Предметом настоящего изобретения является главным образом разведка нефти и газа, в частности сейсмические способы и процессы разведки (запасов полезных ископаемых) с использованием поперечных волн, отраженных от поверхности анизотропных слоев.
Все более важной задачей становится поиск и разработка запасов метана. Для осуществления этой задачи необходимы технические средства, которые до проведения бурения могут способствовать идентификации угольных пластов, их толщины, литологии, структуры и распределения в них трещин. Перед проведением бурения разведочное бурение и другие геологические исследования могут позволить получить такую информацию в специфических локальных местоположениях; однако зона концессии часто простирается за границы местоположений имеющихся в наличии разведочных и керновых скважин. Кроме того, потенциал быстрого бокового изменения указанных параметров угольных пластов приводит к тому, что эти условные (конвенционные) данные могут быть слишком редко распределены, чтобы обеспечить адекватную картину угольных запасов концессии (См. Henson, Jr., Н. и J. L. Sexton, "Предварительное, до проведения бурения изучение мелких угольных пластов с использованием имеющих высокую разрешающую способность сейсмических отраженных методов", Geophysics, 56, (9), pp. 1494 - 1503, 1991).
Сейсмическое перекрытие может играть важную роль в открытии локальных деталей. Сейсмические данные волн сжатия уже используются в горнодобывающей промышленности для получения информации о наличии пластов, их толщине, геометриях и структуре для того, чтобы направлять последующую деятельность по бурению (См. Gochioco, L. М. и S. A. Gotten, "Локализация разломов в подземных угольных шахтах при использовании имеющих высокую разрешающую способность сейсмических отраженных методов", Geophysics, 54, (12), pp. 1521 - 1527, 1989; Gochioco, L. M. "Эффект настройки (приглушения) и интерференционные отражения от тонких угольных слоев и пластов", Geophysics, 56, (8), pp. 1288 - 1295, 1991; и Gochioco, L. M. " Модельные исследования интерференционных отражений в тонкослойных средах, заключенных в угольных пластах", Geophysics, 57, (9), pp. 1209 - 1216, 1992; Poole, G., G. Duncan, L. Leung " Смещенные вертикальные сейсмические профилирующие изыскания для разведки угля", SEG 1991 Ехр. Abс. pp. 562-563; и Urosevic, M., В. J. Evans, и P. J. Hatherly, "Приложения 3-D сейсмических методов к обнаружению тонких разломов в угольных пластах", SEG 1992 Ехр. Abс. pp. 254 - 256). Часто при разработке месторождений ставится задача избежать проходки угольного пласта с высокой степенью трещиноватости и кливажа, чтобы свести к минимуму просачивание метана угольного пласта в шахту и повысить таким образом безопасность работы в длинном забое. Напротив, выход метана угольного пласта через скважину повышен при высокой степени трещиноватости и кливажа (См. Ting, F. Т. С., "Происхождение и размещение кливажа в угольных пластах", Journal of Pressure Vessel Technology, pp. 624-626, 1977; Ayoub, J., L. Colson, D. Johnston, J. Levine, "Как получать метан угольного пласта", Oilfield Review, pp. 27-40, 1991); Gash, B. W., "Измерение свойств "горных пород" угля при получении метана угольного пласта", SPE 22909, 1991, pp. 221-230; и Gash, В. W., R.F. Volz, и J. M. Corgan, "Эффекты ориентации кливажа и ограничивающего давления, оказываемые на пористость кливажа, проницаемость и относительную проницаемость угля", Proceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium. May 17-21, 1993, pp. 247-255.). Так как наличие кливажа и трещиноватости желательно, то инструменты (средства), которые могут их идентифицировать дистанционно до проведения бурения, могут повысить потенциал оптимального экономического развития ресурсов метана угольных пластов.
Уже разработаны методы использования поперечных волн для идентификации образования трещин и "лакомых кусочков" с трещинами (См. Thomsen., L., "Отражательная сейсмология через азимутально- анизотропную среду", Geophysics, 53, (3), pp. 304 - 313, 1988; и Alford, R. M., "Данные поперечных волн при наличии азимутальной анизотропии", SEG Convention Expanded Abstracts, pp. 476 - 479, 1986); известно также и применение методов поперечных волн (См. Mueller, M. С. , "Предсказание боковой вариабильности интенсивности разломов с использованием мультикомпонентной поверхностной сейсмики поперечных волн как предшественника горизонтального бурения", Geoph. J. Intl.. 107, (3), pp. 387 - 408, 1991) авторами настоящего изобретения для фрактурированных карбонатов и обломочных пород.
Основные возможности расширения использования указанных оригинальных технологий связаны с тремя свойствами углей, а именно:
их тонкослойным характером (относительно типичной сейсмической длины волны);
их чрезвычайно низкими акустическими импедансами (что позволяет получать коэффициенты отражения, которые могут превышать в пять раз коэффициенты для обычных осадочных последовательностей), и
с тем фактом, что в зонах интенсивного образования трещин этот импеданс уменьшается еще значительнее для волн, которые являются чувствительными к разломам.
Указанные три характеристики комбинируются в том случае, когда угольные пласты расположены вертикально друг над другом в последовательности, несущей уголь (CBS), так что при этом межслойное умножение может приводить к крайне деструктивной интерференции угольных отражателей, что делает невозможной интерпретацию сейсмических амплитуд в CBS (См. Pietsch, К. и R. Slusarczyk, "Применение сейсмики с высокой разрешающей способностью на угольных шахтах Польши", Geophysics, 57, (1), pp. 171 -180, 1992; Gochioco, L. М., "Эффект настройки (приглушения) и интерференционные отражения от тонких угольных слоев и пластов", Geophysics, 56, (8), pp. 1288 - 1295, 1991; и Gochioco, L. M. , " Модельные исследования интерференционных отражений в тонкослойных средах, заключенных в угольных пластах", Geophysics. 57, (9), pp. 1209 - 1216, 1992). Поэтому любое расширение классической техники с использованием вращения (ротации) и амплитуды поперечных волн может быть приспособлено для соответствия этим сейсмическим задачам.
Более того, теория анизотропии, вызванной растрескиванием, хорошо развита только для специального случая единственного набора круговых трещин. Эта теория анизотропии, вызванной растрескиванием для случая единственного набора круговых трещин, что наиболее часто обсуждается в литературе, дана Хадсоном (См. Hudson, J. А., "Полные свойства твердых веществ с трещинами", Math Proc. Camb. Phil. Soc.. 88, р. 371, 1980). Томсен (См. Thomsen, L., 'Упругая анизотропия, вызванная выровненными (идущими параллельно) трещинами в пористой породе", Eur. Assoc. Expl. Geoph. Convention Abstrs.. 53, pp. 244 - 245, (1991); Geoph. Prospctng., pp. -, 1995)) показал, что если трещины имеются в пористой породе (в отличие от твердого тела), то эта пористость способствует анизотропии, даже если (по определению) и нет преимущественной ориентации. Это происходит потому, что имеется уравновешивание давления жидкости на сейсмических частотах между жидкостью в трещинах и порах. Этот общий случай был подтвержден экспериментально Ратором и др. (см. Rathore, J. S., Fjaer, E., Holct, R.M., Renlie, L., "Акустическая анизоропия синтетического песчаника с контролируемой геометрией трещин", Geoph. Prospctng., pp.-, 1995).
Таким образом, имеющееся в настоящее время понимание создаваемой трещинами анизотропии является совершенно неадекватным и требуется его расширение по меньшей мере на случай ортогональных наборов трещин, которые являются длинными (горизонтальными) и короткими (вертикальными).
Можно полагать, что прямое обнаружение (детектирование) фрактурированных зон является более предпочтительным, чем косвенное детектирование. Введение в предмет прямого детектирования азимутальной анизотропии за счет анализа направлений поляризации сейсмических поперечных волн дано Томсенем (См. Thomsen, L. , "Отражательная сейсмология через азимутально- анизотропную среду" Geophysics. 51, (3), pp. 304 - 313, 1988; и ссылки, содержащиеся в этой публикации). Косвенное обнаружение трещин (например, путем локализации с использованием традиционных методов Р-волны, ближайших субповерхностных структур, в предположении, что они могут вызывать образование трещин) является по своей природе менее удовлетворительным. Само собой разумеется, что прямое обнаружение зависит от обнаружения азимутальной анизотропии, вызванной трещинами. Однако прямое обнаружение азимутальной анизотропии с использованием Р-волн исторически не было успешным на других разломах (например, в Austin Chalk); поэтому отсутствует оптимизм относительно успешности применения такого метода в контексте CBS.
Так как большинство горных пород является азимутально- анизотропными, то тогда, как правило, распространяющиеся вертикально поперечные волны не должны распространяться с поляризацией, задаваемой источником излучения. Вместо этого они вертикально расщепляются (разлагаются) на две распространяющиеся вертикально волны, которые поляризованы взаимно ортогонально (с хорошей степенью приближения), причем волны идут с различными скоростями. Как правило, ни одна из этих волн не поляризована поперечно (cross-line) или продольно (in-line); скорее обе эти волны поляризованы в специальных направлениях, которые определяются горной породой, а не источником излучения. (Специалисты в данной области знают, что волны "SH" и "SV" редко встречаются в природе; они присутствуют в основном в учебниках !).
