МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

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

селекции сейсмических волн, представляется целесообразным рассмотреть подробно основные особенности обеих установок.

Асимметричные установки x, y ,z. При наземных наблюдениях, когда направления подхода волн близки к вертикали, каждый сейсмоприемник этой установки регистрирует определенный тип волновых колебаний или поляризационное состояние волны.

.

Рис. 13. Вид асимметричной трех компонентной установки сейсмоприемников на профиле.

Вертикальный сейсмоприемник – продольные волны (поляризация вдоль траектории), а горизонтальные – поперечные (поляризация по нормали к плоскости распространения и соответственно траектории). В этом случае сейсмограммы отличаются наглядностью, выдержанностью динамических параметров и отчетливым разделением не только по типам, но и по классам упругих волн. Поэтому установки x, y и z нашли широкое применение в структурной и общей сейсмологии (рис. 13).

Основным недостатком асимметричных установок на сегодняшний день является их конструктивное исполнение, которое существенно усложняет контроль идентичности характеристик и чувствительности вертикального и горизонтальных сейсмоприемников в точке установки. При полевых работах условия установки сейсмоприемников и условия самих наблюдений обычно значительно разнообразнее, чем те, которые создаются в стационарных условиях поверочных работ. Кроме того, при полевых работах довольно часто сейсмоприемники перемещаются по линии наблюдений, поэтому обеспечить эффективный контроль идентичности большого числа

47

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

сейсмоприемников практически не удается. Отсутствие строгого контроля не позволяет выявить изменения чувствительности каналов, которые могут быть весьма значительными. Отсюда возникают искаженные представления о поляризации волн, что затрудняет исследование динамики волновых полей.

Горизонтальные приборы асимметричной установки обычно ориентируются в ортогональной системе координат, где оси x и z заданы направлениями с одной стороны профиля, а с другой - градиента силы тяжести. Необходимость работы в полевых условиях с сейсмоприемниками двух типов (горизонтальными и вертикальными) также усложняет процесс записи на сейсмостанции, так как фактически происходит наблюдение по трем различным профилям, координаты которых на местности одни и те же. Перечисленные обстоятельства, и в первую очередь необходимость контроля идентичности каналов, обусловили целесообразность использования трех компонентных датчиков. Ведущие фирмы-разработчики полевого геофизического оборудования (Input/Output, Sercel) создали сейсмоприемники нового поколения: VectorSeis и DSU3 (рис.14). Цифровые датчики имеют две главные составляющие: компактный силиконовый акселерометр с маленькой инертной массой, подвешенной на миниатюрных пружинах, и специально разработанная управляющая микросхема. Три ортогональные компоненты образуют ядро цифровых сейсмоприемников.

Рис. 14. Цифровые трехкомпонентные датчики

Одной из отличительных особенностей этих сейсмоприемников от ранее и ныне используемых аналоговых электродинамических приборов является цифровой способ передачи информации от трехкомпонентного сейсмоприемника к регистрирующей аппаратуре, что исключает возможность их группирования непосредственно в поле. Отсутствие возможности группирования цифровых сейсмоприемников требует применения меньшего шага их расстановки на профиле с целью повышения эффективности процедур пространственно-временной фильтрации. Датчики, созданные с применением передовой технологии «Микро-Электро- Механических Систем» (Micro Electro Mechanical System – MEMS) в техническом вакууме, по физической сути являются акселерометрами. Широкий динамический диапазон принимаемых колебаний среды обеспечивает компенсационный принцип измерения. Технологии MEMS обеспечивают получение амплитудно- и фазово-частотных характеристик при приеме сигнала принципиально нового качества и полную (23 разряда + знак) цифровую передачу данных.

48

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

Цифровой 24-разрядный выходной сигнал датчиков делает ненужными аналого-цифровые преобразователи в регистрирующей системе.

.

Рис. 14’. Трехкомпонентная симметричная установка. а — схема расположения компонент (I—III) и симметричной установки; б — установка для наземных сейсморазведочных работ.

Симметричные (однородные) установки. При наблюдениях во внутренних точках среды применяются симметричные установки, которые состоят из трех сейсмоприемников, оси максимальной чувствительности которых наклонены к горизонту под углом 35° 20', а азимуты соседних приборов различаются на 120° (рис.14’, а). В этом положении оси всех сейсмоприемников взаимно перпендикулярны. В самом деле, обращаясь к рис. 14’а, построим уравнения для скалярных произведений попарно векторов, отстоящих друг от друга на 120° по азимуту. Поскольку они ортогональны друг другу, то их скалярное произведение равно нулю. Записывая это по компонентам проекций векторов чувствительности каждого сейсмоприемника на оси x, y, и z, получим систему уравнений, из которой вычисляем угол наклона каждого сейсмоприемника к оси z. Предлагаем для убедительности проделать эту процедуру вывода слушателям самостоятельно.

