МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

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

предпочтителен в этом отношении барьерный источник (нижняя сейсмограмма), который в данном случае обладает наивысшими значениями параметров П и Д.

Следующий пример, изображенный на рис. 30, иллюстрирует соотношение горизонтов на временных разрезах, полученных суммированием по системе ОГТ сейсмограмм продольных и поперечных волн в условиях развития сухих и относительно крепких песчано-глинистых отложений ВЧР Прикаспийской впадины.

Рис. 30. Временные разрезы по профилю, расположенному в межкупольной мульде пл. Мунайлы, (Прикаспийская впадина, республика Казахстан), а - продольные волны, б-поперечные волны. 12 кратное ОГТ (Упрощенный вариант траншейного источника с параметрами однократного воздействия: тип ВВ – ДШУ; количество ВВ – 3 нити по 50 м; шаг между сейсмоприемниками -25 м; шаг между ПВ – 50 м, группирование сейсмоприемников – 19 на канал, группирование источников – 2 параллельные нити.

На разрезах РР и SS волн, в данном случае Sh поляризации одинаково отчетливо прослеживаются все основные отражающие границы. Отражения на временах 0,8 с по продольным и 2,0 с по поперечным волнам соответствуют кровле неокома, на временах 1,0 с и 2,8 с – подошве неокома на РР и SS волнах соответственно. Горизонты П1 и П2 – подсолевые границы, залегающие на глубинах более 6 км.

Сравнивая качество отображения отражающих горизонтов на всех временах, можно однозначно говорить об идентичности всех горизонтов геологического разреза. Вместе с тем, разрез, построенный на материалах, полученных с применением источника УВТИ, более предпочтителен, поскольку отношение полезный сигнал-помеха существенно больше 1.

Рис. 31. Фрагменты временных разрезов, выполненные МОГТ на поперечных волнах

(∑6). Горбуновская площадь. Западная Сибирь. Источники: а - скважинный камуфлетный (q

= 10 × 0,8 кг); б - барьерный (q = 3 ×50 мДША).

Приведенные фрагменты убедительно свидетельствуют в пользу применения барьерного источника, который обладает способностью генерировать поперечные волны в условиях почти 100 % влажности грунтов.

87

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

Как было отмечено, вибрационные источники поперечных волн в нашей стране пока опробованы мало, в первую очередь, из-за недостаточного развития технических средств. Представляет значительный интерес сравнить результаты взрывного и вибрационного возбуждения сдвиговых колебаний в связи с тем, что волновое поле горизонтального вибратора практически свободно от тех волн помех, которые обусловленны симметричной частью взрывного направленного У- воздействия. Такое сопоставление было произведено на Северской площади Краснодарского края при совместных работах по методу ОГТ с ЦГЭ Миннефтепрома в 1976 г. Был опробован последовательно один и тот же профиль протяженностью 5 км с макетом горизонтального вибратора и источником УВТИ.

Продолжительность сеанса вибрации на одной точке составляла 6 сек, накапливалось

16 воздействий на базе 35 м. Параметры УВТИ: у = 0,76 м, hз = 0,35 м, q = 2 х 30 м ДША в две запашки. Вибрационный источник перемещался по утрамбованной грунтовой дороге. Большая часть точек взрывного возбуждения располагалась на полях со свежевспаханным черноземом при влажности почвы более 15 %.

Временные разрезы при 12-ти кратном суммировании представлены на рис.32, а,б. Сопоставляя разрезы между собой можно сказать, что по качеству прослеживания основных маркирующих горизонтов и по глубине освещения разреза два источника возбуждения сдвиговых колебаний не уступают друг другу. Таким образом, в данном районе после процедуры вычитания противоположно направленных воздействий во взрывном источнике отношение сигнал-помеха становится практически таким же, как и в поле вибрационного источника. Тем не менее, несколько более уверенно и четко просматриваются отражения на временах разреза 4 – 5,5 с. При этом надо иметь ввиду, что временной разрез рис. 32, построен по записям от источника «Вибролокатор» на материалах, зерегистрированных цифровой сейсмостанцией, в то время как от источника УВТИ – аналоговым трактом сейсмостанции «Поиск».

