岩石物理学讲义

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业岩石物理学讲义一、内容简介本课程是地球物理探测专业的一门专业课。课程目的是通过各种教学环节，使学生正确认识和理解地球中岩石的诸多物理性质(尤其是岩石的弹性性质)与岩石本身特性间的一些基本关系，熟悉基本的岩石物理概念和理论，了解获取岩石物理性质的一些基本方法和岩石物理参数应用方面的知。为以后从事与地震勘探、资源环境和地质灾害方面的工作和科学研究打下基础。本课程内容主要针对油气地球物理探测领域，其中包括：岩石物理学的基本概念，基本理论知识，实验过程和技术，岩石的分类和特点、岩石的孔隙和裂隙、岩石中的流体和流动、岩石的弹性和波的传播衰减、岩石的电学和热学性质，以及岩石特性在地震勘探中的应用。三、课程安排第一章引言（2学时）岩石物理学的概念及发展概况、研究意义和应用方向，本课程的特点和安排。第二章地球上的岩石（2学时）地球上的岩石和矿物，岩石的分类和特点；油气储层岩石的特点。第三章储层岩石的多孔特性（4学时）岩石的骨架、密度，孔隙、裂隙和孔洞，孔隙率、裂隙的基本概念，孔隙和裂隙的几何形态，相关的介质模型。孔隙中的流体，流体的流动，饱和度和渗透率，双相介质中的概念第四章岩石的弹性（4学时）岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。第五章岩石中弹性波速度和衰减（10学时）岩石中的弹性波传播的基本概念，波在分界面上的反射和折射，岩石的速度各向异性，波速和衰减的实验测试原理和技术，弹性波传播衰减的基本知识，衰减实验测试的结果，衰减机制和理论第六章岩石速度的影响因素（10学时）岩石速度的影响因素定性描述，波速与岩石物性的经验关系；孔隙、压力温度、流体等因素的影响，速度的各向异性第七章流体饱和岩石中波的传播（8学时）有效介质模型，流体置换方程，Biot理论和实验观测第八章岩石的其它物理性质（6学时）岩石的电学性质，岩石的热学性质，核磁共振第九章石油地球物理中的应用（2学时）地震勘探中的应用，测井中的应用。四、目录第一章引言1.1研究岩石物理学的意义1.2在石油工业的研究1.3本课程的内容、特点和时间安排。第二章地球上的岩石2.1地球上的岩石和矿物，2.1.1矿物定义2.1.2岩石定义2.1.3岩石的尺度微构造(microstructure)均匀介质与非均质2.2岩石的分类2.2.1成岩过程三种岩石2.2.2火成岩概念2.2.3沉积岩概念2.2.4变质岩概念2.2.5岩石成岩的旋回(rockcycle)2.3岩石的特点2.3.1高压高温环境2.3.2多孔介质2.3.3长期作用2.3.4最广泛应用的材料2.4油气藏储层的岩石2.4.1油气藏储层的地质环境沉积结构：盆地概念？储层圈闭2.4.2沉积岩储层岩石的分类和成分2.4.3碳氢化合物源岩与碳氢化合物产生2.4.4现场条件第三章岩石的多孔特性3.1多孔岩石的骨架岩石颗粒粒度测试表示形态比面颗粒密度岩石胶结物3.2岩石的孔隙和裂隙3.3孔隙中的流体3.4流体饱和度和渗透率，3.5毛细压力第四章岩石的弹性4.1应力和应变4.2胡克定律岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。4.3波动方程4.4岩石的各向异性理论。第五章岩石中弹性波速度和衰减5.1岩石中的弹性波5.1.1波的传播5.1.2波在分界面上的反射和折射声阻抗5.2岩石的速度各向异性5.3岩石弹性波的衰减5.4岩石中波速度和衰减的测试5.2.1声波测试系统工作原理5.2.2超声的产生和接收产生和接收的一些常用方法压电式换能器换能器的性能5.2.3温度压力设备第六章岩石速度的影响因素6.1岩石速度的影响因素定性描述建立区域和局部的岩石特性趋势线6.2波速与岩石物性的经验关系砂岩中的P-和S-波速度孔隙度和孔隙形状粘土含量对速度的影响密度和基质岩性温度和压力临界孔隙率颗粒接触与固结对速度的影响6.3Vp-Vs关系Vp/Vs比值泊松比6.3孔隙流体特性的影响孔隙流体特性流体饱和对速度6.5各向异性第七章流体饱和多孔介质中波的传播7.1空间平均（有效介质）模型7.2流体置换：Gassmann方程7.3Biot理论第八章岩石的其它物理性质岩石的电学性质，岩石的热学性质第九章石油地球物理中的应用（4学时）地震勘探中的应用，测井中的应用。五、详细内容岩石物理学Rockphysics第一章引言岩石物理学（Rockphysics）是一们涉及范围较广的边缘学科，只要与岩石本身特性和其物理特性相关的都可以归在这们学科内。岩石的物理性质主要有力学、声学、电学等。这些物理性质在不同的应用领域中形成的各自岩石物理学。其中在石油工业得到了广泛的应用。在石油工业常用英文字Petrophysics表示岩石物理，英文字头Petro-有“石,岩”、“含石油的”之义，在石油工程和测井中常用此词。在石油工程用Petrophysics表示“油层物理学”。其内容包括油气储层中流体的物理和化学性质、储层岩石和物理性质(孔、渗、饱)、多相流体物理性质和渗流机理等。Rockphysics在岩石力学，地震勘探中较常用。两者没有严格的区分。本课程岩石物理学的内容主要是从理论和实验上研究岩石（含有流体的多孔隙介质）的各种物理性质之间关系的科学，特别是研究岩石的孔隙度、渗透率饱和度与地震波速度、电阻率、温度等物理参数的关系。为地震勘探和测井资料处理和解释服务。主要研究内容可归结为：从理论和实验上研究：岩石本身的各种物理性质；这些性质间的相互关系；它们在地球物理学和油气勘探中的作用。1.1岩石物理学的研究意义地球的结构和动力学性质必然与岩石的各种物理性质密切相关。岩石的不同于其它材料的特性，也就决定了岩石物理学所具有的独特的研究内容、方法和手段。岩石物理学研究的重点是与地质学、地球物理学、地球化学、油储地球物理学、地热学和环境科学密切有关的特性。岩石物理学的研究特点，反映了这门学科的基础性和应用性。岩石物理学的特点：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，如能源勘探(如石油工业)，以岩石的弹性为主；地质灾害(地震)，以岩石的力学性质环境保护与监测，以流体的流动其中石油工业是主要的研究力量，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。必须强调：第一，岩石物理学是研究岩石这种特殊的材料，在地球内部特殊环境下的各种行为及其物理性质的。从岩石本身的特点可以看出。第二，在岩石的各种性质中，研究的重点是那些与地球内部构造与运动、能源和资源的勘察与开发、地质灾害的成因与减灾、环境保护与监测有密切关系的特性。第三，针对油储问题开展的岩石物理性质的研究，是岩石物理学研究中较成功的应用领域。第四，国内在这方面的研究较为薄弱。由于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。它研究基础是各种测试技术：特别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，测试岩石的各种物理量，获得岩石性质与物理参数之间的关系。理论上，提出岩石中各种物理性质之间一般关系(理论模型)。两个方面：1)针对岩石特性在假设条件下提出简化模型；2)解释实验观测到的现象和结果。地球物理中的测量技术主要有四方面：1、空间观测：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。2、地面观测：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。