CN103278614B - 一种动静态岩石力学参数校正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动静态岩石力学参数校正方法及装置，所述方法包括：测量油气藏的岩石力学参数；统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。本发明可以提高油气藏岩体力学地下原位模型恢复的有效性和准确性。

Description

一种动静态岩石力学参数校正方法及装置

技术领域

本发明涉及油气藏开发技术领域，特别是涉及一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法，以及，一种油气藏岩体力学地下原位模型恢复的装置。

背景技术

油气藏岩体是储集岩体多孔介质材料及其上下围岩在一定深度下，处在一定温度、压力下、饱和了一定数量流体，由一系列结构面与结构体组成的地质实体。与近地表工程地质相比，一般埋藏较深(所在地层深度一般为数千米)，处于较高的三轴复杂围压(可达200MPa)、较高的温度(可达200℃)和较高的孔隙压力(可达200Mpa)及多相流体饱和(油、气、水)条件下。这与地表浅层以及下地壳上地幔处的岩体所处的环境有很大不同，岩体也具有独特的力学特性。

对于这种地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体而言，传统的静态力学性质研究是将钻井取心在地面条件下，利用三轴应力测试仪或者声波测试仪对取出的岩心进行力学实验，如将钻井取心拿到地面实验室中常温、常压、干样，或考虑施加不同的围压，或考虑充注不同的饱和流体进行岩石力学实验，显然，采用这种现有技术获得的岩石力学参数不能完全代表处于地下高温、高压、高孔隙压力、多相饱和流体条件下的油气藏岩体力学性质，即无法保证地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体力学参数的有效性和准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法和装置，用以提高油气藏岩体力学地下原位模型恢复的有效性和准确性。

为了解决上述问题，本发明公开了一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法，包括：

测量油气藏的岩石力学参数；

统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；

获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；

依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

优选地，所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括内部影响参数，所述内部影响参数包括岩石成分特征参数，岩石结构特征参数，岩石构造特征参数，岩石孔隙裂缝特征参数。

优选地，所述岩石力学参数包括岩石弹性参数和岩石强度参数，所述岩石弹性参数包括泊松比，杨氏模量和孔隙弹性系数；

所述岩石成分特征参数包括岩石颗粒特征参数和填隙物特征参数，所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系包括：

若所述岩石颗粒特征参数中石英含量增加，则杨氏模量上升；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中长石含量增加，则杨氏模量降低；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中粘土矿物含量增加，则泊松比降低；

和/或，

若所述填隙物特征参数为钙质胶结岩石，则其杨氏模量大于其它类型岩石的杨氏模量；

和/或，

若所述岩石结构特征参数为结晶类成因的岩石，则其杨氏模量和泊松比高于岩石结构特征参数为胶结物成岩的岩石；

和/或，

若所述岩石构造特征参数为水平方向所取岩样，则其杨氏模量和泊松比大于垂直方向所取岩样的杨氏模量和泊松比；

和/或，

若岩石孔隙裂缝特征参数为孔隙裂缝空间，则随着孔隙裂缝空间的增大，岩石的杨氏模量和泊松比的值降低。

优选地，所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括外部影响参数；所述外部影响参数包括温度特征参数，围压特征参数，孔隙流体特征参数，孔隙压力特征参数。

优选地，所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系包括：

若所述温度特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度增加，岩石的杨氏模量减小，岩石的泊松比减小，岩石的孔隙弹性系数增大；

和/或，

若所述围压特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度减小，岩石的杨氏模量和泊松比增大，岩石的孔隙弹性系数降低；

和/或，

若所述孔隙流体特征参数为流体饱和度，则随着流体饱和度的增加，岩石的杨氏模量、泊松比和孔隙弹性系数都增大；并且，岩心含油时期的泊松比大于岩心含水时的泊松比，随着流体饱和度的增加，其泊松比差值增大；

和/或，

若所述孔隙压力特征参数增加，则岩石的杨氏模量、泊松比减小孔隙弹性系数增大。

优选地，所述测量油气藏的岩石力学参数的步骤包括：

采用静态测量方法获得静态岩石力学参数；

采用动态测量方法获得动态岩石力学参数；

其中，所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数经同步测量获得；

所述的方法还包括：

依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，计算岩石力学参数的动静差异比；

所述依据调整后的岩石力学参数进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复的步骤为，

依据所述静态岩石力学参数，动态岩石力学参数，岩石力学参数的动静差异比，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

优选地所述静态岩石力学参数包括静态岩石弹性参数和静态岩石强度参数，所述动态岩石力学参数包括动态岩石弹性参数和动态岩石强度参数；所述静态岩石弹性参数包括静态泊松比，静态杨氏模量和静态孔隙弹性系数，所述动态岩石弹性参数包括动态泊松比，动态杨氏模量和动态孔隙弹性系数。

优选地，所述静态泊松比μ通过以下公式计算获得：

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_2}$

所述动态泊松比μ通过以下公式计算获得：

$\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_s^2-2{\mathrm{\Δt}}_p^2}{2({\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}_p^2)}=\frac{V_p^2-{2V}_s^2}{2(V_p^2-V_s^2)}$

其中，所述Δε₁为岩样的轴向应变增量；Δε₂为岩样的横向应变增量；Δt_s为岩样的横波时差，μ_s/m；Δt_p为岩样的纵波时差，μ_s/m；V_s为岩样的横波速度，m/s；V_p为岩样的纵波速度，m/s；

所述静态杨氏模量E通过以下公式计算获得：

$E=\frac{F/S}{\mathrm{\ΔL}/L}$

所述动态杨氏模量E通过以下公式计算获得：

$E={\mathrm{\ρV}}_s^2\frac{3{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-4}{{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-1}$

其中，所述ρ为岩石的密度，g/cm³；F为试验岩样所受的力；S为岩样的截面积；△L为岩样在受力方向的伸长量或缩短量；L为岩样在受力方向上的原长；V_S为岩样的横波速度，m/s；Vp是岩样的纵波速度，m/s；

所述静态孔隙弹性系数B通过以下公式计算获得：

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}$

其中，所述K_dry为干燥岩石的体积模量，Ks为组成岩石的矿物的体积模量；

所述动态孔隙弹性系数B通过以下公式计算获得：

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}=1-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ΔV}}_s}}{\frac{1}{{\mathrm{\ΔV}}_s-{\mathrm{\ΔV}}_f}}=1-\frac{{\mathrm{\ΔV}}_s-{\mathrm{\ΔV}}_f}{{\mathrm{\ΔV}}_s}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_f}{{\mathrm{\ΔV}}_s}$

其中，所述K_dry为干燥岩石的体积模量，Ks为组成岩石的矿物的体积模量，ΔV_f为孔隙流体流量变化量，ΔV_s为岩石骨架体积变化量，ΔV_m为岩石矿物颗粒体积变化量；

所述岩石力学参数的动静差异比包括杨氏模量动静差异比和泊松比动静差异比，所述杨氏模量动静差异比通过以下公式计算获得：

$E_c=\frac{E_d-E_s}{E_s}$

其中，所述E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；

所述泊松比动静差异比通过以下公式计算获得：

${\mathrm{\μ}}_c=\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s};$

其中，所述μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比。

优选地，所述岩石力学参数的动静差异比与温度特征参数之间满足如下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={\mathrm{aT}}^2+\mathrm{bT}+C;$

$\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}={\mathrm{mT}}^2+\mathrm{nT}+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；T为温度；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与围压特征参数之间满足如下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={{\mathrm{aP}}_c}^2+{\mathrm{bP}}_c+C;$

$\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}={{\mathrm{mP}}_c}^2+{\mathrm{nP}}_c+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_c为围压；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与流体饱和度之间满足以下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}=a_1{S_w}^2+b_1{S}_w+C_1;$

$\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}=m_1{S_w}^2+n_1{S}_w+k_1;$

$\frac{E_d-E_s}{E_s}=a_2{S_o}^2+b_2{S}_o+C_2;$

$\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}=m_2{S_o}^2+n_2{S}_o+k_2;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；S_w为含水饱和度；S_o为含油饱和度；a₁，a₂为二次项系数；b₁，b₂为一次项系数；C₁，C₂为常数；m₁，m₂为二次项系数；n₁，n₂为一次项系数；k₁，k₂为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与孔隙压力之间满足如以下公式所示二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={{\mathrm{aP}}_o}^2+{\mathrm{bP}}_o+C;$

$\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}=m{P_o}^2+n{P}_o+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_o为孔隙压力；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数。

本发明实施例还公开了一种油气藏岩体力学地下原位模型恢复的装置，包括：

岩石力学参数测量模块，用于测量油气藏的岩石力学参数；

影响参数统计模块，用于统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；

关系获取模块，用于获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；

原位模型恢复模块，用于依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

本发明通过在以油气藏工程中常用的岩石弹性力学参数为研究对象，在对油气藏原型进行恢复的条件下，从岩体力学参数与围压、孔隙压力、温度及孔隙流体的函数关系、岩体力学参数动静态测试结果的差异及其影响因素两个方面出发，研究了岩石的结构、构造、成分及孔隙裂缝结构对岩石力学参数的影响；油气藏岩体力力学弹性参数的变化与围压、孔隙压力、温度以及孔隙流体之间的关系；(3)三轴应力试验(静态测试)结果与声波测试(动态测试)结果之间的差异及其影响因素，动静参数之间的数学关系式的回归。从而将宏观实验现象和微观分析相结合，分析岩石的成分、结构和孔隙裂缝特征对岩石力学参数的影响，得到影响岩石力学参数性质的微观机理；建立了室内恢复油气藏岩体原位模型的方法，通过多点实验定量分析温度、围压、孔隙压力以及孔隙流体对岩体力学参数的影响；并且通过定量分析岩体力学参数动态测量方法和静态测量方法之间的结果差异以及造成差异的原因，并给出动静态参数之间的转换公式，从而保证地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体力学参数的有效性和准确性。

附图说明

图1是本发明的一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法实施例1的步骤流程图；

图2是本发明的一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法实施例2的步骤流程图；

图3是本发明的一种示例中岩石的应力-应变-时间关系曲线图；

图4是本发明的一种示例中Biot系数测试实验示意图；

图5是本发明的一种示例中岩芯取样示意图；

图6是本发明的一种示例中岩石力学性质与矿物含量交汇曲线示意图；

图7是本发明的一种示例中岩样杨氏模量与石英含量柱状图；

图8是本发明的一种示例中声发射事件数随温度变化柱状图；

图9是本发明的一种示例中泊松比随不同流体类型变化曲线示意图；

图10是本发明的一种油气藏岩体力学地下原位模型恢复的装置实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的核心构思之一在于，以油气藏工程中常用的岩石弹性力学参数为研究对象，在对油气藏原型进行恢复的条件下，从岩体力学参数与围压、孔隙压力、温度及孔隙流体的函数关系、岩体力学参数动静态测试结果的差异及其影响因素两个方面出发，研究了岩石的结构、构造、成分及孔隙裂缝结构对岩石力学参数的影响；油气藏岩体力力学弹性参数的变化与围压、孔隙压力、温度以及孔隙流体之间的关系；(3)三轴应力试验(静态测试)结果与声波测试(动态测试)结果之间的差异及其影响因素，动静参数之间的数学关系式的回归。从而将宏观实验现象和微观分析相结合，分析岩石的成分、结构和孔隙裂缝特征对岩石力学参数的影响，得到影响岩石力学参数性质的微观机理；建立了室内恢复油气藏岩体原位模型的方法，通过多点实验定量分析温度、围压、孔隙压力以及孔隙流体对岩体力学参数的影响；并且通过定量分析岩体力学参数动态测量方法和静态测量方法之间的结果差异以及造成差异的原因，并给出动静态参数之间的转换公式，从而保证地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体力学参数的有效性和准确性。

参考图1，示出了本发明的一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法实施例1的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：

步骤101，测量油气藏的岩石力学参数；

在本发明的一种优选实施例中，所述岩石力学参数可以包括：岩石弹性参数和岩石强度参数，其中，所述岩石弹性参数可以包括泊松比，杨氏模量和孔隙弹性系数；所述岩石成分特征参数可以包括岩石颗粒特征参数和填隙物特征参数等，在本发明实施例中，所述孔隙弹性系数即用于表征孔隙弹性参数的Biot系数。

步骤102，统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；

在本发明的一种优选实施例中，所述油气藏的岩体力学性质影响参数可以包括内部影响参数，所述内部影响参数可以包括：岩石成分特征参数，岩石结构特征参数，岩石构造特征参数，岩石孔隙裂缝特征参数。