Следующие сейсмограммы иллюстрируют результат прямого сопоставления при проведении работ методом ВСП на площади Доссор (Прикаспийская впадина) трех типов источников поперечных волн: вибрационного (комплекс "Вибролокатор"), эталонного траншейного и скважинного камуфлетного. На рис. 33 приведены записи прямых волн, полученные при глубине расположения скважинного регистрирующего прибора 2100 м и У -направленности источников. Сопоставимая интенсивность Sh волны получена при

Рис. 32. Временные разрезы МОГТ (∑I2) на волнах Sh - Северская площадь Краснодарского края: а - горизонтальный вибратор; б - УВТИ.

следующих параметрах: сеанс вибрации 7 мин, амплитуда силы виброисточника 10 т; заряд ВВ 2 х 50 м ДША (на воздействие каждого знака) располагался в траншее шириной

88

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

0,7 м на глубине 0.35 м,; у = 2 м, рабочий заряд 10 х 2 кг на глубине 3 м в камуфлетном источнике (во влажных породах). Чистота воздействий различается очень сильно. При вибрационном источнике на всех компонентах полностью отсутствует запись Р-волны. Траншейный источник также характеризуется высокой чистотой, однако на суммарной трассе есть слабая запись Р-волны (t ≈ 0,9 с). На записях камуфлетного источника (в режиме открытого канала) необращающиеся волны забивают целевую поперечную, и только с применением очень низкочастотной фильтрации удается ее четко выделить.

Рис. 33. Запись прямых нисходящих сейсмических волн скважинным прибором на глубине 2100 м. Купол Доссор Прикаспийская впадина: а – «Вибролокатор»; б – взрыв заряда в траншее шириной 0,7 м на глубине 1 м; в – УВТИ – взрыв 3 линий ДША длиной 15 м; г – скважинный камуфлетный источник – взрыв заряда вв на глубине 3 м.

Сопоставление ударных и взрывных воздействий. Эти работы проводились в Гурьевской области в районе куполов Танатар и Доссор. В первую очередь было проведено сравнение источников УВТИ и мощной установки при падении маятника весом 1000 кг с высоты 5 м. Верхняя часть разреза в этих районах практически одинакова и характеризуется наличием достаточно крепких сухих суглинков, сцементированных минеральными солями. Для более качественного сравнения самый верхний наиболее рыхлый слой лессовидного грунта предварительно снимался бульдозером. Затем на ровную площадку устанавливалась платформа, по которой производился горизонтальный +У удар маятником. Здесь же подрывались линейные заряды различной длины в упрощенном варианте траншейного источника. Удар маятника с высоты 5 м эквивалентен взрыву 15 м ДША в барьерном источнике.

В районе купола Доссор была проведена регистрация на наземной расстановке прямых преломленных волн до удалений 2250 м, а также отраженных поперечных Sh волн от III-го горизонта при глубине его около 500 м. На рис. 34, а продемонстрирована сейсмограмма, на которой видна достаточно четкая отраженная Sh волна с отношением сигнал-помеха 0,7.

Рис. 34 б иллюстрирует запись той же отраженной волны от ±У воздействий источника УВТИ, параметры которого были предварительно оптимизированы применительно к грунтовым условиям и составили:

q = 4 х 50 м ДША, y = 0,76 м, hз = 0,35 м. Запись отраженной волны в этом случае разрешена более четко и прослеживается по всей длине расстановки. Отношение сигналпомеха примерно составляет 1,75-2. Обращает на себя внимание факт обогащения спектра

89

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

отраженной поперечной волны более низкими частотами при ударном возбуждении по сравнению со взрывами в полости с поглотителем.

Из представленного выше материала становится совершенно очевидным, что главную роль в успешной работе методами многоволновой сейсморазведки играют источники возбуждения поперечных волн.

Рис. 34. Сравнение записей отраженной волны Sh от Ш горизонта: а - ударный источник, б - УВТИ.

В этом самая основная трудность в использовании поперечных монотипных волн в отличие от обменных. Важнейший признак сдвиговых колебаний – это поляризация, исследование изменений которой по разрезу дает совершенно новый информативный параметр сейсморазведки. Поляризация поперечных волн непосредственно связана с характеристиками горных пород, залегающих на глубине, в особенности такими, как: пористость, трещиноватость, напряженное состояние, углы наклона границ и особенностей их пространственной конфигурации. Особая ни с чем не сравнимая роль принадлежит поперечным волнам в условиях блокового строения и дробления пород на глубине, когда структурное разделение вещества границами, как в классической сейсморазведке, становится не только проблематичным, но и практически невозможным. Это утверждение,

впервую очередь, относится к задачам поиска и разведки залежей углеводородов в новых структурных этажах геологического разреза таких, как породы триаса и палеозоя. Именно здесь интенсивные тектонические процессы, протекавшие в древние времена, привели в полному разрушению границ в их сейсмическом смысле. В результате чего сформировались геологические тела, построенные из отдельных блоков различной размерности, разделенные протяженными разломами, сбросами и т. п. образованиями. В этих условиях значение и роль систем возбуждения возрастает и становится определяющей

впроцессе разработки технологии сейсморазведки. Именно по этим причинам в варианте МВС разработан целый арсенал способов возбуждения и механизмов для их практического осуществления. Весь арсенал состоит из трех основных групп источников, обеспечивающих главное требование, без которого невозможно обеспечить генерацию монотипной поперечной волны с заданным состоянием поляризации – строгое горизонтально направленное силовое воздействие на грунт или породу.

Кпервой группе, характеризующейся одновременно высокими показателями направленности, но одновременно и незначительным энергетическим эквивалентом, трансформирующимся в кинетическую энергию сдвигового колебания, относятся все

90

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

поверхностные импульсные и вибрационные воздействия осуществляемые по различного рода платформам. Как правило, они возбуждают поперечные волны низкого частотного состава, малой интенсивности, но не требуют производства противоположно направленного воздействия. Это источники мало глубинных исследований, которые непременно требуют использования технологии накапливания существенно больших количеств однократных воздействий.

Вторая группа возбудителей относится так же к поверхностному типу источников, но , вследствие использования химических ВВ, обладает повышенной концентрацией энергии в единице объема конструкции источника. Эта группа обеспечивает любую мощность однократного воздействия, а, следовательно, и глубину проникновения монотипной поперечной волны. Главным недостатком источников этой группы является необходимость подавления паразитных волн продольного типа, которые генерируются с такой же, если не большей интенсивностью. Для подавления помех необходимо использовать принцип фазовой инверсии поперечной волны в источнике, т. е., производить два идентичных воздействия с одной и той же координатой источника на профиле таким образом, чтобы горизонтальные составляющие силового воздействия на среду были развернуты друг относительно друга на 180 °. А это, как видно, дополнительные материальные затраты, которые надо произвести в этом случае. Тем не менее, источники барьерного типа и УВТИ нашли в свое время широкое применение вследствие того, что мало зависели от изменений физических свойств грунтов ВЧР, обладая удлиненной базой группирования.

Наконец к третьей группе относятся все источники скважинного типа, то есть, те, которые располагаются на глубине более 3 м от поверхности земли. Они обладают высокой идентичностью в параметрах возбуждаемых поперечных волн вследствие устойчивых условий возбуждения на глубине. Вместе с тем, генерация продольных волн в этом случае наиболее интенсивна по причине повышенного водосодержания в глубинных породах. При их применении, так же, как и при поверхностных взрывных источниках необходимо использовать принцип фазовой инверсии. Кроме того, группирование элементарных источников типа трех рядной группы позволяет обеспечить практически любую мощность однократного воздействия, обеспечивая повышение глубинности исследований МВС.

