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地震岩石物理研究概述

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徐胜峰,李勇根,曹宏,姚逢昌. 地震岩石物理研究概述[J]. 地球物理学进展,2009,24(2):先介绍了地层水、石油、天然气等孔隙流体的弹性性质。接着讨论了 型、论、论、析了深度和压力、温度、孔隙度和孔隙形状、粘土、流体饱和度、密度等对地震波速度的影响,各向异性,地震波的衰减等岩石物理规律。简述了速度与衰减的实验室测量方法和地震岩石物理参数反演技术。最后叙述了国内地震岩石物理发展状况与岩石物理存在的问题及发展前景。地震岩石物理研究概述引言孔隙流体的弹性性质等效介质理论地震岩石物理规律分析速度与衰减的实验室测量地震岩石物理参数的反演技术国内地震岩石物理的发展现状存在的问题及发展前景1、地震岩石物理是研究岩石物理性质与地震响应之间关系的一门学科,它通过对各种岩心资料、测井资料和地震资料进行综合分析,研究岩性、孔隙度、孔隙类型、孔隙流体、流体饱和度和频率参数等对岩石中弹性性质的影响,并提出利用地震响应预测岩石物理性质的理论和方法,是地震响应与储层岩石参数之间联系的桥梁,进行定量储层预测的基本前提。2、在地震勘探中,地震波以旅行时间、反射振幅及相位变化等形式带来了地下岩石和流体的信息。90 年代以来,地震岩石物理学许多理论与试验结果极大地推动了亮点(暗点)技术、术、术、4D 地震和注采监测技术大发展。从公开发表的文章来看,地震岩石物理已在岩石物理模型、岩石物性测定、储层参数分析、各向异性、衰减等 5 方面开展了广泛的研究。3、孔隙流体主要由地层水、天然气和石油中的一种或多种流体组成,通常先确定单相流体弹性参数,然后采用理论模型确定混合流体弹性参数。1)地层水是地层中最常见的孔隙流体,其密度受温度、压力及矿化度的影响。 用 人的试验结果,建立了地层水密度和速度的经验关系:少量的气体也可溶于盐水,为,溶于盐水的气体随压力增加而增加,随矿化度增加而减少,温度低于 250℃时,气体溶于水的气油比为: 945)发现含气体地层水模量与气油比基本为线性关系:【气油比:又称原始溶解气油比,指在原始地层条件下,单位体积或重量原油所溶解的天然气量,其单位为 m3/ m3/t。 】2)石油是一种由多种有机化合物混合而成的,对于一种给定的原油,在其组成成分保持不变的条件下,其密度随压力的变化是互相独立的:从上式可以看出,压力变化对原油的密度影响比较小。与此相反,温度的变化对原油密度的影响比较大.在储层条件下,温度对密度的影响可由 公式得出:当原油中含有天然气时,其密度由下列公式计算: 油的纵波速度与温度和压力的关系为:3)由理想气体状态方程可以推导出气体体积模量和密度与流体所处温度、压力关系: 引入校正压缩因子 Z、热容系数 γ 0、归一化的温度 然气密度及体积模量计算公式如下:5)混合流体的密度和模量采用 式,根据单相流体的算术平均计算得:4、地下储集层是由固体颗粒的骨架、孔隙及其充填流体组成的多相孔隙介质,通常将它们近似为弱弹性介质,采用等效介质理论描述其岩石物理性质。等效介质理论就是根据不同的岩石物理模型,在一定的条件下,定量求取岩石的等效弹性模量、密度和速度,建立地震响应与储层岩石参数之间的联系,进行定量储层预测。如果缺乏空间几何分布信息,则只能预测等效弹性模量的上限和下限。按照弹性介质理论,岩石的密度和速度可由下面的岩石弹性参数表述:1)岩石基质模量 m(型)到目前为止,在假设各种组成成分为各向同性、线性、弹性的条件下,主要采用平均的方法确定岩石中组长矿物体积模量 m。为当各组分所受的应变相同时,其模量为:为各组分所受的应力相同时,其模量为: 边界模型和 边界模型进行了数学平均, 上下边界进行了几何平均。2)论出了孔隙岩层充满流体的弹性模量公式,奠定了近代沉积弹性理论与物性之间研究的基础。