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1、Rock physics and its applications岩石物理学及其应用岩石物理学及其应用贺振华贺振华成都理工大学成都理工大学 信息工程学院信息工程学院2010年年9月月提纲提纲Outline 以王之敬（以王之敬（Wang Zee）的学术报告为主，）的学术报告为主，适当适当增补、修改了一些内容。增补、修改了一些内容。What is rock physics?什么是岩石物理什么是岩石物理Why rock physics?为什么要研究岩石物理为什么要研究岩石物理Uses and abuses 应用及滥用应用及滥用Some recent results 一些近期结果一些近期结果Chall
2、enges 挑战挑战 主要参考文献主要参考文献 1 1）陈颙，黄庭芳著，岩石物理学，北京大学出版社，）陈颙，黄庭芳著，岩石物理学，北京大学出版社，20012001年年2 2）陈颙，黄庭芳，刘恩儒）陈颙，黄庭芳，刘恩儒 编著，岩石物理学，中国科学技术大学出版社，编著，岩石物理学，中国科学技术大学出版社，200920093 3）王之敬（王之敬（Wang ZeeWang Zee）“岩石物理概述岩石物理概述”学术报告（学术报告（PPTPPT），），200220024 4）贺贺振振华华、黄黄德德济济、文文晓晓涛涛著著 裂裂缝缝油油气气藏藏地地球球物物理理预预测测，四四川川科科学学技技术术出出版版社社，2
3、0072007年年5 5）R.E.Sheriff et.al.,Reservoir Geophysics,SEG,1992R.E.Sheriff et.al.,Reservoir Geophysics,SEG,19926 6）Amos NurAmos Nur著，许云译，双相介质中波的传播，石油工业出版社，著，许云译，双相介质中波的传播，石油工业出版社，198619867)7)Per Per Avseth,Avseth,Tapan Tapan Mukerji Mukerji and and Gary Gary Mavko,Mavko,Quantitative Quantitative Seism
4、ic Seismic InterpretationApplying InterpretationApplying Rock Rock Physics Physics Tools Tools to to Reduce Reduce Interpretation Interpretation Rick Rick,Cambridge University Press,2005Cambridge University Press,20058 8）Leon Leon ThomsenThomsen，Understanding Understanding seismic seismic anisotropy
5、 anisotropy in in exploration exploration and and exploitationexploitation，SEGSEG，200220029 9）G.Mavko,G.Mavko,T.Mukerji,T.Mukerji,J.Dvorkin J.Dvorkin The The rock rock physics physics handbook handbook tools tools for for seismic in porous media,Cambridge University Press,2003seismic in porous media
6、,Cambridge University Press,20031010）B.B.ussell,ussell,.edlin Fluid-property discrimination with AVO:A edlin Fluid-property discrimination with AVO:A Biot-Gassman prospective.2003 Geophysics,68(1):2939Biot-Gassman prospective.2003 Geophysics,68(1):2939主要参考文献（续）主要参考文献（续）11）B.Gurevich and J.Galvin Flu
7、id substitution,dispersion,and attenuation in fractured and porous reservoirsinsights from new rock physics modles,2007,The Leading EDGE,26(9),1162116812）邹文）邹文，基于地震资料的流体识别技术研究，成都理工大学基于地震资料的流体识别技术研究，成都理工大学 博士论文博士论文 2008 13）王炳章）王炳章 地震岩石物理学及其应用研究，成都理工大学地震岩石物理学及其应用研究，成都理工大学 博士论文博士论文 200814）赵群）赵群 面向起伏地表和
8、缝洞储层的物理模拟技术研究，成都理工大学面向起伏地表和缝洞储层的物理模拟技术研究，成都理工大学 博士论文博士论文 2008 15）马中高）马中高 碎屑岩地震岩石物理学特征研究，成都理工大学碎屑岩地震岩石物理学特征研究，成都理工大学 博士论文博士论文 2008 16）刘雯林）刘雯林 油气田开发地震技术，石油工业出版社油气田开发地震技术，石油工业出版社 1996 1、岩石物理学概述 王之敬（王之敬（Wang Zee）为成都理工大学校）为成都理工大学校友，现为美国友，现为美国 Chevron Texaco公司的研究员，公司的研究员，美国斯坦福大学客座教授。杰出的国际岩石物美国斯坦福大学客座教授。杰出
