Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Определение скоростей распространения продольных волн в грунтах по данным многоканального сейсмоакустического профилирования при инженерно-геологических исследованиях на шельфе

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Определение скоростей распространения продольных волн в грунтах по данным многоканального сейсмоакустического профилирования при инженерно-геологических исследованиях на шельфе"

СВЕРДЛОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. В.В.ВАХРУШЕВА

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ СОВЕТ Д.063.03.02

На правах рукописи ЛИСУНСВ Валерий Константинович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН В ГРУНТАХ ПО ДАННЫМ МНОГОКАНАЛЬНОГО СШЮ АКУСТИЧЕСКОГО ПРОФШШРОВАННЯ ПРИ ИШЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НА ШЕПМЕ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геол-)Го-мкнералогических наук

Свердловск - 1991

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте морской геологии и геофизики (ВНИИморгео) Научно-производственного объединения по инженерной геологии "Союэморинж-геодогия".

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор В.И.Бондарев.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Козлов Е.А.;

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Спасский Б.А.

Ведущая организация - НИИМоргеофиэика ПО "Союзморгео".

Защита состоится 31 МЗ.Я 1991 г. в Ю часов

на заседании специализированного совета Д.063.03.02 при Свердловском ордена Трудового Красного Знамени горном институте им. В.В.Вахрушева, 620219, г.Свердловск, ул.Цуйбышева, д.30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Свердловского ордена Трудового Красного Знамени горного института ш. В. В. Вахруше ва.

Автореферат разослан 18 апреля 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор $г.зиК'.-математических наук, профессор

Даввдов Ю.Б.

ОБЩАЯ - ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО1Ы

Актуальность темы. В условиях ьозрастяшего объема нефте-газопоисковых работ на континентальном шельфе морей СССР и планируемого его освоения предъявляются повышенные требования к инженерно-геологическому обеспечение ¡этих рэбот. Одним из основных путей повышения качества инженерно-геологических работ на шельфе и сокращения сроков их проведения представляется широкое использование геофизических методов исследований. При этом перед геофизическими исследованиями на первых этапах стоят две основные задачи:

- изучение геологического строения верхней части разреза (БЧР);

- прогнозирование физико-механических свойств (ФМС) массива грунтов морского дна и изучение пространственной их изменчивости.

В настоящее время для реяения перзой из перечисленных задай с успехом используется метод непрерывного сейемсакустипеохо-го профилирования (ПСП), позволяющий осуществлять сточтхгг»фиче-ское расчленение БЧР, устанавливать характер рельефа коренных пород, выявлять поверхности несогласия и зоны тектонических нарушений, палеоврепов и т.п.

Одним из перспективных направлении решения второй задачи является использование достоверных сведений о скоростях распространения продольних волн в массиве грунтов морского дна. Однако известные на сегодняшний день сейсмические и сейсмоакуоти-чесхия методы исследований не обеспечивают требуемую для практики точность либо детальность определения скоростей и, помимо отого, характеризуются низкой производительность», В этой связи для повышения эффективности изучения скоростей распространения продольных волн в массиве грунтов дна.в НПО "Союзморинжгеология" была разработана (Бондарев В.И., Вейцмаи Б.А., Лисин ВЛ1., Лисуноэ В.К. и др.) система сбора, обработки и интерпретации данных цифрового многоканального сейсмоакустического профилирования. Данная работа посвящена обосновании структуры системы» разработке программных срэдста и методики определения скоро стой распространения продольных волн в грунтах по даннш многоканального цифрового сейсмоакустического профилирспания.

. Цоль работы. Основной целью диссертационной работы является повышение эффективности ссйсмоакустических методов исследований при инженерно-геологических изысканиях на континентальном шельфе.

Задачи исследований. Основными задачами исследований были:

- изучение и анализ влияния разливших факторов на сейсмические характеристики мороки грунтов;

- исследование взаимосвязи скоростей распространения продольных волн и основных физико-механических показателей грунтов морского дна;

- оценка современного состояния и перспектив развития геофизических методов определения скоростей распространения упругих волн;

- разработка функциональной структуры, состава и основных требований к комплексу программ МЦСАК обработки данных цифровой многоканальной сейсмоакустики на ЭВМ;

- разработка методических приемов, технологии обработки и интерпретации данных цифрового многоканального профилирования на ЭВМ;

- изучение и проработка путей повышения точности определения скоростной модели верхней части, геологического разреза на шельфе;

- подготовка и внедрение программных средств и методических рекомендаций по цифровой обработке и интерпретации данннх многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования в практику морских инженерно-геологических исследований.

Научная ноэизна исследований заключается в следующем:

- оценены перспективы использования скоростей распространения продольных волн для прогнозирования основных физических и механмчезких параметров массива грунтов дна при морских инженерно-геологических исследованиях Ка континентальном шельфе;

- выбрано и обосновано направление совершенствования сейс-моакуотических методов изучения скоростных характеристик грунтов морского дна на основе системы цифровой многоканальной регистрации к обработки данных t¡a 2Ш;

- определены функциональная структура, состав и основные требования к программным средствам обработки на ЭШ данных иногокаиаяьюй цифровой сейсмоакустики;

- разработаны методика и технология обработки на ЭШ дан-

иых многоканального цифрового сейсмоакусти^есяого профилирования, обеспечивающее с требуемой для"практики-детальность» и точностью изучение скоростных характеристик массива грунтов морской го дна;

- даны теоретические сценки влияния волнения морят и угла наклона границ ка топкость определения скоростной модели среди;

- гредлонек nowrii подход к интегральней оценке погрешности определения пластовых скоростей;

- bacpixo для ряда районов морей СССР получены данные о скоростях распространения продольных воли в донных грунтах.

