Исследования с применением поперечных волн Оборудование и методика

 

 

Для замеров скорости поперечных волн в скважине необходимо прочное сцепление обсадной колонны с породами, которое достигается либо путем цементации после обсадки, либо при опознании пород вокруг обсадной колонны с течением времени. Не менее важным является согласование с грунтом источника на поверхности, где формируется энергия, поляризованная в горизонтальной плоскости. Для проведения скважинных работ методом поперечных волн мы использовали различные источники и сейсмоприемники. В настоящее время оборудование включает зонд, состоящий из ориентируемых элементов трехкомпонентного сейсмоприемника и нагруженную плиту (двутавровую балку), по которой в горизонтальном направлении наносятся удары молотом массой 7.2кг.

На рис.9 показана схема скважинной расстановки. Зонд Geostuff BHG-3 состоит их трех взаимно перпендикулярных сейсмоприемников, заключенных в герметичную трубу диаметром 4.5см и длиной 110см. Труба прижимается к стенке скважины посредством рессорной пружины, приводимой от двигателя. В нижней части зонда установлен магнитный компас. Оборудование может быть развернуто в обсадной колонне с внутренним диаметром 76мм (2.5 дюйма); зонд без компаса помещается в трубе диаметром 2 дюйма (50мм) при условии отсутствия сильных изгибов. Мы выбрали 14-герцовые сейсмоприемники Oyo-Geospace GS-20DM общего назначения, хотя имеются элементы нескольких различных типов/частот. Используя тонкие фибергласовые стержни, прикрепленные к косе сразу над зондом, можно ориентировать зонд по углу поворота с точностью ±1.5° на глубинах до 100м.

Пикинг начала поперечно-волнового движения в присутствии сформированной источником помехи (поздних циклов продольно-волнового движения или трубных волн) иногда может вызвать проблемы. На рис.10 показаны два метода интерпретации. Общепринятый метод перекрывающихся волновых пакетов (по записям полярности и источника «в направлении к» и «в направлении от») для каждого из двух горизонтальных сейсмоприемников часто оказывается подходящим для получения перехода через нуль энергии поперечных волн, как показано на рис.10а. Альтернативный метод использует изменение направления движения частиц с приходом энергии поперечной волны с помощью годограмм пар компонентов, рассчитанных с применением программных средств VSHEAR (Viewlog Inc.), как показано на рис.10b.

Скорости поперечных волн были рассчитаны по интерпретированным временам пробега с помощью алгоритма скользящего выравнивания методом наименьших квадратов (running least-squares fitting algorithm). В неконсолидированных отложениях скорости поперечных волн относительно низкие и разности времени пробега для последовательных положений зонда в скважине принимают большие значения, поэтому ошибки определения начала времени отсчета для большинства систем запуска эталонного сейсмоприемника, как правило, не образуют существенного вклада в ошибки определения скорости.

 

Примеры исследований с помощью S-волн

 

Работы МОВ в ММП, Сибирь. – В качестве составной части комбинированных геофизических исследований ММП, содержащих лед, которые связаны с разведочными работами на нефть и газ на полуострове Ямал (Северо-запад Сибири), была проведена съемка МОВ с применением поперечных волн, поляризованных в горизонтальной плоскости (SH). Цель съемки – картирование структуры массивного льда, погребенного в алевритовых глинах плейстоцена. Присутствие крупных залежей льда на малых глубинах в значительной мере влияет на проектирование трубопроводов и процесс бурения.

В этом исследовании (Скворцов и др., 1992) скважина вскрыла значительное количество массивного льда на глубине 14.5м. Для того, чтобы проверить применимость методик отраженных S-волн, были приведены скважинные сейсмические работы с использованием S-волн с шагом 0.5м. Цель работы выявление различия по скорости, ассоциированного с границей глина-лед. Трехкомпонентная съемка проводилась в открытой скважине (поскольку отложения были замерзшими) с применением зонда российского производства, состоящего из 32-герцовых взаимно неперпендикулярных сейсмоприемников, которые были установлены на каркасе с подпружиненным прижимным рычагом. В качестве источника (российской конструкции) использовалась стальная свая, по которой наносились удары кузнечным молотом. На американской сейсмостанции Geometrics ES-2401 работали канадские операторы. Хотя зонд нельзя было ориентировать после срабатывания подпружиненного рычага, он, скорее всего, перемещался вверх по скважине, не испытывая вращения.