В самом простом случае (когда азимутальная анизотропия вызвана единственным набором вертикальных трещин или кливажом изотропной в другом отношении матрицы), два специальных направления поляризации вертикально распространяющейся волны являются направлениями вдоль трещин и перпендикулярно им. Само собой разумеется, что оба эти направления поперечны лучу (ориентировочно), причем каждая волна распространяется с различной скоростью, поэтому поперечная волна расщепляется. Анизотропия (то есть разность скоростей в зависимости от направления, от направления поляризации в данном случае) может быть определена как:
(то есть как относительная разность между распространяющимися вертикально волнами, которые поляризованы параллельно 
и перпендикулярно (┴) имеющимся разломам (трещинам)). Так как 
больше, чем V┴, то величина γ является положительной. Это утверждение совпадает с данными Томсена (См. Thomsen, L. , " Слабоупругая анизотропия", Geophysics, 51, (10), pp. 1954 - 1966, 1986).
Две волны идут вниз независимо друг от друга, отражаются от некоторых границ перехода (которые предполагаются здесь горизонтальными) и возвращаются на поверхность, где обе эти волны могут быть зарегистрированы (записаны). Как правило, приемник поляризованной поперечно волны может регистрировать обе волны; это же справедливо и для приемника волны, поляризованной параллельно. Как правило, источник излучения может быть ориентирован как продольно, так и поперечно; ориентация источника излучения влияет только на относительное возбуждение двух мод, которое зависит от тригонометрических факторов векторного разложения.
Традиционное применение мультиисточника/мультиприемника (MS/MR) (с источниками излучения с поперечной и продольной поляризацией и с приемниками излучения с поперечной и продольной поляризацией) приводит к получению четырех следов (трасс), которые содержат 2 на 2 тензор S с зависящими от времени компонентами. Если выбрать в качестве направления продольной поляризации направление "х" (что представляется естественным, так как обычно имеют поперечные сечения х-у), а в качестве направления поперечной поляризации направление "у", то после введения соответствующих коэффициентов принятым образом (х-У)=(1,2) получаем след с источником продольной поляризации, который обозначен как s11 (t). В этом случае след поперечной поляризации соответствует s22 (t), а следы несогласованных источника и приемника s12 (t) и s21 (t) лежат по диагонали.
Как правило, если задержка между двумя поперечными модами не является пренебрежимо малой, но однако меньшей длительности сейсмического импульса, то в таком случае сложные виды интерференции (между двумя модами) случаются на каждой из указанных четырех трасс (следов), что делает затруднительной их идентификацию. Однако в специальном случае, когда источник стоит по оси с одним из двух специальных направлений в горной породе, возбуждается только одна волна. Например, если источник с продольной поляризацией параллелен "быстрому" направлению, то будет возбуждаться только одна "быстрая" мода; в этом случае она будет регистрироваться приемником с продольной поляризацией, в то время как на рассогласованный приемник сигнал не поступает. Другая мода возбуждена только источником с поперечной поляризацией и принимается только приемником с поперечной поляризацией.
В связи с тем, что набор четырех наблюдаемых следов sij (который обычно невозможно интерпретировать) является тензором, то его можно вращать при помощи операции вращения (ротации) тензора, для получения новых осей координат, которые совмещены со специальными направлениями в горной породе, аналогично указанному выше. Альфорд (См. Alford, R. М., "Поперечные данные при наличии азимутальной анизотропии", SEG Convention Expanded Abstracts, pp. 476 - 479, (1986); и патенты США No. 4, 817, 061; 4, 803, 666; 5, 029, 146 и 4, 903, 244) показал, что при помощи использования техники вращения MS/MR, которая теперь носит его имя, имеется возможность осуществления вычислений (исходя из четырех неинтерпретируемых следов):
* один "быстрый" след (обозначенный как 22 на фиг. 1), который регистрирует поперечную волну, на которую трещины не оказали воздействия ( в простейшем случае одного набора вертикальных, параллельных трещин);
* один "медленный" след (обозначенный как 11 на фиг. 1), который регистрирует поперечную волну, на которую трещины оказывают сильное воздействие;
* два следа (обозначенные 12 и 21 на фиг. 1), которые являются приблизительно нулевыми.
Томсен (См. Thomson, L., "Отражательная сейсмология через азимутально-анизотропную среду", Geophysics. 53, (3), pp. 304 - 313, 1988) обосновал способ вращения вектора. Томсен дал развитие базового способа Альфорда и обосновал альтернативный процесс, в котором используется только одна поляризация источника (то есть используется техника единственный источник/мультиприемник, SS/MR; см. также патенты США No. 4,888,743 и 4,933,913).
При использовании этих методов ротации (вращения) предполагается, что имеется только единственная ориентация анизотропной оси по всей глубине до рефлектора (с возможным исключением немногих тонких слоев). При таком условии поперечные моды расщепляются только один раз. Предполагается вертикальное распространение, которое обычно применимо к случаю накопленных следов (трасс). Это требует применения дополнительного предположения, что такая накопленная трасса является соответствующей аппроксимацией падающей вертикально трассы с уменьшенным шумом. Условия, при которых это может соответствовать действительности, не до конца ясны.
Тем не менее, Уиллис (См. Willis, H. A., Rethford, G. L., Bielanski, E., "Азимутальная анизотропия - появление и воздействие на качество данных поперечной волны", SEG 1986 Exp. Abs., р. 479, 1986) показал, что обычно имеется возможность нахождения единственного угла вращения θ (который не является переменным по глубине), с неопределенностью ± 10o или около того, для получения указанного выше результата. Обычно полученный состоящий из четырех компонентов комплект данных (то есть источники с продольной и поперечной поляризацией/приемники с продольной и поперечной поляризацией) вращают на различные углы вращения (например, на 15o, 30o, 45o, 60o, 75o и т. д.), причем этот угол выбирают так, чтобы он наилучшим образом минимизировал смещенные от диагонали компоненты после вращения. Предпочтительными являются автоматизированные процедуры, однако это не является необходимым на практике.
Результирующие (то есть после вращения) две диагональные трассы ("основные" трассы) затем легко могут быть интерпретированы как следы Р-волны (то есть они обычно имеют хорошую отражательную непрерывность, даже на больших глубинах). В сочетании с хорошими данными Р-волны это позволяет осуществить классическую программу для поперечных волн (например, дискриминацию литологии, интерпретацию ярких точек и т. п.). Кроме того, сравнение между двумя трассами обычно позволяет выявить небольшую, переменную по времени задержку между соответствующими рефлекторами. Увеличение задержки в грубом интервале позволяет измерять усредненную анизотропию в этом грубом интервале, а следовательно, и производить измерение образования трещин в этом интервале.
Таким образом, можно сказать, что после вращения любая диагональная трасса позволяет заглянуть за разломы, чтобы построить изображение структур и использовать поперечные данные для осуществления "классических задач". С другой стороны, разность между двумя диагональными трассами позволяет посмотреть перед разломами. Эта разность (возрастание времени задержки между соответствующими рефлекторами) позволяет произвести измерение анизотропии (а следовательно, и разломов), которые обязательно имеют плохую пространственную разрешающую способность.
На фиг. 1 показано, как такой метод может работать в очень толстых (70 см) угольных пластах; вмещающая порода является изотропной, γ = 10%, а линия наблюдения перпендикулярна трещинам в угле. Это, само собой разумеется, нереалистичная геометрия, однако пример иллюстрирует использованный ранее принцип (См. Martin, М. и Т. Davis, "Двупреломление поперечных волн: новое средство оценки резервуаров с трещинами", The Leading Edge, 6, (10), pp. 22 - 28, 1987) для идентификации анизотропии в грубых слоях. Первое событие отражения (у.25 с) отмечает вершину угольного слоя; оно происходит в одно и то же время на обеих основных линиях трасс 11 и 22, так как эти лучи лежат полностью в покровных обломочных отложениях (которые здесь предполагаются изотропными). Второе событие (отражение от основания толстого угольного пласта) происходит слегка раньше на "быстрой" трассе 22, указывая, что угольный пласт является азимутально-анизотропным. Само собой разумеется, что время задержки в мс зависит от произведения средней (усредненной) анизотропии и толщины слоя (в мс); то же самое справедливо в тонкослойных последовательностях, которые будут обсуждаться далее. Во многих применениях анизотропия намного меньше, чем использованная в связанных с фиг. 1 вычислениях, поэтому соответствующая вертикальная разрешающая способность намного хуже.
Томсен (См. Thomsen, L, "Отражательная сейсмология через азимутально-анизотропную среду". Geophysics, 51, (3), pp. 304 - 313, 1988) предположил, что разность нормально падающих амплитуд расщепленных поперечных волн является средством с высокой степенью разрешающей способности для оценки скачка (резкого изменения) анизотропии (и, следовательно, разностей интенсивности разлома) у отражающего горизонта. Предположение Томсона было развито, несмотря на хорошо известную нереалистичность амплитуд (в противоположность временам прихода), так как общий успех методов с использованием времени распространения доказал (при помощи "вращения"), что амплитуды различных компонентов в самом деле имеют значение в связи одна с другой, хотя ни одна абсолютная амплитуда не имеет самостоятельного значения. Предположение Томсона было подтверждено Мюэллером (См. Mueller, М. С., "Предсказание боковой вариабильности интенсивности разломов с использованием мультикомпонентной поверхностной сейсмики поперечных волн как предшественника горизонтального бурения", Gеoph. J. Intl. 107, (3), pp. 387 - 408, 1991), который нашел, что в центральном Техасе (США) в Austin Chalk включения породы с высокой интенсивностью разломов были идентифицированы как темные пятна на малополяризованном сечении.
