再论岩石压缩系数的几个错误

smartdou

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以下是说给各位观战看的云里雾里的网友。

什么是理论体系？理论体系就是基于一个公理集合的演绎。在这个理论体系内，所有的命题都由这些公理推演而来。大家肯定知道公理是什么吧？公理就是无需证明的断言，它们是理论的基石，也是理论的原点，该理论的一切推演都从这些公理开始。比如对数学来说，如果不加特别说明，“点”“线”“面”“平行”这些概念，就是默认在欧几里德空间下的定义，“自然数”就是皮亚诺公理所构造出来的数系，等等。对于物理来说，最基本有两点，一是逻辑要自洽，二是与实验符合程度好。且，逻辑是小裁判官，观测是大裁判官。再优美的算式与观测不符就是放屁，再荒谬的观测也是大爷。
　　
别把“理论”看得太高级了，只要你高兴，你也可以创造自己的理论，你只需要自己的理论的公理而已。前面已经说过了，公理是无需证明的断言——这也就意味着，你可以随便决定这些公理，比如说断言“1 + 1 = 3”，然后你就可以发展出一套与初等数学迥然相异的新数学体系，并且自这个体系演绎一系列论断：比如说，“因为1 +1 = 3, 所以 3 + 3 = 9”。 另外还可以告诉大家，公理的数量可以是无限的！也就是说，你的理论可以随便扩充，哪里违背常识了，你就可以添加一条公理，并且无需给出任何证明——公理是无需证明嘛！
　　
所以，建立一套理论不是什么科学家才能做的事情，只要你还是个人，你就有这个能力。只要高兴，你也可以！
　　
但要搞清楚，人人都能够创造理论，不等于人人都可以创造有效的理论。一个好理论的评判标准通常有以下几个：
　　
1.理论要自洽
2.理论要能够符合观测事实
3.以某理论解释一个事实，所需要用到的假设越少，这个理论就越好。
　　
解释一下。第一条，自洽。也就是说，理论所有的公理之间不能互相矛盾，并且由公理体系推导出的命题之间不能互相矛盾。举个例子大家就明白了：亚里士多德说重物下落比轻物速度快。应该讲，这个断言是比较符合观察事实的（当时没有真空环境），那么为什么是错的？伽利略给出了一个悖论：如果重物下落比轻物快，那么把一个重物一个轻物拴在一起下落，那么这个连接体下落速度与原来分开时的下落速度相比如何？按照亚里士多德的理论，连接体应该比原来单个重物下落更快，因为两个东西重量之和更大；但是又应该比原来重物下落更慢——因为连接体的轻物速度慢，应该会拖慢重物的速度。这个悖论，就宣告了亚里士多德的理论的破产。
　　
第二条就不讲了。轮子功说你肚子里有个轮子在转，明显不符合观测事实。这个大家都不会去相信吧。但许多大嘴他们是不会去做实验的。
　　
第三条，我举个例子大家就明白了。现在我有个理论，跟大家讲：月亮其实是方的！那有人提意见了，我看到咋是个圆的呢？我告诉你，月亮有灵性，它知道你看它，在你看它的瞬间它就变圆了；你一转身它又变方了。这个理论符合观测事实不？完全符合（别笑）。那你会不会信我的理论？显然不。因为这个理论有着完全多余的假设——与其相信复杂的“月球有灵性”理论，为何不简单地认为月亮本来就是圆的？所以一个理论拥有越多的假设，它就越是垃圾，越不可信；良好的理论都是简洁的。全新的假设只有在绝对必要的时候才会被添加进理论系统。
　　
前面已经提过了，公理是理论的基石。所以说，如果你跟某个人讨论某些问题，你们两个必须在最起码的公理体系上要达成一致意见，这样你们才有讨论的平台，不然就是鸡同鸭讲。
　　
比方讲，平面几何有五个公理，最后一个是“平行公设”。这个平行公设在形式上略显繁琐，但它是个公理。现在你跟一个人讨论平几问题，该人不同意第五公设，那就没得谈了。改了第五公设，那就是黎曼几何或者罗巴切夫斯基几何。我在谈平面几何你跟我谈黎曼几何，那不是鸡同鸭讲是什么？

