Редакторы: Matt Hall, Evan Bianco · Серия: 52 Things You Should Know About Rock Physics (Agile Libre, CC BY 4.0)
Перевод: RPQI
Технические книги обычно начинают с определения, чаще всего взятого из какого‑нибудь авторитетного словаря. Вряд ли какой‑то знаменитый словарь вообще содержит статью про «rock physics», а даже если бы и содержал, вряд ли нашлось бы много людей в этой области, кто с ней согласился бы. Так что давай освободим себя от необходимости давать определение и вместо этого просто примем разнообразие.
Мы собрали эссе 46 авторов, которые заглядывают во все уголки этой дисциплины, стараясь, как говорится, «не оставить ни одного камня необращённым». В книге есть тексты, полные математики, и тексты, полные истории; одни дают советы, другие предостерегают. Если твоя любимая тема сюда не попала, пожалуйста, дай нам знать, чтобы мы могли пригласить тебя поучаствовать в следующем томе.
Эклектичность книги — следствие широты опыта и интересов авторов. В числе прочих здесь есть эссе не менее чем четырёх бывших президентов Society of Exploration Geophysicists — и, вероятно, нескольких будущих. Ты найдёшь здесь работы специалистов из индустрии, академической среды и государственных организаций, на всех стадиях их карьер. Каждый из них поделился чем‑то важным лично для него и, мы надеемся, важным для тебя.
Многие из этих эссе настолько неожиданны и неинтуитивны, что навсегда меняют то, как мы — редакторы — смотрим на данные каротажа и сейсмики. Тем не менее, мы должны признать, что проблема разнообразия по‑прежнему остаётся с нами. Эта книга, как и вся наша профессия, страдает от заметного преобладания голосов белых мужчин. Мы продолжаем работать над этим, но честно признаём, что пока не знаем, как это исправить. Если у тебя есть идеи, пожалуйста, свяжись с нами.
Прежде чем ты перейдёшь к эссе, есть несколько вещей, которые стоит знать о серии «Things You Should Know», частью которой является эта, четвёртая, книга (о других книгах смотри в конце). Все написанные слова — и, если не указано иначе, рисунки — являются открытым контентом. Что это значит? Кратко: ты волен делиться ими и использовать их как угодно и для любых целей, без отдельного разрешения, при условии, что указываешь автора или авторов. Нам, конечно, было бы приятно, если бы ты по возможности упоминал и саму книгу, но это не строго обязательно.
Кстати, если ты будешь как‑то переиспользовать материалы из этой книги, почти наверняка автору будет интересно об этом узнать. Если книга тебе понравится, пожалуйста, делись ею с другими. Если ты хочешь, чтобы её прочитало много людей — твои руководители, команда, коллеги или студенты, — свяжись с нами: мы сможем сделать её более доступной по цене.
Сейчас времена непростые для прикладной геонауки, особенно связанной с нефтью. Спад серьёзно повлиял на график работы над этой книгой: наши усилия пришлось переключать на более насущные задачи. Но мы не хотим, чтобы этот перерыв помешал практикующим геоучёным по всему миру получать удовольствие от содержимого книги и учиться на нём.
Мы очень рады, что эта книга наконец выходит в свет. Надеемся, она вдохновит тебя учиться и продолжать учиться. Обязательно заглядывай в списки литературы в тех эссе, которые тебе особенно понравятся. Отдельно хочется отметить замечательные книги из стэнфордского центра передовых исследований — «The Rock Physics Handbook» (Mavko и др., 2009, 2‑е издание, Cambridge) и «Quantitative Seismic Interpretation» (Avseth и др., 2010, Cambridge): им самое место на полке у каждого практикующего специалиста. Рок‑физика отлично ложится на вычисления и анализ данных — смотри, например, прекрасный туториал Alessandro Amato по сейсмической петрофизике на Python в «The Leading Edge». В сочетании с MATLAB‑кодом из книг Mavko и Avseth этого более чем достаточно и для новичка, и для опытного программиста.
Возможно, эту область вообще невозможно строго определить, но мы надеемся, что эта книга — праздник рок‑физики как таковой — станет твоим новым любимым ответом на вопрос: «Что такое rock physics?».
Мэтт Холл и Эван Бьянко
Нова‑Скотия, август 2016
29.11.25.Глава 1. Введение в пороупругость
Автор оригинала: Brian Russell · Серия: 52 Things You Should Know About Rock Physics (Agile Libre, CC BY 4.0)
Пересказ, перевод и примечания: RPQI
Автор: Брайан Расселл
Многие уравнения, которые мы изучаем в рамках вводных курсов по геофизике, предполагают, что Земля является идеально упругой средой. Это разумное допущение для начала, но породы-коллекторы, с которыми мы имеем дело в разведочной и промысловой геофизике, на самом деле являются пороупругими. Это означает, что распространение сейсмических волн зависит не только от каркаса породы, но и от пор в ней, а также от флюидов, эти поры заполняющих.
Теорию пороупругости изначально разработали Морис Био (1941) и, независимо от него, Фриц Гассман (1951), поэтому сейчас мы называем ее теорией пороупругости Био–Гассмана. Первые работы Био и Гассмана касались статической пороупругости, то есть того, что происходит, когда вы «сжимаете» пористую породу, насыщенную флюидом. Более поздние работы Био были посвящены динамической пороупругости, которая рассматривает переходные эффекты, такие как прохождение сейсмических волн через пористую породу.