更为优选的是，所述油气藏的岩体力学性质影响参数还可以包括外部影响参数；所述外部影响参数可以包括：温度特征参数，围压特征参数，孔隙流体特征参数，孔隙压力特征参数。

步骤103，获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；

在所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括内部影响参数的情况下，所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系可以包括：

若所述岩石颗粒特征参数中石英含量增加，则杨氏模量上升；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中长石含量增加，则杨氏模量降低；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中粘土矿物含量增加，则泊松比降低；

和/或，

若所述填隙物特征参数为钙质胶结岩石，则其杨氏模量大于其它类型岩石的杨氏模量；

和/或，

若所述岩石结构特征参数为结晶类成因的岩石，则其杨氏模量和泊松比高于岩石结构特征参数为胶结物成岩的岩石；

和/或，

若所述岩石构造特征参数为水平方向所取岩样，则其杨氏模量和泊松比大于垂直方向所取岩样的杨氏模量和泊松比；

和/或，

若岩石孔隙裂缝特征参数为孔隙裂缝空间，则随着孔隙裂缝空间的增大，岩石的杨氏模量和泊松比的值降低。

在所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括外部影响参数的情况下，所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系可以包括：

若所述温度特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度增加，岩石的杨氏模量减小，岩石的泊松比减小，岩石的孔隙弹性系数增大；

和/或，

若所述围压特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度减小，岩石的杨氏模量和泊松比增大，岩石的孔隙弹性系数降低；

和/或，

若所述孔隙流体特征参数为流体饱和度，则随着流体饱和度的增加，岩石的杨氏模量、泊松比和孔隙弹性系数都增大；并且，岩心含油时期的泊松比大于岩心含水时的泊松比，随着流体饱和度的增加，其泊松比差值增大；

和/或，

若所述孔隙压力特征参数增加，则岩石的杨氏模量、泊松比减小孔隙弹性系数增大。

步骤104，依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

参考图2，示出了本发明的一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法实施例2的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：

步骤201，测量油气藏的岩石力学参数；

在具体实现中，所述步骤201可以包括如下子步骤：

子步骤S11，采用静态测量方法获得静态岩石力学参数；

子步骤S12，采用动态测量方法获得动态岩石力学参数。

在本发明实施例中，所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数经同步测量获得，所述静态岩石力学参数可以包括静态岩石弹性参数和静态岩石强度参数，所述动态岩石力学参数可以包括动态岩石弹性参数和动态岩石强度参数；所述静态岩石弹性参数可以包括静态泊松比，静态杨氏模量和静态孔隙弹性系数等，所述动态岩石弹性参数可以包括动态泊松比，动态杨氏模量和动态孔隙弹性系数等。

在具体实现中，可以通过以下子步骤采用静态测量方法获得静态岩石力学参数：

子步骤S11，对岩样进行静态加载；

子步骤S12，测量所述岩样的应力-应变曲线；

子步骤S13，依据所述岩样的应力-应变曲线计算静态岩石力学参数；

在具体实现中，可以通过以下子步骤采用动态测量方法获得动态岩石力学参数：

子步骤S21，测定声波在岩样中的传播速度；

子步骤S22，依据所述传播速度转换计算得到动态岩石力学参数。

当然，上述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数的测量方法仅仅用作示例，本领域技术人员根据实际情况采用任一种测量方法均是可行的，本发明对此无需加以限制。

步骤202，依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，计算岩石力学参数的动静差异比；

步骤203，统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；

步骤204，获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；

步骤205，依据所述静态岩石力学参数，动态岩石力学参数，岩石力学参数的动静差异比，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

本发明实施例将近地表工程地质学中的岩体力学概念、理论和方法引申到地下数千米深处复杂围压、高温、高孔隙压力和多相流体的油气藏岩体中，形成油气藏岩体力学的概念，认为它是地下储集岩体多孔介质材料在特定的深度、温度、三轴围压、孔隙压力和多相流体饱和条件下所表现出的各种力学性质。主要由结构面及结构体内部的岩石成分、结构、构造、孔渗条件等固有属性和深度、温度、围压、孔隙压力、多相流体等外部环境制约。

油气藏岩体力学是一门研究油气藏岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的学科。油气藏岩体力学不同于传统的岩体力学，其所研究的对象是处于地下深层较高的围压(可达200MPa)、较高的温度(可达200℃)，较高的孔隙压力(可达100Mpa)且饱和多相流体的非均质复杂岩体，因此具有不同的研究特点。油气藏岩体力学是进行地应力测试、地震流体预测、时移地震以及储层水力压裂改造等油藏勘探开发措施的基础，深入研究地下原型条件下油气藏岩体的变化规律具有重要意义。

岩体力学弹性参数主要包括泊松比、杨氏模量和Biot系数等。泊松比是表征材料在受拉或者受压时横向变形的性能，它就是横向应变与纵向应变的比值。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，其物理意义是物体受到应力发生弹性形变时，应力与应变的比值。Biot系数是干燥岩石的体积模量与矿物颗粒的体积模量的比值，反映了孔隙空间对岩石整体性质的贡献，是孔隙弹性特征研究中最重要的参数之一。泊松比、杨氏模量和Biot系数在钻井、完井、井壁稳定性分析、出砂预测、地层可钻性预测及钻头优选、套管损坏机理、地面沉降设计中有均有重要的应用；同时，由于油气等孔隙流体会使岩石的泊松比和杨氏模量值发生较大的改变，因此，泊松比和杨氏模量也是油气地球物理(特别是勘探地球物理)研究的重要参数。在地应力计算方面，岩体力学参数中的杨氏模量和泊松比等值是进行地应力计算的重要参数，对地应力的影响十分明显；储层压裂改造过程的裂缝的产状和延伸方向也是由岩体力学参数决定的。

油气藏岩体力学性质受到岩体的成分、孔隙结构、围压、孔隙压力、饱和流体和温度等因素的影响。如果能够理解岩石力学参数随这些影响因素的变化规律，就能根据地面观测到的地震波和室内的岩石力学实验反演出地下深处油气藏的弹性特征(如弹性模量、泊松比)、热力学环境(温度和围压)、岩石的微构造(孔隙、裂纹等)及流体状态(流体饱和度、孔隙压力)等，从而为油气藏的高效勘探和合理开发提供重要的基础资料。

油气藏岩体的力学性质受到多方面因素的影响，归结起来大致可以分为两类：一是岩石的固有属性，如岩石的矿物成分、结构、构造、孔隙度等；二是岩石所处的外部环境，如温度、围压、孔隙压力和孔隙中饱和的多相流体等。

岩石力学性质、波速特性是受控于岩石的组成、结构、孔裂隙数量及其分布等内在因素。但对于一定埋藏条件下的岩石，其所处的应力、温度条件也必然会对其力学性质产生很大影响；常规测试不能反映这种环境对岩石力学性质的影响，只有在岩样所处地层围压、温度、孔隙压力、多相流体的条件下测量的力学参数，才能真正的代表岩石在地下的力学性状。同时，岩石的动、静力学参数与其应力恢复过程、热平衡环境均有关系，因此在研究岩石动、静力学参数间的关系时，应在相同的条件下进行，这样才能保证岩石动、静力学参数对比的精度和准确性。

以下对油气藏岩体的基本力学性质进行说明：

油气藏岩体是在一定深度下，处在一定温度、压力下、饱和了一定数量流体由一系列结构面与结构体组成的地质实体。它是石油工程地质研究的对象，地球物理勘探、钻井、完井、油气开采和油气层改造针对的目标都是油气藏储集岩体。现今的石油勘探开发面临的难采储量越来越多，对象越来越复杂，老油田开发后期面临的问题和传统粗放式开发暴露的矛盾越来越多。这些问题都需要岩体力学方面的理论技术进步来解决，因此对油气藏岩体的力学性质进行详细了解与精细研究具有非常重要的意义。

由于油气藏岩体所处外部环境和内部结构与地表岩体不同，其力学性质更多的受到地层环境的影响，其所处环境具有以下特点：

1)油气藏岩体受到上覆地层压力和水平方向地应力的影响，受力状态非常复杂，因此其变形与破坏也很复杂多变。

2)处在地下深处的油气藏岩体环境温度较高。

3)油气藏岩体中分布有大量孔隙、裂隙、裂缝以及溶孔与溶洞，是非均质程度极高的多孔介质，与普通的材料比如金属材料是大不相同的。

4)油气藏岩体中不但分布有大量的孔隙、裂缝、溶洞等各类空隙，而且在其中充满了油、气、水多相流体。饱和流体以后岩石的力学性质受到岩石骨架和流体的双重影响。

根据油气藏岩体的应力-应变-时间关系，可将其力学属性分为弹性、塑性和粘性。以下结合图3所示的岩石的应力-应变-时间关系曲线图对弹性、塑性和粘性进一步说明。

弹性是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力(载荷)后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。其产生的变形称为弹性变形，一般把具有弹性性质的物质称为弹性介质。弹性按其应力-应变关系又可分为两种类型：应力应变呈直线关系的线弹性(或虎克型弹性、理想弹性)(参见图3中的(a))，以及应力应变呈非直线的非线性弹性。

塑性是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力(载荷)后，变形又不能完全恢复的性质。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。物体塑性变形的实质是物体内部晶格之间在剪应力作用下发生的滑动。在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体，称为塑性介质。塑性材料理想的应力-应变曲线如图3中的(b)所示，当应力低于屈服应力σ_y时，材料性质为弹性；应力达到屈服应力之后，变形不断增长而应力不变，应力-应变曲线呈水平直线。在屈服点之后，应力-应变曲线呈上升曲线，说明晶粒滑到新位置之后，导致井间相嵌、挤紧和晶粒增大，如使之继续滑动，要相应增大应力。这种现象被称为应变硬化，如图3中的(c)。

粘性是指物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力的大小而改变的性质，称为粘性。理想的粘性材料(如牛顿流体)，其应力-应变速率关系为过坐标原点的直线，如图3中的(d)。应变速率随应力变化的变形称为流动变形。

根据岩石的变形与破坏关系，还可以将岩石性质划分为脆性和延性。脆性是指物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。延性是指物体能承受较大变形而不丧失其承载力的性质。材料的延性与脆性是根据其受力破坏前的总应变及全应力-应变曲线上负坡的坡降大小来划分的。破坏前总应变小，负坡较陡者为脆性，反之为延性。工程上一般以5％为标准进行划分，总应变大于5％者为延性材料，反之为脆性材料。赫德(Heard，1963)以3％和5％为界限，将岩石分为三类：总应变小于3％者为脆性岩石；总应变在3％～5％者为半脆性岩石；总应变大于5％者为延性岩石。按以上标准，大部分地表岩石在低围压条件下都是脆性或半脆性的。当然岩石的延性与脆性是相对的，在一定的条件下可以相互转化，如在高温高压条件下，常温常压下的脆性岩石可表现很高的延性。

岩石是矿物的集合体，具有复杂的成分和结构，因此其力学属性也是复杂的。岩石在外力作用下呈现何种性状，一方面取决于其成分与结构；另一方面还和它的受力条件，如载荷的大小及其组合情况、加载方式及速率、应力路径等密切相关。例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不是简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹-塑性、弹-粘-塑或粘-弹性等性质。此外，岩石所赋存的条件，如温度、水、地应力等对其性状影响也很大。

岩石力学参数一般是指岩石的弹性参数(如杨氏弹性模量、剪切模量、体积弹性模量与泊松比等)和强度参数(如单轴抗压强度、岩石抗剪强度、岩石抗张强度、内聚力和内摩擦角等)。求取岩石力学参数的方法主要有两种：一是在实验室对岩样进行实测，二是用地球物理测井资料求取岩石力学参数。

(一)泊松比：

岩石的泊松比是指岩石受法向应力作用时，横向缩短和纵向伸长的比值，又称横向压缩系数，是表示岩石力学的一个重要参数。岩石泊松比是评价岩石变形特征的重要参数之一，在钻井、完井、井壁稳定性分析及压裂设计等中均有重要的应用。对于常见的岩石，泊松比在0～0.5之间。岩石的泊松比越大，表示其弹性越小，塑性越大，岩石越容易断裂或压裂。沉积岩石中，泥岩的泊松比较大，说明其塑性大且易变形。

泊松比的计算方法分为静态和动态两种，其计算公式分别如下：

$\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\Δ\ϵ}}_1}{{\mathrm{\Δ\ϵ}}_2}$

$\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_s^2-2{\mathrm{\Δt}}_p^2}{2({\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}_p^2)}=\frac{V_p^2-{2V}_s^2}{2(V_p^2-V_s^2)}$

其中，μ为岩样的泊松比；Δε₁为岩样的轴向应变增量；Δε₂为岩样的横向应变增量；Δt_s为岩样的横波时差，μ_s/m；Δt_p为岩样的纵波时差，μ_s/m；V_s为岩样的横波速度，m/s；V_p为岩样的纵波速度，m/s。

(二)杨氏模量

杨氏模量是岩石在弹性变形范围内时，岩石在法向方向所受应力与沿应力作用方向引起的伸长量之比，反映了岩石受外力作用时的抗变形能力，是力学计算中不可缺少的物理量；岩石的杨氏模量是岩石的基本力学性质，是研究岩体变形，岩石中爆炸波和地震波传播等一系列问题必不可少的重要参数。在实验岩石力学中岩石的杨氏模量测量方法有两种。一种是岩石的加载变形实验，在岩石样品加载过程中测量应变与应力之间的关系，从岩石的应力-应变曲线得到岩石的杨氏模量。另一种方法是测量弹性波在岩石中的传播速度，再通过岩石的密度从而算出岩石的杨氏模量。由第一种方法得到的杨氏模量称作静态杨氏模量，由第二种方法得到的杨氏模量称作动态杨氏模量。静态杨氏模量和动态杨氏模量的计算公式分别如下：

$E=\frac{F/S}{\mathrm{\ΔL}/L}$

$E={\mathrm{\ρV}}_s^2\frac{3{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-4}{{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-1}$

其中，E为岩石的杨氏模量；所述ρ为岩石的密度，g/cm³；F为试验岩样所受的力；S为岩样的截面积；△L为岩样在受力方向的伸长量(或缩短量)；L为岩样在受力方向上的原长；V_S为岩样的横波速度，m/s；Vp是岩样的纵波速度，m/s。

(三)Biot系数

Biot系数是岩石体积模量与组成岩石的矿物颗粒的体积模量的比值，Biot系数反映了孔隙空间对岩石整体性质的贡献，它是孔隙弹性特征中最重要的参数之一。

油藏勘探开发中所接触的地层岩石都具有孔隙，而孔隙中又充满了含有压力的流体，孔隙压力对岩石弹性应变的影响是进行油气井生产预测、地应力计算、水力压裂设计、储层压实、地面沉降问题等油藏工程及环境研究的基础。只有确定岩石的Biot系数，才能准确计算出孔隙对岩石整体力学性质的影响。

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}$

其中，B为孔隙弹性系数，简称为Biot系数，Kdry为干燥岩石的体积模量(体积压缩系数)，Ks为组成岩石的矿物的体积模量(固体的颗粒压缩系数)。

参考图4所示的Biot系数测试实验示意图，在加入围压、孔压、温度至实验条件下，加轴向载荷至围压大小，固定孔压活塞，记录岩石的体积V₁和孔隙流体流量F₁，将围压和轴向载荷分别增大10MPa，记录此时的岩石体积V₂和孔隙流体流量F₂，则可得：

ΔV_f＝F₂-F₁

ΔV_s＝V₂-V₁；

岩石变形量与孔隙变形量之差为岩石骨架颗粒变形量，则

ΔV_m＝ΔV_s-ΔV_f

由Biot系数的定义可知：

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}=1-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\ΔV}}_s}}{\frac{1}{{\mathrm{\ΔV}}_s-{\mathrm{\ΔV}}_f}}=1-\frac{{\mathrm{\ΔV}}_s-{\mathrm{\ΔV}}_f}{{\mathrm{\ΔV}}_s}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_f}{{\mathrm{\ΔV}}_s}$

其中，B为孔隙弹性系数，简称为Biot系数，Kdry为干燥岩石的体积模量(体积压缩系数)，Ks为组成岩石的矿物的体积模量(固体的颗粒压缩系数)，ΔV_f为孔隙流体流量变化量，ΔV_s为岩石骨架体积变化量，ΔV_m为岩石矿物颗粒体积变化量。

岩石力学参数是解决许多石油工程技术的基础数据，对解决钻井井壁稳定，水压裂缝起裂和扩展规律有着重要意义。在具体实现中，岩石的强度和静弹性参数可以通过岩心试验直接测定的。但是，实验室中取得的岩心并不一定能完全代表所要研究的岩层的性质，而且这些性质在取心和加工过程中可能被改变。这就要求在进行室内试验时，需要重视试件的采取和制作，使之具有足够代表性，并保持天然结构状态，尽可能不受不必要的影响；对试件制作要满足精度要求；重视试件的构造描述，如节理裂隙发育程度、分布情况及其方位等；还要注意试件尺寸(形状、大小和高径比等)、测试条件和环境对试验的影响。虽然通过采取适当的试样准备方法能够解决部分问题，但仍有一部分问题亟待解决。这是由于岩石的力学性质取决于组成晶体、颗粒和胶结材料之间的相互作用，以及诸如裂缝、节理、层面和较小断层的存在。一方面很难根据它的组成颗粒的性质来说明该岩石的力学性质，特别是它的强度；另一方面，裂缝、节理、层面和断层的分布是如此多变，以至于受这种分离影响的大块岩体的力学性。

岩石试件的试验工作是认识岩石在不同环境下的物理、力学性质的重要途径，也是进行岩石工程应该进行的前期工作。室内试验的目的在于了解岩石的性质，除了进行密度、含水率、孔隙率、吸水率和渗透性等物理性质试验外，应着重进行岩石的强度特性和变形特性的试验。正确的分析理论，真实可靠的实验结果，可以帮助了解至今还无法直接观察到的地壳深部的存在条件及演化过程。将从野外取回的岩石或井下岩心，用岩石钻样机钻取标准直径的岩心，再用切磨机切取合适的长度，最后用双面磨石机将岩石断面磨平，满足试样的精度要求。

参考图5所示的岩芯取样示意图，于取自现场的岩芯一般形状不规则，不能直接用于实验。实验前需要对现场岩芯进行加工。室内加工岩芯的过程是:先用金刚石取芯钻头在现场岩芯上套取一个的圆柱形试样，然后将圆柱形试样的两端车平、磨光，基面偏差在2.5％范围内，使岩样的长径比≥1.5。

岩石力学参数的测量方法分为静态测试和动态测试两种。岩石力学参数的常用测定方法有两种：一是静态测量方法，通过在实验室对岩样进行静态加载后测量其应力-应变曲线后计算得到；二是动态测量方法，即利用地球物理方法，通过测定声波在岩样中的传播速度，再转换计算得到动态岩石力学参数。

静态测量方法和动态测量方法各有其有点和不足。一方面，动态测量结果与静态测量结果相比，在资料的数量、获取成本、资料的实时性等方面都具有明显优势；另一方面在实际工程中应用的是岩石的静态弹性参数，同时现有的力学本构关系一般都是基于静态参数建立的，因此需要将动态测试结果转化为静态结果才能进行应用。因此对岩体力学参数动静测量之间差异的影响因素进行定性和定量的描述，可以帮助我们利用超声波这种简单、方便的工具来获得岩石的静态参数。动静差异的影响因素的研究具有重要的现实意义。

以下对实验室动态力学参数试验进行说明：

岩石波速是油气勘探与开采、石油钻井等众多领域所关注的基本参数。声波在岩石中的传播速度取决于岩石的密度、杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量等岩石的弹性常数，在实验室中，利用测得的纵、横波速度就可以求出岩石的弹性模量，如泊松比、压缩系数、切边模量和杨氏模量等，岩石的力学参数是石油钻井、压裂工程设计及裂缝预测的基础。

在一般的岩体声波测试实验中所施加的外力通常是微小的、瞬时的，因此认为岩石所表现的是弹性特征，因而声波在岩石中的传播也是符合弹性波的传播规律的，在利用弹性波波动方程及弹性波的波动形式计算和反演岩体内波的结构特征和分布状况是可行的。声波的走时、振幅、频谱和岩石的内部状况有着密切的联系，即随着岩体(岩石)的破碎程度增加、结构松软、应力降低，声波会相应产生波速降低、振幅减小、波形变坏、频谱中的主频向低端移动。

声波的传播规律与岩体力学指标之间的关系主要表现在：

(1)岩体的弹性模量与声波在其中的传播速度有密切的数学关系，岩体的拉伸及压缩变形主要是依靠纵波表现的，能客观的反映岩体的强度、变形等物理力学特点；

(2)由于岩体的机构不均匀性使得声波在传播过程中产生非常复杂的变化，波动过程也千变万化。声波在岩体中传播引起裂隙面效应，更甚者会产生严重的声波绕射现象；岩体中的结构面会使声波的波速变慢，波形产生奇异等现象。影响岩体工程特性本质的因素主要是其中存在结构面的变化；

(3)声波在岩体中的传播速度与其围压有一定的关系，这是通过大量的室内试验所得到的结果，随着岩石所受到的压力的增大，声波的传播速度也会随之增大，但岩体达到极限压力而发生破坏后，其波速也会相应减小；

(4)随着岩体的抗压强度的增大，声波的传播速度也会增大，两者之间有良好的相关性。

在实际中，测试岩石和矿物弹性波速的方法主要有声波脉冲透射法和反射法两种。

(1)脉冲透射法：

脉冲透射法测量弹性波速的基本原理是测量实验样品的长度和超声波穿过实验样品所用的时间，用实验样品长度除以时间得到超声波通过实验样品的弹性波速度。

超声波在样品中的走时为总的走时减去上下顶砧的走时(系统基时)，而顶砧的走时在实验前可以测量到；样品的长度等于样品的初始长度减去被压缩的长度，而被压缩的长度由HEL-电杆位移计测量，其长度测量精度为0.01mm，岩石的波速可表示为：

V＝L/t。

(2)脉冲反射法：

超声波脉冲反射法测量弹性波速的基本原理是由超声波探头发射脉冲波，当脉冲波遇到障碍物的两个边界时发生反射，反射波被同一个换能器接收，通过示波器记录两次反射波的时间差，以实验样品长度除以时间得到超声波通过实验样品的弹性波速度：

V＝2L/t

其中，t为超声波通过岩石上下界面的时间差。

由于天然岩石由多种矿物质组成，常含有微裂隙，声波衰减比较大。因此常用脉冲透射法测量岩石的弹性波速。

以下对动态弹性模量、泊松比测试进行说明：

所述动态弹性模量、泊松比测试的实验原理可以采用如下公式进行表征：

${\mathrm{\μ}}_s=\frac{{\mathrm{\Δt}}_s^2-2{\mathrm{\Δt}}_p^2}{2({\mathrm{\Δt}}_s^2-{\mathrm{\Δt}}_p^2)}=\frac{v_p^2-{2v}_s^2}{2(v_p^2-v_s^2)}$

$E={\mathrm{\ρv}}_s^2\frac{3{\left(\frac{v_p}{v_s}\right)}^2-4}{{\left(\frac{v_p}{v_s}\right)}^2-1}$

其中，E为岩石的杨氏模量；ρ为岩石的密度，g/cm³；F为试验岩样所受的力；S为岩样的截面积；△L为岩样在受力方向的伸长量(或缩短量)；L为岩样在受力方向上的原长；V_S为岩样的横波速度，m/s；Vp是岩样的纵波速度，m/s；μs为岩样的泊松比；Δε₁为岩样的轴向应变增量；Δε₂为岩样的横向应变增量；△t_S为岩样的横波时差，μ_S/m；△t_P为岩样的纵波时差。纵波传播速度定义为在固体、液体、气体中由于涨-缩变形而产生的弹性波传播速度；横波传播速度定义为在固定中，由于剪切形变而产生的弹性波的传播速度；

由上可知，只需测量岩石密度、纵横波速即可计算得到动态弹性模量、泊松比。

以下对实验室静态力学参数试验进行说明：

静态岩石试验结果是多种岩石试验的基础。目前最长用的静态岩石试验方法有岩石单轴压缩试验、岩石三轴抗压试验等。

一、岩石单轴压缩试验

单轴压缩试验，也称无侧向围压压缩试验，是最常用的岩石强度试验。试验的试样通常为圆柱体，为了减少端部效应的影响，长度和直径的比值一般为2～3。试验用的压力机，要能连续加载而没有冲击，能在总吨位10％～90％的范围内进行试验。测定试样变形，要用精度和量距均能满足要求的测量仪表。在标准的室内压缩试验中，岩心通常是经过加工并置于试验机的十字头和工作台之间进行压缩试验的。试件所受围压为零，试验采用每秒5～8公斤每平方厘米的加载速度加压，直至破坏为止。轴向加载系连续加载，通过测量轴向应力及轴向和径向变形，研究岩石的力学性质。