地质观测：成矿的地质条件、通过观察出露在地表面的地层、岩石进行搜集和综合分析。地球物理方法：根据地下岩石或矿体的物理性质差异所引起在地表的某些物理现象（表现为异常的现象）的变化去判断地质构造或发现矿体。以人工地震方法为主。地球化学方法：对岩石、土壤、地下水、地表水、植物、水系以及湖底沉积物等天然产物中一种或几种化学特征作测定。3、井中观测：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。4、实验室观测：岩芯分析，岩芯各种物理量测试，模拟地层测试等。岩石物理学中所涉及的研究方法：正问题：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。反问题：已知地质、岩体的物理性质，如何反过来推演岩石和矿物的性质，这是一个由宏观到微观，由整体到局部的反演。应用问题：进一步，如何人为地改变矿物、岩石的特性，从而影响到岩体和地质特性的改变，这在岩石物理学中具有的重要的潜在应用价值。研究基础是各种测试技术：特别是以实验室的测试和测井技术测试为主。在实验室利用各种物理测试手段，测试岩石的各种物理量，获得岩石性质与物理参数之间的关系。理论上，提出岩石中各种物理性质之间一般关系(理论模型)。两个方面：1)针对岩石特性在假设条件下提出简化模型；2)解释实验观测到的现象和结果。实验室具体研究方法：首先，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。注意：若没有合适的模型，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。其次，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。1.2岩石物理学在石油工业的应用在储层勘探和开发中，为了减少涉及经济因素上的冒险，面临的挑战就是如何控制一些不确定因素来圈定储层。这就涉及二大问题：1)多学科：地质、地球化学、地球物理学、工程技术和岩石物理学2)储层的尺度：从盆地到储层，到断块，岩芯，矿物颗粒和孔隙；从地震，井间地震，到测井，岩石物理学是储层描述中的一个重要工具，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。岩石可测量的物理性质（诸如地震速度）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。研究对象沉积岩是烃原岩中的一个主要的岩类。研究沉积岩的性质是岩石物理中的一个主要目标。沉积岩是由复杂地历史条件下的（物理、化学）多孔性材料生成的。几十种参数(诸如：矿物成分、孔隙度、密度、颗粒大小和形状、颗粒的连接和胶结程度等)被用来描述岩石的性质。然而，我们在定量的测量和处理一些与孔隙结构有关的（诸如孔隙的几何性质，颗粒的连接性和胶结程度）重要的岩石参数方面仍然有一定的困难。石油行业中岩石物理几个主要特点：1、岩石物理是一门多学科的科学为了预测岩石参数，必须尽可能的研究岩石属性的不同方面。涉及到储层特征及采收率监测以下方面：1)声波性质2)电学性质3)水利属性4)机械属性5)岩相属性6)孔隙流体属性其中主要集中在储层岩石和流体的声波方面的属性。2、实验方法促使新知识的产生一些理论模型用来模拟多孔岩石的一些特殊的物理属性及一些参数性质。这些模型建立了一个物理概念：理想的多孔介质是怎样来影响物理属性的。然而，和实际的岩石相比，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。人们做了许多努力（Schwartz,1984）来建立多孔岩石模型（Barryman,1994），但是成果却十分有限。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。尽管许多经验关系的确定都基于测量所得的数据。当面对一个新的勘探区域(如边缘盆地)时，如果没有该地区的核心数据，没有人能预测出其岩石物性。为了了解岩石，你必须检验和测试它们。不同盆地，或是不同构成，又或是不同地形外貌的岩石可能完全不相同。在了解它们的特性之前，你必须测试它们。3、实验室研究的意义为了确定岩石物性和物理参数的关系，实验室就进行了相应的研究。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。这些关系可能延伸到一个比较大的范围，甚至无法测定。许多测定的数据，比如，记录，井间数据，VSP地震数据由于缺少参数控制而显得不十分可靠。所以这些测量方法的标准和解释必须依靠于实验室核心方法和岩石物理学知识。4、岩石物理学的能力：综合实验数据和从数据中得到的知识必须与大比例尺度的测量方法相结合起来。岩石物理的研究，不仅仅是采用正确的方法并得到典型性的数据，而在于寻找岩石特性与岩石参数之间物理方面的相关性。这些物理方面的相关性可以为从大量的含有噪声数据确定最终要的参数提供更加有力的方法。这样，第二参数就可以忽略。测量数据的解释就可以走向具有可以理解的不确定性的正确轨道。在确定测量特性之后认知岩石参数是岩石物理学的作用。5、储层技术的发源地岩石物理研究课题的许多成果已经反映到地震储层技术的发展上。1)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。2)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。3)基于实验研究的热强化采油监测技术。4)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。5)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。6、研究方式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。岩石物理问题学家的哲学思想 许多影响岩石特性的因素无法定量化。比如，声学速度受大量的无法测定的参数影响。为了研究一个岩石物理问题，接下来的哲学道理有助于地球科学家：1、承认没有绝对精确的解决方案。2、相信岩石特性是有原因的受到岩石参数的控制，并且这些物理相关性是可以认知的。3、相信自然界给了我们一个暂停，在特定条件下，岩石特性与岩石参数之间的关系是可以简化的。4、能够接受具有可理解的不确定性的并不完善的解决方案。并理解统计趋势，高峰和低谷都不利于处理这些不确定性。按测试方法和手段分，岩石物理学的研究主要分为实验室测试和井中测试两个方面。实验室测量与井中的测量存在尺度上的差别。这两种方法起到互补的作用。两种方法除尺度上有差别外，在测试类型、规模、信噪比和结果的可靠性方面也存在差异。地震勘探方面1)岩石、流体等性质对弹性波传播的影响；2)岩石导电率及电磁波在岩石中传播的影响；3)裂缝对岩石弹性及流体输送的影响。油气开发(石油物理和石油工程)方面1)岩石、流体等性质对油气运移的影响；2)地震方法监测和提高石油采收率中的岩石物理在测井方面的研究岩石电学：(1)低电阻率储层的物性参数；(2)复杂储层的岩电关系；(3)岩石的电化学特性；(4)岩石的复电阻率；(5)岩石的电频散问题核磁共振岩石物理研究和应用的意义(1)在传统的地震勘探中,由于对各地区岩石物性（尤其是储层岩石的物性）缺乏较系统地研究,使得地震资料的处理和解释侧重于构造圈闭形态及岩性的定性解释。大大限制了地震资料的精细处理和应用范围。(2)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,其原因除对已获取的地震数据进行解释所使用的数学模型有缺陷外,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也是一个重要因素。