Файл: Невский, М. В. Квазианизотропия скоростей сейсмических волн.pdf

Согласно результатам этой работы или теореме Крея и Хелбига, анизотропия скоростей в поперечно-изотропной среде практически не оказывает влияния на кинематику отраженных волн для небольших уг­ лов падения. Как будет теоретически показано в главе II, этот ре­ зультат нельзя считать точным.

Вопросы аппроксимации индикатрис скоростей в длинноволновом по­ перечно-изотропном эквиваленте тонкослоистой среды рассматривались

Наиболее последовательно и относительно полно кинематика отра­ женных и преломленных (головных) волн в поперечно-изотропных средах рассмотрена Гассманом [ 4 ]. Им предложены графоаналитические спосо­ бы расчета годографов отраженных и головных волн в поперечно-изотроп­ ной среде. Аналитических уравнений и аналитического и численно­ го исследования свойств годографов в работе Гассмана не дано, за исключением отдельных примеров, относящихся к случаю эллиптической анизотропии. Это в значительной степени объясняется громоздкостью и трудоемкостью предложенных графоаналитических способов вычисле­ ния годографов, затрудняющих проведение достаточно полных теорети­ ческих исследований влияния анизотропии на результаты решения пря­ мых и обратных задач сейсморазведки.

Аналитические решения для годографов рефрагированных волн в од­ номерно-неоднородной поперечно-изотропной среде с вертикальной осью симметрии получены в работах Влаара [57, 58] . Методом характерис­ тик Влаар получил точные уравнения годографов рефрагированных волн трех типов - P,S.V и SH —для поперечно-изотропных сред, упругие параметры которых зависят от глубины, а также от радиуса. Урав­ нения годографов оказалось возможным представить в достаточно слож­ ной параметрической форме, затрудняющей аналитическое исследование свойств годографа. Конкретных примеров расчета и анализа годографов в работах Влаара не приведено и результаты сводятся к получению точных аналитических решений.

Вывод уравнений годографов рефрагированных волн в неоднородных анизотропных средах дан в работе Т.И. Облогиной [59, 6 0 ]. Здесь применен общий подход к исследованию кинематики упругих волн в про­ извольно анизотропных и трехмерно-неоднородных средах, основанный на применении методов вариационного исчисления и использования функ­ ционала Ферма. Для одномерно-неодородной анизотропной среды урав­ нения годографов рефрагированных волн представлены в [ 6 0 ] в пара­ метрической форме, для двумерно-неоднородных - разработаны числен­ ные методы расчета годографов. Т.И. Облогиной исследовано также влияние анизотропии на годографы рефрагированных волн для эллипти­ чески анизотропной среды и некоторых других моделей анизотропных сред, не относящихся к типу поперечно-изотропных.

13

Обратные задачи интерпретации годографов сейсмических волн в анизотропных средах в сейсмической литературе практически не рас­ смотрены, за исключением отдельных частных вопросов, разобранных в работах [61, 62] . Специальный способ интерпретации годографов головных волн при поперечно-изотропной покрывающей толще предло­ жен Хелбигом [62]. Однако для его применения требуется знать за­ висимость скорости от угла, т.е. индикатрису скоростей для покры­ вающей среды. Совместная интерпретация годографов отраженных Р, SV и SH волн для однородной поперечно-изотропной среды рассматри­ валась в работе В.В. Локцика [61]. Предложенный им способ интер­ претации годографов с учетом анизотропии основан на неверном пред­ ставлении годографов отраженных волн в поперечно—изотропной среде. На эти ошибки указано во И и III главах.

2 ИЗУЧЕНИЕ АНИЗОТРОПИИ СКОРОСТЕЙ УПРУГИХ ВОЛН НА ОБРАЗЦАХ ГОРНЫХ ПОРОД

Экспериментальные исследования анизотропии скоростей упругих волн в реальных средах проводятся на объектах различного масштаба и в существенно различных частотных диапазонах. Широко распрострайены в настоящее время исследования анизотропии на образцах раз­ личных горных пород в ультразвуковом диапазоне частот. При изучений анизотропии скоростей горных пород на образцах обычно измеряют ско­ рости упругих волн в двух-трех взаимно ортагональных направлениях, а отношение этих скоростей, т.е. так называемые коэффициенты анизо­ тропии, рассматривают как меру анизотропности данного образца [ 1 1 , 12, 63 ]. Сравнительно реже изучается характер изменения скоростей в зависимости от направления путем измерения скоростей по многим направлениям [14].

Для изучения анизотропии на образцах применяют различные моди­ фикации методик продольного профилирования и прозвучивания, разра­ ботанные О.И. Силаевой, Е.И. Баюк 112, 63], Бабушкой [14] , М.Ф. Скориковой [11] и другими исследователями.

