Сейсмотомографические исследования и методика выполнения работ на площадке высотного строительства

© А.М. Мухамстшин, А.Г. Болгаров, 2008

УДК 552.08: 550

А.М. Мухаметшин, А.Г. Болгаров

СЕЙСМОТОМОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ НА ПЛОЩАДКЕ ВЫСОТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Семинар № 2

Основная идея метода меж-скважинной томографии состоит в просвечивании среды сейсмическими лучами по определенной системе наблюдений и на основании наблюденных времен первых вступлений сейсмических волн построения карт скоростей распространения сейсмических волн, которые, в свою очередь, позволяют перейти к оценке упруго-деформационных и прочностных свойств пород межскважинной среды.

Методика и технология межсква-жинной сейсмической томографии заключается в возбуждении упругих колебаний в одной скважине и приеме их в другой. В практике межсква-жинных сейсмотомографических исследований в зависимости от конкретных задач и условий применяются различные системы наблюдений.

С целью достижения наибольшей густоты линий просвечивания, более полного по угловым координатам их покрытия исследуемой области (одно из важных критериев качества решения томографической задачи) широко используется встречная веерная система наблюдений, которая и была применена на изучаемом объекте изысканий. Практически данная система реализуется последовательным перемещением приемного зонда вдоль всего исследуемого интервала глубин (от забоя до устья скважин) с

заданным шагом (шаг приема) при фиксированном положении источника упругих колебаний. Такие наблюдения повторялись для различных положений фиксированного источника, который перемешался по стволу скважин с выбранным шагом возбуждения. При смене скважин возбуждения и приема технологический цикл повторялся. В результате получалась серия вертикальных волновых полей, соответствуюшая сетке лучей, равномерно покрываюшей исследуемое межскважинное пространство. Для уменьшения неоднозначности в приповерхностной зоне и в близи ствола скважины система межскважинного просвечивания комбинировалась системой просвечивания скважина -дневная поверхность (ВСП).

Такая комбинированная система наблюдений позволяет достичь наибольшей густоты лучей сейсмопросвечивания и дает возможность адекватного изучения среды в субгоризон-тальном и в субвертикальном направлениях.

Основные параметры системы наблюдений (шаг наблюдения, шаг возбуждения) выбирались с учетом сейс-могеологических особенностей участка исследований, степени детальности исследований. По опыту работ в аналогичных сейсмогеологических условиях, а также с учетом требований технологии исследований, при меж-

скважинном просвечивании шаг приема составил 2 м, шаг возбуждения - 4 м, в методе ВСП шаг приема

- 1 м.

Учитывая предполагаемую сложность и неоднородность геологического строения изучаемого массива, а также специфическую особенность распространения упругих колебаний при межскважинном сейсмопросвечивании, прием упругих колебаний осуществлялся трехкомпонентной цифровой аппаратурой АМЦ ВСП -В (высокочастотный вариант) с симметричной (однородной) системой сейсмоприемников DF-8.

Регистрация сейсмического сигнала проводилась на открытом канале без накопления сигнала, временной шаг дискретизации сейсмического сигнала составил 0.125 мс.

В качестве источника возбуждения упругих волн при выполнении сейс-мотомографических работ использовался невзрывной электрогидравли-ческий источник сейсмических волн «Искра 20/70».

Исследования методом ВСП проводились по стандартной технологии вертикального сейсмического профилирования по схеме просвечивания скважина - дневная поверхность. В качестве приемной аппаратуры использовалась трехкомпонентная скважинная сейсмическая аппаратура АСС - 3КВ. Регистрация сейсмического сигнала осуществлялась инженерной сейсмостанцией ДИОГЕН-24 на открытом канале с временным шагом дискретизации сигнала 0.125 мс. Возбуждение упругих колебаний проводилось на дневной поверхности. В качестве источника возбуждения использовался источник типа «падающий груз».

