Исследование с помощью р-волн Оборудование и методика

 

При проведении скважинных исследований с помощью Р-волн высококачественные данные первых вступлений можно получить, используя нефиксированные гидрофоны в скважине, заполненной водой и небольшой импульсный поверхностный источник (маломощный заряд ВВ или скважинную пушку). Для устранения зависимости от точной отметки момента, обусловленной инерцией переключателей или поверхностным эталонным сейсмоприемником, мы сконструировали многоканальную расстановку сейсмоприемников, с равномерно расположенными приборами и разработали методику интерпретации, основанные на избыточности перекрывающихся положений источников и сейсмоприемников.

Предварительные разработки и начальные результаты в обобщенном виде приводятся у Hunter и Burns (1991). Расстановки гидрофонов для скважин малого диаметра в настоящее время можно получить из коммерческих источников; однако, мы продолжаем использовать оборудование местного изготовления из легко доступных коммерческих компонентов. Используемая в настоящее время расстановка показана на рис.1; она состоит из 24 сейсмоприемников с шагом 0.5м на 100-метровой косе, усиленной кевларом. Каждый компонент состоит из широкополосного гидрофона Benthons AQ-16 (4-2000Гц) и предусилителя с комплексным согласованием Benthons AQ-300. Блок гидрофон - предусилитель заключен в короткий трубчатый кожух с внутренним диаметром 2.54см (1 дюйм), заполненный нефтью, который располагается на выводе косы. Такая схема обеспечивает относительно простой доступ к компонентам, если возникает необходимость в ремонте.

 

Смещение источника от скважины обычно составляет 3-5м, что, как правило, бывает достаточно для минимизации помех от трубной волны (которая распространяется в низ по поливинилхлоридной обсадной колонне с кажущейся скоростью 1600-1799м/c, а по стальной колонне – 500-5700м/с) и поправок за преломление в ВЧР. Данные регистрируются цифровой сейсмостанцией IFP. Поддерживается шаг дискретизации 0.0325мс, что обеспечивает высокую разрешающую способность при пикинге первых вступлений; современные сейсмостанции с возможностью увеличения времени регистрации позволяют также получать серии записей ВСП с нулевым смещением (например, Allison и Schieck, 19996). Типичный пример качества записи, и разрешения первых вступлений в неконсолидированных отложениях показан на рис.2, где преобладающие частоты составляют не менее 300Гц. Если в поровом пространстве присутствует значительное количество газа (воздуха или метана), преобладающие частоты могут быть значительно ниже (рис.2b).

Расстановка опускалась в скважину шагами по 0.5 или 1м. Обычно опытные операторы убирают записи с очевидными ошибками определения начала отсчета времени, идентифицируя в поле такие взрывы с последующим повторным отстрелом в этих же точках, но для обработки не требуется абсолютная точность определения начала отсчета времени. На рис.3 показан пример графика зависимости времени первых вступлений от глубины в части скважины, где между соседними записями имеются незначительные ошибки определения начала отсчета времени, вполне приемлемы для анализа. О происхождении таких смещений нельзя говорить с определенностью; их можно отнести за счет спусковой схемы или изменения условий грунта в точке взрыва в результате многократного повторения взрыва в одной и той же точке.

Времена первых вступлений отдельных 24-канальных записей пикируются в интервальном режиме на ПК с помощью программных средств SIPIK (Rimrock Geophysics). Предпочтение отдается независимому методу интерпретации скорости, описание которого можно найти у Hunter и Barns (1991). В этом методе выполняется подбор скорости методом наименьших квадратов в трех или более точках для каждого 24-точечного набора данных (следовательно, исчезает зависимость начала отсчета времени) и каждая точка «скорость-глубина» детально сопоставляется с перекрывающимися наборами данных. Для каждой точки глубины из перекрывающихся наборов данных определяется скорость, которая представляет собой взвешенное арифметическое среднее, и ее стандартное отклонение; используемые веса – это обратная величина стандартной ошибки для каждого подбора скорости. Например, если расстановка перемещается с шагом 0.5м после каждого взрыва, то для одной глубины можно осреднить максимум 22 набора из трех точек по одному и тому же метровому вертикальному интервалу. Стандартное отклонение средней скорости можно использовать как меру качества пиков первых вступлений. Количество точек данных для каждого отдельного вывода скорости (т.е. расстояние по вертикали в скважине, по которому рассчитывается средняя скорость) определяет вертикальное разрешение по скважине (т.е. фильтрующий эффект окна). Длина окна выборки обычно выбирается так, чтобы она согласовывалась с разрешением по длине волны, которое определено по высокоразрешающим разрезам по данным МОВ.