Предположение Томсона в его простейшей форме базируется на отражательности для нормально падающих поперечных волн. Если рассматривать вертикально - фрактурированную отражающую породу (нижний индекс 2) лежащей под нефрактурированной породой падения (наклона) (нижний индекс 1), то коэффициент отражения для быстрой моды (поляризованной 
трещинам) может быть определен как:
На поперечную скорость 
(быстрой поперечной волны, поляризованной параллельно трещинам) трещины не влияют; следовательно, для примера Austin Chalk, 
является большим числом, чем V1, скорость покровной сланцевой глины. В этом контексте также р2>р1. Следовательно, по подтверждению Мюэллера (См. Mueller, M. С., "Предсказание боковой вариабильности интенсивности разломов с использованием мультикомпонентной поверхностной сейсмики поперечных волн как предшественника горизонтального бурения", Geoph. J. Intl., 107 (3), pp. 387 - 408, 1991), 
представляет собой большое (отрицательное) число. Минус в выражении (2) возникает благодаря соглашению о знаке поперечных перемещений (См. также Aki, R. и P.G. Richards, "Количественная сейсмология: теория и методы", W. H. Freeman & Co., San Francisco, 1980).
Аналогично коэффициент отражения для медленной моды (поляризованной ┴ трещинам) может быть определен как:
где γ представляет собой анизотропию поперечной волны. Поперечная скорость V
так как трещины и, следовательно, V
равно приблизительно 5%, то тогда R┴ приблизительно равно нулю (то есть уменьшение ориентировочно на 100%). Результирующие "тусклые (туманные) пятна" в медленном (┴) сечении идентифицируют согласно Мюэллеру, "лакомые кусочки (sweet spots)" интенсивного образования трещин, что было в дальнейшем подтверждено горизонтальным бурением.
Следует отметить, что тонкие угольные пласты, заключенные в обломочные осадочные породы, представляют собой специальную ситуацию, которую никто ранее не анализировал. Для этого случая ни метод времени распространения, ни метод амплитуды отражения не являются полностью удовлетворительными. Метод времени распространения разочаровывает, так как тонкослойная геометрия часто приводит к усложненным интерференциям между имеющими малую задержку реверберациями в пределах последовательности угольного пласта, так что, за исключением некоторых аномальных CBS, ни верхнее, ни нижнее отражения не являются четкими. Следовательно, накопленное время задержки при прохождении через последовательность не может быть измерено с достаточной степенью надежности. Метод амплитуды отражения не приводит к успеху по причине тонкослойной геометрии, а также потому, что среди прочего нефрактурированная скорость резервуара для угля меньше, чем поперечная скорость породы кровли.
Следовательно, существует необходимость в создании сейсмического средства (метода) обнаружения зон с увеличенной азимутальной анизотропией (и, следовательно, с увеличенным образованием трещин) для тонкослойных угольных последовательностей, заключенных и впластованных в более быстрые осадочные обломочные породы. Это средство должно быть независимым от деталей тонкослойной геометрии и не должно полагаться на четко определенные отражения от толстых угольных пластов. Более того, этот метод должен позволять распознавать комплексную природу коды внутренних многократных отражений в последовательности угольных слоев.
Основной задачей настоящего изобретения является создание процесса и способа использования записи поверхностно отраженных поперечных волн от несущей уголь последовательности (CBS).
Другой задачей настоящего изобретения является создание процесса и способа использования анизотропных свойств несущей уголь последовательности (CBS) для идентификации зон естественного разлома.
Еще одной задачей настоящего изобретения является идентификация параметра, который может быть использован для оценки анизотропии CBS, и который является чувствительным к количеству (объему) анизотропии в угле, а также является чувствительным к фракции анизотропного материала в пределах последовательности угольного пласта, и который является чувствительным к толщине анизотропных слоев, причем этот параметр практически не зависит от деталей геометрии.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание процесса и способа идентификации и описания трещин (разломов) в нижнем горизонте в общем случае и sweet spots при разведочных работах метана угольных пластов, в частности.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа компенсации анизотропии в покровных отложениях CBS.
Еще одной специфической задачей настоящего изобретения является показ того, как свойства углей и геометрии их залегания в несущей уголь последовательности воздействуют на запись поперечной волны, и как модель этих записей ведет к процессу компенсации анизотропии в покровных отложениях несущей уголь последовательности для обнаружения и оценки местоположения кливажа.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ обработки отраженных от поверхности данных через имеющие переменную толщину азимутально-анизотропные слои земли. В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения способ предусматривает операции получения стека (пакета) данных поперечной волны от комплекта мультиисточников и мультиприемников; вращение каждого следа стека данных поперечной волны на единственный угол, соответствующий разности ориентации стека данных и направлению азимутальной анизотропии в самом мелком слое; локализации вертикальной вариации в направлении анизотропии в самом мелком слое; измерения степени азимутальной анизотропии в самом мелком слое; осуществление удаления (stripping) слоя стека данных для получения основных временных серий (последовательностей) от самого мелкого слоя, причем удаление слоя предусматривает операцию корректировки трасс с медленной поляризацией стека данных и смешивание трасс поляризации стека данных для азимутальной анизотропии; повторение этих операций для слоя, лежащего под самым мелким слоем; и вращение образованного таким образом набора данных на единственный угол, который соответствует разности в направлении азимутальной анизотропии подстилающего слоя и в направлении азимутальной анизотропии самого мелкого слоя, для идентификации основных направлений азимутальной анизотропии в подстилающем слое.
В соответствии с частным вариантом настоящего изобретения процесс удаления слоя включает в себя операции идентификации компонентов данных, совмещенных с направлением поляризации медленной поперечной волны, компонентов данных, совмещенных с направлением поляризации быстрой поперечной волны, и рассогласованных компонентов данных, которые не совмещены ни с направлением поляризации медленной поперечной волны, ни с направлением поляризации быстрой поперечной волны, определения кажущихся временных задержек между трассами быстрой поперечной волны и трассами медленной поперечной волны, определения направлений естественной поляризации трасс быстрой поперечной волны и трасс медленной поперечной волны, приложения статистического сдвига к компонентам данных, которые совмещены с направлением поляризации медленной поперечной волны, приложения половины указанного статистического сдвига к компонентам данных, которые не совмещены ни с направлением поляризации медленной поперечной волны, ни с направлением поляризации быстрой поперечной волны, для корректировки азимутальной анизотропии в покровном отложении; и приглушение компонентов комплекта данных для временных промежутков меньших, чем основание слоя (меньших времени прохождения до основания слоя).
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ измерения или оценки анизотропии в нижнем горизонте, таком, как последовательность угольных пластов. В соответствии с особым видом осуществления настоящего изобретения способ предусматривает следующие операции: получение мультикомпонентного комплекта данных для отраженной от поверхности сейсмической поперечной волны, при ее прохождении через последовательность угольного пласта; вращение на определенный угол по азимуту, который определен самой мелкой глубиной, где указаны изменения поляризации над угольным пластом, всех данных указанного комплекта данных, которые лежат ниже самой мелкой глубины, где указаны изменения поляризации, для установления основного направления анизотропии угольного пласта; вращение, ориентировочно на 45o, в сторону от основного направления анизотропии угольного пласта, всех данных комплекта данных, которые лежат ниже самой мелкой глубины, где указаны изменения поляризации; и измерение среднего значения амплитуды ореола (оболочки) по меньшей мере для одной из смешанных/несогласованных трасс поляризации данных после поворота.
В соответствии с частным вариантом настоящего изобретения предлагается способ измерения анизотропии в углистой последовательности. Указанный способ предусматривает следующие операции: удаление слоев, где указаны изменения поляризации, путем приложения статистического сдвига к компонентам, совмещенным с направлением поляризации медленной поперечной волны, и путем приложения половины указанного статистического сдвига к компонентам, которые не совмещены ни с направлением поляризации медленной поперечной волны, ни с направлением поляризации быстрой поперечной волны; и вращение комплекта данных основных временных серий на единственный угол, который соответствует разности в направлении азимутальной анизотропии самого мелкого слоя и в направлении азимутальной анизотропии последующего слоя. После этого процесс в соответствии с настоящим изобретением может включать в себя дополнительные операции измерения амплитуды оболочки трассы быстрой поляризации; вращение, ориентировочно на 45o, в сторону от основного направления анизотропии угольного пласта, всех данных комплекта данных; измерение амплитуды оболочки (ореола) по меньшей мере для одной из смешанных/несогласованных трасс поляризации данных после поворота; и получение отношения средней амплитуды ореола (оболочки) трассы быстрой поляризации к амплитуде ореола смешанной/несогласованной трассы поляризации.