(3)在开采过程中，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、注水或注气的影响需要有定量的物理解释。(4)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。(5)实验室对岩石物性研究的结果一方面可用于地震勘探、开发地震、测井资料的解释,另一方面可把从地震和测井资料中得到的参数结合起来,建立新的岩石物理模型,为地震和测井资料解释服务,使解释精度大大提高。在岩石物理学的地震应用中，我们曾经经常地寻求诸如“如果储层压力增加，Vp会发生什么方式的变化？这种变化有多大？”等等经验准则。因为岩石是那么复杂，同时微观上是非均质的，一般意义上讲只有用这些经验准则去工作。1.3本课程的学习内容、目的和时间安排。学习目的学习内容时间安排第二章地球上的岩石本章目的：人类生活在地球上，岩石始终具有重要的意义。在古代，人类的进化。在现代，岩石仍是农田、水利、建筑、交通、化工、矿业等经济部门施工对象和开采利用的重要资源。本章的主要内容：什么是岩石?地壳上最主要的岩石是什么?岩石有哪些特殊的性质?油气资源中岩石的特点，等。2.1岩石和矿物地球及其以外的物质可以分为固体圈、水圈和大气圈三个圈层结构。在地球的总质量中，大气圈的质量不到1%，水圈仅占千分之一左右，固体圈的质量占99％以上。地球的固体圈是由地核、地幔和地壳组成的，其中岩石和矿物是构成固体圈的最主要的物质。1.矿物矿物是天然产出的，通常由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列（结构）的均匀固体。现代的矿物概念，需有三个条件：1)矿物必须是天然产出的物体，从而和人工制备的产物相区别。2)矿物必须是均匀的固体。具有确定的或在一定范围内变化的化学成分和分子结构。3)矿物一般是由无机作用形成的。像煤和石油都是有机作用的产物，且无一定的化学成分，故均非矿物。组成矿物的元素其原子多是按一定的方式在三维空间内周期性重复排列而形成的具有特定结构的晶体。在外界条件合适时，晶体可以得到正常的发育，生长为规则的几何多面体；但很多情况下，没有足够良好的条件形成这样规则的外貌，矿物的均匀性，则表现在不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质，这正是矿物与岩石的根本差别。矿物千姿百态，但多表现为颗粒状(grain)，其大小悬殊，小的要借助于显微镜辨认，大的颗粒直径可达几厘米，仅凭肉眼即可看见。由此可见，矿物在地质上是建造地球的非常小的材料单元。地球上已知的矿物有3300多种。岩石中常见的矿物只有20几种，其中又以长石、石英、辉石、闪石、云母、橄榄石、方解石、磁铁矿和黏土矿物为多。2．岩石岩石是由一种或几种造岩矿物按一定方式结合而成的矿物的天然集合体。岩石是在地球发展到一定阶段时，经各种地质作用形成的坚硬产物，它是构成地壳和地幔的主要物质。作为天然物体，岩石具有自己特定的比重、孔隙度、抗压强度等许多物理性质。正如矿物由原子组成，但矿物可显示出个别原子不具备的性质一样.岩石虽由矿物组成，但岩石所表现出来的特性，却常常是不能用单独的一种或几种矿物的特性加以替代或描述的。3．岩石的尺度岩石作为矿物的天然集合体，其性质既与组成矿物的性质和各种矿物所占的比例有关，也与这些矿物在岩石中的几何表现、分布状况、胶结情况以及矿物颗粒之间的孔隙度及孔隙流体有关。描述岩石的矿物颗粒的几何表现、分布状况、胶结情况等关系，涉及到岩石的微构造(microstructure)。矿物颗粒的排列，矿物成分的变化，矿物颗粒的形状和大小，孔隙的数目以及破裂程度等造成了岩石微构造的不均匀和无序性。由此可以得到一个直接的推论：岩石的物理性质是与进行测量的尺度(scale)有关。在研究地球的岩石时存在着不同的尺度。第一种是矿物颗粒(grain)的尺度，亦称矿物尺度(micro-scale)：研究各个矿物的性质，矿物与矿特之间相互的接触几何等第二种是研究由多个矿特组成的岩石尺度，常称为岩石尺度(macro—scale)：在这种尺度下，矿物的性质被平均掉了，取而代之的是岩石的性质；第三种尺度更大，包括了完整的岩石，也包括了多种岩石的组合，如岩石中的节理、等间断面，这种称为岩体(mega—scale)的尺度，岩休性质取决于岩石的组成和各种间断面的控制；最后一种尺度是地质尺度(giga—scale)，它是各级尺度性质的高度且复杂的综合。地质现象是由矿物、岩石、岩体和构造运动的总体所决定的。当研究尺度远远大于特征尺度时，岩石可以近似地看成是均匀的，岩石具有了下限尺度。矿物颗粒的大小提供了一种特征尺度：这种均匀是体积平均意义上的物理性质均匀。整体、统计上的稳定性。在研究能源、资源、环境等地球基本过程问题时，所遇到的尺度都符合这个最低下限的要求。特别注意的是研究的对象是岩石，而不是矿物和组成矿物的元素。在地球运动中，整块的岩石不可避免地会发生破裂，其中会出现许多断层、解理和劈理等间断面，这些大小不一的间断面和岩石就构成了岩体(rockmass)。岩体是在内部的联结力较弱的层理、片理、节理和断层等切割下形成的，明显的不连续性是岩体的重要特点。岩体性质(无论是力学、电学还是其他性质)在很大程度上都要受到间断面的影响，例如岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石变形，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性等。岩体中间断面的存在，提供了岩石测量的上限尺度。对岩石的下限尺度和上限尺度的正确理解，是区分矿物、岩石和岩体的基础概念。在研究岩石的物理学性质，在应用岩石物理学性质解决实际问题时，这种尺度概念是十分重要的。多孔隙介质的各种性质与尺度有关尺度问题是各种物理实验中一个重要的问题，尤其在地球物理的实验中。不同尺度范围研究岩石的性质有着不同的意义。实验的一些测试结果是否能使用于实际，首先要考虑的就是尺度的适应性和相似性。4、极小均匀化体积考虑岩石颗粒直径为d的二维孔隙空间，见图。随机将具有不断扩大面积的同心圆嵌入如图的多孔隙介质内，可将孔隙率的变化作为圆的直径函数来测量。图中最内圆将孔隙包含，孔隙率为1，圆的直径扩大到2d－3d时达到了介质孔隙的平均值。以这种方式可统计孔隙变量均匀化所要求的极小面积图均匀介质与非均质均匀介质：在特定的尺度范围，岩石参数和性质有与尺度无关的相似特征。非均质：岩石参数和性质与尺度有关各向异性与非均质各向异性和非均质性是密切相关的。清楚的区分他们之间的不同是有用的。物理上认为，在某种程度上没有任何固体是均质的，因此随方向性质是否变化能区分一个固体是各向异性还是仅是非均匀的是一种尺度的功能。对物理学家来说这相关的尺度是变化的，但是与所用的波长相关联。对于地震波，尺寸或许是几十米；对于测井是分米；而对于实验室测量为毫米。在不同尺度上，即使在同一个固体内，它的各向异性程度和类型完全不同是可能的。2.2岩石的分类我们可以按照岩石包含的矿物种类，各种矿物的比例，矿物的空间分布等，对不同的岩石进行分类。也可以针对一种或两种岩石的具体性质进行分类。例如，可以把矿物颗粒和孔隙度大小作为岩石分类的依据，但这种分类有较大的任意性，本书仍将采用目前最通用的按照岩石的形成过程分类的方法，即按照不同的成岩过程对岩石进行地质学上的分类。2.2.1成岩过程三种岩石2.2.2火成岩概念2.2.3沉积岩概念2.2.4变质岩概念2.2.5成岩旋回(rockcycle)2.3岩石的特点岩石，作为一种特殊材料，和材料科学中研究的一般材料有很大的不同。