Распространение упругих волн в однородной изотропной среде. Годограф упругой волны

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых

ОТЧЕТ

по учебной геофизической практике

Выполнил: студент 5 курса геолог. Факультета, з/о, гр.511.

Москалев О.Ю.

Проверил: кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Шестаков Э.С.

Саратов 2014

Содержание

Введение

1. Физико-геологические основы метода отраженных волн. Способ общей глубинной точки

1.1 Распространение упругих волн в однородной изотропной среде, Годограф упругой волны

1.2 Явление отражения-преломления; метод отраженных волн

1.3 Способ "общей глубинной точки" (ОГТ)

1.4 Геологические основы сейсморазведки

2. Наблюдение и регистрация сейсмического волнового поля

2.1 Системы наблюдения в методе отраженных волн. Методика многократных перекрытий

2.2 Понятие о сейсморегистрирующем канале

2.3 Источники сейсмических колебаний

3. Обработка материалов способа ОГТ

3.1 Задачи обработки и алгоритм

3.2 Условия приема упругих волн

Заключение

Список использованных источников

Введение

Сейсмическая разведка (сейсморазведка) - это геофизический метод исследования строения Земли и геологической среды, поисков и разведки нефти и газа, а также других полезных ископаемых, основанный на изучении распространения упругих волн, возбужденных искусственно с помощью тех или иных источников: взрывов, ударов и др. Горные породы отличаются по упругим свойствам и поэтому обладают различными скоростями распространения упругих волн. Это приводит к тому, что на границах слоев, где скорости меняются, могут образоваться отраженные, преломленные, рефрагированные, дифрагированные и другие волны, регистрируя которые на земной поверхности, можно получить информацию о скоростном разрезе, а по нему судить о геологическом строении.

Методика сейсморазведки основана на изучении кинематики волн или времени пробега различных волн от пункта их возбуждения до сейсмоприемников, улавливающих скорости смещения почвы, и их динамики или интенсивности волн. В специальных достаточно сложных установках (сейсмостанциях) электрические колебания, созданные в сейсмоприемниках очень слабыми колебаниями почвы, усиливаются и автоматически регистрируются на сейсмограммах и магнитограммах. В результате их интерпретации можно определить глубины залегания сейсмогеологических границ, их падение, простирание, скорости волн, а используя геологические данные, установить геологическую природу выявленных границ.

По решаемым задачам различают глубинную, структурную, нефтегазовую, рудную, инженерную сейсморазведку. По месту проведения сейсморазведка подразделяется на наземную (полевую), акваториальную (морскую), скважинную и подземную, а по частотам колебаний используемых упругих волн можно выделить высокочастотную (частоты свыше 100 гц), среднечастотную (частоты в несколько десятков герц) и низкочастотную (частоты менее 10 гц) сейсморазведку. Чем выше частота упругих волн, тем больше их затухание и меньше глубинность разведки.

Сейсморазведка - очень важный и во многих случаях самый точный (хотя и самый дорогой и трудоемкий) метод геофизической разведки, применяющийся для решения различных геологических задач с глубинностью от нескольких метров (изучение физико-механических свойств пород) до нескольких десятков и даже сотен километров (изучение земной коры и верхней мантии). Однако главное назначение сейсморазведки - поиск и разведка нефти и газа.

Возникла сейсморазведка в 20-х годах этого столетия как раздел сейсмологии - науки о землетрясениях. С 1923 - 1925 гг. сейсморазведка начинает применяться в России для решения различных геологических задач, особенно в нефтяной геологии. В настоящее время свыше трех четвертей геофизических исследований составляют сейсмические.

1. Физико-геологические основы метода отраженных волн. Способ общей глубинной точки

1.1 Распространение упругих волн в однородной изотропной среде, Годограф упругой волны

Годограф - (годос) - путь; (графо) - пишу] - зависимость (функция), связывающая время t распространения упругих волн от одной точки поверхности земли к другой с расстоянием r между этими двумя точками. Годограф является основным материалом как для сейсмического метода разведки, так и для сейсмологии. Функцию можно представлять аналитически в виде определенного уравнения, связывающего t с r. На практике, однако, приходится измерять время t. Годографы представляют тогда графически в прямоугольных координатах, причем за ординату берут t, за абсциссу - r. Функцию Годографа можно связать математически с распределением упругих свойств, точнее говоря, с величинами скоростей упругих волн в толще Земли и в ее верхних слоях.

Этим открывается возможность на основе полученной функции Годографов ставить и разрешать задачи о распределении упругих свойств, а тем самым и физических свойств глубинных пород, определять глубины и форму их залегания и пр. По разности пробега различных волн, полученной на сейсмограмме, можно определить эпицентральное расстояние.

В однородной изотропной среде существует два типа волн; один из типов волн носит название волн сжатия-разрежения (или продольные волны), другой - волн сдвига (или поперечные волны). Относительно этих волн можно сказать, что они характеризуются различными скоростями распространения фронта, а также тем, что в волнах сжатия - разрежения отсутствует вращение частиц, а сдвиговые волны не сопровождаются изменением объема. Далее, если в некоторый момент волновое поле имеет продольный характер, то оно остается продольным всегда, то есть продольные волны в изотропной однородной безграничной среде при своем распространении не генерируют поперечных.

В свою очередь поперечные волны, распространяясь в безграничной среде, не генерируют продольных волн. В однородной среде с границей продольные и поперечные волны распространяются независимо лишь до того момента, пока фронт не пересечет границу. Тогда образуются так называемые отраженные волны обоих типов, так как обычно системе граничных условий нельзя удовлетворить, введя отраженную волну какого-либо одного типа. Характер волны не меняется только в случае перпендикулярного падения волны на поверхность раздела и в случае падения под произвольным углом поперечной волны с параллельными плоскости раздела колебаниями.

1.2 Явление отражения-преломления; метод отраженных волн

Установлено, что различные горные породы характеризуются различными скоростями распространения упругих волн. Параметр скорости определяется упругими константами и плотностью горной породы, а они в свою очередь зависят от минерального состава, пористости, трещиноватости и глубины залегания.

