岩石物理-Rock--Physics.ppt

RockPhysics岩石物理学 学习内容 1 岩石物理学概述1 1岩石物理学的内容与特点1 2岩石物理学的研究方法2 岩石与岩石的变形2 1地球上的岩石和矿物2 2应力与应变2 3岩石的本构关系2 4岩石实验3 岩石中波的传播与衰减3 1岩石中的波3 2岩石中波速的测量与应用3 3岩石中波的衰减3 4岩石模型 4岩石的弹性4 1二相体的弹性4 2流体静压力下岩石裂纹对弹性的影响4 3流体静压力下岩石孔洞对弹性的影响4 4岩石中孔隙流体对弹性的影响4 5弹性波在双相体岩石中的传播5岩石的输运特性5 1达西 Darcy 定律和岩石的渗透率5 2渗透率的测量5 3岩石的输运模型6岩石的电 磁 热学特性6 1岩石的电学特性6 2岩石的磁学特性6 3岩石的热学特性 教材 陈颙 黄庭芳著 岩石物理学 北京大学出版社 2001年参考书 1 赵鸿儒 唐文榜 郭铁栓编著 超声地震模型试验技术及应用 石油工业出版社 19862 R E Sheriffet al ReservoirGeophysics SEG 19923 AmosNur著 许云译 双相介质中波的传播 石油工业出版社 1986 1 岩石物理学概述 以王之敬 WangZee 的学术报告为主 王之敬为我校校友 现为美国ChevronTexaco公司的研究员 美国斯坦福大学客座教授 杰出的国际岩石物理学家 美国SEG协会副主席 Outline提纲 Whatisrockphysics 什么是岩石物理Whyrockphysics 为什么要研究岩石物理Usesandabuses应用及滥用Somerecentresults一些近期结果Challenges挑战 Rockphysics Studiesthephysicsofrocksbutmostlyconcentratesonseismicproperties velocity impedance attenuation ofsedimentaryrocksinrelationtootherpetrophysicalpropertiesandreservoirparameters顾名思义 岩石物理研究岩石的物理性质 但主要集中在沉积岩石的地震特性 波速 阻抗 衰减 以及与其他岩性和油藏参数的关系 Whatdoesrockphysicsdo Bridgesrockandfluidpropertiesandseismicdata连接地震数据和岩石 流体特性的桥梁Isthephysicalbasisforseismicreservoircharacterizationanddirecthydrocarbondetection地震油藏定性描述及直接找油的物理基础 ReservoirpropertiesPorosity孔隙度Density密度Saturation饱和度Fluidtype流体类型Pressure压力Temperature温度Fracture裂隙 SeismicpropertiesSeismicvelocity地震波速Traveltime走时Impedance阻抗Amplitude振幅AVOresponseAVO响应Otherattributes其他属性 RockPhysics bridgebetweenreservoirandseismicproperties 4DFeasibility Seismicmodeling四维地震可行性及地震模拟 RoleofRockPhysicsinSeismicLithology Lithology porosity fluids岩性 孔隙度 流体类型Seismicpropertiesandreflectivityarecontrolledbylithology fluids porosity pressure temperature mineralogy texture etc 地震性质及反射率受控于岩性 流体类型 孔隙度 压力 温度 矿物 层理 等Whataretherelationshipsbetweenrock fluidandseismicproperties 地震性质与岩性 流体类型之间的关系是什么Dothepredictedorinvertedpropertiesmakephysicalsense 预测或反演来的特性是否有物理意义Rockphysicsisthebasisforbuildingthepredictivetoolsandinterpretingthepredictedorinverteddata岩石物理是建立预测工具及解释反演结果的物理基础 Seismicattributes地震属性Currentemphasisisonstatisticalcorrelationswithoutworryingaboutphysicalmeaning目前著重于统计相关 而不顾及其物理意义Butseismicattributesareinfluencedbyphysicalandgeologicalpropertiesofrocksandfluids但岩石 流体的物理及地质特性影响地震属性Rockphysicshelpsusunderstandtherelationshipsamongattributes岩石物理帮我们理解各种属性间的关系 RoleofRockPhysicsinSeismicAttributes RockPhysicsinReservoirCharacterization 4Dfeasibility四维地震的可行性Effectsoffluid pressure andtemperaturechangescausedbyproduction injectiononseismicvelocities impedancesandreflectivity由采油 注流体引起的流体 压力 温度的变化对地震波速 阻抗 反射率的影响Arethechangeslargeenoughtoberesolvedseismically 这些变化是否大于地震的分辨率 QuantitativeInterpretation定量解释Time lapseseismicdatameasurestheoverallchangescausedbyseveralfactors间时地震数据测到的变化是由几个因素引起的Rockphysicsquantifies