СПОСОБ МОРСКОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MARINE SEISMIC SURVEY AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к области сейсмической разведки и предназначена для определения структуры и свойств геологического разреза под дном акваторий.
Из уровня техники известен способ морской сейсморазведки геологической структуры морского дна с помощью линейно-протяженной сейсмоакустической антенны и буксируемого импульсного источника звука (патент на изобретение RU №2502091, опубликовано 20.12.2013 г.), при этом линейно-протяженная сейсмоакустическая антенна установлена на донном грунте; импульсный источник звука перемещается перпендикулярно линии расположения донной линейно-протяженной сейсмоакустической антенны; излучаемые буксируемым импульсным источником звука сигналы фиксируются с помощью специального приемного гидрофона, установленного на донной линейно-протяженной сейсмоакустической антенне; при каждом излучении импульсного сигнала фиксируются координаты точки излучения и время излучения; линейно-протяженная сейсмоакустическая антенна принимает зондирующие геологическую структуру дна сигналы и формирует диаграммы направленности в плоскости «линия расположения антенны - глубина»; для каждой сформированной диаграммы направленности сейсмоакустической антенны производится свертка принятого сигнала с излученным по параметру «время задержки»; результаты свертки суммируются по излучаемым импульсам с учетом изменения времени задержки отраженного сигнала относительно линии буксировки; просматриваются все угловые направления в плоскости «линия буксировки импульсного источника звука - глубина»; формируется изображение в формате 3-D в сферической системе координат относительно центра сейсмоакустической антенны для углов, азимута и времени задержки сигнала.
Недостатком способа является принципиальная невозможность существенного повышения разрешающей способности при сохранении заданной глубинности сейсмической разведки в связи с использованием единственного источника упругих колебаний с ограниченной полосой частот.
Также из уровня техники известен сейсморазведочный комплекс (патент на изобретение RU №2488847, опубликовано 27.07.2013 г.), включающий сейсмоисточник с возможностью возбуждения различных по своему спектральному составу сигналов с системой формирования управляющих сигналов и системой контроля возбуждаемых зондирующих сигналов, сейсмостанцию с возможностью корреляции виброграмм и преобразования коррелограмм в импульсные сейсмограммы с системой формирования коррелирующих сигналов и системой определения параметров управляющих сигналов и средства обмена информацией между сейсмостанцией и сейсмоисточником, при этом выход системы контроля возбуждаемых зондирующих сигналов через средства обмена информацией между сейсмоисточником и сейсмостанцией соединен с входом системы формирования коррелирующих сигналов, а выход системы определения параметров управляющих сигналов через средства обмена информацией между сейсмостанцией и сейсмоисточником соединен со входом системы формирования управляющих сигналов.
Недостатком способа является низкая детальность и высокий уровень регулярных и нерегулярных помех в силу использования стандартной сейсмической косы с равномерно распределенными гидрофонами, расположенной горизонтально.
Из уровня техники также известно устройство для буксировки сейсмографной косы (патент на изобретение SU 1805426 А1, опубликовано 30.03.1993), включающее судно-буксир, лебедку, секцию снижения, сейсмическую косу и кожух, содержащий грузонесущий трос и группу полых цилиндров, нанизанных на сейсмографную косу, при этом группа полуцилиндров выполнена в виде левого и правого полуцилиндров, которые соединены друг с другом жесткими тягами и снабжены механизмом смещения полуцилиндров. Указанный механизм может быть выполнен в виде двух тросиков, расположенных параллельно грузонесущему тросу и соединенных один с левым, а другой с правым полуцилиндром. Полуцилиндры могут быть соединены также пружинами, расположенными в плоскости размещения жестких тяг, а также могут иметь S-образную форму в сечении, перпендикулярном грузонесущему тросу.
Недостатком известного технического решения является повышение помех из-за того, что цилиндры нанизаны на сейсмографическую косу.
Известна из уровня техники сейсмическая коса (патент на изобретение RU 2456640 С2, опубликовано 27.06.2011), содержащая первую группу гидрофонов, выходные сигналы которых объединены с обеспечением получения первого группового отклика и которые расположены в заранее заданных нерегулярных позициях вдоль сейсмической косы, при этом указанные заранее заданные нерегулярные позиции определены статистически случайной последовательностью чисел и каждое из чисел указанной последовательности определяет отклонение положения соответствующего ему одного из гидрофонов от соответствующей номинальной позиции в равномерном распределении гидрофонов.
Недостатком известного технического решения является низкая разрешающая способность, из-за неэквидистентности расположения гидрофонов.
