Способ сейсморазведки Российский патент 2024 года по МПК G01V1/00 G01V1/28 G01V1/30 

Изобретение относится к области геофизических исследований (сейсморазведке) и может быть использовано для выявления сейсмических неоднородностей земной коры в диапазоне глубин от 1 м до 50 км, а именно месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых, углеводородов, а также при проведении инженерно-геологических изысканиях региональных геолого-структурных и металлогенических исследований. Способ может быть применен на различных стадиях геологоразведочных работ – от общих поисков и поисково-оценочных работ до эксплуатационной разведки и доразведки месторождений на флангах и глубоких горизонтах.

Известен способ сейсморазведки, основанный на регистрации естественного сейсмического фона не менее чем двумя сейсмоприемниками в течение от 20 до 30 минут широкополосными сейсмоприемниками с частотным диапазоном от 0,1 до 70 Гц, после чего генерируют сейсмические колебания в диапазоне 0,1-70 Гц в течение от 0,2 до 30 с, и затем снова регистрируют сейсмические колебания в диапазоне от 0,1 до 70 Гц в течение 20-30 минут, а о наличии нефтегазовых месторождений судят по увеличению площади под кривой спектра сейсмического фона по всем трем компонентам после генерирования сейсмических колебаний по сравнению с исходными (см. патент RU 2119677, опубл. 27.09.1998 г). Недостатком этого способа служит невозможность геометризации сейсмической неоднородности в недрах, обусловленной залежью углеводородов.

Известен способ поиска углеводородов, основанный на регистрации микросейсмического поля сейсмическими приемниками, расположенными на расстоянии 50-1000 м друг от друга, с учетом суточной вариации амплитуд микросейсмического поля при помощи стационарной сейсмической станции, регистрации сейсмических колебаний в диапазоне частот 0,1-20 Гц одновременно по всем измеряемым компонентам, разбивке временного диапазона, измеренного на исследуемой площади сигнала на синхронизированные по времени дискретные участки, расчете спектрально-временных характеристик, соответствующих каждому дискретному участку, анализе каждого участка на наличие помех техногенной природы и исключении их из трасс, проведении спектрально-временного анализа оставшихся дискретных участков, расчете динамических характеристик спектров мощности информационных сигналов, и выявлении залежей углеводородов по увеличению амплитуды спектральных линий в спектре дисперсии (см. RU 2386984 C1, опубл. 20.04.2010). Недостаток данного способа заключается в его ограниченности только поиском углеводородов и невозможностью применения для поиска и разведки месторождений твердых полезных ископаемых, инженерно-геологических изысканий и проведения региональных геолого-структурных и металлогенических исследований.

Наиболее близким по технической сущности решением является способ сейсморазведки, описанный в патенте RU 2271554, опубл. 10.03.2006, включающий определение дисперсионной кривой микросейсмических волн, характерной для исследуемой территории, путем проведения синхронной регистрации микросейсмических сигналов не менее чем тремя сейсмостанциями с вертикальными сейсмодатчиками с последующей оценкой по полученным данным зависимости кажущихся скоростей распространения микросейсмических волн от частоты сигнала, определение длин волн (λ) и частотного диапазона на основе анализа кажущихся скоростей, в котором микросейсмический сигнал состоит из волн Рэлея, размещение сейсмодатчиков на исследуемой территории таким образом, чтобы расстояние между ними составляло не более половины самой короткой длины волны Рэлея, определение амплитудной неидентичности измерительных каналов сейсмодатчиков в полосе частот микросейсмического сигнала путем одновременной регистрации микросейсмического сигнала всеми сейсмодатчиками в одной точке в течение времени, достаточного для установления стационарности спектра мощности микросейсмического сигнала, с последующим определением логарифмической разности спектров всех измерительных каналов сейсмодатчиков, регистрацию микросейсмического сигнала не менее чем двумя сейсмостанциями, одна из которых установлена стационарно в центральной части исследуемой территории, а остальные перемещаются по исследуемой территории, накопление спектра мощности микросейсмического сигнала в каждой точке измерений в течение времени, достаточного для установления стационарности спектра, расчет спектра пространственных вариаций микросейсмического сигнала для каждой точки измерений путем определения логарифмической разности спектра мощности для каждой точки измерений и спектра мощности микросейсмического сигнала, накопленного на сейсмостанции, установленной стационарно, в течение эквивалентного времени в тот же временной период с учетом амплитудной неидентичности измерительных каналов сейсмодатчиков, построение карты амплитудных вариаций микросейсмического сигнала для каждой частоты спектра пространственных вариаций, привязку каждой полученной карты соответствующей ей глубине Н согласно соотношению:

H = λ×K,

где K – экспериментально установленный числовой коэффициент, зависящий от

слагающих пород;

λ – длина волны Рэлея, определенная по дисперсионной кривой, м.

Недостатками данного решения являются следующие:

1. Построение дисперсионной кривой микросейсмических волн, характерной для территории проведения работ, с последующей оценкой по полученным данным зависимости кажущихся скоростей распространения микросейсмических волн от частоты сигнала, определение длин волн (λ) и частотного диапазона на основе анализа кажущихся скоростей, требует предварительных трудоемких и длительных исследований, что нивелирует экспрессность, низкие трудозатраты и себестоимость собственно проведения микросейсмического зондирования.

2. Расчет коэффициента К в уравнении определения глубинной привязки амплитуд микросейсм в зависимости от их длин волн, требует проведения математического моделирования методом конечных элементов, с учетом физико-механических свойств пород, слагающих район проведения работ. Это существенно усложняет процедуру построения двумерных и трехмерных сейсмических моделей по результатам микросейсмического зондирования, а в случае использования этого коэффициента по аналогии с другими районами, без учета реальной геологической обстановки, может приводить к существенным погрешностям в глубинной привязке выявленных сейсмических неоднородностей.

3. Алгоритм нормирования спектра мощности рабочих (передвижных измерительных) сейсмостанций на стационарную (опорную) станцию, включающий расчет логарифмической разности спектра мощности между рабочими станциями и стационарной, вносит в записи первых неконтролируемую погрешность, обусловленную уникальным спектром мощности опорной станции, обусловленной сейсмическими неоднородностями, характерными именно для места установки стационарной станции, что искажает результаты зондирования.

4. Методика построения разрезов и трехмерных моделей пространственного распределения амплитуд микросейсм не учитывает влияния рельефа, которое выражается в огибании микросейсмами поверхности Земли, что имеет особенно большое значение для высокочастотных микросейсм. Значения амплитуд микросейсм проецируются вертикально вниз от места установки измерительных станций без учета реального рельефа, тогда как необходимо проецировать амплитуды по нормали к направлению движения микросейсм, то есть по нормали к дневной поверхности. Неучет этого фактора может иметь особенно негативные последствия в близповерхностной части разреза (первые сотни метров) в условиях пересеченного горного рельефа, что приведет к существенным ошибкам в локализации сейсмических неоднородностей и неверном результате инженерно-геологических изысканий и геологоразведочных работ.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении вероятности выявления геологических структур, контролирующих размещение рудных тел и залежей углеводородов, локализации разломов, карстовых полостей, оползней и других структур, опасных для строительства зданий и сооружений, а также изучение глубинных и транскоровых структур земной коры.

При этом решается техническая задача построения двух- или трехмерных сейсмических моделей недр в выбранном интервале диапазона глубин от 1 м до 50 км на основании расчета амплитудной реакции микросейсм на сейсмические неоднородности земной коры и обработки цифровой модели дневной поверхности. По сравнению с методами активной сейсморазведки, широко применяемой при поисках и оценке месторождений углеводородов, предлагаемый способ более чем на порядок дешевле, экспресснее и проще в выполнении. Он также в несколько раз проще в реализации и экспресснее, чем модификация метода поверхностно-волновой томографии, которая основана на использовании в качестве зондирующего сигнала природного сейсмического шума (микросейсм) и базируется на кросс-корреляционной функции фазовой части функции Грина, при этом разрешающая способность предлагаемого способа на порядок выше. В отличие от известных методов, обработка данных позволяет получать результат ежедневно во время проведения съемки, что дает возможность гибко направлять работы по зондированию и, таким образом, оптимизировать объем работ при повышении их информативности.

Указанный результат достигается в способе сейсморазведки, в котором устанавливают поправочные коэффициенты для каждой сейсмостанции на основании предварительного определения амплитудной неидентичности измерительных каналов сейсмостанций в полосе частот микросейсмического сигнала всеми сейсмостанциями в одной точке в течение времени, достаточного для установления стационарности амплитудного спектра микросейсмического сигнала, определяют коэффициент К глубинной привязки амплитуд микросейсм в зависимости от их частоты с помощью априорного или апостериорного микросейсмического зондирования опорных участков с известным геологическим строением, регистрируют микросейсмический сигнал не менее, чем двумя сейсмостанциями, одна из которых установлена стационарно в качестве базовой станции, а остальные в качестве измерительных сейсмостанций перемещаются по профилям или сети с шагом, рассчитанным на попадание не менее двух пикетов на искомую неоднородность, определяют амплитудные спектры зарегистрированного микросейсмического сигнала с учетом соответствующего поправочного коэффициента для каждой сейсмостанции, нормируют амплитудные спектры измерительных сейсмостанций на базовую станцию путем определения логарифмической разности амплитудного спектра между первой записью базовой станции и всеми последующими, произведенными синхронно с записями измерительных сейсмостанций, и вычитания полученной логарифмической разности амплитудного спектра из амплитуд спектров измерительных сейсмостанций с учетом синхронизации всех записей по времени, рассчитывают глубину H привязки амплитуд микросейсм с учетом их частот ν и коэффициента К по формуле H = K/ν, определяют пространственное положение амплитуды микросейсм на глубине Н по линии проложения, проходящей через точку установки измерительной сейсмостанции и являющейся нормалью к траектории движения микросейсмы, для каждой измеренной частоты и выполняют построение сейсмической модели, отражающей скорость распространения микросейсм в геологической среде, на основании пространственного положения амплитуд микросейсм.

Поскольку предлагаемый способ основан на использовании природного сейсмического шума, он не требует искусственных источников сейсмических волн (взрывов, вибраторов и т.п.), что кроме снижения себестоимости и повышения экспрессности выполнения зондирования, обусловливает его высокую экологичность, выражающуюся в минимальном воздействии на окружающую среду. Этот способ может использоваться в условиях плотной городской застройки, в участках наличия критической инфраструктуры (подземных газопроводов и других коммуникаций), на участках, чувствительных к техногенному воздействию (заповедниках, тундре и др.).

В заявленном способе предлагается использовать природные сейсмические волны (микросейсмы) с частотой ν, лежащей в диапазоне от 0,01 до нескольких сотен герц, и распространяющихся вдоль дневной поверхности Земли. Источником низкочастотных (ν < 1 Гц) микросейсм является передача вариаций давления крупных атмосферных вихревых образований непосредственно на поверхность суши, либо через водную толщу на дно акваторий с последующим распространением по континенту, а также ветровые явления в атмосфере, волноприбойные явления на берегу морей и океанов. В одном из вариантов изобретения преимущественно использовать микросейсмы с частотой ν от 0,01 Гц до 100 Гц.

На фиг. 1 показан пример плана расположения пикетов микросейсмического зондирования (синие точки) на участке углеводородной залежи (фиолетовый контур). Положение базовой скважины показано красной точкой, а сейсмический профиль 7, с положением начального и конечного пикетов – красной линией.

На фиг. 2 показан сейсмический разрез по профилю 7 примера до глубины 6000 м. Холодные синие цвета соответствуют низкоскоростным породам, теплые (желтые, оранжевые) – высокоскоростным.

Осуществление изобретения

Заявленный способ сейсморазведки базируется на обоснованном предположении о том, что основную часть энергии микросейсм составляют поверхностные волны, вертикальная компонента которых обусловлена фундаментальными модами волн Рэлея. Используются пространственные вариации спектра мощности микросейсмических сигналов, зависящих от расположенных на различной глубине сейсмических неоднородностях земной коры.