decomposesthesefactors岩石物理对这些因素分解 量化 RockPhysicsinAngleDependentReflectivity Angle dependentreflectivity依赖于角度的反射率Seismicreflectivityatnon zeroanglesiscontrolledbymorethantheP waveimpedancecontrast非零度入射的地震反射率并非只受纵波阻抗差的控制Howareseismicpropertiesaffectedbyrockproperties 地震特性如何受到岩石特性的影响Howdovariationsinrockpropertiesaffectangle dependentreflectivity 岩石特性的变化如何影响依赖于角度的反射率 Interpretation解释Seismicdatameasurestheoveralleffectsofmanyfactors地震测到的是各种影响的总和Rockphysicsquantifies decomposesthesefactors岩石物理对这些因素分解 定性 Rockphysics usesandabuses岩石物理的应用与滥用 Theoriesandmodels理论与模型Laboratorymeasurementsandempiricalrelations实验室测量与经验关系 Rockphysics usesandabuses Theoriesandmodels理论与模型Fast inexpensive andsometimessimple快速 节省 有时简单 But但是Stillrequiremeasurementofinputparameters仍需去测量输入参数Alltheoriesneedassumptionstosimplifymath andsomeofwhichmaybephysicallyunrealistic所有的理论都需要假设以简化数学 这些假设有时在物理上不现实It simperativetoknowtherangeofapplicabilityofatheoryormodel对于一个理论 一定要弄懂它的应用区间Bewarefudgefactors主要其中的可调 虚假 参数Example time averageequationforfluidsubstitution例如 用时间平均公式来做流体变换 Rockphysics usesandabuses Laboratorymeasurementsandempiricalrelations实验室测量与经验关系Verifytheoreticalresultsandprovideinputdatatotheoriesandmodels验证理论结果及对理论与模型提供输入参数Gatherrealrocksfromthefield whereastheoriesassumeuniversalrocks从油田采集真正的岩石 而理论总是假设一个通用岩石Simulatereservoirconditionsandprocesses模拟油藏环境及过程 But但是Smallsamples needtomeasuremanysamplestoderivestatisticalrelationships scalingproblem 用的标本很小 需要测量很多标本而导出统计关系 尺度问题 Samplesmaybemishandledordamaged标本有可能被误处理 破坏Wrongdatamayhavebeengatheredduetoincorrectprocedures mishandling orinexperience由于错误的测量步骤 误管 或经验不足 所测的数据可能是错的Examples 例如Poormeasurementplanningandexperiments测量规划不对Over dryingclay richsandsorshales对含粘土的岩石过分干燥Inaccurateorwrongdata不精确甚至是错误的数据 Rockphysics usesandabuses Rockphysics usesandabuses 用现代技术测量的岩中的孔隙流体连通网络 垂直应力与垂直裂缝示意图 Poission效应引起的垂直裂缝 S Crampin的定向应力流体饱和粒缘顺服裂缝模型 应力SH 0时 矿物颗粒边缘的裂纹呈自然分布 SH 0 5时 颗粒间的水平裂纹和小角度裂纹开始闭合 大角度裂纹开裂程度加大 SH 1时 水平裂纹进一步闭合 垂直裂纹进一步开裂 到达临界状态 并形成定向 垂直方向 顺服粒缘裂缝系统 应力SH 3时 超过临界状态 岩石将沿垂向破裂 Poission效应引起的垂直裂缝 Porepressure psi Velocity m s Vp Vs 32 porosity oil saturatedsoftsands Fromauniversitylab Rockphysics usesandabuses Rockphysics usesandabuses 32 porositysoftsandChevronTexacoLabRepeat QCthedatayouuse对你的数据进行质量监控Don talwaystrustthedatayouget不要总是信任你那到的数据 Fromacommerciallab ChevronTexacoLabRepeat 26 porositysandstone Laboratorymeasurements雪佛龙岩石物理实验室 ChevronTexacoRockPhysicsLaboratories Laboratorymeasurements ChevronTexacoRockPhysicsLaboratories MTS系统照片 MTS岩石物性测试系统 测量P波和两个正交的横波 成都理工大学岩石物性测试系统 Factorsaffectingseismicrockproperties Manyfactorsinfluenceseismicpropertiesofsedimentaryrocks许多因素影响沉积岩石地震特性 Effectsoflithology density texture岩性 密度 结构的影响 Foragivenporosity dolomitehasthehighestandvelocities给定孔隙度 白云岩具有最高的波速 Becauseseismicproperties impedancesorvelocities overlapamonglithologies rockphysicsconstraintsseismiclithologyprediction由于不同岩性的地震特性交搭 岩石物理在地震岩性预测中提供约束 Dolostone白云岩 1 41 4 0 3 0 2 0 1 7 1 6 1 5 0 33 0 24 0 18 0 10 0 7 0 0 50 0 49 0 47 0 44 Marinesediments海洋沉积 Soil土壤 WetSands湿砂岩 Softshales软泥岩 Limestone石灰岩 Anhydrite石膏 GasSands含气砂岩 Salt盐岩 Shales泥岩 Vp Vs纵横波比 Poisson sRatio波松比 Effectsoflithology density texture Example Lithologypredictionincarbonates例子 碳酸岩环境下的岩性预测 Lithologyandporositybothvaryinreef marginsettings在珊瑚礁及其边缘环境下 岩性和孔隙度都可能变换SimilarP waveimpedancesbetweenporousdolomiteandtightlimestone marl orshale有孔隙的白云岩和无孔隙的石灰岩 泥灰岩 泥岩具有相似的纵波阻抗Costlyexplorationmistakesareoftenmadedrillinginto porosityevents 高费用的勘探错误经常发生在所谓的地震 孔隙显示 上钻井 Example Lithologypredictionincarbonates Impedanceratioisagoodindicatoroflithologyandporosityincarbonaterocks波阻抗比可用来区分岩性和孔隙 Example Porosityandsolidbitumen例子 孔隙度与固体沥青 Solidbitumenisabigprobleminagiantcarbonatereservoir Itreduceseffectiveporosity whereasseismicwaves see thetotalporosity在一个很大的碳酸岩油田中 固体沥青是一个大问题 Bycomparingseismicpropertieswiththoseof clean carbonate theamountofshiftontheporosityaxisgivestheapproximatebitumencontent通过与不含沥青碳酸岩的比较 孔隙度轴的移动量大体就是沥青的含量 Example Porosityandsolidbitumen Thederivedbitumencontentcomparesreasonablywellwiththelaboratorymeasuredvalues导出的沥青含量与实验室直接测量的大致吻合 ItseemsthatS waveisbetterforbitumencontentprediction看起来在预测沥青是 横波要比纵波好 Effectofporefluidsandsaturation孔隙流体及其饱和的影响 RockswithlesscompressibleporefluidsshowhigherP waveimpedancesandvelocities带有非可压流体的岩石具有较高的波阻和波速S wavepropertiesarehardlyaffectedbyporefluids横波基本不受流体的影响 RockswithlesscompressibleporefluidsshowhigherVp Vsratio带有非可压流体的岩石具有较高的纵横波比 Effectofporefluidsandsaturation Fluideffectisthekeyto4D AVO DHI andoil watercontacts流体效应在AVO 直接找油 和油水接触面中起主要作用 However fluideffectis shadowed orcomplicatedbyrockproperties Softerrocksshowlargerfluideffect但是 流体效应往往被岩石本身特性遮盖或复杂化 软的岩石显示较大的流体效应 harder softer Effectofporefluidsandsaturation Example GulfCoastwaterdrive例子 墨西哥湾水驱油Highporositysoftsand高孔隙度软沙Highsalinitybrine高盐度水HighGORlightoil高溶气轻油 WaterdriveincreasestheP waveimpedancebyasmuchas18 whilehardlyaffectstheS waveimpedance水驱油使纵波阻抗升高达百分之十八 而对横波阻抗几乎没什么影响 Afewwordsonpressure关于压力 Inareservoir therearealwaystwotypesofpressuresatwork theoverburdenpressureandthepore reservoirfluid pressure油层中总是存在两种压力 覆盖压与孔隙 流体 压 Overburdenpressure pressurecausedbyrockmass rgz gradient 1 0psi ft 覆盖压是由油层以上的岩石引起的 Pore reservoirfluid pressure pressurecausedbyfluidcolumn rfgz gradient 0 46psi ft 孔隙压是由油层以上的流体引起的 Netpressure effective differential thedifferencebetweenthetwopressures r rf gz gradient 0 54psi ft 净压力 有时也叫有效压 是两者之差 Morewordsonpressure Pressureeffectonseismicpropertiesishigherinlownetpressureranges