二、岩石三轴抗压试验

深层的岩石处于各向异性应力场中，即受到三轴应力作用。在石油钻井或开采过程中，井眼或生产射孔附近的剪切应力值增加。如果井壁是可渗透的，则在井眼或孔隙壁上的有效主应力中会有一个有效主应力分量为零。而当有泥饼堵塞流体使之无法穿越井眼或孔隙壁时，这个值会稍高一些。单轴抗压强度σC是描述井壁稳定的重要的强度参数。为了更好的评估井眼或孔隙结构的稳定性，必须了解岩石的力学性能和强度特性是如何随着外荷载变化而变化的。

根据上述动态力学参数试验和静态力学参数试验可获得动静差异的围观机理如下：

动、静态载荷应变幅值和载荷频率不同，静态属于无限低频率的大应变(10^-5～10^-3)载荷；动态测试为高频率的小应变，声波为小应变载荷，其典型的频率范围：地震勘探约几十赫兹，声波测井10～20KHz，室内超声波测试0.5～1.0MHz。地震所产生的应变的典型值为10^-6。正是由于动、静态载荷的这种差别，才使得岩石对动、静态载荷的响应不同，其动、静态弹性参数也不同。

钢铁、铝、有机玻璃等均值材料的动、静态弹性参数基本相同。岩石的动、静态弹性参数之所以存在差别，是由于岩石材料本身的固有特征引起的。岩石为多相复合介质，岩石内分布着微裂隙，微裂隙内部存在流体，这正是岩石动、静态弹性参数差别的内在原因。

对此，本专利发明人进行了动静测量差异实验设计。通过对原有实验装置进行了改装，建立了一套岩石动、静态弹性参数同步测试装置。测试岩样装在高压釜内，并用耐油橡胶套密封，用压力机施加油压，用手摇泵提供围压，液压稳压源给岩样提供稳定的孔隙压力。用岩样轴向两端面的超声波换能器测定纵、横波在岩样中的传播速度，换算后得到动态杨氏模量和泊松比。超声换能器的纵波谐振频率为850KHz，横波为450KHz，换能器与岩样间用锡箔纸耦合。岩样表面的电阻应变片用于测量岩样加载过程中的变形，通过计算可能可得到岩石的静态杨氏模量和泊松比。运用HP3054A数据采集及控制系统，使整个测定过程完全在计算机实时监控下完成。影响岩石力学特性的因素较多，实验结果通常会出现一定的偏差。将较少数据点的实验结果用于实验分析可能会引起较大的波动。因此，应采用大量的实验数据进行回归分析来活的较有代表性的结果。

实验所用的岩样是以延长油田的砂岩岩心用金刚石钻头在室内钻取并在车床上加工而成的，其直径为53mm，其两端面在磨床和砂纸上磨平、磨光，使得岩样的尺寸、外表面的光洁度、两端面的光洁度和平行度都达到国际掩饰力学学会(ISRM)对岩石静态和动态的测试要求。

在实验前，测量试验岩心的长度L(mm)，直径D₂(mm)，质量W(g)和声波测试系统的纵、横波延迟时间T_po，T_so(μs)，并用有机玻璃样品作为标准件，对动态测试系统进行了一次测试。通过测试有机玻璃样品的纵波速度为2760m/s，横波速度为1390m/s，这些结果和岩石声学测试提供的实验数据的偏差在5％之内，证明了动态测试数据可靠。在对岩样进行正式测试之前，先预压了三个应力周期，基本上消除了应力滞后的影响。

为了表示动静测试方法对岩石力学参数的影响，引入岩石力学参数动静差异比的概念。岩石力学参数动静差异比：

$E_c=\frac{E_d-E_s}{E_s}$

${\mathrm{\μ}}_c=\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}$

其中，E_c为杨氏模量动静差异比；E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_c为泊松比动静差异比；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比。

以下对岩体力学参数的影响因素进行说明：

油气藏岩体的力学性质受到多方面因素的影响，归结起来大致可以分为两类：一是岩石的固有属性，如岩石的矿物成分、结构、构造、孔隙度等；二是岩石所处的外部环境，如温度、围压、孔隙压力和孔隙中饱和的多相流体等。

一、岩体力学性质内部影响因素

油气藏岩体的力学性质受到多方面因素的影响，归结起来大致可以分为两类：一是岩石的固有属性，如岩石的矿物成分、结构、构造、孔隙度等；二是岩石所处的外部环境，如温度、围压、孔隙压力和孔隙中饱和的多相流体等。通过分析岩石力学参数随这些影响因素的变化规律，就能根据地面观测到的地震波和室内的岩石力学实验反演出地下深处油气藏的弹性特征(如弹性模量、泊松比)、热力学环境(温度和围压)、岩石的微构造(孔隙、裂纹等)及流体状态(流体饱和度、孔隙压力)等。

(一)岩石成分特征参数：

岩石成分包括岩石颗粒和填隙物。岩石成分是体现岩石力学性质的本体内因，是不同材料的主体。岩石是由矿物组成的，岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接的影响。比如辉长石的比重比花岗岩大，因为辉长石的主要矿物成分是辉石和角闪石，其比重比构成花岗石的石英和正长石大；石英岩的抗压强度比大理岩要高得多，是因为石英的强度比方解石高的缘故。可见，尽管岩类相同，结构和构造也相同，但如果矿物成分不同，岩石的物理力学性质也会呈现明显的差别，但也不能简单地认为，含有高强度矿物的岩石强度就一定高。岩石受力后，如果其中强度较高的矿物在岩石中互不接触，则应力传递将会受到中间低强度矿物的影响，岩石就不一定能显示出高的强度，只有当矿物分布均匀，高强度矿物在岩石的结构中形成牢固的骨架时，才能起到提高岩石强度的作用。

(1)岩石颗粒：

沉积岩颗粒主要包括石英、长石和岩屑等。石英在碎屑岩中最常见的、最重要的碎屑组分，石英砂是一种坚硬、耐磨的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO₂。其物理性质和化学性质均十分稳定。成分成熟度与结构成熟度都比较高，石英在成岩过程中会发生各种变化，包括石英次生加大、溶蚀、交代与溶解现象以及应力变形-波状消光和脆性破裂。

长石是含钙、钠和钾的铝硅酸盐类造岩矿物，是长石族矿物的总称。长石在地壳中比例高达60％，在火成岩、变质岩、沉积岩中都可出现。长石是几乎所有火成岩的主要矿物成分，长石的硬度波动于6-6.5，比重波动于2-2.5，性脆，有较高的抗压强度，对酸有较强的化学稳定性。主要有钾长石、钠长石、钙长石、钡长石、钡冰长石、微斜长石、正长石、透长石等。它们都具有玻璃光泽，颜色多种多样，有无色的，有白色、黄色、粉红色、绿色、灰色、黑色等。长石组份主要是钾长石和酸性斜长石，基性斜长石很少见，长石砂岩的成分成熟度和结构成熟度均较低，但是长石在成岩阶段会会产生大量次生孔隙，因此对岩石的稳定性有影响，易变形与破坏。在成岩过程中长石也会发生次生加大、溶蚀、交代溶解以及塑性脆性变形。

岩屑是母岩岩石的碎块，是保持母岩结构的矿物集合体。燧石岩、中酸性岩的岩屑分布最广，但是沉积岩、化学岩也能形成岩屑。岩屑成分不同，成分成熟度有显著差别。其稳定性远比石英差，其中火山岩岩屑容易分解；富含片理的片岩即千枚岩岩屑经成岩压实易于变形；一些盆内碎屑，如碳酸盐砂屑、鲕粒以及泥屑等软质岩屑，在成岩过程中会被压弯、压扁、压断，甚至被压碎形成假杂基。碳酸盐砂屑在弱酸性介质作用下易于溶解，形成大量次生孔隙，因此其力学性质在成岩过程中是动态变化的。

岩石的矿物组成、颗粒粒度、分选、排列、磨圆度等因对油气藏储集层的物性与含油性有直接影响，同时也决定了岩体的强度与应力特征。对于特定的含油气盆地，在成岩作用、孔隙结构、填隙物和胶结物、胶结类型、胶结程度及流体性质相近的条件下，岩石骨架矿物成分对力学性质具有较大的影响。本专利发明人选取延长油田延长组的部分岩心，对不同岩心的矿物成分及其力学性质进行了力学实验和X衍射全岩分析研究，分析了矿物含量与岩石力学性质之间的关系。X衍射是X-RayDiffraction的缩写，是通过对岩样进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得岩样的成分、内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

选取4块延长油田延长组同一层位的四块岩心，四块岩心均为泥质胶结，均从水平方向取样，保证其孔隙层理结构类似。岩石是由多种矿物成分组成的，每种矿物的含量都会在一定程度上影响岩石的力学性质。本次X衍射识别出的矿物有将近20种，仅长石就包括四种类型(钙长石、钠长石、钾长石和微斜长石)，为了便于分析，采用了一个简化方法，将性质相似的矿物归类，从而将矿物类型分为石英、长石、粘土矿物和其它矿物(含量较少，主要是方解石、黑云母等)。

例如，一种测试岩样岩石力学参数与组成矿物成分表的示例如下：

在数据表的基础之上，对岩石矿物进行归类，并做了矿物含量和岩石力学性质的交汇曲线，具体可以参考图6所示的岩石力学性质与矿物含量交汇曲线示意图，从图6中可以看出，随着石英含量的增加，岩石的杨氏模量值有上升的趋势；而随着长石含量的增加，杨氏模量逐渐下降。粘土矿物含量和其它矿物含量与杨氏模量之间没有明显的相关关系；泊松比的值主要受到粘土矿物的含量，数据分析表明，随着粘土矿物含量的增加，泊松比值逐渐降低。Biot系数与岩石的矿物含量关系不明显(相关性最高的是Biot系数与粘土矿物含量)，Biot系数与矿物含量的交汇曲线表明Biot系数与粘土矿物含量基本上呈正相关，但也有局部的异常点，分析结果表明影响岩石Biot系数的因素可能有多个，造成其与矿物含量相关性较差。

(2)填隙物：

填隙物主要包括粘土矿物和胶结物。粘土矿物是碎屑岩的重要组份。粘土矿物是组成粘土岩和土壤的主要矿物。它们是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物。除海泡石、坡缕石具链层状结构外，其余均具层状结构。颗粒极细，一般小于0.01毫米。加水后具有不同程度的可塑性。粘土矿物按成因可分为他生(陆源)和自生的两类，陆源粘土矿物是来源于母岩的继承性组份；自生粘土矿物是指在沉积-成岩阶段以化学沉淀方式形成的粘土胶结物，常见的有高岭石、蒙脱石、伊利石与绿泥石。从结构上看，自生粘土矿物可呈薄膜状或介壳状包围碎屑岩颗粒，其中蒙皂石和伊蒙混层粘土与水膨胀性强，易变性，稳定性差，尤其是在钻井过程中，影响井壁的稳定性，在注水开发过程中粘土膨胀会使渗透率下降。粘土对地震特性的影响取决于粘土质点在岩石内的位置，统计上具有较高粘土含量的岩石有较低的地震特性和较高的Vp/Vs。

胶结物指成岩期在岩石颗粒之间及碎屑颗粒和基质之外起粘结作用的化学沉淀物。胶结物的成份是非常复杂的，主要胶结物为硅质(石英、玉髓等)、碳酸盐矿物(方解石、白云石等)，其次是铁质(赤铁矿、褐铁矿等)，有时可见硫酸盐矿物(石膏、硬石膏等)、沸石类矿物(方沸石、浊沸石等)、粘土矿物(高岭石、水云母、绿泥石等)。胶结物常以孔隙衬垫物的形式占据孔隙空间，在碎屑岩中含量一般不超过50％，它对碎屑颗粒起胶结作用，使其变成坚硬的岩石。

胶结物通过胶结作用固定岩石颗粒。胶结作用是指从孔隙溶液中沉淀出矿物质(胶结物)，将疏松的沉积物固结起来的作用，它对岩石的弹性力学特征起着控制作用。胶结物的类型直接影响胶结程度，从而影响岩石力学性质，硅钙质胶结物胶结强度高，岩石强度大。本专利发明人选取延长油田延长组的部分岩心，对不同胶结成因岩石的力学性质进行了实验研究。具体可以参考如图7所示的岩样杨氏模量与石英含量柱状图，由图7可知，虽然钙质胶结岩石的石英含量较低(9.25％)，但是由于其胶结类型为钙质胶结，胶结物强度高，因此该岩样的杨氏模量大于其它四种岩样(泥质胶结，胶结强度低)。

