СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕЛОМЛЕННЫХ И ОТРАЖЕННЫХ ВОЛН ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГЛУБИННО-СКОРОСТНОЙ МОДЕЛИ СРЕДЫ
advertisement
На правах рукописи ПОЛОВКОВ ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕЛОМЛЕННЫХ И ОТРАЖЕННЫХ ВОЛН ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГЛУБИННО-СКОРОСТНОЙ МОДЕЛИ СРЕДЫ Специальность 25.00.10 – Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет». Научный руководитель – доктор геолого-минералогических наук, доцент Титов Константин Владиславович Официальные оппоненты: Троян Владимир Николаевич доктор физико-математических наук, профессор, СанктПетербургский государственный университет, физический факультет, заведующий кафедрой физики земли. Буценко Виктор Владимирович доктор геолого-минералогических наук, ФГУП ВНИИОкеангеология им. Грамберга, заведующий сектором отдела морской сейсморазведки. Ведущая организация – Федеральное государственное научнопроизводственное предприятие «Полярная морская геологоразведочная экспедиция». Защита диссертации состоится 26 сентября 2012 г. в 16 ч.00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 4312. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Автореферат разослан 23 августа 2012 г. УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета, к. г.-м. н. И.Г. КИРЬЯКОВА 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. При обработке сейсмических материалов обязательной процедурой является миграция данных (Воскресенский, 2006; Yilmaz, 2001), без которой нельзя проводить структурную интерпретацию сейсмических материалов, а также выполнять AVO – анализ. Необходимым условием для миграции является наличие глубинноскоростной модели среды, определение которой на практике является довольно сложной задачей. При этом ошибки в значениях скорости могут существенно исказить получаемые изображения геологической среды: ухудшить амплитудную разрешенность сейсмической записи, исказить форму границ и их положение в глубинной области. Следовательно, определение скоростных свойств среды является одной из важнейших задач обработки сейсмических данных. Кроме того, глубинноскоростная модель среды сама по себе представляет значимый геологогеофизический результат, так как она дает дополнительную информацию о геологическом строении региона. В настоящее время для определения скоростных свойств среды используют разные модификации регулируемого направленного анализа (РНА) (Сейсморазведка, кн. 2, 1990; Урупов, Левин, 1985; Урупов, Маловичко, 1983). К модификациям РНА относится анализ горизонтальных и вертикальных скоростных спектров, а также анализ спектров остаточной кинематики (Мешбей, 1985; Полшков и др., 1984; Liu, Bleisten, 1995; Tieman, 1995; Yilmaz, Chamber 1984; Yilmaz, 2001). Помимо РНА также применяют метод сканирования временных или глубинных разрезов способами миграции либо суммирования (Сейсморазведка, кн. 2, 1990; Урупов, Левин, 1985). При низкой амплитудной разрешенности сейсмических данных и малом значении кинематической поправки (менее ½ преобладающего периода волны), характерном для волн, отраженных от границ, залегающих на глубинах, превышающих длину приемной расстановки, определить скорости в среде вышеперечисленными способами с удовлетворительной точностью невозможно. В тоже время, современные технологии полевых работ, связанные с применением автономных донных станций (Башилов и др., 2009; Леденев и др., 2010; Нечхаев и др., 2011), позволяют регистрировать преломленные волны на больших удалениях (до 300 км). Данные волны обладают рядом преимуществ перед отраженными волнами, а именно: они менее чувствительны к шероховатым границам (Епинатьева, 1990), несут информацию о средах, расположенных ниже последнего отражающего горизонта, и, при больших удалениях (до 300 км), освещают всю земную кору, вплоть до границы Мохо (Сакулина и др., 2011). Следовательно, преломленные волны могут дать информацию о скоростных 3 свойствах разреза там, где традиционные способы определения скоростей по данным отраженных волн не приносят результата. Скоростные свойства среды определяют с помощью преломленных волн, зарегистрированных на больших удалениях, при решении задач глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). При этом, как правило, используют метод лучевого моделирования (Zelt, Smith, 1992). Данный процесс требует большого количества времени и итоговый результат субъективен, так как при построении модели приходиться идентифицировать преломленные волны с конкретными геологическими границами, а результат идентификации зачастую зависит от геологических убеждений геофизика. Более быстрым и объективным методом является сейсмическая томография на основе первых вступлений (Дитмар, 1993; Морская…, 2004). Годограф первых вступлений при этом рассматривается как годограф единой рефрагированной волны. Однако, скорости, которые получаются в результате сейсмической томографии, заведомо отличаются от истинного распределения скоростей в среде, поскольку реальный годограф первых вступлений не является годографом рефрагированной волны, и в первые вступления не выходят преломленные волны от инверсионных и выпадающих слоев (Боганик, Гурвич, 2006). Необходимо исследовать соотношения между скоростями, получаемыми в результате томографии по первым вступлениям, и реальными скоростями в среде, а на основе полученных зависимостей разработать оптимальный метод совместного использования отраженных и преломленных волн для построения глубинно-скоростной модели среды, сочетающий в себе достоинства РНА и сейсмической томографии. Цель работы. Целью работы является определение скоростных свойств среды на основе совместного использования отраженных и преломленных волн для миграции сейсмических данных МОВ-ОГТ. Основные задачи работы: 1. На примере модельных и реальных сейсмических материалов исследовать соотношения между скоростями, получаемыми в результате сейсмической томографии по первым вступлениям, и реальным распределением скоростей в среде. 