И.К.Кондратьев

                Мой вклад в развитие способов цифровой обработки
                                                  данных сейсморазведки                                

                             
Введение

Я проработал в науке более тридцати лет, а заниматься наукой — это значит вначале изучать то, что сделали до тебя другие, а потом самому открывать или создавать что-то новое, что до тебя никто ещё не делал, не переставая изучать то, что сделали другие.

В этой книге я хочу рассказать о том, что на мой взгляд было самым интересным из того, что мне удалось открыть или придумать. При этом я хочу, чтобы моя книга была доступна для понимания всем, кому интересен процесс познания мира, хотя их род занятий может быть очень далёк от области моей деятельности. Поэтому я не напишу здесь ни одной формулы, а постараюсь очень просто, на физическом уровне пояснить, какие загадки ставит перед нами природа, и как нам удаётся их разрешить. Кроме того, я иногда по ходу дела буду рассказывать об интересных людях, чья деятельность так или иначе связана с направлением моих исследований.

А целью моих исследований является развитие сейсморазведки — основного геофизического метода поисков нефтегазовых залежей. Поэтому для того, чтобы был понятен смысл последующего повествования, расскажу в общих чертах о том, что представляет собой современная сейсморазведка.

Сейсморазведка занимается изучением верхних слоёв земли (10-12 км) путём возбуждения и регистрации упругих колебаний. Для возбуждения колебаний в методе отражённых волн, о котором пойдёт речь дальше, и на суше, и на море раньше использовались взрывы небольших зарядов тротила (от 200 г до 20 кг). При проведении морских работ раньше гибло очень много рыбы, поэтому вместо взрывов стали использовать гидравлические пушки, энергия излучения которых сосредоточена в требуемой низкочастотной области (до 150 гц) и она не так велика, как при взрывах. На суше, для того, чтобы направить энергию излучения вниз, приходилось опускать заряды в специально пробуренные скважины и заливать их водой. Глубины скважин варьировались от 10-30 м при хороших поверхностных условиях и до 100-120 м при наличии на поверхности мощных песчаных слоёв, поглощающих упругие колебания. В любом случае проведение работ с бурением взрывных скважин стоило больших затрат и наносило большой вред экологии. Сейчас используют другие источники — мощные вибраторы. Они с поверхности земли излучают синусоидальное колебание с плавно меняющейся частотой длительностью 10-15 секунд. Потом, при обработке сейсмических записей, такие посланные сигналы превращаются в короткие импульсы длительностью порядка 50 милисекунд. Заметим, что одна милисекунда (мс) равна одной тысячной доле секунды (с).

Теперь о том, что представляет собой прибор, принимающий сейсмические сигналы — сейсмограф. Все знают из уроков физики, что если по центру катушки проводов быстро двигать взад-вперёд намагниченный стержень, то на концах катушки появится электрический ток. Так вот, вертикальный корпус сейсмографа — это катушка, внутри которой на пружинах подвешен намагниченный цилиндр. Когда из земли, снизу, приходят колебания, корпус сейсмографа движется вместе с поверхностью земли, а цилиндр из-за пружин почти не движется, и это порождает ток на концах катушки (на выходе сейсмографа). Я описал вам один из принципов работы сейсмоприёмников, сейчас их устройство гораздо сложнее.

А что делается с током, который появился на выходе сейсмоприёмника? Он по проводам (или по радиосвязи) поступает на один из каналов сейсмостанции, затем цифруется с интервалом 1 или 2 милисекунды и записывается на магнитные носители. Длительность записи составляет примерно 20 секунд, то есть одна сейсмическая трасса содержит не менее 10 тысяч цифровых отсчётов (диапазон их амплитуд — несколько тысяч, кто знает что это значит, тот поймёт). Количество одновременно работающих каналов на станции — от нескольких сотен до нескольких тысяч, все они подключены к такому-же количеству сейсмографов, записывающих трассы одной сейсмограммы от посылки в землю одного вибросигнала. Возьмём сравнительно простой случай, когда вибросигнал записывают одновременно 250 сейсмографов. Легко подсчитать, что в этом случае одна 250-ти канальная сейсмограмма будет содержать 2,5 миллиона цифровых отсчётов.

