Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование закономерностей распространения упругих волн и разработка методики интерпретации сейсмических данных в условиях упорядоченной неоднородности геологических сред на основе физического моделирования

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование закономерностей распространения упругих волн и разработка методики интерпретации сейсмических данных в условиях упорядоченной неоднородности геологических сред на основе физического моделирования"

- 4 ib 'Ц 7.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ PCSCP ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕОТИ И ГАЗА Ж И. М. ГУБКИНА

УДК 550.834. 01 На правах рукописи

ТРУШНИКОВ ЭДУАРД БОЛЕСЛАВОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ В УСЛОВИЯХ УПОРЯДОЧЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО ШДЕЛИРОЕШИЯ

Специальность 04.00.22 - "Геофизика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Государственной Академии нефти и газа им. И. Е Губкина на кафедре полевой геофизики

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

Ведущая организация: ШЗ РАН

Защита диссертации состоится "28 " ЛЯРВ///? 1992 г. в 15 часов в ауд. 523-на заседании специализированного совета Д. 053.27.08 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Государственной академии нефти и газа имени И. Ы. Губкина (117917, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., 65).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " 9 " АМР'Г/-) 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного д п

наук, профессор А. К. Урупов

наук, профессор Ф. 1£ Ляховицкий

кандидат технических наук

Е Г. Гильберштейн

С. А Серкеров

¡гона-шя

л . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

тдал вргацмй

Актуальность работы. Прогресс сейсморазведки - основного геофизического метода при геологоразведочных работах на нефть и газ - в значительной степени определяется развитием ее физических основ. При этом одной из основных задач было и остается совершенствование сейсмических моделей с целью наиболее полного отражения ими особенностей строения реальных геологических сред.

Одним из важных классов сейсмических неделей являются анизотропные модели, использующиеся для аппроксимации упорядоченной неоднородности геологических сред, обусловленной слоистостью, системной тревдноватостыо, ориентированным расположением минеральных зерен и др. факторами. Несмотря на значительное число ра-

г

бот, посвященных изучению анизотропных сред, в данной области остается немало нерешенных проблем, которые можно условно разделить на фундаментальные и прикладные. К числу недостаточно изученных фундаментальных проблем относятся закономерности распространения сейсмических волн в утрядоченно-неоднородных средах, а к прикладным - методические приемы геологической интерпретации сейсмических данных в условиях анизотропных сред. Причем возможности успешного решения прикладных задач в немалой степени определятся • уровнем развития фундаментальных представлений.

Теоретические исследования распространения упругих волн в упорядоченно-неоднородных средах характеризуются значительной сложностью, в силу чего особую актуальность имеют исследования по физическому моделированию волновых процессов с целью изучения общих закономерностей распространения упругих волн и установления физически обоснованных интерпретационных критериев, обеспечивающих получение сведений о строении упорядоченно-неоднородных геологических сред по сейсмическим данным.

- г -

Цель работы - исследование кинематических и динамических характеристик продольных волн на физических моделях упорядоченно-неоднородных' сред методом ультразвукового моделирования и разработка на этой основе методики интерпретации сейсмических данных при изучении упорядоченной неоднородности геологических сред.

В процессе исследований решались следующие основные задачи:

1. Совершенствовалась методика ультразвукового моделирования процессов распространения продольных волн на физических моделях

I

упорядоченно-неоднородных сред.

2. Детально исследовались закономерности распространения продольных волн на физических моделях одномерно-упорядоченных сред в широком диапазоне соотношения периода неоднородности среды Е с длиной волны %.

3. Изучались основные особенности проявления анизотропии комплекса кинематических и динамических характеристик продольных волн на физических моделях многомерно-упорядоченных сред в условиях различного числа систем упорядоченности, при варьировании кх взаимной ориентировкой и количественными параметрами.

4. На основе результатов физического моделирования разрабатывались методические приемы интерпретации сейсмических данных, обеспечивающие изучение упорядоченной. неоднородности геологичес- • ких сред, и производилось их практическое опробование.

Еаучкая штизиа

1. На физических моделях одномерно-упорядоченной среды установлены закономерности проявления анизотропии спектральных характеристик продольных волн, включая зависимости частотной фильтрации сигналов средой и резонансного затухания упругих колебаний от азимута наблюдений относительно направления упорядоченности.

2. Показана информативность индикатрис параметра относительной интенсивности спектральных составляющих для определения на-

правлений простирания систем упорядоченности в среде.

3. Установлены закономерности проявления анизотропии комплекса кинематических и.динамических характеристик продольных волн,, и дана оценка их разрешающей способности при определении ориентировки систем упорядоченности среды в зависимости от числа систем упорядоченности, их взаимной ориентировки и соотношения характерного размера неоднородности среды % с длиной волных.

4. На основе результатов ультразвукового моделирования при обработка полевых материалов кольцевого сейсмопрофиирования разработаны и опробованы методические приемы комплексной интерпретации кинематических и динамических характеристик продольных волн. Однозначно установлено, что причиной анизотропии этих характеристик является упорядоченность неоднородностей геологической среды.

