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(zhuān)心---專(zhuān)注---專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心---專(zhuān)注---專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專(zhuān)心---專(zhuān)注---專(zhuān)業(yè)巖石物理學(xué)講義一、內(nèi)容簡(jiǎn)介本課程是地球物理探測(cè)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課。課程目的是通過(guò)各種教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生正確認(rèn)識(shí)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(duì)油氣地球物理探測(cè)領(lǐng)域，其中包括：巖石物理學(xué)的基本概念，基本理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和技術(shù)，巖石的分類(lèi)和特點(diǎn)、巖石的孔隙和裂隙、巖石中的流體和流動(dòng)、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(shí)）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(diǎn)和安排。第二章地球上的巖石（2學(xué)時(shí)）地球上的巖石和礦物，巖石的分類(lèi)和特點(diǎn)；油氣儲(chǔ)層巖石的特點(diǎn)。第三章儲(chǔ)層巖石的多孔特性（4學(xué)時(shí)）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。孔隙中的流體，流體的流動(dòng)，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(shí)）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(shí)）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(shí)驗(yàn)測(cè)試原理和技術(shù)，彈性波傳播衰減的基本知識(shí)，衰減實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)）巖石速度的影響因素定性描述，波速與巖石物性的經(jīng)驗(yàn)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(shí)）有效介質(zhì)模型，流體置換方程，Biot理論和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)第八章巖石的其它物理性質(zhì)（6學(xué)時(shí)）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(shí)）地震勘探中的應(yīng)用，測(cè)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(diǎn)和時(shí)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(lèi)2.2.1成巖過(guò)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(diǎn)2.3.1高壓高溫環(huán)境2.3.2多孔介質(zhì)2.3.3長(zhǎng)期作用2.3.4最廣泛應(yīng)用的材料2.4油氣藏儲(chǔ)層的巖石2.4.1油氣藏儲(chǔ)層的地質(zhì)環(huán)境沉積結(jié)構(gòu)：盆地概念？?jī)?chǔ)層圈閉2.4.2沉積巖儲(chǔ)層巖石的分類(lèi)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(chǎng)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(cè)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(dòng)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(cè)試5.2.1聲波測(cè)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(shì)線6.2波速與巖石物性的經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)）地震勘探中的應(yīng)用，測(cè)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(cè)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(chǔ)層中流體的物理和化學(xué)性質(zhì)、儲(chǔ)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(méi)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(shí)驗(yàn)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(cè)井資料處理和解釋服務(wù)。主要研究?jī)?nèi)容可歸結(jié)為：從理論和實(shí)驗(yàn)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?cè)诘厍蛭锢韺W(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(dòng)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(dú)特的研究?jī)?nèi)容、方法和手段。巖石物理學(xué)研究的重點(diǎn)是與地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、油儲(chǔ)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(diǎn)，反映了這門(mén)學(xué)科的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性。巖石物理學(xué)的特點(diǎn)：巖石物理學(xué)是一門(mén)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(cè)井、巖芯分析、石油工程、地球化學(xué)、化工及力學(xué)工程和實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)等學(xué)科。針對(duì)不同研究領(lǐng)域，巖石物理的研究?jī)?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(cè)，以流體的流動(dòng)其中石油工業(yè)是主要的研究力量，在一些大學(xué)開(kāi)展這方面的研究，同時(shí)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(diǎn)可以看出。第二，在巖石的各種性質(zhì)中，研究的重點(diǎn)是那些與地球內(nèi)部構(gòu)造與運(yùn)動(dòng)、能源和資源的勘察與開(kāi)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(cè)有密切關(guān)系的特性。第三，針對(duì)油儲(chǔ)問(wèn)題開(kāi)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(guó)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(shí)驗(yàn)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?cè)诘厍蛭锢砗蛶r石物理數(shù)據(jù)中的反映。它研究基礎(chǔ)是各種測(cè)試技術(shù)：特別是以測(cè)井技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果為主。在實(shí)驗(yàn)室利用各種物理測(cè)試手段，測(cè)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(gè)方面：1)針對(duì)巖石特性在假設(shè)條件下提出簡(jiǎn)化模型；2)解釋實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的現(xiàn)象和結(jié)果。地球物理中的測(cè)量技術(shù)主要有四方面：1、空間觀測(cè)：航磁，紅外遙感，航空放射性測(cè)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(cè)：地質(zhì)觀測(cè)、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(cè)：成礦的地質(zhì)條件、通過(guò)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(duì)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(cè)定。