虛擬岩石物理（別稱數字岩石物理）是在地質條件約束下，利用現代數學方法與成像技術，建立數字岩心，開展物理場數值模擬，計算等效物理參數，研究岩石微觀結構、物質組成與巨觀等效性質之間的關係。虛擬岩石物理主要包含數字岩心建模和等效物理性質模擬兩大部分，其中數字岩心對應於真實岩心，等效物理性質模擬對應於實驗室物理實驗，兩者的結合實現了物理實驗的數字仿真。
基本介紹
- 中文名：虛擬岩石物理
- 外文名：Virtual rock physics
- 別稱：數字岩石物理
- 套用技術：現代數學方法與成像技術
- 研究內容：岩石微觀結構等
- 學科：地質科學
簡介,數字岩心建模,等效物理性質模擬,尺度問題,等效體元,波長與地層厚度比值Δ,波場頻率,
簡介
岩石結構在微觀尺度下是離散的。現代岩石物理學與地震學建立在連續介質理論基礎之上，而連續介質理論建立在等效模型基礎之上。自20世紀50年代以來，由於此理論簡潔，套用方便，基於嵌入體模型的等效介質理論發展迅速，但是該理論不包含明確的微觀結構信息，與真實岩石結構信息差別較大。孔隙黏彈性理論從幾何等效角度研究了岩石的動力學問題，雖經前人的不斷探索，仍然不能有效地擬合複雜的實際介質情況。另一種方法就是物理實驗，物理實驗雖然能夠測量岩石的孔隙結構和巨觀等效參數，但該法具有破壞性，可重複性差，周期長，成本高。
伴隨著高性能並行計算技術的進步，基於數字岩心的虛擬岩石物理（或稱數字岩石物理）日益得到重視。虛擬岩石物理是在數字岩心的基礎上對物理過程的仿真。相比於傳統方法和技術，虛擬岩石物理具有明顯優勢：第一，數字岩心的微觀結構直觀可見，可直接計算幾何特徵參數；第二，數值模擬的邊界條件靈活，可連續呈現物理場的變化過程；第三，不同物理場的數值模擬可在同一數字岩心上展開，結果具有一一對應性；第四，可形成數字岩心序列，研究同一物理場的變化；第五，數值模擬的效率高，成本相對較低。因此，虛擬岩石物理可稱為一種等效方法。虛擬岩石物理的本質是：結合實際地質資料，利用現代數學方法與成像技術，研究岩石微觀結構、物質組成與巨觀等效性質間的關係。虛擬岩石物理也是當今岩石物理學的重要發展方向之一。虛擬岩石物理主要包含數字岩心建模和等效物理性質模擬兩大部分，其中數字岩心對應於真實岩心，等效物理性質模擬對應於實驗室物理實驗，兩者的結合實現了物理實驗的數字仿真。
數字岩心建模
數字岩心是虛擬岩石物理的物質基礎，它不僅僅是簡單的幾何模型，而應包含三個層次的含義：①幾何模型，幾何結構與真實岩心相似；②物質模型，物質組成與真實岩心相似；③力學模型，力學性質與真實岩心相似。數字岩心建模方法可分為物理建模方法和數學建模方法兩大類，這兩大類建模方法各有特點。數字岩心的輸導性質主要取決於孔隙結構的總體連通程度。數字岩心的（黏）彈性性質與孔隙結構細節、骨架弱化因素密切相關。因此，數字岩心建模方法對虛擬岩石物理研究具有重要的影響。
等效物理性質模擬
數字岩心物理性質模擬伴隨著數字岩心的產生與發展。在等效輸導性質模擬方面有大量的文獻報導，如壓汞曲線模擬、滲透率模擬、電阻率模擬和核磁共振參數模擬。近十多年來，數字岩心（黏）彈性參數模擬逐漸成為研究熱點。等效（黏）彈性參數模擬主要分為靜力學模擬和波場模擬兩部分。另外，數字岩心準靜態模擬是最近才發展起來的技術。通過數字岩心（黏）彈性參數模擬可計算數字岩心的（黏）彈性參數，研究微觀結構中的波場現象等。
尺度問題
尺度是虛擬岩石物理研究中的重要概念，因參照物的不同而具有不同的意義。理解不同尺度下物理量的意義以及不同尺度間相同物理量的聯繫是建立合理研究方法的基礎。
等效體元
等效體元是連續介質力學中的一個基本概念，是空間物理性質從微觀尺度向巨觀尺度映射所需的最小體積。微觀尺度下等效體元內介質參數的等效值成為巨觀尺度的質點值。等效體元的定義較多，主要有：①等效體元包含足夠的微觀結構信息；②與巨觀結構相比，等效體元足夠小，與微觀結構相比，等效體元足夠大；③等效體元應當包含大量微觀非均勻性；④統計均勻並且等效體元的各種性質能代表非均勻介質的巨觀性質；⑤巨觀性質的值與等效體元的邊界條件無關；⑥等效體元的體積由特定的等效性質來決定。
波長與地層厚度比值Δ
理論推導、數值計算和物理實驗均已證明，薄互層狀介質在長波長近似下表現為橫向各向同性，即當Δ》1時，適用等效介質理論描述；當Δ≈1時，適用散射理論描述；當Δ《1時，適用射線理論描述。
波場頻率
超音波頻率的量級為1MHz，聲波頻率的量級為10kHz，地震波頻率的量級為100Hz。超音波、聲波和地震波在岩石中傳播的波場現象與頻率有關，超音波數據、聲波測井數據和地震數據之間可能存在明顯差異。岩石物理學家以Biot理論、White模型和噴流機制分別解釋巨觀、細觀和微觀尺度的流—固耦合運動。
在孔隙（黏）彈性理論中，特徵頻率規定了理論適用的頻率範圍。Batzle等認為，滲透率和孔隙流體流動性很差的沉積岩，即使在地震勘探頻帶範圍內也不處於低頻範圍。高滲透性岩石，即使在測井頻帶範圍仍處於低頻範圍。因此高頻和低頻是相對的。
