Трехмерные наблюдения в нефтегазовой сейсморазведке начали применяться еще в 80-е годы прошлого столетия, и сейчас они стали уже обычным, широко используемым методом. Около 20 лет назад начались попытки использования подобной методики и для изучения самой верхней части разреза для инженерных и других целей. Однако простое копирование технологий в десятикратно мелкие масштабы, в особенности при морских наблюдениях, оказалось невозможным. Поэтому за этот период было предложено и опробовано множество способов морских трехмерных сейсмоакустических наблюдений (Гайнанов и др., 2017), которые, несмотря на отдельные успешные результаты, до производственного применения не дошли, за исключением проекта P-Cable 3D (https://ncs-subsea.com) (рис. 1, 2, 3).
Современные системы для морских трехмерных сейсмоакустических наблюдений
Успех системы P-Cable обусловлен тем, что в ее разработке участвовали сразу несколько известных компаний: твердотельные косы – производства «Geometrics», пневматический источник – производства «Sercel». Да и сама конструкция P-Cable оказалась очень удачной во многих отношениях. В настоящее время она принадлежит компании Ocean Floor Geophysics (OFG), которая приобрела проект в партнерстве с PGS в марте 2022 года (https://www.oceanfloorgeophysics.com).
Рис. 3. Сравнение временных разрезов и частотных спектров сигналов обычной 3D, высокоразрешающей 3D-сейсморазведки и ультравысокоразрешающей P-Cable UHR3D (https://ncs-subsea.com)
Следует заметить, что, хотя на сайте компании технология P-Cable называется ультравысокоразрешающей, применение пневматического источника ограничивает спектр сигнала частотой 250 Гц, что по принятой ныне на Западе классификации (Thomas Y. et al, 2012l) ставит ее между высокоразрешающей и сверхвысокоразрешающей сейсморазведкой Тем не менее отметим высочайшее качество демонстрируемых материалов и то, что технология применялась уже во многих коммерческих проектах.
Однако нужно отметить высокую стоимость системы и некоторую громоздкость для малоглубинных исследований. Поэтому в качестве прототипов нам больше подходит разработка компании GeomarineSurveySystems (https://ww2.geosys.nl) (рис. 4, 5).
Рис. 5. Системы наблюдений 3D GeomarineSurveySystems, слева – вид сверху, справа – пример сейсмоакустического куба. Сейсмоакустические косы показаны зеленым, а рамы электроискровых источников – оранжевым цветом (https://ww2.geosys.nl)
В системе используются 6 буксируемых кос и три источника. Оборудование буксируется с кормы и с двух поворотных выстрелов, расположенных по бортам судна (рис. 4, 5). Косы буксируются на одинаковом удалении от среза кормы и расстоянии 4 м друг от друга, закреплены они так, что глубина от начала к концу косы постепенно возрастает (рис. 4). Две рамы электроискровых излучателей буксируются по краям приемной расстановки на расстоянии 2 м от крайних кос, третий источник буксируется по центру расстановки.
Возбуждение акустического сигнала производится тремя одинаковыми электроискровыми источниками в режиме Flip-Flap-Flop. Количество электродов, общая энергия и шаг ПВ подбираются в зависимости от требуемой глубинности и разрешающей способности.
Приведенный на рис. 5 сейсмоакустический куб получен при наблюдениях системой из 6 кос (24 канала каждая) и трех источников (спаркер, 200 разрядных электродов). На полученном кубе размер бинов по горизонтали равен 50 см и вертикальное разрешение 15– 20 см.
Проектирование системы морских трехмерных сейсмоакустических наблюдений
На основании детального анализа конструктивных особенностей и рабочих параметров рассмотренных выше систем мы выбрали в качестве прототипа систему компании GeomarineSurveySystems (https://ww2.geosys.nl), позаимствовав некоторые успешные конструктивные особенности и системы P-Cable 3D. В результате мы сконструировали следующую систему для морских трехмерных сейсмоакустических наблюдений (рис. 6).
Далее, исходя из требований к сейсмическим материалам для инженерных изысканий и конструктивных особенностей выбранной конфигурации системы наблюдений, мы провели соответствующие расчеты и моделирование волнового поля.
Проектирование систем наблюдения 3D предусматривает определение следующих базовых параметров: размер бина, кратность наблюдений, максимальное и минимальное удаление, шаг наблюдений, как по оси x, так и по оси y.
Определение размеров бина основывается на следующих условиях (Cordsen A., 2000):
1. Сcоответствие протяженности сторон бина размерам изучаемого объекта. Исходя из требования, что три трассы должны пересекать разведоваемый объект, выбираем размеры бина
где R х, у – линейные размеры изучаемого объекта, в нашем случае 1–3 м.
