2025年大学《地球物理学》专业题库- 地下岩石力学参数测定技术研究

2025年大学《地球物理学》专业题库——地下岩石力学参数测定技术研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述岩石力学参数在地球物理学勘探中的重要性，并列举至少三种你熟悉的通过地球物理方法测定岩石力学参数的技术。二、描述利用声波法测定岩石弹性模量（E）和泊松比（ν）的基本原理。假设你获得了一块岩石样品，通过实验测得纵波波速（Vp）=3500m/s，横波波速（Vs）=2000m/s，样品密度（ρ）=2500kg/m³。请计算该岩石样品的杨氏模量（以GPa为单位）和泊松比。三、比较电阻率法测定岩石孔隙度与利用地震波法测定岩石孔隙度的基本原理、优缺点及适用条件。四、在地下岩石力学参数测定中，样品尺寸效应是如何影响测定结果的？请结合具体物理过程进行解释。指出至少两种减小样品尺寸效应影响的方法。五、简述地震波反射法测定地应力场的基本原理。在解释反射波资料时，如何区分由于地应力变化引起的波速变化和由于岩石物理性质变化引起的波速变化？六、阐述地下电阻率测井数据解释反演获取岩石力学参数（如孔隙度、渗透率）的一般步骤。在数据处理和反演过程中，可能遇到哪些主要噪声和干扰？如何进行压制或消除？七、某油气田在开发过程中，需要监测储层孔隙压力的变化以预测井壁稳定性和水窜风险。简述可以利用哪些地球物理方法进行孔隙压力监测，并说明其基本原理和优缺点。八、在实际工程应用中，例如在核废料处置库选址评价中，除了岩石力学参数外，还需要考虑哪些地质和环境地球物理参数？并说明这些参数对于评价处置库的长期安全性为何重要。九、你正在参与一项地热资源勘探项目。项目区地质条件复杂，需要准确获取地下不同深度的岩石力学参数。请简述你将如何选择合适的地球物理测定技术组合，并说明选择这些技术的依据。在综合解释时，如何有效融合不同方法获得的信息？十、假设你使用地震法测定某地壳深部岩石的纵波速度，发现测得的波速明显低于地表相似岩性的常规波速值。结合岩石物理学知识，分析可能存在哪些地质因素（如温度、压力、流体饱和度、矿物成分变化等）导致了这种速度异常？请逐一说明其作用机制。试卷答案一、岩石力学参数是描述岩石变形和强度特性的关键指标，对于地球物理勘探具有重要意义。准确测定岩石力学参数有助于：1.评价储层物性（如孔隙度、渗透率）和��层流体性质（如流体类型、饱和度），指导油气勘探开发。2.预测井壁稳定性，优化钻井工程设计，保障钻井安全。3.评估储层改造效果（如水力压裂），提高采收率。4.评价工程地质稳定性，为工程建设（如大坝、隧道、地基）提供依据。5.进行地质灾害预测，如地震危险性评估、岩体稳定性分析等。常见的通过地球物理方法测定岩石力学参数的技术包括：声波法、地震法、电阻率法、地震反射/折射法、示踪法等。二、利用声波法测定岩石弹性模量（E）和泊松比（ν）的基本原理：通过测定岩石样品的纵波波速（Vp）和横波波速（Vs），结合样品密度（ρ），利用岩石力学公式计算弹性模量和泊松比。常用关系式为：E=ρ*(Vp²*(1-ν²)/((1+ν)*(1-2ν)))ν=Vp²-2Vs²/(2*(Vp²-Vs²))或者使用经验公式如：E≈ρ*Vp²*(1-ν²)/(1-ν)计算步骤：1.代入已知数据：ρ=2500kg/m³,Vp=3500m/s,Vs=2000m/s。2.计算泊松比：ν=(3500²-2*2000²)/(2*(3500²-2000²))=(12250000-8000000)/(2*(12250000-4000000))=4250000/(2*8250000)=425/16500≈0.02583.计算杨氏模量：E=2500*(3500²*(1-0.0258²)/((1+0.0258)*(1-2*0.0258)))≈2500*(12250000*(1-0.000667)/(1.0258*0.9484))≈2500*(12249933.3/0.9746)≈2500*12582937.8/974.6≈2500*128845.1≈322136775Pa=322.14GPa三、电阻率法测定岩石孔隙度原理：主要基于岩石的导电性与其孔隙度、孔隙流体性质及岩石骨架性质有关的物理关系。通常假设孔隙被流体饱和，通过测量岩石的电阻率，结合岩石骨架电阻率和孔隙流体电阻率，利用Archie方程等经验公式反演计算孔隙度。优点是设备相对简单、成本较低、测量速度快、可在井孔中进行连续测量。缺点是对岩石骨架和流体的性质敏感，受泥浆滤失、固结程度等因素影响较大，定量解释精度有时不高。地震波法测定岩石孔隙度原理：基于岩石的声波速度（特别是纵波速度）与岩石的孔隙度、孔隙结构、岩石骨架性质、流体性质及围压等因素密切相关的物理关系。通过测定岩石的纵波或横波速度，结合岩石骨架速度和流体速度，利用经验公式或岩石物理模型反演计算孔隙度。优点是探测深度大，可获取大范围地质体的信息，能提供岩石结构和物性的空间变化。缺点是设备昂贵、野外采集条件要求高、数据处理和解释复杂，且速度测量的精度会影响孔隙度反演结果。适用条件比较：电阻率法更适用于近地表、井孔环境以及需要快速获取平均孔隙度信息的场景。地震波法更适用于大范围、深部地质体的孔隙度探测和储层描述，尤其是在缺乏井孔数据或需要三维空间信息时。四、样品尺寸效应是指岩石力学参数的测定结果随样品尺寸的变化而变化的现象。对于声波法，样品尺寸效应主要表现为：当样品尺寸较小时，其表面积相对于体积的比例较大，表面缺陷、孔隙分布的不均匀性以及样品与周围环境的耦合效应（如空气耦合）对波在样品中传播的影响显著，导致测得的声波波速偏高，且波速分散性大。当样品尺寸增大到一定程度（通常大于一定特征尺寸，如声波波长的几倍），表面效应的影响减弱，波速趋于稳定，更接近真实体块的平均波速。对于地震法，尺寸效应同样存在，小尺寸样品的边界效应和内部不均匀性会散射和吸收地震波，导致波速测量不准确。减小样品尺寸效应影响的方法：1.增大样品尺寸：使其远大于声波波长或相关特征长度，使表面效应和边界效应可以忽略。2.改进实验条件：使用液体耦合代替空气耦合，以减少界面反射损失；保证样品尺寸远大于其内部主要孔隙或缺陷的尺寸。3.优化测量技术：采用更精确的波速测量装置和方法，减少测量误差。五、地震波反射法测定地应力场的基本原理：地应力（主要是围压）会显著影响岩石的地震波速度。一般来说，围压增大，岩石的密实度增加，波速（尤其是纵波速度）会随之增大。通过地震反射剖面，可以获取地下不同深度的反射波或转换波速度信息，然后结合岩石物理模型（考虑温度、流体压力等因素影响），反演计算地应力状态。具体来说，可以通过测定反射波或转换波的旅行时来计算层速度，再根据速度随应力变化的关系（如经验公式或实验室测量数据）推算出不同深度的静态地应力值，或通过分析地震波形特征（如P-SV波分裂）来估计应力方向。区分波速变化原因：解释反射波资料时，需要区分由地应力变化引起的波速变化和由岩石物理性质变化引起的波速变化。地应力引起的波速变化通常是系统性的、与深度（即围压）相关的变化。而岩石物理性质变化（如孔隙度、流体类型、矿物成分变化）引起的波速变化可能更复杂，可能与特定的地质构造、沉积环境或岩浆活动有关，其变化规律可能与深度关系不大或不均匀。可以通过以下方法辅助区分：1.结合其他地球物理数据：如密度、电阻率数据，综合分析岩石物理性质变化。2.进行岩石力学实验：获取实验室条件下应力-波速关系。3.分析地震资料细节：如层位形态、反射强度变化等，可能提供关于应力状态的间接信息。六、地下电阻率测井数据解释反演获取岩石力学参数（如孔隙度、渗透率）的一般步骤：1.原始资料处理：对野外采集的电阻率数据进行质量控制、去噪、基线校正、环境校正（如泥浆影响校正）、正常化等。2.层段划分：根据电阻率曲线形态、自然电位曲线等特征，结合地质资料，划分测井响应的地质层段。3.识别骨架、泥浆、地层水参数：利用已知岩性或经验方法，估计或确定地层的骨架电阻率、泥浆滤饼电阻率、泥浆滤液电阻率（即地层水电阻率）。4.选择和建立岩石物理模型/公式：选择合适的模型（如Archie模型及其变种）或经验公式，将电阻率与孔隙度、渗透率、骨架、泥浆等因素联系起来。5.反演计算：利用迭代反演算法（如电阻率反演、同时反演孔隙度与渗透率），输入处理后的电阻率数据和已知的或先验的骨架、泥浆、水电阻率参数，计算得到各层段的孔隙度、渗透率等岩石力学参数剖面。主要噪声和干扰包括：1.仪器噪声：放大器噪声、电缆噪声等。2.供电系统噪声：交流电干扰（50/60Hz干扰）。3.电磁干扰：来自地面电磁场或其他设备的干扰。4.井眼效应：井壁不规则、环空水泥浆影响、泥浆滤饼不均匀等。5.自然电位（SP）影响：在电阻率解释中，SP曲线可能提供岩性信息，但也可能干扰电阻率解释。6.随机噪声：源于地质不均一性或仪器随机误差的波动。压制或消除方法：1.数字滤波：设计合适的滤波器（如带通滤波、陷波滤波）去除特定频率的干扰。2.平均技术：对相邻道或多点数据进行平均，平滑随机噪声。3.校正技术：进行泥浆影响校正、井眼校正等，消除井眼相关干扰。4.信号处理算法：如自适应滤波、小波变换等先进技术。七、可利用的地球物理方法包括：1.声波测井（AcousticLogging）：通过测量岩石的声波时差，利用时差与孔隙压力的相关性进行监测。通常使用经验公式或岩石物理模型建立时差-孔隙压力关系。优点是测量连续、快速。缺点是精度受泥岩影响大，且声波时差受温度、流体类型影响也需考虑。2.地震波测井/随钻测量（Wireline/CDMSeismic）：通过测量地震波（如P波、斯通利波）在井孔附近地层的传播速度（特别是横波速度Vs），利用速度随孔隙压力增大的变化来监测孔隙压力。斯通利波对孔隙压力变化更敏感。优点是探测范围相对较广。缺点是成本高，数据采集和处理解释复杂。3.电阻率测井（ResistivityLogging）：利用电阻率随孔隙压力变化的规律进行监测。通常认为孔隙压力升高时，流体电阻率降低，导致地层电阻率降低。优点是成本相对较低。缺点是敏感性可能不高，易受岩性、流体类型变化影响。4.微电阻率成像（MicroresistivityImaging）：提供井周地层的电阻率图像，可以更精细地识别孔隙压力异常区域。选择依据：需综合考虑勘探开发阶段、成本、测量精度要求、井眼条件、地质复杂性等因素。声波测井应用最广泛，地震波测井（特别是斯通利波）在敏感性和探测范围上更具优势，电阻率测井作为辅助手段使用。融合不同方法信息：利用多参数测井数据（如声波、电阻率、密度、中子等）建立综合预测模型，提高孔隙压力预测的准确性。进行测井数据与地震资料联合解释，利用井上测井响应建立井间地震属性（如AVO、波阻抗）与孔隙压力的关系，实现井间孔隙压力的预测。八、除了岩石力学参数（如弹性模量、泊松比、抗压强度、抗剪强度、体积模量、剪切模量、孔隙压力）外，还需要考虑的地质和环境地球物理参数包括：1.地质结构参数：断层位置、性质（走滑、正断、逆冲）、活动性、断层面粗糙度、断层带宽度、围岩力学性质。2.地应力场参数：最大主应力方向、大小、最小主应力方向、大小（三轴应力状态）。3.流体参数：孔隙流体类型（水、油、气）、饱和度、压力、组分、流动性。4.温度场：地温梯度、地下热流。5.地下水运动参数：渗透系数、含水率、流速。6.岩石损伤/劣化参数：风化程度、蚀变程度、矿物成分变化、微裂缝发育程度。重要性：这些参数对于评价核废料处置库的长期安全性至关重要。*地应力场：决定了处置库围岩的应力状态，是诱发围岩变形和破坏的主要因素，也影响裂隙的张合与流体流动。*岩石力学参数：直接决定围岩的变形和