巖石物理學(xué)講義

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)巖石物理學(xué)講義一、內(nèi)容簡介本課程是地球物理探測專業(yè)的一門專業(yè)課。課程目的是通過各種教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生正確認(rèn)識和理解地球中巖石的諸多物理性質(zhì)(尤其是巖石的彈性性質(zhì))與巖石本身特性間的一些基本關(guān)系，熟悉基本的巖石物理概念和理論，了解獲取巖石物理性質(zhì)的一些基本方法和巖石物理參數(shù)應(yīng)用方面的知。為以后從事與地震勘探、資源環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害方面的工作和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。本課程內(nèi)容主要針對油氣地球物理探測領(lǐng)域，其中包括：巖石物理學(xué)的基本概念，基本理論知識，實驗過程和技術(shù)，巖石的分類和特點、巖石的孔隙和裂隙、巖石中的流體和流動、巖石的彈性和波的傳播衰減、巖石的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，以及巖石特性在地震勘探中的應(yīng)用。三、課程安排第一章引言（2學(xué)時）巖石物理學(xué)的概念及發(fā)展概況、研究意義和應(yīng)用方向，本課程的特點和安排。第二章地球上的巖石（2學(xué)時）地球上的巖石和礦物，巖石的分類和特點；油氣儲層巖石的特點。第三章儲層巖石的多孔特性（4學(xué)時）巖石的骨架、密度，孔隙、裂隙和孔洞，孔隙率、裂隙的基本概念，孔隙和裂隙的幾何形態(tài)，相關(guān)的介質(zhì)模型?？紫吨械牧黧w，流體的流動，飽和度和滲透率，雙相介質(zhì)中的概念第四章巖石的彈性（4學(xué)時）巖石應(yīng)力－應(yīng)變概念，巖石的彈性常數(shù)，巖石的各向異性和理論。第五章巖石中彈性波速度和衰減（10學(xué)時）巖石中的彈性波傳播的基本概念，波在分界面上的反射和折射，巖石的速度各向異性，波速和衰減的實驗測試原理和技術(shù)，彈性波傳播衰減的基本知識，衰減實驗測試的結(jié)果，衰減機(jī)制和理論第六章巖石速度的影響因素（10學(xué)時）巖石速度的影響因素定性描述，波速與巖石物性的經(jīng)驗關(guān)系；孔隙、壓力溫度、流體等因素的影響，速度的各向異性第七章流體飽和巖石中波的傳播（8學(xué)時）有效介質(zhì)模型，流體置換方程，Biot理論和實驗觀測第八章巖石的其它物理性質(zhì)（6學(xué)時）巖石的電學(xué)性質(zhì)，巖石的熱學(xué)性質(zhì)，核磁共振第九章石油地球物理中的應(yīng)用（2學(xué)時）地震勘探中的應(yīng)用，測井中的應(yīng)用。四、目錄第一章引言1.1研究巖石物理學(xué)的意義1.2在石油工業(yè)的研究1.3本課程的內(nèi)容、特點和時間安排。第二章地球上的巖石2.1地球上的巖石和礦物，2.1.1礦物定義2.1.2巖石定義2.1.3巖石的尺度微構(gòu)造(microstructure)均勻介質(zhì)與非均質(zhì)2.2巖石的分類2.2.1成巖過程三種巖石2.2.2火成巖概念2.2.3沉積巖概念2.2.4變質(zhì)巖概念2.2.5巖石成巖的旋回(rockcycle)2.3巖石的特點2.3.1高壓高溫環(huán)境2.3.2多孔介質(zhì)2.3.3長期作用2.3.4最廣泛應(yīng)用的材料2.4油氣藏儲層的巖石2.4.1油氣藏儲層的地質(zhì)環(huán)境沉積結(jié)構(gòu)：盆地概念？儲層圈閉2.4.2沉積巖儲層巖石的分類和成分2.4.3碳?xì)浠衔镌磶r與碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生2.4.4現(xiàn)場條件第三章巖石的多孔特性3.1多孔巖石的骨架巖石顆粒粒度測試表示形態(tài)比面顆粒密度巖石膠結(jié)物3.2巖石的孔隙和裂隙3.3孔隙中的流體3.4流體飽和度和滲透率，3.5毛細(xì)壓力第四章巖石的彈性4.1應(yīng)力和應(yīng)變4.2胡克定律巖石應(yīng)力－應(yīng)變概念，巖石的彈性常數(shù)，巖石的各向異性和理論。4.3波動方程4.4巖石的各向異性理論。第五章巖石中彈性波速度和衰減5.1巖石中的彈性波5.1.1波的傳播5.1.2波在分界面上的反射和折射聲阻抗5.2巖石的速度各向異性5.3巖石彈性波的衰減5.4巖石中波速度和衰減的測試5.2.1聲波測試系統(tǒng)工作原理5.2.2超聲的產(chǎn)生和接收產(chǎn)生和接收的一些常用方法壓電式換能器換能器的性能5.2.3溫度壓力設(shè)備第六章巖石速度的影響因素6.1巖石速度的影響因素定性描述建立區(qū)域和局部的巖石特性趨勢線6.2波速與巖石物性的經(jīng)驗關(guān)系砂巖中的P-和S-波速度孔隙度和孔隙形狀粘土含量對速度的影響密度和基質(zhì)巖性溫度和壓力臨界孔隙率顆粒接觸與固結(jié)對速度的影響6.3Vp-Vs關(guān)系Vp/Vs比值泊松比6.3孔隙流體特性的影響孔隙流體特性流體飽和對速度6.5各向異性第七章流體飽和多孔介質(zhì)中波的傳播7.1空間平均（有效介質(zhì)）模型7.2流體置換：Gassmann方程7.3Biot理論第八章巖石的其它物理性質(zhì)巖石的電學(xué)性質(zhì)，巖石的熱學(xué)性質(zhì)第九章石油地球物理中的應(yīng)用（4學(xué)時）地震勘探中的應(yīng)用，測井中的應(yīng)用。五、詳細(xì)內(nèi)容巖石物理學(xué)Rockphysics第一章引言巖石物理學(xué)（Rockphysics）是一們涉及范圍較廣的邊緣學(xué)科，只要與巖石本身特性和其物理特性相關(guān)的都可以歸在這們學(xué)科內(nèi)。巖石的物理性質(zhì)主要有力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)等。這些物理性質(zhì)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中形成的各自巖石物理學(xué)。其中在石油工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在石油工業(yè)常用英文字Petrophysics表示巖石物理，英文字頭Petro-有“石,巖”、“含石油的”之義，在石油工程和測井中常用此詞。在石油工程用Petrophysics表示“油層物理學(xué)”。其內(nèi)容包括油氣儲層中流體的物理和化學(xué)性質(zhì)、儲層巖石和物理性質(zhì)(孔、滲、飽)、多相流體物理性質(zhì)和滲流機(jī)理等。Rockphysics在巖石力學(xué)，地震勘探中較常用。兩者沒有嚴(yán)格的區(qū)分。本課程巖石物理學(xué)的內(nèi)容主要是從理論和實驗上研究巖石（含有流體的多孔隙介質(zhì)）的各種物理性質(zhì)之間關(guān)系的科學(xué)，特別是研究巖石的孔隙度、滲透率飽和度與地震波速度、電阻率、溫度等物理參數(shù)的關(guān)系。為地震勘探和測井資料處理和解釋服務(wù)。主要研究內(nèi)容可歸結(jié)為：從理論和實驗上研究：巖石本身的各種物理性質(zhì)；這些性質(zhì)間的相互關(guān)系；它們在地球物理學(xué)和油氣勘探中的作用。1.1巖石物理學(xué)的研究意義地球的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)必然與巖石的各種物理性質(zhì)密切相關(guān)。巖石的不同于其它材料的特性，也就決定了巖石物理學(xué)所具有的獨特的研究內(nèi)容、方法和手段。巖石物理學(xué)研究的重點是與地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、油儲地球物理學(xué)、地?zé)釋W(xué)和環(huán)境科學(xué)密切有關(guān)的特性。巖石物理學(xué)的研究特點，反映了這門學(xué)科的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性。巖石物理學(xué)的特點：巖石物理學(xué)是一門高度交叉的綜合性學(xué)科，包含了地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、物理學(xué)(聲、電、磁、核等)，聲學(xué)、測井、巖芯分析、石油工程、地球化學(xué)、化工及力學(xué)工程和實驗測試技術(shù)等學(xué)科。針對不同研究領(lǐng)域，巖石物理的研究內(nèi)容不同，如能源勘探(如石油工業(yè))，以巖石的彈性為主；地質(zhì)災(zāi)害(地震)，以巖石的力學(xué)性質(zhì)環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測，以流體的流動其中石油工業(yè)是主要的研究力量，在一些大學(xué)開展這方面的研究，同時幾乎所有的大石油公司都在進(jìn)行同樣的研究。必須強(qiáng)調(diào)：第一，巖石物理學(xué)是研究巖石這種特殊的材料，在地球內(nèi)部特殊環(huán)境下的各種行為及其物理性質(zhì)的。從巖石本身的特點可以看出。第二，在巖石的各種性質(zhì)中，研究的重點是那些與地球內(nèi)部構(gòu)造與運(yùn)動、能源和資源的勘察與開發(fā)、地質(zhì)災(zāi)害的成因與減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測有密切關(guān)系的特性。第三，針對油儲問題開展的巖石物理性質(zhì)的研究，是巖石物理學(xué)研究中較成功的應(yīng)用領(lǐng)域。第四，國內(nèi)在這方面的研究較為薄弱。由于巖石物理學(xué)致力于從實驗和理論上研究巖石的物理性質(zhì)、這些性質(zhì)間的相互關(guān)系以及它們在地球物理和巖石物理數(shù)據(jù)中的反映。