СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ ПРИЕМНИКОВ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЙ В СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ
METHOD OF SEISMIC SIGNAL RECEIVERS ARRANGING FOR SEISMIC SURVEY SYSTEM

Изобретение относится к области геофизики, в частности, к способам проведения сейсморазведки.
Сейсморазведка основана на применении искусственно возбуждаемых упругих волн и позволяет выделять границы пластов горных пород с различными упругими свойствами. Сейсморазведка используется при поиске месторождений нефти и природного газа, различных глубинных исследованиях. Наиболее распространенным методом сейсморазведки является метод отраженных волн, применяемый в настоящее время при поисках и разведке месторождений нефти, газа и ряда других полезных ископаемых. В методе отраженных волн возбужденная взрывом или механическим воздействием сейсмическая волна, распространяясь от источника возбуждения сейсмических сигналов, последовательно достигает нескольких отражающих границ в земной коре - поверхностей раздела пород. На каждой из них возникает отраженная волна, которая приходит к месту расположения приемников. Расположение источников исторически принято называть поверхностью возбуждения, а положение приемников - поверхностью наблюдения. Можно также использовать термины области возбуждения и приема, при этом понимать, что возбуждение и измерение колебаний может осуществляться вблизи поверхности Земли или моря. А в скважинной сейсморазведке область возбуждения или приема представляют собой линии возбуждения или приема.
Для различных условий проведения сейсмических исследований положение источников и приемников может различаться. Например при сейсморазведочных работах на суше, как правило возбуждение сейсмических сигналов производится из неглубоких скважин 5-10 метров ниже поверхности Земли, а сейсмоприемники располагаются непосредственно на поверхности Земли, которая и является в этом случае поверхностью наблюдения. При морских наблюдениях источники погружены на 5-10 метров под поверхностью моря, причем приемники также погружены под поверхность моря и часто на большие глубины, чем источники. В этом случае поверхность наблюдения расположена на некоторой глубине под поверхностью моря. Для сейсмических работ в скважинах, как правило, источники находятся на поверхности Земли или в неглубоких взрывных скважинах, а приемники располагаются в глубоких скважинах, специально используемых для того, что бы наблюдать поля во внутренних точках Земли (не на поверхности). Место расположения приемников в скважине и будет являться поверхностью наблюдения в этом случае. Иногда источники сейсмических волн могут быть помещены в скважину, а приемники при этом могут располагаться как на поверхности Земли, так и в скважинах.
Регистрация сейсмических сигналов от одного источника, расположенного в пункте взрыва (ПВ), производится обычно несколькими приемниками или группой приемников, находящимися на разных расстояниях от ПВ. Использование большого количества приемников при регистрации сейсмических данных обусловливается технологией сбора информации и экономической целесообразностью, так как требуется зарегистрировать большое количество расположений за минимально возможное время и с минимальными затратами. Взаимное расположение приемников и источников сейсмических сигналов (или ПВ) называют системой наблюдения.
При планировании расположения приемников сейсмических волн и положения сейсмических источников на изучаемой площади обычно принимают во внимание несколько различных аспектов, таких как геологическая задача и требуемое качество сейсмической съемки (т.е. сейсморазведки), наличие оборудования и возможности его размещения на поверхности наблюдения и в скважинах, экономический фактор и фактор времени. При оптимизации системы наблюдений с точки зрения решения геологической задачи требуется расположить источники и приемники таким образом, чтобы исследуемые отражающие границы были отображены (освещены) и их пространственное положение было определено с наименьшей ошибкой.
Для того, чтобы уменьшить неоднозначность восстановления геологических объектов используют системы наблюдения с заведомо избыточным количеством приемников и источников сейсмических сигналов, расположенных с большой плотностью на изучаемой площади (Урупов А.К. Основы трехмерной сейсморазведки: Учебное пособие для вузов. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» 2004, стр. 27-70).
Оценка качества планируемой системы предполагает определение размеров отражающего элемента исследуемого объекта, называемого бином. Бин - это элементарный фрагмент планируемой системы наблюдения. Одному бину соответствует одна трасса, получаемого в результате обработки данных сейсмического изображения. Для профильных систем наблюдения бин - это линейный отрезок, расположенный вдоль профиля наблюдений. Обычно размер бина выбирается равным 10, 20, 25 или 30 метров в зависимости от требований к качеству съемки. Для площадных систем наблюдения бин - это, как правило, прямоугольник. Обычно размеры бина выбираются 20 на 20 м, 25 на 20 м или другими в зависимости от схемы наблюдений. Системы наблюдения могут быть нерегулярными, размеры и форма бина могут быть различными, но с точки зрения горизонтальной разрешенности сейсмической съемки размер бина определяет минимальные размеры объектов, различимых с помощью сейсморазведки с выбранной системой наблюдения и размером бина.