С-05

Условные обозначения:

С - 03ф номер скважины

ПП I

• » - пункт возбуждения

О о - линия МССТ

Общая схема наблюдений соответствовала схеме «конверт». Исследования проводились по периметру и по диагоналям четырехугольника площадки изысканий. Схема исследований представлена на рис. 1.

Предварительная обработка скважинного сейсмического материала проводилась на ПЭВМ по специальным программам в несколько этапов. Томографическая обработка данных межскважинного просвечивания и ВСП проводилась совместно по единому циклу.

Томографическая обработка материалов скважинной сейсморазведки сводилась в конечном итоге к получе-

нию кинематических разрезов, характеризующих особенности распределения значений скорости прямой продольной волны в изучаемом массиве пород.

В технологическом процессе обработки и интерпретации материалов скважинных исследований выделены три основных этапа: предварительная обработка, томографическая обработка и геолого-геофизическая интерпретация.

Основой для обработки являются сейсмограммы трехкомпонентных сейсмических записей, полученные от каждого дискретного положения источника возбуждения при межсква-жинном просвечивании и ВСП. Поэтому предварительный этап предусматривал обработку сейсмограмм с целью повышения соотношения сигнал/помеха, выделение упругих волн различного типа, изучение особенностей волнового поля и в конечном итоге подготовку данных для последующей томографической обработки и геолого-геофизической интерпретации.

Поскольку структура сейсмограмм межскважинного сейсмопросвечивания аналогична сейсмограммам ПМ ВСП, предварительная обработка выполнялась в соответствии с методикой и технологией обработки данных ПМ ВСП. В качестве обрабатывающих программ исполнителями был использован пакет программ ВСП ПОЁ.

По результатам предварительной обработки создавался массив данных для томографической обработки, который представлен совокупностью значений времен пробега прямой продольной волны в массиве горных пород между источниками возбуждения и приемниками упругих колебаний, а также соответствующих каждому положению источника и прием-

ника их пространственных координат.

Непосредственно томографическая обработка строится из двух взаимодополняющих друг друга этапов - решения прямой и обратной задачи. Решение прямой задачи состоит в расчете траекторий и времен пробега волны для некоторой опорной наперед заданной скоростной модели изучаемого объекта. В качестве опорной модели была использована скоростная модель среды, полученная по данным ВСП. Существует множество различных математических подходов для решения как прямой, так и обратной задач. В настоящее время практически все существующие пакеты программ сейсмотомографии основаны на методике итеративной реконструкции. Эта методика основана на итеративном подходе, заключающемся в повторении операции теоретического расчета значений параметра для каждого луча, сравнения его с наблюденным значением соответствующего луча, вычислении разности и распределении ее по отдельным ячейкам (пикселям) вдоль каждого луча. Итерации повторяют, пока разности между наблюденным и расчетными значениями не станут меньше некоторой заданной величины.

В настоящее время в России и за рубежом разработаны и находят практическое применение различные комплексы обработки и интерпретации результатов сейсмопросвечивания. Исполнителями широко опробован в различных сейсмогеологических условиях пакеты программ «ЕКБТОМО» и «X-Томо» (Рослов Ю.В).

Пакет программ сейсмотомографии «ЕКБТОМО» обладает возможностью работы с любой схемой расположения источников и приемников, разнообразными скоростными моделями, а также позволяет производить

исследования и обработку как в двухмерной (2<< - кинематическая томография) плоскости, так и в трехмерном (3< измерении, при наличии трех и более профиля сейсмического просвечивания.

Пакет программ «Х-Томо» применим только для решения двухмерных задач, но у него имеется возможность решения томографии по отраженным волнам.

В выполненных исследованиях исполнителями был использован пакет программ «Е1НБТОМО». Томографическая обработки скважинных сейсмических исследований пакетом программ «Е1НБТОМО» проводилась по следующей методике.