Практическая ценность выполненных исследований состоит в повышении эффективности сейсмсакустических методов при изучении геологического строения, определении скоростных характеристик и оценки физико-механических свойств грунтов на объектах, связанных с поиском, разведкой и эксплуатацией нефтяных и газовых месторождении на шельфе.

Практическое использован:« разработанной методики обработки да-г'ккх дорогого многоканального сейсмоакустического профилирования р уэмках ко-.'плексч программ «40чК подсистемы СЦС-3-ИШГйО, наряду с уточнение»: геологического строения ряда ьефто-и гаэолерспективчъгх районеп Балтийского, Баренцева, Чешсто и Каспийского морей, позволило получить достоверные сведения о скоростях распространения продольных волн и на их основе оценить распределение основьых физико-механических показателей массива грунтов морского дна.

Реализация работы в промышленности. Комплекс программ МЦСАК подсистемы СЦС-З-ИНЗКГЗО и методическое руководство по обработке и интерпретации данных многоканальной цифровой сейсмо-акустики приняты в IS37-I989 годах к промышленной эксплуатации в Балтийской морской инженерно-геологической экспедиции (НЛМГЬ, г.Калининград), Арктической морской инженерно-геологической экспедиции {АМИГЗ, г.Мурманск), Южной морской инженерно-геологической экспедиции (ШИП), г.Одесса) и Дальневосточной морской инженерно-геологической экспедиции (Д.КПЗ, г.Шно-Сахалинск) НГ:0 "Союзморикж эология". В результате внедрения в 1563 году программных средств и методики цифровой обработки данных многоканальной сейсмоакустики фактический зкономичзский эурек? ьа счет сокращения средств на инженерно-геологические исследования по Е.'ИГЭ, АМИГЭ и ШИР- составил более 415 тыс .руб. К концу 19Ю го-

да общий объем обработки и интерпретации по предложенной технологии данных многоканальной цифровой сейсмоакустихи составил по объединению 34,9 тыс.км.

Защищаемые положения:

1. Наиболее точные и детальные сведения о распределении значений скорости распространения продольных волн в массиве грунтов морского дна могут быть получены только по годографам отраженных сейсмоакустических волн..

2. Полученные в результате обработки и интерпретации данных многоканального цифрового оейсмоакустического профилирования скорости распространения продольных волн могут служить оскозой для прогнозирования фмзико-механических свойств как в плане, так и

в разрезе.

Апробация заботы и публикации. Основные положения и резуль-таты-диссертациониой работы докладывались на научно-технических конференциях ВНИИморгео (Рига, 1982 г., 1984 г., 1986 г.), Всесоюзных совещаниях КО АН СССР (Геленджик, 1985 г., 1987 г.), Первой Бсесою&ной конференции по комплексному освоения нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР (Москва, 1986 г.), Первой Всесоюзной конференций по морской геофизике ИО АН СССР (Баку, 1987 г.). Кроме того, результаты исследований изложены в ряде научных и производственных отчетов по темам ВНИИморгео и объектам Е.ШГЭ, АМКГЭ, ХМИГЭ и ДЙ1ГЭ.

Перечень опубликованных по теме диссертации работ приведен в конце автореферата.

Объем работа» Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и содержит 135 страниц машинописного текста, 78 иллюстраций, 23 таблицы, 15 приложений, список литературы 145 наименований.

В диссертационной работе приведены положения к материал«, полученные лично или при непосредственном участии автора.

Автор выраказг глубокую благодарность за научное руководство работой доктору геол.-минер.наук, профессору Бондареву В.И., а также заз.отделом инженерной геофизики (ОИГ) ВКИКморгео, старшему чаучнсиу сотруднику, кандидату геол.-минер.наук Войцману Б.А.

оказанную большую научную и организационно помощь при выполнении работы. Автор искренне признателен ведущему научному сотруднику СИ!1, кандидату геол.-минер.наук Лисину В.П.; старшему кнут:ому сотруднику ОИГ Федорову В,И.; старшему научному сотрудни-

ку ОПТ Захарченко Б.В.; старшему научному сотруднику ОЯТ, кандидату "техн.наук Грушевской-3. А. _ за_оказанное содействие и консультации при проведении исследований. -----------

Большую заинтересованность при знедренип з практику морских инженерно-геологических исследований результатов работы по теме диссертации оказало руководство и сотрудники Контрактной партии цифровой обработки, ЕМИГЭ, ДМИГЭ и ЕМИГЭ НПО 'Сошморинягеоло-гия": Такчидк Э.И., Цзеткоз З.А., Белозероа Ю.А., Арчстов В.И.» Верташ H.H., Яблочник Г.М., Бочковский В.Г., Онпр4енкс С.З., Кяо-щкк С.М., Ко «тахлк A.B., Самооков А.И., Хаз ян И.Б. и Шишлов Ал.Л. Всем им автор выражает благодарность за практическую помощь и высказакныз полескне замечания, который были учтены при написании работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел I». В данном разделе рассмотрены перспективы использования данных о скоростях распространения продольных золн в массиве грунтов морского дна для решения основной задачи инженерной геофизики - ярогнозировавия физикс-механлчесгах свойств грунтов к изучения простронетвснной их иэмеымзосте.

