地球物理前沿读书报告

浙江大学地球科学学院地球物理前沿读书报告弹性波理论与岩石物理学[作者姓名]目录摘要 (1)第1章基本的对应关系[1] (2)1.2 骨架颗粒特征、分选及充填型式与速度 (2)1.3 岩石密度与速度 (2)1.4 孔隙度与速度 (2)1.5 孔隙流体和波阻抗 (3)第2章以QHD326油田为例[2] (4)2.1 纵横波速度（泊松比）与砂岩孔隙含流体类型之间的关系 (4)2.2 拉梅常数λ和密度ρ乘积与砂岩孔隙含流体类型之间的关系 (4)2.2 小结 (4)第3章以辽东湾凹陷为例[3] (5)3.1 岩性与纵横波速度的关系 (5)3.2 纵横波速比和波阻抗与岩石物性的关系 (5)结论与认识 (6)弹性波理论和岩石物理之间的关系摘要岩石物理学是一个多学科交叉、融合的学科，包含了物理学、地球物理学、测井、地质学等学科；它是从理论和实验上研究岩石的物理特性，搞清流体类型、流体饱和度、岩比、孔隙率、裂隙等各种因素对岩石电磁波、弹性波的影响，以及它们在地球物理和岩石物理测井数据中的响应。

通过综合研究地球物理、岩石物理测井等资料，找出这些响应与储集层之间的关系。

从其定义中我们可以知道，既然岩石的物理特性能够影响弹性波，那么反过来，弹性波的不同特征就可以作为其对地下不同物理性质的岩石的响应。

因此，在弹性波理论和岩石物理学之间存在某种联系，具体的讲就是弹性波对地下各个界面或对不同岩体的响应特征与地下分界面或者岩石物理性质之间的联系，这种联系可能是一对多、多对一或者多对多。

实现的基本思路是利用各种地震弹性参数的空间变化预测和描述地下储集岩石某种物理参数的变化，如岩石骨架、孔隙、流体甚至温度、压力等，进而实现岩性预测和油气检测的目标。

根据上述分析，显对地下地质构造和岩性探测可以用弹性波（人工地震），这也就是在地球物理中弹性波理论的重要性所在。

第1章基本的对应关系[1]1.2 骨架颗粒特征、分选及充填型式与速度，当组成岩石的颗粒分选变差时，颗粒间排列充填得更加紧密，一方面会减小粒间孔隙空间，另一方面使得骨架变得更加坚硬，导致岩石速度增加。

相反，如果组成岩石的颗粒分选好，那么其颗粒越大，其间的孔隙就越大。

1.3 岩石密度与速度密度是表征岩石性质的又一个重要物理参数，岩石密度通常是根据岩石体积物理模型方法，由组成岩石的矿物密度、孔隙度和孔隙流体密度计算得到的。

针对岩石密度与地震波速度关系的相关研究非常多，其中以Gardner等于1974年提出的基于各种岩石平均密度与速度指数关系式最为经典，应用最广，适用于除盐岩和硬石膏以外的大多数岩石类型。

此外，利用不同岩心的实验室测试数据，Castagno等先后研究了岩石密度与速度及纵波速度、横波速度之间的经验关系式。

特别要注意，在不同的工区根据其自身的地质特点的不同，常常会得不同的经验公式，这些经验公式虽然有时存在地域上的局限性，但是对于一些成因相同或相似的区块，可以将这种先验公式作为一已知进行试模拟，而后通过测井等资料尽心校正。

1.4 孔隙度与速度孔隙度也是影响岩石速度的一个重要参数，总体来讲孔隙的存在导致岩石速度的下降，这是因为孔隙度的变化首先会引起岩石密度的改变，岩石的有效弹性模量也会随之变化。

尽管岩石速度与孔隙度之间也具有负相关性，但其关系较岩石密度与孔隙度之间的关系更为复杂。

孔隙充填的类型也会影响速度，而孔隙自身形状大小的不同也会影响速度，因此在已知孔隙度的情况下，仍然很难直接建立孔隙度与速度之间的关系，这其实也佐证了在某些情况下岩石内部结构性差异要比岩石整体呈现的性质对速度的影响大的多。

