Конкурс. Бесплатная публикация

Особенности сейсморазведки как метода геофизических исследований

"Научный аспект №5-2024" - Геология

УДК 55

Валиуллин Альберт Рамилевич – магистр института геологии и нефтегазовых технологий Казанского (Приволжского) федерального университета.

Аннотация: В данной статье рассматриваются методы сейсморазведки с особым акцентом на использование отражательной сейсмологии для исследования подземных структур и более детально описан сам процесс происхождения сейсмических волн и отражающих горизонтов. Так же описано развитие технологий, благодаря которым мы имеем современную сейсморазведку как одно из наиболее перспективных направлений современной геофизики. В статье автором рассматривается отражательная сейсмология. Кроме того, описаны три процедуры анализа к сейсмическим данным: деконволюция, миграция и скоростной анализ.

Ключевые слова: сейсморазведка; отражательная сейсмология; деконволюция, миграция, геофизические исследования.

Методы сейсморазведки уже давно используются в геофизических исследованиях для изучения структуры недр и свойств геологических формаций. Сейсмические методы предоставляют ключевую информацию о недрах для структурных геологов и стали высокоэффективными при визуализации даже сложных геологических условий. Среди сейсмических методов отражательная сейсмология, которая произвела революцию в наших представлениях о недрах Земли, безусловно, является основным инструментом получения сейсмических изображений и основным методом, используемым в энергетике: первоначально она была разработана в 1920-х годах для нефтяной промышленности. На протяжении многих лет этот метод постоянно совершенствовался в области сбора данных, усиления сигнала и геологической интерпретации, что привело к значительным достижениям.

Первоначально технология отражения включала в себя взрыв динамитного заряда в земле и регистрацию сейсмических волн, отраженных от поверхности раздела недр, с использованием линейной системы сейсмоприемников, состоящей из нескольких десятков устройств. Первоначально сейсмограммы хранились на фотобумаге. В регионах, где условия были благоприятными, геофизики могли отслеживать одну и ту же фазу отражения на большом расстоянии, превышающем то, которое охватывал приемник для одной записи. В таких случаях они совмещали записи, расположенные рядом друг с другом, для анализа поверхности. Однако во многих регионах, особенно под водой, шум, создаваемый источником (например, реверберации и множественные отражения), преобладал над первичными отражениями, что затрудняло визуальную идентификацию. Чтобы решить проблему устранения шума, создаваемого источником, крупнейшие нефтяные и геофизические компании разрабатывали методы цифровой обработки. Это была первая в истории попытка перевести отрасль с аналогового на цифровой уровень, и геофизическая разведка была первопроходцем такой трансформации. Термин был введен геофизиками «цифровая революция», чтобы описать этот сдвиг [3, c. 32]. Прогресс был настолько стремительным, что к концу 1950-х годов метод сейсмического отражения стал основной геофизической методологией нефтяной промышленности, позволяющей получать подробные изображения осадочных бассейнов и разломов. Развитие трехмерных (3D) методов в конце 1970-х годов позволило устранить неоднозначности интерпретации, присущие интерполяции между сейсмическими профилями, и обеспечило значительное снижение уровня шума. Ранние 3D-исследования выявили так много структурных и стратиграфических деталей, что этот метод начал очень быстро развиваться.

Среди всех геофизических методов, доступных на сегодняшний день, отражательная сейсмология, безусловно, обеспечивает наивысшее разрешение, что делает ее ценным инструментом для широкого спектра применений. Однако обработка данных отражательной сейсморазведки требует больших вычислительных затрат. Высокие затраты, связанные с получением и обработкой данных сейсморазведки, особенно для получения 3D-изображений, традиционно ограничивали их применение в нефтяной промышленности. Тем не менее, достижения в области микроэлектроники в начале 1980-х годов позволили разработать экономически эффективные сейсмографы и микрокомпьютеры, открыв новые возможности для отражательной сейсмологии в целом ряде областей, от глубоких исследований земной коры до исследований объектов гражданского строительства. В результате этот метод в настоящее время успешно используется в различных областях, включая глубинную разведку земной коры, оценку ресурсов подземных вод и исследования объектов гражданского строительства [4, c. 16].

Интерпретация данных сейсмического отражения является фундаментальным шагом для определения подземных характеристик осадочных бассейнов с точки зрения стратиграфии и структур. Трехмерные (3D) сейсмические данные предоставляют специалистам по структурной геологии возможность исследовать структурные стили по всему изучаемому объему и детально отображать структуры, способствуя разработке гипотез о факторах, управляющих ими. Недавнее использование методов сейсморазведки высокого разрешения для определения характеристик приповерхностных активных разломов очень интересно, поскольку идентификация и характеристика активных разломов имеют решающее значение для изучения региональной сейсмической опасности. Для проведения вероятностного анализа сейсмической опасности важно разработать модели сейсмических источников, выявив сейсмогенные разломы и основные землетрясения, связанные с ними. Эти задачи имеют решающее значение и выполняются с использованием геологических, исторических, сейсмологических и других геофизических данных. Модели сейсмических источников используются для определения характерных магнитуд и частот землетрясений для каждого сейсмогенного источника. Однако исторические и инструментальные данные о сейсмической активности могут не давать полной картины цикла землетрясений, поскольку во многих районах эти данные, как правило, намного короче, чем время повторения самых крупных землетрясений. Чтобы устранить это ограничение, интеграция методов геофизической визуализации с очень высоким разрешением и палеосейсмологических методов стала важнейшим инструментом в выявлении крупных сейсмогенных разломов, которые разрушили несколько верхних метров поверхности земли.

