孔隙、裂隙介质弹性波理论的实验研究

近年来发展起来的“孔隙、裂隙介质弹性波理论”提高了人们对实际岩石声学性质的模拟和预测的能力.作为对这一理论的实验验证和重要应用,我们将它用来模拟和解释岩石超声实验中测得的干燥和饱和岩石弹性波速度随压力的变化曲线.理论模拟的重要参数,如岩石的裂隙密度等是从实验数据反演得到的.结果表明：无论是孔隙度较高的砂岩,还是孔隙度很小的致密岩石,如花岗岩,该理论都能很好地描述岩石在干燥和饱和状态下纵、横波速度随压力的变化.造成波速变化的原因是岩石中裂隙在压力作用下的闭合和裂隙密度的减少.本文的结果还指出了将岩石裂隙密度作为描述岩石的重要物性参数,并给出了从实验室超声测量中确定这一参数的方法.     

砂岩和页岩弹性波性质的实验研究进展

砂岩和页岩的弹性波性质是通过地震资料推断储层物性和流体分布的基础.岩石波速测量常用超声波(10⁵～10⁶ Hz)脉冲法,低频岩石物理实验技术的发展为研究弹性波在岩石中的衰减和频散奠定了基础.本文系统总结了前人在高频和低频下测量砂岩和页岩弹性波性质的方法和实验结果,并结合矿物弹性性质和岩石物理模型,分析了压力、温度、矿物组成、孔隙结构、流体、频率等因素对岩石波速和衰减的影响.由于孔隙和微裂隙随压力增加而逐渐关闭,干燥砂岩和页岩的P波和S波速度在低压下随压力非线性增加,高于临界压力呈线性增加.干燥岩石样品的波速随温度增加而缓慢线性降低,频散效应可以忽略.而含流体砂岩和页岩的衰减和频散受温度、压力、流体饱和度、流体黏度、孔隙结构和频率等多种因素的影响,含流体砂岩和页岩的泊松比和逆品质因子Q^-1显著高于干燥样品.低压下砂岩的波速与孔隙度负相关,而影响页岩波速的因素更为复杂,页岩的波速、衰减和频散的各向异性都高于砂岩.将跨频段岩石物理实验与数字岩石物理技术相结合,可为勘探地球物理的方法创新和资料解释提供可靠依据.     

岩石临破裂前波速变化特征的实验研究

为了提高波速的测量精度以便能观测到岩石临破裂前波速的微小变化,采用了波形的数值化,波的叠加,波的互相关和DTE(Subsample delay time estimate)方法和cosine插值,使时间分辨率提高到0.001 μs,波速分辨率达到1 m/s.在较小的应力增量(0.17 MPa)下测量了波的延迟时间,进而得到速度随应力的变化规律.实验结果显示在0.98破裂强度时岩石波速最大,然后下降直到破裂,此期间的波速下降量约30m/s.同时对临破裂前波的主频能量进行了计算,其变化规律与波速相同,认为破裂前的有关变化与岩石膨胀有关.最后用涨落模型讨论了延迟时间的方差变化.     

含裂缝VTI介质的弹性波传播特性研究

有利油气储集的层状沉积地层中广泛存在裂缝,属于含裂缝VTI介质.综合考虑层状介质和裂缝介质的特点,基于几何相似原理,设计并制作了含定向排列裂缝的VTI介质物理模型,实验研究了测量频率、裂缝特征尺寸、裂缝密度对弹性波透射的影响.结果表明,波垂直裂缝面传播时,纵波首波速度随测量频率的增加而线性增大,峰值速度基本不变,单纯由裂缝导致的衰减以良好的乘幂规律降低;纵波波速随裂缝密度、裂缝特征尺寸的增大而线性增大;衰减随裂缝密度增大而增大,随裂缝特征尺寸的增大而减小.当接收探头波长与特征尺寸比为1~12时,纵波首波速度变化显著,处于射线理论与等效介质理论描述的过渡区间.纵横波速比对裂缝特征尺寸变化敏感,可作为典型的裂缝监测参数,也为基于弹性波相应的预测岩石孔隙结构提供了依据.     

