Взаимосвязь скорости и плотности

Скорость распространения волн в горных породах

Возможность использования сейсморазведки, как метода изучения геологического строения разреза базируется на том, что отражающие и преломляющие границы совпадают с геологическими границами, т.е. с границами стратиграфических горизонтов. Именно поэтому сведения о положении отражающих и преломляющих границ позволяют судить о структурных особенностях изучаемого разреза.

Огромное значение в процессе построения модели разреза имеют скорости распространения продольных и поперечных волн, коэффициенты их поглощения, что позволяет судить о литологическом составе и возрасте пород, характере осадконакопления в разрезе, свойствах флюидов, заполняющих поры горных пород. Кроме того, знание скоростей распространения упругих волн необходимо для определения глубины залегания отражающих и преломляющих границ и угол их наклона. Скорости распространения сейсмических волн в горных породах могут измениться в весьма широких интервалах: от 200 в грунтах слагающих верхнюю часть разреза (ВЧР), до 6000 – 7000 для кристаллических пород. Столь широкий диапазон изменения скоростей объясняется влиянием большого числа одновременно действующих факторов геологического и физического происхождения. Чтобы разобраться в этом сложном явлении, необходимо проанализировать влияние того или иного фактора на скорости распространения упругих волн по отдельности.

 

Влияние литологии пород

Литолого-петрографическая характеристика горной породы в значительной мере определяет численные значения скоростей распространения продольных и поперечных волн. Это видно по усредненным статистическим данным измерения значений скоростей V и V для различных горных пород (рис. 1.1).

 

Рис. 1.1. Схематическое отображение данных о скоростях распространения продольных (1) и поперечных (2) волн

 

Как видно из представленных данных, наименьшие значения V и V характерны для терригенных осадочных пород, наибольшие – для кристаллических изверженных горных пород. По величине скорости распространения продольных волн осадочные горные породы приближенно можно разделить на три основные группы: терригенные – 1000-3000 , карбонатные – 2500-6500 , органогенные породы – 3500-5000 .

По приведенным данным легко понять, что величины скоростей распространения упругих волн в горных породах различного литологического состава в значительной степени перекрываются. Это означает, что величина скорости не может служить однозначным критерием отнесения горной породы к тому или иному типу. Однако одновременное знание значений скоростей распространения продольных и поперечных волн существенно облегчает задачу.

 

Взаимосвязь скорости и плотности

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют, что для большинства минералов и горных пород отмечается: возрастание скорости распространения упругих волн с увеличением плотности. Объясняется это тем, что уплотнение породы за счет горного давления, процессов метаморфизма и т.п. повышают численные значения модулей упругости (E, и тем самым увеличивает значения скоростей V и V . Такая обобщенная сводная зависимость между скоростью и плотностью показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Обобщенные зависимости скоростей распространения

продольных (1) и поперечных (2) волн от плотности горных пород

 

Плотность горных пород зависит от плотности минеральных зерен, слагающих породу. Согласно данным, приведенным в табл. 1.1, самые высокие плотности для изверженных пород, имеют промежуточную величину метаморфические породы и самые низкие плотности характерны для большинства осадочных пород. В силу сказанного для осадочных горных пород, как пород с достаточно широким диапазоном изменения плотности установлены относительно простые и достаточно точные корреляционные зависимости между их плотностью и скоростью. В частности, Н.Н.Пузыревым предложена универсальная линейная зависимость вида:

V =6 . (1.1)

 

Таблица 1.1

Плотности горных пород

Порода	Диапазон изменения плотности,	Среднее значение плотности,
Почва, аллювий	1,40 – 2,20	1,80
Гранит	2,51 – 2,82	2,67
Диорит	2,68 – 2,96	2,84
Габбро	2,85 – 3,12	2,98
Диабаз	2,80 – 3,11	2,96
Гнейс	2,59 – 3,00	2,71
Кристаллический сланец	2,70 – 3,03	2,80
Песчаник	2,17 – 2,70	2,42
Известняк	2,37 – 2,77	2,60
Глина	2,06 – 2,66	2,38

 

 

1.3. Влияние пористости и порового флюида

 

Все горные породы обладают той или иной пористостью. Поскольку поры любой горной породы, находящейся в естественном залегании, всегда заполнены флюидами (газ, вода, нефть), то величина пористости влияет на объемную массу согласно уравнению

, (1.2)

где n – пористость породы; - плотность флюидов, - плотность минерального скелета.

Из уравнения (1.2) следует, что увеличение пористости горной породы уменьшает её плотность, тем самым, уменьшая скорость распространения упругих волн. Кроме того, насыщающий породу флюид непосредственно влияет на скорость, поскольку волна вынуждена проходить часть пути через среду низкоскоростного флюида.

Из приведенной формулы следует, что увеличение пористости, при прочих равных условиях, непременно приводит к уменьшению значений скоростей распространения упругих волн. В качестве примера на рис. 1.3 приведены экспериментальные данные о зависимости скорости распространения продольных волн от пористости для осадочных горных пород.

Рис. 1.3. Экспериментальные данные зависимости пористости и скорости для песчаников (1), известняков (2) и обобщенный график зависимости (3)

 

Сама пористость сильно зависит от целого ряда геолого-генетических факторов. Среди них следует отметить степень однородности материала, тип и качество цементации зерен горных пород, явления уплотнения или разуплотнения, геологическую историю формирования осадочных бассейнов и т.п. Влияние этих и других факторов на величину плотности, а значит и скорости приведены на рис. 1.4.

 

 

Рис.1.4. Влияние различных факторов на величину пластовой скорости

 

 

Из рисунка 1.4. видно, как влияние пористости на скорость существенно усложняется типом флюида, заполняющего поры, и величиной пластового давления. Экспериментальные данные свидетельствуют, что скорости распространения продольных волн в газонасыщенной породе всегда значительно ниже, чем в этой же породе насыщенной жидкостью. В результате этого явления на сейсмических записях границы раздела «газ – вода» отчетливо проявляется в виде горизонтальных осей синфазности и повышенной амплитудой отраженных волн. Эти признаки лежат в основе методики прямых поисков залежей углеводородов, получившей название метода «яркого пятна».