《应用地球物理学》前言报告岩石物理技术在石油应用：岩石物理学就只一门以岩石为研究对象，以物理学位研究手段的新学科。

岩石是构成地球的最重要的材料，地球的结构和运动学性质必然与岩石的各种物理性质密切相关。

岩石物理学是研究岩石在地球内部特殊环境下的各种行为及其物理性质的，针对油气勘探和储藏的岩石物理性质的研究是岩石物理学研究中较为成功的例子。

岩石或地质体中流体的运移，涉及到成岩作用、石油天然气开采等一系列问题，各国科学家都对这些问题给予了高度重视。

例:1：研究岩石中流体运移过程中由不同尺度研究问题组成的研究框架，是岩石物理学中正问题研究的典型例子。

先从矿物尺度研究矿物及其晶粒的输运特性，从微观角度研究矿物的微结构和渗透性、矿物之间的孔隙以及矿物变形对这些输运过程的影响；然后研究岩石作为矿物集合体的输运特性，主要研究岩石内部微破裂和孔隙的发展、孔隙的几何情况、密度，以及它们的空间分布；第三则集中研究那些连通的裂纹和孔隙，因为只有形成了连通网络的裂纹和孔隙才对输运过程有较大的影响。

最后，将以上三个方面综合，可以得到作为岩体或地质体的输运特性，从而对其流体的流动情况做出估计。

例2：岩石的水压裂或岩石的热开裂。

人们通过向地下注水，或者对地下岩石加热，改变矿物晶粒间以及岩石内部的微破裂状态，从而改变岩体或地质体的渗透性。

这是将岩石物理学知识应用与实践中的一个典型例子。

在石油开采方面曾广泛采取水压致裂技术，水压致裂是通过向岩石注入高压液体来改变岩石中裂纹的状态，但其主要作用是使原来的裂纹扩展长度，对增加裂纹密度所起的作用有限。

岩石的热开裂则是岩石受热后，由于组成岩石的各种矿物热膨胀不同，导致矿物边界出现裂纹。

热开裂能改变岩石内部的微观结构，既增加裂纹的长度，又能增加裂纹的密度，在一定条件下，可以明显改变岩石整体的输运特性，在石油开采等方面有着潜在的应用前景。

岩石物理学的研究方法：首先，实验是岩石物理学的最基础的研究方法。

其做法主要是：第一，采集各种有地质意义的岩石，在实验室中分别研究各种因素对其物理性质的影响，将大量的实验结果统计归纳得到经验关系式。

第二，在建立合理而简化的数学物理模型的基础上，将由实验得到的经验关系外推到实际地球问题中去。

因为若没有合适的模型，而只是简单地把实验室小尺度实验得到的结果外推到大尺度的自然界，常常会出现错误的结论。

其次，由于岩石物理学的研究涉及众多诸如地质学、地球物理学、油储地球物理学、地球化学等学科，也涉及众多的基础学科领域，如力学、声学、流体力学和电磁学等。

岩石物理学是一门高度跨学科的学科分支，这就决定了岩石物理学中，对于所研究的岩石的不同物理性质，必然要用到上述相应的学科中对应的物理方法和手段。

岩石物理技术在油气勘探领域具有重要作用，随着大数据时代的到来，将计算岩石物理与勘探方法相结合，将会成为一种趋势。

主要是基于两个方面的考量：其一，计算机模拟已经成为了物理实验并行的实验方法；其二，岩石各种性质与尺度有关，这在一般的物理学中是根本不会碰到的问题。

矿物可以近似地看成是均匀的，矿物颗粒的大小提供了岩石的下限尺度；在地球运动中，整块的岩石不可避免地会发生断裂，其中会出现许多断层、解理和劈理等间断面，这些大小不一的间断面和岩石就构成了岩体。

岩体中间断面的存在，提供了岩石物理学研究的上限尺度。

对岩石的下限尺度和上限尺度的正确理解，是区分矿物、岩石和岩体的基础概念。

岩石物理学研究的对象是界于这两种尺度之间、不大不小的作为理想材料的岩石。

要把岩石尺度得到的结果用于天然，必须建立合理而简化的数学物理模型，必须发展计算岩石物理学。

迄今为止，地震波是研究地球内部最有效的工具之一，基于岩石中波传播性质的地震方法是目前地球物理勘探中最主要的方法，岩石中弹性波速度是联系岩石性质与地质学的有效桥梁。