辉长岩的破裂研究

在济南辉长岩的三轴压缩实验(3=1.3kb)中, 通过显微镜观测了岩石内部微裂纹的发展.实验结果说明, 在低应力状态下, 微裂纹主要出现在岩石矿物结晶颗粒内部, 其方向主要取决于矿物颗粒的结晶学形态.当应力达到岩石强度80%左右时, 在样品中部某一对角线附近, 微裂纹密度较高, 出现一些穿过几个矿物颗粒的微断层.微断层的取向与外力应力场有明显的关系, 一般与1成40左右的夹角.本实验还同时测量了样品弹性波的速度(Vp, Vs)和体积变化.实验表明, 岩石内部微裂纹的发展以及微裂纹对岩石物理性质所产生的影响, 是与晶体颗粒的尺度有关.      

高温高压下岩石波速与地壳深部的物质组成

通过对高温高压下岩石波速实验资料的综合研究得出：岩石波速及速度各向异性可用于确定地壳深部各层的组成和界面性质;岩石波速随构造环境而变化；同一波速层由成分和成因上不同的岩石组合而成利用统计分析后的高温高压波速数据，建立了42组ρ-Vp（密度-速度）关系式及深部岩石判别图解     

红河断裂带断层泥高压状态参数和动态弹性参数的实验研究(英文)

在500MPa的压力范围内测定了红河断裂带断层泥的密度、纵波速度和横波速度随压力的变化。实验表明:在100MPa以上,上述力学量随压力增长很快,在100MPa以上,上述力学量随压力稳定增长,其增长率比岩石相应的值高一个数量级。断层泥密度与纵波和横波速度的关系均满足Birch定律,并由此得到了红河断裂带断层泥的Birch系数。由波速资料得出了断层泥的动态杨氏模量与动态剪切模量,表明动态杨氏模量比过去得到的静态杨氏模量高一个数量级以上。     

致密砂岩波速各向异性及弹性参数随围压变化规律的实验研究

为研究致密砂岩储层弹性波速度各向异性及弹性参数随围压的变化规律,应用地质力学研究所从美国New England Reaearch Inc引进的Autolab2000岩石物性实验设备,对采自长庆油田延长组储层的3组典型致密砂岩,对其X、Y、Z三个方向分别取样,进行了不同孔隙介质(干燥、饱水及饱油)条件下弹性波速度随围压(5~180 MPa)变化规律的实验研究工作,得到了X、Y、Z三个方向分别在干燥、饱水及饱油时的弹性波速度,并对X、Y、Z三个方向的各向异性进行计算和对比分析.同时根据测得的弹性波平均速度得到样品的弹性参数随围压的变化规律,对实验曲线进行拟合,获得不同孔隙介质条件下弹性波速度、各向异性、弹性参数随围压的变化规律及其拟合公式.结果表明,垂直方向速度值最低,横波各向异性指数小于纵波各向异性指数;随着围压的增加,致密砂岩波速增大,其各向异性以幂函数形式减小,体模量、弹性模量、剪切模量和拉梅常数以对数函数形式有不同程度的增加,泊松比因所含介质不同而有不同的变化趋势,除个别线外,拟合系数皆在0.956以上.在围压高于140 MPa时,干燥、饱水和饱油状态下的泊松比皆在0.24左右.     

含流体砂岩地震波频散实验研究

为了研究孔隙流体对不同渗透率岩石地震波速度的影响,在实验室利用跨频带岩石弹性参数测试系统得到了应变幅值10-6的2~2000Hz频段下的地震波速度和1 MHz频率下的超声波速度,利用差分共振声谱法得到了频率600Hz岩石干燥和完全饱水情况下岩石声学参数.实验表明,在低饱和度下,致密砂岩在地震和超声频段下没有明显的频散;在高饱和度下纵波速度的频散变得明显.从干燥到完全水饱和条件,不同频率测量的致密砂岩的体积模量随岩石孔隙度增高而降低,且体积模量的变化量受岩石微观孔隙结构的影响较大.高孔、高渗砂岩无论在低含水度下还是在高含水饱和度下频散微弱,并且在地震频段下围压对于岩石纵横波速度的影响要大于频率的影响.高孔、高渗砂岩和致密砂岩不同含水饱和度下的频散差异可应用于储层预测,油气检测等方面,同时该研究可以更好地帮助理解岩石的黏弹性行为,促进岩石物理频散理论的发展,提高地震解释的精度.     