1.5 孔隙流体和波阻抗岩石的弹性性质还与孔隙流体性质密切相关，这是利用地震资料预测油气的理论基础和依据。

理论研究和岩心测试分析结果表明：干燥砂岩岩样纵波速度较饱含水和饱含油时低，饱含水时的速度大于饱含油时的速度，饱含气时速度最低。

速度随着含油饱和度增大呈变小的趋势，但不同岩性的变化趋势不同。

当饱含水岩石刚刚被少量气体置换时，尽管此时含气饱和度很低，但岩石纵波速度会急剧下降，纵横波速度比和纵波波阻抗等参数均显著降低；随着含气饱和度的逐渐增大，岩石纵波速度、纵横波速度比和纵波波阻抗等变化幅度较小。

正是因为这个原因，饱含气砂层、差气层、含水气层甚至含气水层均在地震剖面上显示出“亮点”特征，给油气勘探带来风险。

既然存在风险，那就需要运用更加多样的除测井外的地球物理方法对地下进行探测，既然孔隙流体和波阻抗之间的关系存在多对一的关系，即不同的流体充填类型反映在地震剖面上可能是相同的特征，那我们自然要寻求破解这种多解性问题的方法，这也是目前比较前沿的课题之一。

第2章以QHD326油田为例[2]2.1 纵横波速度（泊松比）与砂岩孔隙含流体类型之间的关系在地震波速度上就是含油砂岩的纵波速度比含水砂岩低，两者的横波速度基本一样，即含油砂岩的泊松比比含水砂岩低，从而在合成记录上表现出AVO性质。

此外，该区泥岩盖层的横波速度比砂岩大(即大)，而纵波速度基本相当，因此泥岩的泊松比比砂岩的要小，这是该区的一个显著特点。

就泊松比而言，按照从小到大的顺序依次为泥岩～含油砂岩～含水砂岩。

泊松比的在粗略确定岩性方面所发挥的作用确实很大，在最近的一篇利用地球物理方法对大坝泄露位置定位的science文章上，泊松比同样发挥了作用，甚至在同类型的新、旧岩石之间也存在比较明显的泊松比差异。

2.2 拉梅常数λ和密度ρ乘积与砂岩孔隙含流体类型之间的关系含油砂岩的λρ比含水砂岩的低，两者的μρ基本不变。

事实上，这一规律经常被使用，至少作为一种手段，在石油物理中屡见不鲜。

拉梅常数反映的是介质的弹性性质，与密度的乘积其实在本质上反映的是剪切模量受到孔隙流体的影响的反映。

2.2 小结当岩石为孔隙介质且孔隙中含有不同流体时，会引起岩石速度的变化，进而引起反射波振幅随入射角( 炮检距) 的变化，而变化规律与界面两侧的岩石和流体类型有直接关系。

在综合实验测试和野外观测数据的基础上进行正演和反演，研究孔隙流体对地震反射特征的影响。

而地震正演和反演的基础就是弹性波理论，这足以证明弹性波理论与岩石物理不可分割的联系。

弹性波理论与岩石物理之间存在的关系实在是千丝万缕，因此地球物理学家常常选择其中的一个切入点进行，又因为地球物理学的一个重要分支是石油地球物理，因此研究孔隙流体与弹性波之间的关系始终是一个热点问题。

第3章以辽东湾凹陷为例[3]3.1 岩性与纵横波速度的关系通过分析地层条件和不同流体相态下辽东湾凹陷岩石纵、横波速度及密度等岩心测试数据和岩石矿物成分、孔隙度等岩心分析数据，李维新等发现岩石纵波速度随粘土矿物含量增加呈明显减小趋势，而纵横波速度比随粘土矿物含量微增呈明显增大趋势；相反，随着石英和长石含量的增加，岩石纵波速度呈明显增大、纵横波速度比呈明显减小的趋势。