Основные упругие константы
Прикладывая напряжение (давление) к образцу породы и измеряя resulting деформацию, физики горных пород определяют пять основных упругих констант:
Объемный модуль (K): Отношение суммы главных напряжений к сумме главных деформаций.
Модуль Юнга (E): Отношение первого главного напряжения к первой главной деформации.
Модуль сдвига (μ): Отношение сдвигового напряжения x-z к удвоенной сдвиговой деформации x-z.
Коэффициент Пуассона (ν): Отношение третьей главной деформации к первой главной деформации.
Первая постоянная Ламе (λ): Сумма объемного модуля и двух третей модуля сдвига.
Примечание: μ также является второй постоянной Ламе. Две постоянные Ламе могут быть получены из скоростей распространения P- и S-волн в упругой и изотропной Земле.
Скорости волн и влияние флюида
Скорость S-волны определяется как квадратный корень из отношения модуля сдвига к плотности:
Vs = √(μ/ρ)
Мы знаем, что плотность пористого песчаника, насыщенного газом, ниже, чем насыщенного водой. Теория Био–Гассмана говорит нам, что модуль сдвига не зависит от флюида, заполняющего поры. Это приводит к интересному наблюдению: скорость S-волны фактически выше в частично или полностью насыщенном газом коллекторе, чем в насыщенном водой.
Скорость P-волны зависит от двух упругих констант и плотности, и ее можно записать двумя способами:
Vp = √((K + 4/3 μ)/ρ) = √((λ + 2μ)/ρ)
В отличие от модуля сдвига, объемный модуль и первая постоянная Ламе зависят от флюида в порах. Соотношение Био–Гассмана может быть кратко записано в обозначениях Био для этих модулей:
Ksat = Kdry + α2M и λsat = λdry + α2M
где индекс sat относится к насыщенной породе, dry — к сухой породе (с удаленными флюидами), а α и M связаны с флюидом в порах.
Практическое применение
Подставив эти два уравнения в выражения для Vp и Vs, мы можем отделить «сухую» компоненту каждого модуля от второго члена, который идентичен в обоих случаях и связан с содержанием флюида в породе. Этот подход применялся как к результатам сейсмической инверсии, так и к AVO-анализу (Russell et al., 2003; Russell et al., 2011).
Вспомнив, что импеданс — это плотность, умноженная на скорость, для P-импеданса (Ip) и S-импеданса (Is) это приводит к соотношению:
α2M = IP2 - (Vp/Vs)dry2 IS2
Более того, когда отношение (Vp/Vs) для сухого каркаса равно 2, это приводит к теории λμρ (LMR) Гудвея и др. (1997), которая является частным случаем этой более общей теории.
Резюме на русском:
Это первое эссе дает базовое введение в ключевую концепцию rock physics — пороупругость. Объясняется, почему реальные породы-коллекторы нельзя считать просто упругими средами. Вводятся основные упругие модули и показывается, как теория Био-Гассмана описывает влияние флюида в порах на сейсмические скорости. Главный практический вывод: S-волны не чувствительны к типу флюида, а P-волны — чувствительны, что является фундаментом для многих методов поиска углеводородов.
Анонс Главы 2: "Акустическая Эмиссия". Автор: Майкл Кинг
Ключевая идея: Акустическая эмиссия (АЭ) — это мощный инструмент для мониторинга и анализа процесса образования трещин в горных породах в реальном времени, что имеет критически важное значение для таких областей, как гидравлический разрыв пласта (ГРП).
О чем эссе:
Эксперимент: В эссе описывается лабораторный эксперимент по разрушению кубического образца песчаника в полиаксиальном прессе. Для точного измерения использовались 24 датчика акустической эмиссии.
Ключевое наблюдение: Анализ моментных тензоров показал, что на начальной стадии разрушения события АЭ носят преимущественно растягивающий характер (трещины "раскрываются"). На поздних стадиях, приближающихся к полному разрушению, события становятся преимущественно сдвиговыми.
Практическое применение: Этот метод мониторинга применим к ряду критически важных процессов:
Гидроразрыв пласта (ГРП) для добычи нефти и газа из сланцев.
Создание трещин в горячих сухих породах для получения геотермальной энергии.
Оценка рисков при подземном захоронении ядерных отходов, где микротрещины от нагрева могут позволить groundwater проникнуть к контейнерам.
Вывод для практика: Мониторинг акустической эмиссии позволяет в реальном времени отслеживать распространение трещин, определять их тип (растяжение vs. сдвиг) и, следовательно, лучше контролировать и оптимизировать процессы, связанные с целенаправленным разрушением пород.
Майкл Кинг получил степень бакалавра в области инженерной механики в Университете Глазго в 1963 году. Он провел пять лет в качестве полевого инженера в компании Iraq Petroleum Company в Ираке и Сирии, после чего завершил докторскую диссертацию (PhD) в Калифорнийском университете в Беркли.
Он занимал несколько университетских должностей, включая позицию профессора инженерной геологии в Университете Саскачевана (Канада), профессора механики в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (Калифорния) и профессора кафедры нефтяной промышленности в Имперском колледже Лондона, где он читал лекции в Королевской горной школе и проводил исследования в области петрофизики и прикладной геофизики. Он опубликовал более 100 научных работ.
Он ушел с поста профессора Имперского колледжа в 1996 году, получив звание почетного профессора (Emeritus Professor), но продолжает активную исследовательскую деятельность, чтение лекций и консультирование в качестве ведущего научного сотрудника.