На оснсве янаалза г:ного«исленньгх материалов как отечественных, так и зарубежных авторов показано, что основные сейсмические свойства морских грунтов (скорости распространения других волн и коэффициенты их поглощения) достаточно сложным образом зависят от ряда факторов: гранулометрического состава, плотности, пористости, наличия в грунтах пузырьков газа и т.п.

Поскольку наиболее доступным параметром при исследованиях '■а море является скорость \'у распространения предельных еолн, различными авторами (Н.Морган, 1969; Д.Сит, 1977; Р.Андерсон, 197? и др.) путем прямого сопоставления получено большое число корреляционных зависимостей между V? и пористостью, плотностью, гранулометрическим составом грунтов. Однако, в литературе по акустике морских осадков приводятся корреляционные зависимости в форме, удобной для оценки значений Vp по известный параметрам физического состояния грунтов, и не рассматриваются взаимозависимости между сейсмическими и механическими (прочностными и деформационными) свойствами грунтов морского дна.

Установление точных зависимостей между сейсмически; :и и фи-

эико-механкческими параметрами грунтов представляет достаточно сложную задачу, решение которой возможно в рамках хорошо подобранной теоретической модели грунта. Однако до настоящего времени не разработаны модели, удовлетворительно описывающие реальные среды к обеспечивающие одновременный расчет сейсмических, физических и, что очень важно, механических параметров грунтов. Подобная ситуация объясняется различием подходов в теории распространения упругих волн и б механике грунтов.

В связи с имеющимися недостатками экспериментального и теоретического подходов в установлении количественных зависимостей нейду VI/ и основными физико-механическими свойствами морских грунтов в НПО "Союзморинжгеология" под руководством Бондарева В.И. (1985) были проведены исследования, ь результате которых был по- ■ лучен ряд теоретико-экспериментальных зависимостей для песчано-глиниетых грунтов различного гранулометрического состава, происхождения и консистенции. Рассчитанные теоретико-экспериментальные оависимэсти позволяют оценивать основные физико-механические свойства (коэффициент пористости, плотность, модуль общей деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление) массива грунтов морского дна по экспериментальным данным о скоростях распространения продольных волн, полученных с требуемой для практики точностью и детальностью.

На основе анализа современного состояния теории и практики геофизических методов изучения скоростей распространения продольных волн в массива грунтов, слагающих верхнюю часть геологического разреза па шельфе, установлено следующее:

- наиболее достоверным источником информации о скоростях распространения упругих волн являются прямые виды сейсмических исследований в инженерно-геологических скваяинах и не нашедшие широкого распространения из-за ограниченности объема буровых работ на шельфе и низкой технологичности измерений в рыхлых грунтах;

- сейсмический метод отраженных волн в модификации многократного профилирования до 125 Гц и обработкой данных на ЭВМ по методу общей глубинной точки не позволяет сколь-нибудь успешно решать постаьленкую задачу из-за низкой разрешенное™ зарегистрированного волнового поля;

- предложенные способы двухканального непрерывного сейсмо-аяустичеекого профилирования и зондирований с использованием аналоговой техники КСП не обеспечивают требуемую для практики точ-

ность измерений и характеризуются, как правило, низкой техчоло-

_______гичностью;_______________________ _

- лабораторные методы и методы измерений в условиях естественного залегания морских грунтов при высокой то-шоотг получаемых данных иметл существенные технологические ограничения при изучении распределения значений Vp 3 массивах грунтов дна.

Таким образом, известные сейсмические л сейсмоакустпческие методы не обгспечирают требуемую для прогнозирования физико-механических сйойотв морских грунтов точность либо детальность сведений о иаспт-еделенкм значений Чр и характеризуются, как правило, низкой хохнодогкчпостью.

С учетом положительных результатов испытания в Балтийском море разработанного нами (Лисуноа В.К., Москвин B.C. и да., 1982) макета шестиканального цифрового сейсмоакусткчэского (до 1000 гц) регистратора и обработки данных на 0Ш в рамках сейсмической системы СДС-3 установлено, что наиболее перспективным направлением развития дистанционных методов изучения скоростей распространения продольных волн в грунтах могского дна является разработка и внедряй-:© 4 практику мережи? инкечерно-геологаче-схих исслс-дс уахий многоканальных оойсмоатгустических систеу с цафроьгЧ регистр .цг. ой к обработкой данных на U2M.

Раздел <-., В настоящее разделе рассматриваются вопроси разработки программных ср-здстБ, технологии и уртодики обработки на ЭШ данных многоканального цифрового еейсмоакустического профилирования.

Согласно выоранному напраилению разгитил сейсм^акуитических методов изучения скоростей V? в отделе инженерией геофизики РЧИИморгео был разработан (Бондарев В.И., Лисин В.П., Снеяков O.A. и др., 1985) многоканальный цифровой сейсмоакусический комплекс МЦСАК-2, обеспечивающий 6- или I¿¿-канальную регистрацию информации с шагом дискретизации соответственно 333 мке (J -в 100-750 гц) или 500 мке (f ^ 100-500 гц) на воспроизводимый носитель - магнитную ленту. Комплекс МЦСАК-2 оснацек накопителем электрической энергии CKAT-I, групяоаыл электроискровым излучателем и многоканальным приемным устройством. Блок управления работой комплекса построен такиц образом, что при непрерывной аналоговой регистрации информации по методике riffl многоканальные цифровые сейсмоакустические зондирования осуществляются а заданных дискретных точках профиля. Плотность точек сейсмоакустиче-

ских зондирований на профиле выбирается в зависимости от целевых Задай инженерно-геологических исследований, масштаба съемки и категории сложности района работ (Бондарев В.И., Вейцман Б.Л., Лисин ВЛ1., Лисунов В.К. и др., 1987).