当岩石是一个封闭的系统,近似于各向同性、均匀条件,孔隙的形状是球形的、所有孔隙都充满流体而且流体是紧附在孔壁上的,地震波通过时流体与骨架之间的相对运动可以忽略,流体不对骨架产生软化或硬化的相互作用时,含饱和流体的岩石弹性模量可用下式表示:上面的公式进行了重新排列,将其修改为:3)论据耗散理论推导了长波长一阶近似条件下饱和流体和孔隙介质的弹性模量方程,该方程能够方便地改变岩石中裂隙的大小、形状及分布。导的饱和流体的岩石弹性模量可用表示为:其中 )论 虑到泥质砂岩中泥质含量、孔隙度大小和形状及孔隙饱含流体性质对岩石速度的影响,利用 论求干岩石模量,结合论进行流体替代,计算等效介质的速度和密度。5)岩石骨架的体积模量各项同性的弹性介质中,孔隙形状的影响,岩石骨架的体积模量可表示为:其中 分别表示孔隙体积在一定静水压力条件下的导数、孔隙体积、孔隙空间刚度和比奥(数。在实际应用中,通常利用干岩石的纵横波速度和经验关系计算干岩石模量。许多学者提出了利用孔隙度与固体颗粒的体积模量计算岩石骨架的体积模量的经验关系(,出了临界孔隙度概念, et et 系进行了比较,并给出了多种矿物的临界孔隙度。5、影响地震波传播速度的因素有很多,常见的有深度和压力、温度、孔隙度和孔隙形状、粘土含量、流体饱和度、密度等。1)深度和压力与速度关系控制储层岩石弹性性质的是上覆岩层压力和储层流体压力的差压力或有效压力。出有效应力系数为 , 认为有效应力系数为 ,据临界孔隙度的概念,得出的有效应力系数为 , 出纵横波速度与有效压力之间经验关系,用球体叠和理论分析认为随差压力增大,球体之间的接触面变平,孔隙压力对速度的影响减少。为地震特性和上覆岩层净压力之间关系是非线性的,在差压力值相对小的压力段,由于孔隙度的变化(孔隙闭合效应) ,岩石地震特性随差压力增加较快(高斜率) ,呈非线性变化;在差压力值相对高的压力段,由于岩石的孔隙基本闭合,岩石的地震特性随差压力的变化呈线性、平缓变化,并且体积模量对含水饱和度非常敏感,含水时其体积模量较干岩石的体积模量增加一倍,而剪切模量基本不变。究发现纵波有效压力系数与差压力近似呈线性关系:横波对孔隙压力变化比纵波敏感,有效压力系数接近于1,基本不随差压力的变化而变化;较小差压力的 数远小于有效压力系数;差压比较大时的 数接近有效压力系数。在相同差压力的条件下,具有裂隙的岩石的有效压力系数要比没有裂隙岩石的大;当储层中存在高密度的裂隙,有效压力系数接近1;在相同差压力条件下,岩石骨架模量的有效压力系数与孔隙压力无关;在相同孔隙条件下,碳酸岩盐有效压力系数要比砂岩大。2)温度与速度的关系一般来说,岩石的地震特性随着温度增加而减小。干燥和水饱和的岩石,随温度增加通常显示小的地震特性;重油饱和岩石随温度增加显示出大的地震特性。压力和温度与岩石弹性模量和速度之间的关系:3)孔隙度和孔隙形状与速度的关系试验测试结果和理论计算均表明岩石的速度、模量和密度随孔隙度的增大而减小。 导了描述孔隙形状的变化对岩石模量影响的理论公式,认为岩石地震特性受孔隙形状的影响更大。孔隙的形状用纵横比描述,由于扁平孔隙的压缩率要比球形孔隙的压缩率大,具有扁平孔隙的岩石可能具有更低的地震速度。结了不同形状的孔隙空间刚度,出了时间平均方程和密度与孔隙度的关系,了改进高孔地层中孔隙度的估计而修改了 为 程没有考虑孔隙尺寸及其排列的变化,引入孔隙形状因子概念,对 进行校正。量了不同地区的 59 个碳酸盐岩岩心样本,把孔隙的形状分为颗粒间孔隙、溶滤化石孔隙、结晶颗粒中的孔隙、孔洞、钙质泥中的微孔和裂隙。孔洞由于具有较大的硬度,基本上不影响速度的变化;微孔和裂隙由于比较小的硬度,能导致明显的速度降低、耗散及衰减。孔隙形状的差异是引起纵波速度与孔隙度交会图发散的重要原因。4)粘土与速度的关系粘土对岩石地震特性的影响取决于粘土微粒的类型和其在岩石中的位置。如果粘土是岩石基质的一部分,岩石速度和波阻抗将随着粘土含量的增加而减小。 