В настоящее время накоплено достаточно много материала по ани­ зотропии скоростей продольных упругих волн, изученной на образцах различных горных пород в ультразвуковом диапазоне частот. Данные по анизотропии скоростей в осадочных горных породах приведены в ра­

казывают, что коэффициенты анизотропии для Р волн, измеренные на образцах, могут достигать весьма больших значений ( 1 ,3 -1 ,4 , а часто и значительно больших), в особенности для осадочных и некоторых ти­ пов метаморфических пород. В ряде случаев при исследовании анизо­ тропии на образцах детально исследована и природа анизотропии. Со­ гласно [ 6 6 ], анизотропия скоростей может вызываться различными факторами: преобладающей ориентировкой отдельных кристаллических зерен, анизотропных по упругим свойствам, вытянутой формой и упо­

14

рядоченным расположением отдельных включений, поликристаллических зерен, тонкой слоистостью изотропной среды. Существенную роль могут также играть И упорядоченная трещиноватость и пористость горных пород, а также асимметрия внутренних напряжений в горных породах в условиях естественного залегания. Так, результаты изучения анизотро­ пии скоростей при различных давлениях и в условиях водонасыщения показывают, что с ростом давления и водонасыщенности образца, т.е.

в случае закрытия микротрещин, пор и при заполнении их водой, ани­ зотропия существенно уменьшается [12, 63, 6 6 ].

Несмотря на большой объем и детальность экспериментальных дан­ ных по анизотропии образцов горных пород перенесение этих результа­ тов в реальные среды, на сейсмический диапазон частот, вызывает су­ щественные и принципиальные затруднения.

Во-первых, большинство материалов по изучению анизотропии полу­ чено при атмосферном давлении. Вопрос о выборе давления для изуче­ ния как скоростей, так и коэффициентов анизотропии в лабораторных условиях, наилучшим образом приближенных к условиям естественного залегания, в настоящее время окончательно не решен. Имеются данные, показывающие, что скорости, измеренные при всесторонних давлениях, соответствующих глубине залегания горной породы, существенно отли­ чаются от скоростей, измеренных в условиях естественного залегания при ультразвуковом каротаже. Совпадение результатов лабораторных измерений и данных УЗК наблюдается при применении давлений, суще­ ственно больших, а не соответствующих глубине залегания [ 67, 68 ].

Во-вторых, анизотропия скоростей, изученная в малом объеме гор­ ной породы и вызванная упорядоченными структурными или текстурны­ ми особенностями образца, может отсутствовать в большом массиве или мощной толще этой породы в реальной среде.

В-третьих, причины анизотропии, измеренной на сейсмических час­ тотах и в ультразвуковом диапазоне частот на образцах, могут быть различными, а следовательно, будут различными и масштабы проявле­ ния анизотропии на сейсмических и ультразвуковых частотах.

Всилу указанных причин для сейсморазведки важное значение при­ обретают методы изучения анизотропии скоростей в условиях естест­ венного залегания на сейсмических частотах. Большой интерес вызы­ вают и экспериментальные данные, полученные этими методами.

3. СПОСОБЫ ИЗУЧЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ СКОРОСТЕЙ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В РЕАЛЬНЫХ СРЕДАХ

Существующие способы изучения анизотропии скоростей в реаль­ ных средах можно подразделить на скважинные сейсмические методы, методы, предполагающие совместное использование наземных и сква­ жинных наблюдений, а также методы наземных наблюдений. Первые два предназначены для изучения анизотропии скоростей в вертикальной плоскости, наземные используются для изучения анизотропии в гори­ зонтальной плоскости.

15

Скважинные сейсмические исследования

Сейсмические исследования в скважинах используются для изуче­ ния анизотропии скоростей как в верхней части разреза, до глубин в

несколько десятков метров, так и до глубины в несколько километров. В первом случае используется методика сейсмического просвечива­ ния, различные варианты которой предложены в работах Уайта и Сенгбуша [69], А.И. Савича с соавторами [20], Н.И. Берденниковой [ 6 ].

Исследования по методике сейсмического просвечивания проводятся в серии неглубоких скважин, пробуренных на расстоянии от нескольких метров до нескольких десятков метров одна от другой. В одной из сква­ жин на различных уровнях последовательно помещается источник коле­ баний, регистрация прямых (проходящих) волн проводится приборами, расположенными как во взрывной скважине, так и в соседних. В инже - нерной сейсмоакустике для сейсмопросвечивания используются также и горные выработки [ 2 0 ].