По значению скорости упругой волны геологический разрез разделяется на относительно однородные слои горных пород, на границах которых скорость меняется скачком. Как правило, границы областей с различными физическими свойствами совпадают с геологическими границами, что используется при интерпретации сейсмических данных.

Наличие резких границ раздела между пластами приводит к образованию вторичных волн - отраженных, проходящих и преломленных. Интенсивность вторичных волн зависит от контрастности границы по упругим свойствам. Чем сложнее строение изучаемой геологической среды, тем больше волн образуется на ее границах раздела. Все вместе они образуют вторичное волновое поле - объект измерения в сейсморазведке. Если вторичные волны содержат информацию о целевых геологических границах и успешно регистрируются на поверхности земли или в стволе скважины, то они называются полезными. По типу выделяемых полезных волн в сейсморазведке различают методы отраженных и преломленных волн.

В методе отраженных волн (МОВ) возбужденная взрывом или механическим воздействием сейсмическая волна, распространяясь во все стороны от источника возбуждения, последовательно достигает нескольких отражающих границ в земной коре - поверхностей раздела пород с разными акустическими жесткостями. На каждой из них возникает отраженная волна, которая возвращается к поверхности Земли, где регистрируется приборами. МОВ позволяет изучать геологическое строение на глубинах от 0,1-0,2 до 7-10 км и определять глубины сейсмических границ с точностью до 1-2 %.

МОВ - наиболее эффективный и развитый метод сейсморазведки, применяемый в наибольших объемах при поисках и детальной разведке месторождений нефти, газа и ряда других полезных ископаемых на суше и на море. Предложен в США Р. Фессенденом в 1917 году и Ж. Карчером в 1919 году и, независимо от них, - в СССР в 1923 году В.С. Воюцким и в Великобритании Дж. Ивенсом и У. Уитни - в 1922-м.

МОВ используется в основном для определения глубины и формы залегания границ пластов и выявления структурных и неструктурных ловушек полезных ископаемых, особенно нефти и газа.

Упругие волны в МОВ возбуждают с помощью проведения взрывов в неглубоких скважинах или действием специальных невзрывных источников на поверхности земли. На поверхности земли регистрируются отраженные волны от достаточно протяженных геологических границ, на которых заметно меняется волновое сопротивление (акустическая жесткость) соседних толщ. Таким границам обычно соответствуют литологические и тектонические поверхности разделов геологических сред. После регистрации упругих волн изучают их кинематические (времена прихода, скорости распространения) и динамические (амплитуды, частоты) характеристики. Отраженные волны всегда регистрируются на фоне помех глубинного и поверхностного происхождения. Поэтому для их выделения применяют специальные приемы возбуждения, записи и обработки, использующие различия в кинематических и динамических характеристиках отраженных волн и волн-помех.

Важной принципиальной особенностью МОВ является тот факт, что запись отраженных волн производится на сравнительно небольших удалениях от источников упругих волн, благодаря чему лучевые пучки отраженных волн всегда оказываются довольно узкими: диаметр их сечения редко превышает 2 - 3 км. Это обеспечивает высокую детальность и точность изучения геологической среды, что и определяет ведущую роль МОВ среди других методов сейсморазведки.

Разрешающая способность сейсморазведки МОВ по горизонтали оценивается минимальными горизонтальными размерами неоднородностей, порождающих регулярные отраженные волны. В обычных условиях разрешающая способность по горизонтали соизмерима с радиусом первой зоны Френеля и на глубинах от 1,5 до 3 км составляет, как правило, 0,3 - 0,5 км.

Разрешающая способность по вертикали определяется толщиной отдельного пласта, от кровли и подошвы которого отраженные волны на записях наблюдаются раздельно, что в частотном диапазоне 20 - 100 Гц составляет обычно 15 - 25 м. При использовании некоторых специальных видов обработки возможно выделение пластов минимальной мощностью 8 - 10м.

упругая волна отраженная волна

1.3 Способ "общей глубинной точки" (ОГТ)

Метод (способ) общей глубинной точки (МОГТ) - модификация МОВ, основанная на системе многократных перекрытий и отличающаяся суммированием (накапливанием) отражений от общих участков границы при различных расположениях источников и приемников. Метод ОГТ базируется на допущении о коррелируемости волн, возбужденных удаленными на разное расстояние источниками, но отразившимися от общего участка границы. Неминуемые различия спектров разных источников и погрешности во временах при суммировании требуют понижения спектров полезных сигналов. Основное преимущество метода ОГТ состоит в возможности усиления однократно отраженных волн на фоне многократных и обменных отраженных волн путем уравнивания времен отраженных от общих глубинных точек и их суммирования. Специфические особенности метода ОГТ определяются свойствами направленности при суммировании, избыточностью данных и статистическим эффектом. Они наиболее успешно реализуются при цифровой регистрации и обработке первичных данных.

Рис. 1. Схематическое изображение элемента системы наблюдений и сейсмограммы, полученной методом ОГТ.

А и А’ - оси синфазности отраженной однократной волны соответственно до и после введения кинематической поправки; В и В’ - ось синфазности многократной отраженной волны соответственно до и после введения кинематической поправки.

Рис.1. иллюстрирует принцип суммирования по ОГТ на примере системы пятикратного перекрытия. Источники упругих волн и приемники располагаются на профиле симметрично проекции на нее общей глубинной точки R горизонтальной границы. Сейсмограмма, составленная из пяти записей, полученных в пунктах приема 1, 3, 5, 7, 9 (счет пунктов приема начинается от своего пункта возбуждения) при возбуждении в пунктах V, IV, III, II, I, показана над линией CD. Она образует сейсмограмму ОГТ, а годографы прокоррелированных на ней отраженных волн - годографы ОГТ. На обычно применяемых в методе ОГТ базах наблюдения, не превышающих 3 км, годограф ОГТ однократно отраженной волны с достаточной точностью аппроксимируется гиперболой. При этом минимум гиперболы близок к проекции на линию наблюдения общей глубинной точки. Это свойство годографа ОГТ во многом определяет относительную простоту и эффективность обработки данных.

Для преобразования совокупности сейсмических записей во временной разрез в каждую сейсмограмму ОГТ вводят кинематические поправки, величины которых определяются скоростями сред, покрывающих отражающие границы, т.е. они рассчитываются для однократных отражений. В результате ввода поправок оси синфазностей однократных отражений трансформируются в линии t₀ = const. При этом оси синфазностей регулярных волн-помех (многократных, обменных волн), кинематика которых отличается от введенных кинематических поправок, трансформируются в плавные кривые. После введения кинематических поправок трассы исправленной сейсмограммы одновременно суммируют. При этом однократно отраженные волны складываются в фазе и таким образом подчеркиваются, а регулярные помехи, и среди них в первую очередь многократно отраженные волны, складываемые с фазовыми сдвигами, ослабляются. Зная кинематические особенности волны-помехи, можно заранее рассчитать параметры системы наблюдений методом ОГТ (длину годографа ОГТ, число каналов на сейсмограмме ОГТ, равное кратности прослеживания) при которых обеспечивается требуемое ослабление помехи.

Сейсмограммы ОГТ формируют путем выборки каналов с сейсмограммы от каждого пункта возбуждения (называемых сейсмограммами общего пункта возбуждения - ОПВ) в соответствии с требованиями элемента системы, приведенного на рис.1., где показаны: первая запись пятого пункта возбуждения, третья запись четвертого и т.д. до девятой записи первого пункта возбуждения.

Указанная процедура непрерывных выборок вдоль профиля возможна лишь при многократном перекрытии. Она соответствует наложению временных разрезов, получаемых независимо от каждого пункта возбуждения, и свидетельствует об избыточности информации, реализуемой в методе ОГТ. Эта избыточность является важной особенностью метода и лежит в основе уточнения (коррекции) статических и кинематических поправок.

Скорости, требуемые для уточнения вводимых кинематических поправок, определяют по годографам ОГТ. Для этого сейсмограммы ОГТ с рассчитанными приблизительно кинематическими поправками подвергаются разновременному суммированию с дополнительными нелинейными операциями. По суммолентам ОГТ, помимо определения эффективных скоростей однократно отраженных волн, находят кинематические особенности волн-помех для расчета параметров приемной системы. Наблюдения методом ОГТ проводят вдоль продольных профилей.

Для возбуждения волн применяют взрывные и ударные источники, которые требуют наблюдений с большой (48-96) кратностью перекрытий.

Обработка данных МОГТ на ЭВМ делится на ряд этапов, каждый из которых заканчивается выводом результатов для принятия решения интерпретатором

) предварительная обработка;

) определение оптимальных параметров и построение окончательного временного разреза;

) определение скоростной модели среды;

) построение глубинного разреза.

Системы многократных перекрытий составляют в настоящее время основу полевых наблюдений (сбора данных) в МОВ и определяют развитие метода. Суммирование по ОГТ является одной из главных и эффективных процедур обработки, которые можно реализовать на базе этих систем. Метод ОГТ является основной модификацией МОВ при поисках и разведке нефтяных и газовых месторождений практически во всех сейсмогеологических условиях. Однако результатам суммирования по ОГТ свойственны некоторые ограничения. К ним относятся: а) существенное снижение частоты регистрации; б) ослабление свойства локальности МОВ за счет увеличения объема неоднородного пространства при больших удалениях от источника, характерных для метода ОГТ и необходимых для подавления многократных волн; в) наложение однократных отражений от близких границ вследствие свойственного им сближения осей синфазности при больших удалениях от источника; г) чувствительность к боковым волнам, мешающим прослеживанию целевых субгоризонтальных границ вследствие расположения основного максимума пространственной характеристики направленности суммирования в плоскости, перпендикулярной к базе суммирования (профилю).

Указанные ограничения в целом обусловливают тенденцию снижения разрешающей способности МОВ. Учитывая распространенность метода ОГТ, их следует учитывать в конкретных сейсмогеологических условиях.

1.4 Геологические основы сейсморазведки

Непрерывно ведутся работы по изучению недр Земли, ее поверхности, свойств горных пород, слагающих оболочку нашей планеты. Впечатляют и темпы совершения новых открытий, как в научном, так и в промышленном плане. И именно геофизика в последнее время стала одной из наиболее развивающихся наук, постоянно совершенствующейся и открывающей нам тайны происхождения Земли. Существуют пять основных методов геофизического поиска магниторазведка, гравиразведка, электроразведка, сейсморазведка и радиометрия.

У каждого из них свои принципы и особенности, но все они являются производными одной необъятной науки геофизики. Сейсмическая разведка это один из важнейших видов геофизической разведки, который основан на изучении распространения в земной среде искусственно созданных упругих волн в поле упругих колебаний, которые вызываются

взрывом или ударом, опускаются в глубину земной коры, где происходит преломление или отражение. Волны частично возвращаются на поверхность Земли. Здесь их регистрируют специальные приборы, показания которых позволяют сделать вывод о составе горных пород, через которые прошла волна. С помощью сейсморазведки легко определить угол наклона горных пород, поэтому этот метод широко используется для поисков месторождений нефти и газа.

2. Наблюдение и регистрация сейсмического волнового поля

2.1 Системы наблюдения в методе отраженных волн. Методика многократных перекрытий

Наиболее удобны для производственных работ и обеспечивают максимальную производительность системы, при реализации которых база наблюдений и пункт возбуждения смещаются после каждого взрыва в одном направлении на равные расстояния.

Для прослеживания и определения элементов пространственного залегания крутопадающих границ, а также трассирования тектонических нарушений целесообразно применить сопряженные профили, которые почти параллельны, а расстояние между ними выбирают из расчета обеспечения непрерывной корреляции волн, они составляют 100-1000 м.

При наблюдении на одном профиле ПВ располагают на другом, и наоборот. Такая система наблюдений обеспечивает непрерывную корреляцию волн по сопряженным профилям.

