МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Примером эффективного использования многокомпонентных сейсмических наблюдений при изучении околоскважинного пространства являются исследования, выполненные на Хибинском массиве при изучении морфологии продуктивной ийолитуртитовой интрузии. Последняя представляет собой достаточно контрастную по упругим параметрам тонкослоистую пачку пород. В результате разложения волнового поля по фиксированным компонентам были прослежены отраженные волны РР, PS, SS, наиболее устойчивые из которых связаны с контактом продуктивной толщи и вмещающей среды (рис. 71 б). Данные околоскважинных наблюдений внесли существенные коррективы в имевшиеся представления о структурном плане продуктивной толщи (рис. 72 а). Установлено, что продуктивные породы имеют более пологое залегание, чем это предполагалось по геологическим данным. Вывод был подтвержден на других разведочных пересечениях. Результаты этих работ способствовали расширению перспектив Коашвинского месторождения апатитов.

Отметим, что помимо получения разведочного результата с помощью скважинных многокомпонентных сейсмических наблюдений установлено, что основную информацию о структурных особенностях среды при использовании «традиционных»

Рис. 72. Сейсмогеологические разрезы продуктивной интрузии Хибинского массива.

а— геологический разрез: слева — до проведения сейсморазведочных работ, справа

—с учетом данных ПМ ВСП; б — пример регистрации интерференционной дифрагированной волны, формируемой в рудной зоне (слева — сейсмограмма BCП, справа — лучевая схема образования интерференции волн).

1 — скважина ПМ ВСП; 2 — источник возбуждения; 3 — отражающие площадки; 4

—нефелиповые сиениты; 5 — породы продуктивной толщи; 6 — апатитовая руда: 7 — схема распространения интерференционно-дифрагированной волны (SD).

источников возбуждения колебаний несут на себе обменные (PS) и поперечные отраженные волны. Отсюда можно сделать вывод, что при использовании на практике записей только на z-компоненте удается получить лишь ограниченную информацию о среде. Очевидно, что перевод рудной сейсморазведки методом отраженных воли на многокомпонентные сейсмические наблюдения, в первую очередь при изучении структур околоскважинного пространства, позволит повысить возможности сейсморазведки.

1. С развитием многокомпонентных скважинных наблюдений связаны перспективы использования интерференционных волн в рудной сейсморазведке. В метаморфических и кристаллических толщах пород имеют место неоднородности (тектонические зоны,

157

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

рудные залежи), характеризующиеся по отношению к вмещающей среде существенно пониженными значениями скорости, которые в ряде случаев могут быть отнесены к сейсмическим волноводам.

Рис. 73. Влияниенеоднородностейсреды на поле проходящих волн.

а — результаты изучения скоростных характеристик среды и параметров поляризации прямой волны (Воронежский массив). Горизонтальная штриховая линия

— поверхность фундамента. б — влияние неоднородностей среды на параметры поляризации проходяших волн (Хибинский массив) (ГГК-II — кривая плотностного каротажа).

Этим неоднородностям свойственны крутые углы наклона, из-за чего они нередко прослеживаются вблизи дневной поверхности и одновременно могут быть подсечены скважиной. Поэтому имеется возможность возбуждение и прием сейсмических колебаний осуществлять непосредственно в волноводе.

При возбуждении в окрестности волновода возникают интерференционные волны, которые в области срыва волновода формируют дифрагированную волну. Обнаружение этой волны в скважине представляет определенный разведочный интерес, так как с ней могут быть связаны, например, перспективы локализации зон «выклинивания» рудной залежи.

На рис. 72 б приведены разрез рудной залежи и схема образования интерференционной волны. Источник возбуждения расположен в окрестности рудной залежи, а наблюдения сосредоточены вдоль скважины. В результате разложения волнового поля по фиксированным компонентам на компоненте x была выделена интенсивная многофазная волна, которая по кинематическим параметрам соответствует интерференционно-дифрагированной волне, сформированной в области выклинивания волновода (рудной залежи).

Приведенный пример регистрации устойчивых интерференционных поперечных дифрагированных волн, связанных с рудной залежью, не единичен. При создании соответствующих систем наблюдений эти волны могут быть выделены и использованы в решении разведочных задач при пространственном изучении контуров рудной залежи.

4. Важнейшим элементом методики сейсморазведки в рудных районах является изучение распределения в околоскважинном пространстве неоднородностей среды на основе эффектов, создаваемых в поле проходящих волн. Просвечивание среды в этом

158

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

случае осуществляется с помощью систем наблюдений поверхность — скважина и скважина — скважина.