9、的国际岩石物理学家，曾任美国理学家，曾任美国SEG协会副主席。协会副主席。Laboratory measurementsChevronTexaco Rock Physics Laboratories 1、岩石物理学概述 Rock physicsStudies the physics of rocks but mostly concentrates on seismic properties(velocity,impedance,attenuation)of sedimentary rocks in relation to other petrophysical properties and r
10、eservoir parameters 顾名思义，岩石物理研究岩石的物理性顾名思义，岩石物理研究岩石的物理性质，但主要集中在沉积岩石的地震特性质，但主要集中在沉积岩石的地震特性:波波速、阻抗、衰减，以及与其他岩性和油藏速、阻抗、衰减，以及与其他岩性和油藏参数的关系参数的关系What does rock physics do?Bridges rock and fluid properties and seismic data 连接地震数据和岩石、流体特性的桥梁Is the physical basis for seismic reservoir characterization and dire
11、ct hydrocarbon detection 地震油藏定性描述及直接找油气的物理基础地球物理地球物理地质岩性地质岩性石油工程石油工程岩石物理岩石物理三个学科的桥梁三个学科的桥梁Reservoir propertiesPorosity 孔隙度Density 密度Saturation 饱和度Fluid type 流体类型Pressure 压力Temperature 温度Fracture 裂隙Seismic propertiesSeismic velocity 地震波速Travel time 走时Impedance 阻抗Amplitude 振幅AVO response AVO 响应Other a
12、ttributes 其他属性Rock Physics:bridge between reservoir and seismic properties4D Feasibility&Seismic modeling 四维四维地震可行性及地震模拟地震可行性及地震模拟Interpretation and Inversion解释及反演解释及反演Role of Rock Physics in Role of Rock Physics in Seismic Seismic LithologyLithologyLithology,porosity,fluids 岩性、孔隙度、流体类型岩性、孔隙度、流体类型Se
13、ismic properties and reflectivity are controlled by lithology,fluids,porosity,pressure,temperature,mineralogy,texture,etc.地震性质及反射率受控于岩性、流体类型、孔隙度、压力、温度、地震性质及反射率受控于岩性、流体类型、孔隙度、压力、温度、矿物、层理、等矿物、层理、等What are the relationships between rock/fluid and seismic properties?地震性质与岩性、流体类型之间的关系是什么地震性质与岩性、流体类型之间的关系
14、是什么Do the predicted or inverted properties make physical sense?预测或反演来的特性是否有物理意义预测或反演来的特性是否有物理意义Rock physics is the basis for building the predictive tools and interpreting the predicted or inverted data岩石物理是建立预测工具及解释反演结果的物理基础岩石物理是建立预测工具及解释反演结果的物理基础Seismic attributes 地震属性Current emphasis is on statis
15、tical correlations without worrying about physical meaning 目前着重于统计相关，而不顾及其物理意义But seismic attributes are influenced by physical and geological properties of rocks and fluids 但岩石、流体的物理及地质特性影响地震属性Rock physics helps us understand the relationships among attributes 岩石物理帮我们理解各种属性间的关系 Role of Rock Physics
16、 in Role of Rock Physics in Seismic Seismic AttributesAttributesRock Physics in Rock Physics in Reservoir Reservoir CharacterizationCharacterization4D feasibility 四维地震的可行性Effects of fluid,pressure,and temperature changes caused by production/injection on seismic velocities/impedances and reflectivit
17、y 由采油、注流体引起的流体、压力、温度的变化对地震波速、阻抗、反射率的影响Are the changes large enough to be resolved seismically?这些变化是否大于地震的分辨率Quantitative Interpretation 定量解释Time-lapse seismic data measures the overall changes caused by several factors 时移地震数据测到的变化是由几个因素引起的Rock physics quantifies/decomposes these factors 岩石物理对这些因素分解、
