Исследование и разработка способов повышения разрешающей способности вибрационной сейсморазведки

Общая характеристика работы

Актуальность

Вибросейсмические работы в настоящее время составляют до 40% (за рубежом эта доля больше) от общих объемов сейсмических работ на нефть и газ. В последние годы вибросейсмический метод широко применяется при поисках и разведке и других полезных ископаемых, а также при региональных работах.

По сейсмической эффективности и стоимости работ вибрационная сейсморазведка уступает взрывной, но такие ее особенности, как безопасность, экологическая "чистота", помехоустойчивость и довольно широкие возможности управления спектром посылаемого сигнала обеспечивают её широкое применение и постоянное развитие. Некоторое время назад были распространены и другие невзрывные источники - различные импульсные и кодоимпульсные, но за небольшим исключением (имеются в виду источники типа "Енисей") они не выдержали конкуренции с гидравлическими вибраторами. Причины - низкочастотный и недостаточно широкий спектр возбуждаемого импульса.

Появление мощных вибраторов и компьютеризованных телеметрических сейсмостанций с большим динамическим диапазоном регистрации (130дБ и более) позволяют заметно увеличить разрешающую способность вибрационной сейсморазведки, однако возможности улучшения качества сейсмических материалов здесь далеко не исчерпаны. В определенном смысле современная полевая техника и аппаратура "расслабляют" геофизиков в их желании совершенствовать методику полевых работ, а требования повышения производительности и технологичности приводят зачастую к стандартизации полевой методики в целых регионах. При этом основные надежды на улучшение качества результатов возлагаются на обработку, эффективность которой в последние десятилетия значительно возросла, хотя совершенно ясно, что недоделанное в поле не исправишь при обработке.

В последнее время повысились требования к временной и динамической разрешенности, а также надежности получаемых вибросейсмических данных, что обусловлено необходимостью картирования малоамплитудных и сложнопостроенных объектов, поисками неструктурных ловушек углеводородов и оценкой физических и коллекторских свойств пластов. Все это требует заметного повышения качества получаемых сейсмических разрезов. Иначе говоря, необходим переход к высокоразрешающей сейсморазведке (ВРС), а конкретно - к высоко-разрешающей вибрационной сейсморазведке (ВРВС). Решение данных задач требует модернизации технических средств, совершенствования известных и разработки новых способов проведения полевых работ, а также развитию обработки, что в совокупности позволяло бы с наибольшей эффективностью решать поставленную геологическую задачу в конкретных сейсмогеологических условиях. Этому и посвящена данная работа.

Целью работы

является теоретическое обоснование, разработка и экспериментальное опробование новых технических средств, полевых методик, алгоритмов, программ и приемов обработки, направленных на повышение временной и динамической разрешенности данных вибрационной сейсморазведки на стадиях полевых работ и обработки полученных результатов.

Основные задачи исследований

1. Исследование и разработка способов выбора параметров оптимальных свип - сигналов и способов их реализации в полевых условиях, а также разработка новых полевых методик для технологии ВРВС.

2. Разработка аппаратуры для контроля сейсмических характеристик вибраторов и алгоритмических решений для блоков управления вибраторами.

3. Разработка и исследование специфических алгоритмов, программ и способов обработки вибросейсмических материалов на разных стадиях - от корреляции виброграмм до получения временных разрезов и дальнейшего их использования при интерпретации.

4. Разработка технологии высокоразрешающей вибрационной сейсморазведки (ВРВС), включающей общую идеологию, аппаратурно - методическое и алгорит-мическое обеспечение полевых работ и обработки полученных материалов.

Научная новизна

1. Автором показано, что параметры свипов, определяющие разрешенность сейсмической записи, взаимосвязаны, вследствие чего независимый перебор их значений на блоках управления при опытных работах не правомерен. Предложен способ выбора оптимальных параметров свипов, базирующийся на анализе нормированных спектров мощности свип - сигналов и спектров коррелограмм.

2. Впервые показано, что спектр мощности оптимального свип - сигнала пропорционален обратному фильтру, вычисленному по коррелограмме, полученной с линейным (ЛЧМ) свипом, с последующей коррекцией, учитывающей исходное значение отношения сигнал/помеха и требуемое.