最早研究孔隙度和粘土含量对地震速度的联合影响。众多学者总结了纵横波速度与孔隙度和泥质含量之间的经验关系式(徐伯勋等,黄绪德) 。这些关系式没有考虑粘土微粒在岩石中的位置,仅仅是经验性的。5)流体饱和度与速度的关系孔隙流体对速度的影响主要受流体的可压缩性、密度、流体 胶结物之间耦合关系、流体 岩石基质之间的化学反应、岩石基质及孔隙形状综合作用所控制。横波不能在流体中传播,横波速度受孔隙流体的影响要比纵波少得多;由于裂缝和裂隙的柔顺性,无论孔隙度可能多么低,流体饱和度对地震速度都有很大的影响。为低孔中流体饱和度对纵波速度的影响要比中、高孔大。低孔时,流体与胶结物之间的耦合关系起主要作用,随流体饱和度增加,速度持续增加,饱和水与饱和气时的速度差异最大;中等孔隙时,流体的可压缩性起主要作用;高孔时,流体可能与岩石基质在晶粒间发生相互作用,少量的水就能因素速度急剧降低。6)密度与速度的关系一般来说,致密的岩石比密度较小的岩石速度要高。虑用水饱和沉积岩石的体积密度来估算纵波速度,给出了经典关系式;充了 工作,得出了不同岩性的速度与密度变换式:6、岩石中存在固有各向异性和诱发各向异性。固有各向异性由细长颗粒或孔隙的选择性排列和良好层理所引起;诱发各向异性是应力各向异性和地层裂缝所造成。孔隙的形状在各向异性中起者重要作用。为几乎所有页岩都具有固有各向异性,但应力各向异性是诱发各向异性的主要起因;为泥岩固有各向异性大小与测量的频率相关,水平分量应变基本上不变,垂直分量应变随频率增加而减小;究表明纵波速度主要依赖于波传播方向上有效压力,横波速度受波传播方向及切向有效应力共同控制,且法向有效应力影响程度约为波传播方向有效应力的 40%;岩是弱到中等的各向异性介质;为膨胀因子(R)是速度相对变化量与变形的相对变化量之比。7、地震波在地层中传播时将发生衰减,其分为几何衰减和介质的耗散衰减。几何衰减是由于空间扩散引起的能量分配效应,与介质性质无关;介质耗散衰减是由于波传播过程中所引起的摩擦、液体流动、粘性张弛以及扩散所引起的。一般情况下,衰减受介质岩性、流体类型、裂隙及层间接触关系等因素影响,非弹性介质本身的吸收衰减比球面扩散衰减大得多。地震波频率越高,衰减越大。岩石颗粒和孔隙组成介质具有的不均匀性使地震波反射不规则散射而造成能量的散射耗散。地震波波长接近于不均匀体大小时,散射耗散作用才比较突出。根据波长 λ 与散射体尺寸d 以将散射分为瑞利散射、随机(米氏)散射和反散射。当 λ≥d 认为散体为均匀介质,散射衰减可以忽略不计;当λ≤d 度基本上也没有衰减;当 λ\d s≈2π 时,主要为属瑞利散射,速度随频率增加略微增加;λ≈d 要为米氏散射,速度随频率增加而迅速下降。当地层中含有流体时,微观尺度上的孔隙流体、孔隙流体与岩石骨架的相对运动都会引起地震波能量的吸收损耗。流体的存在增加了岩石的黏滞性,与流体黏性流动相关的衰减主要包括 衰减作用、喷射流衰减作用。论认为固体骨架和孔隙流体的相互作用表现为黏性剪切和惯性耦合,地震波速度频散和能量衰减源于流体的宏观流动所造成黏滞损耗效应,属于宏观衰减理论。在低频时,粘滞性趋肤深度(或粘滞性透入深度)要远大于孔隙尺寸,孔隙流体与骨架之间惯性耦合而同向运动,衰减很小;在高频时,粘滞性趋肤深度非常小,孔隙流体与固体实际上已经被分离开,衰减比较大。论定义的临界频率为:喷射流衰减机制或局部流机制是建立在微观流体流动理论基础之上。岩石中的孔隙总是各向异性的.当地震波传播时,孔隙刚度的不均匀性就会产生压力梯度微观流场。柔顺孔隙中的流体就会被压缩喷射到其他的孔隙中,而且不同的喷射流还有不同的方位。该理论通常以 ωη 为尺度,研究地震波的衰减与频散。 出了一维双相系统中同时处理固动和喷射流动力学机制的 型,并将其理论预测结果与实验数据进行了比较,获得了更准确的结果。含气储层和与之相邻的低饱和气藏剖面进行谱分解分析,并且使用谱比法计算了品质因子 Q 值,分析结果表明:低饱和气藏在峰值频率、带宽、Q 值上所表现出来的衰减要比商业气藏大;为岩石中饱和重油时的黏度与传统的 程和 论中的假设无关,采用了自适应等效介质模型方法模拟了饱和重油的岩石的弹性波速度和衰减。