它研究基礎(chǔ)是各種測試技術(shù)：特別是以測井技術(shù)和實驗室的測試結(jié)果為主。在實驗室利用各種物理測試手段，測試巖石的各種物理量，獲得巖石性質(zhì)與物理參數(shù)之間的關(guān)系。理論上，提出巖石中各種物理性質(zhì)之間一般關(guān)系(理論模型)。兩個方面：1)針對巖石特性在假設(shè)條件下提出簡化模型；2)解釋實驗觀測到的現(xiàn)象和結(jié)果。地球物理中的測量技術(shù)主要有四方面：1、空間觀測：航磁，紅外遙感，航空放射性測量，衛(wèi)星拍照等，用于確定大地構(gòu)造，確定地表形態(tài)。2、地面觀測：地質(zhì)觀測、地球物理方法(天然地震，人工地震，各種重、磁、電等方法)，用于確定有利的地質(zhì)構(gòu)造,尋找油氣分布等。地質(zhì)觀測：成礦的地質(zhì)條件、通過觀察出露在地表面的地層、巖石進(jìn)行搜集和綜合分析。地球物理方法：根據(jù)地下巖石或礦體的物理性質(zhì)差異所引起在地表的某些物理現(xiàn)象（表現(xiàn)為異常的現(xiàn)象）的變化去判斷地質(zhì)構(gòu)造或發(fā)現(xiàn)礦體。以人工地震方法為主。地球化學(xué)方法：對巖石、土壤、地下水、地表水、植物、水系以及湖底沉積物等天然產(chǎn)物中一種或幾種化學(xué)特征作測定。3、井中觀測：直接得到地下的各種地質(zhì)資料，可以確定地下構(gòu)造特點和礦物特征，確定油氣位置，劃分油水層。。方法有：電纜測井、VSP和井間地震、隨鉆測量、取芯。4、實驗室觀測：巖芯分析，巖芯各種物理量測試，模擬地層測試等。巖石物理學(xué)中所涉及的研究方法：正問題：通過已知礦物、巖石本身的性質(zhì)和變化，研究其物理性質(zhì)在巖體中可能有的變化，這是一個由微觀到宏觀的推演過程，通常稱為正演。反問題：已知地質(zhì)、巖體的物理性質(zhì)，如何反過來推演巖石和礦物的性質(zhì)，這是一個由宏觀到微觀，由整體到局部的反演。應(yīng)用問題：進(jìn)一步，如何人為地改變礦物、巖石的特性，從而影響到巖體和地質(zhì)特性的改變，這在巖石物理學(xué)中具有的重要的潛在應(yīng)用價值。研究基礎(chǔ)是各種測試技術(shù)：特別是以實驗室的測試和測井技術(shù)測試為主。在實驗室利用各種物理測試手段，測試巖石的各種物理量，獲得巖石性質(zhì)與物理參數(shù)之間的關(guān)系。理論上，提出巖石中各種物理性質(zhì)之間一般關(guān)系(理論模型)。兩個方面：1)針對巖石特性在假設(shè)條件下提出簡化模型；2)解釋實驗觀測到的現(xiàn)象和結(jié)果。實驗室具體研究方法：首先，采集各種有地質(zhì)意義的巖石，在實驗室中分別研究各種因素對其物理性質(zhì)的影響，將大量的實驗結(jié)果統(tǒng)計歸納得到經(jīng)驗關(guān)系式。在建立合理而簡化的數(shù)學(xué)物理模型的基礎(chǔ)上，將由實驗得到的經(jīng)驗關(guān)系外推到實際地球問題中去。注意：若沒有合適的模型，把實驗室簡單地、小尺度實驗得到的外推到大尺度的自然界，常常會出現(xiàn)錯誤的結(jié)論。其次，巖石物理學(xué)是一門高度跨學(xué)科的學(xué)科分支，這就決定了在巖石物理學(xué)中，對于所研究的巖石的不同物理性質(zhì)，必然要用到上述相應(yīng)的學(xué)科中對應(yīng)的物理方法和手段。1.2巖石物理學(xué)在石油工業(yè)的應(yīng)用在儲層勘探和開發(fā)中，為了減少涉及經(jīng)濟(jì)因素上的冒險，面臨的挑戰(zhàn)就是如何控制一些不確定因素來圈定儲層。這就涉及二大問題：1)多學(xué)科：地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、工程技術(shù)和巖石物理學(xué)2)儲層的尺度：從盆地到儲層，到斷塊，巖芯，礦物顆粒和孔隙；從地震，井間地震，到測井，巖石物理學(xué)是儲層描述中的一個重要工具，因為大多數(shù)進(jìn)行儲層描述的技術(shù)都是基于巖石的物理性質(zhì)。巖石可測量的物理性質(zhì)（諸如地震速度）能夠反映地下巖石和儲層的有用信息。巖石物理學(xué)具有可解釋性，巖石物理是一門用來研究巖石物理參數(shù)和一些相關(guān)性質(zhì)學(xué)科，其測量數(shù)據(jù)可以被解釋。因此，它不僅僅是儲層描述的工具，也為所有的地學(xué)家提供了物理基礎(chǔ)。起到一個橋梁作用。目前，在石油工業(yè)的主要服務(wù)對象是儲層描述和采收率監(jiān)測，巖石物理學(xué)主要服務(wù)有：地震和測井解釋、儲量估算、提高采收率。對儲層巖石物理特性的完全描述，意味著要確定各個儲層、定義有關(guān)解釋算法的所需巖石物理參數(shù)。對于地學(xué)家來說這是一個新的方向。儲層描述技術(shù)的發(fā)展是石油工業(yè)中從勘探到開發(fā)的一個實質(zhì)性的轉(zhuǎn)變結(jié)果。人們估計（mark,1995）地震監(jiān)測在接下來的幾年中會增長到每年二十億美元。研究對象沉積巖是烴原巖中的一個主要的巖類。研究沉積巖的性質(zhì)是巖石物理中的一個主要目標(biāo)。沉積巖是由復(fù)雜地歷史條件下的（物理、化學(xué)）多孔性材料生成的。幾十種參數(shù)(諸如：礦物成分、孔隙度、密度、顆粒大小和形狀、顆粒的連接和膠結(jié)程度等)被用來描述巖石的性質(zhì)。然而，我們在定量的測量和處理一些與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的（諸如孔隙的幾何性質(zhì)，顆粒的連接性和膠結(jié)程度）重要的巖石參數(shù)方面仍然有一定的困難。石油行業(yè)中巖石物理幾個主要特點：1、巖石物理是一門多學(xué)科的科學(xué)為了預(yù)測巖石參數(shù)，必須盡可能的研究巖石屬性的不同方面。涉及到儲層特征及采收率監(jiān)測以下方面：1)聲波性質(zhì)2)電學(xué)性質(zhì)3)水利屬性4)機(jī)械屬性5)巖相屬性6)孔隙流體屬性其中主要集中在儲層巖石和流體的聲波方面的屬性。2、實驗方法促使新知識的產(chǎn)生一些理論模型用來模擬多孔巖石的一些特殊的物理屬性及一些參數(shù)性質(zhì)。這些模型建立了一個物理概念：理想的多孔介質(zhì)是怎樣來影響物理屬性的。然而，和實際的巖石相比，這些模型卻過于簡單。大多數(shù)的模型能夠用一種或更多種任意的參數(shù)來預(yù)測巖石屬性，但是不能夠用來實現(xiàn)實際巖石的預(yù)測。人們做了許多努力（Schwartz,1984）來建立多孔巖石模型（Barryman,1994），但是成果卻十分有限。理論模型在地學(xué)科學(xué)方面的應(yīng)用還處在一個有限的水平上。盡管許多經(jīng)驗關(guān)系的確定都基于測量所得的數(shù)據(jù)。當(dāng)面對一個新的勘探區(qū)域(如邊緣盆地)時，如果沒有該地區(qū)的核心數(shù)據(jù)，沒有人能預(yù)測出其巖石物性。為了了解巖石，你必須檢驗和測試它們。不同盆地，或是不同構(gòu)成，又或是不同地形外貌的巖石可能完全不相同。在了解它們的特性之前，你必須測試它們。3、實驗室研究的意義為了確定巖石物性和物理參數(shù)的關(guān)系，實驗室就進(jìn)行了相應(yīng)的研究。只有通過對巖石樣品的實驗研究才能提供一些相關(guān)的制約因素和最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。基于實驗數(shù)據(jù)，速度和巖石參數(shù)之間的物理關(guān)系才能確定。這些關(guān)系可能延伸到一個比較大的范圍，甚至無法測定。許多測定的數(shù)據(jù)，比如，記錄，井間數(shù)據(jù)，VSP地震數(shù)據(jù)由于缺少參數(shù)控制而顯得不十分可靠。所以這些測量方法的標(biāo)準(zhǔn)和解釋必須依靠于實驗室核心方法和巖石物理學(xué)知識。4、巖石物理學(xué)的能力：綜合實驗數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)中得到的知識必須與大比例尺度的測量方法相結(jié)合起來。巖石物理的研究，不僅僅是采用正確的方法并得到典型性的數(shù)據(jù)，而在于尋找?guī)r石特性與巖石參數(shù)之間物理方面的相關(guān)性。這些物理方面的相關(guān)性可以為從大量的含有噪聲數(shù)據(jù)確定最終要的參數(shù)提供更加有力的方法。這樣，第二參數(shù)就可以忽略。測量數(shù)據(jù)的解釋就可以走向具有可以理解的不確定性的正確軌道。在確定測量特性之后認(rèn)知巖石參數(shù)是巖石物理學(xué)的作用。5、儲層技術(shù)的發(fā)源地巖石物理研究課題的許多成果已經(jīng)反映到地震儲層技術(shù)的發(fā)展上。1)亮點技術(shù)的發(fā)展是基于在實驗室觀測到的事實。含氣飽和巖石相對于鹽水飽和巖石具有更低的速度。2)速度各項異性的實驗研究，裂縫儲層的地震探測也得到了發(fā)展。3)基于實驗研究的熱強(qiáng)化采油監(jiān)測技術(shù)。4)還有AVO，DHI技術(shù)，儲層技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展都與巖石物理學(xué)研究相關(guān)。5)4D地震油藏監(jiān)測，和反射系數(shù)隨入射角變化的分析等油氣直接檢測技術(shù)?？梢郧宄乜吹?，巖石物理學(xué)研究是儲層技術(shù)的發(fā)源地。6、研究方式地震特性受到許多因素的復(fù)雜影響，諸如壓力、溫度、飽和度、流體類型、孔隙度、孔隙類型等等，這些因素常常是內(nèi)在關(guān)聯(lián)的，當(dāng)一個因素變化時許多因素也同時變化。這些變化對地震數(shù)據(jù)產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響。因此，在將巖石物理信息應(yīng)用于地震解釋中時，必不可少地要進(jìn)行單一參數(shù)變化（其它固定不變）影響的研究。