Ситуация, которая рассматривается в соответствии с настоящим изобретением (то есть наличие тонкого угольного пласта, заключенного в осадочные обломочные породы), отличается от известных ранее двух способов (то есть способа времени распространения и способа амплитуды отражения) и является их усовершенствованием. Способ с измерением времени распространения не является полностью удовлетворительным, так как тонкослойная геометрия часто приводит к сложным видам интерференции между реверберациями с малыми задержками ("peg-leg multiples" (кратная отраженная волна "деревянная нога-протез") в пределах последовательности угольного пласта, так что в принципе нельзя получить четкое отражение ни от верхней, ни от нижней части пласта (хотя отражение и может быть четким для некоторых аномальных CBS). Следовательно, накопленная временная задержка через последовательность не может быть измерена надежно. Способ с использованием амплитуды отражения не может быть применен по причине тонкослойной геометрии, а также потому, что в данном случае скорость нефрактурированного резервуара для угля меньше, чем для породы кровли. Кроме того, в выражении (2) р2<p1, так что 
является большим и положительным. Для ┴ поляризации значение V┴ даже меньше, так что величина R┴ даже больше, чем 
Таким образом, фрактурированные sweet spots приводят скорее к ярким пятнам на медленном ┴ - сечении, чем к тусклым пятнам. Кроме того, так как нефрактурированный (то есть внутренний) коэффициент отражения является таким большим (
на фиг. 1 составляет около 50%), то малое значение γ не изменяет амплитуды заметным образом, но только количественно. Этот эффект виден на фиг. 1, где верхний рефлектор имеет очень похожие амплитуды для обеих поляризаций.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг. 1 показан пример данных, состоящих из четырех частей, полученных при помощи мультиисточника/мультиприемника (MS/MR), для угольного пласта с трещинами, находящегося в изотропной вмещающей породе.
На фиг. 2 показана геометрия последовательности угольного слоя для модели Narellan.
На фиг. 3 показан пример данных, состоящих из четырех частей, полученных вдоль основных осей анизотропии в угольном пласте для модели Narellan фиг. 2.
На фиг. 4 показан пример данных, состоящих из четырех частей, полученных вдоль линии под углом 45o к направлению основного разлома в угольном пласте для модели Narellan фиг. 2.
На фиг. 5 приведена кривая калибровки CBS характеристики для представляющей особый интерес зоны.
На фиг. 6 показана геометрия последовательности угольного слоя для модели Silesian.
На фиг. 7 показан пример данных, состоящих из четырех частей, полученных вдоль линии под углом 45o к направлению основного разлома в угольном пласте для модели Silesian фиг. 6.
На фиг. 8 показана геометрия последовательности угольного слоя для модели San Juan.
На фиг. 9 показан пример данных, состоящих из четырех частей, полученных вдоль линии под углом 45o к направлению основного разлома в угольном пласте для модели San Juan фиг. 8.
На фиг. 10 показаны имеющие нулевое смещение отраженные синтетические данные, вычисленные для модели Narellan фиг. 2, со слабоанизотропным покровным слоем, имеющим трещины, которые ориентированы под углом 30o к трещинам угля.
На фиг. 11 и 12 показаны результаты вращения исходных данных фиг. 10 соответственно на 20o и на 30o по отношению к исходной системе координат.
На фиг. 13 показаны данные фиг. 12 после компенсации на покровные отложения.
На фиг. 14 показан результат вращения следа фиг. 13 для нахождения основных осей анизотропии в угле.
На фиг. 15 показан результат осуществления канонического вращения на 45o по отношению к данным фиг. 14, для получения параметра Ra.
На фиг. 16А, 16В и 16С показаны исходные данные, оптимально повернутые данные и очищенные данные, повернутые на 45o.
Несмотря на то, что настоящее изобретение может быть осуществлено в самых различных формах, на фигурах показан только один конкретный вариант его осуществления, который описан далее подробно. Однако следует иметь в виду, что настоящее описание дано только в качестве примера осуществления изобретения, не имеющего ограничительного характера.
Обратимся к рассмотрению фиг. 2, на которой показана геометрия угольных пластов в виде 40 угольных пластов в местоположении керновой скважины Narellan в Новом Южном Уэльсе (Австралия). Самый верхний пласт залегает на глубине 3000 футов под слоями сланцевой глины и песчаника. Другие места в этом угольном бассейне и другие представляющие интерес места добычи угля (например, San Juan в Силезии) имеют другую геометрию угольных пластов (см. фиг. 6 и 8).
Для поперечной линии MS/MR в направлении, перпендикулярном к основному набору трещин в последовательности угольного пласта (CBS) фиг. 2, результирующий, состоящий из четырех частей комплект данных, показан (только для вертикального распространения!) на фиг. 3. Для изотропных покровных отложений взята γ = 20%, причем ось Х направлена перпендикулярно трещинам в углу. Отражение быстрой трассы поляризации 22 от верхних участков последовательности угольного пласта (около 0,5 с) продолжено в виде усложненной коды ревербераций в пределах последовательности угольного пласта, при отсутствии четкого отражения от основания последовательности. В пределах CBS имеются усложненные реверберации, однако все они имеют одинаковую поляризацию в этом контексте. Отражение медленной трассы поляризации 11 поступает в это же самое время (так как в данной модели покровные отложения изотропные) и также продолжено в виде усложненной коды (отличающейся своими деталями). Обе несогласованные трассы 12 и 21 являются нулевыми в этих указанных выше специфических обстоятельствах получения информации. Если бы трещин не было совсем, то все трассы были бы аналогичными, вне зависимости от направления линии, причем две показанные трассы были бы скорее идентичными, чем похожими.
Аналогичное получение данных вдоль линии под углом 45o к основному простиранию трещин показано на фиг. 4. Следы in line/in line (параллельная поляризация) 11 содержат вклады как от быстрой, так и от медленной моды, причем сигнал по структуре еще более сложный, чем для фиг. 3. То же самое справедливо и для следов cross-line/cross-line (поперечная поляризация) 22. При наблюдении невооруженным глазом наиболее заметное отличие между фиг. 3 и 4 состоит в наличии мощного сигнала на несогласованных трассах, который сопоставим с полной амплитудой сигналов на диагональных трассах. Это происходит потому, что как быстрая, так и медленная мода реверберируют в пределах последовательности угольного пласта, однако их различные скорости приводят реверберации к сдвигу по фазе между ними. По причине не совпадающих по фазе реверберации компоненты несогласованного вектора автоматически не гасят друг друга, что приводит к получению мощного результирующего сигнала. Для этой ориентации линии обе моды имеют векторы поляризации с компонентами как с параллельной, так и с поперечной поляризацией, так что обе моды имеют несогласованные следы.
В другом контексте Альфорд (См. Alford, R. М., "Данные поперечных волн при наличии азимутальной анизотропии", SEG Convention Expanded Abstracts, pp. 476 - 479, 1986) указал, что существенная энергия на несогласованных трассах комплекта данных MS/MR является чувствительным индикатором азимутальной анизотропии. В случае Альфорда указанная анизотропия была в покровных отложениях. В данном случае покровные отложения являются изотропными: указанная анизотропия находится внутри последовательности угольного пласта. Из этого следует, что значение энергии на этих несогласованных трассах может служить мерой степени анизотропии в последовательности, а следовательно, может быть использована для измерения интенсивности разлома.
Само собой разумеется, что нет необходимости в действительности получать указанные данные вдоль линии под углом 45o к (первоначально неизвестному) простиранию трещины. Можно получать такую информацию вдоль любой удобной линии и затем вращать ее в цифровом виде для нахождения угла, который имеет наилучшую аппроксимацию с фиг. 3. При помощи такой процедуры можно определить направление простирания трещины относительно координат карты. Последующее вращение на 45o дает эквивалент фиг. 4, где амплитуда несогласованных трасс может быть использована для измерения интенсивности разлома. Можно ожидать, что интенсивность разлома будет изменяться от одного места к другому, так что эта амплитуда служит мерой измерения или диагностики для прямого исследования фрактурированных sweet spots. В частности, можно заявить, что амплитуда ореола (оболочки) несогласованных трасс 12 или 21 (при угле 45o) служит хорошим интегральным средством измерения усредненной анизотропии (и толщины) углей в последовательности. Эта несогласованная трасса является прямой функцией различия между основными трассами 11 и 22 (см. фиг. 3), полученными вдоль основных осей анизотропии. При отсутствии азимутальной анизотропии основные трассы должны быть идентичными, а несогласованная трасса при ориентации 45o должна быть нулевой. Для получения безразмерной меры средней CBS анизотропии амплитуда оболочки несогласованной трассы А12 (45o) или А21 (45o), которая полностью зависит от наличия азимутальной анизотропии (см. фиг. 4), нормализована амплитудой оболочки быстрой трассы А22 (0o), проложенной при оптимальной ориентации (которая полностью независима от такой анизотропии, однако зависит от тонкослойной геометрии и пр.):
Само собой разумеется, что усреднение амплитуд проводят в окне CBS. Каким бы широким ни было Ra, интерпретация должна быть такой, чтобы она отображала включение породы высокой анизотропии (а следовательно, и интенсивного образования трещин), или отображала толщину угля, или оба эти параметра.
