Спосіб визначення локальних швидкостей сейсмічних хвиль

Спосіб визначення локальних швидкостей сейсмічних хвиль у геологічному середовищі, що включає збудження коливань на денній поверхні або нижче зони малих швидкостей, реєстрацію коливань трикомпонентними сейсмоприймачами у глибокій свердловині з кроком, не більшим половини довжини хвиль, обробку даних, націлену на визначення позірних повільностей та кутів падіння поздовжніх Р- і поперечних SV-хвиль, з наступним обчисленням швидкості розповсюдження коливань, який відрізняється тим, що збудження коливань виконують на прямолінійному профілі, протрасованому через гирло свердловини, з декількох пікетів, причому найбільш віддалений з них вста новлюють на відстані Хmax=Ztgi, де Z - глибина верхньої границі шару, що досліджується, а і - критичний кут на цій границі, решту пікетів (два або більше) розміщують з рівномірним кроком в бік свердловини, в подальшому запроектований інтервал свердловини відпрацьовують з кожного пікету шляхом почергового збудження коливань з декількох пунктів, розташованих в межах бази, розміри якої знаходять за умови Запропонована корисна модель відноситься до геофізичних способів визначення фізичних, зокрема, швидкісних характеристик анізотропного геологічного середовища і може бути використаний при пошуках родовищ нафти та газу сейсмічним способом. Загальновідомим є поляризаційний метод вертикального сейсмічного профілювання, в якому спостереження у свердловинах здійснюються за допомогою трикомпонентних неорієнтованих датчиків [1]. В порівнянні з однокомпонентними дослідженнями метод є більш прогресивним з точки зору виділення падаючих сейсмічних хвиль, селекції Рта S-хвиль, розділення поля на Z, X- та Y - складові, проте, в цілому не передбачено визначення кутів підходу швидкостей, що має важливе значення при вивченні анізотропних середовищ. Відомий також спосіб сейсмічної розвідки, що полягає у збудженні зондуючого сигналу і багатоканальній реєстрації відбитих і дифрагованих хвиль від об'єктів, обробці з проведенням селекції хвиль по напрямках приходу і відображенням результатів у вигляді розрізів параметрів на плотері, в якому реєстрацію хвиль виконують прийомною установкою з трьох геофонів, розташованих по двох осях X, Y декартової системи координат і симетрично відносно геофону, розміщеного в центрі прийомної установки (суміщеного з точкою збудження коливань) [2]. Для кожного циклу збудження - реєстрації проводять кореляційну обробку з обчисленням часу приходу хвиль від однойменних об'єктів розвідки і визначають умовні координати X1, Y1, Z1 об'єкта відображення і швидкість в середовищі із співвідношення: X2max )1/ 2 ( Z2 ( Xmax X)2 )1/ 2 /8, тут X1 T3T0 V 2 (T3 V )2 2a Y1 T1T0 V 2 (T1V )2 2a a2 a2 (19) UA (11) 19068 (13) X - відстань крайнього пункту збудження від центрального, а - довжина хвилі, отримані сейсмозаписи на кожному рівні свердловини підсумовують, проводять обробку в рамках поляризаційного методу вертикального сейсмічного профілювання з виділенням Z- та Х-компонент хвильового поля і через визначення позірних повільностей і кутів падіння обох типів хвиль на основі алгоритму Есмерсоя визначають локальні швидкості в геологічному середовищі. U ( Z2 3 Z1 V T0 V 2 19068 2 x2 y2 2a2 2 T1 2 T2 T1T0 T2T0 де: а - відстань від центру прийомної установки до кожного з трьох геофонів; Т1, Т2 - час приходу хвилі на геофони, розташовані по вісі Y; Т3 - час приходу хвилі на геофон, розташований по вісі X; Т0 - час приходу хвилі на геофон, розташований в центрі системи. Отримані умовні координати перераховують в їх абсолютні значення, пов'язані з ділянкою робіт, і запам'ятовують разом з даними про швидкість хвиль, координатами центру прийомної установки, при цьому при переміщенні останньої на визначений крок цикл збудження - реєстрація повторюють, амплітуди хвиль, зареєстрованих від об'єктів з одинаковими абсолютними координатами, алгебраїчне підсумовують, а після завершення робіт