这些不同表现在以下方面：2.3.1高压高温环境图2.8给出了地球内部压力和温度随地球半径的分布。地壳是地球最外面的一个壳层，平均厚度在大陆上为35km，海洋里为几公里。地壳底部的压力约为1GPa，温度约为600℃，地球半径为6371km。从这些数据不难算出地球内部地壳以下99％的物质都处于lGPa(1万个大气压)和600℃以上的高压高温状态。在这种高压高温环境下，岩石表现出了许多特殊的性质。这种高压高温下岩石的性质是岩石物理学研究的重要内容。图2.8地球内部压力和温度随地球半径的分布．从图中可以看出，地壳以下的地球内部99%的岩石都处在1GPa和600℃以上的高压高温状态(据wyllle，1992)地应力岩石所受的力一般用地应力表示，应力是单位面积上受的作用力。地应力的形成主要与地球中的各种动力运动过程有关。板块边界受压，地幔热对流，地球内应力，地心引力，地球旋转，岩浆侵入和地壳的非均质扩容等。主要包括：（1）大陆板块边界受压引起应力场；（2）地幔热对流引起的应力场；（3）地心引力引起应力场；（4）岩浆侵入引起应力场；（5）地温梯度引起应力场；（6）地表剥蚀产生的应力场。处理地质问题时，常用的应力符号有以下几种：σV垂直方向的主应力，主要是重力作用；σHmax水平方向最大主应力，σHmin水平方向的最小主应力，主要是构造运动引起的应力。重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因。瑞典科学家Hast发明了测试地应力的仪器和方法，测得了财、大事绝对地应力的大小和方向，他发现存在于地壳上部岩石中的水平应力大多呈现水平状或近似水平状，且水平应力值高于垂直应力值。地应力的分布主要有以下规律：（1）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三个不等压的应力场，三个主应力的大小和方向是随时间和空间而变化，它是一个非稳定的应力场。（2）实测的垂直应力基本等于上覆岩层的重量。在世界上多数地区并不存在真正的垂直应力场，即没有一个主应力的方向完全与地面垂直，但存在一个主应力，方向接近于垂直方向。（3）水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力在多数情况下是最小主应力，只有在个别情况下是最大主应力，水平方向上的构造运动如板块运动等，对地壳浅层的地应力起控制作用。（4）最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系，在某些地区存在显著的水平应力。（5）最大水平主应力与最小水平主应力的值一般相差较大，显示出较强的方向性。地应力的分布规律受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩石力学性质以及温度、地下水等因素的影响，其中以地形和断层的影响最大。岩石自重引起的应力场为σV=ρghσH=σx=σy=ρgh其中ρ是岩石的密度，g是重力加速度，h是深度，ν是岩石的泊松比。这种应力叫做自重应力场。应力单位应力(压力)的单位是Pascal简称Pa，它表示每平方米所承受的压力(压力以牛[顿]为单l位)。由于Pa的单位取值很小，故经常用GPa和Mpa：1Gpa=109Pa1Mpa=106Pa其它单位的表示：为了对应力单位有个定性的概念，这里介绍地球内部的流体静压力。所谓流体静压力，就是假定整个地球是一个流体球。由地球总的质量、转动惯量和自由振动周期，以及地震波的走时，可以反演得到地球内部的密度分布。再通过计算可以得到地球内部流体静压力随深度的分布(表22)。岩石在应力的作用下会发生形变，形变的与应力的大小有关。其应力和应变的关系为岩石的最简单的本构关系。图2.13给出了岩石典型的单向应力(压缩)下应力—应变曲线。这条曲线给出了大多数岩石的本构关系，是岩石力学研究中非常重要的一条曲线。这条本构曲线大致可以分成5个阶段：OA段——应力应变曲线呈向上的弯曲，表明随应力的增加，应变增长速度减慢，仿佛岩石随应力增加(作功)而变硬，所OA段也被称为“作功硬化”阶段。从微观机制来看，OA段的弯曲是由于天然岩石中存在的许多微裂纹在应力作用下闭合而造成的。AB段——线弹性阶段，AB的斜率(即岩石的有效杨氏模量)由岩石固态物质的弹性常数和包含的孔隙情况所确定。BC段—应力应变曲线又一次偏离直线，这时岩石的非弹性变形开始明显出现，非弹性体积应变增加，即出现岩石的膨胀(dilatancy)现象。随应力增加，应变增长速率亦加快，仿佛岩石变软了似的，所以BC段也称为应变“软化阶段”。OA，AB，BC三个阶段中包含的研究课题有：岩石在流体静水压下性质的变化；孔隙弹性力学以及在差应力作用下岩石的膨胀现象等。C点——表示岩石在一定条件下所能承受的最大载荷，它是应力—应变曲线的极大值，对应的峰值应力叫做岩石的强度或破坏应力，一旦岩石受力达到了其强度，岩石就会发生宏观的破坏，因此，应力应变曲线可以由C点分成两部分，C点以前叫做破坏前区域(也叫做峰值应以前区域)，C点后叫做破坏后区域(也叫做峰值应力以后区域)。CD段——在岩石力学实验中，能够得到岩石破坏后的应力—应变(或广泛地说，得到受力—变形)曲线，不过是近十余年的事情。在用普通压机对岩石样品加载时，一旦达到岩石的强度(C点)，样品承载能力下降，应变加速，贮存在压机中的弹性能大部分释放了出来，结果造成在C点岩样发生猛烈的破坏，实验只能得到岩石破坏前的曲线。70年代，人们认识到压机刚性所起的关键作用，Cook和Wawersick等(Cook，1965；Wawersick，1970)提出的可控破裂概念以及电液闭环伺服控制压机的出现，才使获得岩石破坏后的曲线CD段成为可能。CD段主要研究的问题是：岩石破坏的稳定性问题；岩样变形的局部化问题等。CD段的研究与地质工程中的破坏的发生、地震过程有着非常密切的关系。DE段——岩石的宏观破裂已经完成，断裂面已经形成，岩石的应力—应变曲线所表示的，是沿断裂面两侧岩石的摩擦滑动，涉及这方面的研究课题有：摩擦滑动的条件以及滑动的方式——稳定滑动和粘滑(stick—slip)等，这部分内容与地震和其他的岩体中的失稳过程有密切联系。图213岩石典型的单向应力(压缩)下应力应变关系孔隙介质内的有效压力在岩石中总是存在两种不同的压力：上覆岩层压力和岩石孔隙内的压力。上覆岩层压力（Po）也称为围岩压力，是整个上覆岩石地层所施加的压力；而储层压力（Pp）也称为流体压力或孔隙压力，是流体质量所施加的力。上覆岩层压力和储层压力之差称为上覆岩层净压力（Pd），也称为差压力或有时称为有效压力（Pe）。严格地说Pe≠Pd。事实上Pd=Po—Pp，而Pe=Po—nPp，式中n≤1。控制储层岩石地震特性的是上覆岩层净压力。这是因为孔隙流体压力抵消了一部分上覆岩层的压力，进而减少了整个岩石地层所支撑的负载。2.3.2岩石的多孔岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。图1.9给出了砂岩的扫描电子显微镜照片，我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流体组成的多相体。孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例如，岩石中孔隙体积增加1%，会导致岩石弹性参数变化10倍或者更多，也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化(见以后的几个章节)。岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。