СПОСОБ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD FOR SEISMIC EXPLORATION OF ROCKS

Предлагаемое изобретение относится к сейсмической разведке, предназначено для изучения трещиноватости горных пород, а также других неоднородностей в геологической среде, например полостей (пустот), заполненных газом или жидкостью, и может быть использовано для их поиска в геологической среде.
Актуальность изучения трещиноватости геосреды при поиске месторождений углеводородов (УВ) связана с высокими притоками УВ сырья в скважинах, пробуренных в зоны трещиноватости, и обусловила создание многообразных способов сейсмической разведки, решающих задачи определения пространственного распределения трещиноватости пород в геологической среде и оценки анизотропии направлений трещиноватости в конкретных участках площади для оптимизации разработки месторождений УВ. В обобщенном виде способы определения трещиноватости представлены в публикации [1, стр.92-105]. Они основаны на использовании характеристик сейсмических зеркально отраженных волн (амплитуда, спектр, затухание, скорость, когерентность, удаление, азимутальная направленность и др.) и их преобразовании с учетом установленных корреляционных связей с трещиноватостью. Недостатком этих способов является использование характеристик зеркально отраженных волн, которые зависят не только от трещиноватости, но и от многих других факторов, таких как структура слоистости отражающей толщи, пористость, тип флюидонасыщения, напряженное состояние и другие характеристики пород. При этом влияние некоторых из указанных факторов на характеристики отраженной волны оказывается большим, чем трещиноватость. Поэтому для изучения трещиноватости по характеристикам зеркально отраженных волн необходимо учитывать и/или исключать влияние других факторов (слоистость, пористость и другие характеристики этих волн). В реальных условиях изучения трещиноватости геосреды (даже при наличии скважин) исключить многофакторное влияние на характеристики зеркально отраженной волны невозможно достаточно корректным образом, чтобы получить результаты о пространственном распределении трещиноватости с необходимой достоверностью.
Известен также способ сейсморазведки [2], который позволяет с большей достоверностью изучать трещиноватость геологической среды за счет того, что используются сейсмические рассеянные волны, образующиеся на совокупности открытых трещин.
Данный способ заключается в размещении источников и приемников на поверхности земли за пределами исследуемого массива горной породы, фокусированном излучении и приеме с их помощью сейсмических волн и последующей обработке полученных данных. Перед возбуждением и приемом сейсмических волн исследуемый массив делят на кубические блоки и фокусируют излучаемые волны в центр каждого кубического блока с синфазным суммированием волн на приемниках от центра каждого кубического блока при каждом излучении. При обработке полученных данных определяют энергию волн от каждого центра, по максимальным значениям которой получают объемное изображение локального дифрагирующего объекта в массиве.
0,5
Энергия рассеянных волн доминантно (на ~ 90%) зависит от интенсивности (количества) трещин в 1-й зоне Френеля - объеме, где формируется сейсмический сигнал рассеянной волны. Этот объем имеет форму диска с толщиной в центре h=0,5λ и D=(2·L·λ), где L - расстояние от центра площадной системы (апертуры) приема до исследуемой точки геосреды (центра диска) и λ - длина сейсмической волны. Фокусирование падающих (из пунктов излучения на заданную точку) и рассеянных (от заданной точки к пунктам приема) сейсмических волн реализует синфазное суммирование сейсмических волн по годографам падающей и рассеянной волн соответственно. Энергию суммарного сигнала рассеянной волны идентифицируют с интенсивностью трещиноватости в объеме 1-й зоны Френеля с центром в заданной точке геосреды, поскольку между энергией рассеянной волны и интенсивностью трещиноватости существует доминантная зависимость. По данному способу сейсморазведки определяют общее распределение трещиноватости в исследуемом объеме геосреды и форму локальных зон аномально высокой трещиноватости.
Недостатком изучения трещиноватости геосреды по данному способу является отсутствие возможности определения роза-диаграммы азимутальных направлений трещиноватости. При падении на плоскость трещины упругой волны, длина которой значительно превышает размеры трещины, формируется рассеянная волна, основная энергия которой распространяется вперед и назад перпендикулярно плоскости трещины [3], т.е. трещина обладает характеристикой направленности формирования рассеянного излучения упругой волны (фиг.1), что может быть использовано при регистрации рассеянной волны по разным азимутальным направлениям ее распространения.
