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岩石物理学课件

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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2011球物理与石油资源学院 1 《 岩石物理学 》 授课人:黄文新 地球物理与石油资源学院 长江大学 联系方式: 8060418(o) 13707219181 2011球物理与石油资源学院 2 《 岩石物理学 》 课程 教材: 陈 颙 、黄庭芳主编 《 岩石物理学 》 北京大学出版社 2001、 9 主要参考书: J、 著 《 地下的声音 地震出版社 1986、 12 楚泽涵主编 《 声波测井原理 》 石油工业出版社 1986、 5 . 著 《 F 1982 总学时: 48学时,必修课,闭卷考试,平时成绩占 20%,考试成绩占 80% 2011球物理与石油资源学院 3 《 岩石物理学 》 授课计划 第 1章 岩石 8学时 第 2章 岩石孔隙度和渗透率 6学时 第 3章 岩石中波的传播与衰减 14学时 第 4章 岩石的弹性 8学时 第 5章 岩石的变形 6学时 第 6章 岩石的断裂 4学时 第 7章 岩石的强度 2学时 2011球物理与石油资源学院 4 岩石物理学( 岩石物理学是岩石和物理学之间的交叉边缘学科,它通过专门实验技术手段 研究地壳和地幔,岩石在地球不同深度环境下(即不同温度、压力、流体含量等)原始( in 石物理性质、成分变化和地质构造特征 ,同时为地表地球物理探测成果的正确解释提供科学约束。 2011球物理与石油资源学院 5 《 岩石物理学 》 第 1章 岩石 第 2章 岩石孔隙度和渗透率 第 3章 岩石中波的传播与衰减 第 4章 岩石的弹性 第 5章 岩石的变形 第 6章 岩石的断裂 第 7章 岩石的强度 2011球物理与石油资源学院 6 第 1章 岩石 地球上的岩石和矿物 岩石的分类 岩石的特点 研究岩石物理学的意义 《 岩石物理学 》 2011球物理与石油资源学院 7 第 1章 岩石 矿物:由地质作用所形成的自然元素的单质或化合物。 它们具有一定的化学成分、物理性质和化学性质 呈固态出现者还具有确定的内部结构,它们在一定 条件下稳定,是组成矿石和岩石的基本单位。 1) 矿物的化学成分类型 分为两类: 一类是单质:石墨( C)、自然硫( S)、自然金( 另一类是化合物:石盐( 石英( 方解石( 地球上的岩石和矿物 物 2011球物理与石油资源学院 8 地球上的岩石和矿物 2) 矿物中 的 许多矿物中都含水,根据水的性质和它在矿物中的存在形式,矿物中的水可分为: 1、吸附水: 以中性水分子 2、层间水:以中性水分子 3) 矿物中的化学式 4)矿物的晶体结构 5)矿物的物理性质 ( 1)矿物的放射性 含铀、钍和钾的放射性同位素等放射性元素的矿物,由于放射性元素蜕变而放射出 α 、 β 、 γ 射线的性质。 ( 2)矿物的导电性 矿物对电流的传导能力,通常用电阻率的大小表示。 ( 3)矿物的密度 石英 灰石 4)矿物的磁性 矿物在外磁场作用下被磁化时,被外磁场吸引或排斥的性质 2011球物理与石油资源学院 9 地球上的岩石和矿物 ( 5)矿物的硬度 矿物抵抗刻划、研磨、压力等机械作用的能力 ( 6)矿物的解理和断口 解理 矿物晶体在外力作用下,沿着一定结晶方向裂成光滑平面 断口 矿物在外力作用下,在任意方向裂成不平的断面 6) 矿物的分类及主要矿物描述 矿物分类 主要矿物描述: 1、石英( 含 O 物理性质: 低放射性,密度 阻率在 1012姆米。 