СПОСОБ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ВИБРАЦИОННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF BROADBAND VIBRATION SEISMIC SURVEY BASED ON APPLICATION OF OPTIMAL NONLINEAR SIGNALS

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поисков и разведки полезных ископаемых.
Известен способ вибрационной сейсморазведки, по которому формируют вибрационный сигнал с фиксированной амплитудой реактивной массы виброисточника, передающей возбуждаемые колебания в горные породы через опорную плиту виброисточника и регистрируют сейсмические колебания. Изменения амплитуды хода реактивной массы виброисточника в области низких частот устанавливают постоянной путем выбора нелинейной зависимости амплитуды и частоты от времени. При формировании сигнала разбивают возбуждаемые колебания на интервалы, построение сигнала колебаний начинают от начальной частоты с определенным интервалом до граничной частоты на основе постоянства амплитуды хода реактивной массы (RU 2570587 опуб.) Основной недостаток способа заключается в низком разрешении полученной сейсмической записи, обусловленной влиянием фильтрующих свойств геологической среды.
Ниже приведены ключевые понятия и определения.
Encoder – шифратор сигнала;
Decoder – дешифратор сигнала;
VE/ Vibro Equalizer – программа для анализа возбуждаемых и регистрируемых сейсмических сигналов;
АЧХ/Спектр/Амплитудный спектр - амплитудно-частотная характеристика сигнала
геологической среды;
ЛЧМ сигнал/ ЛЧМ вибрационный сигнал – линейный частотно-модулированный сигнал/ линейный частотно-модулированный вибрационный сигнал
МОГТ – метод общей глубинной точки;
ОГТ – общая глубинная точка для;
Сейсмограмма – совокупность сейсмических трасс, сгруппированных по общему признаку. Общим признаком может быть общий пункт возбуждения, общий пункт приема, общая глубинная точка, общая средняя точка сейсмических трасс и т.д. [ГОСТ 16821 91]
Сейсморазведка – раздел разведочной геофизики, основанный на регистрации искусственно возбуждаемых упругих волн и извлечении из них полезной геолого-геофизической информации;
К настоящему моменту крупные близкие к земной поверхности месторождения углеводородов на суше разведаны. Разведка и доразведка направлены на выделение тонких содержащих углеводороды пластов путем повышения высокочастотной составляющей сейсмической записи и глубокозалегающих геологических горизонтов с использованием ультранизких частот. Сейсморазведочные работы можно спроектировать либо на выделение тонких пластов, либо на увеличение глубинности сейсмических исследований. Стандартные сейсморазведочные методики не позволяют этого сделать за одну сейсмическую съемку.
При проведении сейсморазведочных работ вибрационным способом обычно используют вибрационный линейный частотно-модулированный сигнал, пришедший в геофизику из радиотехники (ЛЧМ сигнал). Такой сигнал обладает одинаковой спектральной плотностью на всех частотах (амплитуда вибрационного сигнала одинакова на каждой частоте), как правило, от 8 до 100 Гц. В упрощенном виде ЛЧМ сигнал может быть записан в следующем виде (Жуков А.П., Колесов С.В., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками // Тверь, ООО «Издательство ГЕРС», 2011, с. 52, 79 [1]):
1
2
, где F – начальная частота (Гц), F – конечная частота (Гц), Т – длительность сигнала (сек.), t – текущий момент времени (сек.).
После прохождения вибрационного сигнала через земную толщу, происходит ослабление высоких частот, а ультранизкие частоты (1-8 Гц) стандартными вибрационными источниками не генерируются во избежание выхода их из строя.
Стандартные нелинейные вибрационные сигналы в сейсморазведке применяются редко. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сейсмограммы на высоких частотах позволяет выделять тонкие фазы сейсмических отражений, но существенно сокращается диапазон регистрируемых нижних частот на сейсмограмме (из-за особенностей возбуждения вибрационного нелинейного частотно-модулированного сигнала в его начальной части), что приводит к потери полезных отражений, видимых на сейсмограмме. В упрощенном виде нелинейный вибрационный сигнал, например, степенной сигнал «дБ/Октаву» (dB/Oct), может быть записан в следующем виде [1]:
1
2
, где F – начальная частота (Гц), F – конечная частота (Гц), Т – длительность сигнала (сек.), t – текущий момент времени (сек.), n – октава (при n=1 октава = 0, сигнал принимает форму ЛЧМ).
В результате разрешенность сейсмической записи вибрационной сейсморазведки во многих районах невысока при использовании ЛЧМ сигнала. Это обстоятельство не позволяет построить высокоточную модель исследуемой земной толщи. Также невелика и глубинность исследования из-за недостатка ультранизких частот при использовании ЛЧМ сигнала.