Заметим, что скважинный источник типа трехрядной группы разрабатывался для того, чтобы использовать разработанные к тому времени технологию подготовки источника возбуждения продольных волн взрывами в скважинах. Этой цели удалось добиться,

91

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

приспосабливая материальную часть и технологию к задачам подготовки источников S- волн.

Глава IV. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЙ НА ПОПЕРЕЧНЫХ И ОБМЕННЫХ ВОЛНАХ

4.1. Свойства поперечных колебаний

Напомним основные свойства поперечных волн, известные нам из Части II курса лекций. В первую очередь – это отличие величин скоростей распространения поперечных и продольных волн в одних и тех же породах и условиях их залегания, а именно: величина скоростей S волн гораздо меньше, чем P, а их отношение имеет специальное обозначение

γ. Скоростная характеристика. СS / СP = γ; СS = γ СP откуда следует, что для сохранения тех же принципов фазовой корреляции необходимо уменьшить расстояние между каналами при регистрации поперечных волн по сравнению с продольными, по крайней мере, в γ раз, это примерно в двое.

Времена регистрации поперечных волн всех типов гораздо больше, чем продольных волн одноименных классов, поэтому в любых геологических ситуациях они наблюдаются на более удаленных от начала записи участках сейсмограммы, что соответствует более интенсивному полю помех, как правило низкоскоростных, или на фоне многократно отраженных продольный и обменных волн. Причем помехи – регулярные волны самых разнообразных типов, включая поверхностные, каналовые, рэлеевские, лявовские и другие, которые могут проявлять признаки фазовой инверсии и не в полной мере подавляться процедурой вычитания сейсмограмм противоположно направленных воздействий.

Частотные особенности поперечных колебаний. Они в два раза более низкочастотны чем продольные. Отсюда и параметры регистрирующего канала должны быть более открытыми в низкочастотную область. Максимумы спектров прямых Р и S волн различаются в месте возбуждения в 1,5÷2,5 раза и зависят от свойств грунтов. На частоты отраженных волн влияет тонкая слоистость разреза. При этом спектры волн, отразившихся от разных горизонтов, существенно различаются. Вместе с тем, существует подобие между спектрами продольных и поперечных отраженных волн. Трансформация же спектров один в другой может быть произведена в соответствии с соотношением скоростей γ CP = CS по примерной формуле: fS ≈ γnfP где n может принимать значения от 1

до 1.5÷2. Кроме того, экспериментальные исследования показали, что в пределах точности

92

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

измерений спад интенсивности поперечных и продольных волн отраженных от одной и той же границы фактически одинаков, независимо от различия в коэффициентах поглощения в диапазоне исследованных глубин вплоть до 5 км. В некоторых случаях мы можем говорить о равенстве показателей добротности поперечных и продольных волн, т.

е.:

4.2. Направленность систем наблюдений

Азимутальная неравномерность функции характеристики направленности источников.

Асимметричность ортогональной установки сейсмоприемников в азимутальной плоскости. Она пропорциональна cos ϕ, где ϕ - угол между осью прибора и направлением смещения частиц во фронте волны. Для волн типа Sh – cos ϕ = 1 и не зависит от свойств верхней части разреза. Для волн типа Sv – cos ϕ ≈ 1 но только в тех условиях, где ВЧР сложена низкоскоростными породами. В других случаях, особенно в районах Западной и Восточной Сибири, где распространены многолетнемерзлые породы и трапповые интрузии, залегающие непосредственно вблизи поверхности земли, необходимо учитывать коэффициент пропорциональный cos θ, где θ - угол выхода волны на дневную поверхность, отсчитываемый от вертикали.