3. Разработан новый способ выбора при опытных работах оптимальных параметров наиболее распространенных нелинейных свипов, основанный на предварительном определении оптимальной скорости частотной развертки на низких частотах, последующей посылке серии нелинейно частотно модулированных (НЧМ) свипов для определения оптимальной крутизны нарастания спектра-льных амплитуд свипов, выбираемых с целью получения нужных значений отношения сигнал/помехи, и дальнейшем уточнении всех остальных параметров.

4. Впервые разработаны алгоритмы кусочно - нелинейных частотных развёрток (КИН - свип, СПЛАЙН - свип), позволяющие оптимизировать работу вибратора и уменьшить корреляционные шумы при реализации свип - сигналов с произвольно заданным спектром; разработаны алгоритмы составных функциональ-ных свипов (ПАРАДОКТ, ПАРАЛОГ), исправляющие недостатки обычных функциональных НЧМ свипов, связанные с низкими частотами.

5. Разработан новый способ МИКСИСВИП - подавления специфических квазигармонических помех ("звона" на коррелограммах), появляющихся при определенных условиях в результате использования нелинейных свипов и ограничивающих применение последних.

6. Предложены новые полевые методики, использующие комбинирование свипов с непересекающимися частотными и (или) временными диапазонами, а также комплексирование параметров методики с экстраполяцией и интерполя-цией спектра записи при обработке, - позволяющая повысить разрешающую способность вибрационной сейсморазведки.

7. Разработаны новые способы обратной фильтрации вибросейсмических данных, полученных с различными комбинированными, встречными и ортогональными частотными развертками, позволяющие значительно уменьшить фон шумов корреляционных преобразований этих данных.

8. Разработан комплекс программ ФИЛМЕМ, использующий максимально энтропийную экстраполяцию спектра сейсмической записи; высокая эффективность его использования для повышения качества сейсмических материалов показана как для окончательных временных разрезов, так и в графе обработки для улучшения работы процедур вычитания волн - помех со скоростями, близкими к полезным волнам, коррекции статических поправок, а также программ динамической обработки.

9. Показано повышение надежности прямого прогноза углеводородов в тонкослоистых коллекторах с помощью AVO при использовании высокоразрешающей сейсморазведки.

Основные защищаемые положения

1. Выбор оптимальных параметров свипов должен производиться на основании анализа нормированных спектров мощности свип - сигналов и спектров коррелограмм с учётом взаимной зависимости параметров, определяющих разрешенность сейсмической записи. Спектр мощности оптимального свип - сигнала пропорционален обратному фильтру, вычисленному по коррелограмме, полученной с ЛЧМ - свипом, с последующей коррекцией, учитывающей исходное значение отношения сигнал/помеха и требуемое.

2. Предложенные кусочно - нелинейные частотные развертки оптимизируют работу вибратора при отработке оптимального свип - сигнала; составные свип - сигналы исправляют недостатки стандартных нелинейных свипов, связанные с сокращением их частотного диапазона со стороны низких частот.

3. Разработанный автором способ МИКСИСВИП дает возможность избавиться от специфических квазигармонических помех ("звона"), появляющихся в определенных условиях на коррелограммах при работе с нелинейными свипами. Этот, а также другие новые способы вибрационной сейсморазведки, использующие комбинирование свипов с непересекающимися частотными или временными диапазонами, комплексирование параметров полевой методики с экстраполяцией и интерполяцией спектра записи при обработке, позволяют повысить разрешающую способность вибросейсморазведки и увеличить производительность.

4. Разработанные автором способы обратной фильтрации дают заметный эффект повышения качества вибросейсмических данных. Это комплекс программ ФИЛМЕМ, применяемый как к окончательным временным разрезам, так и для улучшения работы процедур вычитания волн-помех, коррекции статических поправок и программ динамической обработки, и программа ФИЛКРО - для уменьшения фона шумов корреляционных преобразований данных, полученных с комбинированными, встречными и ортогональными частотными развертками.

5. Технология высокоразрешающей вибрационной сейсморазведки (ВРВС), основанная на комплексировании
- общей идеологии ВРВС и адаптации параметров методики к меняющимся сейсмогеологическим условиям,
- аппаратуры и методики оперативного контроля сейсмических параметров вибрационного источника,
- способов выбора и расчета оптимальных параметров методики,
- новых полевых методик вибросейсмических работ,
- способов обработки, включающих новые специфические процедуры,
- обеспечивает получение сейсмических разрезов повышенной разрешенности.