Практическая ценность работы Разработанные методические приемы интерпретации комплекса кинематических и динамических характеристик продольных волн при исследованиях азимутальной сейсмической анизотропии обеспечивают высокую достоверность определения ориентировки систем упорядоченности среды и установление их геологической природы. Кроме того, результаты ультразвукового моделирования на типовых моделях упорядоченно-неоднородных сред представляют своего рода каталог проявлений сейсмической анизо- • тропии, который шкет .служить практическим пособием по интерпретации сейсмических данных в условиях упорядоченной неоднородности геологических сред.

Реализация работы в производстве. Прикладные результаты работы включены в два отчета о НИР Государственной Академии нефти и газа им. И. М. Губкина и переданы, для использования в трест "Сев-морнефтегазгеофизика" НТО "Союзморгео" и в МАГЭ ПГО "Севморгеоло-гия" (г.Мурманск).

Апробация работы Основные научные и практические результа-

ты диссертационной работы были представлены на конференции "Построение ФГМ.и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований" (Пермь. 1990), на Всесоюзной конференции молодых ученых "Проблемы развития нефтегазового комплекса страны" (Кр. Курган, 1991) и на научно-технической конференции "Совершенствование методов поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений" (Пермь, 1991).

Публикации Ш теме диссертации имеется 5 печатных работ.

Сбьеы и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 108 машинописных страниц, 2 таб-цц и 100 рисунков. Список литературы включает 95 наименований.

Работа выполнена на кафедре полевой геофизики ГАНГ им. И.Ы. Губкина за время обучения в очной аспирантуре с 198В по 1391 год под научным руководством профессора А К. Урупова, которому автор глубоко благодарен за большое внимание к работе и постоянную поддержу. Автор выражает свою искреннюю признательность за неоценимую помощь к.т.я. Ей.Богоявленскому, а ташке благодарит аа помощь и полезные консультации Т. А. Будагову и ряд других сотрудников кафедры. Особо признателен автор доценту С. И. Лапину, оказавшему болыюе влияние на формирование его научных интересов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ УПОРЯДОЧЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД И ВОЗМОЖНОСТИ ЖИЧЕСКОГО ШДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИХ РЕШЕНИИ

Рассмотрены сейсмические модели упорядоченно-неоднородных геологичзсют сред, теоретические представления о распространении упругих волн в рамках этих моделей и ргзультаты их исследования метолом ультразвукового моделирования (УЗЙ), а также дан краткий

обзор сейсмических работ, посвяиэнных изучению упорядоченной неоднородности геологических сред в реальных условиях.

На основе работ С. И. Лапша, Ф. Н. Ляховвдкого, К А. Магницкого, А. Е Николаева, Г. И. Петкевича, М.В.Раца, XI В. Ризниченко, А.К.Уру-пова, Е. М. Чеснокова и др. изложены методологические основы построения сейсмических моделей неоднородных и улорядоченно-неодно-родных геологических сред. Подчеркивается, что сейсмические еод-новые процессы в таких средах определяются соотношением характерного размера неоднородности (периода) среды I с длиной сейсмической волны д.. Так, в случае ?/% > 1 (коротковолновое приближение) среда считается неоднородной, но при определенных условиях южет проявлять анизотропию своих свойств. В противоположном случае, когда << 1 (длинноволновое приближение), среда становится эффективно однородной анизотропной, а в промежуточном случае, когда Ел < 1, среду рассматривают как квазианизотропнуто, проявляющую квазидисперсионные свойства

Тагом образом, в зависимости от диапазона соотношения !л з порядке его убывания выделяется три основных типа сейсмических моделей упорядочение-неоднородных сред - собственно неоднородная среда, квазианизотропная среда и однородная анизотропная среда Эти сейсмические модели является наиболее общими и относятся ко всем видам упорядоченчо-неоднородных геологичесих сред с различным числом и взаимной ориентировкой систем упорядоченности.

Разным типам сейсмических моделей соответствуют качественно различные волновые процессы, что дает возможность установления типа сейсмической модели и соответственно самой среды по характеру волнового процесса Для реализации такой возможности необходимо детальное исследование типичных особенностей каждого из волновых процессов с упором на различия мелиу ниш. При этом большую важность имеет установление граничного значения отношения I/*. ,

- б -

соответствующего переходу к однородной анизотропной среде от квазианизотропной. что может бить использовано для количественной оценки характерного размера элементов неоднородности среды.

Большинство теоретических работ по распространению упругих волн в упорядоченно-неоднородных средах выполнено в рамках модели однородной анизотропной среды (.к.Т. Вугаевский, ф.Я Ляховицгагй, JL А. Молотков, НЕ Невский, Г. Я Петрашень, Id В.Ризниченко, Дж.Э. Уайт, S. Crampin, QPostma и др.) и имело своей целью нахождение интегральных параметров (упругих постоянных) эффективной среды в длинноволновом приближении на основе данных о структуре среды и локальных параметрах ее кошоненгов. С более общих позиций распространение упругих волн Усматривалось для слоистых периодических сред (СПС) в работах JL А. Мэлоткова, С. М. Рыгова, ЕЕСиби-рякова и др., Е А. Щульги.

