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岩石物理学Rock PhysicsRock Physics 讲课人：魏建新第1页课程安排上课时间:第112周，共48个课时。課外练习：2次考试：课内考试，形式？第2页主要参考书主要参考书1、岩石物理学，陈顒黄庭芳，北京大学出版社，。2、油层物理学，杨胜来，魏俊之.石油工业出版社，1994年3、地下声音地震波应用，美J.E怀特著，陆其鹄，齐国英译，地震出版社，1986年。4、孔隙介质声学，法T.布尔贝，O.库索，B.甄斯纳著，许云译，石油工业出版社，1994年5、The Rock Physics,Handbook,G.Mavko,T.Mukerji,J.dvorkin,Cambridge University Press,1998 6、地震振幅解释，美Fred J.Hilterman，孙夕平，赵良武等译，石油工业出版社，年12月7、Seismic and acoustic velocities in reservoir rocks,Vol.3:Recent development，Wang,Z.,and Nur,A.,Eds。8、Fundamentals of seismic rock physics.Zhijing（Zee）Wang 王之敬Geophysics,Vol.66,No.2，2001，第3页参考书岩石物理学第4页第一章 引言岩石物理学(Petrophysics Rock physics)Petrophysics有表示“石,岩”之义,表“含石油”之义，在石油工程和测井中惯用此词。石油工程专门有一门“油层物理学”Petrophysics课。Rock physics 在岩石力学，地震勘探中较惯用。二者没有严格区分。第5页主要研究内容可归结为：从试验和理论上研究：1)岩石本身各种物理性质；2)这些性质间相互关系；3)它们在地球物理和岩石物理数据中反应。比如在地球物理学和油气勘探中作用。第6页1.1 岩石物理学研究意义 地球结构和动力学性质必定与岩石各种物理性质亲密相关。岩石不一样于其它材料特征，也就决定了岩石物理学所含有独特研究内容、方法和伎俩。岩石物理学研究重点是与地质学、地球物理学、地球化学、油储地球物理学、地热学和环境科学亲密相关特征。岩石物理学研究特点，反应了这门学科基础性和应用性。第7页岩石物理学特点岩石物理学特点岩石物理学是一门高度交叉综合性学科。针对不一样研究领域，岩石物理研究内容不一样，如：能源勘探(如石油工业)，以岩石弹性为主；地质灾害(天然地震)，以岩石力学性质；环境保护与监测，以流体流动；其中石油工业是主要研究力量。第8页尤其强调三点尤其强调三点第一，岩石材料特殊，地球内部特殊环境第二，在岩石各种性质中，研究重点是那些与地球内部结构与运动、能源和资源勘察与开发、地质灾害成因与减灾、环境保护与监测有亲密关系特征。第三，岩石物理学在油储问题研究领域较成功。岩石物理学在油储问题研究领域较成功。第四，国内在这方面研究较为微弱。国内在这方面研究较为微弱。第9页岩石物理学研究基础岩石物理学研究基础研究基础是各种测试技术：尤其是以试验室测试和测井技术测试为主。在试验室利用各种物理测试伎俩，测试岩石各种物理量，取得岩石性质与物理参数之间关系。理论上，提出岩石中各种物理性质之间普通关系(理论模型)。两个方面：1)针对岩石特征在假设条件下提出简化模型；2)解释试验观察到现象和结果。第10页地球物理中测量技术四方面：四方面：1、空间观察 2、地面观察：3、井中观察：电缆测井、VSP和井间地震、随钻测量、取芯，用于研究地层物理性质，确定油气位置，划分油水层。4、试验室观察：岩芯分析，岩芯各种物理量测试，模拟地层测试等。第11页空间观察航磁，红外遥感，航空放射性测量，卫星拍照等。用于确定大地结构，确定地表形态。第12页第13页地面观察地质观察、地球物理方法(天然地震，人工地震，各种重、磁、电等)、地球化学方法。用于确定有利地质结构,寻找油气分布等。第14页井中观察地震井中观察：VSP、井间地震和水平井。测井技术：测井，取芯，各种物理方法测试技术，主要用于研究地层物理性质，确定油气位置，划分油水层。第15页各种测井曲线第16页试验室测试技术测试各种物理量，归纳经验公式，验证模型。