МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

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

иметь частоты 2f, которые нетрудно отфильтровать в процессе обработки сигналов. На рис. 23 представлена сейсмограмма y-компоненты, зарегистрированная при проведении ВСП глубокой скважины с использованием «Вибролокатора» в качестве источника поперечных волн Sh.

Рис. 23. Монтаж записей поперечных волн на вертикальном профиле (Y-y) при возбуждении колебаний вибрационным источником (ВИБРОЛОКАТОР), (Северный Дагестан, Россия).

3.8. Характеристические параметры источников поперечных волн.

Выбор типа источника для проведения работ по многоволновой сейсморазведке определяет в целом успех или неудачу в решении поставленной геологической задачи. Обычно перед началом профильных наблюдений проводят незначительный объем опытно-методических работ, главной целью которых является подбор типа источника и определение его оптимальных параметров. В соответствии с классификационной схемой эти параметры разделяют на три категории.

К первой и наиболее существенной относят энергетические показатели, которые определяются в целом амплитудными характеристиками целевых волновых полей. В этой категории исследуется соотношение амплитуд поперечных и продольных волн, возбуждаемых тем или иным типом источника. Оптимальным будет тот тип источника,

который обеспечивает наивысшую амплитуду поперечной волны на выходе. Аs > Ap. Во вторую группу отнесен параметр, определяющий отношение «полезный сигнал-

помеха», который носит специальное название «чистоты источника». В отличие от предыдущего чистота – безразмерная характеристика доли полной потенциальной энергии, аккумулированной излучателем, которая преобразована в энергию поперечной волны. Его аналитическое выражение – отношение амплитуд поперечной и

77

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

продольной волн одного и того же класса, обозначается буквой П = Аs / Ap. Конкретная величина этого параметра определяется типов воздействия на грунт. При ударномеханическом величина П, как правило, больше 5, поскольку вся энергия сосредоточена в поперечных волнах. К этому же типу источников относится и вибрационное возбуждение, которое обеспечивает величину показателя «чистоты» порядка 10. Понятно, что наивысшие значения параметра «чистоты» присущи ударномеханическим воздействиям. Вместе с тем, эти воздействия не в состоянии обеспечить энергетический баланс необходимый для возбуждения глубинных отраженных поперечных волн. Для всех типов взрывных источников параметр «чистоты» оказывается значительно ниже предыдущего и занимает интервал значений от 0,25 < П < 1. Обязательным условием использования взрывных способов возбуждения является производство двух противоположно направленных воздействий и последующее вычитание сейсмограмм, зарегистрированных от них на профиле. При этом параметр «чистоты» источника оценивают как тоже отношение, но амплитуды продольных волн измеряют по разностной сейсмограмме. В этом случае величина П может достигать значений больших 5.

Таким образом, оптимальным будет тот способ и соответственно источник возбуждения, который обеспечивает преимущественное излучение поперечных волн над продольными, то есть, когда величина П > 3.

Следующий характеристический параметр источников поперечных волн, определяющий качество работы излучателя, представляет собой оценку степени обеспечения признака фазовой инверсии поперечной волны. Этот параметр носит специальное название «коэффициент искусственной направленности» и обозначается буквой Д. Аналитическое выражение этого параметра представляет собой величину отношения амплитуд одной и той же поперечной волны, измеренных на разностной и суммарной сейсмограммах y- или x-компонент соответственно, то есть, Д = (А+ - А-) / (А+ + А- ). Этот параметр имеет особое значение для всех взрывных источников независимо от глубины приложения воздействия. Как правило, наиболее высок этот параметр для всех без исключения ударно-механических воздействий и вибрационных в том числе. Это вытекает из тех принципов, которые использованы в этих механизмах для формирования практически чистых сдвиговых напряжений в поверхностном слое геологической среды. В этих случаях величина показателя Д всегда больше 10, даже в крайне неблагоприятных условиях взрывного возбуждения поперечных волн (сильное обводнение грунтов).