一方面地球物理具有在遠(yuǎn)離鉆孔的條件下確定巖石彈性性質(zhì)的能力，另一方面探儲工程師還要求在遠(yuǎn)離鉆孔條件下辨別巖石物理特征，為改進(jìn)對儲集層的描繪和定性，人們正迅速地推動地球物理、石油物理和儲集層數(shù)據(jù)的綜臺研究。在促進(jìn)這種綜合研究的過程中，巖石物理學(xué)的任務(wù)是找到地理物理參數(shù)和巖石性質(zhì)之間的關(guān)系。巖石物理問題學(xué)家的哲學(xué)思想 許多影響巖石特性的因素?zé)o法定量化。比如，聲學(xué)速度受大量的無法測定的參數(shù)影響。為了研究一個巖石物理問題，接下來的哲學(xué)道理有助于地球科學(xué)家：1、承認(rèn)沒有絕對精確的解決方案。2、相信巖石特性是有原因的受到巖石參數(shù)的控制，并且這些物理相關(guān)性是可以認(rèn)知的。3、相信自然界給了我們一個暫停，在特定條件下，巖石特性與巖石參數(shù)之間的關(guān)系是可以簡化的。4、能夠接受具有可理解的不確定性的并不完善的解決方案。并理解統(tǒng)計趨勢，高峰和低谷都不利于處理這些不確定性。按測試方法和手段分，巖石物理學(xué)的研究主要分為實驗室測試和井中測試兩個方面。實驗室測量與井中的測量存在尺度上的差別。這兩種方法起到互補(bǔ)的作用。兩種方法除尺度上有差別外，在測試類型、規(guī)模、信噪比和結(jié)果的可靠性方面也存在差異。地震勘探方面1)巖石、流體等性質(zhì)對彈性波傳播的影響；2)巖石導(dǎo)電率及電磁波在巖石中傳播的影響；3)裂縫對巖石彈性及流體輸送的影響。油氣開發(fā)(石油物理和石油工程)方面1)巖石、流體等性質(zhì)對油氣運(yùn)移的影響；2)地震方法監(jiān)測和提高石油采收率中的巖石物理在測井方面的研究巖石電學(xué)：(1)低電阻率儲層的物性參數(shù)；(2)復(fù)雜儲層的巖電關(guān)系；(3)巖石的電化學(xué)特性；(4)巖石的復(fù)電阻率；(5)巖石的電頻散問題核磁共振巖石物理研究和應(yīng)用的意義(1)在傳統(tǒng)的地震勘探中,由于對各地區(qū)巖石物性（尤其是儲層巖石的物性）缺乏較系統(tǒng)地研究,使得地震資料的處理和解釋側(cè)重于構(gòu)造圈閉形態(tài)及巖性的定性解釋。大大限制了地震資料的精細(xì)處理和應(yīng)用范圍。(2)在一些地質(zhì)條件較復(fù)雜的勘探區(qū),僅靠地震資料進(jìn)行解釋難以得到較滿意的結(jié)果,其原因除對已獲取的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋所使用的數(shù)學(xué)模型有缺陷外,如何獲取勘探區(qū)內(nèi)儲層巖石物性參數(shù),進(jìn)行合理的研究并應(yīng)用于地震資料解釋中也是一個重要因素。(3)在開采過程中，地層壓力對孔隙度、滲透率的影響以及孔隙、裂隙對油氣的運(yùn)移、注水或注氣的影響需要有定量的物理解釋。(4)目前地震和測井解釋中所使用的物性參數(shù)和一些數(shù)學(xué)模型都是常規(guī)的或教課書上的經(jīng)典公式,或是其它地區(qū)得到的經(jīng)驗公式,缺少實際地區(qū)和儲層條件下巖石物性參數(shù),因而出現(xiàn)較大的偏差。一些原有理論和經(jīng)驗公式已不適合,有必要通過實驗室的結(jié)果對原有理論和經(jīng)驗公式進(jìn)行修正。(5)實驗室對巖石物性研究的結(jié)果一方面可用于地震勘探、開發(fā)地震、測井資料的解釋,另一方面可把從地震和測井資料中得到的參數(shù)結(jié)合起來,建立新的巖石物理模型,為地震和測井資料解釋服務(wù),使解釋精度大大提高。在巖石物理學(xué)的地震應(yīng)用中，我們曾經(jīng)經(jīng)常地尋求諸如“如果儲層壓力增加，Vp會發(fā)生什么方式的變化？這種變化有多大？”等等經(jīng)驗準(zhǔn)則。因為巖石是那么復(fù)雜，同時微觀上是非均質(zhì)的，一般意義上講只有用這些經(jīng)驗準(zhǔn)則去工作。1.3本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、目的和時間安排。學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)內(nèi)容時間安排第二章地球上的巖石本章目的：人類生活在地球上，巖石始終具有重要的意義。在古代，人類的進(jìn)化。在現(xiàn)代，巖石仍是農(nóng)田、水利、建筑、交通、化工、礦業(yè)等經(jīng)濟(jì)部門施工對象和開采利用的重要資源。本章的主要內(nèi)容：什么是巖石?地殼上最主要的巖石是什么?巖石有哪些特殊的性質(zhì)?油氣資源中巖石的特點，等。2.1巖石和礦物地球及其以外的物質(zhì)可以分為固體圈、水圈和大氣圈三個圈層結(jié)構(gòu)。在地球的總質(zhì)量中，大氣圈的質(zhì)量不到1%，水圈僅占千分之一左右，固體圈的質(zhì)量占99％以上。地球的固體圈是由地核、地幔和地殼組成的，其中巖石和礦物是構(gòu)成固體圈的最主要的物質(zhì)。1.礦物礦物是天然產(chǎn)出的，通常由無機(jī)作用形成的，具有一定化學(xué)成分和特定的原子排列（結(jié)構(gòu)）的均勻固體?，F(xiàn)代的礦物概念，需有三個條件：1)礦物必須是天然產(chǎn)出的物體，從而和人工制備的產(chǎn)物相區(qū)別。2)礦物必須是均勻的固體。具有確定的或在一定范圍內(nèi)變化的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)。3)礦物一般是由無機(jī)作用形成的。像煤和石油都是有機(jī)作用的產(chǎn)物，且無一定的化學(xué)成分，故均非礦物。組成礦物的元素其原子多是按一定的方式在三維空間內(nèi)周期性重復(fù)排列而形成的具有特定結(jié)構(gòu)的晶體。在外界條件合適時，晶體可以得到正常的發(fā)育，生長為規(guī)則的幾何多面體；但很多情況下，沒有足夠良好的條件形成這樣規(guī)則的外貌，礦物的均勻性，則表現(xiàn)在不能用物理的方法把它分成在化學(xué)上互不相同的物質(zhì)，這正是礦物與巖石的根本差別。礦物千姿百態(tài)，但多表現(xiàn)為顆粒狀(grain)，其大小懸殊，小的要借助于顯微鏡辨認(rèn)，大的顆粒直徑可達(dá)幾厘米，僅憑肉眼即可看見。由此可見，礦物在地質(zhì)上是建造地球的非常小的材料單元。地球上已知的礦物有3300多種。巖石中常見的礦物只有20幾種，其中又以長石、石英、輝石、閃石、云母、橄欖石、方解石、磁鐵礦和黏土礦物為多。2．巖石巖石是由一種或幾種造巖礦物按一定方式結(jié)合而成的礦物的天然集合體。巖石是在地球發(fā)展到一定階段時，經(jīng)各種地質(zhì)作用形成的堅硬產(chǎn)物，它是構(gòu)成地殼和地幔的主要物質(zhì)。作為天然物體，巖石具有自己特定的比重、孔隙度、抗壓強(qiáng)度等許多物理性質(zhì)。正如礦物由原子組成，但礦物可顯示出個別原子不具備的性質(zhì)一樣.巖石雖由礦物組成，但巖石所表現(xiàn)出來的特性，卻常常是不能用單獨的一種或幾種礦物的特性加以替代或描述的。3．巖石的尺度巖石作為礦物的天然集合體，其性質(zhì)既與組成礦物的性質(zhì)和各種礦物所占的比例有關(guān)，也與這些礦物在巖石中的幾何表現(xiàn)、分布狀況、膠結(jié)情況以及礦物顆粒之間的孔隙度及孔隙流體有關(guān)。描述巖石的礦物顆粒的幾何表現(xiàn)、分布狀況、膠結(jié)情況等關(guān)系，涉及到巖石的微構(gòu)造(microstructure)。礦物顆粒的排列，礦物成分的變化，礦物顆粒的形狀和大小，孔隙的數(shù)目以及破裂程度等造成了巖石微構(gòu)造的不均勻和無序性。由此可以得到一個直接的推論：巖石的物理性質(zhì)是與進(jìn)行測量的尺度(scale)有關(guān)。在研究地球的巖石時存在著不同的尺度。第一種是礦物顆粒(grain)的尺度，亦稱礦物尺度(micro-scale)：研究各個礦物的性質(zhì)，礦物與礦特之間相互的接觸幾何等第二種是研究由多個礦特組成的巖石尺度，常稱為巖石尺度(macro—scale)：在這種尺度下，礦物的性質(zhì)被平均掉了，取而代之的是巖石的性質(zhì)；第三種尺度更大，包括了完整的巖石，也包括了多種巖石的組合，如巖石中的節(jié)理、等間斷面，這種稱為巖體(mega—scale)的尺度，巖休性質(zhì)取決于巖石的組成和各種間斷面的控制；最后一種尺度是地質(zhì)尺度(giga—scale)，它是各級尺度性質(zhì)的高度且復(fù)雜的綜合。地質(zhì)現(xiàn)象是由礦物、巖石、巖體和構(gòu)造運(yùn)動的總體所決定的。當(dāng)研究尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于特征尺度時，巖石可以近似地看成是均勻的，巖石具有了下限尺度。礦物顆粒的大小提供了一種特征尺度：這種均勻是體積平均意義上的物理性質(zhì)均勻。整體、統(tǒng)計上的穩(wěn)定性。在研究能源、資源、環(huán)境等地球基本過程問題時，所遇到的尺度都符合這個最低下限的要求。特別注意的是研究的對象是巖石，而不是礦物和組成礦物的元素。在地球運(yùn)動中，整塊的巖石不可避免地會發(fā)生破裂，其中會出現(xiàn)許多斷層、解理和劈理等間斷面，這些大小不一的間斷面和巖石就構(gòu)成了巖體(rockmass)。巖體是在內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力較弱的層理、片理、節(jié)理和斷層等切割下形成的，明顯的不連續(xù)性是巖體的重要特點。巖體性質(zhì)(無論是力學(xué)、電學(xué)還是其他性質(zhì))在很大程度上都要受到間斷面的影響，例如巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)度，巖體變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石變形，巖體的滲透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石的滲透性等。