Моделирование результатов
Применение сейсмики поперечных волн к обнаружению разломов в угольных пластах представляет собой новую адаптацию технологии расщепленной поперечной волны. Несмотря на то, что описанный выше метод основан на физических принципах, проверенных в поле, цифровое моделирование может дать некоторое дополнительное понимание интенсивности эффекта и его связей с плотностью разломов в углях, а также с возможными дисторсиями, вызванными покровными отложениями.
В последующем обсуждении отражения синтетической поперечной волны получены для последовательности угольных пластов, типичных для бассейнов Sydney, Silesian и San Juan. Модели были получены исходя из существующих звуковых каротажей и каротажей плотности. Хотя каротажи и дают геометрию последовательности, а также плотности и скорости вертикальных Р- и S-волн, при их помощи намного труднее получить количественную оценку параметров системы трещин в углях. Сквозные трещины (широкий кливаж), которые в основном обеспечивают проницаемость угольных пластов, являются слишком широкими, чтобы их можно было оценивать путем измерения образцов керна, так что свойства разломов, которые используют при моделировании, должны быть специально установлены.
При моделировании принимают, что анизотропия в углях вызвана единственной системой параллельных вертикальных трещин, которые имеют одинаковую ориентацию во всех угольных пластах. Усложнения, вызванные второй системой кливажа, которая обычно присутствует в углях, могут игнорироваться. Далее исследуются результаты такого предположения.
Другим эффектом, которым пренебрегают при моделировании, является горизонтальное расслоение (стратификация), которое ведет (при отсутствии трещин) к получению эффективной поперечно-изотропной среды с вертикальной осью симметрии (Вертикальная Поперечная Изотропия или VTI) на сейсмических частотах. Наличием VTI можно на законных основаниях пренебречь для распространяющихся вертикально поперечных волн, однако VTI может стать важной при косом падении.
В большинстве примеров поверхностные отложения моделируются как изотропный однородный слой. Однако рассматривается и модель с азимутально-анизотропными поверхностными отложениями (хотя и с другой ориентацией) и предлагаются средства корректировки влияния таких поверхностных отложений на отражения поперечной волны.
Хорошо известно, что единственный набор трещин в чисто изотропной матрице делает среду поперечно изотропной, с осью симметрии, перпендикулярной к плоскостям трещин. В данном случае вертикальных трещин ось симметрии является горизонтальной (Горизонтальная Поперечная Изотропия или НTI). Гомогенная (однородная) поперечно изотропная среда может быть полностью описана при помощи ее плотности и пяти параметров упругости, введенных Томсеном (См. Thomsen, L., "Слабоупругая анизотропия", Geophysics, 51, (10), pp. 1954 - 1966, 1986):
* скорости Vpo (для Р-волн) и Vso (для S-волн) в направлении оси симметрии (горизонтальной в данном случае); и
* трех безразмерных коэффициентов анизотропии (ε, δ, γ).
Скорости и амплитуды поперечных волн, которые распространяются вертикально, в этом контексте зависят главным образом от двух параметров: скорости S-волны (Vso) и параметра анизотропии γ, который определяет степень поперечного расщепления при вертикальном падении (см. выражение 1). Следует отметить, что при аппроксимации упругой плоской волной другие три параметра совершенно не воздействуют на распространяющиеся вертикально S-волны. Для более реалистичного случая излучения от точечного источника отношение Vpo/Vso и коэффициенты ε и δ влияют на амплитуды поперечной волны за счет формы поверхностей замедления (slowness); тем не менее эти эффекты могут рассматриваться как имеющие второстепенное значение. Поэтому степень анизотропии в углях может быть характеризована параметром γ (при этом фаза "анизотропия 20% " означает, что γ = 0,2 и т. д.) В приложении А показано, что γ пропорциональна значению плотности трещин.
Следующие параметры были использованы для вмещающей породы и угля во всех моделях:
вмещающая порода (песчаник): Vp=4,5 км/с, Vs=2,65 км/с, р=2,37 г/см3;
изотропный уголь: Vp=2,3 км/с, Vs= 1,045 км/с, р=1,39 г/см3;
анизотропный уголь: Vpо=2,3 км/с, Vsо=883 км/с, р=1,39 г/см3 γ = 0,2; ε = 0; δ = 0,16.
Моделирование производилось с использованием кода полной волны, базируясь на методе отражения (См. Garmany, J, "Некоторые свойства эластодинамических собственных решений в слоистой среде", Geoph. J.R.A.S., 78, pp. 565 - 569, 1983). Этот код позволяет вычислять отклик отражения (включая все возможные многократно отраженные сейсмические волны и конверсии) для реалистического точечного источника, расположенного у свободного пространства. Обсуждаемые далее результаты отображают отражения с нулевым сдвигом от точки горизонтальной силы с различными ориентациями. Использован сейсмический импульс источника Ormsby с угловыми частотами 10, 20, 90 и 120 Гц. Отражения на фиг. 1 имеют форму, близкую к форме импульса источника. Точность программы отражения была проверена прогоном кода с конечными элементами для одной из моделей. Оказалось, что результаты двух методов очень близки, чем проверяется (что подтверждает) точность предлагаемых методов.
Последующее обсуждение в основном сфокусировано на модели Narellan (фиг. 2), которая отображает геометрию угольных пластов в одном из мест проходки керновой скважины в бассейне Sydney. Такое моделирование приводит к следующим заключениям:
1. Параметр Ra является чувствительным к степени анизотропии в последовательности угольных пластов. При обращении к модели Narellan (фиг. 2) и сохранении неизменными геометрии модели и параметров матрицы была изменена степень анизотропии (и соответственно плотность трещин) в угольных пластах. Для малой и умеренной степеней анизотропии параметр Ra виртуально пропорционален анизотропии γ и достигает значения 23% для γ = 0,15. Хотя для более высокой степени анизотропии кривая начинает уплощаться, можно полагать, что Ra остается достаточно чувствительным для оценки анизотропии (в наиболее важном диапазоне γ от 0 до 25%), так что он остается операционно полезным средством измерения анизотропии. Нет никаких сомнений, что для γ > (0,1-0,15) значение Ra превышает уровень шума и может быть надежно измерено в полевых условиях.
2. Параметр Ra является достаточно чувствительным к количеству анизотропии в углу, к фракции анизотропного материала в последовательности угольных пластов и к толщине анизотропных слоев, однако он практически не зависит от деталей геометрии (то есть от положения угольных пластов) в последовательности угольных пластов. Характер интерференции многократно отраженных сейсмических волн определяется не только упругими параметрами углей, но также и геометрией модели. Если угольные слои являются очень тонкими в сравнении с доминирующей длиной волны и расположены очень близко друг к другу, то последовательность ведет себя как один гомогенный (однородный) слой с эффективными параметрами, которые определяются усредненными упругими параметрами индивидуальных слоев, независимо от деталей пространственного размещения. Однако этот предел "длинной длины волны" не достигается в моделях, которые здесь рассматриваются.
ПРИМЕР 1
Для проверки чувствительности параметра Ra к деталям расположения слоев каждый угольный пласт в модели Narellan (фиг. 2) был перемещен на 1 м вверх или вниз (случайным образом), без изменения толщины слоев и их параметров упругости. Хотя форма каждого волнового цуга и изменилась, параметр Ra остался примерно таким же (в пределах 4%). Поэтому можно сказать, что параметр Ra как единица измерения анизотропии практически не зависит от любых деталей CBS геометрии.
ПРИМЕР 2
При проведении другого испытания толщина всех угольных пластов (в модели Narellan с γ = 0,2) была увеличена на 20%. Параметр Ra для новой модели возрос на 40,5% в сравнении с 28,3% для исходной модели. Это не удивительно, так как увеличение фракции анизотропного материала ведет к большим временам задержки между быстрыми и медленными модами, ревербирирующими с CBS. В результате амплитуда рассогласованной трассы по линии 45o становится выше (несмотря на то, что зависимость Ra от фракции анизотропного угля может не быть гладкой).
Существует большая вероятность того, что количество анизотропии может варьировать для различных угольных пластов в пределах CBS. Влияние таких вариаций было проверено принятием γ = 5% для всех нечетных слоев в модели Narellan (если считать сверху, то для слоев 1, 3, 5,...), и принятием γ = 20% для всех четных слоев (2, 4, 6,...). Значение Ra для такой модели оказалось равным 11%, что намного ближе к результату для однородной 5% анизотропии (Ra= 8,7%), чем для однородной 20% анизотропии (Ra=28,3%). Это может быть объяснено доминирующим влиянием первых трех угольных пластов (в особенности первого пласта, пласта Вulli) на максимальную амплитуду несогласованной трассы. В принципе возможно уточнить предложенный метод путем вычисления параметра Ra в подвижном временном окне для получения зависящей только от толщины (слоя) степени анизотропии.
3. Предложенная техника может быть применена и к другим зонам. Было проведено исследование моделей, которые отображают геометрию угольного пласта, которая была ранее определена каротажами скважин в Польше в Силезском (Silesian) бассейне, в бассейне San. Juan в Колорадо и New Mexico. Покровные отложения в обеих моделях предполагались изотропными; для сравнения анизотропия S-волны в углях предполагалась равной 20%.
Запись поперечной волны для модели Silesian (фиг. 6 и 7) очень похожа на запись для модели Narellan (см. фиг. 2), причем параметр Ra близок к 30%. Основной вклад несогласованных компонентов проистекает от нескольких угольных пластов вблизи от вершины.
Модель San Juan (фиг. 8 и 9) несколько отличается от первых двух моделей. Она содержит несколько относительно толстых угольных пластов, которые вызывают низкочастотные отражения в виде "коды" волнового цуга. По причине больших временных задержек (сдвигов) между быстрой и медленной модами в этих толстых слоях вклад несогласованной компоненты относительно высок. Параметр Ra достигает 47% в сравнении с Ra=28,3% для модели Narellan, при такой же степени анизотропии в угольных пластах. Максимальная энергия несогласованной трассы генерируется отражениями от самых толстых угольных пластов. Это результат подтверждает наблюдение, по которому значение Ra зависит не только от степени анизотропии, но также и от фракции анизотропного материала в пределах CBS. Вероятно лучше всего при осуществлении количественной работы построить кривую калибровки, аналогичную фиг. 5, для получения характеристики CBS любой конкретной области залегания.
4. Влияние анизотропии покровных отложений может быть скорректировано. Во всех приведенных примерах покровные отложения предполагались изотропными. Однако по причине повсеместности азимутальной анизотропии верхней корки (См. Willis, H. A., Rethford, G. L., Bielanski, Е., "Азимутальная анизотропия - появление и воздействие на качество данных поперечной волны", SEG 1986 Exp. Abs., p. 479, 1986) имеется вероятность того, что слой обломочной породы над CBS может быть также слегка фрактурирован, причем направление таких трещин может отличаться от направления кливажа в углях. Наличие азимутальной анизотропии в покровных отложениях может значительно исказить запись поперечной волны для CBS, что требует отдельного обсуждения.
Для начала было проведено вычисление отражений с нулевых сдвигом (фиг. 10) для модели Narellan (фиг. 2), однако при наличии слабой анизотропии покровных отложений. Параметр γ для покровных отложений равен 0,02, что в десять раз меньше, чем для угольных пластов (γ = 0,2). Несмотря на то, что анизотропия покровных отложений мала, накопленное время задержки (начиная с верхнего угольного слоя) значительно (составляет около 10 мc), так как толщина велика.
В этом примере направление трещин в покровных отложениях смещено на угол 30o относительно направления кливажа в угле. Синтетические данные фиг. 10 получены вдоль основных осей анизотропии в углу (ось х перпендикулярна кливажу) аналогично фиг. 3. Однако несогласованные трассы имеют мощный сигнал во временном окне CBS, чего не было на аналогичных трассах фиг. 3, которые были вычислены для модели без анизотропии над CBS. Ясно, что это являлось проблемой для предшествующего анализа.
Если покровные отложения являются анизотропными, то падающая S -волна расщепляется на быструю и медленную моды, поляризованные параллельно и перпендикулярно (относительно) трещинам в покровных отложениях. В верхней части самого верхнего угольного слоя обе моды вновь расщепляются, на этот раз на компоненты, поляризованные параллельно и перпендикулярно трещинам (кливажу) в углу (угольном пласте). Указанные четыре моды реверберируют в пределах CBS, создавая peg-leg ("костыльные") многократно отраженные сейсмические волны, и вновь расщепляются (на их обратном пути к поверхности) у основания покровных отложений. В результате получают весьма усложненные волновые поля, которые отражают влияние трещин не только в углу, но также и в покровных отложениях.
Указанная картина в значительной степени упрощается, если трещины в углу и в покровных отложениях имеют одинаковую ориентацию. В таком случае каждая из расщепленных S-волн в покровных отложениях генерирует только одну S-волну в углу (которая имеет такую же поляризацию), при этом влияние покровных отложений ограничивается только дополнительным временем задержки. Однако дополнительное время задержки приводит к появлению ненулевого сигнала на несогласованных трассах даже в том случае, когда CBS анизотропна, так как две волны не совпадают по фазе друг с другом. Следовательно, простая процедура, описанная ранее, не может быть использована без снятия (очистки) верхнего слоя анизотропии. Конечный результат этого анализа состоит в том, чтобы принять в расчет азимутальную анизотропию покровных отложений. В последующем обсуждении будет показано, что более общий случай при различной ориентации трещин в покровных отложениях и CBS не представляет особенно больших сложностей. Так как указанный процесс снятия слоя находит широкое применение даже вне контекста CBS, то он будет обсужден отдельно в следующем разделе.
В целом данное моделирование показывает, что сейсмическая запись/параметр Ra, которые предложены для диагностики фрактурированных sweet spots, в самом деле служат хорошим интегральным средством оценки анизотропии в последовательностях угольных пластов. Не являясь чувствительной к любой тонкой детали геометрии CBS, запись сильно зависит не только от степени анизотропии в угольных пластах, но и от фракции анизотропного материала в пределах CBS.
Моделирование изменяющихся вертикально направлений анизотропии
В публикации Винтерштейна и Мидоуз ( См. Winterstein, D.F. и М. А. Meadows, "Поляризации поперечной волны и направления напряжений в нижнем горизонте в поле Lost Hills", Geophysics, 56, pp. 1331 -1348, 1991) и в патентах США No. 5, 060, 203 и 5, 060, 204 предложена техника снятия ("очистки") слоя как путь поиска ориентации переменных по толщине трещин в VSP с нулевым смещением. Эти авторы полагают, что их техника VSP равным образом применима и в контексте поверхностного отражения, однако они не дают примеров. Авторы указывают, что для данных поверхностного отражения отношения сигнал/шум меньше; при этом, если горизонты, в которых анизотропия изменяет направление, не точно совпадают с мощными рефлекторами, то это приводит к нарушению условий применения техники и, следовательно, к потери точности.
Хотя оба эти утверждения и являются правильными, точное совпадение (между горизонтами изменения анизотропии и рефлекторами) не требуется, так как временной сдвиг между двумя расщепленными модами нарастает постепенно по мере распространения (то есть сдвиг не происходит скачком на горизонте, где есть изменение анизотропии). Более того, недавние эксперименты ( См. М. С. Mueller, "Интерпретация каротажа дипольной поперечной анизотропии в установке зон доверия", SEG Expanded Abstracts, pp __, 1995) с каротажем дипольной поперечной анизотропии показали, что горизонты изменений анизотропии могут слабо коррелировать с образованием границ, даже для методов исследования с разрешающей способностью у или ниже шкалы залегания. Такой опыт внушает оптимизм по поводу того, что неточное совпадение обычно не является проблемой. Аналогично нашли, что не представляют серьезной проблемы отношения сигнал/шум для данных поверхностного отражения (См. Т.А. Chaimov, G. J. Beaudoin, W. W. Haggard and M.C. Mueller " Анизотропия поперечной волны и предсказуемость метана угольного пласта", SEG Expanded Abstracts, pp __, 1995), а также приведенные полевые данные).
Дальнейший вклад в исследование сделан Винтерштейном и Мидоуз, которые отмечают, что вращение Альфорда предполагает, что две несогласованные трассы являются идентичными (в пределах, задаваемых шумом), причем направление вертикально переменной анизотропии нарушает такую симметрию в контексте VSP. Однако в контексте отражения (при истинном вертикальном распространении) несогласованные трассы являются идентичными (за исключением шума) по теореме взаимности (касающейся возможности взаимной замены положения источника и приемника) как при вертикальной вариации направления анизотропии, так и без нее. Это обычно соблюдается на практике, хотя обычно при такой работе используют скорее накопленные (расположенные друг над другом) трассы, чем истинные вертикальные трассы.
Обратимся теперь к методу в соответствии с настоящим изобретением, в котором аналогично Винтерштейну и Мидоуз предполагается, что основные направления азимутальной анизотропии являются постоянными по толщине на базисе грубого слоя. Такого ограничения нет по величине анизотропии, которая определена (См. Thomsen, L., "Отражательная сейсмология через азимутально анизотропную среду", Geophysics, 53, (3), pp. 304 - 313, 1988) как:
и может быть как гладкой, так и быстрой, а также собственно 
В данном случае 
представляет собой скорость распространяющейся вертикально поперечной моды, поляризованной параллельно "быстрому" основному направлению (то есть трещинам), а V┴ представляет собой скорость распространяющейся вертикально поперечной моды, поляризованной перпендикулярно "быстрому" основному направлению. Следует иметь в виду, что если γ велика (>10%) и элементы упругой симметрии породы не содержат горизонтальной плоскости симметрии, то тогда приложение следующих аргументов является скорее приблизительным, чем точным.
По предшествующим работам можно сделать вывод о том, что накопленная трасса может рассматриваться как точный суррогат (замена) трассы нормального падения, хотя условия, при которых это справедливо, не совсем ясны. Последующие результаты моделирования даны для вертикального распространения в среде с симметрией вертикально вариабельной HTI (горизонтальной поперечной изотропии).
Решение заключается в снятии (очистке) влияния анизотропии в верхнем слое от данных отраженной поперечной волны. Авторы нашли, что обработка более общей модели с различными ориентациями трещин в покровных отложениях и в CBS не представляет большей сложности, чем обработка более простой модели, которая обсуждалась ранее.
Снятие отражающего слоя мультикомпонентных данных
Основной целью снятия слоя является трансформация трасс отражения, полученных при записи, в новый комплект трасс, которые соответствуют чисто изотропному слою над CBS. Таким образом, из данных исключаются только эффекты анизотропии. В контексте сейсмической записи/параметра Ra, основная задача сводится к устранению влияния поверхностных отложений и к получению параметра Ra (см. выражение 4), который характеризует анизотропию внутри CBS. Следует иметь в виду, что процесс снятия отражающего слоя в соответствии с настоящим изобретением может быть использован и в других контекстах, поэтому его (этот процесс) не следует считать ограниченным случаем оценки Ra. Этот процесс имеет широкое применение для множества осадочных контекстов, не обязательно в терминах CBS модели; как указывалось ранее, угольные платы усиливают эффект анизотропии поверхностных отложений. В некотором смысле этот процесс является усовершенствованием (в контексте отражения) так называемой техники снятия поляризационного слоя, которая была предложена Винтерштейном и Мидоуз как путь выявления переменной по толщине ориентации трещин для VSP с нулевым смещением. Полагая, что вертикальная вариация основных направлений анизотропии является общей, можно считать, что предлагаемая здесь техника полезна для исследования фрактурированных sweet spots (например, метана в угольном пласте и газа в плотных породах).
Предлагаемый процесс реализуют на базисе источник - слой, то есть предполагая, вслед за Винтерштейном и Мидоуз, что направление анизотропии (хотя и не обязательно ее значение) сохраняет постоянство в пределах угольных пластов. Правдоподобность такого предположения главным образом связана с крайним случаем анизотропии, который лежит в поле местного напряжения. Успешное осуществление процесса является подтверждением его действенности на практике. Вслед за Винтерштейном и Мидоуз были использованы одинаковые критерии для определения верхних и нижних участков тех грубых слоев, которые должны быть достаточно толстыми, чтобы создавать значительные временные задержки (между двумя поперечными модами). На практике это оказалось несложной проблемой, хотя при этом и требуется предложить определенную интерпретацию, как ранее указывалось Винтерштейном и Мидоуз.
Первой операцией является нахождение основных направлений анизотропии в поверхностных отложениях путем осуществления вращения MS/MR комплекта данных фиг. 10. Обычно вращение данных четырехкомпонентного поля производят через каждые 10o или 15o, чтобы выбрать угол, который минимизирует энергию на несогласованной трассе. На фиг. 12 и 13 показаны результаты вращения исходных данных соответственно на 20o и на 30o по отношению к начальной системе координат. Несогласованный компонент отражения от самого верхнего угольного пласта (то есть самый первый по приходу и самый мощный) полностью исчезает при угле вращения 30o (фиг. 12). Видно, что вращение на 20o (фиг. 11) является недостаточным. При вращении на 30o происходит трансформация данных последовательности по основным осям покровных отложений, в результате чего определяется ориентация анизотропии в покровных отложениях (само собой разумеется, что исходные данные могут быть получены при любом угле). Следует напомнить, что быстрое направление углей (в угольном пласте) было ориентировано на север и юг, а быстрое направление в покровных отложениях ориентировано на N30E.
Несогласованные компоненты первого поступления не исчезают полностью на фиг. 2 из-за влияния отражения от основания первого угольного пласта и из-за эффектов слабой связи между быстрой и медленной модами у верхнего участка CBS. Однако основные направления анизотропии в покровных отложениях легко могут быть определены при помощи полученных данных после вращения вслед за этой процедурой. Разность между временем прихода медленной и быстрой трасс 11 и 22 фиг. 12 создает временной сдвиг 10 мс между быстрой и медленной модами отражения в покровных отложениях. Эту разность трудно различить невооруженным глазом, но она легко может быть определена при кросс-корреляции.
Наличие ревербераций/сигнала в пределах временного окна CBS на несогласованных трассах фиг. 12 представляет собой анизотропный эффект, вызванный различием в ориентации трещин как в CBS, так и в покровных отложениях. Для его определения следует исключить влияние анизотропии в покровных отложениях на данные, показанные на фиг. 12.
Задачей процесса снятия слоя является трансформация (преобразование) трасс отражения, полученных по основным осям анизотропии в покровных отложениях (фиг. 12), в другой комплект трасс, который соответствовал бы наличию чисто изотропного слоя над CBS. В связи с этим после установления границы основания самого верхнего грубого слоя (с однородным направлением анизотропии, но со случайными вариациями величины анизотропии и импеданса), следующей операцией является временное (по времени) выравнивание трассы медленной моды 11 и отражений быстрой моды 22, при отражении от основания (то есть от верхнего участка CBS), которое осуществляют перемещением трассы медленной моды 11 вверх на 10 мс. Однако несогласованные трассы 12 и 21 перемещают только на половину этой величины (на 5 мс), так как каждая из них прошла половину пути (то есть вниз) только как медленная мода, а другую половину пути - как быстрая мода. Трасса быстрой моды 22 совсем не сдвигается; результирующие трассы показаны на фиг. 13. При помощи этой процедуры устраняются временные задержки, вызванные анизотропией в покровных отложениях. Различия в ослаблении и в геометрическом распространении между двумя поперечными модами в покровных отложениях предполагаются пренебрежимо малыми. Это предположение подтверждено применением в полевых условиях алгоритма снятия слоя (детальное обсуждение одного примера будет дано позже).
Специалисты в данной области поймут, что специальная обработка, которой подвергаются несогласованные трассы в течение всего одной операции, служит отличительной чертой настоящего процесса снятия слоя при отражении в отличие от VSP процесса снятия слоя, предложенного Винтерштейном и Мидоуз (См. Winterstein, D. F. и М. A. Meadows, "Поляризации поперечной волны и направления напряжений в нижнем горизонте в поле Lost Hills", Geophysics, 56, pp. 1331 -1348, 1991; и патенты США No. 5,060,203 и 5,060,204). Идентичная обработка трех задержанных трасс при помощи процесса, предложенного Винтерштейном и Мидоуз, не приводит к получению правильных результатов.
После проведения коррекций осуществляют следующую операцию. В частности, комплект данных фиг. 13 обрабатывается так, как будто он был получен при чисто изотропных покровных отражениях. При помощи вращения тензора трасс фиг. 13 (в данном случае на 30o) находят основные оси анизотропии в углу (см. фиг. 14). Отсутствие энергии на несогласованном компоненте подтверждает правильность осуществления процедуры снятия слоя. Нулевые амплитуды на несогласованной трассе также говорят нам о том, что связь между двумя поперечными модами в ходе отражения/передачи у верхнего участка CBS является очень слабой.
Трассы, показанные на фиг. 14, соответствуют той же самой координатной системе, что и исходные данные фиг. 10; различие между двумя графиками полностью вызвано снятием слоя, который делает трассы более легко интерпретируемыми в терминах анизотропии угольного пласта. Само собой разумеется, что кроме педагогической точки зрения, нет ничего специального в ориентации, показанной на фиг. 10; в частности, для осуществления настоящей процедуры не требуется предварительное знание относительно анизотропии, геометрии слоя и т. п.
Наконец, может быть осуществлено каноническое вращение на 45o (фиг. 15) для получения параметра Ra, который является глобальной мерой (единицей измерения) анизотропии CBS. Интересно произвести сравнение фиг. 15 и 4, где показаны данные для такой же модели, но с изотропными покровными отложениями. Графики (и значения Ra) практически одинаковы, что служит дальнейшим свидетельством надежности процедуры снятия слоя.
Следует подчеркнуть, что процесс снятия слоя поляризации в соответствии с настоящим изобретением может быть повторен столько раз, сколько это требуется, если анализируемая среда содержит несколько слоев с различной ориентацией трещин. Однако многократное применение операции снятия слоя может приводить к накоплению ошибок по толщине (глубине), так что процесс следует применять с дискриминацией.
Детальный пример
Описанный выше метод с использованием поперечных волн для обнаружения трещин в углях был проверен в полевых условиях в бассейне Сиднея в Новом Южном Уэльсе (Австралия). Была использована обычная техника мультиисточник/мультиприемник (MS/MR) получения данных; однако обработка данных и оценка анизотропии были проведены таким образом, чтобы соответствовать специальным ситуациям, которые созданы последовательностями тонких многослойных угольных пластов.
В бассейне Сиднея представляющий интерес верхний слоя угля (пласт Bulli) залегает на глубине от 400 до 900 м (см. фиг 2, где показана типичная угольная последовательность). Ближайшая поверхность представляет собой песчаник триасового периода Hawkesbury (выходы которого образуют прибрежные утесы у Сиднея). Условия поверхности представляют собой холмистое пастбище и бушвельд (заросшая кустарником местность), с различной толщиной почвы. Так как цель является относительно мелкой и рой трещин CBS также потенциально мал (порядка 100 м или меньше), то при получении данных ставилась задача свести к минимуму распределение (размещение) по глубине. Были выбраны достаточно широкие границы наблюдения, чтобы обнаружить возможные sweet spots, несмотря на потенциально переменное качество данных.
Оборудование для проведения записи включало в себя две системы на 24 канала каждая типа Geosource DSS-10, 3-компонентные геофоны и горизонтальные вибраторы на 2 Гц модели М-13. В качестве электроники записи была использована система Pelton Model 5 Advance I c фазой наземной силы (ground-force) и управлением наземной силой. Вибраторы создавали силу 50,000 фунтов, причем сигнал наземной силы находился в фазе опорным сигналом. Возможности записи (то есть 48 каналов) были разделены между 3-компонентными геофонами, что означает, что при каждой развертке имели только 16 каналов на моду. План получения данных был разработан таким образом, чтобы использовать преимущество относительной подвижности вибраторов в сравнении с геофонами. При этом точки вибрации использовались несколько раз для каждого расположения геофонов. Планируемая развертка составляла от 8 до 80 Гц при длительности 16 с, при получении 20 вторичных записей. Кросс-корреляция была обеспечена местным поставщиком. Блок разделения поперечной моды (то есть in line/cross-line) и записи был обычным и данные получали при помощи ufh записи (то есть мультикомпонентные данные получали все еще "мультиплектированными на трассах записи in line, cross-line"). Позднее для осуществления этих задач была использована система PROMAX.
В результате ограниченного количества точек в решетке приемников и источников излучения поверхностные волны доминировали над необработанными имеющими общий наклон (common-shot) сейсмическими трассами. Имелась возможность наблюдения различных поверхностных мод, возбужденных при помощи перемещения in line по отношению к cross-line, которые были записаны при помощи in line, cross-line и вертикальных геофонов. Например, легко можно опознать первые изломы сжатия при записях с использованием источника in line и вертикального приемника, так как различные поперечные и поверхностные моды часто совпадают и "звенят" при всех записях, затемняя все отражения. Скорости для различных волн следующие, м/с:
Прямые волны сжатия - 4000
Прямые поперечные волны - 1900
Поверхностные моды - 750-1500
Поперечная накопленная скорость цели - 2000
Интервал цели Vs - 1000
Интервал цели Vp - 2500
Интервал покровных отложений Vs - 2100
Интервал покровных отложений Vp - 3600
Одним из создающих замешательство аспектов мультикомпонентной обработки является разделение и организация моды. Каждая запись поля соответствует особой моде источника - in line или cross-line. Трассы в каждой мультикомпонентной записи будут мультиплексированы: in line, cross-line и вертикальные. Только после надлежащего разделения данные могут быть собраны в 3 -, 4 -, 6 - или 9-компонентные графики. В результате осуществления записи получили 6-компонентный набор данных (то есть cross-line вибратор и in line вибратор с in line приемником, cross-line приемником и вертикальным приемником). Для проведения ранее описанного анализа требуются четыре горизонтальных компонента. Обработка этих компонентов упрощается после их разделения, так как все компоненты идут в одном и том же потоке.
При обработке требуется применение статистики отражения (полученной из компонента cross-line/cross-line), а затем обычно используется простая обработка, при которой может быть использована любая техника масштабирования и снижения шума, позволяющая сохранить относительные амплитуды (для различных компонентов). При этом подразумевается, что если используется, например, АРУ, то скалярные величины должны быть вычислены сразу и занесены в память для идентичного применения ко всем компонентам. Этот процесс вычисления может быть сделан "мультикомпонентным" за счет накопления файлов скаляров, полученных от каждого индивидуального компонента. Аналогично техника уменьшения шума не должна использовать процедуры непредсказуемого (которое нельзя отследить) масштабирования. Более того, вычисление скорости должно производиться только один раз и затем применяться идентично ко всем четырем компонентам. Вычисление обычно проводят для cross-line/cross-line компонента, хотя может быть использован любой компонент с лучшей (до вращения) силой рефлектора. Часто качество данных поперечной волны до вращения не годится для проведения основанного наподобие анализа скорости. В таком случае очень полезны стеки (пакеты накопленных данных) постоянной скорости.
Оценка анизотропии может быть проведена как до накопления, так и после накопления. Однако проведение вращения до накопления часто приводит к отрицательным результатам, так как имеющиеся алгоритмы вращения предназначены для лучей с нормальным падением. Обычно первый проход анализа анизотропии проводят для необработанных стеков. Четыре отдельных стека могут рассматриваться как матрица 2 х 2. Анализ вращения значительно упрощается при сохранении записей в этом формате матрицы, причем для каждого вращения получают отдельную матрицу. Вращения первого прохода обычно делают при углах 0, 15, 30, 45, 60, 75 и 90 o (специалисты легко поймут, что вращение на 90o означает простое переключение основных и смещенных от диагонали компонентов, то есть операцию транспонирования матрицы). Запись С-оболочки, которая позволяет осуществить задачу множества вращений, и соответствующие индикации приведены в Приложении В. После приложения вращения номенклатура in line и cross-line больше не может быть использована. Необходимо обозначение компонентов в терминах движения частиц по отношению к направлениям компаса. После осуществления серии вращений легко наблюдать оптимальное вращение путем изучения воздействия силы рефлектора на смещенные от диагонали компоненты. Когда сила рефлектора смещенных от диагонали компонентов минимальна, тогда получают лучшее вращение (например, на фиг. 16В). Может быть гарантирован повтор этой процедуры при малых угловых различиях, в диапазоне вокруг этого "лучшего" угла первого прохода. В Приложении С содержится математическое описание снятия слоя для четырех отраженных от поверхности компонентов (4С), а также VSP данные поперечной волны.
Наличие когерентной энергии на смещенных от диагонали секциях свидетельствует об азимутальной анизотропии. При таком вращении, когда эта энергия минимизируется, может быть скорректировано расхождение между линией азимута (наблюдения) и основными осями покровных отложений. Свидетельством этого является отсутствие остающейся когерентной энергии на смещенных от диагонали секциях в любой момент времени в пределах временного окна покровных отложений.
После получения оптимально повернутой матрицы и проведения поворота на 45o в соответствии с настоящим изобретением, после компенсации анизотропии покровных отложений можно выявить когерентную энергию смещенных от диагонали секций в пределах временного окна CBS. При этом получают индикацию и возможность измерения включений анизотропии ниже (под) покровных отложений в пределах CBS. Эти включения интерпретированы (См. Т.А. Chaimov, G. J. Beaudoin, W. W. Haggard, and M.C. Mueller, " Анизотропия поперечной волны и предсказуемость метана угольного пласта", SEG Expanded Abstracts, pp __, 1995) как указывающие sweetspots с высокой интенсивностью разломов (трещин), при высокой проницаемости трещин, ориентированной вдоль быстрого направления анизотропии в CBS. Так как здесь не видно никакой существенной когерентной энергии (см. фиг. 16С), то можно прийти к заключению, что в соответствии с настоящим изобретением имеется очень малая азимутальная анизотропия или ее совсем нет, а следовательно, имеется малое фрактурирование (образование трещин) CDS в данном местоположении или его совсем нет. Это экспериментальное заключение было подтверждено:
* анализом керна (отсутствие трещин в керне), и
* анализом VSP ( то есть использованием вращений в направлении по наклонной скважине для 4-компонентного комплекта данных VSP).
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. Поэтому следует иметь в виду, что приведенное описание дано только для того, чтобы специалисты смогли осуществить на практике настоящее изобретение, причем это описание не имеет ограничительного характера. Например, несмотря на то, что настоящее изобретение описано в контексте угольных пластов, имеющиеся в нем сведения могут быть расширены для использования на других содержащих углерод последовательностях, таких как антриумные и девонские глины. Более того, в том случае, когда покровные отложения главным образом азимутально изотропные, не следует проводить снятие слоя. Аналогично метод снятия слоя в соответствии с настоящим изобретением не ограничивается только случаем содержащих углерод последовательностей; он применим в широком диапазоне геометрий нижнего горизонта с вертикальной вариацией анизотропии. Наконец, следует иметь в виду, что если нижний горизонт в действительности характеризуется постоянным направлением анизотропии, то тогда внутри каждого последовательного грубого слоя матрица данных симметрична или в VSP контексте, или в контексте отражения. Тогда различные слои могут быть с успехом лишены их анизотропии при помощи описанной выше процедуры снятия слоя или при помощи методики Винтерштейна и Мидоуз в зависимости от экспериментальной конфигурации.
Использование: в геофизической разведке при обработке данных, полученных через переменные по толщине азимутально-анизотропные слои земли. Сущность изобретения: способ включает в себя следующие операции: удаление слоев, где указаны изменения поляризации, при помощи приложения статического сдвига к компонентам, совмещенным с направлением поляризации медленной поперечной волны, и при помощи приложения половины статического сдвига к компонентам, которые не совмещены ни с направлением поляризации медленной поперечной волны, ни с направлением поляризации быстрой поперечной волны; получение значения амплитуды оболочки трассы быстрой поляризации; вращение, ориентировочно на 45o в сторону от основного направления, комплекта данных; получение значения амплитуды оболочки по меньшей мере одной из смешанных направленно-поляризованных трасс; получение отношения амплитуды оболочки трассы быстрой поляризации к амплитуде оболочки смешанной направленно-поляризованной трассы. 7 з.п. ф-лы, 18 ил.
| US 5060204, 22.10.1991 | |||
| СПОСОБ МНОГОВОЛНОВОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ | 1990 |
|
SU1813297A3 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА | 1991 |
|
RU2022310C1 |
| US 5060203, 22.10.1994. | |||
