СПОСОБ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ Российский патент 1997 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к сейсмической разведке и может быть использовано для изучения тонкослоистых сложно построенных сред.

Известен способ сейсмической разведки [1] основанный на использовании интерференционных излучающих систем с взрывными импульсными излучателями, в котором с целью повышения достоверности способа в заданном диапазоне частот, определяют зависимость частотного спектра излученных колебаний от массы заряда и физической характеристики вмещающих пород, осуществляют возбуждение колебаний на базах, обеспечивающих заданную остроту направленности источника, определяемой по частотному спектру колебаний и скорости, соответствующей глубине разведки, а расстояние между единичными зарядами в пределах базы выбирают не более 1/3 длины волны, определяемой по частотному спектру излучаемых колебаний и скорости в породах, вмещающих заряды, при этом регистрацию колебаний производят в пределах частотного диапазона излучаемых колебаний.

Установлено, что с уменьшением массы заряда возрастает ширина спектра за счет увеличения интенсивности высокочастотных составляющих. Поэтому при соответствующем подборе параметров интерференционных систем с учетом спектра излученных колебаний имеется возможность определить спектр сигналов суммарного волнового поля, а используя фильтр при регистрации с параметрами излученных сигналов, сохранить частотную характеристику сигналов отраженных волн.

Однако способ не позволяет регулировать частотный диапазон записи, так как частота возбужденных волн зависит от физической характеристики пород, в которых производят взрывы.

Известен также способ сейсмической разведки [2] заключающийся в том, что путем изменения базы интерференционной системы накапливания управляют остротой направленности излучения во времени. При этом размер базы накапливания, на которой располагаются источники упругих волн, определяют, исходя из глубины залегания границы на минимальной глубине разведки, разбивают базу группирования, выбранной для границы на максимальной глубине разведки, на участки, равные глубине базы группирования, залегающей на минимальной глубине разведки, на каждом участке последовательно возбуждают упругие колебания, а в пунктах приема регистрируют отраженные волны, каждый раз начиная с момента волны от исследуемой границы, для которой участок базы группирования, на которой производят возбуждение, совместно с участком базы группирования, на котором было произведено накопление упругих колебаний, обеспечивают необходимую направленность излучения.

Такая технология работ приемлема в районах с большой мощностью границ при регистрации колебаний с импульсными источниками. При применении протяжных во времени вибрационных сигналов с широким диапазоном частот, учитывая их перемещение вдоль профиля, накопление виброграмм без учета изменения верхней части разреза и ее влияния на фазовые сдвиги приведет к ослаблению, в первую очередь, высокочастотных составляющих, снижению эффективности корреляционного анализа, появлению многофазия, что снизит временную разрешенность записи и как следствие эффективность способа. Поэтому в условиях тонкослоистого разреза необходимо изменить технологию накопления сигналов с тем, чтобы сохранить неизменными требуемую форму и спектр функции взаимной корреляции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ сейсмической разведки [3] заключающийся в возбуждении колебаний интерференционными источниками с вибрационными излучателями путем выбора частотной характеристики функции взаимной корреляции и ее длительности, перемещении излучателей вдоль профиля, регистрации колебаний с частотным фильтром и накоплении колебаний.

Сигналы таких излучателей и соответственно отраженных волн, отличаются от импульсных источников большой длительностью и определенной закономерностью изменения частотного состава во времени. Длительность таких сигналов превышает время распространения волн во всем интервале разведки и поэтому сигналы, отразившиеся от каждой границы, интерферируют практически со всеми сигналами волн, отразившихся от всех границ в среде. В результате регистрируется сложное интерференционное поле. Имеется возможность регулировать длительность и частотный состав функции взаимной корреляции (ФВК), получаемой в результате свертки излученного сигнала падающей волны и зарегистрированного сигнала. С увеличением длительности излученного сигнала и частотного состава уменьшается длительность во времени ФВК и спектр смещается в область высоких частот. Функция ФВК определяет меру статистической связи излученного и зарегистрированного сигналов. В вибрационной сейсморазведки функция ФВК рассматривается как аналог импульсного сейсмического сигнала. Так как сигналы распространяются в зашумленной геологической среде, то повсеместно отмечается несоответствие параметров излученного и зарегистрированного сигналов, что приводит к снижению достоверности способа. Сказанное обусловлено следующими причинами.