Однако теоретическое решение целого ряда вопросов распространения упругих волн в упорядоченно-неоднородных средах, в первую очередь, в области квазианкзотротш, сопряжено со значительными трудностями. В этих условиях возникает необходимость в проведении физического (ультразвукового) моделирования указанных явлений. К настоящему времени подобными исследованиями для С1Ю показано хорошее соответствие экспериментальных значений скоростей ■ теоретическим по Ризниченко-Шстма (Б. Н. Ивакин; Ф. М. Ляховицкий; ад Сибиряков, и др.; P. J. Kfelia, R.L. Carlson). Вместе с тем отдельные отклонения экспериментальных значений скоростей от теоретических в некоторых из этих' работ могшо объяснить' выходом за пределы длинноволнового приближения в область квазианизотропии.

Наряду с УЗМ волновых процессов в СПС, известны исследования на моделях сред с 1-й или 2-мя системами упорядоченности (трещин) (А. К. У рул 02, ЛП Неволин; Т. Г.'Черголеишвшш и др.). При этом помимо индикатрис скоростей были получены индикатрисы козффициен-

тов затухания, и отмечалась анизотропия спектральных характеристик. Изменчивость спектрального состава упругих колебаний также была установлена на моделях случайно-трещиноватых сред (С. Д Виноградов и др. ; С. А. Стрижков; 0. Г. Шамина).

Анализ перечисленных работ приводит к выводу, что УЗЫ на сегодняшний день остается одним из наиболее, эффективных средств изучения кинематических и динамических характеристик упругих волн в упорядоченно-неоднородньос средах.

В итоге обзора работ по сейсмическим исследованиям упорядоченной неоднородности геологических сред в условиях естественного залегания и на образцах в лабораторных условиях (Г. М.Мчан, В. И. Богоявленский, А. Ы. Епинатьева, £Д Лаврова, Ф. М. Ляховицкий, М. К Невский, AîLCaвич, А К. Урупоз, Е.М. Ческоков, S. Crampin и др.) отмечено следующее.

Сейсмическая анизотропия в вертикальной плоскости обусловлена, главным образом, субгоризонтальной слоистостью, а ее изучение и оценка представляют интерес в основном для учета этого фактора при обработке я интерпретации сейсморазведочных данных.

Сейсмическая анизотропия в горизонтальной плоскости (азимутальная или латеральная анизотропия) обусловлена в основном субвертикальной трешиноватостью и разрывными нарушениями различных порядков, в связи с чем ее изучение представляет непосредственный интерес для нефтегазовой я инженерной геологии.

Новые возможности по изучению азимутальной анизотропии открываются с разработкой на кафедре полевой геофизики ГАНГ им. И. М. Губкина методов околосквалиняого просвечивания (ОСП) и кольцевого сейсмопрофилирования (КСП) на акваториях (А.К.Урупов, Ей.Богоявленский, С. а Добрынин и др., 1988). С по моись п методик ОСП и КСП на ряде акваторий получены индикатрисы скоростей и динамических характеристик, свидетельствующие о наличии азимутальной ани-

зотропии осадочной толш. Однако в процессе этих и других исследований возникли существенные трудности с интерпретацией получаемых материалов. Поэтому был поставлен вопрос о совершенствовании интерпретационных критериев и подходов к изучению сейсмической анизотропии и, в первую очередь, критериев совместного анализа кинематических и динамических характеристик.

В качестве резюме по данной главе сформулирован вывод о необходимости проведения исследований по УЗМ сейсмических волновых процессов в упорядоченно-неоднородных средах с целью дальнейшего изучения общкх закономерностей .распространения упругих волн и разработки на этой основе методических приемов интерпретации материалов изучения сейсмической анизотропии теологических сред в реальных условиях.

Глава 2. ЖЗИЧЕСКИЕ ЮДЕЖ ШЭРЭДОЧЕШСН НЕОДОРОДНЫХ СРЕД И МЕТОДИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЮДЕЖРОВМШ

Основным объектом исследований являлись двухмерные физические модели утсорядоченно-трещиноватых сред, под которыми понимаются среды с одной или более системами параллельных трещин. Это обусловлено тем, что системная тревдиоватость, будучи одним из основных типов упорядоченной неоднородности, обладает всеми характерными для нее особенностями, а также представляет значительный интерес при сейсмических исследованиях азимутальной анизотропии и недостаточно изучена на физических моделях.

В качестве двухмерных физических моделей использовались диски из технического стекла толщиной Ь=4 мм и диаметром Ы390; 560 мм. Параллельные непрерывные трещины с заданным периодом чередования 6 инициализировались по специальной методике и представляли собой разрывы сплошности среды с блестящими на свету плоскостями. В целом физические модели воспроизводили качественно сущность

трещин, как разрывов сплошности среды с близкой к нулю толщиной, и количественно - геометрические параметры упорядоченной тревиноватости - число систем трещин и их взаимную ориентировку, а также плотность (число п иди период чередования трещин Г ) в отдельных системах.

При проведении УЗМ были воспроизведены следующие основные виды упорядочений-трещиноватых сред.

Среда с 1-й системой трещин в широком диапазоне изменения плотности (числа) трещин на моделях диаметром 1,-390 мм (6 моделей) и диаметром 1.-560 мм (4 модели).