Многократное профилирование по нескольким (от 3 до 9) сопряженным профилям составляет основу способа широкого профиля. Пункт наблюдения при этом располагают на центральном профиле, а возбуждения производят последовательно с пунктов, находящихся на параллельных сопряженных профилях. Кратность прослеживания отражающих границ по каждому из параллельных профилей может быть различной. Общая кратность наблюдений определяется произведением кратности по каждому из сопряженных профилей на их общее число. Увеличение затрат на проведение наблюдений по столь сложным системам оправдывается возможностью получения информации о пространственных особенностях отражающих границ.

На практике применяют более экономичные и технологичные системы, например 16-кратную. Для ее реализации используют 240 каналов записи и 32 пункта возбуждения. После приема колебаний от всех 32 источников блок смещают на шаг δx, вновь повторяют прием от всех 32 источников и т.д. Таким образом, отрабатывают всю полосу вдоль оси x от начала идо конца площади исследований. Следующую полосу из пяти линий приема размещают параллельно предыдущей таким образом, чтобы расстояние между соседними (ближайшими) линиями приема первой и второй полос равнялось расстоянию между линиями приема в блоке. В этом случае линии источников первой и второй полос перекрываются на половину базы возбуждения и т.д. Таким образом, в данном варианте системы линии приема не дублируются, а в каждой точке источника сигналы возбуждаются дважды.

Система наблюдений, т.е. размещение пунктов возбуждения и регистрации упругих волн, в методе отраженных волн должны быть такими, чтобы прослеживать отражающие границы непрерывно по изучаемому профилю (сейсмическое профилирование) или кусочно-непрерывно (сейсмическое зондирование).

1. Простые системы наблюдений. Системы непрерывного профилирования в МОВ бывают следующими: простое профилирование, профилирование через интервал, двойное профилирование и ряд других. При простом профилировании (рис.2.) сейсмоприемники устанавливаются в пределах взрывного интервала (расстояние между соседними пунктами на профиле наблюдений) в обе стороны от пункта взрыва (возбуждения) (ПВ). Например, при взрыве в точке О₃ наблюдения проводятся на участках О₂О₃ и О₃О₄. Иногда используется профилирование через интервал, когда из-за поверхностных волн вблизи ПВ отраженные волны выявить трудно. В этом случае, например, при взрыве в точке О₃ наблюдения проводятся на участке О₁О₂ и О₄О₅ (рис.2.). Двойное непрерывное профилирование применяется в сложных геологических условиях. При этом с каждого пункта взрыва наблюдения выполняются в пределах двух взрывных интервалов в обе стороны от ПВ (например, при взрыве в точке О₃ наблюдения проводятся на участках О₁О₃ и О₃О₅). При сейсмических профилированиях работы, как правило, выполняются по системам параллельных профилей, направленных вкрест предполагаемого простирания структур и вдоль них. При сейсмозондированиях наблюдения проводятся при 2 - 6 ПВ, расположенных либо по одному профилю, либо по двум перпендикулярным (крестовое зондирование), что позволяет оценить пространственное положение отражающего слоя. Как при сейсмических профилированиях, при сейсмических зондированиях работы проводятся по системам продольных (пункт взрыва и сейсмоприемники расположены по одной линии) или непродольных профилей (пункт взрыва находится в стороне от сейсмоприемников).

Рис. 2. Система наблюдений в методе отраженных волн: а - простое профилирование, б - профилирование через интервал, в - двойное непрерывное профилирование, Г₁, Г₂ - годографы отраженных волн

Взрывные интервалы в МОВ выбирают сравнимыми с глубинами до изучаемых отражающих границ и постоянными по длине для данного района исследований. Вдалеке от пункта взрыва отраженные волны выявить трудно, так как они приходят в области последующих вступлений вслед за преломленными волнами. Вблизи же пункта взрыва преломленные волны отсутствуют, и отраженные волны легче выделить на фоне других волн.

Расстояния между сейсмоприемниками должны быть такими, чтобы распознать отраженные волны и построить годографы. Обычно они меняются от 1 до 10 м при изучении верхней части разреза и 10 - 100 м при разведке глубин в несколько километров.

2. Система наблюдений в методе общей глубинной точки. Разновидностью МОВ является метод общей глубинной точки (МОГТ или ОГТ), в котором осуществляется накопление отраженных от одной границы сигналов. Отраженные волны изучаются либо в точках профиля при симметричном разносе пунктов возбуждения и приема (центральная расстановка), либо пункты возбуждения располагаются на концах профиля с приемниками (фланговая расстановка). Число таких разносов называется кратностью перекрытий и достигает 10 и больше. В результате по годографу ОГТ (гипербола) удается выделить отражения от границы на фоне регулярных волн-помех.

3. Интерференционные системы наблюдений. В сложных сейсмогеологических условиях (наличие зон выклинивания, нерезкие границы раздела, множество волн, особенности таких волн-помех, как кратные, обменные, поверхностные и др.) выделение полезных однократных отраженных волн представляет трудную методическую и техническую задачу. Наиболее трудно отделить однократные отраженные волны от многократных, образующихся на "сильных" отражающих границах, на которых может отражаться свыше четверти энергии. На рис.3, а, б показаны многократные (полнократные и неполнократные) отраженные волны.

А                         б

Рис.3. Схема образования полнократных (а) и неполнократных (б) отраженных волн

В определенных сейсмогеологических условиях на некоторых границах образуются обменные отраженные и преломленные волны. Хотя обменные и поперечные волны несут дополнительную информацию о среде (что позволяет выделить самостоятельные методы обменных и поперечных волн), они затрудняют выделение однократных отраженных продольных волн, наиболее часто используемых в МОВ. Для выделения однократных отраженных продольных волн из множества других используются различные интерференционные системы. Они включают аппаратурные, методические и интерпретационные приемы, которые обеспечивают направленный прием волн, идущих в каком-то направлении.

С помощью интерференционных систем осуществляется сложение упругих колебаний либо в одном, либо в нескольких сейсмических каналах. Иногда в записи вводятся дополнительные сдвиги сигналов во времени. В результате такого сложения (интерференции) на выходе получается запись колебаний, на которой подчеркиваются или выделяются нужные отраженные волны. Это оказывается возможным благодаря тому, что упругие волны приходят с разных направлений (разные углы выхода сейсмической радиации), с разными кажущимися скоростями, частотами и амплитудами колебаний.

