Лабораторные методы изучения физических свойств горных пород в сейсморазведке
Одним из ключевых параметров при сейсмических исследованиях является скорость распространения упругих волн в горных породах. В лабораторных условиях она измеряется на образцах, извлечённых из керна. Для этого используются ультразвуковые установки, работающие в диапазоне частот от десятков до сотен килогерц.
Методика измерения включает в себя установку пьезоэлектрических преобразователей на торцы цилиндрического образца. Один преобразователь генерирует упругую волну, другой — регистрирует её прохождение. Путём измерения времени прохождения сигнала и знания длины образца рассчитывается скорость:
$$ V = \frac{L}{\Delta t} $$
где V — скорость волны, L — длина образца, Δt — время пробега сигнала.
Скорости продольных (P) и поперечных (S) волн позволяют вычислить дополнительные модули упругости — модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона. Эти параметры критически важны для построения геомеханических моделей недр.
Плотность напрямую влияет на акустический импеданс пород и, следовательно, на отражательную способность геологических границ. В лабораторных условиях плотность определяется как отношение массы сухого образца к его объёму:
$$ \rho = \frac{m}{V} $$
Измерение массы осуществляется аналитическими весами, а объём — с помощью метода вытеснения жидкости или геометрического метода (для регулярных форм). В случае пористых пород необходимо учитывать насыщение, поэтому определяют как сухую, так и насыщенную плотности.
Пористость и проницаемость — два важнейших параметра, характеризующих фильтрационно-емкостные свойства пород.
Пористость (ϕ) определяется как отношение объёма пор ко всему объёму образца:
$$ \phi = \frac{V_\text{пор}}{V_\text{общ}} $$
Её измеряют с использованием газовой или жидкостной пикнометрии, методами насыщения, а также по данным сканирования керна.
Проницаемость (K) измеряется с использованием прибора, пропускающего газ или жидкость через образец под известным градиентом давления. Закон Дарси описывает этот процесс:
$$ Q = -\frac{K A}{\mu} \frac{dP}{dx} $$
где Q — объёмный расход, A — площадь поперечного сечения, μ — вязкость флюида, $\frac{dP}{dx}$ — градиент давления.
Эти данные крайне важны при интерпретации сейсмоакустических аномалий, связанных с зонами насыщения нефтью, газом или водой.
Для имитации поведения горных пород в сейсморазведке используют физическое моделирование. Образцы помещают в герметичные камеры, где можно регулировать давление и температуру, имитируя условия на различных глубинах. Это позволяет изучить, как изменяются скорости и амплитудные характеристики волн в зависимости от:
Наиболее продвинутые установки позволяют регистрировать анизотропию упругих свойств, что особенно важно для трещиноватых и слоистых пород.
Анизотропия в упругих свойствах горных пород может значительно влиять на поведение сейсмических волн. В лаборатории проводят измерения скоростей волн вдоль различных направлений образца. Разность скоростей интерпретируется как наличие слоистости или ориентированных трещин.
Наиболее часто используется транспорная анизотропия, характеризуемая разностью скоростей вдоль вертикальной и горизонтальной осей:
$$ \epsilon = \frac{V_{ph} - V_{pv}}{V_{pv}} $$
где Vph и Vpv — скорости продольных волн в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно.
Анизотропия учитывается при построении скоростных моделей в сейсмической интерпретации, особенно при миграции данных и инверсии.
Коэффициенты затухания важны для количественной оценки диссипации энергии сейсмических волн при прохождении через породы.
В лаборатории затухание определяется по снижению амплитуды сигнала на различных частотах. Это даёт представление о качестве породы как волновода и позволяет связать затухание с физическим состоянием пор (наличие флюидов, вязкость, смачиваемость).
Один из параметров — добротность:
$$ Q^{-1} = \frac{\Delta E}{2\pi E} $$
где ΔE — рассеянная энергия, E — запасённая энергия.
Такие измерения особенно важны для аттрибутивного анализа и амплитудной интерпретации AVO.
Дополнительно к классическим методам всё чаще применяются рентгеновская компьютерная томография (КТ) и электронная микроскопия для детального анализа порового пространства, распределения трещин, фазового состава.
КТ-томография позволяет получать трёхмерную модель внутренней структуры породы с высоким разрешением без разрушения образца. Это особенно важно при изучении неоднородностей, микротрещиноватости и распределения пор.
Сканирующая электронная микроскопия (SEM) даёт изображения микроструктур на уровне нанометров, позволяя визуализировать минеральную матрицу, глинистые примеси, цемент и трещины.
Результаты лабораторных измерений используются для калибровки полевых сейсмических данных. Особенно важна интеграция данных керна с данными скважинных акустических измерений (акустического каротажа), а также с результатами сейсмической инверсии.
Сопоставление лабораторно измеренных скоростей, плотностей и коэффициентов Пуассона с аналогичными параметрами, извлечёнными из сейсмических кубов, позволяет уточнять:
Таким образом, лабораторные методы являются неотъемлемой частью сейсморазведки, обеспечивая надёжную физическую базу для количественной интерпретации и прогноза строения недр.