Кафедра общей и прикладной геофизики

Курсовая работа по предмету «Распространение сейсмических волн» на тему:

«Обработка данных МПВ методом t ₀ ».

Дубна,2006

Оглавление

Введение3

Теоретическая часть5

Общий обзор методов обработки данных МПВ5

Ввод поправок в данные МПВ5

Методы временного запаздывания6

Метод волновых фронтов (полей времен)11

Обработка и интерпретация данных МПВ в системе RadExPro

Принципы построения преломляющей границы15

Режим КМПВ (Refraction Mode) в системе RadExPro17

Построение преломляющей границы способом t0. Возможности программы и ограничения18

Практическая часть20

Этап 1. Изображение системы наблюдений на карте-схеме20

Создание проекта20

Ввод параметров системы наблюдений20

Этап 2. Обработка сейсмограмм. Корреляция волн.21

Ввод и обработка сейсмограмм21

Корреляция волн и построение годографов22

Этап 3. Обработка годографов. Определение скоростей и построение преломляющей границы.23

Рабочее окно профиля23

Построение сводных годографов головных волн23

Увязка встречных годографов25

Вычисление годографа t0 и разностного годографа25

Определение граничной скорости V226

Определение скорости в покрывающей толще (V1)27

Вычисление эхо глубин до преломляющей границы28

Этап 4. Работа с разрезом.29

Рабочее окно разреза29

Сохранение разреза в базе данных и загрузка из базы29

Сохранение границ в базе данных и загрузка из базы30

Составление сводных глубинных разрезов30

Заключение31

Список литературы32

Введение

Метод преломленных волн (МПВ) основан на регистрации волн, проходящих значительную часть пути в пластах, характеризующихся большей скоростью по сравнению с выше лежащими. На некотором удалении от источника такие волны обгоняют все другие. Это создает условия для их регистрации в области первых вступлений, благодаря чему МПВ был первым сейсмическим методом разведки, получившим (начиная с 20-х годов) промышленное применение.

В начале 50-х годов в СССР под руководством Г.А. Гамбурцева разработан корреляционный метод преломленных волн (КМПВ). Метод основан на представлении о головных волнах, образующихся в слоях малой мощности; главная особенность метода — корреляционный принцип выделения и прослеживания преломленных головных волн не только в области первых, но и последующих вступлений. Поэтому в название метода было введено слово «корреляционный», со временем корреляционные принципы стали общепринятыми, и слово корреляционный в названии метода опускается (сокращения КМПВ и МПВ идентичны).

В процессе применения метода были уточнены его физические основы, в результате чего за МПВ теперь принимают метод, основанный на использовании волн, регистрируемых на расстояниях от источника, превышающих 1,5-2 глубины до исследуемых границ — преломленных (головных), рефрагированных, отраженных при больших углах падения и волн интерференционных.

Современные работы методом преломленных волн выполняют с помощью многоканальных (48- и 24-канальных) станций, аналогичных применяемым в МОВ. Особенности применяемых систем наблюдений: размещение источников на значительном расстоянии от сейсмоприемников, получение нагоняющих годографов, увязка записей волн от разных источников по ближним взаимным точкам. Специфическая особенность обработки годографов преломленных волн — введение поправок за рефракцию.

Для МПВ разработано большое число способов интерпретации, причем особенно велико число близких способов построения преломляющих границ, среди которых выделяется наиболее общий способ полей времен. Предложены способы оценки средних скоростей до преломляющих границ, но целесообразнее использовать данные о средних скоростях, полученные другими методами. Разработаны алгоритмы и программы интерпретации данных МПВ на ЭВМ (для всего процесса интерпретации и ее отдельных этапов), приемы машинного выделения волн в зонах интерференции.

