Межскважинное сейсмическое просвечивание.

 

В последнее время все чаще начинают применять межскважинное сейсмическое просвечивание для детального изучения строения углеводородных резервуаров, а также при инженерно-геологических изысканиях. Помещение и источника, и приемников колебаний во внутренние точки среды дает большой выигрыш в разрешающей способности и детальности исследований.

Рис.65. Межскважинное сейсмическое просвечивание: a) система наблюдений (сплошные линии – лучи прямых волн, пунктирные – отраженных), b) пример сейсмограммы, полученной с пункта возбуждения на глубине 48 м (1 – вступления прямых волн, 2 – вступления волн, отраженных от границы на глубине 78 м). Обратите внимание на высокочастотный спектр волн (100-2000 Гц) в малом окошке.

 

Хорошие данные получаются при возбуждении колебаний электроискровым источником и приеме их пьезоэлектрическими приемниками – гидрофонами (рис.65). Широкая полоса частот используемых колебаний, высокое отношение сигнал/шум обеспечивают возможность определения времен вступлений прямых волн с высокой точностью, и соответственно, восстановление скоростного закона в межскважинном пространстве. Недостатком такой методики является прием и регистрация только продольных волн.

Современные положения инженерно-геологических изысканий требуют также знания скоростей поперечных волн в среде, чтобы по отношению скоростей продольных и поперечных волн оценить несущую способность грунта. Для регистрации поперечных волн при межскважинном просвечивании необходимо использовать трехкомпонентные зонды с качественным прижимом к стенкам скважины. Особые требования предъявляются к обсадке скважин и качеству цементации затрубного пространства. В определенных условиях и простые источники волн типа «центра расширения» (например: электроискровой или пневматический) способны возбуждать в скважине поперечные волны, но иногда для этого требуются специальные источники «несимметричного воздействия» на среду (например: специальный ударник по стенкам скважины).

Обработка данных межскважинного сейсмического просвечивания имеет первоначальной целью восстановление скоростного закона в разрезе между скважинами. Для этого в настоящее время используются томографические способы. При этом среда разбивается на некоторое количество ячеек с учетом количества пересекающих их лучей. Путем итераций определяются такие значения скоростей для ячеек, которые обеспечивают наименьшие отклонения наблюденных времен пробега волн по лучам от расчетных времен [16]. На рис.67,a представлен пример восстановленного томографическим способом скоростного разреза.

В последующих вступлениях на сейсмограммах межскважинного просвечивания можно заметить волны, отраженные от границ как выше, так и ниже забоя скважины (рис.65, 66). Зная геометрию лучей и сейсмические скорости в среде по этим сейсмограммам можно построить временные и глубинные разрезы, подобные получаемым в методе отраженных волн при поверхностных наблюдениях.

Прослеживанию отраженных волн на сейсмограммах мешают различные помехи: очень интенсивные, но значительно более низкочастотные гидроволны, многократно отраженные волны от дневной поверхности и другие. Для подавления этих помех можно использовать различные частотные и веерные фильтры (рис. 20, глава III), но при межскважинном просвечивании отраженные волны можно усилить, суммируя отражения от одних и тех же точек границ при различных положениях источника и приемника в скважинах, подобно суммированию в методе ОГТ.

 

 

 

Рис.66. Пример сейсмограммы межскважинного просвечивания с записями отраженных волн (1 – вступления прямых волн, 2 – вступления отраженных волн).

 

 

Для того, чтобы отражения при различных расстояниях источника и приемника от границы суммировались синфазно, необходимо ввести кинематические поправки, что требует знания не только геометрии лучей, но и распределения скоростей в среде. Если скорости выше забоя скважины могут быть определены по временам вступлений прямых волн, то для определения скоростей ниже забоя скважины до отражающих границ можно использовать отраженные волны, подбирая в процессе суммирования такие значения кинематических поправок, которые максимально усиливают отраженные волны от этих границ.

На рис.67, b представлен разрез, полученный по описанной выше технологии. Достоинствами такой технологии являются многократно более высокая разрешающая способность и детальность, чем может быть достигнуто при наблюдениях с дневной поверхности, так как отсутствие влияния ЗМС и возбуждение колебаний во внутренних точках среды позволяют использовать значительно более высокочастотные колебания.

 

 

 

Рис.67. Результаты межскважинного сейсмического просвечивания:

a) томографически восстановленный разрез скоростей продольных волн,

b) временной разрез отражающих границ, полученный в результаты суммирования отражений при различных положениях источника и приемника.

 

 

Контрольные вопросы к главе 5.

 

1. Какие цели преследуют скважинные сейсмические исследования?