Среда с 2-мя системами трешин (Ь-39С мм) с различной взаимной ориентировкой (под углами 45°, 60° и 90е) двух одинаковых по плотности трещин систем (9 моделей), а также с различной плотностью трещин в отдельных системах (г.од углом 90°) (3 модели).

Среда с 3-мя системами трещян (Ь»390 мм) с равномерным расположением систем в пространстве (через 120°) и с одинаковой плотностью трещин в каждой системе (2 модели), а также с различной плотностью трещин з отдельных системах и неравномерной ориентировкой систем трещин (2 модели).

Среда с 4-ш системами трешлн (Ь-ЗЭО мм) с различной плотностью трещин в отдельных парах систем трешин (2 модели).

Для выполнения наблюдений на двухмерных моделях использовался ультразвуковой дефектоскоп УК-10Ш2 я пьезоэлектрические датчики из его комплекта. Исследуемые модели прозвучивались по

_ _ о

окружности с шагом 2,5 при диаметрально противоположном соосном расположении источника и приемника продольных колебаний на торцах1 диска При этом производилось измерение в цифровой форме времени пробега и амплитуды первого вступления, базы прозвучивания, а такме регистрация волновых картин.

Особенностью методики является использование в качестве сис-

темы источник-приемник датчиков с различными собственными частотами. Это позволило (Kt R Воскресенский, М. Б. Рапопорт, 1965) за счет подавления резонансных пиков в частотных характеристиках каждого датчика расширить и сделать более равномерной частотную характеристик их пары, что является важной задачей УЗМ (П.Р.Гидьберпяейн и др.", 1965). В результате были получены более короткие импульсы и повышена разрепенность сложной волновой картины в двухмерной модели.

Наблюдения на моделях производились в двух частотных диапазонах с использованием высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) сигналов частотой 155 кГц и 35 кГц соответственно, фи этом для ВЧ сигнала в однородной модели была зарегистрирована скорость в массиве Vм-(5560+10) м/с, а для НЧ сигнала - скорость в пластине У"-( 5450+20) м/с.

При выполнении наблоденкй на трещшоватых моделях выборочная относительная среднеквадратическая погреиность скоростей ¿V и амплитуд ¡А для ВЧ сигнала составила 0,4% и 12%, а для НЧ сигнала - 1,01 и 20% соответственно.

Мерой геометрического подобия изучавшихся волновых явлений служит безразмерное соотношение Ife, инвариантное как относительно масштаба неоднородности, так и частотного диапазона

Наряду с двухмерными моделями ушрядоченно-трешяноватнх сред, исследовалась твердожадкая трехмерная модель СШ стекло-вода, представлявшая собой чередование пластин стекла и слоев воды. Данная модель обеспечивала подобие изучаемых волновых делений , таковым в твердой среде в случае распространения продольных колебаний по нормали к плоскости слоев, поскольку при этом на границах раздела компонентов среды существуют только продольные напряжения и смещения.

Целью УЗМ на твердожидкой модели являлось изучение дисперсии

скорости при нормальном падении к плоскости сдоев в зависимости от соотношения периода среды I с длиной волны л. Изменение соотношения На производилось за счет периода среда I для серии постоянных значений относительных содержаний компонентов модели, что позволило получить значения УА для серии соотношений I/\ при неизменных упругих свойствах среды.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН В ОДНОМЕРНО- УПОРЯДОЧЕННЫХ СРЕДАХ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Рассматриваются результаты УЗМ на двухмерных и трехмерных физических моделях одномерно-упорядоченных сред.

При анализе волновых картин, зарегистрированных на двух сериях моделей (Ь-390; 560 мм) с различной плотностью т ре дан (п,£), наблюдаются значительные изменения формы сигналов в зависимости от угла падения к плоскости трещин. Причем з зависимости от плотности трещин (соотношения 1/\ ) волновые картины изменяются немонотонно. В основном изменения амплитуды и формы сигналов достигает максимума на моделях со "средней" плотностью трешин, когда со-отноиение 1/\ легат в диапазоне, соответствующем области квээи-анизотропии. С увеличением плотности тревдн и переходом в область длинноволнового лриблилсеяия эти изменения менее значительны.

Из анализа индикатрис скоростей следует, что при вытянутости индикатрис вдоль простирания трещин степень анизотропности среды по скорости с увеличением плотности трещин монотонно возрастает. При этом, если в коротковолновом приближении ("л >1) индикатрисы в прямоугольных координатах имеют ступенчатую форму за счет влияния" отдельных трещи, то с уменьшением соотношения Ел, в области квазианизотропии, эта "ступенчатость" сглаживается и далее, в длинноволновом приближении, индикатрисы скоростей приобретают

форму близкую к эллиптичной. При сравнении индикатрис, полученных на моделях разного диаметра с одинаковой плотностью трещин ( I), отмечается систематическое занижение скоростей на моделях большего диаметра за счет возрастания количества трещин на пути распространения волны, что вполне закономерно, но не учитывается в теории.

Наблюдается уменьшение скоростей с увеличением числа (плот-ости) трещин. Первоначально уменьшение скорости с ростом числа трещин происходит почти линейно, а затем градиент скорости падает, и вся зависимость в целом приближается к экспоненциальной.

