岩石物理学

〈2〉孔隙流体对VP、VS影响明显不同的 砂岩孔隙在含水、油、气时，VP依此减小
物
V水V油V气
理
横波则相反 V水 V油V气
性
质
地
震
勘 探 中 的 岩 石 物 理
4 VP、VS与的关系 无论是碎屑岩还是碳酸盐岩，纵、
横波速度是线性相关的。二次曲线也 能很好地描述VP、VS之间的关系。
不管是那种经验公式，其常数都表 示出地区性差异，故不同地区要建立 各地区的经验公式。
完全弹性介质
性
当Q = 0 时， MR（）=0，表示介质衰减无穷大
质
，即该介质中波不能传播。
地
震
勘
对于线性弹性介质，相位移与Q有如下关系：
探
1 ------- = tan
一 、介质的品质因素
中
品质因素：是对介质固有的衰减特性的定量描
的 岩
述，通常用Q来表示，定义为： Q = MR（）/MI（）
式中：MR（）--- 是复数模量M（）的实部
石
MI（）--- 是复数模量M（）的虚部
物 理
公式的物理含义： 当 = 时， MI（）= 0，表示介质是无损耗的
理
玄武岩
4500-8000
性
质
地
震
二、岩石密度的影响 由纵横波速度公式：
勘
+2 k+4/3
E(1-)
探
纵波速度 VP = --------- = ------------ = ----------------
中


(1+)(1-2)
的

E
岩
横波速度 VS = ------ = -------------
的 岩 石
1
1-
------ = ----- + -------- （时间平均方程）
V
Vf
Vm
物
式中：V -- 流体饱和岩石中的波速
理
Vf --孔隙所含流体波速 Vm --岩石骨架速度
性
--孔隙度
质
地
震
勘
探
中
的
岩
石
物
理 性 质
图中：实线代表氧化硅，骨架速度=5950M/S 虚线代表石灰岩，骨架速度=7050M/S 水，Vf =1500M/S
地 震 勘 探 中 的 岩 石 物 理 性 质
地
震
勘 上述方程只适用于流体压力与岩石压力相等的
探 情况下，随着流体压力的减小，上述“时间平
中 均方程”要修改为：
的
1 C 1-C
岩 石
----- = ----- + ---------
V
Vf
Vm
物 式中C是某个常数，当流体压力=岩石压力的
理 一半，且岩石压力相当于埋深在1900m深处所 性 承受的压力达2700kg/m2时，C值取0.85左右。
石 物

2(1+)
可知，随着增大，VP 、 VS也增大，但由公式看， 增大，VP 、 VS 应降低，为什么它反而增大？
理
这是因为增大，杨氏模量E也增大，且其增大的级
性 次比高得多，所以增大，VP 、 VS也增大。
质
地 震 勘 探 中 的 岩 石 物 理 性 质
地
震
勘
探
中
的
岩
石
物
理
性
探 一、 岩石矿物成分对V的影响
中
在均匀各向同性完全弹性介质中，V取决于介质的弹性模量
的
+2 k+4/3 E(1-)
岩
纵波速度 VP = --------- = ------------ = -----------


(1+)(1-2)
石

E
物
横波速度 VS = ------ = -------------
勘 ，但幅度较小。
探
中
的
岩
石
物
理
性
质
地
七、横波速度问题 1 影响VS的因素
震
一般来说，影响VP的因素对VS都有影响：
勘
矿物成分、、、H、P、孔隙流体、T等 看图1-16 图1-17（随变化情况）
探
中
的
岩
石
物
理
性
质
地
震
勘 2 影响程度
探
就绝对变化值讲，同一因素对VP影响较大
中 ，对VS影响较小。
探 从实验结果看，固结岩石为含气～原油混合物、
中
含气～水混合物时，V随含液体饱和度变化特征的差 别是不确定的。
的
岩
固体和非固体岩石中孔隙流体及其饱和度对P波
石 速度影响的一致点：
物 I 饱含流体时比饱含气时VP要高；
理 II VP随SW的变化是非线性的；
性 质
III 充满液体的孔隙空间变成含少量气时，VP要明显 降低。
中
孔隙空间里重油和
的
盐水各占50%，其它
岩
试验条件都一样。
石
从图中可以看
物
出，纵波速度随温 度升高而降低，但
理
在同一温度范围内
性
降低幅度仅为20%，
质
即介于重油饱和与 盐水饱和情况之间。
地
含沥青未固结砂岩实验结果，VP随T增大而急剧降低。 看图1-14
震
含重油或沥青的固结良好的砂岩中，VP也随T增大而下降
性
质
地 八 石灰岩速度的特殊性
震
石灰岩速度的变化规律有其特殊性：
勘 探
1 S.Chacko(1989)任为：石灰岩中，VP/VS值主要取 决于矿物成分。
中 2 Roy Wilkens(1984)任为：硅质灰岩的VP/VS值取决 的 于钙质含量和孔隙几何形状，硅质灰岩中VP、VS随 岩 密度和钙质含量变化方向不相同：
理
性
质
地
震
勘
研究表明：
探
A、深度不大时，在压力增加的影响下，
中
速度变化最快；
的
B、深度增加时，由压力引起的速度增
岩 长明显地变慢。
石
物
理
性
质
地
震 Phillips 1989年给出了V～P的实验公式：
勘
探
Vp=5.77-6.94-1.73 C+0.446(0.01P-e-0.167p) Vs=3.52-4.91-1.57 C+0.361(0.01P-e-0.167p)

