Спосіб вивчення швидкісної характеристики геологічного середовища

Корисна модель відноситься до галузі геофізичних робіт, вона стосується визначення швидкісних характеристик середовища сейсмічним способом і може бути використана при пошуках родовищ нафти та газу. Відомий спосіб вертикального сейсмічного профілювання (ВСП), в якому багатоканальні записи використовують для фазової кореляції падаючих та відбитих хвиль [1]. Пряму хвилю з ближнього до свердловини пункту збудження використовують для визначення швидкості сейсмічних хвиль у середовищі. Відбиті хвилі залучають переважно для прив'язки сейсмічних горизонтів. Недолік способу - обмежене застосування, в основному при вивченні порівняно нескладних геологічних середовищ, що характеризуються трансверсально-ізотропною моделлю будови з вертикальною, або близькою до вертикальної, віссю симетрії. Відомий також поляризаційний метод вертикального сейсмічного профілювання (ПМ ВСП), при якому спостереження у свердловинах виконують за допомогою трьох (чотирьох) датчиків, розміщених спеціальним чином у зонді, що дає змогу в процесі подальшої обробки даних отримати Х-, Y- та Z-складові хвильового поля [2]. В порівнянні з [1], цей метод має значні переваги з точки зору виділення падаючих сейсмічних хвиль, селекції хвиль різної природи, але в цілому він не передбачає вивчення кутів підходу сейсмічних хвиль (променів), що обмежує його можливості при вивченні складнопобудованих, в тому числі анізотропних, середовищ. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб Есмерсоя (прототип), який передбачає визначення позірних вертикальних швидкостей (qp, qs) та кутів (y р, y s) падіння поздовжніх і поперечних хвиль [3]. Для цього залучаються Z- та Х- складові хвильового поля, які можуть бути отримані з даних поляризаційного методу вертикального профілювання. Швидкості поздовжніх (Vp) та поперечних (Vs) хвиль у середовищі визначаються згідно формул: 1 1 × cos y s. Vp = × cos yp , Vs = qs qp Спосіб дає задовільний результат, якщо хвильові поля не перекриваються в часі реєстрації. При застосуванні виносних пікетів збудження хвильові поля поздовжніх та поперечних хвиль можуть перекриватися в часі, що є типовим явищем, коли сейсмоприймачі розташовують нижче границі розділу шарів, або нижче тонкого шару, де проходить ефективний обмін хвиль. Позірну повільність qp обчислюють по перших вступах, проте позірна повільність qs і кути падіння y р і y s вже не можуть бути отримані незалежно. Але, як показано в [3], в отриманих даних є достатньо інформації для того, щоб визначити швидкості обох типів хвиль та кути їх падіння. Програмна реалізація алгоритму Есмерсоя дозволила вивчити швидкості розповсюдження поздовжніх та поперечних хвиль за даними ПМ ВСП на ряді свердловин Веснянської та Решетняківської площ центральної частини Дніпровсько-донецької западини. В процесі оцінки точності визначення локальних швидкостей поздовжніх та поперечних хвиль була встановлена її залежність від виносу пункту збудження, що зумовлено значними флуктуаціями амплітудно-частотних характеристик сейсмічних трас на Z- та X-складових хвильового поля при занадто малих та занадто великих виносах. В основу запропонованої корисної моделі поставлено задачу шляхом оптимізації інтервалу збудження коливань та його узгодження з глибиною досліджень підвищити точність визначення швидкостей розповсюдження поздовжніх та поперечних хвиль. Поставлена задача досягається тим, що у запропонованому способі вивчення швидкісної характеристики середовища, що включає збудження коливань з декількох пунктів збудження на денній поверхні, або нижче зони малих швидкостей, реєстрацію коливань трикомпонентними сейсмоприймачами у глибокій свердловині з кроком не більшим половини довжини хвилі та визначення позірних повільностей і кутів падіння поздовжніх Р - та поперечних SV - хвиль з наступним обчисленням швидкості розповсюдження коливань на основі алгоритму Есмерсоя, згідно корисної моделі, до початку польових спостережень через задану глибоку свердловину на підставі апріорної інформації створюють швидкісну модель середовища, проводять повнохвильове моделювання з умовних