78

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

В случаях применения взрывных источников, параметр Д является определяющим показателем работы источника независимо от сейсмогеологических условий ВЧР. Физические принципы формирования напряженного состояния среды показывают, что при взрыве в первую очередь формируется сферически симметричное распределение нормальных напряжений в очаге и при взаимодействии с зонами неоднородности только часть этого напряженного состояния трансформируется в касательные напряжения, генерирующие поперечные волны. Таким образом, всегда и при любых условиях залегания пород ВЧР очаг взрывного источника генерирует наряду с интенсивными продольными и поперечные волны. Необходимо иметь в виду, что в случае использования взрывных источников поперечных колебаний продольная волна является родоначальником целого роя волн-помех и по этой причине обеспечение высокой степени искусственной направленности взрывного возбуждения является первоочередной задачей. Обычным считается величина «коэффициента искусственной направленности» взрывного источника в интервале 3 < Д < 5.

Установлен некоторый факт, свидетельствующий о том, что чем меньше энергоемкость источника поперечных волн, тем выше его параметры «чистоты и искусственной направленности». Таким образом, перед специалистом сейсморазведчиком стоит проблема решения задачи с взаимно исключающими данными и только эксперимент в этом случае выступает в качестве третейского судьи.

Ниже, на рис. 24 – 27, приводятся иллюстрации поведения параметров энергоемкости и качества П, Д в зависимости от характеристических величин, определяющих конструктивные особенности того или иного типа источника. Эти зависимости получены как результат обширных экспериментальных исследований проведенных в различных сейсмогеологических условиях территории России и республики Казахстан. Эти работы являлись частью крупной проблемы повышения эффективности и информативности сейсмического метода геофизики в части решения фундаментальных проблем и задач народно-хозяйственного комплекса, особенно в части поиска и разведки углеводородов.

Рис. 24. Обобщенная зависимость показателей взрывных источников поперечных волн от плотности заряжания. Аs, Ap – в условных размерных единицах; П, D — в безразмерных единицах.

79

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

Рис. 25. Зависимость амплитуды ударного Рис. 25. Зависимость показателей барьерного источникаот воздействия от высоты падения (энергии) ширины барьера δ (b=15 см,

ρ3 =3 нитки ДША). 1 – маятника (шифр кривых – величина теоретическая кривая AS (δ);

2, 3, 4, 5 - нагрузки на платформу. экспериментальные кривые: 2 – AS ; 3 – AP∑; 4 – Π; 5 – D.

Рис. 26. Зависимость показателей камуфлетного источника от: а - отношения

Симметричные источники для возбуждения поперечных волн,

Большой интерес к пространственным наблюдениям в последнее время связывается с использованием количественных характеристик поляризации поперечных и обменных волн, которая несет в себе информацию об элементах

Рис. 27. Скважинные снаряды, как источники поперечных волн высокой разрешающей способности.

Правая часть – скважинный взрывной снаряд. Масса заряда единичного воздействия не более 50 г. Левая часть - скважинный снаряд, использующий потенциальную энергию сжатого газа (Р = 15 мПа).

80

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

залегания границ и о скоростной анизотропии разреза. Существенное упрощение в методику пространственных наблюдений могли бы внести источники с осевой симметрией, возбуждающие поперечные волны требуемой поляризации с интенсивностью, не зависящей от азимутального угла и обладающие свойством фазовой инверсии. Цилиндрический центр расширения (источник типа Хилена) является симметричным излучателем продольных и поперечных волн Sv, но он не обладает свойством фазовой инверсии. Источники типа центра вращения могли бы быть инверсионными, но попытки их практического осуществления увенчались успехом лишь при создании маломощных излучателей, пригодных для акустического каротажа на прямых поперечных волнах.

В настоящем параграфе исследуется возможность осуществления осесимметричных обратимых по знаку воздействий путем специального размещения на дневной поверхности группы элементарных взрывных источников типа горизонтально направленной силы.

Введем прямоугольную систему координат и совместим ее с центром окружности.

