岩石物理技术在石油应用中的前景

岩石物理技术在石油应用中的前景

摘要：岩石物理学与地质学、地球物理学、地球化学、力学、流体力学、材料力学、地热学、环境科学、工程学等众多学科密切相关，是一个高度的交叉的边缘学科。对油气资源的勘探开发而言，岩石物理将地质、地球物理、石油工程三个学科紧密联系在了一起。近年来，我国石油勘探的主要目标已经转变为低幅度构造、低孔低渗储集层和裂缝性复杂岩性储集层。利用岩石物理学结合现有技术在针对低电阻油层和复杂油气藏进行测井识别和油层评价时，能充分提高油气勘探效益。岩石物理学未来在石油工业中将有广阔的应用前景。

关键词：岩石物理技术；应用前景；石油

一、国内外研究和应用现状

国内岩石物理学主要研究方向包括：岩石及流体性质对弹性波传播的影响、对导电率及岩石中电磁波传播的影响和对渗透率的影响；裂缝对岩石的弹性及孔渗参数的影响；断裂力学的应用等。

在石油行业的储层勘探和开发中，如何准确的找到并划分有效储层是关键。岩石物理学是储层描述的一个重要工具，因为大多数进行储层描述的技术都是基于岩石的物理性质。岩石的物理性质能够反映地下岩石和储层的有用信息。岩石物理学具有可解释性，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，其测量数据可以被解释。因此，它不仅仅是储层描述的工具，也为所有的地学家提供了物理基础。起到一个桥梁作用。目前，在石油工业的主要服务对象是储层描述和采收率监测，岩石物理学主要服务有：地震和测井解释、储量估算、提高采收率。对储层岩石物理特性的完全描述，意味着要确定各个储层、定义有关解释算法的所需岩石物理参数。对于地学家来说这是一个新的方向。储层描述技术的发展是石油工业中从勘探到开发的一个实质性的转变结果。人们估计（mark,1995）地震监测在接下来的几年中会增长到每年二十亿美元。

实际研究中利用岩石物理建模模拟各种岩石弹性参数和储集层参数之间的联系。近几年的进展包括了Karlsruhe 大学等几家研究机构利用X 射线层析成像技术模拟了部分饱和多孔隙岩石的纵波速度；Curtin 大学采用有限元建模方法

进行了非均匀岩石的Gassmann 流体替代研究； Ikon 公司还联合其他研究机构在实验室测定了石炭系灰岩样品人造裂缝的法向柔量和剪切柔量。Statoil ASA 公司对如何在已知矿物组分的泥岩中模拟岩石物理参数进行了研究,采用了岩石物理模型反演的方法来寻找合适的矿物模量值,该方法还可用于由纵波速度计算横波速度。Stavanger 大学研究了泥岩中地震波速度的温度敏感性。Bristol 大学等对硅质碎屑岩中的地震属性各向异性进行了探讨,并开展了裂缝密度张量反演,以此分析岩石骨架结构中的变化。Tsuneyama 研究了孔隙形状对纵横波速度比的影响,并在此基础上提出了由纵波速度和孔隙度预测横波速度的新方法。二、岩石物理学研究内容和主要测量技术

岩石物理学致力于从实验和理论上研究岩石的物理性质、这些性质间的相互关系以及它们在地球物理和岩石物理数据中的反映。它研究基础是来自于实验室的测试数据：石油工业中是以测井技术和实验室的测试结果为主。在实验室利用各种物理测试手段，测试岩石的各项物理性质，建立岩石物理性质与物理参数之间的关系。实际研究中利用岩石物理建模模拟各种岩石弹性参数和储集层参数之间的联系

地球物理中的测量技术主要涉及空间观测、地面观测、井中观测和实验室观测。空间观测是利用航磁，红外遥感，航空放射性测量，卫星拍照等，用于确定大地构造，确定地表形态。地面观测指的是地质观测、地球物理方法(天然地震，人工地震，各种重、磁、电等方法)，用于确定有利的地质构造,寻找油气分布等。井中观测是直接得到地下的各种地质资料，可以确定地下构造特点和矿物特征，确定油气位置，划分油水层。方法有：电缆测井、VSP和井间地震、随钻测量、取芯。实验室观测涉及岩芯分析，岩芯各种物理量测试，模拟地层测试等方法。