该联系的特点在于，岩性与纵横波速度比之间的关系，而不是与单一纵波速度或者横波速度的关系，事实上两者比值反映的是介质胀缩模量和剪切模量的此消彼长的一种消减关系。

3.2 纵横波速比和波阻抗与岩石物性的关系对于物性好的砂岩，当微含气时，纵横波速度比与纵波阻抗都有明显变化；对于物性相对差的砂岩，表现为渐变特征。

在饱含气情况下，纵波阻抗相对变化量随纵波阻抗增加呈迅速降低趋势；纵横波速度比相对变化量。

随纵横波速度比降低呈减少的趋势；纵波速度相对变化量随纵波速度增加呈迅速降低趋势；密度相对变化量随密度增加呈减少趋势。

结论与认识有关岩石物理和弹性波理论之间关系的研究有很多，而关于这种关系的应用就更是不枚胜举了。

几乎所有的应用研究方面的论文或者说文章都会用到岩石物理和弹性波理论之间关系。

而上述联系就为利用弹性波进行关于地下岩石物理性质的正演提供了理论基础。

比如印兴耀教授等[4]人就利用三维成像技术和数学方法，建立数字岩心，开展多场物理响应模拟，计算岩石的等效弹性参数，为岩石物理学研究开拓了新的领域。

具体地讲，印教授等人发展了一种基于高阶有限差分的岩石模量数值计算的新方法，该方法便于理解，容易实现，占用内存相对较少，计算效率高，结果合理，弥补了常规岩石物理实验周期长，成本高，误差大等不足。

该方法将三维数字岩心样本嵌入一个具有与岩心样本骨架颗粒相同弹性性质的区域中扩充成一个新模型，测量由数字岩石样本非均匀结构带来的纵波或横波峰值振幅的时间差，利用该时间差(相对参考模型)估算纵横波的等效速度，进而求取等效弹性模量。

理论模型和实际岩心的计算结果表明，数值模拟结果与实结果有较高的吻合度，验证了该方法的合理性。

除了数值模拟，直接对不同岩石的弹性模量进行测试也是必要的，比如胡国忠等人[5]就进行了这项工作。

最终他们得到如下结论：1）岩石的动静弹性模量比值不仅与岩体的完整性和风化破坏程度有关，而且还与试验测试方法、岩石的岩层性质和岩石的容重等因素有关联。

致密层的岩样的动、静弹性模量的比值要比储层的大，且这两种比值的大小都在6～l7之间。

2)通过应用最小二乘法法则，进行多项式拟合，得到岩样的动、静弹性模量的相关关系式。

3)岩石动、静弹性模量值存在较大差别的根本原因是岩样内部存在微裂隙。

4)由于在实际岩体工程中为了获得岩石的静力变形参数所采用的原位变形试验费时、费钱，因此通过研究岩石的动、静弹性模量间的系，来确定岩石的静弹性模量，为岩石的力学性质及稳定性研究提供参考，将具有十分重要的意义。

5)试验的试件大小、试件数量、试件加工情况和加荷速度等因素对试验分析结果会产生移动影响。

由于岩石试件的数量和种类有限，没能得出所有不同种类的岩石的动、静弹性模量间的相关关系，还有待今后进一步研究。

本文通过举例的方式，表明弹性波和岩石物理确实存在联系，这种联系在地球物理的研究中起着举足轻重的作用。

References:[1]. 贺芙邦等, 岩石沉积学特征与岩石弹性参数的关系. 油气地质与采收率, 2016. 23(1): 第61-67页.[2]. 武文来与印兴耀, 岩石物理参数与地球物理特征关系研究——以QHD326油田为例. 石油物探, 2008. 47(3): 第235-243页.[3]. 李维新等, 岩石物理弹性参数规律研究. 地球物理学进展, 2007. 22(5): 第1380-1385页.[4]. 印兴耀, 秦秋萍与宗兆云, 数字岩石物理中弹性参数的有限差分计算方法. 地球物理学报, 2016. 59(10): 第3883-3890页.[5]. 胡国忠等, 岩石的动静弹性模量的关系. 重庆大学学报, 2005. 28(03): 第106-109页.。