пунктів збудження, розташованих на прямолінійному профілі, що перетинає задану свердловину, з координатами X = H × tga i , де Н - глибина визначення швидкості, a i - величина кута між віссю Z та падаючим променем, при цьому максимальний винос умовного пункту збудження встановлюють по різкому збільшенню похибки визначення локальної швидкості, в подальшому по матеріалах моделювання для кожного пункту збудження визначають швидкості поздовжніх Р - і поперечних SV - хвиль згідно алгоритму Есмерсоя, порівнюють отримані дані з заданими швидкостями при моделюванні та встановлюють похибку їх визначення, будують відповідні залежності похибки від виносу пункту збудження і на підставі аналізу графіків для кожного типу хвиль визначають найбільш оптимальний інтервал збудження коливань при вивченні швидкісної характеристики геологічного середовища В порівнянні з прототипом спосіб має наступні відмінні ознаки, які визначають його переваги: - проведення повнохвильового моделювання згідно швидкісної моделі, отриманої за даними апріорної інформації, дає змогу максимально наблизити модельне хвильове поле до реального та отримати достовірні показники похибки визначення швидкості сейсмічних хвиль; - повнохвильове моделювання з умовних пунктів збудження, розташованих на прямолінійному профілі, що перетинає задану свердловину, з координатами X = H × tga i , де Н - глибина визначення швидкості, a i - кут між віссю Z та падаючим променем (приймається кратним 7-10°), забезпечує рівномірну (з точки зору кутів підходу хвиль) швидкісну характеристику модельного розрізу та плавність визначення відповідних похибок; - застосування виносів, що дозволяють проконтролювати збільшення похибки визначення локальної швидкості, створює необхідний методичний запас при встановленні максимальних віддалень пункту зб удження; - порівняння швидкостей, отриманих в результаті моделювання, із заданими апріорними даними, дозволяє визначити залежність похибки від виносу пункту збудження і на підставі аналізу відповідних графіків для кожного типу хвиль визначити найбільш оптимальний інтервал збудження коливань при вивченні швидкісних характеристик геологічного середовища. Сукупність наведених відмінних ознак у комплексі з відомими дозволяє вирішити поставлену задачу корисної моделі. Суть корисної моделі пояснюється Фіг.1-5. На Фіг.1 зображена швидкісна модель для одного з районів Дніпровсько-донецької западини (Решетняківська площа). Прийняті наступні позначення: рівень приведення 1; свердловина 2; швидкісні шари 3-13, що характеризуються швидкістю поздовжніх хвиль відповідно 1924м/с, 2045м/с, 2142м/с, 2655м/с, 3229м/с, 3333м/с, 4100м/с, 4500м/с, 4100м/с, 4750м/с, та 4200м/с. На Фіг.2, 3 на підставі повнохвильового моделювання з умовних пунктів збудження, що мають винос 0м, 250м, 460м, 1000м, 1250м, 1500м та 1750м, побудовані графіки залежності кута підходу поздовжніх хвиль y р від глибини Н (Фіг.2) та графіки, що характеризують значення похибки визначення швидкості поздовжніх хвиль d2Vр від виносу Х для різних часових вікон (Фіг.3). Прийняті такі позначення: графіки 1-7 характеризують залежності кута підходу хвиль y р від глибини Н при виносах 0м, 250м, 460м, 750м, 1000м, 1250м та 1500м відповідно, графік 8 характеризує значення критичного кута, графіки 9 та 10 відтворюють залежності похибки визначення швидкості поздовжніх хвиль d2 Vр від виносу для часови х вікон 1160-1260мс та 1660-2000мс відповідно. На Фіг.4, 5 приведені графіки залежності кута підходу поперечних хвиль y s від глибини Н (Фіг.4) та графіки, що характеризують залежність похибки визначення швидкості поперечних хвиль d2Vs від виносу Х умовного пункту збудження (Фіг.5). Прийняті такі позначення: графіки 1-6 характеризують залежності кута підходу хвиль y s від глибини Н при виносах 250м, 460м, 750м, 1000м, 1250м та 1500м відповідно, графік 7 характеризує значення критичного кута; графіки 8, 9 відтворюють залежності похибки визначення швидкості поперечних хвиль d2Vр від виносу Х для часови х вікон 1160-1260мс та 1660-2000мс відповідно. Запропонований спосіб реалізовано на моделі, яка зображена на Фіг.1. Умовні пункти збудження