巖體中間斷面的存在，提供了巖石測量的上限尺度。對巖石的下限尺度和上限尺度的正確理解，是區(qū)分礦物、巖石和巖體的基礎(chǔ)概念。在研究巖石的物理學(xué)性質(zhì)，在應(yīng)用巖石物理學(xué)性質(zhì)解決實際問題時，這種尺度概念是十分重要的。多孔隙介質(zhì)的各種性質(zhì)與尺度有關(guān)尺度問題是各種物理實驗中一個重要的問題，尤其在地球物理的實驗中。不同尺度范圍研究巖石的性質(zhì)有著不同的意義。實驗的一些測試結(jié)果是否能使用于實際，首先要考慮的就是尺度的適應(yīng)性和相似性。4、極小均勻化體積考慮巖石顆粒直徑為d的二維孔隙空間，見圖。隨機(jī)將具有不斷擴(kuò)大面積的同心圓嵌入如圖的多孔隙介質(zhì)內(nèi)，可將孔隙率的變化作為圓的直徑函數(shù)來測量。圖中最內(nèi)圓將孔隙包含，孔隙率為1，圓的直徑擴(kuò)大到2d－3d時達(dá)到了介質(zhì)孔隙的平均值。以這種方式可統(tǒng)計孔隙變量均勻化所要求的極小面積圖均勻介質(zhì)與非均質(zhì)均勻介質(zhì)：在特定的尺度范圍，巖石參數(shù)和性質(zhì)有與尺度無關(guān)的相似特征。非均質(zhì)：巖石參數(shù)和性質(zhì)與尺度有關(guān)各向異性與非均質(zhì)各向異性和非均質(zhì)性是密切相關(guān)的。清楚的區(qū)分他們之間的不同是有用的。物理上認(rèn)為，在某種程度上沒有任何固體是均質(zhì)的，因此隨方向性質(zhì)是否變化能區(qū)分一個固體是各向異性還是僅是非均勻的是一種尺度的功能。對物理學(xué)家來說這相關(guān)的尺度是變化的，但是與所用的波長相關(guān)聯(lián)。對于地震波，尺寸或許是幾十米；對于測井是分米；而對于實驗室測量為毫米。在不同尺度上，即使在同一個固體內(nèi)，它的各向異性程度和類型完全不同是可能的。2.2巖石的分類我們可以按照巖石包含的礦物種類，各種礦物的比例，礦物的空間分布等，對不同的巖石進(jìn)行分類。也可以針對一種或兩種巖石的具體性質(zhì)進(jìn)行分類。例如，可以把礦物顆粒和孔隙度大小作為巖石分類的依據(jù)，但這種分類有較大的任意性，本書仍將采用目前最通用的按照巖石的形成過程分類的方法，即按照不同的成巖過程對巖石進(jìn)行地質(zhì)學(xué)上的分類。2.2.1成巖過程三種巖石2.2.2火成巖概念2.2.3沉積巖概念2.2.4變質(zhì)巖概念2.2.5成巖旋回(rockcycle)2.3巖石的特點巖石，作為一種特殊材料，和材料科學(xué)中研究的一般材料有很大的不同。這些不同表現(xiàn)在以下方面：2.3.1高壓高溫環(huán)境圖2.8給出了地球內(nèi)部壓力和溫度隨地球半徑的分布。地殼是地球最外面的一個殼層，平均厚度在大陸上為35km，海洋里為幾公里。地殼底部的壓力約為1GPa，溫度約為600℃，地球半徑為6371km。從這些數(shù)據(jù)不難算出地球內(nèi)部地殼以下99％的物質(zhì)都處于lGPa(1萬個大氣壓)和600℃以上的高壓高溫狀態(tài)。在這種高壓高溫環(huán)境下，巖石表現(xiàn)出了許多特殊的性質(zhì)。這種高壓高溫下巖石的性質(zhì)是巖石物理學(xué)研究的重要內(nèi)容。圖2.8地球內(nèi)部壓力和溫度隨地球半徑的分布．從圖中可以看出，地殼以下的地球內(nèi)部99%的巖石都處在1GPa和600℃以上的高壓高溫狀態(tài)(據(jù)wyllle，1992)地應(yīng)力巖石所受的力一般用地應(yīng)力表示，應(yīng)力是單位面積上受的作用力。地應(yīng)力的形成主要與地球中的各種動力運(yùn)動過程有關(guān)。板塊邊界受壓，地幔熱對流，地球內(nèi)應(yīng)力，地心引力，地球旋轉(zhuǎn)，巖漿侵入和地殼的非均質(zhì)擴(kuò)容等。主要包括：（1）大陸板塊邊界受壓引起應(yīng)力場；（2）地幔熱對流引起的應(yīng)力場；（3）地心引力引起應(yīng)力場；（4）巖漿侵入引起應(yīng)力場；（5）地溫梯度引起應(yīng)力場；（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場。處理地質(zhì)問題時，常用的應(yīng)力符號有以下幾種：σV垂直方向的主應(yīng)力，主要是重力作用；σHmax水平方向最大主應(yīng)力，σHmin水平方向的最小主應(yīng)力，主要是構(gòu)造運(yùn)動引起的應(yīng)力。重力作用和構(gòu)造運(yùn)動是引起地應(yīng)力的主要原因。瑞典科學(xué)家Hast發(fā)明了測試地應(yīng)力的儀器和方法，測得了財、大事絕對地應(yīng)力的大小和方向，他發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部巖石中的水平應(yīng)力大多呈現(xiàn)水平狀或近似水平狀，且水平應(yīng)力值高于垂直應(yīng)力值。地應(yīng)力的分布主要有以下規(guī)律：（1）地應(yīng)力場是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，是時間和空間的函數(shù)。地應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三個不等壓的應(yīng)力場，三個主應(yīng)力的大小和方向是隨時間和空間而變化，它是一個非穩(wěn)定的應(yīng)力場。（2）實測的垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量。在世界上多數(shù)地區(qū)并不存在真正的垂直應(yīng)力場，即沒有一個主應(yīng)力的方向完全與地面垂直，但存在一個主應(yīng)力，方向接近于垂直方向。（3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力，垂直應(yīng)力在多數(shù)情況下是最小主應(yīng)力，只有在個別情況下是最大主應(yīng)力，水平方向上的構(gòu)造運(yùn)動如板塊運(yùn)動等，對地殼淺層的地應(yīng)力起控制作用。（4）最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力隨深度呈線性增長關(guān)系，在某些地區(qū)存在顯著的水平應(yīng)力。（5）最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的值一般相差較大，顯示出較強(qiáng)的方向性。地應(yīng)力的分布規(guī)律受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖石力學(xué)性質(zhì)以及溫度、地下水等因素的影響，其中以地形和斷層的影響最大。巖石自重引起的應(yīng)力場為σV=ρghσH=σx=σy=ρgh其中ρ是巖石的密度，g是重力加速度，h是深度，ν是巖石的泊松比。這種應(yīng)力叫做自重應(yīng)力場。應(yīng)力單位應(yīng)力(壓力)的單位是Pascal簡稱Pa，它表示每平方米所承受的壓力(壓力以牛[頓]為單l位)。由于Pa的單位取值很小，故經(jīng)常用GPa和Mpa：1Gpa=109Pa1Mpa=106Pa其它單位的表示：為了對應(yīng)力單位有個定性的概念，這里介紹地球內(nèi)部的流體靜壓力。所謂流體靜壓力，就是假定整個地球是一個流體球。由地球總的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和自由振動周期，以及地震波的走時，可以反演得到地球內(nèi)部的密度分布。再通過計算可以得到地球內(nèi)部流體靜壓力隨深度的分布(表22)。巖石在應(yīng)力的作用下會發(fā)生形變，形變的與應(yīng)力的大小有關(guān)。其應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為巖石的最簡單的本構(gòu)關(guān)系。圖2.13給出了巖石典型的單向應(yīng)力(壓縮)下應(yīng)力—應(yīng)變曲線。這條曲線給出了大多數(shù)巖石的本構(gòu)關(guān)系，是巖石力學(xué)研究中非常重要的一條曲線。這條本構(gòu)曲線大致可以分成5個階段：OA段——應(yīng)力應(yīng)變曲線呈向上的彎曲，表明隨應(yīng)力的增加，應(yīng)變增長速度減慢，仿佛巖石隨應(yīng)力增加(作功)而變硬，所OA段也被稱為“作功硬化”階段。從微觀機(jī)制來看，OA段的彎曲是由于天然巖石中存在的許多微裂紋在應(yīng)力作用下閉合而造成的。AB段——線彈性階段，AB的斜率(即巖石的有效楊氏模量)由巖石固態(tài)物質(zhì)的彈性常數(shù)和包含的孔隙情況所確定。BC段—應(yīng)力應(yīng)變曲線又一次偏離直線，這時巖石的非彈性變形開始明顯出現(xiàn)，非彈性體積應(yīng)變增加，即出現(xiàn)巖石的膨脹(dilatancy)現(xiàn)象。隨應(yīng)力增加，應(yīng)變增長速率亦加快，仿佛巖石變軟了似的，所以BC段也稱為應(yīng)變“軟化階段”。OA，AB，BC三個階段中包含的研究課題有：巖石在流體靜水壓下性質(zhì)的變化；孔隙彈性力學(xué)以及在差應(yīng)力作用下巖石的膨脹現(xiàn)象等。C點——表示巖石在一定條件下所能承受的最大載荷，它是應(yīng)力—應(yīng)變曲線的極大值，對應(yīng)的峰值應(yīng)力叫做巖石的強(qiáng)度或破壞應(yīng)力，一旦巖石受力達(dá)到了其強(qiáng)度，巖石就會發(fā)生宏觀的破壞，因此，應(yīng)力應(yīng)變曲線可以由C點分成兩部分，C點以前叫做破壞前區(qū)域(也叫做峰值應(yīng)以前區(qū)域)，C點后叫做破壞后區(qū)域(也叫做峰值應(yīng)力以后區(qū)域)。CD段——在巖石力學(xué)實驗中，能夠得到巖石破壞后的應(yīng)力—應(yīng)變(或廣泛地說，得到受力—變形)曲線，不過是近十余年的事情。