 

Примеры исследования с помощью Р-волн

 

Разведка каолиновых глин, Musquodoboit, Nova Scotia. – Результатом геолго-геофизических исследований, проведенных совместно провинциальными и федеральными управлениями (Stea и др., 1996; Pullan и др., 1997), стало открытие обширных отложений мелового возраста в центральной части Nova Scotia, которые могут обладать экономическим потенциалом. Несмотря на хорошую документацию отложений глин, и кварцевого песка, предполагалось, что они имеют ограниченное распространение. Применение высокоразрешающей сейсморазведки с применением Р-волн и последующее бурение показали, что отложения мелового возраста заполняют крупные цокольные долины или бассейны и содержат залежи каолина, обладающие экономическим потенциалом. В настоящее время арендаторы участков проводят обширные высокоразрешающие сейсмические работы с целью получения детальной оценки стратиграфии перед началом разведочного бурения.

Общая геология участка состоит из четвертичных отложений ледникового происхождения мощностью 20м, которые перекрывают полуконсолидированные меловые отложения, сложенные обогащенными каолином глинами и кварцевым песком с редкими тонкими слоями лигнита. Основание состоит из переслаивающихся аргиллитов, алевритов, известняков и эвапоритов каменноугольного возраста.

Рис.3 Пример точек «время пробега - глубина» для 10 перекрывающих наборов данных. Как видно, смещение ошибок определения начала отсчета времени в диапазоне глубин 2м являются приемлемым. Для каждого набора данных рассчитывалась аппроксимация методом наименьших квадратов по пяти точкам; взвешенное арифметическое среднее 10 наборов данных – скорость, присвоенная глубине средней точки (71.0м).

Типичный высокоразрешающий 12-кратный разрез ОГТ показан на рис.4а. Интерпретируя только сейсмические волны, можно получить относительно мощный осадочный разрез с преобладающим падением на юг; очевидные угловые несогласия, показывающие возможные границы между геометрическими единицами, не наблюдаются. Скорости суммирования дают мало информации о возрасте или типе отложений (рис.5), что связано с расстановкой источников и сейсмоприемников. Какие-либо высокоамплитудные отражения на временах 50, 100, 125 и 135мс в северной части разреза могут быть связаны с основными литологическими и скоростными границами. Следовательно, по одному только сейсмическому разрезу нельзя однозначно судить о границе мел – карбон и о мощности меловых отложений с потенциально высоким содержанием каолина. Проведенное после съемки бурение (скв. MQ96-4) в северной части разреза, показанного на рис.4а, подтвердило наличие отложений, ассоциированных с кровлей каменноугольного комплекса (125-

135мс на временном разрезе) и литологических границ в меловом комплексе, с которыми связаны высокоамплитудные отражения. Однако, неопределенности функции скорость-глубина слишком велики (> 10м приблизительно на 100м глубины) для того, чтобы уверенно соотносить литологические изменения в скважине с отраженными на сейсмическом разрезе.

Сейсмические исследования в скв. MQ96-4 обеспечили улучшенный контроль скоростей с целью оценки глубин и прямого определения глубин отражений. На рис.4b показаны скважинные литологические данные и данные геологического возраста, кривая скорости Р-волн для аппроксимации скорости по пяти точкам (интервал 2м) с обозначением стандартного отклонения ±2 и комплект скважинных записей после суммирования и фильтрации. Данные были получены с помощью скважинного источника и 24-канальной расстановки гидрофонов, опускаемой в скважину на глубину 110м шагами по 1м. Ниже 110м данные регистрировались с помощью 12-канальной расстановки.

Корреляция скважинных геологических данных и скорости в скважине выявляет некоторые интересные особенности. Грубозернистые четвертичные отложения (очень плотные, переконсолидированные алевритестые мореные глины) демонстрируют скорости более 2000м/с. Значительное понижение скорости ассоциировано с границей между поверхностными мореными глинами и ледниковыми озерными отложениями в нижней части четвертичного разреза. В общем случае скорость в меловых отложениях возрастает с глубиной от 1700 до более чем 2000м/с; резкие изменения скорости внутри этого комплекса ассоциируются с литологическими изменениями, в т.ч. с тонкими слоями лигнита. Основной скачек скорости ассоциирован с границей раздела меловых и каменноугольных отложений и с литологическими изменениями внутри каменноугольного комплекса; в слое известняка в интервале 110–115м от поверхности скорости составляют приблизительно 5000м/с. Ниже 105м ошибки определения скорости возрастают. Это связано с тем, что, во-первых, используется 12-канальная расстановка гидрофонов, которая дает в два раза меньше независимых определений скорости в точке и, во-вторых, в высокоскоростных отложениях возрастает влияние ошибок пикинга.

