岩石物理学讲义
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岩石物理学讲义
一、内容简介
本课程是地球物理探测专业的一门专业课。课程目的是通过各种教学环节，使学生正确认识和理解地球中岩石的诸多物理性质(尤其是岩石的弹性性质)与岩石本身特性间的一些基本关系，熟悉基本的岩石物理概念和理论，了解获取岩石物理性质的一些基本方法和岩石物理参数应用方面的知。为以后从事与地震勘探、资源环境和地质灾害方面的工作和科学研究打下基础。
本课程内容主要针对油气地球物理探测领域，其中包括：岩石物理学的基本概念，基本理论知识，实验过程和技术，岩石的分类和特点、岩石的孔隙和裂隙、岩石中的流体和流动、岩石的弹性和波的传播衰减、岩石的电学和热学性质，以及岩石特性在地震勘探中的应用。
三、课程安排
第一章 引言 （2学时）
岩石物理学的概念及发展概况、研究意义和应用方向，本课程的特点和安排。
第二章 地球上的岩石 （2学时）
地球上的岩石和矿物，岩石的分类和特点；油气储层岩石的特点。
第三章 储层岩石的多孔特性 （4学时）
岩石的骨架、密度，孔隙、裂隙和孔洞，孔隙率、裂隙的基本概念，孔隙和裂隙的几何形态，相关的介质模型。孔隙中的流体，流体的流动，饱和度和渗透率，双相介质中的概念
第四章 岩石的弹性 （4学时）
岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。
第五章 岩石中弹性波速度和衰减 （10学时）
岩石中的弹性波传播的基本概念，波在分界面上的反射和折射，岩石的速度各向异性，波速和衰减的实验测试原理和技术，弹性波传播衰减的基本知识，衰减实验测试的结果，衰减机制和理论
第六章 岩石速度的影响因素（10学时）
岩石速度的影响因素定性描述，波速与岩石物性的经验关系；孔隙、压力温度、流体等因素的影响，速度的各向异性
第七章 流体饱和岩石中波的传播（8学时）
有效介质模型，流体置换方程，Biot理论和实验观测
第八章 岩石的其它物理性质 （6学时） 岩石的电学性质，岩石的热学性质，核磁共振
第九章 石油地球物理中的应用（2学时）
地震勘探中的应用，测井中的应用。
四、目录
第一章 引言
1.1研究岩石物理学的意义
1.2在石油工业的研究
1.3本课程的内容、特点和时间安排。
第二章 地球上的岩石
2.1地球上的岩石和矿物，
2.1.1矿物 定义
2.1.2 岩石 定义
2.1.3岩石的尺度
微构造(microstructure)
均匀介质与非均质
2.2岩石的分类
2.2.1成岩过程 三种岩石
2.2.2 火成岩 概念
2.2.3 沉积岩 概念
2.2.4 变质岩 概念
2.2.5 岩石成岩的旋回(rock cycle)
2.3岩石的特点
2.3.1高压高温环境
2.3.2多孔介质
2.3.3长期作用
2.3.4最广泛应用的材料
2.4油气藏储层的岩石
2.4.1油气藏储层的地质环境
沉积结构： 盆地 概念？储层圈闭
2.4.2沉积岩储层岩石的分类和成分
2.4.3碳氢化合物源岩与碳氢化合物产生 2.4.4现场条件
第三章 岩石的多孔特性
3.1多孔岩石的骨架
岩石颗粒 粒度 测试 表示 形态 比面 颗粒密度
岩石胶结物
3.2岩石的孔隙和裂隙
3.3孔隙中的流体
3.4流体饱和度和渗透率，
3.5毛细压力
第四章 岩石的弹性
4.1应力和应变
4.2胡克定律
岩石应力－应变概念，岩石的弹性常数，岩石的各向异性和理论。
4.3波动方程
4.4岩石的各向异性理论。
第五章 岩石中弹性波速度和衰减
5.1岩石中的弹性波
5.1.1 波的传播
5.1.2 波在分界面上的反射和折射 声阻抗
5.2 岩石的速度各向异性
5.3 岩石弹性波的衰减
5.4 岩石中波速度和衰减的测试
5.2.1 声波测试系统工作原理
5.2.2 超声的产生和接收
产生和接收的一些常用方法 压电式换能器 换能器的性能
5.2.3温度压力设备
第六章 岩石速度的影响因素
6.1岩石速度的影响因素定性描述
建立区域和局部的岩石特性趋势线
6.2波速与岩石物性的经验关系
砂岩中的P-和S-波速度
孔隙度和孔隙形状粘土含量对速度的影响
密度和基质
岩性
温度和压力
临界孔隙率
颗粒接触与固结对速度的影响
6.3 Vp-Vs关系
Vp / Vs比值
泊松比
6.3孔隙流体特性的影响
孔隙流体特性
流体饱和对速度
6.5 各向异性
第七章 流体饱和多孔介质中波的传播
7.1 空间平均（有效介质）模型
7.2 流体置换：Gassmann方程
7.3 Biot理论
第八章 岩石的其它物理性质 岩石的电学性质，岩石的热学性质
第九章 石油地球物理中的应用（4学时）
地震勘探中的应用，测井中的应用。
五、详细内容
岩石物理学
Rock physics
第一章 引言
岩石物理学（Rock physics）是一们涉及范围较广的边缘学科，只要与岩石本身特性和其物理特性相关的都可以归在这们学科内。岩石的物理性质主要有力学、声学、电学等。这些物理性质在不同的应用领域中形成的各自岩石物理学。其中在石油工业得到了广泛的应用。
在石油工业常用英文字Petrophysics表示岩石物理，英文字头Petro-有 ―石,岩‖、―含石油的‖之义，在石油工程和测井中常用此词。在石油工程用Petrophysics表示 ―油层物理学‖。其内容包括油气储层中流体的物理和化学性质、储层岩石和物理性质(孔、渗、饱)、多相流体物理性质和渗流机理等。
Rock physics 在岩石力学，地震勘探中较常用。
两者没有严格的区分。
本课程岩石物理学的内容主要是从理论和实验上研究岩石（含有流体的多孔隙介质）的各种物理性质之间关系的科学，特别是研究岩石的孔隙度、渗透率饱和度与地震波速度、电阻率、温度等物理参数的关系。为地震勘探和测井资料处理和解释服务。
主要研究内容可归结为：从理论和实验上研究：
1) 岩石本身的各种物理性质；
2) 这些性质间的相互关系；
3) 它们在地球物理学和油气勘探中的作用。
1.1岩石物理学的研究意义
地球的结构和动力学性质必然与岩石的各种物理性质密切相关。
岩石的不同于其它材料的特性，也就决定了岩石物理学所具有的独特的研究内容、方法和手段。
岩石物理学研究的重点是与地质学、地球物理学、地球化学、油储地球物理学、地热学和环境科学密切有关的特性。
岩石物理学的研究特点，反映了这门学科的基础性和应用性。
岩石物理学的特点：
岩石物理学是一门高度交叉的综合性学科，包含了地质学、地球物理学、物理学(声、电、磁、核等) ，声学、测井、岩芯分析、石油工程、地球化学、化工及力学工程和实验测试技术等学科。
针对不同研究领域，岩石物理的研究内容不同，如
能源勘探(如石油工业)，以岩石的弹性为主；
地质灾害(地震)，以岩石的力学性质
环境保护与监测，以流体的流动
其中石油工业是主要的研究力量，在一些大学开展这方面的研究，同时几乎所有的大石油公司都在进行同样的研究。
必须强调：
第一，岩石物理学是研究岩石这种特殊的材料，在地球内部特殊环境下的各种行为及其物理性质的。从岩石本身的特点可以看出。
第二，在岩石的各种性质中，研究的重点是那些与地球内部构造与运动、能源和资源的勘察与开发、地质灾害的成因与减灾、环境保护与监测有密切关系的特性。
第三，针对油储问题开展的岩石物理性质的研究，是岩石物理学研究中较成功的应用领域。
第四，国内在这方面的研究较为薄弱。
由于岩石物理学致力于从实验和理论上研究岩石的物理性质、这些性质间的相互关系以及它们在地球物理和岩石物理数据中的反映。它研究基础是各种测试技术：特别是以测井技术和实验室的测试结果为主。
在实验室利用各种物理测试手段，测试岩石的各种物理量，获得岩石性质与物理参数之间的关系。
理论上，提出岩石中各种物理性质之间一般关系(理论模型)。两个方面：
1) 针对岩石特性在假设条件下提出简化模型；
2) 解释实验观测到的现象和结果。
地球物理中的测量技术主要有四方面：
1、空间观测：航磁，红外遥感，航空放射性测量，卫星拍照等，用于确定大地构造，确定地表形态。
2、地面观测：地质观测、地球物理方法(天然地震，人工地震，各种重、磁、电等方法)，用于确定有利的地质构造,寻找油气分布等。
地质观测：成矿的地质条件、通过观察出露在地表面的地层、岩石进行搜集和综合分析。
地球物理方法：根据地下岩石或矿体的物理性质差异所引起在地表的某些物理现象（表现为异常的现象）的变化去判断地质构造或发现矿体。以人工地震方法为主。
地球化学方法：对岩石、土壤、地下水、地表水、植物、水系以及湖底沉积物等天然产物中一种或几种化学特征作测定。
3、井中观测：直接得到地下的各种地质资料，可以确定地下构造特点和矿物特征，确定油气位置，划分油水层。。方法有：电缆测井、VSP和井间地震、随钻测量、取芯。
4、实验室观测：岩芯分析，岩芯各种物理量测试，模拟地层测试等。
岩石物理学中所涉及的研究方法：
正问题：通过已知矿物、岩石本身的性质和变化，研究其物理性质在岩体中可能有的变化，这是一个由微观到宏观的推演过程，通常称为正演。
反问题：已知地质、岩体的物理性质，如何反过来推演岩石和矿物的性质，这是一个由宏观到微观，由整体到局部的反演。
应用问题：进一步，如何人为地改变矿物、岩石的特性，从而影响到岩体和地质特性的改变，