Существуют различные интерференционные системы. Наиболее простой интерференционной системой является группирование сейсмоприемников или источников возбуждения. При группировании сейсмоприемников ряд сейсмоприемников устанавливается вдоль, вкрест профиля или равномерно по площади, подключается к одному усилителю, и в результате регистрируется один суммарный сигнал. Выбор количества сейсмоприемников в каждом канале, системы их расстановки, расстояний между ними (в пределах 20 - 100 м) производятся опытным путем в целях наилучшего выделения определенной волны. При группировании подчеркиваются волны, подошедшие одновременно ко всем сейсмоприемникам группы снизу, а волны, пришедшие с других направлений, ослабляются.

При группировании взрывов возбуждение производится одновременно (или с определенным запаздыванием) в нескольких точках. Это обеспечивает создание плоского фронта у падающей волны, что упрощает запись отраженных волн. Одной из интерференционных систем является регулируемый направленный прием, разработка и внедрение которого привели к созданию одного из вариантов МОВ - метода регулируемого направленного приема (МРНП или РНП).

Сущность МРНП сводится к направленному приему упругих колебаний благодаря введению в записи искусственных временных сдвигов (или разновременного суммирования колебаний). При суммировании сигналов соседних трасс сейсмограммы со сдвигами во времени удается расчленить сложную интерференционную картину, наблюдаемую на обычной сейсмограмме, на более простую. Меняя время сдвига, можно среди многих волн выделить отраженную (или дифрагированную) волну, пришедшую под определенным углом к поверхности наблюдений.

Детальная сейсморазведка выявленных месторождений нефти и газа проводится с помощью площадной интерференционной системы наблюдений для последующей трехмерной (3Д) интерпретации. Она сводится к расстановке по квадратной сетке до 1000 сейсмоприемников. Из разных ПВ на этой площади проводится возбуждение сигналов, т.е. ведется как бы "подсветка" подземных структур с разных сторон. В результате получается голографическая объемная съемка недр.

2.2 Понятие о сейсморегистрирующем канале

Сейсмическая разведка является сложной динамической системой, в которой происходят процессы преобразования энергии и информации. Целенаправленную последовательность этих процессов можно рассматривать как сейсморазведочный канал, преобразующий воздействие источника упругих колебаний в сейсморазведочную информацию. Сейсмологический канал состоит из трех последовательно действующих систем. Первая и основная из них сейсмогеологическая среда геологическая среда, представляющая собой некую среду, в которой формируются упругие колебания. Поле в некоторой точке среды это результат прохождения импульса через некоторый ограниченный объем пространства сейсмогеологический канал. Целью здесь является извлечение информации, которую несет среда, из объема рассматриваемого пространства. Следующая система сейсморегистрирующий канал.

Он включает в себя сейсморазведочную технику и методику, т.е. инструмент исследования. На выходе сейсморегистрирующего канала получаются сейсмические записи сейсмограммы, служащие входной информацией для третьей системы сейсмообрабатывающего канала. Здесь сейсмограммы преобразуются в результативный материал сейсмический разрез. Теория сейсмогеологического канала основана на анализе связей между параметрами сейсмологической среды и характеристиками, возникающего в ней поля упругих колебаний.

2.3 Источники сейсмических колебаний

При проведении сейсморазведочных работ наиболее широко используется возбуждение упругих волн с помощью взрывов зарядов твердых взрывчатых веществ (ВВ). Заряды взрываются специальными сейсмическими электрическими детонаторами (ЭДС). Они устроены так, что электрическая цепь мостика накаливания разрывается не за счет посылки в него тока и перегорания нити накаливания, а за счет взрыва заряда взрывчатого вещества. Момент разрыва электрической цепи в детонаторе передается по проводам или по радио на сейсмическую станцию, регистрируется на ней и принимается за момент возбуждения упругой волны. Отметка момента взрыва осуществляется и считывается с записи с погрешностью 0,001с.

Наиболее широкое распространение при проведении работ методом отраженных волн на суше получил способ возбуждения упругих волн с помощью взрыва заряда ВВ, погруженного в специально пробуренную взрывную скважину. Глубина погружения зарядов в скважину изменяется от первых десятков до 100 метров и больше. Глубина погружения заряда зависит от характера строения верхней части разреза. Экспериментально установлено, что заряд желательно помещать ниже подошвы ЗМС и уровня грунтовых вод в слои, сложенные влажными пластичными глинами. Чем меньше мощность ЗМС и чем ближе к земной поверхности залегают грунтовые воды, тем меньше глубина погружения заряда.

Когда мощность ЗМС большая и грунтовые воды залегают глубоко, взрывные скважины приходится бурить на глубину в несколько десятков, а иногда и глубже 100 м. Наиболее глубокие скважины приходится бурить при производстве работ в межгорных и предгорных впадинах, в пределах которых бывают часто развиты сухие песчано-галечниковые отложения с большой глубиной залегания грунтовых вод.

Для повышения доли энергии взрыва, идущей на образование упругой волны, ствол взрывной скважины после погружения в него заряда ВВ заливают водой или глинистым раствором, осуществляя тем самым водную его закупорку. При размещении заряда в оптимальных условиях после взрыва не образуется мощной поверхностной волны и создаются более благоприятные условия для выделения и прослеживания отраженных волн на земной поверхности. После выброса газообразными продуктами взрыва столба жидкости у устья взрывной скважины возникает не особенно интенсивная звуковая волна. Но одновременно создается фон помех после падения на земную поверхность выброшенной из скважины жидкости и мелких раздробленных взрывом кусков горной породы.

Частотный состав колебаний, возбуждаемых при взрыве, зависит от литологического состава и физического состояния пород в очаге взрыва. Преобладающая частота возбуждаемых в очаге колебаний зависит от массы заряда ВВ, убывая с его увеличением обратно пропорционально кубическому корню из массы заряда. Но при наблюдениях вдали от источника эта зависимость почти незаметна.