Анализ индикатрис амплитуд показал, что при вытянутссти индикатрис вдоль простирания трещин коэффициент анизотропии по амплитуде значительно выше, чем по скорости, а форма индикатрис амплитуд не является эллиптичной. Важно отметить возрастание амплитуды сигналов по направлению простирания трещин с увеличением плотности трещин и уменьшением соотношения I А. Очевидной причиной этому является изменение функции геометрического расхождения за счет концентрации трещинами энергии волны и ее канализации вдоль трешин. Это способствует возрастанию степени анизотропности среды по амплитудно-энергетическим характеристикам упругих волн.

Графики амплитуд в зависимости от.числа трещин существенно различаются для разных углов падения волны к плоскости трещин. При нормальном падении наблюдаются минимумы амплитуд на моделях со "средней" плотностью треидан - в области квазианизотропии, что объясняется особенностями частотной характеристики среды.

Анизотропия спектральных характеристик сигналов на моделях с различной плотностью тревдн была исследована путем расчета спектров сигналов и частотных характеристик трещиноватых сред.

Для случая нормального падения к плоскости трешин на всех моделях с параметрами п и I для ВЧ и НЧ сигналов были получены

соответствующие фрагменты амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) среда в функции соотношения 1/к . В результате их обобщения было показано существование чередующихся полос пропускания и непропускания сигналов на оси 1/к, что является характерным для периодических структур ( М. Б. Виноградова и др., 1990; Б. П. Сибиряков и др., 1980). Обобщенная АЧХ трещиноватой среды в области квази-анизогропии имеет периодическую форму с минимумами, обусловленными резонансным затуханием, при -2т (го—3,-2,-1,0). Б длинноволновом приближении (< 0,125) АЧХ среды имеет форму фильтра низкой частоты (ФНЧ) с выходом на постоянный уровень при 1/^—0, когда отсутствует фильтрация сигнала средой.

При исследовании в зависимости от угла падения к плоскости трещин (6) спектральных характеристик сигналов установлено, что локальные завышения частоты-максимума спектра т"** в узких секторах углов обусловлены попаданием основной полосы частот сигнала в полосу пропускания среды. При этом для сохранения наиболее оптимального для прохождения через среду соотношения 6Л, при уменьшении кажущегося периода среды Е'« Е/зт(6) с увеличением угла в, происходит занижение длины волны к за счет фильтрации сигнала средой, как фильтром высокой частоты (ФВЧ). Все это свидетельствует о периодической форме АЧХ трещиноватой среды также и для углов падения волны, отличных от нормального падения к плоскости трещин.

Таким образом, одномерно-упорядоченная среда является азиму-тально-частотным волновым фильтром и для сравнительно-узкополосного сигнала, находящегося в пределах спада АЧХ слева или справа от ее минимума, может становиться соответственно ФНЧ или ФВЧ.

Изучение анизотропии дисперсии фазовой скорости по фазово-частотной характеристике среды показало ее связь с характером фильтрации сигналов средой. При этом было отмечено существование

как нормальной, так и аномальной дисперсии. Однако условия, при которых возникает та или иная дисперсия, определить не удалось.

Наряду с приведенным выше анализом общих закономерностей распространения продольных волн в среде с одной системой трещин, полученные результаты также были приведены в форме комплексного представления с разверткой по кольцевому профилю от 0° до 560* в прямоугольных координатах. Данное представление включает зарегистрированную сейсмограмму, соответствующую ей серию нормированных амплитудных спектров с прослеживанием частоты ГНАХ, а также индикатрисы скоростей, амплитуд и энергии сигналов. Такая форма визуализации ыатериалоз УЗМ была принята в качестве стандарта и позволяла анализировать весь комплекс сейсмических характеристик, а также проводить сопоставление результатов как между отдельными физическими моделями, так и с реальными сейсмическими материалами.

В итоге изучения результатов УЗМ на моделях с 1-й системой т ре шил было отмечено, что совместный анализ кинематических и динамических характеристик упругих волн дает возможность, помимо определения ориентировки элементов упорядоченности среды, по характеру волновых явлений качественно отнести изучаемую среду к одному из трех типов сейсмических моделей упорядочение-неоднородных сред.

Еараду с изображением в.прямоугольных координатах в составе комплексного представления, индикатрисы скоростей и амплитуд были приведены в традиционной форме - в полярных координатах, что для ряда случаев является более наглядным. В полярных координатах такте приводятся индикатрисы спектральных характеристик - амплитуд гармоник абсолютных и нормированных спектров, а также индикатрисы параметра относительной интенсивности спектральных составляющих Р=А(Тт)/А(Г„) (отношения амплитуд двух гармоник спектра).

Индикатрисы гармоник абсолютных спектров так же, как и инди-

катрисы амплитуд, вытянуты вдоль простирания трещин. Индикатрисы гармоник нормированных спектров характеризуются неустойчивой формой вследствие смедвния частоты максимума спектров с направлением при фильтрации сигналов средой и не являются информативными.

В условиях, когда фильтрация сигнала средой в зависимости от направления для разных гармоник происходит неравномерно, высокой информативностью обладают индикатрисы параметра Р. Для среды с 1-й системой трещи уровень ВЧ составляющих спектра вдоль этой системы практически всегда выше, чем уровень НЧ составляющих. Поэтому при соблюдении условия Гт > Г„ индикатрисы параметра Р вытянуты вдоль трещин, что показано на ряде моделей для серий соотношений двух различных гармоник.

Наряду с двухмерным УЗМ, было проведено трехмерное моделирование на твердошдкой модели с целью изучения дисперсии скорости по методике, рассмотренной в главе 2. Полученные при этом значения скоростей по нормали к плоскости слоев для серии значений относительных содержаний компонентов среды (Ь^) находятся в области между теоретическими кривыми скорости У^К;) в коротковолновом и длинноволновом приближениях. Эти же данные были представлены в форме дисперсионных кривых У^(Е/я), где I - период СЮ, состоящий из двух слоев. Излученные дисперсионные кривые соответ- • ствуют различным аначениям и перекрывают некоторый диапазон оси 8/*, . При этом ряд кривых имеют параллельный оси %/% участок, где скорость Ух с изменением соотношения 1/>~ остается постоянной, т. е. дисперсия отсутствует. В пределах таких участков," называемых дисперсионными плато (Б. П Сибиряков и др., 1980), экспериментальные значения скоростей совпадают с теоретическими в длинноволновом приближении. Начиная с соотношения I/л.» 0,02, для всех дисперсионных кривых характерно возрастание скоростей с увеличением соотношения I /г. , что свидетельствует о существовании ано-

калькой дисперсии.

Таким образом, подученные дисперсионные кривые показали фи-аически реальный переход от длинноволнового приближения к квази-анизотропноЯ среде, проявлякдей квазидисперсию, в форме перегиба кривых от постоянных значений в длинноволновом приближенш к возрастанию скорости в области квазианизотропии.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН В МШГОШ'йО-УШРЯДОЧЕННЫХ СРЕДАХ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ -Рассматриваются результаты УЗЫ на моделях с 2-мя, 3-мя и 4-ма системами упорядоченности (трещин), имеющие в основном прикладной характер. При этом все материалы приводятся в форме комплексного представления и в полярных координатах.

На моделях с 2-мя равными по плотности трещит системами под углом £ '45° друг к другу и менее индитатрясы скоростей и амплитуд вытянуты вдоль биссектрисы острого угла между этими системами. Начиная с угла £=60°, на индикатрисах скоростей начинает выделяться отдельные максимумы вдоль каждой из систем. При этом индикатрисы амплитуд постепенно деформируется и для ортогональных систем их максимумы располагается в промежуточных направлениях меаду простираниями систем упорядоченности, вдоль которых вытянуты максимумы индикатрис скоростей, что уже отмечалось ранее (ЛП. Неволин, 1967). Значит, меаду индикатрисами скоростей и амплитудно-энергетических характеристик в данном случае существует инверсное соотношение, тогда как для других сред максимумы этих индикатрис согласуются друг с другом. Это является важным для практической интерпретации фактом и, по-видимому, обусловлено тем, что упругие свойства и частотная характеристика среды не связаны между собой. На моделях с 2-мя ортогональными неравными по плотности тре-

щин системами между индикатрисами скоростей и амплитудно-энергетических характеристик наблюдалось как инверсное, так и согласованное соотношение.

На основе материалов УЗМ проведено опробование и подтверждена эффективность формулы мультипликативной аппроксимации индикатрис скоростей (А-КУрупов, ЛЕБеволия, 1965), позволяющей по известным индикатрисам для каждой отдельной системы упорядоченности получить синтетическую индикатрису для среды в целом при заданной взаимной ориентировке двух систем упорядоченности относительно друг друга

Анизотропия спектральных характеристик на моделях с 2-мя системами упорядоченности имеет более сложный характер, чем да моделях с 1-й системой упорядоченности. Вероятно, что в данном случае частотная характеристика всей среды по каждому направлению определяется произведением частотных характеристик отдельных систем упорядоченности,. Изменения спектральных характеристик происходят в основном ' в области квазианизотропии. В этом случае на двухмерных нормированных спектрах наблюдаются характерные "П-об-разные" аномалии частоты Гми , связанные со скачкообразными изменениями соотношения между двумя спектральными максимумами. -

Для неортогональных систем трещин характерно образование ' "П-образных" аномалий частоты Гпротив биссектрисы тупого угла между системами. При наличии 2-х ортогональных систем трещин такие аномалии частоты Г"АХ наблюдаются против пернендикуляров к системам трещин.

Индикатрисы гармоник абсолкггных амплитудных спектров подобны индикатрисам амплитуд и энергии сигналов.

Вжокуп информативность имеют индикатрисы параметра Р, который характеризует отношение амплитуд гармоник на разных частотах Г„ и Г„. Максимумы азимутальных индикатрис ?-, точно и с высоким

коэффициентом анизотропии отбивают направления простирания систем трещин. При этом для неортогональных систем необходимо выполнение условия fm> f„, так как относительно ВЧ составляющие имеют более оптимальные условия прохождения вдоль простирания трещин и в секторе острого угла между ними, чем НЧ составляющие спектра. Ддя ортогональных систем трещин индикатрисы параметра Р информативнь при обратном условии (fm < f„) в свяаи с тем, что поперек (вдол! простирания других) систем трещин НЧ составляющие вследствие неравномерной фильтрации имеют более высокий уровень, чем ВЧ составляющие спектра.

Таким образом, применение параметра Р для определения простирания систем упорядоченности и выбор соотношения между гармониками fm и f„ требуют некоторых априорных предположений о строении среды, которые с помощью параметра Р можно либо подтвердить, либо опровергнуть. Также отметим, что яри отсутствии неравномерности затухания спектральных составляющих сигнала, обусдовленно! структурой среды, индикатриса Р в пределах погрешности наблюден® будет близка к окружности и потеряет всякую информативность.

На моделях с 3-мя и 4-мя системами трещин степень анизотропности среды проявляется ещэ в меньшей степени, чем для 2-х систе] трещин по сравнению с 1-й системой. Это обусловлено тем, что элементы дисимметрии (максимумы и минимумы) разных систем упорядоченности накладывается и компенсируют друг друга. Однако на моделях с равными по плотности 3-мя системами трещин, равномерно распределенными по азимутам (через 120°), индикатрисы скоростей имеют максимумы вдоль простирания систем трещин, а индикатрисы амплитуд находятся с ними в инверсном соответствии."

При расположении 3-х систем трешин веером в секторе утло равном 90° отдельные системы трещи не выделяются, и сувдэствуе лишь общий максимум индикатрис скоростей и амплитудно-знергети

ческих характеристик вдоль центральной системы.

На моделях с 4-мя системами трещин выделяются лишь отдельные наиболее платные и интенсивные системы.

Таким образом, при наличии в среде нескольких систем упорядоченности доминирующая система может полностью или частично маскировать проявление в поле упругих волн других систем упорядоченности.

Ваяно отметить, что в зависимости от соотношения 1/к в среде с 2-мя и более системами упорядоченности наблюдается различие в разрешающей способности параметров упругих волн относительно выделения систем упорядоченности. Так, для скоростей отмечено некоторое снижение разрешающей способности с уменьшением величины 1/г- от области коротковолнового приближения к области квазианизотропии и далее к длинноволновому приближению. Динамические характеристики (амплитудно-энергетические и спектральные) имеют наибольшую изменчивость и соответственно разрешающую способность в области квазианизотропии. В условиях коротковолнового - приближения их изманчивость и разрешающая способность невелики и хуже, чем у скоростей, а в длинноволновом приближении анизотропия и соответственно информативность динамических характеристик стремятся к нулю, и в качестве информативного параметра остаются • только скорости упругих волн.

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ МАТЕРИАЛОВ КОЛЬЦЕВОГО . СЕЙСЮПРОЕШРОВАНИЯ МПВ

Исследования по физическому юделированию упорядоченно-неод-нородных сред и полученные при этом новые данные об анизотропии сейсмических характеристик послужили основой для переинтерпретации материалов КСП ШВ на акватории Карского моря.

Переинтерпретации подвергнуты материалы кольцевого сейсмо-профилирования методом преломленных волн по методике (А. КУрупов, ЕЯ. Богоявленский, С.Е Добрынин и др., 1988), обработанные С. Е Добрыниным. Первоначально по этим материалам было вьщеленс две неортогональные системы трещин вдоль максимумов на индикатрисах скоростей.

В результате визуализации исходных данных в форме комплексного представления и проведения дополнительных процедур обработга было установлено инверсное соотношение индикатрисы граничных скоростей и энергии сейсмических трасс, а тага® показаны "П-образ-ные" аномалии частоты ГМА* на двухмерных спектрах, полностью аналогичные наблюдавшимся на физических моделях с двумя ортогональными системами трещи.

Шряду с визуализацией индикатрис скоростей и энергии в по лярных координатах, в такой же форме получены индикатрисы пара метра Р для серии отношений гармоник при условиях Гт>Гг, и В первом случае индикатрисы параметра Р были получены уже пр первичной обработке и имели высококонтрастные максимумы, соответ ствующие минимумам скоростей. Однако при этом характер их инфор мативности не был установлен. Во втором случае (Гт<Гп), рекомен доваяном по данным УЗМ, индикатрисы параметра Р имеют два ортого налъных максимума, меньший из которых точно соответствует одном из максимумов на индикатрисе скоростей, а больший несколько от клоняется от другого максимума скоростей.

В результате совместного анализа кинематических и- динамичес ких характеристик сделан вывод о существовании двух ортогональнь систем упорядоченности среды по азимутам 60°-240" и 150°-330* Эти направления отвечают установленной для данного региона орие! тировке тектонической тревиноватости 1-го порядка (Т. В. Дорофеев? 1986). Кроме того, в пользу такой интерпретации свидетельству«

несомненный факт анизотропия (симметрии) спектральных свойств изучаемой среды, характерной только для квазианизогропных сред. Это однозначно приводит к выводу о периодической структуре геологической среды, вызвавшей подобное физическое явление.

Наблюдаемую анизотропию нельзя считать обусловленной ни тектоническими напряжениями, ни упорядоченным расположением минеральных зерен. Тектонические напряжения, будучи относительно равномерно распределены в пределах геоструктурных элементов, не имеют характерного размера неоднородности и могут быть причиной только однородной анизотропной среды, частотная характеристика которой не зависит от азимута наблюдений. В отличие от напряженного состояния, упорядоченное расположение минеральных зерен имеет характерный период неоднородности. Однако, в сравнении с длиной сейсмической волны, этот период (порядка размера зерен) очень мал и такая среда также должна быть однородной анизотропной.

Таким образом, единственным возможным источником периодической упорядоченной неоднородности геологической среда в горизонтальной плоскости остается- субвертикальная системная трещино-ватость. фи этом пространственным периодом среды следует считать период чередования трещин I, который характеризует плотность трещин в среде.

В рассматриваемом случае для материалов КСП на акватории Карского моря можно предполагать, что поскольку наблюдается значительная фильтрация сейсмических сигналов средой, то характерный размер неоднородности (период I) шлет быть меньше длины сейсмической волны' (200-500 м) не более, чем на 2-3- порядка. На этом основании можно полагать, что средний период чередования трешин составляет первые единицы метров или несколько болызе - до нескольких десятков метров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлены закономерности проявления анизотропии спектральных характеристик продольных воля для одномерно-упорядоченных сред, включая особенности азимутально-частотной фильтрации сигналов средой и резонансного затухания упругих колебаний.

2. Установлены закономерности изменения формы азимутальных индикатрис кинематических и динамических характеристик продольных волн в зависимости от -лсла систем упорядоченности, их взаимной ориентировки и количественных параметров этих систем.

3. Предложена методика определения направлений простирания "систем упорядоченности по комплексу кинематических и динамических параметров. Дана оценка разрешающей способности методики в зависимости от числа систем, их взаимной ориентировки и количественных параметров. Доказана высокая информативность индикатрис параметра относительной интенсивности спектральных составляющих Р для определения ориентировки систем упорядоченности в среде.

4. Еа основе материалов ультразвукового моделирования подтверждено, что для получения индикатрис скоростей в среде с двумя системами упорядоченности мсшо успешно использовать формулу мультипликативной аппроксимации (А.К.Урупов, Л П. Беволин, 1965), • которая по известным индикатрисам для каддой из систем поотдель-ности позволяет получить синтетическую индикатрису для среды в целом при заданной взаимной ориентировке двух систем упорядоченности относительно друг друта

5. Разработаны и опробованы при обработке реальных сейсмических материалов методические приемы комплексной интерпретации кинематическиих и динамических характеристик упругих волн.

6. В итоге комплексной интерпретации данных КОП ЫПВ на акватории Карского моря установлено, что анизотропия кинематических и

динамических характеристик сейсмических волн обусловлена 2-мя ортогональными системами трещин 1-го порядка в осадочном чехле.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩЩЕШБ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Одномерно-упорядоченная квазианизотропная среда является азимутально-частотным фильтром сейсмических сигналов, частотная характеристика которого определяется соотношением периода среды Е, зависящего от направления, с длиной сейсмической .волны ?» и имеет периодическую форму с минимумами при Еа^"1 (ш=-3,-2,-1,0), связанными с резонансным затуханием упругих колебаний. В длинноволновом приближении (î/л, < 0,125) одномерно-упорядоченная среда при Е/а, -»-О, становясь эффективно однородной анизотропной средой, является фильтром низкой частоты.

2. Закономерности проявления анизотропии комплекса кинематических и динамических характеристик продольных волн и их разрешающая способность при определении ориентировки систем упорядоченности среды зависят от числа систем упорядоченности, их взаимной ориентировки и соотношения характерного размера неоднородности среды Î с длиной сейсмической волны л.

5. Использование комплекса кинематических и динамических ха- ■ рактеркстик упругих волн позволяет повысить информативность сейсмических исследований реальных геологических сред при установлении природы анизотропии, направлений систем упорядоченности и характерного размера неоднородности среды.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ Ш ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Интерпретация результатов исследования сейсмической анизотропии на акваториях/ А. К. Урупов, В. Л Богоявленский, Т. А. Бу-дагова, С. Е Добрынин, Э.Б. Трутников. - Тез. докл. научн. -технич. конф. "Построение ФГМ и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований". - Шрмь: Пермский ун-т, 1390. -С. 26-27.

2. Лапин С. И. , Сергеев А. А., Трутников Э. Б. Особенности распространения упругие волн в периодических средах с дидкиш или газообразными компонентами// Геофизические методы поисков и раз-

^ ведки нефти и газа. - Пермь: Пермский ун-т, 1986. - С. 33-40.

3. Терентьев Б. В., Трутников Э. Б. О соотношении квазианизотропии и дислерсш продольных волн в слоистой периодической среде по данным ультразвукового моделирования// Геология и геофизика. -1990. - N 2,- С. 117-119.

4. Трунников Э. Б. Физическое ; моделирование распространения продольных волн в регулярно-трешиноватых средах// Тез. докл. всесоюзной науч. -техн. конф. мол. ученых "Проблемы развития нефтегазового комплекса страны".- М.: ШНГ им. ИМ.Губкина, 1391.- С. 4

5. Урупов А. К , Богоявленский В. И., Трушников 3. Б. Физическое моделирование распространения продольных волн в средах с несколькими системами тревдн // Тез. докл. науч. -техн. конф. - "Совершенствование методов поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений". - Пермь:- ПЛИ, 1991.- С. 57.