Сейсмоприемники установки монтируются в специальные кассеты различных конструкций. Для наземных наблюдений удобно приборы располагать на одном уровне. Применяются кассеты, в которых сейсмоприемники жестко устанавливаются только в рабочем положении. На рис. 14’ б приведена такая установка для сейсморазведочных работ.

Помимо стабильности и идентичности каналов, особенностью сейсмоприемников является то, что их чувствительность в направлениях, перпендикулярных к оси установки, наклоненной на угол 35° 20′, равна нулю. При наблюдениях многоволновым методом правильная форма диаграммы направленности имеет принципиальное значение.

Для скважинных наблюдений наклонные сейсмоприемники помещают в кассету, представляющую собой цилиндр с наклонными отверстиями под сейсмоприемники, которые располагаются друг над другом в одном азимуте (для контроля) и в разных азимутах (для наблюдений). Симметричные установки применялись при различных видах сейсмических исследований: от региональных, основанных на

49

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

регистрации удаленных землетрясений (сейсмоприемники с собственной частотой не более 1 Гц), до рудной сейсморазведки (с собственной частотой 30 – 40 Гц).

Диаграммы направленности установок. Под диаграммой направленности установки будем понимать зависимость относительной амплитуды записи от ориентировки в пространстве оси чувствительности сейсмоприемника. В отличие от сейсмоприемника в диаграмме направленности установки фиксируется направление смещения, а изменяется ориентация осей сейсмоприемников в пространстве. На рис. 15 приведены записи полярной установки.

Рис. 15. Наблюденные полярные сейсмограммы (полярная установка, ψ = 40°) различным образом поляризованных волн: а — линейно-поляризованные колебания волн Р; б — линейно-поляризованные колебания волн S (SV — слева, SH — справа); в

—сложно-поляризованные колебания.

Поскольку форма диаграммы зависит от ориентировки вектора смещения, название «диаграмма направленности установки» является условным и смысл его связан с определением направления вектора смещения. Для полярной корреляции диаграммы направленности полярных установок имеют большое значение, и поэтому рассмотрим их подробнее для различных видов установок (рис. 16).

Рис. 16. Диаграмма направленности и теоретические сейсмограммы полярных установок: а - установки с различными углами наклона сейсмоприемников при фиксированном направлении смещения; б - различные направления смещений при фиксированном угле наклона сейсмоприемников: 1 — схема взаимного расположения осей сейсмоприемников и направления смещения, 2 - диаграммы направленности в полярных координатах, 3 - теоретические полярные сейсмограммы, 4 - диаграммы направленности в прямоугольных координатах.

Горизонтальный сейсмоприемник. Диаграмма направленности (рис. 16 а)

горизонтальной установки (ψ = 0) представляет собой две соприкасающиеся окружности вне зависимости от направления вектора смещения, что соответствует уравнению амплитуд полярной сейсмограммы с горизонтальными компонентами. Максимальная амплитуда будет записана на горизонтальном компоненте, совпадающем по азимуту с направлением вектора смещения. Амплитуда записи компонента, ось которого перпендикулярна направлению смещения, будет равна нулю. Для продольных волн в

50

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

однородной и изотропной среде этот компонент совпадает с плоскостью, касательной к фронту волны. На записи компонентов, расположенных по разные стороны от составляющей с нулевой амплитудой, будет наблюдаться обращение фаз на 180°. Полученная диаграмма направленности симметрична, т. е. амплитуды записи компонентов, азимуты которых отличаются на 180°, равны между собой.

На теоретической полярной сейсмограмме, соответствующей описанной диаграмме направленности, каждая трасса представляет собой запись горизонтального компонента с различным азимутом. Для сейсмограммы характерна вертикальная ось синфазности с обращением фазы на 180°. На сейсмограмме амплитуды изменяются по косинусоидальному закону, имеется область малых и нулевых амплитуд. Таким образом, при заданной установке ее диаграмма направленности определяет вид полярной сейсмограммы.

