Dislocational Rock Mechanisms As a Basis for Seismic Methods in the Search for Hydrocarbons
La géomécanique de dislocation en tant que base des méthodes sismiques de la recherche des hydrocarbures
Urals State Mining-Geological Academy
The analysis of the geological and geophysical data points out the inadequacy of the classical concept of a stratified continuous sedimentary medium on one hand. In the second hand it helps to introduce a serie of key physical concepts. The general formulation of the proposed concept can be presented as follows :(a) The discrete character clearly observed during the sedimentation process ensures that changes of sedimentary cycles (hiatuses) are marked by fine layers or surfaces which correspond to regular structures of strength defects later. (b) The changes in gravity or tectonic load induce a destruction mechanism which regular growth changes a stratified continuous medium with defects into a dicrete medium. This destruction mechanism is a final process : each discrete element is limited in space by horizontal and vertical surfaces of disruption (dislocations). The final medium is a critical piling of elements which reacts easily to any change of the mechanical stress field. From this point of view, if we analyse outcrops and well data one notices a strong correspondance between the actual cracks and the main sedimentary limits. The main feature of the destruction mechanism is well reproduced in the laboratory by physical models built layer by layer with cristallisation pauses between layers. The theoretical analysis of the stress field of discrete media shows the predominance of vertical displacements and consequently the block aspect of the stress distribution within a compensation scheme. Thus, the key element in such a discrete medium model is the dislocation structure and the associated stress or pressure distribution. It becomes obvious that the main parameters of the fluid behaviour are determined by the density of dislocations and the value of the general pressure over the volume of the formation. The general pressure is defined as the sum of geostatic pressure and the anornafic pressure linked to the characteristic variability of the internal stress field of a dicrete medium with a moving basement. When these conditions are taking into account the medium is defined as a Dislocation Fluid Model (DFM). In the DFM model the nature of the variability of the physical properties in a portion of sedimentary layering is defined- first by the size of the considered volume,- second by the density of dislocations and pressure values,- third by the properties of each brickconstitutive element of the medium. The theoretical and experimental study of the elastic wave propagation brings a drastically different interpretation of the nature and properties of the seismic interfaces: the real physical reflectors of elastic waves are the dislocation surfaces. The reflection coefficients depend on the pressure on the dislocation surface or on the dislocation within the volume affected by the wave. Thus the formulation of seismic inversion (interpretation) should be done as follows : the position of the dislocation surfaces and the dislocations density are determined by the velocity and amplitude of the reflected signal as well as the pressure variations on the dislocation surfaces. After computing the main parameters of the DFM structure (spatial dislocations density) and the variations of pressure, the pressure anomalies provoked by the layer deformation and composition can be estimated. Applying such a technique of seismic interpretation in different kinds of sedimentary bassins confirms the principles below :- the sedimentary series is subdivided in blocks of typical dimension which stress state is ruled by a scheme of compensation of the general deformation of the medium towards a isostatic balance - The fluid dynamics is determined by the stress field distribution of the dislocation structure and by the geometry of the elementary blocks in a sedimentary serie or part of it. Finally the suggested concepts are based on the general laws of the discrete system which knowledge allows for solving the problems of oil exploration with the best objectivity.
Résumé
L'analyse des données géologo-géophysiques, en premier lieu, nous conforte dans l'idée de la faiblesse et de l'insuffisance des conceptions classiques du milieu sédimentaire continu stratifié et, en deuxième lieu, permet d'avancer une série d'idées physiques clés. La logique générale de la formulation de la conception proposée dans ce travail peut être présentée de la façon suivante : - le caractère discret nettement exprimé du processus de sédimentation permet d'affirmer qu'au moment des changements de cycles (pauses) ou des événements sédimentaires dans le milieu, il se forme des couches fines ou des surfaces qui, plus tard, constituent des structures régulières de défaut de solidité ; - les changements de charge gravitationnels ou tectoniques mettent en action des mécanismes de destruction dont le développement régulier conduit à passer d'un système continu stratifié avec défaut à un système discret ; - le mécanisme de destruction discret est un processus final : chaque élément discret est limité dans l'espace par des surfaces horizontales et verticales de rupture de la continuité (dislocations) atteignant un empilement critique final doué de la faculté d'un haut degré de réaction à n'importe quelle modification du bilan des charges mécaniques. Si du point de vue de cette conception, on effectue une analyse des données factuelles (affleurements et puits), on peut voir une concordance objective entre la structure de fissuration réelle et les principales limites temporelles et événementielles du processus de sédimentation. Les principales règles de la mécanique de destruction des milieux à défauts sont bien reconstitués en condition de laboratoire sur des modèles physiques fabriqués selon le principe du remplissage successif de la matière par la méthode couches sur couchesavec des arrêts pour la cristallisation. L'analyse théorique de l'état de contraintes des milieux discrets témoigne de l'importance prédominante des déplacements verticaux dans de tels milieux et, par conséquent, le caractère de blocs de la distribution des charges par un schéma de compensation. Ainsi, l'élément central dans le modèle de milieu discret dont on parle est la structure de fissuration (dislocation) et la distribution caractéristique de l'état de contrainte (pression). Il est évident que dans de tels modèles de systèmes discrets les principaux paramètres des processus liés au fluide seront déterminés par la densité de dislocation et la grandeur de la pression générale opérant sur ce volume de milieu. Avec cela la pression générale est définie comme la somme de la pression lithostatique et de la pression anomalique où le terme de pression anomalique dans le cas précis reflète la variabilité caractéristique de l'état de tension des systèmes discrets ayant un soubassement mobile. En tenant compte de ces conditions le milieu considéré est défini comme un modèle de dislocation fluidique (DFM). Dans le modèle DFM la nature de la variabilité des propriétés physiques dans un espace réel de série sédimentaire est défini - en premier par la valeur du volume du milieu considéré - en second par la densité de dislocations et la valeur de la pression, et seulement - en troisième par les propriétés de chaque briquedont la pluralité constitue le milieu. Le résultat des études théoriques et expérimentales du processus de propagation des ondes élastiques dans le DFM nous amène à une interprétation complètement différente de la nature et des propriétés des limites sismiques : les réflecteurs physiques réels d'ondes élastiques sont les surfaces de dislocation tandis que les paramètres dynamiques de réflexion sont formés par la valeur de la pression agissant sur la surface de dislocation donnée ou l'ensemble des dislocations dans le volume d'onde observé de l'espace. Ainsi, la formulation des problèmes inverses (interprétation de la sismique doit être faite de la façon suivante : au moyen des paramètres cinématiques et dynamiques du signal de l'onde réfléchie on détermine la position (densité) des surfaces de dislocation et la valeur de la pression relative agissant sur cette surface ou sur leur ensemble. Après avoir déterminé les paramètres centraux de la structure DFM (densité de dislocation dans l'espace-temps) et la valeur de la pression générale relative, on peut résoudre le problème d'estimation des pressions anormales provoquées par la dynamique des couches et les variations de leur composition. L'application de telles technologies sismiques d'interprétation dans différents types de bassins sédimentaires confirme une série de principes : - la série sédimentaire se divise en blocs de dimensions caractéristiques, dont les moments cinématiques (état de contrainte) sont déterminés par un schéma de compensation du mouvement général du milieu vers un équilibre isostatique ; - la dynamique des fluides est déterminée par la distribution courante de l'état de contrainte de la structure de dislocation et par la géométrie des blocs constituant soit l'ensemble de la série sédimentaire soit une portion de celle-ci. Ainsi la conception proposée est construite sur certaines lois générales, liées aux systèmes discrets, dont la connaissance permet, avec une objectivité maximale, de résoudre les problèmes d'exploration et de prospection dans les régions pétrolières.
© IFP, 1995