Материал: Применение концепций, основанных на использовании скоростей распространения сейсмических волн

в зоне малых скоростей наблюдается повышенное поглощение сейсмических волн;

в низкие значения скорости и их изменчивость в ЗМС оказывает большое влияние на времена пробега волны;

резкий скачок скорости на подошве ЗМС сильно изменяет направление сейсмических лучей, делая их почти вертикальными независимо от направления прихода к подошве зоны;

резкий перепад акустической жесткости на подошве ЗМС делает ее прекрасным отражателем, что приводит к образованию интенсивных кратных волн.

В силу такого интенсивного и многообразного влияния зоны малых скоростей, как правило, при сейсмических работах проводятся специальные исследования для изучения ее строения. Учет влияния ЗМС позволяет существенно повысить качество результатов сейсмических работ.

Особо влияет на характер сейсморазведочных пород наличие зоны многолетней мерзлоты. Замерзание воды, содержащейся в порах, приводит к значительному возрастанию V_p и V_s. Это связано с тем, что скорость упругих волн у льда существенно выше (3,8 км/c), нежели в воде (1,55 км/с). Значения V_p в песках и глинах, залегающих вблизи поверхности земли, возрастают при промерзании от 1,7-2 до 3,5-4 км/c. Мощность замерзших пород может достигать нескольких сотен метров. Это существенно ухудшает качество полевых сейсмических материалов.

На характер сейсмических работ в морских условиях сильное влияние оказывает наличие в верхней части разреза твердого субстрата - особого вида льдоподобных веществ- газовых гидратов, представляющих собой смесь метана и воды. Один объем породы в гидратном состоянии связывает 270 объемов метана. Скорость продольных волн в газогидратах составляет около 3000 м/c. Даже малое количество кристаллов газогидрата в порах цементирует осадки, повышает их упругие характеристики и делает их более однородными.

Аномальное пластовые (поровые) давления также влияют на скорость распространения упругих волн. Если в слое существует аномально высокое ( по сравнению с нормальным гидростатическим давлением) пластовое давлении ( АВПД), то это приводит к уменьшению значения скорости в сравнении с тем, которое должно быть в слое при нормальном давлении. Прогноз наличия таких слоев по сейсмическим данным представляется весьма важным и трудным для практики делом.

Глава 2. Применение концепций, основанных на использовании скоростей

.1 Зона малых скоростей

Если скорость сейсмических волн меньше, чем в воде, это обычно указывает на то, что по крайней мере некоторая часть порового пространства заполнена газом (воздухом или мета- ном, образующимся при разложении растительных остатков. Столь низкие значения скорости наблюдаются, как правило, только вблизи зоне малых скоростей (ЗМС). Этот слой, в большинстве случаев имеющий мощность 4-50 характеризуется скоростями сейсмических волн, которые не только малы по величине (обычно от 250 до 1000 м\с), но иногда и чрезвычайно изменчивы.

Часто подошва ЗМС примерно совпадает с уровнем грунтовых вод, указывая на то, что слой пониженной скорости соответствует зоне аэрации над водонасыщенной зоной, но это наблюдается не всегда. В районах сезонных колебаний уровня грунтовых вод выщелачивание и переотложение минералов могут создавать эффект удвоенного слоя малых скоростей Эффекты удваивания ЗМС иногда обусловлены уровнем подвешенных грунтовых вод или изменениями в подошве ледниковых наносов, которая располагается на уровня грунтовых вод. В областях пустынь, где отсутствует определенный уровень: грунтовых вод, ЗМС может постепенно переходить в отложения, характеризующиеся нормальной скоростью. В субарктических областях болотистая тундра, покрытая мхом, характеризуется низкой скоростью летом и образует промерзший слой с высокой скоростью зимой.

Наличие ЗМС существенно в пяти аспектах: 1) в этой зоне наблюдается повышенное поглощение сейсмической энергии; 2) низкие значения скорости и резкие их изменения оказывают непропорционально большое влияние на времена пробега волн; 3) в условиях низких скоростей длины волн малы, и поэтому неоднородности гораздо меньших размеров создают заметное рассеяние и помехи других типов; 4) резкий скачок скорости в подошве ЗМС сильно изменяет направление сейсмических лучей, поэтому траектории прохождения волн через ЗМС почти вертикальны независимо от их направления под ЗМС и 5) чрезвычайно большой перепад акустических жидкостей в подошве ЗМС делает ее прекрасным отражателем, приводящим к образованию кратных отражений. Под влиянием первого аспекта записи от взрывов, произведенных в этом слое, часто бывают плохого качества, поэтому заряды обычно стараются помещать под ЗМС.