Обозначим угол между направлением на точку наблюдения и осью z через θ, а угол между его проекцией на плоскость расположения источников и осью х через ϕ. Пусть источники, обладают одинаковой интенсивностью излучения, непрерывно либо дискретно распределены на свободной поверхности вдоль окружности радиуса R. Действие каждого источника представим в виде совокупности двух сил, направленных по радиусу к окружности и по оси z для источников Sv волн, а по касательной к ней и по оси z для источников Sh волн. Принятое распределение сил в элементарных источниках позволяет наиболее просто и компактно получить аналитическое выражение для диаграмм направленности. Если обозначить через fR и fτ – плотность распределения радиальных и касательных сил по окружности, то для источников длины dl получим элементарные силы вида fRdl и fτdl. Проектируя их в одном случае на ось х, а в другом ось у, и учитывая соотношение dl = dx/sinϕ, получим одинаковые функции распределения вдоль оси х элементарных сил, возбуждающих в плоскости xz волны Sv и Sh соответственно.

для непрерывного и для дискретного распределений.

В последней формуле FR и Fτ, вообще говоря, являются функциями угла θ, в силу присущих этим источникам характеристик направленности I рода. Нормированные функции направленности выразятся интегралами по переменной х от –R до R, либо суммами по всем элементарным источникам в случае дискретного их расположения:

81

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

где: R – радиус окружности расположения источников, ks – волновой вектор, N – количество источников в группе, m – номер элементарного источника (m = 0,1,2, …, N-1),

ϕm – угол между осью х и направлением на элементарный источник с номером m, (ϕm = 2mπ / N), ϕ - угол между проекцией направления на точку наблюдения на горизонтальную плоскость и осью х, а ΦSv,Sh – нормирующий множитель равный полной силе, развиваемой всеми источниками в групповом распределении: ΦSV,SH = 2πRfRτ для непрерывного и

для дискретного распределения.

Для простоты дальнейших расчетов предложим, что FR(x) и Fτ(x) одинаковы, поэтому достаточно рассмотреть одну функцию направленности, имея в виду источники Sv- и Sh-

волн. Сделав замену переменной х по формуле dx = R sinϕ dϕ получим, что

следует уточнить, что в выражениях для волн Sv должны содержаться множители,

показывающие зависимость направленности элементарных источников от угла θ. Но в связи с тем, что расстояние до точки наблюдения r0>>R, то r1 ≈ r0 и угол под которым видна точка наблюдения для каждого источника на окружности будет практически одинаков. Кроме того, рассматриваются поперечные волны, обладающие признаком фазовой инверсии, в связи с чем сдвиговые колебания, возникающие от вертикальных сил и не обладающие свойством обращения фаз при перемене направления элементарных сил fR и fτ на противоположные, не учитываются, так как на разностных сейсмограммах регистрироваться не будут. По этой же причине при вычислении диаграммы направленности источников типа вертикальной силы нет необходимости вводить слагаемые связанные с возбуждением продольных волн элементарными силами вида FR(x)

и Fτ(x), которые создают обращающиеся поля волн сжатия, не наблюдаемые на суммарной сейсмограмме.

Рассмотрим сначала непрерывное распределение элементарных источников диаграммы направленности которых выражаются функциями Бесселя. Исходя из свойств этих функций можно сказать, что при малых значениях их аргументов излучение S волн практически отсутствует в отличие от единичного элементарного источника, где оно максимально, а продольных Р, напротив, максимально. Это накладывает определенные ограничения на радиус группового распределения: аргумент функции Бесселя должен

82

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

быть таким, чтобы ее значение находилось бы в области, ограниченной слева и справа значениями 0,7 от первого максимума:

1 ≤ ks R sin θ ≤ 2,8,

откуда получаем, что при ks = ωs / vs ,

При этом уровень излучения продольных волн определится значениями J0 в пределах изменения аргумента .

Таким образом, направленность непрерывного распределения источников не зависит от азимутального угла и характеризуется функциями Бесселя первого рода нулевого и первого порядка для продольных и поперечных волн. Оно обладает некоторым набором интервалов, углов, характеризующихся значениями аргументов функций Бесселя J0 и J1, где происходит либо преимущественное излучение поперечных волн при минимально возможном уровне продольных, либо наоборот.