розміщувались в основному з рівномірним кроком 250м в інтервалі від свердловини до віддалення 1750м. По отриманому хвильовому полі визначені швидкості поздовжніх і поперечних хвиль (за допомогою програм, що реалізують алгоритм Есмерсоя), а також знайдена похибка їх визначення шляхом порівняння отриманої та заданої при моделюванні швидкості. При розташуванні умовних пунктів збудження поблизу свердловини (Фіг.2) кути y р зазнають помітних коливань, що призводить до значних помилок при визначенні швидкості поздовжніх хвиль (Фіг.3). При занадто великих виносах пункту збудження (більш ніж 1250м) поведінка графіків y р також є досить строкатою, що відповідно тягне за собою значні помилки визначення швидкості поздовжніх хвиль. Узгоджуючи похибку визначення швидкості з графіком зміни критичного кута з глибиною, можна зробити висновок, що при невеликих виносах її збільшення пов'язано з неточностями визначення кутів підходу хвиль, а при великих виносах на точність визначення швидкості, судячи з графіків d2Vр(X), може справляти вплив як неточність визначення кутів підходу так і проблематичність знаходження позірних повільностей qp поздовжніх хвиль, обумовленої впливом критичної та закритичної областей (збільшення завад, пов'язаних із зменшенням, або різким збільшенням коефіцієнта відбиття та зміною його знаку). Як видно з Фіг.3, із збільшенням глибин досліджень дещо розширюється діапазон виносів, в межах яких швидкості визначаються найбільш достовірно. Таким чином, на підставі проведеного моделювання, визначення швидкості сейсмічних хвиль та аналізу похибок їх визначення при різних виносах, можна зробити висновок про оптимальні параметри бази збудження коливань при вивченні швидкісної характеристики геологічного середовища на тій або іншій глибині. Аналогічний аналіз може бути проведений стосовно поперечних SV хвиль. З Фіг.4 також можна зробити висновок про складність визначення кутів підходу хвиль при невеликих виносах, що тягне за собою помилки у визначенні швидкості хвиль. При порівняно великих виносах (більш ніж 1250м) помилки d2Vs досить значні, що, зважаючи на докритичність кутів підходу хвиль (Фіг.4), в більшій мірі обумовлено неточностями у визначенні позірних повільностей q s (можливо по причині різкого зниження співвідношення сигнал/завада при великих виносах). Слід, проте, зазначити, що для різних глибин графіки d2Vs(Х) ведуть себе досить по різному. Зокрема, на графіку 8 швидкість при виносах від 250м до 1500м визначається майже з однаковою похибкою (Фіг.5). Оптимальним можна вважати інтервал від 500м до 1250м. Для глибини, що відповідають часовому інтервалу 1660-2000мс (графік 9) найменші похибки визначення швидкості будуть в інтервалі 250м-1250м. У випадку, наведеному на Фіг.2-5, пункти збудження при моделюванні розташовували в основному рівномірно через 250м. Більш оптимальним є розміщення пунктів збудження з інтервалом DX = H × tga i , де Н - глибина визначення швидкості, a i - кут між віссю Z та падаючим променем (крок значень кута приймається кратним 710°). Крім того, для забезпечення методичного запасу максимальне віддалення пункту збудження повинно перевищувати винос, що відповідає критичному куту, неменше ніж на один інтервал. Реалізація способу проводиться в такій послідовності. На основі апріорної інформації створюють швидкісну модель середовища (Фіг.1) та розповсюджують її на відстань від свердловини, що в 2-3 рази перевищує глибину моделі в області свердловини. Проводять повно хвильове моделювання з умовних пунктів збудження, що розташовані по одну сторону від свердловини, з кроком DX = H × tga i , де Н - глибина визначення швидкості, a i кут між віссю Z (свердловина) та падаючим променем з умовного пункту збудження (приймають кратним 7-10°) максимальне віддалення (винос) умовного пункту збудження вибирають з розрахунку, що воно повинно не менше ніж на один інтервал перевищувати винос, який відповідає критичному куту. Після цього проводять повнохвильове моделювання (наприклад, із застосуванням пакету Tesseral-2) та проводять обробку даних в системі ПМ ВСП, що дає змогу отримати Z - та Х - компоненти хвильового поля для обох типів