1. Влияние расхождения и затухания в среде на амплитуду и частотную характеристику сигналов.

2. Применение интерференционных источников. В процессе формирования суммарного волнового поля в связи с фазовыми сдвигами, обусловленными влиянием ЗМС и рельефом, происходят отклонения фазовой и частотной характеристик суммарного волнового поля от поля, возбужденного отдельными излучателями.

3. В многослойном разрезе верхней части среды формируется значительное количество многократных отраженных падающих волн, распространяющихся в одном направлении с падающими волнами, излученными источниками. Так как сигналы этих волн имеют большую длительность во времени и отличаются частотным спектром и по фазам смещены во времени, то в результате суперпозиции этих волн формируется суммарная интерференционная падающая волна, отличающаяся амплитудным и частотным спектром от аналогичных параметром излученного сигнала. Эти параметры унаследуются сигналами отраженных волн, что влияет на эффективность применения корреляционного анализа.

4. Так как длительность излученного сигнала больше интервала времени регистрации отраженных волн от разведуемых границ, то отраженные волны от каждой границы, учитывая длительность излучения, интерферируют практически со всеми этими волнами (однократно и многократно отраженными и другими), распространяющимися в среде. С увеличением длительности сигнала возрастают интерференционные процессы, вызванные многократными волнами. В условиях большой зашумленности падает разрешающая способность корреляционного анализа, по выделению волн в зонах интерференции, что проявляется в значительных искажениях функции ФВК (возрастают корреляционные шумы, увеличивается длительность ФВК).

5. Искажения ФВК происходят также в процессе регистрации колебаний и их накоплении, в обоих случаях применяют интерференционные системы, обладающие свойством направленности, зависящей от их параметров и скорости в среде. Параметры интерференционных систем регистрации (группирование приборов), рассчитывают, исходя из частотного состава сигналов и скорости их распространения. При этом, как правило, используют спектр зарегистрированного сигнала и скорость распространения волн, под которой понимают среднюю скорость. Например, в учебнике Гурвич И.И. Сейсморазведка (изд. 3 М. Недра, 1975, с. 175) при рассмотрении группирования сейсмоприемников отмечается: ". Волны распространяются в среде со скоростью V." Такая запись воспринимается как средняя скорость. В то же время, основным параметром интерференционной системы является направленность, оцениваемая относительно длины волны. А длина сейсмической волны, распространяющейся в многослойной, с различными значениями пластовых скоростей среде, изменяется при переходе из пласта в пласт. В общем виде, длина падающей волны возрастает с глубиной, так как увеличивается пластовая скорость пород, а у отраженной волны, распространяющейся к поверхности земли, наоборот длина волны уменьшается, так как уменьшается пластовая скорость пород. Поэтому при длительном во времени излучении сигнала с изменяющейся частотой, требуется иной подход к определению частоты сигнала для расчета параметров систем. При накоплении колебаний, наряду с параметрами интерференционной системы накопления, искажения вносятся также изменением времени пробега за счет изменчивости ЗМС и рельефа.

Отсюда следует, что для обеспечения высокой временной разрешенности записи необходимо внести изменения в технологию расчета параметров интерференционных систем возбуждения, регистрации и накопления колебаний с тем, чтобы обеспечить сохранение неизменными параметрами ФВК, при которых волны, отразившиеся от двух близко расположенных границ, не будут интерферировать между собой.

Цель изобретения повышение достоверности способа за счет увеличения разрешенности записи во времени.