На этапе решения прямой задачи задается опорная скоростная модель, характеризующая изучаемую среду. Скоростная модель может быть как одномерной, так и двух/трехмерной. Под одномерной скоростной моделью подразумевается задание скорости как функции глубины. В двух/ трехмерном случае скорость определяется на плоской или объемной сетке таким образом, что ее величина в каждой ячейке сетки считается постоянной. Максимально возможное количество ячеек задается в процессе обработки и зависит от параметров системы наблюдения, степени детальности исследований, линейных размеров. Методика лучевого трассирования также зависит от типа опорной скоростной модели среды. В случае одномерной скоростной модели расчет лучевых траекторий производится методом пристрелки, а при двух/трехмерной модели используется метод расчета волновых фронтов.

В решении обратной задачи существует ряд подходов, позволяющих выбрать из всего множества решений только одно, отвечающее определенному физическому смыс-

лу. В пакете программ «Е1НБТОМО» заложен выбор между различными подходами:

- метод обратного проецирования (ВРТ);

- метод наименьших квадратов с регуляризацией (МЫК);

- метод поиска наиболее гладкого решения (МБ).

Решение обратной задачи по первым двум методам не требует большого времени, результаты носят оценочный характер и их обычно используют как опорную модель для дальнейшей обработки по методу МБ. Томографическое восстановление кинематических параметров среды по методу поиска наиболее гладкого решения требует наибольшего времени расчетов, однако ведет в большинстве случаев к наиболее надежным результатам, так как оно учитывает близость восстанавливаемых параметров в соседних ячейках.

Пакетом программ «Е1НБТОМО» имеется возможность расчета нескольких последовательных итераций, когда улучшенная модель после предыдущей итерации используется как опорная на следующем этапе итераций.

Одним из основных методических вопросов при проведении итерационной томографической обработки является критерий остановки обработки, поскольку излишние итерации приводят к ухудшению качества получаемого решения. Основным показателем необходимости продолжения итерационного процесса является соотношение между текущей среднеквадратичной невязкой времен пробега и погрешностью измерения. Если обе эти величины становятся примерно одного порядка, процесс дальнейших итераций разумно прекратить, т.к. в последующем, как правило, это приводит к появлению хаотически

расположенных ложных мелких по размерам аномалий.

Пакет программ «Е1НБТОМО» имеет возможность включения в процесс обработки имеющейся априорной информации об изучаемом объекте. Это могут быть, например, верхняя и нижняя границы возможных изменений скорости, известное скоростное строение той или иной части объекта, полученное независимым методом (АК, ВСП, МОГТ и пр.). Любая вызывающая доверие априорная информация должна быть включена в процесс томографической обработки, поскольку это может кардинальным образом улучшить качество решения.

В результате томографической обработки получается массив данных кинематических характеристик изучаемой среды. Используя приложенные к пакету «Е1НБТОМО» графические программы, можно выдать сейс-мотомографические разрезы, представляющие собой разрезы значений скоростей упругих волн в любом масштабе и любом цветовом виде.

При исследовании и обработке по методике 2<< результат представляется в виде вертикального разреза скоростей упругих колебаний по профилю межскважинного пространства.

При 3< исследованиях в пределах изучаемого массива горных пород сейсмотомографические разрезы могут быть представлены как в виде вертикальных разрезов по профилям любого заданного направления, так и в виде разрезов в плане на любой высотной отметке.

Томографические разрезы скоростей упругих волн могут быть преобразованы в последующем при соответствующих расчетах в разрезы упругих и деформационных модулей, а также и в параметры прочностных свойств пород.

Особенности расчета упруго-деформационных и прочностных свойств пород изучаемого массива, корреляционные уравнения, по которым проводился расчет, приведены ниже в разделе результатов работ.

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------

Мухаметшин А.М. - научный руководитель ООО «АМиК - Инновационные технологии», профессор кафедры геофизики УГГУ, доктор геолого-минералогических наук, Болгаров А.Г. - заведующий отделом инженерно-геофизических исследований ОАО НПП «ВНИИГИС».

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник.