СПОСОБ ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ Российский патент 2008 года по МПК G01V1/30 

Изобретение относится к области сейсмической разведки, в частности к способам обработки сейсмических данных, полученных при проведении глубинных сейсмических исследований на опорных и региональных геофизических профилях в условиях гетерогенных геологических сред.

Известен способ сейсмической разведки объектов, рассеивающих упругие волны, включающий возбуждение сейсмического сигнала, регистрацию сейсмического поля и обработку данных, направленную на выделение отраженных и рассеянных волн с помощью моделирования волнового поля от ожидаемых объектов рассеяния (патент РФ №2248014, G01V 1/00). В данном способе с помощью моделирования подбираются такие параметры обработки сейсмических данных, которые позволяют наилучшим образом выделить рассеивающие объекты. Известно, что отраженные, дифрагированные и рассеянные волны, формирующиеся на границах неоднородных объектов в земной коре, дают общее интерференционное поле отраженных волн. В указанном выше способе на основе гипотезы о расположении ожидаемых объектов рассеяния проводят направленное выделение как отраженных, так и рассеянных волн путем моделирования волнового поля. Контроль результата и уточнение модели производится по обобщенным зависимостям амплитуд спектров сейсмических трасс от времени и частоты. Аномалии спектров сейсмических трасс используют как настройку для выделения объектов, рассеивающих упругие волны.

К недостаткам данного технического решения следует отнести то, что корректировка и уточнение модели строения геологической среды в указанном способе производится на основании изучения амплитудного спектра всей сейсмической трассы в целом. Это не позволяет изучать и сравнивать индивидуальные спектральные характеристики отдельных геологических объектов. К ограничениям рассматриваемого способа можно отнести и то, что при выполнении интерпретации полученных аномалий спектров сейсмических трасс требуется наличие независимых скважинных данных и других априорных геологических и промысловых данных.

Известен также способ обработки сейсмических данных, позволяющий добиться улучшения количественной оценки и визуализации отражения от тонкого пласта и других боковых нарушений сплошности горной породы, основанный на выявлении специальных эффектов в амплитудных спектрах участков сейсмических трасс, заключающих в себе указанные геологические объекты (патент РФ № 2187828, G01V 1/30, прототип). Авторами этого способа замечено, что отражение от тонкого пласта имеет характерную форму выражения в частотной области. Его амплитудно-частотный спектр содержит периодическую последовательность отметок (всплесков), отстоящих друг от друга на расстояние, обратно пропорциональное «временной толщине» тонкого пласта. Это характерное выражение используется для отслеживания отражений тонкого пласта, а также для оценки его толщины и протяженности.

Способ включает в себя получение отображения набора сейсмических трасс, распределенных по заданному объему земли, выбор интересующей части указанного объема, преобразование выбранных фрагментов сейсмических трасс с использованием дискретного ортонормального преобразования (например, Фурье, Уолша), которое дает множество коэффициентов преобразования (вычисление амплитудного и фазового спектров фрагментов трасс). Полученные коэффициенты ортонормального преобразования организуют в куб настройки, который используют для идентификации и локализации углеводородов. Известно, что амплитудный спектр всей сейсмической трассы близок к спектру импульса источника возбуждения упругих волн, вследствие случайного характера последовательности отражений, возникающей в геологической среде. Однако спектры, вычисленные для более коротких фрагментов сейсмических трасс, уже не являются стационарными в указанном выше смысле и в них отражены свойства геологической среды, заключенной в пределах изучаемого фрагмента. Тонкий пласт действует как фильтр в частотной области и вносит собственный вклад в спектр импульса источника возбуждения: возникают узкие полосы ослабленных частот, имеющие характерный внешний вид, а расстояние между ними равно обратной «временной толщине» тонкого пласта. Таким образом, ослабленные частоты в амплитудном спектре используются в изобретении-прототипе для идентификации отражения от тонкого пласта и для измерения его толщины. Достижением известного способа является переход к спектральному анализу целевого участка сейсмической трассы, а не всей трассы в целом. Это позволяет добиться большей детальности при изучении свойств конкретных геологических объектов. Авторам рассматриваемого способа удалось выявить и использовать для идентификации спектральный образ тонкого пласта и близких к нему ситуаций выклинивания, бокового нарушения спошности горной породы. Однако геологические объекты чрезвычайно многообразны и столь же многообразны их проявления в амплитудных и фазовых спектрах. Способ - прототип направлен главным образом на улучшение количественной оценки и на настройку визуализации для обнаружения эффектов от тонкого сейсмического пласта и других малых геологических объектов: линз, областей выклинивания пластов, боковых нарушений сплошности пород, являющиеся актуальными при поиске и локализации неантиклинальных ловушек углеводородов в осадочных толщах, что ограничивает область его применения.

К недостаткам рассмотренного выше способа можно отнести также то, что фрагмент трассы, анализируемый в данном изобретении, нельзя рассматривать в качестве индивидуального отражения, сформированного на отдельном отражающем объекте геологической среды. Соответственно спектры, вычисленные по фрагментам сейсмических трасс, не являются характеристикой индивидуальных отражающих свойств отдельного объекта геологической среды, содержащегося в пределах изучаемого фрагмента сейсмических трасс.

Вследствие указанных выше особенностей известный способ является недостаточно эффективным и информативным при обработке и интерпретации глубинных сейсмических данных в условиях сложных гетерогенных сред земной коры и верхней мантии.

Задачей настоящего изобретения является повышение информативности результатов обработки глубинных сейсмических данных при исследовании сложных гетерогенных сред земной коры и верхней мантии и повышение, таким образом, эффективности проведения сейсморазведочных работ.

Техническим результатом изобретения является создание технологии получения динамических, в частности, спектральных и энергетических характеристик сейсмических волн на основе получения и последующего использования локальной формы волнового пакета. Под локальным волновым пакетом авторы изобретения понимают неразделимую интерференцию отраженных, дифрагированных, рассеянных волн, формирующуюся на неоднородном объекте земной коры, имеющую начало и конец на сейсмической трассе и обладающую устойчивой (повторяющейся) формой для данного объекта.

Данная технология позволяет исследовать один из наиболее важных динамических эффектов с точки зрения прогноза месторождений полезных ископаемых в условиях сложных гетерогенных типов сред, мало различающихся по скоростям, - поглощение энергии отраженных волн, проявляющееся в нелинейности коэффициента затухании амплитуд отраженных волн в области средних и высоких частот. Эта характеристика гетерогенной среды связана с важными параметрами прогноза полезных ископаемых на больших глубинах: повышенной трещиноватостью, разломами и разрушениями, а также заполнением порового пространства флюидами различного происхождения.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе обработки сейсмических данных, включающем получение временного сейсмического разреза в исследуемой толще земли и отображение его в виде набора сейсмических трасс, согласно изобретению по полученному отображению сейсмического разреза определяют характерные размеры локальных неоднородных объектов геологической среды, являющихся предметом исследования, а также соответствующие размеры «скользящего» окна вычислений, покрывающего указанные объекты, в координатах сейсмического времени t(мс) и протяженности х(м), в пределах которого при перемещении указанного окна по сейсмическому разрезу в цикле смещения с шагом Δх по координате х и Δt по координате времени t, причем 0<Δt<t и 0<Δх<x, вычисляют локальную форму волнового пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн, формируют цифровую матрицу указанных локальных волновых пакетов в пределах изучаемого сейсмического разреза и по полученной цифровой матрице локальных волновых пакетов определяют их динамические, в частности, спектральные и энергетические характеристики, по которым судят об отражающих свойствах исследуемой толщи земли.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что по полученной цифровой матрице локальных волновых пакетов вычисляют их амплитудные спектры, которые организуют в цифровой куб данных в координатах сейсмического профиля (t, х) и частоты (f).

Поставленная задача решается также тем, что из указанного куба данных осуществляют цифровую выборку (срез) при постоянном значении или в выбранном интервале значений одной из координат: t, x, f, которую визуализируют в виде полей спектральных амплитуд.

Сущность способа согласно изобретению заключается в том, что он позволяет получить локальную форму пакета отраженных волн в пределах некоторой области D временного сейсмического разреза, размеры которой соответствуют характерному размеру изучаемых неоднородных объектов. Способом предусмотрено, что окно для вычислений с размером, равным характерному размеру локальной неоднородности гетерогенной среды, впоследствии пробегает весь разрез, тем самым позволяя получить множество локальных волновых пакетов и изучить их изменения. Вычисление динамических, в частности, спектральных и энергетических характеристик локальных волновых пакетов предоставляет количественные данные о свойствах объектов геологической среды в пределах всего сейсмического разреза.