岩石物理性质的正演和反演是岩石物理学中最常用的研究方法。正演是通过已知矿物、岩石本身的性质和变化，研究其物理性质在岩体中可能有的变化，这是一个由微观到宏观的推演过程，通常称为正演。反演是通过已知地质、岩体的物理性质反过来推演岩石和矿物的性质，这是一个由宏观到微观，由整体到局部的过程。通常研究首先要采集各种有地质意义的岩石，在实验室中分别研究各种因素对其物理性质的影响，将大量的实验结果统计归纳得到经验关系式。在建立合理而简化的数学物理模型的基础上，将由实验得到的经验关系外推到实际地球

问题中去。要注意的是如果没有合适的模型，把实验室简单地、小尺度实验得到的外推到大尺度的自然界，常常会出现错误的结论。

岩石物理学是一门高度跨学科的学科分支，这就决定了在岩石物理学中，对于所研究的岩石的不同物理性质，必然要用到上述相应的学科中对应的物理方法和手段。

三、岩石物理学特点

对于地球物理学来说岩石物理学研究得是岩石物理性质同测井响应之间的相互关系，具体地说，研究孔隙度，渗透率等是如何同纵横波波速、电阻率、放射性等参数相关联的。实验是研究岩石物理学的基本方法。主要步骤为：采样——制样——测试——分析——结论与认识。主要测定的物理性质有磁化率、磁导率、密度、电导率、波速、放射性和各向异性等等，测量方法囊括了磁法、重力、电法、地震等等。岩石物理学主要研究的是岩石本身的各种物理性质、这些性质间的相互关系和它们在地球物理学和油气勘探中的作用。

岩石物理学是一门高度交叉的综合性学科，包含了地质学、地球物理学、物理学(声、电、磁、核等) ，声学、测井、岩芯分析、石油工程、地球化学、化工及力学工程和实验测试技术等学科。针对不同研究领域，岩石物理的研究内容不同，在石油工业中，主要研究岩石同储层相关的物理参数及性质；在地质灾害(地震)的相关研究中，以研究岩石的力学性质为主；在环境保护与监测中，主要研究流体的流动。石油工业是岩石物理学主要的研究力量，在一些大学开展这方面的研究，同时几乎所有的大石油公司都在进行同样的研究。岩石物理学研究中常用一些理论模型用来模拟多孔岩石的物理属性及参数性质。这些模型建立通常建立在理想条件下，然而在实际应用中，这些模型却过于简单。大多数的模型能够用一种或更多种任意的参数来预测岩石属性，但是不能够用来实现实际岩石的预测。在面对新的勘探区块时，该地区的核心数据的分析需要岩石物理资料的支持。目前的理论模型在地学科学方面的应用还处在一个有限的水平上，有待进一步的研究发展。实验室研究是岩石物理学最核心的研究方法，只有通过对岩石样品的实验研究才能提供一些相关的制约因素和最高质量的数据。基于实验数据，速度和岩石参数之间的物理关系才能确定并且应用到实际工作中去。

当前岩石物理研究课题的许多成果已经应用在了地震储层技术的发展上。亮

点技术的发展是基于在实验室观测到的事实。含气饱和岩石相对于盐水饱和岩石具有更低的速度。速度各项异性的实验研究，裂缝储层的地震探测也得到了发展。基于实验研究的热强化采油监测技术。还有AVO，DHI技术，储层技术和监测技术的发展都与岩石物理学研究相关。4D地震油藏监测，和反射系数随入射角变化的分析等油气直接检测技术。可以清楚地看到，岩石物理学研究是储层技术的发源地。地震特性受到许多因素的复杂影响，诸如压力、温度、饱和度、流体类型、孔隙度、孔隙类型等等，这些因素常常是内在关联的，当一个因素变化时许多因素也同时变化。这些变化对地震数据产生正面或负面的影响。因此，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变化（其它固定不变）影响的研究。一方面地球物理具有在远离钻孔的条件下确定岩石弹性性质的能力，另一方面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台研究。在促进这种综合研究的过程中，岩石物理学的任务是找到地理物理参数和岩石性质之间的关系。