При разработке комплекса программ обработки многоканальной цифровой сейсмоакустики (МЦСАК) подсистемы СЦС-3-ИШ1ГЕ0 проведено широкое опробование на практических и модельных материалах известных систем обработки и интерпретации сейсмических данных СЦС-3, СПЦИ-.Т, ИНГ0С-1 и CMC. Особое внимание при отом уделено эффективности решения обратной кинематической задачи в рамках способа последовательного пересчета эффективных скоростей в модель пластовых и средних скоростей.

В качестве исходных полевых материалов испильзоЕаны данные многократного сейсмоакустического профилирования, реализованного по системе наблюдений метода общей глубинной точки (МОГГ) на участке Д-6 Балтийского моря (Лисин В.II., Снежков O.A. и др., 1983).,Цри морских работах осуществлялся 12-канальный режим цифровой регистрации (база приема t = 44 м) в частотном диапазоне 100-500 гц . Реализация традиционного подхода к определению скоростной модели среды по данным МОГГ: определение Vorr по результатам регулируемого направленного анализа (РИА) волновых полей (программы Vff/EL,Н0ЕБР системы СЦС-3), построение модели эффективных скоростей с последующим её преобразованием в модель пластовых скоростей на основе формулы Урупова-Дикса - позволила в интервале глубин по грунту до 30 м Еьделить лишь два слоя с мощностью первого (сверху вниз) из них - 19 м, второго - 6 м и средни;« значениями пластовых скоростей V™ соответственно 1691 и 1746 м/с. Пси этом отмечается, что инверсный характер вертикальных спектров скоростей затруднял их однозначную интерпрете цию. Учитывая хорошую динамическую выразительность отраженных волн ка сейсмограммах, полученных при суммировании равноудаленных от ПВ трасс (суммирование по критерию I = const) девяти сейсмограмм общего пункта возбуждения (ОПВ), была осуществлена ''ручная" корреляция, аналогичная широко применявшейся ранее корреляции сейсыограш Ы0В. Решение обратной кинематической задачи ггри вычислении Va$ по годографам отраженных волн путем решения системы уравнений методом наименьших квадратов (Вейцмак Б.А., 1963) и последующего их пересчета по формуле Уруг-Ова-Дикса позволило в том же интервале глубин по грунту выделить четыре слоя

- 11 -

со средними значениями Vrw (сверху вниз) 1481, 1676, 2003, 2200 м/с и модностью 13, 6, 6 и 4 м соответственно.^

11?. основе результатов модельных исследований установлено, ~~ что в случае однородно-слоистой модели ВЧР способ расчета по годографам отраженных волн обеспечивает большую (в Ь-8 раз) точность решения обратной кинематической задачи в сравнении со способом регулируемого направленного анализа сейсмоакустичесних волновых полей. Показано, что программы VAVELh H0RSP , ориентированные на анализ сейсмограмм ОГТ, ыогут применяться для определения Узф по сейсмограммам ОЛБ в случае субгоризснтального залегания границ (443°). При больших углах наклона границ вследствие значительного смещения минимума и несимметричности годографа ОПВ определение эффективных скоростей этими программами производится с систематической ошибкой. Отмечается, что,независимо от ширины окна регулируемого направленного анализа сейсмо-акустических волновых полей, зависимости V:icp(t) имеют ложный инверсионный характер, аналоги-гный установленному при обработке практических материалов, что затрудняет их однозначную интерпретацию и модет тфпве>ли к значительным ошибка?.: црч построении модели эффективна скоростей.

Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что наиболее точные и детальные сведения о распределении значений скорости распространения профильных волн в массиве грунтов морского дна могут быть получены только по годографам отраженных сейсмоакустичесних волн.

Поскольку необходимым условием практической реализаций способа расчета Узф по годографам отраженных волн является применение процедуры корреляции осей синфазности отражений на сейсмограммах ОПВ, в технологию обработки данных иногоканагькой сей-зкеакуетчки включена автоматическая корреляция годографов с по-мсцье комплекса s1fc. . При этом для наиболее полного проел «ии-*еиим гоаог-гпфов з исходные сейсмограммы предложено (Захарченко В.В., .".9Вп) вводить кинематические поправки, которые в последующем вводятся с обратным знаком при переда"« результат"» корреляции на этап интерпретации. Как показали исследования, в случае относительно простого сеЯсмоакустическотс зояиовоге поля задаче автоматической корреляции осей скнфазности отражений не вызывает серьезных затруднений.

В результате исследований разработана функциональная ci рук-

тура комплекса программ МЦСАН, в которую входят следующие взаимосвязанные программы:

- подготовки исходных данных;

- предварительной обработки;

- автоматического вцдзления и прослеживания осей синфазно-о.ти отраженных волк;

- расчета эффективных скоростей по годографам отряженных

волн;

- расчета пластовых и средних скоростей;

- статистической обработки и фильтрации скоростей;

- прогнозирования основных физико-механических характеристик грунтов;

- визуализация данных на любом ¡этапе преобразований.

Наряду к заимствованными компонентами базовых систем СЦС-3,

СПЦИ-1 (SLE&) я СЬЮ в библиотеку обрабатывающих программ комплекса ЩС.АК включены разработанные в отделе инженерной геофизики программы демультиплексации (DEMUXSCA), регулировки амплитуд (ASUS0), полосовой фильтрации (FIWTXT). суммирования трасс равного удалзвкя от ПВ (ASSA), передачи годографов в интерпретационную часть комплекса (SLEGSM3), расчета скоростной модели среды по годографам отраженных волн (F08TRI) и расчета прогнозных значений ас t fms .