2、正长石( K[含 % 物理性质: 高放射性,密度 阻率 14*1011欧姆米 2011球物理与石油资源学院 10 岩石: 岩石是 由一种或几种造岩矿物按一定方式结合而成的矿物的天 然集合体 作为天然物体,岩石具有自己特定的比重、孔隙度、抗压强度等许多物理性质。正如矿物由原子组成,但矿物可显示出个别原子不具备的性质一样 ;岩石虽由矿物组成,但岩石所表现出来的特性,却常常是不能用单独的一种或几种矿物的特性加以替代或描述的。 地球上的岩石和矿物 石 2011球物理与石油资源学院 11 作为矿物的天然集合体,岩石的性质既与其组成矿物的性质,各种矿物所占的比例有关,也与这些矿物在岩石中的几何表现、分布状况、胶结情况以及矿物颗粒之间的孔隙度及孔隙流体有关。为了描述后者的关系,地质学上特别提出了微构造这个术语。矿物颗粒的排列,矿物成分的变化,矿物颗粒的形状和大小,孔隙的数目以及破裂程度等造成了岩石微构造的不均匀和无序性。由此我们可以得到一个直接的推论 :岩石的物理性质是与进行测量的尺度 (有关的。当我们在不同的尺度范围内研究岩石性质时,所得到的结果必然会有显著的差别。 地球上的岩石和矿物 石的微构造 (2011球物理与石油资源学院 12 地球上的岩石和矿物 例如,在组成岩石的矿物颗粒大小的范围内进行测量时,岩石表现出了不均匀和无序的物理性质 ;但当我们转而在比矿物颗粒大许多的范围内进行测量时,就可以把岩石看成是均一的 —一种统计上的均一性 ;若再在足够大的尺度范围内进行测量,就可以认为岩石的所有部分都具有相同的物理性质,而这时的测量结果可以视作是与尺度无关的。当然,这仅是一种理想化的结果。自然界发现的岩石,很少表现出如此理想的性质,通常在测量尺度变化时,它们的物理性质也会发生变化。这是因为自然界中存在着许多导致不均匀的因素,而这些因素在各种尺度上都会起到一定的作用。举例来说,这些因素包括矿物颗粒的大小与排列,颗粒大小的分布关系,颗粒大小的空间分布和岩石的破裂,等等。这里就提出了一个重要的间题,怎样才能把实验室内用小尺度进行测量得到的结果外推应用至大尺度的自然界呢 ?显然,研究岩石的尺度效应是重要的,这可以将岩石的整体性质与其组成矿物的性质和岩石内部微结构特点联系起来。 石的微构造 (2011球物理与石油资源学院 13 岩石研究的尺度问题 研究地球材料存在着不同的研究尺度。 第一种是矿物颗粒 (尺度,亦可称为矿物尺度 (:研究各个矿物的性质,矿物与矿物之间相互的接触几何等, 第二种是研究由多个矿物组成的岩石尺度,通常称为岩石尺度 (在这种尺度下,矿物的性质被平均掉了,取而代之的是岩石的性质 ; 第三种尺度则更大了,不仅包括了完整的岩石,而且还包括了多种岩石的组合,包括了岩石中的节理等间断面,这种称为岩体 (尺度,岩体性质取决于岩石的组成和各种间断面的控制 ; 最后一种尺度是地质尺度 (它是各级尺度性质的高度且复杂的综合。地质现象是由矿物、岩石、岩体和构造运动的总体所决定的。 地球上的岩石和矿物 石的微构造 (2011球物理与石油资源学院 14 地球上的岩石和矿物 石的微构造 (图 1石地质现象 2011球物理与石油资源学院 15 石的分类 第 1章 岩石 可以按照岩石包含的矿物种类,各种矿物的比例,矿物的空间分布等,对不同的岩石进行分类。当然,也可以针对一种或两种岩石的具体性质进行分类。例如,当研究流体在岩石中的输运过程时,最重要的是矿物颗粒的大小,而矿物的磁性却可放在一边。于是,可以把矿物颗粒和孔隙度大小作为岩石分类的依据。但考虑到这种分类的任意性, 采用目前最通用的按照岩石的形成过程分类的方法,即按照不同的成岩过程对岩石进行地质学上的分类。 2011球物理与石油资源学院 16 石的分类 岩过程 地球处于不断的运动之中,其内部的过程也多种多样,细节各异。