А сколько же нужно получить таких сейсмограмм, чтобы обнаружить положение возможной залежи углеводородов (УВ)? Говоря точнее, сейсморазведчики ищут «ловушки УВ», в которых могут накапливаться залежи нефти и газа. Поскольку эти вещества легче воды, то ловушками УВ могут являться либо куполовидные структуры, перекрытые непроницаемыми глинами, либо поднимающиеся плоские пористые пласты, выклинивающиеся на разломах или замещающиеся глинами. Предположим, что для обнаружения такой ловушки мы решили опоисковать площадь размером 400 квадратных километров (20 на 20 км). Будем применять самую простую разновидность сейсморазведки — наблюдения по системе пересекающихся прямолинейных профилей. При этом вдоль профиля располагаются шестикилометровые расстановки сейсмоприёмников (с шагом 25 м), и в середине этой расстановки вибратор посылает в землю свои квазигармонические сигналы, что даёт возможность мобильной сейсмостанции записать одну сейсмограмму. Для получения следующей сейсмограммы надо переместить на 50 м вдоль профиля расстановку принимающих приборов вместе с вибратором и снова послать сигнал в землю, и т.д. Для обнаружения ловушек УВ нужно, чтобы общая длина профилей была не меньше количества исследуемых квадратных километров, т.е. в данном случае длина профилей должна составлять 400 км. Легко подсчитать, что при этом будет получено 8000 сейсмограмм. Если работы будут проводиться в хороших географических условиях (нет болот, мало рек, слабая залесённость), то на это потребуется 4-6 месяцев работы сейсмической партии, и стоить такие работы будут примерно 2 миллиона долларов.

Если ловушка УВ будет найдена, то в области её вершины будут пробурены от одной до трёх поисковых скважин, каждая из которых стоит от 10 до 30 млн долларов при глубинах скважин 3-5 км. При обнаружении в найденной ловушке нефти или газа с большим количеством запасов, оцененных по данным профильной сейсморазведки и ГИС (геофизического исследования скважин), тогда на этой площади будут проведены новые, более сложные работы так называемой «объёмной сейсморазведки 3D». В ней линии расположения вибраторов проходят перпендикулярно линиям расположения сейсмографов. После довольно сложной обработки зарегистрированных данных, получаем суммарные сейсмические трассы, относящиеся к равномерно распределённым по площади точкам с шагом 25 на 25 м. Если в каждой такой точке площади отложить по вертикали цифровые отсчёты соответствующей сейсмической трассы, то получим так называемый куб сейсмических данных 3D. Стоимость полевых работ объёмной сейсморазведки примерно в 4 раз больше, чем профильной. Замечу, что стоимость обработки и интерпретации сейсмических данных, выполняемых геофизиками с применением сложных кибернетических систем, составляет 15-20% от стоимости полевых работ.

До этого я рассказывал о технической стороне дела, а теперь перейдём к более интересным вопросам — я расскажу о физических основах сейсморазведки. Но прежде необходимо познакомиться с общим представлением о геологическом строении Земли. С позиций разведочной геофизики нам достаточно рассмотреть верхнюю оболочку Земли, так называемый «осадочный чехол», толщина (в геологии используют термин «мощность») которого составляет от 0 до 20 км. Осадочный чехол представляет собой как-бы слоёный пирог, при этом его слои состоят из пород четырёх основных типов.

Первый тип — терригенные породы, образовавшиеся в результате сноса реками частиц суши в прилегающие моря и озера. Вблизи берегов откладываются крупные частицы песка, в последствии образующие сцементированные пористые песчаники. Дальше в море на большие расстояния выносятся мелкие частицы, образующие непроницаемые глины (те самые покрышки ловушек УВ). К первому типу пород относятся также те, которые образуются непосредственно на суше: пески, являющиеся продуктом разрушения гор ветрами, болота, гибнущие леса, которые в последствии, уходя под воду и перекрываясь терригенными отложениями, превращаются в угли и залежи нефти.

Второй тип пород, так называемые карбонаты — известняки, доломиты, мел, образуются в результате осаждения на дно морей остатков разнообразных ракушек. Несмотря на то, что эти ракушки обычно довольно малы, за десятки и сотни миллионов лет могут накопиться километровые толщи карбонатов. Для нефтяников особый интерес представляют рифы древних морей, слепленные из раковин, частичное разрушение которых приводит к образованию полостей, где могут содержаться крупные залежи нефти. Известняки также могут содержать нефть в мелких порах и трещинах, но по своим емкостным свойствам они уступают песчаникам. Породы третьего типа - химогенные, образуются, как и предыдущие, далеко от берегов, но сложены не раковинами, а выпавшими в осадок морскими солями.