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可以上传一下pdf文档吗？图片压缩率有点高了，脚标字母比较模糊，点开看大图又很费劲。

另，Cs是matrix compressibility吗？

smartdou

Cllipe 不要靠自己的主要臆断去揣测人，本人需要声明：上面的短文从来没有给任何刊物投过。任何人的文章没有被杂志刊登，也是很正常的事情。

smartdou

773377 发表于 2013-12-3 23:51
可以上传一下pdf文档吗？图片压缩率有点高了，脚标字母比较模糊，点开看大图又很费劲。

另，Cs是matrix  ...

附上上文的PDF格式。
《新疆石油地质》杂志的几篇“岩石压缩系数”研究文章中的几个主要错误.pdf (279 KB, 下载次数: 84)

2013-12-4 20:57 上传

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事实上孔隙当然是可以压缩的。原因是岩石绝非由各向同性的规则弹性小球所排列而成的，而是由诸多不同矿物，体积、形状都差异甚大的不同颗粒所排列而成的。因此当受到压力时，真实岩石中的矿物颗粒不是朝各向均匀收缩以保证孔隙度几乎不变，而是会在颗粒最薄弱部分发生变形，从而挤占一部分孔隙体积（在此暂不讨论粘土矿物沉淀与石英加大造成的孔隙损失），如图示（选择层状是因为好画一些）：


由此例可知，孔隙体积被压缩，可由骨架变形所致。在骨架变形过程中自身也被压缩。骨架压缩的程度由体积模量决定，而变形的程度却与剪切模量有关，因此无法推出所谓“孔隙体积的减小是因为骨架被压缩所致”，从而无法得出公式3的理论基础。

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cllipe 发表于 2013-12-6 00:11
孔隙不是物质，你无法给孔隙施加压力，你的压力都施加到骨架上去了，通过骨架的变形，来改变孔隙的体积。 ...

“通过骨架的变形”，这是哪种变形啊？压实变形，压缩变形，英文咋写？我去查下别的论文。

骨架变形一定是体积收缩与形状改变同步发生的。只收缩体积而不改变形状的压缩只有在思想实验中才能发生，或者那材料是火星来的。

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cllipe 发表于 2013-12-6 00:32
骨架是材料，受力后怎么会不变形呢？压实变形=compaction，压缩变形=compression，这两种变形机制完全不同 ...

就别扯重排了，重排只会增加反例。公式3只有当紧密的理想的颗粒发生纯粹的compression的时候才有效，而这些条件都是不存在的。拿小球堆积模型来说的话，在压力作用下，小球由立方体堆积变成斜方六面体堆积，孔隙度直接就由46.7%变成了25.9%，还不用任何的颗粒压缩和变形。dVs=0，dVp≠0。