2. На основании установленных связей между средними скоростями в среде и скоростями, полученными в результате томографии, разработать оптимальную методику совместного использования отраженных и преломленных волн для определения скоростных свойств среды с целью миграции сейсмических данных. 3. На основе разработанной методики построить глубинноскоростную модель земной коры вдоль опорного профиля 5-АР и получить сейсмический разрез отраженных волн по данному профилю. 4 4. На основе совместного анализа динамических горизонтов, построенных по материалам отраженных и преломленных волн, выявить локальные низкоскоростные аномалии в верхней части разреза прогиба Вилькицкого (по материалам опорного профиля 5-АР) и дать геологическое объяснение данным аномалиям. Фактический материал. В основу диссертации положены результаты исследований автора, полученные на модельных и реальных сейсмических данных. Моделирование синтетических материалов выполнялось лучевым методом в программном пакете XTomo-LM (XGeo), предоставленном разработчиком, к. ф.-м. н. Рословым Ю. В. Реальные сейсмические данные, а именно полевые сейсмограммы МОВ-ОГТ и МПВ-ГСЗ вдоль опорных профилей 3-АР (Печорское море) (Матвеев и др., 2007) и 5-АР (Восточно-Сибирское море) (Сакулина и др., 2011), были предоставлены ФГУНПП “Севморгео”. Следует отметить, что реальный сейсмический материал был выбран не случайно. Опорный профиль 5-АР расположен в наименее изученном регионе Российской Федерации (Восточно-Сибирское море), следовательно, использование сейсмических данных, собранных по профилю, позволило придать выводам диссертационной работы актуальность не только с методической, но и с геологической точки зрения. Профиль 3-АР (Печорское море) был выбран для того, чтобы продемонстрировать универсальность методических выводов, сделанных в работе, и показать, что эти выводы не привязаны к конкретным геологическим объектам. Основные положения, выносимые на защиту: 1. На примерах численного моделирования и реальных данных показано, что в слоистой среде средняя скорость 𝑣срт , определенная по томографии первых вступлений, всегда превышает реальную среднюю скорость 𝑣ср и степень превышения возрастает с увеличением перепада скоростей в покрывающей толще. Для реальных геологических сред, у которых перепад скоростей менее 35%, разница между скоростями 𝑣срт и 𝑣ср не превышает нескольких процентов. Скорости 𝑣срт , полученные по томографии первых вступлений, можно рассматривать как предельные эффективные скорости и использовать при обработке материалов отраженных волн. 2. Численное сходство средней скорости 𝑣срт , полученной по сейсмической томографии первых вступлений, и предельной эффективной скорости позволяет создать методику построения глубинно-скоростной модели среды по данным отраженных и преломленных волн. Методика 5 обеспечивает увеличение глубинности и детальности МОВ-ОГТ и МПВ-ГСЗ. Результаты миграции сейсмограмм на основе построенной по предложенной методике скоростной модели характеризуются более высокой амплитудной разрешенностью по сравнению с миграцией на основе скоростей, полученных только по данным отраженных волн. 3. Глубинно-скоростная модель земной коры вдоль опорного профиля 5-АР, построенная по предложенной в работе методике, учитывает динамические свойства отраженных волн, зарегистрированных при работах МОВ-ОГТ, характеризуется большей детальностью и разрешенностью по сравнению с предыдущими моделями, и позволяет дать дополнительную геолого-геофизическую информацию о строении региона. 4. На основе совместного анализа отраженных и преломленных волн, а также AVO – анализа, прогнозируется залежь углеводородов сводового типа, расположенная в верхней части разреза прогиба Вилькицкого. Научная новизна: 1. Исследованы соотношения между скоростями, полученными по томографии первых вступлений, и реальными скоростями в среде. Показано, что средние скорости 𝑣срт , полученные в результате томографии по первым вступлениям, могут рассматриваться как предельные эффективные скорости и использоваться при обработке отраженных волн. 2. Разработана методика определения скоростных свойств среды, сочетающая в себе достоинства РНА и сейсмической томографии на основе первых вступлений. 3. Построена глубинно-скоростная модель земной коры вдоль опорного профиля 5-АР, для создания которой были использованы не только кинематические, но и динамические особенности волнового поля отраженных волн, зарегистрированных при работах МОВ-ОГТ. На основе построенной модели был получен сейсмический разрез вдоль опорного профиля 5-АР с выраженными динамическими границами в консолидированной коре. 4. Выделен первый в Восточно-Сибирском море перспективный на нефть и газ объект. Практическая значимость: 1. Разработанная методика определения скоростных свойств среды позволяет увеличить глубинность и достоверность результатов обработки сейсмических материалов, что продемонстрировано на примере модельных и реальных данных. 2. Построенная глубинно-скоростная модель земной коры вдоль опорного профиля 5-АР и полученный сейсмический разрез вдоль этого профиля являются дополнительными геолого-геофизическими резуль- 6 татами для понимания геологического строения Восточно-Сибирского моря. 3. Потенциальная залежь углеводородов, расположенная в верхней части разреза прогиба Вилькицкого, представляет несомненный интерес для дальнейших детальных сейсмических работ. Достоверность результатов исследования. Исследования проводились на основе анализа синтетических и реальных сейсмических данных в строгом соответствии с теорией и практикой обработки геофизической информации. Проверка основных результатов исследований на модельных и реальных сейсмических материалах позволила подтвердить сделанные в диссертационной работе выводы. Реализация работы. Методика построения глубинно-скоростной модели среды, предложенная в диссертационной работе, внедрена в производственную практику ФГУНПП “Севморгео”. Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано десять работ, включая две статьи в журналах, входящих в список ВАК Министерства образования и науки России. Постановка цели и задач исследования, а также все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих международных конференциях: “RAO/CIS Offshore 2009” (г. Санкт-Петербург, 2009); “ГЕОФИЗИКА2009” (г. Санкт-Петербург, 2009); “Санкт-Петербург 2010” (EAGE, г. Санкт-Петербург, 2010); “RAO/CIS Offshore 2011” (г. Санкт-Петербург, 2011); “ГЕОФИЗИКА-2011” (г. Санкт-Петербург, 2011); “СанктПетербург 2012” (EAGE, г. Санкт-Петербург, 2012); III-я конференция молодых ученых и специалистов “Новое в геологии и геофизике Арктики, Антарктики и Мирового океана” (г. Санкт-Петербург, “ВНИИОкеангеология им. И. С. Грамберга”, 2012). Следует отметить, что на трех конференциях (“RAO/CIS Offshore 2011”, “ГЕОФИЗИКА-2011” и конференция во “ВНИИОкеангеология им. И. С. Грамберга” ) доклады автора заняли первое место в конкурсах на лучший доклад среди молодых специалистов. Основные положения и выводы диссертации были представлены на научно-методическом совете по геолого-геофизическим технологиям поисков и разведки твердых полезных ископаемых при Министерстве природных ресурсов и экологии Российской Федерации. Благодарности. Организация работы и проведение исследований состоялись при поддержке к. ф.-м. н. Тамары Сергеевны Сакулиной, которой автор выражает свою глубокую признательность. Диссертация выполнена на кафедре геофизики геологического факультета СПбГУ. Автор благодарен сотрудникам кафедры, создавшим благоприятные 7 условия обучения в аспирантуре, в первую очередь д. г.-м. н. Константину Владиславовичу Титову. Автор признателен ФГУНПП “Севморгео” за предоставленные сейсмические материалы. Особая благодарность сотрудникам данной компании: д. г.-м. н. Марку Леонидовичу Вербе и магистру геологии Дмитрию Андреевичу Попову, за содействие и помощь в анализе результатов исследований. Вдохновителем к написанию данной работы является к. ф.-м. н. Юрий Викторович Рослов. Автор выражает ему благодарность. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 113 наименований. В работе приведено 48 рисунков. Общий объем диссертации составляет 144 страницы. ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ 1. На примерах численного моделирования и реальных данных показано, что в слоистой среде средняя скорость 𝐯срт , определенная по томографии первых вступлений, всегда превышает реальную среднюю скорость 𝐯ср и степень превышения возрастает с увеличением перепада скоростей в покрывающей толще. Для реальных геологических сред, у которых перепад скоростей менее 35%, разница между скоростями 𝐯срт и 𝐯ср не превышает нескольких процентов. Скорости 𝐯срт , полученные по томографии первых вступлений, можно рассматривать как предельные эффективные скорости и использовать при обработке материалов отраженных волн. Рассмотрим горизонтально-слоистую среду, состоящую из восьми однородных пластов равной мощности (рис. 1, линия 1) ℎ𝑖 = 250 м. Скорости в пластах увеличиваются с глубиной и составляют: 𝑣1 = 1500 м/с, 𝑣2 = 2000 м/с, 𝑣3 = 2500 м/с, 𝑣4 = 3000 м/с, 𝑣5 = 3500 м/с, 𝑣6 = 4000 м/с, 𝑣7 = 4500 м/с, 𝑣8 = 5000 м/с. Расчетные первые вступления от такой среды будут представлять собой последовательность годографов преломленных волн от каждой границы раздела. Определим скорости в данной модели с помощью томографии на основе первых вступлений. Предположим, что среда является градиентной, следовательно, зарегистрированные первые вступления аппроксимируем годографом единой рефрагированной волны. Зададим начальную скоростную модель, в которой известна мощность и скорость первого слоя: ℎ1 = 250 м; 𝑣1 = 1500 м/с. Скорость ниже подошвы первого слоя также известна: 𝑣2 = 2000 м/с. От подошвы первого слоя в глубь среды скорость возрастает по линейному закону 𝑣(𝑧) = 𝑣2 + 0,738 ∙ (𝑧 − 250) (рис. 1, линия 2). 8 Выполним сейсмическую томографию в три итерации. При первой итерации параметр регуляризации 𝛼 = 1; коэффициент β = 25. При второй итерации 𝛼 = 0.5; β = 25. При третьей итерации 𝛼 = 0.1; β = 25 (в дальнейшем, если это не оговаривается отдельно, параметры томографии, начальная модель и количество итераций соответствуют указанным выше). Результат сейсмической томографии показан на рис. 1 (линия 3). Видно, что с помощью томографии не удалось восстановить истинное распределение скоростей в среде, а также выявить наличие слоистости в разрезе. В верхних частях слоев скорости оказываются заниженными, а в нижних частях завышенными. Тем не менее, средние скорости 𝑣срт , полученные с помощью томографии (рис. 1, линия 5), практически не отличаются от средних скоростей 𝑣ср реальной модели (рис. 1, линия 4). Среднеквадратическое отклонение 𝜎𝑣 между 𝑣срт и 𝑣ср составляет 1,02%, что связано с остаточными невязками ∆𝑡 между реальными и рассчитанными в процессе томографии годографами первых вступлений. Усложним задачу и введем в вышеописанную модель выпадающий и инверсионный слои. Принято считать, что, поскольку преломленные волны от кровли таких слоев либо не выходят в первые вступления, либо вовсе не образуются, то наличие этих слоев в разрезе должно существенно искажать результаты сейсмической томографии на основе первых вступлений. Тем не менее, это не совсем так, поскольку выпадающие и инверсионные слои увеличивают время выхода преломленных волн от последующих слоев в область первых вступлений, тем самым внося свой вклад в результаты томографии. Действительно, если в четвертом слое вышеописанной модели варьировать значением пластовой скорости: 𝑣41 = 2000 м/c, 𝑣42 = 2100 