МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

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

геологического объекта в составе целого. Непрерывность обеспечивает единство отдельностей, объединяя их в единое целое, на уровне существования объекта или их совокупностей в составе земной коры, выражая ее относительную устойчивость и пребывание в рамках соответствующей меры.

Это естественная дискретность, которая определяется структурными свойствами геологического разреза по существу заданными природой.

Кроме того, системы информационно-технологического направления так же связаны с формами прерывистого представления информационного поля, которое в этом случае подчинено определенным законам, которые построены человечеством по аналогии, включая иерархичность построения самого поля.

Таким образом, геологические системы являются принципиально дискретными, макроскопические параметры которых заданы физическими характеристиками, измеряемыми так же только в отдельных точках, которые можно назвать узлами. Эти узлы образуют на поверхности земли некоторую пространственную решетку с параметрами, определяемыми фактическими координатами регистрирующих датчиков, в нашем случае сейсмоприемников, образующих системы наблюдений: линейную, площадную, трехмерную с включением координаты z. Для систем такого типа характерно наличие ближней и дальней регулярности в направлении распространения упругих волн с выбросами их интенсивности, которые соответствуют положению глубинных границ нарушения непрерывности. При этом ближний порядок – корреляция отдельного узла с его окружением (те же узлы) не претерпевает резкого изменения, что позволяет в явном виде выделять дальний порядок, т. е. регулярность выбросов интенсивности упругой волны.

В современных телеметрических системах регистрации используется цифровая форма представления непрерывной информации, поступающей на вход преобразователя в форме зависимости функции электрического напряжения от времени, которая носит название аналогового сигнала, снимаемого с выхода электродинамического сейсмоприемника. Цифровая форма записи непрерывной функции представляет собой процесс последовательного измерения амплитуды этой функции через равные промежутки времени t, что, в конечном счете, выглядит как некоторая последовательность отсчетов. Промежуток времени между последовательными измерениями амплитуд(шаг дискретизации или квантования) выбирают всегда постоянным. Для обоснования величины шага t используют теорему Котельникова, из которой следует, что для однозначного представления непрерывной функции с ограниченным интервалом частот от fmin до fmax необходимо и достаточно выборку амплитудных значений производить через

27

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

временной интервал t = 1/2 fmax , где fmax – наибольшая частота в амплитудно-частотном спектре этой функции. Частоту равную половине частоты дискретизации называют частотой Найквиста fn.

fn = 1/2 t = fдискр/2,

где fдискр – частота дискретизации, которая равна максимальной граничной частоте спектра Фурье исследуемой функции. Строго определить граничную максимальную частоту сейсмического сигнала весьма затруднительно, что следует из представления функции рядом Фурье. Принимают во внимание условие, которое накладывают на погрешность кусочно-линейной аппроксимации амплитуды сигнала. При этом если взять допустимый уровень амплитудных искажений в 10%, то частота дискретизации должна быть увеличена в 4 раза по сравнению с той, которая следует из теоремы Котельникова. Для примерного расчета временного интервала дискретизации некоторой импульсной непрерывной функции, что представляет собой упругую волну, воспользуемся понятием рабочей полосы частот. Полоса рабочих частот включает в себя последовательность членов ряда Фурье в разложении импульсного сигнала по ортогональным тригонометрическим функциям sinfi и cosfi, ширина этой полосы, т. е. интервал fmax – fmin, определяется как абсциссы точек пересечения функции спектральной плотности энергии колебаний с линейной постоянной на уровне 0,5 от максимального значения спектра. При этом значение fmin соответствует, как правило, 10-15 Гц, а fmax – 100 Гц. Особенность рабочей полосы частот заключается в том, что изменения, происходящие за ее пределами, никак не могут изменить форму сигнала. Для ее существенного искажения необходимо изменить спектральную плотность энергии внутри рабочей полосы частот. Поскольку амплитудно-частотные характеристики сейсмического волнового поля занимают самый обширный диапазон мыслимых значений, то для достижения полного охвата наиболее представительного набора функций, описывающих сейсмические импульсы, процедурой дискретизации данных во времени вводят так называемый коэффициент запаса возможного частотного диапазона упругих волн. Этот коэффициент, как правило, принимается равным 2,5. Так, если работать в интервале частот упругих отраженных волн, который имеет значения в промежутке 10÷15 Гц, а соответственно 80÷100 Гц, то действующую граничную максимальную частоту спектра fmax увеличивают в 1,5 раза, что

вданном случае составит 120÷150 Гц. Кроме того, учитывая, что при 10% уровне допустимых амплитудных искажений частота дискретизации должна быть увеличена еще

в4 раза, то в суммарном исчислении это увеличение составит не менее 6 раз. Таким образом, действующая граница максимальной частоты спектра искусственно сдвигается и

становится равной fmax = 6х(80÷100 Гц) = 480-600 Гц. Выбираем величину в 500 Гц и

28

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

находим, что временной интервал дискретизации составит мс. Это средняя величина временного интервала дискретизации вокруг которого построены мировые стандарты квантования. Отечественные стандарты частот дискретизации в сейсмостанциях приведены в табл. 1.

Стандарты частот аналого-цифровых преобразователей современных телеметрических регистраторов сейсмических данных

Обратное преобразование – получение сигнала из дискретных цифровых выборок несет в себе особые искажения формы сигнала, обусловленные проникновением высокочастотных составляющих спектра сейсмического колебания. В области частот спектра ограниченного частотой Найквиста fN будут воспроизводиться колебания с частотой выше fN, если такие компоненты содержаться в спектре аналогового сигнала при его дискретизации. Это значит, что если в спектре сигнала, который подвергается процедуре дискретизации, присутствуют гармоники с частотой выше, чем частота Найквиста на f Гц, то эти гармоники воспринимаются прибором как колебания с частотой fN – f, т. е. более низкой. Однако при восстановлении сигнал частоты fN + f

будет восприниматься так же, как и сигнал частоты fN – f. При этом форма восстановленного сигнала искажается появлением более высокочастотных составляющих. Для устранения помех наложения кратных составляющих импульса в спектре сейсмического сигнала они подвергаются низкочастотной фильтрации прежде, чем они попадут на вход преобразователя аналог-код (АЦП), чтобы подавить в спектре сигнала составляющие, содержащие частоты выше частоты Найквиста. Эти фильтры называют антиаляйсинговыми.

29

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

2.4. Сейсмические границы.

Особенностью всех сейсмических методов по сравнению с другими видами геофизических исследований является надежное обнаружение границ раздела, различающихся по упругим параметрам, и выявление их геометрических и физических характеристик. Именно эта особенность сейсмики предопределила его широкое применение при изучении осадочных бассейнов, в первую очередь при поисках нефти и газа, где сейсмические границы непосредственно отображают положение стратиграфических и литологических поверхностей. Реальные границы в массивах горных пород не всегда представляют собой поверхности в чистом виде. Они могут существовать в виде тонких либо переходных слоев, мощность которых меньше длины волны. Эта слоистость присуща всем оболочкам Земли, но характер ее проявления, а также физико-геологическое истолкование границ в сильной степени зависят от особенностей строения объекта.

Сейсмические границы могут сильно отличаться по величине и знаку перепада параметров упругих волн (Vp, Vs и плотностей ρ), что определяет характер их проявлений в волновых полях. Границы, различающиеся по физическим параметрам, могут быть обнаружены по волнам различных классов и типов. Важнейшей особенностью сейсмических исследований является то, что во многих случаях существование границы обнаруживается непосредственно по исходным записям, особенно при многоканальной регистрации.

Из имеющегося опыта следует, что большинство сейсмических волн относится к типу однократных, т. е. испытавших акт отражения только на одной глубинной границе; замечательная особенность таких волн — однозначное соответствие между отмечаемым импульсом либо осью синфазности и существованием на глубине границы раздела с той или иной степенью резкости и выдержанности. Однозначность нарушается, если волна на пути распространения испытывает не одно, а несколько отражений, т. е. является многократно отраженной. Оси синфазности названных волн также имеют форму, близкую к гиперболе, и причисление этих волн к типу отраженных не вызывает сомнений. В связи с этим, наличие многократных волн также свидетельствует о существовании на глубине границ раздела, причем, по крайней мере, одна из них обладает большим перепадом упругих параметров. Степень однозначности соответствия между отмечаемыми на сейсмограммах импульсами и границами раздела существенно повышается при параллельной регистрации волн различных типов (продольных, поперечных, обменных). При этом разделение волн различных типов осуществляется не только по временным признакам, но также и по особенностям поляризации.