1. Оптимальное суммирование целевых отраженных волн на базе бина. При наличии в разрезе наклонных целевых границ раздела сложение отраженных волн с нулевыми выносами на стороне бина будет происходить с временными задержками. Их значения по осям X и У определяются простым соотношением:
где θ x, y – угол наклона отражающей границы по осям Х и У;
S x, y – протяженность бина вдоль соответствующей оси;
V – средняя скорость распространения волн над наиболее глубоким целевым горизонтом.
Достаточно строгая оценка дает размеры бина не более 1 м.
Далее оценивались значения минимального и максимального удаления.
Поскольку наша технология трехмерных наблюдений разрабатывалась для высокочастотной сейсмоакустики на мелководных акваториях, то минимальное удаление должно быть не более 10 м.
Величина максимального удаления при грубой оценке укладывается в промежуток от 0,8 Нmax до 1,5 Нmax, где Нmax – глубина наиболее погруженного целевого горизонта. Однако следование таким размерам привело бы к неоправданному увеличению размеров системы трехмерных наблюдений. Поэтому мы предусмотрели возможность проведения одновременных двухмерных наблюдений с дополнительной косой большой длины специально для определения скоростных характеристик среды и при проектировании 3D-системы не стремимся увеличивать размеры системы до упомянутых выше.
Моделирование
Для более обоснованной оценки минимального и максимального удалений, шага наблюдений нами было проведено 2D-моделирование с использованием двух моделей, одной мелководной, типичной для Белого моря, и другой, относительно глубоководной, на базе разреза в Восточно-Сибирском море.
Расчитывалось волновое поле в различные моменты времени и сейсмограммы ОПВ, на которых можно увидеть, что для мелководной модели слияние прямой и отраженной волн происходит на удалении 250 м (рис. 7, а) Однако применение мьютинга при вводе кинематических поправок (20 %) ограничивает интервалы полезной записи для донного отражения – 60 м, для первой границы – 105 м, а для нижней – 160 м (рис. 7, б) Для глубоководной модели слияние волн не происходит даже на удалениях более 400 м (рис. 7, в), однако для высокоразрешающей сейсмоакустической системы такие удаления вообще недостижимы.
С помощью моделирования выбирался также оптимальный шаг между приемниками в косе. Например, для мелководной модели расчитывались сейсмограммы ОПВ при различном шаге наблюдений – от 1 до 5 м. Если при шаге наблюдений от 1 до 3 м корреляция фаз волн вполне надежная, то при шаге 4 м проявляется пространственный алиасинг и корреляция фаз волн становится затруднительной (рис. 8).
На рис. 9, 10 приводятся некоторые результаты испытания системы, показывающие возможность получения трехмерных высокоразрешающих сейсмоакустических данных высокого качества.
Достоинства трехмерных систем наблюдений заключаются не только в получении трехмерных изображений исследуемых отложений, но и в том, что трехмерная миграция часто позволяет существенно увеличить разрешенность изображения как по вертикали, так и по горизонтали, избавляя сейсмические изображения от ложных структур типа дифракционных гипербол и боковых отражений (рис. 10).
Заключение
Разработана система для морских трехмерных сейсмоакустических наблюдений, позволяющая получить объемные изображения верхней части геологической среды с детальностью около 1 м. Параметры системы обоснованы теоретическими расчетами и моделированием волновой картины. Система опробована при проведении исследований в инженерно-геологических целях в нескольких регионах и показала возможность получения достаточно качественных результатов.
Литература
1. Гайнанов В.Г., Верхняцкий А.А., Токарев М.Ю., Шматков А.А. Трехмерные сейсмоакустические наблюдения на акваториях: обзор современных технологий // Деловой журнал Neftegaz. RU. 2017. № 1, с. 56–68.
2. Шматков А.А. Разработка методики трехмерных сейсмоакустических наблюдений на мелководных акваториях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2014, 135 с.
3. Cordsen A., Galbraith M., Peirce J. Planning Land 3D Seismic Surveys. 2000. P. 214.
4. Thomas Y., Marsset B., Westbrook G.K., Grall C.et al. Contribution of high-resolution 3D seismic near-seafloor imaging to reservoir-scale studies: application to the active North Anatolian Fault, Sea of Marmara. Near Surface Geophysics. 2012. 10, 291–301.
5. https://ncs-subsea.com/media/ofg-acquires-ncs/
6. https://www.oceanfloorgeophysics.com/
