Освоение Арктического бассейна. Развитие методов когерентной сейсморазведки в шельфовой зоне: перспективы использования при освоении Арктического бассейна

Успехи применения когерентных гидроакустических источников, успешно разрабатываемых в ИПФ РАН с конца 1970-х годов, в исследованиях Мирового океана (например, [1–3]), явились толчком в попытках их использования и при решении геофизических задач, причем не только в морских акваториях. Теоретический анализ [4], а затем и цикл полевых экспериментов показали возможность существенного увеличения эффективности излучения объемных P-волн, используемых в сейсморазведке, при использовании когерентных гидроакустических излучателей в сочетании с когерентной обработкой принимаемых сигналов. Обзор работ ИПФ РАН по когерентной сейсмоакустике по состоянию на начало 2000-х годов с приложениями к построению изображений подземных неоднородностей, решению задач профилирования и поиска потенциально опасных карстовых образований представлен в работе [5]. Более современное состояние, в том числе по направлениям, затрагиваемым в настоящей работе, представлено кратко на интернет-сайте ИПФ РАН (www.iapras.ru/structure/lab_232/info.html). Достигнутый нашим коллективом прогресс в области когерентной сейсморазведки высокого разрешения отражен в недавно опубликованных работах [6-8].

Использование сейсмоакустических сигналов с высокой когерентностью позволяет построить голографические изображения подземных неоднородностей. Возможность долговременного накопления обеспечивает достижение эквивалентной (в смысле отношения сигнал/шум) мощности зондирующего сигнала, превышающей возможности группы пневматических пушек, используемых в морской сейсморазведке [9]. При этом мощность излучения за один сеанс может быть относительно небольшой и составлять не более ~1 кВт акустической мощности. Указанная величина отвечает амплитуде давления в ~100−1000 раз меньше, чем для импульсных пневматических пушек.

Возможность существенного увеличения эквивалентной мощности связана с несколькими причинами. Во-первых, пневматические источники в силу особенностей работы имеют достаточно большую скважность излучаемых импульсов (после короткого импульса излучения требуется значительно большее время на всплытие пузыря и релаксацию среды). Во-вторых, когерентное суммирование принятых сигналов затруднено из-за возможных вариаций параметров среды, куда помещен источник, создающий значительные возмущения. Работа когерентного источника излучения предполагает использование амплитуд, не приводящих к изменению параметров среды распространения пробных волн. При этом возможно использовать длинные непрерывные посылки модулированных сигналов. В результате суммарная энергия за сеанс излучения при малой по сравнению с пневматическими источниками амплитудой оказывается значительно больше для когерентного источника, начиная с определенного времени излучения. Несложные оценки показывают, что при акустической мощности порядка 1 кВт достаточно использовать посылку сложного модулированного сигнала в течение около 1 минуты, чтобы превысить по энергии эффективность работы импульсных пневматических источников, активно и успешно используемых в коммерческой сейсморазведке.



РИС. 1. Морская платформа «Приразломная»

С характеристиками современных пневматических источников можно ознакомиться по документам, которые доступны в сети (например, [10]). Параметры источников практически не изменились со времени издания монографии [9], что указывает на замедление прогресса в создании более мощных и эффективных источников для глубинного зондирования и поиска полезных ископаемых. Крайне важно отметить наличие серьезных экологических проблем, связанных с использованием мощных пневматических источников [11, 12], и связанных с ними международных ограничений на излучаемую мощность. Ясно, что когерентные источники сейсмоакустического излучения в силу меньшей (на несколько порядков) амплитуды переменного давления не оказывают столь негативного воздействия на морских обитателей и, предположительно, не создают значительных экологических проблем для сейсморазведочных работ, что представляется серьезным их потенциальным преимуществом.

РИС. 2. Схема глубинного зондирования в сейсморазведке на Арктическом шельфе (сохранена нумерация патента [13])

Интерес к сейсморазведке в Арктике связан с ожидаемым наличием большого количества углеводородного сырья. При этом предполагаемые глубины залегания продуктивных пластов–коллекторов лежат в диапазоне глубин, доступных для технологий, начиная с середины 90-х годов (см., например, [13]). Более того, имеется уникальный для мировой практики опыт работы отечественной компании Газпром на морской ледостойкой платформе «Приразломная» (соответствующая литература доступна в сети), фотография этого уникального в мировой практике и красивого сооружения приведена на рис. 1. Таким образом, отечественные добывающие компании находятся на «переднем крае» современных технологий в области освоения морских месторождений. Для успешного долговременного развития необходимо располагать эффективными средствами сейсморазведки в условиях Арктического шельфа.

ТАБЛИЦА 1. Параметры слоистой среды, использованные при моделировании распространения сейсмических волн

Оригинальная схема глубинной локации для Арктического шельфа рассматривалась в [14]. Основная идея патента заключается в том, что в условиях Арктики стандартные средства морской сейсморазведки могут оказаться неэффективными или значительно более дорогостоящими из-за наличия ледового покрова. Для преодоления этой проблемы было предложено использовать компактный подводный аппарат (рис. 2), оснащенный когерентными излучателями и цифровыми приемными антеннами. Цифрами на рис. 2 обозначены (сохранена нумерация патента): 1 – подводный аппарат, управляемый экипажем из нескольких человек, 2 – антенна из когерентных гидроакустических излучателей, 4 – линейные цифровые гидроакустические антенны, 6 – волновой фронт зондирующей волны, 7 – волновой фронт волны, отраженной от значительной глубины, 8 – отсек с гидроакустическими излучателями, 9 – кабель питания излучателей, подключенный к бортовому компьютеру, формирующему сложный сигнал, и многоканальному усилителю мощности. Потребление энергии когерентными источниками имеет существенно меньший уровень по сравнению с затратами на работу стандартных пневматических пушек. Немаловажной также является сравнительная компактность когерентных излучателей, что позволяет разместить их на борту подводного аппарата.

РИС. 3. Результаты численного моделирования для двух моделей строения дна с учетом природного шума, характерного для Арктики

Проведенное численное моделирование (рис. 3) показало, что с использованием идеи [14] возможно зондирование пластов, содержащих углеводородное сырье, которым богат Арктический шельф, на глубинах до нескольких километров. Параметры модели приведены в таблице 1. Обозначения в таблице отвечают плотности среды , скоростям продольных V_P и сдвиговых V_S волн, а также безразмерным коэффициентам поглощения соответствующих волн (η_P, η_S). При этом величины коэффициентов поглощения заданы близкими к максимально возможным, что позволяет учесть «мутность» среды осадочных пород (наличие в ней мелкомасштабных неоднородностей, рассеивающих зондирующую волну [15]).

Песчаник (материал №3 в таблице) имеет параметры, характерные для песчаника с очень низкой пористостью и проницаемостью, что моделирует кровлю продуктивного пласта–коллектора. Материал №4 отвечает песчанику со значительным содержанием пор, которые, предположительно, содержат газ, что моделирует пласт–коллектор. Данные по плотности и скоростям объемных волн взяты из справочника по горным породам [16], коэффициенты потерь по данным для поглощения звука в плотных осадочных породах [17]. Модели, обозначенные на рис. 3, соответствуют следующим конфигурациям. Модель №1 представляет собой водный слой толщиной 120 метров (зона шельфа), под которым расположен слой ила толщиной 5 метров. Ниже ила предполагается наличие полупространства консолидированных пород в виде песчаника (материал №3 в таблице 1). Таким образом, модель №1 представляет собой модель из трех слоев. В модели №2 предполагалось, что на глубине 1 км в полупространство из материала №3 «вставлен» пористый песчаник (материал №4), моделирующий продуктивный газоносный пласт, мощностью 40 метров. Полоса частот акустического излучения полагалась равной октаве 60−120 Гц, т.е. частотный диапазон характерен для коммерческой сейсморазведки [9]. Эта полоса частот отвечает характеристикам гидроакустических источников, создававшихся в разное время в ИПФ РАН для решения задач акустики океана [1–3].

Отметим, что при параметрах материалов, указанных в таблице 1, и для выбранного частотного диапазона толщина продуктивного пласта составляет порядка длины зондирующей P-волны. Следовательно, имеются хорошо известные сложности локализации сигнала, отраженного от слоя малой мощности. Тем не менее, как видно из представленных на рис. 3 данных, полезный сигнал хорошо разрешается на фоне кратных отражений дно-поверхность в слое воды. Голубая штрихпунктирная линия отвечает простой оценке уровня сигнала с использованием уравнения гидролокации, которое для сокращения объема мы не приводим, отсылая к классическому источнику [18]. Согласие уровня полезного сигнала с оценкой указывает на отсутствие ошибок. Расчет выполнен с учетом реальных акустических шумов в условиях Арктического бассейна при использовании гидроакустического источника стандартной мощности в 1 кВт. Нетрудно видеть, что амплитуда полезного сигнала заметно выделяется на фоне шумов и реверберации. Динамический диапазон модельного отклика составляет около 80 дБ. С учетом заданных в модели завышенных значений поглощения и малой мощности продуктивного пласта данные, представленные на рис. 3, указывают на возможность сейсмической разведки с глубиной проникновения до 1 км.



РИС. 4. Район проведения эксперимента [8,19]

Также можно показать [14], что оптимальным размещением компактного подводного аппарата является положение вблизи дна. При использовании линейных приемных антенн можно существенно подавить сигнал, отраженный от поверхности, а за счет формирования диаграммы направленности излучающей системы (согласование фаз гидроакустических источников) в реверберационной картине на рис. 3 может быть уменьшено число кратных отражений дно–поверхность.

Значительный интерес для практического использования представляет собой сейсморазведка высокого разрешения, основанная на использовании источников с рабочей полосой частот в области первых сотен герц. В первом из наших экспериментов с использованием когерентного гидроакустического источника (см. в обзоре [5]) была продемонстрирована принципиальная возможность уверенного профилирования горизонтов на глубинах порядка нескольких километров при использовании зондирующих сигналов с несущей частотой 200 Гц и полосой модуляции около ±10%.

РИС. 5. Результаты обработки данных в эксперименте с использованием когерентного излучателя. Сверху показан результат согласованной фильтрации отдельных импульсов (без накопления), снизу – с использованием процедуры адаптивного послойного накопления по 100 импульсам [8]

В недавних экспериментах, выполненных совместно с Институтом океанологии им. П.П. Ширшова РАН в акватории Каспийского моря, было реализовано профилирование осадочных донных пород с использованием малогабаритного когерентного источника с мощностью 100 Вт, работающего в широкой полосе частот в диапазоне нескольких сотен герц [8,19]. При проведении измерений использовался когерентный гидроакустический излучатель оригинальной конструкции, генерирующий синхронизированные последовательности импульсов линейной частотной модуляции (ЛЧМ) в различных частотных полосах. Полоса излучаемых частот составляла 50−100 Гц при несущей частоте 100−1000 Гц. Наибольшая мощность излучения достигала 130 Вт при работе на несущих частотах в полосе 180−230 Гц. Сигнал принимался относительно небольшой сейсмической косой, состоящей из 25 синфазных гидрофонов.

Район проведения экспериментов отмечен фиолетовым квадратом на карте, представленной на рис. 4. Глубина моря в месте проведения экспериментов составляла около 200 метров. Использованные нами процедуры когерентной обработки отраженных от донных слоев сигналов включали согласованную фильтрацию отдельных импульсов и последовательное импульсное накопление в пределах «длины когерентности» вдоль трассы протяжки. Величина последней ограничивалась главным образом вариациями глубины погружения буксируемого излучателя, а также наклонами и искривлениями отдельных отражающих донных слоев. При буксировке со скоростью не более 3 узлов взаимная когерентность принимаемых импульсов была ограничена временным интервалом 100−200 секунд, что позволяло осуществлять эффективное накопление до нескольких десятков импульсов.

В целях дальнейшего повышения качества реконструкции донной структуры был развит адаптивный метод послойного траекторного накопления импульсов, с учетом наклонов отдельных отражающих слоев, который позволил не только увеличить число импульсов в когерентной последовательности (практически до сотни и более), но и оценить величину этих наклонов. Подчеркнем, что большинство принятых сигналов имели низкую помехоустойчивость с характерной величиной отношения сигнал/шум (ОСШ) не более нескольких дБ. При этом результирующий сигнал, после применения процедур когерентной обработки (согласованной фильтрации и траекторного накопления), имел величину ОСШ 30 дБ. Величина реализованного выигрыша фактически эквивалентна тому повышению мощности некогерентного импульсного излучателя (на три порядка), которое необходимо для достижения такой же помехоустойчивости принимаемых импульсов и, следовательно, глубины проникновения в донные породы. Значительное повышение помехоустойчивости позволило уверенно реконструировать структуру донных слоев в интервале глубин до ~1 километра, при этом слои в интервале глубин свыше 300−500 метров были полностью маскированы шумами без использования предложенных процедур обработки.

Результаты когерентной обработки в тех экспериментах представлены на рис. 5. Сейсмограммы были получены по результатам зондирования с помощью ЛЧМ сигналов в полосе 180−230 Гц. Верхний график отвечает «сырым данным» без использования импульсного и траекторного накопления. Внизу на рис. 5 показан результат адаптивного траекторного накопления, когда дополнительно вычисляется угол наклона границы, который затем учитывается при суммировании трасс. Показанный интервал временных задержек до 1 секунды отвечает глубинам до 1 км. Каждая из реализаций отвечает горизонтальному смещению на 2,25 м.

Фрагменты структуры, содержащие слабоконтрастные слои, отчетливо разрешаются в результате использования накопления длинной серии импульсов. При этом только корреляционное сжатие отдельных импульсов на выходе согласованного фильтра не обеспечивало сколько-нибудь заметного контраста в условиях относительно небольшого (~10) значения базы используемых сигналов ЛЧМ. Под базой модулированного сигнала понимается произведение полосы девиации частоты на длительность излучения [20, §3.7]. Величина этого параметра определяет степень помехозащищенности сигнала и возможность отстройки от аддитивных шумов.

Кратко остановимся на важных методических аспектах использованных методов обработки сигналов. Эксперименты [8, 19] были проведены в условиях, максимально приближенных к работе систем 2D сейсморазведки (профилирование), являющихся составной частью коммерческой 3D сейсморазведки недр Земли [21]. В этом случае профиль строился при движении судна и синхронном перемещении буксируемых излучающей и приемной систем. Естественные ограничения на скорость движения судна связаны с требованиями к изменчивости глубины залегания границы раздела геологических образований.

Пространственное разрешение по горизонтали (масштаб когерентности отражающей границы) определяется размером первой зоны Френеля и составляет x=(H)^1/2,где  – средняя длина P-волны, используемой для глубинного зондирования, H – глубина залегания границы. Следовательно, скорость движения носителя не может превышать величину ∆x/T, где T – время излучения одной посылки (трассы) или накопления нескольких трасс. Например, при скорости движения 3 узла (1,5 м/с), которая была характерна для эксперимента, и для скорости P-волны V_P3000 м/с (которая отвечает типичным значениям для осадочных пород [16]), величина x120 м для средней частоты 200 Гц и глубины залегания отражающей границы H = 1 км. Оценка максимального времени накопления для указанной скорости составляет T = 80 секунд. В описываемом эксперименте при использовании траекторного накопления удалось использовать последовательность 100 импульсов ЛЧМ сигнала длительности 0,12 секунд с периодом повторения 1,5 секунды. Таким образом, речь идет о двукратном увеличении интервала накопления при адаптивном учете наклона границы. Это указывает на эффективность использованной процедуры обработки, учитывающей небольшой наклон границ раздела геологических образований (см. рис. 5, снизу). Ряд дополнительных аспектов эффективного применения когерентных методов морской сейсморазведки (связанных, в частности, с использованием процедур статистической обработки данных, возможностями оценки не только положений границ отдельных слоев, но и их геоакустических параметров) отмечен в работе [8].

Как уже отмечалось выше, использование когерентного накопления приводит к существенному увеличению выходного ОСШ, которое эквивалентно использованию стандартных пневматических источников очень большой мощности. Наличие высокого отношения сигнал/шум открывает возможности для использования нетрадиционных методов реконструкции слоистой структуры. Укажем на работу наших коллег [22], в которой реализован алгоритм реконструкции слоистой структуры с использованием матричных преобразований для модифицированного уравнения Гельфанда-Левитана. В этом случае процедура обработки учитывает кратные отражения от слоев, а максимальная глубина и минимально возможный контраст слоев определяются отношением величины минимального собственного значения соответствующей матрицы к спектральной плотности мощности шума.

Подводя итог нашему краткому анализу, подчеркнем, что уже выполненные эксперименты, несмотря на их демонстрационный характер, указывают на перспективы дальнейшего развития когерентной сейсмоакустики и ее практического использования как альтернативного подхода к выполнению работ на Арктическом шельфе. Акустическая мощность современных групповых пневматических источников достигла уровня 220−260 дБ относительно 1 мкПа на удалении 1 м, что уже на несколько десятков дБ превышает считающийся безопасным уровень для разных видовых групп представителей морской фауны. Следовательно, основанная на их использовании морская сейсморазведка неизбежно сталкивается с жесткими природоохранными ограничениями. В условиях богатого углеводородным сырьем Арктического шельфа также неизбежно возникает проблема движения судов морской сейсморазведки в условиях ледового покрова. Одним из вариантов решения может быть идея создания компактного подводного судна-буксировщика, предложенная в [14]. Ясно, что в этом случае энергетическая установка такого аппарата не может иметь большую мощность, и требования к потреблению энергии диктуют поиск альтернативных источников излучения волн, обеспечивающих зондирование морского дна на сравнимых глубинах. Таким образом, в качестве альтернативного подхода целесообразно рассматривать использование относительно маломощных по сравнению с пневматическими пушками когерентных гидроакустических источников в режиме излучения сложных сигналов. По существу, в этом случае «центр тяжести» проблемы переносится с повышения мощности одиночных и неконтролируемых импульсов ударного типа на повышение эффективности фильтрации и пространственно-временного накопления значительно (на несколько порядков) более слабых и растянутых во времени сложных сигналов специального вида. Такой подход представляется более рациональным с точки зрения как технической реализации, так и минимизации акустического воздействия на экосистему акватории. Последний аспект в последнее время оценивается специалистами как критически важный.

Литература:

1. Bogolyubov B.N., Burlakova I.B., Dolinin D.V., Dubovoy Yu.A., Maryshev A.P., Farfel V.A. Low-frequency radiating complexes for hydro-acoustical monitoring of the ocean // Proc. of the U.S.–Russia Workshop on Experimental Underwater Acoustics. Institute of Applied Physics. Nizhny Novgorod. 2000. P. 48–60.

2. Mikhalevsky P.N., Gavrilov A.N., Baggeroer A.B. The transarctic acoustic propagation experiment and climate monitoring in the Arctic // IEEE Journ. of Oceanic Engineering. 1999. V. 24. № 2. P. 183–201.

3. Virovlyansky A.L., Artel’ny V.V., Stromkov A.A. Acoustic data obtained by hydrophone array off Kamchatka // Proc. of the U.S.–Russia Workshop on Experimental Underwater Acoustics. Institute of Applied Physics, Nizhny Novgorod. 2000. P. 33–46.

4. Лебедев А.В., Сутин А.М. Возбуждение сейсмических волн гидроакустическим излучателем // Акустический Журнал. 1996. Т. 42. № 6. С. 812–818.

5. Лебедев А.В., Малеханов А.И. Когерентная сейсмоакустика // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46. № 7. С. 579–597.

6. Авербах В.С., Коньков А.И., Лебедев А.В., Малеханов А.И., Манаков С.А., Таланов В.И. Методы когерентной инженерной сейсморазведки в Институте прикладной физики РАН// Технологии сейсморазведки. 2015. № 2. С. 119–123.

7. Авербах В.С., Грибов Н.Н., Коньков А.И., Лебедев А.В., Малеханов А.И., Манаков С.А., Таланов В.И. Новый метод реконструкции неоднородностей среды с использованием волны Рэлея: примеры практического применения // Изв. Академии Наук. Серия физическая. 2016. Т. 80. № 10. С. 1314–1320.

8. Калинина В.И., Малеханов А.И., Мерклин Л.Р., Таланов В.И., Хилько А.И. Когерентные методы сейсмоакустического зондирования морского дна // Технологии сейсморазведки. 2015. № 4. С. 81–88.

9. Морская сейсморазведка / под ред. Телегина А.Н. М.: ООО «Геоинформмарк». 2004. 237 с.

10. Программа геолого-геофизических работ на континентальном шельфе острова Сахалин на акватории Охотского моря на 2010−2011 гг. (Айяшская площадь) // PDF документ.

11. Gordon J., Gillespie D., Potter J., Frantzis A., Simmonds M.P., Swift R., Thompson D. A review of the effects of seismic surveys on marine mammals // Marine Technology Society Journal. 2003. V. 37. № 4. P. 16–34.

12. Rutenko A.N., Borisov S.V., Gritsenko A.V., Jenkerson M.R. Calibrating and monitoring the western gray whale mitigation zone and estimating acoustic transmission during a 3D seismic survey, Sakhalin Island, Russia // Environmental Monitoring and Assessment. 2007. V. 134. P. 21–44.

13. Бондарев В.И. Основы сейсморазведки. Екатеринбург: УГГГА. 2003. 332 с.

14. Авербах В.С., Коротин П.И., Лебедев А.В., Турчин В.И., Лебедева Н.С., Семенова Е.В. Способ проведения подводно-подледной геофизической разведки с использованием подводного судна // Патент 2457515. Российская Федерация. Приоритет от 08.11.2010.

15. Трапезникова Н.А., Шушакова Н.С., Патрикеев В.Н. Результаты расчетов теоретических сейсмограмм для тонкослоистых покрывающих сред при нормальном падении плоских волн // Изв. АН СССР, сер. Физика Земли. 1976. Т. 12. С. 87–98.

16. Mavko G., Mukeji T., Dvorkin J. The Rock Physics Handbook. Tools For Seismic Analysis in Porous Media. Cambridge University Press. MA. 2-nd edition. 2009. 524 p.

17. Авербух А.Г. Изучение состава и свойств горных пород при сейсморазведке. М.: Недра. 1982. 232 с.

18. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение. 1978. 448 с.

19. Лазарев В.А., Малеханов А.И., Мерклин Л.Р., Романова В.И., Таланов В.И., Хилько А.И. Когерентное сейсмоакустическое профилирование морского дна с использованием широкополосных сигналов // Океанология. 2013. 53. № 6. 843–850.

20. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: «Радио и связь». 1986. 512 с.

21. Воскресенский Ю.Н. Построение сейсмических изображений. М.: РГУ нефти и газа. 2006. 116 с.

22. Скулкин С.П., Турчин В.И. Особенности точной реконструкции структуры плоско-неоднородных сред по отраженным и прошедшим импульсным сигналам // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2010. Т. 53. № 7. С. 481–492.