Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Апреля 2013 в 03:04, лекция
Сейсмическая разведка (сейсморазведка) это один из важнейших видов геофизической разведки земных недр, который основан на изучении особенностей распространения в земной коре искусственно возбужденных упругих волн.
Вызванные взрывом или другим способом упругие волны, распространяются во всех направлениях от источника колебаний и проникают в толщу земных недр на большие глубины.
Упругие волны в процессе распространения отражаются и преломляются. И часть упругих колебаний возвращается к поверхности Земли, где регистрируются специальной, достаточно сложной аппаратурой.
.
Угловой коэффициент годографа:
.
Годограф отраженной волны имеет вид гиперболы и описывается уравнением:
,
где х — расстояние от пункта взрыва до сейсмоприемника; h — расстояние по нормали от пункта взрыва до отражающей границы; φ— угол наклона отражающей границы.
Перед выражением 4hxsinφ ставится знак минус для точек профиля, расположенных от пункта взрыва по восстанию отражающей границы, и знак плюс — для точек по падению ее.
Для горизонтальной отражающей границы sinφ = 0 и уравнение годографа имеет вид:
.
Годограф преломленной (головной) волны представляет прямую, отстоящую от начала координат на некоторое расстояние и наклоненную к оси х под углом i. Уравнение годографа преломленной волны для наклонной преломляющей границы имеет вид
где i — угол полного внутреннего отражения; φ — угол наклона преломляющей границы.
Знаки плюс или минус берут в зависимости от тех же условий, что и для годографа отраженной волны.
Для горизонтальной преломляющей границы уравнение годографа будет иметь вид:
.
Угловой коэффициент отрезков прямых, составляющих годограф головной волны, можно определить, продифференцировав уравнение по х:
.
Для некоторого участка по годографам можно определить скорость движения фронта волны вдоль профиля наблюдения. Эта скорость называется кажущейся .
Кажущаяся скорость обычно больше действительной, так как путь фронта волны Δх за время Δt больше пути волны по лучу ΔS. Связь между кажущейся и действительной скоростью выражается законом Бендорфа:
где γ — угол падения луча.
Для лучей головной волны их угол падения зависит от угла полного внутреннего отражения i и угла наклона преломляющей границы φ
, .
Различают линейные и поверхностные годографы. Линейным называется годограф, построенный вдоль линии наблюдения — профиля. Если профиль проходит через пункт возбуждения колебаний, то профиль и годограф называются продольными. Если же профиль находится в стороне от пункта возбуждения, то такой профиль и годограф, построенный вдоль него, называются непродольными. Иногда строят годографы по нескольким профилям, пересекающимся в точке возбуждения колебаний, они образуют поверхностный годограф.
Скорости, изучаемые в сейсморазведке
Геологические формации отличаются обычно сложным скоростным разрезом. Очень редко встречаются однородные (изотропные) среды, в которых скорость распространения упругой волны в каждой точке постоянна по величине и направлению. В повсеместно распространенных неоднородных (анизотропных) средах скорость распространения упругих волн в разных направлениях различна.
Неоднородность геологической среды обусловлена многими причинами. Среда может быть слоиста, где каждый слой характеризуется своей скоростью распространения волны. Среда может обладать градиентом скорости, т. е. закономерным изменением скорости в горизонтальном или вертикальном направлении. Чаще всего наблюдается увеличение скорости с глубиной, связанное с уменьшением пористости пород. Таким образом, с помощью сейсморазведки изучают геологические среды, состоящие из слоев, в каждом из которых скорость распространения волны постоянна или непрерывно меняется. На границах слоев скорости меняются скачками. Поэтому для полной скоростной характеристики геологических разрезов используют несколько типов скоростей распространения упругих волн.
Пластовая скорость vпл — скорость распространения волны в каждом отдельном пласте изучаемого разреза.
Средняя скорость vcp — скорость распространения волны через пачку пластов. Ее вычисляют по формуле:
,где — мощности пластов изучаемой среды; t1, t2, ... tn — время пробега волны через каждый пласт.
Пластовая и средняя скорости определяются по сейсмическим наблюдениям в скважинах.
Эффективная скорость vэф — скорость распространения упругой волны, определяемая по годографам отраженных волн. Только в однородной среде vэф=vср. В многослойной среде vэф>vср.
Граничная скорость vr — скорость распространения скользящей (граничной) волны вдоль преломляющей границы, определяемая по годографам головных преломленных волн.
Кажущаяся скорость vK — скорость движения фронта волны вдоль линии наблюдения.
Чаще всего сейсмические свойства горных пород характеризуются истинной скоростью распространения волн. Истинная скорость vp определяется в естественном залегании методами сейсмического и акустического каротажа.
Породы могут характеризоваться примерно одинаковыми скоростями продольных волн. В этом состоит трудность истолкования результатов сейсморазведки, вызывающая необходимость получения нескольких упругих характеристик для одной геологической среды.
В отличие от других методов геофизики, интерпретации данных сейсморазведки предшествует очень трудоемкий этап обработки сейсмограмм и магнитограмм, направленный на выделение из сотен зарегистрированных волн нескольких полезных.
С помощью, как рациональной системы наблюдений, так и сложной цифровой обработки материалов надо подавить множество регулярных и нерегулярных волн-помех и выявить кинематические (время прихода) и динамические (амплитуда сигналов) характеристики волн.
Далее их надо идентифицировать однократными отраженными или преломленными (рефрагированными) волнами.
Принципиальной основой сейсморазведочных данных служит решение так называемых обратных задач.
В сейсморазведке – это определение строения сеймогеологической среды по наблюдениям возникающего в ней поля упругих волн.
Идеальным решением этой задачи явилось бы установление истинного распределения скоростных и поглощающих свойств горных пород во всем объеме изучаемой геологической среды.
В сейсморазведке различают обратную кинематическую и обратную динамическую задачи. Обратная кинематическая задача заключается в том, чтобы по времени прихода полезных волн восстановить положение сейсмических границ и распределение скоростей.
Решение этой задачи называют кинематической интерпретацией сейморазведочных данных.
В настоящее время кинематическая интерпретация является преобладающей и служит основой решения традиционных задач структурной сейсморазведки.
Обратная задача динамической интерпретации состоит в том, чтобы по амплитудам полезных волн определить упругие и поглощающие свойства горных пород. Цель прогнозирование некоторых характеристик горных пород – литологического состава, пористости, проницаемости, флюидонасыщенности.
При решении обратной задачи различают стадии обработки и интерпретации.
Обработка состоит в преобразовании данных с целью извлечении полезной информации. Интерпретацией называют физико-геологическое истолкование результатов обработки.
Следует обратить внимание на принципиальное различие между процессами обработки и интерпретации. Операции, относящиеся к стадии обработки, могут быть полностью формализованы.
Это позволяет построить алгоритм - последовательность вычислительных и логических операций, однозначно преобразующих исходные данные в информацию желаемого вида.
В зависимости от характера взаимодействия геофизика с компьютером различают пакетный и интерактивный режимы обработки.
В первом случае одновременно обрабатываются достаточно большой объем исходных данных по заранее установленному графу с предварительно подобранными параметрами процедур. По существу это производственный режим обработки.
Во втором случае обработка выполняется на ограниченном объеме типичных исходных данных в процессе «диалога» геофизика с компьютером и имеет целью выбор и тестирование рациональной последовательности и оптимальных параметров процедур. По существу это – настроечный режим, в котором формируется граф последующей пакетной обработки.
В методе общей глубинной точки (МОГТ) для каждой точки профиля (xi) получается несколько (N) сейсмотрасс, т.е. запись с разных пунктов возбуждения (ПВ) и сейсмоприемников (ПП), расположенных симметрично от xi (точки записи).
При такой системе
наблюдений во всех точках профиля
последовательно могут
Поскольку, кроме однократных
волн, на сейсмограммах регистрируется
множество многократно отраженн
Для этого используются сложные многоступенчатые приемы суммирования всех N сейсмотрасс с введением в них кинематических поправок и получением так называемых суммотрасс. Обработка требует больших расчетов и выполняется в автоматическом режиме на ЭВМ.
Основу цифровой обработки сейсмических данных составляют три вида математических операций:
- преобразования Фурье,
- свертка (конволюция) сигналов,
- корреляция.
Преобразования Фурье преобразуют функции во временной области (например, короткий импульс при возбуждении упругой волны) в функции в частотной области (например, длительная гармоническая запись сигнала, снимаемого с сейсмоприемника) и обратно.
Важно, что информация в ходе таких преобразований принципиально не теряется, но ее обработка более удобна и наглядна иногда в частотной, иногда во временной областях.
Свертка сигналов - это математическое решение задачи фильтрации, т.е. операция замещения каждого элемента входного сигнала некоторым выходным с определенной весовой функцией. Один из этих сигналов берется перевернутым, т.е. в противофазе.
Корреляция выявляет меру сходства двух последовательностей (выборок каких-то данных). Она аналогична свертке, только без переворота одной из функций. Например, с помощью метода взаимной корреляции определяется сходство сигналов двух трасс записей сейсмоприемников. Для улучшения сходства в один из каналов можно ввести временной сдвиг.
Целью разных методов цифровой обработки является увеличение отношения сигнал/помеха, чтобы надежно отфильтровать кратные и другие волны-помехи, прокоррелировать оси синфазности полезных однократно отраженных или преломленных волн, определить время их прихода по всем трассам и изменение амплитуд сигналов по ним.
Процедуры обработки.
В большинстве случаев выделение полезных сигналов (волн) из записанной в поле волновой картине затруднено различными мешающимися колебаниями, которые необходимо ослабить. С этой целью выполняют фильтрацию сейсмических записей.
В сейсморазведке давно замечено, что обычно регистрируемые полезные сейсмические волны и волны- помехе в среднем достаточно заметно различают между собой по частотному спектру и диапазону.
Это могут быть:
- преломленные, рефрагированные и многократные отраженно-преломленные волны (5-50 Гц, 1000-2000 м/с),
- поверхностные волны релеевского типа (3-30 Гц, 100-1000 м/с),
- многократно-отраженные волны (10-60 Гц, 1500 и более м/с)
- случайные помехи микросейсмы (10-100 Гц),
- электрические наводки (48-52Гц)
- звуковые волны (60-125 Гц, 300-350 м/с)
При различиях спектрального состава полезной и мешающей компонент волнового поля применяют одноканальную частотную фильтрацию. То есть фильтр имеет один входной канал.
Различные виды фильтров – граничные, полосовые, режекторные, обратные, корректирующие – могут использоваться совместно и многократно в процессе обработки. Фильтрацию выполняют как во временной, так и в частотной области.
К одноканальным преобразованиям сейсмической записей относится также модификация амплитуд.
Модификация амплитуд:
Если полезный сигнал значительно сильнее помехи. В таких благоприятных условиях обнаружение полезных волн не вызывает затруднений, поскольку высока амплитудная разрешенность записи.
В этом случае перед частотной фильтрации можно ставить задачу сокращения сейсмической записи за счет некоторого снижения избыточной амплитудной разрешенности.
Критерием оптимальности фильтрации может служить условия минимального среднего квадратического отклонения амплитуд выходного сигнала от амплитуд заданного импульса короткой длительности. Чаще всего в качестве такого импульса выступает единичный импульс. Фильтр, осуществляющий такое преобразование, называют оптимальным обратным фильтром. Часто такой тип фильтрации называют деконволюцией.
Возможности фильтрации значительно возрастают, если волны-помехи отличаются от полезных колебаний кажущимися скоростями. Тогда применяют многоканальную пространственно-временную фильтрацию волновой картины.