3、井中觀測(cè)：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(diǎn)和礦物特征，確定油氣位置，劃分油水層。。方法有：電纜測(cè)井、VSP和井間地震、隨鉆測(cè)量、取芯。4、實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)：巖芯分析，巖芯各種物理量測(cè)試，模擬地層測(cè)試等。巖石物理學(xué)中所涉及的研究方法：正問(wèn)題：通過(guò)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(gè)由微觀到宏觀的推演過(guò)程，通常稱為正演。反問(wèn)題：已知地質(zhì)、巖體的物理性質(zhì)，如何反過(guò)來(lái)推演巖石和礦物的性質(zhì)，這是一個(gè)由宏觀到微觀，由整體到局部的反演。應(yīng)用問(wèn)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(jià)值。研究基礎(chǔ)是各種測(cè)試技術(shù)：特別是以實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試和測(cè)井技術(shù)測(cè)試為主。在實(shí)驗(yàn)室利用各種物理測(cè)試手段，測(cè)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(gè)方面：1)針對(duì)巖石特性在假設(shè)條件下提出簡(jiǎn)化模型；2)解釋實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的現(xiàn)象和結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室具體研究方法：首先，采集各種有地質(zhì)意義的巖石，在實(shí)驗(yàn)室中分別研究各種因素對(duì)其物理性質(zhì)的影響，將大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)歸納得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在建立合理而簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)物理模型的基礎(chǔ)上，將由實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系外推到實(shí)際地球問(wèn)題中去。注意：若沒(méi)有合適的模型，把實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單地、小尺度實(shí)驗(yàn)得到的外推到大尺度的自然界，常常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論。其次，巖石物理學(xué)是一門(mén)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(duì)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(duì)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(chǔ)層勘探和開(kāi)發(fā)中，為了減少涉及經(jīng)濟(jì)因素上的冒險(xiǎn)，面臨的挑戰(zhàn)就是如何控制一些不確定因素來(lái)圈定儲(chǔ)層。這就涉及二大問(wèn)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(chǔ)層的尺度：從盆地到儲(chǔ)層，到斷塊，巖芯，礦物顆粒和孔隙；從地震，井間地震，到測(cè)井，巖石物理學(xué)是儲(chǔ)層描述中的一個(gè)重要工具，因?yàn)榇蠖鄶?shù)進(jìn)行儲(chǔ)層描述的技術(shù)都是基于巖石的物理性質(zhì)。巖石可測(cè)量的物理性質(zhì)（諸如地震速度）能夠反映地下巖石和儲(chǔ)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(mén)用來(lái)研究巖石物理參數(shù)和一些相關(guān)性質(zhì)學(xué)科，其測(cè)量數(shù)據(jù)可以被解釋。因此，它不僅僅是儲(chǔ)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(gè)橋梁作用。目前，在石油工業(yè)的主要服務(wù)對(duì)象是儲(chǔ)層描述和采收率監(jiān)測(cè)，巖石物理學(xué)主要服務(wù)有：地震和測(cè)井解釋、儲(chǔ)量估算、提高采收率。對(duì)儲(chǔ)層巖石物理特性的完全描述，意味著要確定各個(gè)儲(chǔ)層、定義有關(guān)解釋算法的所需巖石物理參數(shù)。對(duì)于地學(xué)家來(lái)說(shuō)這是一個(gè)新的方向。儲(chǔ)層描述技術(shù)的發(fā)展是石油工業(yè)中從勘探到開(kāi)發(fā)的一個(gè)實(shí)質(zhì)性的轉(zhuǎn)變結(jié)果。人們估計(jì)（mark,1995）地震監(jiān)測(cè)在接下來(lái)的幾年中會(huì)增長(zhǎng)到每年二十億美元。研究對(duì)象沉積巖是烴原巖中的一個(gè)主要的巖類(lèi)。研究沉積巖的性質(zhì)是巖石物理中的一個(gè)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(lái)描述巖石的性質(zhì)。然而，我們?cè)诙康臏y(cè)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(gè)主要特點(diǎn)：1、巖石物理是一門(mén)多學(xué)科的科學(xué)為了預(yù)測(cè)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(chǔ)層特征及采收率監(jiān)測(cè)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(chǔ)層巖石和流體的聲波方面的屬性。2、實(shí)驗(yàn)方法促使新知識(shí)的產(chǎn)生一些理論模型用來(lái)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(gè)物理概念：理想的多孔介質(zhì)是怎樣來(lái)影響物理屬性的。然而，和實(shí)際的巖石相比，這些模型卻過(guò)于簡(jiǎn)單。大多數(shù)的模型能夠用一種或更多種任意的參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)巖石屬性，但是不能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際巖石的預(yù)測(cè)。人們做了許多努力（Schwartz,1984）來(lái)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(gè)有限的水平上。盡管許多經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的確定都基于測(cè)量所得的數(shù)據(jù)。當(dāng)面對(duì)一個(gè)新的勘探區(qū)域(如邊緣盆地)時(shí)，如果沒(méi)有該地區(qū)的核心數(shù)據(jù)，沒(méi)有人能預(yù)測(cè)出其巖石物性。為了了解巖石，你必須檢驗(yàn)和測(cè)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(cè)試它們。3、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室就進(jìn)行了相應(yīng)的研究。只有通過(guò)對(duì)巖石樣品的實(shí)驗(yàn)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)?；趯?shí)驗(yàn)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(gè)比較大的范圍，甚至無(wú)法測(cè)定。許多測(cè)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(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)和解釋必須依靠于實(shí)驗(yàn)室核心方法和巖石物理學(xué)知識(shí)。4、巖石物理學(xué)的能力：綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)中得到的知識(shí)必須與大比例尺度的測(cè)量方法相結(jié)合起來(lái)。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(cè)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(cè)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(chǔ)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(chǔ)層技術(shù)的發(fā)展上。