м/c, 𝑣43 = 2200 м/c, 𝑣44 = 2300 м/c, 𝑣45 = 2400 м/c, 𝑣46 = 2500 м/c, 𝑣47 = 2600 м/c, 𝑣48 = 2700 м/c, 𝑣49 = 2800 м/c, 𝑣410 = 2900 м/c, 𝑣411 = 3000 м/c (рис. 2, пунктирные линии) и для каждого такого случая рассчитывать годографы первых вступлений для всей модели, то результаты моделирования будут существенно различаться. Определим скорости в среде при всех вариантах пластовой скорости в четвертом слое, используя сейсмическую томографию (рис. 2, сплошные линии). Видно, что, несмотря на наличие в разрезе инверсионного либо выпадающего слоя, значение скорости в данном слое влияет на результаты томографии: повышение либо понижение значения пластовой скорости в инверсионном слое повышает либо понижает значения скоростей, определенных с помощью сейсмической томографии. При этом, среднеквадратическое отклонение 𝜎𝑣𝑗 между 𝑣срт и 𝑣ср растет при уве- 9 личении перепада пластовых скоростей между третьим и четвертым слоями. Это объясняется отличием реального годографа первых вступлений от годографа рефрагированной волны (рис. 3), поскольку очевидно, что чем больше перепад скорости в среде, тем сильнее годограф первых вступлений будет отличаться от годографа рефрагированной волны в точках выхода преломленных волн в первые вступления. Оценим, насколько перепад скорости в среде влияет на отличие скорости 𝑣срт от 𝑣ср. Для этой цели рассмотрим горизонтально-слоистую среду, состоящую из трех пластов мощностью ℎ1, ℎ2 и ℎ3. Скорости в каждом пласте ℎ соответственно равны 𝑣1 , 𝑣2 и 𝑣3 . Введем обозначения: 𝑚 = 1⁄ℎ , 𝑛 = 2 𝑣1 𝑣 ⁄𝑣2, 𝑘 = 1⁄𝑣3. Пусть мощность первого слоя ℎ1 = 500 м, а скорость 𝑣1 = 1500 м/с. Чтобы установить соотношения между скоростью 𝑣срт , определенной на второй границе раздела и реальной средней скоростью 𝑣ср на этой границе в зависимости от значений 𝑚, 𝑛, и 𝑘 выполним серию томографических построений. Итоговые графики соотношений 𝑣срт и 𝑣ср, посчитанные для разных значений 𝑚 = 0,15; 0,3; 0,6; 1; 1,87; 5; 8; 15; 𝑛 = 0,5; 0.65; 0,8; 0,9 и 𝑘 = 0,4; 0,6; 0,85, приведены на рис. 4. На данных графиках по оси ординат 𝑣срт −𝑣ср отложено значение 𝛾 = ( 𝑣ср ) ∙ 100, а по оси абсцисс значение 𝑚. На основе анализа данных графиков можно сделать следующие выводы: 1. В случае слоисто-однородной среды 𝑣срт > 𝑣ср. Данный вывод объясняется тем, что плавная кривая, которой аппроксимируют годограф первых вступлений, в точках излома всегда соответствует более малым временам регистрации волн (рис. 3), что влечет за собой завышение скорости в среде. 2. Расхождение между скоростями 𝑣срт и 𝑣ср возрастает при увеличении разницы скоростей 𝑣1 и 𝑣3 и уменьшается при стремлении скорости 𝑣2 к 𝑣3 . При прочих равных условиях расхождение между 𝑣срт и 𝑣ср возрастает с уменьшением мощности второго слоя, а значит, при стремлении двухслойной покрывающей толщи к однослойной. Данный вывод объясняется увеличением расхождения между годографом рефрагированной волны и реальным годографом при соответствующем изменении соотношений скоростей и мощностей пластов. 3. Теоретически, при больших перепадах скоростей и мощностей слоев в покрывающей толще, средняя скорость 𝑣срт , определенная по 10 сейсмической томографии, может превышать реальную среднюю скорость 𝑣ср более чем на 16%. Реальные геологические среды являются многослойными, следова𝑣срт −𝑣ср тельно, для них соотношение 𝛾 = ( 𝑣ср ) будет попадать в область, сосредоточенную в левой части графика (𝑚 < 2). Кроме того, в действительности, перепады скоростей в терригенной среде редко превышают 30-35%, а геологические пласты, как правило, являются градиентными пластами. Следовательно, в реальных геологических средах средняя скорость 𝑣срт , определенная по томографии первых вступлений, будет превышать реальную среднюю скорость в среде менее чем на несколько процентов. Поскольку известно, что предельные эффективные скорости также всегда превышают средние скорости в среде, и величина этого превышения менее нескольких процентов (Боганик, Гурвич, 2006; Пузырев, 1959), то средние скорости 𝑣срт , определенные по томографии первых вступлений, можно рассматривать как предельные эффективные скорости. Проверим это утверждение на примере модельных данных, отображающих строение реальных геологических сред, и на реальных сейсмических материалах. Рассмотрим глубинно-скоростную модель земной коры вдоль опорного профиля 5-АР, построенную по материалам МПВ-ГСЗ методом лучевого моделирования (Сакулина и др, 2011). Рассчитаем для этой модели годографы первых вступлений и восстановим средние скорости 𝑣срт с помощью томографии с использованием четырех итераций. При первой итерации параметр регуляризации 𝛼 = 5; коэффициент β = 25. При второй итерации 𝛼 = 3; β = 25. При третьей итерации 𝛼 = 1; β = 25. При четвертой итерации 𝛼 = 0.5; β = 25. По результатам томографии получилось, что среднеквадратическое отклонение 𝜎𝑣𝑗 (в процентах) между 𝑣срт и 𝑣ср для разных участков профиля не превышает 1.5%, что подтверждает вышесказанное утверждение. Если средние скорости 𝑣срт , полученные с помощью сейсмической томографии, можно рассматривать как предельные эффективные, то это значит, что они должны с высокой точностью соответствовать скоростям суммирования 𝑣ост , полученным в рамках РНА в случае горизонтально-слоистой среды. Действительно, если сравнить скорости 𝑣срт и 𝑣ост , полученные по реальным материалам, зарегистрированным вдоль опорного профиля 5АР в области прогиба Вилькицкого, то видно, что среднеквадратиче- 11 ская невязка между ними не превышает 2.5%, что находиться в пределах погрешности РНА. Численное сходство средних скоростей, полученных по томографии, и предельных эффективных скоростей можно использовать для повышения информативности результатов обработки сейсмических материалов, в частности, для миграции данных МОВ-ОГТ. Рассмотрим результаты обработки реальных сейсмических данных вдоль опорного профиля 3-АР (Печорское