Особенностью этапа подготовки данных к цифровой обработке является присвоение исходным записям фиктивного шага дискретизации, одного из принятых в системе СЦС-3 (DT- I, 2, 4 и 6 ко), В от ей связи пространственно-временные и частотные характеристики сейсмозкустическкх записей должны быть, соответственно, увеличены и уменьшены в кт =|ураз, где üt- шаг дискретизации исходных записей.

На предварительном этапе обработки, вкдючаицей регулировку екплитуд (AßUSO) к полосовую фчльтрецию (ПШХТ), основной процедурой повышения соотноаения сигнал/помеха является суммирование (A5SA) равноудаленных от пункта возбуждения трасс. При этом для .обеспечения корректного суммирования во время морских работ выбирается достаточно малый 0,5-1,0 м) шаг между возбуждениями t'.u кеддой точке зондирований. Необходимость ввода (KIH) кинема-4*аческкх поправок и суммарные сейсмограммы ОГШ связьаа, как откачено зьле, обеспечением эффективности последующей автоматической керроля;осей спчфпзности о^ра'кечных волн.

Для. передачи данных автомагической корреляции (SLEG) в лн-терпретационнухГчасТ1г комплекса используется программа SbEGSMS , коюрая выбирает назначенные интерпретатором годографы., вычи^тёт" из них кинематические поправки, пршятые на предварительном этапе, формирует истинные пикеты, удаления и времена.

Интерпретационный этап обработки данных, многоканальной сей-емоакустики осуществляется при аппроксимации изучаемой среды слоисто-однородной шцельч с плоскими границам-! раздела.

Особенностью расчета модели эффективных скоростей (FOM'RI, ^араиетрВР - 5 или 105) лаллстся :*еп«ль»оиание процедуры коррекции геометрии многоканального приемного устройства, параметру которого предложено уточнять на основе результатов сопоставления данных о скорости распространения продольных волн в воде, рассчитанной по гидрологическим параметрам среды и по годографам отражений от дна. С целью минимизации ошибок вычисления Уэф по годографам отраженных волн, характеризующихся случайными иекайd-нчяш времен, при углах наклона границ до 2-3° рекомендовано решать обратную задачу при использовании равнения годографа с д^умя неизвестными параметра;."' С Vv-j. , Целесообразность по-

добного подхода обоснована в разделе 3 работы.

Осчовным способом рГ'-чета мсосдр пдеегозых скооосте!' принята широко известная формула Уругпьа-Дккеа (FORTRI, Rt = G'>. При этом полагается Via» «-V:?»^. Однако в случае значительной скоростной дифференциации среды принятое допущение приводит к систематическим ошиэкам при БЫ'м'исленик VW. . В отом случае рекомендовано использовать программу (FOK-T^l, RF« 1 или 2), реализующую аналог формулы Урупова-Дикса. Суть алгоритма (Еейцман Б.А., I9BI) состоит в использовании с одновременным учетом та преломления на границах среды, для чего используется информация о длине годографа.

Статистическая обработка скоростей реализуется с помощью процедуры СТАА и включзет аппроксимацию зависимостей Узш(10), У«л (U) или 4n.\(i\ t! полиномом задет;ой степени и от*ракок:у данных, не попавших в доверительный интервал (критерий "трех сигм"). Для фильтрации скоростей используются алгоритмы скользящих алгебраических полиномов. Обобщение скоростей при профильных работах осуществляется в виде графиков V(x) (Г?А), при плаченых работах - в виде карт V(x,g)(АТЛ).

На завершающем этапе решения обратной инематической задачи

поданным Vbä и to осуществляется расчет (FORTRI, SF = -2) средних скоростей и глубинной модели.

В качестве сквозного контрольного примера в разделе приведены промежуточные и окончательные результаты обработки и интерпретации данных многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования, полученных (Лисин В.П., Снежков O.A. и др., 1985) в объеме 1200 точек зондирований на участке Д-6 Балтийского моря.

В результате исследований разработано методическое руководство по обработке и интерпретации данных многоканальной сейсмо-акустики в рамках комплекса ЩСАК подсистемы СЦС-З-ИНЖГЕО.

Раздел 3. В данном разделе рассмотрен ряд вопросов изучения погрешностей определения скоростной модели среды по данным многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования.

Одним из определяющих факторов, влияющих на точность решения обратной кинематической задачи по данным многоканальной сей-сыоакустики, является отклонение многоканального приемного устройства от горизонтального положения буксировки за счет волнения моря. Поскольку при изучении геометрических элементов ( h - высота, А - длина, h/д - крутизна) отдельных волн в океанических исследованиях рассматриваются идеализированные волны в виде трохоиды (Яуков Л.А., 1976) и синусоиды (Агеева Н.С. и др., 1974), автором совместно с Бондаревым В.И. для оценки влияния волнения моря на погрешность определения Vj? получены уравнения годографа отраженных волн в случае трохоадальной и синусоидальной формы многоканального приемного сейсмоакустического устройства. Соответствующие уравнения годографа при отсутствии угла наклона отражающей границы и горизонтального сноса приемного устройства имеют следущий вид:

V-ir 1 - -N» & * t ч]г +

♦ [-^COS ^ + + '

^ = + [*H,- H,än %% V)- hi sin^J2,

____________________ _ - 15 -

где V - средняя'"скорость-до - страшащей границы; Н1- глубина под источником, выраженная в долях д X - шага между-каналами и соответствующая случаю незэволноеанной поверхности моря;

Л'=1Г5Г ' ^ " текущий параметр трохоиды, имеющий смысл угла качения; Ч' - начальны)! угол качения (фаза синусоидальных колебаний); Р, - абсцисса точки приема в системе координат х'О'д' I начало которой совмещено с пунктом возбуждения.

