Способ определения оптимальной глубины погружения заряда и построения модели ВЧР по данным бурения при проведении сейсморазведки Российский патент 2021 года по МПК E21B47/00 G01V1/00 E21B49/00 

Изобретение относится к области сейсмической разведки, в частности - для определения границ зон малых и пониженных скоростей распространения сейсмических волн при проведении сейсморазведочных работ.

Как известно, изучение ВЧР (Верхней части разреза) производится с целью определения оптимальной глубины погружения заряда (наиболее благоприятных условий возбуждения колебаний) при проведении сейсморазведки на суше с использованием взрывного источника возбуждения, а также для определения глубинно-скоростной модели (ГСМ) и расчета априорных статических поправок при проведении сейсморазведки с использованием источника возбуждения любого типа (взрывного, вибрационного, импульсного и т.д.).

На качество регистрируемого в поле сейсмического материала существенно влияют неоднородности верхней части разреза: в зоне малых и пониженных скоростей (ЗМС, ЗПС) происходит значительное поглощение энергии сейсмического импульса, особенно в высокочастотной части спектра. Значительные латеральные изменения скорости в ЗМС и мощности самой ЗМС приводят к искажениям годографов отраженных и преломленных волн. Информация о строении ВЧР позволяет учесть и скомпенсировать негативное влияние ВЧР как на этапе проведения сейсморазведочных работ за счет погружения заряда ниже подошвы ЗМС (в благоприятные для формирования сейсмического импульса условия), так и на этапе последующей обработки сейсмической информации (введение статических поправок, построение ГСМ при миграционных преобразованиях).

Известен способ определения оптимальной глубины погружения заряда с помощью проведения опытных работ по выбору глубины погружения заряда (Инструкция по сейсморазведке, 2003 г.). Способ заключается в выборе нескольких пунктов наблюдения с разными сейсмогеологическими условиями на площади проведения работ. В каждом из выбранных пунктов наблюдения бурят несколько скважин на разную глубину и производят запись сейсмограмм. По атрибутам сейсмической записи определяют оптимальную глубину погружения заряда. Недостатком данного способа является низкая плотность наблюдения из-за большой стоимости проведения таких работ.

Наиболее близким аналогом является способ определения оптимальной глубины погружения заряда и изучения строения ВЧР по данным обращенного микросейсмокаротажа (МСК) (Сборник лабораторных работ по дисциплинам: «Разведочная геофизика» и «Полевая геофизика», М.Б. Шмарева. 2013 г.). Способ заключается в регистрации на поверхности земли прямой волны, возбуждаемой на разных глубинах во взрывной скважине. В каждом пункте проведения МСК бурится скважина, возле устья которой ставятся несколько сейсмоприемников на разных расстояниях. В скважину опускают зонд, на котором закреплены гирлянды электродетонаторов, и производятся их поочередные взрывы на разных глубинах. По записям сейсмограмм МСК определяют времена первых вступлений отраженных волн, определяют вертикальное время, путем введения поправки за удаление от устья скважины, усредняют вертикальные времена для разных пунктов приема, строят вертикальный годограф и рассчитывают пластовые скорости. Глубину подошвы ЗМС определяют по резкому увеличению скорости. Основным результатом работ МСК является глубинно-скоростная модель ВЧР. Дополнительное определение оптимальной глубины погружения заряда основано на эмпирически установленной закономерности, согласно которой, наибольший сейсмический эффект достигается при погружении заряда ниже зоны малых скоростей (ЗМС). Недостатками данного метода являются:

- отсутствие надежного теоретического обоснования использования скоростей отраженных волн для определения глубины погружения заряда (используется эмпирически установленная связь);

- большая погрешность в определении скоростей (скорости для одинаковых глубин на приведенных годографах для пунктов наблюдения с разных удалений в большинстве случаев существенно отличаются);

- искажение данных при всплытии косички МСК в условиях плывуна;

- большая стоимость, и как следствие - низкая плотность проведения таких работ.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности определения глубины погружения заряда, повышение точности построения глубинно-скоростной модели ВЧР, повышение качества сейсмических данных и экономичности проведения полевых работ.

Поставленная задача решается следующим образом.

Согласно способу определения оптимальной глубины погружения заряда и построения модели ВЧР по данным бурения при проведении сейсморазведки с проведением опытных работ по выбору оптимальной глубины погружения заряда и работ МСК, дополнительно

- в процессе бурения скважин при производстве опытных работ по определению оптимальной глубины погружения заряда и при проведении МСК производят непрерывную запись параметров бурения, по которым определяют значение удельной энергоемкости бурения и параметры связности горных пород, характеризующие оптимальную глубину погружения заряда;

- при проведении основных сейсморазведочных работ непосредственно в процессе бурения каждой скважины определяют оптимальную глубину погружения заряда, по выбранным параметрам связности;

- по результатам работ МСК находят корреляционную зависимость между связностью и скоростью продольных волн;

- по данным бурения строят высокоплотные модели прочностных и упругих характеристик горных пород, по которым, с учетом найденных корреляционных связей, рассчитывают глубинно-скоростную модель ВЧР и априорные статические поправки.