Прежде всего, обнаружение и определение пространственного положения неоднородностей основано на изучении явлений обмена сейсмических волн при прохождении через неоднородность. Имеются многочисленные примеры волн PS, образованных на тектонических зонах, рудных залежах. Интенсивность PS-волн определяется внутренней структурой неоднородности, на которой произошел обмен. Наиболее интенсивные PS-волны были сформированы на зонах с тонкослоистой структурой. За счет «подкачки» энергии на тонких слоях интенсивность обменной волны иногда становится соизмеримой с интенсивностью Р-волны. Пример регистрации интенсивной PS-волны, сформированной на рудоносной толще Хибинского массива представлен на рис. 71, б. По результатам количественной интерпретации скважинных наблюдений с учетом направления ориентации в пространстве плоскости поляризации волны PS, а также кинематических параметров была решена разведочная задача — установлен азимут простирания и угол падения (до 30°) рудоносной толщи.

Рис. 74. Влияние неоднородностей среды на параметры поляризации проходящих волн (Хибинский массив).

Кчислу волновых эффектов, которые используются при локализации неоднородностей в околоскважинном и межскважиином пространстве, могут быть отнесены аномальные изменения кинематических (t,С) и динамических параметров. Эффекты, создаваемые неоднородностью в поле продольных проходящих волн, проявляются в тех случаях, когда неоднородность характеризуется высокой контрастностью, по скорости и параметрам поглощения в отношении вмещающей среды. Более чувствительными к неоднородностям среды являются кинематические и динамические параметры поперечных волн.

Кчислу важных динамических характеристик волнового ноля, изучение которых может представить определенный разведочный интерес при просвечивании среды в скважинах, относится высокая чувствительность параметров поляризации сейсмических колебаний к локальным неоднородностям.

Проследим за характером изменения параметров поляризации Р-волны при ее распространении через две существенно разнородные по упругим характеристикам

159

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

толщи пород (юго-восток Воронежского кристаллического щита, рис. 73). В верхней части разреза до глубины 250 м имеет место неоднородная слоистая модель, соответствующая песчано-карбонатным отложениям (VP = 2,0—1,0 км/с). Осадочная толща контактирует с высокоскоростными интрузивными основными породами (Сp

= 6.2 км / с), характеризуемыми слабой скоростной дифференциацией ( СР ≈ 3,5 %). При распространении Р-волны через слоистую модель в точке приема отмечаются сильные флуктуации направления смещения частиц в окрестности резких скоростных границ. Эти изменения достигают 60°. На этом же интервале разреза наблюдаются значительные вариации коэффициентов линейности (Клин) и корреляции (KK0Р) P-волны. Локальные изменения коэффициентов линейности в отдельных случаях достигают значений 0,5—0,9.

При распространении Р-волны в интрузивных породах аномальные значения углов поляризации, характеризующие отклонения наблюдаемых направлений смещения от расчетных в предположении однородности среды, не превышают 3 %. Существенным при этом является восстановление коэффициента линейности Р-волны (Клин = 0,95—1,0) при распространении в консолидированной толще кристаллических пород.

Интересно рассмотреть изменения параметров поляризации Р-волны в зоне перехода от осадочной к кристаллической толще пород. В этой зоне плавно уменьшаются значения амплитуды смещений и возрастают Клин и Ккор. Для изучения характера распределения поля векторов смещения частиц волны Р в этой зоне были проведены специальные наблюдения в глубокой скважине при возбуждении на различных уровнях из серии неглубоких скважин, ориентированных вдоль протяженного профиля. В результате этих наблюдений по полю векторов смещения частиц был восстановлен ход лучей Р-волны при прохождении этой зоны. Установлено искривление лучей продольной волны, обусловленное рефракцией. Область максимального проникания лучей рефрагированной волны полностью соответствует зоне высоких вертикальных градиентов скорости (кора выветривания пород), выделенной по данным АК.

Таким образом, продольная волна при распространении в неоднородном слоистом разрезе в основном нелинейно поляризована. При распространении в кристаллической квазиоднородной толще пород Р-волна характеризуется строго выдержанной линейной поляризацией, нарушение которой отмечается в приповерхностной зоне высоких градиентов скорости. Существенно также и то, что поляризация волн не наследуется средой, а определяется параметрами разреза в точке измерения.

160

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Проследим за характером поляризации Р-волны при изменении состава горных пород с относительно слабой скоростной дифференциацией.

На рис. 73, б показан результат просвечивания в поле проходящих волн продуктивной интрузии и вмещающей среды, разрез которых приведен на рис. 72, а. Неоднородности горных пород четко проявились в характере изменения параметров поляризации Р-волны. Наиболее резкие изменения этих параметров отмечаются для верхней неоднородной части разреза, ниже которой в пределах слабо дифференцированной толщи нофелиново-сиенитовых пород Р-волна становится линейно поляризованной и лишь на отдельных локальных участках измененных пород (H = 0,6—0,65 км) линейность нарушается. К существенному разведочному результату при использовании параметров поляризации Р-волны можно отнести установление на глубине 1 300 м верхнего контакта продуктивных пород, что полностью отвечает структурным сейсмическим построениям. На глубине 1 700 м отмечаются резкие флуктуации параметров поляризации и коэффициента линейности, что соответствует появлению тонкослоистой зоны рудосодержащих пород продуктивной интрузии. Обращает на себя внимание слабое отображение неоднородностей среды, как в кинематике, так и в форме записи Р-волны. Более чувствительными к неоднородностям среды являются поперечные волны.