岩石物理学在实际应用中具有很多优点，在一些地质条件较复杂的勘探区,仅靠地震资料进行解释难以得到较满意的结果,如何获取勘探区内储层岩石物性参数,进行合理的研究并应用于地震资料解释中具有非常重大的作用。实际开采过程中，岩石物理学有助于准确分析地层压力对孔隙度、渗透率的影响以及孔隙、裂隙对油气的运移、注水或注气的影响。

岩石物理学的缺点主要基于技术层面，例如目前地震和测井解释中所使用的物性参数和一些数学模型都是常规的或教课书上的经典公式,或是其它地区得到的经验公式, 缺少实际地区和储层条件下岩石物性参数,因而出现较大的偏差。一些原有理论和经验公式已不适合,有必要通过实验室的结果对原有理论和经验公式进行修正。

四、岩石物理学在石油行业中的应用前景

随着油气勘探开发的不断深入，油气储集体越来越复杂，油气勘探重点也由原来的构造油气藏向岩性油气藏、隐蔽型油气藏转移。当今地震勘探技术成为了发现新油气资源的重要手段,岩石物理技术则成为通过了解地下岩石和流体声波响应的最有效途径，而地震岩石物理技术有效地将地震勘探与岩石物理研究紧密

地结合起来，定量地描述了岩石和油气间的关系。地震技术是研究隐蔽油气藏的关键技术。岩石物理是地震信号与储层性质之间的桥梁,它可以帮助我们更好的理解岩石和流体性质的地震响应。流体替代分析是岩石物理分析的重要部分,它是流体识别和储层定量研究的工具之一，在AVO 分析中起了重要的作用。流体替换分析是了解和预测地震速度和波阻抗如何依赖孔隙流体的岩石物理问题。流体替换问题的核心是Gassmann （1951）关系式，其目的就是通过计算不同流体饱和岩石的速度和密度，分析地震参数和地震响应特征随孔隙度及流体饱和度的关系，进行岩性和油气预测。在储层物性较差，没有取得良好的油气显示的情况下开展对井的流体替换的研究，有助于外推得到储层物性好的地震响应特征。

近几年来,以Gassmann 方程为代表的岩石物理理论研究在许多方面都取得了很大的进展。因为利用岩石物理技术研究的成果，可以提供各种对储层识别及含油气性分析的敏感岩石物理参数，能够有效地指导储层的识别和预测。而建立在岩石物理理论基础之上的正演模拟是全面认识地震波在储层中的传播特点、帮助划分储层类型并用于烃类检测的有效手段。油藏开发过程实质上就是一个流体替换或流体改变的过程。有关油藏岩石中孔隙变化与地震速度和波阻抗关系的确定是利用地震资料进行油气预测和油藏监测的基础，其基础就是基于多孔介质中的地震波传播理论。

物性分析是储层描述的基础工作，通过研究岩石的物性参数，建立岩石的体积模型。根据Gassmann理论，隶取地层在含有不同流体时的密度、剪切模量、体积模量，通过分析测井曲线重构，完成测井曲线的环境校正，计算出测井的横波曲线．通过计算改善地震与测井之间的相关性，提高测井约束反演的质量和对油气的识别能力。在实际测井资料分析研究中，由于测井资料容易受到泥浆、井径扩径等非地层因素的影响，同时由于受泥浆滤液浸入的影响，声波和密度的测量代表地层冲洗带的响应状态，直接利用Gassmann方程计算，不能求准岩石的物性参数，存在误差较大，直接会影响测井属性和地震属性之间的对应关系，给对储层预测工作带来不确定性。通过岩石物性分析，准确地确定岩石体积模量、剪切模量、密度等，及流体对物性参数的影响，并通过计算实现对测井曲线的校正及横波资料求取。

五、总结

在世界范围内，岩石物理的研究成果已经被石油界广泛应用，用于油藏描述、油田监控以及提高采收率。岩石物理研究的是岩石的物理属性与地球物理观测之间的关系。岩石物理学源于早期对岩石物理性质的研究，而石油工业的兴起加快了岩石物理性质研究的步伐。顾名思义，岩石物理研究岩石的物理性质，由于反射地震在石油勘探中的重要作用，近年来岩石物理的研究偏重于岩石的地震特性。这主要反映在地震波速度及衰减与岩石其他性质及岩石所处状态条件的关系。岩石物理研究的结果也将促进四维地震、地震法直接找油和油藏地震监测等技术的快速发展。

参考文献：