各种新测试方法研究:1)岩芯分析 2)声学参数测试 3)电学参数测试第17页研究方法一：研究方法一：正正问题问题经过已知矿物、岩石本身性质和改变，研究其物理性质在岩体中可能有改变，这是一个由微观到宏观推演过程，通常称为正演。试验室研究主要为正问题。第18页研究方法二：研究方法二：反反问题问题已知地质、岩体物理性质，怎样反过来推演岩石和矿物性质，这是一个由宏观到微观，由整体到局部反演。野外各种测试研究主要是反问题。第19页研究方法三：研究方法三：应用问题正问题和反问题有机结合，区域性局部规律总结成普通性规律。比如：人为地改变矿物、岩石特征，来预测可能影响到岩体和地质特征改变。在岩石物理学中含有主要潜在应用价值。第20页试验室试验室详细研究方法首先首先采集各种有地质意义岩石，在试验室中分别研究各种原因对其物理性质影响，将大量试验结果统计归纳得到经验关系式。在建立合理而简化数学物理模型基础上，将由试验得到经验关系外推到实际地球问题中去。注意：注意：若没有适当模型，把试验室简单地、小尺度试验得到外推到大尺度自然界，经常会出现错误结论。第21页其次岩石物理学是一门高度跨学科学科分支，这就决定了在岩石物理学中，对于所研究岩石不一样物理性质，必定要用到上述对应学科中对应物理方法和伎俩。第22页1.2 石油工业岩石物理研究石油工业岩石物理研究油气勘探目标就是为了寻找在三维复杂结构及地质历史条件下生成烃类储层。为了探测和表征这些储层，地球科学家使用很有限维数数据（地面数据和井下数据）来预测三维储层结构，岩石性质，流体性质及它们随时间，自然温度条件下改变。所以，这种反问题处理方法不是唯一。第23页石油工业面临问题石油工业面临问题在储层勘探和开发中，为了降低包括经济原因上冒险，面临挑战就是怎样控制一些不确定原因来圈定储层。包括二大问题：1)多学科：地质、地球化学、地球物理学、工程技术和岩石物理学 2)储层尺度：从盆地到储层，到断块，岩芯，矿物颗粒和孔隙；从地震，井间地震，到测井，第24页岩石物理桥梁作用第25页岩石物理桥梁作用 岩石物理学是储层描述中一个主要工具，因为大多数进行储层描述技术都是基于岩石物理性质。岩石可测量物理性质（诸如地震速度）能够反应地下岩石和储层有用信息。岩石物理学含有可解释性，岩石物理是一门用来研究岩石物理参数和一些相关性质学科，其测量数据能够被解释。所以，它不但仅是储层描述工具，也为全部地学家提供了物理基础。第26页主要服务对象主要服务对象当前，在石油工业主要服务对象是储层描述和采收率监测，主要服务有：地震和测井解释、储量估算、提升采收率。对储层岩石物理特征完全描述，意味着要确定各个储层、定义相关解释算法所需岩石物理参数。对于地学家来说这是一个新方向。储层描述技术发展是石油工业中从勘探到开发一个实质性转变结果。第27页研究对象油气储集体沉积岩沉积岩本身性质，有几十种参数(诸如：矿物成份、孔隙度、密度、颗粒大小和形状、颗粒连接和胶结程度等)用来描述岩石。沉积岩物理性质（弹性、电性、磁性等）。第28页石油行业中岩石物理几个特点石油行业中岩石物理几个特点 1 1、岩石物理是一门多学科科学、岩石物理是一门多学科科学 为了预测岩石参数，必须尽可能研究岩石属性不一样方面。包括到储层特征及采收率监测以下方面：1)声波性质 2)电学性质 3)水利属性 4)机械属性 5)岩相属性 6)孔隙流体属性 其中主要集中在储层岩石和流体声波方面属性。第29页2 2、试验方法促使新知识产生、试验方法促使新知识产生 不停地建立新模型用来模拟多孔岩石属性和参数。理想多孔介质是怎样来影响物理属性，与岩石预测还差多少。人们做了许多努力（Schwartz,1984）来建立多孔岩石模型（Barryman,1994），不过结果却十分有限。理论模型在地学科学方面应用还处于一个有限水平上。对新区域了解。第30页为了确定岩石物性和物理参数关系，试验室就进行了对应研究。只有经过对岩石样品试验研究才能提供一些相关制约原因和最高质量数据。基于试验数据，速度和岩石参数之间物理关系才能确定。这些关系可能延伸到一个比较大范围，甚至无法测定。许多测定数据，比如，统计，井间数据，VSP地震数据因为缺乏参数控制而显得不十分可靠。所以这些测量方法标准和解释必须依靠于试验室关键方法和岩石物理学知识。