Петрофизика (стр. 11 из 20)
3.4. Скорости упругих волн в осадочных породах.
Упругие свойства осадочных пород определяются составом, пористостью, диагенезом пород и свойствами порового заполнителя. В общем случае скорость продольных волн в осадочных породах изменяется от 0,3 до 6,9 км/с. Отношение vP/vS различна у различных пород: в глине 0,07-0,6, в лессе 0,3-0,6, в песке 0,1-0,3. Модуль Юнга изменяется от 3 ГПа в глине до 165 ГПа в доломите. Коэффициент Пуассона изменяется в пределах 0,1-0,45.
Максимальные скорости упругих волн и модулей упругости отмечаются в уплотненных карбонатных породах, меньше величины этих параметров наблюдаются в уплотненных песчано-глинистых и гидрохимических образованиях. Зависимость между vP и σ для осадочных пород выведена М.Л.Озерской (1965):
, (3.18)По предложенному выражению составлены палетки со значениями vPmin, vPmax, σmax.
В значительной мере определяет скорость упругих волн в осадочных породах - пористость. Пористость может изменяться от 0 до 50%. С увеличением пористости породы сейсмические скорости в ней уменьшаются. Особенно эта закономерность справедлива для терригенных отложений, у которых величина пористости может достигать 30-40%.
При пористости 1-2% скорости упругих волн в осадочных породах близки к скоростям в магматических и метаморфических породах кислого состава. В ряде случаев скорости упругих волн в доломитах сравнима со скоростями в габброидах.
Существует ряд теоретических и экспериментальных зависимостей, позволяющих оценить влияние пористости, трещиноватости, типа заполнителя пустот в породах на скорость продольных волн. Широко применяется уравнение «среднего времени», связывающего время распространения волны в объеме распространения волны в заполнителе порового пространства и минеральном скелете:
, (3.20)где VP, VPз, VPт, - скорости распространения продольных волн соответственно в пористой (трещиноватой) породе, в заполнителе пустот и в твердой фазе породы; kп – коэффициент общей пористости.
Осадочные породы – преимущественно анизотропные среды. Анизотропия скоростей упругих волн обуславливается слоистостью и направлением трещиноватости пород. Особенно ярко выражено явление анизотропии для образований с тонким переслаиванием в них глинистых пород. Коэффициент анизотропии продольных волн в этих случаях может достигать 1,2-1,3.
Фактором, влияющим на скорость упругих волн в осадочных породах, является тип заполняющего породу флюида. Насыщение порового пространства среды жидкостью, химически не взаимодействующей с минеральным скелетов породы, обуславливает увеличение скорости упругих волн. При насыщении песчаников и алевролитов раствором соли NaCl не приводящим к большому эффекту размокания присутствующих в породе глинистых минералов, скорость продольных волн увеличивается с 5-10 до 100 –120%. Влияние насыщающей жидкости на скорость связано с пористостью породы, то количественно эффект насыщения пропорционален коэффициенту пористости породы.
Насыщение глин и глинистых песчаников водой приводит к разбуханию глинистых минералов, потере связанности породы и уменьшение скорости.
Резкое возрастание сейсмических скоростей в породе вызывает замерзание воды, находящиеся в порах, кавернах, трещинах. Так как скорость продольных волн во льду почти в 2,5 раза выше, чем в воде. Поэтому скорость может возрастать на 1- 2 км/с.
Скорость увеличивается с возрастом пород, глубиной залегания, степенью цементации. Увеличение скорости с глубиной происходит из-за роста горного давления. Поскольку уменьшается пористость пород, увеличивается модуль Юнга и, соответственно, увеличивается скорость продольных волн. Это явление наиболее выражено для терригенных пород, которые отличаются высокой начальной скоростью. В карбонатных отложениях это свойство проявляется слабо, и практически не заметно для хемогенных осадков.
Переход осадочных пород из газонасыщенного в водонасыщенное состояние сопровождается изменением упругих модулей. Модуль Юнга в низкопористых образцах увеличивается до 100-120%. Модуль сдвига может как увеличиваться (на 20-30%), так и уменьшаться (до 20%).
Экспериментально установлен рост процесса поглощения α с увеличением пористости пород. Установлен рост значений αP и αS с увеличением глинистости осадочных образований.