Свойства системы «источник-приемник» (ИП): ядро преобразования отклика сейсмоприемника для волн типа Sh – sin2φ, а для волн Sv – cos2ϕ cos2θ. Появляется дополнительный множитель cos2θ. Для продольных волн это ядро преобразования содержит только один множитель cos2θ, где θ - угол выхода волны или угол излучения. При этом ядро преобразования отклика сейсмоприемника на волну Sh не содержит функции, зависящей от полярного угла, в отличие от других типов волн, поэтому являются по сути самыми выгодными для использования. Системы ИП в многоволновых исследованиях обозначают следующим образом:

монотипные системы возбуждения - регистрации

Y - y - возбуждение волн источником с ориентацией горизонтальной силы перпендикулярно направлению профиля (ось x), прием сейсмоприемниками с осью максимальной чувствительности в том же направлении;

X - x - возбуждение волн источником с ориентацией горизонтальной силы вдоль направления профиля (ось x), прием сейсмоприемниками с осью максимальной чувствительности параллельной профилю;

93

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

Z - z - возбуждение волн с ориентацией силы в источнике по вертикали (ось z), прием сейсмоприемниками с осью максимальной чувствительности по вертикали.

Смешанные системы возбуждения-регистрации:

Y - y, - x - возбуждение волн источником с ориентацией горизонтальной силы перпендикулярно направлению профиля (ось x), прием сейсмоприемниками с осями максимальной чувствительности расположенных в направлениях ортогональных друг другу, одна из которых (x) направлена вдоль профиля;

X - x,- y - возбуждение волн источником с ориентацией горизонтальной силы вдоль направления профиля (ось x), прием сейсмоприемниками с осями максимальной чувствительности в направлениях ортогональных друг другу, одна из которых (x) направлена вдоль профиля;

X - x,- z - возбуждение волн источником с ориентацией горизонтальной силы вдоль направления профиля (ось x), прием сейсмоприемниками с осями максимальной чувствительности в направлениях ортогональных друг другу, одна из которых (x) направлена вдоль профиля, другая – по вертикали;

Z - z,- x - возбуждение волн с ориентацией силы в источнике по вертикали (ось z), прием сейсмоприемниками с осями максимальной чувствительности по вертикали и вдоль профиля;

Y-Z - y, - x - z - возбуждение волн источником с ориентацией сил перпендикулярно направлению профиля (ось x) и по вертикали, прием сейсмоприемниками с осями максимальной чувствительности расположенных в направлениях ортогональных друг другу, одна из которых (x) направлена вдоль профиля; асимметричная установка 3С;

X-Z - y, - x - z - возбуждение волн источником с ориентацией сил вдоль направления профиля (ось x) и по вертикали, прием сейсмоприемниками с осями максимальной чувствительности расположенных в направлениях ортогональных друг другу, одна из которых (x) направлена вдоль профиля; асимметричная установка 3С;

Z - z,- x - y - возбуждение волн с ориентацией силы в источнике по вертикали (ось z), прием сейсмоприемниками с осями максимальной чувствительности расположенными в направлениях ортогональных друг другу, одна из которых (x) направлена вдоль профиля; асимметричная установка 3С;

При регистрации отраженных РР волн с точечными источниками типа вертикальной силы или пульсирующего шара (взрывы) особенности волновой картины определяются только свойствами геологического разреза и по существу не зависят от направления на источник !!! Отсюда вытекает возможность использования площадных систем с одним

94

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

возбудителем или минимальным их количеством, а так же томографических методов восстановления изображений объектов.

Для поперечных волн системы наблюдений существенно асимметричны, особенно при линейных профилях. В этих случаях система наблюдений должна быть ориентирована так же, как и система возбуждения. Как правило, для регистрации S волн используют горизонтальные сейсмоприемники, но иногда их можно заменить и на вертикальные. Их оси чувствительности располагают либо вдоль профиля (координата x), либо перпендикулярно ему (-y), при этом реализуются поименованные выше системы наблюдений. Главные из них Х-x и Y-y. Можно добиться и такого положения, когда групповой источник реализует в пространстве симметричное относительно вертикального направления излучение S волн. Однако в этом случае излучение S волн по вертикали отсутствует. Если регистрация проводится одиночными сейсмоприемниками, то направленность системы сохраняется. Для полной симметрии систем наблюдений, сейсмоприемники размещаются по замкнутой линии с центральной симметрией, то есть по окружности. Правда и здесь будет нулевая интенсивность сигнала для волн восходящих по вертикали независимо от их типа Sv или Sh.