3、试验室研究意义、试验室研究意义第31页4、岩石物理学能力：综合岩石物理学能力：综合试验数据和从数据中得到知识必须与大百分比尺度测量方法相结合起来。在采取正确方法得到经典性数据同时，还应寻找岩石特征与岩石参数之间物理方面相关性。经过相关性从大量含有噪声数据中确定最终要参数测量数据解释就能够走向含有能够了解不确定性正确轨道。在确定测量特征之后认知岩石参数是岩石物理学作用。第32页5、储层技术发源地储层技术发源地 岩石物理研究课题许多结果已经反应到地震储层技术发展上。1)亮点技术发展是基于在试验室观察到事实。含气饱和岩石相对于盐水饱和岩石含有更低速度。2)速度各项异性试验研究，裂缝储层地震探测也得到了发展。3)基于试验研究热强化采油监测技术。4)还有AVO，4D地震油藏监测第33页岩石物理学作用推进地球物理勘探数据处理和解释技术发展第34页6、研究方式、研究方式地震特征受到许多原因复杂影响（诸如压力、温度、饱和度、流体类型、孔隙度、孔隙类型等等），这些原因经常是内在关联，当一个原因改变时许多原因也同时改变。这些改变对地震数据产生正面或负面影响。所以，在将岩石物理信息应用于地震解释中时，必不可少地要进行单一参数改变单一参数改变（其它固定不变）影响研究。第35页7、研究方向、研究方向开发(地球物理)一方面地球物理具有在远离钻孔条件下确定岩石弹性性质能力，生产(岩石物理和石油工程)其次探储工程师还要求在远离钻孔条件下辨别岩石物理特征，为改进对储集层描绘和定性，人们正迅速地推动地球物理、石油物理和储集层数据综台研究。第36页怎样对待岩石物理怎样对待岩石物理许多影响岩石特征原因无法定量化。对岩石物理研究问题，应用一些哲学道理：1.认可没有绝对准确处理方案。2.相信岩石特征是有原因受到岩石参数控制，而且这些物理相关性是能够认知。3.相信自然界给了我们一个暂停。在特定条件下，岩石特征与岩石参数之间关系是能够简化。4.能够接收含有可了解不确定性并不完善处理方案。并了解统计趋势，高峰和低谷都不利于处理这些不确定性。第37页岩石物理两个研究领域岩石物理两个研究领域按测试方法和伎俩分，岩石物理学研究主要分为试验室测试和井中测试两个方面。试验室测量与井中测量存在尺度上差异。这两种方法起到互补作用。两种方法除尺度上有差异外，在测试类型、规模、信噪比和结果 可靠性方面也存在差异。第38页油气勘探中油气勘探中研究主要内容研究主要内容地震勘探方面地震勘探方面 1)岩石、流体等性质对弹性波传输影响；2)岩石导电率及电磁波在岩石中传输影响；3)裂缝对岩石弹性及流体输送影响。油气开发油气开发(石油物理和石油工程石油物理和石油工程)方面方面 1)岩石、流体等性质对油气运移影响；2)地震方法监测和提升石油采收率中岩石物理第39页在测井方面研究在测井方面研究岩石电学：(1)低电阻率储层物性参数；(2)复杂储层岩电关系；(3)岩石电化学特征；(4)岩石复电阻率；(5)岩石电频散问题核磁共振第40页岩石物理学发展岩石物理学发展岩石物理学发展，取决于石油工程技术与测井技术进展.而是取决于物理、化学、数学、计算机以及地球物理观察技术进步。对于岩石物理学研究，尤其要注意多学科综合应用，以及交叉学科相互渗透。第41页石油经济对岩石物理影响石油经济对岩石物理影响 全部储层项目都必须依据今天油价进行调整。地球科学家今天所面临挑战不是创造新技术，而是设计出更有效项目，它应该包含：确定决定经济成功必须处理首要问题。设计一个最适宜处理问题计划（团体工作最好是整体化，并采取现有技术）。这个技术计划水平必须和今天经济相结合。第42页岩石物理学应用岩石物理学应用岩石物理学应用主要在储层特征描述和动态监测上。90年代开始岩石物理方面解释逐步与地面地球物理(主要是地震)解释结合起来，对储层特征描述经历了 1)静态属性描述 2)综合特征描述 3)建立动态储层特征模型三种解释方法。第43页静态属性描述：依据几个主要参数，与经岩芯录井校准高分辨率三维地震结构一起进行地层油气评价。综合储层模型要求地质、地震和岩石物理数据一致，方便进行储层描述。动态模型是综合静态描述与生产信息一起建立，即要监测产油过程对地层原因(特征)影响，重复修改然而作出评价。第44页利用各种方法建立储层模型利用各种方法建立储层模型第45页岩石物理研究和应用意义：1.在传统地震勘探中,缺乏各地域岩石物性系统地研究（尤其是储层岩石物性）处理和解释侧重于结构圈闭及岩性定性解释。