На правах рукописи

КОЛЕСОВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ

ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВИБРАЦИОННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Специальность: 25.00.10 Геофизика, геофизические методы

поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена во Всероссийском научно – исследовательском институте геофизических методов разведки (ФГУП ВНИИГеофизика)

Научный консультант доктор технических наук, профессор Потапов Олег Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, член корреспондент РАН РФ, Николаев Алексей Всеволодович доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Алёшин Александр Степанович доктор технических наук, профессор Козлов Евгений Алексеевич

Ведущая организация – «Татнефтегеофизика»

Защита диссертации состоится « 15 » февраля 2006 г. в 14ч. 30мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», геологический факультет, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (ГЗ МГУ, зона «А», 6-й этаж).

Автореферат разослан «» декабря 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета _Никулин Б.А.

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 матералов 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 высокоразрешающей 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 алгоритмическое 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 спектральных 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 функциональных 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 интерполяцией 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 базироваться на аппроксимации оптимального спектра вибросейсмического сигнала 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. Таковы 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 5ВНИИГеофизика, 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 проводилась совместно с А.Н. Иноземцевым, некоторых составляющих технологии – с Г.А.Захаровой, ее аппаратурной части – совместно с В.В.Клиновым и Н.Е. Кривенко, 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: 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ содержит общую характеристику работы, включая решаемые задачи, научную новизну, защищаемые положения и практическую значимость.

Глава 1 - ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ РАБОТЫ. В ней обсуждается состояние вопроса, описание специфики ВРС (высокоразрешающей сейсморазведки) применительно к вибрационному возбуждению, и формулировки задач исследований. Общая направленность работы – повышение геологической эффективности сейсмических работ с электрогидравлическими вибраторами, широко используемых при поисках и разведке нефте – газовых месторождений.

ВРС и задача полевой методики вибросейсморазведки. Разработка высокоразрешающей сейсморазведки (ВРС) была начата еще в трудах ИФЗ (И.С.

Берзон «Высокочастотная сейсмика», 1957), продолжена Гурвичем И.И., Потаповым О.А.; во ВНИИГеофизике - Чернявским В.Е., Кондратьевым И.К. и др., в работах Кобылкина И.А. (Волгоградская ГЭ) и его сотрудников. Необходимость ВРС определялась задачами сейсмических исследований тонкослоистых сред, которые характерны практически для всех районов России и ближнего зарубежья, необходимостью картирования малоамплитудных и сложнопостроенных объектов, поисками неструктурных ловушек углеводородов.

Если подходить к определению ВРС через решаемые ею структурные задачи, то разделение тонкослоистых пачек, выявление малоамплитудных разрывных нарушений и прослеживание зон выклинивания - все это задачи ВРС в целом. Термины «тонкослоистые», «малоамплитудные», сами по себе привязаны к какому – то уровню разрешенности сейсмических материалов, который был достигнут на то время, когда эти термины появились. Верхняя граница частот сейсмической записи, с которой обычно приходится иметь дело при геолого – геофизической интерпретации, находится вблизи 70Гц. Эту оценку условно можно считать границей ВРС/не-ВРС.

Помимо расширенного диапазона частот, ВРС характеризуется возможностью оценки параметров геологического разреза по динамическим характеристикам сейсмической записи, а это в свою очередь зависит от значений отношения сигнал/помеха в рассматриваемом диапазоне частот.

ВРС характеризуется комплексным подходом к повышению разрешенности сейсмических материалов на всех этапах – при полевых работах, обработке и интерпретации результатов, причём на каждом этапе ВРС имеет свою специфику. Сложившаяся практика сейсморазведки характеризуется применением отдельных приемов ВРС, и только комплексный выбор параметров работ может дать «сверхсуммарный» эффект повышения качества.

С появлением вибраторов возникла потребность в высоком разрешении вибрационной сейсморазведки - потребность в ВРВС, учитывающей и использующей специфику метода. На первых порах вибрационная сейсморазведка могла решать только кинематические задачи; с появлением более мощных вибраторов и расширением выбора возбуждаемых сигналов, можно стало использовать и динамические особенности записи. Поскольку практически все отражения – интерференционные, то первоначально превалирующая идея согласования сигнала с частотной характеристикой среды сейчас используется лишь для региональных работ (см. Кострыгин Ю.П. 2002). Для разведочных и поисковых задач ее заменила посылка сигнала с компенсацией частотно – зависимого затухания с тем, чтобы спектр полученного сейсмического импульса в дальнейшем мог быть выровнен. Это означает, что нужно выбрать такие параметры сигнала, чтобы не только получить широкую рабочую полосу частот (диапазон, где сигнал превышает помеху на временных разрезах), но и достичь определенных значений отношения сигнал/помеха – для решения динамических задач.

Различают временню и динамическую разрешенность: чем выше частота сигнала на сейсмограммах, тем выше временная разрешенность, однако точность отсчета времён может быть понижена вследствие наложения разного рода помех. Здесь нужно говорить о динамической разрешенности, которая определяется соотношением амплитуд сигнала и помехи и зависит в частности от:

1) ширины рабочей полосы частот, 2) формы спектра полезного сигнала и 3)характеристик помех. При одной и той ширине полосы частот динамическая разрешённость будет тем выше, чем ниже начальная частота, так что при выборе сигнала об этом нужно специально заботиться. Наибольшая разрешенность вибросейсмической записи будет при выравнивании спектра сейсмического импульса во всей полосе возбуждаемых частот. Выравнивание будет корректным, если рабочая полоса частот совпадает с полосой возбуждения.

Общую задачу полевой методики высокоразрешающей вибрационной сейсморазведки можно сформулировать так: в заданных сейсмогеологических условиях получить наиболее широкий спектр сейсмического сигнала на полевых сейсмограммах в диапазоне времен, соответствующих целевым интервалам геологического разреза, при значении отношения сигнал/помеха не ниже заданного уровня, имеющихся технических средствах и ограниченной стоимости работ.

Специфика решения этой задачи в том, что приходится учитывать большое число подчас взаимозависимых факторов, определяющих методику работ.

Также здесь задействована сложная и подчас капризная техника, параметры которой должны поддерживаться в заданных рамках, чтобы получать предсказуемые по качеству результаты. Технология ВРВС должна включать общую идеологию, новые полевые методики, а также аппаратурно – методическое и алгоритмическое обеспечение полевых работ и обработки полученных данных.

Выбор оптимальных параметров методики. На современных блоках управления сейсмическими вибраторами (БУСВ) реализованы линейные (ЛЧМ) свип - сигналы, нелинейные (НЧМ), «программируемые» по точкам (типа ОМНИ свипов), псевдо – случайные, а также импульсные сигналы. Все они задаются своими функциями частотной развертки - F(t). Для F(t), задаваемой одной формулой, ее параметрами (выставляемыми на БУСВ) являются: 1) вид свип – сигнала, 2) начальная F1_Гц и 3) конечная F2_Гц - граничные частоты, 4) длительность свипа T_с, а также временные интервалы аподизации свипа- t1 и t2_с.

Обычно t1,t2 – берутся постоянными, так что общее выражение частотной развертки ЛЧМ свипа имеет вид: F(t)=F(F1,F2,T,t). У НЧМ свипа к упомянутым 4_м добавляется 5й - параметр, задающий «степень» нелинейности. Таковы логарифмический свип F(t)=F(F1,F2,T,H,t) с параметром H_дБ/Гц или свип «дециБелл –на -октаву» с F(t)= F(F1,F2,T,Ok,t) с параметром Ok_дБ/окт.

Чаще всего используются ЛЧМ свипы. Выбор их параметров производится независимым перебором, сейсмограммы получаются низкочастотными, с хорошей прослеживаемостью отражений, но с недостаточной энергией на высоких частотах. Для компенсации частотно – зависимого затухания сейсмической энергии, существующего в геологической среде, и были созданы нелинейные свипы, энергия которых монотонно возрастает (обычно) с частотой. Однако независимый перебор параметров НЧМ свипов даёт на практике не всегда прогнозируемые результаты. Трудности их выбора отмечаются во многих публикациях (см. монографию под ред. Шнеерсона М.Б., «Недра», 1998, Bridges S.Rutt 1985, Hargrove K.L. 1983). Отсутствие у геофизиков информации о свойствах НЧМ свипов приводит к появлению легенд типа: «НЧМ свип – плохой». Поэтому используются ЛЧМ свипы, свойства которых всем представляются понятными, хотя известны такие достоинства НЧМ свипов, как снижение уровня возбуждаемых низкочастотных регулярных помех и увеличение энергии на высоких частотах. У.Притчет (1999г.) пишет по этому поводу: «Появление генератора нелинейных свипов в геофизической разведке можно уподобить замене топора бензопилой у лесорубов. Следует научиться пользоваться, не покалечившись, этим острым, мощным инструментом».

Правда не очень понятно, КАК этому научиться. Здесь нужна определённая последовательность действий, приводящая к выбору оптимальных значений параметров свипов. Они должны быть согласованы со всеми другими частями и параметрами методики вибросейсмических работ - от проверок вибраторов и тестирования их сейсмических характеристик, выбора их мощности, числа в группе и количества накоплений, планирования системы наблюдений и сети отработки площади - до обработки результатов. Оптимальная методика работ должна быть адаптирована к сейсмогеологическим условиям, меняющимся по площади работ, чтобы обеспечить наилучшую разрешающую способность ВРВС по латерали. Должно также предусматриваться и создание новых методик полевых работ, учитывающих недостатки и использующих достоинства специфики вибрационного возбуждения.

Алгоритмическая поддержка методики. Выбор оптимальных параметров вибросигналов и реализация их на блоках управления требует создания алгоритмического обеспечения полевой методики, где следует выделить:

- моделирование корреляционных импульсов и спектров мощности свипов, расчет частотных разверток по заданным спектрам мощности и обратно;

- поддержка перебора независимых и контроль зависимых параметров свипов по их функциям частотной развертки и спектрам мощности;

- расчет установочных (выставляемых на блоках управления) параметров частотных развёрток по задаваемым параметрам спектров мощности.

Специальное математическое обеспечение необходимо также и для поддержки новых вибросейсмических методик, разрабатываемых в общем направлении повышения разрешающей способности вибрационной сейсморазведки.

Аппаратура. Нормальная работа вибросейсмического комплекса зависит от постоянного контроля сейсмических характеристик вибраторов (действующей силы, фазовой ошибки и коэффициента гармоник), которые определяются в системе внутренней диагностики каждого вибратора. Однако для сравнения вибраторов между собой, их характеристики должны быть получены с одними и теми же калиброванными датчиками и в одних и тех же условиях. Для независимого (от БУСВ) контроля используются системы VQC (Vibrator Quality Cont-rol) – фирмы Серсель, VQS (Vibrator Quality System) и Vibra Sig (Vibrator Signature system – для контроля по радиоканалу) – фирмы Пелтон. Во ВНИИГеофизике также велась работа в этом направлении (см. гл.3).

Трудности выбора оптимальных параметров полевой методики во многом определяются диктатом производителей вибросейсмической техники, которые не учитывают потребности геофизиков из – за отсутствия взаимодействия. Должен быть расширен выбор частотных развёрток, а также созданы современные возможности формирования свипов с произвольно – заданным спектром, в том числе вычисляемым на основе результатов опытных работ.

Совершенствование обработки. Обработка вибросейсмических данных имеет свою специфику, определяемую особенностями используемых сигналов и необходимостью предварительной корреляционной обработки. Обычно она проводится формально, хотя её функции могут быть существенно расширены.

Развитие обработки данных вибрационной сейсморазведки включает совершенствование известных и разработку новых способов. Дальнейшее использование известного комплекса программ ФИЛМЕМ прежде всего предполагает расширение круга геологических задач, решаемых по временным разрезам, а также решение новых задач на различных стадиях выполнения общего графа обработки и в сочетании с методикой полевых работ. Поскольку параметры вибросигналов известны, возможно создавать специальные способы фильтрации для уменьшения специфических шумов, связанных с конкретной методикой.

Глава 2 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО СИГНАЛА

- содержит описание выбора параметров свип- сигналов, способы их реализации и примеры полевых работ, подтверждающих этот выбор.

Оптимизация методики. При планировании вибросейсмических работ необходимо учитывать амплитудные, частотные и временные параметры. Максимальная мощность вибраторов обычно постоянна; возможности амплитудной модуляции в пределах частотного диапазона ограничены 6 - 10дБ, а на фоне результатов контроля силы (Force - Сontrol) они ещё меньше. Количество вибраторов в группе обычно фиксировано, так что вариации общего уровня энергии возбуждаемого сигнала реализуются в основном за счёт длительности свипа и количества накоплений. Желаемые значения отношения сигнал-/помеха (S/N(F)) в частотном диапазоне свипа достигаются за счёт выбора длительности свипа T, функции частотной развертки F(t) и значений интервалов конусования свипа t1,t2. Эти параметры взаимосвязаны с граничными частотами F1, F2 и вот со всей этой совокупностью параметров геофизику в основном приходится иметь дело при выборе свип – сигнала, максимизирующего (при заданных ограничениях) временную и динамическую разрешенность по всей площади работ. Оптимальные значения параметров - F1, F2, F(t), T, t1 и t2 должны отвечать экстремуму какой- то функции качества, определяемой следующими факторами:

1. временной разрешенностью, зависящей от эффективной частоты сигнала;

2. динамической разрешенностью – шириной спектра сейсмического сигнала с наибольшей октавностью и энергией частотных составляющих, превышающих фон помех при заданных значениях S/N(F); здесь октавность определяется по эффективной полосе частот, а к помехам относятся и корреляционные шумы, и ближайшие побочные фазы сейсмического сигнала;

3. сохранением качества записи по латерали, являющимся следствием адаптации методики к меняющимся условиям возбуждения и приема.

Опыт показывает, что свести оценку качества к какой – то одной величине обычно не удается. Взаимозависимость параметров свипа, сама последовательность проведения опытов и процедуры оценки результатов могут приводить к неверным выводам, когда параметры считаются независимыми и результат изменения качества считается зависимым только от одного параметра. Выход из создавшегося положения – комплексный подход к сравнению временных и спектральных характеристик свипов при одних и тех же масштабных коэффициентах сравниваемых (по абсолютным значениям!) величин и зависимостей с учетом значений отношения сигнал/помеха.

Для удобства приведём формулы, которые понадобятся в дальнейшем:

Опорный свип – сигнал: SW(t): SW(t)=A1(t)*COS((t)+o), (1) где A1(t) - амплитудная модуляция свипа, t – текущее время, o – начальная фаза, (t) – угловая развертка, связанная с частотной разверткой F(t) зависимостью:

(t ) = 2 F() d, поскольку (t) = (t), (Харкевич А.А. 1956г.).

Свёрточная модель виброграммы V(t) имеет вид: V(t)= SW(t)#G(t)#IR(t)+n(t), где IR(t) – импульсная характеристика среды (распределение коэффициентов отражения во времени); G(t) - совокупность фильтрующих факторов, включающая систему источник-грунт и свойства разреза; n(t) - аддитивные помехи, # - символ операции свертки. Коррелограмма: K(t)=V(t)#SW(-t)=R(t)#G(t)#IR(t)+ns(t), (2) где ns(t)=n(t)#SW(-t) - аддитивные шумы, прокоррелированные с опорным свипом, R(t)=SW(t)#SW(-t) - автокорреляция (ФАК) свип - сигнала (импульс Клаудера), а R(t)#G(t) - сейсмический импульс - на коррелограммах.

В результате полевых работ и обработки, коррелограмма в идеале приводится к виду K(t) = RK(t)#IR(t), при этом убраны (или уменьшены до заданного уровня) аддитивные помехи, а RK(t)- идеализированный импульс реальной коррелограммы, где уже скорректировано влияние ВЧР и нижележащей среды.

Целью полевой методики и обработки является расширение и выравнивание спектра взаимно-корреляционного импульса RK(t) и борьба с помехами.

Это может быть осуществлено частично как при полевых работах так и при обработке. Наибольшие искажения зондирующий сигнал претерпевает в ВЧР, так что влияние этого фактора целесообразно частично скомпенсировать на этапе полевых работ, посылая в среду сигнал, спектр которого будет максимально широким на уровне целевого интервала разреза при заданном уровне S/N(F).

Выше упоминалась частотная развертка F(t). Работать с ней не удобно по ряду причин, но она взаимно однозначно (при определенных ограничениях) связана со спектром мощности свипа (или спектром автокорреляции свипа) приближенной зависимостью (Чичинин И.С., Евчатов Г.П.1969г):

Здесь |S()| - спектр мощности свипа, (t) =2F(t); A1()·- функция амплитудной модуляции свипа, A2() – амплитудная модуляция оператора корреляции.

Формула (3) при A1() = 1 и A2() = 1 без коэффициентов имеет вид:

В данном случае |S(F)|2 – модельный спектр мощности свипа, получаемый по частотной развертке F(t) – без учёта мощностных характеристик группы вибраторов. F'(t)=Vf – это скорость частотной развертки с размерностью «Герц в секунду» (Гц/с), так что спектральные амплитуды |S(F)|2 в этом случае имеют размерность «секунды на Герц» (с/Гц) и их удобно оценивать на практике через скорости частотной развертки.

Равенством (4) можно пользоваться, когда скорость развертки F'(t) больше нуля, так что F(t) должна быть строго монотонной, как это обычно и бывает в вибрационной сейсморазведке. Тогда для F(t) существует обратная функция t(F), для которой выполняется равенство t'(F)=1/F'(t) и используя (4) по спектру |S(F)|