Расширение частотного диапазона возбуждаемого вибрационного сигнала – генерация ультранизких частот и повышение амплитуды вибрационного сигнала на высоких частотах осложняется конструктивными особенностями современных вибрационных источников, техническими ограничениями, такими как ограничение перемещения реактивной массы, поршня.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в повышении разрешающей способности способа сейсморазведки с одновременным повышением глубинности сейсмических исследований.
Технический результат изобретения, позволяющий решить указанную проблему, заключается в повышении амплитуды регистрируемого сейсмического отклика среды во всем диапазоне регистрируемых частот.
Технический результат достигается способом широкополосной вибрационной сейсморазведки, заключающийся в том, что возбуждают сейсмические колебания в геологической среде путем воздействия на нее вибрационным линейным частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом, регистрируют реакцию геологической среды на вибрационное воздействие в виде сейсмограммы и определяют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) геологической среды по сейсмограмме. Далее рассчитывается оптимальный корректирующий широкополосный вибрационный сейсмический сигнал путём инверсии амплитудного спектра сейсмограммы, то есть задают форму АЧХ сейсмограммы, которую желают получить (в качестве желаемой формы регистрируемой по сейсмограмме АЧХ можно задавать форму ЛЧМ сигнала) и делят на АЧХ сейсмограммы, полученной при воздействии ЛЧМ сигнала. Повторно возбуждают сейсмические колебания в геологической среде путем воздействия на нее вибрационным частотно-модулированным сигналом, имеющим спектр рассчитанного широкополосного сигнала, и регистрируют сейсмограмму с АЧХ желаемой формы.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
На фиг. 1 представлен амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) воздействующего ЛЧМ сигнала.
На фиг. 2 – регистрируемая сейсмограмма.
На фиг. 3 – пример полного поглощения энергии возбуждаемого сейсмического сигнала в области высоких частот.
На фиг. 4 – свёрточная модель регистрируемого сигнала слева направо: амплитудный спектр воздействующего ЛЧМ сигнала; АЧХ геологической среды; АЧХ зарегистрированной сейсмограммы.
На фиг. 5 – свёрточная модель желаемого вибрационного сигнала слева направо: АЧХ воздействующего сигнала; АЧХ геологической среды; сейсмограмма с АЧХ желаемой формы.
На фиг. 6 – схема расчёта корректирующего широкополосного вибрационного сигнала слева направо: АЧХ неизвестного корректирующего широкополосного вибрационного сигнала; отношение АЧХ сейсмограммы желаемой формы к АЧХ геологической среды; рассчитанный спектр корректирующего широкополосного вибрационного сигнала.
На фиг. 7 – сопоставление АЧХ геологической среды и корректирующих коэффициентов для расчета корректирующего широкополосного вибрационного сигнала.
На фиг. 8 – пример вибрационного ЛЧМ сигнала в программе «Vibro Equalizer». Характеристики ЛЧМ сигнала: сейсмограмма, АЧХ ЛЧМ сигнала, рассчитанная по сейсмограмме АЧХ реакции геологической среды, корректирующие коэффициенты для расчёта корректирующего широкополосного вибрационного сигнала.
На фиг. 9 – пример широкополосного вибрационного сигнала в программе «Vibro Equalizer». Характеристики широкополосного сигнала: сейсмограмма, АЧХ широкополосного сигнала, рассчитанная по сейсмограмме АЧХ реакции геологической среды.
На фиг. 10 – временной сейсмический разрез после миграции. Воздействующий вибрационный ЛЧМ сигнал.
На фиг. 11 – временной сейсмический сигнал после миграции. Широкополосный вибрационный сигнал.
На фиг. 12 – сравнение АЧХ двух типов данных после миграции: сверху ЛЧМ, снизу широкополосный.
Существует множество факторов, существенным образом влияющих на изменение энергетических и спектральных характеристик (АЧХ) регистрируемых сейсмических записей. Вот некоторые из них:
- сферическое расхождение, пропорциональное квадрату расстояния от источника возбуждения;
- неупругое затухание энергии или естественное поглощение энергии сигнала неупругими частицами среды, причём степень поглощения энергии пропорциональна частоте;
- неоднородность верхней части разреза (ВЧР); данный фактор влияет на прохождение сигнала как фильтр с меняющимися по латерали характеристиками;
- сейсмогеологические свойства сложно-построенной слоистой среды.
В результате влияния всех вышеперечисленных факторов при регистрации сейсмограммы возбуждаемый вибрационный сигнал, проходя через фильтр геологической среды, меняется существенным образом. На фиг.1 представлен амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) возбуждаемого ЛЧМ сигнала. В идеальном случае АЧХ сейсмической записи на сейсмограмме будет точно такой же. Однако при наличии факторов поглощения (фильтр геологической среды), указанных выше, форма АЧХ регистрируемой сейсмограммы будет такой, как показано на фиг.2. Здесь проиллюстрирована достаточно типичная форма АЧХ регистрируемых сейсмограмм. Затухание энергии записи увеличивается с ростом частоты.