Скорость распространения сейсмических волн в нефти меньше, чем в воде и изменяется от 1300 до 1400 м/с. Нефть и газ оказывают определенное влияние на скорость и поглощение волн при прохождении их через залежь. Установлено, что скорость в нефтегазовых отложениях по сравнению со скоростью в водоносной части уменьшается в среднем на 0,5км/с (на 15-20%, в отдельных случаях может достигать и 30-35%). Среднее значение коэффициента поглощения в водоносной толще составляет первые единицы 10-3 м-1. В нефтегазовых залежах коэффициент поглощения достигают больших величин.
Большое значение имеют термодинамические условия залегания нефти и газа. С повышением температуры скорость распространения упругих волн уменьшается, причем наиболее ярко в нефтенасыщенных породах (до 30%) по сравнению с газо- и водонасыщенными. Увеличение давления (глубины), наоборот, ведет к повышению скорости.
3.5 Методы изучения упругих свойств
Методы измерения упругих свойств можно подразделить на две большие группы, относимые к измерениям в естественном залегании и в лабораторных условиях.
Упругие модули горных пород измеряются двумя методами: статическим (изотермические) и динамическим (адиабатические модули).
Статический метод применяется для определения:
· модуля Юнга при одноосном сжатии, растяжении и изгибе стержня из породы;
· модуля сдвига при кручении образца;
· коэффициента Пуассона при измерении продольных и поперечных деформаций при одноосном сжатии;
· модуля объемного сжатия при сжатии образца всесторонним давлении.
Во всех случаях измерение упругих параметров сводится к непосредственному измерению деформации сжимаемых образцов тензометрами различной конструкции.
С помощью динамического метода измеряют различные виды упругих волн в веществе и их затухание. Различают:
· динамический резонансный способ, где используют стоячие волны, возбуждаемые внешним источником на основной частоте;
· способ вращающей пластины на пути непрерывной упругой волны;
· способ последовательных ультразвуковых импульсов.
Для определения упругой характеристики горных пород в естественном залегании применяют вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП), сейсмический каротаж (СК), акустический каротаж и полевые сейсмические методы. Ценные сведения о скоростных характеристиках дают сейсмические исследования методом преломленных и отраженных волн, особенно в районах, где общие черты геологического строения достаточно хорошо известны.
Контрольные вопросы к главе 3.
1. Как объяснить положительную корреляцию между плотностью среды и скоростью сейсмических волн в ней?
2. Какие параметры используют для характеристики упругих свойств горных пород?
3. Почему для осадочных пород характерно возрастание скоростей с глубиной их залегания?
Глава 4 Теплофизические свойства минералов и горных пород
4.1 Теплофизические параметры веществ и методы их измерения
Тепловое состояние земных недр является первопричиной многих геологических процессов. Его изучение включает теоретическое и экспериментальные исследования параметров теплового поля /4,6,8/.
Распределение температур на поверхности Земли и в ее недрах, то есть естественное тепловое поле Земли – определяется:
1. пространственным распределением и мощностью источников тепла. Этими источниками являются солнце, атмосферные осадки, радиоактивные элементы, химические реакции, кристаллизация, уплотнение и другие процессы.
2. способностью пород к теплообмену – передаче тепловой энергии;
3. пространственным распределением пород с различной теплопроводностью.
Теплопроводность – процесс распределения теплоты от более нагретых к менее нагретым объемам неравномернонагретого вещества, способствующий выравниванию температуры среды.
В 1822 году Жан Батист Фурье установил связь градиента температуры с плотностью теплового потока. Эта связь стала называться Законом Фурье, который формулируется, как количество переносимой энергии определяется как плотность теплового потока, пропорциональное градиенту температуры:
q=λ·grad T , (4.1)
где q – плотность теплового потока, grad T – температурный градиент, λ - коэффициент пропорциональности, названый коэффициентом теплопроводности или просто теплопроводность.
Иными словами теплопроводность λ – это физический параметр, характеризующий интенсивность процесса теплопроводности в веществе, численно равный плотности теплового потока q, при градиенте температуры grad T, равном единице. Формула коэффициента пропорциональности:
. (4.2)Плотность теплового потока q - это вектор направленный в сторону, противоположную градиенту температуры и, численно равный количеству теплоты, проходящий через единицу площади изометрической поверхности в единицу времени.