 

 

Последовательность записей S-волн показана на рис.11а вместе с литологической колонкой, диаграммой ГК и выведенной кривой скорости S-волн. Интенсивное отражение, которое четко коррелируется с кровле массивного льда в скважине, можно видеть на записи в виде позднего вступления. Кроме того, на границе раздела глина-лед наблюдается резко выраженный скачек скорости S-волн.

Первое вступление преломленной S-волны и отраженная волна на диаграмме имеют преобладающие частоты порядка 200 – 300Гц; скорость поперечных волн в мерзлой глине и во льду составляет около 1000 – 2000м/с; длина отраженных волн – порядка 3 – 10м, что, вероятно, представляет достаточно малую величину для разрешения некоторых структур в ВЧР.

На основе этих скважинных исследований съемки методом отраженных S-волн была проведена с целью отслеживания контакта глина-лед в латеральном направлении. На рис.11b показан разрез отраженных SH-волн с оптимальным выносом, полученный в окрестности скважины. Кровля массивного льда представляет собой относительно грубую поверхность; геологическая интерпретация предполагает, что этот лед мог сформироваться в виде линз льда Табера (лед Табера – пласт, линза или слой погребенного льда, обычно чистого и образовавшегося благодаря притягиванию воды к растущим кристаллам льда при замерзании грунта) между перекрывающей непроницаемой глиной и подстилающими проницаемыми песками в процессе роста ММП (и миграции вниз фронта мерзлоты) в течение плейстоцена.

 

Картирование границ скоростей поперечных волн с целью моделирования землетрясений, дельта реки Fraser, Британская Колумбия. – Хорошо известно, что участки с мощными неконсолидированными перекрывающими отложениями часто усиливают толчки на поверхности при землетрясении. Причиной этого может быть усиление восходящих волн землетрясения вдоль градиента снижения скорости S-волн в близи поверхности и/или присутствие выраженной границы скорости S-волн на некоторой глубине, которая может вызвать резонанс (от

захваченных S-волн, поляризованных в горизонтальной плоскости внутри приповерхностного слоя). Следовательно, идентификация выраженных границ скорости S-волн внутри неконсолидированных перекрывающих отложений или на контакте перекрывающих отложений с коренными породами дает важный параметр, необходимый для исследования движения поверхности земли в областях, склонных к землетрясениям.

Рассмотренный здесь пример относится к дельте реки Fraser, одной из наиболее опасных в отношении землетрясений зон Канады. Это область с высокой плотностью населения подстилается неконсолидированными отложениями плейстоценового - голоценового возрастов, которые перекрывают третичные коренные породы. Скорости S-волн изменяются от > 2000м/с в третичных осадочных породах до < 100м/с в приповерхностном дельтовом комплексе голоцена. Одна из основных скоростных границ в четвертичных отложениях ассоциируется с границей голоцен-плейстоцен, где дельтовые алевриты и тонкозернистые пески перекрывают грубозернистые пески и галечники ледникового происхождения и моренные глины. Различие в скорости S-волн на этой границе может составлять до 1:3 и, вероятно, является причиной резонанса при землетрясениях. На некоторых участках возможно картирование этой границы с помощью высокоточных методик отраженных Р-волн, но на большей части площади дельты реки Fraser небольшие количества в поровом пространстве обуславливают весьма ограниченное проникновение энергии Р-волн (см. пример, приведенный выше). Методика отраженных S-волн нечувствительна к присутствию газа и, следовательно, предлагает альтернативный способ оконтуривания более глубоко залегающих горизонтов, характеризуемых значительным различием скорости поперечных волн.