30

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

При регистрации отражений наиболее надежно удается фиксировать границы с малой кривизной, так как в этом случае наблюдается более слабое варьирование углов падения— отражения, а также, обычно, большая устойчивость физических параметров вдоль отражателя. Если границы имеют вогнутую форму, то, при определенных условиях могут появиться петли на годографах (каустики). В случае выпуклых границ годографы ОТВ и ОГТ будут отличаться от тех же годографов прямолинейных границ пропорционально кривизне. В предельном случае пересечения двух прямолинейных границ в области угловой точки кривизна тождественно равна нулю и отраженные волны от этой области заменяются дифрагированными. В процессе цифровой обработки при подборе скоростей (скоростном сканировании), как правило, ориентируются на выделение границ малой кривизны с целью прослеживания протяженных границ раздела. Границы с большой кривизной, а также дифрагирующие объекты отобразятся на временных разрезах в этом случае в виде субгиперболичных протяженных осей синфазности, часто называемых „шпорами" (в английской литературе «smiles» — улыбки).

Возможности обнаружения и прослеживания границ в сильной степени зависят от их геометрической формы. Наиболее уверенно поддаются изучению полого залегающие границы, природа которых легко расшифровывается и не возникает трудностей при решении обратных задач. По мере увеличения кривизны границы раздела на локальных участках на исходных сейсмограммах над областями вогнутости могут появиться петли и соответственно интерференция волн, образующихся на отдельных интервалах границы. На участках с выпуклыми формами большой кривизны кинематические и динамические характеристики отраженных волн будут близки к таковым для дифрагированных волн, что затрудняет решение обратной задачи и дальнейшую интерпретацию. При использовании преломленных волн (МПВ) на границах сложной формы перестает действовать принцип огибания, т. е. строгого распространения скользящей волны вдоль границы, что однозначно приводит к сглаживанию границ в результате интерпретации. Если кривизны не очень велики, то петли нетрудно развязать, применяя миграционные преобразования. Если граница представляет собой субпериодическую систему, когда период складчатости сопоставим с длиной волны λ, то при такой геометрии границ происходит рассеивание волн, вследствие чего может исчезнуть признак синфазности колебаний. В случае мелкой шероховатости волны могут восприниматься как регулярные, если величина λ существенно больше периода и амплитуды шероховатости. По этой причине на границах разрыва, как правило, образуются устойчивые, в частности, отраженные волны.

Большое значение имеет продольная и поперечная устойчивость сейсмических границ. Под первой понимается, прежде всего, протяженность границ. Как показывает опыт, в

31

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

методе отраженных волн наименьшая протяженность (отражающая площадка) может быть очень небольшой: порядка 2—3λ. Вместе с этим могут наблюдаться на сейсмограммах оси синфазности от объекта с еще меньшими размерами, но в этом случае бывает трудно отделить собственно отраженные волны от дифрагированных. Так называемые опорные отражения могут иметь протяженность до десятков и сотен километров. Опорные волны в большинстве случаев, возможно, отождествлять по рисунку записей и другим признакам в случае прекращения корреляции, например, по причине сбросов, интрузивов, резкого изменения отношения сигнал—помеха. Головные волны, как правило, удается наблюдать и прослеживать только от достаточно протяженных границ. Минимальную протяженность преломляющей границы приближенно можно считать равной 3—4 значениям абсциссы начальной точки годографа.

Фиксируемая протяженность границы определяется также устойчивостью физических параметров по обе стороны реально существующей поверхности раздела. При этом неустойчивость параметров чаще всего приводит к значительным изменениям амплитуд вторичных волн, а в некоторых случаях к полной потере корреляции.

Поперечная устойчивость относится к границам транзитивного типа, когда параметры переходной толщи, например одного или нескольких слоев, изменяются по латерали. В подобных условиях при регистрации только монотипных волн может иметь место, как потеря фазовой корреляции, так и появление новых осей синфазности. Вследствие этого сейсмический образ границы не всегда может быть однозначно расшифрован. Последнее особенно характерно и для тонкослоистых разрезов осадочных бассейнов, когда большая часть однократно отраженных волн образуется на границах транзитивного типа, в том числе в тонких слоях мощностью h ≤ 1/4 λ.

2.5. Дизъюнктивные нарушения.

Дизъюнктивные нарушения единичного типа представляют собой некоторую поверхность, в частном случае — плоскость, имеющую определенную толщину, например, тектоническую брекчию. Задача того или иного сейсмического метода состоит в обнаружении самого факта существования разлома, а также в определении пространственного положения поверхности сбрасывателя и амплитуды смещения, при этом „толщину" этой поверхности на современном этапе развития сейсмического метода обычно редко удается определить. Можно выделить пять основных способов решения указанной задачи:

32

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

1.непосредственная регистрация упругих волн тех или иных классов и типов, образующихся на поверхности сбрасывателя;

2.уверенное отождествление волн того или иного класса (например, отраженных) со стороны приподнятого и опущенного крыльев, связанных с одной либо с несколькими сейсмическими границами;

3.резкое уменьшение количества границ на сейсмических разрезах в некоторой относительно узкой полосе;

4.общее изменение облика сейсмического разреза по обе стороны от поверхности сбрасывателя;

5.резкое уменьшение амплитуд в узкой полосе на сейсмограммах отраженных волн в случае сбросов малой амплитуды.