在用普通壓機(jī)對巖石樣品加載時，一旦達(dá)到巖石的強(qiáng)度(C點)，樣品承載能力下降，應(yīng)變加速，貯存在壓機(jī)中的彈性能大部分釋放了出來，結(jié)果造成在C點巖樣發(fā)生猛烈的破壞，實驗只能得到巖石破壞前的曲線。70年代，人們認(rèn)識到壓機(jī)剛性所起的關(guān)鍵作用，Cook和Wawersick等(Cook，1965；Wawersick，1970)提出的可控破裂概念以及電液閉環(huán)伺服控制壓機(jī)的出現(xiàn)，才使獲得巖石破壞后的曲線CD段成為可能。CD段主要研究的問題是：巖石破壞的穩(wěn)定性問題；巖樣變形的局部化問題等。CD段的研究與地質(zhì)工程中的破壞的發(fā)生、地震過程有著非常密切的關(guān)系。DE段——巖石的宏觀破裂已經(jīng)完成，斷裂面已經(jīng)形成，巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線所表示的，是沿斷裂面兩側(cè)巖石的摩擦滑動，涉及這方面的研究課題有：摩擦滑動的條件以及滑動的方式——穩(wěn)定滑動和粘滑(stick—slip)等，這部分內(nèi)容與地震和其他的巖體中的失穩(wěn)過程有密切聯(lián)系。圖213巖石典型的單向應(yīng)力(壓縮)下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系孔隙介質(zhì)內(nèi)的有效壓力在巖石中總是存在兩種不同的壓力：上覆巖層壓力和巖石孔隙內(nèi)的壓力。上覆巖層壓力（Po）也稱為圍巖壓力，是整個上覆巖石地層所施加的壓力；而儲層壓力（Pp）也稱為流體壓力或孔隙壓力，是流體質(zhì)量所施加的力。上覆巖層壓力和儲層壓力之差稱為上覆巖層凈壓力（Pd），也稱為差壓力或有時稱為有效壓力（Pe）。嚴(yán)格地說Pe≠Pd。事實上Pd=Po—Pp，而Pe=Po—nPp，式中n≤1?？刂苾訋r石地震特性的是上覆巖層凈壓力。這是因為孔隙流體壓力抵消了一部分上覆巖層的壓力，進(jìn)而減少了整個巖石地層所支撐的負(fù)載。2.3.2巖石的多孔巖石是由固體的礦物和礦物顆粒之間的孔隙組成的，孔隙中通常有孔隙流體存在。圖1.9給出了砂巖的掃描電子顯微鏡照片，我們可以清楚地看到砂巖中的石英顆粒，并且還可以看到石英顆粒之間存在著流體流通的網(wǎng)絡(luò)。巖石正是這樣一種特殊的多孔介質(zhì)，一種由固體礦物和流動的孔隙流體組成的多相體?？紫读黧w的存在，對巖石性質(zhì)有著極其重要的影響。例如，巖石中孔隙體積增加1%，會導(dǎo)致巖石彈性參數(shù)變化10倍或者更多，也會導(dǎo)致巖石滲透率發(fā)生幾個數(shù)量級的變化(見以后的幾個章節(jié))。巖石內(nèi)部孔隙及孔隙流體的存在，是石油得以生成、礦物得以富集的前提。這種存在與人類生活密切相關(guān)，例如地下水的形成，深埋地下核廢料的擴(kuò)散，環(huán)境污染和保護(hù)等問題都與孔隙流體的運(yùn)移有關(guān)。巖石的多孔性和孔隙流體的輸運(yùn)性，也是巖石物理學(xué)研究的重要內(nèi)容。圖1.9圖l.9砂巖的掃描電于顯微鏡(SEM)照片。照片中可以看到砂巖中的石英礦物顆粒(黑色)，也可以看到它們之間的孔隙。砂巖孔隙體積可占巖石體積的6%。這些孔隙相互連通，形成了孔隙流體流動的通道2.3.3長期作用巖石在短時間外力的作用下，表現(xiàn)為完全彈性體，但在長時間力的作用下(可以與地質(zhì)年代相比較)，則表現(xiàn)出非完全彈性。例如地殼受到長時間的擠壓后，發(fā)生韌性形變，可以產(chǎn)生褶皺，當(dāng)一個大規(guī)模的區(qū)域受到侵蝕時，易侵蝕的低洼部分形成谷，抗侵蝕的地層形成山脊。當(dāng)然，這僅僅是形成復(fù)雜地貌的途徑之一。接近地表的巖石由于溫度低，壓力不大，在外力作用時間不太長的情況下，巖石可作為彈性體看待，表現(xiàn)出脆性的性質(zhì)；隨著深度的增加，巖石所處的溫度和壓力增高，承受形變的能力大大增加，介質(zhì)就從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有?或稱為韌性)，若外力作用的時間很長，如造山運(yùn)動、地幔對流等，巖石可以像黏性流體那樣產(chǎn)生形變。在漫長的地質(zhì)年代里，巖石在外力的作用下不斷地發(fā)生變形，其受力作用時間之長、變形過程之久，是其他材料學(xué)科研究中難以遇到的。人們難以想到在長期的內(nèi)力和外力作用下，印象中既硬又脆的巖石竟會發(fā)生塑性變形。我們在野外經(jīng)常可以看到原先形成的水平沉積地層發(fā)生了褶皺，地層嚴(yán)重地彎曲，有的翻轉(zhuǎn)了180o或者更大的角度。實驗室中同樣也可以看到礦物巨大的塑性形變。巖石在長期作用下可表現(xiàn)出許多與時間有關(guān)的特性，例如巖石的蠕變和流動；又如巖石的斷裂也經(jīng)過了一個與時間有關(guān)的過程：裂紋擴(kuò)展直至最后斷層的形成(“巖石的斷裂”)。這種特性對于解釋地球動力學(xué)的基本問題，顯然是有意義的。20世紀(jì)70年代的板塊運(yùn)動學(xué)說的建立，對巖石物理學(xué)性質(zhì)的研究曾經(jīng)起過重要的作用；90年代大陸動力學(xué)研究的開展，對巖石物理性質(zhì)的理解又提出了新的課題。2.4油氣藏的儲層地質(zhì)環(huán)境石油和天然氣生成于沉積巖中，絕大部分也儲集于沉積中。其實，本身也和煤、油巖鹽及其它一些沉積礦產(chǎn)一樣，也是一種沉積巖，只不過是液態(tài)和氣態(tài)。本節(jié)大體介紹油氣藏的儲層環(huán)境和條件等概念1.沉積結(jié)構(gòu)沉積結(jié)構(gòu)：是指沉積巖各個組成部分之間的空間分布和排列方式，它是沉積物在沉積期或沉積后經(jīng)過物理、化學(xué)和生物作用形成的。可通過露頭、巖芯的宏觀觀察和鏡下微觀觀察等手段研究沉積巖構(gòu)造。也可通過實驗?zāi)M研究沉積巖構(gòu)造的形成機(jī)理。沉積巖構(gòu)造的分類法也很多。這里介紹地震勘探中常遇到的構(gòu)造。2.層理層理是碎屑巖最典型、最重要的特征之一，是沉積時水動力條件的直接反映，也沉積環(huán)境的重要標(biāo)志。層理是巖石性質(zhì)沿垂直向變化的一種層狀構(gòu)造?？梢酝ㄟ^礦物的成分、結(jié)構(gòu)和顏色的突變或漸變顯現(xiàn)出來。因?qū)永淼拇嬖陲@現(xiàn)出砂巖的非均質(zhì)性。地震勘探中所反映的特征直接與層理的性質(zhì)有關(guān)。層理的基本術(shù)語紋層－－層理的最小單位，紋層內(nèi)沒有任何肉眼可見的層，幾mm到幾cm。層系－－由許多在成分、結(jié)構(gòu)、厚度和產(chǎn)狀相近的同類型紋層組合而成。層系組－－由兩個或兩個以上性質(zhì)相似層系或性質(zhì)不同成因有聯(lián)系的層系疊覆組成。層－－是組成沉積地層的基本單位，由成分基本一致的巖石組成。2.4.2沉積巖的分類和成分沉積巖的分類方案有很多，根據(jù)沉積巖的形成作用劃分以下幾大類：1）母巖風(fēng)化主物組成的沉積巖；2）火山碎屑物質(zhì)和深部鹵水組成的沉積巖；3）由生物遺體組成的沉積巖。盡管巖漿巖占據(jù)整個地殼體積的95%，大約有75%的陸表以及幾乎所有的洋殼，上面覆有沉積巖石。沉積巖是巖漿巖經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)過程的結(jié)果，這些過程中風(fēng)化營力（風(fēng)和水）起到主要作用。這些過程包括：沉積搬運(yùn)；沉積物的沉降作用（重力作用的影響）；壓實等。沉積巖的種類很多，但若考慮到礦物顆粒的大小以及礦物成分等方面的因素，則可以將沉積巖分為砂巖、頁巖和石灰?guī)r三類。在地殼中的比例砂巖（25%）：超過半數(shù)的石油產(chǎn)自砂巖儲層頁巖（50%）：頁巖是重要的密封性巖石碳酸鹽巖（20%）：超過三分之一的石油產(chǎn)自碳酸鹽巖儲層蒸發(fā)巖（5%）：蒸發(fā)巖是化學(xué)沉積物。砂巖：由粒度大小由1/16至2mm、含有物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都穩(wěn)定的石英。顆粒大多來源于風(fēng)化等侵蝕作用后的火成巖的礦物顆?；驇r石碎片，也有不少顆粒來源于已經(jīng)存在的砂巖風(fēng)化的產(chǎn)物。砂巖的微結(jié)構(gòu)反應(yīng)了這些顆粒的來源。這些顆粒由于沉積前的長途搬運(yùn)而變得圓滑，輸運(yùn)中許多不穩(wěn)定的礦物成分在途中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在輸運(yùn)中已經(jīng)找不到了。輸運(yùn)中的主要礦物是石英，還有長石，特別是鉀長石。在沉積巖總量中，砂巖約占25％。在經(jīng)濟(jì)上，砂巖是一種十分重要的巖石，它是石油、天然氣的油氣儲地，在工業(yè)方面，砂巖也有著重要的用途。砂巖占所有沉積巖的25%。它們是重要的石油和天然氣自然儲層。對于每個生產(chǎn)層，下列問題都要有答案：它們屬何種類型的砂？它們是如何沉積的？它們位于古盆地何處？頁巖：分選性好的巖石，它們占沉積巖的一半。頁巖為大多數(shù)的儲層提供了蓋層。頁巖是由直徑不超過1／16mm的細(xì)顆粒礦物組成的。其中的粘土是主要成分。也包含許多細(xì)顆粒的石英、長石等其他礦物。盡管頁巖含量豐富，但它在地表的出露卻不如砂巖廣泛。成分復(fù)雜和礦物顆粒細(xì)小等原因使得關(guān)于頁巖性質(zhì)的研究不如其他沉積巖那樣深入。頁巖顆粒致密，滲透性很差，可以形成不透水層，能防止石油、水、天然氣等的流失，是水、氣等理想的天然儲體。碳酸鹽巖：主要沉積有方解石、文石、白云石和一些碳酸鎂的沉積巖。它們的來源可以是有機(jī)的也可以是無機(jī)的。它們大概占到所有觀察到的沉積巖的20%。超過1/3的油和氣產(chǎn)自碳酸鹽巖。對于沉積巖來說，一個重要的概念是其中的礦物顆粒大小。例子一：巖石中的流體輸運(yùn)過程。流體是否能在巖石內(nèi)部輸運(yùn)，主要取決于巖石的滲透率，而滲透率與礦物顆粒大小密切有關(guān)，因為顆粒大小和顆粒大小的分布決定了巖石中孔隙的多少和大小。