明老师找油-0- 白话“岩石物理”与石油勘探开发

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科吉思石油技术 明治良

01 何为岩石物理

岩石物理是一门学科，相关教科书上有详细的定义，但实质上它就是基础科学-物理学和应用科学-岩石学联姻派生出来的一门学科，说白了就是利用物理的方法去描述和理解岩石，用力学、声学、电磁学、放射学、热学的技术帮助描述，去找到我们感兴趣的岩石分布和特征。

02石油勘探开发与岩石物理的关系

在石油勘探开发领域，我们关心的油气都储存在深埋地下几百米-几千米的岩石孔隙中，我们“看不见，摸不着”，要想找到哪有孔隙、哪有油气，就要借助各种物理的方法去了解地下，因此岩石物理不可或缺。

03 何为地震岩石物理

我们在油田勘探开发，会掌握一些区域沉积规律，同时通过钻井测井，了解地下岩性分布和物性特征，但这只是“一孔之见”，要把地下的石油找到并开采出来，需要了解地下的构造高低和储层展布规律，建立地下三维油藏模型，如孔隙度、渗透率、饱和度等，需要把井、地质的信息和三维地震的信息整合起来，但是地震所能观测的物理量有限，只有地震波的弹性模量（如纵波速度、密度、横波速度、吸收、衰减、振幅、频率等），因此重点关注在地震弹性模量规律研究及应用的地震岩石物理技术应运而生。

04 岩石物理主要门派

岩石是由固体的岩石骨架和流动的孔隙流体组成的多相体，其综合弹性特征表现规律比较复杂，速度、密度等各种物理特征的影响因素呈现复杂性和多样性。主要分如下门派：

1)  1）实验岩石物理

根据研究区域实验室测试的纵横波速度信息或者实际测井的纵横波速度信息，通过岩心实验或统计分析，建立横波速度与纵波速度、泥质含量、孔隙度等参数的线性或者非线性统计关系，如Castagna 泥岩线公式，Gardner公式、MudRock公式、Dehua-Han公式、Smith趋势线等。

优势：经验公式简单明了，应用方便

缺点：（1）缺乏广泛代表性，只适用观测岩样以及类似岩性和沉积条件的岩石

（2）缺乏不同岩石物理参数之间的非线性动态变化，只能适应于岩性简单、流体单一或者缺乏其它岩石物理信息条件下的应用。

（3） 无法开展物性替换和流体替换

2)  2）理论岩石物理

岩石的弹性表现为多相体的等效弹性，可以概括为基质模量，干岩骨架模量，孔隙流体模量和环境因素（温度、压力等），根据建立方法不同可分为等效介质理论和波传播理论：

（1）等效介质理论：根据各种几何平均物理模型，在已知各组分含量、骨架模量及各相分布特征的基础上，以适当方式定量求取岩石的等效弹性模量，进而求出弹性波的速度和衰减等，常用有V-R-H模型、Hashin-Shtrikman模型、K-T模型等，由于模型基于各组分模量的简单平均，缺乏应力应变理论基础，实际应用受限。

（2）波传播理论：基于波在岩石中传播的理论规律，通过对孔隙形状等参数的某些简化，利用组成岩石的各相态含量和相应弹性模量来计算孔隙岩石的弹性模量。常用理论模型包括：

a）          Gassmann模型：这是岩石物理研究的最基本方程，描述从干岩石状态到饱和流体孔隙状态下的模量变化。

b）          Biot 模型：Biot 采用连续介质力学的方法导出了流体饱和多孔隙介质中的声波方程，建立了多孔介质中声速、衰减与频率和多孔介质参数之间的关系

c）           BISQ 模型，当地震波在多孔介质中传播时，Biot 流和喷射流机制同时存在，，对地震波的衰减和频散均产生重要影响，基于孔隙各向同性提出了统一的Biot- Squirt（BISQ）模型，反映了两种不同流动形式和流体特性对波速、衰减和频散的影响规律

d）          Xu-White 模型：基于Kuster- Toksoz 模型和Gassmann 理论，Xu-White 提出了砂泥岩混和介质的速度模型。该模型综合考虑岩石孔隙度、粘土含量、孔隙几何形状和面孔率的差异来预测声波速度。关键参数是泥岩孔隙和砂岩孔隙的纵横比。

理论岩石物理的优点：

• 建模过程增进对岩石弹性特性的了解
• 分析的误差能尽早保留数据的缺陷
• 可以直接了当的进行模型的外推
• 自动完成流体置换
• 可以建立非常复杂的模型
  

理论岩石物理的缺点：

• 比较难
• 需要一定的专业知识
• 存在很多未知的参数需要测试和分析
  

在实际应用中，根据研究区域的实际情况选用合适的理论模型是岩石物理在储层表征中得到较好应用的关键

3)  3）数字岩石物理

近年，致密油气和页岩气勘探突飞猛进，常规岩心分析技术已不能满足丝米级甚至纳米级孔隙研究的需求，数字岩石物理技术是基于高分辨率纳米CT扫描系统与FIB扫描电镜的一种纳米级实验方法，具有超高分辨率和三维可视化展示等特点，像FEI公司的双束电镜甚至可以采集到0.6纳米的超精细分辨率的三维岩石结构特征，是页岩气精细储层研究的利器。这项技术成为2011年国际石油十大科技进展之首，仅仅三年后，基于数字岩石等发展起来的细粒沉积机理研究有效指导油气勘探成为了2014年国际石油十大科技进展榜首。