Конические установки. Амплитуда на записи наклонного компонента зависит от направления вектора смещения и направления компонента полярной установки. Рассмотрим, как изменяется форма диаграммы направленности установок с изменением угла наклона компонента ψ в интервале от 0 до 90° при постоянном направлении вектора смещения (угол ϕ). На рис. 16 а - 1 приведены области изменения угла ψ (заштрихованы) и диаграммы направленности (рис. 16 а - 2). Для полярной сейсмограммы характерно обращение фаз, области малых и нулевых амплитуд. Амплитуды компонентов, азимуты которых различаются на 180°, уже не равны между собой. При ψ = ϕ диаграмма асимметрична, одна ее часть вырождается в точку. На полярной сейсмограмме обращения фаз нет (все колебания синфазны), имеется область малых амплитуд (включая и нулевую). Нулевая амплитуда соответствует компоненту,

перпендикулярному к вектору смещения. При ϕ < ψ <90° диаграмма асимметрична. Различия амплитуд на сейсмограмме менее резки. Область малых амплитуд имеется лишь при ψ, близком к ϕ. Различия в амплитудах на записях сейсмоприемников, азимуты которых отличаются на 180°, уменьшаются с увеличением угла ψ. При ψ = 90° все компоненты становятся вертикальными, диаграмма представляет собой окружность. На полярной сейсмограмме записи всех составляющих идентичны и соответствуют записи z-компоненты.

В прямоугольных координатах диаграмма направленности конической установки является косинусоидой, параметры которой определяются полным вектором колебания. С изменением углов наклона сейсмоприемников форма диаграммы не изменяется, а изменяется лишь ее положение относительно оси абсцисс, поэтому диаграммы направленности могут быть представлены одной косинусоидой (рис. 16 а - 4).

51

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

Рассмотрим это подробнее. При ψ = 0 ось косинусоиды совпадает с осью абсцисс прямоугольной системы координат. При смещении оси абсцисс параллельно оси косинусоиды на расстояние меньшее, чем амплитуда косинусоиды, можно получить семейство диаграмм направленности, соответствующее соотношению углов 0 < ψ < ϕ.

В случае ψ = ϕ ось абсцисс касается экстремумов косинусоиды. По мере удаления оси абсцисс можно получить диаграммы, соответствующие случаю ϕ < ψ < 90° и, наконец,

косинусоида с осью абсцисс, расположенной в бесконечности соответствует диаграмме ψ = 90°, имеющей в полярных координатах вид окружности.

Таким образом, для одного и того же вектора смещения форма диаграмм направленности установок и, следовательно, характер полярной сейсмограммы зависят от ориентировки компонентов установки.

Аналогичные диаграммы направленности могут быть получены для одной установки (с фиксированным углом наклона сейсмоприемников) при изменении направления смещения. Так, при горизонтальном смещении диаграмма направленности симметрична и состоит из двух соприкасающихся окружностей (рис. 16б - 2). При наклонном смещении диаграмма асимметрична смещению, а в направлении вертикали - окружность.

Асимметричные установки. Несколько иными диаграммами направленности обладают асимметричные ортогональные установки трех сейсмоприемников одинаковой чувствительности. Эти диаграммы в отличие от полярных установок строго ориентированы относительно направления «источник-приемник». При этом ориентация достигается тем, что один из горизонтальных сейсмоприемников своей осью максимальной чувствительности устанавливается строго по направлению профиля. Два других – выставляются своими осями максимальной чувствительности перпендикулярно предыдущему и, следовательно, ориентируясь по осям Z и Y. Фактически диаграмма направленности асимметричной установки представляет собой горизонтальную проекцию полярной диаграммы и составляется из трех касающихся друг друга окружностей одинакового радиуса в одной и той же точке.

3.4. Классификация источников поперечных волн.

Можно считать установленным фактом, что ни один из известных способов возбуждения поперечных волн и, тем более, ни один источник, осуществляющий реализацию этих способов на практике, не может воспроизвести чистое воздействие типа горизонтально направленной силы. Вместе с тем, стремление исследователей

52

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

использовать для генерации сдвиговых колебаний указанный тип воздействия оправдан структурой волнового поля в условиях естественной геологической среды. Известно, что такая среда обладает свойством вертикальной неоднородности, которое приводит к рефракции лучей радиации, выходящих из источника, размещенного в самых верхних ее этажах. Значения скоростей распространения поперечных волн, характерные для ВЧР, Сs1 не превышают в большинстве случаев 400 м / с. Для глубинных отражающих горизонтов пластовые скорости Сs2 по данным ВСП достигают значений 2000 м / с и более. В этой связи резко ограничивается диапазон углов θ выхода излучения из источника для последующей регистрации наиболее информативных отраженных волн. θ ≤ arcsin Сs1 /

Сs2 = arcsin 0.2 ≈ 13° это составляет телесный угол в 26° при размещении источника в центре расстановки приборов. Такие внешние условия диктуют необходимость в использовании только тех силовых воздействий на среду, которые обеспечивают, по крайней мере, равномерность излучения поперечных волн по всем полярным углам (угол между осью Z и направлением на источник). И все же даже, несмотря на такой подбор типа воздействия более 80 % от сейсмически активной части энергии излучения уходит на образование многочисленных низкоскоростных волн-помех, распространяющихся в верхней части разреза.

Инженерная конструкция источника оказывает сложное силовое воздействие на среду, комбинируя внутри себя две основные составляющие, весовые множители которых определяются, в конечном счете, параметрами вмещающей среды. Эти составляющие, как правило, представляют собой управляемую симметричную и паразитную симметричную части одного и того же воздействия. В результате всегда излучаются наряду с «целевыми» поперечными, продольные и другие волны со случайным состоянием поляризации колебаний, выступающие в качестве помех, нередко с гораздо большей интенсивностью. В случаях осевой симметрии среды (ось симметрии вертикальна) волны-помехи приобретают Sv поляризацию. В других более редких случаях таких как: горизонтальный градиент упругих свойств, анизотропия, невертикальная ось симметрии и т. д., волныпомехи от симметричной части воздействия получают наряду с Sv и Sh поляризации, существенно искажая волновую картину от горизонтально направленного воздействия. Свойства среды в месте расположения источника, указанные выше, получили название «естественной направленности», что приводит к «спонтанному» возбуждению поперечных волн. Специальные исследования показали, что решающую роль в формировании горизонтально направленного воздействия на среду играют два основных фактора. Первый из них представляет собой искусственно создаваемую неоднородность в области очага симметричного распределения напряжений первоначального воздействия.

53

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

Взаимодействие симметричной части давления с резко очерченной зоной среды с пониженными либо повышенными свойствами относительно окружающей породы приводит к перераспределению в ней равномерного напряженного состояния и появлению усилий параллельных поверхности земли, сосредоточенных по направлению, выделенному искусственной неоднородностью.

На первом месте, безусловно, стоит признак, характеризующий способы механического воздействия на грунт. Это симметричные и противоположные ему – антисимметричные или направленные воздействия.

Распределение нормальных напряжений в очаговой зоне источника по закону симметрии высшего порядка (поверхность сферы) не может привести к произвольному возникновению выделенного направления, если оно не сформировано природным строением геологической среды (ось анизотропии). В этом случае указанное распределение напряжений генерирует в окружающем пространстве только продольную волну, вектор поляризации которой лежит строго в лучевой плоскости и ориентирован вдоль луча распространения волны.

Уменьшение порядка симметрии в законе распределения нормальных напряжений, и, в особенности, ограничение линейного размера распределения по какой-либо координате, приводит к формированию напряжений сдвига и излучению поперечных волн поляризованных нормально к траектории распространения в лучевой плоскости, либо к той и другой одновременно.

Такие условия создаются при использовании парных сил с моментом и без него, аксиально-симметричных областей давления внутри цилиндрической полости (скважины) или же на дневной поверхности. Вместе с тем, основная особенность воздействий подобного типа состоит в том, что направления преимущественного излучения поперечных волн наклонено к вертикали на некоторый угол, величина которого не постоянна, а зависит от скоростных характеристик той части геологического разреза, где размещаются источники. Совершенно иная ситуация возникает в том случае, если в очаговую зону (ближнюю) источника ввести неоднородности различного рода. При этом, взаимодействие волны компрессионных напряжений со структурно, либо вещественно неодинаковыми элементами приводит к разрушению равномерного распределения их относительно осей координат и возникают условия для преимущественного излучения поперечных волн. Можно сказать, что в среде происходит формирование комбинированного воздействия, результат которого представляют в виде суперпозиции волн, возникающих как от симметричного напряженного состояния, так и за счет напряжений характерных для горизонтально направленных сил. Наконец, существуют

54

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

источники, содержащие внутри себя заданную несимметричность воздействия. Источник не производит перераспределения начального напряженного состояния в среде, а непосредственно формирует в породе касательную к дневной поверхности силу, ориентированную относительно профиля наблюдений в строгом соответствии с размещением исполнительных элементов инженерной конструкции источника. Источники подобного типа получили название антисимметричных. Сюда относятся все ударномеханические горизонтальные воздействия, в том числе и вибрационные.

Другим важным признаком является время силового воздействия в очаге. Здесь можно выделить также три главные категории.

В первую отнесем все источники, у которых время выделения энергии в грунт много меньше периода генерируемой поперечной волны – τ / Ts << 1, где τ – время действия источника, Ts – период поперечной волны. К этой группе относятся все взрывные, а также те из механических воздействий, которые используют электродинамическое преобразование электростатической энергии в механическое движение среды при дуговом разряде, взрыве проводников тока, метании диамагнитных элементов магнитным полем. Так при детонации заряда тротила массой 1кг время выделения энергии составит 8·10-6с. Время разряда батареи конденсаторов пропорционально произведению емкости на активное сопротивление, что при емкости батареи 1 ф и сопротивлении 10-3 Ом составит 1

× 10-3с. Для минимального из известных периодов поперечных волн 10-2с их отношение изменяется в пределах 10-3 – 10-1с. Эту группу можно назвать моноимпульсными источниками, чтобы подчеркнуть кратковременный характер их действия или широкополосность излучаемых поперечных волн.

Следующая группа источников включает в себя практически все виды воздействий, которые, так или иначе используют потенциальное поле гравитации, а само воздействие формируют в результате взаимодействия тяжелой массы по подставкам различной конструкции. Эти воздействия более медленные, а их временная функция по продолжительности приближается к длительности периода поперечной волны. Причем сам характер нарастания силы в окружающей среде носит постепенный, плавный характер, вследствие чего такие воздействия генерируют низкочастотные поперечные волны. Отношение временных периодов для этих источников меньше или равно 1, τ / Ts ≈ 1. Следует иметь в виду, что промежуток времени силового воздействия источника не включает длительность предварительных механических движений исполнительных органов, в том числе и соударяющихся частей. Это и понятно, поскольку все эти элементы выполняют передаточные функции, которые не отражаются на характере формируемого в среде поля напряжений, а лишь сдвигают временной промежуток от подачи команды на

55

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

производство воздействия до момента излучения поперечной волны. Несмотря на короткий процесс соударения между разгоняемой массой и платформой, воспринимающей удар, конечный результат взаимодействия с грунтом носит неупругий характер, что приводит к затягиванию процедуры передачи накопленной энергии в среду, а, следовательно, возбуждения поперечных волн.

В последнее время произошло формирование источников, характерной чертой которых является длительное время непрерывного излучения. По физике генерации упругих волн вибрационное воздействие на грунт не отличается от импульсного, но вместе с тем содержит важную особенность, заключающуюся в том, что амплитуда одного качания платформы не выходит за рамки линейной связи между деформацией и напряжением в грунте. Это ограничение настолько сильно, что для накачки необходимой энергии в поперечную волну продолжительность суммарного воздействия должна быть сравнимой со временем регистрации глубинных отраженных волн. Поэтому отношение τ / Ts становится много большим 1, т. е. обратным по сравнению с двумя предыдущими группами источников. Сюда относятся не только чисто вибрационные, но также и кодоимпульсные воздействия. Отметим, что любое вибрационное, а тем более кодоимпульсное воздействие в принципе представляет собой импульсное нагружение среды в ее очаговой зоне, повторяющееся несколько сотен или тысяч раз, поэтому эту группу удобно назвать полиимпульсной или узкополосной.

Следующий признак разделяет источники поперечных волн по величине отношения полезный сигнал-помеха. В качестве полезного сигнала выбирается глубинная отраженная волна. Известно, что часть энергии источника, особенно расположенного на границе полупространства, уходит на излучение низкочастотных и низкоскоростных волн-помех регулярного типа слабо затухающих с расстоянием. Причем эти волны обладают всеми признаками поперечных, в том числе и фазовой инверсией колебаний, не ослабляющихся после процедуры вычитания сейсмограмм. Подбор базы группирования источников и сейсмоприемников подавляет интенсивность помех только в узком окне изменения частот и скоростей, явно недостаточном для изменения общей картины сейсмограммы.

Другой способ подавления поверхностных волн – заглубление источников под зону малых скоростей. В этом случае уровень регулярных волн-помех удается снизить более чем на порядок. Таким образом, по соотношению интенсивностей низкоскоростных регулярных помех и отраженного сигнала выделяются три типа источников поперечных волн.

Первый из них – это источники поверхностного типа, когда глубина приложения воздействия много меньше длины волны. В этом случае, несмотря на существенные

56