Породы четвёртого типа — вулканогенные, представляют собой застывшую магму. Если эта магма когда-то в древние времена излилась на поверхность (лава), то их называют «эффузивы». Если магма не смогла прорвать часть вышележащих пластов, а внедрилась между ними, то это называют «интрузией». Интрузии могут достигать десятки метров в высоту и распространяться на несколько километров по  горизонтали. Представляете, если бы мы могли присутствовать в то время, когда они образовывались, то увидели бы, как вся окрестность почти одновременно поднялась вверх на сотню метров! Было бы лучше, чтобы мы в это время летели на самолёте...

Вернёмся к сейсморазведке. Рассмотрим, что происходит с сейсмическим сигналом, который с поверхности земли мы запустили в землю. Поскольку длительные квазисинусоидальные сигналы при последующей обработке превращаются в короткие импульсы (2-3 периода общей длительностью 50-100 мс), будем считать, что в случае использования как импульсных источников (взрывов), так и вибраторов в землю посылаются примерно одинаковые короткие сейсмические сигналы. Как мы уже поняли, земля состоит из отдельных слоёв (мощностью от сантиметров до десятков метров) с различными акустическими свойствами — скоростью распространения упругих волн V и плотностью p. Произведение скорости на плотность называют акустической жесткостью или импедансом q=Vp. Когда упругая волна, то есть сейсмический сигнал, попадает на границу раздела между двумя пластами, то часть его, умноженная на коэффициент отражения rk, возвращается обратно к поверхности, а другая часть продолжает идти дальше вниз. Величина rk зависит от контрастности импедансов q на кровле k-го пласта, причём если его импеданс больше, чем у вышележащего пласта, то rk положительный, если меньше — то отрицательный.

На первый взгляд кажется, что сейсмическая трасса должна иметь очень простой вид: она должна представлять собой последовательность коэффициентов отражения rk, отстоящих друг от друга на удвоенное время пробега соответствующего k-го пласта (удвоенное, потому что волна должна добежать от кровли до подошвы пласта и вернуться обратно к кровле). На самом деле всё гораздо сложнее. В землю мы посылаем не резкий импульс, а сейсмический сигнал длительностью около 100 мс. Это означает, что в сейсмической трассе на месте расположения коэффициентов отражения будут появляться сейсмические сигналы с амплитудами, пропорциональными коэффициентам отражения. Скорости пробега волн в пласте порядка 4000 м/с, поэтому отражения от границ пластов приходят с интервалом в единицы миллисекунд и накладываются друг на друга. Получается длительный колебательный процесс, по которому понять, где именно должны находиться коэффициенты отражений и какова их величина, становится невозможным.

Но это не самая большая беда. Основная неприятность заключается в том, что на сейсмическую трассу накладывается большое количество помех, имеющих различную природу. Одни из самых неприятных помех — многократные волны. Они мало отличаются по своим характеристикам от нужных нам однократных отражений, потому что состоят из таких же сейсмических сигналов и пути их распространения в земле частично совпадают с однократными волнами. Для примера рассмотрим одну из многократных волн, которая отразилась вверх от одной из контрастных («сильных») границ в средней части осадочного чехла, затем отразилась вниз от какой-либо вышележащей сильной границы, потом вновь отразилась вверх и добежала до поверхности. На трассе она будет выглядеть как одна из однократных волн, отразившихся от более глубокой границы. Ясно, что эта многократная волна будет искажать однократные отражения, приходящие на близких с ней временах. Правда, одна такая многократная волна должна быть много слабее, чем однократные отражения от сильных границ за счёт того, что она ещё дважды отражалась от других границ и при каждом отражении теряла энергию. Однако, учитывая, что в разрезе очень много границ, и многократные волны, идя разными путями, могут приходить примерно в одно время и удачно складываться друг с другом, амплитуда суммарных многократных отражений часто превышает амплитуду однократных отражений от сильных границ.

Ещё один тип помех — это «поверхностные волны», то есть те, которые идут от источников вдоль поверхности земли или распространяются вдоль многочисленных приповерхностных слоёв. Они обычно очень сильные, но по частоте колебаний заметно отличаются от отражённых волн, они более низкочастотные. А вот «микросейсмы», наоборот, более высокочастотные. Микросейсмы — это колебания поверхности земли, не связанные с источником возбуждения сейсмических сигналов. Сейсмографы очень чувствительные, если они расставлены в открытом поле и подует небольшой ветерок, то сигналы от колебания травы будут примерно такие же, как и отражения от глубоких границ. А если неподалёку есть кусты или в десяти метрах прыгает лягушка, то шум от них будет в несколько раз превышать отражённые волны.