但就岩石的形成而言,地球 (特别是地壳和上地慢 )中的过程主要有以下三种 : 火成过程 ((地壳深部融化的物质、熔融的岩浆在地下或喷出地表,发生结晶和固化的过程。 沉积过程 (地表岩石风化的产物,经过风、流水的搬运,在某些低洼地方沉积下来的过程。有些易溶解的岩石、矿物经过流水溶解、搬运和沉积,也属于沉积过程的一种 。 变质过程 (:在地球内部高温或高压环境下,先已存在的岩石发生各种物理、化学变化,使其中的矿物重结晶或发生交互作用,进而形成新的矿物组合。这些变化可以在低于硅的熔化温度时发生,所以,先已存在的岩石可以始终保持固态。这种过程不同于前面叙述过的火成过程或沉积过程,一般称之为变质过程。 2011球物理与石油资源学院 17 成岩 石的分类 火成岩一般指岩浆在地下或喷出地表冷凝后形成的岩石,又称岩浆岩,是组成地壳的主要岩石。 构成火成岩的主要元素有氧、硅、铝、钙、钠、钾、镁和钛,后几种元素氧化物的含量即占火成岩总重量的 99%左右,特别是二氧化硅的含量最高,在不同的火成岩中均占总重量的 35%一78%。 在火成岩中,二氧化硅被称作酸性组分 ;铁、镁和钙被称作基性组分,钠和钾称作碱性组分。按照火成岩中二氧化硅含量的多少,一般将火成岩分为酸性、中性和基性 3类。富含二氧化硅 (>65%)的火成岩称为酸性岩,如花岗岩、流纹岩等 ;含二氧化硅少(50% 亲水 岩石 2011球物理与石油资源学院 46 岩石渗透率 岩石的渗透率 :岩石组分、孔隙度、压力和温度的影响 不同岩石的渗透率有很大的差别。砾石和砂砾石的渗透率差别可达1而深成岩 (的孔隙很少,因此,渗透率极低 ;火山岩相反,具有大量孔隙,渗透率多大于 积岩的情况比较复杂 ,石油工业对砂岩和碳酸盐岩最感兴趣,图 2岩、火山岩、灰岩、花岗岩、变质岩、玄武岩等岩石渗透率的范围。从图 2使对于同一类岩石,由于生成环境和内部结构不同,渗透率的变化也可以达几个数量级 ;至于不同的岩石,其渗透率变化范围就更大了,可达近 10个数量级 。 图 2同岩石渗透率范围 2011球物理与石油资源学院 47 岩石渗透率 ——当给定岩石的组成成分后,渗透率随该岩石的孔隙度的增加而增加 H 2 油组渗透率与孔隙度的关系 0 20 30 40图 2透率与孔隙度关系 2011球物理与石油资源学院 48 岩石渗透率 ——渗透率随压力的变化 岩石所处环境压力、温度和差应力的变化范围都是很大的,外界环境对岩石的渗透率有重要的影响。 图 2透率随压力的变化 —— 岩石的热开裂,温度升高对岩石渗透率也有影响。岩石受热后,由于组成岩石的各种矿物热膨胀不同,矿物颗粒边界会出现裂纹,这就是岩石热开裂现象。热开裂会导致岩石内部形成新的裂纹网络,可以明显地改变岩石中流体的输运特点。 2011球物理与石油资源学院 49 第 3章 岩石中波的传播与衰减 岩石中的波 岩石中波速的测量结果 岩石中波的衰减 《 岩石物理学 》 2011球物理与石油资源学院 50 第 3章 岩石中波的传播与衰减 岩石中的波 纵波( 横波 (纵波:也称为 , 质点运动方向与波传播方向平行 横波:也称为 质点运动方向与波传播方向垂直 图 3波传播 图 3波传播 2011球物理与石油资源学院 51 在两种介质分界面上的反射与折射 (英文板书) 岩石中的波 1) to 2) a 3) to 011球物理与石油资源学院 52 岩石中的波 图 3岩石界面反射波的利用 图 32011球物理与石油资源学院 53 岩石中的波 界介质中波的传播(英文板书) ——石中波速的测量 图 3岩石波速测量原理示意图 2011球物理与石油资源学院 54 石中波速的测量结果 第 3章 岩石中波的传播与衰减 岩石的性质主要是由组成岩石矿物的性质、岩石所处的热力学环境 (温度和压力 )以及岩石微构造 (孔隙、裂纹等 )三类因素所决定的。