28. Физические основы сейсморазведки. Основы геометрической сейсмики.

Сейсморазведка - это геофизический метод исследования строения Земли и геологической среды, поисков и разведки нефти и газа, а также других полезных ископаемых, основанный на изучении распространения упругих волн, возбужденных искусственно с помощью взрывов, ударов и др. Горные породы обладают различными скоростями распространения упругих волн. Методика сейсморазведки основана на изучении кинематики волн .Это очень важный, доргой и трудоемкий и самый точный метод геофизической разведки, применяющийся для решения различных геологических задач с глубинностью от десятков метров до сотен километров. Однако главное назначение сейсморазведки - поиск и разведка нефти и газа. Кинематические х-ки: скорость прохождения и время пробега волны. Динамические: амплитуда, частота, период, длина волны. Сейсмика определяет такие св-ва пород, как пористость, флюидонасыщенность, проницаемость, прочность. Кинематические и динамические х-ки зависят от типа пород, флюидонасыщенности и температуры. Традиционно в сейсморазведке наибольшее применение нашли объемные волны: продольные (р-волны) и поперечные (s-волны). Скорости v_p всегда больше, чем v_s. Известны также поверхностные волны, называемые волнами Рэлея (R) и Лява (L). Основы геометрической сейсмики. Законы распространения упругих волн в горных породах могут быть получены из основных принципов геометрической оптики - принципов Гюйгенса - Ферма. Согласно принципу Гюйгенса, каждую точку фронта волны можно рассматривать как самостоятельный элементарный источник колебаний. Это значит, что по положению фронта волны в некоторый момент можно определить положение его в любой другой момент, если построить огибающую элементарных сферических фронтов с центрами, расположенными на заданном. Принцип Ферма: волна распространяется между двумя точками по такому пути, который требует наименьшего времени для ее распространения. Важный принцип геометрической сейсмики - принцип суперпозиции, согласно которому при наложении (интерференции) нескольких упругих волн их распространение можно изучать по отдельности для каждой волны, пренебрегая влиянием волн друг на друга. В сейсморазведке к законам геометрической оптики добавляются законы отражения и преломления обменных волн: любая падающая волна - продольная (P) или поперечная (S) - порождает на границе две отраженные (P₁ и S₁) и две преломленные (P₂ и S₂) волны, связанные законом Снеллиуса:

29. Типы сейсмических волн. Типы скоростей сейсмических волн.

От пункта возбуждения во все стороны распространяются упругие волны. Вдоль земной поверхности идут поверхностные волны, а вглубь слоя распространяются прямые или падающие волны. На границах раздела сред с разными скоростями упругих волн возникают отраженные и преломленные волны. Поскольку продольные волны обладают большими скоростями, чем поперечные, а при возбуждении упругих волн взрывами возникают в основном продольные волны, то в сейсморазведке они используются чаще. Отражение продольных сейсмических волн происходит на границах слоев с разными акустическими жесткостями. Существуют преломленные волны, падающие под критическим углом , равным 90 . В этом случае вдоль границы раздела пойдет скользящая преломленная волна, которая создает новые головные волны. Если скорость распространения упругой волны в среде возрастает с глубиной, то лучи проходящих волн искривляются и возвращаются на поверхность. Такие волны называются рефрагированными. Волны, входящие в подобную среду под меньшим углом падения, проникают глубже. При распространении сейсмических волн в средах сложного строения (дайки, уступы, сбросы и т.п.) в зоне тени для проходящих волн могут возникать дифрагированные волны. На границе воздух – земля образуются поверхностные волны Рэлея и Лява, которые быстро затухают с глубиной. Кроме перечисленных полезных для глубинных исследований волн на записях наблюдаются различные волны-помехи (полно- и неполнократные отраженно-преломленные, звуковые, микросейсмы и т.п.). В связи с разным строением сейсмических сред и границ в сейсморазведке используются следующие скорости распространения упругих волн ( ).

Истинная скорость - это скорость волны в малом объеме породы.

Пластовая скорость - это средняя скорость распространения упругих волн в каждом пласте

Интервальная скорость является частным случаем средней скорости для заданного интервала глубин.

Средняя скорость в пачке пластов

Эффективная скорость - это некоторая средняя скорость, определяемая в результате интерпретации данных сейсморазведки методом отраженных волн в предположении, что скорость в толще, покрывающей отраженную границу, постоянна.

Граничная скорость - это скорость распространения скользящей преломленной волны вдоль преломляющей границы.

Кажущаяся скорость - это скорость распространения фронта любой волны вдоль профиля наблюдений.

