Первые волны дополнительный информационный канал. Их обработка и интепретация Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

2007

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА__________________

Геология Вып. 4 (9)

Первые волны - дополнительный информационный канал. Их обработка и интепретация

Б. А. Спасский, И. Ю. Митюнина

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15, E-mail: [email protected]

Подводятся итоги 25-летних исследовательских работ по изучению и учету особенностей распределения скоростей упругих волн в горных породах верхней части геологического разреза (до глубин 100-200 м) по материалам сейсморазведочных работ на нефть и газ. Оценивается роль факторов, приводящих к возникновению погрешностей, даны примеры использования предложенных технологий.

25 лет сотрудники кафедры геофизики Пермского государственного университета занимаются вопросами учета скоростных неоднородностей верхней части геологического разреза (ВЧР) по материалам сейсморазведочных работ на нефть и газ. Основное направление этих исследований связано с использованием информации о временах вступлений первых (в общем случае преломленных или рефрагированных) волн, регистрирующихся на полевых сейсмограммах в методе отраженных волн по методике общей глубинной точки (МОВ ОГТ). За эти годы обработаны годографы первых вступлений по многим сотням километров сейсмических 20 и 30 профилей в самых различных сейсмогеологи-ческих регионах: Волго-Уральская провинция (Пермский край, Удмуртия, Самарская и Волгоградская области), Западная и Восточная (наличие траппов) Сибирь, Предкарпатский прогиб. В первые годы, когда в производственных условиях построение скоростных моделей ВЧР для расчета статических поправок (исключающих скоростные неоднородности ВЧР при построении сейсмических разрезов) повсеместно проводилось в основном по данным микросейсмокаротажа, такие работы но-

сили скорее исследовательский характер (типа смешного хобби).

В последние годы расчет статических поправок по временам первых вступлений в МОВ ОГТ оказался востребованным и приобрел повсеместный характер. Появились автоматизированные способы формирования скоростной модели ВЧР и расчета поправок. Основным недостатком большинства из них является применение методов решения обратной задачи, рассчитанных на использование упрощенных моделей строения среды, что не позволяет получать высокую точность результатов во многих регионах. Поэтому в сейсморазведке по-прежнему остро стоит проблема исключения искажающего влияния скоростных неоднородностей пород ВЧР и расчета статических поправок, появляются многочисленные публикации на эту тему. С учетом этого факта хотелось бы подвести некоторые итоги, вытекающие из результатов проведенных нами за прошедшие годы работ.

Оказалось, что информация, содержащаяся во временах первых вступлений, может быть использована не только для расчета статических поправок (внутренней задачи сейсморазведки МОВ), но и для решения инженерно-геологических, экологических и целого

© Б.А.Спасский, И.Ю.Митюнина, 2007

ряда других задач, важных для развития промышленных регионов РФ. За последние годы многие территории России покрылись достаточно густой сетью сейсмических профилей МОВ ОГТ (нефтегазопоисковые работы). Полевые записи сохраняются на электронных носителях. Поэтому информация о строении верхней части разреза (о скоростях распространении волн в ВЧР) вполне может быть востребована при проектировании дорог, неф-те- и газопроводов, изучении карста, сейсморайонировании территорий и решении целого ряда других задач.

Большинство исследователей, занимавшихся интерпретацией данных МПВ, отмечает, что точность решения обратной задачи и расчета параметров среды здесь сравнительно невелика [3 - 6, 9]. С учетом этого с конца 60-х гг. объемы работ МПВ (по сравнению с объемами исследований методом отраженных волн) заметно убывают. В настоящее время метод преломленных волн мало знаком выпу-скникам-геофизикам, не говоря о геологах смежных специальностей [2]. Такое положение, сложившееся на практике, вполне объяснимо.

Большое влияние на развитие МПВ оказал доказанный теоретическими и экспериментальными данными факт [1, 9], что в области первых вступлений, особенно на расстояниях свыше нескольких сотен метров, на сейсмограммах регистрируются в основном рефрагированные, отраженные (закритиче-ские), а также кратные волны различных классов, а головные преломленные волны имеют сравнительно небольшую интенсивность. Волновые поля, соответствующие этим классам волн, часто являются интерференционными и регистрируемые в первых вступлениях колебания меняют свои параметры при изменении строения и свойств пород ВЧР. При интерпретации эти особенности волнового поля обычно не учитывают, и для решения обратных задач используют способы, основанные на теории «чистых» преломленных волн, аппроксимируя реальные (часто криволинейные) годографы прямыми линиями. При наличии сравнительно простых моделей строения ВЧР (двухслойная среда, слабо расчлененный рельеф поверхности наблюдения, малые вариации пластовых скоростей по ла-терали) использование «классической» теории преломленных волн вполне оправданно. Но в случае усложнения скоростных моделей при

решении обратных задач возникают значительные погрешности расчета параметров ВЧР, которые и сказываются на точности конечных результатов.

При «классической» обработке годографов МПВ (их аппроксимации прямыми линиями) обычно (до подсчета скоростей и времен ^0) не снимается разброс времен первых вступлений каждого канала, обусловленный высокочастотными скоростными неоднородностями зоны малых скоростей и рельефом поверхности наблюдения. Это приводит к возникновению погрешностей расчета скоростей по годографам (особенно при их малой длине) и ошибок при определении времен ^0 (используемых для расчета глубин преломляющих горизонтов) за счет неточной аппроксимации годографов прямыми линиями.

Поскольку реальные скоростные модели ВЧР являются сложными и многослойными, значительное влияние на времена прихода волн в первых вступлениях оказывают явления преломления лучей на границах раздела и случаи «выпадения» (пропуска) отдельных слоев разреза. В условиях Пермского края это явление приводит к значительным расхождениям между реальными скоростными моделями и моделями сред, полученными при интерпретации материалов МПВ [15]. Эти расхождения оказывают значительное влияние как на точность расчета глубин отдельных границ, так и на характер различия между вертикальными и «псевдовертикальными» [15] годографами, полученными по данным МПВ. При этом даже в случае 4-5-слойного разреза среды по материалам МПВ обычно восстанавливаются только 2-3-слойные модели с погрешностями по глубине до 40-50% (и более). Вследствие этого возникают проблемы корреляции «одноименных» преломляющих горизонтов по отдельным профилям и площади наблюдений. К этому следует добавить и то, что граничные скорости, определяемые по годографам МПВ, часто несколько завышены относительно средних и эффективных скоростей, полученных по скважинным наблюдениям и наземным сейсмическим исследованиям МОВ.

С учетом этих причин интерпретация информации о временах прихода первых волн, регистрирующихся в первых вступлениях, должна начинаться с их обработки, в процессе которой необходимо по возможности освободиться от факторов, приводящих к воз-

никновению погрешностей, присутствующих в наблюденных временах.

В простейшем случае (двухслойная среда, горизонтальная граница) уравнение годографа преломленных волн имеет вид

(1)

Здесь / и ] -точки возбуждения и приема колебаний, находящиеся друг от друга на расстоянии Ь; / = агс8т У\/У2 - критический угол; И, У\ и У2 -соответственно мощность пласта и скорости в покрывающей и подстилающей толщах, а А 1кин - поправка, связанная с наклоном годографа преломленной волны, называемая, по аналогии с МОВ, кинематической. При наклонной преломляющей границе, залегающей под углом ф:

А

• 8ІП (І ±

Л,

V,,.

(2)

где Укаж -кажущаяся скорость, определяемая по годографу преломленной волны.

В случае многослойной покрывающей толщи величина ^ может быть вычислена по формуле

— У

-А2На

1 Ук

-0081

кп

(3)

Величина к - текущий номер слоя, а п - номер преломляющего слоя.

С учетом этих выражений уравнение годографа первых вступлений можно представить в виде ряда слагаемых, которые описывают те или иные погрешности [13, 14, 16], связанные с отличием особенностей строения реальной модели от теоретической среды (заложенной в уравнениях 1 - 3):

\

(4)

Здесь -время регистрации первой волны на расстоянии Ь от пункта возбуждения, -время, определяемое по точке пересечения продолжения годографа головной волны с осью времен (в точке Ь=0). Все прочие слагаемые в уравнении (4) характеризуют погрешности времен ^0, которые возникают за счет различных факторов (при определении величин t0 по годографу, при расчете кинематической поправки, за счет недоучета угла наклона преломляющей границы, присутствия скоростных неоднородностей и отличий вы-

сотных отметок в точках возбуждения и приема, присутствия случайных ошибок измерений времен).

Времена прихода волн в первых вступлениях всегда можно считать случайными величинами, отягощенными погрешностями, обозначенными в уравнении (4). Поэтому традиционные годографы, подвергающиеся интерпретации в МПВ, можно считать случайными функциями. Чтобы выявить и исключить погрешности различного происхождения при обработке случайных функций, следует использовать достаточно протяженные реализации таких полей, наблюдаемые по профилю или площади, т.е. использовать всю совокупность имеющихся времен, а не отдельные годографы (или пары встречных годографов), полученные в отдельных точках наблюдений.

Для исключения этих погрешностей было предложено [11, 13, 14, 16идр.] использовать при обработке формирование по каждому профилю временные поля первых волн ^X, Ь) по принципу постоянного удаления Ь=сош1;, когда Х - пикеты по профилю. Поле ^Х, Ь) в этом случае представляется несколькими линиями ^=сош1(Х), которые характеризуют времена прихода волн на разных пикетах Х при постоянном удалении между пунктами возбуждения и пунктами приема (рис.1). При наблюдениях 30 формируются кубы времен ^Х, У, Ь), когда каждому удалению Ь=сош1 будет соответствовать его двумерное изображение ^=сопй(Х, У) (карта).

Если в сейсморазведке говорят о годографах, то всегда подразумевают годографы ОПВ (в терминологии МОВ ОГТ), когда при одном пункте возбуждения при построении годографов времена откладываются на графиках в точках, соответствующих пикетам приема. Но формирование годографов и полей можно проводить по другим принципам (ОГТ, ОПП, Ь=соп81;). При построении годографов (полей) по ОГТ (более правильно говорить - по общей глубинной площадке) время регистрации волны относится к середине интервала наблюдения (Ьу/2). При формировании полей времен по ОПП времена регистрации (при разных ПВ) относятся к точкам наблюдения (одному ПП).

Преимуществом формирования времен по принципу ОГТ (рис. 1, а) является совпадение взаимных времен в каждой точке, соответствующих прямым и встречным наблюдениям. Недостатком является суммирование

і

п

к

0

0

всех погрешностей и невозможность их выде- новения при прямых (для ОПП) или встреч-

ления по отдельности. ных (для ОПВ) наблюдениях. Это позволяет

При формировании полей по ОПП или путем суммирования времен в заданном диа-

ОПВ (рис. 1, в, б) происходит фиксация вре- пазоне удалений выявить присутствие ло-

мен аномальных участков на разных удалени- кальных неоднородностей и исключить их из

ях (на кривых ^=сош1(Х)) на пикетах их возник- временных полей.

^ мс а

0 2000 4000 6000 8000 Х, м

^ мс

0 2000 4000 6000 8000 Х, м

Рис. 1. Временные поля первых волн, сформированные по ОГТ (а), ОПВ (б) и ОПП (в)

Наличие на временных полях участков, для которых характерно различие граничных скоростей по прямым и встречным наблюдениям, свидетельствует о наклоне преломляющей границы.

Поскольку свойства полей времен, сформированных по разным принципам, отличаются друг от друга [12, 13, 14, 16], то при различных их формированиях, с последующим суммированием (или без него), при применении к полям пространственных фильтров

или других процедур обработки имеется возможность выявить и исключить те или иные члены уравнения (4). Это позволяет определить и природу аномальных участков: изучить характер положения их в пространстве (по глубине и простиранию), выявить высокочастотную составляющую, возникшую из-за небольших по протяженности, но геологически обусловленных неоднородностей разреза, или низкочастотную (структурную), характеризующую общие особенности изменения свойств горных пород в ВЧР, а также выявить случайную компоненту полей. Каждую составляющую можно вычленить по профилю или площади для различных временных (глубинных) интервалов разреза, сопоставить характер их изменения с особенностями геологического строения и установить происхождение аномальных по свойствам зон. Вычитая эти компоненты из временных полей, можно упростить структуру полей, а затем уже переходить к собственно количественной интерпретации с определением параметров разреза, используя для этого любые, наиболее подходящие способы решения обратной задачи МПВ, известные в литературе [5 - 9].

Примеры применения такой технологии обработки и интерпретации информации о первых волнах, регистрируемых в первых вступлениях на сейсмограммах МОВ ОГТ, достаточно широко опубликованы в печати. Они позволяют решать как задачи расчета статических поправок [10] при проведении сейсморазведочных работ на нефть и газ, так и изучения по этим же материалам характера изменения физико-механических свойств пород (местоположения зон разуплотнения) при проектировании или мониторинге инженерных объектов на территориях развития карста или проведения добычных работ [17].

В качестве примера можно привести результаты анализа первых волн, проведенного в пределах востока Русской платформы на территории Пермского Прикамья. Полевые 20 работы МОГТ проведены ОАО «Перм-нефтегеофизика» с вибрационными источниками возбуждения при использовании центральной системы наблюдений с шагом между каналами 25 м и пунктами возбуждения 25 и 50 м, максимальное удаление Ь составляет 1200 м. Общая протяженность профилей -260 км.

При производственной обработке материалов в ОАО «Пермнефтегеофизика» расчет

статических поправок выполнялся в предположении о постоянной средней скорости У=2000 м/с до уровня приведения (А^+\00 м). Получены суммарные временные разрезы довольно хорошего качества, и в результате интерпретации материалов выделен целый ряд малоамплитудных (12-15 м) приподнятых участков, перспективных на залежи углеводородов. Однако из-за небольшой обеспеченности параметрическими данными, достоверность сейсмических построений не выглядит абсолютно уверенной, что сдерживает освоение выделенных объектов бурением.

Нами была проведена обработка временных полей первых волн по всем профилям, получены скоростные разрезы У(х, Н) и, после увязки данных на пересечениях профилей и двумерной фильтрации поля скоростей в различных глубинных интервалах, построена трехмерная модель среды У(х, у, Н), представленная на рис. 2, а. Детальный анализ пространственного распределения скоростей с использованием различных сечений куба У(х, у, Н) (рис. 2, б, в), а также его трансформант позволил выявить в ВЧР три разнородные по строению толщи пород.

Верхний слой охватывает приповерхностную часть среды до глубин 30-40 м и отличается сильной изменчивостью скоростей (У=\500-2100 м/с) при закономерном уменьшении значений скоростей в северо-западной и восточной частях территории. Кроме того, в этом слое отмечаются максимальные градиенты изменения У (рис. 2, г), которые на востоке площади наблюдаются в верхнем 20метровом слое разреза, а на западе - приурочены к подошве пласта, приводя к образованию резкой границы раздела слоев.

Подстилающие отложения характеризуются, как правило, относительным постоянством скоростного строения (У=2100-2400 м/с), однако толщины этого слоя пород весьма существенно варьируют в пределах изучаемого участка. Так, в центральной части площади выделяется зона резкого сокращения толщин слоя, которая с трех сторон (запада, юга и северо-востока) окаймляется участками повышенной мощности толщи, достигающей на юго- и северо-востоке площади 150 м и более.

Нижний слой высокоскоростных пород (У>2500 м/с) картируется по временным полям первых волн не повсеместно. Наиболее мощные выступы отложений этого слоя про-

слеживаются в центре участка в виде достаточно широкой полосы, простирающейся с северо-запада на юго-восток территории, а также на северо-востоке площади. Кроме того, в пределах площади отмечаются отдель-

ные локальные высокоскоростные аномалии, например, вблизи скважин 3 и 6952.

Рис. 2. Скоростная модель ВЧР (а); горизонтальные (б) и вертикальные (в) сечения куба скоростей У(х, у, Н); куб вертикальных градиентов скоростей (г) (1 - сейсмические профили; 2 - номера скважин)

С учетом выявленных закономерностей скоростного строения ВЧР был проведен расчет статических поправок по временным полям первых волн, что дало возможность уточнить корреляционную зависимость СтП от отметок рельефа поверхности наблюдений, которая оказалась нелинейной. Высокий коэффициент корреляции (0.981) позволяет использовать уравнение регрессии в дальнейшем для прогнозной оценки СтП на сопредельных территориях.

Одновременно сотрудниками ОАО «Перм-нефтегеофизика» был проведен расчет статических поправок по первым вступлениям с использованием программы FATHOM (Green Mountain). В целом характер их изменения соответствует графикам поправок, вычисленных по результатам интерпретации временных полей первых волн (рис. 3, а). Однако, сравнение суммарных временных разрезов МОГТ, полученных с различными вариантами

СтП при одинаковом графе обработки, показывает, что при вводе статических поправок, рассчитанных по временным полям, на времени Г0<0.1с суммарных разрезов МОГТ начинает формироваться отражающий горизонт с довольно хорошим качеством прослеживае-мости (рис. 3, б). Это свидетельствует о высокой эффективности суммирования сигналов по ОГТ и, следовательно, высокой точности расчетных поправок, вычисленных по временным полям.

В то же время сопоставление схем изменения различных вариантов статических поправок и их различий со структурной картой по целевому отражающему горизонту позволило установить, что выделяемые на этой площади небольшие по размерам структуры не коррелируются с зонами аномальных изменений упругих свойств ВЧР и, следовательно, отражают строение глубинных интервалов разреза.