 

 

Корреляция геологических данных, кривых скорости и наборов суммарных записей в скважине позволяет сделать вывод, что основные отражения внутри мелового комплекса ассоциированы со слоями лигнита (штриховые линии, рис.4b); более слабые отражения ассоциированы с другими различиями в литологическом составе и скорости. Различие в скорости на поверхности известняка (глубина 110м) также формирует основное отражение (рис.4b), которое может быть коррелировано с событием в северной части сейсмического разреза на времени ~125мс (рис.4). Другие, несколько более глубокие отражения ассоциированы со значительными изменениями скорости в 10м и менее от забоя скважины.

На рис.5 сравнивается средняя скорость как функция глубины, полученная по результатам скважинных исследований с применением Р-волн и значения среднеквадратичной скорости (V_RMS), полученные в результате скоростного анализа данных ОГТ. На рис.5 представлена ошибка определения глубины, обусловленная использованием значений V_RMS (вместо действительных средних скоростей). Скоростной анализ ОГТ был достаточно точным, и ошибки определения глубины не превышают 10%. Однако, при длине расстановки гидрофонов 115м скоростной анализ ОГТ не может точно ограничивать средние скорости ниже глубины 100м. В данном частном случае ошибки определения глубины превышают 10м в этом диапазоне. Как показано выше, такие неопределенности могут внести свой вклад в неоднозначность стратиграфической интерпретации сейсмических разрезов.

Сейсмические исследования в этой скважине имеют решающее значение в том смысле, что они предоставили пределы изменения скорости, ассоциированные с литологическими единицами и единицами геологического времени, а также в определении соотношения между отражениями, наблюдаемыми на сейсмическом разрезе, с диаграммами литологии.

 

Гидрогеологические съемки морены Oak Ridges (плейстоцен), южная часть Онтарио. – Морена Oak Ridges (ORM) представляет собой топографическую возвышенность длиной 150км и шириной до 20км, вытянутую по южной части Онтарио (к северу от метрополии Торонто). Эти проницаемые отложения были сформированы в позднеплейстоценовое время в результате ледниковой деятельности и представляют собой область питания водоносного горизонта. Чтобы понять структуру отложения и подстилающего поверхностного осадочного материала и их роль в определении потенциала водоносности южной части Онтарио, была использована высокоразрешающая сейсмическая съемка. Пример разреза, и его интерпретация в единицах геологической структуры показана на рис.6. ORM, состоящая из алевритов и песков (V_p < 2200м/с), перекрывает переконсолидированные (непроницаемые) моренные глины, называемые моренными глинами Newmarket (V_p > 2200м/с). В свою очередь, глины Newmarket перекрывают более древние проницаемые плейстоценовые отложения (V_p < 2500м/с) и коренные породы (V_p = 3200-4500м/с). Согласно геологической интерпретации на данное время, глины Newmarket были эродированы на некоторых участках действием катастрофических водных потоков под толщей льда, в результате которых возникли туннели (Pugain и др., 1996; Sharpe и др., 1996). Оконтуривание таких туннелей является весьма важным, поскольку они могут указывать участки, где грунтовые воды связывают отложения ORM и более глубокие формации.

Сейсмостратиграфия отложений ледникового происхождения демонстрирует разнообразие стилей и форм, и интерпретация сейсмических разрезов может оказаться сложной вследствие изменчивости выдержанности отражающих поверхностей в латеральном направлении. На рис.6 показан интерпретированный сейсмический разрез на участке под ледником. В условиях отсутствия какой-либо скважинной информации основная структура является вполне очевидной, но информация о скоростях, полученная в результате наземной сейсморазведки, не настолько окончательная, чтобы можно было делать выводы о литологии или геологическом возрасте. Образцы керна дают первые признаки присутствия моренных глин Newmarket и обеспечивают основу для геофизической интерпретации (скорость проходки в переконсолидированной моренной глине явно снижается).