Вторым главным параметром сейсмической системы наблюдения является кратность съемки. Кратность съемки определяется как количество различных лучей, отраженных от фрагмента границы, имеющего размер одного бина. В существующих методах оптимизации систем наблюдения решаются две задачи: повышение кратности съемки и соблюдение равномерного пространственного распределения удалений в бинах. При планировании скважинных систем наблюдения, увеличение кратности системы наблюдения обычно достигается за счет увеличения количества пунктов взрыва и оптимального их расположения на поверхности Земли. Поэтому подходы к планированию сейсмических работ ориентированы в основном на выбор оптимального шага расположения ПВ, то есть источников сейсмических сигналов (Урупов А.К. Основы трехмерной сейсморазведки: Учебное пособие для вузов. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» 2004, стр. 46-52).
Классические подходы к планированию системы наблюдений в сейсморазведке основываются на жестком выборе параметров съемки, допускающем существенную избыточность системы наблюдения, относительно планируемых параметров: кратности и размерам бина. Считается, что избыточная плотность съемки позволяет избежать ошибок при проведении работ. Параметры, которые обычно варьируют при подборе системы наблюдений - это минимальные и максимальные расстояния между источником и приемниками. Для расчета кратности съемки и других параметров используют модель среды с плоской границей, что является достаточно сильным упрощением и часто приводит к некорректным решениям. В рамках стандартных подходов, использующих многократные модельные расчеты, очень сложно и трудоемко добиться оптимального расположения источников на поверхности наблюдения.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении качества сейсмической съемки с обеспечением заданной кратности за счет обеспечения равномерного освещения изучаемых объектов с одновременной экономией затрат на проведение полевых работ за счет отсутствия повторных наблюдений.
В соответствии с предлагаемым способом выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую источники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности возмущения, и приемники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности наблюдения, и задают кратность сейсмической съемки. Выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы и разбивают отражающую границу на бины, имеющие выбранный размер. Методом компьютерного моделирования выполняют трассировку лучей из каждого источника сейсмических сигналов в каждый бин на отражающей границе и осуществляют продолжение отраженного луча от отражающей границы до поверхности наблюдения. С помощью компьютерной программы рассчитывают плотность расположения приемников сейсмических сигналов на поверхности наблюдения и с учетом рассчитанной плотности расположения приемников осуществляют размещение приемников сейсмических сигналов на поверхности наблюдения для выбранной системы наблюдений, обеспечивающее заданную кратность съемки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен фрагмент отражающей границы с тремя бинами, на фиг. 2 - фрагмент матрицы связности, соответствующий лучам и бинам, приведенным на фиг. 1, на фиг. 3 - расположение приемников сейсмических сигналов для спиральной системы наблюдений, на фиг. 4 - положение источников в скважине для спиральной системы наблюдений, на фиг. 5 приведена карта плотности размещения источников на площади при спиральной системе наблюдения, на фиг. 6 приведена карта распределения кратности съемки на отражающей границе, на фиг. 7 показана рассчитанная оптимальная плотность расположения приемников, на фиг. 8 показана рассчитанная оптимальная кратность съемки, полученная при оптимизации спиральной системы наблюдения для обращенного метода 3Д ВСП.
Способ предполагает выполнение компьютерного моделирования лучевым методом и расчет положения приемников с использованием компьютерной программы на основе априорной информации об исследуемом геологическом объекте (отражающей границе).
Для осуществления предлагаемого способа выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую заданное количество источников и приемников сейсмических сигналов, размещенных с некоторым шагом (допустимым для оборудования) в скважине, на поверхности Земли или на поверхности моря.
F
Задают требуемую кратность сейсмической съемки и выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы. Размер бина съемки может находиться в некоторых пределах, зависящих как от частотного диапазона возбуждаемого сейсмического сигнала, так и от положения изучаемого объекта. Размер бина выбирается в соответствии с размером первой зоны Френеля (R), рассчитываемой для заданной модели среды и простейшей конфигурации системы наблюдения по общепринятым формулам (см., например, Завалишин Б.Р. О размерах участка границы, формирующего отраженную волну. Прикладная геофизика. Недра, 1975 г., стр. 77, или Goertz A., Milligan P., Karrenbach М., Paulsson В. Houston: Optimized 3D VSP survey geometry based on Fresnel zone estimates, SEG Annual Meeting, 2005. p. 2641-2645. VSP 2.5).
F
F
Размер бина сейсмической съемки отражается в шаге пространственной дискретизации результатов обработки наблюденных данных. При этом «степень похожести» или корреляция двух соседних трасс на сейсмических данных главным образом зависят от выбранных размеров бина. Два сейсмических сигнала, отраженных от соседних бинов, будут совпадать, если размер бина меньше чем (R/7), и поэтому данная величина определяет нижнюю границу размера бина. Размер бина больше чем (R/2) не обоснован, так как различие в сигналах на соседних трассах может быть более 25% от общей энергии. Поэтому оптимальный размер бина (В) при планировании сейсмических работ находится в диапазоне:
.
Критерий выбора размера бина в заданном диапазоне значений не определен, это могут быть экономические ограничения или ограничения, связанные с длительностью выполнения наблюдений.
Таким образом, для осуществления предлагаемого способа используют следующую априорную информацию:
- скоростная модель среды с выбранной отражающей границей. Скоростная модель и отражающая граница задаются приближенно, исходя из того, что до проведения наблюдений информации об объекте изучения очень мало. Поэтому, как правило, модель среды однослойная с плоской или криволинейной отражающей границей и постоянной скоростью в слое. Но если модель среды известна из предыдущих наблюдений, то может быть использована более сложная модель. При этом предлагаемый метод не изменяется, только процедура трассировки сейсмических лучей в среде становится более затратной с точки зрения времени расчета и требуемых мощностей компьютера;
- размер бина съемки, заданный для отражающей границы;
- заданное количество приемников, размещенных в скважине или расположенных на поверхности Земли или моря с некоторым шагом (допустимым для оборудования);
- требуемое распределение кратности.
Затем для отражающей границы, для которой нужно выполнить расчет системы наблюдения, осуществляют разбиение на бины, имеющие выбранный размер.
Методом компьютерного моделирования (см., например, Алексеев А.С., Гельчинский Б.Я., О лучевом методе вычисления полей волн в случае неоднородных сред с криволинейными границами раздела. В кн: Вопросы динамической теории распространения волн. Вып. III., Л., изд. ЛГУ 1959, стр. 107-160) выполняют трассировку лучей из источников в каждый бин на отражающей границе и продолжение отраженного луча до заданной поверхности наблюдения. Под трассировкой луча понимается любой алгоритм, соединяющий две точки пространства скоростной модели. С точки зрения трассировки луча между двумя точками понятие источника и приемника эквивалентны и взаимозаменяемы. Не принципиально, какие свойства пространства используются. Например, среда может быть изотропной или анизотропной, а также однородной или неоднородной. Принципиально важным является получение и использование информации об углах входа и выхода луча в модель.
Каждый луч трассируется на отражающую границу, отражается и продолжается до поверхности наблюдения. Для каждого луча определены три точки - точка старта луча, точка выхода луча на поверхность наблюдения и точка отражения луча от отражающей границы. Таким образом, строится система лучей, соединяющих точки старта луча с каждым бином (на отражающей границе) и с поверхностью, на которой располагаются конечные точки луча.
Построенное семейство лучей используется для расчета оптимального расположения приемников на поверхности наблюдения, обеспечивающее требуемую заданную кратность сейсмической съемки.
Поверхность, на которой заканчиваются лучи, разбивается на блоки, аналогичные бинам отражающей границы. Размер разбиения на поверхности определяет степень сглаживания при определении системы наблюдения. Минимальный рекомендуемый размер поверхностных блоков равен удвоенному размеру бина.
На фиг. 1 изображен фрагмент отражающей границы с тремя соседними бинами (j-1, j, j+1). На фиг. 1 также обозначены два элемента сетки (i, i+1), в которых находятся четыре источника (ПВ). Лучи, связывающие поверхность наблюдения, отражающую границу и источник, привязаны к двум сеткам. То есть каждый луч имеет два индекса, один индекс бина, от которого луч отразился, и второй индекс ячейки сетки на поверхности, в которой расположен конец данного луча.
f
ij
r
Для поиска оптимального расположения приемников на поверхности, обеспечивающих заданную кратность съемки d, построим соответствие между границей и поверхностью Земли. Соответствие будем определять матрицей связности С, размерами N×M, где N - количество ячеек сетки на поверхности Земли, а М - количество бинов, выделенных на отражающей границе. Элементы матрицы связности C=k определяют кратность к связи бина j на отражающей границе и зоны i на поверхности Земли. Число k - определяет количество лучей, отраженных от бина j и вышедших в области сетки i на поверхности. На фиг. 2 построен фрагмент матрицы связности, соответствующий лучам и бинам, показанным на фиг. 1. Для того, чтобы определить распределение приемников на поверхности Земли d, решим систему уравнений:
.