Способы наблюдений и интерпретации в МПВ позволяют:

а) определять глубины Н до преломляющих границ и строить разрезы, карты изоглубин;

б) устанавливать граничные скорости V_Г распространения волн вдоль преломляющих границ по годографам головных и слабо рефрагированных волн и по годографам рефрагированных волн с введением поправки за рефракцию;

в) оценивать зависимость V (Н) региональной компоненты поля скоростей от глубины по годографам рефрагированных волн;

г) строить разрезы в изолиниях скорости;

д) определять коэффициенты поглощения в преломляющем слое по графикам амплитуд А_х головных волн;

е) находить модули упругости (при совместной регистрации волн Р и S);

ж) картировать в плане тектонические нарушения.

Преимущество метода заключается в возможности определять скорости распространения сейсмических волн вдоль глубинных сейсмических границ, по которым можно судить о физических свойствах преломляющих горизонтов, их литологическом составе, о принадлежности сейсмических границ к геологическому разрезу. Для метода практически нет ограничений в глубине разведки (для него доступны глубины от единиц метров до 10-20 км); имеется возможность применять метод в районах с интенсивным фоном многократных волн. Метод дает возможность выделять тектонические нарушения, изучать горизонтальную неоднородность среды, выделять в разрезе такие границы, как поверхность фундамента, соль и др.

Недостаток метода — его меньшая точность, детальность и разрешающая способность по сравнению с методом отраженных волн, особенно при изучении криволинейных границ.

При малых глубинах исследования используют высокочастотную модификацию (свыше 60 Гц), обеспечивающую более высокую точность и разрешенность данных при профильных и площадных наблюдениях, проводимых с целью детального картирования, расчленения разреза и т. д. При изучении больших глубин используют низкочастотные модификации МПВ (5-20 Гц) при непрерывных наблюдениях на профилях или точечных зондированиях.

Благоприятны для применения МПВ горизонтально-слоистые среды с небольшим числом слоев, характеризующихся большой дифференциацией по скоростям. Скорость в слое, представляющем интерес для разведки, должна быть больше, чем во всех вышележащих (толстых) слоях, а преломленная волна, соответствующая этому слою, должна прослеживаться преимущественно в первых вступлениях, где выделение волн и определение их параметров осуществляется с большей точностью. Для применения МПВ следует предварительно изучить среду по распределению скорости в покрывающей толще, так как зависимость V (Н) в МПВ определяется с малой точностью.

МПВ применяют при региональных исследованиях, разведке на нефть, газ, уголь, руды, грунтовые воды, при инженерно-геологических изысканиях. При разведке на нефть и газ МПВ используют для изучения поверхности фундамента, определения общей мощности осадочной толщи, выделения и изучения положения сильной границы в покрывающей толще (на которой надо учитывать преломление при интерпретации данных МОВ и МПВ по глубоким границам), выявления и трассирования по площади тектонических нарушений, определения статических поправок (при применении в комплексе с МОВ). Имеются отдельные примеры применения МПВ для прямых поисков нефти и газа.

МПВ является основным методом при проектировании инженерных сооружений и разведке грунтовых вод. При инженерно-геологических изысканиях МПВ в комплексе с сейсмоакустическими методами широко применяют для изучения упругих и деформационных свойств разреза.

На базе МПВ создана методика глубинного сейсмического зондирования (ГС3). Объекты исследования МПВ и ГСЗ частично перекрываются; общей является верхняя часть кристаллического фундамента. Однако МПВ обеспечивает большую детальность и точность исследования этой части разреза, чем ГСЗ.

При решении многих методических и геологических задач целесообразно комплексировать МПВ с МОВ, сейсмическими исследованиями в скважинах, акустическим каротажем (АК) и другими геофизическими методами. Так, комплексирование МПВ с АК и ВСП позволяет однозначно определять природу регистрируемых волн, осуществлять их привязку к разрезу, повышать точность интерпретации.

МПВ дает наиболее надежную информацию о глубине фундамента и поэтому может являться основой для интерпретации данных других методов разведочной геофизики.