Амплитуда регистрируемых колебаний также связана с массой заряда. При малых зарядах эта зависимость проявляется резче, а при больших - слабее. При больших зарядах увеличение их массы становится малоэффективным. В этих случаях для повышения интенсивности записи используют группирование взрывов. При групповом взрыве нескольких мелких зарядов удается получить более интенсивную запись упругих волн, чем при взрыве одиночного заряда с такой же массой. Но для этого нужно обеспечить строго одновременный подрыв группы зарядов.

При однородном группировании, когда все одиночные заряды, входящие в группу, имеют одинаковую массу, относительный уровень случайных помех, возбуждаемых групповым взрывом, уменьшается в √n большая раз (n - число зарядов в группе) по сравнению с их уровнем (по отношению к регулярным волнам) при взрыве одиночного заряда с массой, равной суммарной массе зарядов в группе. Это действие группы называют статистическим эффектом. При групповом взрыве наблюдается также значительное повышение уровня полезного сигнала по отношению к случайным помехам, не зависящим от взрыва.

Группирование взрывов при соответствующем выборе расстояний между источниками в группе и их размещения может быть использовано для ослабления (подавления) регулярных помех типа прямых и поверхностных волн. Для получения указанных эффектов заряды в группах необходимо размещать на расстоянии нескольких метров друг от друга, чтобы образующиеся при взрывах зоны разрушений и остаточных деформации не соприкасались одна с другой.

Необходимо заметить, что увеличение числа зарядов в группе приводит к увеличению объема буровых работ и замедлению процесса производства сейсмических исследований. Иногда при группировании взрывов для уменьшения объема буровых работ уменьшают глубину скважин. Тем не менее, группирование взрывов всегда вызывает удорожание работ. Поэтому его следует применять лишь тогда, когда другие способы и приемы улучшения качества записей прихода упругих волн оказываются неэффективными.

3. Обработка материалов способа ОГТ

3.1 Задачи обработки и алгоритм

Получаемые в процессе полевых работ сейсмограммы содержат значительную долю нежелательных волн-помех и мешающих колебаний, а полезные волны неудобны для интерпретации. Поэтому первичные сейсмограммы обрабатываются с использованием самой современной компьютерной техники. В результате выполнения процедур обработки сейсмограммы преобразуются во временной или глубинный разрез - материал для геологического толкования. По известным признакам на полученных разрезах выделяются аномальные участки, с которыми связываются скопления полезных ископаемых.

Анализ алгоритмов обработки данных метода ОГТ определяет основные требования к аппаратуре. Обработка, предусматривающая выборку каналов (формирование сейсмограмм ОГТ), АРУ, введение статических и кинематических поправок, может выполняться на специализированных аналоговых машинах. При обработке, включающей операции определения оптимальных статических и кинематических поправок, нормирование записи (линейное АРУ), различные модификации фильтрации с вычислением параметров фильтров по исходной записи, построение скоростной модели среды и преобразование временного разреза в глубинный, аппаратура должна обладать широкими возможностями, обеспечивающими систематическую перенастройку алгоритмов. Сложность перечисленных алгоритмов и что особенно важно, их непрерывное видоизменение в зависимости от сейсмогеологической характеристики исследуемого объекта обусловили выбор универсальных электронно-вычислительных машин в качестве наиболее эффективного инструмента для обработки данных метода ОГТ.

Обработка данных метода ОГТ на ЭВМ позволяет оперативно реализовать полный комплекс алгоритмов, оптимизирующих процесс выделения полезных волн и их преобразование в разрез. Широкие возможности ЭВМ в значительной степени определили применение цифровой регистрации сейсмических данных непосредственно в процессе проведения полевых работ.

Вместе с тем в настоящее время значительная часть сейсмической информации регистрируется аналоговыми сейсмическими станциями. Сложность сейсмогеологических условий и связанный с ними характер записи, а также тип аппаратуры, используемый для регистрации данных в поле, определяют процесс обработки и тип обрабатывающей аппаратуры. В случае аналоговой регистрации обработка может выполняться на аналоговых и цифровых машинах, при цифровой регистрации - на цифровых машинах.

Система для цифровой обработки включает универсальную ЭВМ и ряд специализированных внешних устройств. Последние предназначены для ввода - вывода сейсмической информации, выполнения отдельных непрерывно повторяющихся вычислительных операций (свертка, интеграл Фурье) со скоростью, существенно превышающей скорость основного вычислителя, специализированных графопостроителей и просмотровых устройств. В ряде случаев весь процесс обработки реализуется двумя системами, использующими в качестве основных вычислителей ЭВМ среднего класса (препроцессор) и ЭВМ высокого класса (основной процессор). Система, базирующаяся на ЭВМ среднего класса, применяется для ввода полевой информации, преобразования форматов, записи и ее размещения в стандартной форме на накопителе магнитной ленты (НМЛ) ЭВМ, воспроизведения всей информации с целью контроля полевой записи и качества ввода и ряда стандартных алгоритмических операций, обязательных для обработки в любых сейсмогеологических условиях. В результате обработки данных на выходе препроцессора в двоичном коде в формате основного процессора могут быть записаны исходные сейсмические колебания в последовательности каналов сейсмограммы ОПВ и сейсмограммы ОГТ, сейсмические колебания, исправленные за величину априорных статических и кинематических поправок. Воспроизведение трансформированной записи помимо анализа результатов ввода позволяют выбрать алгоритмы последующей обработки, реализуемой на основном процессоре, а также определить некоторые параметры обработки (полосу пропускания фильтров, режим АРУ и т.д.). Основной процессор, при наличии препроцессора, предназначен для выполнения главных алгоритмических операций (определение скорректированных статических и кинематических поправок, вычисление эффективных и пластовых скоростей, фильтрация в различных модификациях, преобразование временного разреза в глубинный). Поэтому в качестве основного процессора используются ЭВМ с большим быстродействием (10⁶ операций в 1 с), оперативной (32-64 тыс. слов) и промежуточной (диски емкостью 10⁷ - 10⁸ слов) памятью. Использование препроцессора позволяет повысить рентабельность обработки за счет выполнения ряда стандартных операций на ЭВМ, стоимость эксплуатации которой существенно ниже.

