МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

залегающих под подошвой соляной толщи кунгурского яруса. В последние приблизительно 35 лет подсолевые отложения стали основным объектом поисков углеводородов, а также более полного представления об особенностях строения Прикаспийской впадины. Подсолевые горизонты в региональном плане залегают весьма полого, т. е. фактически так же, как горизонты соответствующего возраста (в верхней перми, карбоне и девоне) в восточных районах Русской платформы. Обычно прослеживается от 2 до 4 подсолевых горизонтов, причем часто отношение сигнал / помеха на временах достаточно велико и они отчетливо выделяются на исходных сейсмограммах ОТВ. Главная трудность выявления локальных структур в подсолевых отложениях состоит в учете неоднородности вышележащей среды, вызванной, в первую очередь, наличием соляных куполов с большой мощностью соли, обладающей повышенными, но не везде одинаковыми скоростями, изменяющимися в среднем в пределах 4,5 - 5,0 км / с. Средние скорости в прилегающих к куполу мульдах приблизительно на 30 % меньше, чем в сводовых, частях соляных штоков. По этой причине подсолевые горизонты в местах расположения соляных диапиров образуют на временных разрезах ложные антиклинальные поднятия. Тем не менее, задачу прослеживания подсолевых горизонтов в большинстве случаев удается решать с удовлетворительной точностью, как для Прикаспийской впадины, так и для других крупных нефтеносных областей.

Глава 3. ТЕХНИКА ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН

3.1. Аппаратура регистрации упругих поперечных волн.

Сейсморегистрирующий канал. К настоящему времени сложилась определенная технология проведения сейсмических исследований независимо от типа используемых упругих волн. Это привело к унификации структуры сейсморегистрирующего тракта, включая и сейсмостанцию в целом. Архитектура регистрирующих систем определяется процедурами дискретизации аналоговых электрических сигналов, генерируемых сейсмоприемниками при колебании почвы и, в первую очередь, динамическим и частотным диапазонами этих колебаний. Сюда можно отнести и способы передачи информации на вход сейсмостанции по кабелям телеметрической связи. Эти способы, как и технические средства их осуществляющие (предварительные усилители, фильтры, АЦП, модуляторы, демодуляторы и т. п.), одинаковы для регистрации продольных и поперечных волн, поэтому на их описании остановимся только конспективно, поскольку это дается в общем курсе сейсморазведки.

37

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Сейсмический канал записи-воспроизведения состоит из технических устройств, относящихся к линейным системам. Линейность этих устройств и системы в целом определяют следующие свойства:

1.амплитуда сигнала на выходе всегда прямо пропорциональна амплитуде сигнала на входе при неизменной форме колебаний;

2.отклик системы на несколько одновременных воздействий является результатом суперпозиции откликов на отдельные воздействия;

3.при прекращении внешнего воздействия система совершает свободные (собственные)

колебания.

Длительность этих собственных колебаний определяет разрешающую способность системы, т. е. возможность раздельно записывать и воспроизводить последовательные вступления импульсных сигналов.

Характеристика сейсмических сигналов. Сейсмические волны на пути распространения от источника теряют свою энергию вследствие расхождения, отражения, поглощения, обмена, рассеяния и других факторов, поэтому амплитуды сигналов ослабляются с течением времени. Для количественной оценки этого ослабления пользуются понятием естественного динамического диапазона Dе, выражаемого величиной отношения амплитуд наиболее сильного Аmax и слабого Аmin из записываемых колебаний в диапазоне времени регистрации:

De = 20 lg Amax / Amin.

Динамический диапазон определяет требования к величине входного сигнала по техническим характеристикам сейсмического канала и средств обработки. По имеющимся данным при записи отраженных волн De обычно не менее 80–100 дБ, а преломленных –

40–60 дБ.

На рис. 7 приведена типовая структура сейсмического канала записи. Сигналы от сейсмоприемников (СП № 1. . . N) поступают на аналоговые предварительные усилители (ПУ1), имеющие трансформаторный вход, ограничивающий пропускание инфранизких

Рис. 7. Структурная схема сейсмического канала записи: 1 – предварительные усилители; 2 – коммутатор каналов; 3 – основной усилитель; 4 – преобразователь аналог-код; 5 – форматтер: 6 – регистратор; 7 – распределитель информации вспомогательных каналов; СП1. СПn – номера сейсмоприемников.