Если проследить за изменением формы записи S-волны с глубиной, то можно отметить, что в отличие от Р-волны практически все отмеченные неоднородности разреза четко отображаются в изменении динамических характеристик поперечной волны. Так, например, на интервале продуктивной интрузии в записи наблюдается многофазный среднечастотный цуг колебаний, а при переходе к рудосодержащим породам — резкое смещение спектра в область высоких частот. Высокая чувствительность динамических характеристик поперечных волн к неоднородностям среды была отмечена и ранее при наземных наблюдениях КМПВ, где форма записи поперечных волн рассматривалась как важнейший разведочный признак при дифференциации пород фундамента.

В заключение можно сделать следующие выводы:

а) основную информацию о структурных особенностях строения изверженных пород, даже при использовании традиционных источников возбуждения сейсмических колебаний, несут обменные PS- и поперечные отраженные волны;

б) основой методики скважинной сейсморазведки в рудных районах являются многокомпонентные наблюдения при комплексном использовании волн различной поляризации;

161

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

в) представляет разведочный интерес использование интерференционнодифрагированных волн, с которыми могут быть связаны перспективы изучения области выклинивания рудных залежей;

г) при просвечивании среды для изучения околоскважинного пространства могут быть установлены элементы залегания тектонических нарушений, рудных залежей на основе использования проходящих PS-волн;

д) высокой чувствительностью к неоднородностям среды характеризуются параметры поляризации Р-волны, перспективы использования которых связаны с локализацией и изучением локальных неоднородностей в околоскважинном пространстве.

5.9. Совместное использование поперечных, обменных и продольных волн в инженерной сейсморазведке

Инженерная сейсмика является одним из важных направлений сейсмической разведки, со своим оформившимся и постоянно расширяющимся кругом задач, с индивидуальными требованиями к аппаратуре, со своими особенностями в методике работ и интерпретации. Она входит в комплекс методов, применяемых при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях общего и специального назначения, при поисках и разведке подземных вод, мелиоративных работах, сейсмическом микрорайонировании, а также при режимных наблюдениях на специальных геодинамических полигонах, в том числе и в зонах развития оползней.

Объектами инженерно-сейсмических исследований являются:

участки проектирования и строительства наиболее крупных и сложных инженерных объектов (ГЭС, АЭС, рудники, карьеры, туннели, шахты и т. п.);

линии железных и шоссейных дорог, мостовые переходы, трассы трубопроводов, ЛЭП, каналов;

морские порты, основания морских буровых и т. д.

Специфика инженерной сейсморазведки определяется особенностями объектов исследований и характером решаемых задач. Как правило, этим методом исследуются самые поверхностные части земной коры (до глубин порядка 100—200 м), причем обычно ставится задача выявления довольно мелких структурных неоднородностей разреза (мощностью в первые метры), часто не имеющих резких сейсмических границ.

162

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Большое место в общем комплексе задач, решаемых инженерной сейсморазведкой, принадлежит тем из них, которые связанны с определением физико-механических свойств и состоянием горных пород в их естественном залегании. Достоверное решение этих задач предопределяет необходимость использования разнообразных сейсмических характеристик среды и, в частности, характеристик различных типов волн — продольных, поперечных, поверхностных, обменных и т. д.. Отличительная особенность современной инженерной сейсморазведки — широкое применение достаточно плотных площадных систем наблюдений при тесном сочетании исследований, как на дневной поверхности, так и во внутренних точках изучаемой среды.

Сравнительно небольшая глубина объектов исследования инженерной сейсморазведки обусловливает возможность массового контроля результатов последующими буровыми и горными работами, что, в свою очередь, способствует совершенствованию различных методических и интерпретационных приемов и более полному изучению исследуемой среды. Полученные при этом сведения о закономерностях изменения сейсмических параметров в условиях водонасыщения, давления, вечной мерзлоты, смены литологии пород и т. п. могут использоваться в глубинной сейсморазведке, в частности при ПГР.

Первые полевые исследования но совместному использованию продольных, поперечных и обменных преломленных волн для решения конкретных инженерногеологических задач выполнены в Гидропроекте в середине 50-х годов. Использовались волны Sh, возбуждаемые горизонтальным ударом, или обменные преломленные волны типа PSP, возбуждаемые поверхностными взрывами. В начале 60- х годов были разработаны основы методики возбуждения и регистрации обменных волн при сейсмических наблюдениях в горных выработках и при ультразвуковых исследованиях в скважинах, шпурах и на образцах. Эти исследования получили дальнейшее развитие, и в настоящее время сложился достаточно отработанный комплекс инженерной сейсморазведки с использованием разночастотных методов и различных типов волн.

