석유와 가스 등 지하자원 탐사를 위한 탄성파 탐사자료의 처리 및 해석에 있어서 이방성에 대한 연구는 매우 중요하다. 중합 및 구조보정 등 자료처리과정에 필요한 탄성파 속도를 등방성이라고 가정하였으나 실제 지하지질의 속도구조는 이방성을 가지는 경우를 흔히 볼 수 있는데, 특히 셰일층 또는 파쇄 및 절리 등 균열이 발달된 탄산염 저류층에서 이방성 특성을 찾아볼 수 있다. 본 연구에서는 합성수지인 베이클라이트로 만든 VTI매질을 대상으로 탄성파축소모형실험을 이용하여 탄성파 이방성에 대한 연구를 수행하였다. 탄성파 모형실험에서 등방성 재료는 입사각의 변화에도 불구하고 속도가 항상 일정하지만, 이방성 매질의 경우 측정 방향 및 입사각에 따라 탄성파 P파 및 S파의 속도가 변화하였다. 측정된 탄성파 속도는 군속도로 추정되며 군속도로부터 구한 탄성계수를 이용하여 이방성계수인 ${\varepsilon}$, ${\delta}$, ${\gamma}$를 성공적으로 파악할 수 있었다. 이방성매질에서는 이론적으로 계산된 위상속도와 측정된 탄성파속도는 비교적 잘 일치하였으며, 또한 qP, qS, SH파의 위상속도를 slowness surface에서 나타내면 측정 매질에 대한 이방성 특성이 잘 표현되었다. S파의 경우 매질과 송수신기의 측정 방향에 따라 서로 다른 두 개의 횡파가 분극특성을 나타내며 전파됨을 확인할 수 있었다.
석유와 가스 등 지하자원 탐사를 위한 탄성파 탐사자료의 처리 및 해석에 있어서 이방성에 대한 연구는 매우 중요하다. 중합 및 구조보정 등 자료처리과정에 필요한 탄성파 속도를 등방성이라고 가정하였으나 실제 지하지질의 속도구조는 이방성을 가지는 경우를 흔히 볼 수 있는데, 특히 셰일층 또는 파쇄 및 절리 등 균열이 발달된 탄산염 저류층에서 이방성 특성을 찾아볼 수 있다. 본 연구에서는 합성수지인 베이클라이트로 만든 VTI매질을 대상으로 탄성파 축소모형실험을 이용하여 탄성파 이방성에 대한 연구를 수행하였다. 탄성파 모형실험에서 등방성 재료는 입사각의 변화에도 불구하고 속도가 항상 일정하지만, 이방성 매질의 경우 측정 방향 및 입사각에 따라 탄성파 P파 및 S파의 속도가 변화하였다. 측정된 탄성파 속도는 군속도로 추정되며 군속도로부터 구한 탄성계수를 이용하여 이방성계수인 ${\varepsilon}$, ${\delta}$, ${\gamma}$를 성공적으로 파악할 수 있었다. 이방성매질에서는 이론적으로 계산된 위상속도와 측정된 탄성파속도는 비교적 잘 일치하였으며, 또한 qP, qS, SH파의 위상속도를 slowness surface에서 나타내면 측정 매질에 대한 이방성 특성이 잘 표현되었다. S파의 경우 매질과 송수신기의 측정 방향에 따라 서로 다른 두 개의 횡파가 분극특성을 나타내며 전파됨을 확인할 수 있었다.
Although conventional seismic data processing is based on the assumption that the media are isotropic, the subsurface is often anisotropy in shale formation or carbonate with cracks and fractures. This paper presents the anisotropic parameter and seismic modeling in transversely isotropic media with...
Although conventional seismic data processing is based on the assumption that the media are isotropic, the subsurface is often anisotropy in shale formation or carbonate with cracks and fractures. This paper presents the anisotropic parameter and seismic modeling in transversely isotropic media with a vertical symmetry axis using seismic physical modeling. The experiment was successfully carried out with VTI media, laminated bakelite material, using contact transducer of p and s-wave transmission. The variation of velocities with angle of incidence was clearly shown in anisotropic material. Comparing these velocities with the calculated phase velocities, the (P) and (S)-wave velocity observed in anisotropic material was a very good agreement with the calculated values. Anisotropic parameter ${\varepsilon}$, ${\delta}$, ${\gamma}$ was estimated by using Lame's constant calculated from the observed velocity. For the purpose of testing (S)-wave polarization, a birefringence experiment was carried out. The higher velocity was associated with the polarization parallel to the fracture, and the lower velocity was associated with the polarization perpendicular to the fracture.
Although conventional seismic data processing is based on the assumption that the media are isotropic, the subsurface is often anisotropy in shale formation or carbonate with cracks and fractures. This paper presents the anisotropic parameter and seismic modeling in transversely isotropic media with a vertical symmetry axis using seismic physical modeling. The experiment was successfully carried out with VTI media, laminated bakelite material, using contact transducer of p and s-wave transmission. The variation of velocities with angle of incidence was clearly shown in anisotropic material. Comparing these velocities with the calculated phase velocities, the (P) and (S)-wave velocity observed in anisotropic material was a very good agreement with the calculated values. Anisotropic parameter ${\varepsilon}$, ${\delta}$, ${\gamma}$ was estimated by using Lame's constant calculated from the observed velocity. For the purpose of testing (S)-wave polarization, a birefringence experiment was carried out. The higher velocity was associated with the polarization parallel to the fracture, and the lower velocity was associated with the polarization perpendicular to the fracture.
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문제 정의
본 연구에서는 이방성 특성을 가지는 지층이 포함된 복합 지질모델과 그에 따른 다양한 탐사법 적용에 대한 탄성파 축소모형 실험을 위한 선행연구로서 등방성 매질인 아크릴과 수직 횡적 등방성(VTI, transversely isotropic media with a vertical symmetry axis) 매질인 베이클라이트를 대상으로 탄성파 축소모형실험을 통하여 이방성 속도정보 파악에 그 중점을 두었다. 특히 VTI 매질에서 얻은 초동자료를 바탕으로 군속도(group velocity)와 위상속도(phase velocity)와의 관계를 살펴보았으며, 역속도(slowness)를 이용하여 qP, qS, SH-wave의 속도변화양상을 파악해 봄으로써 해당 매질에 대한 속도분포특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 탄성파 축소모형실험을 이용한 등방성 및 이방성 매질에서의 탄성파 속도정보 파악에 그 중점을 두었다. VTI 매질에서의 탄성파 거동은 등방성 매질에서와는 달리 파의 주행시간이 위상각에 따라 변화함을 확인할 수 있었다.
가설 설정
6. Seismograms obtained in isotropic media, (a) P-wave and (b) S-wave.
제안 방법
TI구조의 대표적인 특성중 하나인 복굴절(birefringence)에 대한 실험 또한 수행하였다. 일반적인 경우 임의의 지점에서 분극방향을 달리한다 하더라도 음원과 수신기 사이의 파 도달 시간은 일정하여야 하지만, TI구조에서 보이는 적층된 면에 대해서 제로오프셋을 유지하여 분극방향을 5°씩 증가시켜본 결과, Fig.
특히 VTI 매질에서 얻은 초동자료를 바탕으로 군속도(group velocity)와 위상속도(phase velocity)와의 관계를 살펴보았으며, 역속도(slowness)를 이용하여 qP, qS, SH-wave의 속도변화양상을 파악해 봄으로써 해당 매질에 대한 속도분포특성을 살펴보았다. 또한 횡적 등방성 매질에서의 대표적 특징중 하나인 복굴절(birefringence)에 대한 실험을 수행하였다.
실제로 재료의 속도비는 1~2의 범위값으로 변화시키기 어려우나 중심주파수의 변화는 용이하므로 주파수를 변화시켜 모델 축소비에 따라 크기를 결정할 수 있다(신성렬 등, 2006). 본 실험은 식 (25)에 따라 일반적인 석유자원탐사에서 사용되는 주파수 대역에 포함되는 20 Hz에 대비하여 1 MHz 음원을 사용함으로써 1:50,000의 주파수 증폭 및 스케일 축소비로 수행하였다. Fig.
5에서 처럼 음원과 수진기는 서로 마주보게 위치시킨 후 이 둘의 위치 변화가 없도록 고정시킨다. 이 후 매질을 5도씩 회전하여 360도를 회전하여 음원과 수진기간의 거리는 일정하게 유지시키고 S파의 분극 방향을 달리하여 이에 대한 도달시간을 관찰하였다.
10(a)와 (b)에서 각각 P파와 S파의 측정값과 계산 값을 확인할 수 있는데, 그 값들의 형성이 비교적 흡사한 경향을 보임을 확인 할 수 있다. 이방성을 띠는 매질에 대한 탄성파 특정자료를 좀 더 효율적으로 분석하기 위해 Fig. 11에서처럼 phase-slowness surface와 velocity surface에서 각각 살펴보았다. Fig.
이방성은 일반적으로 적층축의 방향에 따라 VTI, HTI(transversely isotropic media with a horizontal symmetry axis)로 구분하며, 좀 더 세부적으로는 적층구조로 이루어진 횡적 등방성(TI)의 구조에서 수직 균열시스템의 단, 복수에 따라 Orthorhombic, Monoclinic media로 구분된다. 지각구조의 구성에 따라 여러 형태로 나눌 수 있으나 이 논문에서는 Fig. 1과 같이 수직축을 기준으로 미소체적의 수평적인 불균질성 입자로 구성된 층이 존재하거나 등방성의 박층들이 적층구조로 쌓였을 경우인 VTI 매질의 경우만을 다루었다. 이러한 VTI 매질에서의 탄성계수는 식 (6)으로서 나타낼 수 있고(Thomsen, 1986),
4(b)에서처럼 서로 마주보게 위치시켜 수신기는 고정한 채, 음원만 이동시켜 측정하였다. 측정간격은 제로오프셋으로부터 시작하여 한 측점 당 이동거리는 0.5 mm, 최대 이격거리는 50 mm로 하였다. 입사파가 분극방향이 서로 다른 파로 분리 되는 복굴절은 Fig.
본 연구에서는 이방성 특성을 가지는 지층이 포함된 복합 지질모델과 그에 따른 다양한 탐사법 적용에 대한 탄성파 축소모형 실험을 위한 선행연구로서 등방성 매질인 아크릴과 수직 횡적 등방성(VTI, transversely isotropic media with a vertical symmetry axis) 매질인 베이클라이트를 대상으로 탄성파 축소모형실험을 통하여 이방성 속도정보 파악에 그 중점을 두었다. 특히 VTI 매질에서 얻은 초동자료를 바탕으로 군속도(group velocity)와 위상속도(phase velocity)와의 관계를 살펴보았으며, 역속도(slowness)를 이용하여 qP, qS, SH-wave의 속도변화양상을 파악해 봄으로써 해당 매질에 대한 속도분포특성을 살펴보았다. 또한 횡적 등방성 매질에서의 대표적 특징중 하나인 복굴절(birefringence)에 대한 실험을 수행하였다.
대상 데이터
5에 나타내었고, Table 2에서는 등방성, 이방성, 횡파분리에 사용한 재료에 대한 기본 물성을 차례로 나타내었다. 사용된 음원은 Panametrics 사의 중심주파수가 1 MHz의 트랜스듀서 V103 (P파), V153 (S파)이고, 다층구조에서 횡적 등방성을 나타내기 위한 조건은 식 (24)와 같다.
식 (24)의 D는 지층의 두께를 나타내며 λ는 음원의 파장을 나타내는데, 퇴적층과 같이 등방성 매질들의 다층 구조는 층의 두께에 비해 상당히 큰 파장에 대해서는 횡적 등방성을 나타낸다(헌병구, 1995). 식 (24)를 만족시키기 위하여 물에서 1.5 mm의 파장을 가지고, 적층 두께가 약 0.2 mm인 베이클라이트를 선정하였다. 현장에서의 탐사 영역크기와 탄성파 축소모형실험 간에는 크기가 다르기 때문에 축소모형을 제작한 다음 지질모델의 크기, 구조 및 물성이 실제의 현장상황을 정확히 반영할 수 있어야 한다(신성렬 등, 2006).
탄성파 축소모형실험은 음원과수신기의 공간 위치, 모델의 기하학적 구조, 지질모델의 매질 등의 여러 가지 제한이 있지만 축소모형 실험에 의해서 획득한 자료는 신뢰성이 높으며 이벤트의 상대진폭(relative amplitudes)을 이용하여 매질의 특성을 파악할 수 있다(신성렬 등, 2006). 탄성파 축소모형실험에 있어 모형제작에 사용되는 통상 적인 재료는 합성수지, 금속재료, 고무재료 등이 사용되며, 본 연구에서 사용된 실험 방법을 Fig. 3과 Fig. 5에 나타내었고, Table 2에서는 등방성, 이방성, 횡파분리에 사용한 재료에 대한 기본 물성을 차례로 나타내었다. 사용된 음원은 Panametrics 사의 중심주파수가 1 MHz의 트랜스듀서 V103 (P파), V153 (S파)이고, 다층구조에서 횡적 등방성을 나타내기 위한 조건은 식 (24)와 같다.
성능/효과
본 연구에서는 탄성파 축소모형실험을 이용한 등방성 및 이방성 매질에서의 탄성파 속도정보 파악에 그 중점을 두었다. VTI 매질에서의 탄성파 거동은 등방성 매질에서와는 달리 파의 주행시간이 위상각에 따라 변화함을 확인할 수 있었다. 적층면에 대해 수평하게 분극된 파의 속도는 수직하게 분극된 파의 속도보다 크게 나타났고, 그 변화양상이 qP, qS는 서로 유사한 형태의 변화를 보였지만 SH파의 경우, 수직속도와 수평속도가 같이 나타나고, 입사각 45° 부근에서 qS파와 같은 값을 가지며 45°를 기준으로 0°와 90° 사이에서 속도가 변화함을 확인할 수 있었다.
VTI 매질의 횡적으로 적층된 단면을 균열대라고 가정하여 입사파의 분극방향이 균열대의 방향에 대해 수직적인 요소와 평행한 요소가 각각 다르게 나타남을 확인할 수 있었다.
11을 통하여 이방성성매질에서 위상각에 따른 속도 분포를 확인할 수 있다. 각 파들이 위상각에 따라 전파되면서 수평속도 및 수직속도로의 변화를 나타내고 있는데 qS파와 SH파는 수직 속도는 같이 나타나지만 수평속도가 다르게 나타나고, 속도변화의 경향 또한 상이함을 확인할 수 있었다.
일반적인 경우 임의의 지점에서 분극방향을 달리한다 하더라도 음원과 수신기 사이의 파 도달 시간은 일정하여야 하지만, TI구조에서 보이는 적층된 면에 대해서 제로오프셋을 유지하여 분극방향을 5°씩 증가시켜본 결과, Fig. 12와 같이 S파의 분리가 일어나 수직 및 수평속도가한 지점에서 동시에 나타남을 확인할 수 있었다.
VTI 매질에서의 탄성파 거동은 등방성 매질에서와는 달리 파의 주행시간이 위상각에 따라 변화함을 확인할 수 있었다. 적층면에 대해 수평하게 분극된 파의 속도는 수직하게 분극된 파의 속도보다 크게 나타났고, 그 변화양상이 qP, qS는 서로 유사한 형태의 변화를 보였지만 SH파의 경우, 수직속도와 수평속도가 같이 나타나고, 입사각 45° 부근에서 qS파와 같은 값을 가지며 45°를 기준으로 0°와 90° 사이에서 속도가 변화함을 확인할 수 있었다.
후속연구
이 연구를 통해 얻어진 기술은 향후 토모그래피와 VSP 등을 통한 복합 지층모델에 대한 탄성파 축소모형실험과 균열대 저류층 탐사기술의 발전을 위한 기초자료로 사용될 수 있을 것이라 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이방성과 균열대 양상 등을 파악해 탄성파 자료를 처리 및 해석함에 있어 이방성을 반영하는 것이 매우 중요한 이유는 무엇인가?
탄성파 탐사 중합 및 구조보정 등에 필요한 속도구조를 대부분 등방성(isotropy)이라 가정하였으나, 실제 지하구조에는 앞선 가정과는 달리 이방성(anisotropy)을 띠는 구조들이 다수 존재한다. 석유가 저류암에 축적되기 위한 여러 조건들 가운데 하나인 덮개암(cap rock)이나 근원암인 셰일지층과 파쇄 및 절리가 발달된 탄산염암에서 이방성특성을 찾아볼 수 있다.
이방성특성은 어디에서 찾아볼 수 있는가?
탄성파 탐사 중합 및 구조보정 등에 필요한 속도구조를 대부분 등방성(isotropy)이라 가정하였으나, 실제 지하구조에는 앞선 가정과는 달리 이방성(anisotropy)을 띠는 구조들이 다수 존재한다. 석유가 저류암에 축적되기 위한 여러 조건들 가운데 하나인 덮개암(cap rock)이나 근원암인 셰일지층과 파쇄 및 절리가 발달된 탄산염암에서 이방성특성을 찾아볼 수 있다. 따라서 석유나 가스 등 지하자원탐사를 위한 다성분 지표 탄성파 탐사, VSP (Vertical seismic profiling), 시추공 토모그래피 (Crosshole seismic tomography) 등의 탐사법들을 통해 이방성과 균열대 양상 등을 파악하여 이를 통해 얻은 탄성파 자료를 처리 및 해석함에 있어 이방성을 반영하는 것은 매우 중요한 부분이(Keith and Crampin, 1977).
석유나 가스 등 지하자원탐사를 위한 방법에는 무엇이 있는가?
석유가 저류암에 축적되기 위한 여러 조건들 가운데 하나인 덮개암(cap rock)이나 근원암인 셰일지층과 파쇄 및 절리가 발달된 탄산염암에서 이방성특성을 찾아볼 수 있다. 따라서 석유나 가스 등 지하자원탐사를 위한 다성분 지표 탄성파 탐사, VSP (Vertical seismic profiling), 시추공 토모그래피 (Crosshole seismic tomography) 등의 탐사법들을 통해 이방성과 균열대 양상 등을 파악하여 이를 통해 얻은 탄성파 자료를 처리 및 해석함에 있어 이방성을 반영하는 것은 매우 중요한 부분이(Keith and Crampin, 1977). 이방성에 대한 관심은 현장 자료처리 분야 뿐만 아니라 탄성파 축소모형실험을 통하여 연구가 수행되어졌으며, 국외에서 Cheadle 등(1991)은 이방성을 가지는 사방정계 결정구조의 샘플에서(Orthorhombic anisotropy) 횡파의 거동에 대해 연구하였고, Ass'ad와 Mcdonald (1992)는 등방성 매질에 미소균열을 점차 증가시켜 횡파분리 실험을 하여 균열의 정도가 이방성에 미치는 영향에 대해 연구하기도 하였다.
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