第五章地震波速度课件.ppt
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1、,第五章地震波速度,第一节 影响地震速度的主要因素第二节 几种地震速度的概念第三节 地震速度参数的测定方法第四节 地震速度之间的相互关系,地震波的速度是指地震波在地下岩层中的传播速度,简称地震速度。它既是研究地球内部结构的最重要参数,也是地震勘探中最重要的参数之一,渗透到地震资料处理和解释的大部分环节。在地震正演研究、地震时深转换、地震偏移、地震反演、储层描述等过程中,都需要同地震速度打交道。 根据不同的研究目的,往往加一些前缀赋予特定的含义,比如:平均速度、瞬时速度、射线速度、层速度、偏移速度、叠加速度、均方根速度等等。 计算各种地震速度的方法也不是单一的,包括实验室岩芯速度测井、地震测井、
2、垂直地震剖面、地震速度分析等方法。,第一节 影响地震速度的主要因素,大量理论研究、实验室研究和实际资料都证明,地震波的传播速度与地下岩石的性质,如岩石的弹性常数、岩石的成分、密度、埋藏深度、孔隙度、地质年代、含流体性质以及温度等因素息息相关。,第一节 影响地震速度的主要因素,(1)弹性常数,它们分别表示纵波和横波在介质中的传播速度,可知弹性波在均匀各向同性介质中的传播速度是由介质的弹性常数和密度决定的。如果能求得岩石的地震纵波和横波速度以及密度就可以得到弹性常数k和。,第一节 影响地震速度的主要因素,因为流体的=0,所以流体中不能传播横波。,1914年,德国地球物理学家古登堡发现地下2900千
3、米处地震波的传播速度有明显变化,后证实这里是地核与地幔的分界层。人们将这个界面称为“古登堡界面”。通过此界面向下,纵波突然下降,横波完全消失,并以此推断外核为液态金属。,第一节 影响地震速度的主要因素,纵波速度大于横波速度,P波:P代表主要(Primary)或压缩(Pressure)前进速度最快,也最早抵达。S波:S意指次要(Secondary)或剪力(Shear),前进速度小于P波,第一节 影响地震速度的主要因素,纵横波速度比可以用泊松比 表示,可以用来区分岩性,含气砂岩具有低泊松比和低速度比,第一节 影响地震速度的主要因素,剖面中显示:由于含气砂岩具有低泊松比,所以气藏顶部位一个负的反射(
4、泊松比减小) 以及在气藏底部为一个正的反射(泊松比增加)。,某气藏泊松比变化剖面,第一节 影响地震速度的主要因素,(2)岩性,造岩矿物成分不同的岩石,由于造岩矿物的密度、体积模量、剪切模量的不同,又由于造岩矿物是组成岩石的主要成分,因此是影响岩石弹性性质的主要因素。,沉积岩:花岗岩: 玄武岩: 变质岩:,在单独利用地震纵波速度无法区分岩性的情况下,人们提出了利用纵波和横波速度之比(VP/VS)与泊松比关系图(也称交汇图)、VP/VS与VP交汇图、AVO(振幅随炮检波距变化)分析等新的方法来区分不同的岩性。,第一节 影响地震速度的主要因素,(3)密度,几乎各种岩石的波速都随密度增大而增大。 最著
5、名的速度与密度的经验关系式是由加德纳(Gardner)总结美国多个地区多种岩石(岩石饱和盐水,最大深度约7400米)得到的:,第一节 影响地震速度的主要因素,在实际工作中不能生搬硬套加德纳公式,要建立勘探区域的速度与密度的经验关系。 1993年Castagna通过大量的实验室数据和测井、地震数据分别对不同的岩性,如泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩和硬石膏给出了速度与密度的经验关系方程:,其中a,b,c是经验系数,的单位是g/cm3泥岩: a=-0.0261,b=0.373,c=1.458, Vp=1.55.0km/s砂岩: a=-0.0115,b=0.261,c=1.515, Vp=1.56.0km
6、/s石灰岩:a=-0.0296,b=0.441,c=1.963, Vp=3.56.4km/s白云岩:a=-0.0235,b=0.390,c=1.242, Vp=4.57.1km/s硬石膏:a=-0.0203,b=0.321,c=1.732, Vp=4.67.4km/s,第一节 影响地震速度的主要因素,Brocher(2005)根据大量的岩芯、测井和VSP资料建立了新的纵波速度与密度的经验公式:,其中VP 的单位是ft/s、的单位是g/cm3,Vp=1.58.5km/s。该公式适用深度范围较大,在石油地震勘探中仅仅只能作为参考。 石油地震勘探中一定要建立适合本地区本地层的深度范围的地震速度与密度
7、的经验关系。,第一节 影响地震速度的主要因素,(4)构造历史和地质年代的影响,许多实际观测资料表明,同样深度、成分相似的岩石,当地质年代不同时,波速也不同,年代老的岩石比年青的岩石具有较高的速度。在强烈褶皱地区,经常观测到速度的增大;在隆起的构造顶部,则发现速度减低。一般地说,地震波在岩石中的传播速度随地质过程中的构造作用力的增大而增大。 Faust(1951)统计美国和加拿大500口井砂岩、泥岩速度数据与地质时间和深度的关系总结出了速度、年代和深度的关系式如下:,第一节 影响地震速度的主要因素,(5)埋藏深度,大量资料表明,在岩石性质和地质年代相同的条件下,地震波的速度随着埋藏深度的增加而增
8、大,原因主要是埋藏深的岩石所受的地层压力大的缘故。在不同地区,特别是基地埋藏深度不同时,速度随着深度变化的垂直梯度可能相差很大。一般而言,在浅处速度梯度较大;深度增加时,梯度减小。,地震勘探中,要针对目的层统计出不同岩性(甚至含流体)地震波速度随深度的变化关系曲线,为岩性解释提供基础资料。,第一节 影响地震速度的主要因素,不同年代、不同深度的地震波速度变化曲线,第一节 影响地震速度的主要因素,(6)孔隙度,储集岩层大多是由颗粒状的各种矿物、岩石碎屑、岩石成分组成,不同性质的各种颗粒之间出现了孔隙。一般情况下,粗颗粒结构储集层的孔隙较大,如砂岩等;而细颗粒结构储集层的孔隙较小,如石灰岩等。,Wy
9、llie (1956)提出时间平均方程写为:,第一节 影响地震速度的主要因素,孔隙度030的砂岩比较符合Wyllie时间平均方程,第一节 影响地震速度的主要因素,(7)孔隙流体,不同的流体,其密度和体积模量不同。如:石油速度为1070-1320m/s,水的速度为1483m/s,甲烷的速度为430m/s。对于孔隙度相同的储集层,当其孔隙空间所含流体性质不同时,其速度和体积模量是不同的。 实验结果表明:孔隙度相同的砂岩,其含水时的速度高于含油时的速度,而且砂岩的孔隙度越大,砂岩骨架的速度越高,则孔隙度相同的含水砂岩和含油砂岩的速度差异越明显。,-Biot-Gassmann 理论,有了饱含流体的体积
10、模量和密度,就可以求出纵波和横波的速度。,第一节 影响地震速度的主要因素,油-水两相当含水饱和度从0变化到1,也就是从完全含油到完全含水,砂岩的波速是单调增大的。当深度增大时,总的变化值减小。气-水两相当含水饱和度从0变化到0.8时,波速是随之缓缓减小的,然后随着含水饱和度的增大而增大,在含水饱和度为0.95时急剧增大。,第一节 影响地震速度的主要因素,固结砂岩中流体饱和度对P波速度的影响 饱含液体时比饱含气体时P波速度要高;P波速度随含水饱和度的变化是非线性的;当原先充满液体的孔隙空间变成含有少量气体时,P波速度明显降低;深度增大时,P波速度随含水饱和度变化的幅度变小;横波速度几乎不受含水饱
11、和度的影响。,第一节 影响地震速度的主要因素,(8)压力,岩石的地震速度总是随着有效压力(有效压力围压孔隙压力)的增加而增加。,(1)随着有效压力的增加地震纵横波速度逐渐增加(2)地震纵横波速度是随着孔隙压力的增加是逐渐减少的(3)在含有高孔隙压力的地层处地震波速度往往突然偏低,这也是利用地震速度研究高压异常的物理基础。,第一节 影响地震速度的主要因素,(9)频率和温度,速度随频率的变化而变化称为频散。频散现象会扭曲波的峰、谷在传播方向上的形状。 (1)在地震勘探的频带范围内,纵波和横波频散非常弱。 (2)面波在近地表速度层显示出很强的频散。面波的频散现象在工程地震勘探中有很好的应用。 (3)