为架设地震勘探与岩石物理学之间的桥梁，研究地震波传播的数值计算方法应运而生，通常把所用利用数值方法对岩石物理问题尤其涉及岩石的微观、多尺度及多相态特性等问题的研究，都包括在计算岩石物理学的研究领域内。

计算岩石物理学或者数值岩石物理学是计算地球物理学的一个分支，是岩石物理学、数学和计算机科学三者相结合而产生的一门边缘学科。

计算岩石物理学是在计算机硬件和软件方面提供的工作环境下，采用应用数学、计算机科学以及信息科学的方法解决岩石物理学中大量无法由解析方式解决的各种理论和实际问题的一门应用学科。

计算岩石物理学是岩石物理学的一门分支学科，这个分支学科已经成为现代岩石物理学理论和应用各个方面必不可少的科学手段和有力支柱。

实验、理论和计算岩石物理是密切相关、相互补充而又相互独立的统一体系。

水压致裂：如果以一定的压力将液体泵入一个完整岩石的钻孔之中，则钻孔一方面受到当地应力场的作用，另一方面又受到内部的液体压力，钻孔壁上可能出现张应力，一旦该张应力数值等于岩石的拉伸强度，则会发生张性破裂。

这样通过泵水的方法可以造成钻孔壁的张性破裂，破裂时泵水的压力与当地应力的大小与方向有关。

利用这种原理测量地壳应力的方法，叫做水压破裂法。

水压破裂方法最初用于油田的生产方面，通过水压破裂方法增加油井的产量。

具体做法是通过泵系统将水泵入油井，用两个封隔器（上、下各一个）将水封闭在井管的某一部位，不断增加水的压力，使该封闭段井壁破裂，从而增加岩石中的破裂面，扩大石油流通的通路，达到增加石油产量的目的。

近几年来，这种方法广泛地应用与地应力的测量。

目前，他是用于之际测量远离地面应力场的唯一办法，其最深距离达到5km，而且还在不断地增加。

计算岩石物理学的发展：计算科学是目前发展最快的学科之一。

廉价且强大的计算机的出现以及计算机体统和并行计算机技术的发展，使得我们能够对物理现象进行极端复杂和接近真实的模拟。

当代计算机科学允许科学家在数学化描述的复杂对象（对我们而言为岩石和沉积物）上进行虚拟实验（Virtual Experiment）。

几十年前计算能力欠发达时，出现了一些简化的理论分析，在这些分析中，人们利用椭圆球状孔隙或者球状颗粒模型研究孔隙岩石的弹性特征；利用不连续平面表示裂隙，用管网模型研究岩石的渗透性。

尽管这些简化的模型经常得到一些有意义的结果，但是它们总是很难与真实岩石和沉积物的细节相联系。

进一步而言，这些简化模型几乎不可能模拟岩石的不同性质，如渗透性、弹性模量、电导率、核磁共振和破坏强度之间的理论关系。

利用简化理论研究这些性质是如何共同地随岩石的应力、成岩作用和化学组成等因素的变化而演化也是同样困难的。

而近来，随着综合计算能力的提高和岩石物理理论的发展，我们已经能够很好地处理多孔储层系统的相关问题。

现在我们能在具有真实孔隙微观结构的模型上模拟多重物理相应。

我们相信计算岩石物理的发展能将岩石物理学的研究带到一个新的水平，在这个水平上我们可以在数值描述的复杂孔隙空间上进行重复实验。

必须强调的是数值计算并不能取代解析分析和理论模型，也不能取代实际的实验室测量，我们仍然需要解析分析和理论模型，因为他们能够提供材料（包括岩石）物理相应的基本理解，尤其是参数间的相互依赖关系。

但是，一个计算环境能极大地辅助实际的物理实验，并具有以下一些显著优点：（1）仿真或者可视化建模比物理实验测量的速度要快而且价格便宜；（2）能使用相同的数字岩石探讨不同物理响应（例如渗透性与核磁共振响应，电学特性与弹性特征，电导率与热传导等）间的相互关系。

这样的对比在实际物理实验中虽然并不可能但也是非常困难的，因为实验中测量不同的参数要使用不同的仪器而且经常需要不同的样品。

（3）能够模拟动态系统的物理响应（主要指岩石物性随时间的变化），例如：介质的输运和弹性性质如何随应力、化学成分等因素演化。

虚拟实验能够产生一个新的数据库，这个数据库的数据源于原始岩石的虚拟及现实中可能的变体，而在真实的实验室里根本无法实现这样的目标。

实验随之变成面向过程的，并且允许科学家和学生们理解多孔介质及其物理性质如何随环境参数发生变化。

这些定量的理解不仅可以建立新的数据库，而且有可能导致各种不同物理参数之间科学联系的新发现。

介质的宏观物理性质依赖于其组成成分的微观性质。

理解并模拟基本的微观物理过程对于确定宏观物理性质至关重要，量子和分子水平的模拟引起的材料科学和生物学的进展有力地说明了这一点。

总而言之计算岩石物理学的必要性体现在以下几个方面：（1）计算机模拟已经成为和物理实验并行的实验方法；（2）模拟岩石内部复杂的微观结构，包括连通性级多尺度的相互作用；（3）研究流体在宏观及微观中的流动原理，即所谓的宏观流动模型及微观喷射流模型；（4）模拟流体与固体相互作用；（5）模拟岩石中含有多相态流体及部分饱和的影响；（6）计算岩石物理还可以用来检验实验室研究得出的经验公式的正确定以及使用范围。

计算岩石物理的前景：研究岩石的渗透性和输运性质对于石油勘探非常重要，但是复杂的孔隙几何形状使得建模并模拟多孔介质的输运性质非常困难，传统方法通常基于偏微分方程，当孔隙几何形状非常复杂时，这些技术的实际操作将变得非常麻烦。

这导致人们经常使用简化的几何形状，使得实际操作又严重依赖于模型本身。

对于不同的几何结构求解同样的问题，经常意味着模拟过程的很多部分需要修改。

因此，我们需要一宗更加强大且简单的工具来处理复杂的孔隙空间而无需过度简化或者修改模型。

因此提出了通过对真实世界的数字描述直接计算的方法来得到各种岩石特征间关系的思路。

岩石物理的基本目的是揭示岩石不同性质间的本质关系。

特别是可测量性质（如波速）和人们很感兴趣但不容易测量的参数（如渗透率）之间的关系，这是岩石物理学长期以来梦寐以求的东西。

基本的假设是岩石的物理性质完全由矿物颗粒的微观（孔隙尺度）结构、颗粒的矿物组成以及孔隙流体决定。

从数字岩心出发，使用各种各样的方法来计算岩石的各种性质，所使用的计算方法必须适合于所要计算的岩石性质。

我们总是试图通过模拟实验室测量来计算岩石性质。

原则上讲，岩石的构造和成为的数值描述越精细，计算结果越精确。

目前我们可以从数字岩心出发计算岩石的孔隙度、渗透性、电导率、弹性模量和地震波速等。

计算得到的岩石性质和实验室对于颗粒集合体的测量结果之间的比较可以用于描述计算岩石物理方法的有效性。

计算岩石物理的框架是基于岩石的数值表示，包括矿物和流体，而且有可能随时间演化。

同时，它也包括物理性质（如声学、弹性、电学和核磁共振等）模拟模块，能用来直接模拟岩石物理性质。

这些计算环境显著地补充了物理实验室的不足，而且具有非常明显的有点：（1）精确预测物理性质；（2）使用同一个数字孔隙介质研究岩石不同性质间的相互关系；（3）带有多重物理响应的动态问题的模拟。

【参考文献】陈颙，黄庭芳，刘恩儒.岩石物理学[M] 合肥：中国科学技术大学出版社，2009（8）所调研专题的主题和意义：国内外研究和应用现状：岩石物理技术的主要原理和测量技术：岩石的特点：高温高压环境多孔介质长期作用分为实验岩石物理学和计算岩石物理学优缺点分析：1、传统的周期比较长，现代的时间短；2、计算岩石物理必须要依赖于实验岩石物理的数据作为参考；3、计算岩石物理可以解答很多实验岩石物理无法完成的工作。