创新点：

Ø  可以对致密储层微观孔喉结构进行无损伤立体重构

Ø  确定孔隙分布特征与储层参数和揭示明确流体渗流机理与油气成藏过程。

Ø  它通过多尺度岩心扫描确定孔隙度、渗透率、孔喉连通指数与储层力学性质的相关参数

Ø  利用晶格玻尔兹曼原理模拟油气渗流机理，建立基于真实三维孔隙模型的非常规油气成藏动态模型。  

作为非常规油气储层微-纳米级孔喉结构研究的关键技术，它改变了传统的储层孔喉结构表征方法，建立了非常规储层性质有效评价体系，大大拓展了全球油气勘探领域

05 岩石物理主要研究机构

国外岩石物理研究的重点在于理论模型的建立和应用，着眼于研究成果的系统化和精细化，几个主要研究机构的研究情况如下：

（1）  休斯顿大学岩石物理实验室——RockPhysics Laboratory）

休斯顿大学岩石物理实验室长期从事岩石和流体特性的测试和特性研究，致力于从地震资料中提取储层特性和流体特性。在近3年的SEG年会上，该机构共发表文章22篇，内容涉及岩石物理研究的诸多方面，包括不同流体状态的AVO特征研究，重油储层特征研究，时移地震研究，速度频散研究，深水储层岩石物理研究、碳酸盐岩的孔隙结构研究等。

（2）  斯坦福大学岩石物理及井中地球物理项目组（RockPhysics& Borehole Geophysics Project）

斯坦福大学的一个重要的研究方向就是地球物理勘探领域的岩石物理研究，其现阶段研究的重点包括(a)多孔岩石介质的力学性质；（b）实验室条件下岩石颗粒矿物和储层流体的速度、衰减、渗透性测试分析；（c）多孔流体饱和介质地震波的传播、衰减和频散研究等

（3）  美国岩心公司（CoreLab）

美国岩心公司致力于油藏最优化和采收率最大化，其关键的技术理念是：任何油藏优化措施都要基于对油藏复杂情况的详细了解—岩石特性、天然气、原油、水及控制岩石内液体和气体流动的机理，其三个业务单元（油藏描述、油气增产、油藏管理）都与岩石物理研究密切相关。公司拥有一整套岩心测试设备，全方位对测试数据进行测试，收集了世界范围内许多机构的岩心测试信息，建立了油藏应用岩石物性综合数据库系统。

4）FEI公司

FEI公司是全球顶尖的数字电镜制造商和非常规油气技术提供商，拥有世界上最高分辨率的扫描电镜和透射电镜，同时为了更好地观测非常规油气储层的纳米孔隙度、渗透率、润湿性、热裂解特性等，创新出针对油气行业的环境真空条件下的岩心高分辨三维扫描技术，在实际应用的基础上建立起从纳米孔隙到油藏的多尺度融合研究流程，以及纳米孔隙模型渗流规律研究等，有力支撑了非常规精细地学研究的进步。

国内岩石物理研究紧紧跟踪国外的技术发展，着眼于岩石物理理论模型的应用，主要包括以下几个方面：（1）岩石物理理论模型适用性研究；（2）实验室岩心测试技术研究；（3）储层特征参数研究；（4）岩石物理参数规律统计；（5）储层特征敏感参数识别；（6）测井曲线的重构或生成

06 岩石物理模型建立及适用性研究

岩石物理性质是复杂的，且不同区域有不同的规律。一方面，要基于地震波在岩石中传播的规律，建立尽可能确切的岩石物理性质各因素间相互联

系的理论模型，这是岩石物理研究的基础；另一方面，要明确不可能得到一种普遍的理论模型或者经验公式，因此应用理论模型或者经验公式时，必须

要了解各自的适用范围、假设条件和关键参数，简单的外推可能导致错误的结果。

07 岩石物理研究在勘探开发中的实际应用

随着计算机能力的提高和地震处理技术的改进，地震数据处理可以解释地下岩石更多的细节，如岩性识别、流体识别、孔隙性质判断、储层压力和温度确定、岩石衰减因子确定等。没有相应的岩石物理研究，这些任务很难实现。同时也需要在勘探开发实践中，对岩石物理研究所得到的认识、结论不断的进行探索应用，分析其存在的问题，不断的进行完善。

（3）岩石物理模版研究

岩石物理技术在储层物性反演、烃类检测、AVO、时移地震等地震技术中起到了基本准则的作用，也可对地震数据的处理和解释提供基础性参数和参考。这种准则作用或者基础参数分析可以通过岩石物理模板实现。基于区域地质和岩石物理参数，如岩性、矿物组成、深度、压力、温度梯度、成岩作用、流体特征等，通过各种参数的统计分析，建立针对特定应用目的不同属性参数之间的关系的模版，为地质学家对地球物理信息的定性认识乃至定量解释提供方便的实用工具

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