море). Данный профиль пересекает Оксинский авлакоген. Волновое поле в области синрифтового комплекса этого авлакогена характеризуется низкой амплитудной разрешенностью записи (рис. 5а), следовательно, рассчитать устойчивые скоростные спектры и определить корректные скорости в среде в рамках РНА не представляется возможным, и скорости определяются простой экстраполяцией скоростного закона из верхней части разреза в нижнюю часть. Однако, используя сейсмическую томографию по первым вступлениям, в области авлакогена можно определить средние скорости 𝑣срт и на основе этих скоростей выполнить временную миграцию до суммирования. Результат данной миграции, в сравнении с результатом миграции с использованием скоростей, определенных по отраженным волнам, изображен на рис. 5б. Более динамически выраженные изображения отражающих границ при использовании скоростей 𝑣срт в качестве скоростей миграции объясняются тем, что данные скорости практически равны реальным предельным эффективным скоростям в области авлакогена в отличие от тех скоростей, которые были выбраны путем простой экстраполяции скоростного закона из верхней части разреза в нижнюю часть. Приведенные выше результаты доказывают численное сходство между средними скоростями 𝑣срт и предельными эффективными скоростями и подтверждают целесообразность использования скоростей 𝑣срт при обработке сейсмических материалов отраженных волн. Описанные выше исследования подробно рассмотрены в главе 2 кандидатской диссертации. 2. Численное сходство средней скорости 𝒗срт , полученной по сейсмической томографии первых вступлений, и предельной эффективной скорости позволяет создать методику построения глубинноскоростной модели среды по данным отраженных и преломленных волн. Методика обеспечивает увеличение глубинности и детальности МОВ-ОГТ и МПВ-ГСЗ. Результаты миграции сейсмограмм на основе построенной по предложенной методике скоростной модели характеризуются более высокой амплитудной разрешенностью по 12 сравнению с миграцией на основе скоростей, полученных только по данным отраженных волн. 3. Глубинно-скоростная модель земной коры вдоль опорного профиля 5-АР, построенная по предложенной в работе методике, учитывает динамические свойства отраженных волн, зарегистрированных при работах МОВ-ОГТ, характеризуется большей детальностью и разрешенностью по сравнению с предыдущими моделями, и позволяет дать дополнительную геолого-геофизическую информацию о строении региона. Численное сходство средней скорости 𝑣срт , полученной с помощью томографии по первым вступлениям, и предельной эффективной скорости позволяет использовать формулу Урупова-Дикса (Урупов, Левин, 1985; Dix, 1955) для определения интервальных скоростей в среде. Следовательно, зная распределение скоростей 𝑣срт , можно определять интервальные скорости в тех частях сейсмического разреза, где отсутствуют выраженные отражающие горизонты, например, в области синрифтового комплекса (рис. 5) или ниже поверхности акустического фундамента. Это открывает новые возможности при построении глубинно-скоростной модели земной коры, поскольку теперь при построении такой модели можно учитывать динамические свойства волнового поля отраженных волн, зарегистрированных при работах МОВ-ОГТ. Построим глубинно-скоростную модель земной коры на примере опорного профиля 5-АР (Восточно-Сибирское море), вдоль которого компанией ФГУНПП “Севморего” были сделаны работы МОВ-ОГТ и МПВ-ГСЗ. Обработка материалов МОВ-ОГТ вдоль профиля была выполнена в программном пакете “Focus” и ”Geodepth” (Paradigm Geophysical). Граф обработки сейсмограмм включал следующие основные процедуры: редакция сейсмических записей, удаление преломленных волн, полосовая фильтрация и когерентная фильтрация, коррекция амплитуд за сферическое расхождение и деконволюция. Скоростной анализ был выполнен в несколько этапов: сначала сделан расчет и анализ вертикальных спектров скоростей суммирования с шагом 3125 м по профилю, затем - временная миграция сейсмограмм и последующий анализ вертикальных спектров остаточной кинематики с шагом 1000 м по профилю. Следует отметить, что скорости в консолидированной коре определялись путем экстраполяции скоростного закона из области плитного чехла в область коры. Итоговый скоростной разрез был сглажен и с ним выполнена окончательная временная миграция сейсмограмм и суммирование. 13 Главный недостаток изложенной выше обработки материалов отраженных волн заключается в использовании заведомо некорректной скоростной модели при миграции сейсмограмм. Действительно, даже при наличии устойчивых отражающих горизонтов, эффективные скорости нельзя определить по данным отраженных волн с требуемой точностью на глубинах, значительно превышающих длину приемной расстановки. Например, погрешность в определении скорости на глубине 10 км в области прогиба Вилькицкого составляет около 10%, что наглядно продемонстрировано в диссертации. Следует отметить, что глубина акустического фундамента в прогибе Вилькицкого достигает 17 км, и на этих глубинах погрешность еще выше. Ниже поверхности акустического фундамента устойчивые отражающие горизонты и вовсе отсутствуют, следовательно, определить скорости в этих областях по данным отраженных волн даже примерно нельзя. Однако, можно оценить скорости 𝑣срт с помощью томографии по материалам МПВ-ГСЗ. Сейсмотомографическая обработка материалов МПВ-ГСЗ была выполнена в программном пакете “Xtomo-LM” с использованием программы “XTomo-DPU” для считывания первых вступлений. Преломленные волны, зарегистрированные на больших удаления (более 200 км) позволили определить средние скорости 𝑣срт на всю глубину разреза, вплоть до границы Мохо. Начальная скоростная модель для томографии была задана с учетом резких скачков скорости в среде, которые приурочены к границе осадочный чехол - акустический фундамент, расположенной в верхней части разреза