例子二：巖石內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)率，反應(yīng)率的大小與礦物顆粒的表面積有關(guān)，顆粒越大，固定體積內(nèi)的顆粒表面積越小。因此，巖石內(nèi)部的各種過程、沉積巖的性質(zhì)等與其礦物顆粒大小及分布有著密切的關(guān)系。由于沉積過程的復(fù)雜多樣性，沉積巖中礦物顆粒小至0.01μm（10-3m）大至10cm（10-1mm），變化可達(dá)7個數(shù)量級之多。為了說明顆粒大小對表面積的影響，我們定義一塊巖石中的所有礦物表面積和巖石體積之比為比面積(speificsurfacearea)。若巖石為一個直徑為d的球，其內(nèi)只含一個直徑為d的礦物顆粒，這時比面積為：(πd)／(πd／6)=6/d。顯然，礦物顆粒越大，比面積越小，兩者的關(guān)系如圖所示。第三章儲層巖石的特性本章的主要參考書《油層物理學(xué)》楊勝來，魏俊之編著油氣儲層為地下深處多孔巖層，油氣地下儲集空間的特征——儲層多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)決定了油藏的賦存特點、油氣的儲存豐度與儲量、油氣井的產(chǎn)能，也決定了油藏開發(fā)的難易程度和最終效果。研究和掌握儲層物性是認(rèn)識儲層、評價儲層、保護(hù)和改造儲層的基礎(chǔ)，是從事石油勘探、鉆井、油田開發(fā)開采及提高油氣采收率工作所必需掌握的基礎(chǔ)知識。石油與天然氣儲層主要為沉積巖儲層，而沉積巖又分為碎屑巖和碳酸鹽巖儲層(表5.1)。世界上主要含油氣區(qū)的儲層多為碎屑巖儲層，它包括各種類型的砂巖、礫巖、砂礫巖以及泥巖。碎屑巖儲層分布廣、物性好，是主要的儲層巖石。碳酸鹽巖儲層是另一類重要的油氣儲層。根據(jù)全球資料統(tǒng)計，以碳酸鹽巖為儲層的油氣儲量，約占總儲量的一半，油產(chǎn)量達(dá)到總產(chǎn)量的10%以上。波斯灣盆地是世界碳酸鹽巖油田分布最集中的地區(qū)，我國也發(fā)現(xiàn)了一批碳酸鹽巖油氣藏。實踐向人們展示了在碳酸鹽巖中尋找油氣資源的廣闊前景。本章主要介紹碎屑巖(砂巖)的結(jié)構(gòu)，砂巖的粒度、比面等骨架性質(zhì)，以及孔隙性、滲透性、飽和度等各種性質(zhì)，碳酸鹽巖中裂隙，溶洞形態(tài)及相應(yīng)的描述和參數(shù)定義，以及這些參數(shù)是怎樣在實驗室進(jìn)行測試的。砂巖儲層是由砂粒沉積并經(jīng)膠結(jié)物膠結(jié)而成的多孔介質(zhì)，顆粒固體物質(zhì)構(gòu)成骨架，顆粒之間存在的間隙稱為空隙或孔隙。3.1多孔巖石的骨架砂巖是由性質(zhì)不同、形狀各異、大小不等的砂粒經(jīng)膠結(jié)物膠結(jié)而成的。這些砂粒和膠結(jié)物就珠骨架。儲層性質(zhì)主要受顆粒的大小、形狀、排列方式，膠結(jié)物的成分、數(shù)量、性質(zhì)以及膠結(jié)方式的影響。碳酸鹽巖(如灰?guī)r和白云巖等)不存在粒度問題，因為其骨架顆粒、膠結(jié)物及孔隙充填物基本上都是相同物質(zhì)，無法將它們分為單個顆粒。所以，也可以把砂巖和碳酸鹽巖中的固體部分統(tǒng)稱為基質(zhì)。1、巖的結(jié)構(gòu)砂巖的結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成砂巖的礦物和顆粒的大小、形狀以及它們的空間組合。結(jié)構(gòu)組分包括顆粒和填隙物，或雜基和膠結(jié)物。顆粒的結(jié)構(gòu)特征：粒度、球度、形狀、圓度及表面特征。2、巖石的粒度組成砂巖是由大小不同的各種顆粒組成。巖石顆粒的大小稱為粒度，用線性值和體積值表示，體積值用同等體積的直徑來表示(單位：mm或μm)。線性值常用大、中、小三個直徑表示。沉P48圖4-1按砂粒大小范圍所分的組稱為粒級。劃分粒級的方法很多，表5.2是常見的一種。用橡皮錘將砂巖搗碎、分解成單個的砂粒，可以發(fā)現(xiàn)砂巖是由大小不同的各種顆粒組成。按砂粒大小范圍所分的組稱為粒級。劃分粒級的方法很多，表5-2是常見的一種。粒級劃分泥(粘土)粉砂砂礫細(xì)粉砂粗粉砂細(xì)砂中砂粗砂細(xì)礫中礫粗礪巨礫顆粒直徑mm<0.010.01~0.050.05~0.10.1~0.250.25~0.50.5~11~1010~100100~1000>1000砂巖的粒度組成是指不同粒徑范圍(粒級)的顆粒占全部顆粒的百分?jǐn)?shù)(含量)，通常用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示。一般用篩析法和沉降法來測定砂巖的粒度及粒度組成。1)篩析法篩析法是將由粗至細(xì)的一套篩子疊放、固定在震動篩分機(jī)上，對已破碎、分解的巖石顆粒進(jìn)行篩析，每一個篩子的篩上剩余顆粒質(zhì)量可由天平稱得，得到顆粒粒級質(zhì)量分布。篩子的篩孔尺寸有兩種表示方法：(1)以每英寸長度上的孔數(shù)表示，稱為目或號。例如200目表示每英寸長度上有200孔。(2)以毫米直接來表示篩孔孔眼的大小。成套篩子的孔眼大小排列有一定的規(guī)則，例如相鄰兩級篩孔孔眼大小的級差為2或√2。顯然，粒度分級取決于該套篩子的尺寸2)沉降法表5-33)薄片電鏡分析對于較致密的細(xì)粒巖石，還可以制成巖石薄片．用顯微鏡觀測或圖像分析儀器測定其粒度組成。近年來國內(nèi)外研制和使用了多種基于光學(xué)原理的顆粒直徑測定方法和儀器。粒度組成的表示方法1)粒度組成還可以用作圖法表示，礦場上常用的是粒度組成分布曲線(圖5-1)和粒度組成累積分布曲線(圖52)。粒度組成分布曲線表示了各種粒徑的顆粒所占的百分?jǐn)?shù)，即任一粒級顆粒在巖石中的含量。曲線尖峰越高，表明該巖石以某一粒徑顆粒為主，巖石粒度組成越均勻；曲線尖峰越靠右，表明巖石顆粒越粗。反之亦然。粒度組成分布曲線的幾種常見形態(tài)見圖5-3(mi為質(zhì)量百分比，d為粒徑)。圖形表示法直觀明了，可以清楚地表示出巖石粒度的均勻程度以及顆粒按大小分布的特征。圖5-1圖5-3為了定量計算粒度組成的均勻程度或特征，引入了粒度參數(shù)。粒度分布的屬性及粒度參數(shù)見表5-4。2)粒度參數(shù)不均勻系數(shù)2)分選系數(shù)s3)標(biāo)準(zhǔn)偏差3、巖石的比面1比面的概念及其研究意義巖石骨架分散性還可以用巖石的比表面積(又稱比面)來描述。所謂比面，是指單位體積巖石內(nèi)孔隙總內(nèi)表面積或單位體積巖石內(nèi)巖石骨架的總表面積。其表達(dá)式如下：S=A/V式中S—巖石比面，A—巖石孔隙的總內(nèi)表面積，cm/cm；V—巖石外表體積(或稱為視體積)，cm3當(dāng)顆粒是點接觸時，巖石孔隙的總內(nèi)表面積即為所有顆粒的總表面積。砂巖的砂粒越細(xì)，其比面越大，骨架分散程度越高。由于砂巖的粒度很小，故其比面很大，各類砂巖的比面見表5—6。因為巖石孔隙表面是流體流動的邊界，比面的大小可以決定巖石的許多性質(zhì)，它對流體在儲層中的流動有較大影響。巖石與流體接觸時所產(chǎn)生的表面現(xiàn)象，流體在巖石中的流動阻力，巖石的滲透性以及骨架表面對流體的吸附量等都與比面有關(guān)。巖石比面的大小除受粒徑影響外，還受顆粒排列方式、顆粒形狀、膠結(jié)物含量等因素的影響。例如，圓球形顆粒的比面要比扁圓形顆粒小，顆粒間膠結(jié)物含量少則比面大。通常情況下所說的巖石比面是指以巖石外表體積為基準(zhǔn)的比面S。當(dāng)顆粒是點接觸時，巖石孔隙的總內(nèi)表面積即為所有顆粒的總表面積。例如，半徑為R，的球體所組成的多孔介質(zhì)，其比面應(yīng)為。顯然，R越小，孔隙介質(zhì)比面越大的多孔介質(zhì)，隙介質(zhì)比面越大。同理，砂巖的砂粒越細(xì)，其比面越大，骨架分散程度越高。由于砂巖的粒度很小，故其比面是很大的，各類砂巖的比面見表5—6。表5—6砂巖的粒徑與比面砂巖種類粒徑，mm比面，cm2／cm3；一般砂巖1~0.25<950細(xì)砂巖0.25~0.1950~2300泥砂巖0.1~0.01>23004、砂巖的膠結(jié)物及膠結(jié)類型砂巖是由顆粒經(jīng)膠結(jié)物膠結(jié)而形成的。1、膠結(jié)物質(zhì)儲層巖石的膠結(jié)物是除碎屑顆粒以外的化學(xué)沉淀物質(zhì)，一般是結(jié)晶的或非結(jié)晶的自生礦物，在砂巖中含量不大于50%。它對顆粒起膠結(jié)作用，使之變成堅硬的巖石。膠結(jié)物質(zhì)含量增加總使巖石的儲油能力和滲透能力變差。砂巖中膠結(jié)物的成分、數(shù)量和膠結(jié)類型，影響著砂巖的致密程度、孔隙性、滲透性等巖石物性。膠結(jié)物的成分中最常見的是泥質(zhì)和灰質(zhì)，其次為硫酸鹽和硅質(zhì)。1)泥質(zhì)(粘土)膠結(jié)物泥質(zhì)是沉積巖粒度分析中粒度小于0.01mm的物質(zhì)的總和。粘土是指天然的土狀細(xì)粒集合體，當(dāng)它與少量的水混合時具確可塑性。它的化學(xué)成分主要是氧化硅、氧化鋁、水以及少量的鐵、堿金屬和堿土金屬氧化物。粘土礦物是指組成粘土主體的礦物。根據(jù)粘土礦物的特點又將其定義為細(xì)分散的含水的層狀硅酸鹽和含水的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱。由上可知，儲層巖石中粘土礦物是粘土的主要組成部分，而粘土則是泥質(zhì)的主要組成部分。砂巖中粘土含雖往往在10%以上，有的高達(dá)20%。它們是造成儲層物性變差和油田開發(fā)以后儲層傷害的主要原因之一。油氣儲層中常見的粘土礦物以高嶺石、蒙皂石、伊利石、綠泥石及混合層等含水層狀硅酸鹽為主，在一些特殊的地質(zhì)環(huán)境下可見海泡石等鏈狀硅酸鹽礦物。粘土礦物中的水按其存在狀態(tài)可以分為三種：吸附水(吸附在粘土礦物表面)、層間水(存在于粘土礦物單元晶層之間)、結(jié)構(gòu)水(以羥基形式存在于晶格內(nèi)部)。上述三種水中，吸附水和層間水與礦物結(jié)合比較松弛，一般在100～200℃溫度下即可脫出，而脫出晶格的結(jié)構(gòu)水的溫度則高達(dá)400～800℃。油氣儲層中的粘土礦物按成因可分為兩大類：一類為陸源粘土礦物。