В некоторых областях, где наблюдается значительное уплотнение пород с глубиной в пределах низкоскоростного слоя, скорость возрастает с глубиной z по закону

V = az^1/n (2.1)

где а и n константы.

.2 Зона вечной мерзлоты

Температура пород вблизи поверхности близка к среднегодовой температуре для данной точки земного шара, в арктических и некоторых субарктических областях она принимает значения ниже точки замерзания. В общем случае скорость сейсмических волн незначительно увеличивается, когда паровой флюид в породе замерзает. В болотистых областях, где среда вблизи поверхности отличается существенной пористостью в незамерзшем состоянии и обогащена неразложившимися растительными остатками, скорость в результате замерзания может возрасти от 1.8 км /с или меньше до 3-3.8 км /c. Степень изменения скорости приблизительно пропорциональна пористости.

Участок геологического разреза, который не оттаивает круглый год, называют зоной вечной мерзлоты. Обычно над ней имеется слой, который летом оттаивает, и область увеличения температуры с глубиной ограничена этой зоной. Мощность зоны вечной мерзлоты изменяется от десятков сантиметров до километра. Там, где она имеет очень большую мощность, скорость вблизи ее подошвы может постепенно уменьшаться с глубиной, пока не достигнет значений, характерных для пород данного типа. В случаях, когда слой вечной мерзлоты сравнительно тонок, уменьшение скорости у его подошвы бывает довольно резким.

Водоемы на поверхности земли обычно промерзают не глубже, чем на несколько метров, и вода защищает, подстилающие их отложения от воздействия холода, поэтому вечная мерзлота под водоемами отсутствует. Горизонтальные изменения скорости от нормальных значений под озерами и реками до аномально высоких, обусловленных вечной мерзлотой, на примыкающих сухих площадях могут происходить очень резко и создавать ложное впечатление крупных структур глубже по разрезу. В то время как преломление в подошве ЗМС приводит к тому, что лучевые траектории в верхнем слое становятся почти вертикальными, преломление на границе вечной мерзлоты делает лучи в этой зоне более наклонными и увеличивает время, затраченное на прохождение. Этот эффект усиливается на трассах с большим удалением, для которых траектории распространения волн ближе к горизонтальным, и, следовательно, ряд допущений, использованных в моделях, на которых основан расчет статических поправок, анализ скоростей и т.д., становится неприемлемым.

С мерзлотой связано еще одно явление, а именно морозобойные трещины, которое возникают в результате растрескивания льда в направлении от пункта взрыва. Это внезапное высвобождение энергии проявляется резко на различных временах после взрыва и может характеризоваться достаточно большой интенсивностью, те. Создает такой эффект, как хаотические повторные удары, волны от которых могут маскировать отражения, связанные с первоначальным взрывом. Возникновение морозобойных трещин менее вероятно, если уменьшить энергию источника. Поэтому иногда полезно брать заряды меньшей величины, чем требуется, и увеличивать количество суммирований, чтобы скомпенсировать это уменьшение.

.3 Выявление зон аномального давления

“Нормальное” давление в пластах пород существует тогда, когда давление флюидов в поровом пространстве породы равно гидростатическому, соответствующему глубине залегания породы. Если плотность флюида равна ƥ_f, давление флюида равно Р_f= ƥ_fz, где z глубина залегания породы. Буровики часто пользуются понятием градиента давления dP_f/dz=ƥ_f , который при ƥ_f =1,04 г /см³ составляет около 10 кПа/м. давление создаваемое толщей покрывающих пород, при ƥ_m =2,3 г/см³ составляет примерно Р_m==22,5 кПа/м. эффективное давление, действующее на породу, равно разности давлений ˄Р= Р_m- Р_f=12,5 кПа/м. случаи аномального, или повышенного, давления ( иногда встречаются также зоны пониженного давления) возникают в результате закупоривания пластов по мере их захоронения, в результате чего пластовые флюиды лишаются возможности оттока из пласта и не дают породе уплотняться под возрастающим давление толщи покрывающих пород. Фактически только часть веса покрывающей толщи передается скелетом породы заполняющему поры флюиду. Поэтому порода чувствует себя под тем дифференциальным давление, которое соответствует меньшей глубине и скорость в ней соответствует этой меньшей глубине.