На опнов« использования полученных формул и выведанных уравнений связи мовду координата: ттнячпн горизонтального приемного устройства и параметра!,¡и длины дуги трохондальной (синусоидальной) кривой предложен алгоритм сценки влияния моря на погрешность определения Узф по годографам отраженных волн. Алгоритм был реализован в программах ТЕОН и УОШ , разработанных Клокой М.А. для ЭВМ ЕС. В результате проведенных исследований было рассмотрено влияние параметров ( К , А ) трохоидальной ; гинус. 'Идяльной) формы многоканального приемного устройства, количества каналов ( и ), выноса ( X» ), аагв между каналами (дХ ) и глубины ( ¡1 ) до отражающей границы на точность определения Уур. по годографам отрымшных золн. Сделан вывод, о то:.«, что при волнении моря ?~3 балла и средней крутизн»• веш: ''/Л ^ 0,05 возможные среднекьадратичоские ошибки ОVне превышают С,о Пологие волны зыби ( л/Л = 0,СI) пркволдг к среднеквадратичес-к»« ошкбквк ОУ-гч' - 1-й,?. %. Показало, что наиболее неблагоприятными условия!«; проведения морских работ является период зарождения ветровых волн (*У.а* 0,15), при этом б^зсц составляет 4,8 % (2 балла) и б(,л~с.

Наиболее часто систематические ошибки при вычислении эффективных скоростей обусловлены отличием интерпретационной модели от реально существующего геологического разреза. В этой связи автором совместно с Бондаревым В.И. исследовано влияние угла наклона Ч1 отралагаей границы на точность решении обратной задачи для уравнения годографа с двумя неизвестными параметрами ( V?» и Ьзо ). Допустим, что реальный годограф представлен уравнением для модели с одной наклонной границей, И мь>. хотим получить его "наилучшую" аппроксимацию кривой, соответствующей уравнению годографа для модели с одной горизонтальной границей. Решая задачу методом наименьших квадратов, мы получили следующее выражение:

Vj<P I = Väi» n • ~-.~--r.---r.--„ —==Г-

^ V Ü А Kap sin Ч'эф F

где

г- 15(ft*+2mtt+ 2Р1-i )_

г лХ t60m (пМ )(т *л- tj-t- (Zn-ijf'án.2- 3rv-»)] >

Узф - сффективная скорость, при этом вычисленная с использованием уравнения годографа с двумя неизвестными параметрами (Vxp, h.3ip ) имеет индекс I, соответственно с использованием уравнения с тремя неизвестными параметрами ( Vap , hiy, Ч'лр) имеет индекс 1!; К-? - аффективная эхо-глубина отражающей границы; Ч'эф - эффективный угол; п - количество точек годографа;m - вынос, выраженный б долях дх - шага между сейсмоприемниками. Приведённое выражение обеспечивает получение количественных оценок вычисления эффективных скоростей в случае неучета угла наклона отражающей границы и на их основе позволяет выбрать оптимальную с точки зрения минимизации соответствующего класса ошибок геометрию полевых наблюдений. Выполненное в значительном объеме математическое моделирование подтвердило результаты теоретических исследований. Кроме того, на основе результатов модельных исследований показано, что в случае малых углов наклона отражающей границы (до 2-Я0) и наличия случайных искажений годографов отраженных волн ( 6t >- 0,2Т) решение обратной задачи с использованием уравнения годографа с двумя неизвестными параметрами ( Уэф , пир) приводит к существенному (в 8 и более раз) снижению погрешности определения аффективной скорости. Сделан вывод о том, что в случае углов наклона границ до 2-3° с целью минимизации опкбок вычисления Vsip по годографам отраженных сейсмо-акусткческих волн целесообразно решать обратную задачу при аппроксимации реальной среды эффективной моделью с горизонтальны.! залеганием отражающих границ, т.е. полагать Ч7 * 0.

Известные в литературе выражения (Мешбей В.И. и др., 1977; Урупов А.К. и Маловичко A.A., 1983) для оценки погрешности определения модели пластовых скоростей на основе формулы Урупова-Дикса в силу способов их получения носят дифференциальный ха~ ристер и, тем самым отражают максимально возможные погрешности вычисления модели пластовых скоростей. С целью повышения объективности сценки погрешности расчета Упл автором совместно с Бондаревым В.И. предложен новый интегральный подход к их оценке. После ряда преобразований фгармулы Урупова-Дикоа, положа в

ней Ven» Vsgin и VfK ^Vwp* , било получено выражение следующего зида:~ ------------------------------

ton 'л tок •• времена прихода отражений от подошчы и кровли слоя; Vsqin и V.'4»k - эффективные скорости до подошвк и кров-¿¡к слол. Получены формулы для расчета среднего значении функции | (v ,Т ), на основании которых построен график изолиний f (v,t). Построенный график позволяет в любой заданной области изменения параметров V и Т достаточно надежно определить значения J"(V,T). На основании полученных соотногений предлагается следующий подход к интегральной оценке погрешности определения скоростной модели среды. Для предполагаемого района сейсмоакустиче-ских работ устанавливаются возможные пределы изменения параметров V и Т и оцениваются значения J (V,T). Средние значения функции J (V.T) на основяп"и выражения

обеепечизают получение количествоннкх оценок требуемой погрел: -ности определения на основании проектных требований к

точности определения Пластовых скоростей.