Теоретическая часть

Общий обзор методов обработки данных МПВ

Ввод поправок в данные МПВ

Данные метода преломленных волн необходимо скорректировать за изменения рельефа и за зону малых скоростей таким же образом, как и в методе отраженных волн. Методы коррекции в основном те же самые, только сейсмоприемники зачастую расположены слишком далеко от пункта взрыва, чтобы регистрировать волну, преломленную в подошве ЗМС, и поэтому вдоль большей части профиля данные о ЗМС могут отсутствовать. Специально для получения информации о преломлении в подошве ЗМС можно провести дополнительные взрывы.

Рис. 1. Редуцированный временной разрез МПВ. [С разрешения «Петти-Рей джеофизикал»] а — обычный разрез МПВ; б — разрез, редуцированный при скорости 5469 м/с с целью подчеркнуть оси синфазности высокоскоростных волн (вверху) и редуцированный при скорости 2735 м/с (внизу). Вычитание x / V_R облегчает разделение осей синфазности и упрощает корреляцию волн.

Если имеется полная система профилей МПВ от нулевого удаления до очень больших расстояний, перезапись данных с различными характеристиками фильтров и с автоматической регулировкой усиления (АРУ) позволяет прокоррелировать между собой оси синфазности отраженных и преломленных волн, давая таким образом дополнительную информацию для интерпретации волн обоих типов. Часто наиболее сильные отраженные волны не соответствуют наиболее сильным преломленным волнам.

Другим полезным способом представления данных МПВ является изображение результатов в виде редуцированных разрезов МПВ (рис. 1), когда времена вступлений сдвигают на величину x / V_r , где х — удаление приемника, V_r — величина, близкая к граничной скорости. Если V_r было бы в точности равно граничной скорости, то остаточные времена равнялись бы временам запаздывания и рельеф на редуцированном разрезе МПВ соответствовал бы рельефу преломляющей границы (хотя и смещен относительно последнего по горизонтали). Однако, даже если V_r только приблизительно равно граничной скорости, использование редуцированных разрезов значительно улучшает прослеживаемость осей преломленных волн, особенно в последующих вступлениях.

Методы временного запаздывания

а) Времена запаздывания. Понятие времени запаздывания, введенное Гарднером, широко используется в стандартной интерпретации данных МПВ главным образом благодаря тому, что многочисленные алгоритмы, основанные на использовании времен запаздывания, дают довольно точные результаты. Если принять, что времена вступления преломленной волны уже исправлены за рельеф и ЗМС, то время запаздывания, относящееся к траектории SMNG на рис. 2, представляет собой наблюдаемое время вступления преломленной волны в точку G ( t_g ) минус время, затраченное волной на прохождение пути от точки Р до точки Q (проекция траектории на преломляющую границу) со скоростью V ₂ . Обозначив время запаздывания буквой d, запишем

(1)

где d_S и d_g называют временами запаздывания впункте взрыва и в пункте приема соответственно, поскольку они связаны с участками траектории, идущими вниз от источника и вверх к приемнику.

Приближенное значение d найдем, приняв, что наклон границы достаточно мал и отрезок PQ приблизительно равен удалению сейсмоприемника х. В этом случае

(2)

При наклоне границы менее 10° это соотношение дает удовлетворительную точность результатов для решения большинства задач. Если подставить значение t_g , то становится ясно, что d равно t ₀ только в случае горизонтальной границы.

Рис. 2. Иллюстрация к понятию времени запаздывания.

В литературе описано много способов интерпретации, использующих время запаздывания. Например, такие способы предложены Гарднером, Бартелмсом, Таррантом, Виробеком, Барри. Рассмотрим только три последних. Методы, описанные Виробеком и Таррантом, подходят для одиночных годографов, метод Барри дает наилучшие результаты в случае встречных годографов.

б) Метод Барри. Схема, описанная Барри, подобно многим, основанным на временах запаздывания, требует разложения полного времени запаздывания d на составляющие члены d_S и d_g . На рис. 3 изображен приемник R , который регистрирует колебания от источников A и В. Луч BN отражается под критическим углом; следовательно, Q — первый приемник, который зарегистрирует головную волну, порожденную источником В. Пусть d_ам — время запаздывания в пункте взрыва A , d_nq иd_PR — времена запаздывания в пунктах приема Q и R , ad_aq иd_ar — полные времена запаздывания для траекторий AMNQ и AMPR ..

Тогда

Время запаздывания в пункте взрыва В d_BN , в случае если наклон границы мал, приблизительно равно времени запаздывания в пункте приема Q d_NQ . Следовательно,

.

Времена запаздывания в пунктах приема теперь можно записать в следующем виде:

(3)

Таким образом, время запаздывания в пункте приема R можно получить, если имеются данные для двух пунктов взрыва

Рис. 3. Определение времен запаздывания в пункте взрыва и пункте приема.

с одной стороны от приемной расстановки и можно найти точку Q . Если принять, что вблизи N граница горизонтальна и находится на глубине h_N , можно записать

(4)

(5)

Принимаем, что время запаздывания d_bn равно половине t ₀ в точке В; это позволяет рассчитать приближенное значение BQ и определить таким образом времена запаздывания для всех сейсмоприемников вправо от Q , которые зарегистрировали колебания, возбужденные в точках А и В.

Этот способ интерпретации включает следующие шаги, которые можно проследить по рис.4:

а) построение годографов по исправленным временам;

б) расчет и построение графиков полных времен запаздывания для всех положений приемников;

в) расчет «сейсмического сноса для сейсмоприемников» (РР' на рис. 4) с помощью соотношения РР' ≈ V ₂ d_PR tg² Q, после чего кривые времен запаздывания в п. (б) сдвигаются по направлению к пункту взрыва на эти величины;

г) смещенные на этапе (в) кривые для встречных профилей должны быть параллельны; любое расхождение обусловлено

Рис. 4. Интерпретация встречных профилей по методу времен запаздывания.

неточным выбором значения V ₂ ; следовательно, значение V ₂ необходимо исправить и повторить этапы (б), (в), пока кривые не станут параллельны (на практике уточнение V ₂ обычно производится только один раз);

д) разделение полных времен запаздывания на относящиеся к пунктам взрыва и пунктам приема (при этом последние относят к проекциям на поверхность точек, в которых сейсмическая волна падает на преломляющую границу и отходит от нее, т. е. к точкам S и Т на рис. 3); масштаб времен, если требуется, можно перевести в масштаб глубин с помощью формулы (4).

в) Метод Тарранта. В этом методе времена запаздывания используются для определения положения точки Q (рис. 5, а ), в которой энергия, регистрируемая в пункте R , отходит от границы. Обозначив d_g время запаздывания, связанное с траекторией QR , запишем

,

Откуда

. (6)

Мы получили уравнение эллипса в полярной системе координат. Эллипс —это геометрическое место таких точек Q (рис. 5, б ),

Рис. 5. Интерпретация по методу Тарранта а — связь между точкой приема К и точкой Q отхода от границы; б —схема, поясняющая, что геометрическим местом точек Q является эллипс, в одном из фокусов которого располагается точка R ; в — геометрия эллипса, проходящего через точку Q .

для которых отношение QR / QM остается постоянным (равным эксцентриситету e, который для эллипса меньше 1, т. е.

r/(h + rcosj) = e,

а следовательно,

r = eh /(1 - ecosj). (7)

Большая ось эллипса 2а = r_{j =0} + r_{j = p} = 2 eh / (1—e² ). Малую полуось b можно найти, записав y = rsinjи определив у _max ,; это дает b = eh ( 1— e² )^-1/2 . Расстояние от фокуса R до центра эллипса О равно

r|_{j =0} — а = eh /(1 — e) —eh /(1 — e² ) = ea .