Более глубокие зоны многих осадочных разрезов включают тонкозернистые отложения, проницаемость которых недостаточно, чтобы дать возможность поровым флюидам мигрировать в процессе уплотнения, и появление зон аномально высоких давлений в таких условиях- довольно обычное явление. Это в особенности относится к молодым третичным бассейнам, где осадконакопление происходило достаточно быстро, например на побережье Мексиканского залива. Породы в пластах, находящихся под аномальным высоким давлением, могут вести себя как вязкие жидкости, не обладающие сдвиговой прочностью, и поэтому могут вовлекаться в диапировое течение, в результат чего возникают зоны срыва с образованием разломов.

В тех случаях, когда отражающие границы лежат внутри или ниже зоны аномальных давлений в разрезе, из анализа скоростей можно рассчитать интервальные скорости и не только выявить зоны повышенного давления, но и определить величину давления. При проведении анализа скоростей обычно принимают в расчет только те данные о скоростях, которые соответствуют монотонному увеличению скорости, обеспечивающей оптимальное суммирование с глубиной; при этом исключаются инверсии скорости, которые могут служить признаком присутствия в разрезе зон аномального давления. Вследствие того что для суммирования данных, относящихся к зонам аномального давления, используют, слишком высокую скорость, качество отражений в пределах таких зон обычно оказывается очень плохим, и в некоторых случаях это ухудшение можно использовать как индикатор таких зон. В то же время многократные отражения обычно также являются признаком заниженной скорости при суммировании и, следовательно, могут затруднять выделение зон аномального давления. Уметь предсказывать зоны аномального давления чрезвычайно важно при составлении планов буровых работ для снижения опасности выбросов флюидов и возникновения других проблем. При поисках зон аномального давления анализ скоростей обычно делается с меньшим шагом сканирования, чем в тех случаях, когда целью анализа служит прежде всего определение эффективной скорости. Применение методики осреднения данных по ряду смежных средних точек в общем ведет к снижению уровня экспериментального шума, но в то же время затрудняет возможности выявления природы аномальных значений скорости. Взвешенное осреднение результатов по нескольким смежным сечениям улучшает надежность результатов.

2.4 Эффект газогидратов

На сейсмических разрезах, полученных в глубоководных районах, иногда на небольшой глубине под поверхностью дна прослеживаются отражения, секущие плоскости напластования (рис 2.1).

Рис.2.1. Сейсмический профиль на внешнем хребте Блейк у юго-восточного побережья США, на котором видно отражение от подошвы зоны газогидратов.

Эти отражения часто относят за счет газогидратов, в которых молекулы газов связаны в кристаллические решетки вместе с молекулами воды с образованием структур, подобных льду. Газогидраты устойчивы в тех условиях температур и давлений, которые характерны для зоны, расположенной непосредственно под поверхностью дна в глубоководных районах. Образование газогидратов возможно, когда концентрация газа превышает величину, необходимую для насыщения поровой воды. Скорость в метаногидратных осадков составляет приблизительно 2-2,2 км в с. Отражение от основания зоны газогидратов грубо повторяет рельеф морского дна в районах, где падение пластов направлено в сторону суши, и глубина этого отражения под поверхностью дна приблизительно соответствует пределу устойчивости метаногидрата. Поэтому при интерпретации считается, что оно маркирует границу между гидратом и газом, скопившимся в ловушке, образованной вышележащим гидратом. Газ, уловленный таким образом, может когда-нибудь стать энергетическим ресурсом.