Особенности методики многоволновой инженерной сейсморазведки. В инженерной сейсморазведке основной методической особенностью являются наблюдения в различных диапазонах частот от сейсмических (10—300 Гц) до ультразвуковых (20—200 кГц). Группы разночастотных методов исследования, отличающиеся по целевому назначению, методике и аппаратуре, объединяются термином «сейсмоакустические методы».

163

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Комплекс сейсмоакустических методов, используемый в настоящее время, включает

всебя следующие виды наблюдений:

—сейсмическое профилирование на поверхности земли;

—сейсмическое профилирование в горных выработках;

—сейсмическое просвечивание между горными выработками и целиками массива;

—сейсмический каротаж в его различных модификациях (МСК, ОСК, ВСП);

—профилирование и просвечивание на акустических частотах на обнажениях, в горных выработках и целиках малых размеров;

—ультразвуковой и акустические каротажи;

— ультразвуковые измерения на образцах горных пород.

Вперечисленных методах в большинстве случаев используются как продольные, так

ипоперечные, поверхностные или обменные волны.

Наземные сейсмические исследования. При изучении слабосцементированных, рыхлых отложений хорошие результаты дает совместное использование Р и Sh преломленных волн. Для возбуждения Sh-волн применяют различные способы: направленный удар кувалдой (рис. 74) или, реже, маятниковые устройства. Используют монотипную систему наблюдений, обычно Y-y с изменением направления удара на 180°.

I

Рис. 75. Способы возбуждения Sh волн: а —- по клину; б — по скобе; в — по бревну; г — по диску: д — по брусу (1 — груз, 2 — деревянный брус); е — по подставке с бороной (1 — взрывная камера пневматической или газовой пушки, 2 — подставка с бороной для передачи импульса). Стрелкой показано направление воздействия.

Появление цифровых сейсмостанций с накоплением увеличило эффективность этой методики за счет процедуры синхронного суммирования и благодаря использованию вычитания противоположно направленных воздействий. Во многих случаях

164

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

пород) отношение D / λ ≈ 1 (частота регистрируемых колебаний лежит в пределах 100—700 Гц). При этом интенсивность Р- и S-волн убывает вдоль профиля медленнее, чем интенсивность объемных волн на поверхностных профилях. Волны S почти всегда интенсивнее волн Р и имеют более низкую частоту. Наиболее четкие записи волн Р и S наблюдаются при ориентировке источника по оси OZ и регистрации компонент z и х соответственно. Указанные особенности динамики Р- и S-волн вызваны, по-видимому, интерференцией рефрагированных волн, возникающих в ослабленной зоне вокруг выработки, и интерференцией головных винтовых волн.

Сейсмические наблюдения в скважинах. Сейсмические наблюдения во внутренних точках среды — сейсмический каротаж, МСК в модификации ОСК. Сейсмическое просвечивание между скважинами и другими горными выработками — обязательный компонент в комплексе инженерной сейсморазведки. При этом используются и поперечные волны тип Sv и Sh. При прямом и обращенном каротаже это достигается выбором оптимального расстояния источник — приемник в системе Z-z или возбуждением колебаний горизонтальными ударными источниками при регистрации трехкомпонентными скважинными зондами с прижимом.

Представляет интерес и специальное скважинное устройство, состоящее из импульсного электродинамического источника Sh колебаний и двух пар сейсмоприемников. Направление удара может меняться на 180°. Следует отметить, что при наблюдениях в слоистых осадочных породах или средах, сложенных рыхлыми породами с горизонтальным залеганием, волны Sh и Sv имеют принятый в сейсморазведке смысл. В скальных породах при отсутствии явно выраженной слоистости определяющим волновое поле фактором служит трещиноватость. В этом случае поперечные колебания, распространяющиеся в плоскости, параллельной преобладающей системе трещин, являются волнами типа Sh, а перпендикулярные им колебания - Sv.

Ультразвуковые наблюдения. В комплексе разночастотных сейсмических методов ультразвуковой каротаж (УЗК) занимает одно из ведущих мест, особенно при решении задач, требующих повышенной точности и детальности определения свойств и состояния среды. Разработана специальная аппаратура, позволяющая проводить регистрацию волновой картины с последующим определением скоростей продольных и поперечных волн. В скважинах кажущаяся скорость волны S изменяется в пределах Cp ≤ C*s ≤ Cs в зависимости от соотношения длины волны и радиуса выработки. Максимальная глубина исследования при точечном УЗК— 150—200 м. Большой объем УЗК выполняется в

166