Способ определения границ субвертикальных протяженных объектов в геологической среде
METHOD FOR DEFINITION OF BOUNDARIES OF SUB-VERTICAL EXPANDED OBJECTS IN GEOLOGICAL ENVIRONMENT

Изобретение относится к области сейсморазведки и может быть использовано для картирования границ субвертикальных протяженных объектов как естественного, так и искусственного происхождения, в геологической среде, для определения поверхностных и глубинных разломных структур, неоднородностей земной коры, при поиске рудных месторождений и месторождений нефти и газа, оптимального подбора мест бурения при разработке месторождений, для мониторинга среды при прогнозировании землетрясений и исследования районов и площадок размещения объектов ядерного топливного цикла.
Известен способ сейсморазведки, включающий регистрацию естественного сейсмического фона по трем компонентам не менее чем двумя сейсмоприемниками до и после генерирования сейсмических колебаний с частотой 0,1-70 Гц, суждение о наличии нефтегазовых месторождений по увеличению площади под кривой спектра сейсмического фона по всем трем компонентам после генерирования сейсмических колебаний по сравнению с исходным (RU №2119677, G01V 1/00, 1998).
Недостатками способа являются низкие достоверность, и надежность, и реализуемость, т.к. произвести генерирование сигнала в диапазоне 0,1-1 Гц представляет собой сложную техническую задачу.
Известен способ сейсморазведки, включающий предварительное определение дисперсионной кривой микросейсмических волн, характерной для исследуемой территории, путем проведения синхронной регистрации микросейсмических сигналов не менее чем тремя сейсмостанциями с вертикальными сейсмодатчиками с последующей оценкой по полученным данным зависимости кажущихся скоростей распространения микросейсмических волн от частоты сигнала, определение длин волн и частотного диапазона на основе анализа кажущихся скоростей, в котором микросейсмический сигнал состоит из волн Рэлея, размещение сейсмодатчиков на исследуемой территории таким образом, чтобы расстояние между ними составляло не более половины самой короткой длины волны Рэлея, определение амплитудной неидентичности измерительных каналов сейсмодатчиков в полосе частот микросейсмического сигнала путем одновременной регистрации микросейсмического сигнала всеми сейсмодатчиками в одной точке в течение времени, достаточного для установления стационарности спектра мощности микросейсмического сигнала, с последующим определением логарифмической разности спектров всех измерительных каналов сейсмодатчиков, регистрацию микросейсмического сигнала не менее чем двумя сейсмостанциями, одна из которых установлена стационарно в центральной части исследуемой территории, а остальные перемещаются по исследуемой территории, накопление спектра мощности микросейсмического сигнала в каждой точке измерений в течение времени, достаточного для установления стационарности спектра, расчет спектра пространственных вариаций микросейсмического сигнала для каждой точки измерений путем определения логарифмической разности спектра мощности для каждой точки измерений и спектра мощности микросейсмического сигнала, накопленного на сейсмостанции, установленной стационарно, в течение эквивалентного времени в тот же временной период с учетом амплитудной неидентичности измерительных каналов сейсмодатчиков, построение карты амплитудных вариаций микросейсмического сигнала для каждой частоты спектра пространственных вариаций, привязку каждой полученной карты к соответствующей ей глубине H (RU 2271554, G01V 1/00, 2006).
Недостатками способа является необходимость использования стационарно установленной базовой станции, производящей регистрацию микросейсмического сигнала в течении всего цикла полевых работ синхронно с измерениями в каждой точке наблюдения, что трудно реализуемо, а также низкая точность определения глубоких границ объектов геологической среды ввиду специфики рассеяния микросейсмических волн.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является метод и система картирования подповерхностных углеводородных пород-коллекторов, включающий регистрацию многокомпонентных сейсмических данных естественного низкочастотного сейсмического фона, разделение полученных данных на временные окна, разложение векторов данных в спектральные компоненты, объединение горизонтальных компонент в один вектор, процедуру сглаживания спектров, вычисление отношений вертикальной спектральной компоненты сейсмических данных к горизонтальной спектральной компоненте и усреднение спектров в пределах временных окон, при этом полученные отношения могут быть нанесены, очерчены и отображаться в виде карт подповерхностных коллекторов углеводородов или карты потенциальной углеводородоносности (патент US №7676326 B2, 2010).
Недостатками являются низкая достоверность и сложная реализуемость сейсморазведки в реальных условиях вследствие того, что в качестве основной информации используются различные наборы спектральных отношений вертикальной и любой одной из горизонтальных компонент либо вертикальной к суммарной горизонтальной, при этом вертикальная и горизонтальная компоненты фонового низкочастотного сейсмического поля не являются равнозначными с точки зрения их реакции на структуру среды и свойства материала среды, их спектральные отношения подвержены влиянию множества факторов, помимо геометрии геологических объектов, в связи с чем усложняется получение достоверных данных о структуре геологической среды, что делает метод трудно реализуемым в реальных геолого-геофизических условиях.
