Сейсмоакустические методы изучения трещиноватости горных пород

Сейсмоакустические методы изучения трещиноватости горных пород. Трещиноватость горных пород представляет большой интерес при решении многих геолого-геофизических задач в нефтегазовой отрасли, при инженерных изысканиях, в прогнозе землетрясений и т. д.

Сейсмоакустические методы изучения трещиноватости горных пород основаны на определении кинематических и динамических характеристик упругих волн, распространяющихся в исследуемом массиве. Так, открытая трещина пустотность в скальных массивах определяется по скоростям продольных волн в предположении, что среда состоит из параллельных слоёв породы и тещин [1]. При этом получаются значения пустотности, сопоставимые с данными геотехнических способов измерений. Наибольшее распространение получили скважинные методы выделения трещиноватых зон. Так, в акустическом каротаже трещиноватые участки пород выделяются по фазо-корреляционным диаграммам (ФКД). Интервалам с наибольшей густотой и раскрытостью трещин соответствуют участки ФКД с наибольшей перемятостью осей синфазности продольных и поперечных волн и наличием коротких осей синфазности вторичных волн, образованных на трещинах. Наибольший вклад в разработку методики выделения трещиноватых зон по данным акустического каротажа внесли Кузнецов О.Л. [2] и Дзебань И.П. [3].

В сейсморазведке трещиноватые зоны выделяются по нарушениям осей синфазности вблизи геологических разломов и по затуханию упругих волн. Здесь следует отметить методику выделения нарушенных зон по динамическим параметрам продольных волн, приведшую к установлению (в комплексе с другими методами) является парагенезиса субвертикальных зонально-кольцеобразных геофизических, геохимических и биогеохимических полей в осадочном чехле земной коры [4].

Одним из разработчиков этой методики являлся О.Л. Кузнецов. Динамические параметры упругих волн несут большую информацию о структуре пород, и одним из основных параметров является затухание. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть вопрос о затухании упругих волн в горных породах. Затухание складывается из потерь энергии за счёт неидеальной упругости (поглощения) и потерь за счёт рассеяния на неоднородностях.

Эффективный коэффициент затухания α_эф представляется в виде:

α_эф=α_п+α_р

где α_п – коэффициент поглощения;
α_р – коэффициент рассеяния.

Существует много механизмов поглощения упругих волн, рассмотрение которых требует специального обсуждения. Отметим только, что в горных породах эффективный коэффициент затухания в сейсмоакустическом диапазоне частот линейно зависит от частоты (декремент затухания постоянен).

Чтобы рассматривать рассеивающие свойства среды, представляющие наибольший интерес для выделения трещиноватых зон, необходимо выбрать адекватную модель. Такой моделью является среда со случайно распределёнными неоднородностями. В работе [5] рассматривается модель рассеяния упругих волн на множестве дискретных рассеивателей (упругих включений), распределённых по характерному размеру. Модель даёт линейную зависимость коэффициента затухания когерентного поля от частоты при слабой дисперсии фазовой скорости в широком диапазоне частот, т.е. зависимости, наблюдаемые в реальных условиях. В работе [6] показывается, что зависимость (1) справедлива только для случаев, когда регистрация осуществляется апертурами большого диаметра D (DR_к, где R_к – радиус корреляции случайного поля: Rк≥λ где λ – длина волны)

В этом случае, вследствие осреднения на большой базе автоматически обеспечивается приём когерентной части поля. В реальных условиях D?Rк и поэтому помимо когерентного поля регистрируется полный флуктационный вклад. Отсюда следует, что получаемые оценки эффективного затухания должны зависеть от вида функции поля проходящих волн, используемых при обработке и в различной мере учитывающих этот вклад. Так, в методе амплитудного годографа, который обычно используется в сейсморазведке, коэффициент затухания зависит от расстояния [6]. Это связано стем, что на близких расстояниях (область сильных флуктаций) прямая волна интерферирует с многочисленными пересекаемыми вторичными волнами, что приводит к уменьшению затухания.

Из вышеизложенного следует, что в горных породах при распространении упругих волн происходит сильное рассеяние энергии на неоднородностях. Из оценок, проведённых в [6], декременты поглощения и рассеяния различаются незначительно. Поскольку наиболее контрастными неоднородностями являются трещины, то и рассеивание в трещиноватых средах должно быть наибольшим. Отсюда появляется принципиальная возможность выделения трещиноватых зон путём регистрации рассеянных волн. Одним из методов, реализующих эту возможность, является метод сейсмической локации бокового обзора, в разработке которого принимал активное участие О.Л. Кузнецов [7]. Сущность метода заключается в создании таких условий излучения и приёма, при которых отраженные от сейсмических границ волны будут подавляться, а рассеянные волны – усиливаться. Это достигается тем, что апертуры излучения и приёма выносятся за площадь исследования (рис.1) и обработка материалов ведётся таким образом, что происходит фокусировка излучения и приёма по годографу рассеянных волн на заданный элемент объёма геосреды.

