Реферат. Сейсморазведка как метод разведочной геофизики
![]()
|
Министерство науки и высшего образования РФФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Архитектурно-строительный институт Кафедра «Прикладные и естественнонаучные дисциплины» Реферат Тема: Сейсморазведка как метод разведочной геофизики Учебный предмет: Физика Выполнили: Зарипова Д.А. Иванаевская Е.С. Курс 1 Группа БГС-20-01 Преподаватель: А.Р. Маскова Дата сдачи «30» апреля 2021г. Оценка ____________________________ Подпись преподавателя_______________ Уфа 2021 СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………...……………………….… 3 Глава 1 Физические основы сейсморазведки….……………...……………… 6 1.1Основные положения теории упругости……………………….…... 6 1.2 Типы сейсмических волн..........…..……………………….….…….. 8 1.3 Сферические волны…………………..…...………….……………... 9 1.4 Амплитудный спектр периодических колебаний...…………….…11 1.5 Принципы (постулаты) и законы теории распространения сейсмических волн………………………………………………………12 1.6 Распространение сейсмических волн в неидеально упругих средах…………………………………………………………………….13 1.7 Коэффициенты отражения (нормальное падение)………………..13 Глава 2 Сейсмические волны и их кинематические характеристики. ...…...15 2.1 Сейсмограмма и ее элементы……………………………………….15 2.2 Прямые, поверхностные и дифрагированные волны и их годографы ОПВ……………………………………………………….....17 Заключение ………………………………………………………………….….19 Библиографический список ………………………………..…………….……20 ВВЕДЕНИЕ Сейсморазведка –это один из геофизических методов, который преследует задачу получения изображения геологической среды с помощью дистанционных методов. Это могут быть задачи строительства для малоглубинных исследований, задачи поиска полезных ископаемых, в первую очередь нефти и газа, а также задачи исследования глубинного строения Земли, вплоть до ядра. Основной способ получения изображения среды – это бурение скважин. Однако проблема состоит в том, что бурение скважин – это, во-первых, дискретный метод, а во-вторых, очень дорогой способ исследования земных недр. Поэтому еще со времен братьев Шлюмберже (начало ХХ века) было предложено использование геофизики, в частности сейсморазведки, как более дешевого и детального метода, для исследования недр Земли. Изначально ставилась задача исследования межскважинного пространства с целью уточнения положения слоев. Легко провести аналогию с медициной: УЗИ и МРТ позволяют также получить изображение внутренних органов с помощью дистанционных методов, то есть без участия хирурга. Поскольку любой геофизический метод имеет свои преимущества и недостатки, то чаще всего применяется комплекс методов. Так, например, электроразведка специализируется на поиске рудных месторождений, тогда как сейсморазведка используется для поиска углеводородов в горизонтально слоистых средах. Получение изображения геологической среды сейсмическими методами заключается в возбуждении сейсмических волн и их последующей регистрации с помощью специальных источников, и приемников. Сейсмические волны распространяются в недрах Земли, за счет того, что породы обладают свойствами упругости, которые проявляются при появлении возмущений. Эти возмущения и называются сейсмическими или упругими волнами. Например, звук голоса является упругой волной – его скорость в воздухе известна и составляет 330 м\с. В вакууме упругая среда не распространяется, поскольку частицы отсутствуют. Сейсмические волны, распространяясь в среде достигают границ раздела слоев и на них претерпевают явления отражения, преломления, и в какой-то момент возвращаются на поверхность земли, где регистрируются с помощью геофонов (сейсмоприемников). Аналогом в электроразведке являют питающие и приемные электроды. Заметим, что следует различать понятия сейсморазведки и сейсмологии. Сейсмология – это метод геофизики, изучающий землетрясения, то есть источник волн естественный, тогда как в сейсморазведке источник всегда искусственный (вибрационные источники, удар кувалдой). Сейсморазведка происходит от греческого слова «сейсмо» – трясти, сотрясать. Выделяется три основных вида использования