на ділянці на плотер виводять значення (переріз) амплітуд хвиль в координатах об'єктів відображення і локальних швидкостей хвиль. Недоліками способу є: - неоднозначність ідентифікації однотипних хвиль на різних каналах прийомної установки; - низьке співвідношення сигнал/завада на первинних записах, що проявиться як на координатах об'єктів відображення так і значеннях локальних швидкостей. Найбільшими близькими до запропонованого є спосіб визначення локальних швидкостей на основі використання Z- та X- складових хвильового поля [3], визначення по цих позірних вертикальних повільностей qp і qs та кутів падіння Р- та S-хвиль ( p і s ). В вертикальній свердловині швидкості Р- і Sхвиль в середовищі, Vp і Vs, пов'язані із спостереженими позірними повільностями формулами: cos p Vp qp cos s qs Якщо Р- та S-хвильові поля не перекриваються в часі, то швидкості і кути падіння обчислюють окремо за допомогою інтервального часу пробігу і напрямків поляризації, отриманих у відповідних вікнах. При виносному ВСП (вертикальному сейсмічному профілюванні) SV-хвилі можуть перекриватись з Р-хвилями. Така ситуація типова, коли сейсмоприймачі розташовують нижче границі розділу або нижче тонкого шару, де проходить ефективне перетворення падаючих Р-хвиль в SV-хвилі. Позірну повільність qp Р-хвилі, як і раніше (хоча з деякою похибкою), обчислюють за допомогою перших вступів, проте qs і кути падіння p і s уже Vs не можуть бути отримані незалежно. Два напрямки лінійної поляризації на основі ускладненої схеми 4 руху часток середовища не можуть бути ідентифіковані. Проте є достатньо інформації в даних, для того щоб однозначно визначити швидкості Р- та SV-хвиль, кути падіння на фильові форми. На підставі двохкомпонентного моделювання Р- та S-хвиль (Z- та X-компонент) та аналітичних перетворень хвильових форм Р- і SV (в області Фурьє) показано, що двохкомпонентні дані на кожному рівні глибин можуть бути точно розділені на Р- та SV складові для заданих кутів падіння. Таким чином, проведення досліджень по системі поляризаційного методу вертикального сейсмічного профілювання (ПМ ВСП) та застосування алгоритму Есмерсоя при обробці даних дозволяють шляхом визначення позірної швидкості вздовж свердловини та кутів підходу хвиль (Р та SV) визначити локальні швидкості в анізотропному середовищі. Завдяки своїй найменше квадратичній конструкції алгоритм інверсії вважається достатньо стійким і захищеним від випадкових завад. Як показав досвід, основною перешкодою для ефективного застосування способу є сильна залежність локальної швидкості від кутів підходу хвиль s , на визначення яких великий вплив сприp, чиняють різноманітні флуктуації амплітудночастотних характеристик сейсмічних трас Z- та Хкомпонент хвильового поля та недостатнє обґрунтування місцерозташування пікетів збудження коливань на денній поверхні. Попередня редакція сейсмотрас цих компонент, а також отриманих швидкостей, не завжди виглядають обґрунтованими і тому кінцевий результат часто є сумнівним. В основу запропонованого винаходу поставлено завдання удосконалити спосіб визначення локальних швидкостей в анізотропному геологічному середовищі шляхом відпрацювання кожного рівня у свердловині (точки установки зонда) не з одного, а з декількох (орієнтовно п'яти) пунктів на кожному пікеті в межах наперед розраховані бази та більш обґрунтованого розташування пікетів збудження коливань. Поставлене завдання вирішується тим, що у запропонованому способі визначення локальних швидкостей сейсмічних хвиль в геологічному середовищі, що включає збудження коливань на денній поверхні, або нижче зони малих швидкостей, реєстрацію коливань трикомпонентними сейсмоприймачами у глибокій свердловині з кроком не більшим половини довжини хвиль, обробку даних націлену на визначення позірних повільностей та кутів падіння поздовжніх Р- і поперечних SVхвиль з наступним обчисленням швидкості розповсюдження коливань, згідно винаходу, збудження коливань виконують