岩石中裂纹对弹性波速度的影响

本文在常温常压下,对岩石中的层理,裂纹或裂缝引起的弹性波速变化特征进行了实验研究,并通过简化的人工裂缝模型,研究了裂缝密度和相对位置的变化对波速的影响取得了一些有意义的结果。     

流体饱和砂岩在高压下的物性参数

一、引言 岩石在高围压下的物性参数,包括岩石的体应变、裂纹孔隙度、密度、纵波速度、横波速度和波阻抗等,对石油地球物理勘探和其它许多地球物理学分支都具有十分重要的意义。当前岩性地震和油储地震的发展,为划分地下地层及油气层提供了可能性。由于地下地层构造和岩石物理性质都是未知因素,从而引起解释的不确定性。所以,在实验室内模拟地层环境,测量岩石的物性参数,具有重要参考价值。     

Ultrasonic Velocities, Acoustic Emission Characteristics and Crack Damage of Basalt and Granite

Acoustic emissions (AE), compressional (P), shear (S) wave velocities, and volumetric strain of Etna basalt and Aue granite were measured simultaneously during triaxial compression tests. Deformation-induced AE activity and velocity changes were monitored using twelve P-wave sensors and eight orthogonally polarized S-wave piezoelectric sensors; volumetric strain was measured using two pairs of orthogonal strain gages glued directly to the rock surface. P-wave velocity in basalt is about 3 km/s at atmospheric pressure, but increases by > 50% when the hydrostatic pressure is increased to 120 MPa. In granite samples initial P-wave velocity is 5 km/s and increases with pressure by < 20%. The pressure-induced changes of elastic wave speed indicate dominantly compliant low-aspect ratio pores in both materials, in addition Etna basalt also contains high-aspect ratio voids. In triaxial loading, stress-induced anisotropy of P-wave velocities was significantly higher for basalt than for granite, with vertical velocity components being faster than horizontal velocities. However, with increasing axial load, horizontal velocities show a small increase for basalt but a significant decrease for granite. Using first motion polarity we determined AE source types generated during triaxial loading of the samples. With increasing differential stress AE activity in granite and basalt increased with a significant contribution of tensile events. Close to failure the relative contribution of tensile events and horizontal wave velocities decreased significantly. A concomitant increase of double-couple events indicating shear, suggests shear cracks linking previously formed tensile cracks.     

Calculation of elastic properties in lower part of the Kola borehole from bulk chemical compositions of core samples

In-situ elastic properties in deep boreholes are controlled by several factors, mainly by lithology, petrofabric, fluid-filled cracks and pores. In order to separate the effects of different factors it is useful to extract lithology-controlled part from observedin-situ velocities. For that purpose we calculated mineralogical composition and isotropic crack-free elastic properties in the lower part of the Kola borehole from bulk chemical compositions of core samples. We use a new technique of petrophysical modeling based on thermodynamic approach. The reasonable accuracy of the modeling is confirmed by comparison with the observations of mineralogical composition and laboratory measurements of density and elastic wave velocities in upper crustal crystalline rocks at high confining pressure. Calculations were carried out for 896 core samples from the depth segment of 6840–10535m. Using these results we estimate density and crack-free isotropic elastic properties of 554 lithology-defined layers composing this depth segment. Average synthetic P- wave velocity appears to be 2.7% higher than the velocity from Vertical Seismic Profiling (VSP), and 5% higher than sonic log velocity. Average synthetic S-wave velocity is 1.4 % higher than that from VSP. These differences can be explained by superposition of effects of fabric-related anisotropy, cracks aligned parallel to the foliation plain, and randomly oriented cracks, with the effect of cracks being the predominant control. Low sonic log velocities are likely caused by drilling-induced cracking (hydrofractures) in the borehole walls. The calculated synthetic density and velocity cross-sections can be used for much more detailed interpretations, for which, however, new, more detailed and reliable seismic data are required.     

孔、裂隙并存地层中的声波测井理论及多极子声场特征

在油、气储层的勘探和开发中观察到的一个现象是储层岩石中普遍存在孔隙和裂隙.随着近年来孔、裂隙介质弹性波动理论的进展,我们可以将此理论应用于测井技术,以此来指导从声波测井中测量孔、裂隙地层的声学参数.本文计算了孔、裂隙地层里充流体井眼中的多极子声场,分析了声场随裂隙介质的两个主要参数(即裂隙密度和裂隙纵横比)的变化特征.井孔声场的数值计算表明裂隙密度可以大幅度地降低井中声波纵、横波的波速和振幅.随着裂隙密度的增加,在测井频段内也可以看到纵、横波速的频散现象(这种频散在孔隙地层中一般是观察不到的).本文还研究了多极子模式波 (即单极的Stoneley波、伪瑞利波以及偶极的弯曲波)随裂隙参数的变化特征.结果表明,这些模式波的振幅激发和速度频散都受裂隙密度的影响.裂隙密度越高影响越大.此外,裂隙还对模式波的传播造成较大的衰减.相对裂隙密度而言,裂隙纵横比是一个频率控制参数,它控制裂隙对声场影响的频率区间.本文的分析结果对裂缝、孔隙型地层的声波测井具有指导意义.     