Раздел 4. В рясэдоле изложены результаты внедрения комплекса программ ЩСАК в практику инженерно-геологических исследований на морс.

Подготовлены .й нами комплекс программ 1ЛЦРА1С подсистемы СЦС-З-ИНШ был иредстаьлен на ведомственные прием-,ч.чке испытания, которые проводились на основании распоряжения Глаимор-нефтегаза в период с 13 по 16 октября 1967 года на вычислительно!/ центре КПЦС НПО "Союзморигасгеология". В результате испытаний комиссией было установлено, что комплекс ;рограг,". МЦСАК подсистемы СЦО-З-йНдГйО и разработанная технология обработки данилс многоканальной цифровой сенсмочкустики язлягтел работоспособными и обеспечивают решение задач по изучению скором ей распросгранения продольных волн в массиве грунтов морского дна. Согласно акту приемки комплекса программ МЦСАК, утвержденному руководот-

Vпл = Vicpa ■ { (V,T),

Vitp п '

б Vl<V _ DV.

Узф | ( V , Т) Чи

вом Главморнефтегаза 20 октября 1987 года, ведомственная приемочная комиссия на основании результатов испытаний признала комплекс программ МЦСАК выдержавшим приемочные испытания и предложила:

1. Рекомендовать комплекс программ МЦСАК к внедрению в организациях отрасли.

2. Отнести представленную разработку к категории качества С (соответствует мировому уровню).

Комплекс программ МЦСАК включен в программную часть ОФАПГаз-прома (ккв.номер П487015) и зарегистрирован в ГОСФАП (ВНТИцентр) под инвентарным номером 50880000408.

В соответствии с принятыми комиссией решениями разработанный комплекс программ в 1987 году введен в промышленную эксплуатацию на ВЦ КПЦО НПО "Союзморинжгеология" и передан экспедициям объединения (АМИГЗ, ШИГЭ, ДОИГЗ и' Й.1ИГЭ) для промышленной эксплуатации. . За период с 1986 по 1990 год общий объем обработки данных многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования, проведенного при инженерно-геологических исследованиях на объектах Балтийского, Баренцева, Черного, Каспийского и Азовского мсрзй, а таккэ шельфе острова Сахалин, составил 34,9 тыс.км.

В качестве примера практического использования разработанного комплекса программ МЦСАК приведены результаты обработки и интерпретации данных многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования, выполненного в Рижском заливе Балтийского моря, на Поморской площади и площадке М 2 Северо-Гуляевской площади Баренцева моря, на площадях Архангельского и Крымской Черного морн. Анализ предетавлеь-иых результатов построения скоростной модели уерхней части геологического разреза свидетельствует о высокой степени их достоверности. Ошибки определения Vэф , оцененные г.о среднехвадрагической ошибке аппроксимации годографов б к и по внутренней сходимости данных при площадном сглаживании, составили 0,2-2,2 %. Ошибки определения Уп« , оцененные по внутренней сходимости данных при площадном сглаживании, находятся в пределах от I до 10 %. При этом максимальные ошибки характерны для слоев с минимальной мощностью 4-5 м и залегающих на глубине до 75-85 м. В качестве внешней оценки точности структурных построений по данным многоканальной сейсмоакустики проведено сопоставление карты глубин дна, построенной для площади Архангельского, с резулиитами батиметрической съемки. Показано, что данные двух негависимых методов совпали с точностью до 0,5 м при средней глу-

бине моря 50 м. Достоверность сведений о скоростях распространения продольных волн позволила-использовать л;хдля_прогнозирова-ния основных физико-механических свойств (ксэцх&нциект пористптк, плотность, удельное сцепление, угол внутреннего трения, модуль обшей деформации) морских грунтов и оценить характер их распределения как в плане, так и в разрезе. Показано, что оценки значений физико-механкческих свойств морских грунтов, полученные на основе теоретико-экспериментальных оавясимоотей (Бондарев В.И., 1985) и выбранной модели среды, имеют весьма удовлетворительную сходимость с данными лабораторных определений и, как правило, дополняют последние .

Обсуждается техническая и экономическая эффективность определения скоростной модели среда по данным многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования. В результате внедрения в 1988 году комплекса программ МЦСАК подсистемы СЦС-2-ИНЖГЕ0 и рекомендаций по обработке и интерпретации данных многоканальной сойсмоакустики на ЭВМ суммарный фактический экономический эффект за счет сокращения средств на инкенерно-геологические исследования по трем экспедициям (ШИГЭ, АМ11ГЭ и Ш1ГЭ) объедения составил 415171 рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в СССР к за рубежом исследования позволили выявить ряд закономерностей изменения сейсмических свойств морских грунтов под действием различных факторов и установить, в частности, зависимости между скоростью распространения продольных волн и их физико-механическими характеристиками. Широкое испольеоеа-ние отих зависимостей для решения основной задачи ¡етенерной сей-смоакустики - прогнозирования физико-механических свойств массива грунтов морского рэа, возможно лишь при наличии достоверной информации о скоростях распространения продольных волк как в плане, так и в разрезе. Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему.