12、已经发现稠油速度随频率升高而增高的现象。,a.无频散的地震记录b.有频散的地震记录,time,offset,不同温度条件下稠油速度随频率的变化情况,第一节 影响地震速度的主要因素,(1)以前的研究认为速度随温度有轻微变化每升高100,速度降低56。 (2)对稠油勘探开发的不断深入,下图是稠油速度随温度升高的变化情况: a.在温度低于摄氏70度以下时,稠油的速度与温度之间是非线性关系; b.温度大于70度是线性关系; c.温度升高稠油的速度降低大约25,降低的幅度较轻质油要大很多,这也是地震能够指导稠油热采的理论根据之一。,稠油速度随温度的变化,第一节 影响地震速度的主要因素,(10)纵波、横波
13、速度之间的关系,速度是研究岩石时使用广泛的参数之一,而在很多时候只有纵波速度数据,很少有横波速度资料,所以不少学者研究纵波速度和横波速度的关系,得出经验公式,以期能够通过纵波速度推算出横波速度,再利用其来计算研究岩石的其他弹性参数。,第一节 影响地震速度的主要因素,不少研究者只是对某一特定地区特定的岩性进行分析得出的经验公式,所以这些经验公式只能是在这些特定的情况下使用,而不能生搬硬套。,第五章地震波速度,第一节 影响地震速度的主要因素第二节 几种地震速度的概念第三节 地震速度参数的测定方法第四节 地震速度之间的相互关系,地震波在地层中的传播速度是一个十分重要的参数,但又很难精确测定它的数值。
14、因为严格说来,即使在同一种岩层中的各个不同部分或沿不同的方向,地震波的传播速度都是不同的即VV(x、y、z)。但是在实际生产工作中,不可能真正精确确定这种函数关系。而只能根据当时生产工作的需要和地震勘探方法技术所能达到的水平,对极其复杂的实际情况作种种简化,建立各种简化介质模型,并引进了各种速度概念。,第二节 几种地震速度的概念,(1)瞬时速度,瞬时速度(instantaneous velocity):指的是在波的传播方向上(垂直于波前方向)任意给定波前面上的速度。严格的讲,地震波传播到地下每一点的速度应该可以用瞬时速度来表示v(x,y,z),而且每一个方向速度都是不一样的(我们称之为介质的各
15、向异性)。瞬时速度的概念一般在地震波理论研究中应用较多。,(2)视速度,视速度:沿着观测方向测得波的速度值称为视速度,V= /TV * = */TV * = V/ sinV V * V * -视速度,第二节 几种地震速度的概念,(3)相速度与群速度,相速度(phase velocity):指的是任意给定相位(比如波峰、波谷)或单个频率波的速度。相速度不同于由于频散的群速度。有时候也把相速度(v)叫着“峰”速度或“谷”速度。 群速度(group velocity):指的是以波列传播的速度。在速度随频率发生变化的频散介质中,当单个波以不同的相速度(V)传播过程中波形发生改变。波列的包络传播的速度就
16、是群速度(U)。 相速度:Vff/(1/) 群速度:Udf/d(1/) 其中是波长,f是频率。地震弹性波通过地下介质传播的速度。对于非频散的体波,地震波速度等于相速度和群速度。对于频散的面波而言,地震波速度通常认为是地震相速度。,第二节 几种地震速度的概念,(4)层速度与平均速度,1.平均速度(Va):层状介质中地层的总厚度除以波在垂直层面的方向旅行的总时间。引入平均速度概念的目的在于:把沿时间最短路径传播转化为沿最短距离路径传播,是对实际介质结构的一种简化。所以 平均速度对应的旅行时大于沿实际射线路径的旅行时2.层速度(Vi):地震波在各层中的传播速度。,第二节 几种地震速度的概念,平均速度
17、把沿时间最短路径传播转化为沿最短距离路径传播,是对实际介质结构的一种简化 。,射线无偏折,第二节 几种地震速度的概念,(5)射线速度,在水平层状介质中,波沿某一条射线传播时,它传播的总路径与总时间之比就是射线速度。,三层水平介质示意图,第二节 几种地震速度的概念,(6)均方根速度,以水平层状介质为例,分析均方根速度的物理意义和地质含义:,其中 是波在第i层介质中沿垂直界面反射双程时间。对水平层状介质,当:,级数展开,略去高次项,就相当于均匀介质情况下的波速,称为n层水平状介质的均匀根速度,第二节 几种地震速度的概念,把水平层状介质情况下的反射波时距曲线近似地当作双曲线(也就是把上覆地层看做均匀
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