1)亮點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展是基于在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到的事實(shí)。含氣飽和巖石相對(duì)于鹽水飽和巖石具有更低的速度。2)速度各項(xiàng)異性的實(shí)驗(yàn)研究，裂縫儲(chǔ)層的地震探測(cè)也得到了發(fā)展。3)基于實(shí)驗(yàn)研究的熱強(qiáng)化采油監(jiān)測(cè)技術(shù)。4)還有AVO，DHI技術(shù)，儲(chǔ)層技術(shù)和監(jiān)測(cè)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(cè)，和反射系數(shù)隨入射角變化的分析等油氣直接檢測(cè)技術(shù)。可以清楚地看到，巖石物理學(xué)研究是儲(chǔ)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(lèi)型、孔隙度、孔隙類(lèi)型等等，這些因素常常是內(nèi)在關(guān)聯(lián)的，當(dāng)一個(gè)因素變化時(shí)許多因素也同時(shí)變化。這些變化對(duì)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(shí)，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(chǔ)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(duì)儲(chǔ)集層的描繪和定性，人們正迅速地推動(dòng)地球物理、石油物理和儲(chǔ)集層數(shù)據(jù)的綜臺(tái)研究。在促進(jìn)這種綜合研究的過(guò)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(wèn)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(wú)法測(cè)定的參數(shù)影響。為了研究一個(gè)巖石物理問(wèn)題，接下來(lái)的哲學(xué)道理有助于地球科學(xué)家：1、承認(rèn)沒(méi)有絕對(duì)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(gè)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(jiǎn)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(jì)趨勢(shì)，高峰和低谷都不利于處理這些不確定性。按測(cè)試方法和手段分，巖石物理學(xué)的研究主要分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和井中測(cè)試兩個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與井中的測(cè)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(cè)試類(lèi)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(duì)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(duì)巖石彈性及流體輸送的影響。油氣開(kāi)發(fā)(石油物理和石油工程)方面1)巖石、流體等性質(zhì)對(duì)油氣運(yùn)移的影響；2)地震方法監(jiān)測(cè)和提高石油采收率中的巖石物理在測(cè)井方面的研究巖石電學(xué)：(1)低電阻率儲(chǔ)層的物性參數(shù)；(2)復(fù)雜儲(chǔ)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(wèn)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(duì)各地區(qū)巖石物性（尤其是儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(gè)重要因素。(3)在開(kāi)采過(guò)程中，地層壓力對(duì)孔隙度、滲透率的影響以及孔隙、裂隙對(duì)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(cè)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(shū)上的經(jīng)典公式,或是其它地區(qū)得到的經(jīng)驗(yàn)公式,缺少實(shí)際地區(qū)和儲(chǔ)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(yàn)公式已不適合,有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果對(duì)原有理論和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。(5)實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖石物性研究的結(jié)果一方面可用于地震勘探、開(kāi)發(fā)地震、測(cè)井資料的解釋,另一方面可把從地震和測(cè)井資料中得到的參數(shù)結(jié)合起來(lái),建立新的巖石物理模型,為地震和測(cè)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?cè)?jīng)經(jīng)常地尋求諸如“如果儲(chǔ)層壓力增加，Vp會(huì)發(fā)生什么方式的變化？這種變化有多大？”等等經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。因?yàn)閹r石是那么復(fù)雜，同時(shí)微觀上是非均質(zhì)的，一般意義上講只有用這些經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則去工作。1.3本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、目的和時(shí)間安排。學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)間安排第二章地球上的巖石本章目的：人類(lèi)生活在地球上，巖石始終具有重要的意義。在古代，人類(lèi)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(mén)施工對(duì)象和開(kāi)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(diǎn)，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(gè)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(wú)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。現(xiàn)代的礦物概念，需有三個(gè)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(wú)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(wú)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(shí)，晶體可以得到正常的發(fā)育，生長(zhǎng)為規(guī)則的幾何多面體；但很多情況下，沒(méi)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(jiàn)。由此可見(jiàn)，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(jiàn)的礦物只有20幾種，其中又以長(zhǎng)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(shí)，經(jīng)各種地質(zhì)作用形成的堅(jiān)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(gè)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(lái)的特性，卻常常是不能用單獨(dú)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(wú)序性。由此可以得到一個(gè)直接的推論：巖石的物理性質(zhì)是與進(jìn)行測(cè)量的尺度(scale)有關(guān)。在研究地球的巖石時(shí)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(gè)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(gè)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(jí)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(dòng)的總體所決定的。