弹性波速度和衰减的测量,可以获得关于岩石的整体性质。如果能够知道岩石整体性质与岩石组分的关系,那么,就能获得关于地下矿物、元素分布的信息,如果能够知道岩石整体性质与孔隙及孔隙流体的关系,就可以利用地层波速反映出来的岩石性质去勘察地下流体的存在等等。因此,波速的测量有着较强的应用背景,引起了广泛的研究。 2011球物理与石油资源学院 55 石中波速的测量结果 当然,弹性波参数反映的是岩石的整体性质,作为矿物和各种孔隙、裂纹聚合体的岩石,在知道岩石总体性质后要了解其某一部分、某一组成的情况,属于由一个参数反演多个参数的问题,不是一件容易解决的事情。目前的主要做法是 : — 总结大量实验数据,建立岩石波速与其组分之间的经验关系 ; — 建立岩石波速与温度、压力之间的定量关系 ; — 不仅利用 且广泛地利用 有时还利用 s)作为岩石总体性质的多参数描述, — 当岩石受到的外部环境 (温、压 )和内部环境 (孔隙流体 )变化时,利用影响岩石性质的各因素的不同变化特点,对各种组成进行分离式的研究。 2011球物理与石油资源学院 56 石中波速的测量结果 图 3石中波速测量结果 2011球物理与石油资源学院 57 石中波速的测量结果 速与密度和矿物成分的关系 1)波速与矿物成分 火成岩中,矿物紧密地结合在一起,孔隙空间很小,因此,岩石弹性波速主要由其矿物成分决定。弹性纵波在二氧化硅 (传播的速度较慢,由此可以预料,含 3图中看出,纵波在含 图 3速与石英含量的关系 2011球物理与石油资源学院 58 石中波速的测量结果 2)波速与密度的关系 1 花岗岩, 2 片麻岩 ,3 片麻岩 (石榴黑云母石 ),4 闪石 5麻粒岩, 图 3成岩密度与纵波波速 2011球物理与石油资源学院 59 表 3成岩中 p(P)和岩石波速都是在同一压力下测得的 石中波速的测量结果 2011球物理与石油资源学院 60 表 3p,1982) 石中波速的测量结果 2011球物理与石油资源学院 61 石中波速的测量结果 沉积岩的结构比起火成岩来说,不仅包含有更多的孔隙,而且沉积岩的组成成分远比火成岩丰富、复杂。因此,沉积岩中波速与密度及矿物成分的关系远不如火成岩那样清楚。不仅如此,沉积岩的波速与火成岩相比,一是比火成岩波速低 ;二是同一类岩石波速的变化范围比火成岩大。图 3质岩和沉积岩中的弹性波速度和波速的变化范围,从图中可以清楚地看出这一点。 图 3几类主要火成岩、变质岩和沉积岩中的弹性波速度及波速的变化范围 2011球物理与石油资源学院 62 石中波速的测量结果 速与孔隙和裂缝 (关系 1) 波速与孔隙度的关系 图 3波速与孔隙度的关系 粘土含量: 粘土体积占孔隙体积百分数,粘土分散填充在孔隙空间中。 2011球物理与石油资源学院 63 石中波速的测量结果 图 3和水砂岩波速与孔隙度关系 饱和水砂岩 是指在实验室用压力将水饱和到岩石样品中。 2011球物理与石油资源学院 64 石中波速的测量结果 饱和水岩石波速与孔隙度关系即威利时间平均值公式(板书) 2)波速与裂缝的关系 岩石中还有另外一类孔隙,它们主要是以裂缝 (形式存在,虽然仅占岩石体积的很小部分,但却具有相当大的表面积,这种裂缝对岩石强度影响很大。能否利用波速测量、了解岩石内部裂缝的多少,是一个工程科学十分感兴趣的问题。因为裂缝的存在会降低岩石的波速,所以有可能利用岩石的波速判断岩石内部裂纹的多少,从而对岩石进行工程学上的评价。 假定岩石由许多种矿物构成。那么,一个假想的没有裂缝的岩石的纵波速度 V*应该可以由它的各组成矿物的纵波速度 (32011球物理与石油资源学院 65 石中波速的测量结果 式中 定 )= V/V * *100% (3类是球形的,这类球形孔隙度为 一类是裂缝。