Техническим результатом является повышение достоверности определения субвертикальных границ протяженных объектов в геологической среде за счет того, что горизонтальные компоненты случайного микросейсмического сигнала по отношению друг к другу являются физически равнозначными, сокращение трудоемкости измерений.
Xi
Yi
Xi
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
j
j
j
j
j
j
Технический результат достигается в способе определения границ субвертикальных протяженных объектов в геологической среде, включающем установку в каждой точке измерений i на исследуемом участке двух горизонтальных с идентичными амплитудно-частотными характеристиками сейсмометров X и Y, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, синхронную регистрацию микросейсмических сигналов, состоящих из волн Рэлея, сейсмометрами X и Y в течение времени регистрации T, определяемом периодом стационарности горизонтальных компонент микросейсмического сигнала с последующим вычислением усредненного по времени регистрации T спектра мощности S(f) горизонтальных компонент сигналов сейсмометров X и спектра мощности S(f) горизонтальных компонент сигналов сейсмометров Y в каждой точке измерений i, определение отношений полученных спектров мощности в каждой точке измерений i S(f)/S(f), построение для каждой выбранной частоты f карт значений отношений спектров мощности S(f)/S(f) с последующим построением интерполяционной поверхности значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) и карты модуля градиента интерполяционной поверхности, определение границ субвертикальных протяженных геологических объектов по значениям модуля градиента, превышающим 2/3 от максимального значения модуля градиента, при этом привязку каждой полученной карты значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) к глубине H проводят с использованием формулы H=0,6-0,8 V(f)/f, где V(f) - средняя фазовая скорость волны Рэлея, f - частота в спектре, причем оси чувствительности всех сейсмометров X имеют одинаковое направление ориентации и оси чувствительности всех сейсмометров Y имеют одинаковое направление ориентации, а расстояние между точками измерений i составляет не более минимальной глубины заданного диапазона исследований.
Установка в каждой точке измерений i на исследуемом участке двух горизонтальных с идентичными амплитудно-частотными характеристиками сейсмометров X и Y, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, позволяет определить субвертикальные границы протяженных объектов без дополнительной трудоемкой обработки за счет регистрации горизонтальных компонент в проекции на одни и те же оси по всей площади.
Синхронная регистрация горизонтальных компонент микросейсмического сигнала позволяет устранить временные вариации микросейсмического сигнала.
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Построение для каждой выбранной частоты f карт значений отношений спектров мощности горизонтальных компонент S(f)/S(f) с последующим построением интерполяционной поверхности значений отношения спектров S(f)/S(f) и карты модуля градиента интерполяционной поверхности позволяет перейти от измерений в отдельных точках к оценке пространственного положения субвертикальных границ протяженных геологических объектов.
Xi
j
Yi
j
Отношение спектров мощности горизонтальных компонент S(f)/S(f) отражает анизотропию строения геологической среды, наличия в ней протяженных объектов, при этом спектральное отношение горизонтальных компонент меньше подвержено влиянию неконтролируемых факторов, таких как отношение скоростей сейсмических волн между различными горизонтами среды.
j
Определение границ субвертикальных протяженных геологических объектов по значениям модуля градиента, превышающим 2/3 от максимального значения модуля градиента, на данной карте f позволяет выделить области с высоким значением модуля градиента, которые определяют пространственное положение субвертикальных границ протяженных геологических объектов, что повышает достоверность определения этих границ.
Оси чувствительности всех сейсмометров X имеют одинаковое направление ориентации, и оси чувствительности всех сейсмометров Y имеют одинаковое направление ориентации, что позволяет существенно снизить трудоемкость, связанную с обработкой измеренных микросейсмических сигналов.
Расстояние между точками измерений i составляет не более минимальной глубины заданного диапазона исследований, необходимо для достоверности и точности определения субвертикальных границ за счет исключения пропуска границ.
Xi
j
Yi
j
j
Способ определения границ субвертикальных про тяженных объектов в геологической среде поясняется фиг.1, где изображен пример интерполяционной поверхности значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) на частоте f, для протяженного заглубленного субвертикального высокоскоростного тела, границы которого указаны пунктиром.
Способ определения границ субвертикальных протяженных объектов в геологической среде осуществляется следующим образом.