當(dāng)研究尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于特征尺度時(shí)，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(jì)上的穩(wěn)定性。在研究能源、資源、環(huán)境等地球基本過(guò)程問(wèn)題時(shí)，所遇到的尺度都符合這個(gè)最低下限的要求。特別注意的是研究的對(duì)象是巖石，而不是礦物和組成礦物的元素。在地球運(yùn)動(dòng)中，整塊的巖石不可避免地會(huì)發(fā)生破裂，其中會(huì)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(diǎn)。巖體性質(zhì)(無(wú)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(cè)量的上限尺度。對(duì)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(shí)際問(wèn)題時(shí)，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(wèn)題是各種物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要的問(wèn)題，尤其在地球物理的實(shí)驗(yàn)中。不同尺度范圍研究巖石的性質(zhì)有著不同的意義。實(shí)驗(yàn)的一些測(cè)試結(jié)果是否能使用于實(shí)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(jiàn)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(lái)測(cè)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(shí)達(dá)到了介質(zhì)孔隙的平均值。以這種方式可統(tǒng)計(jì)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(wú)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(méi)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(gè)固體是各向異性還是僅是非均勻的是一種尺度的功能。對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)這相關(guān)的尺度是變化的，但是與所用的波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)。對(duì)于地震波，尺寸或許是幾十米；對(duì)于測(cè)井是分米；而對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量為毫米。在不同尺度上，即使在同一個(gè)固體內(nèi)，它的各向異性程度和類(lèi)型完全不同是可能的。2.2巖石的分類(lèi)我們可以按照巖石包含的礦物種類(lèi)，各種礦物的比例，礦物的空間分布等，對(duì)不同的巖石進(jìn)行分類(lèi)。也可以針對(duì)一種或兩種巖石的具體性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。例如，可以把礦物顆粒和孔隙度大小作為巖石分類(lèi)的依據(jù)，但這種分類(lèi)有較大的任意性，本書(shū)仍將采用目前最通用的按照巖石的形成過(guò)程分類(lèi)的方法，即按照不同的成巖過(guò)程對(duì)巖石進(jìn)行地質(zhì)學(xué)上的分類(lèi)。2.2.1成巖過(guò)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(diǎn)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(gè)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(wàn)個(gè)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(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)。板塊邊界受壓，地幔熱對(duì)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(chǎng)；（2）地幔熱對(duì)流引起的應(yīng)力場(chǎng)；（3）地心引力引起應(yīng)力場(chǎng)；（4）巖漿侵入引起應(yīng)力場(chǎng)；（5）地溫梯度引起應(yīng)力場(chǎng)；（6）地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)。處理地質(zhì)問(wèn)題時(shí)，常用的應(yīng)力符號(hào)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(dòng)引起的應(yīng)力。重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原因。瑞典科學(xué)家Hast發(fā)明了測(cè)試地應(yīng)力的儀器和方法，測(cè)得了財(cái)、大事絕對(duì)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(chǎng)是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)，是時(shí)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(gè)不等壓的應(yīng)力場(chǎng)，三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向是隨時(shí)間和空間而變化，它是一個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)。（2）實(shí)測(cè)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(chǎng)，即沒(méi)有一個(gè)主應(yīng)力的方向完全與地面垂直，但存在一個(gè)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(gè)別情況下是最大主應(yīng)力，水平方向上的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)如板塊運(yùn)動(dòng)等，對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)。應(yīng)力單位應(yīng)力(壓力)的單位是Pascal簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)力單位有個(gè)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(gè)地球是一個(gè)流體球。由地球總的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和自由振動(dòng)周期，以及地震波的走時(shí)，可以反演得到地球內(nèi)部的密度分布。再通過(guò)計(jì)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(huì)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(jiǎn)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(gè)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?cè)鲩L(zhǎng)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(lái)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(shí)巖石的非彈性變形開(kāi)始明顯出現(xiàn)，非彈性體積應(yīng)變?cè)黾?，即出現(xiàn)巖石的膨脹(dilatancy)現(xiàn)象。隨應(yīng)力增加，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)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(gè)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(diǎn)——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(duì)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(huì)發(fā)生宏觀的破壞，因此，應(yīng)力應(yīng)變曲線可以由C點(diǎn)分成兩部分，C點(diǎn)以前叫做破壞前區(qū)域(也叫做峰值應(yīng)以前區(qū)域)，C點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，能夠得到巖石破壞后的應(yīng)力—應(yīng)變(或廣泛地說(shuō)，得到受力—變形)曲線，不過(guò)是近十余年的事情。在用普通壓機(jī)對(duì)巖石樣品加載時(shí)，一旦達(dá)到巖石的強(qiáng)度(C點(diǎn))，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(lái)，結(jié)果造成在C點(diǎn)巖樣發(fā)生猛烈的破壞，實(shí)驗(yàn)只能得到巖石破壞前的曲線。70年代，人們認(rèn)識(shí)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(wèn)題是：巖石破壞的穩(wěn)定性問(wèn)題；巖樣變形的局部化問(wèn)題等。CD段的研究與地質(zhì)工程中的破壞的發(fā)生、地震過(guò)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?cái)嗔衙鎯蓚?cè)巖石的摩擦滑動(dòng)，涉及這方面的研究課題有：摩擦滑動(dòng)的條件以及滑動(dòng)的方式——穩(wěn)定滑動(dòng)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(guò)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(gè)上覆巖石地層所施加的壓力；而儲(chǔ)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(chǔ)層壓力之差稱為上覆巖層凈壓力（Pd），也稱為差壓力或有時(shí)稱為有效壓力（Pe）。嚴(yán)格地說(shuō)Pe≠Pd。事實(shí)上Pd=Po—Pp，而Pe=Po—nPp，式中n≤1?？刂苾?chǔ)層巖石地震特性的是上覆巖層凈壓力。這是因?yàn)榭紫读黧w壓力抵消了一部分上覆巖層的壓力，進(jìn)而減少了整個(gè)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(dòng)的孔隙流體組成的多相體?？紫读黧w的存在，對(duì)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(huì)導(dǎo)致巖石彈性參數(shù)變化10倍或者更多，也會(huì)導(dǎo)致巖石滲透率發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化(見(jiàn)以后的幾個(gè)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(lèi)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(wèn)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(dòng)的通道2.3.3長(zhǎng)期作用巖石在短時(shí)間外力的作用下，表現(xiàn)為完全彈性體，但在長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的擠壓后，發(fā)生韌性形變，可以產(chǎn)生褶皺，當(dāng)一個(gè)大規(guī)模的區(qū)域受到侵蝕時(shí)，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(shí)間不太長(zhǎng)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(shí)間很長(zhǎng)，如造山運(yùn)動(dòng)、地幔對(duì)流等，巖石可以像黏性流體那樣產(chǎn)生形變。在漫長(zhǎng)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(shí)間之長(zhǎng)、變形過(guò)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(zhǎng)期的內(nèi)力和外力作用下，印象中既硬又脆的巖石竟會(huì)發(fā)生塑性變形。我們?cè)谝巴饨?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(shí)驗(yàn)室中同樣也可以看到礦物巨大的塑性形變。巖石在長(zhǎng)期作用下可表現(xiàn)出許多與時(shí)間有關(guān)的特性，例如巖石的蠕變和流動(dòng)；又如巖石的斷裂也經(jīng)過(guò)了一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的過(guò)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(duì)于解釋地球動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題，顯然是有意義的。20世紀(jì)70年代的板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)的建立，對(duì)巖石物理學(xué)性質(zhì)的研究曾經(jīng)起過(guò)重要的作用；90年代大陸動(dòng)力學(xué)研究的開(kāi)展，對(duì)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(chǔ)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(chǔ)集于沉積中。其實(shí)，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(guò)是液態(tài)和氣態(tài)。本節(jié)大體介紹油氣藏的儲(chǔ)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(gè)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(guò)物理、化學(xué)和生物作用形成的。可通過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)?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(lèi)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(shí)水動(dòng)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^(guò)礦物的成分、結(jié)構(gòu)和顏色的突變或漸變顯現(xiàn)出來(lái)。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(yǔ)紋層－－層理的最小單位，紋層內(nèi)沒(méi)有任何肉眼可見(jiàn)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(lèi)型紋層組合而成。層系組－－由兩個(gè)或兩個(gè)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(lèi)和成分沉積巖的分類(lèi)方案有很多，根據(jù)沉積巖的形成作用劃分以下幾大類(lèi)：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(gè)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(guò)一系列的物理、化學(xué)過(guò)程的結(jié)果，這些過(guò)程中風(fēng)化營(yíng)力（風(fēng)和水）起到主要作用。這些過(guò)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(shí)等。沉積巖的種類(lèi)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(yè)巖和石灰?guī)r三類(lèi)。在地殼中的比例砂巖（25%）：超過(guò)半數(shù)的石油產(chǎn)自砂巖儲(chǔ)層頁(yè)巖（50%）：頁(yè)巖是重要的密封性巖石碳酸鹽巖（20%）：超過(guò)三分之一的石油產(chǎn)自碳酸鹽巖儲(chǔ)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(lái)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(lái)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(lái)源。這些顆粒由于沉積前的長(zhǎng)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(zhǎng)石，特別是鉀長(zhǎng)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(chǔ)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(chǔ)層。對(duì)于每個(gè)生產(chǎn)層，下列問(wèn)題都要有答案：它們屬何種類(lèi)型的砂？它們是如何沉積的？它們位于古盆地何處？頁(yè)巖：分選性好的巖石，它們占沉積巖的一半。頁(yè)巖為大多數(shù)的儲(chǔ)層提供了蓋層。頁(yè)巖是由直徑不超過(guò)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(zhǎng)石等其他礦物。盡管頁(yè)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(yè)巖性質(zhì)的研究不如其他沉積巖那樣深入。頁(yè)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(chǔ)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(lái)源可以是有機(jī)的也可以是無(wú)機(jī)的。它們大概占到所有觀察到的沉積巖的20%。超過(guò)1/3的油和氣產(chǎn)自碳酸鹽巖。對(duì)于沉積巖來(lái)說(shuō)，一個(gè)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(guò)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?yàn)轭w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(guò)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(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)之多。為了說(shuō)明顆粒大小對(duì)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(gè)直徑為d的球，其內(nèi)只含一個(gè)直徑為d的礦物顆粒，這時(shí)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(chǔ)層巖石的特性本章的主要參考書(shū)《油層物理學(xué)》楊勝來(lái)，魏俊之編著油氣儲(chǔ)層為地下深處多孔巖層，油氣地下儲(chǔ)集空間的特征——儲(chǔ)層多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)決定了油藏的賦存特點(diǎn)、油氣的儲(chǔ)存豐度與儲(chǔ)量、油氣井的產(chǎn)能，也決定了油藏開(kāi)發(fā)的難易程度和最終效果。研究和掌握儲(chǔ)層物性是認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層、保護(hù)和改造儲(chǔ)層的基礎(chǔ)，是從事石油勘探、鉆井、油田開(kāi)發(fā)開(kāi)采及提高油氣采收率工作所必需掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。石油與天然氣儲(chǔ)層主要為沉積巖儲(chǔ)層，而沉積巖又分為碎屑巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層(表5.1)。世界上主要含油氣區(qū)的儲(chǔ)層多為碎屑巖儲(chǔ)層，它包括各種類(lèi)型的砂巖、礫巖、砂礫巖以及泥巖。碎屑巖儲(chǔ)層分布廣、物性好，是主要的儲(chǔ)層巖石。碳酸鹽巖儲(chǔ)層是另一類(lèi)重要的油氣儲(chǔ)層。根據(jù)全球資料統(tǒng)計(jì)，以碳酸鹽巖為儲(chǔ)層的油氣儲(chǔ)量，約占總儲(chǔ)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(guó)也發(fā)現(xiàn)了一批碳酸鹽巖油氣藏。實(shí)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試的。砂巖儲(chǔ)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(chǔ)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(wèn)題，因?yàn)槠涔羌茴w粒、膠結(jié)物及孔隙充填物基本上都是相同物質(zhì)，無(wú)法將它們分為單個(gè)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(lái)表示(單位：mm或μm)。線性值常用大、中、小三個(gè)直徑表示。沉P48圖4-1按砂粒大小范圍所分的組稱為粒級(jí)。劃分粒級(jí)的方法很多，表5.2是常見(jiàn)的一種。用橡皮錘將砂巖搗碎、分解成單個(gè)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(jí)。劃分粒級(jí)的方法很多，表5-2是常見(jiàn)的一種。粒級(jí)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(jí))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(lái)表示。一般用篩析法和沉降法來(lái)測(cè)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(dòng)篩分機(jī)上，對(duì)已破碎、分解的巖石顆粒進(jìn)行篩析，每一個(gè)篩子的篩上剩余顆粒質(zhì)量可由天平稱得，得到顆粒粒級(jí)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(zhǎng)度上的孔數(shù)表示，稱為目或號(hào)。例如200目表示每英寸長(zhǎng)度上有200孔。(2)以毫米直接來(lái)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(jí)篩孔孔眼大小的級(jí)差為2或√2。顯然，粒度分級(jí)取決于該套篩子的尺寸2)沉降法表5-33)薄片電鏡分析對(duì)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(cè)或圖像分析儀器測(cè)定其粒度組成。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研制和使用了多種基于光學(xué)原理的顆粒直徑測(cè)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(chǎng)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(jí)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(jiàn)形態(tài)見(jiàn)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(jì)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(jiàn)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(lái)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(diǎn)接觸時(shí)，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(lèi)砂巖的比面見(jiàn)表5—6。因?yàn)閹r石孔隙表面是流體流動(dòng)的邊界，比面的大小可以決定巖石的許多性質(zhì)，它對(duì)流體在儲(chǔ)層中的流動(dòng)有較大影響。巖石與流體接觸時(shí)所產(chǎn)生的表面現(xiàn)象，流體在巖石中的流動(dòng)阻力，巖石的滲透性以及骨架表面對(duì)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(shuō)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(diǎn)接觸時(shí)，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(lèi)砂巖的比面見(jiàn)表5—6。表5—6砂巖的粒徑與比面砂巖種類(lèi)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(lèi)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(chǔ)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(duì)顆粒起膠結(jié)作用，使之變成堅(jiān)硬的巖石。膠結(jié)物質(zhì)含量增加總使巖石的儲(chǔ)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(lèi)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(jiàn)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(shí)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(diǎn)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(chǔ)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(chǔ)層物性變差和油田開(kāi)發(fā)以后儲(chǔ)層傷害的主要原因之一。油氣儲(chǔ)層中常見(jiàn)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(jiàn)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(chǔ)層中的粘土礦物按成因可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為陸源粘土礦物。它是與砂質(zhì)同時(shí)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(guò)程中的磨蝕，一般缺少良好的晶形。另一類(lèi)為白生粘土礦物。它是在沉積和戚巖過(guò)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)過(guò)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(lèi)型，如圖56所示，即分散質(zhì)點(diǎn)式、薄膜式和架橋式，它們對(duì)儲(chǔ)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(lèi)礦物組成。砂巖中常見(jiàn)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(guò)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(dòng)力場(chǎng)的活動(dòng)規(guī)律，了解地層形成的時(shí)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(dòng)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(duì)較大；相反，地層中剩余的碳酸鹽礦物多，孔隙度相對(duì)較小。2．膠結(jié)類(lèi)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(lèi)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(shí)沉積，故稱原生膠結(jié)。其膠結(jié)強(qiáng)度很高，孔隙類(lèi)型為膠結(jié)物內(nèi)的微孔，儲(chǔ)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?；ハ嘟佑|的地方，顆粒呈點(diǎn)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(jiàn)的為泥質(zhì)。此種膠結(jié)類(lèi)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(lèi)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(guó)華北坳陷第三系儲(chǔ)油巖層，不同膠結(jié)類(lèi)型的孔隙度、滲透率見(jiàn)表5—7。儲(chǔ)層中巖石顆粒的膠結(jié)類(lèi)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(chǔ)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(chǔ)層巖石的孔隙及其類(lèi)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(méi)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(shí)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(lèi)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，所以常籠統(tǒng)地將空隙統(tǒng)稱為孔隙。儲(chǔ)層中孔隙(空隙)的形狀、大小、發(fā)育程度、形成過(guò)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(lèi)和描述。1、巖石的孔隙類(lèi)型——Meinzer分類(lèi)Meinzer按儲(chǔ)層巖石的孔隙組成和孔隙間的相互關(guān)系分類(lèi)為六種(見(jiàn)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(gè)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(lèi)型——按成因分類(lèi)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(shí)程度決定粒間孔隙的大小和形態(tài)。這類(lèi)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(chǔ)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(lèi)型——按成因分類(lèi)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(shí)程度決定粒間孔隙的大小和形態(tài)。這類(lèi)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(chǔ)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(shí)收縮形成的孔隙及粘土礦物重結(jié)晶的晶問(wèn)孔隙。高嶺土、綠泥石、云母及碳酸鹽泥雜基均有此類(lèi)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(shí)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(wèn)孔隙該類(lèi)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(jiàn)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(lèi)孔隙使巖石的滲透具有力向性。5)裂縫孔隙在砂巖儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)層中裂縫寬度一般為零點(diǎn)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(lèi)孔隙的特點(diǎn)是地應(yīng)力顯著變化時(shí)，裂縫產(chǎn)生變化。如地應(yīng)力沿裂縫垂直方向變大時(shí)，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(jiàn)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(zhǎng)石、硫酸鹽或其他可溶性成分溶蝕后形成的[見(jiàn)圖5—12的(2)、(3)、(4)]。表5—8總結(jié)了上述孔隙類(lèi)型的成因及特征。3、巖石的孔隙類(lèi)型一按孔隙大小的分類(lèi)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(lèi)。在此類(lèi)孔隙中，流體在重力_用下可自由流動(dòng)。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(lèi)。在此類(lèi)孔隙中，孔隙壁面固體分子對(duì)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(dòng)。但在一定壓差作用下，液體在毛細(xì)管內(nèi)右以流動(dòng)。3)微毛細(xì)營(yíng)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(yè)巖中的孔隙一屬于此類(lèi)型。在此類(lèi)孔隙中，分子間的引力很大，油層條件下的壓力梯度一般無(wú)法使液體在孔隙中移動(dòng)，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(dòng)的一個(gè)分界線。這類(lèi)孔隙稱為無(wú)效孔隙。4、巖石孔隙按其他因素分類(lèi)1)孔隙按生成時(shí)間的分類(lèi)分為原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙是與沉積過(guò)程同時(shí)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(lèi)分為孔道和喉道?？椎朗禽^大的孔洞(簡(jiǎn)稱孔)；喉道指連接犬孔隙之間的細(xì)小通道(簡(jiǎn)稱喉)。3)孔隙接連通性的分類(lèi)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(lèi)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(chǔ)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(gè)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(gè)參數(shù)。迂曲度τ為流體質(zhì)點(diǎn)實(shí)際流經(jīng)的路程長(zhǎng)度l與巖石外觀長(zhǎng)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(lái)確定。此外，在顯微鏡下還可觀測(cè)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(lái)測(cè)定毛管起壓力曲線和孔隙分布曲線，這些方法均可用來(lái)獲得巖石孔隙大小及其分布。3、孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型儲(chǔ)油(氣)巖石孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)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(kāi)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(lèi)型，下面作一簡(jiǎn)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(wèn)孔隙既是儲(chǔ)油空間，又是油氣滲流的通道。對(duì)于單重孔隙介質(zhì)粒間孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層巖石，早期是把它視為等直徑球體的堆積體來(lái)研究，后來(lái)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(lái)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(chǔ)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(shí)儲(chǔ)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(shí)簡(jiǎn)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(gè)塊狀單元，塊狀單元中的粒間孔隙是主要的儲(chǔ)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(shuō)在這種結(jié)構(gòu)中，粒間孔隙有較大的孔隙度，但滲透率較小；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(gè)水動(dòng)力系統(tǒng)。因此，裂縫孔隙結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是：雙重孔隙度、雙重滲透率和兩個(gè)性質(zhì)差異較大的水動(dòng)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(guò)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(dòng)規(guī)律。流體在粒間孔隙中的流動(dòng)服從滲流規(guī)律；而在洞穴中的流動(dòng)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(dòng)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(duì)于三重孔隙介質(zhì)的滲流過(guò)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(cè)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(huì)增加其中體復(fù)雜性?？障扼w積對(duì)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(cè)定的，然而，當(dāng)人們?cè)噲D對(duì)孔隙空間進(jìn)行幾何描述時(shí)，過(guò)程就變得極為復(fù)雜了。盡管少數(shù)具體場(chǎng)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(shí)際孔隙空間卻過(guò)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(diǎn)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(dòng)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(duì)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(diǎn)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(jiǎn)化辦法來(lái)出列孔隙空間，這些簡(jiǎn)化辦法為更系統(tǒng)的定量化創(chuàng)建了用武之地。反過(guò)來(lái)說(shuō)這些毛細(xì)平衡本身就是研究多孔隙物體時(shí)的一項(xiàng)重要因素。事實(shí)上，如果多孔隙介質(zhì)內(nèi)有二三中流體共存（如石油儲(chǔ)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(duì)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(dòng)。我們將評(píng)述一下絕對(duì)滲透率（多孔隙介質(zhì)為一種流體所完全飽和）和相對(duì)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(wèn)題。多孔隙介質(zhì)不存在絕對(duì)表觀尺度，即形成骨架之固體顆粒的視尺度。但是，為有一個(gè)更好的理解，往往有必要用相對(duì)于所研究物理過(guò)程的某種尺度概念來(lái)代替這種絕對(duì)尺度，對(duì)于各種不同過(guò)程，這種相對(duì)尺度或許很不相同。表1.1測(cè)定孔隙率的主要方法測(cè)定體積測(cè)定方法總體積水銀內(nèi)的浮力：非潤(rùn)濕流體的水銀沒(méi)有壓力時(shí)浸入不了常見(jiàn)的多孔隙介質(zhì)。這種方法可非常準(zhǔn)確地測(cè)定總體積。直接測(cè)定不同長(zhǎng)度的樣品：這種方法僅適合測(cè)驗(yàn)具有非常規(guī)則形狀的標(biāo)本。孔隙體積使?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(jì)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(kāi)始時(shí)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(jì)算出固體體積。忽略不計(jì)。潤(rùn)濕流體完全飽和多孔隙物體之浮力：根據(jù)干重與浸沒(méi)重量之差直接計(jì)算固體體積測(cè)量固體密度：在多孔隙物質(zhì)碾碎成細(xì)粒之后測(cè)定計(jì)算固體密度；根據(jù)礦物組分的定量分析計(jì)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(cè)定連通孔隙率、即與外部連通之空隙體積，或者測(cè)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(jiǎn)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(kāi)始論及如何分析其幾何形態(tài)時(shí)，明智的作法是參考比較簡(jiǎn)單的具體情形。我們將考察兩種類(lèi)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?yàn)樗浞钟兄跍?zhǔn)備試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從而有助于?jì)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(jiàn)孔隙空間的理論情形。實(shí)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(shí)中并不存在體積大于幾個(gè)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(duì)于每種規(guī)則堆積，可以計(jì)算出兩種類(lèi)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(duì)于立方堆積，這種球形半徑為0.732,長(zhǎng)度單位為顆粒半徑）；可通過(guò)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(guò)所考慮整個(gè)孔隙空間的最大球形（對(duì)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(guò)，在多孔熔巖和膜狀灰?guī)r中存在有這種類(lèi)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(shí)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?cè)从诟魃鳂拥睦碚摗Ｎ覀儗⑻峁﹥蓚€(gè)對(duì)照例子，第一個(gè)適用于碳酸鹽巖分類(lèi)，主要由于碳酸鹽的化學(xué)活動(dòng)性（Chemicalmobitity）,其孔隙空間很可能顯示出異常的變化，第二個(gè)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(dòng)儲(chǔ)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(gè)儲(chǔ)層特征?？紫缎詻Q定了巖石儲(chǔ)集性能，即單位體積巖石中的油氣儲(chǔ)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(guò)的性能，滲透性的大小用滲透率來(lái)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