通过实验,他发现球形孔隙对 00% ( 3 假定有一块砂岩,球形孔隙度为 10%,则按上式,其 4%。把这块砂岩加热至高温,由于矿物热膨胀系数不同,在矿物与矿物之间的边界上出现了大量的裂缝,这时通过测量,发现 52%。 2011球物理与石油资源学院 66 石中波速的测量结果 图 32011球物理与石油资源学院 67 石中波速的测量结果 速和压力、温度的关系 岩石在不同的压力和温度下物理性质的变化,对于利用岩石物理性质资料来解释地球物料是十分重要的。由于地球内部的温度和压力比地面高,所以,问题也就相应变成了岩石随深度的变化。假定波速 和压力 然 : ( 3 其中, 是绝热过程速度随压力的变化,是等压过程速度随温度的变化, 和 是压力和温度对深度的梯度。 2011球物理与石油资源学院 68 石中波速的测量结果 图 3图 3速随深度的变化不是线性的,低压下波速变化大,高压下波速变化小。 图 3成岩波速随压力的变化 2011球物理与石油资源学院 69 石中波速的测量结果 图 速随温度的变化。与压力越大,速度越高的结果相反,温度越高,岩石中波速越小。当走向地壳深部时,将面临两种趋势相反的变化。压力增长会导致波速增加 ;而温度增高则会导致波速的减小。因此,在地壳内,波速随深度的变化是这两种作用综合平衡的结果。 图 3 岗岩中纵波速 度随温度的变化 2011球物理与石油资源学院 70 石中波速的测量结果 由图 3壳内部岩石的波速随深度的分布是十分复杂的,随着深度增加,波速变化不仅有增有减,而且还有几乎不变的情况,这种复杂的情况一直延续到地壳底部。在大陆地区的地壳底部, 8 km/ 2011球物理与石油资源学院 71 石中波速的测量结果 速比 011球物理与石油资源学院 72 石中波的衰减 第 3章 岩石中波的传播与衰减 研究岩石的性质,除了从波速测量了解其弹性性质外,还必须研究其非弹性性质 — 即衰减的性质。研究声波的衰减可以了解岩石的微构造及变化,以及了解岩石在地下所遇到的环境条件。特别值得注意的是 ,对于岩石物理状态的变化,测量衰减性质比波速测量要灵敏得多,这一性质使得衰减成为一种有价值的研究课题。衰减这个参数的重要,就在于它主要不取决于岩石的宏观一整体性质,而主要是由岩石的微观性质 — 诸如岩石内部裂纹的密度、分布、构造以及孔隙流体的相互作用等所确定。 2011球物理与石油资源学院 73 石中波的衰减 减系数 α 和品质因子 Q 岩石往往不是完全弹性的。这样,当波在岩石中传播时,就会有一部分机械能转变为热能。在这种转变过程中的各种机制统称为内摩擦。当介质振动时,即使将其从周围环境中孤立出来,自由振动亦会逐渐衰减,当以变化周期外力作用于介质的自然共振频率时,介质振动的振幅不会变为无限大,而是趋于某一有限值 ;(平面 )波在传播时,振幅会衰减等等,这些经常遇到的现象都说明了内摩擦的存在。 对于液体和气体,内摩擦的机制主要是由于粘滞性和热传导引起的。 对于固体,特别是对于岩石材料,情况要复杂得多,而且内摩擦还因固体性质的不同有很大的变化。目前还没有满意的固体内摩擦理论,还需要有更多的实验数据。 2011球物理与石油资源学院 74 石中波的衰减 内摩擦 : 最直接的方法是利用比值 △ W/W,其中△ W 是经过一个应力循径时所消耗的能量 ,W 是当岩石应变为极大时所贮存的应变能。这个比值有时被称为 ‚ 损耗比 ‛ ,可以直接由应力循环实验测量出来,而不需要对内摩擦机制作任何的假设。不过,所得到的数值依赖于振幅和循环的速度,也依赖于试件过去的历史。