2(1+)
理 性 其中：--密度， --剪切模量，E-- 杨氏模量
--拉梅常数， K=+2/3， --泊松比
质
地
震 岩石矿物成分比较复杂，因而不
勘
同类型岩石波速变化较大
探
中 的 岩 石
岩石类型 沉积岩 变质岩
速度范围(m/s) 1500-6000 3500-6500
物
花岗岩
4500-6500
石
VP随增大而增大，与砂、泥岩一样
物
VS在随变大时稍微减小一点 看图1-20
理
性
VP随钙质含量增加而增大
质
VS随钙质含量增加而减小 看图1-21
地 震 勘 探 中 的 岩 石 物 理 性 质
地
震
1-2 地震波的吸收、衰减
勘
地震波的吸收：指地震波在传播过程中部分能 量不可逆地转化为热的过程。
探
地 震
岩石物理性质
勘
探
• 1-1 地震波速度及影响因 • 1-2 地震波的吸收、衰
素
减
中 • 岩 石 矿 物 成 分 对 V 的 影 • 介质的品质因素
的响
• 吸收系数
岩 • 岩石密度的影响
• 衰减的影响因素
石 物
• 孔隙度的影响 • 埋深的影响 • 孔隙流体对波速的影响
理 • 温度影响
性 • 横波速度问题 质 • 石灰岩速度的特殊性
质
地 震
四、埋深的影响 在岩石成分不变的情况下，埋深增加时波速通
勘 常要增大，在实际情况中岩石成分是变化的，故
探 V增长也不是单调变化。
中 早在1951年，F根据井的资料和地震剖面的资
的 料，统计得出砂、泥岩剖面中岩石的纵波速度与
岩 深度关系的经验公式为：
石 物 理
V = a (HT)1 / 6 式中：V -- 纵波速度
岩
Gardner公式很有用，在制作人工合成记
石 录时，当工区内变化较大且又无测井时
物 ，则可通过Gardner公式计算。
理
性
质
地 三、孔隙度的影响
震
一般说来，在其它因素相同的情况下，孔隙
勘 度大时，岩石的波速V低，也就是说，孔隙度
探 和波的传播速度V成反比。
中
Wyllie 提出了V-关系的经验公式：
理 的压力作用。
性
质
地
关于压力的几个述语
震
勘
探 • 流体压力：储集层孔隙中的各种流体总是处
中 的 岩
于一定的压力之下，这种作用于孔隙所含流 体的压力，称为地层压力或流体压力。
• 上覆压力：地下岩层所承受的由上覆岩层拄 的重量所造成的压力。
石 物
• 骨架压力：是上覆压力与孔隙内流体压力之 差。骨架压力又称为“有效压力”。
的
水混合物Vp随呈线性变化。 B、 Sw=0 – 0.85 Vp=常数
岩
Sw > 0.85 Vp急剧增大
石
C、孔隙中气水分布的均匀
物 性对Vp有影响。
理
Vp均 < Vp不均
性
D、理论计算和实验测量值 只是定性一致。
质
地 3、固结岩石
震 中流体饱和度
勘 探
对P波速度和 反射系数的影 响。
中
A. R.
T -- 地质年龄 H -- 深度
性
a -- 常数
质
地
震 勘 探
当V的单位取 ft/s ， H的单位取 ft， T的单位 取年, 则 a = 125.3 此公式用得较多。 注意：其应用条件是----砂、泥岩剖面，深度 不太大。由右图看出：
中
的 H增大，V增大
岩 T增大，V增大
石 物 理
在2～3km内，V增 长是非线性的
深层，V～H几乎呈 线性关系
性
质
地
震
压力对致密岩石和多孔隙岩石中波速的影响不
勘 一样。
探 1 、致密介质
中
相同矿物成分的均匀介质速度只受外压力的
的 影响，如有微裂缝致密岩石，随深度加深压力
岩 增大。导致微裂缝在高压下闭合， 使V增大。
石 物
例如：岩盐 2、孔隙介质
孔隙介质受来自围岩的外压力及孔隙内流体
的 从公式：
岩
VP =a1 - a2 - a3 c
石
VS =b1 - b2 - b3c
ai bi
物 理