这种存在与人类生活密切相关，例如地下水的形成，深埋地下核废料的扩散，环境污染和保护等问题都与孔隙流体的运移有关。岩石的多孔性和孔隙流体的输运性，也是岩石物理学研究的重要内容。图1.9图l.9砂岩的扫描电于显微镜(SEM)照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙。砂岩孔隙体积可占岩石体积的6%。这些孔隙相互连通，形成了孔隙流体流动的通道2.3.3长期作用岩石在短时间外力的作用下，表现为完全弹性体，但在长时间力的作用下(可以与地质年代相比较)，则表现出非完全弹性。例如地壳受到长时间的挤压后，发生韧性形变，可以产生褶皱，当一个大规模的区域受到侵蚀时，易侵蚀的低洼部分形成谷，抗侵蚀的地层形成山脊。当然，这仅仅是形成复杂地貌的途径之一。接近地表的岩石由于温度低，压力不大，在外力作用时间不太长的情况下，岩石可作为弹性体看待，表现出脆性的性质；随着深度的增加，岩石所处的温度和压力增高，承受形变的能力大大增加，介质就从脆性转变为延性(或称为韧性)，若外力作用的时间很长，如造山运动、地幔对流等，岩石可以像黏性流体那样产生形变。在漫长的地质年代里，岩石在外力的作用下不断地发生变形，其受力作用时间之长、变形过程之久，是其他材料学科研究中难以遇到的。人们难以想到在长期的内力和外力作用下，印象中既硬又脆的岩石竟会发生塑性变形。我们在野外经常可以看到原先形成的水平沉积地层发生了褶皱，地层严重地弯曲，有的翻转了180º或者更大的角度。实验室中同样也可以看到矿物巨大的塑性形变。岩石在长期作用下可表现出许多与时间有关的特性，例如岩石的蠕变和流动；又如岩石的断裂也经过了一个与时间有关的过程：裂纹扩展直至最后断层的形成(“岩石的断裂”)。这种特性对于解释地球动力学的基本问题，显然是有意义的。20世纪70年代的板块运动学说的建立，对岩石物理学性质的研究曾经起过重要的作用；90年代大陆动力学研究的开展，对岩石物理性质的理解又提出了新的课题。2.4油气藏的储层地质环境石油和天然气生成于沉积岩中，绝大部分也储集于沉积中。其实，本身也和煤、油岩盐及其它一些沉积矿产一样，也是一种沉积岩，只不过是液态和气态。本节大体介绍油气藏的储层环境和条件等概念1.沉积结构沉积结构：是指沉积岩各个组成部分之间的空间分布和排列方式，它是沉积物在沉积期或沉积后经过物理、化学和生物作用形成的。可通过露头、岩芯的宏观观察和镜下微观观察等手段研究沉积岩构造。也可通过实验模拟研究沉积岩构造的形成机理。沉积岩构造的分类法也很多。这里介绍地震勘探中常遇到的构造。2.层理层理是碎屑岩最典型、最重要的特征之一，是沉积时水动力条件的直接反映，也沉积环境的重要标志。层理是岩石性质沿垂直向变化的一种层状构造。可以通过矿物的成分、结构和颜色的突变或渐变显现出来。因层理的存在显现出砂岩的非均质性。地震勘探中所反映的特征直接与层理的性质有关。层理的基本术语纹层－－层理的最小单位，纹层内没有任何肉眼可见的层，几mm到几cm。层系－－由许多在成分、结构、厚度和产状相近的同类型纹层组合而成。层系组－－由两个或两个以上性质相似层系或性质不同成因有联系的层系叠覆组成。层－－是组成沉积地层的基本单位，由成分基本一致的岩石组成。2.4.2沉积岩的分类和成分沉积岩的分类方案有很多，根据沉积岩的形成作用划分以下几大类：1）母岩风化主物组成的沉积岩；2）火山碎屑物质和深部卤水组成的沉积岩；3）由生物遗体组成的沉积岩。尽管岩浆岩占据整个地壳体积的95%，大约有75%的陆表以及几乎所有的洋壳，上面覆有沉积岩石。沉积岩是岩浆岩经过一系列的物理、化学过程的结果，这些过程中风化营力（风和水）起到主要作用。这些过程包括：沉积搬运；沉积物的沉降作用（重力作用的影响）；压实等。沉积岩的种类很多，但若考虑到矿物颗粒的大小以及矿物成分等方面的因素，则可以将沉积岩分为砂岩、页岩和石灰岩三类。在地壳中的比例砂岩（25%）：超过半数的石油产自砂岩储层页岩（50%）：页岩是重要的密封性岩石碳酸盐岩（20%）：超过三分之一的石油产自碳酸盐岩储层蒸发岩（5%）：蒸发岩是化学沉积物。砂岩：由粒度大小由1/16至2mm、含有物理性质和化学性质都稳定的石英。颗粒大多来源于风化等侵蚀作用后的火成岩的矿物颗粒或岩石碎片，也有不少颗粒来源于已经存在的砂岩风化的产物。砂岩的微结构反应了这些颗粒的来源。这些颗粒由于沉积前的长途搬运而变得圆滑，输运中许多不稳定的矿物成分在途中发生化学反应，从而在输运中已经找不到了。输运中的主要矿物是石英，还有长石，特别是钾长石。在沉积岩总量中，砂岩约占25％。在经济上，砂岩是一种十分重要的岩石，它是石油、天然气的油气储地，在工业方面，砂岩也有着重要的用途。砂岩占所有沉积岩的25%。它们是重要的石油和天然气自然储层。对于每个生产层，下列问题都要有答案：它们属何种类型的砂？它们是如何沉积的？它们位于古盆地何处？页岩：分选性好的岩石，它们占沉积岩的一半。页岩为大多数的储层提供了盖层。页岩是由直径不超过1／16mm的细颗粒矿物组成的。其中的粘土是主要成分。也包含许多细颗粒的石英、长石等其他矿物。尽管页岩含量丰富，但它在地表的出露却不如砂岩广泛。成分复杂和矿物颗粒细小等原因使得关于页岩性质的研究不如其他沉积岩那样深入。页岩颗粒致密，渗透性很差，可以形成不透水层，能防止石油、水、天然气等的流失，是水、气等理想的天然储体。碳酸盐岩：主要沉积有方解石、文石、白云石和一些碳酸镁的沉积岩。它们的来源可以是有机的也可以是无机的。它们大概占到所有观察到的沉积岩的20%。超过1/3的油和气产自碳酸盐岩。对于沉积岩来说，一个重要的概念是其中的矿物颗粒大小。例子一：岩石中的流体输运过程。流体是否能在岩石内部输运，主要取决于岩石的渗透率，而渗透率与矿物颗粒大小密切有关，因为颗粒大小和颗粒大小的分布决定了岩石中孔隙的多少和大小。例子二：岩石内部的化学反应率，反应率的大小与矿物颗粒的表面积有关，颗粒越大，固定体积内的颗粒表面积越小。因此，岩石内部的各种过程、沉积岩的性质等与其矿物颗粒大小及分布有着密切的关系。由于沉积过程的复杂多样性，沉积岩中矿物颗粒小至0.01μm（10-3m）大至10cm（10-1mm），变化可达7个数量级之多。为了说明颗粒大小对表面积的影响，我们定义一块岩石中的所有矿物表面积和岩石体积之比为比面积(speificsurfacearea)。若岩石为一个直径为d的球，其内只含一个直径为d的矿物颗粒，这时比面积为：(πd)／(πd／6)=6/d。显然，矿物颗粒越大，比面积越小，两者的关系如图所示。第三章储层岩石的特性本章的主要参考书《油层物理学》杨胜来，魏俊之编著油气储层为地下深处多孔岩层，油气地下储集空间的特征——储层多孔介质的结构、性质决定了油藏的赋存特点、油气的储存丰度与储量、油气井的产能，也决定了油藏开发的难易程度和最终效果。研究和掌握储层物性是认识储层、评价储层、保护和改造储层的基础，是从事石油勘探、钻井、油田开发开采及提高油气采收率工作所必需掌握的基础知识。石油与天然气储层主要为沉积岩储层，而沉积岩又分为碎屑岩和碳酸盐岩储层(表5.1)。世界上主要含油气区的储层多为碎屑岩储层，它包括各种类型的砂岩、砾岩、砂砾岩以及泥岩。碎屑岩储层分布广、物性好，是主要的储层岩石。碳酸盐岩储层是另一类重要的油气储层。根据全球资料统计，以碳酸盐岩为储层的油气储量，约占总储量的一半，油产量达到总产量的10%以上。波斯湾盆地是世界碳酸盐岩油田分布最集中的地区，我国也发现了一批碳酸盐岩油气藏。实践向人们展示了在碳酸盐岩中寻找油气资源的广阔前景。本章主要介绍碎屑岩(砂岩)的结构，砂岩的粒度、比面等骨架性质，以及孔隙性、渗透性、饱和度等各种性质，碳酸盐岩中裂隙，溶洞形态及相应的描述和参数定义，以及这些参数是怎样在实验室进行测试的。砂岩储层是由砂粒沉积并经胶结物胶结而成的多孔介质，颗粒固体物质构成骨架，颗粒之间存在的间隙称为空隙或孔隙。3.1多孔岩石的骨架砂岩是由性质不同、形状各异、大小不等的砂粒经胶结物胶结而成的。这些砂粒和胶结物就珠骨架。储层性质主要受颗粒的大小、形状、排列方式，胶结物的成分、数量、性质以及胶结方式的影响。碳酸盐岩(如灰岩和白云岩等)不存在粒度问题，因为其骨架颗粒、胶结物及孔隙充填物基本上都是相同物质，无法将它们分为单个颗粒。所以，也可以把砂岩和碳酸盐岩中的固体部分统称为基质。1、岩的结构砂岩的结构是指构成砂岩的矿物和颗粒的大小、形状以及它们的空间组合。结构组分包括颗粒和填隙物，或杂基和胶结物。颗粒的结构特征：粒度、球度、形状、圆度及表面特征。2、岩石的粒度组成砂岩是由大小不同的各种颗粒组成。岩石颗粒的大小称为粒度，用线性值和体积值表示，体积值用同等体积的直径来表示(单位：mm或μm)。线性值常用大、中、小三个直径表示。沉P48图4-1按砂粒大小范围所分的组称为粒级。划分粒级的方法很多，表5.2是常见的一种。用橡皮锤将砂岩捣碎、分解成单个的砂粒，可以发现砂岩是由大小不同的各种颗粒组成。按砂粒大小范围所分的组称为粒级。划分粒级的方法很多，表5-2是常见的一种。粒级划分泥(粘土)粉砂砂砾细粉砂粗粉砂细砂中砂粗砂细砾中砾粗砺巨砾颗粒直径mm<0.010.01~0.050.05~0.10.1~0.250.25~0.50.5~11~1010~100100~1000>1000砂岩的粒度组成是指不同粒径范围(粒级)的颗粒占全部颗粒的百分数(含量)，通常用质量百分数来表示。一般用筛析法和沉降法来测定砂岩的粒度及粒度组成。1)筛析法筛析法是将由粗至细的一套筛子叠放、固定在震动筛分机上，对已破碎、分解的岩石颗粒进行筛析，每一个筛子的筛上剩余颗粒质量可由天平称得，得到颗粒粒级质量分布。筛子的筛孔尺寸有两种表示方法：(1)以每英寸长度上的孔数表示，称为目或号。例如200目表示每英寸长度上有200孔。(2)以毫米直接来表示筛孔孔眼的大小。成套筛子的孔眼大小排列有一定的规则，例如相邻两级筛孔孔眼大小的级差为2或√2。显然，粒度分级取决于该套筛子的尺寸2)沉降法表5-33)薄片电镜分析对于较致密的细粒岩石，还可以制成岩石薄片．用显微镜观测或图像分析仪器测定其粒度组成。近年来国内外研制和使用了多种基于光学原理的颗粒直径测定方法和仪器。粒度组成的表示方法1)粒度组成还可以用作图法表示，矿场上常用的是粒度组成分布曲线(图5-1)和粒度组成累积分布曲线(图52)。粒度组成分布曲线表示了各种粒径的颗粒所占的百分数，即任一粒级颗粒在岩石中的含量。曲线尖峰越高，表明该岩石以某一粒径颗粒为主，岩石粒度组成越均匀；曲线尖峰越靠右，表明岩石颗粒越粗。反之亦然。粒度组成分布曲线的几种常见形态见图5-3(mi为质量百分比，d为粒径)。图形表示法直观明了，可以清楚地表示出岩石粒度的均匀程度以及颗粒按大小分布的特征。图5-1图5-3为了定量计算粒度组成的均匀程度或特征，引入了粒度参数。粒度分布的属性及粒度参数见表5-4。2)粒度参数不均匀系数2)分选系数s3)标准偏差3、岩石的比面1比面的概念及其研究意义岩石骨架分散性还可以用岩石的比表面积(又称比面)来描述。所谓比面，是指单位体积岩石内孔隙总内表面积或单位体积岩石内岩石骨架的总表面积。其表达式如下：S=A/V式中S—岩石比面，A—岩石孔隙的总内表面积，cm/cm；V—岩石外表体积(或称为视体积)，cm3当颗粒是点接触时，岩石孔隙的总内表面积即为所有颗粒的总表面积。砂岩的砂粒越细，其比面越大，骨架分散程度越高。由于砂岩的粒度很小，故其比面很大，各类砂岩的比面见表5—6。因为岩石孔隙表面是流体流动的边界，比面的大小可以决定岩石的许多性质，它对流体在储层中的流动有较大影响。岩石与流体接触时所产生的表面现象，流体在岩石中的流动阻力，岩石的渗透性以及骨架表面对流体的吸附量等都与比面有关。岩石比面的大小除受粒径影响外，还受颗粒排列方式、颗粒形状、胶结物含量等因素的影响。例如，圆球形颗粒的比面要比扁圆形颗粒小，颗粒间胶结物含量少则比面大。通常情况下所说的岩石比面是指以岩石外表体积为基准的比面S。当颗粒是点接触时，岩石孔隙的总内表面积即为所有颗粒的总表面积。例如，半径为R，的球体所组成的多孔介质，其比面应为。显然，R越小，孔隙介质比面越大的多孔介质，隙介质比面越大。同理，砂岩的砂粒越细，其比面越大，骨架分散程度越高。由于砂岩的粒度很小，故其比面是很大的，各类砂岩的比面见表5—6。表5—6砂岩的粒径与比面砂岩种类粒径，mm比面，cm2／cm3；一般砂岩1~0.25<950细砂岩0.25~0.1950~2300泥砂岩0.1~0.01>23004、砂岩的胶结物及胶结类型砂岩是由颗粒经胶结物胶结而形成的。1、胶结物质储层岩石的胶结物是除碎屑颗粒以外的化学沉淀物质，一般是结晶的或非结晶的自生矿物，在砂岩中含量不大于50%。它对颗粒起胶结作用，使之变成坚硬的岩石。胶结物质含量增加总使岩石的储油能力和渗透能力变差。砂岩中胶结物的成分、数量和胶结类型，影响着砂岩的致密程度、孔隙性、渗透性等岩石物性。胶结物的成分中最常见的是泥质和灰质，其次为硫酸盐和硅质。1)泥质(粘土)胶结物泥质是沉积岩粒度分析中粒度小于0.01mm的物质的总和。粘土是指天然的土状细粒集合体，当它与少量的水混合时具确可塑性。它的化学成分主要是氧化硅、氧化铝、水以及少量的铁、碱金属和碱土金属氧化物。粘土矿物是指组成粘土主体的矿物。根据粘土矿物的特点又将其定义为细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。由上可知，储层岩石中粘土矿物是粘土的主要组成部分，而粘土则是泥质的主要组成部分。砂岩中粘土含虽往往在10%以上，有的高达20%。它们是造成储层物性变差和油田开发以后储层伤害的主要原因之一。油气储层中常见的粘土矿物以高岭石、蒙皂石、伊利石、绿泥石及混合层等含水层状硅酸盐为主，在一些特殊的地质环境下可见海泡石等链状硅酸盐矿物。粘土矿物中的水按其存在状态可以分为三种：吸附水(吸附在粘土矿物表面)、层间水(存在于粘土矿物单元晶层之间)、结构水(以羟基形式存在于晶格内部)。上述三种水中，吸附水和层间水与矿物结合比较松弛，一般在100～200℃温度下即可脱出，而脱出晶格的结构水的温度则高达400～800℃。油气储层中的粘土矿物按成因可分为两大类：一类为陆源粘土矿物。它是与砂质同时沉积的粘土，常构成砂岩粒间的杂基和泥质纹层，由于受搬运和沉积过程中的磨蚀，一般缺少良好的晶形。另一类为白生粘土矿物。它是在沉积和戚岩过程中形成的，一般在分选好、陆源粘土少、渗透性好的孔隙性储层砂岩中较发育，通常具有良好的晶形，其结晶程度与储层的孔隙发育程度有关。陆源粘土矿物的产状如图5-5所示，包括分散状基质、絮状凝块、古老泥岩或同期泥质岩块或团块、泥质纹层及渗滤的残余物等。在成岩压实过程中，粘土颗粒变形并挤入岩石孔隙，使砂岩的孔隙度减小。图5-5陆源粘土矿物的产状自生粘土矿物在砂岩孔隙中的产状可分为三种基l木类型，如图56所示，即分散质点式、薄膜式和架桥式，它们对储层渗透性有不同的影响。2)灰质胶结物灰质胶结物主要是由碳酸盐类矿物组成。砂岩中常见的碳酸盐矿物为方解石(CaCO3)和白云石：[CaMg(CO3)]，沉积岩中碳酸盐矿物分为原生和后生两种。通过分析岩石中碳酸盐矿物的含量，特别足后生碳酸盐矿物的含量，能够了解地层中水动力场的活动规律，了解地层形成的时代特征。研究表明，地层岩石的碳酸盐含量越低，岩石的孔隙度越大(图5—7)。这是由于地下水活动剧烈，酸性水侵入地层，溶蚀了地层中的碳酸盐矿物，水流量大的部位溶蚀的碳酸盐矿物多，地层中剩余的碳酸盐矿物少，因而地层的孔隙度相对较大；相反，地层中剩余的碳酸盐矿物多，孔隙度相对较小。2．胶结类型胶结物在岩石中的分布状况以及它们与碎屑颗粒的接触关系称为胶结类型。它通常取决于胶结物的成分和含量的多少、沉积条件以及沉积后的一系列变化等因素。胶结方式可分为基底式胶结、孔隙式胶结及接触式胶结(图5—8)。1)基底式胶结胶结物含量高，其总体积大于碎屑颗粒体积，颗粒孤立地分布于胶结物之中，彼此不相接触或很少有颗粒接触。由于胶结物与碎屑颗粒同时沉积，故称原生胶结。其胶结强度很高，孔隙类型为胶结物内的微孔，储集油、气的物性很差。2)孔隙式胶结胶结物含量不多，仅充填于颗粒之间的孔隙中，颗粒呈支架状接触。胶结物多是次生的，分布不均匀，多充填于大的孔隙中，胶结强度次于基底胶结。3)接触式胶结胶结物含量很少，一般小于5％，仅分布于颗粒互相接触的地方，颗粒呈点状或线状接触，胶结物多为原生或碎屑风化物质，常见的为泥质。此种胶结类型的岩石孔隙性、渗透性均好。大庆油田属于这种胶结的岩石孔隙度大于25％，渗透率从几十毫平方微米到几平方微米。胶结类型在某种程度上决定了油层物性参数的优劣，例如我国华北坳陷第三系储油岩层，不同胶结类型的孔隙度、渗透率见表5—7。储层中岩石颗粒的胶结类型往往是混合式胶结，而非单一胶结方式，非均质性的储层中还出现胶结物不均匀的凝块式胶结岩石。岩石的非均质性也表现为胶结方式的非均质。颗粒密度和含泥量3.2岩石的孔隙和裂隙一、储层岩石的孔隙及其类型岩石颗粒间未被胶结物质充满或未被其他固体物质占据的空间统称为空隙。地球上没有空隙的岩石是不存在的，只是不同岩石的孔隙大小、形状和发育程度不同而已：除砂岩颗粒间存在空隙外，碳酸盐岩中可溶成分受地下水溶蚀后能形成空隙；火成岩由于成岩时气体占据而形成空隙；各种岩石在地应力、构造应力及地质作用后产生裂缝(微裂缝)形成另一类形式的空隙。空隙按几何尺寸或现状可分为孔隙(一般指砂岩)、空洞(一般指碳酸盐岩)和裂缝。由于孔隙是最普遍的形式，所以常笼统地将空隙统称为孔隙。储层中孔隙(空隙)的形状、大小、发育程度、形成过程非常复杂，差异甚大，为了研究方便．从各种角度出发进行分类和描述。1、岩石的孔隙类型——Meinzer分类Meinzer按储层岩石的孔隙组成和孔隙间的相互关系分类为六种(见图5—9)。图中(a)为分选好、孔隙度高的沉积物中的孔隙；(b)为分选差、孔隙度低的沉积物中的孔隙；(c)为砾石沉积物，砾石本身也是多孔的，因而整个沉积物孔隙度高；(d)沉积物分选较好，但颗粒间有胶结物沉积，所以孔隙度低；(e)为由溶蚀作用形成的多孔岩石；(f)为由断裂形成的有胶结物的多孔岩石。2岩石的孔隙类型——按成因分类1)粒间孔隙岩石为颗粒支撑或杂基支撑，含少量胶结物，由颗粒围成的孔隙称为粒间孔。该种孔隙是砂岩中最主要、最普遍的孔隙。砂粒的粒度、分选性、圆球度、接触方位、填充方式和压实程度决定粒间孔隙的大小和形态。这类孔隙的分布与沉积环境有直接关系，又随成岩后地质作用而发生变化。以粒间孔为主的砂岩储层，其孔隙大、喉道粗、连通性好，一般具有较大的孔隙度(大于20％)和渗透率(大于100×10-3)。典型的粒间孔隙的镜下形态如图5—10所示。2岩石的孔隙类型——按成因分类1)粒间孔隙岩石为颗粒支撑或杂基支撑，含少量胶结物，由颗粒围成的孔隙称为粒间孔。该种孔隙是砂岩中最主要、最普遍的孔隙。砂粒的粒度、分选性、圆球度、接触方位、填充方式和压实程度决定粒间孔隙的大小和形态。这类孔隙的分布与沉积环境有直接关系，又随成岩后地质作用而发生变化。以粒间孔为主的砂岩储层，其孔隙大、喉道粗、连通性好，一般具有较大的孔隙度(大于20％)和渗透率(大于100×10-3)。典型的粒间孔隙的镜下形态如图5—10所示。2)杂基内微孔隙杂基内微孔隙主要指杂基沉积物在风化时收缩形成的孔隙及粘土矿物重结晶的晶问孔隙。高岭土、绿泥石、云母及碳酸盐泥杂基均有此类孔隙。杂基内微孔隙极为细小，宽度一般小二0.2μm，在高倍显微镜下才能清晰辨别。该种孔隙总量虽然很多，有时能占到岩石孔隙的50%以上，但渗透能力极差。杂基内微孔几乎在所有的砂岩中都有分布，如图511(1)所示。3)晶体次生晶问孔隙该类孔隙主要由石英结晶次生加大充填原生孔隙后的残留孔隙。石英次生加大后明显降低孔隙空间，使孔隙变小，喉道变窄，造成岩石的渗透能力下降，见图5–11(2)。4)纹理及层理缝在具有层理和纹理构造的砂岩中，由于不同砂层的岩性或颗粒排列方位的差异，沿纹理或层理常有微缝隙，如图5—11(3)所示。该类孔隙使岩石的渗透具有力向性。5)裂缝孔隙在砂岩储层中，由于地应力作用而形成微裂缝。微裂缝呈细小片状，缝面弯曲，绕过颗粒边界，其排列方式受地应山影响。裂缝宽度一般平行于最小地应力方向。砂岩储层中裂缝宽度一般为零点几微米到几l微米。裂缝孔隙在岩石总孔隙中所占份额很少(一般小于5％)，但能极大改善岩石的渗透性。该类孔隙的特点是地应力显著变化时，裂缝产生变化。如地应力沿裂缝垂直方向变大时，裂缝闭合，造成地层渗透能力急剧下降。典型的应力裂缝孔隙示意图见图512(1)。此外云母解理缝也属于裂缝性孔隙，如图5一11(4)所示。6)溶蚀孔隙溶蚀孔隙是由岩石中的碳酸盐、长石、硫酸盐或其他可溶性成分溶蚀后形成的[见图5—12的(2)、(3)、(4)]。表5—8总结了上述孔隙类型的成因及特征。3、岩石的孔隙类型一按孔隙大小的分类1)超毛细管孔隙指孔隙直径大于05mm或裂缝宽度大于0.25mm的孔隙。岩石中的大裂缝、溶洞及未胶结或胶结疏松的砂层孔隙多属于此类。在此类孔隙中，流体在重力_用下可自由流动。2)毛细管孔隙指孔隙直径介于0.5～0.0002mm之间，或裂缝宽度介于0.25～0.0001rnm之间的孔隙。砂岩的孔隙大多属此类。在此类孔隙中，孔隙壁面固体分子对流体分子的作用力较大，如果存在两相流体，则存在毛细管力，液体不能自由流动。但在一定压差作用下，液体在毛细管内右以流动。3)微毛细营孔隙指孔隙直径小于0.0002mm、裂缝宽度小于0.0001mm的孔隙。粘土、页岩中的孔隙一属于此类型。在此类孔隙中，分子间的引力很大，油层条件下的压力梯度一般无法使液体在孔隙中移动，因此人们常将孔道直径大于或小于0.2tμm作为流体能否在孔隙中流动的一个分界线。这类孔隙称为无效孔隙。4、岩石孔隙按其他因素分类1)孔隙按生成时间的分类分为原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙是与沉积过程同时形成的孔隙，如粒间孔隙；次生孔隙是沉积作用后由于各种原因形成的孔隙．如地下水作用形成的溶孔、溶洞，或在构造应力下破裂形成的裂隙。2)孔隙按组合关系的分类分为孔道和喉道。孔道是较大的孔洞(简称孔)；喉道指连接犬孔隙之间的细小通道(简称喉)。3)孔隙接连通性的分类分为连通孔隙(pore)和死孔隙(disconnectedpore)。岩石中绝大多数孔隙都是连通的，也有不连通的死孔隙。二、孔隙结构1、含义岩石的孔隙结构包括岩石孔隙的大小、形状、孔间连通情况、孔隙类型、孔壁粗糙程度等全部孔隙特征和它的构成方式。岩石的孔隙结构直接影响到岩石的储集特性和渗流特性，它是研究岩石的孔隙度和渗透率的基础。2、孔隙结构参数(1)孔喉比：它是孔隙直径与喉道直径的比值。(2)孔隙配位数：它是指每个孔道所连通的喉道数。一般砂岩配位数介于2～15之间。(3)孔隙迂曲度τ：它是用以描述孔隙弯曲程度的一个参数。迂曲度τ为流体质点实际流经的路程长度l与岩石外观长度L之比值，其值在1.2～2.5之间。图孔隙迂曲度孔喉比、孔隙配位数和孔隙迂曲度等孔隙结构参数可以用高倍显微镜观察岩石铸体薄片来确定。此外，在显微镜下还可观测到孔隙内壁的粗糙度、孔隙的排列与组合方式等。除了利用地质上常用的薄片法、铸体电镜方法研究孔隙结构外，还有其他方法。