘探中的岩石物理性质七、七、横波速度问题横波速度问题1 影响VS的因素 一般来说，影响VP的因素对VS都有影响： 矿物成分、H、P、孔隙流体、T等 看图1-16 图1-17（随变化情况） 地震勘探中的岩石物理性质2 影响程度 就绝对变化值讲，同一因素对VP影响较大，对VS影响较小。从公式： VP =a1 - a2 - a3 c VS =b1 - b2 - b3c ai bi 说

15、明 VP变化急剧，VS变化平缓。 地震勘探中的岩石物理性质3 影响方向1 VP、VS变化方向相同的 i 增大，VP、VS增大； ii 增大，VP、VS减小； iii H增大，VP、VS增大。2孔隙流体对VP、VS影响明显不同的 砂岩孔隙在含水、油、气时，VP依此减小 V水水 V油油 V气气 横波则相反 V水水 V油油 V气气地震勘探中的岩石物理性质4 VP、VS与的关系 无论是碎屑岩还是碳酸盐岩，纵、横波速度是线性相关的。二次曲线也能很好地描述VP、VS之间的关系。 不管是那种经验公式，其常数都表示出地区性差异，故不同地区要建立各地区的经验公式。 地震勘探中的岩石物理性质八八 石灰岩速度的特殊

16、性石灰岩速度的特殊性 石灰岩速度的变化规律有其特殊性：1 S.Chacko(1989)任为：石灰岩中，VP/VS值主要取决于矿物成分。2 Roy Wilkens(1984)任为：硅质灰岩的VP/VS值取决于钙质含量和孔隙几何形状，硅质灰岩中VP、VS随密度和钙质含量变化方向不相同： VP随增大而增大，与砂、泥岩一样 VS在随变大时稍微减小一点 看图1-20 VP随钙质含量增加而增大 VS随钙质含量增加而减小 看图1-21 地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质1-2 地震波的吸收、衰减地震波的吸收、衰减 地震波的吸收：指地震波在传播过程中部分能量不可逆地转化为热的过程。 一 、介质的

17、品质因素 品质因素：是对介质固有的衰减特性的定量描述，通常用Q来表示，定义为： Q = MR（ ）/MI（ ）式中：MR（）- 是复数模量M（）的实部 MI（）- 是复数模量M（）的虚部公式的物理含义： 当 = 时， MI（）= 0，表示介质是无损耗的完全弹性介质 当Q = 0 时， MR（）=0，表示介质衰减无穷大，即该介质中波不能传播。 地震勘探中的岩石物理性质 对于线性弹性介质，相位移与Q有如下关系： 1 - = tan Q 根据正弦形变一个周期内损耗的能量W和平均存储能量W的关系，Q又可定义为： 4 W Q = - W式中： W - 正弦波一个周期内损耗的能量 W - 平均存储能量 地

18、震勘探中的岩石物理性质二、吸收系数 前面已经讲过，地震波能量在传播过程中被损耗，这是因为实际地下介质并非完全弹性体，这种因损耗而引起的衰减叫吸收。因吸收引起的振幅衰减随传播距离X成指数衰减： 即： A=Aoe -x 式中 Ao -初始振幅 A - 经吸收衰减后的振幅 - 吸收系数 地震勘探中的岩石物理性质1 一般情况下，吸收系数与频率成正比关系 Of O -常数 f -频率2 不同岩层的吸收系数差别很大，砂岩的吸收系数比页岩、石灰岩的大，特别是含油的啥岩，显著增大。 由上述分析可知，利用地震反射波吸收系数的平面分布图来圈定油、气藏范围，估算砂、页岩剖面中砂岩的含量和厚度、鉴别岩性的横向变化是可

19、行的。地震勘探中的岩石物理性质三 衰减的影响因素 影响很大地震波衰减的因素很多，主要有： 孔隙流体性质孔隙流体性质 孔隙流体饱和度孔隙流体饱和度 岩石成分岩石成分 孔隙度孔隙度 压力压力 频率频率1衰减与频率的关系衰减与频率的关系 一般任为，多数岩石中Q值与频率无关 看图1-22、1-23 f 增大，Q 变化甚微。 地震勘探中的岩石物理性质 看图1-22、1-23 f 增大，Q变化甚微。 地震勘探中的岩石物理性质 但在孔隙介质中，无论是部分饱和还是完全饱和，Q对频率有明显的依赖关系。注：这三张图上0-200HZ范围内Q对W的依赖性弱，而此频段正是地震勘探中使用的频段，故可认为与频率无关。 看图

20、1-24、1-25、1-26地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质 2 孔隙孔隙 流体及其饱和度的作用流体及其饱和度的作用边边 1 在地壳上部，孔隙流体是衰减的主导因素。而且衰减对部分饱和更敏感。P波和S波在干岩石中衰减都是最小。2 在低饱和度时，随含水饱和度增大，纵、横波的衰减都随之增大，当SW =6090%时，纵波衰减和伸缩衰减（Q-1E）出现峰值，然后急剧下降。而横波一直缓慢变化，至SW = 90%以上时，S波衰减急剧增大，完全水饱和时达到最大衰减。 看图1-27、1-28地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质3 压力影响压力影响 地震波的衰减随有效压力增大而减小，压力达到一定高度时，衰减趋于稳定。 看图1-301-33 地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质地震勘探中的岩石物理性质4 温度的影响温度的影响 当温度增大时，地震波衰减降低。 水饱和B砂岩，当T从200C升高到1200C时，横波衰减降低约50%。 看图1-34 地震勘探中的岩石物理性质 衰减随衰减随T的变化率受压力影响，当有效压力增的变化率受压力影响，当有效压