8、对速度和衰减进行精确的测量是一件很困难的工作,在实验室测试介质速度和衰减的主要方法可分为:利用行波的观测(脉冲传输法) ,利用振动系统观测(驻波法) ,利用应力与应变关系曲线。脉冲传输法还可分为透射和反射两种,是测定声脉冲在样品中的传播走时和传播距离和波形振幅的变化以获得样品的速度和衰减,是目前在实验室使用最多的一种方法,尤其在研究多孔介质中波的传播特征时最合适。驻波法可分为自由振动法和受迫振动法,该方法使样品产生自由振动或受迫振动并产生共振,测定其相应的频率,并用扭转法测切变常数,弯曲和压缩法测压缩系数。利用应力与应变关系曲线主要是观测应力与应变曲线的滞后现象。为了满足实验室测量向低速、软样本、低频和各向异性等方向发展需求,计了一种新的速度测量系统,这个系统包括:采用 5 分量速度系统计算5 个独立的弹性参数;针对不同样本采用多套不同的传感器系统;应用样本长度变化监测机制,有效记录样本的长度变化;引进岩心空间可压缩监测机制,这样就能定量监测都流体有多少进入或者流出岩心,监测岩心的饱和过程,并且评估岩心的可压缩程度。9、目前,地震岩石物理参数反演仍处在探索阶段,主要可分为经验关系法、多元统计法和理论模型法.经验关系法主要是通过对工区的岩石样品进行储层条件下的测定,孔隙度和饱和度与速度等弹性参数的关系,通过叠前反演的结果,求得饱和度和孔隙度。多元统计法同经验关系法类似,其主要是建立孔隙度和饱和度与多种地震属性之间的统计关系,从而求取孔隙度和饱和度。过使用能克服传统网络的过拟合问题的正规化反向传播网络估算了储层的孔隙度;用逐步线性回归和随机神经网络的多属性变换方法,求得最佳的孔隙度表达式从而求取孔隙度;合岩石物理和多点地质统计学,从样本数据中建立一定的条件概率和最优化关系,然后进行地震反演;了从叠前地震数据中预测岩性和流体,提出了快速贝叶斯反演方法。理论模型法主要就是结合等效介质理论模型,采用非线性反演的方法反演孔隙度、饱和度及泥质含量等地震岩石物理参数。该方法克服经验关系法中的不确定性和多元统计法缺少实际物理含义的缺点。10、目前,国内在地震岩石物理学方面的研究机构有:中科院地质地球物理所、中国地震局、中国石化南京石油物探研究所、中国科技大学、中国石油大学、成都理工大学,中国石油集团的岩石物理实验室也正在建立之中。国内也有众多学者在实验室测试、岩石物理模型分析、软件开发等方面做出了突出的贡献,包括马忠告、王东、黄伟传、李凌高、李景叶等。李景叶根据岩石物理模型,分析了油藏流体地震属性的变化规律,将流体体积模量和密度乘积作为新的流体识别因子进行储层预测和流体识别。11、岩心分析、测井、地震勘探中的岩石尺度和使用测量尺度均不相同,因此高频实验测量结果如何与低频的资料之间进行有效的匹配,有待于进一步的研究;理论模型本身都是基于一定的假设条件,本身就存在一定的缺陷;岩石物理实验研究方面与国外还存在非常大的差距,结合实际地质情况的基础理论研究比较薄弱。休斯顿大学、斯坦福大学、科罗拉多矿业学院等在地震岩石物理方面的研究处于世界领先地位。12、地震岩石物理今后的主要发展方向为:1)建立与实际情况更为贴近的岩石物理模型如何建立致密油气藏模型、部分饱和模型、各向异性模型等与实际地层情况更为贴近的岩石物理模型,客观评价实际低孔、低渗透碎屑岩等储层,做好孔隙度、饱和度和渗透率等物性参数预测,有着非常重要的实际意义。2)进一步加强不同学科之间的交叉协同研究3)地震岩石物理参数反演技术将成为新技术发展的热点之一烃类检测历来都是地震勘探难度最大的研究领域之一,为解决地下岩性与流体的问题,地震反演技术已经从叠后发展到叠前。4)建立中国的岩石物理实验数据库,为岩石物理实验数据共享提供平台。
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