Также из уровня техники известен способ морской сейсмической разведки (патент на изобретение RU №2072535 С1), включающий возбуждение колебаний источником и регистрацию отраженных волн многоканальным приемным устройством, установленным с углом наклона, перемещение по профилю источника и многоканального приемного устройства с помощью судна прямым и обратным курсом с последовательным изменением расстояния между источником и приемным устройством при смене курса, обработку информации, при этом перемещение источника осуществляется с помощью дополнительного судна с фиксированным расстоянием от основного и с той же скоростью движения, причем приемное устройство, перемещаемое основным судном, устанавливают вдоль профиля с определенным углом наклона относительно вертикали, на конце приемного устройства закрепляют кондеп и в процессе движения поддерживают его на определенной глубине. Предлагаемый способ включает также разноглубинное накапливание и обработку информации, при этом двойное суммирование осуществляют по фиксированной общей глубинной точке.
Недостатком известного технического решения является низкая разрешающая способность, из-за использования единственного источника упругих колебаний с ограниченной полосой частот, большая трудоемкость выполнения работ из-за использования второго судна.
Наиболее близкое техническое решение группы изобретений - способ сейсмических исследований на акваториях и устройство для его осуществления (патент на изобретение RU №2592739, опубликовано 27.07.2016, Бюл. №21). Способ морской сейсмической разведки включает возбуждение колебаний источником и регистрацию отраженных волн многоканальным приемным устройством, установленным с углом наклона относительно поверхности воды, перемещение по профилю источника колебаний и многоканального приемного устройства с помощью судна, обработку данных. Многоканальное приемное устройство выполнено в виде сейсмической косы, состоящей из набора приемников давления в виде гидрофонов с увеличивающимся шагом между ними от начала сейсмической косы к ее концу. Возбуждение колебаний осуществляют тремя источниками, срабатывающими одновременно или в заданной последовательности: пневматическим источником в виде пневмопушки, спаркером и бумером. Пневмопушка возбуждает низкочастотные колебания в диапазоне 50-250 Гц, буксируется на глубине не более 0,25 от преобладающей длины возбуждаемых им колебаний, на удалении 10-20 м от первого канала сейсмической косы. Спаркер возбуждает среднечастотные колебания в диапазоне 200-2000 Гц и которые находятся в диапозоне между колебаниями создаваемыми пневмопушкой и бумером. Бумер возбуждает высокочастотные колебания в диапазоне 500-5000 Гц, буксируется на глубине не более 0,25 от преобладающей длины возбуждаемых им колебаний, на возможно минимальном расстоянии от первого канала сейсмической косы. Принятые сейсмической косой данные передают на регистрирующее устройство на судне для математической обработки. Устройство для морской сейсмической разведки включает судно-буксир, сейсмостанцию, многоканальное приемное устройство, выполненное в виде сейсмической косы в кожухе, и систему из трех последовательно расположенных источников возбуждения упругих колебаний в разных частотных диапазонах: пневматического источника в виде пневмопушки, спаркера и бумера.
Недостатком известного технического решения является низкая разрешающая способность, детальность и информативность сейсморазведки.
Задачей группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков, связанных с низкой разрешающей способностью, детальностью и информативностью сейсморазведки.
Техническим результатом группы изобретений является повышение разрешающей способности сейсмической разведки на акваториях за счет расширения полосы частот принимаемых упругих колебаний (источник испускает сигналы определенной частоты, а сейсмическая коса эти сигналы, отраженные от разных слоев земли, принимает) буксируемых на разных уровнях сейсмическими косами, повышение соотношения сигнал/помеха для регулярных и нерегулярных помех за счет увеличения кратности по методу общей глубинной точки, повышение детальности наблюдений при сохранении глубинности, возможность работы при плохих погодных условиях, без потери качества данных.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве морской сейсмической разведки, включающее в себя судно, сейсмостанцию, блок управления низкочастотного источника, блок управления среднечастотного источника, блок управления высокочастотного источника, многоканальное приемное устройство, выполненное в виде приповерхностной сейсмической косы в кожухе и пьезокерамических гидрофонов, многоканальное приемное устройство, выполненное в виде заглубленной сейсмической косы в кожухе и пьезокерамических гидрофонов, низкочастотный, среднечастотный и высокочастотный источники колебаний, а также несущий трос, кабели для передачи данных, шланг высокого давления, вспомогательные тросы, по изобретению, содержит не менее одного заглубителя, буксируемого за судном на несущем тросе, к которому на разных глубинах прикреплены три приемоизлучающие установки, две из которых содержит в себе источник и сейсмическую косу, выполненную с возможностью буксировки на различных глубинах от дна, каждая сейсмическая коса состоит из набора приемников давления в виде гидрофонов с равномерным шагом от начала сейсмической косы до конца, причем каждая сейсмическая коса содержит концевой буй.
Детали, признаки, а также преимущества заявленной группы изобретений следуют из нижеследующего описания варианта реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
на фиг. 1 - представлено схематичное изображение устройства для морской сейсмической разведки;
на фиг. 2 - общая схема подключения устройств включая навигационное оборудование судна;
на фиг. 3 - временная диаграмма работы сейсмоакустического комплекса;
на фиг. 4 - сейсмограммы равного удаления. Слева - приповерхностная система (низкочастотный источник), справа - заглубленная буксировка (среднечастотный источник), по центру - сумма данных приповерхностной и заглубленной систем;
на фиг. 5 - изменение AVO (анализ зависимости амплитуды отраженной волны от удаления) - отклика от морского дна для придонных осадков с различными скоростями Vs; (ссылка на понятие, что такое AVO http://inter-geo.org/Study/Seismic/Graf-plus/AVO-01.php?lang=ru);
на фиг. 6 - принципиальная схема формирования сигнала, сигнатура и ее спектр для волны, отраженной от дна (сверху), волны, отраженной от дна и осложненной волной-спутником за источник (по центру) и волны, отраженной от дна и осложненной волнами-спутниками за источник и приемник (снизу).
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1. - судно;
2. - регистрирующее устройство (сейсмостанция);
3. - блок управления низкочастотного источника;
4. - блок управления сред нечастотного источника;
5. - блок управления высокочастотного источника;
6. - низкочастотный источник колебаний;
7. - приповерхностная сейсмическая коса (многоканальное приемное устройство);
8. - концевой буй приповерхностной косы;
9. - среднечастотный источник колебаний;
10. - заглубленная сейсмическая коса (многоканальное приемное устройство);
11. - концевой буй заглубленной косы;
12. - высокочастотный источник колебаний;
13. - заглубитель.
Устройство морской сейсмической разведки, включает в себя судно - 1, сейсмостанцию - 2, блок управления низкочастотного источника - 3, блок управления среднечастотного источника - 4 блок управления высокочастотного источника - 5, многоканальное приемное устройство, выполненное в виде приповерхностной сейсмической косы - 7 в кожухе и пьезокерамических гидрофонов, многоканальное приемное устройство, выполненное в виде заглубленной сейсмической косы - 10 кожухе и пьезокерамических гидрофонов и концевой буй - 11. низкочастотный (пневматический) - 6, среднечастотный (спаркер) - 9 и высокочастотный (пьезокерамический) источники колебаний - 12, а также несущий трос, кабели для передачи данных, шланг высокого давления, вспомогательные тросы. Устройство дополнительно содержит не менее одного заглубителя - 13, буксируемого за судном на несущем тросе, к которому на разных глубинах прикреплены три приемоизлучающие установки, две из которых содержат в себе источник и сейсмическую косу, выполненную с возможностью буксировки на различных глубинах от дна, каждая сейсмическая коса состоит из набора приемников давления в виде гидрофонов с равномерным шагом от начала сейсмической косы до конца, причем каждая сейсмическая коса содержит концевой буй.
Регистрирующее устройство соединено с:
1. навигационным оборудованием при помощи кабеля, передающего сигнал запуска (не показано на рисунках);
Навигационное оборудование - это система (устройство) которое управляет судном при сейсмических работах т.е. точно водит по профилям (прямые линии на море) принимая сигналы определения местоположения со спутников.
2. блоком управления пневматического источника при помощи кабеля, передающего сигнал запуска;
3. сейсмическими косами при помощи кабелей, передающих данные с гидрофонов на борт судна;
4. блоком управления источника - спаркера при помощи кабеля, передающего сигнал запуска;
5. блоком управления источника - бумера при помощи кабеля, передающего сигнал запуска.
Блок управления пневматического источника соединен с:
1. сейсмостанцией при помощи кабеля, передающего сигнал запуска;
2. пневматическим источником при помощи системы воздушных шлангов.
Блок управления источника - спаркер соединен с:
1. сейсмостанцией при помощи кабеля, передающего сигнал запуска;
2. источником - спаркером при помощи высоковольтного кабеля, вдоль силового троса, идущего к заглубителю.