在非常慢的速度下进行的循环加载一卸载实验中,可以测得应力一应变曲线,加载和卸载过程这两条曲线所围成的面积代表了应变能 △ W,由此可以通过损耗比△ W/W 确定岩石材料的内摩擦 (图 3 图 3循环加载实验确定岩石的内摩擦 2011球物理与石油资源学院 75 石中波的衰减 一种方法是观测岩石样品的强迫振动,由岩石材料的强迫振动可以得到表征内摩擦大小的 于完全弹性体, Q=≦,Q 值越小,非弹性特性就越突出。 除了通过岩石的变形确定内摩擦外,还有两种方法也是常用的 : 另一种方法是观测波在岩石中的衰减,可以得到表征内摩擦的另一个参数 — 衰减系数 a,对于完全弹性体, a=0,弹性性质越明显。 们之间可以互换 。 描述岩石非弹性的几个量的关系如下 : 2011球物理与石油资源学院 76 石中波的衰减 在不同频率下测量得到的岩石的衰减系数 3图中可以看出,随着频率的升高,衰减系数 图 3种岩石衰减系数与频率的关系 1、未胶结沉积岩, 2、半胶结沉积岩, 3固化的沉积岩, 47深地震反射的结果, 8石灰石, 9砂岩 (干燥) 2011球物理与石油资源学院 77 石中波的衰减 介质对波的吸收与频率的关系 文板书) 由于衰减系数 值互为倒数,所以从另一个角度,实验发现岩石中 值几乎与频率无关(图 3 图 3 20至 160 种岩石 1/ 辉长岩 ,辉绿岩, 岩 ,3a,5花岗岩 , 6水饱和的砂岩,变质 ),2011球物理与石油资源学院 78 石中波的衰减 减和矿物成分、孔隙度的关系 总的来说,波在岩石中的衰减远比在矿物中的衰减要高。例如,方解石是构成石灰岩的主要矿物之一。而 : 方解石 (矿物 )Q=1900, 石灰岩 (岩石 )Q=200 两者相差了近十倍。其原因是岩石中除了矿物成分以外,还包含了大量的孔隙、结构面 (包括矿物颗粒间的界面 ),这些孔隙、结构面的存在,对波的衰减有着重要的影响。 2011球物理与石油资源学院 79 石中波的衰减 图 3 50同种类岩石衰减系数的范围 图 3值与孔隙度的关系。三角形符号表示火成岩和变质岩的数据,正方形 符号表示石灰岩的数据,圆形符号表示砂岩的数据 2011球物理与石油资源学院 80 石中波的衰减 图 3过 32个砂岩石样品得到的衰减系数 2011球物理与石油资源学院 81 石中波的衰减 减和压力的关系 图 3f=32 2石英岩, 5。非晶质的石英岩 (根据 1972) 在压力作用下,岩石内部孔隙的体积将会减小,豁土类矿物将会被进一步压实。定性的考虑,在围压增加条件下,岩石中波速会增高,而岩石中波的衰减将会减小。 2011球物理与石油资源学院 82 石中波的衰减 图 3 f=25 ,干燥岩石的纵波速度 根据 1961) 2011球物理与石油资源学院 83 表 3p,1982) 石中波速的测结果 2011球物理与石油资源学院 84 第 4章 岩石的弹性 相体的弹性 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 体静压力下岩石中孔洞对弹性的影响 石中孔隙流体对弹性的影响 性波在二相体岩石中的传播 《 岩石物理学 》 2011球物理与石油资源学院 85 相体的弹性 第 4章 岩石的弹性 性参数 — 一般概念 岩石的应力一应变间若存在着线性关系,则代表了岩石的弹性变形。对于各向同性的线弹性体,其应力一应变关系用公式来表示,即 . ( 4—1) ( 4—2) 2011球物理与石油资源学院 86 相体的弹性 2011球物理与石油资源学院 87 相体的弹性 2011球物理与石油资源学院 88 石中的孔隙 :裂纹和孔洞 相体的弹性 除了孔隙的大小以外,经常对孔隙的形状感兴趣。 岩石中的孔隙按其形状可以分成两类 : 孔隙度低的岩石,孔隙往往是狭长的裂缝,称之为裂纹 (裂纹的纵横比远远小于 1(图 4.1(b))。 