Существенное отличие предложенного способа от известных заключается в дополнительном определении величины связности, характеризующей прочностные характеристики породы, напрямую влияющие на оптимальные условия заложения заряда.

Поскольку перераспределение энергии и формирование сейсмического импульса в результате взрыва происходит в ближней зоне и зависит в большей степени от прочностных свойств горных пород, чем от упругих - прочностная характеристика (связность) больше подходит для определения оптимальной глубины погружения заряда.

Как известно, независимо от способа разрушения горной породы до одной и той же степени дробления, энергия разрушения остается постоянной, то есть удельная энергоемкость разрушения горной породы является ее константой. Поскольку термин «энергоемкость» используется для характеристики процесса разрушения, для петрофизической характеристики горной породы более подходящим будет название «связность» - энергия связи между структурными зернами горной породы. В настоящее время термин «связность» используется для качественной характеристики степени связи между минеральными зернами терригенных горных пород. К примеру, несвязный песок, слабосвязный песчаник, связный песчаник. Для однотипных пород связность является количественной мерой, характеризующей дефектность или ослабленность горной породы (RU, патент 2050013,GOIV 9/00, 1992.). Поскольку на разрушение жидкой и газообразной фазы энергия не тратится, пористость и трещиноватость напрямую влияют на связность, понижая ее. При бурении одним долотом с параметрами бурения, рационально подобранными (минимизирующими энергоемкость бурения) для каждого типа буримых пород, гранулометрический состав остается практически постоянным, что обеспечивает соответствие энергоемкости бурения параметру связности.

На практике реализация способа определения оптимальной глубины погружения заряда и построения модели ВЧР по данным бурения при проведении сейсморазведки, осуществляется следующим образом:

Для измерения энергоемкости бурения буровую установку оснащают определенным набором датчиков и модулем обработки и записи числовых данных (RU патент 2541977 С2, 2012.),

по показателям которых рассчитывают энергию, затрачиваемую при бурении, по следующей формуле:

где Р - вертикальная сила на забое скважины, кН/м; S - площадь поперечного сечения скважины, м²; М - крутящий момент бурового инструмента, кН-м; n - частота вращения, с^-1; v - скорость поступательного движения бурового инструмента, м/с.

Поскольку в процессе бурения не вся энергия расходуется на разрушение горной породы, суммарные затраты энергии при бурении оценивают по формуле:

Е - общая энергия, расходуемая на бурение,

Ер. - энергия, расходуемая на разрушение горной породы на забое,

Ет. - энергия, расходуемая на транспортировку выбуренной породы от забоя к устью скважины.

Параметр Ет. в зависимости от способа бурения определяют следующим образом:

- при роторном бурении для учета энергетических потерь, не идущих на разрушение горных пород, периодически проводят замеры расхода энергии на холостом ходу;

- при шнековом бурении для учета энергетических потерь производят замеры расхода энергии при бурении специально подготовленной скважины, засыпанной сухим несвязным песком. Фактически при бурении рыхлого несвязного песка вся энергия будет расходоваться только на транспортировку бурового шлама от забоя к устью скважины. По графику зависимости энергоемкости от глубины определяют затраты энергии на транспортировку выбуренной породы.

Далее, с учетом полученного параметра энергетических потерь Ет. определяют связность горной породы:

По результатам измерения параметров бурения и последующего вычисления параметра связности получают график изменения связности вдоль ствола пробуренной скважины с шагом 10-50 см (зависит от шага измерения первичных параметров бурения). Для определения оптимальной глубины погружения заряда, дополнительно рассчитывают эффективную связность в ближней зоне. Расчет эффективной связности проводится путем осреднения графика связности с помощью весовой функции скользящего среднего с базой осреднения, которую выбирают прямо пропорционально весу заряда. Все параметры осредняющего фильтра (весовое окно, база сглаживания, функция сглаживания) выбирают по результатам опытных работ. Выбранные параметры заносят в вычислительный блок и во время выполнения основных производственных сейсморазведочных работ осуществляют определение оптимальной глубины заложения заряда в автоматическом режиме.

Полученные на практике результаты эмпирических исследований на карьерах при проведении буровзрывных работ свидетельствуют о положительной корреляционной связи между энергоемкостью бурения и скоростью продольных волн. Коэффициент корреляции составил 0,96, что говорит об очень высокой тесноте связи между данными параметрами (Разрушение горных пород при бурении и взрывании. Я.М. Додис, В.И. Нифадьев. Учебное пособие. Бишкек. 2006 г.). Прочностные и упругие свойства относятся к одной категории механических свойств и дополняют друг друга. Упругие свойства (скорость продольной волны) являются косвенным признаком прочностных свойств горных пород. Эффективность использования скоростей продольных волн для определения глубины заложения заряда также свидетельствует о тесной связи прочностных и упругих свойств горной породы, то есть о наличие высокой положительной корреляционной связи между этими параметрами. Данный факт позволяет решить вторую задачу - построение модели ВЧР.