Практическая значимость

1. Выводы и рекомендации для практики
1.1. Важнейший резерв повышения разрешающей способности вибрационной сейсморазведки - повсеместное внедрение нелинейно частотно модулированных свипов в практику полевых работ. Для этого разработана теория, способы расчета и реализации различных НЧМ -свипов, пригодные для использования с любыми существующими блоками управления вибраторами.
1.2. Подход к выбору оптимальных параметров вибросейсморазведки "от спектра" меняет планирование опытных работ и предъявляет другие требования к блокам управления вибраторами (БУСВ) и математическому обеспечению методики. В диссертации даны предложения и технические решения для разработки новых БУСВ.
1.3. Выбор параметров функционального свипа заданного вида должен ба-зироваться на аппроксимации оптимального спектра вибросейсмического сигна-ла спектром этого функционального свипа; возможности такой аппроксимации расширяются за счет предложенных в работе "кусочно - нелинейных" и "составных" свипов с ограниченным набором задаваемых параметров. По сравнению с применяющимися в производстве, эти свипы имеют улучшенные характеристики на низких частотах.
1.4. Предложен и неоднократно применен на практике способ определения оптимальных параметров НЧМ свипов (логарифмических, децибел -на -октаву и других), основанный на целенаправленном подборе их установочных и реальных параметров с учётом взаимной зависимости этих параметров.
1.5. Разработан и опробован на моделях алгоритм способа МИКСИСВИП, дающего возможность уменьшить влияние аддитивных шумов на коррелограмму и избавиться от высокочастотного "звона".
1.6. Предложен и опробован способ вибрационной сейсморазведки МОГТ, при котором для определения априорных статических поправок в качестве источника используют одиночный вибратор, работающий в импульсном режиме, а регистрацию сейсмических колебаний производят на рабочей косе ОГТ.
1.7. Разработаны новые способы вибросейсморазведки, использующие комбинирование ЛЧМ и НЧМ свипов со стыкующимися, пересекающимися (но сдвинутыми по времени) и непересекающимися частотными диапазонами. В последнем варианте <восстановление> незадействованных участков спектра осуществляется с помощью программы РЕСПЕК, основанной на алгоритме ФИЛМЕМ. Использование этих способов целесообразно в определенных сейсмогеологических условиях, а также при ограниченных технических возможностях вибросейсмической партии.
1.8. Комплекс программ ФИЛМЕМ целесообразно использовать на разных стадиях обработки вибросейсмических данных. На результатах обработки реальных материалов показаны различные возможности ФИЛМЕМ.

