岩石物理尺度的岩石动力学特征

岩石物理尺度的岩石动力学特征

1岩石压力变化岩石动态弹性参数、波速和扭转之间的关系一直是许多科学家的研究重点，也是实际应用的困难。Faust(1958年）通过大量沉积岩的实验，得出纵波速度与深度的指数经验关系式，Wyllie(1958年）、Birch研究了砂岩纵波速度与围压和有效应力的关系，认为弹性波速随围压的增大而增大，当围压达到一定值后，波速的增量减小；Schon(1983年）、Han(1986年）等也对岩石波速随压力变化进行了许多研究；Walsh的研究亦表明，岩石在受压过程中，微裂隙闭合影响其波速的变化。Nur和Simmons认为波速与应力不是单值相关的关系，不同的应力组合在同一方向上可以产生同样的波速。MaoN(1982年），Su&peng(1983年）将波速随应力的变化关系用一个二次函数来描述，并对多种岩石进行了标定实验，进而利用这种关系发展了岩体应力测量中的超声波速测量方法；国内对应力-波速相关性的研究，沈联蒂、史哥等、席道瑛等研究了岩石的弹性模量和波速随有效压力变化；高龙生、蔡忠理、吴德伦、赵明阶等作了岩石的超声波速与压力的实验研究。野外地震勘探与室内实验有很大差别，在诸如4D和AVO等地震应用中知道储层压力状态是十分重要的。如何在众多弹性模量、波速与压力关系实验研究的基础上，从勘探实践中获得储层压力信息，对地震勘探的解释以及地质系统的认识都有重要意义。2有效应力概念和多媒体地质模型2.1对p共同作用下人工岩石有效性的质疑对于既承受构造应力óij(i,j=1,2,3）又承受孔隙压力Pp的岩石介质，岩石的弹性变形决定于有效应力Peff。若用Q表示岩石的某种物理性质，如密度、岩石强度、地震波速度、电阻率等，它是构造应力ói(i=1,2,3）和孔隙压力Pp的函数。在没有孔隙压力（Pp=0）的条件下，通过干燥岩石实验，可以求出物理性质Q与应力之间的关系：Q0表示孔隙压力Pp为零的Q与óij的函数关系，一般情况下，若孔隙压力Pp不为零，可以定义一个有效应力óij’，使得在óij’单独作用下，干燥岩石的性质Q与在óij和Pp共同作用下含水岩石的性质相同，这样可以减少描述应力状态的参数，使问题简单化。显然，有效应力óij’应是óij与Pp的函数。对于岩石的任何一种性质，都可以通过式（1）和式（2）相等找出与这个性质相应的函数关系：这个表示有效应力óij’与岩石宏观应力óij和孔隙压力之间的关系式，就是有效应力定律。引入有效应力的好处是，若在没有孔隙压力（干燥）的情况下知道了岩石性质Q与应力óij的依赖关系，那么利用有效应力定律便可以知道在óij和Pp共同作用下岩石的物理性质。干燥岩石和饱和岩石在同一静压力p下，体积应变是不大相同的，但引入有效应力Peff后，无论干燥岩石还是饱和岩石，体积应变都表现出同样的特性（图1）。岩石的不同性质对应不同的有效应力定律形式。尽管许多人在进行岩石物理或土壤固结、渗透变形实验时用Peff=Pc-Pp计算有效压力，但Nur已经证明，对岩石材料的体积变形，Peff=Pc-ãPp，在干燥岩石中，ã=1-Kdry/K0；在饱和排水的条件下，孔隙体积及基质体积均有变化，ã=1–öKeff/（Ks-Keff）。事实上，对于土壤等多孔介质，Kdry较小，ã近似为1，所以有Peff=Pc-Pp，这正是Terzaghi有效应力定律形式与应用条件；但当Kdry较大时，应采用Nur的精确有效应力公式。在饱和不排水情况下，孔隙液体既不向外流出，也没有流体流入，当围压p变化时，孔隙体积必然被压缩。Gassmann得到：不难从推导过程和实际计算中发现，孔隙压力与围压的变化成正比：äpp/äp=(âsa-âdry)/(â0-âdry)，且比例系数(âsat-âdry)/(â0-âdry)<1，但十分接近1，即有效压力很小。依据上述结论，地下深处的孔隙处于不排水状态时，对弹性波速的影响很小。2.2耦合振动作用在非常小的尺度下，地质体中的裂隙以裂隙个体为存在形式，但在绝大多数情况下常表现为裂隙网络。不同成因、不同规模、不同方向的裂隙相互切割、穿插，在三维空间上构成形式各异的裂隙网络。裂隙的组合、交叉、交切形式是不固定的，导致裂隙网络在各种尺度下都具有各向异性、不连续、非均质等特征。当流体存在于裂隙网络时，从宏观考虑，如野外地震勘探，孔隙弹性对耦合流动过程中流体与固体的相互作用影响不大，但在实验室声波或超声波探测时，这种影响不可忽视。