Многочисленные и разнообразные средства обработки сейсмических данных направлены на компенсацию влияния перечисленных факторов. К ним относятся различные способы восстановления амплитуд, а также ряд процедур обработки, относящихся к категории обратных фильтров. И во многих случаях средствами обработки достигаются удовлетворительные результаты. Однако, нередки ситуации, когда поглощение энергии сигнала достигает той степени, при которой уровень регистрируемого сигнала не превышает уровня шума. На фиг.3 продемонстрирован типичный пример, когда при возбуждении сейсмических колебаний вибрационным сигналом в широком диапазоне частот энергия регистрируемого сигнала практически полностью поглощается средой в области высоких частот. И в этом случае применение известных средств обработки сейсмических сигналов будет бессмысленным. Восстановление сигнала будет невозможным, поскольку он физически отсутствует на сейсмограмме.
В качестве решения описанной проблемы предлагается идея перераспределения энергии возбуждаемого свип-сигнала из области низких частот, где затухание энергии проявляется в меньшей степени, в область ультранизких и высоких частот. Безусловно, данная идея уже имеет существующие реализации в виде нелинейных функциональных частотно-модулированных вибрационных сигналов типа dB/Oct. Но возбуждение нелинейного частотно-модулированного сигнала направлено, в первую очередь, на компенсацию естественного затухания сигнала на основе статической физической модели и генерацию отсутствующих в ЛЧМ сигнале ультранизких частот. Таким образом, использование «традиционных» нелинейных вибрационных сигналов способно лишь частично компенсировать влияние двух простейших негативных факторов и никоим образом не учитывает меняющиеся поверхностные условия и неоднородности верхней части разреза геологической среды.
Разработанный способ можно рассматривать как следующий прогрессивный шаг развития технологии возбуждения нелинейных функциональных свип-сигналов, поскольку данная технология направлена на компенсацию влияния неоднородностей верхней части разреза и на получении более равномерных энергетических характеристик (АЧХ) записей на площади выполнения сейсморазведочных работ.
Для описания физических принципов, на которых построен способ, удобно использовать свёрточную модель регистрируемого сейсмического сигнала геологической среды (см. фиг.4). Так, спектр зарегистрированной сейсмограммы можно рассматривать как свёртку возбуждаемого ЛЧМ свип-сигнала и АЧХ (фильтра) геологической среды, что в спектральной области соответствует перемножению их амплитудно-частотных характеристик.
При определённых допущениях АЧХ сейсмограммы действительно можно считать приближением фильтра среды.
Таким образом, при соблюдении описанных условий, характеристику широкополосного сигнала можно рассчитать. В качестве основного критерия выбран принцип равномерности амплитудного спектра на выходе системы. В этом случае постановка задачи будет выглядеть следующим образом: при неизвестной форме АЧХ широкополосного нелинейного вибрационного сигнала известна АЧХ геологической среды, воздействующий на посылаемый вибрационный сигнал и известна форма АЧХ желаемого результата при регистрации сейсмических данных (см. фиг.5).
Таким образом, спектральная характеристика воздействующего вибрационного сигнала рассчитывается как обратный фильтр при известной фильтрующей характеристике среды и при известном желаемом результате. АЧХ широкополосного нелинейного вибрационного сигнала представляет собой простую инверсию, полученную путём деления АЧХ ЛЧМ-сигнала на АЧХ геологической среды (см. фиг.6). Таким образом, на каждом пункте возбуждения сейсмических колебаний удается скомпенсировать влияние частотно-зависимого затухания высоких частот.
Для того чтобы сгенерировать новый рассчитанный широкополосный нелинейный частотно-модулированный (ЧМ) вибрационный сигнал разработанный способ предполагает аппроксимацию амплитудного спектра рассчитанного широкополосного вибрационного сигнала набором корректирующих коэффициентов адаптации с регулярным шагом по частоте. Пример такой аппроксимации приведён на фиг.7. Здесь показано сопоставление АЧХ геологической среды и корректирующих коэффициентов адаптации для расчета корректирующего широкополосного вибрационного сигнала. Корректирующие коэффициенты адаптации показаны в виде столбиков. Рабочий диапазон частот 3 – 84 Гц разбивается на 16 отрезков равной ширины, при этом шаг по частоте составляет 5.06 Гц. В этом случае диапазон ультранизких частот от 3 до 10 Гц аппроксимируется двумя корректирующими коэффициентами адаптации. Причем корректирующие коэффициенты рассчитываются таким образом, чтобы на ультранизких частотах амплитуда не превышала установленные заводом-изготовителем параметры хода реактивной массы во избежание выхода вибрационной установки из строя. Высокочастотная область спектра 40 – 84 Гц аппроксимируется 9-ю корректирующими коэффициентами адаптации при том, что вариации энергии в данной части спектра минимальны и значения корректирующих коэффициентов адаптации незначительны.
Далее повторно возбуждают сейсмические колебания в геологической среде путем воздействия на нее широкополосным вибрационным ЧМ сигналом, имеющим спектр рассчитанного корректирующего сигнала, и регистрируют сейсмограмму с АЧХ желаемой формы.
Разработанный способ опробован на реальном объекте. На участке сейсморазведочного профиля 2D проведены работы с использованием стандартного вибрационного ЛЧМ сигнала и корректирующего широкополосного нелинейного вибрационного сигнала со следующими параметрами (таблица 1):
Таблица 1 – Методико-технологические параметры.
Параметры
Значение
Станция
Прогресс Т3
Тип работ, система наблюдения
2D МОГТ, центрально-симметричная
Количество активных каналов
240
Шаг ПП, м
50 м
Шаг ПВ, м
50 м
Минимальный вынос, м
0
Максимальный вынос
6000
Тип геофона (сейсмоприемника)
GS-20DX, ST-30DX-10
Группа геофонов (12 шт)
6 х 2 (последовательно-параллельная)
База группы геофонов
50 м
Длина записи, мс
8000
Шаг дискретизации, мс
2
Тип антиаляйсинг-фильтра
линейно-фазовый (0,8 Nyquist lin Ph)
Предусиление вспомогательного канала
0 Дб (G1)
Корреляция
после суммирования
Источник
СВ-14/150, СВ-27/150
Усилие воздействия, %
70
Количество источников в группе
2-3
Тип свипа
ЛЧМ
Нелинейный широкополосный сигнал (BroadBandSweep)
Начальная частота, Гц
8
3
Конечная частота, Гц
90
90
Длина свипа, мс
14000
18000
Пример формирования широкополосного нелинейного вибрационного сигнала показан на фиг.7-8 для одного пункта возбуждения по следующей схеме в программе «Vibro Equalizer» (VE):
Осуществлено возбуждение сейсмических колебаний вибрационным ЛЧМ сигналом (АЧХ сигнала, слева внизу).
Зарегистрирована реакция от геологической среды на вибрационное воздействие в виде сейсмограммы (фиг.8 – трассы сейсмограммы, верхняя часть рисунка).
Рассчитана АЧХ реакции геологической среды в заданном окне или по всей сейсмограмме (фиг.8 – АЧХ зарегистрированного сигнала по сейсмограмме, в центре внизу);
Рассчитаны корректирующие коэффициенты для построения широкополосного нелинейного вибрационного сигнала (фиг.8 – коэффициенты, внизу справа);
Рассчитанные корректирующие коэффициенты переданы в шифратор (Encoder) «GDS-II» сейсмостанции для расчёта, нового корректирующего широкополосного нелинейного вибрационного сигнала;
Построенный корректирующий широкополосный нелинейный вибрационный сигнал передан в дешифратор (Decoder) вибрационных сейсмических источников по радиоканалу для возбуждения вибрационных сейсмических колебаний (фиг.9 – АЧХ сигнала, слева внизу);
Зарегистрирована реакция геологической среды на вибрационное воздействие в виде сейсмограммы (фиг.9 – трассы сейсмограммы, верхняя часть рисунка) с использованием широкополосного вибрационного сигнала.
Рассчитан спектр реакции геологической среды в заданном окне по сейсмограмме от применения широкополосного сигнала (фиг.9 – АЧХ зарегистрированного сигнала по сейсмограмме, в центре внизу).
На фиг.10-11 представлены временные сейсмические разрезы после применения процедуры миграции к сейсмическим данным по примеру на реальном объекте: широкополосный – слева, ЛЧМ – справа. На фиг.12 представлено сравнение АЧХ двух типов данных после миграции: широкополосный – черный, ЛЧМ – красный.
На представленных данных, как во временной (сейсмограмма), так и в частотной (АЧХ) области хорошо заметно расширение частотного состава данных при применении разработанного сигнала: улучшилось прослеживание глубоких горизонтов, подсолевых отложений, и в тоже время улучшилась детализация (разрешенность) полезных отражений.
Данный способ протестирован и включен в библиотеку сигналов системы управления виброисточниками GDS-II, что избавляет пользователя от сложных манипуляций для воспроизводства данного вибросейсмического сигнала.
Разработанный способ позволяет расширить спектр возбуждаемых и зарегистрированных частот на любой модели стандартного вибрационного источника и любыми типами приемников.