岩石物理学
讲义
贺振华编
成都理工大学 2009年
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目录
1 岩石物理学概论 (4学时) 1.1 岩石物理学的内容与特点 1.2 岩石物理学的研究方法
2 岩石与岩石的变形 (6学时) 2.1 地球上的岩石和矿物 2.2 应力与应变 2.3 岩石的本构关系 2.4 岩石物理实验
3 岩石中波的传播与衰减(10学时) 3.1 岩石中的波
3.2 岩石中波速的测量与应用 3.3 岩石中波的衰减 3.4 岩石模型
4 岩石的弹性 (12学时) 4.1 二相体的弹性
4.2 流体静压力下岩石裂纹对弹性的影响 4.3 流体静压力下岩石孔洞对弹性的影响 4.4 岩石中孔隙流体对弹性的影响 4.5 弹性波在双相体岩石中的传播 5 岩石的输运特性 (2学时)
5.1 达西（Darcy）定律和岩石的渗透率 5.2 渗透率的测量 5.3 岩石的输运模型
6 岩石物理应用 (4学时) 6.1 Biot-Gassmann方程与流体替换 6.2 裂缝储层岩石物理 复习与考试(2学时)
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1 岩石物理学概论
1.1 岩石物理的内容与特点
岩石物理学是以研究岩石物理性质的相互关系及应用为主的学科。重点研究：
·在地球内部特殊环境下岩石的行为及其物理性质。
·研究那些与地球内部构造运动、能源和资源勘察与开发、地质灾害的成因与减灾，环境保护与监测等密切相关的问题。
对油气勘探、资源、环境等问题，R. E. Sheriff 对岩石物理学的定义为[1]
岩石物理学研究岩石物理性质之间的相互关系，具体地说，研究孔隙度，渗透率等是如何同地震波速度、电阻率、温度等参数相关联的。
岩石物理学与地质学、地球物理学、地球化学、力学、流体力学、材料力学、地热学、环境科学、工程学等众多学科密切相关，是一个高度的交叉、边缘学科。基础性，应用性都很强。一般情况下，人们把岩石物理学归属于地学学科。对油气资源的勘探开发而言，岩石物理是联系地质、地球物理、石油工程三个学科领域的共同基础和桥梁，见图1.1。
石油工程 岩石物理 地球物理 地质结构 图1.1 岩石物理是地质、地球物理、石油工程的共同基础和桥梁
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1.2 岩石物理学的研究方法
1.2.1 研究岩石的多尺度性
岩石是不同矿物、胶结物和孔隙及孔隙物质组成的复合体。研究岩石的尺度可分为： （1）矿物颗粒（grain）尺度，或微观尺度（micro-scale），与矿物颗粒大小有关，一般为10-7~10-1m。
（2）岩石尺度，又叫宏观尺度（macro-scale）（10-1~10+2m）。 （3）岩体尺度(mega-scale)，包括岩体的节理、层面（100~103m）。 （4）地质尺度（giga-scale），是矿物、岩石、岩体+构造运动的总体尺度。（101~104m）。
也可把（1）称为微观尺度，把（2）称为中观和细观尺度，把（3）、（4）称为宏观尺度。
岩石物理性质随研究的尺度不同而不同。例如用岩石尺度看矿物，矿物性质是均匀的，用矿物尺度看矿物，矿物是非均匀的。当地震波长?小小于研究对象的大小d时，即?＜＜d，d是不均匀的，要用射线理论研究。此时可应用
＞＞dShell定理和Fermat原理；??d要用绕射、散射原理；?1.2.2 岩石物理的实验方法 实验是岩石物理的基本研究方法。
时，d是均匀的。
主要步骤为：采样——制样——测试——分析——结论与认识。 主要物理性质和测量方法列表如下
物理方法 磁 法 重 力 电 法 地 震 地 热 核 法 岩石物理性质 磁化率、磁导率 密度 电阻（导）率，介电常数 波速、衰减，各向异性 热导率、比热、热扩散系数 放射性 成都理工大学“油气藏地质及开发工程国家重点实验室”、“地质灾害防治与工程地质环境保护国家重点实验室”以及其他部门的实验室均有相应的条件
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和实验设备，如MTS岩石物性测试系统，ARS-300TM岩石电阻率测试系统，岩石声发射测试系统，放射性测量等设备。
1.2.3 岩石物理实验要注意的问题 （1）微观特性的宏观应用问题
主要考虑微观实验得到的结论如何推广到宏观条件下去应用？
由于受样品大小，测试环境和条件等的限制，在实验室测得的岩石样品的微观特性如果不顾条件和环境，将其推广到实际的宏观问题中去应用，可能要出现较大误差。应建立适当的模拟理论和方法，使得物理模型（或岩样）测试，数值模拟和实际的地质模型在遵守一定的条件和规则情况下相互统一。
（2）地下原位条件和环境的模拟
地下的岩石常常处于较高的温度和较高的压力条件下，我们称其为原位条件。原位地层条件下的岩石物性与常温常压下有很大的差别，测试方法与测试结果的分析必须注意这些差异。
（3）建立定比观测的理论与方法。
实验室中的小尺度模型和岩样如何与地下实际的大尺度研究目标相匹配是岩石物理的一个关键问题。现以超声波模型实验为例进行说明。
超声波物理模型实验是用频率较高的超声波测试尺度比较小的岩样和模型，研究较大尺度实际岩石介质的低频地震波特性。设实验所用的频率为fu，岩样或模型的尺寸大小为Lu，波速为Vu；实际地震勘探所用频率为fr，观测目标大小为Lr，波速为Vr。则存在关系式
Rf?RL?RV （1.1）
式中
RL?Lu/Lr,RV?VuVr,Rf?1Rt??u?r?fufr （1.2）
上式（1.1）和（1.2）为定比测量的基本公式。公式的应用前提是：不同频率的波（超声波和地震波等）均遵循相同的波动方程式。取三维声波方程
?P?x22222??P?y2??P?z2?1?PV2?t2 （1.3）
式中，波场P?P(x,y,z,t)?P(L,t)，v?v(x,y,z)，
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