При обработке на ЭВМ аналоговой сейсмической информации обрабатывающая система оснащается специализированной аппаратурой ввода, главным элементом которой является блок преобразования непрерывной записи в двоичный код. Дальнейшая обработка полученной таким образом цифровой записи полностью эквивалентна обработке данных цифровой регистрации в поле. Использование для регистрации цифровых станций, формат записи которых совпадает с форматом НМЛ ЭВМ, исключает необходимость в специализированном вводном устройстве. Фактически процесс ввода данных сводится к установке полевой магнитофонной ленты на НМЛ ЭВМ. В противном случае ЭВМ оснащается буферным магнитофоном с форматом, эквивалентным формату цифровой сейсмостанции.

Специализированные устройства цифрового обрабатывающего комплекса.

Прежде чем переходить к непосредственному описанию внешних устройств, рассмотрим вопросы размещения сейсмической информации на лепте ЭВМ (магнитофона цифровой станции). В процессе преобразования непрерывного сигнала амплитудам отсчетных значений, взятых через постоянный интервал δt, приписывается двоичный код, определяющий ее численную величину и знак. Очевидно, что число отсчетных значений c на данной t трассе с длительностью полезной записи t равно с = t/δt+1, а общее число с' отсчетных значений на m-канальной сейсмограмме с' = сm. В частности, при t = 5 с, δt = 0,002 с и m == 24, с = 2501, а с' = 60024 чисел, записанных в двоичном коде.

В практике цифровой обработки каждое числовое значение, являющееся эквивалентом данной амплитуды, принято именовать сейсмическим словом. Число двоичных разрядов сейсмического слова, называемое его длиной, определяется числом разрядов преобразователя аналог - код цифровой сейсмостанции (устройства ввода при кодировании аналоговой магнитной записи). Фиксированное число двоичных разрядов, которым оперирует цифровая машина, выполняя арифметические действия, принято именовать машинным словом. Длина машинного слова определяется конструкцией ЭВМ и может совпадать с длиной сейсмического слова либо превышать его. В последнем случае при вводе в ЭВМ сейсмической информации в каждую ячейку памяти, емкостью в одно машинное слово, заносится несколько сейсмических слов. Такая операция именуется упаковкой. Порядок размещения информации (сейсмических слов) на магнитной ленте накопителя ЭВМ либо магнитной ленте цифровой станции определяется их конструкцией и требованиями алгоритмов обработки.

Непосредственно процессу записи цифровой информации на ленту магнитофона ЭВМ предшествует этап ее разметки на зоны. Под зоной понимается определенный участок ленты, рассчитанный на последующую запись k слов, где k = 2, а степень n = О, 1, 2, 3., причем 2 не должно превышать емкость оперативной памяти. При разметке на дорожках магнитной ленты записывается код, обозначающий номер зоны, а последовательность тактовых импульсов отделяет каждое слово.

В процессе записи полезной информации каждое сейсмическое слово (двоичный код отсчетного значения) регистрируется на отделяемый серией тактовых импульсов участок магнитной ленты в пределах данной зоны. В зависимости от конструкции магнитофонов применяется запись параллельным кодом, параллельно-последовательным и последовательным кодом. При параллельном коде число, являющееся эквивалентом данной отсчетной амплитуды, записывается в строке, поперек магнитной ленты. Для этого используется многодорожечный блок магнитных головок, число которых равно числу разрядов в слове. Запись параллельно-последовательным кодом предусматривает размещение всей информации о данном слове в пределах нескольких строк, располагаемых последовательно одна за другой. Наконец, при последовательном коде информация о данном слове записывается одной магнитной головкой вдоль магнитной ленты.

Количество машинных слов K₀ в пределах зоны магнитофона ЭВМ, предназначенной для размещения сейсмической информации, определяется временем t полезной записи на данной трассе, шагом квантования δt и количеством сейсмических слов r, пакуемых в одно машинное слово.

Таким образом, первый этап обработки на ЭВМ сейсмической информации, зарегистрированной цифровой станцией к мультиплексной форме, предусматривает ее демультиплексирование, т.е. выборку отсчетных значений, соответствующую их последовательному размещению на данной трассе сейсмограммы вдоль оси t и их запись в зону НМЛ, номер которой программно приписан данному каналу. Ввод аналоговой сейсмической информации в ЭВМ в зависимости от конструкции специализированного вводного устройства может выполняться как поканально, так и в мультиплексном режиме. В последнем случае машина по заданной программе выполняет демультиплексирование и запись информации в последовательности отсчетных значений на данной трассе в соответствующую зону НМЛ.

3.2 Условия приема упругих волн

При импульсном возбуждении всегда стремятся создать в источнике резкий и короткий по времени импульс, достаточный для образования интенсивных волн, отраженных от исследуемых горизонтов. Сильными средствами воздействия на форму и длительность этих импульсов во взрывных и ударных источниках мы не располагаем. Не располагаем мы также высокоэффективными средствами воздействия на отражающие, преломляющие и поглощающие свойства горных пород. Однако сейсморазведка располагает целым арсеналом методических приемов и технических средств, позволяющих в процессе возбуждения и особенно регистрации упругих волн, а также в процессе обработки полученных записей наиболее ярко выделить полезные волны и подавить мешающие их выделению волны-помехи. С этой целью используются различия в направлении прихода волн разного типа к земном поверхности, в направлении смещения частиц среды за фронтами приходящих волн, в частотных спектрах упругих волн, в формах их годографов и т.п.

Упругие волны регистрируются комплектом достаточно сложеной аппаратуры, монтируемой в специальных кузовах, устанавливаемых на высоко проходимых транспортных средствах - сейсмических станциях.

Комплект приборов, регистрирующих колебания почвы, вызванные приходом упругих волн в той или иной точке земной поверхности, называют сейсморегистрирующим (сейсмическим) каналом. В зависимости от числа точек земной поверхности, в которых одновременно регистрируется приход упругих волн, различают 24-, 48-канальные и более сейсмостанции.