Способ сейсморазведки включает определение амплитудной неидентичности вертикальных измерительных каналов сейсмостанций в полосе используемых частот микросейсмического сигнала путем одновременной регистрации сигнала всеми сейсмостанциями в одной точке в течение времени, достаточного для достижения периода стационарности спектра мощности, с последующим определением разности логарифмов спектра мощности и введением поправочных коэффициентов для каждого сейсмодатчика. Зондирование проводится как минимум двумя сейсмостанциями, одна из которых (базовая станция, обозначаемая B) устанавливается стационарно в выбранной точке в средней части площади проведения работ, а другие (измерительные сейсмостанции, обозначаемые R1, R2, … Rn) перемещаются по исследуемой территории. Накопление спектра мощности микросейсмического сигнала проводится одновременно базовой и измерительными сейсмостанциями в течение времени, необходимого для достижения стационарности микросейсмического сигнала во всем диапазоне используемых частот.

Учет дрейфа спектра мощности в районе выполнения съемки на всем временном интервале ее проведения производится нормированием спектра мощности базовой станции ΔT_Bx, полученного во время записи измерительной сейсмостанции ΔT_Rx, на спектр мощности первой записи базовой станции, полученной за время ΔT_B0 путем вычитания логарифма спектра мощности первой записи B₀ из логарифма спектра мощности нормируемой записи B_x, и вычитанием полученной разности из логарифма спектра мощности измерительной сейсмостанции R_x. Данный алгоритм нормирования спектра мощности базовой станции на свой первый спектр мощности и учет полученного расхождения в спектре мощности измерительных сейсмостанций за аналогичный временной интервал не вносит искажений, обусловленных уникальностью геологического строения в месте установки базовой станции, а отражает только изменение (временной дрейф) спектра мощности в районе выполнения съемки.

Выбор участка для проведения площадной съемки по сети или по серии профилей определяется в каждом случае поставленной задачей. В случае поисково-оценочных работ на углеводороды или рудные полезные ископаемые площадь должна перекрывать размер предполагаемого объекта минимум в два раза, в зависимости от геологических условий. Целесообразно проводить съемку в два этапа, когда на первом этапе проводятся рекогносцировочные относительно мелкомасштабные работы, а затем на втором этапе результаты детализируются по более плотной сети крупномасштабной съемкой.

Съемка начинается с установки базовой станции и ее включения. Место выбора базовой станции и время ее работы выбирается исходя из следующих критериев:

1. На пикете не должно быть техногенных шумов, что проверяется пробной записью.

2. Местоположение базовой станции должно быть по возможности внутри исследуемого полигона, либо на максимальном приближении к точкам зондирования. Максимальное удаление базовой станции от измерительных, при проведении мелкомасштабной съемки – не более 15-20 км. Если необходимо провести зондирование на большей территории, она разбивается на участки, с переносом базовой станции. Обработка результатов (нормирование записей измерительных сейсмостанций) проводится раздельно для каждого участка, потом все данные обрабатываются вместе.

3. Время начала работы базовой станции в течение каждого рабочего дня должно на 15-20 минут опережать время начала записи рабочих станций для уменьшения дрейфа нуля трассы, и заканчиваться после завершения работы всех рабочих станций.

Зондирование может проводиться по профилям, либо по регулярной сети, в зависимости от геологического строения площади, формы и размера объекта и поставленных задач. Расстояние между измерительными сейсмодатчиками по профилю или размер ячейки сети определяются размером сейсмической неоднородности, которую необходимо выявить, исходя из минимума в две-три точки на выявляемую неоднородность. Зондирование проводится с учетом установленной ранее амплитудной неидентичности сейсмостанций. Пример детальной сети наблюдений и расположение базовой станции при изучении литологического строения участка углеводородной залежи приведен на фиг. 1.

Время записи определяется глубинностью съемки (временем достижения стационарности разночастотных микросейсм): для глубин в десятки километров (до 50 км) время записи составляет 100-120 минут, для близповерхностного зондирования (десятки – первые сотни метров) – 30 минут. Количество рабочих сейсмометров определяется требуемой производительностью съемки. Исходя из опыта работ, оптимальным количеством является 10 рабочих сейсмометров и одна базовая станция.

Ежедневная обработка результатов заключается в расчете спектров амплитуд по всем записям, нормировании спектра базовой записи, сделанной в день съемки, на запись спектра первого дня, и нормирование спектров измерительных сейсмостанций на нормированный спектр базовой станции.

После этого, рассчитанные по спектру мощности амплитуды разночастотных микросейсм проецируются на определенную глубину H (м) исходя из формулы:

H = K/ν,

где K – эмпирически установленный коэффициент,

ν – частота зондирующей микросейсмы.

Коэффициент K зависит от скорости распространения поперечных сейсмических волн в районе проведения работ, которая априори, как правило, неизвестна. В среднем, при скорости распространения поперечных волн 2,5 км/с, коэффициент K принимает значение около 1000. Для эмпирической оценки величины коэффициента K проводится зондирование в районе с известным геологическим строением (вблизи пробуренных скважин, шахтных полей и т.п.). Подбор коэффициента K в этом случае осуществляется по условию максимального соответствия сейсмического разреза известным геологическим границам. В случае, если участков с известным геологическим строением в районе проведения работ нет, подбор коэффициента K можно проводить после получения такой информации (заверочного бурения по результатам проведения микросейсмического зондирования и т.п.), что потребует пересчета результатов зондирования с уточненным коэффициентом К.

Пространственное распределение амплитуд микросейсм осуществляется путем расчета трехмерных координат точек со значениями амплитуд микросейм, соответствующих определенным частотам, проводится с помощью построения прямых, проходящих через точку установки сейсмодатчиков и являющихся нормалями к плоскостям, осредняющим цифровую модель дневной поверхности земли в радиусе, пропорциональном глубине расположения точки с амплитудой, рассчитанной для определенной частоты с учетом коэффициента К. Данный метод позволяет рассчитывать трехмерную линию проложения, по которой отлагаются значения амплитуд микросейсм на глубину Н. Эта линия в каждой точке является нормалью к траектории движения микросейсмы, с учетом огибания дневной поверхности Земли на различной глубине от поверхности, в зависимости от частоты.

В частности, расчет трасс (глубинных точек) амплитуд микросейсм проводится на основании следующего алгоритма обработки цифровой модели поверхности земли в районе проведения съемки: (1) цифровая модель поверхности аппроксимируется плоскостью, осредняющей данную модель в квадратном окне с центром в точке зондирования. Размер окна может задаваться интерактивно, в базовом варианте – две длины волны, являющейся зондирующей для конкретной рассчитываемой глубины; (2) строится нормаль к этой плоскости, проходящей через точку зондирования (центр квадратного окна), и определяются координаты точки на расстоянии (глубине) Н; (3) этой точке присваивается атрибут – амплитуда зондирующей волны.

После построения трехмерных линий проложения значений амплитуд микросейсм под каждой точкой установки измерительных сейсмодатчиков, можно строить сейсмические разрезы по выбранным профилям, с учетом проекции результатов на выбранную плоскость, а также трехмерные модели амплитуд микросейсм, наиболее точно отражающих положение сейсмических неоднородностей, учитывающее криволинейную траекторию движения микросейсм в зависимости от рельефа дневной поверхности. Данная методика особенно актуальна при построении двух- и трехмерных сейсмических моделей в областях с горным рельефом, характеризующимся большим перепадом высот.

На фиг. 2 представлены результаты проведения микросейсмического зондирования на участке углеводородной залежи в Саратовской области до глубины 6 км, выполненного с целью изучения строения осадочной толщи. Как видно на рисунке, в верхней части разреза (глубина от 10 до первых сотен метров) преобладают низкоскоростные породы (холодные синие цвета), которые глубже (до 700-900 м) сменяются более высокоскоростными породами (желтые и оранжевые цвета). В диапазоне глубин 900-4000 м толща характеризуется умеренными скоростями, которые постепенно увеличиваются на глубину. От 4-4,2 и до 6 км находятся высокоскоростные породы, жесткость которых с глубиной существенно не изменяется.

