岩石物理性质（通用9篇）
岩石物理性质 篇1
岩石物理力学参数是理论计算和设计需要用到的重要的原始参数, 也是进行岩石分类的重要依据之一, 更是岩土工程中围岩稳定性判定、生产技术管理、巷道及采场支护设计、爆破参数选取、采掘施工设备选型以及数值模拟计算等工作中不可缺少的基础资料。因此, 它是衡量工程设计与生产是否科学的重要依据之一。
1 岩层赋存特征
N1202高抽巷岩性由下到上依次为1.65m砂质泥岩、5m中粒砂岩;45m~194m沿+12°上坡掘进, 根据707号钻孔柱状图, 巷道顶板向上3m为粗粒砂岩, 3.7m泥质砂岩, 2.75m泥岩, 3m砂质泥岩, 4.6m泥质砂岩, 7m细粒砂岩;194m~976m沿3#煤层顶板向上30m掘进, 根据707号钻孔柱状图, 巷道顶板向上8.2m为砂质泥岩, 底板向下4m为细粒砂岩。
2 岩石物理力学参数测定
2.1 岩石视密度 (容重) 测定
岩石视密度是岩石重要物理参数之一, 它是指单位体积含岩石的质量。对于一些完整性好且能加工成型的试样, 自然视密度采用量积法测定, 其自然视密度按下式计算:
ρ=1 000m/Fh
式中, ρ—试样视密度, kg/m3;M—试样自然含水状态下的质量, g;F—试样截面积, cm2;H—试样高度, cm。
岩石自然视密度测定结果如表1所示。
2.2 岩石抗拉强度测定
岩石单轴抗拉强度是岩石强度的主要力学参数之一, 由于直接拉伸岩样夹持的困难性, 抗拉强度通常采用间接法测定, 其中圆盘岩样巴西劈裂就是岩石力学试验规程推荐的抗拉强度测试方法。对称圆盘岩样在集中载荷P的作用下, 在载荷作用方向的圆盘直径平面中心有:
由于岩石类材料的抗拉强度远低于抗压强度, 则σx达到岩样的抗拉强度σt下式为Rt时中心起裂发生破坏。通常采用劈裂法测定时, 首先把劈裂夹具置于试验机下承压板上, 将制备好的试样放入劈裂夹具内并调整对中。试验采用行程控制, 加载速率为0.02mm/s, 在计算机控制下进行加载至试样破坏。抗拉强度按下列公式计算:
式中, Rt—抗拉强度, MPa;P—破坏载荷, KN;D—试样直径, cm;L—试样厚度, cm。
2.3 岩石粘结力和内摩擦角测定
岩体除工作面巷道的表面处于单向或双向受力外, 工作面内部及上覆岩层体多处于三向受力状态之下, 故研究岩石试样三轴应力状态的强度和变形特征, 对上腹岩层运移规律的研究具有重要的意义。
将制备好的试样放于三轴压力室内, 盖上压盖并锁紧, 联接好液压源与三轴室之间的高压管, 再将压力室放在试验机下承压板上并调整对中, 使试样压板和球形压头精确地成一条直线。然后打开主控机和液压源, 再次检查各个环节后确保无误, 方可进行试验。试验采用位移控制, 首先以静水应力方式加围压, 围压加载速率为0.1Mpa, 达到预定围压值时, 再加轴压, 轴向加载速率为0.02mm/s。在计算机控制下进行加载, 至试样破坏, 试验过程计算机自动采集数据。
三轴试验采用普通三轴试验, 也就是在σ1>σ2=σ3的条件下进行试验。考虑到该矿埋深, 围压选用5、10、15、20、和25MPa, 属低围压试验。大量试验证明, 低围压三轴试验岩石的强度曲线都似斜直线型。根据库仑-莫尔强度准则, 极限状态下主应力之间的关系为:
上式可以简化为:
上式是一个线性方程, 但由于岩石的非均质性, 其三轴试验的结果往往呈现一定的离散性。因此在绘制强度包络线时, 先将试验的σ1-σ3的关系用最小二乘法进行线性化处理, 然后根据回归后的σ1-σ3关系绘制莫尔圆及包络线, 仍能反映岩石的平均性质。回归后的线性方程系数Q和K按下式计算:
岩石三轴压缩试验全程应力-应变及强度曲线如图1所示。从图1可以看出, 岩石的承载能力与围压关系, 就两者的变化趋势而言, 试样的承载能力与围压大致为线性关系。
3结论
通过对余吾煤业N1202高抽巷岩层进行钻孔取样和物理力学试验, 得出了以下几个结论: (1) 确定了本矿主要岩层的岩石物理力学参数, 砂岩的自然密度差异较小, 自然密度在2 728~2 795kg/m3之间, 均值为2 760kg/m3。 (2) 砂岩的抗拉强度在7.14~10.44MPa, 均值为8.30MPa, 巴西劈裂试验岩样破坏形态, 巴西劈裂为对径破坏。 (3) 根据库仑莫尔强度准则三轴压缩试验的回归结果, 岩石三轴压缩试样破坏形式相对简单, 大多数以剪切破坏为主。 (4) 砂岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘结力和内摩擦角均较高, 平均坚固性系数为14.2, 属于坚硬岩石类。
通过对余吾煤业N1202高抽巷的岩石力学性质进行研究, 得出了上述结论, 对现场工作面的支护方案的制定有着重要的指导意义, 并且可以依据覆岩性质合理地进行开采设计, 组织施工, 从而保障煤矿的安全生产。
参考文献
[1]刘继岩, 廉旭刚.王家岭矿岩石物理力学试验研究[J].矿业工程研究, 2010.
[2]占建琴, 唐辉明.鄂西恩施地区岩石物理力学参数的相关性[J].煤田地质与勘探, 2010.
岩石物理性质 篇2
晶质岩石的地震波性质及其地质、地球物理意义
人类有关地球内部物质成份、结构和物理状态的认识绝大多数来自于地震波的资料,而地震波资料的正确解释又离不开岩石地震波性质的高温高压实验研究.地壳和地幔岩石的地震波性质和各向异性是当今世界地学前沿研究的一项重要内容,该领域横跨了地震学、岩石物理学和构造地质学,在过去一段时间里非常活跃并取得许多重要的成果.本文仅将作者近年来研究岩石地震波性质(例如,岩石波速滞后性.地震波速随围压的`变化规律,纵、横波速之间的关系,泊松比等)的部分进展做一简扼的综述.并谨以此纪念已故中国科学院院士张文佑先生诞辰100周年.
作 者：嵇少丞 王茜 孙圣思 作者单位：嵇少丞(加拿大蒙特利尔综合工学院民用、地质和采矿工程系,蒙特利尔,H3C3A7;中国地质科学院地质研究所国土资源部大陆动力学重点实验室,北京,100037)王茜,孙圣思(加拿大蒙特利尔综合工学院民用、地质和采矿工程系,蒙特利尔,H3C3A7)
刊 名：地质科学 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF GEOLOGY 年，卷(期)： 44(4) 分类号：P313 P541 关键词：晶质岩石 高压实验 地震波速 泊松比 各向异性 地壳成份 构造变形岩石物理性质 篇3
岩石物理实验在当今的地球物理勘探和地震资料解释中越来越凸显其举足轻重的地位, 对于岩石物理这一基础学科的研究有助于从根本上了解岩石本身性质及其内部结构, 对地震波速度异常的解释具有十分重要的作用, 实验作为岩石物理基础内容, 对其研究也就有了现实指导意义。
按照胡克定律, 我们可知岩石体应变与体应力之间的关系:σ=Eε, 也即是体应变与体应力之间存在线性关系。非线性弹性[1], 即是指在实际岩石物理实验中, 宏观表现上体应变和体应力之间不是线性关系, 这种非线性弹性关系存在使得岩石物理实验存在诸多变数。对岩石的非线性弹性的研究将有助于提高岩石物理测定精度和操作规范性。对该类问题的研究主要从两个方面着手: (1) 是岩石内部的空隙, 岩石内部普遍存在诸多空隙, 这些空隙按照加压后的“反应”分为两类, 第一类是加压后就逐渐闭合的空隙, 称之为“软空隙”, 第二类是加压后 (本实验取30Mpa) 不易闭合的空隙, 称之为“硬空隙”。[2]这些空隙的存在是岩石非线性弹性的根本原因, 在本实验中, 测试对象致密砂岩的声波速度主要与空隙相关, 对其声波速度的测试能直观反映空隙的变化情况; (2) 滞后效应[3], 是指事物的发展需要经历由微到著, 由潜到显的变化过程, 致使在复杂事物的因果链条中, 事物的发生原因与事物发生的实际响应存在一定时间的间隔, 我们将这种延迟了较长时间的现象称为滞后效应。滞后效应在岩石物理实验中具体表现为压力已到达目标值, 岩石样品内部压力未达到目标值从而使得宏观表现滞后于压力的变化。由于滞后效应的存在, 导致了实践结果的多样性与不确定性。
1 实验及结果分析
在目前的岩石物理实验中, 测定岩石在不同压力情况下岩石速度实验极为常见, 在此实验中, 滞后效应的影响不容忽视, 它作为岩石的一种重要性质, 对滞后效应的研究对岩石物理实验具有十分现实的意义。本文所选用的实验对象为来自CQ地区的一批致密砂岩, 实验前均将实验样品至于80°干燥箱中干燥24小时, 确保足够干燥状态, 此外, 本实验仪器选用的是SCMS-E高温高压岩心多参数测试仪, 实验采用的是脉冲穿透法, 纵波发射频率为700KHZ, 按照5mpa为梯度, 实验获取不同压力 (0-60MPA) 下岩石的纵波速度。
实验结果图:
实验结果分析:
图1是选取CQ地区的9快致密砂岩样品测试成果图, 不同的岩石样品纵波速度随压力变化趋势图;图2则是一块岩石样品的压力-纵波速度曲线图, 在本图中, 分段拟合了30Mpa前和30Mpa后的变化趋势, 从图中我们可以看到: (1) 0-30MPA实验结果拟合成指数曲线, 即纵波速度与压力的增加不呈线性关系, 而是表现为非线性关系, 岩石物理性质上表现为非线性弹性; (2) 对30-60MPA的实验结果进行拟合, 发现可以用线性直线很好的拟合实验结果, 即表现为线性关系, 在岩石物理性质上为线性弹性; (3) 实验等待稳压的时间越长, 实验结果与拟合曲线更为相近。
岩石内部空隙的“软空隙”在0-30MPA阶段, 随着压力的增加, 逐渐由“开”变为“关”, 随着压力的增加, 关闭的速率逐渐放慢, 可关闭的“软空隙”越来越少, 岩石等效密度逐渐变大, 变大速率逐渐变小, 岩石的速度也随着逐渐变大, 变大速率逐渐变小;在30-60MPA阶段, 此时“软空隙”已全部关系, 由“硬空隙”和岩石基质骨架组成的部分变现出线性弹性性质, 即遵循胡克定律中应变与应力关系:σ=Eε, 此时岩石等效密度与应力也呈线性关系, 宏观变现为岩石速度与压力呈现线性增加关系。对比同一块岩石不同稳压等待时间可以看到, 随着等待时间的增长, 岩石速度与围压的关系更加符合拟合结果, 这表明等待稳压的时间越久, 岩石声波速度测定的精度越高。
2 意见和建议
岩石的非线性弹性性质是一种极为常见的岩石特征, 特别是对于岩石物理实验这一类高精度实验项目而言, 更是一个不可忽略的因素, 因此, 作者就此对岩石物理实验提出几点建议和改进意见: (1) 岩石物理实验需本着实事求是的精神, 认真记录每一次观测到的实验结果, 确保第一手资料的真实可靠; (2) 岩石物理测试过程中, 不同的测试人员需统一标准, 特别是在选取初至的时候, 统一选择某一个特征清晰明显的起跳点作为初至点, 一次实验过程和全部实验过程都保持这一标准, 可尽可能使得测试的结果准确, 避免人为的误差; (3) 岩石物理实验的加压和泄压过程都是一个动态的过程, 因为滞后效应的存在, 从而使得在该动态过程中, 在压力达到某一个测试目标压力值附近时, 在实际情况允许范围内尽可能选择长的等待稳定时间, 且保证每次等待时间大致相同, 尽量减少滞后效应对每单次测量结果的影响; (4) 建立滞后效应模板, 对某一沉积稳定, 岩性稳定的区域, 可以选择进行岩石样品的长时间滞后效应观测试验, 结合地震和实际录井资料, 绘制滞后效应模板图, 从而对以后测得的岩石速度值进行校正。
参考文献
[1]李廷, 席道瑛, 徐松林.动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究[J].地学前言, 2006, 13 (3) :207-212.
[2]Franklin Ruiz and Arthur Cheng, OHM Rock Solid Images, A rock physics model for tight gas sand[J].THE LEADING EDGE.DECEMEER 2010, 1484.
岩石物理性质 篇4
通过对辽东菜园子玄武岩中的橄榄石和单斜辉石捕虏晶进行K-Ar定年及岩石地球化学测试,研究华北克拉通东部新生代岩石圈地幔的`性质及深部作用过程,结果表明,辽东菜园子玄武岩形成于古近纪,K-Ar年龄为36.33 Ma±0.97 Ma和39.34 Ma±1.27 Ma;属于碱性玄武岩系列;玄武岩中Sr,Ba相对富集,Zr,Hf相对亏损;ISr和εNd(t)值分别介于.0.704 73～0.705 16和+0.22～+2.27之间.橄榄石捕虏晶发育环状裂隙和扭折带,具有明显的成分环带,自核至边Mg#值逐渐降低(核部Mg#值介于88.7～94.3之间,边部Mg#值介于76.6～77.8之间),核部与新生代玄武岩地幔橄榄岩包体中橄榄石的成分类似,边部与玄武岩中橄榄石斑晶成分相当.单斜辉石捕虏晶为透辉石,具有反环带结构,核部具有较高的FeO,MnO,Na2O,Al2O3质量分数,反映了壳源成因;过渡部分MgO,Cr2O3质量分数明显升高,反映了壳源物质与软流圈物质反应的结果;向边部MgO,Cr2O3质量分数逐渐降低;FeO,MnO,Na2O,Al2O3质量分数逐渐升高,暗示与寄主岩浆反应的效应.上述结果表明,华北克拉通东部新生代岩石圈地幔具有亏损性质,但岩浆形成过程中有陆壳物质加入.环带状橄榄石捕虏晶反映了新生代岩石圈地幔中橄榄岩与熔体之间相互作用的存在.