2. Системы наблюдений при ВСП.

3. Системы наблюдений при межскважинном просвечивании.

4. Системы наблюдений при АК.

5. Преимущества и недостатки скважинных исследований по сравнению с наблюдениями с дневной поверхности.

6. Способы обработки и интерпретации данных ВСП.

7. Способы обработки и интерпретации данных межскважинного просвечивания.

 

Глава VI. Примеры применения сейсморазведки для решения инженерно-геологических задач.

 

§ 15. Исследование состояния поверхности известняков в районе ж.д. станции Беговая (г. Москва).

 

Задача работ состояла в исследовании разреза до глубин 30-40м в целях инженерно-геологического обоснования строительства крупного сооружения на данной площадке, причем наиболее важной задачей сейсмических работ являлось исследование состояния поверхности известняков карбона и развития карстово-суффозионных процессов в них.

Согласно пробуренным на площадке скважинам, поверхность известняков находится на глубине около 25м от дневной поверхности (рис.68). Известняки перекрыты 3-4 метровым слоем юрских глин. Выше залегает переслаивающаяся толща четвертичных песков и суглинков флювиогляциального и гляциального происхождения общей мощностью 15-20м. В самом верху разреза находятся насыпные грунты мощностью от 3 до 8 метров.

 

Рис.68. Литолого-стратиграфическая колонка по данным бурения.

 

В начале с целью оценки сейсмогеологических условий площадки, а также определения возможностей метода, был отработан профиль методом преломленных волн (МПВ) на продольных волнах (рис.69). Возбуждение колебаний производилось вертикальными ударами кувалдой весом 5кг по металлической пластине, лежащей на поверхности. Прием колебаний осуществлялся вертикальными сейсмоприемниками СВ-30, регистрация - 24-х канальной сейсмостанцией на базе компьютера типа Нотбук и 12 разрядной АЦП. Шаг дискретизации сигнала составлял 1мс. Предварительные усилители сейсмических сигналов имели коэффициенты усиления 200 и полосу пропускания 5-300Гц. Расстояние между сейсмоприемниками составляло 2м. Наблюдения проводились в условиях городского шума, поэтому с каждого ПВ производилось накопление сигналов от 10-50 ударов.

Рис.69. Система наблюдений МПВ.

 

Так как целевая преломляющая граница - кровля известняков - находилась достаточно глубоко (25м), длина расстановки в 46м была недостаточной для регистрации преломленной волны от этой границы в первых вступлениях. Для подробного изучения волновой картины были составлены сводные сейсмограммы для расстановки длиной в 76м с использованием сейсмограмм с выносных ПВ -20м, -30м, 66м и 76м (рис.70).

Рис.70. Сводные сейсмограммы МПВ.

 

Сводные сейсмограммы со встречных ПВ 0 и ПВ 76 практически симметрично подобные, что позволяет считать разрез на этом участке горизонтально слоистым и интерпретировать годографы преломленных волн по характерным точкам излома. Годографы первых вступлений имеют 2 хорошо заметные точки излома: на расстоянии 16м от ПВ (t1=57мс) и на расстоянии 60м от ПВ (t2=80мс). В интервале наблюдений 0-16м в первых вступлениях регистрируется прямая волна со скоростью 270м/с. Такая низкая скорость может быть характерна лишь для рыхлых и сухих насыпных грунтов. Их мощность составляет 6-7м. Ниже, согласно годографам первых вступлений, скорость продольных волн скачком возрастает до 1700м/с, что по всей вероятности соответствует водонасыщенным пескам четвертичного возраста. По второй точке излома годографа первых вступлений (x=60м) средняя скорость в покрывающей толще определяется равной 750м/с, а граничная скорость в подстилающей толще оценивается примерно равной 4500м/с. В данном разрезе (рис.68) такая скорость может соответствовать лишь хорошо сохранившимся известнякам. Их глубина по точке излома годографа оценивается в 24 - 27м.

Данные МПВ в целом согласуются с результатами бурения скважин (рис.68), однако, на наш взгляд, главная задача исследований - прослеживание поверхности известняков карбона и оценка их сохранности - сейсморазведкой МПВ решается недостаточно надежно и точно.

Согласно модельным расчетам, для решения указанной задачи в данных сейсмогеологических условиях может быть предпочтительным метод отраженных волн (МОВ) на поперечных волнах. Продольные отраженные волны от кровли известняков в данном разрезе должны регистрироваться на очень малых временах (порядка 60 - 80мс) и почти для всех пикетов наблюдений будут интерферировать с интенсивными поверхностными волнами Рэлея. И в самом деле, попытки проследить какие-либо волны с гиперболическими осями синфазности на полученных сейсмограммах продольных волн не увенчались успехом (рис.70, рис.71,а), а на сейсмограммах поперечных SH волн такие волны были обнаружены (рис.71,в).

Возбуждение поперечных SH волн производилось горизонтально направленными ударами небольшой кувалдой (P=1,2кг) по вертикально забитому в грунт штырю прямоугольного сечения. Сначала производились удары в одном направлении (y+), затем - в противоположном (y-). В последующем эти записи вычитались одна из другой с целью ослабления помех в виде продольных волн. С каждого ПВ накапливалось по 10 записей ударов одного и другого направления. Прием колебаний осуществлялся сейсмоприемниками СГ-10. Параметры регистрации были те же, что и при регистрации продольных волн. Однако по техническим причинам осуществлялась лишь 12-ти канальная регистрация.

 

а б в

Рис.71. Сейсмограммы, полученные при разных условиях возбуждения и приема на одной и той же расстановке сейсмоприемников 0-22м. Возбуждение на пикете 24м, расстояние между пикетами 2м.

 

На сейсмограммах поперечных волн (рис.71,в) можно увидеть несколько осей синфазности отраженных волн, наиболее ярко выраженная из которых на временах 220 - 260мс и соответствует отражению от поверхности известняков карбона. Эта волна хорошо выделяется на всех пикетах наблюдений (0-22м), имеет достаточно большую амплитуду и примерно гиперболическую ось синфазности. На пикетах 18 - 22м запись волны как бы раздваивается, что может быть объяснено наличием разрывного нарушения в этом месте, и некоторым смещением вверх поверхности известняков на правом крыле разрывного нарушения. Это подтверждается при интерпретации временного разреза по этому профилю (рис.73). Две перекрывающиеся оси синфазности можно объяснить наличием дифрагированных волн с углов разрывного нарушения.

Для более подробного изучения волновой картины, при возбуждении поперечных волн параллельно проводилась регистрация с вертикальными сейсмоприемниками СВ-30 на тех же пикетах наблюдений. На полученной сейсмограмме (рис.71,б) зарегистрировались достаточно интенсивные записи поверхностных волн, так же как и на сейсмограммах вертикальных ударов (рис.71,а), и на сейсмограммах горизонтальных ударов, полученных с горизонтальными сейсмоприемниками СГ-10 (рис.71,в). Но на этой сейсмограмме отсутствуют записи как продольной преломленной волны (в отличие от сейсмограммы вертикального удара - рис.71,а, ПК 0-8, t=80-70мс), так и поперечных отраженных волн (в отличие от сейсмограммы рис.71,в, ПК 0-22, t=260-220мс).

Таким образом, была экспериментально выбрана методика наблюдений поперечных волн, отраженных от кровли известняков карбона. По этой методике было отработано несколько профилей на площади работ. Система наблюдений (рис.72) обеспечивала непрерывное прослеживание границы во всем интервале наблюдений, и частично - прослеживание ее с двукратным перекрытием.

 

 

Рис.72. Система наблюдений МОВ на SH волнах.

 

Рис.73. Временной разрез МОВ на поперечных волнах и кривая эффективной скорости поперечных волн.

 

На рис.73 представлены временной разрез МОВ на поперечных волнах по одному из профилей и кривая изменения эффективной скорости поперечных отраженных волн по результатам подбора кинематических поправок. Отражение от поверхности известняков на временном разрезе непрерывно прослеживается во всем интервале наблюдений от 0 до 46м, на временах 220 - 210мс, в виде достаточно интенсивных и всего лишь двухфазных (отрицательной и положительной фазы) колебаний с практически горизонтальной осью синфазности. Только около ПК 20-22 прямолинейность оси синфазности нарушается, что, по всей видимости, обусловлено наличием разрывного нарушения в известняках на этом месте. На наличие разрывного нарушения указывают как вертикальное смещение поверхности известняков и некоторой части вышележащих отражающих границ, так и присутствие дифрагированных волн на временном разрезе в окрестностях разрывного нарушения. По нашей интерпретации с учетом значений скорости поперечных волн в покрывающей толще кровля известняков залегает здесь на глубине 28,5-26,5м, в правой части профиля поверхность известняков приподнято по разрывному нарушению на 1,5 - 2м. Признаков карста в известняках на данном временном разрезе не обнаружено.

В верхней части временного разреза (рис.73) просматриваются отдельные оси синфазности, соответствующие отражениям от границ внутри песчано-глинистой толщи. Однако система наблюдений не была ориентирована на прослеживание этих мелко залегающих границ, поэтому непрерывное их прослеживание невозможно.