Нелинейные свойства вибросейсмических волновых полей и их использование для прогнозирования коллекторских свойств резервуаров

Глава 2. Экспериментальное исследование амплитуд волн кратных и комбинационных частот при возбуждении двух различных монохроматических сигналов двумя группами вибраторов.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального исследования амплитуд волн кратных и комбинационных частот при возбуждении двух различных монохроматических сигналов двумя группами вибраторов: приведена методика эксперимента, обработка, результаты. Так же во второй главе содержится краткая геолого-геофизическая справка о районах работ.

Методика работ заключалась в одновременном возбуждении двух моночастотных сигналов f₁ и f₂ двумя вибраторами (группами вибраторов), находящихся на различных расстояниях друг от друга и в разных точках профилей. На разных участках изменялись число, марка и порядок расстановки и перемещения вибраторов на профиле.

Обработка проводилась в программе .

Задачи экспериментов: 1) проверка возможности регистрации нелинейных эффектов стандартными техническими средствами вибрационной сейсморазведки; 2) определение выраженности нелинейных компонент вибросейсмических волновых полей; 3) отделение нелинейных искажений поля, возникающих в дальней зоне от тех, что связаны с нелинейностью вибраторов или с нелинейностью ближней зоны, как зоны больших значений волнового давления и смещения частиц; 4) оценка связи нелинейных эффектов с углеводородсодержащими объектами.

В соответствии с поставленными задачами для решения вопроса о существовании нелинейных компонент волнового поля анализировались амплитудно-частотные спектры отклика среды на генерацию двух моночастотных колебаний. Качественная оценка подобных колебаний показывает, что в спектре кроме основных частот присутствуют и комбинационные частоты, вторые и даже третьи гармоники (рис. 1). Проведенная количественная оценка показала, что амплитуды нелинейных компонент поля могут в 1.5 - 4 раза превышать фон и быть только в 5 - 6 раз слабее основных, возбуждаемых частот.

Выраженность нелинейных компонент поля для разных экспериментов различна. Так, например, по второму участку нелинейные компоненты поля превосходят по амплитуде свои аналоги для первого участка. Возможно, это связано с тем, что на втором участке каждую моночастоту возбуждал не один, а два вибратора.

Для ответа на вопрос - что является причиной нелинейности: система вибратор-грунт и ближняя зона или глубинные слои земной коры были проанализированы изменения амплитуд вдоль профиля при различном расположении источников.

Сначала исследовалось изменение амплитуд при расположении источников рядом друг с другом. В целом для всех четырех частот (f₁, 2f₁, f₁- f₂, f₁+ f₂) наблюдалось нормальное затухание амплитуд сигналов по мере удаления от источников. Однако на фоне нормального затухания на разностной и суммарной частоте выделялась зона повышенных значений, соответствующая зоне относительного понижения амплитуд основных и кратных частот.

Объяснить это можно перераспределением энергии основных частот в комбинационные: на рис. 2 сопоставлены суммы амплитуд волн комбинационных частот с суммами амплитуд возбужденных колебаний. Отчетливо отмечаются две противоположные тенденции - для части пунктов приема (ПП) ослаблению основных частот линейно соответствует ослабление суммарных и разностных; для другой части ПП наоборот - при ослаблении возбужденных частот, комбинационные усиливаются.

Для окончательного решения вопроса происхождения комбинационных волн, достаточно разнести виброгруппы, возбуждающие разные моночастоты на большое расстояние друг от друга, например, на разные концы профиля, тогда говорить о взаимодействии волн в сильном поле ближней зоны уже будет нельзя.

В результате сопоставления значений амплитуд волн, зарегистрированных при совмещенном и разнесенном положении вибраторов, получили, что изменение амплитуд волн разностных и суммарных частот практически не зависит от расположения виброгрупп: аномальные повышенные значения проявляются на одних и тех же пикетах. Так, на рис. 3 представлены графики изменения амплитуд нелинейных компонент поля при различном положении виброгрупп (черная линия - обе виброгруппы расположены у правого конца профиля, серая линия - виброгруппа 22 Гц - у правого конца профиля, 30 Гц - у левого (расстояние между виброгруппами 5400 м).