Конкретные примеры будут рассмотрены в последующих главах. Ниже дается краткая характеристика этих способов.

Изучение поверхности сбрасывателя на достаточно большом протяжении возможно только методом отраженных волн. В осадочных бассейнах только в очень редких случаях удается зарегистрировать фрагментарные отражения от поверхностей сбрасывателей. Можно высказать два предположения о невозможности получения отражения в подобных условиях. Во-первых, толщина зоны разлома в осадочных образованиях, в частности, в терригенных, весьма мала, особенно для сбросов относительно небольшой амплитуды (области молодых и древних платформ). По этой причине амплитуда отражения от сверхтонкого слоя зоны разлома будет очень мала. Вторая причина невозможности выделения отражений от плоскостей сбрасывателя состоит в том, что в условиях значительной контрастности слоистого разреза упругие характеристики вдоль зоны разлома, скорее всего, будут весьма неустойчивы, в том числе по знаку перепада скоростей

иплотностей. Естественно, что в подобных условиях возможность существования отраженных волн будет весьма незначительной.

Второй способ можно считать основным. Разрыв фиксируется, прежде всего, по опорным горизонтам, легко распознаваемым, при надежном их прослеживании, по форме записи и общему рисунку сейсмограммы либо временного разреза. Если в качестве опорного можно выделить лишь один горизонт, то, естественно, определяется только наличие разлома и его амплитуда. При наличии двух либо нескольких опорных горизонтов надежно фиксируется направление плоскости сбрасывателя. Опыт показывает, что при относительно малой амплитуде сброса, но вместе с тем отчетливо выраженном временном сдвиге, точность определения угла наклона сбрасывателя будет больше, чем при большой амплитуде, особенно, если зона разлома значительно отклоняется от вертикали.

33

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

Внекоторых случаях плоскость сбрасывателя подходит к поверхности и легко определяется по скоростям первых вступлений, а также амплитудам. При этом точность установления разлома на разрезе значительно повышается. Кроме временного сдвига сейсмических границ на разрезе могут быть привлечены сведения по регистрации дифрагированных волн.

Фиксирование разлома на разрезе, временном либо глубинном, по признаку уменьшения количества нормальных сейсмических границ в определенной области без фиксированных временных сдвигов по конкретным горизонтам используется на практике очень часто, хотя этот способ в принципе следует рассматривать как наименее надежный, так как нерегулярности в разрезе могут быть, в частности, связаны с изменением условий возбуждения и приема колебаний. Практически в этом случае определение наличия разлома и его направления в пространстве рассматривается как предположительное. Нередко зона разлома, фиксируемая по данному признаку, становится достаточно широкой. Обычно это связывается с наличием нескольких субпараллельных разломов, расположенных достаточно близко друг к другу. При такой ситуации редко удается выделить единичные нарушения и наблюдаемую аномалию трактуют как некоторую сложную разломную зону.

Четвертый признак фактически можно рассматривать как частный случай предыдущего. Изменение облика разреза, проявляющееся в уменьшении количества отражающих либо преломляющих границ, вплоть до полного их исчезновения, может быть связано с широкой разломной зоной, наличием большого количества нарушений, не обязательно параллельных друг другу. В качестве другой причины изменения облика разреза можно указать присутствие разлома очень большой амплитуды, когда по обе стороны от плоскости сбрасывателя резко изменяется геологическая обстановка. В частности, это может иметь место на границе осадочных бассейнов тех или иных типов, например, при переходе от древней платформы к молодой плите.

Большое принципиальное значение имеет обнаружение сбросов малой амплитуды по динамическим аномалиям на сейсмограммах отраженных волн (способ 5). Такие аномалии проявляются в виде узких полос резкого уменьшения уровня колебаний, связанного с почти синхронным наложением отраженных волн, примыкающих к разлому и дифрагированных

собратным знаком вступлений.

Вкачестве аналога дизъюнктивов можно рассматривать также границы интрузивных тел в осадочном чехле, например, соляные купола с субвертикальными крыльями сложной формы, дайки. Здесь существенную роль играет изменение облика разреза, когда при подходе к крутому склону соляного купола прослеживаемость отражающих границ резко

34

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

обрывается. В свою очередь присутствие дайки можно формально трактовать как зону разлома.