(二)岩石结构特征参数：

岩石的结构特征是影响岩石物理力学性质的重要因素。根据岩石的结构特征，可将岩石分为两类：结晶岩类，如大部分的岩浆岩、变质岩和碳酸盐岩类；另一类为胶结物成岩的岩石，如沉积岩中的碎屑岩等。

结晶成岩是由岩浆或溶液中结晶，以及重结晶形成。矿物晶体靠直接接触产生的力牢固地联结在一起，结合力强。结晶成岩的岩石孔隙度小、结构致密、吸水率变化小，比胶结成岩的岩石具有更高的强度和稳定性。但就结晶成岩来讲，结晶晶粒的大小对岩石的强度有明显影响，如粗粒花岗岩的抗压强度一般在118～137MPa之间，而细粒花岗岩有的则可达196～245MPa；又如大理岩的抗压强度一般在79～118MPa之间，而最坚固的石灰岩则可196MPa左右，甚至可达255MPa。说明矿物成分和结构类型相同的岩石，矿物结晶晶粒的大小对其强度的影响是十分明显的。

例如，一种不同结构岩石的岩石力学参数表的示例如下：

由上表可知，结晶类成因的岩石的杨氏模量和泊松比的值普遍高于胶结物成岩的岩石。

(三)岩石构造特征参数：

岩石中不同矿物集合体之间、岩石的各个组成部分之间或矿物集合体与岩石其他组成部分之间的相互关系，称为岩石构造。也有人认为岩石的构造应是组成岩石的矿物集合体的形状、大小和空间的相互关系及充填方式，即这些矿物集合体的组合的几何学的特征。例如，片麻构造、块状构造、流纹构造、枕状构造、气孔状构造、晶洞构造等。

岩石的构造对其物理力学性质的影响，主要是由岩石各组成部分的空间分布及其相互间的排列关系所决定的。如当岩石具有片状构造、板状构造、千枚状构造、片麻状构造，以及流纹状构造时，其矿物成分在岩石中分布极不均匀。一些强度低、易风化的矿物，多沿一定方向富集成条带状分布，或者成为局部的聚集体，而使岩石的物理力学性质沿一定方向或局部发生很大变化。岩石受力破坏和岩石遭受风化，首先都是从岩石的这些缺陷开始发生的。另一种情况是，不同的矿物成分虽然在岩石中的分布是均匀的，但由于存在着层理、裂隙和各种成因的孔隙，而使岩石的力学性质在不同的方向上呈现明显的差异。

本专利发明人运用CT扫描的方法对岩样的层理结构和孔隙裂缝特征进行了研究。CT是计算机断层成像技术(Computed Tomography)的简称，是1972年由英国Hounsfield最早提出并设计出。到了80年代后期，CT技术开始被应用于油气藏研究，并发展成为研究储层多孔介质特性的重要工具。应用CT扫描成像技术，能够在不改变岩心外部形态和内部结构的前提下，观测到岩心的内部孔隙结构，对岩心孔隙度分布进行定量表征，为研究低渗透储层的渗流机理提供依据。

本专利发明人选取垂直层理方向和水平层理方向分别取样，并对两个互相垂直方向的岩样的物性力学性质进行了测试。获得不同方向取样岩心的力学参数表如下所示：

岩石类型

方向

孔隙度

杨氏模量

泊松比

Biot系数

		(％)	(Gpa)
						中粒钙质长石砂岩	水平	3.99	30.2543	0.333	0.682
中粒钙质长石砂岩	垂直	9.01	15.1808	0.331	0.789
						细粒岩屑长石砂岩	水平	1.44	26.0496	0.335	0.683
细粒岩屑长石砂岩	垂直	1.90	19.223	0.316	0.788
						粗粒岩屑长石砂岩	水平	12.54	16.1199	0.344	0.781
粗粒岩屑长石砂岩	垂直	14.92	14.4766	0.239	0.833
						中细粒长石砂岩	水平	7.53	25.0345	0.375	0.674
中细粒长石砂岩	垂直	15.27	22.541	0.346	0.703
						中粒长石砂岩	水平	4.60	23.1548	0.378	0.661
中粒长石砂岩	垂直	8.52	19.6634	0.288	0.706

从上表可知，水平方向所取岩样的孔隙度大于垂直方向岩样的孔隙度，杨氏模量和泊松比的值也大于垂直方向的值。

(四)岩石孔隙裂缝特征参数：

岩石中是存在孔隙的，孔隙按其形状可以分裂缝/裂隙(crack)和孔洞(pore)；按成因和时间顺序划分为：原生孔隙裂缝和次生孔隙裂缝。岩石的孔隙裂缝特征受到吼道特征、内壁粗糙程度、岩石颗粒大小、颗粒分选和压实等因素的影响。

孔隙在岩石中所占的体积很小，却对岩石性质的影响很大(当存在裂缝和裂缝被压实时，岩石的体积模量能够相差到5倍)。本专利发明人利用恒速压汞和岩石力学测试相结合的方法，对岩石力学参数与空隙裂缝特征之间的关系进行了研究，结果表明，随着孔隙裂缝空间的增大，岩石的杨氏模量和泊松比的值逐渐降低。

二、岩体力学性质外部影响因素：

油气藏岩体的力学性质受到的外部影响因素，包括温度、围压、孔隙压力和孔隙中饱和的多相流体等。如果能够理解岩石力学参数随这些影响因素的变化规律，就能根据地面观测到的地震波和室内的岩石力学实验反演出地下深处油气藏的弹性特征(如弹性模量、泊松比)、热力学环境(温度和围压)及流体状态(流体饱和度、孔隙压力)等，从而为油气藏的高效勘探和合理开发提供重要的基础资料。

本专利发明人采用单变量研究的方法，改变单一变量的值，同时将其它变量的值保持在地层油气藏的范围，通过记录岩石力学参数随单一变量的变化规律；同时对实验仪器进行改装，保证岩石力学实验时，动静测试同步进行；另外对一种岩石样品，进行了垂直方向和水平方向的分别取样，对岩石力学参数的各向异性进行了分析。在此基础之上，本章对影响岩石力学参数以及其动静差异、各向异性的外部因素进行了定量分析，并给出了动静校正的关系式。

(一)温度特征参数：

油气藏处于地层深处的高温环境下，由于无法对地球深部的物质进行直接观察，目前主要依靠地球物理学的方法反演地球深部的构造，而反演结果的不唯一性对解释地下实际构造造成了很大的不便。因此，通过在不同温度条件下对岩石的力学性质进行实验研究，得到岩石力学参数随温度的变化规律，可以为地球物理反演结果的合理解释提供了可靠的约束条件和理论依据。

同时，常规油藏的注水开发和稠油油藏的注气开发过程中，由于注入介质的温度和油藏的温度差异很大，经过多年开发后，油藏的温度发生了改变，这也造成了油藏岩体力学性质的改变，研究温度对岩体力学性质的影响，有利于油田开发后期的套管保护和剩余油研究。

对此，本专利发明人选取5组岩样进行实验，每组岩样包括两个平行样品，一个是水平方向取样，一个是垂直方向取样。试验中，对样品进行动静同时测量，岩石的杨氏模量、泊松比和Biot系数，是在保持围压、孔隙压力和流体饱和度不变，改变温度条件下测量计算得到的；围压、孔隙压力和含油含水饱和度选取油藏实际数据，分别为20Mpa、10Mpa、50％、50％，温度变化范围为30-165℃，每隔15℃测量一次岩石力学参数。

获得了如下实验结果：随着温度的增加，杨氏模量和泊松比的值逐渐降低；随着温度的增加，Biot系数逐渐升高；不同岩性的岩石力学性质随温度增加变化趋势一致，但幅度不同。将各种岩石力学性质随温度变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，钙质胶结的岩石的杨氏模量随温度变化幅度比泥质胶结的岩石小，但是其泊松比和Biot系数变化幅度与泥质胶结岩石类似；各种岩性变化幅度趋势与其孔隙裂缝密度相关性较好，但也不是完全对应，表明温度升高时，岩石力学性质的改变受到多方面因素的影响，孔隙裂缝密度可能是主要影响因素。在此分析基础之上，对岩石力学性质与孔隙裂缝密度之间的理论关系和岩石孔隙裂缝密度随温度增加而发生的变化进行了观察分析。

a.温度对岩石裂缝孔隙密度的影响

将岩样装入三轴压力室后，施加轴压与围压到设定值。然后逐渐加温，在三轴压力室上部和下部分别安设4个声发射传感器。声发射记录仪实时检测各个温度段的岩石破裂声发射信号。声发射信号包含声发射事件数、能量、持续时间、振幅等参量。每秒记录300次声发射信号，其数据量巨大，为方便分析，将声发射信号按秒平均，再绘制温度-声发射时间图。

图8为从30-150度温度段在高温三轴应力条件下细砂岩声发射事件计数率，由图8可知：(1)在35℃-40℃处，出现声学记录，但次数较少，说明此段岩石出现了个别的热破裂事件；在60℃附近声学记录连续出现，说明此段岩石破裂已经比较活跃；(2)在110℃-135℃的温度区间时，声发射事件相对平静；(3)在135℃-150℃的温度区间时，声学记录连续出现，说明此段岩石发生了更为剧烈的热破裂。

岩石在升温过程中，经历了多个热破裂的剧烈期，其声发射事件数、持续时间、能量等呈现出几个峰值区域。加热温度时，试样内部水分在大量蒸发过程中沿裂隙向岩体外面渗透溢出，从而使孔隙裂缝加宽加长。同时，高温的作用使得试样内颗粒体积膨胀，也使得试样内部裂隙增多。随着温度的升高，岩石的孔隙密度逐渐增大。

b.岩石裂缝孔隙密度对岩石力学性质的影响

根据损伤力学的理论，从温度对岩石孔隙和裂缝密度的影响的角度出发，对温度对岩石力学性质的影响进行了分析。

(b1)温度对杨氏模量的影响

根据损伤力学的理论，可以得出：

$\frac{E^{,}}{E}=1+\frac{16}{45}\frac{(1-{\mathrm{\μ}}^2)(10-3\mathrm{\μ})}{2-\mathrm{\μ}}f$

式中，E’为含裂纹的岩石颗粒的有效弹性模量；E为岩石的杨氏模量；μ为岩石颗粒的泊松比；f为微裂纹密度。

由上式可得，随着裂纹密度的增加，岩石的杨氏模量值减小；反之，随着裂纹密度的减小，岩石的有效模量提高。随着温度的升高，岩石的孔隙裂缝密度增加，岩石的杨氏模量逐渐减小。

(b2)温度对泊松比的影响

含裂纹岩石的泊松比μ'与岩石的裂纹密度ε有以下关系：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{16}{45}\frac{{\mathrm{\μ}}^{\′}+2}{(1-\mathrm{\ξ})(1+3\mathrm{\μ})-\frac{1}{2-4\mathrm{\μ}}}$

式中，ε为裂纹的密度，μ是不含裂纹的结晶质基体的泊松比，ξ是裂纹的含液饱和度，μ'是含裂纹岩石的泊松比。

本次实验采用的是单变量研究方法，因此温度试验中，岩样的含液饱和度保持不变，因此ξ是定值，由上式可知，岩石的泊松比和裂纹密度成正比。随着温度的升高，岩石的孔隙裂缝密度增加，岩石的泊松比逐渐减小。

(b3)温度对Biot系数的影响

由Biot系数的定义可知：

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}$

式中，B为孔隙弹性系数，简称为Biot系数，K_dry为干燥岩石的体积模量(体积压缩系数)，Ks为组成岩石的矿物的体积模量(固体的颗粒压缩系数)。

随着裂纹密度的减小，干燥岩石的体积模量的值越来越接近，则Biot系数的值越来越小。随着温度的升高，岩石的孔隙裂缝密度增加，岩石的Biot系数逐渐增大。

综合对岩石加温过程中现象的观察，本专利发明人认为加温过程中岩石出现破裂引起岩石裂缝孔隙体积增大是造成岩石力学性质发生变化的根本原因。随着温度的增加，试样内部水分在大量蒸发过程中寻求裂隙向岩体外面渗透溢出，从而使孔隙加宽加长。同时，高温的作用使得试样内颗粒体积膨胀，也使得试样内部裂隙增多。随着温度的升高，岩石的孔隙密度逐渐增大。随着温度的增加，岩石的孔隙裂缝密度增大，从而造成岩石的杨氏模量和泊松比的值变小，Biot系数的值增加。