Высоким уровнем помех объясняется тот факт, что вначале, когда стали применять сейсморазведку для изучения строения земли, отражённые волны не смогли использовать, их просто не было видно на сейсмограммах. Вместо них стали регистрировать преломлённые волны, которые падают под некоторым «критическим» углом на поверхность k-го слоя с повышенной скоростью, в нём преломляются и бегут вдоль его поверхности. При этом в каждой точке этой границы от поверхности слоя под тем же критическим углом вверх отходит волна, которая регистрируется на поверхности земли под названием «преломлённая волна от k-го слоя». А почему в отличии от отражённых волн преломлённые волны были видны на сейсмограммах? Дело в том, что при движении вглубь земли скорости распространения волн, в общем, возрастают, и можно подобрать на профиле такое расстояние от источника, где на некотором отрезке преломлённая волна от k-го слоя обгонит все отражённые и поверхностные волны и придёт первой, т. е. будет регистрироваться в гордом одиночестве. Ещё дальше от источника первой придёт преломлённая волна от более глубокого высокоскоростного слоя, и так далее... Однако, для этого нужно уходить на несколько километров от источника, соответственно взрывать большие заряды, что дорого и рушит всю экологию. К тому же интерпретировать преломлённые волны довольно сложно, они позволят выделить очень большие структуры (50км и больше), а все структуры поменьше мы потеряем. Поэтому сейсморазведчики сделали всё, чтобы научиться видеть на сейсмограммах отражённые волны.

Для этого вначале стали бороться с самыми сильными помехами — поверхностными волнами. Вместо одного сейсмоприёмника на каждый канал стали ставить вдоль профиля группу из 5-15 приборов, соединённых параллельно между собой, на базе 20-50 м. Отражённая волна приходит снизу почти одновременно на все приборы одной группы, тогда как колебания медленных поверхностных волн сдвигаются во времени на каждом из приборов группы и ослабляются относительно синхронно складывающихся отражённых волн. Кроме того, при регистрации сейсмического волнового поля на каждый канал ставят высокочастотные фильтры, сильно ослабляющие область низких частот (до 10-15 герц), где сосредоточена основная энергия поверхностных волн. В результате этих усилий в начале 20-х годов прошлого века на сейсмограммах стали видны колебания отражённых волн. Кстати, патент на сейсморазведку отражёнными волнами в 1926 году получил наш геофизик Воюцкий Владимир Сергеевич, с которым я имел честь вместе работать в 60-е годы во ВНИИГеофизике. Уж если мы заговорили о приоритете России в области сейсморазведки, то следует сказать, что Голицын Б.С. в 1903 году изобрёл первый сейсмограф, с помощью которого были проведены первые опыты по регистрации сейсмических волн.

Надо сказать, что сейсмограммы почти сразу стали записывать с помощью сейсмостанций, содержащих несколько регистрирующих каналов (вначале порядка 10, а теперь несколько сотен или первых тысяч). Делалось это для того, чтобы их можно было их интерпретировать с целью определения строения земли. Вначале, конечно, её верхней части — осадочного чехла. Интерпретация состояла в том, что на сейсмограмме прослеживались похожие друг на друга колебания, относящиеся к одной границе раздела — то есть следы на поверхности от прихода преломлённой или отражённой волны. Если на сейсмограмме соединить плавной линией характерные точки этой волны, например, её первые положительные максимумы, то получим график функции T(x) — зависимости времени прихода волны Т от x, означающего расстояние от пункта возбуждения до центра приёмной группы приборов. Этот график, как, впрочем, и саму функцию, называют «годографом».

В дальнейшем будем рассматривать метод отражённых волн, более актуальный для поисков месторождений нефти и газа. Строя график, ось «х», как обычно, направим по горизонтали, а ось «Т» - сверху вниз по вертикали. При этом годографы отражений от более низких границ с большим временем прихода будут находиться ниже, чем от верхних, что соответствует реальному положению границ в разрезе земли. Годограф волны, отражённый от горизонтальной границы, будет иметь вид опрокинутой параболы с плоской вершиной, пересекающей ось Т в точке прихода отражённой волны Т0 в пункт возбуждения (ПВ), и с двумя опускающимися вниз крыльями симметрично относительно оси Т.

