Главная страница
Навигация по странице:

  • Физические основы сейсморазведки

  • Принципы геометрической сейсмики

  • Типы сейсмических волн

  • Сейсмогеологический разрез

  • Скоростные свойства горных пород

  • Лекция 11_сейс. Физические основы сейсморазведки


    Скачать 82.5 Kb.
    НазваниеФизические основы сейсморазведки
    АнкорЛекция 11_сейс.doc
    Дата25.06.2017
    Размер82.5 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЛекция 11_сейс.doc
    ТипДокументы
    #11256

    Подборка по базе: реферат по ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ техн.процессов нефтегазового про, Методичка по курсовой работе теоритические основы ТЭС.pdf, ЕН.02Экологические основы природопользования1.doc, умк основы экологии.doc, МП по выполнению практических и лабораторных работ по дисциплине, 26) КТП Основы геодезии СЗ.doc, Методичекие указания Основы градостроительства.doc, Арифметические основы цифровой техники.pdf, 1. Колебания, основы молекулярной физики и термодинамики.pdf, Реферат Физические основы нанотехнологий.docx.


    Сейсморазведка

    Сейсмическая разведка (сейсморазведка) - это геофизический метод исследования строения Земли и геологической среды, поисков и разведки нефти и газа, а также других полезных ископаемых, основанный на изучении распространения упругих волн, возбужденных искусственно с помощью тех или иных источников: взрывов, ударов и др. Горные породы отличаются по упругим свойствам, поэтому обладают различными скоростями распростра­нения упругих волн. Это приводит к тому, что на границах слоев, где скоро­сти меняются, могут образоваться различные волны, регистрируя которые на земной поверхности, можно получить информацию о скоростном разрезе, а по нему судить о геологическом строении.

    Методика сейсморазведки основана на изучении кинематики волн (времени пробега волн от пункта их возбуждения до сейсмоприемников) или их динамики (амплитуда, фаза, частоты).

    По решаемым задачам различают глубинную, структурную, нефтега­зовую, рудную, инженерную сейсморазведку.

    По месту проведения сейсморазведка подразделяется на наземную (по­левую), акваториальную (морскую), скважинную и подземную.

    По частотам колебаний используемых упругих волн можно выделить высокочастотную (частоты свыше 100 гц), среднечастотную (частоты в несколько десятков герц) и низкочастотную (частоты менее 10 гц) сейсмораз­ведку. Чем выше частота упругих волн, тем больше их затухание и меньше глубинность разведки.

    Сейсморазведка - очень важный и во многих случаях самый точный (хотя и самый дорогой и трудоемкий) метод геофизической разведки, приме­ня­ющийся для решения различных геологических задач с глубинностью от нескольких метров (изучение физико-механических свойств пород) до неско­ль­ких десятков и даже сотен километров (изучение земной коры и верхней мантии). Однако главное назначение сейсморазведки - поиск и разведка нефти и газа.

    Физические основы сейсморазведки

    Теория распространения упругих (сейсмических) волн базируется на теории упругости, так как геологические среды в первом приближении можно считать упругими.

    Абсолютно упругим телом называется такое, которое после прекращения действия приложенных к нему сил восстанавливает свою первоначальную форму и объем. Тела и среды, в которых развиваются необратимые деформации, называются пластичными, неупругими. Изменение формы, объема и размеров под действием напряжения называется деформацией. Напряжения (силы, действующие на единицу площади), как и деформации, могут быть:

    1. растягивающими или стягивающими,

    2. сдвиговыми

    3. всесторонне сжимающими.

    Коэффициенты связи между напряжениями и деформациями среды называются модулями упругости.

    По закону Гука деформация растяжения (сжатия) (Δl) в идеально упругих средах прямо пропорциональна напряжению:

    и

    где E - модуль Юнга (модуль продольного растяжения); l, d, S - длина, диаметр и поперечное сечение цилиндрического тела, F - приложенная сила, δ- коэффициент Пуассона (модуль поперечного сжатия).