Геральдско-Врангелевского террейна. Положение поверхности акустического фундамента Фа и пластовая скорость в вышележащих породах были определены по данным МОВОГТ на основе анализа горизонтальных спектров, причем один из горизонтов, вдоль которых рассчитывался спектр, совпадал с поверхностью Фа в диапазоне пикетов от 0 км до 380 км. На остальных пикетах (в районе прогиба Вилькицкого) поверхность Фа располагается на глубине 15-18 км, и резкого скачка скорости не происходит, поэтому ее учитывать не обязательно. Скорость непосредственно под поверхностью фундамента была определена по преломленным волнам, также зарегистрированным на сейсмических записях МОВ-ОГТ. Граничная скорость преломленных волн, связанных с поверхностью Фа, варьировалась вдоль профиля в диапазоне 4500 – 4900 м/с. Ниже данной поверхности среда рассматривалась как градиентная с линейным возрастанием скорости с глубиной таким образом, чтобы на глубине 35 км (усредненная глубина границы Мохо для исследуемого района) скорость составила 8000 м/с. Скорости 14 также плавно уменьшались в северном направлении профиля, поскольку там расположен прогиб Вилькицкого, выполненный низкоскоростными породами. Сейсмическая томография была сделана в пять итераций. При первой итерации параметр регуляризации 𝛼 = 5; коэффициент β = 25. При второй итерации 𝛼 = 3; β = 25. При третьей итерации 𝛼 = 1; β = 25. При четвертой итерации 𝛼 = 0.5; β = 25. При пятой итерации 𝛼 = 0.1; β = 25. Полученная скоростная модель была пересчитана в модель средних скоростей 𝑣срт с целью временной миграции данных МОВ-ОГТ с этими скоростями. Следует отметить, что в результате временной миграции сейсмограмм с использованием скоростей 𝑣срт произошло улучшение прослеживаемости отражений в консолидированной коре (рис. 6). Это связано с корректной фокусировкой амплитуд при использовании более точной скоростной модели для миграции данных. Сейсмотомографическая скоростная модель вдоль профиля 5-АР, ввиду редкой системы наблюдений (шаг между донными станциями 10 км), уступает в детальности скоростной модели, построенной в рамках РНА. Кроме того, ввиду малой плотности лучей в самой верхней части модели (1 – 1.5 км ниже уровня моря), скорости при выполнении томографии в этой части меняются незначительно. Таким образом, результат томографии для самой верхней части разреза требует дальнейшей корректировки. Вместе с тем, точность сейсмотомографии при определении скоростей на глубинах, превышающих длину приемной косы, а также в консолидированной коре значительно выше, чем в РНА. Следовательно, только лишь совместное использование обоих методов позволит устранить недостатки каждого способа в отдельности, а также позволит получить достоверный и детальный скоростной разрез. Сочетание двух методов проводилось в несколько шагов. Сначала, по полученному сейсмическому разрезу были выделены сейсмостратиграфические комплексы в осадочном чехле, а также интервалы, расположенные ниже поверхности акустического фундамента. Вдоль каждого выделенного горизонта рассчитывался горизонтальный спектр скоростей суммирования. Затем, рассчитанные горизонтальные спектры сопоставлялись со средними скоростями, определенными по томографии. После этого выполнялась пикировка рассчитанных горизонтальных спектров скоростей суммирования с учетом результатов томографии: при наличии четкого и устойчивого горизонтального спектра пикировались максимумы когерентности, а при отсутствии четко выраженных максимумов использовались результаты томографии. Таким образом, происходило уточнение и детализация скоростной модели, определенной по томографии. На последнем этапе рассчитывались пла- 15 стовые скорости в среде по формуле Урупова-Дикса и полученная модель преобразовывалась из временной области в глубинную (рис. 7). Таким образом, методику совместного использования отраженных и преломленных волн можно представить в виде последовательности нескольких этапов: 1. По данным отраженных волн на сейсмическом разрезе выделяются отражающие границы, на которых происходит резкий скачок скорости (более 35%). Положение этих границ и скорости в покрывающей толще определяются в рамках РНА либо путем сканирования разреза. Скорость 𝑣г под самой нижней выделенной границей определяется по преломленным волнам. 2. Выполняется сейсмическая томография на основе первых вступлений. Начальная модель для сейсмической томографии содержит границы и скачки скорости, определенные на первом этапе. Ниже последней границы скорость линейно возрастает от значения 𝑣г до значения 8 км/с на той глубине, на которой по априорным геологическим сведениям располагается граница Мохо. Если же на первом этапе резких скачков скорости не обнаружено, то начальная модель задается в виде линейного возрастания скорости от значений, характерных для приповерхностных пород, до 8 км/с на границе Мохо. Скорости, полученные в результате томографии, пересчитываются в средние скорости 𝑣срт . 3. Выполняется временная миграция материалов отраженных волн со скоростями 𝑣срт . В области осадочного чехла и консолидированной коры выделяются сейсмостратиграфические комплексы и интервалы. Вдоль кровли каждого комплекса и интервала рассчитываются горизонтальные скоростные спектры. 4. Рассчитанные горизонтальные спектры сопоставляются со значениями 𝑣срт вдоль этих горизонтов, после чего выполняется пикировка четких максимумов когерентности. В тех областях, где четкие максимумы когерентности отсутствуют, пикирование спектров выполняется согласно значениям скоростей 𝑣срт . 5. Рассчитываются пластовые скорости в среде по формуле Урупова-Дикса и модель трансформируется из временной области в глубинную. Данная методика построения глубинно-скоростной модели учитывает все достоинства РНА и сейсмической томографии, позволяет резко увеличить глубинность и детальность обоих способов. Следует подчеркнуть, что построенная таким образом глубинноскоростная модель вдоль опорного профиля 5-АР сама по себе представляет важный геолого-геофизический результат, поскольку, в отличие от предыдущих исследований (Сакулина и др., 2011), при создании 16 скоростной модели учитывались динамические свойства волнового поля отраженных волн, зарегистрированных при работах МОВ-ОГТ. Данная модель подчеркивает блоковое строение региона, на ней выделяется сильная низкоскоростная аномалия в верхней части прогиба Вилькицкого (пикет 430-450 км) и область с пониженной скоростью относительно соседних пород в верхней части ГеральдскоВрангелевского террейна (пикет 185-225 км). Низкие значения пластовых скоростей (4.9 – 5.5 км/с) ниже поверхности акустического фундамента свидетельствуют о наличии промежуточного комплекса. Конфигурация и положение границы Мохо в принципиальном плане совпадает с результатами предыдущих исследований. Более подробно описанные выше исследования и итоговые результаты рассмотрены в главе 3 кандидатской диссертации. 4. На основе совместного анализа отраженных и преломленных волн, а также AVO – анализа, прогнозируется залежь углеводородов сводового типа, расположенная в верхней части разреза прогиба Вилькицкого. Преломленные волны, выходящие в первые вступления и зарегистрированные при работах МОВ-ОГТ вдоль опорного профиля 5-АР, были обработаны по способу общей глубинной площадки (Телегин, 2004) и в результате получен динамический разрез преломленных волн. В верхней части разреза прогиба Вилькицкого, в диапазоне пикетов 435 км – 445 км, наблюдается резкое различие между разрезами отраженных и преломленных волн. Границы, залегающие субгоризонтально по данным отраженных волн (рис. 8а), проявляются на динамическом разрезе преломленных волн в виде явно выраженной синклинали (рис. 8б). Разная конфигурация одних и тех же геологических границ объясняется наличием низкоскоростной аномалии, вытянутой по латерали и расположенной над ложной синклиналью. На данную аномалию отраженные и преломленные волны реагируют по-разному. Очевидно, что отраженные волны проходят скоростную аномалию субвертикально, по наименьшему пути, следовательно практически не чувствуют эффекта уменьшения скорости, в то время как преломленные волны распространяются субгоризонтально, следовательно, они проходят больший путь вдоль низкоскоростных пород и являются более чувствительными к вытянутым по латерали неоднородностям, чем отраженные волны. С геологической точки зрения локальное понижение скоростей сейсмических волн может быть связано с резким увеличением трещиноватости пород в данной области, а также с заполнением части поровотрещинного пространства углеводородами. Поскольку на данном участке дизъюктивных нарушений не наблюдается, а на других участ- 17 ках, содержащих выраженные дизъюктивные нарушения, подобные скоростные аномалии отсутствуют, то второй из названных факторов выступает в качестве главной причины существования низкоскоростной аномалии. При анализе мигрированного временного разреза в верхней части разреза прогиба Вилькицкого выделяется аномалия типа “яркое пятно” (рис. 9а, аномалия №1), местоположение которой совпадает с низкоскоростной аномалией, полученной на этапе построения глубинноскоростной модели среды. Скорость в данной области падает на 18% относительно скоростей в соседних породах. Кроме того, при прохождении сейсмического сигнала через аномалию наблюдается понижение частотного состава волн и падение уровня амплитуд. Совокупность данных признаков указывает на наличие углеводородов. С целью окончательной проверки данного предположения был выполнен AVO – анализ (Воскресенский, 2001; Хилтерман, 2010), который позволяет с высокой вероятностью подтвердить или опровергнуть факт наличия углеводородов в разрезе, что многократно доказано мировой практикой проведения сейсмических работ (Ross, 2002; Hilterman et al., 2000). Для оценки соотношения между скоростями продольных и поперечных волн использовалась аргиллито-глинистая линия (Castagna et al., 1985), а при расчете плотности пород соотношение Гарднера (Gardner et al., 1974). Были определены следующие атрибуты: AVO – пересечение, AVO – градиент, AVO – произведение, произведение плотности породы на коэффициент Ламе (ρλ) и угловые суммы. На разрезе AVO-произведения (рис. 10) и произведения плотности породы на коэффициент λ (ρλ) (рис. 9б) исследуемая область проявляется в виде сильной аномалии амплитуд, а при сравнении угловых сумм также наблюдается резкое изменение коэффициентов Пуассона (рис. 9в). Таким образом, по совокупности признаков, аномальная зона обусловлена наличием углеводородов. Прогнозируемый перспективный на нефть и газ объект находится на глубине 640 м и приурочен к структуре куполообразной формы, шириной 6 км (в плоскости сечения профилем). Мощность все толщи, перспективной на углеводороды и имеющей аномально высокие значения амплитуд, составляет 1100 м. Структура, к которой приурочена потенциальная залежь, названа структурой Челюскинской (Половков, 2011). Следует также отметить наличие аномалий типа “яркое пятно” в подстилающей толще (рис. 9а, аномалии №2, 3), которые на разрезах преломленных волн дают ложные синклинали (рис. 8), обусловленные понижением скорости сейсмических волн. Следовательно, эти аномалии тоже могут быть связаны с углеводородами. 