Глава 3. Способы определения скоростей

.1 Сейсмический каротаж

При сейсмическом каротаже в скважину на кабеле опускают сейсмоприемник (геофон) или гидрофон и регистрируют время, необходимое для прохождения сейсмических волн от пункта взрыва вблизи устья скважины до сейсмоприемника. (рис 3.1)

Рис 3.1

В качестве источников сейсмической энергии используются также пневмопушки в шурфах с глинистым раствором или в воде при каротаже морских скважин. Чтобы избежать воздействия высоких температур и давлений, характерных для глубоких нефтяных скважин, применяют приемники специальных конструкций. Для обеспечения хорошего контакта приемники прижимают к стенкам скважины механическими устройствами. Кабель выполняет тройное назначение: к нему крепится приемник, он служит для измерения глубины опускания преемника и содержит электрические провода, по которым выходной сигнал преемника передается на поверхность, где происходит регистрация. Взрывы производят в одной или более точках вблизи устья скважины. Приемник перемещают между взрывами вдоль ствола скважины. Таким образом, результаты измерений представляют собой набор времен пробега волн от поверхности до ряда глубин. Глубины погружения сейсмоприемника выбирают так, чтобы лучше изучить наиболее важные геологические границы, такие как кровли формаций, поверхности несогласия, а также получить данные о промежуточных положениях. Интервал между последовательными измерениями должен быть достаточно малым для обеспечения необходимой точности наблюдений (часто 200 м).Вертикальное время пробега t до глубины z получается умножением наблюдаемого времени на коэффициент z/ , учитывающий наклон реальной траектории. Средняя скорость между поверхностью и глубиной z определяется отношением z/t. на рис. Приведены график средней скорости V и вертикальный годограф t, построенные в функции z. интервальная скорость v_i, т.е. среднюю скорость на интервале z_m-z_n, с помощью формулы

V_i=( z_m-z_n)/(t_m-t_n) ( 3.1 )

Рис.3.2

Каротаж скважин позволяет определить среднюю скорость с хорошей точностью. Однако его проведение обходиться слишком дорого. Потенциальная опасность разрушения скважины- еще один фактор, отбивающий охоту проводить сейсмокаротаж. Другой неблагоприятный фактор- то что сейсмические работы часто заканчиваются прежде, чем пробурена первая скважина.

.2 Акустический каротаж

Непрерывные изменения скорости выполнятся с помощью одного или двух импульсных генераторов и двух или четырех приемников, которые помещают в один контейнер, называемый зондом и опускают в скважину.

рис.3.3.

Зонд содержит два источника сейсмичеcких импульсов S₁ и S₂ и четыре преемника R₁-R₄, разнос которых, т.е. расстояние от R₁ до R₃ и от R₂ до R₄ составляет 61 см. Длина компенсированного скважинного зонда равна 1,22 м, для длинных зондов-2,44 м. при работе с длинными зондами более вероятно, что измеренная будет соответствовать геологической формации. Для нахождения скорости измеряют разности времен пробега импульса, распространяющегося от S₁ до R₂ и R_4, и подобным же образом от S₂ до R₃ и R₁, после чего вычисляется среднее из этих разностей. Зонд перемещается по скважине, заполненной буровым раствором, которой характеризуется скоростью сейсмических волн порядка 1500 м/c. Однако в первых вступлениях регистрируются Р- волны, которые прошли по породе, окружающей скважину. Ошибки, возникающие из за вариаций диаметра скважины и толщины глинистой корки вблизи излучателей, в значительной мере устраняются благодаря измерению разности времен пробега до двух сейсмоприемников; ошибки, обусловленные подобными вариациями вблизи преемников, снижаются осреднением результатов для двух пар приемников. Диаграммы акустического каротажа (рис 3.3 ) дается в виде функции от глубины интервального времени, деленного на разнос преемников; эта величина является обратной по отношению к скорости Р- волн в породе.

Разность времен пробега до преемников акустического зонда измеряется устройством, которое автоматически регистрирует время прихода сигнала к каждому из двух приемников и вычисляет разность этих времен. Поскольку сигнал приходит к приемнику не в виде короткого импульса, а как волновой цуг, преемник реагирует на первый максимум или минимум, который превышает некоторое пороговое значение. Иногда чувствительные элементы двух приемников реагируют не на один и тот же максимум или минимум, и тогда будет зафиксировано ошибочное приращение времени, называемое перескок на период, обычно удается выявить и учесть, так как ошибка точно равна известному времени интервалу между последовательными периодами в импульсе.

Точность значений скорости полученной по данным акустического каротажа, часто довольна низка, о чем свидетельствуют частые расхождения между диаграммами обычного и длиннозондового каротажа. Точность данных акустического каротажа часто снижается из за переменного радиуса зоны проникновения волн, наличия каверн в стенках скважины и из за других факторов. Диаграммы акустического каротажа используют для определения плотности, поскольку плотность, является основным фактором, влияющим на сейсмическую скорость.