کاربرد روش های لرزه ای در اکتشاف منابع آب
مقدمه
هیدروژئوفیزیک که از دهه 1990 ظاهر شده ست، مبحثی چند رشته ای است که بر استفاده از روش های ژئوفیزیکی به منظور تعیین خصوصیات ساختارهای زیر زمین، تعیین خواص هیدروژئولوژیک، مانیتورینگ فرآیندهای خاک و آب زیرزمینی استفاده می شود.
روش های هیدروژئوفیزیکی امکان تعیین دقیقتر خواص سفره های آب زیرزمینی را که قبلا از طریق روش های مرسوم هیدرولوژیکی امکانپذیر نبوده، فرآهم می آورد.
هیدروژئوفیزیک
ارزیابی سفره های آب زیرزمینی
ارزیابی جزئی سفره های آب زیرزمینی نیازمند اطلاعات گوناگون هیدرولوژیکی است، شامل:
هیدرواستراتیگرافی
محدوده های سیستم
پراکندگی خواص هیدرولیکی
ارتباط میان آبخوان و لایه ناتراوا
اطلاعات مفید برای تجدید آبخوان ها:
اطلاعات زمین شناسی سطحی
برداشت های درون چاه و لاگ گمانه ها
اطلاعات ژئوفیزیک اکتشافی
5
موج مستقیم
پرتوانعکاسی
انکساربحرانی
5
روش لرزه نگاری
مطالعات لرزه ای
در روش های لرزه ای، اندازه گیری ها بر اساس انتشار انرژی آکوستیک در محیط می باشد. سرعت انتشار این انرژی در قالب امواج فشاری و برشی متناسب با مدول های الاستیک و چگالی مواد است.
استفاده از روش مطالعات لرزه نگاری در مطالعات آب، به طور سنتی مبتنی بر روش های لرزه انکساری با استفاده از امواج فشاری بوده است. روش لرزه انعکاسی مدت هاست برای اکتشافات نفتی به کار می رود. هرچند از سال 1980 به بعد، کاربرد این روش در اکتشافات سطحی رو به گسترش است.
لرزه نگاری انکساری
لرزه نگاری انکساری (Time Lapse)
لرزه نگاری انعکاسی عمیق
لرزه نگاری انعکاسی سه مولفه ای
اصول روش انکساری
لرزه نگاری انکساری یکی از روش های ژئوفیزیکی مرسوم برای تعیین عمق سنگ بستر، توان سنگ بستر، عمق سفره آب زیرزمینی، عمق مرز سرعت لرزه ای، به کار گرفته می شود.
این روش بر مبنای تفسیر زمان رسیدهای اولیه امواج انکساری که در بین لایه های سطحی حرکت می کنند، بنا شده است.
نتیجه نهایی مطالعات لرزه نگاری انکساری، یک مقطع عمقی لایه بندی شده شامل اطلاعات هندسی لایه ها و سرعت های لرزه ای در لایه هاست.
Rock: Vp2
Soil: Vp1
oscilloscope
Note: Vp1 < Vp2
پردازش و تفسیر
L5(P)
پردازش و تفسیر
پردازش و تفسیر
L5(S)
پردازش و تفسیر
1- روش انکساری
در مطالعات لرزه انکساری، استفاده از بزرگای مقادیر سرعت به منظور برآورد عمق آبخوان، به دلیل محدودیت های تفسیری نامعتبر می شود.
از آنجا که رفتار امواج فشاری و برشی در حضور سیالات، بسیار متفاوت است، مطالعه نسبت سرعت موج فشاری به برشی امکان تمایز بین تغییرات سرعت ناشی از تغییرات لیتولوژیک و تغییرات سرعت ناشی از حضور سفره آب زیرزمینی را ممکن می سازد.
در تئوری، سرعت موج برشی تغییرات کاهشی یا افزایشی ناچیز و موج فشاری تغییرات شدید افزایشی را در مرز سفره آب زیرزمینی نشان می دهند، این موضوع بیانگر این امر است که نسبت سرعت موج فشاری به برشی در پروفیل لرزه ای انکساری میتواند به عنوان نشانگری برای سفره آب زیرزمینی به کار رود.
نسبت سرعت موج فشاری به برشی، شاخص سطح آب
1- روش انکساری
نسبت سرعت موج فشاری به برشی، شاخص سطح آب
زمان رسیدهای اولیه مشاهده شده و محاسبه شده برای موج فشاری (a برای سطح آب بالا و d برای سطح آب پایین) و برای موج برشی (b برای سطح آب بالا و e برای سطح آب پایین). مقادیر سرعت موج فشاری و برشی تفسیر شده (c برای سطح آب بالا و f برای سطح آب پایین).
1- روش انکساری
نسبت سرعت موج فشاری به برشی، شاخص سطح آب
16
Water table
مطالعات ژئوفیزیک پالایشگاه بندر عباس
سطح آب در اصطلاح لرزه ای یک مرز واضح نیست. به طور کلی، این مرز با خصوصیات سیال درون حفره ای (از جمله تراکم پذیری، چگالی، و ویسکوزیته) و درجه اشباع آب (متناسب با فشار درون حفره ای و نوع پراکندگی حفرات ) تعریف میشود. بنابر این، موقعیت قرارگیری آن میتواند در یک بازه کوچک مکانی و زمانی تغییر کند.
روش های لرزه ای میتواند برای مانیتورینگ تغییرات سطح آب با استفاده از تغییرات سرعت لرزه ای به کار رود.
به منظور نمایان سازی چنین تغییراتی به روش مانیتورینگ لرزه انکساری، شرایط لازم شامل هندسه برداشت گیرنده-فرستنده ثابت مابین مراحل مختلف برداشت و همچنین مقادیر سرعتی موج فشاری بالاتر از مقدار سطح نویز، می باشد.
2- روش انکساری Time-Lapse
روش برداشت بازه ای (Time-Lapse) برای مانیتورینگ آبخوان
اصول روش لرزه نگاری انکساری (موج PP) . تغییرات سرعت موج فشاری در داخل سازند ناشی از تغییر اشباع و/یا فشار میتواند موجب ایجاد شیفت غالبی در زاویه و دورافت بحرانی شود.
روش انکساری
روش برداشت بازه ای (Time-Lapse) برای مانیتورینگ آبخوان
محدودیت های روش انکساری
اصلی ترین کاستی این روش عدم توانایی در تولید نتایج قابل اطمینان در موارد پراکندگی سرعتی پیچیده روی انکسارکننده، از جمله تغییرات شدید سرعتی، لایه های مخفی سرعتی و وارونگی سرعتی، می باشد.
آبخوان های محبوس، که در آنها آب در حفرات سنگ تحت فشار و بین دو لایه با تراوایی کم محدود شده است، برای مطالعه به روش لرزه انکساری نمی باشد. این روش عمدتا دراکتشاف سفره های آب زیرزمینی به کار گرفته می شود.
سرعت امواج فشاری در مطالعات لرزه انکساری بر مبنای نوع سنگ و نوع سیال تغییر میکند. در نتیجه، تشخیص تغییرات لیتولوژی و تغییرات درصد اشباع سنگ صرفا با استفاده از سرعت امواج فشاری مشکل است.
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
امروزه، منابع آب از ذخایر زیرزمینی که به دلیل موقعیت کم عمق آن ها به سهولت قابل دسترسی هستند. این نوع از اکتشافات، در طی چند سال اخیر به محدودیت های خود رسیده است و نیاز به یافتن آبخوان های جایگزین مطرح شده است.
آبخوان های عمیق می تواند با ابزارهای پردازشی، در صورت تطبیق پارامترهای آن با خصوصیات مربوط به آبخوان مورد نظر، که در حوزه صنعت نفت توسعه یافته اند مورد مطالعه قرار گیرند. لرزه انعکاسی قادر است اطلاعاتی را به دست آوردکه می تواند به منظور نمایان سازی هندسه آبخوان مورد استفاده قرار گیرد.
این نوع آبخوان ها به خانواده مخازن تعلق می گیرد، و به دو دسته اصلی تقسیم می شود.
آبخوان های پیوسته و رسوبی: عموما از جنس ماسه سنگ و یا سنگ آهک با تخلخل و تراوایی خوب می باشد
آبخوان های گسلیده:: که در سنگ هایی بدون تخلخل ذاتی اما دارای زون های خرد شده مربط با هم تشکیل شده است
الزام و اصول
مطلبی که پر اهمیت تر از مبحث طراحی عملیات مطرح است، در مرحله اول تعریف مجموعه اهداف و انتخاب روش های مناسب است.
در لرزه اانعکاسی به منظور حصول تصویری قابل تفسیر از سیستم هیدروژئولوزیکی، لازم است درکی از عمق آبخوان های هدف وجود داشته باشد.
در ادامه، پارامترهای برداشت لرزه نگاری طراحی و پیرامون آن تصمیم گیری می شود، تا بهترین شرایط برای دریافت اطلاعات از پراهمیت ترین مناطق ایجاد شود.
نمونه ای از پارامتر های برداشت صحرایی لرزه انعکاسی
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
برداشت
برداشت های لرزه انعکاسی قادر است تغییرات و جزئیات استراتوگرافیک کوچک را نیز نمایان سازد. تکنیک های مدرن پردازش و تفسیر می تواند زون های ماسه ای تراوا، گسل ها و سازندهای گسلیده، و سایر پدیده های استراتوگرافیک و ساختاری که بازده چاه را کنترل می کند را مشخص سازد.
ابزارهای لرزه ای که در مورد مخازن نفتی کاربرد دارند، به خوبی برای مخازن آب عمیق نیز قابل به کارگیری و تطبیق هستند.
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
پردازش
نمونه ای از مراحل پردازش داده های لرزه نگاری انعکاسی
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
پردازش
تفسیر، مرتبط با بازسازی کمی وکیفی ساختارهای زیر زمین با استفاده از نتایج پردازش، با استفاده از به کارگیری الگوریتم های وارون سازی، نشانگرهای لرزه ای، و مطالعات پیشرفته مخزنی، به منظور اطمینان از ترسیم مناسب و تعیین خصوصیات اهداف اکتشافی می باشد.
آبخوان پیوسته (صورتی رنگ) در زیر یک لایه رسی(زرد رنگ). آبخوان از سمت غرب و توسط گاز از زون های گسلی، تغذیه می شود.
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
تفسیر
مقطع امپدانس صوتی مابین چاه ها حاصل از وارون سازی لرزه ای.
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
تفسیر ژئوفیزیک مخزن
نقشه هم زمان نشانگر لرزه ای امپدانس صوتی . آبخوان مآندری به خوبی مشخص شده است.
3- روش لرزه انعکاسی عمیق
تفسیر ژئوفیزیک مخزن
حدود 30 سال
اکتشاف و استخراج هیدروکربن در صنعت نفت و گاز
لرزه شناسی زمین لرزه
باستان شناسی
اکتشاف آب
3- روش لرزه انعکاسی سه مولفه ای
29
3- روش لرزه انعکاسی سه مولفه ای
در خشکی 3 مولفه برداری
در دریا 3 مولفه برداری به اضافه 1 مولفه نرده ای
30
وابستگی موج P به قابلیت فشردگی، چگالی و سختی
وابستگی موج S به چگالی و سختی
ترکیب دو نتیجه و استخراج مشخصه های لرزه ای همانند Vp و Vs و چگالی، تخلخل، امپدانس صوتی
تصویر بهتر ساختمانی، جزئیات بیشتر چینه ای، شاخص های نوع سنگ، خواص پتروفیزیکی، توصیف گسل/شکاف/درزه، توجه به رژیم تنشی محیط، تخمین محتوای سیال، ایده تغییرات سنگی و سیالی همراه با تولید.
