Giá trị tốc độ truyền sóng liên quan đến nhiều yếu tố địa chất như thành phần thạch học, độ rỗng, độ bão hòa, độ gắn kết, chất lưu trong lỗ hổng, xi măng gắn kết, độ sâu, áp suất, tuổi tuyệt đối.... Có thể xét một số yếu tố tác động đến tốc độ truyền sóng.
Mối quan hệ giữa tốc độ với mật độ và tuổi đất đá
Mật độ đất đá là tham số rất quan trọng liên quan đến tính chất đàn hồi của đá thể hiện trạng thái và bản chất các loại đá khác nhau. Tốc độ sóng dọc (Vp), tốc độ sóng ngang (Vs) có mối quan hệ với các tham số đàn hồi của đất đá như mật độ (ρ), modul Young (E), hệ số Poisson (σ)... Các công trình thực nghiệm đã xác định mối quan hệ giữa tốc độ truyền sóng và mật độ:
Vp = aρ + b
a, b là các hằng số phụ thuộc từng loại đất đá khác nhau.
Trong một số kết quả thí nghiệm, sự phụ thuộc tốc độ Vp, vào mật độ ρ của một số loại đất đá khác nhau như sét, cát, đá vôi... được mô tả trên hình 4.1.
Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng đã xác định được mối quan hệ giữa tốc độ truyền sóng dọc Vp, với hệ số Poisson của các loại đá khác nhau. Từ giá trị tốc độ và hệ số Poisson có thể suy luận các loại đá, hoặc khi có số liệu giá trị tốc độ của các đá có thể suy luận về hệ số Poisson. Trên hình 4.2 là kết quả thực nghiệm xác định mối quan hệ tốc độ sóng dọc và hệ số Poisson của một số loại đá khác nhau (sét, đá vôi, cát kết, muối, dolomite, carbonat và cát kết chứa dầu hoặc khí).
Đất đá càng già và nằm càng sâu thì tốc độ truyền sóng càng lớn. Mối quan hệ này được xác định:
Vp = k(hT)n
Trong đó: k là hệ số phụ thuộc thành phần thạch học của đất đá; h là chiều sâu; T là tuổi tuyệt đối. Với các tập cát sét giá trị n thay đổi trong khoảng (1/4 - 1/6).
Sự tác động của các yếu tố lên giá trị tốc độ như mật độ, độ rỗng, độ bão hòa chất lưu, nhiệt độ... được mô tả định tính trên hình 4.3.
![](/DataStore/Images/2023/02/24/md1.jpg)
Hình 4.1 - Sự phụ thuộc tốc độ Vp, vào mật độ ρ của một số loại đất đá khác nhau
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md2.jpg)
Hình 4.2 - Mối quan hệ tốc độ Vp, và hệ số Poisson của một số loại đá khác nhau
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md3.jpg)
Hình 4.3 - Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sóng dọc
Mối quan hệ giữa tốc độ và độ rỗng
Độ rỗng là tham số quan trọng để xác định đặc điểm vỉa chứa, nó có ảnh hưởng lớn đến giá trị tốc độ truyền sóng, khi độ rỗng tăng thì tốc độ giảm. Các đới phong hóa bở rời ở sát mặt đất tốc độ truyền sóng có thể nhỏ hơn tốc độ truyền sóng âm trong không khí. Các vùng bị phá hủy kiến tạo, nứt nẻ... tốc độ truyền sóng giảm hẳn so với ở các đá nguyên khối.
Với các đất đá có lỗ hổng chứa nước thì khi độ bão hòa nước tăng lên và phần lỗ hổng chứa khí giảm xuống, modul Young cũng tăng lên dẫn tới tăng tốc độ truyền sóng với mức độ có thể đạt tới vài chục phần trăm. Khi nước trong các lỗ hổng được thay bằng dầu thì tốc độ có thể giảm 10 ÷ 15%, nếu thay bằng khí thì tốc độ còn giảm nhiều hơn, có thể đến 20 ÷ 30%.
Mối quan hệ giữa tốc độ sóng dọc (Vp) trong các đá có độ rỗng chứa chất lưu được xác định bởi công thức:
Trong đó: Vm là tốc độ của khung đá; Vf là tốc độ của chất lưu; ɸ là độ rỗng. Công thức này thường đúng với các loại cát sạch, có độ rỗng 10 ÷ 25%, khi độ rỗng giảm thì độ chính xác giảm đi. Với sự thay đổi độ bão hòa khí vài phần trăm cũng đủ làm cho tốc độ giảm đi đáng kể.
Khi độ rỗng giảm thì tốc độ tăng lên, trong đá trầm tích mối quan hệ này gần như tuyến tính, nếu lỗ hổng ngậm nước thì tốc độ truyền sóng còn phụ thuộc độ bão hòa nước. Ngoài sự phụ thuộc vào độ rỗng (ɸ), tốc độ còn phụ thuộc vào hàm lượng sét (C). Khi hàm lượng sét tăng thì tốc độ sóng dọc (Vp) và tốc độ sóng ngang (Vs) giảm. Trên hình 4.4 thể hiện quy luật suy giảm tốc độ khi độ rỗng tăng của cát kết, đá vôi và cát chứa sét với tỷ lệ sét khác nhau từ 0-40%. Phân tích kết quả cho thấy quy luật suy giảm tuyến tính với các hệ số C khác nhau:
Vp = 5,59 - 6,93 ɸ - 2,18 C
Vs = 3,52 - 4,91 ɸ - 1,89 C
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md5.jpg)
Hình 4.4 - Mối quan hệ giữa tốc độ và độ rỗng - a. Với cát kết và đá vôi; b. Với cát chứa sét có tỷ lệ khác nhau
Mối quan hệ tốc độ và áp suất
Việc xác định trạng thái áp suất đặc biệt là các dị thường áp suất rất cần thiết trong thăm dò và khai thác dầu khí. Khi chiều sâu tăng lên làm tăng áp suất tải trọng và modul đàn hồi Young, giảm độ rỗng của đất đá dẫn đến tăng tốc độ truyền sóng. Mức tăng tốc độ theo chiều sâu phụ thuộc vào thành phần thạch học và độ rỗng của đất đá. Sự phụ thuộc này biểu hiện rõ rệt ở các loại đá lục nguyên bở rời có độ rỗng lớn. Đặc biệt ở phần trên lát cắt, khi độ rỗng lớn, áp suất tăng nhanh theo chiều sâu rất rõ rệt.
Quy luật tăng tốc độ truyền sóng theo chiều sâu còn phụ thuộc vào vị trí cấu tạo của chúng. Ở đỉnh các vòm nâng thường có tốc độ nhỏ hơn các vùng cánh. Đối với các loại đất đã khác nhau, quy luật thay đổi tốc độ truyền sóng theo áp suất cũng khác nhau, rõ nhất đối với đất đá trầm tích lục nguyên, còn trong đá magma và carbonat ít hơn. Đây cũng là dấu hiệu quan trọng khi nghiên cứu dị thường áp suất, đặc biệt trong thăm dò và khai thác các mỏ khí. Trong các đới nứt nẻ, tốc độ và áp suất tăng khi mức độ nứt nẻ giảm. Sự biến đổi giá trị tốc chúng có khác nhau. độ theo hướng phát triển nứt nẻ và hướng thẳng góc với
Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng và modul Young vào áp suất của cát kết và granit được mô tả trên hình 4.5.
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md6.jpg)
Hình 4.5 - Sự phụ thuộc tốc độ cát kết và modul Young vào áp suất - a. Sự phụ thuộc tốc độ cát kết vào áp suất với độ ẩm khác nhau; b. Sự phụ thuộc của tốc độ (1) và modul Young (2) vào áp suất
Mối quan hệ giữa tốc độ và chất lưu trong vỉa chứa
Các loại chất lưu (nước, dầu, hydrat khí...) và khí chứa trong các lỗ rỗng phản ảnh chất lượng vỉa chứa, chúng có liên quan đến tốc độ truyền sóng đặc biệt là tốc độ sóng ngang vì sóng ngang không truyền trong nước và khí. Nếu lỗ rỗng chứa khí và chất lưu thì tốc độ truyền sóng giảm đặc biệt tốc độ sóng ngang giảm rất rõ rệt so với đất đá đặc sít. Khi áp suất nhỏ thì nếu độ ngậm nước tăng tốc độ truyền sóng tăng, đến khi bão hòa thì V, giữ nguyên, quá bão hòa thì tốc độ giảm. Sở dĩ như vậy là do khi độ ngậm nước nhỏ, nước tạo ra những màng làm tăng sự tiếp xúc giữa 2 mặt với nhau nên tốc độ truyền sóng tăng, khi bão hòa các màng này bị phá vỡ, diện tích tiếp xúc giảm làm cho tốc độ truyền sóng giảm. Nếu có nước khoáng hóa thì tốc độ tăng với độ khoáng hóa. Trên hình 4.6 thể hiện mối quan hệ tốc độ với độ bão hòa khí và nước.
