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 (V_p), tốc độ sóng ngang (V_s) 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:

V_p = 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 V_p, 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 V_p, 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:

V_p = 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.

Hình 4.1 - Sự phụ thuộc tốc độ V_p, vào mật độ ρ của một số loại đất đá khác nhau

Hình 4.2 - Mối quan hệ tốc độ V_p, và hệ số Poisson của một số loại đá khác nhau

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 (V_p) trong các đá có độ rỗng chứa chất lưu được xác định bởi công thức:

Trong đó: V_m là tốc độ của khung đá; V_f 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 (V_p) và tốc độ sóng ngang (V_s) 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:

V_p = 5,59 - 6,93 ɸ - 2,18 C

V_s = 3,52 - 4,91 ɸ - 1,89 C

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.

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.

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 (V_p) và tốc độ sóng ngang (V_s)

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 V_p, trong khi đó sóng ngang liên quan đến biến dạng trượt nên chỉ truyền được trong môi trường rắn với tốc độ V_s. Các giá trị tốc độ này và tỷ số V_p/V_s 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 V_p , V_s, V_p/V_s 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 V_p và V_s 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 V_p và V_s của cát kết, cát kết chứa khí, đá vôi, dolomit, sét. Trong đó hình 4.8a, b là mối quan hệ giữa V_p và V_s, hình 4.8c là quan hệ giữa V_p và tỷ số V_p/V_s.

Các tính toán thống kê cho thấy quy luật:

Cát kết: V_s = 0,8042 V_p - 0,8559

Sét: V_s = 0,770 V_p - 0,8674

Đá vôi: V_s = - 0,05509 V_p² - 1,0168 V_p - 1,0305

Đá vôi: V_s = 0,526 V_p (với V_s >1,5km/s)

Dolomit: V_s = 0,5832 V_p - 0,07776

Hình 4.7 - Mối quan hệ tốc độ V_p, V_s, V_p/V_s với thạch học, độ rỗng và độ bão hòa

Hình 4.8 - Mối quan hệ giữa tốc độ sóng dọc V_p với tốc độ sóng ngang V_s. Quan hệ tốc độ V_p và V_s với các giá trị V_p/V_s khác nhau; b. Quan hệ V_p và tỷ số V_p/V_s

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:

V_p/V_s= √2, σ = 0

V_p/V_s=15, σ = 0.1 (khí)

V_p/V_s= 2, σ = 0.33 (cát ẩm)

V_p/V_s= ∞, σ = 0.5 (V_s = 0)

Hình 4.9 - Mối quan hệ giữa tỷ số V_p/V_s và hệ số Poisson σ - a. Đồ thị σ phụ thuộc V_p/V_s ; b. So sánh đường cong đo trong GK

Theo Minh giải địa chấn trong thăm dò và khai thác dầu khí