30,31. Общая характеристика метода отраженных волн (решение прямой задачи для горизонтальной и наклонной границ раздела, особенности методики МОВ). Принципы решения обратной задачи МОВ. Области применения МОВ.

Общая характеристика методики полевой сейсморазведки. Под методикой полевой (наземной) сейсморазведки понимается выбор вида, метода, типа источников возбуждения, аппаратуры, системы наблюдений (расположения источников возбуждения и приемников), способов организации и проведения полевых работ, обеспечивающих наилучшее решение поставленных задач. МОВ применяется в основном для изучения структур и расчленения разрезов осадочных толщ. Это основной метод поисков и разведки нефтегазоносных структур.

Отраженные волны возникают практически на всех литологических границах, на которых скачок акустических жесткостей ( ) превышает 10% (при возрастании или убывании скоростей с глубиной). Отраженные волны интенсивны вблизи пункта возбуждения. в МОВ сейсмоприемники располагают вблизи пункта возбуждения.

Условие образования волны- . Уравнение годографа для двухслойной среды- .

Вид графика линейного годографа - гипербола. Система наблюдений - сейсмические зондирования и профилирования.

Область прослеживания волн - вблизи пункта взрыва. Частотный спектр - повышенные частоты.

Результаты интерпретации- . Методы определения скоростей распространения упругих волн – определение в покрывающей толще способом постоянной разности и др. Методы построения разведываемой границы - построение отражающей границы способами , засечек, эллипсов и др.

Системы наблюдений в МОВ. Система наблюдений, т.е. размещение пунктов возбуждения и регистрации упругих волн, в методе отраженных волн должны быть такими, чтобы прослеживать отражающие границы непрерывно по изучаемому профилю (сейсмическое профилирование) или кусочно-непрерывно (сейсмическое зондирование).

Простые системы наблюдений. Системы непрерывного профилирования в МОВ бывают следующими: простое профилирование, профилирование через интервал, двойное профилирование и ряд других. При простом профилировании (рис. 4.11) сейсмоприемники устанавливаются в пределах взрывного интервала (расстояние между соседними пунктами на профиле наблюдений) в обе стороны от пункта взрыва (возбуждения) (ПВ).

Двойное непрерывное профилирование применяется в сложных геологических условиях. При этом с каждого пункта взрыва наблюдения выполняются в пределах двух взрывных интервалов в обе стороны от ПВ. При сейсмических профилированиях работы, как правило, выполняются по системам параллельных профилей, направленных вкрест предполагаемого простирания структур и вдоль них. При сейсмозондированиях наблюдения проводятся при 2 - 6 ПВ, расположенных либо по одному профилю, либо по двум перпендикулярным (крестовое зондирование), что позволяет оценить пространственное положение отражающего слоя. Как при сейсмических профилированиях, при сейсмических зондированиях работы проводятся по системам продольных (пункт взрыва и сейсмоприемники расположены по одной линии) или непродольных профилей (пункт взрыва находится в стороне от сейсмоприемников).

Взрывные интервалы в МОВ выбирают сравнимыми с глубинами до изучаемых отражающих границ и постоянными по длине для данного района исследований. Вдалеке от пункта взрыва отраженные волны выявить трудно, так как они приходят в области последующих вступлений вслед за преломленными волнами. Вблизи же пункта взрыва преломленные волны отсутствуют, и отраженные волны легче выделить на фоне других волн.

Расстояния между сейсмоприемниками должны быть такими, чтобы распознать отраженные волны и построить годографы. Обычно они меняются от 1 до 10 м при изучении верхней части разреза и 10 - 100 м при разведке глубин в несколько километров. Легко показать, что при годограф отраженной волны асимптотически приближается к годографу прямой волны. Если в уравнении годографа для точек профиля, расположенных от пункта возбуждения по восстанию пласта, при выражении стоит знак "минус", то, как легко показать, для точек по падению пласта должен стоять знак "плюс". Таким образом, решение прямой задачи метода отраженных волн для двухслойного однородного разреза приводит к следующему уравнению годографа: (4.6)

2. Обратная задача. Обратная задача метода отраженных волн (МОВ) для модели наклонного контакта двух сред сводится к определению скорости в перекрывающем слое (в методе МОВ эту скорость для слоистой среды называют эффективной ) и геометрических параметров разреза ( ). Обратная задача решается различными способами на основе анализа уравнения годографа (4.6).