Рис. 3. Сопоставление графиков статических поправок (а) и фрагментов суммарных временных разрезов МОГТ, полученных с поправками, рассчитанными по временным полям первых волн (б) и по программе Fathom (в)

Анализ материалов, полученных в самых разных сейсмогеологических условиях, показывает, что процесс расчета статических поправок по первым волнам может осложняться невысокой глубинностью исследований, которая при длине годографа до 1.5 км часто не превышает 150-200 м. В этом случае, после снятия влияния верхнего интервала отложений (ввода СтП) целесообразно провести второй этап изучения скоростной характеристики разреза: по сейсмограммам L=const (с введенными СтП) провести корреляцию и построение полей t(x,L) волн (преломленных, отраженных, обменных), регистрирующихся в последующих фазах колебаний, которые и позволят изучить скоростную характеристику более глубоких частей разреза.

Библиографический список

1. Авербух А.Г. Интерпретация материалов сейсморазведки преломленными волнами I А.Г.Авербух. М.: Недра, 1975. 223 с.

2. Ампилов Ю.П. Сейсмическая интерпретация: опыт и проблемы I Ю.П. Ампилов. М.: Геоинформмарк, 2004. 286 с.

3. Бондарев В.И. Анализ данных сейсморазведки I В.И. Бондарев, С.М. Крылатков. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2002. 212 с.

4. Гамбурцев Г.А. Основы сейсморазведки I

Г.А. Гамбурцев. М.: Гостоптехиздат,

1959. 78 с.

5. Горяинов Н.Н. Сейсмические методы в инженерной геологии I Н.Н. Горяинов, Ф.М. Ляховицкий. М.: Недра, 1979. 143 с.

6. Гурвич И.И. Сейсмическая разведка I И.И. Гурвич, Г.Н. Боганик. М.: Недра, 1980. 51 с.

7. Интерпретация данных сейсморазведки: справочник I под ред. О.А. Потапова. Недра, 1990. 448 с.

8. Козырев В.С. Учет неоднородностей верхней части разреза в сейсморазведке. Современные технологии I В.С. Козырев,

А.П. Жуков, И.П. Коротков и др. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. 227 с.

9. Метод преломленных волн / под ред. А.М. Епинатьевой. М.: Недра, 1990. 297 с.

10. Митюнина И.Ю. Первые волны на сейсмограммах МОВ и изучение верхней части разреза / И.Ю. Митюнина, Б.А. Спасский, А.П. Лаптев. // Геофизика. 2003. № 5. С. 5 - 12.

11. Спасский Б А. Изучение ВЧР по первым вступлениям в МОГТ / Б.А. Спасский // Региональная, разведочная и промысловая геофизика. ЭИ ВИЭМС. М., 1982. Вып.19. С. 1 - 13.

12. Спасский Б А. О повышении эффективности расчета статических поправок в МОГТ / Б.А. Спасский // Геофиз. методы поисков и разведки месторождений нефти и газа / Перм. ун-т. Пермь, 1984. С. 36-44.

13. Спасский Б. А. Современные тенденции в обработке преломленных волн в сейсморазведке / Б.А. Спасский // Вестник Перм. ун-та. 1994. Вып.1. Геология. С.173 - 190.

14. Спасский Б А. Учет верхней части разреза в сейсморазведке / Б.А. Спасский. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1990. 184 с.

15. Спасский Б.А. О связи особенностей волнового поля области первых вступлений с параметрами ВЧР / Б.А. Спасский, И.Ю. Митюнина, И.М. Скумбин // Геофиз. методы поисков и разведки нефти и газа / Перм. ун-т. Пермь, 1985. С.29 - 38.

16. Спасский Б.А. Использование первых волн в сейсморазведке методом отраженных волн для изучения верхней части разреза / Б.А. Спасский, И.Ю. Митюнина. М: МГП «Геоинформмарк», 1992. 46 с.

17. Спасский Б.А. О возможности оценки местоположения аномальных зон в надсоле-вых отложениях по параметрам первых волн в сейсморазведке МОВ / Б.А. Спасский, И.Ю. Митюнина // Вестник Перм. ун-та. 2005. Вып.3. Геология. С. 83 - 89.

The first waves - additional information channel. Data processing and interpretation

B. Spassky, I. Mityunina

Perm University, 15 Bukireva, Perm, 614990, E-mail: [email protected]

The results summed up concern 25-years study of near-surface velocity distribution (up to the depths of 100-200 m) using seismic petroleum survey data. The role of factors caused appearance of errors is estimated, there are given some examples of employment of proposed technologies.

Рецензент - кандидат геол.-мин. наук А.П. Лаптев