岩石的弹性常数

如题所述

1.定义及常见矿物的弹性常数

表征物体弹性的常用参数有五个:拉梅系数λ,剪切模量μ,体积模量K,杨氏模量E和泊松比v。有时还会使用压缩系数β,它是体积模量的倒数。对于特定的材料或岩石,这些参数是常量,故又称弹性常数。上述五个参数不是相互独立的,只要知道其中两个,就可以求出所有其他的量。所以说,上述五个参数中,只有两个是独立的。

常见矿物的弹性常数见表3-2。

表3-2 常见矿物的弹性常数

2.岩石的弹性常数

为地球物理勘查寻找油气的实用,国外学者格雷戈里(Gregory,1976)对孔隙中饱含流体的沉积岩的各项动态模量的变化进行了实验研究。以一套20块岩样包括孔隙度从4.5%~41%的砂岩(11块)、灰岩(3块)、白垩(5块)和硅藻土(19块),分别在围压由0~70MPa条件下,进行纵、横波检测,然后分析水饱和度Sw对各项动态模量的影响。特别有意义的是:泊松比v、体积模量K、杨氏模量E、切变模量G四项的变化不同,揭示了各项动态模量的各自特征。如图3-12所示。

泊松比v 流体饱和度和孔隙度对v的影响是在适度的一定围压下(图3-12),随饱和度S和孔隙度φ的增加而增大,变化范围较大,包括负值:对水饱和的岩石v=0.11~0.33;对气饱和的岩石v=-0.12~0.19。而在高气饱和度、高孔隙度和低围压的综合条件下,产生最大的负值达-0.3(图3-12)。

图3-12 适度围压下,孔隙度及流体饱和度对沉积岩模量的影响

体积模量K 随孔隙度、围压和流体饱和度而变化。一般当水饱和度Sw增加,孔隙度φ减小时,数值K增大(图3-12)。K的最低值是在含有大量天然气的高孔隙度岩石上记录到的。实验的这一套岩石的K值范围,是由低围压、气饱和、高孔隙度白垩的1.0GPa,到高围压、水饱和、低孔隙度砂岩的35GPa(图3-12)。供比较,石英的K为37.9GPa(见表3-2)。

杨氏模量E 流体饱和度对E的影响,与其他模量相似,与孔隙度和围压有关。总体上说,E是随孔隙度增加而减小(图3-12)。气饱和与水饱和的岩石E值虽然有一些重叠,但气饱和岩石的值是一贯而又显著地低。而且,对低孔隙度的岩石,加少量水,E值就增大。相反,对高孔隙度的白垩加过水,则E值迅速降低。高孔隙度、气饱和的岩石,在低应力作用下,量值趋近于零;而水饱和、低孔隙度的岩石,在高应力作用下,E值高达70GPa以上。华尔士(Walsh J B,1965)认为,结晶岩在低应力作用下的非线性弹性特征,就是由于岩石中的裂隙造成的。增加压缩应力,裂隙闭合,随之各项模量增大。这种解释也适用于沉积岩胶结物质中的微裂隙,虽然岩石骨架中孔隙流体和矿物成分相互间化学作用使晶粒间的弹性特征复杂化。

切变模量G 孔隙度和围压对G影响强烈。对水饱和岩石的数值界限为:从低围压、高孔隙度白垩的3GPa,到在高围压、低孔隙度砂岩的31GPa。在恒围压条件下,流体饱和、低中等孔隙度岩石的各项模量,相对地说,适度的影响因素首先是由于密度的变化。虽然白垩对少量粒间水分很敏感,因而vs和G均偏小,且变化不大。但是,大多数切变模量G变化的原因是由于岩石中气饱和度从90%增至100%,这种意外的变化,就不能由单一密度的变化来说明,而只能解释为由于压力增大,排除了粒间水分,使vs值增大而引起(G=ρv2s)。

以上研究表明,作为一种规律,各项模量都是随孔隙度增加而减小,但泊松比是个例外。再有,含气岩石与含液岩石的弹性特征是不同的。动态各项模量能够很好地描述这些差异,这不仅在地震勘探油气田中,而且在分析钻探(井)碎岩机理上都具有判断和实用价值。

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