Xi
Yi
Xi
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
j
j
j
j
j
j
На исследуемом участке устанавливают в каждой точке измерений i два горизонтальных с идентичными амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) сейсмометра X и Y, оси чувствительности которых взаимно ортогональны. Оси чувствительности всех сейсмометров X имеют одинаковое направление ориентации, и оси чувствительности всех сейсмометров Y имеют одинаковое направление ориентации. Расстояние между точками измерений i составляет не более минимальной глубины заданного диапазона исследований. Проводят синхронную регистрацию микросейсмических сигналов, состоящих из волн Рэлея, сейсмометрами X и Y в течение времени регистрации T, определяемом периодом стационарности горизонтальных компонент микросейсмического сигнала. Затем вычисляют усредненный по времени регистрации T спектр мощности S(f) горизонтальных компонент сигналов сейсмометров X и спектр мощности S(f) горизонтальных компонент сигналов сейсмометров Y в каждой точке измерений i. Определяют отношения полученных спектров мощности в каждой точке измерений i S(i)/S(f), после чего строят для каждой выбранной частоты f карты значений отношений спектров мощности S(f)/S(f), интерполяционную поверхность значений отношения спектров S(f)/S(f) и карты модуля градиента интерполяционной поверхности. Привязку каждой полученной карты значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) к глубине H проводят с использованием формулы H=0,6-0,8 V(f)/f, где V(f) - средняя фазовая скорость волны Рэлея, f - частота в спектре. Определение границ субвертикальных протяженных геологических объектов проводят по значениям модуля градиента, превышающим 2/3 от максимального значения модуля градиента.
Конкретный пример реализации способа определения границ субвертикальных протяженных объектов в геологической среде
P
S
Xi
Yi
Xi
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
j
j
j
j
j
j
Xi
j
Yi
j
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
j
j
j
j
j
j
Xi
j
Yi
j
Xi
j
Yi
j
j
На исследуемом участке размерами 75 на 45 м со средними скоростями сейсмических волн в осадочных породах V=800 м/с, V=460 м/с, и V=420 м/с для волны Рэлея в каждой точке измерений i по квадратной сетке с равномерным шагом 2 м устанавливались два горизонтальных сейсмометра X и Y с идентичными АЧХ, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, использовались горизонтальные сейсмометры CM3. Оси чувствительности всех сейсмометров X имели одинаковое направление ориентации, и оси чувствительности всех сейсмометров Y имели одинаковое направление ориентации во всех точках наблюдения i. Направления осей чувствительности приборов X и Y во всех точках наблюдений i были выбраны по сторонам света - N и E соответственно. Проводилась синхронная регистрация микросейсмических сигналов, состоящих из волн Рэлея, сейсмометров X и Y в течение времени регистрации T=120 минут. Затем были вычислены усредненные по времени регистрации T=120 минут спектры мощности S(f) горизонтальных компонент сигналов сейсмометров X и спектры мощности S(f) горизонтальных компонент сигналов сейсмометров Y в каждой точке измерений i в частотном диапазоне 5-90 Гц, после чего были рассчитаны отношения полученных спектров мощности в каждой точке измерений i S(f)/S(f). Для каждой частоты f, выбранной из частотного диапазона 5-90 Гц с шагом 1 Гц, были построены карты значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) и интерполяционные поверхности значений отношения спектров S(f)/S(f), привязка каждой из которых к глубине H производилась по формуле H=0.7V(f)/f, где V(f) - средняя фазовая скорость волны Рэлея, f - частота в спектре. На фиг. 1 представлена карта интерполяционной поверхности значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) на частоте f=38 Гц, соответствующей длине волны Рэлея 11 м, карта симметризована относительно середины аномалии и повернута кажущейся осью неоднородности вдоль оси координат x для наглядности/определенности. В области над протяженной субвертикальной высокоскоростной неоднородностью формируется аномалия повышенных значений отношений спектров мощности S(f)/S(f) - светлая зона, в то время как по обе стороны вблизи ее протяженных границ формируются аномалии пониженных значений отношений спектров мощности S(f)/S(f) - темные зоны, при этом ось x направлена вдоль тела протяженного объекта. Для каждой карты значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) строилась интерполяционная поверхность значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) и карта модуля градиента интерполяционной поверхности, выполнялась привязка каждой полученной карты к глубине H с использованием формулы H=0,7V(f)/f, где V(f) - средняя фазовая скорость волны Рэлея, f - частота в спектре. Области значений модуля градиента интерполяционной поверхности значений отношения спектров мощности S(f)/S(f), превышающих 2/3 от максимального значения модуля градиента, определяют положение субвертикальных границ искомой протяженной неоднородности. Указанные области находятся между светлой и темной аномалиями на интерполяционной поверхности значений отношения спектров мощности S(f)/S(f) для частоты f=38 Гц на фиг. 1. Пунктиром показано положение субвертикальных границ найденного объекта - вертикально захороненной высокоскоростной плиты. Размеры искомого объекта - 20 м в длину, 3.5 м в ширину и около 10 м в глубину.
Xi
Yi
j
j
j
Кроме того, трехмерный анализ карт значений отношений спектров мощности горизонтальных компонент S(f)/S(f) для всех частот из диапазона 5-90 Гц с использованием формулы глубинной привязки с коэффициентом 0.7: H=0.7V(f)/f, позволил оценить глубину верхней части плиты 5-6 м и спрогнозировать глубину нижней - около 15-18 м.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность определения субвертикальных границ объектов в геологической среде, особенно на больших глубинах, сократить трудоемкость измерений.