Влияние различных факторов на скорости упругих волн в горных породах

Геологическая интерпретация материалов акустического каротажа практически невозможна без детального изучения механизма распространения упругих волн в горных породах, в частности в коллекторах нефти и газа.

Многообразие и резкое отличие физических свойств горных пород (изверженных, осадочных, метаморфизованных и т.д.) требует разработки разнообразных методов их теоретического и экспериментального изучения. Так, для описания закономерно­стей распространения волн в высокоупругих и малопоглощающих звук изверженных (скальных) породах могут использоваться с до­статочным приближением методы динамической теории упругости (для идеально упругих сред) и механики сплошной среды. В то же время, для описания процессов распространения волн в коллек­торах, насыщенных нефтью, газом и водой необходимо примене­ние методов термодинамики необратимых процессов и механики деформируемых пористых сред.

Сложность теоретического и экспериментального изучений акустических свойств горных пород в лабораторных условиях заключается в необходимости моделирования не только фильтрационно-емкостных и физико-механических свойств пород, но и соз­дания термодинамических условий (давления и температуры), близких к пластовым. В России и за рубежом параллельно развиваются три направления исследований акустических параметров горных пород:

1. Теоретическое исследование закономерностей распростране­ния акустических полей в насыщенных пористых (неограниченных) средах методами механики сплошной среды и термодинамики необратимых процессов и расчет акустических параметров горных пород некоторых типов, исходя из упрощенных моделей гетерогенной среды.

2. Экспериментальные ультразвуковые исследования образ­цов горных пород на лабораторных установках при давлениях и температурах, близких к пластовым.

3. Экспериментальное изучение акустических параметров гор­ных пород в скважинах в контролируемых условиях, т.е. путем натурного моделирования.

В результате теоретических и экспериментальных исследований удалось изучить основные черты явлений, управляющих распространением упругих волн в горных породах, а также уста­новить количество между основными акустическими параметрами и структурными особенностями пород, их физико-механическими свойствами, характером насыщения и термодинамическими условиями залегания.

Скорости упругих волн зависят от многих факторов: литолого-минералогического состава породы, объема и структуры порового пространства, типа цемента, степени цементации и характера распределения глинистого материала, насыщенности различными флюидами, термобарических условий.

Из перечисленных факторов наиболее изучены влияние пористости, глинистости и типа цементации.

Скорости продольной и поперечной волн значительно отличаются между собой. В формуле для скорости продольной волны под корнем находятся две составляющие (сумма модуля сжатия и жесткости, деленной на плотность), а в формуле для скорости поперечной волны содержится только одна компонента упругости – жесткость. Это значит, что для количественной характеристики изменения объема (следовательно, и формы) для продольной волны требуется учет, как глинистости, так и модуля всестороннего сжатия, а для поперечной волны – учет только жесткости.

1) Поперечные волны (P).

Приложение некоторого напряжения к единице объема горной породы вызывает деформацию, которая изменяет только форму, без изменения объема, так как сопротивление материалу выражается только соответствующим модулем упругости – жесткостью, которая (в единственном числе) препятствует изменению формы. Отсюда видно различие между величинами  для твердого тела и для жидкости: твердые непористые тела препятствуют изменению формы, а жидкости – не препятствуют.

Таким образом, при приложении напряжения к единице объема горной породы изменяется форма, а объем остается неизменным.

При насыщении породы жидкостью увеличивается плотность единицы объема, а скорость поперечной волны снижается. Это так называемый плотностной эффект: чем выше насыщенность жидкостью, т.е. чем выше пористость, тем больше снижается скорость поперечной волны.

При наличии в породе рассеянного глинистого материала, не влияющего на жесткость (следовательно, и на форму), но уменьшающего эффективную пористость при одновременном увеличении плотности единицы объема, скорость поперечной волны еще больше уменьшается.

В передаче поперечной волны большую роль играет тип межзерновых контактов: деформация передается только через контакты зерен породы, поскольку давление вышележащих пород не допускает разрыва контактов между отдельными зернами. Другими словами, деформация концентрируется только на контактах между зернами, а поперечные волны передаются через контакты.

2) Продольные волны (S).

Так как жесткость зерен породы меньше модуля всестороннего сжатия, а модуль всестороннего сжатия воды составляет 1/5 модуля сжатия породы, то зерна последней внедряются в поровое пространство. Иначе говоря, при приложении напряжения зерна породы могут деформироваться только в направлении порового пространства, уменьшая объем последнего; это уменьшение зависит как от минералогического состава породы, частицы которой по разному поддаются изменению формы и объема, так и от типа насыщающего флюида.

Таким образом, в передаче продольной волны, кроме твердого материала породы, принимает участие и флюид.

Величина   (скорость поперечной волны) уменьшается:

· при увеличении плотности насыщающей породу жидкости;

· если тип цемента контактный, так как поры остаются свободными от цементирующего материала.

Величина   (скорость продольной волны) уменьшается:

· при увеличении плотности насыщающего флюида;

· при заполнении межзернового пространства, поскольку при этом увеличивается число контактов.