Поставленная цель достигается тем, что в способе сейсмической разведки, включающем возбуждение упругих колебаний интерференционными источниками с вибрационными излучателями, путем выбора частотной характеристики функции взаимной корреляции (ФВК) и ее длительности, перемещение излучателей вдоль профиля, регистрацию колебаний с частотным фильтром площадной группой сейсмоприемников и накопление колебаний, частотную характеристику функции взаимной корреляции выбирают соответствующей частотной характеристике среды в разведываемом диапазоне глубин, а длительность функций выбирают не превышающей разности времен регистрации отраженных волн от близко расположенных границ тонкослоистого разреза, шаг перемещений излучателей определяют исходя из наиболее высокочастотной составляющей функции взаимной корреляции так, чтобы разность фаз регистрируемых волн не превышала 1/3 периода высокочастотной составляющей, параметры площадных групп сейсмоприемников определяют, исходя из наибольшей частоты излученного сигнала и пластовой скорости в области регистрации колебаний, параметры частотного фильтра определяют по спектру излученных сигналов для регистрации отраженных волн с равномерным амплитудным спектром в пределах частотного диапазона излученных сигналов, накопление колебаний осуществляют по общему пункту регистрации по импульсным коррелограммам с вводом статических поправок и изменяющейся во времени длиной базы накапливания в соответствии с частотной характеристикой функции взаимной корреляции и скоростной характеристикой среды на уровне разведываемых границ.

В известных авторам источниках патентной и научно-технической информации не описан способ сейсморазведки, позволяющий обеспечить достаточную временную разрешенность записи при производстве работ вибрационными источниками. При этом под термином "достаточная временная разрешенность" понимается условие, при котором отраженные волны от двух близко расположенных границ (например Г₁ и Г₂) не интерферируют между собой. Это условие выполняется, если длительность сигналов по времени Δτ замеренная на уровне 0,2-0,3 амплитуды наиболее энергетически выраженного экстремума (0,2-0,3 А_мак), меньше разности времен регистрации волн, отразившихся от границ t₀₂-t₀₁, т.е. Dt (на уровне 0,2-0,3 А_мак)<t₀₂-t₀₁. При соблюдении этого условия, наряду с отсутствием интерференции, сигналы этих волн будут, как минимум, в 3 раза превышать интерференционный фон, обусловленный несинфазно суммируемыми сигналами, и динамически хорошо опозноваться на записи.

Предложенная технология сейсморазведочных работ основана на согласовании всех используемых интерференционных систем возбуждения и регистрации колебаний по необходимой частоте сейсмических сигналов и их длительности, что позволяет повысить разрешенность записи во времени. Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявленном техническом решении "изобретательского уровня".

Способ осуществляется следующим образом.

1. Подбирают частотный диапазон и длительность излученного сигнала, при которых после корреляционного анализа функция ФВК будет иметь требуемую частотную характеристику и длительность во времени. Учет частотной характеристики среды сводится к определению частотного диапазона сигнала, при котором обеспечивается наименьшая потеря энергии высокочастотных составляющих спектра, а экстремум спектра ФВК должен соответствовать частотной характеристике интервала среды, подлежащего разведке. Подбор параметров излученного сигнала осуществляется путем моделирования ФВК при различных частотных диапазонах и длительности излученного сигнала. Возможно составление программ на ЭВМ и палеток для отдельных геологических провинций с адекватными сейсмогеологическими условиями. При этом, учитывая существенное влияние геологической среды на затухание волн, используют широкий частотный диапазон (низкие, средние и высокие частоты), что позволяет снизить динамические различия спектра ФВК и соответственно сократить его длительность во времени. Желательно иметь возможность изменять мощность излученного сигнала в зависимости от частоты, для компенсации неравномерного затухания волн. После определения одного или нескольких вариантов параметров излученного сигнала, определяют параметры интерференционного источника: число излучателей, расстояние между ними и длину базы возбуждения, при которых на требуемой глубине будет сформировано суммарное волновое поле с сигналами, соответствующими амплитудной и частотной характеристике излученных сигналов, и с максимально возможной интенсивностью, необходимой для регистрации динамически выраженных отраженных волн и получения функции ФВК с требуемыми параметрами. При этом используют наибольшее значение частоты излученного сигнала и скорость в среде на уровне минимально необходимой глубины разведки.

