岩石物理学及其应用Rock__Physics

Rockphysicsanditsapplications岩石物理学及其应用,贺振华曹均成都理工大学信息工程学院2010年9月,提纲Outline以王之敬（WangZee）的学术报告为主，适当增补、修改了一些内容。,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,主要参考文献1）陈颙，黄庭芳著，岩石物理学，北京大学出版社，2001年2）陈颙，黄庭芳，刘恩儒编著，岩石物理学，中国科学技术大学出版社，20093）王之敬（WangZee）“岩石物理概述”学术报告（PPT），20024）贺振华、黄德济、文晓涛著裂缝油气藏地球物理预测，四川科学技术出版社，2007年5）R.E.Sheriffet.al.,ReservoirGeophysics,SEG,19926）AmosNur著，许云译，双相介质中波的传播，石油工业出版社，19867)PerAvseth,TapanMukerjiandGaryMavko,QuantitativeSeismicInterpretationApplyingRockPhysicsToolstoReduceInterpretationRick,CambridgeUniversityPress,20058）LeonThomsen，Understandingseismicanisotropyinexplorationandexploitation，SEG，20029）G.Mavko,T.Mukerji,J.DvorkinTherockphysicshandbooktoolsforseismicinporousmedia,CambridgeUniversityPress,200310）B.ussell,.edlinFluid-propertydiscriminationwithAVO:ABiot-Gassmanprospective.2003Geophysics,68(1):2939,主要参考文献（续）,11）B.GurevichandJ.GalvinFluidsubstitution,dispersion,andattenuationinfracturedandporousreservoirsinsightsfromnewrockphysicsmodles,2007,TheLeadingEDGE,26(9),1162116812）邹文，基于地震资料的流体识别技术研究，成都理工大学博士论文200813）王炳章地震岩石物理学及其应用研究，成都理工大学博士论文200814）赵群面向起伏地表和缝洞储层的物理模拟技术研究，成都理工大学博士论文200815）马中高碎屑岩地震岩石物理学特征研究，成都理工大学博士论文200816）刘雯林油气田开发地震技术，石油工业出版社1996,1、岩石物理学概述,王之敬（WangZee）为成都理工大学校友，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，曾任美国SEG协会副主席。,Laboratorymeasurements,ChevronTexacoRockPhysicsLaboratories,1、岩石物理学概述,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气的物理基础,三个学科的桥梁,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目前着重于统计相关，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时移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、定量化,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Itsimperativetoknowtherangeofapplicabilityofatheoryormodel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替换,Allmodelsarewrongsomeareuseful所有模型都有问题,但有些是有用的。（PerAvseth，2005）,串珠状缝洞的地震正演模拟与反演解释,超覆尖灭潜山顶面+内幕串珠状溶洞的实际地震剖面（潜山顶面埋深大于5000m）,地质模型图，图中的地层尖灭和内幕溶洞（黑点）是重点研究目标,用MIVMAS方法获得的多尺度地震正演记录,模拟记录的声学波动方程偏移剖面,MIVMAS地震数值模拟,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、处理不当、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,为负,为正,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.14.7PSI=1大气压力,Rockphysics:usesandabuses,Rockphysics:usesandabuses,32%porositysoftsandChevronTexacoLabRepeat,QCthedatayouuse对你的数据进行质量监控Dontalwaystrustthedatayouget不要总是信任你拿到的数据,P波和S波的变化规律相反!,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,dolomitehasthehighestvelocities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重叠，岩石物理可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,PoissonsRatio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化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,鲕粒白云岩储层中环状溶孔、新月形溶孔、鲕模孔和裂缝,鲕粒内新月形溶孔,鲕粒内环状溶孔,飞仙关组溶孔与裂缝,普光2井岩样溶孔与裂缝,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看起来在预测沥青时，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(gradient1.0psi/ft)上覆地层压力是由油层以上的岩石引起的.(14.7psi=1.0大气压力=0.1Mpa),Pore(reservoirfluid)pressure:pressurecausedbyfluidcolumn=rfgz(gradient0.46psi/ft)孔隙压是由油层以上的流体引起的,Netpressure(effective,differential):thedifferencebetweenthetwopressures=(r-rf)gz(gradient0.54psi/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出现深度闭合差，使构造和断层模糊不清。,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,地震各向异性的直观理解,LeonThomsen（2002）对地震各向异性的定义：SeismicAnisotropyisdefinedtobe:“thedependenceofseismicvelocityuponangle.”地震波速度与入射角有关。,图1上、下层介质物性有差异，射线为折线，每个射线的入射角不同，波的传播速度不同，出现各向异性,图2上、下层介质物性无差异（或差异很小），射线为直线，射线的入射角不同，波的传播速度相同，显示各向同性,由地震波各向异性的定义和图1与图2可以回答常见的如下问题：（1）为什么上、下层各自均匀，还会出现地震各向异性？（射线为折线，盖层愈厚，各向异性影响愈大）（2）做了地震深度偏移后，为什么还会出现地震各向异性？（不可能每道给不同的速度）（3）为什么主要考虑目的层上方地层的各向异性？,HTI与VTI介质,HTI,VTI,V2,V1,各向异性系数：,Laboratorymeasurements各向异性的实验室测量,Fortransverselyisotropicrocks,aminimumof5independentmeasurementsarerequiredtoobtainthe5independentelasticstiffness对于横向各向同性岩石来说，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,TI（TransverseIsotropy）介质,VTI介质有五个独立参数C11=C22、C44=C55、C13=C23、C12=C11-2C66五个独立参数为:C11,C33,C44,C66,andC13,HTI(或EDA)介质也有五个独立参数C12=C13、C22=C33、C66=C55、C23=C33-2C44。五个独立参数也为: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特别费时,Wedesignedanapparatusthatsaves2/3ofthelabtime王之敬等设计了一种设施可节约三分之二的时间,Transverseisotropy-single-plugmethod,Wedesignedandbuiltadevicethatrequiresonlyonecoreplugtoobtainallthefiveelasticconstants王之敬等人的新方法只需测一个岩芯就可得到五个弹性参数Thismethodhasbeenrigorouslyvalidatedandtestedusingmaterialswithknowproperties王之敬等用已知材料对这个方法进行了各种测试,Datafrom100datapointsofshales,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,极化对称坐标介质(VTI,HTI)的Thomsen各向异性系数,的值是无量纲的,一般小于0.5,当地震炮检距较大时,表示各向同性介质与各向异性介质中动校时差的差异.注意:和的定义不统一,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-plate