孔隙度高的岩石,孔隙往往是等维球形,或近于球形的,称这类孔隙为孔洞 (孔隙的最小直径与最大直径之比,称为纵横比 a (孔洞的纵横比 1左右(图 。 2011球物理与石油资源学院 89 应该指出,孔隙的存在是岩石材料的结构特点。正是由于孔隙的存在,才在岩石力学研究中出现了诸如孔隙应力、有效应力等不同于一般材料(例如金属 )的许多特有的概念。高压应力状态和孔隙的存在,是岩石力学有别于一般材料力学的原因。因此,孔隙是岩石力学中一个十分重要的概念。 岩石中孔隙所占的体积不大,但对岩石性质的影响却相当大。例如,花岗岩中裂纹仅占岩石总体积的 1%左右,但当存在裂纹和裂纹被压实时,岩石的体积模量可以相差 5倍之多。 相体的弹性 2011球物理与石油资源学院 90 石、矿物和孔隙流体的弹性参数 相体的弹性 为了更好地了解岩石弹性与矿物组成和孔隙流体的关系,表 。 2011球物理与石油资源学院 91 相体的弹性 2011球物理与石油资源学院 92 相体的弹性 2011球物理与石油资源学院 93 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 孔隙和孔隙流体的存在,对岩石弹性有重大影响。为方便计,将分开讨论孔隙和孔隙流体的影响。首先讨论孔隙中没有孔隙流体的干燥岩石情况,将从裂纹对岩石弹性的影响入手。 第 4章 岩石的弹性 燥岩石情况 — 设想一个均匀无孔隙的固体,它的弹性性质与两相体的岩石一致,这个均匀体的压缩系数 1965年 与基质压缩系数风以及孔隙度变化的关系 : 岩石的有效压缩系数与孔隙度的压力微商有关,而不是直接与孔隙度有关。 ( 4—3) 2011球物理与石油资源学院 94 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 岩石内的孔隙可以分成孔洞和裂纹两类,可以预计,由于它们的几何情况不一样,沃尔什公式中 dη/化也会不同,要进一步求出 dη/体形式,必须对孔隙的几何形状、密度等作一些合理的假设。一般计算时,首先应用弹性力学,求出单一孔隙在均匀应力场作用下体积的变化,然后求出在岩石体积中孔隙体积变化的平均值。究竟采用什么样的平均方法,尚是一个颇有争论的问题。下面只粗略介绍最简单的低密度近似方法。应用这种方法的两个基本假定是 :第一,岩石的孔隙度不高,因此有可能把岩石分成等大的有限的单元,每个单元只包含一个孔隙。第二,孔隙之间的相互作用可以忽略,因而可以近似地假定单元边界受力与岩石外表面所受应力是一样的。下面框图中的例子给出了裂纹形状孔隙对岩石弹性的影响。 2011球物理与石油资源学院 95 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 ( 4—4) ( 4—5) 2011球物理与石油资源学院 96 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 (4—6) 2011球物理与石油资源学院 97 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 2011球物理与石油资源学院 98 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 ( 4—7) ( 4—8) 2011球物理与石油资源学院 99 体静压下岩石中裂纹对弹性的影响 2011球物理与石油资源学院 100 第 4章 岩石的弹性 石中孔隙流体对弹性的影响 和岩石一排水情况 第二种情况是,当外界静压力变化时
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