хвиль (поздовжніх та поперечних). Це є вихідними даними для наступного визначення швидкості поздовжніх і поперечних хвиль на основі програм, що реалізують метод Есмерсоя. Отримані дані порівнюють із заданими модельними значеннями швидкості та оцінюють похибку визначення швидкості. Будують графіки залежності похибки визначення швидкості від виносу (Фіг.3, 5) та графіки залежності кутів підходу хвиль від глибини для кожного пункту збудження (Фіг.2, 4) і на підставі аналізу цих даних для кожного типу хвиль визначають оптимальний інтервал збудження коливань та координати пікетів для визначення швидкості з мінімальними похибками. Приклад реалізації способу. Для реалізації способу в повному обсязі необхідно провести повний цикл досліджень від проектування вихідних даних для моделювання, власне моделювання, обробки, аналізу даних, вибору параметрів польових досліджень, проведення самих досліджень, наступної обробки та аналізу матеріалів по визначенню сейсмічних швидкостей поздовжніх і поперечних хвиль. Це потребує значних матеріально-технічних ресурсів та часу. Тому, в якості прикладу, була реалізована лише та частина способу, яка стосується створення швидкісної моделі геологічного середовища, вибору координат умовних пікетів збудження, проведення повно хвильового моделювання, обробки даних та визначення локальних швидкостей поздовжніх та поперечних хвиль по алгоритму Есмерсоя, оцінки похибки визначення швидкості, побудови відповідних графіків та складання рекомендацій на постановку майбутніх польових досліджень. На Фіг.1 приведена швидкісна модель через свердловину Решетняківська-74, що розташована поблизу Старосанжарського соляного штока в межах центральної частини Дніпровсько-донецької западини. Модель розповсюджена по обидва боки від свердловини у вигляді горизонтальних шарів із швидкостями, що зображені на моделі (Фіг.1). Координати умовних пунктів збудження визначені з розрахунку, що найбільшу зацікавленість з точки зору вивчення швидкості хвиль викликають відклади, що розташовані нижче шару, який відповідає сольовим породам (швидкість поздовжніх хвиль 4500м/с). Глибина підсольових порід в даному випадку близька до 2200м, кут a дорівнює 7°. Таким чином, відстань між пікетами збудження може бути визначена згідно виразу . D X = H × tg a =2200м 0,122=268м На підставі цього розрахунку відстань між умовними пікетами збудження була взята 250м, тобто округлена в менший бік. Всього було з модельовано вісім пікетів зважаючи на ту обставину, що при виносі більш ніж 1250м похибка визначення швидкості почала різко зростати. Максимальний винос складає 1750м. Отримані модельні хвильові поля були оброблені в системі ПМ ВСП, в результаті чого були отримані Z- та Хскладові модельного хвильового поля, по останніх визначались швидкості поздовжніх і поперечних хвиль. В подальшому виконувалась оцінка точності визначення швидкості шляхом співставлення отриманих даних із заданими при моделюванні. Графіки кутів підходу хвиль та залежності похибки визначення швидкості для різних виносів приведені на Фіг.2-5. На підставі аналізу результатів моделювання зроблено висновок, що найбільш оптимальний інтервал збудження сейсмічних коливань при вивченні швидкісних характеристик підсольових відкладів є: - по поздовжніх хвилях: 0-1250м, - по поперечних хвилях 300-1000м. Розміщення пікетів збудження коливань в межах отриманої на підставі моделювання бази дозволяє підвищити точність визначення швидкості розповсюдження сейсмічних хвиль, що сприяє поліпшенню вивчення фізичних характеристик розрізу. Впровадження способу в повному обсязі дозволить підвищити ефективність сейсморозвідки при пошуках родовищ нафти та газу в складних, в тому числі анізотропних геологічних середовища х. Джерела інформації: 1. Гальперин Е.И. Вертикальное сейсмическое профилирование. М., Недра, 1971. 2. Методические рекомендации по применению поляризационного метода сейсмической разведки под ред. Гальперина Е.И., Певзнер Л.А., Алма-Ата, 1884г, 184стр. 3. Cendis Esmersoy, Inversion of P and SV Waves from multicomponent offset Vertical seismic profiles /Geophisics. Vol.55, №1 (January, 1990), p.39-50 (прототип).