Требования к результатам таких исследований постоянно возрастают – первые такие работы начали проводиться в нашей стране в 60-е годы 20 века (Калинин и др., 1964; Калинин, 1976), за рубежом несколько ранее (Beckmann et all, 1959; Ewing and Tirey, 1961; Edgerton, 1963).
Технология работ заключалась в одноканальном профилировании – за бортом судна буксировались один источник (электроискровой – спаркер, бумер или пневматический источник) и одноканальная пьезоприемная коса. Работы проводились при постоянном движении судна, поэтому получили название «непрерывное сейсмическое профилирование» (НСП). Результаты регистрировались на бумажном носителе и получили название «сейсмический временной разрез», по аналогии с геологическим разрезом. Для тех времен технология оказалась очень эффективной, и метод получил широкое распространение.
Однако простота метода была и причиной его недостатков – по одноканальным данным невозможно было опредлять скорости сейсмических волн в среде, были ограничены возможности подавления многочисленных помех.
Когда появились технические возможности начали применять многоканальную регистрацию данных. Это позволило повысить помехоустойчивость метода, дало возможность определять скорости волн в среде и тем самым повысить точность и достоверность построений (Бондарев и др., 1988; Гайнанов и др., 2006; Гайнанов и Токарев, 2008).
По мере развития способов цифровой обработки данных технологии проведения таких работ также начали совершенствоваться. Целями были повышение разрешающей способности и глубинности исследований, а также определение физико-механических, литологических и коллекторских свойств грунтов при комплексной интерпретации сейсмических данных с данными скважинных исследований и инженерно- технических испытаний.
Многие из таких новых методических приемов описаны в нашей предыдущей публикации в данном журнале (Гайнанов и др., 2021), но технологии быстро совершенствуются, и здесь мы хотим рассмотреть новые тенденции в этой области.
Технологии высокоразрешающих сейсмических исследований на акваториях
Прежде чем перейти к основной теме нашей работы, следует сделать краткий обзор высокоразрешающих сейсмических исследований верхней части геологического разреза вообще. Если придерживаться классификации методов по
работе (Thomas et all., 2012), то наибольшую глубинность (до 1 км) для таких исследований при относительно высокой вертикальной разрешающей способности (4 – 1 м) может обеспечить так называемая «сейсморазведка высокого разрешения» (СВР), работающая на частотном диапазоне колебаний 80 – 375 Гц. Далее идет «сейсморазведка сверхвысокого разрешения» (ССВР) на частотном диапазоне колебаний 375 – 1500 Гц с разрешающей способностью около 1 м и менее, наиболее востребованная в такого вида исследованиях. Последним в такой классификации называют «сейсморазведку ультравысокого разрешения» (СУВР), в прежнем у нас названии – «акустические исследования» на частотном диапазоне колебаний 1,5 – 13 кГц с разрешающей способностью около 25 см и менее.
Для каждого диапазона частот существуют свои источники колебаний, приемные системы и соответствующая методика наблюдений. Поэтому достаточно долгое время каждый из этих методов (или методик) применялся в отдельности, в разное время или с разных судов, что, конечно, удлиняло сроки проведения исследований и удорожало работы.
Идея проводить сейсмические наблюдения в различных частотных диапазонах для получения данных с различной разрешающей способностью, будучи совершенно очевидной, начала внедряться на практике достаточно давно. Наиболее часто применяется сочетание сейсмического источника и профилографа или локатора бокового обзора, но встречаются и работы, где применялись либо различные типы источников, либо источники, помещавшиеся на различной глубине.
В нашей стране пионерской можно считать методику двухчастотных высокоразрешающих сейсмических исследований с применением бумера и спаркера (Безродных и др., 2002), несколько позже мы также стали применять такую методику (Гайнанов и др.,2008).
Дальнейшее совершенствование технологии таких исследований имело главной целью повышение разрешающей способности исследований (что равносильно расширению спектра сигнала), как за счет использования более сложных систем наблюдений, так и применения современных способов цифровой обработки данных.
Одним из таких способов является буксировка источника и приемника на достаточно большой глубине, такой, что волны-спутники от поверхности воды регистрируются с достаточно большим запаздыванием от основной волны и не худшают разрешенности записей для верхних частей разреза (Tokarev et all., 2006).