38

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

частот и снижающий взаимные влияния каналов. Обычные коэффициенты усиления ПУ от 30 до 100. В них входят частотные фильтры: низких ФНЧ, высоких ФВЧ и режекторный РФ.

ФНЧ подавляет составляющие колебаний, кратные частоте квантования. Граничные частоты ФНЧ – 62, 5 и 125 Гц. Крутизны фильтров – 80 Дб / окт. ФВЧ подавляет низкочастотные помехи. Предусматривается несколько граничных частот: 18, 20, 32 Гц с крутизной их АЧХ от 18 до 36 Дб / окт. РФ подавляют помехи от электрических сетей переменного тока частотой 50 Гц не хуже 40-60 Дб. Сигнал с выхода ПУ1 подается на коммутатор каналов 2, обеспечивающий дискретизацию сигналов по времени. Одновременно коммутатор выполняет функции временного уплотнения входных сигналов (мультиплексирование). С выхода коммутатора сейсмические сигналы в виде амплитудноимпульсных выборок поступают в единый для всех каналов основной усилитель 3, где они окончательно усиливаются системой мгновенного автоматического регулирования (МАРУ) с плавающей запятой. Затем сигналы поступают на преобразователь аналог-код (ПАК) 4, осуществляющий квантование по уровню, после чего эти последовательности чисел передаются в форматтер 5, который формирует коды в соответствии с избранным форматом записи. Эти закодированные последовательности подаются на магнитный регистратор или другое устройство памяти.

Информация вспомогательных каналов, включающих запись отметки момента и вертикального времени, с выхода коммутатора 2 поступает на распределитель 7, откуда заносится в основной усилитель 3, ПАК 4 и форматтер 5 и далее на регистратор 6.

Сейсморазведочные станции. Сейсморегистрирующая система, у которой начальное преобразование аналоговой информации в цифровую осуществляется непосредственно на профиле вблизи от места ее регистрации с последующей передачей цифровой информации на базовую регистрирующую систему, называется телеметрической.

Телеметрические сейсмостанции – это сложно организованные и многофункциональные устройства, включающие в себя: телеметрический канал связи (КС), полевые модули системы (ПМ), центральную регистрирующую систему

(ЦРС).

Основой действия телеметрического канала связи (КС) является пространственновременной признак передачи данных от ПМ к ЦРС. При этом, в силу ограниченности пропускной способности канала связи, зарегистрированная сейсмическая информация от ПМ в ЦРС передается вне реального времени процесса регистрации сейсмограмм. Наиболее часто используют последовательный способ передачи информации начиная этот процесс с самых удаленных ПМ. В результате этого запись информации в ЦРС

39

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

происходит спустя некоторое время после окончания работы ПМ в режиме записи. Вследствие этого при использовании радиоканала связи с ПМ можно ограничиться лишь одной несущей радиочастотой для передачи информации. Ведущее место в мировой практике сейсморазведки занимают телеметрические системы со связью по кабелям и радиоканалу.

Основой ПМ – является тракт записи одно – шестиканальной сейсмостанции. Каждый блок полевого модуля (ПМ) является цифровой минисейсмостанцией со всеми блоками и принципом работы, изложенными выше.

Центральная регистрирующая станция представляет собой набор ряда функционально связанных между собой устройств, работающих под управлением центральной ЭВМ. В основе ЦРС лежит блок регистрации и контроля сейсмических данных. Он выполняет все функции, связанные с отождествлением нумераций регистрирующих линий, сбор информации, ее первичную обработку и запись для долговременного хранения. Управление работой станции осуществляет мощная ЭВМ. Полевые модули подключаются к блоку регистрации через линейные интерфейсные модули. ЦРС содержит устройство управления работой источников.

Блок-схема ЦРС приведена на рис. 8.

Рис. 8. Блок-схема центральной регистрирующей станции – ЦРС: 1 – блок регистрации и контроля станции; 2 – управляющая ЭВМ; 3 – плоттер; 4 – принтер; 5

– линейные интерфейсные модули; 6 – устройство управления сейсмическими источниками; 7 – ленточные магнитофоны; 8 – системы связи с линейным персоналом на профиле.