18 Более подробно описанные выше исследования рассмотрены в главе 4 кандидатской диссертации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты работы условно можно разделить на методические результаты, представляющие несомненный интерес для обработки сейсмических материалов, и геолого-геофизические, дающие дополнительную информацию о геологическом строении и нефтегазоносности Восточно-Сибирского моря. Методические результаты работы: 1. На примерах численного моделирования и реальных данных исследованы соотношения между средней скоростью 𝑣срт , полученной по томографии первых вступлений, и средней скоростью в среде 𝑣ср. Показано, что в слоистой среде скорость 𝑣срт всегда превышает скорость 𝑣ср и степень превышения возрастает с увеличением перепада скоростей в покрывающей толще. Для реальных геологических сред, у которых перепад скоростей менее 35%, разница между скоростями 𝑣срт и 𝑣ср не превышает нескольких процентов. Показано, что средние скорости 𝑣срт , полученные по томографии, можно рассматривать как предельные эффективные скорости и использовать их при обработке материалов отраженных волн. 2. В работе предложена методика совместного использования отраженных и преломленных волн для построения глубинно-скоростной модели среды, основанная на численном сходстве средней скорости, полученной по томографии, и предельной эффективной скорости. Результаты миграции до суммирования на основе построенной по предложенной методике скоростной модели характеризуются более высокой амплитудной разрешенностью и корректным позиционированием геологических объектов в глубинной области по сравнению с результатами миграции на основе скоростей, полученных только по отраженным волнам. Геолого-геофизические результаты работы: 1. С использованием предложенной в работе методики совместного использования отраженных и преломленных волн построена глубинноскоростная модель земной коры вдоль опорного профиля 5-АР, учитывающая динамические свойства волнового поля отраженных волн. 2. На основе совместного анализа отраженных и преломленных волн, а также AVO – анализа, в верхней части разреза прогиба Вилькицкого прогнозируется залежь углеводородов. Залежь приурочена к антиклинальной структуре, которая названа структура Челюскинская. 19 СПИСОК НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Дергунов Н.Т., Беляев И.В., Половков В.В. Новые технологии обработки и комплексной интерпретации геофизических данных на опорных профилях и в транзитной зоне // Разведка и охрана недр. – 2011 г. - №10. – С. 62-66. 2. Половков В.В. Выявление залежи углеводородов в ВосточноСибирском море с помощью совместного использования отраженных и преломленных сейсмических волн //Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2011. – T.6. - №4, 17 с. http://www.ngtp.ru/rub/5/39_2011.pdf. 3. Половков В.В., Кокошин Е.Ю. Повышение точности и информативности обработки сейсмических данных МОВ ОГТ на региональных профилях с использованием современных технологий // Труды 9-й Международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore 2009), 15-18 сент. 2009 г. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2009. – Т.2 – С. 179-185. 4. Половков В.В., Пыжъянова Т.М. Сейсмическая томография по отраженным и преломленным волнам с целью изучения нефтяных месторождений кристаллического фундамента // Труды 10-й Международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore 2011), 13-16 сент. 2011 г. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2011. – С. 552556. 5. Половков В.В. Совместное использование отраженных и преломленных волн для построения глубинно-скоростной модели среды с целью миграции сейсмических данных МОВ // Геофизические методы исследования Земли и ее недр: Материалы VII Международной научнопрактической конкурс - конференции “Геофизика-2009”, 5 – 9 окт. 2009 г. – СПб.: “Соло”, 2010. – С. 87-93. 6. Пыжъянова Т.М., Половков В.В. Построение глубинной скоростной модели геологической среды с помощью сейсмической томографии по первым вступлениям // Труды 10-й Международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore 2011), 13-16 сент. 2011 г. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2011. – С. 557-559. 7. Polovkov V.V. Complexing of the reflected and refracted waves in the processing and interpretation of multichannel marine seismic data // 5th Saint-Petersburg International Conference and Exhibition, EAGE: Ext. Abstracts, 02 April 2012, 5 p. Saint-Petersburg, http://eagedoc.org/detail.php?pubid=57745. 20 Рис. 1. Сейсмическая томография для горизонтально-слоистой среды: 1 – реальное распределение скорости в среде; 2 – начальная скоростная модель; 3 – результат томографии; 4, 5 – средние скорости 𝐯ср и 𝐯срт . Рис. 3. Фрагмент годографа первых вступлений (черная линия) и его аппроксимация годографом рефрагированной волны (красная линия) для модели: а. – со скоростью 𝒗𝟒𝟐 = 2100 м/c; б. – со скоростью 𝒗𝟒𝟏𝟏 = 3000 м/c. 21 Рис. 2. Сейсмическая томография для горизонтально-слоистых сред с разными скоростями 𝒗𝟒𝒋 в четвертом слое: пунктирные линии – реальное распределение скорости в среде; сплошные линии – результат томографии. Рис. 4. Соотношения между средней скоростью 𝒗срт , полученной в результате томографии и реальной средней скоростью 𝒗ср для двухслойой покрывающей среды Рис. 5. Фрагмент мигрированного до суммирования сейсмического разреза (Оксинский авлакоген, профиль 3-АР): а. - с использованием скоростей суммирования; б. – с использованием средних скоростей, определенных по томографии. М М Рис. 6. Фрагмент сейсмического разреза по профилю 5-АР после миграции до суммирования, с использованием: а. – скоростей, определенных в рамках РНА; б. – средних скоростей, полученных по томографии (стрелками отмечена проявившаяся коровая граница). М – граница Мохо. Рис. 7. Глубинно-скоростная модель земной коры вдоль профиля 5-АР, построенная с учетом динамических свойств волнового поля отраженных волн (цифрами указаны значения интервальных скоростей в км/с) а. б. Рис. 8. Фрагмент сейсмического разреза вдоль профиля 5АР: а – по данным отраженных волн; б – по данным преломленных волн. Рис. 9. AVO – анализ: а. – фрагмент сейсмического разреза в истинных амплитудах; б – фрагмент разреза AVO – атрибута λρ; в – фрагменты разрезов угловых сумм. 0-10; 10-20; 20-30; 40-50 – соответствующие диапазоны углов в градусах. Рис. 10. Фрагмент разреза AVO – произведения