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md7.jpg)
Hình 4.6 - Mối quan hệ tốc độ với độ bão hòa nước và khí - a. Quy luật tốc độ theo chiều sâu trong môi trường rắn, bão hòa nước và bão hòa khí; b. Đồ thị biến đổi tốc với độ bão hòa nước
Mối quan hệ tốc độ sóng dọc (Vp) và tốc độ sóng ngang (Vs)
Trong quá trình truyền sóng, sóng dọc liên quan đến biến dạng co giãn nên có thể truyền trong mọi môi trường (rắn, nước, khí) với tốc độ Vp, trong khi đó sóng ngang liên quan đến biến dạng trượt nên chỉ truyền được trong môi trường rắn với tốc độ Vs. Các giá trị tốc độ này và tỷ số Vp/Vs có mối quan hệ với thành phần thạch học các loại đá, độ rỗng trong đá, thành phần chất lưu chứa trong các lỗ rỗng, hệ số Poisson (σ).
Trên hình 4.7 mô tả định tính sự phụ thuộc Vp , Vs, Vp/Vs vào các loại đá (cát, đá vôi, sét) và quy luật biến đổi của chúng theo độ rỗng, độ bão hòa dầu và khí trong cát.
Việc xác định mối quan hệ giữa Vp và Vs trong các loại đá khác nhau có ý nghĩa quan trọng trong thực tế vì từ đó có thể xác định loại đá nếu biết tốc độ sóng dọc và sóng ngang, hoặc tính được tốc độ sóng ngang nếu biết tốc độ sóng dọc khi khảo sát trong mỗi trường nước. Trên hình 4.8 minh họa kết quả xác định mối quan hệ giữa Vp và Vs của cát kết, cát kết chứa khí, đá vôi, dolomit, sét. Trong đó hình 4.8a, b là mối quan hệ giữa Vp và Vs, hình 4.8c là quan hệ giữa Vp và tỷ số Vp/Vs.
Các tính toán thống kê cho thấy quy luật:
Cát kết: Vs = 0,8042 Vp - 0,8559
Sét: Vs = 0,770 Vp - 0,8674
Đá vôi: Vs = - 0,05509 Vp2 - 1,0168 Vp - 1,0305
Đá vôi: Vs = 0,526 Vp (với Vs >1,5km/s)
Dolomit: Vs = 0,5832 Vp - 0,07776
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md9.jpg)
Hình 4.7 - Mối quan hệ tốc độ Vp, Vs, Vp/Vs với thạch học, độ rỗng và độ bão hòa
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md10.jpg)
Hình 4.8 - Mối quan hệ giữa tốc độ sóng dọc Vp với tốc độ sóng ngang Vs. Quan hệ tốc độ Vp và Vs với các giá trị Vp/Vs khác nhau; b. Quan hệ Vp và tỷ số Vp/Vs
Trên hình 4.9 biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số V, V, và hệ số Poisson ở trên đồ thị và so sánh theo đường cong đo trong giếng khoan. Phần tích mối quan hệ này cho thấy:
Vp/Vs= √2, σ = 0
Vp/Vs=15, σ = 0.1 (khí)
Vp/Vs= 2, σ = 0.33 (cát ẩm)
Vp/Vs= ∞, σ = 0.5 (Vs = 0)
![Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá Mối quan hệ tốc độ và đặc điểm đất đá](/DataStore/Images/2023/02/24/md11.jpg)
Hình 4.9 - Mối quan hệ giữa tỷ số Vp/Vs và hệ số Poisson σ - a. Đồ thị σ phụ thuộc Vp/Vs ; b. So sánh đường cong đo trong GK
Theo Minh giải địa chấn trong thăm dò và khai thác dầu khí