duetotheclosureofthinporesandloosegraincontacts由于窄孔隙的关闭和岩粒间的拟合 压力对地震特性的影响在低净压区中较大 Knowingthepressureregimeisimportantintime lapsereservoirmonitoring 4Dandtime lapseAVO 了解压力状态对间时地震油藏监测非常必要 Rocksfromdifferentfieldshavedifferentpressureresponseswhichcanbederivedonlyfromlabmeasurements不同油田的岩石对压力的响应是不同的 这种响应一般只能在实验室得到 Effectoftemperature温度的影响 Seismicpropertiesdecreaseastemperatureincreasesinrocks岩石的地震特性随温度的升高而降低Thedecreasesarecausedbythechangesinporefluidproperties rockproperties androckandfluidinteractions这种降低是由孔隙中流体特性 岩石特性 及岩石 流体的相互作用的变化引起的Seismicresponsestotemperatureisthekeyfor4Dseismicmonitoringofthermalfloods地震的温度响应是四维地震监测热采过程的主要基础 Effectoftemperature pre steam difference post steam Example SeismicmonitoringofsteamfloodatDuri例子 杜里油田的注蒸汽地震监测 Whataboutanisotropy 各向异性 Inreservoirswiththickcapshales ignoringanisotropyinseismicimagingoftenyieldsdepthmisties blurredstructuresandfaultimages如果泥岩层很厚 在地震成像中忽略各向异性将导致深度的错误 模糊的构造和断层 NigerDelta 3DAnisotropicPSDM尼日尔三角洲三维各向异性迭前深度偏移CourtesyofKeithHawkins VeritasDGC 5s 6s AnisotropicPSDM IsotropicPSDM Laboratorymeasurements各向异性的实验室测量 Fortransverselyisotropicrocks aminimumof5independentmeasurementsarerequiredtoobtainthe5independentelasticstiffness对于横断各向异性岩石来说 要对每一块岩石要至少测五次才能得到五个独立的弹性参数C11 C33 C44 C66 andC13 Transverseisotropy 3 plugmethod Traditionally threeplugsorientatedatdifferentangleshavetobemeasuredtoobtainthefiveindependentelasticstiffness一般说来 要取三个不同角度的岩芯来进行测量才能得到五个独立弹性参数Theequationshavethesimplestformwhenq 0o 45o and90o上页中的关系式在三个岩芯角度为零 四十五 九十度时最为简化 Transverseisotropy 3 plugmethod C33 C44 C11 C44 C66 C13 Anisotropy各向异性 Becauseshalesarenonpermeable itisextremelytime consumingmeasuringshaleanisotropyinthelab由于泥岩的渗透率特低 实验室中测量泥岩的各向异性得体费时 Wedesignedanapparatusthatsaves2 3ofthelabtime我们设计了一种设施可节约三分之二的时间 Transverseisotropy single plugmethod Wedesignedandbuiltadevicethatrequiresonlyonecoreplugtoobtainallthefiveelasticconstants我们的新方法只需测一个岩芯就可得到五个弹性参数Thismethodhasbeenrigorouslyvalidatedandtestedusingmaterialswithknowproperties我们用已知材料对这个方法进行了各种测试 Datafrom 100datapointsofshales 200forsands and200forcarbonates一百多泥岩数据点 两百多砂岩数据点 两百多碳酸岩数据点 Anisotropyparametersandrelationships各向异性参数及其关系 Sands砂岩 e d s g h Carbonates碳酸岩 Anisotropyparametersandrelationships Challenges岩石物理所面临的挑战 Generalobservation大体状况Rockphysicsiswayunderusedinreservoircharacterization岩石物理没有受到应当的应用 Endangeredrockphysicsspecies搞岩石物理的人越来越少Continuedindustrydownsizingandmerging工业界的裁员及合并Diminishingindustriallabs工业实验室越来越少Fewrockphysicsstudents攻读岩石物理的学生为数不多Evenfewerstudentswillingtodoexperiments愿意做实验的学生更少 ToofewpeoplewhoreallyunderstandrockphysicstoQCdataandalgorithms duetoindustrydownsizingandfull platesyndrome真正懂岩石物理 可以来监控质量和程序的人很少 主要归咎于工业裁员和大工作量 Challenges岩石物理所面临的挑战 Technicalchallen