Предположим теперь, что приборы, регистрирующие отраженные продольные и поперечные волны, расположены на дневной поверхности вдоль некоторой линии, проходящей через центр кольцевой группы источников. Отражающую поверхность возьмем для простоты в виде плоскости параллельной дневной поверхности. Обозначим расстояние до первого прибора через l1 до последнего – ln, а глубину до отражающей границы – Н.

В этом случае амплитуды волн, регистрируемых каждым прибором, будут определяться соответствующими функциями J0 и J1, но с возрастающим аргументом (в

связи с увеличением угла θ). Это накладывает определенное ограничение на длину расстановки приборов. Используя закон тангенсов и полагая, что при малых θ tgθ ≈ sin θ, получим, как ясно из рис. 28 , что расстояния от источника до приемников должно удовлетворять следующим неравенствам:

l1 ≥ 2H vs / Rωs ,

Рис. 28. Схема регистрации отраженной волны при возбуждении симметричным источником поперечных волн (роторный или кольцевой).

83

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

Переходя к дискретному распределению источников, заметим, что удобнее всего воспользоваться прямо записанными суммами для вычисления диаграмм направленности без разложения экспонент по функциям Бесселя. Были проведены вычисления характеристик направленности при R = 10 м, vs = 1500 м/с, ωs = 180 Гц, θ = 5° для различных N, результаты которых показали, что излучение S волн в этом случае оказывается функциями помимо аргумента ks R sinθ, также и азимутального угла. Чем меньше количество элементарных источников в группе и, чем больше аргумент ks R sinθ,

тем в большей степени диаграмма направленности отличается от равномерной. При N ≤ 5 разница между максимальными и минимальными значениями функций DSV,SH достигает более 30 %. Для N=6 это различие составляет около 20 %, а при N ≥ 8 уже меньше 10 %. Таким образом, при количестве источников в группе более 6 диаграмма направленности мало отличается от равномерной, а имеющиеся отклонения вряд ли могут быть замечены в эксперименте на фоне погрешностей измеряемых амплитуд.

Удобный и практически легко осуществимый вариант возбуждения Sh волн симметричным источником роторного типа представляет собой одновременное воздействие на грунт, осуществляемое системой одинаковых элементарных источников. Эти элементарные источники типа горизонтально направленной силы, располагаются вдоль радиусов между двумя окружностями с общим центром. При этом радиусы этих окружностей R1 > R2 и размещены по площади круга на одном и том же угловом расстоянии друг от друга. Для производства воздействия одного знака заряды ВВ подрываются одновременно во всей системе элементарных источников таким образом, чтобы равнодействующие сил от каждой пары взрывов, находящихся на противоположных концах диаметра окружности, создавали момент вращения относительно центра окружности, например, против часовой стрелки. Следующее воздействие осуществляется путем подрыва второй системы зарядов, обеспечивающих момент вращения противоположного направления.

Одна из возможных практических реализаций системы излучателей поперечных Sv волн формируется в виде системы одинаковых элементарных источников типа горизонтально направленной силы, выполненных, например, в виде искусственно созданных полостей (траншей прямоугольного сечения), расположенных по окружности некоторого радиуса либо непрерывно, либо дискретно. Для производства воздействия заряды ВВ подрываются одновременно во всей системе элементарных источников таким образом, чтобы силы от каждого из взрывов были направлены внутрь и во внешнюю сторону кольца.

84

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

Эксперимент. Изучались роторные источники с количеством элементарных излучателей траншейного типа N = 4, 6, 8, и 12, а также непрерывно распределенный траншейный кольцевой источник SV волн с радиусами R = 1, 2, 5, 7, 11, 15 и 20 м.

Роторный источник. Наблюдениями на продольном профиле было установлено, что волновая картина от роторного источника по соотношению обращающихся и не обращающихся волн на х, у, и z компонентах полностью аналогична записям, полученным от траншейного источника. Здесь же проведено и изучение зависимости основных показателей излучения роторного источника от числа зарядов N. Отчетливо зарегистрирован линейный рост амплитуды Sh - волн при возрастании N, а также и при переходе к большему радиусу. Наблюдаются и очень высокие величины показателя искусственной направленности D. Относительно «чистоты» взрывного воздействия можно сказать, что показатель П больше единицы (максимальные значения составляют 1,55 и 2,4 соответственно) в среднем он не отличается от такового при возбуждении волн траншейным источником.

Кольцевой симметричный источник по своим показателям не отличается от роторного, за исключением того, что диаграмма направленности излучения волн Sv не содержит провалов в распределении амплитуд по азимутальному углу φ.

3.9. Сравнение эффективности возбуждения поперечных волн различными типами источников

За сравнительно короткий промежуток времени развития многоволновых методов сейсморазведки было разработан целые спектр источников для возбуждения поперечных волн, которого нет в арсенале традиционной сейсморазведки, использующего только один тип сейсмических волн, но самых высокоскоростных – продольный. Эти типы источников были созданы для использования МВС как в условиях благоприятных для возбуждения и регистрации поперечных волн, так в самых неблагоприятных. Для снижения материальных затрат при проведении многоволновой сейсморазведки, они в основном заключены в высокой стоимости технологии возбуждения сдвиговых колебаний, естественным стремлением специалиста является подбор типа источника. Выбор основывается на учете сейсмогеологических данных состояния грунтов ВЧР, условий размещения групп источников на профиле для того, чтобы обеспечить необходимую величину отношения «полезный сигнал-помеха», и, кроме этого, одновременно с этим добиться приемлемого уровня материальных затрат. Теоретически эта задача не может быть решена по причине сильной изменчивости условий залегания и физического

85

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

состояния приповерхностного слоя горных пород. Обычно подбор ведут экспериментально, организуя проведение опытно-методических работ. Вместе с тем, необходимо заведомо знать некоторые данные, свидетельствующие о возможностях того или иного типа источника. Далее приводятся примеры сейсмограмм и временных разрезов, которые получены с применением практически всех поименованных выше источников поперечных волн.

Сравнение проводилось по основным типам источников поперечных волн, которые были самыми распространенными на время проведения работ. Кроме того, сейсмогеологические условия участков исследований подбирались такими, чтобы удовлетворить, в первом приближении, тем, которые развиты в основных нефтяных провинциях, где проводится наибольший объем сейсморазведки. Основными количественными показателями, на основании изменения которых определялась эффективность работы того или иного типа источника, были следующие: амплитуда отраженных поперечных волн и показатель инверсии фаз поперечной отраженной волны при перемене направления силы в источнике на противоположное. На рис. 29 приведены три сейсмограммы, полученные на площади Усть-Балык Сургутского района Тюменской области. Они представляют собой регистрацию отраженных поперечных волн типа SSh, по одному и тому же профилю, но при возбуждении тремя различными типами источников поперечных волн. Участок профиля, где получены представленные сейсмограммы, характеризуется высоким положением зеркала грунтовых вод, которое находится на глубине 3,5 м от поверхности земли. Работы проведены в зимнее время при толщине слоя сезонно мерзлых пород 1,0 м.

Рис. 29. Сравнение эффективности возбуждения поперечных волн при высоком уровне грунтовых вод (hг < 3 м). Разностные сейсмограммы по схеме Y-у от источников: а - скважинного камуфлетного с параметрами - h3 = 3 м, у=1,8 м,

Q=5,2 кг × 10, q=2 кг × 10; б – упрощенного варианта траншейного источника

(УВТИ) - h3 =0,35 м, (q=2 × 3 × I00 м ДША; в — барьерного, h3=0,6 м, δ=30 см, q=4 Hх100 м ДША. Интервал наблюдений 50—1200 м от ПВ.

Отчетливо наблюдается существенная разница в сейсмограммах по всем трем параметрам: особенно по амплитуде целевых волн, отношению «сигнал-помеха. Наиболее

86