（知识点）地震波速度与岩石弹性常数的关系

2023-11-20 来源：网络作者：佚名

第七章水灾波的速率在钻探水灾学中，水灾波以旅行时间、反射波振幅及相位变化的方式带来了地下岩石和流体的信息。在初期的钻探水灾学中，水灾数据主要用作构造解释，这种构造可能富含油气。随着估算能力的提升和水灾处理、解释技术的进步，如今对水灾数据的剖析通常是为了预测岩性、孔隙度、孔隙流体以及饱和度。无论是侦测地下地质构造形态或是研究岩层中富含液体的一些特点都须要一个参数，就是岩层的水灾波速率。所以了解水灾波速率是水灾钻探中最重要、最基本的参数。水灾钻探是如何来测定岩体的水灾波速率。水灾资料中的几种速率概念和求取方法。第一节基岩中的余震波速率理论研究和大量实际资料证明，水灾波在岩层中的传播速率和岩层的性质，如弹性常数或岩石的矿物成份、密度、埋藏深度、地质年代，孔隙率和孔隙中的流体等诱因有关。1、速度与岩石弹性常数的关系在第一章水灾波的基本概念中简单地给出了水灾纵波和横波与介质的弹性常数之间的定量关系：其中λ、μ是介质的弹性常数(弹性挠度)，ρ是介质的密度，σ是热阻。在通常情况下，速率表示为K为有效弹性泊松比，从方式上看速率的公式很简单，但K和ρ与岩石成份岩性，孔隙度等诱因有关。纵波和横波速率比与模量同一介质中纵波和横波速率比的关系如下由此式可见纵波与横波速率之比取决于模量。 #

模量σ的值在大多数情况下约等于0.25，所以，纵波与横波的速率比位VP/VS通常为1.73。只有在最为疏松的岩石中σ0.5。杨氏挠度的大小和岩石的成份，结构有关。随着岩石密度的降低，E比ρ降低的级次较高，所以当岩石密度降低时，水灾波的速率不是降低反倒降低。2、速度与岩性的关系在用地震钻探方式解决石油钻探中的地质问题时，还须要细致地研究水灾波传播速率与泥岩的岩性、地质年代，埋藏深度和孔隙率等各类诱因的关系，非常是水灾波在沉积岩中其传播速率的规律这对实际工作有具体的指导作用。岩性可能是影响速率的最重要的一个诱因。岩性主要指岩石的矿物性质，包括矿物成份、结构、颗粒等。有火成岩和砾岩，浅层主要是沉积岩，沉积岩中有页岩、泥岩、砂岩、石灰岩和白云岩等。火成岩的水灾波速率的变化范围比三叠纪和沉积岩小。由于只有极少或没有孔隙。大多数三叠纪的水灾波速率变化范围比较大，主要是成岩环璄的影响。沉积岩中的岩性结构更复杂，在颗粒之间有缝隙，孔隙中可能充填了液体或充填了像黏土这类软的固体物质。速率测试表明不同岩性的速率范围相互重迭，甚至就会超出主要范围。速率不是一个分辨岩性的好的标准。图5.53、速度与密度的关系沉积岩中的声速与岩石密度有密切关系，这些关系可从速率的严格公式见到。

但不一定随容积密度降低。诸如，与白云岩相比硬石膏具有更高的容积密度但却有更低的速率。但实际上依照大量资料表明，确实存在水灾速率随容积密度降低的经验关系式，有时还可以把速率与密度表示成一种近似的线性关系。1)对石灰岩和砂页岩来说。这些关系可表示成方程式式中，V—速度(km/s)；ρ—密度(g/cm32)水灾纵波速率与岩石密度（完全充水饱和容积密度）之间，存在着良好的定量关系，可用加德纳()公式表示如下式中，V—速度(km/s)；ρ—密度(g/等的关系式仅考虑从水饱和沉积岩石的容积密度来计算纵波速率。即使等按照上式处理了所有沉积岩石（作为单独一组），确实给出了不同岩性的独立曲线，但这样一来对所有沉积岩石就只存在单一的Vp－ρ关系了。Wang（2000b）基于岩性将沉积岩石界定为若干小组，给出了一组VpVs与容积密度之间的关系式。这种关系式基于大批量的实验室数据（超过500个数据点），适用于各类岩性和饱和度。这种经验公式具体地反映了速率与密度之间的关系。为参数之间的换算提供了便捷。注意蒸发岩(硬石膏和盐矿)和碳质岩(煤、泥碳)不满足。4、与潜藏深度的关系在岩石性质和地质年代相同的条件下，水灾波的速率随岩石潜藏深度的降低而减小。