Начальным звеном сейсморегистрирующего канала является сейсмоприемник, воспринимающий колебания почвы, обусловленные приходом упругих волн и преобразующий их в электрические напряжения. Так как колебания почвы очень малы, электрические напряжения, возникающие на выходе сейсмоприемника, перед регистрацией усиливаются. С помощью пар проводов напряжения с выхода сейсмоприемников подаются на вход усилителей, смонтированных в сейсмостанции. Для соединения сейсмоприемников с усилителями используется специальный многожильный сейсмический кабель, который обычно называют сейсмической косой.

Сейсмический усилитель представляет собой электронную схему, усиливающую подаваемые на его вход напряжения в десятки тысяч раз. Он может с помощью специальных схем полуавтоматических либо автоматических регуляторов усиления или амплитуд (ПРУ, ПРА, АРУ, АРА) усиливать сигналы. Усилители включают специальные схемы (фильтры), позволяющие необходимые частотные составляющие сигналов усиливать максимально, а другие - минимально, т.е. осуществлять их частотную фильтрацию.

Напряжения с выхода усилителя поступают на регистратор. Используется несколько способов регистрации сейсмических волн. Ранее наиболее широко использовался оптический способ регистрации волн на фотобумаге. В настоящее время упругие волны регистрируются на магнитной пленке. В том и другом способе перед началом регистрации фотобумага либо магнитная пленка приводятся в движение с помощью лентопротяжных механизмов. При оптическом способе регистрации напряжение с выхода усилителя подается на зеркальный гальванометр, а при магнитном способе - на магнитную головку. Когда на фотобумаге или на магнитной пленке производится непрерывная запись, волнового процесса способ записи называют аналоговым. В настоящее время наибольшее применение получает дискретный (прерывистый) способ записи, который обычно называют цифровым. В этом способе в двоичном цифровом коде регистрируются мгновенные значения амплитуд напряжений на выходе усилителя, через равные интервалы времени ∆t изменяющиеся от 0,001 до 0,004с. Такая операция носит название квантования по времени, а принятую при этом величину ∆t называют шагом квантования. Дискретная цифровая регистрация в двоичном коде дает возможность использовать для обработки сейсмических материалов универсальные ЭВМ. Аналоговые записи могут быть обработаны на ЭВМ после их преобразования в дискретную цифровую форму.

Запись колебаний почвы в одной точке земной поверхности обычно называют сейсмической трассой или дорожкой. Совокупность сейсмических трасс, полученных в ряде смежных точек земной поверхности (либо скважины) на фотобумаге, в наглядной аналоговой форме составляет сейсмограмму, а на магнитной пленке - магнитограмму. В процессе записи на сейсмограммах и магнитограммах наносятся марки времени через 0,01с, и отмечается момент возбуждения упругих волн.

Любая сейсморегистрирующая аппаратура вносит некоторые искажения в записываемый колебательный процесс. Для выделения и отождествления однотипных волн на соседних трассах необходимо, чтобы вносимые в них искажения на всех трассах были одинаковыми. Для этого все элементы регистрирующих каналов должны быть идентичны друг другу, а вносимые ими искажения в колебательный процесс - минимальными.

Магнитные сейсмические станции снабжаются аппаратурой, позволяющей воспроизвести запись в форме, пригодной для ее визуального рассмотрения. Это необходимо для визуального контроля за качеством записи. Воспроизведение магнитограмм производится на фото, обычную либо электростатическую бумагу с помощью осциллографа, перописца либо матричного регистратора.

Кроме описанных узлов сейсмостанции снабжаются источниками питания, проводной или радиосвязью с пунктами возбуждения, различными контрольными панелями. В цифровых станциях имеются преобразователи аналог-код и код-аналог для преобразования аналоговой записи в цифровую и наоборот и управляющие их работой схемы (логика). Для работы с вибраторами станция имеет коррелятор. Кузова цифровых станций делаются пыленепроницаемыми и снабжаются оборудованием для кондиционирования воздуха, что особенно важно для качественной работы магнитных станций.

Заключение

Внедрение метода ОГТ привело к существенному повышению геологической эффективности сейсморазведки во многих нефтегазоносных районах страны. Позволило приступить к изучению сложнопостроенных областей в глубинных этажах разреза, в том числе структур приразломного типа в Нижнем Поволжье и на акватории Черного моря, зон стратиграфического и литологического выклинивания пород в Западном Предкавказье и в южной части Западно-Сибирской платформы.

При проведении полевых работ МОГТ с целью повышения эффективности получил применение ряд методических усовершенствований, основными из которых считаются: способы формирования короткого импульса с целью повышения разрешающей способности метода - системы с большими удалениями с целью лучшего ослабления кратных волн; регистрация колебаний в области низких частот с целью картирования фундамента и подсолевых горизонтов, с которыми связаны низкочастотные отраженные волны; опробование новых источников; системы с кратностью в зонах интенсивных помех с целью их ослабления. Однако следует отметить, что объемы и уровень этих работ совершенно недостаточны.

При обработке материалов ОГТ, осуществляемой на аналоговых и цифровых машинах примерно в равных объемах, используются усовершенствования и дополнительные блоки, что позволяет повысить эффективность и производительность использования машин. Совершенствуются способы оптической обработки, которые применяются на разных этапах комплексной машиной обработки и дают возможность оперативно анализировать исходную сейсмическую информацию или данные обработки, а также улучшать прослеживаемость полезных волн в стадии интерпретации результатов суммирования по системам ОГТ.

Список использованных источников

1. Рыскин М.И. Полевая геофизика для геологов. Учебное пособие, 2010 г.

. Бондарев В.И. "Сейсморазведка" Екатеринбург. ООО"ИРА УТК"2007 г.

. Сейсморазведка: справочник геофизика. В двух книгах / под ред. Номоконова В.П. - М., "Недра”, 1990.

. Гурвич И. И,. Номоконов В.П. Сейсморазведка. - М., "Недра”, 1981