Все, приведенные выше данные, свидетельствует о том, что <источники> этих колебаний расположены преимущественно не возле вибраторов, а в нижнем полупространстве. Кратные компоненты поля ведут себя различно, и если одна из них одинаково затухает при удалении от источника основной частоты, независимо от того, где расположена вторая виброгруппа, то другая кратная компонента ведет себя аномально - она по мере удаления от вибратора сначала затухает, а затем начинает усиливаться, достигая в конце профиля, в среднем, почти тех же значений амплитуд, что и в случае, когда вторая виброгруппа работала у этого конца профиля

Основной вывод - кратные нелинейные компоненты вибросейсмического поля также возникают в самой геологической среде, хотя вклад нелинейности вибраторов и их ближней зоны для них значительней, чем для комбинационных суммарных и разностных частот.

Объединим теперь анализ набора нелинейных компонент вибросейсмического поля двух монохроматических источников с анализом их изменения вдоль профилей. Для этого представим данные в виде спектрограмм полевых сейсмических записей, каждая из которых представляет собой набор амплитудно-частотных спектров трасс виброграмм, зарегистрированных на каждом пункте приема профиля (рис. 3).

На фоне помех на спектрограммах выделяются горизонтально вытянутые линии, соответствующие моночастотам, генерируемых вибраторами, и нелинейным составляющим поля - кратным, комбинационным и более сложными производным от этих компонент. Важно то обстоятельство, что интенсивность нелинейных компонент не всегда повторяет интенсивность основной пары моночастот. Так, на рис. 4 кратная 40 Гц, усиливающаяся в центре профиля, <не похожа> на исходную 20 Гц, а кратная 60 Гц более соответствует первичной частоте 30 Гц и имеет максимум у левого края профиля. 10, 70, 80 и 90 Гц имеют максимумы на ПК 310 - 330, а 50 - в правой половине профиля.

Все обсужденные экспериментальные данные свидетельствуют о взаимодействии волн, т. е. о несоблюдении принципа суперпозиции, обязательном в линейном приближении.

В ходе экспериментов было замечено, что наиболее интенсивная генерация нелинейных компонент происходит в области УВ содержащих структур. Физической гипотезой, объясняющей подобное увеличение амплитуд, может быть следующая: участки разреза, ответственные за наблюдаемые аномалии, представляют собой зоны разуплотнения горных пород. Разуплотнение может возникать в процессе тектонических деформаций и сопровождаться развитием трещиноватости, уменьшением горного давления - увеличения межзерновой пористости и т.п. Именно такие зоны по данным многочисленных теоретических и экспериментальных исследований проявляют нелинейные сейсмические свойства.

Но не любая <нелинейная> волна несет однозначную информацию о разрезе. Для практического применения информативными считались те компоненты, у которых средняя амплитуда волны хотя бы вдвое превышала фоновые значения своей спектральной окрестности, отсутствовала корреляция между изменением амплитуды вдоль профиля нелинейной компоненты и основной частоты. Использовались данные по не менее чем трем физнаблюдениям, Предпочтение отдавалось волнам комбинационных частот, т. к. возникновение кратных может более определяться свойствами ближней зоны источников, чем характеристиками среды.

Выводы:

Проведены специальные полевые эксперименты на трех различных месторождениях УВ по регистрации отклика среды при возбуждении двух монохроматических сигналов и обработаны их результаты.

Изучены амплитудные характеристики основных частот, кратных гармоник и волн комбинационных частот.

В результате исследования установлено, что в реальной геологической среде возникают комбинационные частоты и волны гармоники. Ответственными за их возникновение являются глубинные слои земной коры. Сопоставления кривых амплитуд нелинейных компонент поля со структурой поверхности потенциально-нефтеносных блоков горных пород показывает, что между ними существует тесная корреляционная связь. Как было сказано выше, это является следствием наличия разуплотненных зон под сводами антиклинальных структур - потенциальных коллекторов УВ.

Методика экспериментов с возбуждением двух монохроматических сигналов может стать основой для прогнозирования в нижнем полупространстве структур, которые, в принципе, могут содержать УВ. Учитывая малый объем необходимых для этого физических наблюдений (3-5 на профиле), подобная методика особенно перспективна на поисковой стадии развития.