3- روش لرزه انعکاسی سه مولفه ای
31
تفسیر ساختمانی
تفسیر مشخصه های لرزه ای فرکانس ، دامنه و فاز
تفسیر ژئوفیزیک مخزن شامل AVO و وارون سازی
استخراج مشخصهای لرزه ای همانند Vp و Vs و چگالی، تخلخل، امپدانس صوتی
3- روش لرزه انعکاسی سه مولفه ای
32
تفسیر ساختمانی
33
تفسیر مخزنی لرزه انعکاسی سه مولفه ای
34
تفسیر لرزه انعکاسی سه مولفه ای (AVO , INVERSOIN )
35
تفسیر لرزه انعکاسی سه مولفه ای AVO , INVERSOIN )
Vp/Vs بر اساس وارون سازی موج pp
Vp/Vs بر اساس وارون سازی موج ps
Vp/Vs بر اساس وارون سازی همزمان موج pp و موج ps
Vp/Vs بر اساس آنالیز AVO
36
تفسیر لرزه انعکاسی سه مولفه ای AVO , INVERSOIN )
37
تفسیر لرزه انعکاسی سه مولفه ای AVO , INVERSOIN )
منابع
Bachrach, R., Nur, A., 1998, “Ultra shallow seismic reflection in unconsolidated sediments: Rock physics base for data acquisition”, Stanford University.
Binley, A., Cassiani, G., Deiana, R., 2010, “Hydrogeophysics: opportunities and challenges”, Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata.
Bradford, J., Sawyer, D., 2002, “Depth characterization of shallow aquifers with seismic reflection, part2-Pres stack depth migration and field examples”, Geophysics.
Grelle, G., Guandagno, F.M., 2009, “Seismic refraction methodology for groundwater level determination: Water Seismic Index”, Journal of Applied Geophysics.
Gaines, D., Baker, G., Hubbard, S., Watson, D., Brooks, S., Jarine, P., 2010, “Detecting perched water bodies using surface-seismic time-lapse traveltime tomography”, 16th EAGE European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics.
Giustiniani, M., Accaino, F., Picotti, S., Tinivella, U., 2008, “Characterization of the shallow aquifers by high-resolution seismic data”, Geophysical prospecting.
Giustiniani, M., Accaino, F., Picotti, S., Tinivella, U., 2009, “3D seismic data for shallow aquifers characterization”, Journal of applied geophysics.
Gruber, W., Rieger, R., 2003, “High resolution seismic reflection-constraints and pitfalls in groundwater exploration”, RMZ-Materials and Geoenvironments.
Haeni, F., 1986, “Application of seismic refraction methods in groundwater modeling studies in New England”, Geophysics.
Martin, R., Harris, B., Martin, R., “High resolution seismic reflection for hydrogeology-where is the value”, 23rd International Geophysical Conference an d Exhibition.
Mehdizadeh, H., Landre, M., 2008, “Time-lapse refraction methods- Status and future challenges”, 7th International Conference & Exposition on Petroleum Geophysics.
Pasquet, S., Bodet, B., Dhemaied, A., Mouhri, A., Vitale, Q., Rejiba, F., Flipo, N., Guerin, R., 2015, “Detecting different water table levels in a shallow aquifer with combined P-, Surface and SH-waves surveys: Insights from Vp/Vs or poisson’s rations”, Journal of Applied Geophysics.
Postel, J., Gillot, E., Larroque, M., 2005, “Seismic tools for deep aquifer exploration”, SEG Technical Program Expanded Abstracts.
Rossie, C., 1987, “The seismic refraction compression-shear wave velocity ratio as an indicator of shallow water tables: A field test”, Report- Department of the Army- US Army Corps of Engineers.
Sander, J., 1978, “The blind zone in seismic groundwater exploration”, GROUNDWATER.
Schreilechner, M., 2003, “Geophysical detection of deep aquifers in Styrian basin”, RMZ-Materials and Geoenvironments.
Slain, D., 1988, “Applying seismic reflection techniques to hydrogeological investigations”, Procedding of the FOCUS Conference on Eastern .
Steeples, D., Miller, R., 1990, “Seismic reflection methods applied to engineering, environmental, and groundwater problems”, The University of Kansas Lawrence
Vereecken, H., Kemna, A., Munch, H., Tillmann, A., Verweerd, A., 2005, “Aquifer characterization by geophysical methods”, Encylopedia of Hydrological Sciences.
با تشکر از توجه شما