СПОСОБ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ
METHOD OF SEISMIC EXPLORATION

Изобретение относится к геофизическим методам исследований геологической среды и предназначено, главным образом, для обнаружения расположенных внутри среды аномальных объектов, изучения быстрых изменений во времени их состояния, местоположения и размеров. Такими объектами могут быть:
трещины, сформировавшиеся в результате гидроразрыва или тектонических движений;
пустоты или несанкционированно роющиеся в приповерхностной зоне подземные туннели;
потенциальные очаги землетрясений, краткосрочный прогноз которых остается проблемой до настоящего времени.
Аномальные объекты, размер которых соизмерим с преобладающей длиной сейсмический волны, могут быть не обнаружены на сейсмических записях на фоне сильных физически возможных волн разных типов и классов. Кинематические и динамические характеристики дифрагированных волн, чаще всего связанных с аномальными объектами, могут быть близки к характеристикам других, более сильных, волн, регистрируемых на близких временах к целевым волнам, связанным с изучаемым объектом. В этих условиях разделить между собой целевые волны и другие волны, являющиеся в данном случае волнами-помехами, весьма трудно.
Известные в сейсморазведке способы вычитания преобладающих по интенсивности волн-помех имеют существенные ограничения в условиях множества волн, являющихся помехами: последовательное вычитание каждой из волн приводит к искажениям остающихся в волновом поле более слабых волн, среди которых содержатся слабые целевые волны, связанные с выявляемым объектом.
Известен способ поиска залежей углеводородов, приуроченных к трещинно-кавернозным коллекторам, в котором с помощью престековой миграции по Френелю получают два куба сейсмических данных: мигрированный куб отраженных волн (рефлекторов) и куб дифрагированных волн (дифракторов). При этом куб дифракторов получают посредством вычитания отраженных волн из полного волнового поля и последующей фокусировки рассеянных волн. По кубу дифракторов рассчитывают амплитудные и спектральные атрибуты сейсмического поля. По интегральным амплитудным характеристикам получают трехмерную модель рассеивающих объектов геологической среды (куб индекса акустической неоднородности). Посредством совместной интерпретации мигрированного куба рефлекторов и куба индекса акустической неоднородности получают распределение мгновенных амплитуд рассеянных волн по сечению куба в интервалах, соответствующих исследуемым продуктивным уровням геологического разреза. Выделяют объекты с максимальными значениями индекса акустической неоднородности, которые соответствуют зонам развития трещинно-кавернозных коллекторов (Патент РФ №2451951, 2010; Харахинов и Шленкин, 2015).
Основным недостатком известного способа является однократное наблюдение волнового сейсмического поля, что не дает никакой возможности осуществлять изучение изменений свойств выявляемого аномального объекта во времени. Кроме того, в нем имеется очевидная сложность, состоящая в необходимости формировании поля отраженных волн с целью их последующего вычитания из общего поля для диагностики дифракторов в разностном поле.
Известен способ определения параметров системы трещин гидроразрыва, который включает возбуждение упругих колебаний источником колебаний в скважине, пересекающей трещины гидроразрыва, регистрацию в точках приема, по меньшей мере, в одной соседней скважине резонансных колебаний, излучаемых системой трещин гидролразрыва при возбуждении в буровой жидкости упругих колебаний, и определение параметров системы трещин по возникающим в трещинах резонансным колебаниям. Возбуждение колебаний в скважине и их регистрацию проводят до и после гидроразрыва. При этом для каждой фиксированной пары источник-приемник формируют разностную сейсмическую запись из записей, полученных до и после гидроразрыва, на разностной сейсмозаписи выделяют сигналы, излучаемые системой трещин, и по этим сигналам судят о параметрах трещин (Патент РФ №2507396, 2012).
Основным недостатком известного способа является возбуждение и регистрация сейсмических колебаний лишь в соседних скважинах, что не позволяет в силу ограниченности апертуры наблюдений по сейсмическим записям сформировать пространственное изображение среды, вмещающей искомый аномальный объект, - в данном случае систему трещин гидроразрыва. Кроме того, однократная регистрация сейсмических колебаний после гидроразрыва не позволяет проследить во времени процесс дальнейшего развития трещин. Принципиальным ограничением данного способа является его привязанность к дорогостоящим глубоким скважинам, бурить которые можно далеко не везде.
Известен способ сейсмического мониторинга, получивший название «сейсморазведка 4D» (четырехмерная сейсморазведка), в котором к трем пространственным координатам добавляется четвертая координата (время), поскольку предполагаются повторные наблюдения, позволяющие проследить изменения во времени состояния изучаемого объекта, например, состояния разрабатываемой нефтяной залежи (Jack, 1998). В этом способе сопоставляются полученные в разное время изображения геологической среды и по их изменениям судят об изменениях во времени физических свойств изучаемых объектов.