说明 VP变化急剧，VS变化平缓。
性
质
地
震
勘 3 影响方向
探 中 的 岩 石
〈1〉 VP、VS变化方向相同的 i 增大，VP、VS增大； ii 增大，VP、VS减小； iii H增大，VP、VS增大。
地 震
地震勘探中的岩石物理性质
勘
探
地震勘探中地震波的特点除受激
中 发、接收因素的影响外，还主要受
的 岩石的物理性质影响，它包括：弹
岩 性模量、密度、吸收特性。
石
本章主要讨论两个问题：
物 ⑴ 地震波速度
理 性Leabharlann Baidu
⑵ 地震波吸收、衰减
质
地
震 1-1 地震波速度及影响因素
勘
V是一个重要参数：用于时深转换和储层预测
质
砂泥岩横波速度密度关系(p=0.600Vs0.183)
地 1974年，G.H.F. Gardner 统计出沉积岩中VP
震 与的关系式，即有名的Gardner公式：
勘 探 中
= 0.31(VP )1/4 式中： 的单位为：g/cm3
VP 的单位为：m/s
的 不同地区统计的经验公式不尽相同。
的 Gregory (1976
岩 ）研究结论：
石
不同孔隙
物 度岩石中P波
理 性
速度随含水饱 和度变化特点 不同。
质 看图1-9
地
震
P波速度
勘
随围压的增
探
大而增大，
中 的
不同围压时， Vp随含水饱 和度变化曲
岩
线有所不同，
石
围压增大，V
物
随SW变化率
理
有减小趋势。
性
看左图
质
地
震 勘
不同岩石中，VP随SW变化特点有差异，这种差异 小于变化的影响。
地
六、温度影响
大量实验研究得出：
震 1 完全重油饱和未固结砂岩时温度变化非常敏感，比对压
勘
力变化敏感得多。
探
图11为马拉开波湖
中
Venezulan未固结砂
的 岩实验结果，由图
岩
可以看出，在300bar
石
或多或100bar固定有
物 理
效压力下，随着温 度的升高速度急剧 下降。
性
质
地 震
图12为100%盐水饱和时情况，除了样品孔隙 空间里重油变为盐水外，其它样品特征及外部条 件都与图11完全相同。
中 式中：V --- 速度，单位为 m/s ， --- 孔隙度，C ---
的 岩
泥质含量，P --- 有效压力, 单位为 Mpa Phillips 指出：
有效压力低时，V与有效压力近似为指数关系
石
有效压力高时，V与有效压力近似为线性关系
物 理
压力对波速的影响在深为2～3km内最大。 实验结论：
为 1～3%，压力增加50～60MP V增加才5～7%
性
为 20%， 压力增加50～60MP V增加才30～407%
质
地 震
五、孔隙流体对波速的影响 1、孔隙流体性质的影响 流体饱和固体中波的性质决定于固体骨
勘
架和孔隙流体的：密度；粘滞性；压缩系数；
探
孔隙度；渗透率。看下图页岩、油、气、水、
中
砂岩的V～H关系曲线
的
岩
石
物
理
性
质
地
震
勘 探
2、未固结砂岩中 流体饱和度对P波 速度的影响
勘
探
从图上可以 看出，同样的未
中
固结砂岩，水饱
的
和时的纵波速度
岩
几乎与温度没有 关系。
石
物
理
性
质
地
含重油未固结砂岩纵波速度随温度升高而降低的幅度与 含油饱和度有关，SO增大，降低幅度越大。
震
比较图1-13（SO=50%）与图1-11（SO=100%）
勘
图13与图11中
探
砂岩样品完全一样， 仅图13中砂岩样品
中 看右图1-6
的 岩 石
V 油砂岩随SW增 大而增大
V气砂岩随SW增 大而减小，到
物 理
SW=0.8时，开始增 大至0.95时急剧增 大
性
质
地
垂直反射系数页岩 – 气
震
砂岩R在Sw>0.9时剧变，放 射振幅的变化并不与含气量
勘 成简单的先行关系。
探
Domenic实验室结论：
中 A、未固结砂岩含
气