Блок управления пьезокерамического источника - бумера соединен с:
1. навигационным оборудованием и сейсмостанцией при помощи кабеля передачи информации;
2. пьезокерамическим источником - бумером при помощи кабеля передачи данных вдоль силового троса, идущего к заглубителю.
Каждая сейсмическая коса соединена с:
1. сейсмостанцией при помощи кабеля, передающего данные с гидрофонов на борт судна;
2. оттягивающим концевым буем.
Осуществление изобретения
Устройство морской сейсмической разведки работает следующим образом.
Заглубитель буксируется за судном на несущем тросе, к которому на разных глубинах прикреплены три приемоизлучающие установки, две из которых состоят из источника и сейсмической косы.
Сейсмическая коса в кожухе выполнена с возможностью буксировки на различных глубинах от дна и состоит из набора приемников давления в виде гидрофонов с равномерным шагом от начала сейсмической косы до конца и концевым буем.
Низкочастотный источник возбуждает низкочастотные колебания в диапазоне 50-250 Гц.
Среднечастотный источник возбуждает среднечастотные колебания в диапазоне 200-2000 Гц.
Высокочастотный источник возбуждает высокочастотные колебания в диапазоне 1000-8000 Гц.
Устройство возбуждает в заданной последовательности (как показано на фигуре 3) или одновременно упругих колебаний тремя источниками, расположенными на различной глубине, в трех различных частотных диапазонах с перекрытием, для обеспечения максимально широкой полосы частот, и принимает сигнал от каждого источника многоканальными сейсмическими косами, буксируемыми на различной глубине.
Способ морской сейсмической разведки, включает возбуждение колебаний, регистрацию отраженных волн, обработку данных, по изобретению,
- возбуждение колебаний осуществляется при помощи трех разночастотных источников установленных на разных уровнях относительно поверхности воды, срабатывающих в заданной последовательности или одновременно,
- регистрацию отраженных волн производят тремя разделенными в пространстве по вертикали многоканальными приемными устройствами, каждое из которых установлено на уровне одного из излучающих сигнал устройств, буксируемых по профилю с помощью судна,
- многоканальные приемные устройства выполнены в виде сейсмических кос -приповерхностной и заглубленной,
- затем принятые приповерхностной и заглубленной косами данные передают на регистрирующее устройство на судне для математической обработки,
- обработка полученных данных позволяет применение методов разделения волнового поля для объединения данных приповерхностной и заглубленной кос,
- в устройстве используются низкочастотные источники (пневмопушки), среднечастотные (спаркеры) источники и высокочастотные (бумеры) невзрывные источники, излучаемые ими частоты выбираются так, чтобы обеспечить «перекрытие» спектров возбуждаемых волн и дать максимально широкий спектр сигнала, при этом пневмопушка возбуждает низкочастотные колебания в диапазоне 50-250 Гц, буксируется на глубине не более 0,25 от преобладающей длины возбуждаемых им волн, на удалении 10-20 м от первого канала сейсмической косы, источник - спаркер возбуждает среднечастотные колебания в диапазоне 200-2000 Гц, пьезокерамический источник - бумер возбуждает высокочастотные колебания в диапазоне 1000-8000 Гц.
Описанная многоуровневая система имеет ряд преимуществ перед уже известными в индустрии сейсмоакустическими системами, а именно:
Достигнутый технический результат обеспечивает получение данных в различных частотных диапазонах; суммирование данных позволяет получить широкополосный набор данных с повышением отношения полезного сигнала к помехе на частотах, соответствующих полосе «перекрытия». Другими словами, повышается как глубинность исследования, так и временная разрешающая способность.
Ниже будут рассмотрены результаты на примере результатов опытно-методических работ в Кандалакшском заливе Белого моря в 2011-2015 гг.
Получение широкополосного набора данных позволяет рассматривать возможность применения инверсионных преобразований для определения геоакустических свойств изучаемой среды. Низкочастотная составляющая в зарегистрированном сигнале содержит информацию о трендах изменения свойств изучаемой среды, что потенциально повышает устойчивость решения обратной задачи сейсморазведки (инверсии).
После детерминистической (сигнатурной) деконволюции лучшее отношение сигнал/шум у данных заглубленной системы позволяет получить нуль-фазовый сигнал с полосой на 25% шире и, соответственно, с большей разрешающей способностью по сравнению с приповерхностной системой.
Это показано на фиг. 4. Слева - приповерхностная система (низкочастотный источник), справа - заглубленная буксировка (среднечастотный источник), по центру - сумма данных приповерхностной и заглубленной систем;
Заглубление источника и приемной системы при сейсмоакустических исследованиях обеспечивает прежде всего избавление зондирующего импульса от интерференции со спутниками. При проведении исследований на большой глубине с источником и приемной сейсмической косой вблизи поверхности дна волны-спутники приходят значительно позже волн, однократно отраженных от границ в верхней части разреза.
Заглубление системы, параметры которой аналогичны приповерхностной системе (активная длина регистрирующей линии), позволяет расширить диапазон углов отражения регистрируемых волн, что, в свою очередь, повышает точность и эффективность кинематического анализа времен прихода волн, а также AVO (анализ зависимости амплитуды отраженной волны от удаления) - анализа. Стоит отметить, что для инженерных задач на акватории целевой интервал геологического разреза составляет первые десятки метров от морского дна. В данном интервале отложения, как правило, представлены слабо консолидированными мягкими осадками, акустические свойства которых незначительно изменяются как по глубине, так и по горизонтали. Для дифференциации таких осадков по упругим свойствам с помощью акустических методов, требуется широкий диапазон углов падения, обычно >30°.
Как видно из фиг. 5, AVO-отклик различных придонных осадков существенно различается только при углах падения более 30 градусов. В связи с этим, наличие больших углов отражения, а, следовательно, применение заглубленной системы необходимо для AVO-анализа при проведении инженерно-геологических работ.
Таким образом, заглубление плавучей сейсмоакустической приемноизлучающей системы обеспечивает лучшие, по сравнению с приповерхностной буксировкой, условия по стабильности акустического излучения и вертикальной разрешающей способности регистрируемого волнового поля. Это, в свою очередь, создает благоприятные условия для использования динамического анализа отраженных волн (анализ формы, амплитуды и других атрибутов сигнала) с целью количественной интерпретации регистрируемого волнового поля, а именно оценки физико-механических свойств изучаемых придонных отложений.
При производстве работ с приповерхностной системой наблюдения, сигнал отраженной волны осложняется волнами-спутниками - фиг. 6. Вследствие наличия свободной поверхности вода-воздух вблизи источника и приемника упругих колебаний, восходящая отраженная волна дополнительно отражается от границы вода воздух и регистрируется приемной линией. Волна, отраженная от границы вода-воздух называется волной-спутником.
При морских сейсмических наблюдениях волна-спутник является нежелательной помехой. Интерференция отраженного сигнала и волны-спутника приводит к сужению полезного амплитудного спектра записи и появлению в результирующем спектре подавленных частот (так называемых «нулей спектра»). Нули спектра появляются на частотах: Fn=nc/2z, где с - скорость звука в воде, z - глубина приемника или источника, n=0, 1, 2 …
Комбинирование приповерхностной системы с заглубленной при проведении съемки обеспечивает дополнительную регистрацию волнового поля однократно отраженных волн без влияния свободной поверхности (поверхность граничащих сред вода-воздух). За счет этого форма зарегистрированного сигнала более стабильна по профилю, что обеспечивает высокое качество последующего динамического анализа. Более того, в случае заглубленной методики появляется возможность оценки реальной сигнатуры излучаемого импульса для каждой трассы профиля, что принципиально для успешного применения акустической и, в особенности, упругой инверсии (инверсии угловых сумм для получения информации об упругом импедансе среды).
Регистрация волнового поля на разных уровнях наблюдения позволяет решить проблему подавления «спутников» (deghosting). Наряду с общепринятыми методиками подавления волн-спутников, в случае многоуровневых наблюдений подавление может производится, например, при помощи процедуры продолжения нисходящего волнового поля (с приповерхностной косы) и восходящего (соответственно с заглубленной) на заданный уровень приведения как показано на фиг. 6.
Обработка полученных данных позволяет применение методов разделения волнового поля для объединения данных приповерхностной и заглубленной кос. Такой подход основан на методе разложения восходящих и нисходящих волновых полей для объединения наборов данных. Эффективность данного метода зависит от возможности буксировать регистрирующие пары (один поверх другого) с высокой степенью точности.
Применение группы изобретений позволяет повысить разрешающую способность сейсмической разведки на акваториях за счет расширения полосы частот принимаемых упругих колебаний буксируемых на разных уровнях сейсмическими косами, повысить соотношения сигнал/помеха для регулярных и нерегулярных помех за счет увеличения кратности по методу общей глубинной точки, повысить детальности наблюдений при сохранении глубинности, возможность работы при плохих погодных условиях, без потери качества данных.