А . Определение эффективных скоростей в перекрывающей толще по годографам отраженных волн способами постоянной разности и встречных годографов. Способ постоянной разности при обработке одиночных годографов. Взяв две точки годографа, удаленные на расстояние m, запишем, используя (4.6), для них уравнения:

Вычтя из второго уравнения первое и обозначив , получим:

О тсюда, положив , можно найти как угловой коэффициент прямой в новой системе координат и . В самом деле, продифференцировав это уравнение, получим . Учтя, что для прямой линии , легко получить формулу для расчета: (4.7)

При практическом применении полученной формулы поступают следующим образом. На годографе выбирается несколько пар точек ( и и и ), расположенных на постоянном расстоянии m друг от друга. Для каждой пары времен находится функция , соответствующая значению , и строится график функции от (рис. 4.4). Взяв приращение для какого-то , легко рассчитать по формуле (4.7).

Способ двух встречных годографов. Если есть два встречных годографа (рис. 4.4, б), то уравнения годографов для одной точки профиля имеют вид

Вычтя из второго уравнения первое и учтя, что , получим

Введя обозначения и заменив все члены правой части, не содержащие , на , можно записать: Последнее уравнение является уравнением прямой в системе координат .

Отсюда: (4.8)

Практическое применение этой формулы сводится к построению прямой линии в координатах ( ) и определению по угловому коэффициенту этой линии .

Б. Способы построения отражающих границ. Получив , можно определить глубину залегания отражающей границы и ее наклон, т.е. построить отражающую границу.

Наиболее простыми способами построения отражающих границ являются различные графические варианты: способ , способ засечек, способ эллипсов и др. Способ . Поскольку , где - время на пункте взрыва, которое можно определить по годографу (оно равно времени при ), то глубина залегания равна .

Имея несколько ПВ (несколько годографов), можно построить отражающую границу как касательную к окружностям с радиусами , проведенными из соответствующих ПВ (рис. 4.5, а).

Принципы решения прямых задач сейсморазведки. Прямой задачей сейсморазведки называется расчет времен прихода ( ) и амплитуд ( ) для той или иной волны для известного сейсмогеологического разреза, т.е. когда известны: мощности, глубины залегания, размеры тех или иных геологических объектов (чаще слоев) и скорости распределения упругих волн, а также место и форма источника. Строгое решение прямых динамических задач сейсмики неоднородных сред производится путем решения волнового уравнения вида: (4.4)

г де - скорость той или иной волны ( или ), - амплитуда или иное возмущение сигнала, распространяющееся в среде ( ) на разных временах после его возбуждения. Решение этого уравнения с использованием граничных условий очень сложно и его удается выполнить лишь для простых моделей сред. Значительно проще решать кинематические задачи, т.е. определять время прихода той или иной волны (прямой, отраженной, преломленной и др.) для известной модели, зная лишь положение источника и момент возбуждения упругой волны. Традиционно простейшим результатом решения прямой задачи является получение уравнения годографа, или аналитического выражения для с дальнейшим построением годографа - графика зависимости времени прихода той или иной волны ( ) от расстояния от пункта возбуждения до пункта приема ( ). Самой простой прямой задачей сейсморазведки является получение годографа прямой волны, т.е. задачи, которую в других геофизических методах называют задачей о нормальном поле (см. рис. 4.2). Очевидно, что время прихода прямой волны после создания упругого импульса в пункте возбуждения или взрыва (ПВ) равно . Поэтому линейный годограф имеет вид прямой линии. По наклону прямой линии можно определить скорость .

Прямая и обратная задача отраженной волны для двухслойной среды с наклонной границей раздела.

1 . Прямая задача. Прямая задача сейсморазведки методом отраженных волн (МОВ) сводится к получению уравнения годографа над разрезом с известными мощностями слоев и скоростями распространения волн. Простейшим является двухслойный разрез с однородным изотропным верхним слоем и скачком акустической жесткости на наклонной границе с подстилающим полупространством. Пусть под однородной покрывающей средой со скоростью распространения упругих волн расположена вторая среда со скоростью , а угол разделяющей их плоской границы равен (рис. 4.3). Если на границе раздела сред выполняется условие , то образуется однократная отраженная волна с углом отражения \gamma, равным углу падения . Требуется найти уравнение годографа, т.е. установить теоретическую зависимость времени прихода волны от расстояния , скорости распространения волны в перекрывающем слое , эхо-глубины (глубины по нормали к отражающей границе) залегания отражающего контакта Н и его угла наклона . Время прихода отраженной волны в точку профиля наблюдения равно . Пусть О^{*} - мнимый пункт взрыва, или точка, расположенная на перпендикуляре к границе так, что . Так как треугольники и равны, а и , то отрезки и лежат на одной линии и Из прямоугольного треугольника имеем

Итак,

Это и есть уравнение линейного годографа однократно отраженной волны.

Полученное уравнение является уравнением гиперболы. Это гипербола, действительная ось которой параллельна оси и смещена на по оси .

Из уравнения годографа можно найти его характерные точки: