Способы, увеличения отношения сигнал/помеха при приеме.

Частотная фильтрация. Если спектры сигнала и помехи не совпадают, то правильно выбранная частотная фильтрация может дать существен­ное улучшение отношения сигнал/помеха на регистрируемых трассах. Оптимальным называется такой фильтр, который максимизирует отношение сигнал/помеха на обработанной трассе. Коэффициент пропуска­ния такого фильтра в частотной области оказывается прямо пропорциональным амплитуде сигнала и обратно пропорциональным амплитуде помехи. Однако при выборе фильтрации необходимо учесть, что сжатие поло­сы частот сигнала приводит к его растяжению во времени, следова­тельно, ухудшает разрешающую способность исследований. Поэтому на практике принимают некоторый компромиссный вариант фильтра. В зависи­мости от критериев оценки оптимальные фильтры бывают разные ([5], стр. 364).

Часто приемлемых результатов можно достичь и используя полосовые частотные фильтры, должным образом подбирая их частоты среза и крутизны (§ 5). На рис.19 и 20 представлены примеры улучшения соотношения сигнал/помеха при помощи частотной фильтрации.

Фильтрация по направлению подхода волн (пространственная фильтрация или фильтрация по волновому числу или по кажу­щейся скорости ). Простейшим фильтром такого типа, применяемым при наблюдениях в сейсморазведке, является группирование сейсмоприемников на профиле, аналогично груп­пированию источников. Приемная группа – это некоторое число сейсмоприемников, установленных на профиле с интервалом , и соединенных последовательно или параллельно, так что их сигналы суммируются. Такие группы включаются на входы каждого канала вместо одиночных сейсмоприемников. При этом волны с малой кажущейся скоростью (например: поверхностные волны), принимаются соседними сейсмоприемниками со сравнительно большим запаздыванием и в сумме подавляются, а волны с большой кажущейся скоростью (отраженные волны вблизи пункта возбуждения) суммируются почти в фазе и усиливаются (рис.18).

Рис.20. Сейсмограммы ВСП. Электроискровой источник в скважине на глубине 96м, гидрофоны расположены выше с шагом 1м: a) – полевая сейсмограмма, c) – после полосовой фильтрации, f) – после веерной фильтрации, b) и d) – частотные спектры до и после полосовой фильтрации, e) и g) – двумерные спектры сейсмограмм до и после веерной фильтрации. На полевой сейсмограмме (a) доминируют низкочастотные гидроволны, распространяющиеся вдоль ствола скважины вверх (2) и вниз (3), а также волны, отраженные от дневной поверхности (4). После полосовой фильтрации (c) стали видны более высокочастотные волны, отраженные от глубоких границ (1), хотя в отдельных интервалах их прослеживанию мешают волны, отраженные от дневной поверхности (4) с противоположным наклоном осей синфазности, а также высокочастотные гармоники гидроволны (2) с более пологими, чем продольные отраженные волны осями синфазности. На двумерном спектре (e) эти волны хорошо различаются, и соответствующим веерным фильтром существенно ослабляются, так что отраженные волны прослеживаются гораздо лучше (f).

Веерный, фильтр (рис.20) является наиболее оптимальным пространственным фильтром, так как позволяет усиливать или подавлять на сейсмических записях волны не только в заданном диапазоне частот, но и кажущихся скоростей. Работу веерного фильтра можно представить как суммирование некоторого количества сейсмических трасс с определенными сдвигами относи­тельно друг друга, когда суммируемые трассы пропускаются через специально рассчитанные для каждой трассы частотные фильтры ([7], стр. 274).

Фильтрация волн по эффективной скорости (метод общей глу­бинной точки – МОГТ, общей средней точки – ОСТ или метод многократных перекрытий).

При исследованиях MOB одновременно с волнами, отраженными от сравнительно глубоких границ, к поверхности наблюдений могут подходить вол­ны, дважды, трижды и большее число раз пробегающие между поверхностью и сравнительно неглубокими границами. Времена вступлений, частотный состав и направление подхода этих волн могут существен­но не различаться, поэтому и разделить их указанными выше средствами невозможно. Однако может быть разница в кривизне годографов, и соответственно, кривизне осей синфазности сейсмограмм, если пластовые, следовательно, и эффективные скорости возрастают с глубиной, как это часто встречается в природе (рис.21). В таком случае для усиления однократной волны от глубокой границы можно поступить следующим образом: будем сдвигать трассы на сейсмограмме вдоль оси времен так, чтобы оси синфазности (годограф) этой волны превратились в горизонтальные прямые линии ( на рис.21, a и b). Оси синфазности (годограф) двухкратной волны от первой границы () при этом сохранят некоторую остаточную кри­визну. Если просуммировать теперь эти трассы, то волна уси­лится, а волна будет подавлена, т.е. на суммарной трассе (рис.21, e) останется практически только одна волна - однократная.

Указанные поправки называются кинематическими () и их достаточно легко рассчитать в слу­чае горизонтальных границ. Но на практике мы не можем ожидать этого по всему профилю. Для практической реализации указанного способа можно поступить так: источник и приемник шаг за шагом отодвигаются от центральной точки в обе стороны по профилю (рис.21, f). Тогда каждый раз отражение происходит примерно от одной об­щей отражающей точки (площадки), даже если граница имеет небольшой наклон.

 

Сводные годографы ОГТ однократной и двухкратной волн симмет­ричны относительно центральной точки (см. вывод уравнения годогра­фа ОГТ, § 2). Производя суммирование этих трасс с соответствующими временными поправками, можно получить запись, где будет усилена однократная волна. Эту запись относят к центральной точке O₁. За­тем переходят к следующей точке, и все повторяют сначала. В этом и заключается идея метода ОГТ (ОСТ).

На практике наблюдения проводятся многоканальной установкой, после каждого возбуждения перемещая источник и приемники на небольшой шаг по профилю (см. система наблюдений в МОГТ). Сейсмограмма ОГТ формируется путем подборки соответствующих трасс с многих пунктов возбуждений.

Необходимо заметить, что при суммировании по методу ОГТ подавляются также случайные помехи в виде шумов, нерегулярные отражения от объемных неоднородностей в среде, а также поверхностные и прелом­ленные волны. Конечно, при этом снижается производительность и возрастает стоимость работ. Есть и принципиальный недостаток у метода ОГТ – суммирование трасс производится в предположении, что отражающие площадки близки к горизонтальным, а покрывающая толща в пределах расстановки - практически однородная. В результате существующие неоднородности среды в определенной степени сглаживаются, т.е. разрешающая способность по горизонтали ухудшается.

Х мерная (3D) сейсморазведка.

До 80-х годов 20 века в сейсморазведке в основном применялись только наблюдения по профилям, обработка данных и интерпретация осуществлялись в плоскости профиля, т.е. приходилось считать изучаемые объекты двумерными (2 _х мерная (2D) сейсморазведка). Конечно, не всегда такие предположения оказываются оправданными. Как следствие этого, неоднородности среды (куполообразные поднятия, разрывные нарушения и т.п.), находящиеся влизи профиля, но непосредственно не пересекаемые линией профиля, проявляются на сейсмических записях в виде боковых или дифрагированных волн. Кроме того, при профильных наблюдениях трудно определить правильную конфигурацию трехмерных объектов. Эти недостатки позволяет преодолеть 3_х мерная (3D) сейсморазведка, которая включает в себя проведение наблюдений по площадным системам и соответствующую обработку данных, позволяющую получать объемные изображения сейсмических объектов (сейсмические кубы).

 

Системы наблюдений.

Система наблюдений - это расположение источников и приемников относительно друг друга и относительно исследуемого объекта.

В 2-D сейсморазведке практически всегда применяют продольное профилирование, т.е. источники и приемники располагают в плане вдоль прямой линии. Очень часто применяется непрерывное профили­рование, т.е. объект непрерывно прослеживается вдоль длинных про­филей при пошаговом перемещении источников и приемников. Иногда проводятся и сейсмические зондирования, когда на заданных участках располагаются короткие профили, непосредственно не связанные друг с другом. В некоторых случаях могут проводиться также и наблюде­ния по непродольным профилям, когда линия наблюдений не проходит через источник. В настоящее время при сейсмических исследованиях на нефть и газ широкое распространение получили площадные наблюдения (3 dimensional - 3D – сейсморазведка), дающие объемную картину месторождения.

Пунктом возбуждения называется точка на профиле, где произво­дится взрыв или удар. Пунктом приема называется точка, в которой находится сейсмоприемник, принимающий колебания (или центр группы сейсмоприемников). Шагом наблюдений называется расстояние между пунктами приема на профиле. В сейсмо­разведке шаг наблюдений обычно выбирается постоянным для определенных работ. Стоянкой сейсмоприемников (расстановкой) называется интервал профиля, на котором расставлены сейсмоприемники, принимающие в данный момент колебания. Интервалом наблюдений (вз­рывным интервалом) называется интервал профиля, на котором прово­дятся наблюдения с одного пункта возбуждения. Если интервал наб­людений небольшой, его можно отработать одной стоянкой сейсмо­приемников. Если интервал наблюдений длинный, то можно поставить несколько стоянок сейсмоприемников со своими регистрирующими сис­темами, или несколько раз повторить возбуждение на этой же точке, последовательно перемещая стоянку сейсмоприемников по всему ин­тервалу.

Изображать систему наблюдений с помощью лучей и годографов волн (рис.22, б, г) бывает недостаточно удобно, в особенности, когда наблюдения производятся с многократным перекрытием. Принято изображать системы наблюдений на обобщенной плоскости, где положения пунктов возбуждения (ПВ) и пунктов приема (ПП) для каждого отдельного наблюдения отображаются вполне однозначно (рис.22, а, в).

Горизонтальная линия на обобщенной плоскости – это линия профиля, где расположены ПВ и ПП, пикеты которых в определенной последовательности обозначены. Через каждый пикет проходят вспомогательные линии под углом +45⁰ и -45⁰, образуя сетку. Для того, чтобы показать, на каком интервале профиля расположены ПП (интервал наблюдений) при возбуждении на каком-либо определенном ПВ, на вспомогательной линии, исходящей от этого ПВ под углом 45⁰, зачерняют тот интервал, на который проецируется линиями под углом -45⁰ интервал расположения ПП.

Изображение на обобщенной плоскости не только однозначно определяет положение ПВ и ПП на профиле, но в случае многократных перекрытий позволяет легко формировать сейсмограммы общего пункта возбуждения (ОПВ), общего пункта приема (ОПП), общих удалений (ОУ), общей глубинной (ОГТ) или общей средней (ОСТ) точки (рис.23).

 

 

Важным вопросом методики является выбор расстояния между пунктами приема(шага наблюдений). Для надежного прослеживания фаз волны на соседних трассах необходимо, чтобы удовлетворялось следующее условие (рис. 24):

Из определения кажущейся скорости

(1.14)

Отсюда получаем формулу для выбора шага наблюдений

Если одновременно нужно зарегистрировать волны с разным час­тотным составом и кажущимися скоростями, то шаг наблюдений выби­рается минимальный, т.е. исходя из требований хорошей коррелируемости самой высокочастотной волны с наименьшей кажущейся скоро­стью.

Система наблюдений определяется исходя из возможности прос­леживания полезных волн и свойств волн-помех. Так как интервалы прослеживания отраженных и преломленных волн разные, то и системы наблюдений в МОВ и МПВ существенно различаются.

Система наблюдений в методе преломленных волн (МПВ).

Преломленные волны вблизи пункта возбуждения не образуются (интервал 0В на рис. 3, § 2). На некотором удалении от пункта возбуж­дения преломленные волны приходят после прямой волны (интервал ВС) и из-за своей малой интенсивности практически не могут быть выделены на записях. Далее пре­ломленная волна Г1 регистрируется в первых вступлениях (интервал СД). На больших расстояниях от пункта возбуждения (за точкой Д) в первые вступления выхо­дит преломленная волна Г2 от более глубокой границы, или волна Г1 затухает. Поэтому область прослеживания волны Г1 ограничивает­ся интервалом СД. При интерпретации данных МПВ для определения скорости в покрывающей толще часто используют годограф прямой волны, а для этого необходимо зарегистрировать также первые вступления волн в интервале ОС.

Полностью интерпретируемые данные получаются при 4-х точечной системе наблюдений. На каждой стоянке сейсмоприемников, перекрыва­ющей по длине весь интервал прослеживания волн (ОД), наблюдения проводятся 4 раза: при воз­буждении на концах стоянки (О₁ и О₂) получают прямой (t₁) и обратный (t₂) годографы (рис. 25), при возбуждении с выносом (О₃ и О₄) - нагоняющие годографы (t₃ и t₄). Длина выноса выби­рается такой, чтобы в точках О₁ и О₂ в первых вступлениях регист­рировались головные волны.

Нагоняющие годографы нужны для двух целей:

1. Вычисляя разности (рис. 26) можно выяснить природу волн. Если годографы соответствуют головным волнам, то величина разности постоянна на всем интервале наблюдения (рис. 26, а), если это - годографы отраженных волн, то разность растет с удалением от пункта возбуждения (рис. 26, 6), если волны рефрагированные, то разность уменьшается по мере удаления от источника (рис. 26, в).

 

 

2. Если волны головные, то, используя параллельность нагоняющего и нагоняемого годографов, можно достроить годограф го­ловной волны в интервале вблизи пункта возбуждения. Для этого достаточно нагоняющий годограф опустить на величину . Это позволяет строить преломляющую границу на всем интервале наблю­дения (см. § 11).

Изложенное выше справедливо в случае прослеживания по профилю одной преломляющей границы. При необходимости прослеживания нескольких границ указанные требования должны быть выполнены для всех границ. В таком случае длина интервала наблюдений выбирается исходя из интервалов прослеживания всех преломленных волн, а расстояние между пунктами возбуждения – исходя из интервала прослеживания на первых вступлениях преломленной волны от самой мелкой границы.

Системы наблюдений в методе отраженных волн (МОВ).

Теоретически, отраженные волны существуют на всех удалениях от источника. Однако, на больших удалениях они интерферируют с прямыми и голов­ными волнами (рис. 3, § 2), а на некотором интервале (например: интер­вал АС на рис. 3, § 2) прослеживанию их мешают прямые и поверхностные волны. Наиболее благоприятные условия для прослеживания отражен­ных волн существуют или вблизи пункта возбуждения (например: ин­тервал ОА для ), или на некотором удалении от него (например: интервал АВ для и интервал СД для ). Систему наблюдений выбирают исходя из подобных условий.

Для непрерывного прослеживания границ в MOB часто применяется система простого непрерывного профилирования (рис.22, а, б), когда прием производится в интервале, примыкающем к пункту возбуждения. Если на этом интервале присутствуют сильные помехи, то применяется система профилирования через интервал (рис.22, в, г), или через два интервала и т.д.

Системы наблюдений в МОГТ.

В МОГТ необходимо зарегистрировать отраженные волны от каждой точки границы при различных расстояниях источник-приемник. Делать это над каждой точкой, постепенно удаляя в разные стороны источник и приемник, нецелесообразно. На практике поступают следующим обра­зом (рис. 27):

Пусть R1 - начальная точка прослеживания границы на профиле, При первом возбуждении источник (О₁) и приемную косу (каналы 1,2, 3,...) располагают так, что середина расстояния между источником и первым каналом косы находится над точкой R1. После каждого воз­буждения источник и приемную косу сдвигают вперед на расстояние, равное шагу наблюдений. При втором возбуждении (О₂) отражение от точки R1 запишет канал 3, канал 1 запишет отражение от следующей точки границы - R2. При третьем возбуждении (О₃) отражение от R1 за­пишет канал 5, от R2 - канал 3, от R3 - канал 1, и т. д. Таким об­разом, при каждом возбуждении на сейсмограмму записываются трассы по числу каналов станции, соответствующие разным глубинным точкам. Сортировка трасс ОГТ на сейсмограммах из разных пунктов возбужде­ния и их суммирование с вводом кинематических поправок производит­ся при обработке данных на ЭВМ (см. главу IV).

 

Длину интервала наблюдений, расстояние между каналами и кратность перекрытия рассчитывают исходя из глубины залегания исследуемой границы, соотношения эффек­тивных скоростей целевых однократных волн и многократных волн-помех, соотношения их интенсивностей и частотного состава коле­баний [2, 5, 10]. Профиль можно отрабатывать такой фланговой сис­темой как в одну, так и в другую сторону (рис.27, а, б). При необ­ходимости большого количества перекрытий используют центральную систему наблюдений, устанавливая сейсмоприемники по обе стороны от пункта возбуждения.

Площадные системы наблюдений - (3D) сейсморазведка.

В современной 3-х мерной сейсморазведке наблюдения выполняются по методике многократных перекрытий. Поэтому это можно рассматривать как дальнейшее развитие МОГТ. Площадные ситемы наблюдений расчитываются таким образом, чтобы многократно получить отражения от одной и той же площадки исследуемой границы, но в отличие от профильных наблюдений, здесь отражения получают под разными углами падения лучей не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной плоскости. Поэтому одновременно с усилением однократно отраженных волн на фоне разных помех, появляется воможность определить положение этой отражающей площадки в простанстве (пространственная миграция). Основные принципы проектирования площадных систем наблюдений изложены в работах [2, 13].

Наиболее простой и доступной для понимания, пожалуй, является крестовая расстановка (рис. 28). При этом по линии наблюдения с равномерным шагом размещаются приемные каналы, скажем 24, а на перпендикулярной линии, проходящей между 12-м и 13-м каналами, - столько же пунктов возбуждения. Если сигналы, возбуждаемые в каждом источнике, принимаются всеми приемниками, то в результате выполнения работ на этой крестовой расстановке формируется поле 576 средних отражающих точек (24*24=576). Площадь, занятая этими точками – точками отражения единичной кратности, представляет собой прямоугольних, стороны которого равны половине длины приёмной линии и половине длины линии возбуждения. Если последовательно смещать расстановку вместе с пересекающей ее линией источников вдоль оси OX на шаг и повторять весь процесс регистрации, то в результате будет достигнуто 12-кратное перекрытие площади, занятой этими точками отражений. Заметьте, что при этом отражения получаются не только при разных удалениях источник-приемник, как при профильных наблюдениях МОГТ, но и при разных азимутах падения волны на границу – от 0^о до 90^о.

В настоящее время, благодаря широкому распространению телеметрических сейсмических станций с числом приемных каналов в сотни и тысячи, применяются более сложные системы площадных наблюдений, позволяющие значительно повысить производительность этих наиболее сложных сейсмических работ, а также обеспечить оптимальные подборки удалений и азимутов падения для исследуемых границ.

В качестве примера рассмотрим вкратце систему наблюдений, построенную с использованием уже рассмотренной крестовой расстановки [2] (рис.29).

Группа сейсмоприемников – шаблон (template) образует прямоугольник, состоящий из нескольких параллельных приемных линий и одной или нескольких линий возбуждения, находящихся внутри этого прямоугольника. Для равномерного покрытия участка съемки бинами с заданной кратностью шаблон перемещается по площади по специальной технологии либо с «перекрытием линий приема», либо с «перекрытием линий возбуждения».

Бином называют прямоугольный участок площади съемки, имеющий по осям OX и OY размеры, кратные шагу приемников и шагу источников (рис.30). Все средние точки, которые попадают вовнутрь этого участка – бина, считаются принадлежащими одной и той же общей средней точке – ОСТ. Количество общих средних точек, попавших в любой заданный бин, принято называть кратностью наблюдений (Fold). Размеры бина определяют исходя из целей разведки, требуемой пространственной разрешенности съемки и экономических соображений. В нефтяной сейсморазведке обычно используют бины с размерами сторон от 25 до 200м. В отдельных случаях в процессе обработки группы соседних бинов объединяют в один бин больших размеров – супербин.

Существует много других систем площадных наблюдений [13], использующих как ортогональное, так и неортогональное расположение линий источников и приемников. Рассмотренный пример относится к регулярным системам наблюдений – в нем расстановки источников и приемников регулярно повторяются по площади исследований, обеспечивая постоянство кратности и азимутов наблюдений. В действительности это возможно, разве что, в пустыне. На практике расположение источников и приемников приходится выбирать исходя из расположения имеющихся дорог, просек, речной сети, застроенных территорий и т.д. Тогда система наблюдений получается нерегулярной. При этом тем не менее нужно стремиться к более или менее равномерному распределению кратности наблюдений, охвату достаточно большого диапазона выносов и азимутов, а также учитывать экономические соображения. Поэтому проектирование систем площадных наблюдений является достаточно сложной и трудоемкой, но очень важной задачей.

 

 

Контрольные вопросы к главе 3.

1. Как определяется отношение сигнал/помеха?

2. Какие помехи подавляются при накоплении сигналов? При группировании источников и приемников?

3. Какие преимущества имеет помещение источника в скважину?

4. По каким признакам разделяются волны при частотной фильтрации? При смешении сигналов соседних каналов? При веерной фильтрации?

5. Какие помехи, не подавляемые вышеуказанными способами, позволяет подавлять метод ОГТ?

6. Почему при суммировании по способу ОГТ подавляются поверхностные волны?

7. Что изменится, если при выполнении работ МОГТ, сохраняя число приемных каналов, уменьшить шаг наблюдений (расстояние между приемниками) в несколько раз по сравнению с расчетным? Увеличить в несколько раз?

8. Какие помехи могут быть подавлены только при площадных наблюдениях?

9. Нарисуйте на обобщенной плоскости систему наблюдений МПВ.

10. Нарисуйте на обобщенной плоскости систему наблюдений 6-кратного МОГТ. 12-кратного МОГТ.

11. Как нужно перемещать по площади крестовую расстановку (рис. 28), чтобы для всех точек ОГТ получить 6-кратное перекрытие? 12-кратное перекрытие?