Таким образом, системы наблюдений поперечных волн исключают традиционные для продольных волн способы площадных наблюдений, томографии и даже широкий профиль. Реализация многоканальных площадных наблюдений проводится путем последовательного суммирования данных, полученных по ряду линейных профилей, имеющих конфигурацию квадратной или прямоугольной сетки с соответствующим расположением источников и приемных датчиков.

Корреляционные особенности. Более низкая частота поперечных колебаний при одновременном снижении скоростей распространения приводят к тому, что волновой импульс растягивается во времени, а годограф более круто наклоняется к координате профиля. Естественное требование к величине временного сдвига меньше чем TS / 4 приводит к тому, что расстояние между каналами для регистрации поперечных волн должно быть, по крайней мере, в 1 / γ раз меньше чем для наблюдения продольных волн в тех же условиях.

где:

СS – скорость распространения S волн, f – частота колебаний S волн, но СS = γ СP;поэтому

Линейная поляризация S волн, генерируемая источником. Здесь возможна однокомпонентная система наблюдений по типу Х-х или Y-y. Как правило, рассматриваются те свойства среды, которые обеспечивают линейную поляризацию S

95

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

волн в источнике. Поскольку среды, состоящие из геологических пород с такими простыми свойствами, встречаются достаточно редко, то линейная поляризация поперечных волн независимо от их происхождения практически не сохраняется. Это приводит к необходимости использовать смешанные схемы возбуждения-регистрации.

4.3. Метод поперечных отраженных волн

Земля как геологическое тело состоит из толщи слоев горных пород. В общей сейсмологии рассматривают слои, мощность которых измеряется не одним десятком километров. При этом предполагается, что слои концентрически вложены друг в друга и опираются на сферическое внутреннее ядро. При поисках нефти и газа – это основная задача любого метода сейсморазведки – рассматривают в качестве геологического тела лишь земную кору, а на самом деле ее небольшую часть. Простейшей схемы чередования слоев уже недостаточно. В этом случае, поскольку скопления нефти и газа связаны с осадочными породами, которые встречаются в тех местах, где первичные горные породы были эродированы или, где в прошлом были моря и океаны. В течение многих миллионов лет геологической истории остатки морской и наземной фауны подвергались воздействию давления, температуры и жизнедеятельности бактерий в результате чего превращались в соединения жидких углеводородов и горючие газы. Эти продукты скапливаются в ловушках разного рода (Глава I). Некоторые из них имеют чисто гидростатическую природу, а некоторые возникают вследствие одновременного действия гидростатики и процессов, вызванных проницаемостью породы, т. е. в некотором смысле и гидродинамикой. На основе более чем 70-ти летнего опыта проведения сейсмических наблюдений установлено, что сейсморазведка должна выявлять продуктивные площади размерами 1х1 км2 При этом необходимо получить данные о свойствах пород, залегающих на глубинах от 100 м до 6-7 км. В некоторых случаях месторождения могут сосредотачиваться в одном слое пористых песчаников мощностью всего 3 м, поэтому от сейсмического метода требуется высокая точность и разрешающая способность. В этой связи сейсмический метод отраженных волн, в том числе поперечных, который и составляет в целом основу многоволновой сейсморазведки, является скорее искусством высокой пробы, чем наукой о возбуждении и регистрации упругих волн разных типов на поверхности и во внутренних точках среды.

Методически МВС прошла практически все этапы развития, которые были свойственны сейсморазведке на монотипных продольных волнах. Как правило, они сходны с теми, которые используются для регистрации продольных отраженных волн.

96