由于外载荷保持不变，总应力保持稳定，有效应力与孔隙压力的叠加产生一个相互适应的环境和过程，例如有效应力的增加与减少是由于孔隙压力下降与上升而伴随出现的，这个互相作用的过程只有采用耦合多重介质孔隙裂隙模型才能很好地解释。这种模型将介质划分为主干裂隙、次要裂隙网络、主干裂隙间岩块中的孔隙，并分别建立其等效连续介质渗流模型，将它们有机耦合在一起组成联合模型，既能充分体现主干裂隙所表现出的非均质、不连续、各向异性等特征，又能反映出裂隙岩体中小裂隙和孔隙在流体储存方面所表现出来的多孔介质渗流特征，很好地反映了裂隙岩石双相体的特征。对于不同的地质尺度，主干裂隙和基质孔隙包括：(1)微观的位错、晶内缺陷、晶粒间的微孔或微裂纹等；(2)细观的节理、劈理、缝合线和裂隙等；(3)结构面的充填物，如方解石、绿泥石及粘土矿物；(4)宏观的层理、裂隙、断层、褶皱等；(5)巨观的造山带、断裂带或剪切带。不论尺度如何，总可以建立如图3所示的地质模型。3波速与压力的关系以及地质解释3.1保水性参数函数孔隙的存在和不同形式，导致岩石的弹性模量和波速随有效压力变化而不断变化。许多学者对此问题做了大量研究，史哥等利用某油田的砂岩样品做出各样品的Kdry和Kö，纵波速度Vp、横波速度Vs随不同有效压力的变化曲线如图4-5。总结众多学者的实验结果，可以得出以下结论：(1）岩石的有效弹性模量随压力的增大而增大，其增量值与岩石中孔隙和裂隙的形状有关，且压力较小时的增量梯度大于压力较大时的增量梯度；同一类岩石的不同样品，其Kö随压力的变化趋势一致，二者关系可用形如K=x1exp(-Peff/x2)+x3-x4Peff的函数来拟合。(2）纵、横波速度Vp和Vs随有效覆盖压力ÄP的增加呈指数递增，低压范围比高压范围更敏感，而Vp随ÄP变化的灵敏度高于Vs（图5）。如果孔隙主要由球形空洞组成，则当取ís=0.2时，上式近似为依上式，若岩石的孔隙度为5%，则其体积模量较基质减少10%，波速下降约3%（图6之右图）。孔隙压力对于Vs的影响很小，在孔隙压力等于外加围压的情况下，观测到的Vs几乎和岩石不受压力时一样，也和干燥岩石的Vs一样。若地质模型中的孔隙为椭球状包体，岩石的有效弹性参数为式中m=[Ks(3Ks+4ìs)]/[ðìs(3Ks+ìs)]；假定椭球体变形时，其纵横比á始终不变则式中S0是包含一个裂纹体积单元的体积。依据上式，岩石弹性模量与裂纹的纵横比á有很大关系，当á很小时，完全可以造成很大的波速变化（图6之左图，Westerly花岗岩的孔隙率仅为1%，而低压时比高压时P波速度减少40%以上）。当围压增加时，孔隙体积缩小，即椭球半径a减小，Keff和ìeff都随围压而增大，又由于波速与弹性模量的平方根成比例，Vp和Vs必将随围压而增加，而且Vp增量大于Vs。当围压高于200MPa时，多数裂纹已经闭合，这时弹性波速随围压增加主要由空洞体积减少所致，所以波速与围压之间呈直线关系。综上所述，岩石中孔隙液体的孔隙压力不仅保持孔隙的存在，而且改变岩石的有效弹性模量，因而对岩石波速有较大影响。开始加载时，颗粒接触面积增加、裂隙和微裂缝紧密闭合从而增加岩石的刚度，引起弹性模量以及波速的较大变化；其中裂隙受力较孔隙容易变形，导致增量值的差异。随着压力的不断增大，所有微裂隙闭合后，弹性模量趋于岩石骨架的模量，波速线性增大。3.2波速、主应力和波速随断裂构造的分布规律通过某煤田煤层的三维地震解释结果及最大主应力反演结果和煤层完整性情况及分区的对比分析，发现最大主应力与构造（主要是断层）有相当好的一致性（图7～9）。研究区主采煤层最大水平主应力-22.8～-8.0MPa，方向353°～361°；最小水平主应力为-10.0～-1.0MPa；最大剪应力为-2.0～3.5MPa，对应的速度在2840-2580m/s之间变化；在断裂构造破坏带内最大主应力为低值区，对应波速低值，旁侧为应力高值区，其附加应力为正常地应力的1～2倍，对应波速亦为高值，最大主应力和波速随断裂构造的展布呈带状分布，影响宽度距断层面约10～30m，并垂直于断层方向变化大。波速的椭圆长轴即为主应力方向。此外，断层交汇处、断层尖灭端、沿向斜轴部，最小主应力或剪应力变化急剧，是应力最集中段，对应的波速有所降低，虽然这些地段岩体并不破碎，但裂隙特别是长条形裂隙比较发育，导致波速降低。综上所述，野外三维地震使用的主频较小，一般<100Hz，对应的地质尺度较大，所反映的是宏观的地质特征，与地应力的宏观分布规律有比较好的一致性。利用这一规律，可以借助地应力的研究成果更好地进行三维地震勘探资料解释，反过来也可以用地震解释成果进行地应力的专项研究，充分利用地震勘探所获得的信息。4地质条件是