Для подключения линий полевых модулей к центральной регистрирующей станции применяются специальные соединительные модули. При этом, если расстояние между линиями ПМ выше 800 м, то в соединительную линию включают блок поперечного ретранслятора–повторителя. Структура многолинейной расстановки, работающей в системе телеметрической станции приведена на рис. 9.

Питание ПМ в линии осуществляется через определенное число ПМ посредством специальных устройств, подключаемых к аккумуляторным батареям.

Рис. 9. Принципиальная схема регистрирующей телеметрической сейсморазведочной станции: 1 – центральная регистрирующая станция-ЦРС;

40

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

2 – полевые модули ПМ; 3 – сейсмоприемники; 4 – телеметрический канал связи.

Ниже приведены основные технические характеристики отечественных телеметрических сейсморазведочных систем СТС − 24 и «РОСА», которые обеспечивают параметры сейсморегистрирующего тракта необходимые для изучения высокоскоростного разреза при частотном диапазоне упругого импульса от 40 до 250 Гц. Канальность каждой из них не менее 300. Форматы записи цифровой информации – сейсморазведочные общепринятые. Объем памяти СТС – 24 достаточен для непрерывной записи информации в течение 15 минут, а «РОСА» обеспечивает постоянную работу регистраторов в течение нескольких суток. Связь по радиоканалу. Синхронизация работы через внутренний таймер или через спутниковую систему точного времени. Наиболее современной разработкой является телеметрическая система «РОСА», которая строится путем последовательного соединения автономных полевых 4-х канальных модулей рис.10.

Рис. 10. Полевой модуль сейсмостанции «РОСА-А»

Основные технические данные сейсмостанции «РОСА»: количество каналов, шт - 4;

АЦП - 24;

интервалы дискретизации, (программируемый через 2n) мс- 0,125 − 16,0; динамический диапазон, Дб - 120; мощность, потребляемая на 1 канал, Вт -1,7;

диапазон температур, °С - от −40 до 60; объем памяти, GB- 4;

габариты, мм245×98×90; масса, кг - 1,6.

Мало канальная аппаратура ЛАККОЛИТ-Х-М2 выгодно отличается малыми габаритами и массой, что позволяет работать без дополнительной техники и обслуживающего персонала.

Основные технические данные: число каналов - 24,

41

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

диапазон частот записи, Гц	- 5-8000,
усиление сигналов, Дб - 0, 20, 40;

уровень шумов, приведенный ко входу, мкВ - 0,25; время регистрации, мс3072;

диапазон температур - от −30 до 50 °С; потребляемая мощность, Вт - 5;

управление станцией в операционной системе WINDOWS.

Основное использование системы – решение задач инженерной сейсморазведки, глубинность исследований до 500 м.

Сейсмостанция СТС–24Р для региональных сейсмических работ Основные технические характеристики регистратора: количество каналов регистрации - 6;

интервал дискретизации, мс - 0,25÷16,0; аналого-цифровой преобразователь -24 разряда; мгновенный динамический диапазон, Дб - 120; коэффициент нелинейных искажений, % - < 0,002; взаимные влияния между каналами, Дб - < –110;

потребляемая мощность в рабочем режиме на канал, Вт - < = 0,4; способ питанияаккумулятор на 6 каналов; масса, кг - < 5; габариты, мм - 242х242х150;

диапазон рабочих температур, °С - –40÷+60; скорость передачи данных по линии связи в реальном времени, Мб/с - 8; длительность регистрации - отсчетов до 200 000.

3.2. Датчики для регистрации S-волн

Датчики, или сейсмоприемники, представляют собой физические приборы для преобразования механических колебаний почвы в электрические сигналы. Каждый современный электродинамический сейсмоприемник состоит из механической части и электромеханического преобразователя, нагруженного на активное электрическое сопротивление, соединенных между собой. В качестве преобразователей применяются устройства на основе явления электромагнитной индукции. Они устроены так, что при перемещении инертной массы относительно корпуса изменяется величина магнитного

42

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

потока, проходящего через витки катушки, являющейся частью преобразователя. В сейсмоприемниках используется электродинамический преобразователь, в котором постоянный магнит, жестко соединенный с корпусом прибора, контактирующего с почвой, движется относительно катушки индуктивности, присоединенной к корпусу прибора посредством упругих пружин, которые обеспечивают режим запаздывания перемещения катушки относительно корпуса или инерционность массы катушки. Таким образом, если не предпринять некоторых мер, то сейсмоприемник точно зафиксирует начало первоначального толчка корпуса, после чего перейдет в режим собственных свободных колебаний катушки относительно корпуса. Частота этих колебаний определяется известной формулой (см. Часть 1 курса лекций п. 1.1)