2.6. Антиклинали

Антиклинальные поднятия в осадочных бассейнах достаточной мощности являются ловушками нефти и газа основного типа, особенно в платформенных областях. Решение задачи обнаружения антиклинальных объектов осуществляется по результатам регистрации отраженных волн, которые позволяют фиксировать наличие складчатости на различных глубинах, причем чаще всего по нескольким горизонтам. Наблюдения при поисках поднятий проводятся в виде площадных съемок, по достаточно плотной системе профилей, т. е. так, чтобы расстояния между профилями были существенно меньше размеров ожидаемых поднятий. В последнее время начали применяться площадные системы наблюдений, когда регистрация волн осуществляется как по продольным, так и по непродольным профилям или маршрутам, в том числе криволинейным.

Наличие антиклинальных поднятий отмечается непосредственно на временных разрезах по профилям, пересекающим складку в направлении преимущественно вкрест простирания слоя. Антиклинальная складка в большинстве случаев имеет асимметричную форму со значительными вариациями углов наклона в сводовой части.

Наибольшие трудности возникает при поисках антиклинальных поднятий малой амплитуды, мощность которых сравнима с величиной ошибок определения глубины. Особенно это относится к районам древних платформ, где величины пластовых и средних скоростей по продольным волнам весьма велики (в среднем 5 км / с и выше).

Одним из способов повышения достоверности выявления малоамплитудных поднятий является увеличение плотности сети наблюдений.

Наличие любых нерегулярностей в изучаемой среде, в том числе антиклинальных поднятий, проявляется в изменении динамических характеристик волн (формы импульса, величины амплитуды, поляризации и т.д.).

2.7. Структурысложногогеологическогостроения.

Термин сложно построенная структура обычно применяется к таким ситуациям, когда границы раздела прерывисты и осложнены сбросами, углы наклона и кривизны границ достигают больших величин, имеют место значительные угловые и азимутальные

35

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

несогласия залегания слоев, а также другие нерегулярности в среде. К ним, в частности, относятся соляные и глинистые диапиры, а также структуры передовых хребтов и др.

Большое многообразие сложных структурных форм не позволяет даже кратко рассмотреть сейсмические модели всех типов сложно построенных структур. Основные характерные особенности таких объектов, которые выделяются в сейсмических волновых полях, являются разломы, отмечаемые как в виде разрывов опорных горизонтов, так и по характеру резких угловых несогласий. Имеют место значительные наклоны отражающих границ (вплоть до 30°). Возможные ловушки углеводородов в этих условиях чаще всего относятся к типу экранированных.

Другой сложной структурной формой являются соляные купола. Геологический разрез в этом случае подразделяется на два главных этажа, которые являются носителями в каждом из них ловушек углеводородов. Для верхнего надсолевого этажа типично проявление соляной тектоники, характеризуемой наличием больших углов наклона осадочных образований вблизи контакта со штоком соли (кунгурский ярус), а также наличием сбросов различной амплитуды. К соляному ядру примыкают мощные пачки пермотриасовых отложений, где чаще всего наблюдаются ловушки контактного типа. Склон соляного штока в данном случае отображается на сейсмограммах по признаку прекращения корреляции отражений от границ в бортовой зоне. В сводовой части кровля соли представляет собой отражающую границу, хотя на ряде куполов отражения от кровли отсутствуют либо прослеживаются недостаточно уверенно. Некоторые купола в сводовой части содержат залежи нефти в отложениях пермо-триаса. В присводовых частях соляных куполов часто наблюдаются ловушки нефти в полуантиклиналях, срезанных с одной стороны сбросом. В подобных сложных ситуациях методика многократных перекрытий при больших длинах годографов и последующее суммирование трасс по способу общей глубинной точки не всегда обеспечивает оптимальный вариант прослеживания сложных структурных объектов.

Соляные диапиры могут иметь весьма разнообразную форму. Установлено, что диапиры могут иметь грибовидную форму, образуя в присводовых частях достаточно протяженные „козырьки". Есть примеры, когда под козырьками осадочные отложения образуют антиклинальные своды, которые при определенных условиях являются ловушками углеводородов.

Соляно-купольные структуры были одними из первых объектов применения сейсморазведки, и длительное время основной задачей было изучение надсолевых отложений и обнаружение в них ловушек нефти и газа. Только в конце 40-х годов было установлено наличие устойчивых отражающих границ на глубине 5 км и более,

36