При формировании сигнала рассеянной волны в 1-й зоне Френеля, где присутствует совокупность открытых трещин, имеющих разные направления, определяющие анизотропию трещиноватости, максимальная энергия рассеянной волны распространяется в направлении, перпендикулярном доминантному простиранию трещин, а минимальная - вдоль этого простирания. Если совокупность трещин имеет мононаправление, то вдоль этого направления энергия рассеянной волны практически отсутствует и, следовательно, подобная зона трещиноватости не может быть обнаружена (зарегистрирована) приемной апертурой, луч обзора которой совпадает с данным направлением.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение информативности способа за счет возможности обнаружения разноориентированной трещиноватости в пласте.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе сейсмической разведки горных пород, включающем размещение на поверхности Земли за пределами площади обзора сейсмических локаторов, каждый из которых состоит из площадной апертуры излучения и площадной апертуры приема, в которых равномерно расположены пункты излучения и приема соответственно, фокусированное излучение и прием с их помощью сейсмических волн, последующую обработку полученной информации, получение объемной матрицы значений энергии рассеянных волн в каждой точке сканирования, по значениям которых судят об объемном распределении трещиноватости в изучаемом массиве горной породы, согласно изобретению для каждой заданной точки сканирования изучаемого массива горной породы строят азимутальную векторную диаграмму нормированной энергии рассеянных волн, в которой направления векторов перпендикулярны лучам обзора локаторов, проходящим из центра апертур приема каждого локатора в заданную точку, а скалярная величина вектора равна нормированной энергии рассеянной волны, полученной по соответствующим лучам обзора каждого локатора, и вышеуказанную диаграмму идентифицируют с роза-диаграммой трещиноватости, в которой главное направление трещиноватости соответствует вектору с максимальным значением энергии рассеянной волны, а второстепенные направления трещиноватости - векторам с минимальными значениями энергии рассеянной волны.
При этом для повышения достоверности определения основных и второстепенных направлений трещиноватости по получаемой роза-диаграмме целесообразно обзор изучаемого массива горных пород проводить из не менее двух локаторов, расположенных таким образом, чтобы заданные точки сканирования обозревались по не менее двум ортогональным направлениям. Данных площадей обзора порядка 1-2 км достаточно 2 локаторов, а для больших площадей количество локаторов следует брать более двух.
С целью нормирования значений скалярной величины вектора энергию рассеянной волны, полученную по каждому локатору в заданной точке сканирования, нужно умножать на сумму расстояний от центров апертур излучения и приема соответствующего локатора до заданной точки сканирования.
Для получения общего поля трещиноватости нормированные значения энергии рассеянной волны, полученные от каждого локатора, в каждой точке суммируют.
Чтобы повысить надежность обнаружения разноориентированной трещиноватости в геологической среде, необходимо сейсмические наблюдения проводить из нескольких локаторов, апертуры приема которых расположены с разных сторон площади исследования таким образом, чтобы обзор всех точек сканирования изучаемого объема среды осуществлялся лучами, исходящими от центра апертур приема в ортогональных направлениях. В этом случае в суммарном поле трещиноватости, полученном по всем задействованным сейсмическим локаторам, присутствуют все зоны трещиноватости, в том числе имеющие мононаправление трещин или ярко выраженную бинарную направленность совокупности трещин, т.е. анизотропию. Для получения роза-диаграммы трещиноватости в каком-либо элементарном объеме (1-й зоне Френеля) с центром в точке фокусирования строят векторную диаграмму, состоящую из векторов, которые имеют направление, перпендикулярное лучам, приходящим из центров апертур приема в заданную точку, и скалярную величину, равную нормированной энергии рассеянной волны, полученную по соответствующим лучам обзора с каждого локатора.
ф
ф
ф
u
u
u
n
n
n
Необходимость нормирования энергии связана с тем обстоятельством, что при распространении упругой волны в геосреде имеет место ее затухание, обусловленное расхождением фронта волны, поглощением и рассеянием (на различных неоднородностях). Поэтому при определении энергии рассеянных волн от локаторов, расположенных на различном удалении от точки фокусирования, необходимо вводить поправку за удаление центров апертур излучения и приема от точки фокусирования. Эти удаления рассчитывают по координатам точки фокусирования (x, y и z), центра апертуры излучения (x, y и z), центра апертуры приема (x, y и z) и соответствующим формулам:
u
u
ф
u
ф
u
ф
2
2
2
0,5
L=((x-x)+(y-y)++(z-z)) для апертуры излучения и
n
n
ф
n
ф
n
ф
2
2
2
0,5
L=((x-x)+(y-y)++(z-z)) для апертуры приема.
u
n
Поскольку энергия упругой волны при фокусировании затухает прямо пропорционально расстоянию, то полученные значения энергии рассеянной волны в точке фокусирования от каждого локатора нормируют (делят) на сумму расстояний (L+L) центров апертур излучения и приема соответствующего локатора до точки фокусирования. После такого преобразования получают векторную диаграмму нормированных значений энергии рассеянной волны.
Учитывая доминантную зависимость энергии рассеянных волн от интенсивности трещиноватости, построенную азимутальную векторную диаграмму идентифицируют с роза-диаграммой трещиноватости в элементарном объеме пород геосреды, где образуется рассеянная волна. При этом поскольку распространение рассеянных волн от совокупности трещин происходит в соответствии с характеристикой (диаграммой) направленности этой совокупности, то полученная роза-диаграмма трещиноватости отражает азимутальную неоднородность трещиноватости, и по ней судят о наличии главных и второстепенных направлений открытой трещиноватости в элементарном объеме.