При интерпретации данных сейсмопросвечивания предполагается, что изучаемая область среды однородна в скоростном отношении. Поэтому скорости упругих волн обычно вычисляют, предполагая прямолинейность сейсмического луча. Методика сейсмопросвечивания позволяет непо­ средственно измерить скорости упругих волн в различных направлениях и тем самым получить индикатрисы скоростей в данной области среды.

Однако наличие почти всегда в верхней части разреза скоростных не­ однородностей существенно усложняет форму Наблюдаемых индикатрис, а отсутствие методов изучения и учета этих неоднородностей делает невоз­ можным разделение эффектов анизотропии и неоднородности [20]. В не­ которых частных случаях, например в случае горизонтально-слоистой среды, приближенный учет скоростных неоднородностей возможен при использовании наряду с сейсмопросвечиванием данных наземных на­ блюдений. Так, Н.И. Берденниковой при изучении анизотропии глинис­ тых отложений в верхней части разреза были проведены наблюдения по методу преломленных волн. Это дало возможность изучить основ­ ные преломляющие границы и затем приближенно учесть преломление лучей на этих границах для получения более чистых данных по анизо­ тропии [6 ].

Применение наряду с продольными поперечных волн при сейсмопро­ свечивании позволяет получить более полную информацию об упругих параметрах анизотропных реальных сред [ 6 , 2 0 , 26] .

Несомненным преимуществом методики сейсмопросвечивания являет­ ся возможность непосредственного измерения скоростей по различным направлениям - горизонтальному и вертикальному. Существенные не­ достатки этого способа - ограниченность глубинности и отсутствие методов исследования и учета скоростных неоднородностей.

При изучении анизотропии скоростей на больших глубинах широкое распространение в США, Канаде и Западной Европе получил так на­ зываемый " well geophone method", или способ скважинного приемника [4 6 ]. При работах по этому методу сейсмоприемник располагается в скважине на интересующей нас глубине, а возбуждение колебаний

16

производится из ряда пунктов взрыва, разноудаленных от устья сква­ жины и расположенных вдоль по профилю, пересекающему устье сква­ жины. В скважине регистрируют первые вступления проходящих волн, а затем по их обращенному годографу определяют эффективную ско­ рость. При интерпретации предполагается, что изучаемая толща между уровнем погружения прибора и уровнем возбуждения колебаний являет­ ся однородной и эллиптически анизотропной с вертикальной осью сим­ метрии. Как известно [44], в этом случае эффективная скорость, опре­ деляемая по обращенному годографу, равна скорости в горизонтальном направлении. Скорость в вертикальном направлении равна .средней ско­ рости по вертикали, определяемой обычным способом. Указанный спо­ соб естественно не позволяет разделить эффекты неоднородности и ани­ зотропности в исследуемой толще, а полученные коэффициенты анизо­

тропии имеют смысл некоторых средних коэффициентов, характеризующих

'совместное влияние на скорость упругих волн факторов анизотропии и неоднородности. Аналитическое выражение для этих коэффициентов бу­ дет получено в главе III.

Некоторые усложнения этой методики, сводящиеся к проведению на­ блюдений в скважинах на нескольких уровнях, предложены Риккером [7 0 ] и Полетом и Ричардом [52].

Для учета эффекта неоднородности на скорости упругих волн, изме­ ренные по различным направлениям, необходимы детальные сведения о скоростном разрезе, по крайней мере в вертикальном направлении. Как известно, сведения такого рода дает ультразвуковой каротаж. Именно при применении этого метода оказывается возможным наиболее

полно учесть неоднородность изучаемой среды или эффект искривления лучей в изучаемой толще и тем самым получить наиболее чистые дан­ ные по анизотропии.

Ультразвуковой каротаж в сочетании с сейсмокаротажем (СК) с профилем пунктов взрыва впервые применили для изучения анизотропии Сегонзак и Лахеррер [8 ]. На основании данных УЗК изучаемый разрез был разбит на большое число однородных слоев, в пределах каждого из которых проведены наблюдения по сейсмокаротажу с профилем пунктов взрыва. Предполагая эллиптическую анизотропию во всех пластах ис­ следуемого разреза, Сегонзак и Лахеррер рассчитали серию обращенных теоретических годографов проходящих волн с учетом преломления на промежуточных границах раздела при различных значениях коэффициен­ тов анизотропии в каждом слое. Определение коэффициентов анизотропии в каждом слое проводилось путем сопоставления наблюденных и теоре­ тических годографов последовательно, начиная с верхнего уровня по­ гружения прибора до забоя скважины.

Методика Сегонзака и Лахеррера позволяет наиболее детально учесть неоднородность исследуемого разреза при изучении анизотропии. Одна­ ко предположение об эллиптической анизотропии в исследуемой толще

чит.