На рис.12а показана часть 12-кратного разреза ОСТ поперечных волн, поляризованных в горизонтальной плоскости (SH-волн), полученного в районе подстанции ВС Hydro KIDD-II  в дельте реки Fraser, где граница между голоценом и плейстоценом была идентифицирована с помощью проведенной ранее съемки методом преломленных S-волн и где аномальное усиление ускорения грунта, относимое за счет резонансного эффекта, наблюдалось по предыдущим регистрациям землетрясений (Weichert и др., 1996). На рис.12b показаны кривые ГК, скорости S-волн и обобщенная литологическая колонка для скважины, пробуренной на сейсмическом профиле; на рис.12с представлены записи, по которым были получены данные скорости S-волн.

Первая хорошо выраженная отражающая граница S-волн ассоциируется с подошвой голоценовой дельты (контакт алеврит-песок на глубине 47м), где имеется некоторое увеличение скорости Р-волн. Отражающая граница больших размеров ассоциируется с верхней границей глинистого булыжно-галечного диамиктона на глубине приблизительно 53м. Значительное различие по скорости S-волн в этой точке предполагает переконсолидацию материала; следовательно, эти отложения можно отнести к моренным глинам. На разрезе (рис.12а), а также на записи, полученной в скважине (рис.12с) высокие амплитуды отраженных волн демонстрируют возможность использования границ для исследования резонанса землетрясений; подтверждение скоростной границы дает кривая скорости S-волн.

Необработанные, не прошедшие фильтрацию записи на рис.12с были созданы с помощью длинного окна АРУ, которое несколько ослабляет энергию первых вступлений и последующих отраженных Р-волн, но при этом увеличивает относительные амплитуды реверберирующей прямой трубной волны. Однако, в поле были приняты меры, обеспечивающие постоянство абсолютных уровней первых вступлений S-волн вниз по скважине. Тщательное исследование кажущейся энергии трубных волн на изображении (особенно на участках интерференции трубной волны с первыми вступлениями S-волн) наводит на мысль, что согласование обсадной колонны с отложениями не является совершенным на некоторых участках (в частности, в нижних 15 метрах). Скважина была пробурена по виброзвуковой (vibrosonic) методике; поливинилхлоридная обсадная колонна внутренним диаметром 76мм была установлена через долото и отверстие было заполнено песком. В течение восьми месяцев скважина отстаивалась; за это время отложения, окружающие колонну, оползли под действием силы тяжести, после чего были начаты работы с применением поперечных волн. Интерферирующие трубные волны на некоторых участках интерпретировались как результат наполнения водой пространства между обсадной колонной и стенкой скважины; интересно отметить, что энергия S-волн распространяется (с меньшими относительными амплитудами, что указывает на возросший эффект АРУ). Запись после фильтрации (рис.12с) показывает, что первые вступления Р-волн могут интерпретироваться и в несовершенных условиях осадки.

 

 

ВЫВОДЫ

 

Без совместного использования геологической и геофизической информации о разрезе, результаты даже самой высокоразрешающей съемки МОВ могут содержать некоторую долю неопределенности, касающейся геологических горизонтов, которые формируют сейсмические отражения, и их глубин. Имея определенную геологическую и/или геофизическую информацию интерпретированный сейсмический разрез часто может «подогнать» в каких-то пределах. Однако, окончательные ответы на многие вопросы можно только в том случае, если есть результаты скважинных сейсмических исследований. В этой статье представлены подробности, касающиеся систем и методик, используемых для сбора и обработки данных таких исследований, в которых применяются продольные и поперечные волны. Примеры скважинных сейсмических исследований в неконсолидированных перекрывающих отложениях показали пользу и применение результатов. Нельзя отрицать эффективность таких работ с экономической точки зрения, особенно когда при интерпретации данных МОВ требуются малые допуски по глубине и геологическому строению.

Сейсмические исследования в скважинах обеспечивают:

 

1. 1.     детальные данные скорости-глубины, которые могу быть связаны с геологическими данными,

2. 2.     основную информацию о возможных скоростных границах, которые обуславливают формирование отраженных волн,

3. 3.     скважинные записи в той же полосе частот, что и для наземной сейсморазведки, которые могут быть обработаны с целью получения суммарных разрезов, непосредственно коррелирующих результаты скважинного и поверхностного методов.

 

Мы надеемся, что приведенные здесь примеры показали возможность использования скважинного сейсмического метода в качестве составной части программы исследования ВЧР с помощью высокоразрешающей сейсморазведки.