ω2 = K /m,

где K– жесткость пружины; m – масса катушки с проводом. Для того, чтобы избежать искажающего влияния собственных колебаний системы на форму электрического сигнала, порождаемого динамикой смещения почвы, сейсмоприемники настраивают на оптимальный режим затухания подбором

шунтирующего активного сопротивления. Величина этого затухания, как правило, подбирается экспериментально и определяется жесткостью пружины подвеса катушки и ее массой по нижеследующей формуле hопт = (K/2m),1/2 обозначения см. выше. Рабочий диапазон сейсмоприемника составляет полосу частот от резонансной до значения второго электромеханического резонанса. В этой полосе частот отклик подвижной части современных сейсмоприемников пропорционален скорости смещения почвы. Типовая конструкция сейсмоприемника электродинамического типа представляет собой механическую систему, симметричную относительно оси цилиндрического постоянного магнита 2, жестко присоединенного к корпусу сейсмоприемника. Подвижной системой является катушка индуктивности 6 на каркасе 7, изготовленного из диэлектрического и проводящего материала. В первом случае затухание осуществляется за счет добавочного внешнего сопротивления, шунтирующего обмотку катушки. Во втором случае затухание обеспечивается токами, наведенными в каркасе, и также дополнительным шунтирующим сопротивлением. Центрирование подвижной системы осуществляется верхней 1 и нижней 4 крышками, которые имеют установочные места для полюсных наконечников 3 и внешнего магнитопровода 8. Подвесная система присоединена к ирисовым пружинам 5, 9. Они позволяют катушке индуктивности 6 с каркасом 7 перемещаться только по оси сейсмоприемника. Крепление пружин к катушке и к полюсным наконечникам осуществляется через зажимные кольца, что показано на рис. 11 .

43

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Рис.11. Типовая конструкция сейсмоприемников с вертикальной и горизонтальной осями чувствительности.

Разберем чем отличаются cейсмоприемники, регистрирующие колебания, поляризация которых лежит в азимутальной плоскости, от тех же датчиков, но воспринимающих колебательные движения вдоль вертикали. Рассмотрим дифференциальные уравнения двух механических сейсмоприемников, оси чувствительности которых ориентированы в пространстве ортогонально друг другу, по осям OZ и OX соответственно.

для компоненты z для компоненты х,

где h = H/2m – коэффициент затухания; - частота собственных колебаний подвижной катушки сейсмоприемников; v – механическое увеличение сейсмоприемника; Н – коэффициент пропорциональности между силой затухания и скоростью смещения подвижной массы m – масса подвижной системы сейсмоприемника; ξ и δ - амплитуды смещений корпуса сейсмоприемника по оси z и x соответственно. При равенстве коэффициентов двух уравнений при неизвестных функциях z(t) и x(t) легко видеть, что решения их будут совершенно одинаковы. Однако, из рис. 11 следует, что конструктивно эти сейсмодатчики существенно отличаются друг от друга исполнением подвижной системы, состоящей из катушки индуктивности L и механической связи ее с корпусом датчика, осуществляемой как в том, так и в другом случае, посредством пластинчатых упругих пружин. Так, если пружинный подвес для вертикального сейсмоприемника состоит всего лишь из одной пластинки, то для горизонтального таких пластинок две (рис. 12).

Первая – смещения	Вторая – смещение в
по вертикали	горизонтальной плоскости

Рис. 12. Механическая схема работы сейсмоприемников вертикального и горизонтального типов.

Для того, чтобы ωz = ωx необходимо равенство упругих жесткостей Кх1 = Кх2

Kz = Kx1 + Kx2 = 2Kx

Отсюда следует, что упругость пружины датчика для регистрации вертикальных смещений почвы должна быть больше, чем у датчика, записывающего горизонтальные

44

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

колебания в два раза. Вместе с тем, равенства упругих жесткостей первой и второй пластинчатой пружины подвеса добиться очень трудно, что отображается на появлении дополнительных резонансных частот. Такие и подобные этой схемы закрепления подвижной массы широко используются в технике. Вернемся к главе 2 части I курса лекций п. 2.1, где рассмотрены задачи колебаний системы маятников. В этой задаче положим, что К1 ≠ К2 и К1 = К2 + К. В отличие от задач п. 2.1 ч. I, в сейсмоприемнике размещена всего лишь одна подвижная катушка массы m, но с корпусом она соединена посредством двух упругих связей. По этой причине уравнений, описывающих движение массы m, будет также только одно. Запишем обычное одномерное уравнение Гельмгольца: , где m – масса катушки, х – амплитуда смещения из положения равновесия, F – возвращающая сила, действующая на катушку СП слева и справа, пропорциональная величинам сжатия и растяжения пружинных элементов К1 и К2.

