СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЙ В СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ Российский патент 2016 года по МПК G01V1/02 G01V1/28 

Изобретение относится к области геофизики, в частности к способам проведения сейсморазведки.

Сейсморазведка основана на применении искусственно возбуждаемых упругих волн и позволяет выделять границы пластов горных пород с различными упругими свойствами. Сейсморазведка используется при поиске месторождений нефти и природного газа, различных глубинных исследованиях. Наиболее распространенным методом сейсморазведки является метод отраженных волн, применяемый в настоящее время при поисках и разведке месторождений нефти, газа и ряда других полезных ископаемых. В методе отраженных волн возбужденная взрывом или механическим воздействием сейсмическая волна, распространяясь от источника возбуждения сейсмических сигналов, последовательно достигает нескольких отражающих границ в земной коре - поверхностей раздела пород. На каждой из них возникает отраженная волна, которая приходит к месту расположения приемников,. Расположение источников исторически принято называть поверхностью возбуждения, а положение приемников поверхностью наблюдения. Можно также использовать термины области возбуждения и приема, при этом понимать, что возбуждение и измерение колебаний может осуществляться вблизи поверхности Земли или моря. А в скважинной сейсморазведке область возбуждения или приема представляют собой линии возбуждения или приема.

Для различных условий проведения сейсмических исследований положение источников и приемников может различаться. Например, при сейсморазведочных работах на суше, как правило, возбуждение сейсмических сигналов производится из неглубоких скважин 5-10 м ниже поверхности Земли, а сейсмоприемники располагаются непосредственно на поверхности Земли, которая и является в этом случае поверхностью наблюдения. При морских наблюдениях источники погружены на 5-10 м под поверхность моря, причем приемники также погружены под поверхность моря и часто на большие глубины, чем источники. В этом случае поверхность наблюдения расположена на некоторой глубине под поверхностью моря. Для сейсмических работ в скважинах, как правило, источники находятся на поверхности Земли или в неглубоких взрывных скважинах, а приемники располагаются в глубоких скважинах, специально используемых для того, чтобы наблюдать поля во внутренних точках Земли (не на поверхности). Место расположения приемников в скважине и будет являться поверхностью наблюдения в этом случае. Иногда источники сейсмических волн могут быть помещены в скважину, а приемники при этом могут располагаться как на поверхности Земли, так и в скважинах.

Регистрация сейсмических сигналов от одного источника, расположенного в пункте взрыва (ПВ), производится обычно несколькими приемниками или группой приемников, находящихся на разных расстояниях от ПВ. Использование большого числа приемников при регистрации сейсмических данных обусловливается технологией сбора информации и экономической целесообразностью, так как требуется зарегистрировать большое число расположений за минимально возможное время и с минимальными затратами. Взаимное расположение приемников и источников сейсмических сигналов (или ПВ) называют системой наблюдения.

При планировании расположения источников сейсмических волн и положения сейсмических приемников на изучаемой площади обычно принимают во внимание несколько различных аспектов, таких как геологическая задача и требуемое качество сейсмической съемки (т.е. сейсморазведки), наличие оборудования и возможности его размещения на поверхности наблюдения и в скважинах, экономический фактор и фактор времени. При оптимизации системы наблюдений с точки зрения решения геологической задачи требуется расположить источники и приемники таким образом, чтобы исследуемые отражающие границы были отображены (освещены), и их пространственное положение было определено с наименьшей ошибкой.

Для того чтобы уменьшить неоднозначность восстановления геологических объектов, используют системы наблюдения с заведомо избыточным числом приемников и источников сейсмических сигналов, расположенных с большой плотностью на изучаемой площади (Урупов А.К. Основы трехмерной сейсморазведки: Учебное пособие для вузов. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» 2004, стр. 27-70).

Оценка качества планируемой системы предполагает определение размеров отражающего элемента исследуемого объекта, называемого бином. Бин - это элементарный фрагмент планируемой системы наблюдения. Одному бину соответствует одна трасса получаемого в результате обработки данных сейсмического изображения. Для профильных систем наблюдения бин - это линейный отрезок, расположенный вдоль профиля наблюдений. Обычно размер бина выбирается равным 10, 20, 25 или 30 м в зависимости от требований к качеству съемки. Для площадных систем наблюдения бин - это, как правило, прямоугольник. Обычно размеры бина выбираются 20×20 м, 25×20 м или другими в зависимости от схемы наблюдений. Системы наблюдения могут быть нерегулярными, размеры и форма бина могут быть различными, но с точки зрения горизонтальной разрешенности сейсмической съемки размер бина определяет минимальные размеры объектов, различимых с помощью сейсморазведки с выбранной системой наблюдения и размером бина.

Вторым главным параметром сейсмической системы наблюдения является кратность съемки. Кратность съемки определяется как число различных лучей, отраженных от фрагмента границы, имеющего размер одного бина. В существующих методах оптимизации систем наблюдения решаются две задачи: повышение кратности съемки и соблюдение равномерного пространственного распределения удалений в бинах. При планировании скважинных систем наблюдения увеличение кратности системы наблюдения обычно достигается за счет увеличения числа пунктов взрыва и оптимального их расположения на поверхности Земли. Поэтому подходы к планированию сейсмических работ ориентированы в основном на выбор оптимального шага расположения ПВ, т.е. источников сейсмических сигналов (Урупов А.К. Основы трехмерной сейсморазведки: Учебное пособие для вузов. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» 2004, стр. 46-52).

Классические подходы к планированию системы наблюдений в сейсморазведке основываются на жестком выборе парам съемки, допускающем существенную избыточность системы наблюдения относительно планируемых парам: кратности и размерам бина. Считается, что избыточная плотность съемки позволяет избежать ошибок при проведении работ. Параметры, которые обычно варьируют при подборе системы наблюдений, - это минимальные и максимальные расстояния между источником и приемниками. Для расчета кратности съемки и других парам используют модель среды с плоской границей, что является достаточно сильным упрощением и часто приводит к некорректным решениям. В рамках стандартных подходов, использующих многократные модельные расчеты, очень сложно и трудоемко добиться оптимального расположения источников на поверхности возбуждения.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении качества сейсмической съемки с обеспечением заданной кратности за счет обеспечения равномерного освещения изучаемых объектов с одновременной экономией затрат на проведение полевых работ за счет отсутствия повторных наблюдений.

В соответствии с предлагаемым способом выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую источники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности возбуждения, и приемники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности наблюдения, и задают кратность сейсмической съемки. Выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы и разбивают отражающую границу на бины, имеющие выбранный размер. Методом компьютерного моделирования выполняют трассировку лучей из каждого приемника сейсмических сигналов в каждый бин на отражающей границе и осуществляют продолжение отраженного луча от отражающей границы до поверхности возбуждения. С помощью компьютерной программы рассчитывают плотность расположения источников сейсмических сигналов на поверхности возбуждения и с учетом рассчитанной плотности расположения источников осуществляют размещение источников сейсмических сигналов на поверхности возбуждения для выбранной системы наблюдений, обеспечивающее заданную кратность съемки.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен фрагмент отражающей границы с тремя бинами, на фиг. 2 - фрагмент матрицы связности, соответствующий лучам и бинам, приведенным на фиг. 1, на фиг. 3 - расположение источников сейсмических сигналов для спиральной системы наблюдений, на фиг. 4 - положение приемников в скважине для спиральной системы наблюдений, на фиг. 5 приведена карта плотности размещения источников на площади при спиральной системе наблюдения, на фиг. 6 приведена карта распределения кратности съемки на отражающей границе, на фиг. 7 показана рассчитанная оптимальная плотность расположения источников и положения источников по спиральной схеме, на фиг. 8 показана рассчитанная оптимальная кратность съемки, полученная при оптимизации спиральной системы наблюдения ЗД ВСП.

Способ предполагает выполнение компьютерного моделирования лучевым методом и расчет положения источников с использованием компьютерной программы на основе априорной информации об исследуемом геологическом объекте (отражающей границе).

Для осуществления предлагаемого способа выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую заданное число источников и приемников сейсмических сигналов, размещенных с некоторым шагом (допустимым для оборудования) в скважине, на поверхности земли или на поверхности моря. Для морских работ - это спиральное расположение источников, для наземных наблюдений - это система профилей.

Задают требуемую кратность сейсмической съемки и выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы. Размер бина съемки может находиться в некоторых пределах, зависящих как от частотного диапазона возбуждаемого сейсмического сигнала, так и от положения изучаемого объекта. Размер бина выбирается в соответствии с размером первой зоны Френеля (R_F), рассчитываемой для заданной модели среды и простейшей конфигурации системы наблюдения по общепринятым формулам (см., например, Завалишин Б.Р. О размерах участка границы, формирующего отраженную волну. Прикладная геофизика. Недра, 1975 г., стр. 77, или Goertz A., Milligan P., Karrenbach М., Paulsson В. Houston: Optimized 3D VSP survey geometry based on Fresnel zone estimates, SEG Annual Meeting, 2005. p. 2641-2645. VSP 2.5).

Размер бина сейсмической съемки отражается в шаге пространственной дискретизации результатов обработки наблюденных данных. При этом «степень похожести» или корреляция двух соседних трасс на сейсмических данных главным образом зависят от выбранных размеров бина. Два сейсмических сигнала, отраженных от соседних бинов, будут совпадать, если размер бина меньше чем (R_F/7), и поэтому данная величина определяет нижнюю границу размера бина. Размер бина больше чем (R_F/2) не обоснован, так как различие в сигналах на соседних трассах может быть более 25% от общей энергии. Поэтому оптимальный размер бина (В) при планировании сейсмических работ находится в диапазоне

Критерий выбора размера бина в заданном диапазоне значений не определен, это могут быть экономические ограничения или ограничения, связанные с длительностью выполнения наблюдений.

Таким образом, для осуществления предлагаемого способа используют следующую априорную информацию:

- скоростная модель среды с выбранной отражающей границей. Скоростная модель и отражающая граница задаются приближенно, исходя из того, что до проведения наблюдений информации об объекте изучения очень мало.

Поэтому, как правило, модель среды однослойная, с плоской или криволинейной отражающей границей и постоянной скоростью в слое. Но если модель среды известна из предыдущих наблюдений, то может быть использована более сложная модель. При этом предлагаемый метод не изменяется, только процедура трассировки сейсмических лучей в среде становится более затратной с точки зрения времени расчета и требуемых мощностей компьютера.

- размер бина съемки, заданный для отражающей границы;

- заданное число источников и приемников, размещенных в скважине или расположенных на поверхности Земли или моря с некоторым шагом (допустимым для оборудования).

- требуемое распределение кратности.

Затем для отражающей границы, для которой нужно выполнить расчет системы наблюдения, осуществляют разбиение на бины, имеющие выбранный размер.

Методом компьютерного моделирования (см., например, Алексеев А.С., Гельчинский Б.Я., О лучевом методе вычисления полей волн в случае неоднородных сред с криволинейными границами раздела. В кн: Вопросы динамической теории распространения волн. Вып. III., Л., изд. ЛГУ 1959, стр. 107-160) выполняют трассировку лучей из приемников в каждый бин на отражающей границе и продолжение отраженного луча до заданной поверхности возбуждения. Под трассировкой луча понимается любой алгоритм, соединяющий две точки пространства скоростной модели. Не принципиально, какие свойства пространства используются. Например, среда может быть изотропной или анизотропной, а также однородной или неоднородной. Принципиально важным является получение и использование информации об углах входа и выхода луча в модель.

Каждый луч трассируется на отражающую границу, отражается и продолжается до поверхности возбуждения. Для каждого луча определены три точки - точка старта луча, точка выхода луча на поверхность возбуждения и точка отражения луча от отражающей границы. Таким образом, строится система лучей, соединяющих точки старта луча с каждым бином (на отражающей границе) и с поверхностью, на которой располагаются конечные точки луча.

Построенное семейство лучей используется для расчета оптимального расположения источников на поверхности возбуждения, обеспечивающее требуемую заданную кратность сейсмической съемки.

Поверхность, на которой заканчиваются лучи, разбивается на блоки, аналогичные бинам отражающей границы. Размер разбиения на поверхности определяет степень сглаживания при определении системы наблюдения. Минимальный рекомендуемый размер поверхностных блоков равен удвоенному размеру бина.

На фиг. 1 изображен фрагмент отражающей границы с тремя соседними бинами (j-1, j, j+1). На фиг. 1 также обозначены два элемента сетки (i, i+l), в которых находятся четыре источника (ПВ). Лучи, связывающие поверхность наблюдения, отражающую границу и источник, привязаны к двум сеткам. Т.е. каждый луч имеет два индекса, один индекс бина, от которого луч отразился, и второй индекс ячейки сетки на поверхности, в которой расположен конец данного луча.

Для поиска оптимального расположения источников на поверхности, обеспечивающих заданную кратность съемки d_f, построим соответствие между границей и поверхностью Земли. Соответствие будем определять матрицей связности С, размерами N×M, где N - число ячеек сетки на поверхности Земли, а М - число бинов, выделенных на отражающей границе. Элементы матрицы связности C_ij=k определяют кратность k связи бина j на отражающей границе и зоны i на поверхности Земли. Число k - определяет число лучей, отраженных от бина j и вышедших в области сетки i на поверхности. На фиг. 2 построен фрагмент матрицы связности, соответствующий лучам и бинам, показанным на фиг. 1. Для того, чтобы определить распределение источников на поверхности земли d_s, решим систему уравнений:

C_ijd_s=d_f.

Заданный массив d_f может отражать распределение кратности съемки вдоль профиля или задавать карту кратности для площадной системы наблюдения. Аналогично получаемая из решения системы плотность распределения источников может быть либо плотностью вдоль линии профиля либо характеризовать площадное положение источников на поверхности Земли. Решение системы уравнений ищется с ограничением на вектор d_s. Все элементы вектора должны быть положительными, так как они определяют плотность распределения источников на поверхности возбуждения. Т.е. значение d_si, привязанное к i-й ячейке, равно числу лучей, заканчивающихся в данной ячейке. По рассчитанной плотности d_s на следующем шаге восстанавливается оптимальное расположение источников (ПВ).

Критерием оптимальности в данном случае для системы сейсмических наблюдений считается заданная кратность съемки заданной геологической границы.

На данном этапе осуществляют расчет размещения источников (ПВ) для выбранной системы наблюдений и рассчитанной плотности d_s. Может быть выбрана, например, спиральная система расположения, при которой источники располагаются на разном расстоянии друг от друга. Расстояния контролируются шагом спирали и длиной между точками, расположенными на спирали. Может быть заранее определена сетка профилей (схема), на которой можно располагать ПВ.

Задача расположения точек по распределению может решаться любым из стандартных способов, прямого расчета, подбора или методом Монте Карло.

При планировании расположения приборов системы наблюдений могут использоваться дополнительные условия или дополнительные критерии оптимальности:

- введение ограничений на углы отражения или на положения источников на поверхности наблюдения;

- преимущество одних положений источников или приемников перед другими;

- преимущество одних углов и азимутов отражения перед другими.

Возможность включения дополнительных условий оптимизации является одним из важных преимуществ предлагаемого способа. Включение ограничений на траектории лучей выполняется на этапе трассировки. При этом коллекция лучей, по которым строится матрица связности C_ij, будет содержать только лучи, соответствующие введенным ограничениям.

Оптимизация с заданными преимуществами одних лучей перед другими осуществляется введением нормировки в систему линейных уравнений. Такой метод является стандартным в задачах системы линейных уравнений (см., например,. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов, М., Наука, 1986, стр. 137-152).

Рассмотрим пример размещения источников системы наблюдений в технологии 3Д ВСП. В качестве исходной модели выбирают однородную среду с постоянной скоростью и горизонтальной отражающей границей. На фиг. 3 приведен пример стандартного расположения источников при спиральном наблюдении методом Вертикального Сейсмического Профилирования. Приемники при этом устанавливаются в скважине, расположенной в центре спирали, как показано на фиг. 4. Система наблюдения в скважине состоит из 20 приборов, расположенных в скважине с шагом 15 м. Размер бина, используемый для расчета кратности, выбирается равным шагу между пунктами взрыва 50×50 м. Возможное уменьшение размеров бина приводит к уменьшению кратности съемки при сохранении общей закономерности распределения в окрестности скважины.

На фиг. 5 показана плотность размещения источников на поверхности возбуждения (градациями серого), при этом положение источников указано на рисунке точками. По заданной системе наблюдения рассчитана карта кратности отражения (фиг. 6), Полученная кратность меняется в окрестности скважины в диапазоне 50-70, уменьшаясь до нуля на удалении бинов от скважины на расстоянии 400-500 м. Для оптимизации расположения источников с целью получения кратности системы наблюдения равной 100 выберем бин такого же размера 50×50 м. Из всех положений пунктов приема выполним трассировку лучей в бины на отражающей поверхности и продолжим их до поверхности Земли. По выполненной трассировки лучей построим матрицу связности и решим систему уравнений. Рассчитанная плотность расположения источников показана на фиг. 7 оттенками серого цвета. По полученной плотности восстанавливаются положения источников при выбранной спиральной схеме расположения. На фиг. 7 источники обозначены точками. По заданной схеме наблюдения рассчитывается для проверки карта кратности съемки (фиг. 8). Значения кратности распределены в окрестности значения 100, которое было задано как требуемая кратность при расчете размещения источников для системы наблюдений.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для проведения сейсморазведки. Выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую источники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности возбуждения, и приемники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности наблюдения, и задают кратность сейсмической съемки. Выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы и разбивают отражающую границу на бины, имеющие выбранный размер. Методом компьютерного моделирования выполняют трассировку лучей из каждого приемника в каждый бин на отражающей границе и осуществляют продолжение отраженного луча от отражающей границы до поверхности возбуждения. С помощью компьютерной программы рассчитывают плотность расположения источников на поверхности возбуждения и с учетом рассчитанной плотности расположения источников осуществляют размещение источников на поверхности возбуждения для выбранной системы наблюдений, обеспечивающее заданную кратность съемки. Технический результат - повышение точности и достоверности восстановления геологических объектов. 9 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ размещения источников сейсмических сигналов для системы наблюдений в сейсморазведке, в соответствии с которым
- выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую источники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности возбуждения, и приемники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности наблюдения,
- задают кратность сейсмической съемки,
- выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы,
- разбивают отражающую границу на бины, имеющие выбранный размер,
- методом компьютерного моделирования выполняют трассировку лучей из каждого приемника сейсмических сигналов в каждый бин на отражающей границе и осуществляют продолжение отраженного луча от отражающей границы до поверхности возбуждения,
- с помощью компьютерной программы рассчитывают плотность расположения источников сейсмических сигналов на поверхности возбуждения и
с учетом рассчитанной плотности расположения источников осуществляют размещение источников сейсмических сигналов на поверхности возбуждения для выбранной системы наблюдений, обеспечивающее заданную кратность сейсмической съемки.

2. Способ по п. 1, в соответствии с которым поверхностью наблюдения является поверхность Земли.

3. Способ по п. 1, в соответствии с которым поверхностью наблюдения является поверхность моря.

4. Способ по п. 1, в соответствии с которым поверхность наблюдения расположена в скважине.

5. Способ по п. 2, в соответствии с которым система наблюдений представляет собой систему профилей.

6. Способ по п. 3, в соответствии с которым система наблюдений представляет собой спиральную систему.

7. Способ по п. 1, в соответствии с которым при осуществлении трассировки на траектории лучей накладывают дополнительные ограничения.

8. Способ по п. 6, в соответствии с которым дополнительные ограничения представляют собой ограничения на углы отражения лучей от отражающей границы.

9. Способ по п. 6, в соответствии с которым дополнительные ограничения представляют собой ограничения на положение источников на поверхности возбуждения.

10. Способ по п. 6, в соответствии с которым дополнительные ограничения представляют собой преимущество размещения некоторых источников сейсмических сигналов перед другими.