Данные сейсмический разрез хорошо коррелирует с геологической колонкой, построенной по расположенным вблизи данного участка опорным скважинам, Верхняя часть разреза сложена песчаниками и глинами, ниже которых (200-700 м) залегают соли, известняки и доломиты, характеризующиеся высокими скоростями сейсмических волн. Основная часть разреза представлена песчаниками, алевролитами, аргиллитами, переслаивающимися с известняками и доломитами. Увеличение скоростных свойств пород на глубину до 4 км объясняется их литостатическим уплотнением. Гранито-гнейсовый фундамент представляет собой жесткую высокоскоростную среду, не подверженную уплотнению и потому не меняющую свои скоростные свойства с глубиной.

Изобретение относится к области геофизических исследований (сейсморазведке) и может быть использовано для выявления сейсмических неоднородностей земной коры в диапазоне глубин от 1 м до 50 км. В заявленном способе сейсморазведки устанавливают поправочные коэффициенты для каждой сейсмостанции на основании предварительного определения амплитудной неидентичности измерительных каналов сейсмостанций в полосе частот микросейсмического сигнала всеми сейсмостанциями в одной точке в течение времени, достаточного для установления стационарности амплитудного спектра микросейсмического сигнала, определяют коэффициент K глубинной привязки амплитуд микросейсм, регистрируют микросейсмический сигнал не менее чем двумя сейсмостанциями, одна из которых установлена стационарно в качестве базовой станции, а остальные в качестве измерительных сейсмостанций перемещаются по профилям или сети с шагом, рассчитанным на попадание не менее двух пикетов на искомую неоднородность, определяют амплитудные спектры зарегистрированного микросейсмического сигнала с учетом соответствующего поправочного коэффициента для каждой сейсмостанции, нормируют амплитудные спектры измерительных сейсмостанций на базовую станцию, рассчитывают глубину H привязки амплитуд микросейсм, определяют пространственное положение амплитуды микросейсм на глубине Н по линии проложения, проходящей через точку установки измерительной сейсмостанции и являющейся нормалью к траектории движения микросейсмы, для каждой измеренной частоты и выполняют построение сейсмической модели, отражающей скорость распространения микросейсм в геологической среде, на основании пространственного положения амплитуд микросейсм. Технический результат заключается в повышении вероятности выявления геологических структур, экспрессности и простоте в выполнении. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сейсморазведки, в котором устанавливают поправочные коэффициенты для каждой сейсмостанции на основании предварительного определения амплитудной неидентичности измерительных каналов сейсмостанций в полосе частот микросейсмического сигнала всеми сейсмостанциями в одной точке в течение времени, достаточного для установления стационарности амплитудного спектра микросейсмического сигнала, определяют коэффициент K глубинной привязки амплитуд микросейсм в зависимости от их частоты с помощью априорного или апостериорного микросейсмического зондирования опорных участков с известным геологическим строением, регистрируют микросейсмический сигнал не менее чем двумя сейсмостанциями, одна из которых установлена стационарно в качестве базовой станции, а остальные в качестве измерительных сейсмостанций перемещаются по профилям или сети с шагом, рассчитанным на попадание не менее двух пикетов на искомую неоднородность, определяют амплитудные спектры зарегистрированного микросейсмического сигнала с учетом соответствующего поправочного коэффициента для каждой сейсмостанции, нормируют амплитудные спектры измерительных сейсмостанций на базовую станцию путем определения логарифмической разности амплитудного спектра между первой записью базовой станции и всеми последующими, произведенными синхронно с записями измерительных сейсмостанций, и вычитания полученной логарифмической разности амплитудного спектра из амплитуд спектров измерительных сейсмостанций с учетом синхронизации всех записей по времени, рассчитывают глубину H привязки амплитуд микросейсм с учетом их частот ν и коэффициента K по формуле H = K/ν, определяют пространственное положение амплитуды микросейсм на глубине Н по линии проложения, проходящей через точку установки измерительной сейсмостанции и являющейся нормалью к траектории движения микросейсмы, для каждой измеренной частоты и выполняют построение сейсмической модели, отражающей скорость распространения микросейсм в геологической среде, на основании пространственного положения амплитуд микросейсм.

2. Способ по п. 1, в котором использованы микросейсмы с частотой ν от 0,01 Гц до 100 Гц.

3. Способ по п. 1, в котором базовая станция устанавливается в средней части площади проведения сейсморазведки.