Если принять e = sinQ и h = V ₂ d_g , выражение (7) перейдет в (6).

Для горизонтальной преломляющей границы получается эллипс (рис. 5, в ) с а = V ₂ d_g tgQsecQ, b = V ₂ d_g tgQи OR = V ₂ d_g tg² Q. Подобным же образом RQ = b / cos Q = а и ÐOQR = arctg(ОR / b ) = Q, OQ = OR ctgQ = V ₂ d_g tgQ.

В окрестности Q эллипс можно аппроксимировать окружностью того же радиуса кривизны. Если записать уравнение эллипса в декартовой системе координат

(x / a )² +(y / b )² = 1,

то радиус кривизны r можно выразить как

r = (1+y ’ ² )^3/2 /y ’’ ,

где у' = — ( b /а)² (х + у) и у" = —( b /а)² (у — ху')/у² ; в точке Q у' = 0 и у" = b /а² . Следовательно,

r = a ² lb = V ₂ d_g /cos³ Q = V ₂ d_g tgQsec² Q

и центр кривизны С лежит в точке (0, r — b ) , т. е. (0,V ₂ d_g tg³ Q). Следовательно, ÐCRO = arctg( CO / RO ) = Q, а значит, Ð CRQ — прямой угол.

Чтобы применить описанный метод, мы должны определить скорости V ₁ и V ₂ и время запаздывания в пункте взрыва d_S , а затем рассчитать d_g по формуле

d_g = t_R — x / V ₂ — d_S .

После этого можно вычислить OR , OQ и затем найти положение С, проведя перпендикуляр RC к RQ . Из С проводим дугу окружности, соответствующую преломляющей границе в окрестности точки Q . Если наклон границы отличен от нуля, точкой выхода станет Q ' и длина дуги QQ ' увеличивается при росте угла наклона границы. Но даже для углов падения умеренной величины дуга эллипса QQ ' будет близка к дуге окружности, проходящей через Q , и, таким образом, огибающая дуг окружностей достаточно точно отобразит преломляющую границу.

Метод Тарранта удобен, когда наклон границ умеренный или даже большой, а преломляющая граница криволинейна или имеет неправильную форму. Принципиальным ограничением является точность определения V ₂ .

г) Метод Виробека. Для иллюстрации метода Виробека обратимся к верхней части рис. 6, где показан ряд одиночных годографов. Последовательные шаги интерпретации таковы:

а) строят исправленные годографы и измеряют времена t ₀ , отсекаемые годографами на оси t ;

б) рассчитывают полное время запаздывания d для каждого положения приемников при каждом положении пункта взрыва и наносят полученные значения в точках приема (если нужно, принимают некоторое значение V ₂ ) ; сдвигая отдельные участки вверх и вниз, получают сводную кривую запаздывания, отражающую конфигурацию мнимого горизонта;

в) строят график времени t ₀ , деленного на 2, и сопоставляют его со сводной кривой запаздывания; расхождение между двумя

Рис. 6. Интерпретация профилей, отработанных в одном направлении, по методу Виробека.

кривыми указывает на то, что значение V ₂ выбрано неверно (см. ниже), поэтому значение, использованное на шаге (б), следует уточнять, пока две кривые не станут «параллельны», после чего кривую t ₀ /2 дополняют путем интерполяции и экстраполяции так, чтобы она покрывала тот же диапазон, что и сводная кривая временных задержек;

г) кривую t ₀ /2 преобразуют в кривую глубин, используя выражение

Успех применения метода Виробека зависит от того, является ли кривая d приблизительно параллельной кривой t ₀ /2 Чтобы применять данный метод, не требуется встречных профилей, так как t ₀ не зависит от направления, в котором развернута приемная коса.

Методы временного запаздывания подвержены некоторым ошибкам,


29-04-2015, 00:49