На фиг.1 представлено изображение фрагмента временного сейсмического разреза ОГТ опорного профиля 2-ДВ, расположенного на Дальнем Востоке России и имеющего временную длительность трасс 24 с. На фиг.2. показаны размеры окна для вычисления локального волнового пакета. На фиг.3 показана локальная форма пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн. На фиг.4 приведен фрагмент цифровой матрицы локальных волновых пакетов. На фиг.5 представлен алгоритм определения локальной формы пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн. На фиг.6 показана организация куба спектральных амплитуд в пространстве трех переменных: временной и латеральной координат сейсмического профиля и частоты (t, x, f). На фиг.7 показаны временные срезы (t=Const) куба спектральных амплитуд с шагом по времени, равным 2 сек. На фиг.8 - один из временных срезов при t=8 сек с указанием на участки проявления эффекта аномального затухания амплитуд, обозначенные как "а" и "б". На фиг.9 показано суммарное поле амплитуд средне- и высокочастотной части (18-28 Гц) спектров локальных волновых пакетов, изображенное в градациях серого цвета.

Способ осуществляют в следующей последовательности операции.

1. Глубинные сейсмические данные представляют в виде стандартного временного сейсмического разреза (фиг.1).

2. По полученному сейсмическому разрезу определяют характерный размер локальных неоднородностей геологической среды, который выражают в координатах сейсмического времени t₀ (мс) и протяженности x₀ (м).

3. В соответствии с выбранными размерами (t₀, х₀) задают размеры «бегущего» окна для вычисления локального пакета отраженных волн (фиг.2). Для перемещения окна вычислений по сейсмическому разрезу задают шаг смещения окна по времени: Δt, и по профилю: Δx, причем 0<Δt<t и 0<Δх<х, то есть смещение окна осуществляют с перекрытием положения или без него.

4. В пределах выбранного окна при каждом его фиксированном положении на сейсмическом разрезе в соответствии с описанным ниже алгоритмом вычисляют локальную форму отраженного волнового пакета (фиг.3). В цикле смещения указанного окна по латерали и по времени в пределах сейсмического разреза формируют матрицу локальных волновых пакетов (фиг.4).

Разработанный алгоритм определения локальной формы пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн в бегущем окне сейсмического профиля представлен на фиг.5 и имеет следующие особенности.

- Алгоритм основан на синфазном суммировании отдельных волновых пакетов , выявленных в пределах участка сейсмического разреза (окна размером (t₀, x₀), соответствующего области D неоднородности с характерным размером a, которая служит объектом геологического интереса. Алгоритм исключает зависимость полученной итоговой формы волнового пакета S_n(t) от взаимного геометрического расположения отдельных волновых пакетов в пределах фрагментов трасс f(t) сейсмического разреза, так как все волновые пакеты суммируются синфазно.

- В качестве точек синфазного суммирования t_i волновых пакетов во фрагменте сейсмической трассы f(t) выбираются положения максимумов огибающей модуля сейсмической трассы Локальные максимумы огибающей соответствуют максимальным амплитудам отдельных волновых пакетов. Их разделение обеспечивается наличием окрестности у каждого локального максимума. Временная длительность волнового пакета задается окрестностью, которая окружает точку суммирования t_i в равных или неравных пропорциях: (t_i-ε₁; t_i+ε₂), где ε₁, ε₂ - радиусы окрестности.

- Выделенный волновой пакет f(t) нормируется на максимальную амплитуду

- Суммирование полученных таким образом волновых пакетов в пределах окна для вычислений позволяет получить устойчивую осредненную форму отраженного волнового пакета на локальном участке сейсмического разреза. Поэтому в способе производят осреднение волновых пакетов , где n - количество волновых пакетов в пределах окна вычислений.

- Далее в цикле осуществляется смещение окна вычисления локальной формы волнового пакета с шагом Δx по координате х и Δt по времени t вдоль сейсмического разреза с перекрытием или без него. Размер шагов смещения окна задается с учетом обеспечения необходимой гладкости изменения формы локального волнового пакета. Матрица локальных волновых пакетов организуется так, что каждый локальный волновой пакет в ней занимает место соответственно своему положению на сейсмическом разрезе.

По полученным цифровым данным о форме локальных волновых пакетов в пределах всего глубинного сейсмического разреза по соответствующим методикам определяют динамические характеристики отраженных волн, сформированных на неоднородных объектах гетерогенной среды. В частности, для изучения спектральных характеристик отраженных волн далее осуществляют следующие операции.

1. По полученной матрице локальных волновых пакетов формируют куб спектров локальных волновых пакетов (фиг.6) в пространстве трех переменных: временной и латеральной координат сейсмического профиля и частоты (t, x, f).

2. Организуют цифровые выборки из куба данных при постоянном значении одной из координат: t, x, f. Эти выборки представляют собой двумерные срезы спектрального куба по выбранной координате. Для примера на фиг.7 показаны временные срезы (t=Const) куба спектральных амплитуд, организованные с шагом по времени, равным 2 сек. При анализе данных спектрального куба в пределах интервала значений одной из координат t, х или f, спектральные амплитуды суммируют, вычисляют среднее значение или производят другие требуемые операции.

3. Визуализируют полученные двумерные срезы спектрального куба в виде полей амплитуд локальных волновых пакетов, в которых цветовая легенда соответствует диапазону значений амплитудного спектра. Визуализация частотного среза куба спектральных амплитуд, получаемого при постоянной частоте f=Const или в интересующем интервале частот f₁≤f≤f₂, позволяет исследовать эффект нелинейности коэффициента затухания амплитуд отраженных волн в области средних и высоких частот, являющийся одним из наиболее важных динамических эффектов с точки зрения прогноза месторождений полезных ископаемых в условиях сложных гетерогенных типов сред, мало отличающихся по скоростям (фиг.9).

Пример реализации заявляемого способа на материалах глубинного сейсмического разреза ОГТ.

С помощью описанного выше алгоритма был исследован фрагмент временного разреза ОГТ опорного профиля 2-ДВ, имеющий протяженность 365 км и длительность регистрации волн 24 с. Профиль расположен на Дальнем Востоке России, а рассматриваемый фрагмент в районе Омолонско-Олойской складчатой области Колымского края (фиг.1). В окне размером 5 км·2 сек, пробегающем без перекрытия весь сейсмический разрез (фиг.2), получены цифровые данные о формах локальных волновых пакетов. Один из полученных волновых пакетов длительностью 200 мс показан на фиг.3. В нем можно выделить три части: вступительную (0-40 мс), основную (40-80 мс) и заключительную (более 80 мс). Основная, наиболее интенсивная часть колебательного процесса, представлена двумя экстремумами, имеющими положительное и отрицательное значения амплитуды. Вступительная часть имеет более сложную форму с двумя экстремумами, амплитуда наибольшего из которых равна 0,4. Высокочастотные затухающие колебания заключительной части пакета по амплитуде меньше 0,2. Сложная форма локального волнового пакета свидетельствует об его интерференционной природе.

С помощью описанной выше технологии была создана матрица локальных волновых пакетов с шагом по времени 2 секунды и по латеральной координате 5 км, фрагмент которой приведен на фиг.4. Далее, для каждого элемента матрицы был вычислен амплитудно-частотный спектр в диапазоне от 0 до 100 Гц, нормированный к единице, и помещен в куб цифровых данных. Обзор полученных амплитудных спектров локальных волновых пакетов в пределах всего сейсмического разреза приведен на фиг.7. Верхняя горизонтальная ось обозначает километры вдоль профиля; временная ось профиля в секундах указана сверху вниз в правой части рисунка; в левой части обозначены частотные шкалы от 0 до 100 Гц для амплитудных спектров. Анализируя амплитудные спектры локальных волновых пакетов, можно отметить устойчивость их основных параметров: диапазон значимых величин амплитуд спектров заключен в интервале 0-40 Гц, пиковое значение амплитуды приходится на 16 Гц, область низких частот спектра (от нуля до максимума) практически идентична для всех элементов матрицы. В интервале частот спектра, расположенных правее основной частоты 16 Гц и до 40 Гц, напротив, отмечаются существенные флуктуации амплитуд спектров. Эффект аномального затухания амплитуд в этом интервале спектра показан на участках, обозначенных на фиг.8 как "а" и "б". Подобные участки прослеживаются и в других спектрах и образуют зоны характерного аномального затухания амплитуд на частотах, выше основной.

Для детального исследования аномального затухания амплитуд локальных волновых пакетов были осуществлены цифровые выборки из спектрального куба для частот от f=18 Гц до f=40 Гц с шагом по частоте 2 Гц. Построенные частотные срезы спектрального куба были визуализированы в виде цветовых полей. Анализ этих изображений позволил определить интервал частот (18-28 Гц) и контуры зон на сейсмическом разрезе, где уверенно проявляется обнаруженный эффект затухания амплитуд. На фиг.9 показано суммарное поле амплитуд высокочастотной части спектров локальных волновых пакетов, построенное на основании частотных срезов в интервале 18-28 Гц, изображенное в градациях серого цвета. Светлые участки разреза соответствуют минимальным значениям амплитуд, темные и более темные - среднему и высокому значению амплитуд.

В поле этого сейсмического параметра наблюдаются две зоны аномального поглощения высоких частот (18-28 Гц) сейсмического сигнала: западная и восточная. Западная зона, геометрически изображаемая как вытянутый в вертикальном направлении глубинный разлом, проникающий в мантию, приурочена к ранее установленной рифтовой структуре. По геологическим данным эффект значительного поглощения высоких частот связан здесь с флюидонасыщением - проникновением расплавленного мантийного вещества в рифтовый шов и его обрамление. Восточная аномальная зона имеет изометрическое строение. Минимум амплитуд в этой зоне приходится на временной интервал, от 15 с и ниже, который отвечает мантии. Данная аномалия имеет глубокий мантийный корень, зона поглощения проникает в мантийные слои до времени 24 с. Четко наблюдается горизонтальная поглощающая зона, подстилающей коромантийный слой (границу Мохоровичича) и расположенной во временном интервале 12-14 с. Эта горизонтальная аномалия фиксирует значительный перепад отражающих свойств между консолидированной земной корой и мантией. Отмечается также наличие высокоамплитудного канала (темный цвет), имеющего основание в мантийных слоях и протягивающегося в верхние слои земной коры на отметке 1360 км профиля.

Как видно из приведенного примера, касающегося анализа амплитудных спектров локальных волновых пакетов, способ обработки глубинных сейсмических данных, согласно изобретению, позволяет достоверно выявлять зоны повышенного затухания отраженных сейсмических волн, имеющие высокую информативную и прогнозную значимость при глубинных сейсмических исследованиях.

В целом, способ обработки сейсмических данных, согласно изобретению, основанный на получении и изучении локальной формы волнового пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн с последующей организацией цифрового куба атрибутов локальных волновых пакетов, позволяет исследовать весь комплекс динамических характеристик сейсмических волн, что особенно актуально при проведении глубинных сейсмических исследований в условиях гетерогенных геологических сред.

Предложенное изобретение относится к способам обработки сейсмических данных, полученных при проведении глубинных сейсмических исследований на опорных и региональных геофизических профилях в условиях гетерогенных геологических сред. Задачей настоящего изобретения является повышение информативности результатов обработки глубинных сейсмических данных при исследовании сложных гетерогенных сред земной коры и верхней мантии и повышение эффективности проведения сейсморазведочных работ. Способ обработки сейсмических данных заключается в получении временного сейсмического разреза в исследуемой толще земли и отображении его в виде набора сейсмических трасс, при этом по полученному отображению сейсмического разреза определяют характерные размеры локальных неоднородных объектов геологической среды, являющихся предметом исследования, и соответствующие размеры «скользящего» окна вычислений на сейсмическом разрезе, покрывающего указанные объекты, в координатах сейсмического времени t(мс) и протяженности х(м), в пределах которого при перемещении указанного окна по профилю в цикле смещения с заданным шагом по координате х и по координате сейсмического времени t вычисляют локальную форму волнового пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн, формируют цифровую матрицу указанных локальных волновых пакетов в пределах изучаемого сейсмического разреза и по полученной цифровой матрице локальных волновых пакетов определяют их динамические, в частности спектральные и энергетические, характеристики, по которым судят об отражающих свойствах исследуемой толщи земли. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ обработки сейсмических данных, включающий получение временного сейсмического разреза в исследуемой толще земли и отображение его в виде набора сейсмических трасс, отличающийся тем, что по полученному отображению сейсмического разреза определяют характерные размеры локальных неоднородных объектов геологической среды, являющихся предметом исследования, и соответствующие размеры «скользящего» окна вычислений на сейсмическом разрезе, покрывающего указанные объекты, в координатах сейсмического времени t(мс) и протяженности х(м), в пределах которого при перемещении указанного окна по сейсмическому разрезу в цикле смещения с шагом Δх по координате х и Δt по координате сейсмического времени t, причем 0<Δt<t и 0<Δх<х, вычисляют локальную форму волнового пакета отраженных, дифрагированных и рассеянных волн, формируют цифровую матрицу указанных локальных волновых пакетов в пределах изучаемого сейсмического разреза и по полученной цифровой матрице локальных волновых пакетов определяют их динамические, в частности спектральные и энергетические характеристики, по которым судят об отражающих свойствах исследуемой толщи земли.2. Способ обработки сейсмических данных по п.1, отличающийся тем, что по полученной цифровой матрице локальных волновых пакетов вычисляют их амплитудные спектры, которые организуют в цифровой куб данных в координатах сейсмического профиля (t, x) и частоты (f).3. Способ обработки сейсмических данных по п.2, отличающийся тем, что из указанного куба данных осуществляют цифровую выборку (срез) при постоянном значении или в выбранном интервале значений одной из координат: t, x, f, которую визуализируют в виде полей спектральных амплитуд.