2. Затем определяют параметры второй интерференционной системы накопления, осуществляемой в процессе перемещения с определенным шагом группы источников упругих волн вдоль профиля. Шаг перемещения источников определяется на основании частотной характеристики функции ФВК и ее длительности с соблюдением условия, чтобы разность времен регистрации волн не превышала 1/3 периода колебаний наиболее высокочастотной составляющей спектра излученного сигнала. Соблюдение этого условия обеспечит идентичность функции ФВК по спектру и длительности.

3. Определение параметров площадных (прямолинейных) групп приборов регистрации. В этом случае диаграмма направленности описывается функцией, представляющей собой произведение диаграмм направленности по двум линиям распределения приборов X и Y. Если система группирования симметрична, то адекватны диаграммы по осям X и Y. Тогда диаграмма направленности всей группы соответствует квадрату диаграммы по одной из осей. Очевидно, что такая диаграмма направленности имеет достаточно высокую остроту направленности. Так как сейсмоприемники регистрируют возбужденное упругое поле, то основным условием выбора параметров площадных групп сейсмоприемников: расстояние между ними и длины базы регистрации, является обеспечение синфазного суммирования сигналов (без искажений) во всем частотном диапазоне излучения сигналов, т.е. разность фаз регистрации полезных волн не должна в пределах базы превышать 1/3 периода колебаний наиболее высокочастотной составляющей спектра излученного сигнала, а длина базы регистрации оценивается по длине волны, определенной, исходя из наибольшей частоты излученного сигнала и скорости среды в области регистрации колебаний.

4. Особенностью геологической среды является значительное изменение скоростей распространения волн с глубиной. В связи с этим изменяется с глубиной направленность интерференционного источника колебаний. Если при возбуждении колебаний невозможно управлять по глубине остротой направленности источника, то при реализации интерференционных систем накопления имеется возможность, путем увеличения длины базы накопления, управлять направленностью источника, компенсируя увеличение скорости распространения волн. Однако в условиях тонкослоистого разреза и высоких значений скоростей, вносятся существенные искажения в связи с искажениями, вносимых верхней частью разреза. К тому же, необходимо учесть, что накопление продолжительных во времени сейсмических сигналов требует более высокой точности расчета статических параметров. Поэтому для снижения влияния среды на эффект накопления предусматривается виброграммы, зарегистрированные от каждого воздействия, преобразовать в коррелограммы (в импульсные записи в виде ФВК), после чего вводятся статические поправки, для компенсации искажений верхней части разреза, и осуществляют накопление сейсмических записей по общему пункту регистрации с изменяющейся во времени длиной базы накапливания. Параметры длины базы накапливания и шаг перемещения баз возбуждения (перемещения излучателей вдоль профиля) определяются, исходя из частотной характеристики ФВК, ее длительности и скоростной характеристики среды до каждого интервала разведки.

5. Регистрацию колебаний осуществляют с частотным фильтром, характеристика которого соответствует частотному спектру излученных сигналов. При этом основной задачей такой регистрации является получение сигналов отраженных волн с равномерным амплитудным спектром.

Рассмотрим пример. Исходными данными для расчета параметров являются прогнозные характеристики геологического разреза: строение среды, мощность отложений, скорость упругих волн, диапазон изменения углов наклона границ, сейсмогеологическая характеристика отражающих границ, допустимый частотный диапазон, структура волнового поля: типы волн, динамическая и частотная характеристика.

Основной задачей методики работ является обеспечение надежности выделения на записи и трассирование по площади осадочных отложений небольшой мощности минимальное время распространения волн, между кровлей и подошвой пласта. Предположим разность времен регистрации отраженных волн от кровли и подошвы пласта составляет 100 мс. Для исключения интерференции этих волн необходимо, чтобы длительность сигнала не превышала 50 мс. Сейсмический сигнал, как правило, двухфазный. Поэтому период должен быть не более 20 мс, соответственно частотный состав сигнала составит 50 Гц. Таким образом, частота функций ФВК, рассматриваемой как импульсный сигнал, должна быть также 50 Гц, а длительность не более 50 мс. В районе предполагаются интенсивные поверхностные волны с средней частотой не более 25 Гц. Отсюда следует: для ослабления поверхностных волн нижний уровень частоты должен быть максимально широкий. Примем частотный диапазон свип-сигнала 30-100 Гц. Из-за сильной изменчивости глубины залегания разведуемых границ от сотен метров, до нескольких километров длительность свип-сигнала будет изменяться от 2 до 4 с.