根据岩石动静差异随温度的变化曲线可知，岩石的杨氏模量和泊松比的动静差异比逐渐增大；不同岩性的岩石力学性质随温度增加变化趋势一致，但幅度不同。将各种岩石力学性质随温度变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，不同岩性动静差异幅度与矿物含量、胶结物以及孔隙裂缝密度、结构的相关性都较差。根据动静差异的微观机理(动态是高频—小位移，静态是低频—大位移)，孔隙裂缝应该是影响动静差异的主要原因，但是从本次试验的结果来看，动静差异比随温度增加(孔隙裂缝密度增加)而增加，这点与动静差异的围观机理相吻合，但不同岩性的变化幅度与相应的孔隙裂缝结构吻合效果不好，这说明影响岩石动静差异幅度的原因可能更为复杂(比如温度变化过程中，岩石的波速等性质都会发生变化等)。

岩石力学参数动静差异比与温度之间满足二项式的关系，即

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={\mathrm{aT}}^2+\mathrm{bT}+C$

$\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}={\mathrm{mT}}^2+\mathrm{nT}+k$

式中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；T为温度；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数。本专利发明人统计的五种岩样的回归公式如下表所示：

其中，R²为相关系数。

(2)围压特征参数：

油气藏岩体处于较高的围压之下，在大气条件下所测得的泊松比值并不适用于地下岩层的情况，岩石的力学性质对着围压的改变而发生较大的变化，这一现象已经为许多实验岩石力学工作者所发现，但是随着围压的增加或降低，岩石力学性质的变化规律目前还没有一个较清晰的阐述。

本专利发明人通过选取5组岩样进行实验，每组岩样包括两个平行样品，一个是水平方向取样，一个是垂直方向取样。试验中，对样品进行动静同时测量，岩石的杨氏模量、泊松比和Biot系数，是在保持温度、孔隙压力和含油含水饱和度不变，改变围压条件下测量计算得到的；温度、孔隙压力和流体饱和度选取油藏实际数据，分别为40℃、10Mpa、50％、50％，围压变化范围为20-90Mpa，每个10Mpa测量一次岩石力学参数。

获得如下实验结果：随着围压的增加，杨氏模量和泊松比的值逐渐增大，Biot系数逐渐降低；不同岩性的岩石力学性质随温度增加变化趋势一致，但幅度不同。将各种岩石力学性质随围压变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，钙质胶结的岩石的杨氏模量、泊松比和Biot系数随围压变化幅度比泥质胶结的岩石小。各种岩性变化幅度趋势与其孔隙裂缝密度相关性良好，变化趋势几乎吻合；与矿物成分的相关性较差。对比分析结果表明，围压升高时，岩石力学性质的改变主要受到孔隙裂缝密度的影响。在此分析基础之上，对围压增大过程中，岩石孔隙裂缝密度的变化进行了观察。

随着围压的不断增加，岩石中的微裂缝不断闭合。在围压增加导致裂纹闭合的过程中，接触面的凹凸不平使得微裂纹不规则地闭合。在围压增加导致裂纹闭合的过程中，接触面的凹凸不平使得微裂纹不规则地闭合，一个微裂纹可以变成数个，微裂纹的长度剧烈地减小，而其宽度缓慢减小。在低围压作用下裂纹逐渐闭合，但其几何形状的变化不大。当围压超过一定值以后，微裂纹形状变化比较明显，逐渐变得扁平、直至闭合。随着围压的增加，裂缝宽度变小甚至闭合，岩石的裂缝密度变小，岩石变得更加致密。

随着裂缝密度的减小，岩石的杨氏模量、泊松比值逐渐增加，Biot系数值减小。随着围压的增加，岩石的孔隙裂缝逐渐缩小或者闭合，因此，对于岩石力学参数影响方面，随着围压的增加，岩石的杨氏模量、泊松比的值增大，Biot系数的值变小。

随着围压的增加，岩石的杨氏模量和泊松比的动静差异比逐渐减小，不同岩性的岩石力学性质随围压增加变化趋势一致，但幅度不同。将各种岩石力学性质随温度变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，不同岩性动静差异幅度与矿物含量、胶结物以及孔隙裂缝密度、结构的相关性都较差；同一种岩性在杨氏模量变化幅度较小的情况下可能有较大的泊松比变化幅度。根据动静差异的微观机理(动态是高频—小位移，静态是低频—大位移)，孔隙裂缝应该是影响动静差异的主要原因，但是从本次试验的结果来看，动静差异比随围压增加(孔隙裂缝密度减小)而减小，这点与动静差异的围观机理相吻合，但不同岩性的变化幅度与相应的孔隙裂缝结构吻合效果不好，这说明影响岩石动静差异幅度的原因较为复杂。岩石力学参数动静差异比与围压之间满足二项式的关系，即：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={{\mathrm{aP}}_c}^2+{\mathrm{bP}}_c+C$

$\frac{{\mathrm{\μ}}_d-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}={{\mathrm{mP}}_c}^2+{\mathrm{nP}}_c+k$

式中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_c为围压；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数。本文统计的五种岩样的回归公式如下表所示：

其中，R²为相关系数。

(3)孔隙流体特征参数：

油气藏岩体是是多孔介质，其间可充填水、气或油等流体。流体的存在会影响岩石的地震参数特性，使速度、衰减等波场特征随着岩石流体饱和度的变化而发生变化。同时油田生产过程中油的采出和水的注入也会导致岩石力学性质发生变化，导致出现大量的套管损坏。因此研究岩石孔隙流体含量变化对岩石物性的影响，对油气勘探中储层特性的认识和地震资料的分析都具有重要的意义。

本专利发明人通过选取5组岩样进行实验，每组岩样包括两个平行样品，一个是水平方向取样，一个是垂直方向取样。试验中，对样品进行动静同时测量，岩石的杨氏模量、泊松比和Biot系数，是在保持温度、孔隙压力和含油含水饱和度不变，改变围压条件下测量计算得到的；温度、孔隙压力和流体饱和度选取油藏实际数据，分别为40℃、10Mpa、50％、50％，围压变化范围为20-90Mpa，每个10Mpa测量一次岩石力学参数。

获得如下实验结果：随着流体饱和度(含油或含水)的增加，杨氏模量、泊松比和Biot系数都逐渐增大，不同岩性的岩石力学性质随温度增加变化趋势一致，但幅度不同；同时，不同流体类型(含油和含水)，其变化幅度也有差异。岩石力学性质随流体饱和度的变化趋势与围压、温度以及孔隙压力都不同。将各种岩石力学性质随流体的变化幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，各种岩性变化幅度趋势与这些影响因素的相关性都较差，吻合程度最高的是孔隙裂缝结构。分析结果表明，流体饱和度对岩石力学性质的影响机理较其它三种因素来说更为复杂。在此分析基础之上，对流体饱和度增大过程中，岩石的力学性质变化进行了分析。

对于干燥的岩石的来说，岩石处于“不排液状态”，根据Hadizadeh.J理论，则可得此时岩石的压缩系数β和剪切模量G分别为：

β＝β_eff＝β_s-dη/dP

G＝G_eff

式中，β_eff为干燥岩石的压缩系数；G_eff为干燥岩石的剪切模量；β_s为岩石基质压缩系数；η为岩石孔隙度；_P为岩石孔隙水压。

对于完全饱和流体的岩石的来说，岩石处于“排液状态”，在排水情况下的压缩系数β和剪切模量G分别为：

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}}+\frac{{({\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\β}}_s)}^2}{\mathrm{\η}{({\mathrm{\β}}_P-{\mathrm{\β}}_s)}^2+(1-\mathrm{\η}){({\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\β}}_s)}^2}$

G＝G_eff

对于天然岩石来说，岩石的流体饱和度可能处于0-1之间，也就是岩石在受到压力时，可能同时出现“排液”和“不排液”两种情况。因此，为了真实描述流体对岩石变形特性的影响，引进岩石孔隙平均排液系数，其含义就是岩石排液孔隙的总体积与岩石孔隙总体积的比率，其值等于岩石的吸液率，即含液饱和度。则天然岩石的压缩系数β和剪切模量G为：

$\mathrm{\β}={\mathrm{\α\β}}_{\mathrm{eff}}+(1-\mathrm{\α})\·({\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}}+\frac{{({\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\β}}_s)}^2}{\mathrm{\η}{({\mathrm{\β}}_P-{\mathrm{\β}}_s)}^2+(1-\mathrm{\η}){({\mathrm{\β}}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\β}}_s)}^2})$

G＝G_eff

由上式可得：

$\frac{\mathrm{d\&beta;}}{\mathrm{d\&alpha;}}=-\frac{{({\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\&beta;}}_s)}^2}{\mathrm{\&eta;}{({\mathrm{\&beta;}}_P-{\mathrm{\&beta;}}_s)}^2+(1-\mathrm{\&eta;}){({\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{eff}}-{\mathrm{\&beta;}}_s)}^2})<0$

所以岩石压缩系数β随着含液饱和度的增大而降低。岩石的杨氏模量、泊松比与压缩系数、剪切模量之间关系为：

μ＝(3-2βG)/(6+2βG)＝9/(6+2βG)-1

E＝9G/(3+Gβ)

由上式可得，μ，E与β成反比，即与含液饱和度α成正比，即随着含液饱和度的增大，μ，E也随之增大。由上可知，孔隙流体的存在增加了岩石的有效体积模量，由于流体的剪切模量为0，所以饱含流体后，岩石的剪切模量保持不变，因此岩石的泊松比和杨氏模量值变大。

含液饱和度对Biot系数的影响：

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}=1-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}}{\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s-{\mathrm{\&Delta;V}}_f}}=1-\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_s-{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}=\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}$

${\mathrm{\&Delta;V}}_s=\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{K}$

$K=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}$

由以上三式可以得知

$B=\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{\mathrm{\&Delta;P}\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}}$

由上式可知，所以B和β值成反比，因为β和流体饱和度成反比，所以B和含液饱和度成正比。随着含液饱和度的增大，岩石的Biot系数增大。

从理论上分析来看，流体饱和度的增加直接影响岩石的力学性质，不需要通过其它国有内在属性来改变岩石力学性质，本专利发明人分析认为，流体饱和岩石以后，岩石由原来的固相变成了一种流固耦合的“新材料”，流体变成了“新材料”的一部分，因此其对岩石力学性质的影响更为直接。

由岩石动静差异随流体饱和度的变化可知，随着流体饱和度的增加，岩石的杨氏模量和泊松比的动静差异比逐渐减小；不同岩性的岩石力学性质随围压增加变化趋势一致，但幅度不同。同一岩性但流体类型不同时，其变化幅度也有差异。将各种岩石力学动静差异随流体饱和度变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，不同岩性动静差异幅度与孔隙裂缝密度、矿物成分和胶结物的相关性都较差；同一种岩性在杨氏模量变化幅度较小的情况下可能有较大的泊松比变化幅度。根据动静差异的微观机理(动态是高频—小位移，静态是低频—大位移)，孔隙裂缝应该是影响动静差异的主要原因，从本次试验的结果来看，动静差异比随流体饱和度的增加(孔隙裂缝密度减小)而减小，这点与动静差异的围观机理相吻合；但不同岩性的变化幅度与相应的孔隙裂缝结构相关性较差，这说明流体饱和度影响岩石动静差异幅度的原因较为复杂，除了流体填充裂缝造成孔隙度的缩小以外，流体对粘土矿物的溶解等也会对岩石的力学性质产生影响。岩石力学参数动静差异比与流体饱和度之间满足二项式的关系，即：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}=a_1{S_w}^2+b_1{S}_w+C_1$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}=m_1{S_w}^2+n_1{S}_w+k_1$

$\frac{E_d-E_s}{E_s}=a_2{S_o}^2+b_2{S}_o+C_2$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}=m_2{S_o}^2+n_2{S}_o+k_2$

式中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；S_w为含水饱和度；S_o为含油饱和度；a₁，a₂为二次项系数；b₁，b₂为一次项系数；C₁，C₂为常数；m₁，m₂为二次项系数；n₁，n₂为一次项系数；k₁，k₂为常数。

本专利发明人统计的五种岩样的回归公式见如下两张表所示：

其中，R²为相关系数。

由岩石力学参数各向异性强度随流体饱和度的变化可知，岩石力学参数的各向异性强度随流体饱和度的增加而减小。Biot系数的各向异性强度为负数，由各向异性强度的定义可知，垂直方向的Biot系数大于水平方向的Biot系数，根据水平和垂直方向的孔隙裂缝结构可知，垂向上孔隙裂缝密度大是造成垂向上Biot系数大的主要原因。不同岩性的岩石力学性质的各向异性强度随流体饱和度增加变化趋势一致，但幅度不同；同种岩性，流体类型不同时，其变化幅度也不相同。将各种岩石力学性质随流体饱和度变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，不同岩性各向异性强度与孔隙裂缝密度有一定的相关性，但不是完全对应。纵向上孔隙裂缝较水平方向发育，岩石更为疏松，增加相同的流体饱和度时，垂直方向充填的流体更多，其杨氏模量泊松比的增幅以及Biot系数的降幅大于水平方向，不同方向的力学差异缩小，各向异性强度变小，其与岩石力学性质随围压的变化趋势相同。同一种岩性在杨氏模量变化幅度较小的情况下可能有较大的泊松比和Biot变化幅度。各向异性与孔隙裂缝密度的不完全对应，表明不同方向孔隙裂缝密度的差异不是造成各向异性的唯一因素；根据岩石薄片观察结果来看，不同方向的矿物成分和矿物的排列顺序差异明显，从矿物对岩石力学性质的影响来看，矿物的成分和定向排列也是影响岩石各向异性强度的一个因素。

(4)孔隙流体特征参数

储层岩石是多孔介质，其间可充填水、气或油等流体。流体的存在会使岩石的力学参数发生变化。研究岩石孔隙流体含量变化对岩石力学参数的影响，对勘探中油气水层的识别、四维地震中剩余油饱和度的解释都具有重要的意义。本专利发明人对延长油田延长组储层不同类型岩石的力学参数随流体类型的变化规律做了研究。通过实验测试发现，泊松比对流体类型变化最为敏感，结果如图9所示。

由图9可知，延长油田延长组岩心含油时期泊松比的值大于含水时的泊松比值，随着流体饱和度的增加，其差值逐渐变大。该项分析结果可以为勘探中油水层的预测提供支持。

(5)孔隙压力特征参数

油气藏岩体是是多孔介质，其间充填孔隙流体。孔隙流体对岩石骨架施加孔隙压力。孔隙压力可以抵消作用在岩石骨架上的一部分围压。孔隙压力的变化会引起岩石的变形，导致岩石的力学参数发生变化。孔隙压力的存在对岩体的力学性质和变形起着决定作用，比如油田矿区在开发过程中的地面沉降等问题。

本专利发明人通过选取5组岩样进行实验，每组岩样包括两个平行样品，一个是水平方向取样，一个是垂直方向取样。试验中，对样品进行动静同时测量，岩石的杨氏模量、泊松比和Biot系数，是在保持围压、流体饱和度和温度不变，改变孔隙压力条件下测量计算得到的；围压、流体饱和度和温度选取油藏实际数据，分别为20Mpa、50％饱和水、50％饱和油、50％饱和水、40℃。孔隙压力变化范围为0-18Mpa，每隔3Mpa测试一个点。

获得如下实验结果：随着孔隙压力的增加，杨氏模量和泊松比的值逐渐减小，Biot系数逐渐增大；不同岩性的岩石力学性质随温度增加变化趋势一致，但幅度不同。力学性质随孔隙压力的变化趋势与其随围压的变化趋势相反；将各种岩石力学性质随孔隙压力变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，钙质胶结的岩石的杨氏模量、泊松比和Biot系数随孔隙压力变化幅度比泥质胶结的岩石小。各种岩性变化幅度趋势与其孔隙裂缝密度相关性良好，与矿物成分的相关性较差。对比分析结果表明，孔隙压力升高时，岩石力学性质的改变主要受到孔隙裂缝密度的影响。在此分析基础之上，对孔隙压力增大过程中，岩石的受力状况进行了分析。

地下岩石受到的总应力σ分为两部分，一部分被岩石骨架承担，称为有效应力σ_e；一部分被孔隙流体承担，称为孔隙压力P_f，即σ＝σ_e+P_f。

根据Terzaghi定理，可知：(1)当围压和孔隙压力都增加了同样的量，则岩石的体积几乎不变；(2)在剪切破坏中，如果法向应力和孔隙压力都增加同样的量，剪切强度并不增加。在围压不变的情况下，随着孔隙压力的增加，岩石骨架受到的压力越来越小，则岩石的裂缝闭合程度越来越低。由围压对岩石力学参数的影响可知，随着裂缝闭合程度的增加，岩石的杨氏模量和泊松比值增大，Biot系数减小，则可得，随着孔隙压力的增加，岩石的杨氏模量和泊松比值减小，Biot系数增大。

由岩石动静差异随孔隙压力的变化曲线可知，随着孔隙压力的增加，岩石的杨氏模量和泊松比的动静差异比逐渐增大；不同岩性的岩石力学性质随围压增加变化趋势一致，但幅度不同。将各种岩石力学性质随温度变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，不同岩性动静差异幅度与孔隙裂缝密度有一定的相关性；与矿物成分和胶结物的相关性都较差。同一种岩性在杨氏模量变化幅度较小的情况下可能有较大的泊松比变化幅度。根据动静差异的微观机理(动态是高频—小位移，静态是低频—大位移)，孔隙裂缝应该是影响动静差异的主要原因，从本次试验的结果来看，动静差异比随孔隙压力增加(孔隙裂缝密度增大)而增大，这点与动静差异的围观机理相吻合。不同岩性的变化幅度与相应的孔隙裂缝结构有一定的相关性，但是不完全吻合，这说明影响岩石动静差异幅度的原因较为复杂，除了孔隙裂缝密度是主要因素外，还有其他影响因素(矿物成分等)。岩石力学参数动静差异比与孔隙压力之间满足二项式的关系，即：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={{\mathrm{aP}}_o}^2+{\mathrm{bP}}_o+C$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={{\mathrm{mP}}_o}^2+{\mathrm{nP}}_o+k$

式中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_o为孔隙压力；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数。本专利发明人统计的五种岩样的回归公式如下表所示：

其中，R²为相关系数。

由岩石力学参数各向异性强度随孔隙压力的变化可知，岩石力学参数的各向异性强度随孔隙压力的增加而增加。Biot系数的各向异性强度为负数，由各向异性强度的定义可知，垂直方向的Biot系数大于水平方向的Biot系数，根据水平和垂直方向的孔隙裂缝结构可知，垂向上孔隙裂缝密度大是造成垂向上Biot系数大的主要原因。不同岩性的岩石力学性质的各向异性强度随孔隙压力增加变化趋势一致，但幅度不同。将各种岩石力学性质随孔隙压力变化的幅度与岩石的矿物成分、结构、胶结物以及孔隙裂缝密度进行了对比，对比结果显示，不同岩性各向异性强度变化幅度与孔隙裂缝密度有一定的相关性，但不是完全对应。纵向上孔隙裂缝较水平方向发育，岩石更为疏松，孔隙压力增加时，裂缝较水平方向更容易开启，因此，围压增大时，不同方向间的力学性质差异会逐渐增大，其趋势与各向异性随温度变化趋势相同。同一种岩性在杨氏模量变化幅度较小的情况下可能有较大的泊松比和Biot变化幅度。各向异性与孔隙裂缝密度的不完全对应，表明不同方向孔隙裂缝密度的差异不是造成各向异性的唯一因素。根据岩石薄片观察结果来看，不同方向的矿物成分和矿物的排列顺序差异明显，从矿物对岩石力学性质的影响来看，矿物的成分和定向排列也是影响岩石各向异性强度的一个因素。

综上，油气藏岩体力学性质是由岩石的固有属性(岩石成分、结构、构造、孔隙裂缝特征)和外部环境(围压、温度、流体和孔隙压力)决定的。油气藏岩体的杨氏模量和泊松比的值随着石英含量和胶结物强度的增大而增大；岩体结构越疏松，孔隙裂缝越发育，其杨氏模量和泊松比的值越小，Biot系数的值越大。随着温度的增大，岩石中的孔隙和裂缝体积变大，导致岩体的杨氏模量和泊松比的值变小，Biot系数的值变大；随着围压的增大，岩石中的孔隙和部分裂隙受压闭合，造成岩石的孔隙裂隙密度变小，岩石的杨氏模量和泊松比值变大，Biot系数值缩小；岩石中填充流体时，随着流体饱和度的增加，岩石颗粒与孔隙之间的耦合性变好，同时流体承担了部分作用在岩石骨架上的压力，造成岩石的杨氏模量、泊松比和Biot系数值变大；泊松比对流体类型的变化反应最敏感，岩石饱和油时的泊松比的值比饱和水时的泊松比的值大；随着孔隙压力的增大，作用在岩石骨架上的净压力减小，从而导致岩石的杨氏模量、泊松比变小，Biot系数值变大。

岩石是多孔介质，岩石中存在的孔隙和裂隙是造成岩石动静岩石力学参数差异的根本原因。随着温度的增大，试样内部水分在大量蒸发过程中寻求裂隙向岩体外面渗透溢出，从而使孔隙加宽加长，同时，高温的作用使得试样内颗粒体积膨胀，也使得试样内部裂隙增多，因此随着温度的增加，岩石力学参数的动静差异比越来越大；当围压增大时，岩石中得孔隙和微裂隙受压逐渐闭合，岩石动、静态弹性参数的差别减小；随着岩石含液饱和度的增加，被流体充填的孔隙体积越来越大，超声波可以绕过的孔隙也就越来越小，岩石内部微裂隙系统的作用减弱，岩石颗粒间的耦合变好，因此随着含液饱和度的增加，杨氏模量和泊松比的动静差异比越来越小；孔隙压力增大时，作用在岩石骨架上的静围压逐渐减小，导致岩石孔隙和微裂缝开启，从而导致岩石力学参数的动静差异逐渐增大。

参考图10，示出了本发明的一种油气藏岩体力学地下原位模型恢复的装置实施例的结构框图，具体可以包括如下模块：

岩石力学参数测量模块111，用于测量油气藏的岩石力学参数；

影响参数统计模块112，用于统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；

关系获取模块113，用于获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；

原位模型恢复模块114，用于依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

在本发明的一种优选实施例中，所述油气藏的岩体力学性质影响参数可以包括内部影响参数，所述内部影响参数可以包括：岩石成分特征参数，岩石结构特征参数，岩石构造特征参数，岩石孔隙裂缝特征参数。

在具体实现中，所述岩石力学参数可以包括岩石弹性参数和岩石强度参数，所述岩石弹性参数可以包括泊松比，杨氏模量和孔隙弹性系数；所述岩石成分特征参数可以包括岩石颗粒特征参数和填隙物特征参数，在这种情况下，所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系可以包括：

若所述岩石颗粒特征参数中石英含量增加，则杨氏模量上升；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中长石含量增加，则杨氏模量降低；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中粘土矿物含量增加，则泊松比降低；

和/或，

若所述填隙物特征参数为钙质胶结岩石，则其杨氏模量大于其它类型岩石的杨氏模量；

和/或，

若所述岩石结构特征参数为结晶类成因的岩石，则其杨氏模量和泊松比高于岩石结构特征参数为胶结物成岩的岩石；

和/或，

若所述岩石构造特征参数为水平方向所取岩样，则其杨氏模量和泊松比大于垂直方向所取岩样的杨氏模量和泊松比；

和/或，

若岩石孔隙裂缝特征参数为孔隙裂缝空间，则随着孔隙裂缝空间的增大，岩石的杨氏模量和泊松比的值降低。

在本发明的另一种优选实施例中，所述油气藏的岩体力学性质影响参数还可以包括外部影响参数；所述外部影响参数可以包括：温度特征参数，围压特征参数，孔隙流体特征参数，孔隙压力特征参数。

在这种情况下，所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系可以包括：

若所述温度特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度增加，岩石的杨氏模量减小，岩石的泊松比减小，岩石的孔隙弹性系数增大；

和/或，

若所述围压特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度减小，岩石的杨氏模量和泊松比增大，岩石的孔隙弹性系数降低；

和/或，

若所述孔隙流体特征参数为流体饱和度，则随着流体饱和度的增加，岩石的杨氏模量、泊松比和孔隙弹性系数都增大；并且，岩心含油时期的泊松比大于岩心含水时的泊松比，随着流体饱和度的增加，其泊松比差值增大；

和/或，

若所述孔隙压力特征参数增加，则岩石的杨氏模量、泊松比减小孔隙弹性系数增大。

在具体实现中，所述岩石力学参数测量模块111可以包括如下子模块：

静态测量子模块，用于采用静态测量方法获得静态岩石力学参数；

动态测量子模块，用于采用动态测量方法获得动态岩石力学参数；

在这种情况下，所述的装置还包括：

动静差异比计算模块，用于依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，计算岩石力学参数的动静差异比；

所述原位模型恢复模块114还用于依据所述静态岩石力学参数，动态岩石力学参数，岩石力学参数的动静差异比，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

在具体实现中，所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数经同步测量获得，所述静态岩石力学参数可以包括静态岩石弹性参数和静态岩石强度参数，所述动态岩石力学参数可以包括动态岩石弹性参数和动态岩石强度参数；所述静态岩石弹性参数可以包括静态泊松比，静态杨氏模量和静态孔隙弹性系数等，所述动态岩石弹性参数可以包括动态泊松比，动态杨氏模量和动态孔隙弹性系数等。

作为本发明实施例具体应用的示例，所述静态泊松比μ可以通过以下公式计算获得：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&epsiv;}}_2}$

所述动态泊松比μ可以通过以下公式计算获得：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{{\mathrm{\&Delta;t}}_s^2-2{\mathrm{\&Delta;t}}_p^2}{2({\mathrm{\&Delta;t}}_s^2-{\mathrm{\&Delta;t}}_p^2)}=\frac{V_p^2-{2V}_s^2}{2(V_p^2-V_s^2)}$

其中，所述Δε₁为岩样的轴向应变增量；Δε₂为岩样的横向应变增量；Δt_s为岩样的横波时差，μ_s/m；Δt_p为岩样的纵波时差，μ_s/m；V_s为岩样的横波速度，m/s；V_p为岩样的纵波速度，m/s；

所述静态杨氏模量E可以通过以下公式计算获得：

$E=\frac{F/S}{\mathrm{\&Delta;L}/L}$

所述动态杨氏模量E可以通过以下公式计算获得：

$E={\mathrm{\&rho;V}}_s^2\frac{3{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-4}{{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-1}$

其中，所述ρ为岩石的密度，g/cm³；F为试验岩样所受的力；S为岩样的截面积；△L为岩样在受力方向的伸长量(或缩短量)；L为岩样在受力方向上的原长；V_S为岩样的横波速度，m/s；Vp是岩样的纵波速度，m/s；

所述静态孔隙弹性系数B可以通过以下公式计算获得：

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}$

其中，所述K_dry为干燥岩石的体积模量，Ks为组成岩石的矿物的体积模量；

所述动态孔隙弹性系数B可以通过以下公式计算获得：

$B=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}=1-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}}{\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s-{\mathrm{\&Delta;V}}_f}}=1-\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_s-{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}=\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}$

其中，所述K_dry为干燥岩石的体积模量，Ks为组成岩石的矿物的体积模量，ΔV_f为孔隙流体流量变化量，ΔV_s为岩石骨架体积变化量，ΔV_m为岩石矿物颗粒体积变化量；

所述岩石力学参数的动静差异比可以包括杨氏模量动静差异比和泊松比动静差异比，所述杨氏模量动静差异比可以通过以下公式计算获得：

$E_c=\frac{E_d-E_s}{E_s}$

其中，所述E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；

所述泊松比动静差异比可以通过以下公式计算获得：

${\mathrm{\&mu;}}_c=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s};$

其中，所述μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比。

在本发明实际应用的一种优选示例中，所述岩石力学参数的动静差异比与温度特征参数之间满足如下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={\mathrm{aT}}^2+\mathrm{bT}+C;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={\mathrm{mT}}^2+\mathrm{nT}+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；T为温度；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与围压特征参数之间满足如下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={{\mathrm{aP}}_c}^2+{\mathrm{bP}}_c+C;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={{\mathrm{mP}}_c}^2+{\mathrm{nP}}_c+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_c为围压；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与流体饱和度之间满足以下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}=a_1{S_w}^2+b_1{S}_w+C_1;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}=m_1{S_w}^2+n_1{S}_w+k_1;$

$\frac{E_d-E_s}{E_s}=a_2{S_o}^2+b_2{S}_o+C_2;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}=m_2{S_o}^2+n_2{S}_o+k_2;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；S_w为含水饱和度；S_o为含油饱和度；a₁，a₂为二次项系数；b₁，b₂为一次项系数；C₁，C₂为常数；m₁，m₂为二次项系数；n₁，n₂为一次项系数；k₁，k₂为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与孔隙压力之间满足如以下公式所示二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={{\mathrm{aP}}_o}^2+{\mathrm{bP}}_o+C;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}=m{P_o}^2+n{P}_o+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_o为孔隙压力；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法和一种油气藏岩体力学地下原位模型恢复的装置，进行了详细介绍，本专利发明人中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正方法，其特征在于，包括：

测量油气藏的岩石力学参数；

统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；

获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；

依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复；

所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括内部影响参数，所述内部影响参数包括岩石成分特征参数，岩石结构特征参数，岩石构造特征参数，岩石孔隙裂缝特征参数；

所述岩石力学参数包括岩石弹性参数和岩石强度参数；

所述岩石弹性参数包括泊松比，杨氏模量和孔隙弹性系数；

所述岩石成分特征参数包括岩石颗粒特征参数和填隙物特征参数；

所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括外部影响参数；所述外部影响参数包括温度特征参数，围压特征参数，孔隙流体特征参数，孔隙压力特征参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系包括：

若所述岩石颗粒特征参数中石英含量增加，则杨氏模量上升；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中长石含量增加，则杨氏模量降低；

和/或，

若所述岩石颗粒特征参数中粘土矿物含量增加，则泊松比降低；

和/或，

若所述填隙物特征参数为钙质胶结岩石，则其杨氏模量大于其它类型岩石的杨氏模量；

和/或，

若所述岩石结构特征参数为结晶类成因的岩石，则其杨氏模量和泊松比高于岩石结构特征参数为胶结物成岩的岩石；

和/或，

若所述岩石构造特征参数为水平方向所取岩样，则其杨氏模量和泊松比大于垂直方向所取岩样的杨氏模量和泊松比；

和/或，

若岩石孔隙裂缝特征参数为孔隙裂缝空间，则随着孔隙裂缝空间的增大，岩石的杨氏模量和泊松比的值降低。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系包括：

若所述温度特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度增加，岩石的杨氏模量减小，岩石的泊松比减小，岩石的孔隙弹性系数增大；

和/或，

若所述围压特征参数增加，则岩石的孔隙裂缝密度减小，岩石的杨氏模量和泊松比增大，岩石的孔隙弹性系数降低；

和/或，

若所述孔隙流体特征参数为流体饱和度，则随着流体饱和度的增加，岩石的杨氏模量、泊松比和孔隙弹性系数都增大；并且，岩心含油时期的泊松比大于岩心含水时的泊松比，随着流体饱和度的增加，其泊松比差值增大；

和/或，

若所述孔隙压力特征参数增加，则岩石的杨氏模量、泊松比减小孔隙弹性系数增大。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量油气藏的岩石力学参数的步骤包括：

采用静态测量方法获得静态岩石力学参数；

采用动态测量方法获得动态岩石力学参数；

其中，所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数经同步测量获得，

所述的方法还包括：

依据所述静态岩石力学参数和动态岩石力学参数，计算岩石力学参数的动静差异比；

所述岩石力学参数的动静差异比包括杨氏模量动静差异比和泊松比动静差异比，所述杨氏模量动静差异比通过以下公式计算获得：

$E_c=\frac{E_d-E_s}{E_s}$

其中，所述E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；

所述泊松比动静差异比通过以下公式计算获得：

${\mathrm{\&mu;}}_c=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s};$

其中，所述μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；

依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复的步骤为，

依据所述静态岩石力学参数，动态岩石力学参数，岩石力学参数的动静差异比，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述静态岩石力学参数包括静态岩石弹性参数和静态岩石强度参数，所述动态岩石力学参数包括动态岩石弹性参数和动态岩石强度参数；所述静态岩石弹性参数包括静态泊松比，静态杨氏模量和静态孔隙弹性系数，所述动态岩石弹性参数包括动态泊松比，动态杨氏模量和动态孔隙弹性系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述静态泊松比μ_s通过以下公式计算获得：

${\mathrm{\&mu;}}_s=\frac{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_1}{{\mathrm{\&Delta;\&epsiv;}}_2}$

所述动态泊松比μ_d通过以下公式计算获得：

${\mathrm{\&mu;}}_d=\frac{{\mathrm{\&Delta;t}}_s^2-2{\mathrm{\&Delta;t}}_p^2}{2({\mathrm{\&Delta;t}}_s^2-{\mathrm{\&Delta;t}}_p^2)}=\frac{V_p^2-2V_s^2}{2(V_p^2-V_s^2)}$

其中，所述Δε₁为岩样的轴向应变增量；Δε₂为岩样的横向应变增量；Δt_s为岩样的横波时差，μ_s/m；Δt_p为岩样的纵波时差，μ_s/m；V_s为岩样的横波速度，m/s；V_p为岩样的纵波速度，m/s；

所述静态杨氏模量E_s通过以下公式计算获得：

$E_s=\frac{F/S}{\mathrm{\&Delta;L}/L}$

所述动态杨氏模量E_d通过以下公式计算获得：

$E_d={{\mathrm{\&rho;V}}_s}^2\frac{3{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-4}{{\left(\frac{V_p}{V_s}\right)}^2-1}$

其中，所述ρ为岩石的密度，g/cm³；F为试验岩样所受的力；S为岩样的截面积；ΔL为岩样在受力方向的伸长量或缩短量；L为岩样在受力方向上的原长；V_S为岩样的横波速度，m/s；V_p是岩样的纵波速度，m/s；

所述静态孔隙弹性系数B1通过以下公式计算获得：

$B1=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}$

其中，所述K_dry为干燥岩石的体积模量，K_s为组成岩石的矿物的体积模量；

所述动态孔隙弹性系数B2通过以下公式计算获得：

$B2=1-\frac{K_{\mathrm{dry}}}{K_s}=1-\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}}{\frac{1}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s-V_f}}=1-\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_s-{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}=\frac{{\mathrm{\&Delta;V}}_f}{{\mathrm{\&Delta;V}}_s}$

其中，所述K_dry为干燥岩石的体积模量，K_s为组成岩石的矿物的体积模量，ΔV_f为孔隙流体流量变化量，ΔV_s为岩石骨架体积变化量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述岩石力学参数的动静差异比与温度特征参数之间满足如下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={\mathrm{aT}}^2+\mathrm{bT}+C;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={\mathrm{mT}}^2+\mathrm{nT}+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；T为温度；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与围压特征参数之间满足如下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={a{P}_c}^2+b{P}_c+C;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={m{P}_c}^2+n{P}_c+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_c为围压；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与流体饱和度之间满足以下公式所示的二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={a_1{S}_w}^2+b_1{S}_w+C_1;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={m_1{S}_w}^2+n_1{S}_w+k_1;$

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={a_2{S}_o}^2+b_2{S}_o+C_2;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={m_2{S}_o}^2+{n2}_1{S}_o+k_2;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；S_w为含水饱和度；S_o为含油饱和度；a₁，a₂为二次项系数；b₁，b₂为一次项系数；C₁，C₂为常数；m₁，m₂为二次项系数；n₁，n₂为一次项系数；k₁，k₂为常数；

所述岩石力学参数的动静差异比与孔隙压力之间满足如以下公式所示二项式关系：

$\frac{E_d-E_s}{E_s}={a{P}_o}^2+b{P}_o+C;$

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_d-{\mathrm{\&mu;}}_s}{{\mathrm{\&mu;}}_s}={m{P}_o}^2+n{P}_o+k;$

其中，E_d为动态杨氏模量；E_s为静态杨氏模量；μ_d为动态泊松比；μ_s为静态泊松比；P_o为孔隙压力；a为二次项系数；b为一次项系数；C为常数；m为二次项系数；n为一次项系数；k为常数。

8.一种随围压、孔压、温度及流体变化的动静态岩石力学参数校正的装置，其特征在于，包括：

岩石力学参数测量模块，用于测量油气藏的岩石力学参数；

影响参数统计模块，用于统计所述油气藏的岩体力学性质影响参数；

关系获取模块，用于获取所述油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系；

原位模型恢复模块，用于依据所述岩石力学参数，以及，油气藏的岩石力学参数及岩体力学性质影响参数的关联关系，进行油气藏岩体力学地下原位模型的恢复；

所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括内部影响参数，所述内部影响参数包括岩石成分特征参数，岩石结构特征参数，岩石构造特征参数，岩石孔隙裂缝特征参数；

所述岩石力学参数包括岩石弹性参数和岩石强度参数；

所述岩石弹性参数包括泊松比，杨氏模量和孔隙弹性系数；

所述岩石成分特征参数包括岩石颗粒特征参数和填隙物特征参数；

所述油气藏的岩体力学性质影响参数包括外部影响参数；所述外部影响参数包括温度特征参数，围压特征参数，孔隙流体特征参数，孔隙压力特征参数。