smartdou

Cllipe在文章《油藏工程中的若干问题——再与窦宏恩先生商榷[J]. 新疆石油地质,2013:34(4):477-482》中认为：“当岩石受力后，排列方式没有变化，仅仅是颗粒被压缩了，这就是所谓的压缩变形（本体变形），这个过程中岩石的孔隙度并不发生变化，而是保持为常数，压缩变形是一个可逆过程，属于弹性变形的范畴。当岩石受力后，骨架颗粒自身的体积没有变化，而是排列方式发生了变化（颗粒重排），这就是所谓的压实变形（结构变形），这个过程中孔隙度也跟着发生变化。压实变形是一个不可逆变形，属于塑性变形的范畴”。讨论岩石岩石压缩系数的相关问题，从来没有哪一位学者要将其扯到“岩石压实”范畴去讨论，就是Cllipe 一会“压缩”，一会“压实”。就让我们看看什么是压实作用？
        在上覆岩石压力的作用下，下覆泥质沉积物就逐渐被压实，固结直至成岩。压实作用从沉积物埋藏起一直延续到地壳深处是最基本的地质现象之一。在压实作用下新的沉积物逐渐从悬浮状态、流动稀释状态变到可塑状态，最后固结成岩。在压实过程中，沉积物的体积密度不断增加，孔隙度不断减小，孔隙中的流体不断排出。如果孔隙度随上覆沉积物的增加而相应减小，孔隙流体基本上保持静水压力，此时称之为正常压实。如果由于某种原因孔隙流体的排出受到阻碍，孔隙度不随上覆沉积物的增加而相应减少，孔隙流体则具有高于静水压力的异常值，此时称之为欠压实或压实不平衡。在压实过程中，欠压实和异常高压常相伴而生，但一般地说，地层欠压实则孔隙流体必具有异常高压，而具有异常高压流体的地层不一定欠压实。异常高压不仅是油气运移的潜在动力，而且与油气的生成和聚集都有密切关系，这早已成为石油地质中具有重大理论和实践意义的问题。这里讲的是异常高压层本身就是生油层。但当储层岩石受压即是在弹性范围，储层岩石长期处于地下弹性压缩状态，岩石变形，孔隙体积发生变化，孔隙度也将发生变化。这就好像受压缩的弹簧一样一直不释放，但变形一直存在，材料的性质也发生变化。在长时间的有效应力作用下，即是弹性变形，岩石也会发生蠕变（蠕变是岩石永久变形不断增加的一种现象）。
     岩石弹性变形不等于不变形。岩石压实和压缩的辩证关系是压实是绝对的，压缩是相对的。沉积史之所以重要，是因为压实作用易引起岩石结构出现不可逆变化。在一定负荷条件下，颗粒会产生运移，粘土颗粒会变形，颗粒间的胶结会破裂，甚至颗粒本身也会碎裂。由于这些变化都是不可逆的，岩石呈现出滞后现象。当作用在岩石上的应力减小时（当部分上覆重量被剥蚀掉或在没有新的沉积出现而地层压力增加时，这种现象就会发生），正在卸压的物质比起它在相同的外力作用下加压时的压缩性要小。此外，卸压后的物质在重新加压至其原始的应力条件之前，它的压缩系数也会变小。油气藏的压实作用很难观察到，但是地表的沉降却是很容易看发现。例如，水侵入到原本干燥的陆地上，海上平台在大浪和底层间失去了空气间隙，井口装置和套管可能会从地表突出来或地表建筑下沉等。自从1918年在GooseCreek 油田注意到沉降现象以来，它一直是油田压实作用的一个主要指示。 压实体积不仅仅指含油气层。其周围或之下的水层随着流体的排出也会引起压实作用，因此，也应作为压实地层的一部分进行模拟分析，尽管在许多情况下这些水层具有不同的物性。压实一个地下深处的地层引起的体积减小通常会传到地面上。沉降盆通常比被压实的区域范围广，它传播的幅度取决于上覆地层的物性和压实地层的深度。此外，如果上覆地层不扩展，地表沉降盆积就与地下压缩体积相等。沉降盆大致是对称的，即使当地下被压缩的体积并不对称时也是如此。因为沉降盆是每个压实元素引起的沉降的叠加，它使他们的变化趋于平均。因断层或物质非均质性而导致的上覆岩层的非均质性会抑制沉降或改变沉降盆的形状。断层的滑脱可以阻止沉降范围的扩大。上覆岩层也会膨胀，但多数非常轻微。不过，这种体积变化会随着上覆岩层的慢慢蠕变导致时间依赖效应，先膨胀后压实。当一个地层被压实时，其侧向岩层通常不被压实。这或是因为它不具渗透性，被一封闭断层与压实地层分隔开来，因而不受有效应力增加的影响，或者只是因为它本身是一种更致密的物质。原先由压实地层承受的上覆岩层的重量可以部分由侧向岩层承担。这就形成了压实地层上方被称之为应力拱的概念。承受上覆岩层的应力拱的大小和效率是上覆和侧向岩层密度、压实区域的横向延伸范围和压实量的函数。虽然沉降盆的主要运动是垂向的，但也有水平移动。沉降盆中心和外边界无水平移动。介于两者之间的某一部位水平移动可达到最大值。水平移动较大时会对管线及其它地面结构造成灾难性后果，除非这些设施被设计成能够抵抗这些应力。
       本人一直强调：压实和压缩从沉积压实成藏到油藏投入开发一直都发生着。 斯伦贝谢有关资料也证明了这一点：尽管压实和沉降造成的井筒和设施损坏已经引起必要的重视，但它们对生产的正面影响也不容忽视。对于北海油田的疏松白垩岩和加利福尼亚的硅藻岩，岩石驱动力要比流体膨胀引起的驱动力大许多倍，储层渗透率会降低也会增大，因为张开的裂缝会闭合，新裂缝也会产生。随着孔隙体积收缩或颗粒破碎，基质渗透率通常会降低。被弱化的物质会流入井筒，在挪威白垩岩油田的开发早期就明显发生过这一现象，白垩岩像牙膏一样流动。在对白垩岩的破碎有了更进一步的了解后，采用了改进的开采方法以缓解这一情况的发生。在砂岩地层中，出砂是生产过程中疏松物质的常见响应。还会发生断裂和井眼崩落等情况。在压实作用大的油田，套管挤坏是作业者一直面临的问题。压实的地层拉动与其胶结的套管，在轴向上压缩套管。但在压实地层上方，上覆岩层的物质被拉伸，那里的套管也被拉伸。在以上任何一种情况下，加在套管上的应力都可能超出它的机械强度，在压实地层段引起挤毁，或在上覆地层段被拉坏。剪切破坏和套管压毁的情况都可能发生。上覆地层的断层也会因差异运动重新活动，层理面间会发生差异滑动。这两种情况都会对位于差异运动范围内的井筒发生剪切作用。地面上的补救工作也会造成很大花费。自1987年以来，Ekofisk油田用于应对压实沉降作用造成的后果大约已经花费了30亿美元，开始是将海上平台抬高6 米（19.7 英尺），后来将平台的配套设施都替换掉。沉降形成的碗状洼陷会影响管线、道路和其它建筑，沉降盆内的水平移动会造成损害。其中一些损害可以通过结构设计，如管道中的应变消除环来缓解。不过，延伸至地面的断层会产生阶梯式断错，对穿越该断层的构造造成损害。沉降作用的地面影响可能很广泛，尤其是在大水体附近的低洼地区。例如，随着马拉开波湖油田上方沉降的加剧，建造了堤坝体系并对此多次进行了扩建。
       就是讨论岩石压缩变形，Cllipe的下式也是不成立的
       Cpp=1/Vp•(ΔVp/ΔPp)=1/Vs•(ΔVs/ΔPs)  
       另外需要纠正的是： “科学只研究极端的情况，否则什么也得不到，所有的科学皆如此”是一种悖论。应该是科学研究通常都是从一般性到特殊性，不是从特殊性到一般性。

smartdou

cllipe 发表于 2013-12-6 23:22
我把压实变形与压缩变形扯的很清楚，把欠压实概念否定的也很彻底，看你复制粘贴来的这段话，就知道你至今 ...

您提出的否定认识是错误的。压缩变形在岩石受压以后，不是您给出的压缩曲线平行Y轴是一条错误曲线，压缩变形岩石受压是变化的，只要变化斜率就不可能平行于Y轴。这从岩石力学本构曲线和许多实验中都已被证实。仅靠某人的几句话就岂能推翻？？？