它是與砂質(zhì)同時沉積的粘土，常構(gòu)成砂巖粒間的雜基和泥質(zhì)紋層，由于受搬運(yùn)和沉積過程中的磨蝕，一般缺少良好的晶形。另一類為白生粘土礦物。它是在沉積和戚巖過程中形成的，一般在分選好、陸源粘土少、滲透性好的孔隙性儲層砂巖中較發(fā)育，通常具有良好的晶形，其結(jié)晶程度與儲層的孔隙發(fā)育程度有關(guān)。陸源粘土礦物的產(chǎn)狀如圖5-5所示，包括分散狀基質(zhì)、絮狀凝塊、古老泥巖或同期泥質(zhì)巖塊或團(tuán)塊、泥質(zhì)紋層及滲濾的殘余物等。在成巖壓實過程中，粘土顆粒變形并擠入巖石孔隙，使砂巖的孔隙度減小。圖5-5陸源粘土礦物的產(chǎn)狀自生粘土礦物在砂巖孔隙中的產(chǎn)狀可分為三種基l木類型，如圖56所示，即分散質(zhì)點式、薄膜式和架橋式，它們對儲層滲透性有不同的影響。2)灰質(zhì)膠結(jié)物灰質(zhì)膠結(jié)物主要是由碳酸鹽類礦物組成。砂巖中常見的碳酸鹽礦物為方解石(CaCO3)和白云石：[CaMg(CO3)]，沉積巖中碳酸鹽礦物分為原生和后生兩種。通過分析巖石中碳酸鹽礦物的含量，特別足后生碳酸鹽礦物的含量，能夠了解地層中水動力場的活動規(guī)律，了解地層形成的時代特征。研究表明，地層巖石的碳酸鹽含量越低，巖石的孔隙度越大(圖5—7)。這是由于地下水活動劇烈，酸性水侵入地層，溶蝕了地層中的碳酸鹽礦物，水流量大的部位溶蝕的碳酸鹽礦物多，地層中剩余的碳酸鹽礦物少，因而地層的孔隙度相對較大；相反，地層中剩余的碳酸鹽礦物多，孔隙度相對較小。2．膠結(jié)類型膠結(jié)物在巖石中的分布狀況以及它們與碎屑顆粒的接觸關(guān)系稱為膠結(jié)類型。它通常取決于膠結(jié)物的成分和含量的多少、沉積條件以及沉積后的一系列變化等因素。膠結(jié)方式可分為基底式膠結(jié)、孔隙式膠結(jié)及接觸式膠結(jié)(圖5—8)。1)基底式膠結(jié)膠結(jié)物含量高，其總體積大于碎屑顆粒體積，顆粒孤立地分布于膠結(jié)物之中，彼此不相接觸或很少有顆粒接觸。由于膠結(jié)物與碎屑顆粒同時沉積，故稱原生膠結(jié)。其膠結(jié)強(qiáng)度很高，孔隙類型為膠結(jié)物內(nèi)的微孔，儲集油、氣的物性很差。2)孔隙式膠結(jié)膠結(jié)物含量不多，僅充填于顆粒之間的孔隙中，顆粒呈支架狀接觸。膠結(jié)物多是次生的，分布不均勻，多充填于大的孔隙中，膠結(jié)強(qiáng)度次于基底膠結(jié)。3)接觸式膠結(jié)膠結(jié)物含量很少，一般小于5％，僅分布于顆粒互相接觸的地方，顆粒呈點狀或線狀接觸，膠結(jié)物多為原生或碎屑風(fēng)化物質(zhì)，常見的為泥質(zhì)。此種膠結(jié)類型的巖石孔隙性、滲透性均好。大慶油田屬于這種膠結(jié)的巖石孔隙度大于25％，滲透率從幾十毫平方微米到幾平方微米。膠結(jié)類型在某種程度上決定了油層物性參數(shù)的優(yōu)劣，例如我國華北坳陷第三系儲油巖層，不同膠結(jié)類型的孔隙度、滲透率見表5—7。儲層中巖石顆粒的膠結(jié)類型往往是混合式膠結(jié)，而非單一膠結(jié)方式，非均質(zhì)性的儲層中還出現(xiàn)膠結(jié)物不均勻的凝塊式膠結(jié)巖石。巖石的非均質(zhì)性也表現(xiàn)為膠結(jié)方式的非均質(zhì)。顆粒密度和含泥量3.2巖石的孔隙和裂隙一、儲層巖石的孔隙及其類型巖石顆粒間未被膠結(jié)物質(zhì)充滿或未被其他固體物質(zhì)占據(jù)的空間統(tǒng)稱為空隙。地球上沒有空隙的巖石是不存在的，只是不同巖石的孔隙大小、形狀和發(fā)育程度不同而已：除砂巖顆粒間存在空隙外，碳酸鹽巖中可溶成分受地下水溶蝕后能形成空隙；火成巖由于成巖時氣體占據(jù)而形成空隙；各種巖石在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及地質(zhì)作用后產(chǎn)生裂縫(微裂縫)形成另一類形式的空隙?？障栋磶缀纬叽缁颥F(xiàn)狀可分為孔隙(一般指砂巖)、空洞(一般指碳酸鹽巖)和裂縫。由于孔隙是最普遍的形式，所以?；\統(tǒng)地將空隙統(tǒng)稱為孔隙。儲層中孔隙(空隙)的形狀、大小、發(fā)育程度、形成過程非常復(fù)雜，差異甚大，為了研究方便．從各種角度出發(fā)進(jìn)行分類和描述。1、巖石的孔隙類型——Meinzer分類Meinzer按儲層巖石的孔隙組成和孔隙間的相互關(guān)系分類為六種(見圖5—9)。圖中(a)為分選好、孔隙度高的沉積物中的孔隙；(b)為分選差、孔隙度低的沉積物中的孔隙；(c)為礫石沉積物，礫石本身也是多孔的，因而整個沉積物孔隙度高；(d)沉積物分選較好，但顆粒間有膠結(jié)物沉積，所以孔隙度低；(e)為由溶蝕作用形成的多孔巖石；(f)為由斷裂形成的有膠結(jié)物的多孔巖石。2巖石的孔隙類型——按成因分類1)粒間孔隙巖石為顆粒支撐或雜基支撐，含少量膠結(jié)物，由顆粒圍成的孔隙稱為粒間孔。該種孔隙是砂巖中最主要、最普遍的孔隙。砂粒的粒度、分選性、圓球度、接觸方位、填充方式和壓實程度決定粒間孔隙的大小和形態(tài)。這類孔隙的分布與沉積環(huán)境有直接關(guān)系，又隨成巖后地質(zhì)作用而發(fā)生變化。以粒間孔為主的砂巖儲層，其孔隙大、喉道粗、連通性好，一般具有較大的孔隙度(大于20％)和滲透率(大于100×10-3)。典型的粒間孔隙的鏡下形態(tài)如圖5—10所示。2巖石的孔隙類型——按成因分類1)粒間孔隙巖石為顆粒支撐或雜基支撐，含少量膠結(jié)物，由顆粒圍成的孔隙稱為粒間孔。該種孔隙是砂巖中最主要、最普遍的孔隙。砂粒的粒度、分選性、圓球度、接觸方位、填充方式和壓實程度決定粒間孔隙的大小和形態(tài)。這類孔隙的分布與沉積環(huán)境有直接關(guān)系，又隨成巖后地質(zhì)作用而發(fā)生變化。以粒間孔為主的砂巖儲層，其孔隙大、喉道粗、連通性好，一般具有較大的孔隙度(大于20％)和滲透率(大于100×10-3)。典型的粒間孔隙的鏡下形態(tài)如圖5—10所示。2)雜基內(nèi)微孔隙雜基內(nèi)微孔隙主要指雜基沉積物在風(fēng)化時收縮形成的孔隙及粘土礦物重結(jié)晶的晶問孔隙。高嶺土、綠泥石、云母及碳酸鹽泥雜基均有此類孔隙。雜基內(nèi)微孔隙極為細(xì)小，寬度一般小二0.2μm，在高倍顯微鏡下才能清晰辨別。該種孔隙總量雖然很多，有時能占到巖石孔隙的50%以上，但滲透能力極差。雜基內(nèi)微孔幾乎在所有的砂巖中都有分布，如圖511(1)所示。3)晶體次生晶問孔隙該類孔隙主要由石英結(jié)晶次生加大充填原生孔隙后的殘留孔隙。石英次生加大后明顯降低孔隙空間，使孔隙變小，喉道變窄，造成巖石的滲透能力下降，見圖5–11(2)。4)紋理及層理縫在具有層理和紋理構(gòu)造的砂巖中，由于不同砂層的巖性或顆粒排列方位的差異，沿紋理或?qū)永沓Ｓ形⒖p隙，如圖5—11(3)所示。該類孔隙使巖石的滲透具有力向性。5)裂縫孔隙在砂巖儲層中，由于地應(yīng)力作用而形成微裂縫。微裂縫呈細(xì)小片狀，縫面彎曲，繞過顆粒邊界，其排列方式受地應(yīng)山影響。裂縫寬度一般平行于最小地應(yīng)力方向。砂巖儲層中裂縫寬度一般為零點幾微米到幾l微米。裂縫孔隙在巖石總孔隙中所占份額很少(一般小于5％)，但能極大改善巖石的滲透性。該類孔隙的特點是地應(yīng)力顯著變化時，裂縫產(chǎn)生變化。如地應(yīng)力沿裂縫垂直方向變大時，裂縫閉合，造成地層滲透能力急劇下降。典型的應(yīng)力裂縫孔隙示意圖見圖512(1)。此外云母解理縫也屬于裂縫性孔隙，如圖5一11(4)所示。6)溶蝕孔隙溶蝕孔隙是由巖石中的碳酸鹽、長石、硫酸鹽或其他可溶性成分溶蝕后形成的[見圖5—12的(2)、(3)、(4)]。表5—8總結(jié)了上述孔隙類型的成因及特征。3、巖石的孔隙類型一按孔隙大小的分類1)超毛細(xì)管孔隙指孔隙直徑大于05mm或裂縫寬度大于0.25mm的孔隙。巖石中的大裂縫、溶洞及未膠結(jié)或膠結(jié)疏松的砂層孔隙多屬于此類。在此類孔隙中，流體在重力_用下可自由流動。2)毛細(xì)管孔隙指孔隙直徑介于0.5～0.0002mm之間，或裂縫寬度介于0.25～0.0001rnm之間的孔隙。砂巖的孔隙大多屬此類。在此類孔隙中，孔隙壁面固體分子對流體分子的作用力較大，如果存在兩相流體，則存在毛細(xì)管力，液體不能自由流動。但在一定壓差作用下，液體在毛細(xì)管內(nèi)右以流動。3)微毛細(xì)營孔隙指孔隙直徑小于0.0002mm、裂縫寬度小于0.0001mm的孔隙。粘土、頁巖中的孔隙一屬于此類型。在此類孔隙中，分子間的引力很大，油層條件下的壓力梯度一般無法使液體在孔隙中移動，因此人們常將孔道直徑大于或小于0.2tμm作為流體能否在孔隙中流動的一個分界線。這類孔隙稱為無效孔隙。4、巖石孔隙按其他因素分類1)孔隙按生成時間的分類分為原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙是與沉積過程同時形成的孔隙，如粒間孔隙；次生孔隙是沉積作用后由于各種原因形成的孔隙．如地下水作用形成的溶孔、溶洞，或在構(gòu)造應(yīng)力下破裂形成的裂隙。2)孔隙按組合關(guān)系的分類分為孔道和喉道?？椎朗禽^大的孔洞(簡稱孔)；喉道指連接犬孔隙之間的細(xì)小通道(簡稱喉)。3)孔隙接連通性的分類分為連通孔隙(pore)和死孔隙(disconnectedpore)。巖石中絕大多數(shù)孔隙都是連通的，也有不連通的死孔隙。二、孔隙結(jié)構(gòu)1、含義巖石的孔隙結(jié)構(gòu)包括巖石孔隙的大小、形狀、孔間連通情況、孔隙類型、孔壁粗糙程度等全部孔隙特征和它的構(gòu)成方式。巖石的孔隙結(jié)構(gòu)直接影響到巖石的儲集特性和滲流特性，它是研究巖石的孔隙度和滲透率的基礎(chǔ)。2、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(1)孔喉比：它是孔隙直徑與喉道直徑的比值。(2)孔隙配位數(shù)：它是指每個孔道所連通的喉道數(shù)。一般砂巖配位數(shù)介于2～15之間。(3)孔隙迂曲度τ：它是用以描述孔隙彎曲程度的一個參數(shù)。迂曲度τ為流體質(zhì)點實際流經(jīng)的路程長度l與巖石外觀長度L之比值，其值在1.2～2.5之間。圖孔隙迂曲度孔喉比、孔隙配位數(shù)和孔隙迂曲度等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)可以用高倍顯微鏡觀察巖石鑄體薄片來確定。此外，在顯微鏡下還可觀測到孔隙內(nèi)壁的粗糙度、孔隙的排列與組合方式等。除了利用地質(zhì)上常用的薄片法、鑄體電鏡方法研究孔隙結(jié)構(gòu)外，還有其他方法。例如，油層物理學(xué)中使用壓汞法、離心法或隔板法來測定毛管起壓力曲線和孔隙分布曲線，這些方法均可用來獲得巖石孔隙大小及其分布。3、孔隙結(jié)構(gòu)類型儲油(氣)巖石孔隙結(jié)構(gòu)類型劃分主要視研究目的和應(yīng)用要求而定。例如從油氣田開發(fā)的宏觀考慮，把孔隙結(jié)構(gòu)劃分為三重孔隙介質(zhì)和六種孔隙結(jié)構(gòu)類型，下面作一簡略介紹。1)單重孔隙介質(zhì)(1)粒間孔隙結(jié)構(gòu)：這是碎屑巖的基本孔隙結(jié)構(gòu)，但部分碳酸鹽巖亦具有此種孔隙結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由大小和形狀不同的顆粒所組成，顆粒之間間隙又被膠結(jié)物所充填。由于膠結(jié)不完全，在顆粒之間形成了粒間孔隙。這些粒問孔隙既是儲油空間，又是油氣滲流的通道。對于單重孔隙介質(zhì)粒間孔隙結(jié)構(gòu)的儲層巖石，早期是把它視為等直徑球體的堆積體來研究，后來則把巖石的孔隙空間看成為一束束等直徑的微細(xì)毛細(xì)管或變截面和彎曲的毛細(xì)管，近來又引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)模型的概念去研究。(2)純裂縫結(jié)構(gòu)：致密的碳酸鹽儲油(氣)巖基本上是不滲透的。在這種巖石中，如果產(chǎn)生微裂縫就叫“純裂縫結(jié)構(gòu)”，這時儲油氣空間和油氣滲流通道都是裂縫。裂縫的發(fā)育和延伸往往是不規(guī)則的，因此很難定量描述裂縫的形態(tài)。有時簡化為一種理想的、垂直方格的裂縫網(wǎng)格，即裂縫將巖層分隔成許多方塊，如圖515所示。2)雙重孔隙介質(zhì)(1)裂縫孔隙結(jié)構(gòu)：特別發(fā)育于石灰?guī)r與白云巖中。這種孔隙結(jié)構(gòu)是粒間孔隙介質(zhì)義被裂縫分隔成多個塊狀單元，塊狀單元中的粒間孔隙是主要的儲油氣空間，而塊狀單元之間的裂縫是油氣滲流的主要通道。也就是說在這種結(jié)構(gòu)中，粒間孔隙有較大的孔隙度，但滲透率較??；相反，裂隙有很小的孔隙度，但具有較高的滲透率。由于兩種并存的孔隙體系物理參數(shù)(孔隙度和滲透率)相差很懸殊，所以形成了兩個水動力系統(tǒng)。因此，裂縫孔隙結(jié)構(gòu)的基本特點是：雙重孔隙度、雙重滲透率和兩個性質(zhì)差異較大的水動力系統(tǒng)。其理想模型如圖5—16所示。(2)孔洞孔隙結(jié)構(gòu)：也特別發(fā)育于碳酸鹽巖石。它是在粒間孔隙的巖石中分布著大的洞穴，洞穴的尺寸超過毛細(xì)管大小。所以在這種孔隙結(jié)構(gòu)中，兩種不同孔隙服從兩種不同范疇的流動規(guī)律。流體在粒間孔隙中的流動服從滲流規(guī)律；而在洞穴中的流動服從流體力學(xué)奈維-斯托克斯方程。因此洞穴孔隙結(jié)構(gòu)也是一種服從兩種流體流動規(guī)律的雙重孔隙介質(zhì)，其理想模型如圖5一17所示。3)三重孔隙介質(zhì)(1)孔隙微裂縫大洞穴；由粒間孔隙、微裂縫再加上大洞穴構(gòu)成。(2)孔隙一微裂縫一大裂縫：是粒間孔隙、微裂縫、大裂縫三重孔隙并存的混合結(jié)構(gòu)。特別發(fā)育于碳酸鹽巖石。對于三重孔隙介質(zhì)的滲流過程及其相互作用規(guī)律，目前還處于探索研究階段。三、孔隙度1、孔隙度的定義巖石的總體積Vb，以稱外表體積、視體積，是由孔隙體積Vp及固相顆粒體積(基質(zhì)體積)VS兩部分組成，即：(5-20)孔隙度(φ)是指巖石中孔隙體積Vp。與巖石總體積Vb，的比值，其表達(dá)式為：(5-21)將式(5—20)代入上式得：(5-21’)2、孔隙度的測量多孔隙物體是固體單元（顆粒、基質(zhì)等）的集合體，各單元之間的空隙形成孔隙空間本身。多孔隙物體內(nèi)部的這些空隙使多孔隙物質(zhì)在很多物理性態(tài)方面不同與稠密固體（如礦物顆粒），這種多孔隙物質(zhì)是復(fù)雜的集合系統(tǒng)，其中即使存在非常少量的流體也會增加其中體復(fù)雜性。空隙體積對樣品總體積之比值稱為孔隙率。這種巖石物理參數(shù)值通常是易于定義和測定的，然而，當(dāng)人們試圖對孔隙空間進(jìn)行幾何描述時，過程就變得極為復(fù)雜了。盡管少數(shù)具體場合容易適應(yīng)于定量描述（如存在于相同直徑球體堆集內(nèi)的孔隙空間），大多數(shù)實際孔隙空間卻過于復(fù)雜，以致難于用嚴(yán)格幾何方式加以論述，只有近似描述才行得通。有的人主要是想突出所研究介質(zhì)如何不同于大多數(shù)日常所觀察的空間。例如，重要之點在于將所研究介質(zhì)內(nèi)的孔隙本身（即存貯流體并容許其流動的空隙體積）與顆粒邊界或微裂隙加以明確區(qū)分，后者主要是表示固體單元之間不連續(xù)性的表面，它們對力學(xué)性質(zhì)有極端重要的作用。嚴(yán)格的幾何描述縱使有點失敗，利用某種物理現(xiàn)象、即孔隙空間的毛細(xì)平衡現(xiàn)象取得進(jìn)展卻是可能的。分析這些平衡現(xiàn)象有助于以一系列簡化辦法來出列孔隙空間，這些簡化辦法為更系統(tǒng)的定量化創(chuàng)建了用武之地。反過來說這些毛細(xì)平衡本身就是研究多孔隙物體時的一項重要因素。事實上，如果多孔隙介質(zhì)內(nèi)有二三中流體共存（如石油儲集內(nèi)存在水、油與氣，又如大地最上部地層內(nèi)存在水與空氣），這些毛細(xì)作用對物理性態(tài)就具有決定性影響。大多數(shù)多孔隙物體其主要特征之一就是容許流體流動。我們將評述一下絕對滲透率（多孔隙介質(zhì)為一種流體所完全飽和）和相對滲透率（多孔隙介質(zhì)含有兩種以上非混溶流體）的概念。我們還將指出孔隙空間如何引出尺度問題。多孔隙介質(zhì)不存在絕對表觀尺度，即形成骨架之固體顆粒的視尺度。但是，為有一個更好的理解，往往有必要用相對于所研究物理過程的某種尺度概念來代替這種絕對尺度，對于各種不同過程，這種相對尺度或許很不相同。表1.1測定孔隙率的主要方法測定體積測定方法總體積水銀內(nèi)的浮力：非潤濕流體的水銀沒有壓力時浸入不了常見的多孔隙介質(zhì)。這種方法可非常準(zhǔn)確地測定總體積。直接測定不同長度的樣品：這種方法僅適合測驗具有非常規(guī)則形狀的標(biāo)本?？紫扼w積使?jié)櫇窳黧w在真空條件下達(dá)到完全飽和；由于重與飽和重量之差直接計算出孔隙體積。固體體積理想氣體的壓縮系數(shù)：容器內(nèi)開始時是空的，然后置入樣品。作出注入于容器內(nèi)的氣體體積與壓力關(guān)系圖，利用兩種情形下的差異計算出固體體積。忽略不計。潤濕流體完全飽和多孔隙物體之浮力：根據(jù)干重與浸沒重量之差直接計算固體體積測量固體密度：在多孔隙物質(zhì)碾碎成細(xì)粒之后測定計算固體密度；根據(jù)礦物組分的定量分析計算連通孔隙率與非連通孔隙率的定義視所使用的方法而定，人們可以測定連通孔隙率、即與外部連通之空隙體積，或者測定總孔隙率、即與外部連通或不連通之空隙體積。兩者之差代表非連通孔隙率?？紫稁缀涡螒B(tài)的簡單例子按微觀尺度所觀察到的孔隙空間顯示出異常的多樣性（插圖1）,因而開始論及如何分析其幾何形態(tài)時，明智的作法是參考比較簡單的具體情形。我們將考察兩種類型：球形堆積內(nèi)的粒間孔隙空間；理想的孔洞介質(zhì)。等同球形堆積內(nèi)的粒間空間在許多著作中（例如，G.Cargill，1984）一直在討論這種孔隙幾何形態(tài)，因為它充分有助于準(zhǔn)備試驗?zāi)Ｐ?，從而有助于計算模擬，這也是最接近天然介質(zhì)（砂巖）和人工介質(zhì)（燒結(jié)物）中常見孔隙空間的理論情形。實際上，等粒球稠密隨機(jī)非常復(fù)雜，因此習(xí)慣上僅用它描述規(guī)則堆積（現(xiàn)實中并不存在體積大于幾個顆粒的情形）。表1.2總結(jié)了最經(jīng)常描述的三種堆積之主要特征。這些規(guī)則堆積給我們提供了孔隙空間幾何復(fù)雜性的初步景色，對于每種規(guī)則堆積，可以計算出兩種類型球體的直徑：內(nèi)接于孔隙空間最寬區(qū)域的最大球形（對于立方堆積，這種球形半徑為0.732,長度單位為顆粒半徑）；可通過最狹窄孔隙通道（進(jìn)出通道）的最大球形，即可自由“流通”經(jīng)過所考慮整個孔隙空間的最大球形（對于立方堆積，其半徑為0.414）。理想多孔介質(zhì)理想多孔介質(zhì)定義為其孔隙空間是由球形形成的介質(zhì)（前述粒間空隙的補(bǔ)或逆），雖然這種情形在自然環(huán)境中是很稀罕的，卻往往是關(guān)于孔隙介質(zhì)所考慮的第一種幾何形態(tài)。不過，在多孔熔巖和膜狀灰?guī)r中存在有這種類型的孔隙空間；在多孔人工介質(zhì)（混凝土、玻璃、塑料）中更能經(jīng)常發(fā)現(xiàn)。實際孔隙空間為解決微觀描述中的這種主要困難，已經(jīng)發(fā)展了若干種方法，它們源于各色各樣的理論。我們將提供兩個對照例子，第一個適用于碳酸鹽巖分類，主要由于碳酸鹽的化學(xué)活動性（Chemicalmobitity）,其孔隙空間很可能顯示出異常的變化，第二個例子相應(yīng)于以數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理為基礎(chǔ)的一種辦法。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)應(yīng)用于多孔隙介質(zhì)描述3.3巖石中的流體和流動儲層巖石是多孔介質(zhì)，巖石的孔隙性和滲透性是人們關(guān)心的兩個儲層特征?？紫缎詻Q定了巖石儲集性能，即單位體積巖石中的油氣儲量。而滲透性是表示砂巖在一定的壓差下，允許流體(油、氣、水)通過的性能，滲透性的大小用滲透率來表示。巖石的滲透性則直接影響到油、氣井的產(chǎn)量。油層砂巖中多數(shù)孔隙是連通的，流體