2.Реализация в производстве
2.1. Методика полевых работ. Опробована и доказала свою эффективность разработанная автором технология высокоразрешающей вибрационной сейсморазведки. В результате проведенных под методическим руководством автора демонстрационных работ в Синь-Цзяне (КНР) в 1996г. был получен высокоразрешённый разрез с диапазоном частот 10-100Гц с последующим расширением спектра до 130Гц на временах до 3с.
В демонстрационных и контрактных работах (1995г. - 1997г - КНР, провинции Хэйлунцзянь и Хэнань) с применением элементов защищаемой технологии, но с взрывным возбуждением, были получены высокоразрешенные разрезы с рабочей полосой частот 10 - 114Гц (времена до 3.2с) и 12 - 160Гц (до 2,3с).
Технология ВРВС с использованием НЧМ свипов с успехом применялась в разных регионах Росси и за рубежом. Во всех случаях получены сейсмические материалы повышенной разрешённости и новая геологическая информация. Та-ковы работы ГЭПР под г.Актюбинском (с приставками для ОМНИ- свипов к вибраторам СВ 5-150), <Севергеофизики> и <Нарьян-Марсейсморазведки> в Большеземельской тундре (2003г), в Эфиопии (комбинирование ЛЧМ-свипов).
С 2000г. при работах "Татнефтегеофизики" в республике Коми используются НЧМ -свипы, спланированные автором, позволяющие получать сейсмические материалы, по качеству близкие к взрывному возбуждению.
2.2. Обработка. Обработка окончательных временных разрезов по Западной Сибири, Казахстану, Калмыкии, Узбекистану, Удмуртии, Якутии, Туркмении, Китаю (Синь-Цзян, Цайдамская впадина и др.) и ГДР комплексом программ ФИЛМЕМ позволила заметно (обычно в 1.5 раза, а иногда - вдвое) повысить их временную и динамическую разрешенность, а также получить новую геологическую информацию.
Использование ФИЛМЕМ в графе обработки позволило получить новую геологическую информацию по материалам Пакистана, Эфиопии, Саратовского Поволжья
2.3. Алгоритмическое и программное обеспечение. Созданы рабочие версии программ ФИЛМЕМ (ПК), ВЕСКОР - весовой корреляции, РЕСПЕК. Разработан пакеты программ ВЫБОР (для анализа и выбора характеристик группирования), РАПАНС - для выбора оптимальных параметров функциональных НЧМ свипов, РЕВЕНС - для выбора оптимальных параметров свипов произвольного вида. Один из алгоритмов пакета РЕВЕНС послужил основой разработки ВИБКОР (НФФ ВНИИГеофизики).2.4. Аппаратура. Создан прибор "ВИБРОТЕСТЕР" для контроля сейсмических характеристик гидравлических вибраторов и импульсных невзрывных источников. В полевых условиях с помощью ВИБРОТЕСТЕРа была проведена диагностика вибраторов в ряде сейсмических партий ГЭПР, Оренбургской, Астраханской, Прикаспийской геофизических экспедиций и в тресте <Запприкаспийгеофизика>.
Разработана концепция построения новых блоков управления вибраторами и созданы на уровне технических решений алгоритмы МИКСИ- свипа, кусочно - нелинейных и составных НЧМ свипов.2.5. Методические указания и рекомендации. Разработки автора вошли в "Методические указания по высокоразрешающей сейсморазведке" Мингео СССР, НПО "Нефтегеофизика", Миннефтепром СССР, ЦГЭ, М. 1988г.; в "Методические указания по работам с модернизированными вибраторами СВ 5-150"(ВНИИГеофизика, М.,1987 г.); в "Методические рекомендации к технической инструкции по наземной сейсморазведке при проведении работ на нефть и газ", МПР РФ 2002г.; в <Рекомендации по сейсморазведке> МПР РФ (2005г.).

Дополнительные сведения и разделы

1. Личный вклад автора: Автором лично получены результаты, составляющие основное содержание защищаемой диссертации, к ним относятся:
1.1 разработка общего подхода к выбору оптимальных вибросейсмических сигналов и их параметров для целей ВРВС ;
1.2. совокупность идей, технических и алгоритмических решений, положенных в основу способов выбора, расчета и реализации оптимальных параметров НЧМ свипов и в целом методики вибросейсмических работ;
1.3. технические решения, являющихся способами вибросейсморазведки;
1.4. упомянутые выше алгоритмы и программы.

Разработка технологии высокоразрешающей вибросейсморазведки прово-дилась совместно с А.Н. Иноземцевым, некоторых составляющих технологии - с Г.А.Захаровой, ее аппаратурной части - совместно с В.В.Клиновым и Н.Е. Кри-венко, создание комплекса программ ФИЛМЕМ - при участии И.К. Кондратьева.

2. Апробация работы и публикации: Основные результаты исследований автора неоднократно докладывались на всероссийских и ведомственных совещаниях, а также на международных симпозиумах (СЭВ/Прага,1988г., SEG/ Киев, 1988г., СЭВ/Киев, 1991г., SEG/Москва,1992г., SEG-ЕАГО Москва 1993г., SEG/Москва,1997., SEG-2003, Москва), опробованы при геофизических работах в различных регионах СССР и за рубежом.

По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, из которых 5 -в "Геофизическом вестнике" ЕАГО, а 8 - авторские свидетельства на изобретения.

3. Объем и структура работы: Общий объём 324 страницы, из них: 240 страниц текста, включающего титульный лист, Оглавление, Введение, 5 глав, Заключение, Список литературы (123 источника), а также 103 рисунка.

4. Благодарности: Отнимающая много времени и достаточно ёмкая работа не может быть выполнена без продолжительного, творческого и благожелательного общения с сотрудниками по работе, с соавторами, родственниками и друзьями. Автор глубоко благодарен Иноземцеву А.Н., Захаровой Г.А., Потапову О.А., Голосову В.П., Козлову Е.А., Чистову П.И., Логинову В.В., Жукову А.П., Кондратьеву И.К., Шехтману Г.А., а также Колесову Д.В. и Гойзману М.С.