其缘由主要是潜藏深的岩石所受的基岩压力大的原故。在不同地区，非常是在基底潜藏深度不同时速率随深度变化的垂直梯度可能相差很大。通常地说，在浅处速率梯度较大；深度降低时，梯度增大。按照岩体的潜藏深度和内阻率R估算基岩声速的经验公式v—速度(m/s)，z—深度(m),R—电阻率(Ωm)，此经验公式在没有水灾物探资料的地区。可拿来换算速率资料。压力在储层中总是存在两种不同的压力：上覆岩层压力（Po）亦称为基岩压力，是整个上覆岩石基岩所施加的压力；而储层压力（Pp）亦称为流体压力或孔隙压力，是流体质量所施加的力。上覆岩层压力和储层压力之差称为上覆岩层净压力（Pd），也有称为有效压力（Pe）。注意，严格地说PePd。事实上PdPo—Pp，而PePo—nPp控制储层岩石水灾特点的是上覆岩层净压力。这是由于孔隙流体压力抵消了一部份上覆岩层的压力，从而降低了整个岩石基岩所支撑的负载。水灾P波和S波的速率和波阻抗随上覆岩层净压力的降低而降低。但它们之间的关系是非线性的。花岗岩中Vp相对于上覆岩层净压力的关系曲线。上覆岩层净压力从1650降低至，导致Vp有5.2%的降低；而当上覆岩层净压力以相同的增量从4500增至，仅造成0.5%的Vp增高。

5、与构造历史和地质年代的关系同样深度、成分相像的岩石，当地质年代不同时，声速也不同，年老的岩石比年轻的岩石具有较高的速率。速率与构造运动的关系，在不同地区有不同的表现。在强烈下摆地区，时常观测到速率的减小；而在凸起的构造底部、则发觉速率降低。通常地说，地震波在岩石中的传播速率随地质过程中的构造斥力的场强而减小。按照在实验室对岩石样品的剖析发觉水灾波的速率与压力之间有一定的关系，速率随压力的降低而降低。据悉压力的方向不同，水灾波沿不同方向传播的速率也就不同。6、岩石结构的影响水灾波速率也受岩石的基质结构所控制，例如颗粒-颗粒接触关系、圆度、分选性、胶结程度等等。颗粒-颗粒接触关系差一般造成很低的水灾速率，而胶结程度好速率显著地提高。由于颗粒之间的接触区域大，所以大颗粒的地层比细颗粒地层呈现更高的水灾速率。分选性差的地层呈现较高的水灾速率，由于分选性差增加了孔隙度。未土体地层的分选性和颗粒规格会影响未土体地层的Vp/Vs和铁损。沙粒的圆度或有角性也会影响水灾速率和Vp/Vs：圆滑的颗粒造成更好的颗粒接触关系，因而具有更高的速率。由于沉积岩石的基质无法量化，且难有岩芯来描述，所以基质结构对水灾特点的影响也就无法量化了。 #

这个问题目须要作进一步的研究。7、与孔隙率的关系(时间平均公式)沉积岩中岩石是富含孔隙的，孔隙度的变化从百分之几到40%。所以直接影响着速率(弹性挠度)。大多数沉积岩中，岩层的实际声速是由岩石基质的速率、孔隙率，饱含缝隙的液体的速率以及颗粒之间的胶结物的成份等诱因来决定的。在水灾钻探中比较常用的，关于液体速率，颗粒速率与孔隙率之间一个很简单的关系式，称作时间平均方程式中，V是岩石实际速率；Vf是孔隙流体中的速率；Vr是岩石基质的速率；Φ是岩石的孔隙率。在上述公式中速率还受孔隙流体压力的影响，流体压力增加，流体压力这项的比率影响就变小，当流体压力接近大气压时，其影响显得最小。因而在实际条件下，时间平均等式必须用一个压差调节系数C加以修正。流体压力等于岩石压力的一半时，C值约为0.85。因为水灾波在油、气、水等流体中的传播速率比在岩石基质中的速率小，因此岩石孔隙中富含流体时使岩石的速率增加。时间平均等式不适用在气饱和岩石。因为水灾波在油、气、水等流体中的传播速率比在岩石基质中的速率小，因此岩石孔隙中富含流体时使岩石的速率增加。8、孔隙度，孔隙形状和黏土浓度许多储集地层和花岗岩中富含黏土。 #