限制了地震资料精细处理和应用范围。2.复杂勘探区,地震资料难以得到较满意结果,进行解释所使用数学模型有缺点外,怎样获取勘探区内储层岩石物性参数,是一个主要原因。3.在开采过程中，地层压力对孔隙度、渗透率影响以及孔隙、裂隙对油气运移、注水或注气影响需要有定量物了解释。第46页4.原有经典公式或是其它地区经验公式,应进行修正和补充，降低偏差。必要经过实验室结果对原有理论和经验公式进行。5.实验室对岩石物性研究结果一方面可用于地震勘探、开发地震、测井资料解释,其次可把从地震和测井资料中得到参数结合起来,建立新岩石物理模型,为地震和测井资料解释服务,使解释精度大大提高。第47页岩石物理准则作用过去50年间，在研究与地震勘探学和天然地震学相关岩石和矿物物理特征方面取得了巨大进步。当前己发展了很多理论，同时进行了很多试验。许多这么理论与试验结果已经在推进地球科学和勘探技术方面起到了主要准则作用。Zhijing（Zee）Wang（雪佛龙企业）王之敬总结了地震岩石物理学基本准则-GEOPHYSICS,VOL.66,NO.2，P.398412,第48页影响沉积岩石地震特征原因影响沉积岩石地震特征原因（其主要性从上到下递增）岩石特征岩石特征 流体特征流体特征 环环 境境 压实 粘性 频率 固结史 密度 应力史 时代 可湿性 沉积环境 胶结 流体成份 温度 结构 相位 油藏过程 体积密度 流体类型 开采历史 粘土含量 气-油，气-水比 地层几何形态学 各向异性 饱和度 净油藏压力 裂缝 孔隙度 岩性 孔隙形状第49页悬而未决问题 在利用理论或经验公式之前了解适用性范围在利用理论或经验公式之前了解适用性范围 因为岩石是那么复杂且不一样区域改变不一，欲求得一个普遍岩石物理理论或经验关系是不可能。尽可能利用岩石物理数据和知识尽可能利用岩石物理数据和知识 岩石物理学在开发4D地震、AVO、岩石物性反演等地震技术中起到了基本准则作用，但它也已经指导性地应用于地震数据解释工作。弥散实际量级至今仍是未知弥散实际量级至今仍是未知 数据标度恰当取样数据标度恰当取样 第50页1.3 1.3 本课程内容本课程内容是一门地球物理勘探专业专业课 主要介绍石油储层岩石很多物理性质(尤其是弹性和电性)与岩石本身特征间一些基本关系；讲述岩石物理学基本概念和理论；介绍与地震勘探、资源环境和地质灾害方面工作和科学研究方面应用。第51页本课程内容和课时安排第一章 引言（2课时）岩石物理学概念及发展概况、研究意义和应用方向，本课程特点和安排。第二章 地球上岩石（2课时）地球上岩石和矿物，岩石分类和特点；油气储层岩石特点。第52页第三章 储层岩石多孔特征（4课时）岩石骨架、密度，孔隙、裂隙和孔洞，孔隙率、裂隙基本概念，孔隙和裂隙几何形态，相关介质模型。孔隙中流体，流体流动，饱和度和渗透率，双相介质中概念第四章岩石弹性（4课时）岩石应力应变概念，岩石弹性常数，岩石各向异性和理论。第53页第五章岩石中弹性波速度和衰减（10课时）弹性波传输基本概念，波速和衰减试验测试技术，弹性波传输衰减基本知识，衰减试验测试结果，衰减机制和理论。第六章岩石速度影响原因（10课时）岩石速度影响原因定性描述，波速与岩石物性经验关系；孔隙、压力温度、流体等原因影响，速度各向异性第54页第七章流体饱和岩石中波传输（8课时）有效介质模型，流体置换方程，Biot理论第八章 岩石其它物理性质（6课时）岩石电学性质，岩石热学性质第55页课程基本要求课程基本要求 1、了解地球中岩石和矿物，岩石分类和特点，以及研究岩石物理学意义和应用方向。2、正确了解岩石本身密度、孔隙和裂缝、流体和各向异性基本特征。3、正确了解地下岩石应力和应变基本概念和岩石弹性参数。4、掌握岩石中弹性和弹性波传输基本规律。5、了解岩石中地震波衰减和相关机制基本知识。6、了解观察速度和衰减试验技术。7、掌握岩石特征与弹性波之间基本规律和经验公式，8、了解岩石电性等其它物理性质。9、了解这些规律和公式在勘探地球物理中应用。第56页本章主要内容什么叫岩石物理岩石物理学研究基础岩石物理主要研究内容试验室详细研究方法岩石物理桥梁作用石油行业中岩石物理几个特点油气勘探中几个方向研究主要内容第57页
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