    Третьим упругим модулем является модуль сдвига (μC), связанный с модулем Юнга и коэффициентом Пуассона, соотношением μC = E/(2(δ+1).

    Четвертым является модуль всестороннего сжатия KC = E/3(1-2δ).

    После возбуждения упругой волны в среде возникает смещение, возмущение упругих частиц, создается волновой процесс. Возникая вблизи источника, он постепенно переходит в другие части среды путем передачи деформаций и напряжений за счет упругих связей между частицами. В результате в среде возникают объемные и поверхностные упругие волны. Традиционно в сейсморазведке наибольшее применение нашли объемные волны: продольные (P-волны) и поперечные (S-волны). Скорости VP всегда больше, чем VS. Известны также поверхностные волны, называемые волнами Рэлея ( R) и Лява (L).

    В продольных волнах частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны и происходят деформации объема (сдвига). В поперечных волнах частицы колеблются в плоскости, перпендикулярной распространению, что вызывает деформации формы (сжатия – растяжения).

    Скорости продольных и поперечных волн выражаются через коэффициенты упругости следующими формулами:

    ;

    где σ - плотность пород. В среднем для большинства пород

    VP/VS = 1,73; VR = 0.9VS; VL < VS.
    Принципы геометрической сейсмики

    Кинематические законы распространения упругих волн базируются на принципах геометрической сейсмики или геометрической оптики.

    Если в некоторой точке пространства произвести взрыв (удар), то возни­кает упругая волна, скорость распространения которой зависит от упругих свойств среды. При прохождении волны частицы породы начинают колебаться. Поверхность, отделяющая область, где частицы колеблются под воздействием упругой волны, и невозмущенную область, куда волна еще не пришла, называется фронтом волны. Линии, перпендикулярные фронту, назы­­ваются сейсмическими лучами. Вдоль лучей переносится энергия упругой волны. Вблизи источника фронт упругих волн сферический, а вдалеке - практически плоский.

    Каждую монохроматическую волну одной частоты можно охаракте­ри­зовать через длину волны (λ), период (Т) или частоту колебания (f = 1/T), ко­торые связаны с фазовой скоростью (V) соотношением λ = V/f. В сейсмораз­ведке используются упругие волны частотой 2 - 120 Гц, что при скоростях в породах от 1 до 7 км/с дает длины волн 3500 - 9 м соответственно.

    Законы распространения упругих волн в горных породах могут быть получены из основных принципов геометрической оптики - принципов Гюйгенса - Ферма.

    Согласно принципу Гюйгенса, каждую точку фронта волны можно рас­сматривать как самостоятельный элементарный источник колебаний. Это зна­­чит, что по положению фронта волны в некоторый момент можно опре­делить положение его в любой другой момент, если построить огибающую элементарных сферических фронтов с центрами, расположенными на задан­ном.

    Принцип Ферма формулируется следующим образом: волна расспрос­тра­няется между двумя точками по такому пути, который требует наимень­шего времени для ее распространения. Следствием этого принципа является прямолинейность распространения волн в изотропной среде, когда скорость постоянна во всех направлениях.

    Важный принцип геометрической сейсмики - принцип суперпозиции, согласно которому при наложении (интерференции) нескольких упругих волн их распространение можно изучать по отдельности для каждой волны, пренебрегая влиянием волн друг на друга.

    Основным законом геометрической сейсмики является закон прелом­ления - отражения, который включает следующие положения (см. рис.):

    1. падающие, отраженные и преломленные лучи лежат в одной плос­кос­ти, совпадающей с плоскостью, нормальной к границе раздела сред с разными скоростями упругих волн;

    2. угол падения волны 1, отсчиты­ваемый от перпендикуляра к границе, и ее скорость в среде V1 связаны с углом преломления 2 и скоростью V2 соотношением sin1/sin2 = V1/V2;

    3. этим же соотношением связаны углы падения (1) и отражения (1): sin1/sin1 = V/V;. Для волн одного типа, например продольных, V = V, что приводит к закону равенства углов падения и отражения.


    Основные типы продольных волн: 1 - прямая, 2 - отраженная, 3 – пре­ломленная проходящая, 4 – прело­м­ленная скользящая, 5 – прелом­лен­ная головная. Рефрагированные волны, образую­щиеся во втором слое и в среде с возрастающими с глубиной скоро­стями упругих волн

    В сейсморазведке к законам геометрической оптики добавляются законы отражения и преломления обменных волн: любая падающая волна - продольная (P) или поперечная (P) - порождает на границе две отраженные (P1 и S1) и две преломленные (P2 и S2) волны, связанные законом Снеллиуса:



    В теории сейсморазведки показано, что при падении Р-волны на гра­ни­цу по нормали ( = 0) не образуются S-волны, а вся энергия переходит в от­ра­женную и преломленную P-волны. Поэтому в сейсморазведке чаще испо­ль­зуются волны P, распространяющиеся по лучам, близким к нормальным.
    Типы сейсмических волн

    От пункта возбуждения во все стороны распространяются упругие вол­ны. Вдоль земной поверхности идут поверхностные волны, а в глубь слоя рас­пространяются прямые или падающие (продольная и поперечная) волны. На границах раздела сред с разными скоростями упругих волн за счет энер­гии падающей волны возникают отраженные и преломленные волны. При этом могут образоваться отраженные и преломленные волны как того же типа, что и падающая (монотипные, однотипные волны), так и другого типа (обменные волны). Поскольку продольные волны обладают большими скоро­стями, чем поперечные (и поэтому к пунктам регистрации приходят первы­ми), а при возбуждении упругих волн взрывами и многими невзрывными источниками возникают в основном продольные волны, то в сейсморазведке они используются чаще. В дальнейшем речь будет идти в основном о продольных волнах, хотя все рассмотренные закономерности могут быть справедливы и для поперечных волн.

    Отражение монотипных продольных сейсмических волн происходит на границах слоев с разными волновыми сопротивлениями (акустическими жесткостями λ = σV), т.е. условие образования отраженной волны определяется неравенством σ1V1 ≠ σ2V2, где V1,V2 и σ1, σ2 - скорости распространения волн и плотности пород в первом и втором слоях, а угол падения равен углу отражения.

    Из преломленных волн для сейсморазведки особый интерес представляют волны, падающие под углом α = i, называемым критическим или углом полного внутреннего отражения, когда угол преломления становится равным 90о. В этом случае вдоль границы раздела пойдет скользящая преломлен­ая волна. Именно она, согласно принципу Гюйгенса, создает новые волны, называeмые головными и формула для определения критического угла падения получит вид sin(i) = V1/V2. Так как sin(i) <1, то условием образования скользящей, а значит и головной преломленной волны является V12.

    Если скорость распространения упругой волны в среде возрастает с глубинnй, то лучи проходящих волн искривляются и возвращаются на поверхность. Такие волны называются рефрагированными.

    При распространении сейсмических волн в средах сложного строения (дайки, уступы, сбросы и т.п.) в зоне тени для проходящих волн могут возникать дифрагированные волны.

    На границе воздух - земная поверхность образуются поверхностные волны Рэлея и Лява, которые быстро затухают с глубиной.

    Кроме перечисленных полезных для глубинных исследований волн на записях наблюдаются различные волны-помехи (полно- и неполнократные отраженно-преломленные, звуковые, микросейсмы и т.п.).

    Каждая из рассмотренных полезных волн может быть зарегистрирова­на самостоятельно, и поэтому их называют индивидуальными, однократ­ны­ми. Однако очень часто наблюдается их сложение. Обилие сейсмических волн (сотни), необходимость выделения и распознавания природы одной или десятка полезных волн среди сотен других, играющих роль волн-помех, представляют очень сложную техническую, методическую и интерпрета­цион­ную проблему в сейсморазведке.
    Сейсмогеологический разрез

    Реальные геологические среды очень сложны с точки зрения скоростного разреза и особенностей распространения в них монотипных упругих волн. Упрощенными физико-геологическими моделями (ФГМ) сейсмических сред являются следующие.

    В однородной изотропной среде скорость распространения упругой волны в каждой точке неизменна по величине и направлению. В анизотропной среде скорость распространения упругих волн по разным направлениям различна. В однороднослоистых средах скорость остается постоянной лишь в каждом слое и скачком меняется на их границах. В градиентных средах скорость распространения волн является непрерывной функцией координат. Чаще всего наблюдается увеличение скорости с глубиной (среды с вертикальным градиентом скорости).

    Таким образом, в сейсморазведке чаще всего используются модели слоистых сред, в каждом из которых скорость или постоянна, или меняется непрерывно, а на границах слоев - меняется скачком.

    Для образования тех или иных волн большую роль играют форма и качество сейсмических границ между слоями. На резких границае скорости и акустические жесткости меняются более, чем на 25 %, на нерезких отличия меньше. Сейсмические границы бывают гладкими, на которых неровности по размерам значительно меньше длины упругой волны, и шероховатыми - с неровностями, сравнимыми с длиной волны.
    Скоростные свойства горных пород

    Основными упругими параметрами горных пород принято считать скорости продольных (VP) и поперечных (VS) волн. и их поглощения (), которые определяются упругими модулями () и плотностью () (см.

    Скорости распространения упругих волн являются диагностическим признаком горной породы. Методы их определения делятся на лабораторные (измерения на образцах), скважинные (сейсмические и акустические наблюдения в скважинах), полевые (расчет скорости в результате интерпретации данных сейсморазведки).

    Скорости распространения волн определяются составом, строением и состоянием горных пород, которые, в свою очередь, зависят от грануло­метри­ческого и минерального состава твердых частиц, глубины залегания, возраста пород, степени метаморфизма, плотности, пористости, трещинова­тости, водонасыщенности.

    Наименьшими скоростями обладают рыхлые сухие пески (0,5 - 1 км/с), вода (

    1,5 км/с), глины (1,3 - 3 км/с), уголь (1,8 - 3,5 км/с). Большие скорости (3 - 6 км/с) у скальных осадочных пород (известняки, мрамор, доломит, соль и др.). Самые большие (4 - 7 км/с) - у изверженных и метаморфических пород.

    Все остальные факторы, которые делают породу более массивной, сцементированной, консолидированной - например, водонасыщенность, замерзание, степень метаморфизма - делают скорости больше. С увеличением раздробленности, трещиноватости, рыхлости, пористости ( при заполнении пор воздухом или газом) скорости уменьшается.

    Для сильно рассланцованных пород характерно различие скоростей в разных направлениях (анизотропия): у них скорость на 10 - 20 % больше вдоль, чем вкрест напластования. Чем больше абсолютный возраст пород и глубина залегания, тем больше скорость. Для осадочных пород известна следующая эмпирическая формула зависимости скорости от этих факторов



    где T- возраст пород, h – глубина залегания, к - коэффициент пропорцио­наль­ности.


    Наименование породы

    или среды

    Скорость VP (км/сек)

    от

    до

    Воздух

    0.3

    0.36

    Почвенный слой

    0.2

    0.8

    Гравий, щебень, песок

    0.1

    1.0

    Вода

    1.4

    1.6

    Глина

    1.2

    2.5

    Песчаник

    1.5 (рыхлые) ((рыхлый)

    4.0 ( очень плотные)

    Сланцы

    2.0

    5.0 (метаморфич)

    Известняки, доломиты

    3.0

    6.0

    Лед

    3.0

    4.0

    Базальт

    5.0

    7.0

    Гранит

    4.5

    6.5


    написать администратору сайта