作 者：王微 许文良 王冬艳 纪伟强 杨德彬 裴福萍 WANG Wei XU Wen-liang WANG Dong-yan JI Wei-qiang YANG De-bin PEI Fu-ping 作者单位：吉林大学地球科学学院,吉林,长春,130061 刊 名：矿物岩石 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF MINERALOGY AND PETROLOGY 年，卷(期)：2007 27(1) 分类号：P588.14+5 关键词：辽东 古近纪 玄武岩 捕虏晶 岩石圈地幔★ 我的手穿过你的黑发散文
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岩石物理性质 篇5
关键词：岩石,岩体,结构面,结构效应,力学性质
20世纪60年代起,国内外工程地质界均已开始注意到,被各种结构面切割的岩体与完整小块岩石的力学性质有着极大的差别,而对建筑物安全运行起到制约和控制作用的,往往是岩体中发育的各种成因不同、规模各异的结构面。至此,在工程地质和岩石力学研究中,提出了岩石和岩体的概念。
岩体(Rock mass)是地质体的一部分,由被各种宏观地质界面(如层面、节理、破碎带、不整合面、侵入接触带和断层等)分割成大小不等、形态各异、多呈一定规律排列的诸多块体组合而成,这些地质界面统称为结构面(Structural plane)或不连续面(Geological discontinuity),被结构面切割而成的块体则称为结构体(Structural element)或岩块(Rock block)或者简称为岩石(Rock)。
由于各类宏观结构面的存在,使得岩体具有地质不连续性、非均质性和各向异性等基本特点,这就是所谓的结构效应。过去,倾向于把岩石(块)视作为连续的、均质的各向同性的介质,随着研究的深入,人们逐渐认识到,岩石(块)中也存在诸如晶格边界、晶格缺陷、矿物解理、微裂隙和粒间空隙等微结构面,同时,岩石(块)中存在有成岩过程中形成的相对连接紧密的原生结构面,比如沉积岩中的层理、火成岩中的流面与流线和变质岩中的片理与片麻理等,凡此种种,使得岩石(块)同样具有不连续性、非均质性和各向异性的特点。
岩石(体)中的结构效应对其力学性质的影响是显而易见的,相同的岩石(体),因其所处工程部位不同,受到的附加荷载的大小与方向不同,将表现出差异明显的力学强度,这一特性对工程地质评价有着至关重要的意义。
下面以某工程为实例,来具体分析和讨论岩石(体)中的结构效应。
1 地质背景概述
某工程区岩体以震旦-寒武系黑云母石英片岩为主,具鳞片变(细)晶结构,片状构造。岩体片理产状总体为NE40°～60°倾NW∠60°～70°,上坝址岩体片理发育明显,下坝址部分地段岩体片理肉眼不易判别。经磨片鉴定,岩石矿物成分以石英(60%～70%)、黑云母(间含白云母,含量30%)为主,长石少见(0～15%),偏光镜下可见矿物长轴做定向排列,沿片理面云母相对富集。
工程区构造形迹主要为挤压破碎带和节理。挤压破碎带多与片理发育方向近平行展布,走向以NE30°～70°为主,NW280°～320°为次,倾角多在50°以上;岩体主要发育三组陡倾节理,节理面光滑平直或稍弯曲,地表微张,下部闭合,延伸长在10 m左右,发育间距一般在50 cm以上。
2 结构效应对岩石(块)力学性质的影响
为全面了解工程岩石(体)的力学性质,在坝基岩体初步分级的基础上,采取了一定数量的岩块进行室内力学性质试验。全部试样均结合平洞开挖采取,而且分别采自弱风化带和微新岩体,试样加工则分别考虑受力方向与片理斜交、平行和垂直3种状况。
综合分析试验结果(参见表1),可大致归纳如下规律:
(1)受片理发育的影响,工程区岩石(块)力学强度具有较为明显的各向异性,加荷方向与片理发育方向夹角不同,岩石(块)强度以及试件破坏形式均存在差异。加荷方向垂直片理时,试样以鼓胀压裂破坏为主,岩石(块)强度最高,单轴饱和抗压强度为51.9～128.0 MPa,平均97.8 MPa;斜交片理方向,试样多为顺层破坏,强度最低,单轴饱和抗压强度为36.6～119.3 MPa,平均62.6 MPa;平行片理时强度居中,单轴饱和抗压强度为62.2～117.4 MPa,平均86.9 MPa。
(2)弱风化岩石(块),单轴饱和抗压强度为46.0～113.0 MPa,平均83.6 MPa;微新岩石,其单轴饱和抗压强度为36.6～128.0 MPa,平均82.0 MPa,二者相差无几。其原因在于工程区属于大陆性北温带寒冷气候,岩体以物理风化为主,风化作用对岩石(块)力学强度有一定影响,但不十分明显。
3 结构效应对岩体变形特性的影响
岩体原位变形试验采用承压板法,试验部位分别选在卸荷带、弱风化带、微新岩体以及挤压破碎带等部位,试验结果参见表2。受节理等宏观结构面发育的影响,相对岩石(块)试验成果,岩体原位变形试验成果极为明显地反映了岩体的结构效应:
(1)原位变形试验所得岩体弹性模量远小于岩块弹性模量,表明岩体变形过程中存在不可逆的裂隙压密过程。岩石(块)试验结果,弱风化与微新岩石的饱和弹性模量平均值均在30 GPa以上,最高可达78.8 GPa;而原位变形试验,即使是微新岩体,其饱和弹性模量平均值亦不足20 GPa。
(2)因结构面发育的不均一性,致使工程区岩体力学强度亦具有明显的不均一性和各向异性。各试验点之间不仅试验成果离散度较大,而且加荷方向呈水平时的岩体变形模量,明显大于加荷方向垂直时的岩体变形模量。
(3)相同岩性条件下,结构面发育程度以及风化卸荷作用是制约和影响岩体力学强度的主要因素。一般而言,岩体强度随风化卸荷强度的减弱而提升,但是,弱风化带内若试验点位岩体相对完整,则其变形模量和弹性模量分别可达9.68GPa和18.25 GPa,而微新岩体若结构面相对发育,其变形模量和弹性模量则分别降至6.28 GPa和10.40 GPa。
4 结构效应对岩体抗剪强度的影响
岩体原位抗剪试验结果(参见表3)同样明显地反映了岩体的结构效应,在相近岩性条件下,试验部位的岩体结构面(主要为闭合节理面)发育程度及其方向是影响岩体抗剪强度的第一要素。
(1)当水平荷载方向与结构面近垂直时,受结构面压密的影响,岩体剪切位移相对最大(参见图1),但岩体剪切破坏需剪断结构面之间的完整岩块(岩桥),因此,岩体抗剪断强度相对最高,f'=1.19-1.35,c'=1.09～1.19 MPa。破坏面起伏差3～9 cm。
(2)当水平荷载方向与结构面近平行时,岩体剪切位移相对较小(参见图2),但岩体抗剪断强度相对最低,f'=1.15～1.18,c'=0.33～0.36 MPa。岩体剪切破坏多沿结构面发生或沿结构面追踪发展,破坏面起伏差4～11 cm且擦痕明显。
(3)当水平荷载与结构面斜交,岩体剪切位移与抗剪强度介于以上2种状况之间,f'=1.01～1.25,c'=0.46～0.65 MPa。
5 几点体会
(1)因各类宏观结构面发育,岩体力学性质中的结构效应已受到广大工程地质学者们的认同和重视。但是,岩石(块),尤其是原生结构面(如沉积岩中的层理、火成岩中的流面与流线和变质岩中的片理与片麻理等)较为发育的岩石(块),同样具有不连续性、非均质性和各向异性的特点,这是我们在工程岩石(体)力学性质研究中不容忽视的问题。
煤系岩石力学性质差异的岩性效应 篇6
关键词：力学性质,岩性效应,煤层顶底板,控制机制
煤系地层沉积岩主要由砂岩、泥岩、灰岩等岩石构成。不同岩性的的颗粒大小、矿物的成分以及岩石组成结构等都有所不同, 从而对岩石力学性质有一定的影响。有关岩石力学特性研究早已受到国内外学者的重视且取得了许多研究成果[1,2,3,4,5], 主要是从岩石所处受力条件、赋存环境、含水性等影响因素方面开展研究[6,7,8,9], 并对深部地层岩石力学性质进行了研究[10,11,12], 而对岩石力学性质差异起着决定作用的是岩石本身固有的岩性差异方面却研究的较少[13,14,15]。为此, 本文以淮南矿区含煤岩系不同岩性岩石的基本测试力学参数为依据, 分析了不同岩性的力学性质差异规律, 探讨了影响煤系沉积岩力学性质差异的内在影响因素, 以期对煤矿井下支护和地面瓦斯抽采钻孔破坏的层位与岩性效应研究提供一定理论依据。
1 煤层顶底板力学性质岩性差异
1.1 样品采集与参数测试
实验所用岩石样品采自淮南矿区丁集矿、顾北矿、顾桥矿、潘三矿、潘一矿以及张集矿煤系地层的粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、石英砂岩、以及泥岩等。为便于力学参数的统计对比分析, 根据矿物颗粒大小, 进一步将岩石划分为粗、中、中细、细砂岩, 粉砂、粉细砂和泥质粉砂岩, 砂质泥岩和泥岩。
研究的岩石力学参数中, 岩石变形参数泊松比v和弹性模量G是相互独立的, 可以通过三轴加载实验获取得到。其他的岩石力学参数的机械强度参数, 如抗压强度、内摩擦角和
凝聚力可以通过上述的两个独立参数推导出来。抗拉强度参数数据则需要另外进行抗拉强度试验测得。本文数据来自于两次独立试验和多次数据计算。
1.2 岩石力学性质的岩性效应
试验结果表明 (表1) , 砂岩的抗压强度为27.0~150.525MPa, 平均54.435MPa, 抗拉强度1.02~4.22MPa, 弹性模量8.412~43.93GPa, 泊松比0.119~0.253, 凝聚力5~21MPa, 内摩擦角29~42.0°;粉砂岩的抗压强度为10.05~138.76MPa, 平均38.610MPa, 抗拉强度0.4~3.9MPa, 弹性模量2.663~30.7GPa, 泊松比0.078~0.325, 凝聚力1.5~17MPa, 内摩擦角30~48°;泥岩的抗压强度为9.4~122.412MPa, 平均26.491MPa, 抗拉强度0.16~3.64MPa, 弹性模量2.038~48.21GPa, 泊松比0.12~0.31, 凝聚力1.2~15.5MPa, 内摩擦角25~45°。
不同岩性的岩石力学性质差异较大, 抗压强度和抗拉强度等指标以砂岩为最大, 平均值分别是54.435MPa和2.207MPa, 泥岩最小, 平均值为26.491MPa和0.895MPa。内摩擦角各类岩性变化不明显。但需要指出的是, 不同岩性的同类力学参数存在重复与交叉, 砂岩的单轴抗压强度为27.04~150.525MPa, 粉砂岩为10.05~138.76MPa, 泥岩为9.4~122.412MPa。这些现象表明不同岩性的力学与岩性颗粒大小并非呈简单的线性关系, 岩性颗粒不是影响岩性力学性质差异的唯一因素, 岩石成分、结构、胶结成分, 胶结类型和支撑类型等内在因素和赋存环境、受力条件等外在因素同样对岩石力学性质存在影响。
1.2.1 岩石的机械强度参数对比
岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的机械强度, 包括抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度, 不同岩性的力学性质有很大的不同。
从以上的试验成果可以看出 (图1、图2;其中, (1) :粉砂、中砂、细砂岩, (2) :粉、粉细砂、泥质粉砂岩, (3) :砂质泥岩、泥岩;下同) , 岩性颗粒由粗变细, 抗压强度存在变小趋势;特别是在较粗粒砂岩与泥岩比较变化明显;抗拉强度反应同样趋势, 但部分砂泥岩互层抗压强度低于砂质泥岩。岩石的抗拉强度远小于抗压强度, 之所以出现这种现象, 是因为在压缩条件下, 裂缝扩展受阻止的机会比在拉伸条件下要多得多, 决定抗拉强度的因素不只是岩石颗粒间的黏聚力, 还有摩擦力。在拉伸条件下, 试件中裂隙扩展速率比压缩时快, 因为在拉应力场中, 储存能释放速率随裂隙尺寸微量增加而迅速增大, 决定抗拉强度的因素主要是岩石颗粒的黏聚力。凝聚力与内摩擦角是抗剪强度指标, 其随岩性的变化趋势如图3和图4所示。数据表明, 凝聚力的变化比较明显, 随颗粒由[16]大变小凝聚力减小, 砂岩的凝聚力明显大于泥岩, 石英砂岩的凝聚力较大。各种岩性内摩擦角的变化不明显, 反应各类岩性颗粒之间相互摩擦需要克服颗粒表面粗糙不平而引起的滑动摩擦和颗粒之间的嵌入与咬合产生的咬合摩擦程度相差不大, 影响抗剪强度差异的主要是不同岩性的凝聚力不同, 即影响抗剪强度的主要因素为颗粒间距离、粒径大小、胶结程度。
1.2.2 岩石的变形参数的对比
在一定的应力范围内, 物体受外力作用产生全部变形, 而除去外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质称为弹性。岩石的弹性模量 (E) 和泊松比 (μ) 是描述岩石弹性变形、衡量岩石抵抗变形能力和程度的主要参数。通过对已有的岩石样品实验数据 (图5) 表明:不同岩性的弹性模量变化范围很大, 随颗粒由大变小而降低, 变化趋势与抗压强度、抗拉强度和凝聚力变化趋势一致;砂岩的弹性模量大于泥岩, 其中砂质泥岩和泥质粉砂岩的弹性模量也较小。不同岩性泊松比变化范围较小, 与前述岩石力学参数变化趋势相反, 随颗粒减小呈阶梯状增大趋势, 但变化范围较小 (图6) 。
2 岩性对岩石力学性质的控制机制
影响岩石力学性质的因素除与受力条件和赋存环境等外在因素有关外, 岩石的沉积环境和沉积特征 (物质成分和结构构造) 等内在因素起决定性的作用[17]。岩性对岩石力学性质的控制实质是岩石的成分和结构对岩石力学性质的控制, 主要与岩石矿物成分 (主要为石英与粘土矿物相对含量) 、颗粒大小、形态与结构、胶结特性等因素有关。随石英含量增高, 岩石强度变大;随颗粒减小, 强度增高;抗压强度随孔隙率增加而减少[18,19]。抗压强度、抗拉强度、凝聚力、弹性模与泊松比随碎屑颗粒变化呈现两次明显的阶梯跃变, 分别在碎屑颗粒由大到小分别至细砂岩向粉砂岩过渡、泥质粉砂岩向砂质泥岩过渡阶段迅速减小, 表现为“粒径软化”特性[20]。岩性力学性质的规律性变化, 实质受颗粒碎屑成分与结构控制。对于砂岩来说, 颗粒组分主要为石英, 而长石、岩屑等含量较小, 而石英是一种高强度刚性矿物;同时碎屑颗粒的减少意味着杂基物质含量的增加, 颗粒成分不再构成岩石的骨干, 颗粒接触逐渐向凸凹接触、线接触和点接触过渡, 支撑结构由颗粒支撑向杂基支撑结构转变, 胶结类型由镶嵌式胶结、接触式胶结、孔隙式胶结向基底式胶结过渡, 使得颗粒间承受接触力并在其内部相互传递的能力减弱。随着粒度进一步变细, 粘土矿物含量与云母含量增多, 颗粒之间基本由杂基支撑, 变形主要表现为粘性、塑性和粘弹塑性, 则岩石的力学强度和刚度降低。
3 结论
(1) 以细砂岩至粉砂岩、泥质粉砂岩至砂质泥岩为大致过渡界限, 煤层顶底板不同岩性的力学参数存在阶梯状突变, 抗压强度、抗拉强度、凝聚力与弹性模量随颗粒减小而减小, 泊松比随颗粒变小而增大, 内摩擦角随颗粒大小变化的趋势不明显。
岩石物理性质 篇7
关键词：物理分析,黏土含量,油藏纵波速度
0引言
利用地震波传播特性研究沉积物性质在油藏地球物理中都有广泛应用, 甚至包括预测边坡稳定性、探测气藏和描述油田非均质性。近年来, 由于地震分辨率和声波测量的提高, 使我们能够研究更小更复杂的地质构造。此外, 逐渐发展的横波勘探、振幅补偿技术都将提供大量有价值的有关岩石属性的信息。为了将这些信息转化为岩石属性, 首先需要定量评价沉积岩的物理性质, 如孔隙度、孔隙形状、岩性、粘土含量、流体类型、饱和度和状态参数如温度、应力状态、空隙压力对地震和声波速度的影响。
本文中主要考虑油气储层中黏土含量对速度的影响, 在砂泥岩混合物中利用一个微几何模型用来解释和预测黏土含量对纵波速度的影响。这个几何模型用于孔隙中含有分散泥质的砂岩骨架的含油气砂岩。基于这个模型可以预测随黏土含量增加, 油藏储层存在最小孔隙度, 并且相对于黏土含量存在一个速度峰值。在未压实的砂泥岩和压实砂岩油气储层中, 这个模型结果和实验室速度数据有很好的定性一致性。这个模型被用来解释油气储层中孔隙度和速度关系, 同时用来解释油藏中高度分散的黏土含量和压实状态的存在。
2油气储层中的黏土含量对速度和孔隙度关系的影响
在油气勘探和储层描述中, 如果我们希望预测岩石的地震速度, 仅仅知道岩石孔隙度矿物成分, 我们只能预测地震速度的上限或者下限。为了提高准确性, 我们需要考虑黏土含量在油气储层岩石中充填状态, 矿物颗粒之间的接触排列等。本文就是利用岩石物理模型, 分析泥质砂岩和砂质泥岩油气储层中的黏土含量对油藏地震速度的影响, 提高储层地震速度预测精度。
(1) 储层砂岩和泥质砂岩:。当油气储层岩石中的黏土体积分数低于砂岩孔隙度, 黏土颗粒分布于砂岩骨架孔隙空间中。因此, 黏土孔隙空间组分来对待, 这样岩石孔隙空间中填充满物质使孔隙变硬, 不作为基岩部分考虑。因此必须考虑因为孔隙填充物 (流体和黏土) 的弹性模量的增加而引起的随黏土含量的增加速度的增加。这种影响的计算类似于Gassmann方程 (1951) , 纵波速度Vp和横波速度Vs的计算使用下列公式:
其中K、G、ρ分别为体积模量、剪切模量和砂—泥混合物的密度, 可以使用下列公式计算:
其中ρq、ρc、ρw分别为砂粒 (石英) 密度、黏土矿物密度、饱和流体密度, Kfr和Kq分别为骨架体积模量和矿物体积模量, Gfr为骨架剪切模量, 为孔隙填充物 (流体和黏土) 的有效体积模量。可以看到, 当用岩石孔隙度φ和流体体积模量Kfl替换后, 方程2.3和Gassmann方程一样。仅仅当孔隙空间填充满物质, 剪切模量为零时, 方程2.4在理论上才是有效的。尽管饱和泥岩只有有限剪切模量, 但是砂泥岩混合物的剪切模量变化很小, 这表明砂岩孔隙空间中填充物的剪切模量可以忽略。
(2) 储层砂质泥岩和泥岩:。当油藏储层岩石中黏土体积分数大于砂岩孔隙度 (在泥岩和砂质泥岩中) , 黏土颗粒将砂格断开, 砂粒悬在泥质混合物中。对于固液悬浮物和类似的复合介质, 实验结果显示, 使用等应力关系或者Reuss平均体积模量和剪切模量可以准确的描述饱和砂泥岩混合物的速度。
其中K、G分别表示体积模量和剪切模量, 下标sh和q分别表示饱和泥岩和石英。通过方程2.1和2.2计算得到速度, 密度使用如下公式计算:
油藏储层的纵波速度和储层岩石中黏土体积分数关系的结果表示为图1。当黏土含量低于砂岩孔隙度时, 随着黏土含量增加速度增加。此时, 黏土含量增加充填了砂岩孔隙, 趋向于使泥质砂岩刚度和速度增加。当黏土含量大于砂岩孔隙度时, 多余的粘土会使砂岩颗粒互不接触, 岩石支撑逐渐由砂岩支撑像黏土支撑转变, 岩石骨架刚度和速度也有减小。
在实验室内, 通过对不同黏土含量的砂泥岩油气储层, 分别加以不同的压力, 进行超声波速测量, 结果发现与模型计算结果吻合较好 (图2) 。在实验结果图中存在一些散点, 出现这种散点在很大程度上可能是由于未固结岩石和碎屑岩中的压实和黏土含量引起的。
3结论
针对孔隙内含黏土的砂岩和泥质砂岩油气储层岩石, 以及含分散砂粒的泥岩和砂质泥岩油气储层。假定黏土颗粒随孔隙度的增加线性减少, 当黏土含量大于孔隙度时, 孔隙度随黏土含量增加而增加。将黏土作为流体对待, 通过上述模型, 来描述砂泥油藏储层岩石和一些碎屑岩中黏土含量对油藏纵波速度的影响是比较好的。在进行油藏储层描述, 利用岩石物理模型, 从微观角度分析影响油气储层地震速度的因素, 更好的帮助“定量地震解释”, 提高复杂储层、隐蔽油田的勘探精度。
参考文献
[1]陈颙, 黄庭芳.岩石物理学.北京:北京大学出版社, 2001.
[2]Marion, D., and Nur, A., 1991, Porefilliing material and its effect on velocity in rocks.Geophysics, 56, 225-230.
岩石物理性质 篇8
关键词：致密砂岩,岩石物理模型,AVO属性,敏感属性优选,流体检测
利用地震资料进行致密砂岩中流体性质的准确识别是提高致密砂岩气藏开发效益的基础,致密砂岩的流体识别一直是储层预测中的难点与热点问题,国内外学者开展了大量的研究与应用。一类是采用基于时频分析的方法对苏里格地区进行气水分布检测[1]; 另一类是采用AVO与叠前反演技术对含气储层进行了预测[2,3]。
叠前AVO属性因为没有经过叠加处理,包含了更多的储层流体信息,因此相对叠后属性来说,利用叠前属性可以更可靠的预测流体,目前已得到广泛的应用。由于叠前地震属性同时受岩性、孔隙度、流体等地质因素的综合响应,在不同的地质条件下,不同地震属性参数对其敏感程度不同。这就需要优选出对流体反应敏感的属性,进而利用其更准确的预测储层的流体性质[4]。
以苏里格某区块为例,该区位于苏里格气田西部,气水关系复杂,不同含气砂岩与含水砂岩之间无统一的气水界面[5,6]。针对此问题,采取了岩心标定测井,测井标定地震的一体化研究思路: 从实验室测试数据出发,优选出适合致密砂岩的岩石物理模型,进而弄清岩性、物性、含气性对岩石弹性参数的影响规律,结合正演模拟分析推知岩性、物性、含气性对AVO属性的影响,在此基础上优选出对流体敏感的属性,最后利用此属性对实际工区进行了流体预测,圈定了含气富集区。
1 岩石物理弹性参数变化规律研究
为了弄清储层参数对地震响应的影响,首先需要通过岩石物理模拟建立起储层参数与地震弹性参数的联系。由于目前国内外的岩石物理模型有很多,各自的实用范围不尽相同。因此首先需要通过实验室数据标定,寻找适合致密砂岩岩石物理建模的岩石物理模型。当前适合砂岩地层中岩石物理模拟主要有Xu-White模型[7]; 其建模的步骤主要分为4步: 基质等效弹性模量计算、干岩骨架模量计算、混合流体等效模量计算、饱含流体等效模量计算。在混合流体等效模量计算中,岩石其中流体的混合方式将直接影响岩石等效模量的求取,进而影响纵、横波速度的变化规律。当前用于流体混合模拟的岩石物理模型主要有Wood模型[8]、Brie模型[9],两者分别适用于不同孔隙空间的流体分布方式。Wood模型主要适应于孔隙较大,连通性较好,流体呈均匀饱和状态的岩石; Brie模型主要适应于流体在孔隙空间呈部分饱和状态的岩石,式( 1) 为Wood模型计算公式,式( 2) 为Brie模型计算公式。
式中,Kfl为混合流体的有效体积模量,Kgas、Kwater分别为气、水的体积模量,其中e是Brie指数,一般取值在3附近,Sgas、Swater分别为气、水的饱和度,且Sgas+ Swater= 1。
Domenico[10]在1984年提出: 在非固结砂岩中, 当含气饱和度达到20% 时,泊松比基本已经下降到了极限,之后饱和度增加只会引起泊松比的微弱变化,因此叠前AVO技术只能检测孔隙中是否含气, 但是不能预测其中是否为工业气藏。
由于介质存在泊松比差异是引起AVO响应的根本原因,能否利用AVO检测流体,取决于不同含气饱和度岩石之间是否存在泊松比差异。图1对比了Brie模型、Wood模型以及实际岩心在不同含气饱和度条件下泊松比的变化情况,其中实验数据是岩样在地层的温度、压力条件下得到的,其孔隙度为8% 。从图1中可以看出,Brie模型能更好的模拟泊松比随含气饱和度的变化情况,因此优选Brie模型作为致密砂岩中流体岩石物理模拟的模型。同时也说明弹性参数是随含气饱和度逐步变化的,不同含气含气饱和度条件下的泊松比存在着差异。这同Domenico在非固结砂岩中结论明显不同。说明在致密砂岩中利用AVO技术不仅能够判断砂岩是否含气,还能判断其是否为较高含气饱和度的工业气藏,这为AVO预测致密砂岩储层中的含气饱和度奠定了岩石物理基础。
2 双变量正演模拟分析
在了解储层参数包括物性、流体对岩石物理弹性参数影响的基础上,提出一种与常规地震储层预测方法不同的方法技术。该方法技术从正演模拟出发,以正演结果指导我们认识含气储层的地震响应特征,同时在正演模拟数据上提取属性,筛选出对储层物性、含气性反映敏感的属性,进而指导储层预测,减少多解性。
目前叠前属性中应用较为广泛的有P属性、G属性,P属性、G属性分别通过道集由Shuey[11]近似公式拟合[见式( 3) ]得到。由这二者组合得到的P + G、PG属性、流体因子ΔF[12][式( 4) ~ 式( 8) ] 等,通过这些属性能客观反映储层的岩石弹性参数变化情况。
式中θ为入射角与反射角的平均值,P属性、G属性为界面属性,与上下介质的岩石物理性质有关。Vp、Vs、ρ分别为反射界面两侧介质的纵、横波速度和密度的平均值,ΔVp、ΔVs、Δρ分别为反射界面两侧介质的纵、横波速度和密度的差值,b为调节系数,不同地区取不同值,本次b根据工区实测的纵、横波速度拟合得到。
由于叠前属性不仅受流体影响,还受储层孔隙大小的影响。同时考虑了孔隙与流体对叠前属性的影响( 图2) ,其中X方向上为孔隙度变大的方向,Y方向为含气饱和度变大的方向,颜色块表示在特定孔隙与流体饱和度条件下的各种属性值 ( P、G、P - G、PG、P + G、流体因子) 大小。从这几个图可以找出各种叠前地震属性随孔隙与流体的变化规律,对比得出,在相同的孔隙条件下,P + G属性与流体因子能较好的反映含气饱和度的大小,且孔隙越大,含气饱和度越大,P + G与流体因子属性值越大。
3 实际应用
图3为在苏里格西区利用P + G属性对盒8段致密砂岩气层进行检测的结果,图中的高的P + G属性值反映致密砂岩储层中含气饱和度较高,预测结果与试气结果较为吻合,同时新发现该区东北部含气性较好,为下一轮开发井位部署提供了依据。
4 结论
( 1) 岩石物理分析以及正演模拟分析是地震属性优选的核心技术,其中岩石物理模型优选是关键, 其正确与否直接影响后续的流体敏感属性优选结果。
( 2) 在致密砂岩储层中,Brie模型能更准确模拟流体对岩石弹性参数的影响,实验数据与Brie模型均表明,不同含气饱和度的致密砂岩储层泊松比存在明显差异。
( 3) 利用叠前地震数据检测致密砂岩中的流体是可行的,对致密砂岩储层含气性反映较为敏感的AVO属性为P + G属性、流体因子属性。
参考文献
[1] 张猛刚,洪忠,窦玉坛,等.时频分析在苏里格地区含气性检测中的应用.岩性油气藏,2013;25(5):76—80,85Zhang M G,Hong Z,Dou Y T,et al.Gas detection in Sulige field with time frequency analysis.Lithologic Reservoirs,2013;25(5):76 —80,85
[2] 张盟勃,史松群,潘玉.叠前反演技术在苏里格地区的应用.岩性油气藏,2007;19(4):91—94Zhang M B,Shi S Q,Pan Y.Application of pre-stack inversion in the Sulige field.Lithologic Reservoirs,2007;19(4):91—94
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[5] 李新豫,曾庆才,包世海,等.“两步法反演”技术在致密砂岩气藏预测中的应用以苏里格气田苏X区块为例.岩性油气藏,2013;25(5):81—85Li X Y,Zeng Q C,Bao S H,et al.Application of"two step inversion"technology to the prediction of tight sandstone gas reservoir:A case study from Su X block in Sulige Gas Field.Lithologic Reservoirs,2013;25(5):81—85
[6] 石玉江,杨小明,张海涛,等.低渗透岩性气藏含水特征分析与测井识别技术—以苏里格气田为例.天然气工业,2011;31(2):25—28Shi Y J,Yang X M,Zhang H T,et al.Water-cut characteristic analysis and well logging identification methods for low permeability lithologic gas reservoirs:a case study of the Sulige Gas Field,Natural Gas Industry,2011;31(2):25—28
[7] Xu S,White R E.A new velocity model for clay-sand mixtures.Geophysical Prospecting,1995;43(1):91—118
[8] Wood A W.A textbook of sound.New York:The Mac Millan Co,1955:360
[9] Brie A,Pampuri F,Marssala A F,et al.Shear sonic interpretation in gas-bearing sands.SPE Annual Technical Conference,1995:701 —710
[10] Domenico S.Rock lithology and porosity determination from shear and compressional wave velocity,Geophysics,1984;49(8):1188—1195
[11] Shuey R T.A simplification of the Zoeppritz equations.Geophysics,1985;50(4):609—614
岩石物理性质 篇9
1 特征井分类与裂缝尺度分级
结合试油试采资料将研究区块内井大致分为三类, 一类为初期高产、累产高、稳产油井, 这类井在测井、钻井特征上显示有放空、漏失现象产生, 地震剖面显示孔洞发育, 成像测井显示在目的层一间房组有裂缝发育, 裂缝延伸长度大, 使得裂缝有效沟通了储集空间, 为该类井获得较为稳定的工业油流奠定了基础。另一类井为初期高产但快速递减、通过注水驱替后部分井累产较高的井, 这类井有放空、漏失现象, 测井解释缝、洞发育, 这类井我们认为可能与裂缝尺度有关、孔洞-裂缝沟通程度有关, 该类井应该发育小裂缝为主从而导致沟通能力受限。最后一类为失利井、出水井, 其钻井特征表现为无放空、漏失现象, 测井解释裂缝发育。该类井储集空间应该与上一类井相同, 但是可能由于所含流体类型不同, 会导致其有出水现象产生。分析可以推测, 从裂缝发育程度来看, 第一类井应该为中、大尺度裂缝发育, 储集空间沟通好;第二、三类井应该小尺度裂缝发育, 使得裂缝难以有效沟通储集空间。
在特征井分类的基础上, 我们综合研究该工区的成像测井资料, 声波、密度测井资料及岩心资料, 建立洞+裂缝模型。在建立模型之前, 我们有必要对裂缝尺度进行一下定义。
在实际勘探中我们发现, 颗粒尺度的微裂隙和构造尺度的大型断裂都是造成各向异性的原因, 但是在当下岩性勘探阶段的储层预测中我们更加关注的是对储层渗透性起支配作用的构造尺度以下级别的流体单元, 这类裂缝尺度一般为米级, 尺度大约在波长的1/4到1%之间, 而且往往是实际地震剖面上识别不了的, 我们称其为中等尺度裂缝;另一种为颗粒级裂隙及孔隙, 这裂缝裂缝通常只能在电镜下观测得到, 我们称其为微裂隙, 其延伸长度大约在1%波长以下;而大型的裂缝或者孔洞, 也就是小断层或者大裂缝, 通常是大于1/4波长, 往往在地震剖面 (叠后) 中很容易识别, 我们称其为大尺度裂缝。有研究表明, 偏移能够消除构造或者断层造成的各向异性影响, 因此我们在此不考虑断层的影响。
2 缝洞模型建立
在裂缝尺度定义的基础上, 我们选择有横波测井、声波测井曲线及密度测井曲线的井建立背景介质速度模型, 该目的层密度大约为2.7g/cm3, Vp=5.52Km/s, Vs=2.8Km/s。模型盖层速度Vp=4.7Km/s, V s=2.89K m/s, 密度2.6g/c m3, 半空间采用Vp=6Km/s, Vs=3.15Km/s, 密度为2.8g/c m3, 通过对该工区内成像测井分析, 统计该工区内裂缝发育情况, 我们发现该工区内发育高角度直立缝, 而且裂缝走向以75°为主, 因此结合孔洞发育状况可以建立塌陷型孔洞+裂缝模型, 如图2-1所示。由于现有理论对各向异性介质的模拟需要先采用岩石物理模型将模型进行等效, 本次模拟中我们采用Chapman模型将裂缝参数、孔洞参数转化为等效介质模型, 其中第一层为裂缝层, 第二层为孔洞层, 如图2-2所示。我们在此模型基础上进行裂缝预测分析。
3 裂缝层岩石物理正演
3.1 缝洞模型岩石物理分析
我们计算了在我们所设计的缝洞模型条件下单组不同尺度高角缝、多组不同尺度高角缝导致地震频带内波速度、衰减随方位角变化关系, 如图3-1-1为单组不同尺度裂缝 (走向75°) 情况下所得到P波速度及衰减随方位角变化情况。可以发现, 速度极大值与衰减极小值对应裂缝方位, 这说明衰减各向异性也是对裂缝敏感的属性。图中速度各向异性呈cos2θ变化而衰减各向异性呈现cos2θ变化, 此外我们还可以看出衰减随着裂缝尺度增大逐渐增强, 而且相对而言小尺度裂缝衰减各向异性特征显得不够明显, 在频散频率范围衰减各向异性强度随尺度增加而增强, 此外速度各向异性似乎对尺度信息并不敏感。这说明衰减各向异性是对裂缝尺度敏感属性, 可以通过衰减与速度各向异性分析综合预测不同尺度裂缝信息。
为了验证不同裂缝密度对各向异性的影响, 我们计算密度为0.03和0.015情况下不同尺度裂缝模型衰减随方位变化。图3-2-2为密度0.03和0.015衰减随方位变化对比图。可以发现, 当裂缝密度降低时, 各向异性强度降低。
为了更好的分析实际地下介质情形, 我们对多组多尺度裂缝进行分析, 设计两组裂缝, 大尺度裂缝走向为75°, 裂缝尺度分别为1m, 小尺度裂缝走向为45°, 裂缝密度均为0.03, 裂缝及孔隙中均充填水。图3-1-3为此时速度、衰减随方位变化情况, 可以发现速度及衰减由于裂缝存在显现出各向异性特征, 速度最大值对应两组裂缝的加权平均角度 (65°) , 但是衰减极小值对应于中等尺度裂缝方位 (75°) 附近, 这说明衰减只对中等尺度裂缝敏感, 这说明衰减可以是区分尺度信息的重要属性。
3.2 裂缝模型地震响应模拟及属性分析
以上我们分析了裂缝层岩石物理参数影响, 下面我们利用地震记录正演方式分析不同属性各向异性差异。由于倾斜裂缝不便于计算, 而且为了布设观测系统便于得到直观的效果, 我们将前面分析的裂缝模型进行旋转, 得到直立缝模型, 然后裂缝定为90°的直立缝, 该层等效为水平同相轴的各向异性介质 (HTI) , 如图3-2-1所示。另外我们采用的观测系统为51道接收, 最小偏移距100m, 最大偏移距1350m, 在地表激发, 主频为25Hz雷克子波, 时间采样间隔为2ms, 记录时间3s, 采样点数1500, 测线呈扇形分布, 采集方位分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°, 观测系统如图3-2-2所示。盖层深度为1km, 裂缝层深度为300m, 下部为半空间。我们模型设计为裂缝层为小裂缝 (小裂缝尺度为0.1m) , 大裂缝 (大裂缝尺度为1m) , 正演所得到两个模型的不同方位地震记录如图3-2-3所示, 一般在叠前提取地震属性时需要将同相轴拉平然后进行分析, 我们对不同方位记录采用了动校正处理, 对所得地震记录进行均方根振幅、AVO梯度、衰减、频率梯度属性分析, 从而优选出叠前对裂缝及其尺度敏感属性。在对于属性评价时我们首先评价其各向异性强度, 定义为:
另外由于需要考虑尺度信息, 因此我们要考虑不同属性所分析的各向异性强度对裂缝尺度的差异, 从而判定对尺度敏感属性, 最终优选出可以进行裂缝尺度分选属性。
图3-2-4为裂缝层不同偏移距处均方根振幅属性分析结果, 可以发现在不同偏移距处各向异性强度有差异, 当偏移距接近裂缝层深度时才会体现出较强的各向异性特征, 椭圆长轴对应裂缝方位。
图3-2-5为AVO梯度属性各向异性拟合结果, 可以发现该结果较少受到偏移距影响, 而且AVO梯度所拟合各向异性强度较大, 更能反映裂缝信息。
图3-2-6为裂缝层衰减属性各向异性拟合结果, 可以发现中尺度裂缝造成衰减各向异性强度较大, 达到约50%, 这与前面岩石物理预测结果一致, 说明中等尺度裂缝会造成衰减各向异性。
图3-2-7为中尺度裂缝模型频率梯度属性分析结果, 可以发现频率梯度在不同偏移距处体现各向异性有差异, 但是在偏移距接近储层深度时体现出较强的各向异性特征, 总体而且频率梯度属性各向异性强度 (50%) 要强于振幅属性 (16%) 。
下面我们研究小尺度裂缝层均方根振幅、衰减、AVO梯度、频率梯度属性, 图3-2-8为小尺度裂缝模型不同偏移距均方根振幅属性各向异性椭圆分析结果, 可以发现与中尺度模型一致的结果, 当偏移距与裂缝层深度一致时会对各向异性的相对敏感。此外小尺度裂缝均方根振幅各向异性强度似乎与中尺度裂缝相近。图3-2-9为小尺度裂缝模型AVO梯度属性各向异性分析结果, 可以看出其各向异性基本不受偏移距影响, 各向异性强度基本与中尺度时一致。图3-2-10为小尺度裂缝衰减各向异性属性分析, 可以发现小尺度裂缝衰减各向异性基本不明显, 说明小尺度裂缝衰减各向异性特征相对不明显, 这也为我们利用衰减各向异性属性区分裂缝尺度提供了佐证。图3-2-11为小尺度裂缝模型频率梯度各向异性分析结果。与中尺度裂缝相近, 其频率梯度同样受到偏移距影响, 但是在与裂缝层相近深度上, 频率梯度各向异性相对并不是很强。
以下我们对中尺度裂缝模型与小尺度裂缝模型4种属性进行对比分析, 图3-2-12为均方根振幅对比分析结果, 可以发现小尺度裂缝与中尺度裂缝振幅各向异性差异不大, 中尺度各向异性16%, 小尺度各向异性8%, 说明振幅属性对裂缝尺度不敏感。图3-2-13为不同尺度裂缝模型AVO梯度对比分析结果, 可以发现AVO梯度对不同尺度裂缝不敏感, 但是相对振幅而言能较少受到偏移距选择影响。图3-2-14为不同尺度裂缝模型衰减属性对比分析结果, 可以发现小尺度裂缝衰减 (Q) 各向异性趋近于0, 但是中尺度裂缝各向异性趋近于50%, 可见衰减对裂缝尺度敏感, 这进一步说明了我们可以利用衰减各向异性区分中小尺度裂缝。图3-2-15为不同尺度裂缝模型频率梯度属性分析结果, 可以发现中尺度裂缝显示出较强的各向异性特征 (50%) , 小尺度各向异性不强 (9%) , 可见频率梯度对裂缝尺度敏感。综合以上分析我们发现, AVO梯度、振幅属性很难区分裂缝尺度信息, 而频率梯度、衰减属性能够很好的区分裂缝尺度, 通常衰减属性很难求取准确, 因此可以采用频率梯度属性进行叠前中尺度裂缝分析。
4 结论
研究区储层发育高角度直立缝为主;衰减各向异性与速度各向异性都能反映裂缝发育特征;速度各向异性对裂缝尺度不敏感;衰减各向异性随裂缝尺度增加而增强, 小尺度裂缝基本不体现衰减各向异性, 中尺度裂缝衰减各向异性强度大;裂缝密度对各向异性强度有影响, 但是两者不能替换, 通常所说应该为裂缝各向异性强度;岩石中含有多组不同尺度、不同走向裂缝时速度各向异性反映裂缝加权平均信息, 衰减各向异性主要体现中尺度裂缝信息;流体对椭圆拟合方位无影响, 但是会造成各向异性强度差异。
衰减及频率梯度属性体现裂缝各向异性要强于振幅和AVO梯度;小尺度裂缝体现出极微弱的衰减各向异性特征, 而中尺度裂缝体现出相对很强的各向异性特征, 因此采用衰减属性椭圆拟合可以分析出叠前中尺度裂缝信息, 而这往往是我们需要的;频率梯度与衰减一样对小尺度裂缝相对不敏感而对中尺度裂缝更敏感, 因此也可以利用频率梯度属性分辨叠前中尺度裂缝;AVO梯度与振幅能够体现各向异性, 但是对尺度引起的各向异性差异体现并不强, 因此很难利用该属性在叠前进行尺度分辨。
摘要：裂隙是碳酸盐岩的重要储层同时裂隙的溶蚀扩容是碳酸盐岩岩溶储层形成的重要因素, 对裂缝性质的研究是对碳酸盐岩岩溶发育规律进行深入认识的重要途径, 目前检测裂隙方法对野外采集因素要求高, 裂隙检测的精确性难以保障。本文在研究区测井资料及岩心资料、试油试采资料分析的基础上, 将井分类明确该地区单井裂缝发育状况, 并基于此建立裂缝模型, 通过裂缝预测岩石物理影响因素分析、正演记录属性分析, 明确对裂缝尺度预测敏感属性, 从而为后续实际资料进行多尺度裂缝预测分析奠定基础。
关键词：单井裂缝,裂缝模型,岩石物理,正演记录
参考文献
[1]陆基孟.地震勘探原理[M].北京:石油大学出版社, 1993
[2]李国发, 牟永光, 2002, 横向各向同性介质中的弹性波方程逆时偏移及其成像条件, 物探化探计算技术[J].24 (4)