Недостаток известного способа состоит в том, что он позволяет на изображениях среды, полученных в разное время, увидеть лишь те изменения, которые вызваны протяженными в пространстве и достаточно контрастными объектами. На эти изменения накладываются фоновые изображения, сформированные из физически возможных сильных объемных волн в условиях модели, даже не включающей аномальный искомый объект. Небольшие по размерам слабоконтрастные объекты, свойства которых изменяются во времени, могут быть при этом вообще пропущены.
Известен способ сейсмического мониторинга 4D, в котором проводят последовательное выполнение обычных съемок 3D через большие интервалы времени с последующим вычитанием волновых полей (Ампилов, Батурин, 2013). Вычитание волновых полей, полученных с интервалом 13 лет, позволило, к примеру, на разностном волновом поле увидеть зоны с наиболее выраженными изменениями. Эти изменения были связаны с закачкой воды через нагнетательные скважины для поддержания пластового давления при вытеснении нефти водой. В результате удалось закартировать зоны распространения воды, учесть полученные данные в фильтрационной модели месторождения и определить места для бурения дополнительных нагнетательных скважин.
Недостатком известного способа является фиксация в нем лишь конечного результата в исследуемом аномальном объекте путем сопоставления волновых полей с весьма большим интервалом времени (13 лет). Сам процесс изменений во времени состояния аномального объекта при таком однократном повторе наблюдений проследить невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому способом сейсмической разведки (прототипом) является способ сейсмического мониторинга, в котором повторно возбуждают и регистрируют сейсмические волновые поля, осуществляют вычитание волновых полей и по разностным волновым полям прослеживают изменения во времени атрибутов волнового поля, связанных с изучаемым аномальным объектом (Van Gestel et al., 2008). В этом способе возбуждение и регистрацию волновых сейсмических полей проводили раз в полгода, при этом из последующих волновых полей вычитали стартовое (фоновое) волновое поле, полученное перед началом процесса закачки воды в пласт из нагнетательных скважин. На разностных волновых полях удалось проследить во времени процесс внедрения воды в пласт. Кроме того, удалось отметить места, куда вода проникает плохо, чтобы затем корректировать бурение нагнетательных и эксплуатационных скважин. Данная технология позволила оптимизировать программу бурения скважин, повысить темпы добычи, а также сократить расходы на бурение.
Недостаток известного способа состоит в низкой частоте повторения возбуждения и регистрации волновых полей, не позволяющей прослеживать быстротекущие изменения свойств аномального объекта, его размеров и положения в пространстве. Кроме того, вычитание фонового поля из последующих волновых полей при больших интервалах в получении каждого из этих полей может привести к искажениям каждого из волновых полей, вызванным изменением условий возбуждения и приема при смене погоды и времени года. Вычитание фоновой части волнового поля по этим причинам может оказаться не вполне эффективным.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа при обнаружении аномальных объектов, быстро меняющих свои физические свойства, размеры и местоположение во времени.
Поставленная цель достигается тем, что в способе сейсмической разведки, основанном на повторном возбуждении колебаний, регистрации сейсмических записей и формировании разностных записей, возбуждение и регистрацию колебаний проводят с интервалом времени, на порядок меньшим времени формирования аномального объекта, из зарегистрированных волновых полей или сформированных по ним изображений формируют разность после уравнивания максимальной интенсивности соседних по времени волновых полей или изображений, и по разностному волновому полю или разностному изображению судят об изменении во времени свойств аномального объекта, его размеров и расположения объекта в пространстве. При этом в одной из модификаций способа формируют суммарное волновое поле или изображение путем суммирования разностных волновых полей или изображений, полученных путем вычитания соседних по времени волновых полей или изображений. В другой модификации способа одновременно регистрируют колебания внутри среды и в приповерхностной зоне, и перед вычитанием волновых полей их уравнивание проводят по сейсмическим записям, зарегистрированным внутри среды. В еще одной модификации способа из каждого из зарегистрированных волновых полей вычитают волновое поле, сформированное путем математического моделирования. Полученные таким путем разностные волновые поля суммируют между собой и на суммарном волновом поле или на полученном по нему изображении среды выделяют аномальный объект и судят об изменении его свойств во времени.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ сейсморазведки в соответствии с изобретением характеризуется следующими существенными отличиями:
периодичностью повторных наблюдений, включающих возбуждение и регистрацию колебаний, которая позволяет оперативно изучать быстропротекающие процессы внутри среды путем достаточно высокой частоты воздействий;
более высоким отношением сигнал/помеха, которое достигается путем впервые предложенного суммирования разностных волновых полей, на которых полезный сигнал уже предварительно выделен путем акта вычитания фоновых волновых полей;
возможностью выделять слабоконтрастные аномальные объекты благодаря суммированию сигналов, излучаемых именно этими объектами. Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Небольшие по размеру аномальные объекты, расположенные внутри геологической среды, могут быть источниками дифрагированных волн, а также собственных резонансных колебаний. Изменение во времени физических свойств этих объектов, их размера и ориентации в пространстве неизбежно отразится на динамических и кинематических характеристиках волн, связанных с такими объектами. Однако на фоне физически возможных волн разного типа и класса (продольных, поперечных, обменных, поверхностных и др.) не только трудно проследить изменения во времени сейсмических импульсов, связанных с аномальными объектами, но бывает трудно вообще эти импульсы выделить из-за их небольшой интенсивности. При повторном возбуждении и регистрации сейсмических колебаний в волновых полях будут иметь место лишь те незаметные на глаз изменения, которые обусловлены изменениями во времени свойств аномального объекта. Если вычесть эти волновые поля, предварительно уравняв их по интенсивности, то разностное волновое поле будет отображением изменений волновых полей, связанных только лишь с аномальным объектом. Существенно при этом, что вычитаются практически все волны, не связанные с аномальным объектом, при этом в локальных волновых полях, обусловленных непосредственно аномальным объектом, происходят изменения, вызванные актом вычитания, и такие изменения можно предусмотреть, зная частотную характеристику вычитания пары сейсмических импульсов. При небольших временных сдвигах, имеющих место в предлагаемом способе, эта частотная характеристика является, как известно, верхнечастотным широкополосным фильтром. Если же размеры, форма и ориентация аномального объекта сильно изменяются во времени, то разностный сигнал, связанный с таким объектом, будет иметь довольно сложную форму. При этом сильные волны, не связанные с аномальным объектом, будут синфазны, и вычитание приведет к их практически полному подавлению. После вычитания волновых полей разностную сейсмограмму можно путем миграции преобразовать в изображение среды, которое благодаря отсутствию регулярных волн-помех будет содержать лишь изображение аномального объекта
В соответствии с предлагаемым изобретением можно из наблюдаемых волновых полей вычитать фоновые волновые поля, полученные путем полноволнового моделирования. Однако достичь полной идентичности такого волнового поля и зарегистрированного волнового поля довольно трудно, так как для этого потребуется детальная информация о строении среды, вмещающей аномальный объект.
Вопрос о возможном краткосрочном прогнозе землетрясений предлагаемым способом заслуживает отдельного рассмотрения. Основу современных представлений о возникновении очага землетрясения составляют положения механики разрушений. Из них следует, что образовавшаяся в упругой среде трещина в какой-то момент теряет устойчивость и начинает лавинообразно распространяться. В неоднородном материале перед образованием крупной трещины непременно появляются предваряющие этот процесс явления - предвестники, в сейсмологии их называют форшоками. Интенсивность форшоков с течением времени снижается, а затем вслед за их почти полным исчезновением наступает стадия неустойчивости, характеризующаяся лавинообразным распространением трещин. Таким образом, землетрясение сопровождается аналогичным лавинообразным распространением трещин. Существенно, что лавинообразное образование трещин происходит исключительно в области разломов, где землетрясения проходили ранее. Тем самым область прогноза приурочена к таким сейсмоопасным зонам. К краткосрочным относятся изменения, происходящие вследствие уже начавшегося, но пока еще скрытого развития крупной трещины. На этом этапе (за 1-3 суток до землетрясения) анализируют текущую сейсмическую обстановку по изменениям сейсмических записей. Эти изменения наиболее уверенно можно увидеть, выделив в чистом виде волны, связанные с потенциальным гипоцентром землетрясения, в окрестности которого происходят аномальные изменения упругих свойств. Вычитание волновых полей, выполненное в соответствии с предлагаемым способом, в состоянии обеспечить более уверенные наблюдения в волновом поле, обусловленные изменением во времени упругих свойств очага, вызванные лавинообразным изменением его сплошности. Способ осуществляют следующим образом.
Для получения записей используют современную сейсморегистрирующую аппаратуру, способную регистрировать слабые сигналы на фоне сильных помех. Это условие предполагает достаточно широкий мгновенный динамический диапазон используемых сейсмических каналов. Такая аппаратура позволяет после вычитания полных волновых полей получать на разностных записях неискаженные слабые сигналы, связанные с изучаемым аномальным объектом. Расположение источников и приемников сейсмических колебаний предполагает освещение волнами области среды, содержащей искомый аномальный объект. Обоснованно расположить источники и приемники колебаний можно путем математического моделирования, позволяющего убедиться в том, что исследуемый объект надежно освещается целевыми волнами. Использование для этой цели дифрагированных волн облегчает проектирование соответствующей системы наблюдений. Наличие на участке наблюдений глубоких скважин позволяет проводить скважинно-наземные наблюдения, способные обеспечить последующую интерпретационную обработку достаточно точной скоростной моделью, требуемой для перевода изображений из временного масштаба в глубинный масштаб. Кроме того, уравнивание сейсмических записей по их интенсивности наиболее надежно проводится по сейсмическим сигналам, зарегистрированным внутри среды.