Рис.1
Схема сейсмической локации бокового обзора)

Повторяя фокусировку для всех элементов, на которые разбивается исследуемый объект, получают распределение энергии рассеянных волн для всего объёма. Поскольку энергия рассеяния пропорциональна количеству трещин в единице объёма, распределения энергии соответствуют распределению трещиноватости. Естественно, что на данном этапе можно говорить только о качественной характеристике (больше или меньше трещин), а не о количественной.

Поскольку энергия рассеянных волн на 1-2 порядка меньше энергии зеркально отражённых, то фокусировка должна обеспечивать усиление рассеянных волн на 1-2 порядка, что достигается при количестве пунктов излучения и приёма в соответствующих апертурах до 100. (Соответственно накопление ведётся по 1000 трассам).

Имея распределение энергии рассеянных волн по объёму, можно получить такое распределение по любой поверхности или линии. Соответственно можно получить распределение трещиноватости по продуктивному коллектору или вдоль скважины.

В качестве примера на рис.2 приводится распределение трещиноватости вдоль продуктивного карбонатного коллектора на одном из месторождений Татарстана. На рис.3 приводится распределение энергии рассеянных волн скважины 20009 на Ново-Елховском месторождении Татарстана, пробуренной в кристаллическом фундаменте.

В настоящее время метод сейсмической локации бокового обзора успешно применяется для изучения трещиноватости карбонатных коллекторов для целей определения направления бурения горизонтальных скважин и определения мест заложения эксплуатационных. Но возможности метода этим не ограничиваются, и работа в направлении расширения круга решаемых вопросов продолжается.

Рис.2
Распределение энергии рассеянных волн (ЭРВ)

Рис.3
Распределение энергии рассеянных волн (псевдокаротажная кривая) вдоль скважины 20009

Литература

1. А.И. Савич, В.И. Коптев, В.Н. Никитин, З.Г. Ященко., Сейсмические методы изучения массивов скальных пород. Недра, Москва, 1996г., 239с.
2. Б.Н. Иванкин, Е.В. Карус, О.Л. Кузнецов. Акустический метод исследования скважин. Недра, Москва, 1981г., 160с.
3. И.П. Дзельбань. Акустический метод выделения коллекторов с вторичной пористостью. Недра, Москва, 1981г., 160с.
4. Л.М. Зорькин, Е.В. Карус, О.Л. Кузнецов, Г.А. Могилевский, А.В. Петухов, В.Г. Чахмачёв, Л.Н. Давыдов, М.А. Киричек-Бондарёва, З.А. Корх, М.К. Полшков, А.В. Сидоренко, Н.И. Белоликов, Г.В. Рогоцкий, И.А. Чиркин. Открытие, зарегистрированное 24 июня 1980г., с формулой: Установлено неизвестное ранее явление парагенезиса субвертикальных зонально-кольцеобразных геофизических, геохимических и биохимических полей, заключающееся в том, что в осадочном чехле земной коры происходит локация аномалий геофизических, геохимических и биохимических полей, обусловленная воздействием совокупности полей изотермических напряжений, деформаций горных пород и локальных полей эволюции месторождений полезных ископаемых. Ежегодник Большой Советской Энциклопедии, 1981, вып. 25, стр.471.
5. С.А Шапиро, И.С. Файзуллин. О затухании сейсмических волн в горных породах как в дискретных рассеивающих средах. Известия АН СССР, Физика Земли, № 9, 1986г., 56-63 с.
6. И.С. Файзуллин, С.А. Шапиро. Особенности затухания сейсмических волн в случайно-неоднородных средах. Доклады АН СССР, Геофизика, 1988г., т. 302, № 5, 1073-1077 с.
7. Б.П. Дьяконов, О.Л. Кузнецов, Ю.Г. Раевский, И.С. Файзуллин, И.А. Чиркин, С.И. Шленкин. Патент РФ № 2008697. Способ сейсмической разведки горных пород. Приоритет от 22.04.1991.

Скачать: Сейсмоакустические методы изучения трещиноватости горных пород (PDF, 801.12 Kb)