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.