黏土对速率的影响进一步取决于黏土微粒在岩石中的位置和黏土类型。假如黏土是岩石基质的一部份，以及黏土比石英更可压缩，则速率将随着黏土浓度的降低而降低。和Nur（1982）等首先研究了孔隙度和黏土浓度对水灾速率的联合影响。Han等（1986）扩充了这些研究，提出了速率、孔隙度及黏土浓度之间的一组经验关系式。该关系式的线性方式为VpVpo一a1一a2Vso一b1一b2和C分别是以容积百分率表示的孔隙度和黏土浓度；Vp和Vs是纵波和横波速率（km/s）。回归常数a1、a2、b1、b2是上覆岩层净压力的函数（表）。9、与频度和体温的关系当体温下降时，气饱或水饱和岩石的水灾速率仅稍有降低（Timur，1977；Wang和Nur，1990b）。如气温增100C速率会降低5-6%。但，当岩石为欧盘饱和时，水灾特点可以随着气温的降低而大幅度地减少，尤其是在含渣油的未土体地层中。在渣油地层纵波速率引人注目的增加。当体温从25增至125C时，Vp几乎增长了35%至90%！这样巨大的增加部份地是因为欧盘的可压缩率降低所引起。油气饱和岩石速率对气温的这些依赖关系，为热EOR的水灾检测提供了数学基础。 #

当气温高于冰点时，水饱和的岩石速率会显著增强。速率与湿度的关系(图)气饱或水饱和岩石的速率稍有降低轻油地层纵波速率增加引人注目10、与频度的关系在大多数试验资料的应用中通常觉得，在很宽的频度范围内，纵波与横波的速率与频度无关亚粘土是中风化岩层最新变化，这说明纵波和横波不存在频散现象。但在一些实际资料中或是实验室测试发觉，在液体饱和的岩石中存在着速率频散现象。一些实验研究觉得频散是液体在孔隙空间中流动导致的；随着孔隙度或压力减小，频散变弱；含泥量或流体粘滞性降低，频散减小。受众多诱因的影响，速率与频度的关系还没有较明晰的认识，但如今已越来越遭到注重。11、纵波与横波速率的关系其实现在已可以用偶极波速物探数据获得横波速率，但仍须要从有用的Vp数据导入Vs等（1985）曾公布了描述水饱和残渣硅酸盐岩Vp与Vs的经验关系式。Vp=1.361.16Vs（km/s）为个关系式存在一些显著的弊病：（1）它对未土体软土层和一些岩化净地层用已知的Vp计算出的Vs值过高；（2）仅对于水饱和弹性岩石是有效的。也有用速率模型，通过弹性挠度导入纵横波速率关系。更多地是用实验室的测试结果总结经验公式。 #

12、Vp/Vs比值常年以来普遍认同的是Vp/Vs能用作为岩性指示标记。页岩（假定为各向同性）总是比储层地层高的Vp/Vs在氯化盐岩中，说明Vp/Vs能拿来从白云岩中分辨石灰岩。Vp/Vs或已成功地用于直接醇类检查，尤其是AVO技术。由于横波对流体的变化不敏感，而纵波有显著反映，所以在流体类型和饱和度变化时将造成Vp/Vs的改变。氯化盐岩波阻抗比分别相对于P波阻抗和S波阻抗的关系曲线。在储层（微孔白云岩）和非储层（无孔隙石灰岩）岩石之间存在着清晰。13、速度各向异性和砂岩特点岩石中存在两种类型的各向异性：固有各向异性和诱发各向异性。固有各向异性由狭长颗粒或孔隙的选择性排布和良好层理所导致。沉积岩石中的固有各向异性一般表现为纵向各向同性的方式亚粘土是中风化岩层最新变化，须要五个独立的弹性常量来描述岩石的弹性特点。如：大多数页岩是纵向各向同性。各向异性范围从百分之几到高达50%。诱发各向异性是挠度各向异性和基岩开裂所导致。从许多地层各向异性的实验室检测结果来看，P波和S波具有多达50%的速率各向异性。很显著，这样高的各向异性在水灾处理和解释中是不能被忽视的。14、影响速率的各个诱因的总结图5.28第二节速率模型第三节几种速率概念水灾波在基岩中的传播速率是一个非常重要的参数，又是一很难精确测定它的数值。

在实际生产工作中，速率不可能用精确函数关系来确定。对非常复杂的实际速率用构建各类简化介质模型的方式来描述，并引进了各类速率概念。1、平均速率Vav平均速率定义为：“一组水平层状介质中某一界面以上介质的平均速率就是水灾波垂直穿过该界面以上各层的总长度与总的传播时间之比”。n层水平层状介质的平均速率是从另一个角度来讨论平均速率的含意。

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