基于碳酸盐岩裂缝岩石物理模型的横波速度和各向异性参数预测

高角度缝隙充填的碳酸盐岩储层可以等效为具有水平对称轴的横向各向同性介质.本文提出了适用于裂缝型碳酸盐岩的岩石物理模型构建流程,重点介绍了在碳酸盐岩各向同性背景中,综合利用微小裂隙模型和线性滑动模型添加缝隙系统,并分析了当缝隙充填不同流体时,各向异性参数随纵横波速比的变化特征.同时本文讨论了裂缝密度和缝隙充填流体对地震反射系数的影响,推导了不同类型流体充填时储层反射系数与裂缝密度的近似关系式,阐述了各向异性流体替换理论,最终实现饱含流体碳酸盐岩裂缝储层的纵横波速度和各向异性参数的估测.选取某碳酸盐岩工区A井对该方法进行试算,结果表明基于碳酸盐岩裂缝岩石物理模型估算的纵横波速度值与测井值吻合较好,而且估测所得的各向异性参数值也能够较好地反映出裂缝储层位置.     

低孔隙度泥页岩应力依赖的各向异性裂纹演化特性研究

本文在实验室对所获取的东营地区层理发育的低孔隙度页岩和泥岩的各向异性裂纹演化特性进行了研究,获得了各向同性条件下泥页岩的力学与超声波响应特性,分析了应力幅度对于页岩声波速度和各向异性的影响.主要结论包括:(1)泥页岩在循环载荷下存在滞后效应,表明其经历了去压实或油气产生导致的超压;(2)泥岩和页岩具有不同程度的各向异性,随着各向同性压力的增高微裂隙逐渐闭合,样品的各向异性程度减弱;(3)分析了岩石韧度和裂纹损伤参数随压力的变化特征,相比泥岩,页岩各向异性程度更高,随压力变化更明显,其裂纹导致的附加各向异性更强;(4)分析了各向异性岩石的动态弹性模量特征,由于软裂隙空间的闭合,动态弹性模量在低压条件下都随着围压的增加有硬化趋势.     

围压作用下岩石样品中微裂纹的闭合

岩石中普遍存在的微裂纹对其物理性质有十分显著的影响.为了得到不同围压条件下岩样内部微裂纹形态的变化,选取几种具有明显层理的岩石圈岩石样品,在不同围压下沿相互正交的三个方向对纵横波速度和线应变等进行了测量,根据O’Connell模型通过计算得出有效泊松比、裂纹密度、裂纹孔隙度和裂纹的c/a比值（a为硬币形裂纹半长轴的长度,c为其半宽度）.结果表明,随着围压的增加,在垂直于层理面的方向上裂纹闭合最快但c/a比值不减反增.结合显微组构分析可知,岩石中的裂纹表面实际上是凸凹不平的,在围压增加引起裂纹闭合过程中一条裂纹可以变成几个,长度成倍减小但宽度变化不大,所以在垂直于层理面的方向上c/a比值随围压增加而增大.但另两个方向上的变化明显不同,应该与模型本身的适用范围有关.通过同时测量纵、横波速度,计算c/a比值,可以对样品中微裂纹的几何形态及空间分布方式有定性或半定量的了解.     

天水地震区深源岩石在1000MPa高压下的状态参数特征

本文重点介绍了天水地震区产出的深源岩石在１０００ＭＰａ高压下，测得的岩石的密度、纵横波速度和计算的波阻抗随压力的变化。发现不同时期产出的不同种类的深源岩石，它们的高压状态参数值变化范围很窄。压力上升到４００ＭＰａ以后，岩石的密度、纵横波速度的变化很小，几乎观测不到其变化。本文简单地讨论了岩石在４００ＭＰａ以上高压状态下，上述参数值变化不大的原因，并对４００ＭＰａ压力下取得的高压状态参数值做了实用误差分析，结果表明：在不考虑温度情况下，该压力下获得的状态参数值在实际应用中完全可以代替更高压力状态下（４００ＭＰａ－２０００ＭＰａ）的测量值。因此４００ＭＰａ特征压力下取得的岩石状态参数值对人工地震测深解释和重力解释仍是有参考意义的。