После производства основных сейсморазведочных работ при наличии данных МСК рассчитывают корреляционные зависимости между параметром связности и скоростью сейсмических волн. На основе найденных корреляционных связей между упругими и прочностными свойствами горных пород строят модель ВЧР и рассчитывают априорные статические поправки.

Таким образом, предложенный способ определения оптимальной глубины погружения заряда и построения модели ВЧР по данным бурения при проведении сейсморазведки обеспечивает:

- повышение надежности определения оптимальной глубины погружения заряда, поскольку используется прочностная характеристика горных пород, напрямую связанная условиями формирования сейсмического импульса. Применение методов комплексирования на основе корреляционных связей с привлечением данных МСК позволяет дополнительно повысить надежность получаемых результатов;

- повышение плотности наблюдения (латеральная разрешенность) при определении оптимальной глубины погружения заряда и построении модели ВЧР в случае взрывной сейсморазведки;

- применение методов комплексирования на основе корреляционных связей с привлечением данных МСК позволяет построить высокоплотную глубинно-скоростную модель (ГСМ), на основе которой рассчитываются более точные априорные статические поправки;

- повышение экономической эффективности работ. Применение данного способа сокращает число перебуров в местах с плохими условиями ВЧР, поскольку обеспечивается возможность оперативно определять места, где необходимо более глубокое бурение. Для реализации предложенного способа нет необходимости проводить дополнительный объем работ, так как запись параметров бурения производится автоматически и не влияет на производительность работ;

- повышение качества полевого сейсмического материала. Известно, что низкоплотные съемки МСК не могут спрогнозировать локальные аномалии строения ВЧР, что приводит к ухудшению полевого сейсмического материала. Предложенный способ не имеет данных недостатков, поскольку строение ВЧР определяется оперативно в процессе бурения и непосредственно в тех точках наблюдения, где производится возбуждение сейсмического импульса.

Реализация предложенного Способа определения оптимальной глубины погружения заряда и построения модели ВЧР по данным бурения при проведении сейсморазведки не требует применения специального оборудования. Достаточно использовать оборудование, которое уже успешно применяется в инженерной геологии (RU патент 2541977 С2, 2012.) и при добыче полезных ископаемых на карьерах (http://blastmaker.kg/services-and-products/assd-bs-kobus), что соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».

Таким образом, на основании изложенного полагаем, что поставленная задача изобретения решена в полном объеме.

Изобретение относится к области сейсмической разведки, в частности - для определения границ зон малых и пониженных скоростей распространения сейсмических волн при проведении сейсморазведочных работ. Техническим результатом является повышение точности и надежности определения глубины погружения заряда, повышение точности построения глубинно-скоростной модели верхней части разреза (ВЧР), повышение качества сейсмических данных. Способ, согласно которому проводят опытные работы по выбору оптимальной глубины погружения заряда и работы микросейсмокаротажа (МСК), отличающийся тем, что дополнительно в процессе проведения опытных работ по определению оптимальной глубины погружения заряда и при проведении МСК производят непрерывную запись параметров бурения, по которым вычисляют значение удельной энергоемкости бурения и параметр связности горных пород, характеризующей оптимальную глубину заложения заряда, при проведении основных сейсморазведочных работ, непосредственно в процессе бурения каждой скважины, определяют оптимальную глубину заложения заряда по выбранным параметрам связности, по результатам работ МСК находят корреляционную зависимость между параметром связности и скоростью продольных волн, по данным бурения строят высокоплотные модели прочностных и упругих характеристик горных пород, по которым, с учетом найденных корреляционных зависимостей, рассчитывают глубинно-скоростную модель ВЧР и априорные статические поправки.

Способ определения оптимальной глубины погружения заряда и построения модели верхней части разреза (ВЧР) по данным бурения при проведении сейсморазведки, согласно которому проводят опытные работы по выбору оптимальной глубины погружения заряда и работы микросейсмокаротажа (МСК), отличающийся тем, что дополнительно

- в процессе проведения опытных работ по определению оптимальной глубины погружения заряда и при проведении МСК производят непрерывную запись параметров бурения, по которым вычисляют значение удельной энергоемкости бурения и параметр связности горных пород, характеризующей оптимальную глубину заложения заряда;

- при проведении основных сейсморазведочных работ, непосредственно в процессе бурения каждой скважины, определяют оптимальную глубину заложения заряда по выбранным параметрам связности;

- по результатам работ МСК находят корреляционную зависимость между параметром связности и скоростью продольных волн;

- по данным бурения строят высокоплотные модели прочностных и упругих характеристик горных пород, по которым, с учетом найденных корреляционных зависимостей, рассчитывают глубинно-скоростную модель ВЧР и априорные статические поправки.