Проектируем эти силы на ось Х:

F1 = - К1Х1; F2 = -K2X1. Общая суммарная Fвозвр. будет равна сумме F1 и F2, т. е. F= - (K1+K2) x = -(K2+K2+ K) x =-2K2 x (1+ K/2K2). Подставим в уравнение и получим следующее:

или форма общего представления свободных линейных механических колебаний, где

.

Таким образом, для сейсмоприемника, регистрирующего горизонтальные смещения собственная частота оказывается несколько отличающейся от тех датчиков, которые имеют только один упругий подвес.

Каждый сейсмоприемник характеризуется собственной диаграммой чувствительности к определенному типу смещения в колебательном процессе, то есть, обладает определенной избирательностью, которая определяется его пространственным положением. В общем случае чувствительность сейсмоприемника электродинамического типа зависит от угла θ между направлениями векторов осцилляций на фронте волны и перемещения его катушки индуктивности, что определяется простой тригонометрической функцией cos θ. В графическом изображении эти функции чувствительности представляют собой две касающиеся друг друга окружности. Радиус каждой из них равен амплитуде электрического сигнала, снимаемого с выхода электродинамического преобразователя, смещение которого вызвано действием единичной силы. Таким образом, формы диаграмм чувствительности сейсмоприемников разных типов одинаковы, но ориентированы в двух взаимно перпендикулярных направлениях - азимутальном для горизонтальных и полярном для вертикальных смещений.

45

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

3.3. Трехкомпонентные установки сейсмоприемников.

Изучение поляризации сейсмических волн связано с исследованием динамики пространственных изменений полного вектора колебаний при распространении упругих волн и, следовательно, с трехкомпонентными наблюдениями. Если на первых этапах развития сейсмической разведки так же, как и в сейсмологии, производились в основном трехкомпонентные наблюдения, то с переходом на многоканальную регистрацию продольных отраженных волн практически все сейсморазведочные наблюдения выполнялись с регистрацией только одной вертикальной составляющей колебаний. В то же время специфические трудности и несовершенство трехкомпонентных наблюдений в значительной степени ограничивали развитие исследований, основанных на использовании поляризации сейсмических волн. В связи с развитием исследований по созданию многоволнового метода необходимо было в первую очередь существенно усовершенствовать аппаратуру и технику трехкомпонентных наблюдений.

Параметры сейсмических каналов и отдельные звенья стандартной аппаратуры, входящие в каждый канал (сейсмоприемник, усилитель, регистрирующее устройство и т. д.), различаются по частотному диапазону и чувствительности (увеличению). К выбору этих параметров следует относиться ответственно, так как от них в значительной степени зависит эффективность многоволновых исследований. Выбор параметров при трехкомпонентных наблюдениях аналогичен таковому при однокомпонентных наблюдениях и достаточно хорошо известен и здесь не рассматривается. Основное внимание уделено характеристике и оценке существующих трехкомпонентных установок сейсмоприемников как для наземных, так и для скважинных измерений, способам и устройствам для получения ориентированных записей при наблюдениях в скважинах, получению сейсмограмм для поляризационного анализа и последующей геологической интерпретации. Трехкомпонентные наблюдения выполняются с использованием трех сейсмоприемников, установленных в одной точке взаимно перпендикулярно друг другу. Эта трехкомпонентная группа, предложенная в свое время Б. Б. Голицыным, состоит из одного вертикального (z) и двух горизонтальных сейсмоприемников (x и y), которая получила название ортогональной асимметричной установки.

Симметричные (однородные) трехкомпонентные установки также состоят из трех взаимно перпендикулярных сейсмоприемников, но наклоненных к горизонту под одинаковым углом. Поскольку эти установки существенно различаются по принципу

46