Последовательность процедур в соответствии с предлагаемым изобретением является следующей:
при помощи источников колебаний и современной кабельной или бескабельной сейсмической аппаратуры периодически проводят возбуждение и регистрацию сейсмических колебаний с периодом, на порядок меньшим ожидаемой продолжительности изменений упругих свойств изучаемого объекта, его размеров или положения в пространстве;
уравнивают по интенсивности соседние по времени сейсмические записи и вычитают одну из другой, после чего наблюдают остаточное разностное поле в ожидаемой области регистрации, которую можно получить по модели среды (если она имеется) путем трассирования сейсмических лучей;
в том случае, если на разностной сейсмограмме не получено сигнала, соответствующего аномальному объекту, аналогичным образом обрабатывают последующую пару записей;
начиная с момента, когда на разностной сейсмической записи получен значимый по интенсивности сигнал, соответствующий аномальному объекту, суммируют последующие соседние по времени разностные записи;
если доступна достаточно детальная модель среды, вмещающей аномальный объект, то рассчитывают по известным программам полное двумерное или трехмерное полноволновое поле, которое вычитают из периодически получаемых записей, и затем суммируют полученные разностные записи;
разностные записи или суммарные разностные записи преобразуют путем миграции в изображение среды, используя известные алгоритмы дифракционной томографии. Внедрение предлагаемого изобретения в практику сейсморазведки не требует создания новых технических средств или математического обеспечения и может быть начато уже в настоящее время. Его использование позволит обнаруживать слабоконтрастные аномальные объекты и объекты, размеры которых соизмеримы с преобладающей длиной сейсмической волны. Суммирование не исходных записей или их изображений, а разностных записей или разностных изображений, полученных при повторных воздействиях и регистрации сигналов, позволит обоснованно обнаруживать слабоконтрастные аномальные объекты с меняющимися во времени физическими свойствами. На стадии подземной разработки месторождений любых ископаемых это, к примеру, позволит проводить мониторинг, нацеленный на контроль за изменением содержимого вмещающих пород (контроль за фронтом горения, обводнением и др.). Технический результат - повышение надежности и разрешающей способности сейсморазведки.
Предлагаемый способ, детально рассмотренный в применении к наземной сейсморазведке, без существенного изменения его сущности может вполне применяться при проведении морских и скважинных сейсмических исследований, а также при скважинно-наземной сейсморазведке.
В методе вертикального сейсмического профилирования (ВСП) предлагаемый способ можно использовать в самых различных современных модификациях метода (Шехтман, 2017).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ампилов Ю.П., Батурин Д.Г. Новейшие технологии сейсмического мониторинга 4D при разработке морских месторождений нефти и газа//Технолоии сейсморазведки, №2, 2013, с. 31-36.
2. Баранов В.Д., Ерохин Г.Н., Кремлев А Н., Родин С.В. Способ поиска залежей углеводородов, приуроченных к трещинно-кавернозным коллекторам// Патент РФ №2451951, 2010.
3. Вершинина А.В., Музыченко Е.Л., Курин Е.А., Денисов М.С. Способ прогнозирования и вычитания кратных волн по сейсмическим данным, полученным при помощи донных регистраторов//Технологии сейсморазведки. 2012, №3, с. 56-64.
4. Касимов А.Н О., Шехтман Г.А., Максимов Г.А., Касимов С.А., Чертенков М.В., Стенин В.П. Способ определения параметров системы трещин гидроразрыва// Патент РФ №2507396, 2012.
5. Левянт В.Б., Моттль ВВ. Способ сейсмической разведки массивных геологических пород// Патент РФ №2168187, 1999.
6. Харахинов В.В., Шленкин С.И. Трещинные резервуары нефти и газа//М.: Научный мир, 2015. - 284 с.
7. Шехтман Г.А. Вертикальное сейсмическое профилирование. - М.: ООО «ЕАГЕ Геомодель», 2017. - 284 с.
8. Jack Ian Time-Lapse Seismic in Reservoir Management//!998 Distinguished Instructor Short Course, SEG, Tulsa.
9. Van Gestel J.P., Kommedal J., Barkved O., Mundal I., Bakke R., Best K.D., Continuous Seismic Surveillance of Valhall Field//The Leading Edge. 2008. P. 1616-1621.