на прямолінійному профілі, протрасованому через гирло свердловини, з декількох пікетів, причому найбільш віддалений з них встановлюють на відстані Xmax Z tgi , де Z - глибина верхньої границі шару, що досліджується, а ікритичний кут на цій границі, решту пікетів (два або більше) розміщують з рівномірним кроком в бік свердловини, в подальшому запроектований інтервал свердловини відпрацьовують з кожного піке 5 19068 ту шляхом почергового збудження коливань з декількох пунктів, розташованих в межах бази, розміри якої знаходять за умови ( Z2 X2max )1/ 2 ( Z2 ( Xmax X)2 )1/ 2 /8, тут X - відстань крайнього пункту збудження від центрального, а - довжина хвилі, отримані сейсмозаписи на кожному рівні свердловини підсумовують, проводять обробку в рамках поляризаційного методу вертикального сейсмічного профілювання з виділенням Z- та Х-компонент хвильового поля і через визначення позірних повільностей і кутів падіння обох типів хвиль на основі алгоритму Есмерсоя визначають локальні швидкості в середовищі із зменшеною залежністю від різноманітних флуктуацій амплітудно-частотних характеристик окремих сейсмотрас. В порівнянні з прототипом запропонований спосіб має наступні відмінні ознаки, які визначають його переваги: - збудження коливань на прямолінійних профілях, протрасованих через гирло свердловини, з декількох пікетів з розрахованими координатами найбільш віддаленого з них дозволяє оптимізувати кути падіння зондуючих променів в межах шару, що досліджується, і на цій основі оцінювати його анізотропні властивості; - почергово збудження коливань з декількох пунктів в межах розрахованої бази для кожного рівня свердловини створює інформаційну базу для багатоканальної обробки даних; - підсумовування даних, що відповідають одному рівню свердловини, покращує співвідношення сигнал/завада на 1, 2, 3 - компонентах хвильового поля, що покращує, з одного боку, якість довороту (орієнтації) зонда, а з другого - якість Zта Х-компонент хвильового поля; - залучення при обробці даних поляризаційного методу вертикального сейсмічного профілювання (ПМ ВСП) в поєднанні з програмами, що реалізують алгоритм Есмерсоя, забезпечує визначення позірних повільностей та кутів падіння обох типів хвиль (поздовжніх і поперечних) і на цій основі визначити локальні швидкості в анізотропному геологічному середовищі із зменшеною залежністю від флуктуацій амплітудно-частотних характеристик окремих сейсмотрас. Сукупність наведених відмінних ознак у комплексі з відомими дозволяє вирішити поставлене завдання. Суть корисної моделі пояснюється рисунком (Фіг.1), де прийняті такі позначення: бурова вишка 1; денна поверхня 2; геологічне середовище 3; глибока свердловина 4; точки реєстрації коливань 5 у свердловині; вибій 6 свердловини; ближня проміжна та дальня бази збудження коливань відповідно 7, 8, 9; падаючі промені в точці М з центрального пункту на пікеті збудження 10; падаючі промені в точці М з крайніх пунктів збудження 11; падаючі промені в точку N з центрального пункту збудження 12; падаючі промені в точку N з крайніх пунктів збудження 13; відстань від свердловини до ближньої, проміжної та дальньої баз збудження коливань відповідно 14, 15, 16; кути падіння променів в точку М (між віссю свердлови 6 ни та падаючим променем з центрального пункту збудження) для ближньої, проміжної та дальньої баз збудження коливань відповідно 17, 18, 19; кути падіння променів в точку N для ближньої, проміжної та дальньої баз збудження коливань відповідно 20, 21, 22. Для створення інформаційної бази вивчення локальної швидкості сейсмічних хвиль в анізотропному середовищі діапазон зондуючих променів повинен охоплювати весь спектр кутів падіння хвиль від критичного до нуля. З такими кутами (променями), зазвичай, приходиться мати справу при дослідженнях МСГТ чи 3D-сейсморозвідці. У відповідності до цього максимальна відстань пікетів збудження від свердловини визначається згідно виразу: Xmax Z tgi, (1) де: Z - глибина шару (інтервалу), що досліджується; і - критичний кут на верхній границі шару. При таких розрахунках Хmax діапазон кутів падіння з глибиною (особливо при великих потужностях шару) буде зменшуватись, проте це не протирічить методиці польових робіт, в процесі яких також відбувається зменшення кутів падіння на сейсмічні границі із збільшенням глибини досліджень. Решта пікетів збудження (зазвичай, два або три по кожний бік свердловини) може бути розрахована з більш-менш рівномірним кроком в інтервалі між свердловиною та найбільш віддаленими пікетами. В разі сейсмічних спостережень по фланговій схемі кількість пікетів збудження може бути зменшене в два рази, тобто вони будуть розміщуватись по один бік від свердловини. Як уже зазначалось вище, проведення досліджень по вивченню локальної швидкості з одиночних пунктів збудження на кожному пікеті не в повній мірі задовольняє вимогам точності та достовірності. Це може бути обумовлено умовами збудження та реєстрації коливань, а також технологією обробки даних. Тому збудження коливань на визначених, згідно попередніх розрахунків, пікетах доцільно виконувати не з одного, а з декількох (орієнтовно п'яти) пунктів при установці свердловинного зонда на одному рівні. База збудження коливань повинна забезпечувати близьке до синфазного підсумовумання сейсмозаписів, отриманих з одного пікету, тобто вона повинна задовольняти умові: ( Z2 X2max )1/ 2 ( Z2 ( Xmax X)2 )1/ 2 / 8, (2) де: X - відстань крайнього пункту збудження від центрального, а - довжина хвилі. Визначена на основі формули (2) величина X буде дорівнювати половині загальної бази збудження коливань, тобто L 2 X . Відстань між пунктами збудження коливань в межах бази складе Xп з L / n 1, тут n - число пунктів збудження (орієнтовно 5). Слід зазначити, що викладені умови в повному обсязі стосуються найбільш віддаленого пікету, що досліджується. При наближенні пікетів збудження до свердловини та при збільшенні глибини дослі 7 джень кути падіння, зазвичай, зменшуються, що призводить, з однієї сторони до покращення умов підсумовування записів з різних пунктів збудження на одному пікеті, а з другої - до деякого зниження можливостей анізотропного аналізу. Проведені по формулі (2) розрахунки показують, що в реальних ситуаціях значення X є надто малими величинами і практично не впливають на значення кутів падіння хвиль. Важливою складовою способу є обробка даних на ПЕОМ. Особливість її полягає в тому, що первинні записи неорієнтованих компонент можуть підсумовуватись з вірогідною попередньою редакцією, а уже потім виконуватись процедура довороту та отримання фіксованих Z- та Х-компонент хвильового поля, по яких в подальшому, власне, і виконується визначення локальної швидкості у відповідності до алгоритма Есмерсоя. Може бути і дещо інший варіант обробки, коли окремо по кожному пункту збудження здійснюється процедура доворота, отримання Z- та X-складових хвильового поля, а уже потім виконуватися визначення локальних швидкостей. Технологічні та геолого-геофізичні переваги кожного із варіантів можуть бути з'ясовані лише в процесі виконання робіт. Статистичний ефект при реалізації способу буде визначатись кількістю пікетів збудження в межах запроектованої бази та вибраного інтервалу згладжування вподовж свердловини (в існуючій програмній версії, що реалізує алгоритм Есмерсоя, база згладжування дорівнює 5 каналам). Він може бути підвищений більше ніж в два рази шляхом окремого відпрацювання кожного пікету збудження, проте, в даному випадку різко упаде продуктивність праці та дещо ускладниться технологія обробки даних. Ефект спрямованості групового джерела коливань нічим не відрізняється від ефектів викладених в теорії інтерференційних систем. Враховуючи обмежені по величині бази збудження цей ефект не буде визначальним. Реалізація способу проводиться наступним чином. Визначають інтервал у глибокій свердловині, де потрібно виконати швидкісний аналіз. По формулі (1) обчислюють