сейсморазведки: поиск полезных ископаемых (в основном нефти и газа), определение прочностных свойств грунтов при строительстве, изучение геологического строения Земли в целом. Принципиальная возможность применения сейсморазведки основывается на неоднородности Земли, которая состоит из слоев разной плотности, имеющих разные физические свойства, имеет неоднородности в виде штоков, даек, антиклиналей, синклиналей и др. Основным параметром неоднородности в сейсморазведке является плотность и, как следствие, скорость распространения сейсмических волн в горных породах. Так, определяя скорость распространения волн в том или ином слое, мы можем определить его свойства. А далее, зная время и скорость волны, мы можем определить мощность слоя, и глубину его залегания. В зависимости от того отразилась или преломилась волна на границе, она называется соответственно отраженной или преломленной. Волны определяют названия методов, применяемых в сейсморазведке: метод отраженных волн (МОВ), метод преломленных волн (МПВ) и метод поверхностных волн. Все эти волны регистрируются с помощью сейсмоприёмников на поверхности Земли и благодаря специфическим кинематическим и динамическим характеристикам определяются в дальнейшем. Под кинематическими характеристиками подразумеваются траектория, скорость и время волны, под динамическими – форма и амплитуда сигнала. Во время измерений регистрируется время пробега волны от источника до приемника. Далее при помощи специальных математических измерений мы переходим к скорости распространения волны. То есть, время есть измеряемый параметр, а скорость – вычисляемый. Таким образом, мы получаем определенную скорость сейсмической волны на определенной глубине. Однако мы не можем уверенно сказать, какие породы слагают данный слой, поскольку на это влияет множество параметров: пористость, трещиноватость, литология, температура, плотность, давление и тип флюида. Все эти параметры приводят к тому, что одна и та же порода может обладать разной скоростью. Глава 1 Физические основы сейсморазведки 1.1 Основные положения теории упругости Распространение сейсмических волн в геологической среде есть следствие механических свойств твердых тел. При увеличении расстояния между частицами среды возникают силы притяжения, а при уменьшении – силы отталкивания. Само свойство среды сопротивляться внешним воздействиям называется упругостью. В основе сейсморазведки лежит теория упругости, поскольку все породы обладают упругими свойствами. Все тела в сейсморазведке можно считать абсолютно упругими, поскольку воздействия сейсмических волн на породы мало. Исключение составляет небольшая часть пород, находящихся в непосредственной близости от источника, где они могут быть существенно изменены. Напряжение, которое создается с помощью искусственных источников – это сила, действующая на единицу площади деформируемого тела: σ = ![]() ![]() В сейсморазведке работают с деформациями растяжения, сдвига и всестороннего сжатия. Связь между напряжением и деформацией обеспечивается с помощью закона Гука через коэффициент пропорциональности (Е): σ = εЕ. Коэффициент пропорциональности Е называется модулем Юнга. Также можно записать закон Гука для деформации сдвига: ![]() ![]() ![]() Рисунок 1. Зависимость деформаций материала от приложенного напряжения
Таблица 1. Значения модулей упругости для воздуха, воды и стали 1.2 Типы сейсмических волн Для того, чтобы описать свойства изотропной среды достаточно знать два упругих параметра λ и μ – коэффициенты Ламе, отвечающие за деформации сжатия/растяжения и сдвига соответственно. Все упругие модули, рассмотренные ранее, вычисляются при помощи этих коэффициентов. Распространение сейсмической волны в однородной изотропной среде представляет собой поле смещений частиц среды. Такой процесс распространения сейсмической волны в идеально упругой среде описывается уравнением динамического равновесия Ламе: ![]() где ![]() Из этого уравнения следует, что при распространении сейсмической волны в упругом теле выделяют деформации, при которых меняется объем тела – потенциальная составляющая поля смещений ![]() ![]() ![]() ![]() 1.3 Сферические волны Если поместить источник волн в землю (например, в скважину) и осуществить механическое воздействие, то на достаточно большом удалении от источника можно получить распространение напряжений равномерно во все стороны, что будет образовывать сферу, в каждой точке которой наблюдаются возмущения. В идеальном случае выделяются следующие области: область, где колебания прекратились, область, в которой колебания существуют в данный момент и область, куда волна еще не дошла. Это и есть сферическая волна. Область, где колебания уже прекратились, называется тылом волны. А область, куда колебания дошли, называются фронтом волны. Возьмем некоторое расстояние от источника и посмотрим, как будет выглядеть график колебания частиц в области, где распространяются колебания (рис.2а). Амплитуда частиц на профиле волны называется видимой амплитудой волны. Расстояние между соседними экстремумами называется видимой длиной волны ( ![]() ![]() ![]() ![]() Рисунок 2. Профиль (а) и график (б) продольной волны По мере распространения сферической волны плотность энергии постепенно уменьшается с увеличением расстояния от источника, что приводит к уменьшению амплитуды. Плотность энергии обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника, а амплитуда волны обратно пропорциональна расстоянию от источника. Процесс уменьшения амплитуды с расстоянием в сейсморазведке получил название сферического расхождения волны. 1.4 Амплитудный спектр периодических колебаний Периодическим называется сигнал x(t), для которого выполняется соотношение: x(t)=x(t+nT), где t – длительность сигнала, n - любое целое число, Т – период функции, описывающей заданный периодический сигнал. Периодическими являются все гармонические сигналы. Любой периодический сигнал можно разложить в ряд Фурье: ![]() ![]() ![]() Поскольку сейсмический сигнал вообще говоря не является периодическим, то его амплитудный спектр не может быть дискретным. В сейсморазведке считается, что сигнал обладает бесконечным периодом и в этом случае можно подобрать бесконечное число синусов. Очевидно, это означает то, что спектр перестанет быть дискретным и станет непрерывным. В этом случае ряд Фурье заменяется на интеграл Фурье. То есть для реальных сигналов применяется прямое преобразование Фурье, позволяющее перейти из временной области в частотную: x(t)= ![]() ![]() Если отдалиться на большое (бесконечность) расстояние от источника, то фронт сферической волны станет практически плоским. В этом случае сейсмическая волна будет иметь название плоской. В какой-то момент все сферические волны становятся плоскими. Если провести линию ортогональную фронту волны, то мы получим луч волны. В аналогии с геометрической оптикой в сейсморазведке очень часто применяют лучевое моделирование, то есть волны распространяются вдоль некоторых лучей. Это лишь приближение, поскольку в этом случае мы считаем длину волны бесконечно малой, а частоту – бесконечно большой. Однако на большом расстоянии от источника мы можем пользоваться этой моделью, изображая волны в виде лучей. 1.5 Принципы (постулаты) и законы теории распространения сейсмических волн При распространении сейсмических волн в среде мы руководствуемся тремя основными принципами сейсморазведки. Первый из них это принцип Ферма, который определяет форму лучей. Он утверждает, что время распространения от источника до любой точки среды происходит по экстремальному (в нашем случае по минимальному) времени. Как следствие лучевые траектории сейсмической волны в однородном изотропном пространстве представляют собой прямые линии. Если же среда неоднородная, то форма лучей – кривые линии (это называется рефракцией – искривлением луча). Принцип Гюйгенса определяет положение фронтов. Этот принцип утверждает, что каждая точка фронта волны является источником вторичных колебаний, а положение фронта в следующий момент времени является огибающей всех этих фронтов. В случае однородной среды будем иметь положение фронта в виде сферы в любой момент времени. Если же среда неоднородная и лучи криволинейные, то это будет приводить к искажению фронта волны, и вообще говоря фронт будет произвольной формы. Третий принцип – кинематический принцип взаимности. Он утверждает, что время пробега сейсмической волны от источника возмущения до пункта приема, где регистрируется сейсмический сигнал, будет тем же самым, если источник и приемник поменять местами. Такой же принцип есть и в электроразведке, только он касается уже токовых линий. 1.6 Распространение сейсмических волн в неидеально упругих средах Свойством неидеально упругих сред является поглощение энергии сейсмической волны. Поглощением называется уменьшение энергии (амплитуды) сейсмической волны за счет перехода ее в другой вид, в первую очередь в тепло. Следствием поглощения является затухание сейсмической волны (уменьшение амплитуды сигнала). Чем более рыхлая порода, тем сильнее поглощение. Уменьшение амплитуды сейсмической волны при прохождении через поглощающую среду подчиняется следующей зависимости: ![]() 1.7 Коэффициенты отражения (нормальное падение) Понятие коэффициентов отражения широко применяется при интерпретации данных. Коэффициентов отражение называется отношение: ![]() Глава 2 Сейсмические волны и их кинематические характеристики 2.1 Сейсмограмма и ее элементы Путем размещения пунктов приема на профиле мы можем регистрировать время прихода сейсмической волны. Годограф – зависимость времени прихода сейсмической волны от координат пунктов приема (удаления). Построив годограф, мы можем переходить к вычислению скоростей при помощи математических уравнений, о чем мы будем говорить позже. Если в какой-то точке разместить геофон, который будет регистрировать колебания грунта, то на выходе мы получим полевую запись – сейсмическую трассу. Сейсмотрасса – это зависимость амплитуды (В или мВ) сейсмических событий от времени их регистрации (с или мс). Схематически сейсмотрасса показана на рис.3. ![]() Рисунок 3. Схематическое изображение сейсмотрассы Быстрее всего до сейсмоприемника доходит продольная волна, первое вступление которой отчетливо видно на сейсмотрассе (резкое отклонение от нуля частиц грунта). Через некоторое время продольная волна затухнет и придет следующая – поперечная волна. Далее придет огромный по амплитуде цуг поверхностных волн, которые отличаются высокой амплитудой, низкой частотой и небольшой скоростью. Такое сейсмическое событие, отраженное на графике и есть сейсмическая трасса или сейсмотрасса. Очевидно, что каждый пункт приема будет записывать свою сейсмическую трассу. Амплитуды импульсов будут определяться коэффициентами отражения. В реальной сейсморазведке используется не один пункт приема, а много. Расставив определенное количество геофонов и возбудив сигнал, мы получим для каждого геофона свою сейсмотрассу. Совокупность (ансамбль) сейсмотрасс, полученных для одного пункта возбуждения, называется сейсмограммой. На сейсмограмме по оси абсцисс отложены номера пунктов приема, как правило с одинаковым шагом, а по другой оси время записи, которое задается человеком. Согласно принятому стандарту SEG первое вступление продольной волны на сейсмических записях представляется в виде минимума, что соответствует движению частиц грунта вверх. Это было сделано для того, чтобы все производители аппаратуры работали в одном ключе. На сейсмограмме мы видим положительные и отрицательные амплитуды сигналов. Положительные амплитуды принято закрашивать в черный цвет, а отрицательные оставлять не закрашенными. Некоторые фазы выстраиваются в линию, что хорошо видно на сейсмограмме. Это говорит нам о том, что это регулярная волна, т.е. волна, которую можно проследить от трассы к трассе. Все регулярные волны выражаются на сейсмограмме в виде положительных и отрицательных фаз. Как только мы получили сейсмограмму – результат полевых работ, геофизик начинает ее истолковывать с целью выделения регулярных сейсмических волн: отраженных, преломленных и т.д. Он осуществляет это на основе кинематических и динамических характеристик. Динамическими характеристиками мы называем частоту, форму, период, а кинематическими – время и траекторию. По сейсмограмме мы можем рассчитать кажущуюся скорость волны, поскольку мы знаем расстояние между геофонами и время регистрации волны. Зная видимую амплитуду, форму сигнала, видимую частоту, кажущуюся скорость и время прихода волны, мы можем определить тип волны и построить их годографы. На сейсмограмме в отличие от годографа принято направлять ось времен вниз. Рассмотрим граф обработки. После работ в поле мы получаем сейсмические записи в виде сейсмограмм общего пункта возбуждения. Они состоят из некоторого количества сейсмотрасс, число которых зависит от количества геофонов, а длительность – от установленного времени записи. В начале по сейсмограммам проводят анализ волнового поля, с точки зрения выделения регулярных волн, которые можно проследить на каждой трассе, в отличие от хаотических наборов фаз, которые называются микросейсмами. Регулярные волны — это не только полезный сигнал, но и волны-помехи. После выделения регулярных волн мы можем строить годографы, т.е. снимать значения х в м или км и время прихода на каждую трассу в с и мс. Далее при помощи специальных математических алгоритмов и методов мы можем переходить от годографа к определению скорости сейсмических волн путем обработки и дальнейшей интерпретации. В итоге получаем сейсмический разрез. 2.2 Прямые, поверхностные и дифрагированные волны и их годографы ОПВ Разберем самую простую регулярную сейсмическую волну, которая называется прямой волной. Прямая волна – это волна, которая распространяется от источника возмущения до некоторого пункта приема. Будем считать, что скорость прямой волны постоянная. Зависимость времени прихода прямой волны выражается по формуле: t(x) = ![]() В зависимости от того, каким образом мы возбуждаем сигнал, прямая волна может быть, как продольной, так и поперечной. Годографы прямых продольной и поперечной волны будут разные. Продольная прямая волна будет сильнее наклонена к оси абсцисс, потому что у нее больше скорость. ![]() Рисунок 5. Лучевые траектории (показаны стрелками) и годограф прямой волны ЗАКЛЮЧЕНИЕ В понятие “сейсморазведка” входят геофизические методы исследования земной коры, основанные на изучении искусственно возбуждаемых упругих волн. При помощи сейсморазведки изучается глубинное строение Земли, выделяются месторождения полезных ископаемых (в основном нефти и газа), решаются задачи гидрогеологии и инженерной геологии. Сейсморазведка отличается надежностью, высокой разрешающей способностью, технологичностью и колоссальным объемом получаемой информации. В основе сейсмических методов лежит возбуждение упругих волн при помощи специального технического комплекса – источника. В результате геологическая среда реагирует возникновением периодического колебательного процесса и образованием упругой волны. Распространяясь в объеме горных пород, упругая волна попадает на границы раздела, изменяет направление и динамические свойства, образуются новые волны. На пути следования волн размещаются точки наблюдения, где при помощи специальных приборов – сейсмоприемников – определяются свойства колебательных процессов. Из полученных данных извлекается полезная информация о строении и составе изучаемой среды. Наиболее эффективна сейсморазведка при изучении осадочного чехла древних платформ, поскольку его горизонтально-слоистое строение наиболее просто интерпретируется по сейсмических данным. С увеличением наклона целевых геологических границ надежность получаемой сейсморазведкой информации резко падает. БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОК Аксанов А. А. Применение пассивной спектральной сейсморазведки для поиска локальных неоднородностей верхней части литосферы - www.tpu.ru/files/nu/ignd/sec6-09.pdf / Материалы XIII международного научного симпозиума "Проблемы геологии и освоения недр". — Томск: Томский гос. ун-т, 2009. Садовский М. А., Николаев А. В. Новые методы сейсмической разведки. Перспективы развития. — Москва: Вестник АН СССР, 1982. https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/seismic-tomography-M.pdf Бондаренко В.М., Демура Г.В., Савенко Е.И. Общий курс разведочной геофизики – М.:Норма, 1998. |