18、量化Rock Physics in Angle Dependent ReflectivityAngle-dependent reflectivity 依赖于角度的反射率Seismic reflectivity at non-zero angles is controlled by more than the P-wave impedance contrast 非零度入射的地震反射率并非只受纵波阻抗差的控制How are seismic properties affected by rock properties?地震特性如何受到岩石特性的影响How do variations in rock
19、properties affect angle-dependent reflectivity?岩石特性的变化如何影响依赖于角度的反射率Interpretation 解释Seismic data measures the overall effects of many factors 地震测到的是各种影响的总和Rock physics quantifies/decomposes these factors 岩石物理对这些因素分解、定量化Rock physics:uses and abuses 岩石物理的应用与滥用Theories and models 理论与模型Laboratory measur
20、ements and empirical relations 实验室测量与经验关系Rock physics:uses and abusesTheories and models 理论与模型Fast,inexpensive,and sometimes simple 快速、节省、有时简单 But 但是但是Still require measurement of input parameters 仍需去测量输入参数仍需去测量输入参数All theories need assumptions to simplify math,and some of which may be physically un
21、realistic 所有的理论都需要假设以简化数学，这些假设有时在物理上不现实所有的理论都需要假设以简化数学，这些假设有时在物理上不现实Its imperative to know the range of applicability of a theory or model 对于一个理论，一定要弄懂它的应用区间对于一个理论，一定要弄懂它的应用区间Beware fudge factors 主要其中的可调（虚假）参数主要其中的可调（虚假）参数Example:time-average equation for fluid substitution 例如：例如：用时间平均公式来做流体替换用时间平均公
22、式来做流体替换All models are wrong some are useful 所有模型都有问题所有模型都有问题,但有但有些是有用的。些是有用的。（Per Avseth，2005）串珠状缝洞的地震正演模拟与反演解释串珠状缝洞的地震正演模拟与反演解释超覆尖灭潜山顶面+内幕串珠状溶洞的实际地震剖面（潜山顶面埋深大于5000m）地质模型图，图中的地层尖灭和内幕溶洞（黑点）是重点研究目标 用MIVMAS方法获得的多尺度地震正演记录 模拟记录的声学波动方程偏移剖面 MIVMAS 地震数值模拟地震数值模拟Rock physics:uses and abusesLaboratory measurem
23、ents and empirical relations 实验室测量与经验关系Verify theoretical results and provide input data to theories and models 验证理论结果及对理论与模型提供输入参数Gather real rocks from the field,whereas theories assume universal rocks 从油田采集真正的岩石，而理论总是假设一个通用岩石Simulate reservoir conditions and processes 模拟油藏环境及过程But 但是但是Small sampl
24、es,need to measure many samples to derive statistical relationships(scaling problem)用的标本很小，需要测量很多标本而导出统计关系（尺度问题）用的标本很小，需要测量很多标本而导出统计关系（尺度问题）Samples may be mishandled or damaged 标本有可能被误处理、破坏标本有可能被误处理、破坏Wrong data may have been gathered due to incorrect procedures,mishandling,or inexperience 由于错误的测量步骤
25、、处理不当、或经验不足，所测的数据可能是错的由于错误的测量步骤、处理不当、或经验不足，所测的数据可能是错的Examples:例如例如Poor measurement planning and experiments 测量规划不对测量规划不对Over-drying clay-rich sands or shales 对含粘土的岩石过分干燥对含粘土的岩石过分干燥Inaccurate or wrong data 不精确甚至是错误的数据不精确甚至是错误的数据Rock physics:uses and abusesRock physics:uses and abuses为负为正用现代技术测量的岩中的孔隙
26、流体连通网络用现代技术测量的岩中的孔隙流体连通网络垂直应力与垂直裂缝示意图垂直应力与垂直裂缝示意图PoissionPoissionPoissionPoission效应引起的垂直裂缝效应引起的垂直裂缝效应引起的垂直裂缝效应引起的垂直裂缝S.CrampinS.Crampin的的定定向向应应力力流流体体饱饱和和粒粒缘缘顺顺服服裂裂缝缝模模型型，应应力力S SH H=0=0时时，矿矿物物颗颗粒粒边边缘缘的的裂裂纹纹呈呈自自然然分分布布，S SH H=0.5=0.5时时，颗颗粒粒间间的的水水平平裂裂纹纹和和小小角角度度裂裂纹纹开开始始闭闭合合，大大角角度度裂裂纹纹开开裂裂程程度度加加大大，S SH H=
27、1=1时时，水水平平裂裂纹纹进进一一步步闭闭合合，垂垂直直裂裂纹纹进进一一步步开开裂裂，到到达达临临界界状状态态，并并形形成成定定向向（垂垂直直方方向向）顺顺服服粒粒缘缘裂裂缝缝系系统，应力统，应力S SH H=3=3时，超过临界状态，岩石将沿垂向破裂。时，超过临界状态，岩石将沿垂向破裂。PoissionPoissionPoissionPoission效应引起的垂直裂缝效应引起的垂直裂缝效应引起的垂直裂缝效应引起的垂直裂缝Pore pressure(psi)Velocity(m/s)VpVs32%porosity,oil-saturated soft sandsFrom a universit
28、y lab.14.7PSI=1大气压力大气压力Rock physics:uses and abusesRock physics:uses and abuses32%porosity soft sandChevronTexaco Lab Repeat QC the data you use对你的数据进行质量监控 Dont always trust the data you get不要总是信任你拿到的数据P波和S波的变化规律相反!From a commercial labChevronTexaco Lab Repeat26%porosity sandstoneLaboratory measurem
29、ents雪佛龙岩石物理实验室雪佛龙岩石物理实验室ChevronTexaco Rock Physics LaboratoriesLaboratory measurementsChevronTexaco Rock Physics LaboratoriesMTSMTSMTSMTS系统照片系统照片系统照片系统照片MTS岩石物性测试系统（测 量 P 波 和 两 个 正 交 的 横 波）成都理工大学岩石物性测试系统成都理工大学岩石物性测试系统成都理工大学岩石物性测试系统成都理工大学岩石物性测试系统Factors affecting seismic rock propertiesMany factors i
30、nfluence seismic properties of sedimentary rocks许多因素影响沉积岩石地震特性Rock propertiesEnvironmentFluid properties Lithology 岩性 Compaction 紧密度 Consolidation history 强固史 Cementation 粘结度 Bulk density 密度 Porosity 孔隙度 Pore shape 孔隙形状 Texture 结构 Age 年代 Clay content 粘土含量 Anisotropy 各向异性 Fluid type 流体类型 Fluid compos
31、ition 流体成分 Viscosity 粘度 Wettability 可湿性 Phase 相态 Density 密度 Depth/overburden pressure 深度、覆盖压 Pore pressure 孔隙压 Temperature温度 Saturation饱和度 Frequency 频率 Reservoir process 油藏过程 Production history 生产史 Depositional environment 沉积环境 Stress history 压力史 Fracturing 裂隙Red:discussed with examples 用例子讨论Effects
32、 of lithology,density,texture岩性、密度、结构的影响For a given porosity,dolomite has the highest velocities 给定孔隙度，白云岩给定孔隙度，白云岩具有最高的波速具有最高的波速Because seismic properties(impedances or velocities)overlap among lithologies,rock physics constraints seismic lithology prediction由于不同岩性的地震特性重叠，岩石物理可在地震岩性预测中提供约束Dolostone
33、白云岩1.414.03.02.01.71.61.50.330.240.180.1007.00.500.490.470.44Marine sediments海洋沉积Soil土壤Wet Sands湿砂岩Soft shales软泥岩Limestone 石灰岩Anhydrite 石膏Gas Sands 含气砂岩Salt 盐岩Shales 泥岩Vp/Vs纵横波比纵横波比Poissons Ratio波松比波松比Effects of lithology,density,textureExample:Lithology prediction in carbonates 例子：碳酸岩环境下的岩性预测例子：碳酸岩
34、环境下的岩性预测 Lithology and porosity both vary in reef/margin settings 在珊瑚礁及其边在珊瑚礁及其边缘环境下，岩性和孔隙度缘环境下，岩性和孔隙度都可能变化都可能变化Similar P-wave impedances between porous dolomite and tight limestone,marl,or shale 有孔隙的白云岩和有孔隙的白云岩和无孔隙的石灰岩、泥灰岩、无孔隙的石灰岩、泥灰岩、泥岩具有相似的纵波阻抗泥岩具有相似的纵波阻抗Costly exploration mistakes are often made
35、 drilling into“porosity events”高费用的勘探错高费用的勘探错误经常发生在所谓的地震误经常发生在所谓的地震“孔隙显示孔隙显示”上钻井上钻井鲕粒白云岩储层鲕粒白云岩储层鲕粒白云岩储层鲕粒白云岩储层中环状溶孔、新月形溶孔、鲕模孔和裂缝中环状溶孔、新月形溶孔、鲕模孔和裂缝中环状溶孔、新月形溶孔、鲕模孔和裂缝中环状溶孔、新月形溶孔、鲕模孔和裂缝鲕粒内新月形溶孔鲕粒内新月形溶孔鲕粒内环状溶孔鲕粒内环状溶孔飞仙关组飞仙关组 溶孔与裂缝溶孔与裂缝普光普光2 2井岩样井岩样 溶孔与裂缝溶孔与裂缝Example:Lithology prediction in carbonatesIm
36、pedance ratio is a good indicator of lithology and porosity in carbonate rocks波阻抗比可用来区分岩性和孔隙P-P SeismicP-P SeismicVp/Vs2.01.51.0 Using Vp/Vs=(2*TintPS/TintPP)-1:Example:Porosity and solid bitumen 例子：孔例子：孔隙度与固体沥青隙度与固体沥青Solid bitumen is a big problem in a giant carbonate reservoir.It reduces effective
37、 porosity,whereas seismic waves“see”the total porosity 在一个很大的碳酸岩油在一个很大的碳酸岩油田中，固体沥青是一个大问题田中，固体沥青是一个大问题By comparing seismic properties with those of“clean”carbonate,the amount of shift on the porosity axis gives the approximate bitumen content通过与不含沥青碳酸岩的比较，通过与不含沥青碳酸岩的比较，孔隙度轴的移动量大体就是沥青孔隙度轴的移动量大体就是沥青的含量
38、的含量 含沥青 清洁的Example:Porosity and solid bitumenThe derived bitumen content compares reasonably well with the laboratory measured values 导出的沥青含量与实验室直接测量导出的沥青含量与实验室直接测量的大致吻合的大致吻合It seems that S-wave is better for bitumen content prediction 看起来在预测沥青时，看起来在预测沥青时，横波要比纵波好横波要比纵波好Effect of pore fluids and satu
39、ration孔隙流体及其饱和的影响孔隙流体及其饱和的影响Rocks with less compressible pore fluids show higher P-wave impedances and velocities 带有非可压流体的岩石具有较高的波阻和波速S-wave properties are hardly affected by pore fluids 横波基本不受流体的影响Rocks with less compressible pore fluids show higher Vp/Vs ratio带有非可压流体的岩石具有较高的带有非可压流体的岩石具有较高的纵横波比纵横波比
40、GasLight oilHeavier oilFresh waterSaline waterCompressibility可压性Bulk modulusGas 0.01-0.2 GPaCondensate 0.2-0.6 GPaLight oil 0.6-1.4 GPaHeavier oil 1.4-2.2 GPaFresh water 2.25 GPaSaline water 2.3-3.5 GPaEffect of pore fluids and saturationFluid effect is the key to 4D,AVO/DHI,and oil-water contacts 流
41、体效应在流体效应在AVO，直接，直接找油、和油水接触面中起主要作用找油、和油水接触面中起主要作用However,fluid effect is“shadowed”or complicated by rock properties:Softer rocks show larger fluid effect 但是，但是，流体效应往往被岩石本身特性遮流体效应往往被岩石本身特性遮盖或复杂化：软的岩石显示较大盖或复杂化：软的岩石显示较大的流体效应的流体效应hardersofterEffect of pore fluids and saturationExample:Gulf Coast water dr
42、ive 例子：墨西哥湾水驱油例子：墨西哥湾水驱油High porosity soft sand 高孔隙度软沙High salinity brine 高盐度水High GOR light oil 高溶气轻油Water drive increases the P-wave impedance by as much as 18%,while hardly affects the S-wave impedance水驱油使纵波阻抗升高达百分之十水驱油使纵波阻抗升高达百分之十八，而对横波阻抗几乎没什么影响八，而对横波阻抗几乎没什么影响A few words on pressure 关于压力关于压力In a
43、 reservoir,there are always two types of pressures at work:the overburden pressure and the pore(reservoir fluid)pressure 油层中总是存在两油层中总是存在两种压力：覆盖压与孔隙（流体）压种压力：覆盖压与孔隙（流体）压Overburden pressure:pressure caused by rock mass=rgz(gradient 1.0 psi/ft)上覆地层压力是由油层以上的岩石引起的.(14.7psi=1.0大气压力大气压力=0.1Mpa)Pore(reservoi
44、r fluid)pressure:pressure caused by fluid column=rf gz(gradient 0.46 psi/ft)孔隙压是由油层以上的流体引起的Net pressure(effective,differential):the difference between the two pressures=(r r-r rf)gz(gradient 0.54 psi/ft)净压力（有时也叫有效压）是两者之差净压力（有时也叫有效压）是两者之差4.3%1000 psi0.5%1000 psi1000 psi5.3%0.5%1000 psi1000 psi1000 ps
45、i3.5%0.4%More words on pressurePressure effect on seismic properties is higher in low net pressure ranges,due to the closure of thin pores and loose grain contacts 由于窄孔隙的关闭和由于窄孔隙的关闭和岩粒间的拟合，压力对地震特性的影响岩粒间的拟合，压力对地震特性的影响在低净压区中较大在低净压区中较大Knowing the pressure regime is important in time-lapse reservoir mon
46、itoring(4D and time-lapse AVO)了解压力状态了解压力状态 对对间时地震油藏监测非常必要间时地震油藏监测非常必要Rocks from different fields have different pressure responses which can be derived only from lab measurements 不同油田的岩石不同油田的岩石对压力的响应是不同的，这种响应一般只对压力的响应是不同的，这种响应一般只能在实验室得到能在实验室得到Effect of temperature 温度的影响Seismic properties decrease as
47、 temperature increases in rocks 岩石的地震特性随温度的升高而降岩石的地震特性随温度的升高而降低低The decreases are caused by the changes in pore fluid properties,rock properties,and rock and fluid interactions 这种这种降低是由孔隙中流体特性、岩石特降低是由孔隙中流体特性、岩石特性、及岩石性、及岩石-流体的相互作用的变化流体的相互作用的变化引起的引起的Seismic responses to temperature is the key for 4D s
48、eismic monitoring of thermal floods 地震的温度响应是四维地震地震的温度响应是四维地震监测热采过程的主要基础监测热采过程的主要基础Effect of temperaturepre-steamdifferencepost-steamExample:Seismic monitoring of steam flood at Duri 例子：杜里油田的例子：杜里油田的注蒸汽地震监测注蒸汽地震监测What about anisotropy?各向异性In reservoirs with thick cap shales,ignoring anisotropy in sei
49、smic imaging often yields depth misties,blurred structures and fault images 如果泥岩层很厚，在地震成像中忽如果泥岩层很厚，在地震成像中忽略各向异性将出现深度闭合差，使构造和断层模糊不清。略各向异性将出现深度闭合差，使构造和断层模糊不清。From Meadows and Abriel,1994Niger Delta:3D Anisotropic PSDM尼日尔三角洲三维各向异性迭前深度偏移尼日尔三角洲三维各向异性迭前深度偏移Courtesy of Keith Hawkins,Veritas DGC5 s6 sAnisot
50、ropic PSDMIsotropic PSDM地震各向异性的地震各向异性的直观理解直观理解S1S2G1G221Leon Thomsen（2002）对地震各向异性的定义：Seismic Anisotropy is defined to be:“the dependence of seismic velocity upon angle.”地震波速地震波速度与入射角有关。度与入射角有关。图图1 上、下层介质物性有差异，射线为折线，每个射上、下层介质物性有差异，射线为折线，每个射线的入射角不同，波的传播速度不同，出现各向异性线的入射角不同，波的传播速度不同，出现各向异性图图2 上、下层介质物性无差异