Другой подход заключается в буксировке наклонной косы, и за счет разной глубины погружения приемников разных каналов при суммировании таких данных волны-спутники также ослабляются (Гайнанов, 2019; Soubaras et all.,
2013).
Практически одновременно с наклонными косами появились системы двухуровневой буксировки (Moldoveanu et all., 2007). При регистрации данных на сейсмокосы, буксируемые на двух разных уровнях, «провальные» низкие и высокие частоты, регистрируемые на приповерхностной косе, будут обогащены данными с глубокой косы.
Соответственно, после обработки можно получить широкополосную запись с высоким разрешением.
Хотя такая идея появилась давно, несовершенство технологии проведения наблюдений и способов обработки не позволяло реализовать ее на практике даже для нефтегазовой сейсморазведки. Только не так давно появилась возможность реализовать ее при высокоразрешающих сейсмических исследованиях (Tokarev et all., 2016; Токарев и др. 2018).
В 2015 году на шельфе моря Лаптевых в рамках региональных инженерно-геологических исследований была применена разработанная под руководством М.Ю. Токарева методика двухуровневых трехчастотных сейсмических аблюдений (рис. 1б). Целью исследования было обнаружение и картирование геологических опасностей в верхней части разреза.
В качестве излучателей сигнала использовались спаркер с центральной частотой сигнала около 500 Гц и пневмоисточник с центральной частотой порядка 250 Гц с попеременным возбуждением. Источники буксировались на двух уровнях: пневмопушка на глубине погружения поверхностной косы, электроискровой источник на уровне заглубленной приемной системы. Приповерхностная пьезокоса, состоящая из 96 каналов, расположенных с шагом 3,125 метра, была заглублена примерно на 1,5 метра, 16-канальная пьезокоса (шаг между одиночными приемниками 2 метра) заглублялась в среднем на 25 метров. В качестве третьего приемно-излучающего устройства использовался параметрический профилограф, работающий на частоте 8 кГц. Для определения особенностей рельефа дна использовались гидролокатор бокового обзора (ГЛБО) и многолучевой эхолот (МЛЭ).
Дополнение многоканальных наблюдений высокочастотным непрерывным сейсмоакустическим профилированием в набортном или заглубленном варианте позволяет за один проход судна получать данные в трех частотных диапазонах сейсмических наблюдений. Пример таких наблюдений приведен на рисунке 16.
Отражение от кровли газонасыщенных отложений имеет много общего с отражением от кровли многолетнемерзлых пород. Обе эти поверхности характеризуются повышенными амплитудами отражений, неровным рельефом, краевыми дифракционными эффектами, могут располагаться резко дискордантно по отношению к отражениям от геологических слоев. При высокочастотных сейсмоакустических исследованиях (профилографы SES, Parasound и др.) обе поверхности почти всегда являются акустическим фундаментом, что не позволяет изучить нижележащую часть разреза. Единственным надежным критерием, позволяющим идентифицировать газонасыщенные отложения, является отрицательная полярность отражения от их кровли (т.е. обратная по отношению к полярности отражения от дна), что связано с резким понижением скорости волн в загазованных интервалах разреза. В многолетнемерзлых породах скорости упругих волн, наоборот, выше, чем фоновые, и полярность отражений от их кровли – положительная. В то же время при применении только высокочастотных профилографов определить полярность отражений практически невозможно, поскольку используется огибающая сигнала.
Сейсмические исследования на шельфе моря Лаптевых в трех частотных диапазонах позволили не только решить эту проблему, но и получить дополнительные преимущества при интерпретации. Представленная технология сейсмических исследований в широком диапазоне частот от 50 Гц до 3,5 кГц позволяет достичь оптимальных параметров съемки по глубинности и вертикальной разрешающей способности за один проход судна. Применение методики сейсмических работ с комбинированной, приповерхностной и заглубленной приемно-излучающей установкой впервые позволило применить методы динамического анализа и инверсии для сейсмоакустических данных в характерных для Арктического региона сейсмогеологических и гидрометеорологических условиях.
Ярким примером применения разночастотных источников для решения задачи выявления неглубоких газопроявлений может служить работа (Kim et all., 2020).
Набор данных представляют данные многоканальной 2D-сейсморазведки, одноканального сейсмопрофилирования, профилографа и многолучевого эхолота. Источником в методе 2D-сейсморазведки служила пневмопушка с оминирующей частотой порядка 60 Гц. В качестве источника при одноканальном профилировании использовался спаркер с центральной частотой порядка 700 Гц. Рабочая полоса частот профилографа составляла 2 – 7 кГц. М Использование разночастотных источников позволило выявить проявления свободного газа и различные признаки этих газопроявлений.
В работе (de Souza et all., 2015) описывается совместное применение для инженерных целей следующего набора: однолучевой эхолот (две частоты: 38 и 200 кГц), гидролокатор бокового обзора (двухчастотный: 100 и 500 кГц), двойная система профилирования ЛЧМ (чирп) (2 – 8 кГц и 10 – 18 кГц) и бумер (500 – 2000 Гц) (рис. 5).
Однако эти методики не являются в полном смысле слова мультичастотными, поскольку данные обрабатываются и интерпретируются по отдельности.
Мультичастотная высокоразрешающая сейсморазведка
По современным представлениям мультичастотная сейсморазведка, это когда данные, зарегистрированные в разных частотных диапазонах, при обработке объединяются в единые композитные сейсмические трассы с расширенным частотным спектром.
Существует ряд работ, посвященных объединению данных с существенными различиями в частотных диапазонах.
Так, например, в работе (Deplante, 2009) описывается методика SpectralFusion – уникальный метод объединения данных с перекрывающимся спектром для получения набора данных с большей информативностью. Авторы подчеркивают, что слияние спектров будет полезно в тех случаях, когда объединенные спектры двух исследований дают преимущество по сравнению с анализом отдельных исследований. Объединение позволило проводить инверсию на имеющихся данных по упрощенным алгоритмам и корреляцию со скважинными данными.
В работе (Greer and Fomel, 2018) описывается процесс объединения данных, полученных при помощи спаркера и пневматической пушки. Авторы обращают особое внимание на два пункта. Первый – поиск временных поправок, требуемых для корректного суммирования данных, второй – определение весов исходных данных в финальном наборе. Вычисление временных поправок для высокочастотного изображения проводилось в два этапа. На первом этапе из высокочастотного набора убирались высокие частоты, чтобы получившийся частотный диапазон максимально соответствовал частотному диапазону низкочастотных данных (рис. 6). После «балансировки» спектров вычислялся атрибут локальной фазовой схожести» (Fomel and Jin, 2009) который отражает статические поправки, необходимые для синфазного суммирования данных. На втором этапе веса, с которыми производилось объединение данных, определялись так, что в верхней части разреза при суммировании большая часть данных бралась из высокочастотного набора, а на больших глубинах – из низкочастотного набора. В итоге складывались два исходных набора данных с определенными есами и вычисленными временными задержками для высокочастотного набора данных (рис. 7).
Еще одна работа (N rmark et all.,2014) посвященная объединению данных, полученных с помощью пневмоисточника и спаркера, опирается на те же принципы с небольшими различиями. Если в предыдущей работе производилось объединение данных, полученных в разное время, то есть архивных данных и новой съемки с использованием системы P-cable, и приходилось применять относительно «сложные» процедуры корреляции, то в этой работе данные были получены за один проход судна, и для синфазного суммирования никаких процедур, кроме приведения к нуль- фазовому виду, не применялось. Алгоритм определения весов также упрощен во второй работе, веса присвоены линейно: больше от пневматического источника на больших глубинах, больше от спаркера на малых глубинах (рис. 8).
Авторы отмечают, чтопреимущество комбинированного набора данных заключается в том, что в нем присутствует как низкочастотная, так и высокочастотная информация. При правильной балансировке полученных сумм, такой набор данных может быть полезен при проведении инверсии, для оценки скоростей продольных волн.
Работа (Yang et all., 2022) объединяет несколько приемов обработки. В ней приводится пример получения и объединения данных спаркера с частотным диапазоном (50 – 500 Гц) и пневмопушки с центральной частотой порядка 200 Гц, полученных практически по одному профилю. Авторы отмечают, что такая технология является удачным подходом для задач разведки, которые требуют не только большой глубины разведки, но и точной визуализации неглубоких слоев. В работе предлагается граф совместной обработки данных от различных источников, в который, помимо стандартных процедур, включена коррекция остаточной статики, коррекция трим-статики и предсказывающая деконволюция до суммирования. На рис. 13 а приведены амплитудные спектры сигналов спаркера и пушки, а также объединенных данных, а на рис. 9 a – амплитудные спектры для сигналов пневмопушки, спаркера и объединенных данных; b – результаты миграции до суммирования тех же данных.
Анализ рассмотренных статей показывает, что уже существуют наработки алгоритмов для обработки разночастотных данных, которые наглядно показывают улучшение качества результирующих материалов для интерпретации.
При выполнении высокоразрешающей сейсмической съемки в Карском море в 2021 году мы возбуждали колебания двумя источниками с центральными частотами 220 и 600 Гц. Повышение качества сейсмического изображения среды достигалось за счет совместной обработки мультичастотных наборов данных. Низкочастотный источник обеспечивал необходимую глубинность съемки, а высокочастотный повышал детальность сейсмических данных. Работа источников производилась в режиме поочередной стрельбы (flip-flop). Прием колебаний осуществлялся на две 16-канальные косы, буксируемые на соответствующих глубинах для оптимального приема сигналов низкочастотного и высокочастотного источников (рис. 10).
Таким образом, данная методика позволяла при одном проходе судна получать данные, соответствующие частотным диапазонам СВР и ССВР.
Результатом наблюдений являлись четыре набора данных, отвечающих комбинациям «низкочастотных» (НЧ) и «высокочастотных» (ВЧ) источников и приемных кос. Соответствующие разрезы (рис. 11) убедительно доказывают преимущества «низкочастотного» в глубинности и «высокочастотного» в разрешающей способности. Однако «суммированный» мультичастотный разрез (рис. 12) сохраняет достоинства того и другого.
Так, отражение в центре записи на времени ≈260 мс почти не прослеживается на «высокочастотных» данных, а тонкий слой на времени ≈140 мс не различим на «низкочастотном». В работе (Ампилов и др., 2018) приводится пример сейсмической съемки, позволяющей получить данные в трех частотных диапазонах за один проход судна: сейсморазведки высокого и сверхвысокого разрешений, а также сейсморазведки ультравысокого разрешения. Проведенные исследования позволили идентифицировать геологические опасности в верхней части разреза, дифференцировать области распространения газонасыщенных отложений и многолетнемерзлых пород (рис. 13).
В работах (Пирогова и др., 2021; Пирогова и др., 2021а, Pirogova et all., 2021) приводятся примеры использования мультичастотных сейсмических данных при изучении особенностей строения верхней части геологического разреза с выявлением и оценкой геологических рисков для строительства буровых сооружений на шельфе. В ходе исследований были использованы следующие типы данных: 3D стандартная сейсморазведка (3D СР) (частотный диапазон – 5–120 Гц, вертикальная разрешающая способность – 4–12 м, глубинность – до 1 км), 2D/3D-сейсморазведка высокого разрешения (СВР, частотный диапазон – 90–500 Гц, вертикальная разрешающая способность – первые метры, глубинность – до 1 км), 2D/3D-сейсморазведка сверхвысокого разрешения (ССВР, частотный диапазон – 150 – 750 Гц, вертикальная разрешающая способность – 0,5 – 2 м, глубинность – до 300 м) и 2D-сейсморазведка ультравысокого разрешения с заглубленной установкой (СУВР, частотный диапазон – 150 – 750 Гц, вертикальная разрешающая способность – 0,5 – 0,1 м, глубинность – до 30 м).
Особое внимание при совмещении данных уделялось определению статических поправок для синфазного суммирования данных и подбору весов при суммировании изображений. Для расчета статических поправок, связанных с волнением моря, для каждой сейсмограммы ОГТ, после учета кинематической поправки, применялась высокочастотная статика. Пример «выравнивания» данных представлен на рис. 14, а на рис. 15 представлены фрагменты разрезов о трем разночастотным методам и суммарный разрез.
Таким образом, мультичастотные сейсмические исследования открывают обширные возможности для получения качественных высокоразрешающих сейсмических данных и их интерпретации. Использование низкочастотных данных позволяет выделить и охарактеризовать более глубинные объекты. Использование среднечастотных и высокочастотных методов позволяет детализировать и уточнить строение среды в ВЧР, идентифицировать и охарактеризовать приповерхностные и малоглубинные объекты. Использование данных разных частотных диапазонов обеспечивает возможности для динамического анализа данных сейсморазведки. Например, на мультичастотных данных возможно применение методики последовательной динамической инверсии, позволяющей построить детальную модель упругих свойств отложений в верхней части разреза.
