Стилолиты в известняке усложняют акустический мониторинг при гидроразрыве пласта

Стилолиты — зазубренные структуры внутри известняка, которые нарушают передачу акустических волн и помогают исследователям лучше понять распространение звуковых волн внутри породы. Автор: 2025 KAUST

Стилолиты — неровные швы, встречающиеся в известняке — влияют на распространение акустических волн через образцы горных пород. Лабораторные исследования учёных из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) позволили лучше понять, как эти особенности влияют на методы акустической визуализации, используемые для анализа индуцированных микросейсмических событий во время гидравлического разрыва пласта.

Исследование опубликовано в журнале Tectonophysics.

Карбонатные осадочные породы, такие как известняк, часто содержат запасы газа и нефти в своих слоях. Исследователи обычно используют звуковые (акустические) волны для изучения подземных пород и идентификации типов горных пород, размера резервуаров и внутренних осадочных или структурных особенностей, влияющих на поток жидкостей.

«Слои осадочных пород редко бывают однородными. Стилолиты, например, представляют собой зазубренные разрывы, которые проходят через карбонатную породу и образуют видимые зубчатые "граничные слои", часто расположенные под косыми углами к напластованию», — говорит Томас Финкбайнер, руководивший исследованием в сотрудничестве с коллегами и бывшим постдоком KAUST Бингом Яном из Университета Трёх ущелий в Ичане, Китай.

Стилолиты отмечают поверхности растворения, где минералы материнской породы были растворены под действием больших напряжений от вышележащих толщ. Образующаяся граница состоит из переосажденного нерастворимого материала, такого как глина. Из-за своего механического контраста с материнской породой эти неоднородности могут нарушать звуковые волны при их прохождении.

Открытие стало для исследователей удачей. «Мы использовали известняковые блоки для другого лабораторного эксперимента, когда заметили, что в наших образцах присутствуют стилолиты», — говорит Финкбайнер. — Это вдохновило нас подробнее изучить их физические свойства и выяснить, как они влияют на распространение акустических волн в лабораторных масштабах. Раньше немногие исследования рассматривали стилолиты под таким углом».

Команда визуализировала стилолиты с помощью рентгеновского томографического оборудования, чтобы собрать данные об их трёхмерной морфологии и охарактеризовать их размеры.

«Визуализировать эти стилолиты было непросто, потому что они были довольно тонкими и имели геометрически очень неровные поверхности», — отмечает Финкбайнер. — Кроме того, чтобы лучше понять, как их механические свойства контрастируют с окружающей материнской породой, нам пришлось вскрыть наши образцы пород с помощью пилы, зубила и молотка, чтобы получить доступ к стилолитам и измерить их твёрдость».

Исследователи записали скорости и амплитуды акустических волн, проходящих через образцы породы. Они ввели полученные данные в компьютерную модель, которая имитировала распространение звуковых волн через породы на частотах, подходящих для лабораторных образцов.

Результаты показали, что стилолиты являются слабыми неоднородностями, которые оказывают минимальное влияние на первые вступления передаваемых акустических сигналов. Однако они значительно влияют на кода-волны — вторичные волны, которые образуются из-за рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Это влияет на общую передачу энергии звуковой волны через породу.

«С увеличением толщины стилолита акустические волны рассеиваются сильнее и вносят больше шума в волновое поле», — говорит Финкбайнер. — В лабораторных экспериментах это имеет последствия для мониторинга распространения гидроразрыва в образцах пород, содержащих стилолиты. Наши результаты помогут определить лучший способ локации акустических emission внутри лабораторных образцов породы».

Исследователи сейчас проводят испытания на более крупных блоках породы. Они будут использовать передовое оптоволоконное детектирование и усовершенствованные методы обработки данных, чтобы проверить, можно ли масштабировать и повторить эти выводы.

Больше информации: Bing Yang et al, Effects of stylolite physical properties on acoustic wave propagation in host rock at the laboratory scale, Tectonophysics (2025). DOI: 10.1016/j.tecto.2025.230762

Источник: King Abdullah University of Science and Technology