岩石物理学近期进展

Ming170

　岩石物理学一般分为两个分支：开发（地球物理）与生产（岩石物理和石油工程），一方面地球物理要求在远离钻孔的情况下确定岩石弹性性质，另一方面需要在远离钻孔条件下弄清岩石物理特征，改进对储集层的描绘和定性。人们正迅速地推动地球物理、石油物理和储集层数据的综合研究，在促进这种综合研究的过程中，岩石物理学的任务是找到a地理物理参数和岩石性质之间的关系。本文简单介绍岩石性质对地球物理和岩石物理参数的影响
　　1.流体的影响
　　五十年代，加斯曼和比奥特提出：流体性质影响多孔介质中弹性波的传播。从那时起，人们对这个问题进行了广泛的理论研究与实验验证。比奥特-加斯曼理论的最大应用是借助“亮点”技术识别含气沙。比奥特一加斯曼理论预言，盐水或油饱和孔腔中的少量气体会明显降低弹性波的速度。这是因为气体和液体的压缩系数相差很大，孔隙饱和物能部分支持波经过时所引起的弹性载荷，所以当体模较大的流体完全填充孔腔时，波速就高。然而存在少量气体，平均流体模量便会明显降低，从而引起P波波速的下降。比奥特一加斯曼理论还预言：切变波不受饱和液体压缩性的影响。
　　这一理论认为，只有当VP较低，岩石（未固结砂、浅固结岩石）中含有模量较高的液体（水、低汽化点的油）时，液体饱和岩石与部分充气岩石的VP的差别才会大于10%。这解释了“亮点”常出现在盐饱和构造上方未固结和浅固结砂岩中。比奥特-加斯曼理论假定流体压缩率是气体和液体压缩率的体积平均值。多梅尼科（Domenico，1976）和莫奇舒吉（Mochizuki）提出，高频下平均流体模量可由体模量的体积平均得出。这说明了随气体饱和度增加，VP值几乎线性下降。超声频率下，对流体压缩率进行平均的体积大约为一个波长，即几个孔隙大小的量级因此，气体饱和度较低时，许多个“平均体积”内可能不含气体并VP很大，结果就要比比奥特一加斯曼理论值要高，在气体充满所有平均体积之前都是这样。
　　比奥特-加斯曼理论在实际应用中存在一个问题，就是要求知道岩石的骨架模量。按比奥特的定义，它是压缩时液体可以自由出入的完全饱和样品的体模。比奥特的“饱和模量”是指液体充进孔腔并承受部分弹性载荷的模量。许多人把干燥或充气岩石模量当作骨架模量。然而实验证明，含水量低的岩石受化学力和毛细管力作用很强，对于干燥岩石与含百分之几水的岩石，它们的速度差别很大。
　　总之，比奥特一加斯曼模型是寻找某些储集层中气体的有力工具。但在应用这一理论计算预期的速度或阻抗变化时，最重要的是正确使用骨架模量或流体模量。理论和实践表明，对于固结好的储集层，或是很深的轻油储集层，由于气体引起的速度变化小到测不出来。准确区分一个储集层是油浸还是水浸的，在采集过程中是很重要的；对于岩石二水相互作用，在速度分析中也很重要。
　　2.孔隙、裂缝和断裂的影响
　　计算弹性性质时，多孔岩石被认为多相或复合介质。目前还没有直接的理论能正确地预言岩石基体与多孔岩石弹性性质的差别。关于孔隙对速度影响的模型可以分为两类：孔隙模型和颗粒模型。颗粒模型假设岩石由相互接触的颗粒组合，速度取决于颗粒、颗粒接触形式及接触面积等情况。
　　孔隙和裂缝模型把岩石当作具有孤立孔隙及裂缝的固体，但是大多数实际情况中岩石的特征介于以上两者之间。颗粒模型反映了实际砂和球状堆积的某些特征，不过缺点是没有充分考虑实际观察到的非固结球状包之间的接触劲度，因此颗粒模型对于固结岩石的适用情况亦不好。
　　在固体基体模型中，该模型采用不同纵横比的孔隙分布，可以于从波数据中反演得到孔隙分布，缺点就是当体密度给定时，孔隙越小对速度的影响就越大。因此，这些模型应用于孔隙非常小的火成岩效果很好，但应用到沉积岩时，却需要假定大量细孔的存在，这是不合理的。虽然孤立孔隙也不完全符合实际情况，但是它适应性强，因而更常用。
　　我们要完全认识孔隙和裂缝对岩石弹性性质的影响还需要新的模型和实验。最近，阿卜杜拉伽华德（Abdel-Gawad）直接观测不同压力下的孔腔得到的纵横比分布证明，细长孔隙的数目随压力增大而增加。换句话说，细孔隙随压力增加不闭合，只是变细了这一点，加上输送和孔腔弹性模量之间缺乏相关性，提示我们必须重新考虑过去对孔腔及其对弹性性质影响的一些观点。但细裂缝模型有一个优点，就是它可能模拟裂缝对速度的影响。这些模型都假定弹性波波长比裂缝或断裂尺寸大许多按照这些模型，只要裂缝的大小远小于波长，它的大小就没有影响。
　　3.各向异性对弹性波传播的影响
　　已有的裂缝模型中，讨论裂缝分布各向同性的占多数。最近由加宾和诺波夫（1975）、赫德森（1981）及克拉宾（1984）等人提出，断裂簇或定向裂缝可导致岩石中弹性波波速的较大的各向异性。野外研究也发现了方位波波速各向异性和由各向异性引起的偏振S波分解。这些研究大多认为各向异性是由上层地壳中定向裂缝引起的。
　　纳和西蒙斯（1969）、西蒙斯等（1975）等进行由定向微裂缝导致弹性性质变化的实验研究。西蒙斯（1975）等和普卢姆等（1984）能够将微裂缝取向的直接观测结果与10-20%的P波速各向异性联系起来。实验和理论表明，当能量沿平行于裂缝方向传播时，P波速度不受裂缝或断裂影响。这就解释了为什么垂直侧向断裂不改变P波地震波剖面。理论还提出，当能量沿平行于裂缝方向传播时，裂缝对SV波和SH波的影响是不同的。克拉宾（1978，1984）和安多（Ando，1983）等，用此解释他们在野外研究中所观察到的S波分解。理论和实验指出，S波和大偏移P波VSP在探测石油储集层中垂直倾向断裂区域时可能有用途。
　　当然，地震波各向异性不仅仅起因于断裂。大多数矿物在它们的不同晶轴上表现出很强的各向异性。沉积环境也能导致颗粒及矿物的各向异性。沉积各向异性尽管能引起垂直与水平方向速度的很大不同，但它一般不导致P波在水平方向的各向异性或S波分解。然而，沉积各向异性对岩石的电性质影响很大，从而造成某些情况下对电和介电测井的不正确解释。此外，地震波各向异性还可以由层厚比波长小许多时的各向同性介质引起。
　　总之，我们只有对岩石性质进行广泛地研究才能够认清它们之间的关系，除了上面简单的介绍总结之外，近来还有人用核磁共振研究饱和与束缚水的问题，也有人对岩石从结构上进行了仔细研究，以增加对尺度现象和交界面的认识。以上问题，还有岩石性质间的关系、孔隙几何对输送和弹性性质的影响，以及各种流体对岩石表面化学性质的影响等问题，都是需要继续研究的。只有这样，我们才能用观测到的储集层特征去推断储集层的未知特征。