 

На рис.7а показаны литологический разрез, диаграммы ГК и скорости Р-волн по результатам аппроксимации в двухмерном интервале (по пяти точкам). Верхние 110м скважины были отстреляны с применением 24-канальной расстановки гидрофонов с шагом 1м; нижняя часть скважины была отстреляна с применением 12-кнальной расстановки. Зоны высоких скоростей (> 2500м/с) на глубинах 72м и 86-91м представляют моренные глины Newmarket в этой и других скважинах показывают, что диаграмма скорости является наиболее диагностическим признаком моренных глин Newmarket; другие геофизические скважинные методы обычно

демонстрируют незначительную изменчивость между Newmarket и окружающими отложениями (например, ГК на рис.7а).

Набор суммарных скважинных записей на рис.7b отражения, которые действительно ассоциированы с этими скоростными границами. Можно также видеть отложения ниже забоя скважины. Скважинные данные могут быть обработаны с целью получения коридорной суммы, которая представляет собой эквивалент временного разреза в точке скважины. Эта коридорная сумма наложена на разрез МОВ на рис.6 и показывает, что времена отражений и относительные амплитуды хорошо коррелируются с временами и амплитудами, на наблюдаемыми на обработанном разрезе ОГТ, хотя частотный состав скважинных записей смещен в сторону высоких частот сравнительно с суммарным разрезом ОГТ.

Сочетание скважинных геологических данных, данных скоростей Р-волн и коридорного суммирования скважинных записей, приведенное в этом примере, максимизирует достоверность интерпретации в сложной сейсмостратиграфической обстановке и снова демонстрирует, что данные сейсмических исследований в скважине могут выступать в качестве литологического признака.

 

 

Экранирующее влияние газа в голоценовом слое, дельта реки Fraser, Британская Колумбия. – В течение ряда лет на некоторых участках дельты реки Fraser в близи Ванкувера (Британская Колумбия) проводились высокоразрешающие работы методом ОСТ (СМР – common mid point – общая средняя точка) с целью оконтуривания голоценовой осадочной структуры дельты (Pullan и Hunter, 1987; Clague и др., 1991). Одним из ограничивающих факторов в этой работе было присутствие природного газа в полном пространстве водонасыщенных песков и алевритов; это стало причиной различных форм сейсмостратиграфических аномалий: от низкочастотных (которые на поверхности выражались в виде зон отсутствия записи) до высокоамплитудных отражений, пересекающих разрез и способных демонстрировать крайнюю невыдержанность в латеральном направлении. Такие аномалии, связанные с наличием газа, могут создавать кажущиеся структуры внутри слоистых отложений, которые могут быть интерпретированы по-разному (как разломы, диапировые структуры и т.д.).

Для подтверждения роли газа в интерпретации таких аномалий, в близи Ladner в дельте Fraser была пробурена скважина, задачей которой заключалось в идентификации высокоамплитудной, горизонтально залегающей сейсмической отражающей поверхности на относительно малой глубине (рис.8а). В точке бурения голоценовые дельтовые отложения были известны как характеризующие значительной мощностью (> 100м); более глубокие отражающие поверхности не могли быть идентифицированы. Из скважины были отобраны образцы керна; использовались также устройства обора газа и устройства визуального контроля. По завершении бурения скважина была обсажена 2-дюймовой колонной из ПВХ; рыхлые водонасыщенные отложения вокруг колонны оползли под собственным весом. Была проведена съемка с применением 12-канальной расстановки гидрофонов, которая перемещалась вниз по скважине шагами по 1м.

На рис.8 показана часть разреза МОВ, полученного при определенном выносе и проходящего через скважину. На рис.8b представлена кривая скорости Р-волн, ГК и содержание газа. В качестве опорной величины показана скорость волн в воде (1470м/с). Как следует из кривой активности газа, его небольшие количества присутствуют в слоях песка и алеврита ниже отметки 15м. Скорость Р-волн испытывает сильное влияние, хотя оцененные количества газа могут быть менее 0.1% порового пространства (Brandt, 1960). Соответственно, амплитудный и частотный состав отраженных волн внутри зон концентрации газа или ниже них смещается в сторону понижения. Как показывает рис.8а, в результате верхняя часть газосодержащей зоны может быть представлена отраженными волнами с минимальными амплитудами. Влияние понижения частот на данные первых вступлений для расстановки гидрофонов в скважине показано на рис.2b.

В этом примере анализ скоростей, определенных по скважинным данным, подтвердил низкие скорости Р-волн, ассоциированные с газом в поровом пространстве; которые могут привести к появлению ложных структур в голоценовых дельтовых отложениях.