例如，油层物理学中使用压汞法、离心法或隔板法来测定毛管起压力曲线和孔隙分布曲线，这些方法均可用来获得岩石孔隙大小及其分布。3、孔隙结构类型储油(气)岩石孔隙结构类型划分主要视研究目的和应用要求而定。例如从油气田开发的宏观考虑，把孔隙结构划分为三重孔隙介质和六种孔隙结构类型，下面作一简略介绍。1)单重孔隙介质(1)粒间孔隙结构：这是碎屑岩的基本孔隙结构，但部分碳酸盐岩亦具有此种孔隙结构。这种结构是由大小和形状不同的颗粒所组成，颗粒之间间隙又被胶结物所充填。由于胶结不完全，在颗粒之间形成了粒间孔隙。这些粒问孔隙既是储油空间，又是油气渗流的通道。对于单重孔隙介质粒间孔隙结构的储层岩石，早期是把它视为等直径球体的堆积体来研究，后来则把岩石的孔隙空间看成为一束束等直径的微细毛细管或变截面和弯曲的毛细管，近来又引进网络模型的概念去研究。(2)纯裂缝结构：致密的碳酸盐储油(气)岩基本上是不渗透的。在这种岩石中，如果产生微裂缝就叫“纯裂缝结构”，这时储油气空间和油气渗流通道都是裂缝。裂缝的发育和延伸往往是不规则的，因此很难定量描述裂缝的形态。有时简化为一种理想的、垂直方格的裂缝网格，即裂缝将岩层分隔成许多方块，如图515所示。2)双重孔隙介质(1)裂缝孔隙结构：特别发育于石灰岩与白云岩中。这种孔隙结构是粒间孔隙介质义被裂缝分隔成多个块状单元，块状单元中的粒间孔隙是主要的储油气空间，而块状单元之间的裂缝是油气渗流的主要通道。也就是说在这种结构中，粒间孔隙有较大的孔隙度，但渗透率较小；相反，裂隙有很小的孔隙度，但具有较高的渗透率。由于两种并存的孔隙体系物理参数(孔隙度和渗透率)相差很悬殊，所以形成了两个水动力系统。因此，裂缝孔隙结构的基本特点是：双重孔隙度、双重渗透率和两个性质差异较大的水动力系统。其理想模型如图5—16所示。(2)孔洞孔隙结构：也特别发育于碳酸盐岩石。它是在粒间孔隙的岩石中分布着大的洞穴，洞穴的尺寸超过毛细管大小。所以在这种孔隙结构中，两种不同孔隙服从两种不同范畴的流动规律。流体在粒间孔隙中的流动服从渗流规律；而在洞穴中的流动服从流体力学奈维-斯托克斯方程。因此洞穴孔隙结构也是一种服从两种流体流动规律的双重孔隙介质，其理想模型如图5一17所示。3)三重孔隙介质(1)孔隙微裂缝大洞穴；由粒间孔隙、微裂缝再加上大洞穴构成。(2)孔隙一微裂缝一大裂缝：是粒间孔隙、微裂缝、大裂缝三重孔隙并存的混合结构。特别发育于碳酸盐岩石。对于三重孔隙介质的渗流过程及其相互作用规律，目前还处于探索研究阶段。三、孔隙度1、孔隙度的定义岩石的总体积Vb，以称外表体积、视体积，是由孔隙体积Vp及固相颗粒体积(基质体积)VS两部分组成，即：(5-20)孔隙度(φ)是指岩石中孔隙体积Vp。与岩石总体积Vb，的比值，其表达式为：(5-21)将式(5—20)代入上式得：(5-21’)2、孔隙度的测量多孔隙物体是固体单元（颗粒、基质等）的集合体，各单元之间的空隙形成孔隙空间本身。多孔隙物体内部的这些空隙使多孔隙物质在很多物理性态方面不同与稠密固体（如矿物颗粒），这种多孔隙物质是复杂的集合系统，其中即使存在非常少量的流体也会增加其中体复杂性。空隙体积对样品总体积之比值称为孔隙率。这种岩石物理参数值通常是易于定义和测定的，然而，当人们试图对孔隙空间进行几何描述时，过程就变得极为复杂了。尽管少数具体场合容易适应于定量描述（如存在于相同直径球体堆集内的孔隙空间），大多数实际孔隙空间却过于复杂，以致难于用严格几何方式加以论述，只有近似描述才行得通。有的人主要是想突出所研究介质如何不同于大多数日常所观察的空间。例如，重要之点在于将所研究介质内的孔隙本身（即存贮流体并容许其流动的空隙体积）与颗粒边界或微裂隙加以明确区分，后者主要是表示固体单元之间不连续性的表面，它们对力学性质有极端重要的作用。严格的几何描述纵使有点失败，利用某种物理现象、即孔隙空间的毛细平衡现象取得进展却是可能的。分析这些平衡现象有助于以一系列简化办法来出列孔隙空间，这些简化办法为更系统的定量化创建了用武之地。反过来说这些毛细平衡本身就是研究多孔隙物体时的一项重要因素。事实上，如果多孔隙介质内有二三中流体共存（如石油储集内存在水、油与气，又如大地最上部地层内存在水与空气），这些毛细作用对物理性态就具有决定性影响。大多数多孔隙物体其主要特征之一就是容许流体流动。我们将评述一下绝对渗透率（多孔隙介质为一种流体所完全饱和）和相对渗透率（多孔隙介质含有两种以上非混溶流体）的概念。我们还将指出孔隙空间如何引出尺度问题。多孔隙介质不存在绝对表观尺度，即形成骨架之固体颗粒的视尺度。但是，为有一个更好的理解，往往有必要用相对于所研究物理过程的某种尺度概念来代替这种绝对尺度，对于各种不同过程，这种相对尺度或许很不相同。表1.1测定孔隙率的主要方法测定体积测定方法总体积水银内的浮力：非润湿流体的水银没有压力时浸入不了常见的多孔隙介质。这种方法可非常准确地测定总体积。直接测定不同长度的样品：这种方法仅适合测验具有非常规则形状的标本。孔隙体积使润湿流体在真空条件下达到完全饱和；由于重与饱和重量之差直接计算出孔隙体积。固体体积理想气体的压缩系数：容器内开始时是空的，然后置入样品。作出注入于容器内的气体体积与压力关系图，利用两种情形下的差异计算出固体体积。忽略不计。润湿流体完全饱和多孔隙物体之浮力：根据干重与浸没重量之差直接计算固体体积测量固体密度：在多孔隙物质碾碎成细粒之后测定计算固体密度；根据矿物组分的定量分析计算连通孔隙率与非连通孔隙率的定义视所使用的方法而定，人们可以测定连通孔隙率、即与外部连通之空隙体积，或者测定总孔隙率、即与外部连通或不连通之空隙体积。两者之差代表非连通孔隙率。孔隙几何形态的简单例子按微观尺度所观察到的孔隙空间显示出异常的多样性（插图1）,因而开始论及如何分析其几何形态时，明智的作法是参考比较简单的具体情形。我们将考察两种类型：球形堆积内的粒间孔隙空间；理想的孔洞介质。等同球形堆积内的粒间空间在许多著作中（例如，G.Cargill，1984）一直在讨论这种孔隙几何形态，因为它充分有助于准备试验模型，从而有助于计算模拟，这也是最接近天然介质（砂岩）和人工介质（烧结物）中常见孔隙空间的理论情形。实际上，等粒球稠密随机非常复杂，因此习惯上仅用它描述规则堆积（现实中并不存在体积大于几个颗粒的情形）。表1.2总结了最经常描述的三种堆积之主要特征。这些规则堆积给我们提供了孔隙空间几何复杂性的初步景色，对于每种规则堆积，可以计算出两种类型球体的直径：内接于孔隙空间最宽区域的最大球形（对于立方堆积，这种球形半径为0.732,长度单位为颗粒半径）；可通过最狭窄孔隙通道（进出通道）的最大球形，即可自由“流通”经过所考虑整个孔隙空间的最大球形（对于立方堆积，其半径为0.414）。理想多孔介质理想多孔介质定义为其孔隙空间是由球形形成的介质（前述粒间空隙的补或逆），虽然这种情形在自然环境中是很稀罕的，却往往是关于孔隙介质所考虑的第一种几何形态。不过，在多孔熔岩和膜状灰岩中存在有这种类型的孔隙空间；在多孔人工介质（混凝土、玻璃、塑料）中更能经常发现。实际孔隙空间为解决微观描述中的这种主要困难，已经发展了若干种方法，它们源于各色各样的理论。我们将提供两个对照例子，第一个适用于碳酸盐岩分类，主要由于碳酸盐的化学活动性（Chemicalmobitity）,其孔隙空间很可能显示出异常的变化，第二个例子相应于以数学形态学原理为基础的一种办法。数学形态学应用于多孔隙介质描述3.3岩石中的流体和流动储层岩石是多孔介质，岩石的孔隙性和渗透性是人们关心的两个储层特征。孔隙性决定了岩石储集性能，即单位体积岩石中的油气储量。而渗透性是表示砂岩在一定的压差下，允许流体(油、气、水)通过的性能，渗透性的大小用渗透率来表示。岩石的渗透性则直接影响到油、气井的产量。油层砂岩中多数孔隙是连通的，流体