f
r
ri
r
Заданный массив d может отражать распределение кратности съемки вдоль профиля или задавать карту кратности для площадной системы наблюдения. Аналогично получаемая из решения системы плотность распределения приемников может быть либо плотностью вдоль линии профиля, либо характеризовать площадное положение приемников на поверхности Земли. Решение системы уравнений ищется с ограничением на вектор d. Все элементы вектора должны быть положительными, так как они определяют плотность распределения приемников на поверхности наблюдения. То есть значение d, привязанное к i-ой ячейке, равно количеству лучей, заканчивающихся в данной ячейке. По рассчитанной плотности d на следующем шаге восстанавливается оптимальное расположение приемников (ПП).
Критерием оптимальности в данном случае для системы сейсмических наблюдений считается заданная кратность съемки заданной геологической границы.
r
На данном этапе осуществляют расчет размещения приемников (ПП) для выбранной системы наблюдений и рассчитанной плотности d. Может быть выбрана, например, спиральная система расположения, при которой приемники располагаются на разном расстоянии друг от друга. Расстояния контролируются шагом спирали и длиной между точками, расположенными на спирали. Может быть заранее определена сетка профилей (схема), на которой можно располагать ПП.
Задача расположения точек по распределению может решаться любым из стандартных способов, прямого расчета, подбора или методом Монте-Карло.
При планировании расположения приемников могут использоваться дополнительные условия или дополнительные критерии оптимальности:
- введение ограничений на углы отражения или на положения приемников на поверхности наблюдения;
- преимущество одних положений приемников перед другими;
- преимущество одних углов и азимутов отражения перед другими.
ij
Возможность включения дополнительных условий оптимизации является одним из важных преимуществ предлагаемого способа. Включение ограничений на траектории лучей выполняется на этапе трассировки. При этом коллекция лучей, по которым строится матрица связности C, будет содержать только лучи, соответствующие введенным ограничениям.
Оптимизация с заданными преимуществами одних лучей перед другими осуществляется введением нормировки в систему линейных уравнений. Такой метод является стандартным в задачах системы линейных уравнений (см., например,. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов, М., Наука, 1986, стр. 137-152).
Рассмотрим пример размещения приемников для системы наблюдений в технологии 3Д ВСП. В качестве исходной модели выбирают однородную среду с постоянной скоростью и горизонтальной отражающей границей. На фиг. 3 приведен пример расположения приемников при спиральном наблюдении методом обращенного Вертикального Сейсмического Профилирования. Источники при обращенной схеме наблюдения устанавливаются в скважине, расположенной в центре спирали, как показано на фиг. 4, а регистрация сейсмических сигналов выполняется на поверхности Земли или моря. Система возбуждения в скважине состоит из 20-ти источников, расположенных в скважине с шагом 15 м. Размер бина, используемый для расчета кратности, выбирается равным шагу между пунктами взрыва 50×50 м. Возможное уменьшение размеров бина приводит к уменьшению кратности съемки при сохранении общей закономерности распределения в окрестности скважины.
На фиг. 5 показана плотность размещения приемников на поверхности наблюдения (градациями серого), при этом положение приемников указано на рисунке точками. По заданной системе наблюдения рассчитана карта кратности отражения (фиг. 6), Полученная кратность меняется в окрестности скважины в диапазоне 50-70, уменьшаясь до нуля на удалении бинов от скважины на расстоянии 400-500 метров. Для оптимизации расположения приемников с целью получения кратности системы наблюдения равной 100 выберем бин такого же размера 50×50 м. Из всех положений источников в скважине выполним трассировку лучей в бины на отражающей поверхности и продолжим их до поверхности Земли. По выполненной трассировки лучей построим матрицу связности и решим систему уравнений. Рассчитанная плотность расположения приемников показана на фиг. 7 оттенками серого цвета. По полученной плотности восстанавливаются положения приемников при выбранной спиральной схеме расположения. На фиг. 7 приемники обозначены точками. По заданной схеме наблюдения рассчитывается для проверки карта кратности съемки (фиг. 8). Значения кратности распределены в окрестности значения 100, которое было задано как требуемая кратность при расчете размещения приемников для обращенной системы наблюдений 3Д ВСП.