Годограф отражённой волны позволяет определить не только время пробега Т0 по вертикали, но и среднюю скорость V распространения волны до отражающей границы. Действительно, чем меньше скорость V, тем больше будет время запаздывания прихода волны на удалённые от ПВ приборы, то есть тем круче будут опускаться вниз ветви годографа. Вычислив V, мы можем легко подсчитать глубину Н отражающей границы под точкой расположения ПВ по формуле: Н = 0.5Т0V (0.5 — потому, что Т0 есть двойное время пробега). Перемещая всю расстановку приборов вместе с ПВ по профилю и повторяя всю процедуру получения и интерпретации сейсмограммы, мы получим значение Н под новым положением ПВ и т.д., пока не построим рельеф отражающей границы на всём протяжении профиля. В конечном итоге это даёт возможность обнаружить под землёй куполовидные структуры, в верхней части которых собираются нефть и газ, более лёгкие, чем остающаяся внизу вода.

Многоканальные приёмные расстановки нужны не только для того, чтобы выполнять структурные построения, но и подавлять помехи на сейсмических записях. Как уже говорилось, при работах в поле сейсмическая расстановка вместе с ПВ последовательно сдвигается вдоль профиля наблюдений, допустим, с шагом 50 м. При последующей обработке сейсмограмм, записанных в цифровом виде, выделяется некая «общая срединная точка (ОСТ)» профиля х0. После этого с разных сейсмограмм отбираются такие трассы, для которых точка х0 находится посредине между пунктом возбуждения (ПВ) и пунктом приёма (ПП) трассы, причём вначале берётся ПВ, наиболее удалённый влево от х0, а затем ПВ последовательно смещается вправо до максимального удаления вправо от х0. Полученный таким образом набор трасс называется сейсмограммой ОСТ.

Легко понять, что годографы всех отражённых волн на таких сейсмограммах будут симметричны относительно центральной точки х0 . Далее в каждую отсчётную точку сейсмограммы ОСТ вводятся такие временные сдвиги, чтобы годографы всех однократно отражённых волн стали бы горизонтальными, т.е. чтобы отражения от одной и той же границы имели бы одинаковое время прихода. После этого все трассы сейсмограммы ОСТ складывают и получают одну суммарную трассу временного разреза, относящуюся к точке х0. При этом однократные отражения синфазно складываются, а все волны с другими формами годографов, и нерегулярный шум, ослабляются. Ослабляются также и многократные волны, потому что они лишний раз пробегают в верхней низкоскоростной части разреза. Соответственно их средние скорости меньше, чем у одновременно приходящих с ними однократных волн, годографы круче опускаются вниз и не до конца спрямляются при вводе временных сдвигов.

Я рассказал, как происходит обработка полученного сейсмического материала при одной выбранной ОСТ. Далее ОСТ сдвигают на 25 м по профилю и получают новую суммарную сейсмическую трассу, и так до тех пор, пока ОСТ не пробегут до конца профиля. Полученный набор суммарных трасс называют «сейсмический временной разрез».

Конечно, я рассказал только самые основные азы обработки и интерпретации. На деле всё гораздо сложнее. В частности, в обработке важную роль играют определение и коррекция «статических поправок» - временных сдвигов, обусловленных изменчивостью верхней части разреза (и рельефом тоже). Существуют специальные способы обработки, направленные на усиленное подавление поверхностных и многократных волн. При наличии границ с различными углами наклона, время прихода волны на суммарной трассе будет соответствовать её пробегу по перпендикуляру к границе, а не по вертикали, как мы думаем, глядя на временной разрез. Существует набор очень сложных программ «миграции», которые позволяют изобразить временной разрез так, как будто каждая отражённая волна пробегает до своей границы по вертикали. В общем, для того, чтобы границы на временных разрезах по форме походили на те, которые есть в реальных разрезах, в комплексах обработки должно содержаться порядка тысячи программ. Не менее сложными являются комплексы программ для интерпретации сейсмических данных. Кое что обо всём этом можно будет прочитать в следующих частях книги, если, конечно, вас не слишком утомило всё то, что вы уже прочитали.

Чтобы продолжить чтение нажмите на "Скачать книгу!"

Скачать книгу!