Интерференционный источник будет состоять из 5 вибраторов. Район работ характеризуется пологим залеганием границ и поэтому излучение колебаний будет одновременное. Размер максимальной допустимой базы расположения источников, при минимальной глубине залегания первой границы 120 м определится по палетке, скорость в среде 2000 м/с. Из расчета следует, что она не может превышать 120 м.

Расстояние между источниками должно обеспечить синфазное суммирование частотных составляющих спектра с периодом 10 мс, что достигается при скорости 2000 м/с в среде при расстоянии между излучателями не более 12,5 м. Отсюда база возбуждения составит 50 м.

Шаг перемещения источников по профилю не должен превышать расстояние между излучателями, принимается 12,5 м.

Параметры площадных групп сейсмоприемников определяются, исходя из частоты 100 Гц. Для конкретных условий составят 10 м вдоль профиля и 10,5 м перпендикулярно профилю. На перпендикулярных линиях размещаются приборы в количестве 8 штук на расстоянии 1,5 м, всего площадь группы составляет 105 м², число приборов 24.

Накопление коррелограмм осуществляется путем изменения длины базы во времени от 50 м на времени до 0,3 с до 150 м на времени 2 с и более.

Для ослабления низкочастотных волн-помех регистрация осуществляется с применением частотного фильтра ФВЧ-30 Гц.

Таким образом, используя в качестве исходных данных длительность и частотный спектр функции ФВК, при которых исключается возможность интерференции волн от близко расположенных границ тонкослоистого разреза, и подбирая соответствующие параметры интерференционных систем возбуждения накопления и регистрации колебаний, частотный спектр и длительность возбужденного сигнала и частотный фильтр регистрации, можно обеспечить решение задачи изучения тонкослоистых геологических сред сейсмическим методом разведки с применением вибрационных излучателей.

Использование: для увеличения разрешения записи во времени при изучении тонкослоистых, сложно построенных геологических разрезов. Сущность изобретения: возбуждают упругие колебания интерференционными источниками с вибрационными излучателями, перемещают их вдоль профиля, регистрируют колебания площадной группой сейсмоприемников с частотным фильтром, шаг перемещения излучателей определяют, исходя из наиболее высокочастотной составляющей функции взаимной корреляции, так, чтобы разность фаз регистрируемых волн не превышала 1/3 периода высокочастотной составляющей. Параметры площадных групп сейсмоприемников определяют, исходя из наибольшей частоты излученного сигнала и пластовой скорости в области регистрации колебаний.

Способ сейсмической разведки, включающий возбуждение упругих колебаний интерференционными источниками с вибрационными излучателями путем выбора частотной характеристики функции взаимной корреляции и ее длительности, перемещение излучателей вдоль профиля, регистрацию колебаний с частотным фильтром площадной группы сейсмоприемников и накопление колебаний, отличающийся тем, что частотную характеристику функции взаимной корреляции выбирают соответствующей частотной характеристике среды в разведываемом диапазоне глубин, а длительность функции выбирают не превышающей разности времен регистрации отраженных волн от близко расположенных границ тонкослоистого разреза, шаг перемещения излучателей определяют, исходя из наиболее высокочастотной составляющей функции взаимной корреляции, так, чтобы разность фаз регистрируемых волн не превышала одну треть периода высокочастотной составляющей, параметры площадных групп сейсмоприемников определяют, исходя из наибольшей частоты излученного сигнала и пластовой скорости в области регистрации колебаний, параметры частотного фильтра определяют по спектру излученных сигналов для регистрации отраженных волн с равномерным амплитудным спектром в пределах частотного диапазона излученных сигналов, накопление колебаний осуществляют по общему пункту регистрации по импульсным коррелограммам с вводом статических поправок и изменяющейся по времени длиной базы накапливания в соответствии с частотной характеристикой функции взаимной корреляции и скоростной характеристикой среды на уровне разведываемых границ.