максимальну відстань пікетів збудження від свердловини та встановлюють розміщення решти пікетів збудження виходячи з вимог рівномірного зондування в площині профілю запроектованого для дослідження інтервалу глибин. Розраховують базу збудження коливань для найбільш критичного (дальнього) віддалення згідно виразу L 2 X , в якому значення X знаходять з формули (2). Визначають відстань між пунктами збудження в межах пікету згідно виразу l L / n 1 , де n - число пунктів збудження (вважається, що оптимальним є n=5). Після завершення розрахункової частини проводять відпрацювання свердловини починаючи з найбільш віддалених пікетів (пікету) і завершуючи ближніми (ближнім) пікетами. 19068 8 Кожний пікет збудження відпрацьовують при переміщенні зонда в межах запланованого інтервалу починаючи з його нижньої частини і завершуючи верхньою. При спостереженнях на кожному рівні свердловини коливання збуджують почергово на кожному пункті в межах одного пікету. При достатньому технічному оснащенні кожний рівень свердловини може бути відпрацьований почергово з усіх пунктів збудження, що сприяє покращенню результативних матеріалів. Отримані сейсмозаписи на кожному пікеті збудження підсумовують, після чого проводять доворот (орієнтацію) зонда та визначення Z- та Xскладових хвильового поля. По останніх виконують визначення локальних значень швидкості із застосуванням алгоритму Есмерсоя. При такій технології робіт зменшуються залежність локальної швидкості від флуктуацій амплітудно-частотних характеристик окремих сейсмотрас. Приклад реалізації способу Для реалізації способу в повному обсязі та оцінки його геолого-геофізичної ефективності необхідна постановка спеціальних польових досліджень та проведення спеціалізованої обробки в межах існуючих систем та із залучення спеціальних програм, створених на основі алгоритму Есмерсоя. Тому тут ми зупинимося лише на деяких питаннях проектування методики робіт, що забезпечить визначення локальних швидкостей сейсмічних хвиль в анізотропному середовищі. Для виконання розрахунків задамо проектний інтервал визначення швидкості - 2000м 3000м. Проведемо розрахунок координат дальнього пікету збудження згідно формули (1). Приймаючи Z=2000м, а і=40° отримаємо: Хmax=2000∙0,839=1678м. Округляючи цю цифру в менший бік можна прийняти Xmax=1500м. Координати решти (двох) пікетів збудження визначимо шляхом ділення отриманої величини на три та відповідного множення на 1 та 2, тобто Хпз1=500м і Хпз2=500∙2=1000м. Відстань від центрального до крайнього пункту збудження на пікеті становитиме (згідно формули (2)): 12 1542 , 12 (15 , X)2 0,0125 Тут довжина хвилі l=100м. Звідси X =20м. Повна база збудження складе 20х2=40м. Оскільки розрахунок зроблений для крайнього (найбільш віддаленого) пікету, то отриману величину бази збудження можна вважати оптимальною як для решти пунктів збудження так і для більших глибин. В разі застосування п'яти пунктів збудження на пікеті відстань між ними складе: l=40:4=10,0м. Таким чином, застосування розрахованих параметрів при проведенні досліджень забезпечить вивчення локальної швидкості в анізотропному середовищі в межах запроектованого інтервалу глибин 2000 3000м. Впровадження способу дозволить підвищити ефективність сейсморозвідки при проведенні пошуково-розвідувальних робіт на нафту і газ в 9 19068 складних сейсмогеологічних умовах за рахунок більш повної характеристики фізичних (швидкісних) властивостей геологічного середовища. Бібліографічні дані джерел інформації 1. Методические рекомендации по применению поляризационного метода сейсмической разведки под ред. Гальперина Е.И., Певзнер Л.А., Алма-Ата, 1984г., 184стр. Комп’ютерна верстка А. Рябко 10 2. Патент RU №2029318, С1, G01V1/100, опубл. 20.02.95, Бюл. №5. 3. Cengis Esmersoy, Inversion of P and SV waves from multicomponent offset Vertical seismic profiles. Geophisics, vol.55, №1 (Yanuary, 1990), p.39-50 (прототип). Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601