Отражательная сейсмология – это геофизический метод исследования недр в различных масштабах (от метрического до земной коры), позволяющий с высокой степенью детализации восстановить характеристики и геометрию горных пород, залегающих под земной поверхностью. Как правило, он основан на анализе реакции подповерхностных слоев на сейсмическое возмущение, генерируемое на поверхности земли импульсным или вибрационным источником. Первоначально он был разработан для осадочных бассейнов, но в настоящее время применяется во многих других средах, от вулканических районов до интрузивных областей [2, c. 52]. Принципы отражательной сейсмологии очень похожи на принципы гидролокации и радара: искусственный сейсмический источник выделяет энергию на поверхности; энергия распространяется внутри земли в виде сейсмических волн, которые отражаются обратно к поверхности земли при обнаружении неоднородностей. Для получения сейсмического изображения данные интенсивно обрабатываются, причем интенсивность обработки зависит, главным образом, от приповерхностных условий под исследуемым участком, от сложности структур, которые необходимо отобразить, и, наконец, от отношения сигнал/шум полученных данных. В континентальных условиях на сейсмические данные, как правило, влияет повышенный уровень шума, который частично вызван окружающей средой, но также связан с приповерхностными неоднородностями. Например, в зонах разломов очень выраженные поперечные вариации сейсмической скорости противоречат предположениям о горизонтально стратифицированной земле и постоянной скорости, подразумеваемым методом. Точно так же сейсморазведка в вулканической среде сильно затруднена из-за наличия сильно неоднородного материала, который затрудняет распространение волн, поглощая и рассеивая большую часть энергии, выделяемой источником. Как правило, в таких условиях сейсмическая энергия разделяется на ряд сейсмических фаз (таких как поверхностные волны и направленные волны, встречные волны и дифракционные волны), которые стирают интересующие отраженные фазы и неизбежно ухудшают качество конечного сейсмического изображения; следовательно, данные потребуют дополнительных этапов обработки. И наоборот, в морской среде обработка данных упрощается благодаря наличию однородной среды (т.е. водной толщи) на поверхности.

На суше записывающее устройство создается одним или несколькими источниками вибрации, организованными в виде шаблонов, и серией сейсмоприемников, расположенных равномерно вдоль линии (или нескольких линий для получения 3D-изображений).

Как упоминалось ранее, обработка сейсмических отражений зависит от данных, т.е. не существует потока, действительного для всех данных, но поток обработки должен быть адаптирован к отдельному набору данных. Например, статические поправки (необходимые для устранения перепадов высот между источниками и сейсмоприемниками и влияния аномалий поверхностной скорости) являются фундаментальными в континентальных условиях, но, как правило, не выполняются в морской среде. Однако к сейсмическим данным всегда применяются три процедуры анализа: деконволюция, миграция и скоростной анализ. Деконволюция (которая подразделяется на импульсную и прогнозирующую) – это процесс, который позволяет увеличить временное разрешение сейсмической трассы за счет удаления исходных признаков, заложенных в записанную сейсмограмму. В своей прогностической реализации он также позволяет уменьшить множественные отражения, тем самым улучшая интерпретируемость данных [1, c. 99].

Наконец, миграция является фундаментальным шагом в преодолении предположения о горизонтальной стратификации земли в методе CMP, который, очевидно, не работает при наличии погружающихся структур. Миграция – это дорогостоящий с точки зрения вычислений процесс, который позволяет перемещать отраженные при падении события в их правильные пространственные и временные положения, устраняя таким образом искажения, присутствующие в стековом изображении в случае негоризонтальных объектов. Миграция – это фундаментальный процесс обработки сейсмических данных, который включает в себя перемещение сейсмических событий в их истинные положения в недрах. Этот метод устраняет эффекты распространения волн из записанных сейсмических данных, чтобы скорректировать пространственное расположение событий отражения, тем самым увеличивая разрешение результирующего изображения в поперечном направлении. Основная цель переноса – создать многослойный разрез или объем, напоминающий геологический разрез [1, c. 100].

В конце этапа обработки доступны 2D- или 3D-изображения для использования в различных областях геологических наук и прикладных задачах. Однако эти изображения нуждаются в интерпретации, поскольку они представляют собой геофизическое представление о недрах; следовательно, они подвержены ряду ограничений и неопределенностей. Так, например, на отражательную способность может влиять широкий спектр факторов, таких как неоднородность скорости распределения и плотности материалов под поверхностью, геометрия отражателей, наличие жидкостей, шумов и других артефактов в данных. Различные типы помех могут затруднить различение реальных геологических объектов и артефактов. Например, множественные отражения от неглубоких поверхностей раздела, которые не удалось полностью устранить на этапе обработки, могут скрывать более глубокие отражатели или могут быть неверно истолкованы как настоящие отражатели. Аналогичным образом, присутствие газа или других веществ в недрах может изменить отражательную способность или ухудшить сейсмическое изображение. Чтобы преодолеть эти трудности, были разработаны различные методы интерпретации для анализа данных сейсмического отражения и извлечения значимой информации о недрах. Эти методы могут включать как простые инструменты визуализации, так и более количественные методы, такие как инверсия формы сигнала и анализ сейсмических характеристик.

Список литературы

1. Алёшкин М.В. Методика подавления повторных пульсаций пневмоисточника в морской сейсморазведке на мелководье // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2020. №2. С. 99-103
2. Ахмедов Т.Р., Султанова А.Н. Геологическое строение месторождения хыллы по данным сейсморазведки 3D // Известия УГГУ. 2020. №3 (59). С. 52-60
3. Кадырова А.С. Инновационные и новые технологии в нефтегазовом секторе // Проблемы науки. 2022. №1 (69). С. 32-35
4. Шнеерсон М.Б. Основные направления развития технологии полевых работ наземной сейсморазведки // Экспозиция Нефть Газ. 2020. №1 (74). С. 16-19