Способ реализуют следующим образом.
На дневной поверхности за пределами контура обзора монтируют сейсмический локатор, состоящий из апертур излучения и приема, в которых равномерно (по схемам звезда, спираль, тор, квадрат и т.п.) расставляют пункты излучения и приема в количестве порядка 100 для каждой апертуры. Локаторы размещают таким образом, чтобы обзор каждой точки осуществлялся по нескольким ортогональным направлениям из центров апертур приема. Сейсмическую волну возбуждают на апертуре излучения (взрыв, удар или вибрация), фокусируют ее с помощью рассчитанных временных задержек в заданную точку, в которой образуется рассеянная волна, распространяющаяся к дневной поверхности, в том числе на участок, где расположена апертура приема данного локатора. Прием рассеянной волны осуществляют с помощью рассчитанных временных задержек, реализующих фокусирование в ту же заданную точку, что и при фокусировании апертуры возбуждения, и получение энергии рассеянной волны в точке фокусирования. Данную энергию нормируют на сумму расстояний от центров апертур излучения и приема до точки фокусирования. Эту операцию для данного локатора повторяют для всех точек сканирования объема изучаемой среды, в результате чего получают 3Д-поле трещиноватости при обзоре с одного локатора. Аналогично получают 3Д-поле трещиноватости по другим локаторам. Нормированные значения энергии рассеянной волны, полученные от каждого локатора, в каждой точке суммируют и получают общее поле трещиноватости, в котором исключено влияние анизотропии направления трещиноватости геологической среды. Для заданных точек сканирования изучаемого объема строят роза-диаграммы трещиноватости следующим образом. В заданной точке сканирования в направлениях, перпендикулярных лучам обзора, из центра апертуры приема каждого локатора, осуществляющего обзор данной точки, наносят линию-вектор с размерами 0,5 значения нормированной энергии (в условных единицах) по обе стороны от заданной точки. Все значения нормированной энергии наносятся в едином масштабе. Главному направлению трещиноватости соответствует линия-вектор, имеющая максимальный размер.
Примеры реализации способа сейсмической разведки горных пород поясняются на фиг.2, 3, 4а и 4б.
На фиг.2 представлена схема расположения локаторов относительно площади обзора.
На фиг.3 приведена суммарная карта распределения трещиноватости для изучаемой площади обзора.
На фиг.4а и 4б показаны построенные роза-диаграммы трещиноватости для заданных точек сканирования при использовании 4-х и 2-х локаторов соответственно.
Для изучения поля трещиноватости на площади обзора с размерами 3×3 км использованы четыре локатора, расположенные за пределами изучаемой площади с четырех ее сторон (фиг.2), образующими систему, по которой возможен ортогональный обзор точек, распределенных равномерно по осям х, y и z с шагом Δх=Δy=25 м. Пункты приема и излучения в соответствующих апертурах расположены в форме спирали, образуя площадную сейсмическую антенну, имеющую относительно равномерную характеристику направленности. Размер апертуры в диаметре 1200 м, количество пунктов наблюдения 100. По каждому локатору на основе фокусирующего преобразования излученного и принятого сейсмического волнового поля получены карты распределения трещиноватости и суммарная карта для изучаемой площади. На результирующей карте (фиг.3) присутствуют все локальные зоны, которые по отдельным локаторам не были выделены из-за азимутальной анизотропии трещиноватости в этих зонах. Для заданных точек по нормированной энергии (от каждого локатора) построены роза-диаграммы трещиноватости на участке площади, где планируется бурение горизонтальной скважины (фиг.4а). Траекторию горизонтального ствола проводят ортогонально главному направлению трещиноватости пород-коллекторов нефти, так как при выполнении этого условия приток нефти в пробуренную скважину значительно возрастает.
Аналогичный пример определения роза-диаграмм для той же цели выбора оптимальной траектории бурения горизонтального ствола показан для площади 1,5×1,5 км (фиг.4б), где было отработано 2 локатора, один из которых расположен с восточной стороны площади, а другой - с южной. Траектория бурения горизонтального ствола определена по направлению, перпендикулярному главному вектору трещиноватости.
Литература
1. Кузнецов О.Л., Чиркин И.А., Курьянов Ю.А., Рогоцкий Г.В., Дыбленко В.П. Экспериментальные исследования. - М.: ГНЦ РФ - ВНИИгеосистем, 2004. - 362 с. (Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред: в 3 т. Т.2).
2. Патент РФ на изобретение №2008697, кл. G01V 1/00, опубл. 1994.02.28.
3. Курьянов Ю.А., Кухаренко Ю.А., Рок В.Е. Теоретические модели и сейсмоакустика поротрещиноватых сред. - М.: ГНЦ РФ - ВНИИгеосистем, 2002. (Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред: в 3 т. T.1).