I, Показано, что современные методы определения ехзрпстнкх характеристик массива грунтов морского дна не позволяют с требуемой для практики точностью либо детальностью изучать распределение значений скоростей и характеризуются, как правило, низкой технологичностью.

2. Установлено, что наиболее перспективным направлением развития дистанционных методов изучения скоростных характеристик донных грунтов является разработка и внедрение в практику морских инженерно-геологических исследований многоканальных сейсмоакусти-ческих систем с цифровой регистрацией и обработкой данных на ЭВМ.

3. Опробование различных подходов к определению скоростной модели ВЧР на шельфе показало, чтб наиболее точные и детальные сведения о распределении скоростей продольных волн в массиве грунтов морского дна обеспечивает решение обратной кинематической задачи по годографам отраженных сейсмоакустических волн.

4. Разработана функциональная структура, определен состав и выработаны основные требования к комплексу программ МЦСАК обработки данных многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования.

5. В-рамках комплекса программ МЦСАК разработана методика цифровой обработки и интерпретации данных цифровой многоканальной сейсмоакустики, обеспечивающая с высокой степенью технологичности, детальности и точности изучение скоростных характеристик массива грунтов морского дна.

6. В итоге теоретических исследований влияния волнения моря и угла наклона границ на результаты определения эффективных скоростей по годографам отраженных сейсмоакустических волн предложены пути повышения точности определения скоростной модели верхней части геологического разреза на шельфе.

7. Предложен новый подход к интегральной оценке погрешности определения модели пластовых скоростей.

8. На примере ряда объектов Балтийского, Баренцева и Черного морей показана эффективность применения многоканального цифрового сейсмоакустического профилирования при инженерно-геологических исследованиях с целью изучения геологического строения, скоростных характеристик и оценки распределения физико-механических свойств донных грунтов.

9. Результаты проведенных исследований были использованы при обработке данных цифрового многоканального сейсмоакустического профилирования, полученного за период 1986-1990 гг. в объема 34,9 тыс.п.км. Фактический экономический эффект от внедрения комплекса программ и методики обработки данных многоканальной сейсмо-акусти.я за счет сокращения средств на инженерно-геологические исследования составил в 1988 году более 415 тыс.рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ~ ДИССЕРТАЦИИ _ ОПУБЛИКОВАНЫ

В СЛВДШДИХ РАБОТАХ -------------_

1. Акустические свойства донных осадков и морской вору/Совместно с Вяковым Ю.А., Сергеевым O.E. //Геология и разведка нефтяных и газовых месторождений. - M., 1981. - 34 с.

2. О результатах морских испытаний цифрового многоканального' сейсмоакустического регистратора /Совместно с Белашем В.А., Москвиным B.C., Свитиииы В,В., Бердаиковнм С.С. //Научно-техн. конф. ВНИИморгео: Тез.докл. - Рига, 1982. - 19 с.

3. Применение многоканальной сейсмоакустики для решения некоторых инженерно-геологических задач /Совместно с Лисиным В.П., Тимофеевым И.А., Снежковым O.A., Ивановым H.A., Лацисом Д.Х., За-харченко В.В. //Научно-техн.конф. ВНИИморгео. Тез.докл. - Рига, 1984. - С.54-55.

4. Система обработки на ЭВМ данных многоканального сейсмоакустического профилирования при инженерно-геологических исследованиях на шельфе /Совместно с Бондаревым В.й,, Бсйцмзнои Б.А., Лисиным В.П. //Технические средства и методы изучения океанов и морей. Тез.докл. Всесоюзн.совещания в Геленджике ИО АН СССР в 1985 г. - M., 1985. - C.I28.

5. Программно-алгоритмическое обеспечение для изучения скоростей распространения упругих волн по данным морской многоканальной сейсмоакустики ./Совместно с Бондаревым В.И., Вейцманом В.А., Лисиным В.П., Снежковым O.A. //Применение математических методов и ЗШ для обработки морской геолого-геофизическгй и про-мыслово-геофизической информации. - Рига, 1985. - С.3-12.

6. Исследование различных алгоритмов вычисления предельных и пластовых скоростей по годографам отраженных вслн /Совместно

с Вейцманом Б.А., Федоровым В.И., Грушевской З.А. //Научно-техн. конф. ВНИИморгео я СКВ. Тез.докч, - Рига, 1986. - С.54-55.

7. Система сбора, обработки и интерпретации данных многоканальной сейсмоакустики для инженерно-геологических изысканий на шельфе /Совместно с Бондаревым В.И., Вейцманом Б.А., Лисиные В.П., Снежковым O.A., Кутузовым Н.И. //Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР: Тез.докл. I. Всесоазн. конф. 24-26 июля 1986 г. - M., 1986. 4.1. - С.185.

8. Цифровая многоканальная сейсмоакуст.'ка при инженерно-геологических исследованиях на шельфе /Совместт с Бондаревыи В.И.,

Вейцманом Б.А., Лисиным В.П., Снежковым O.A., Захарченко В.В.// Проблемы геофизики океанского дна: Тез.докл. I Всесоюзн.конф. по морской геофизике ИО АН СССР. - M., 1987. - C.I3-I4.

9. Изучение донных осадков на шельфе с помощью цифровой многоканальной сейсмоакустической аппаратуры/Совместно с Бондаревым В.И., Вейцманом Б.А., Лисиным В.П., Снежковым O.A., Кутузовым Н.И., Захарченко В.В./Дехнические средства и методы исследований Мирового океана: Тез.докл.Всесоюзн.шк. в Геленджике ИО АН СССР в 198? г. - M., 1987. - T.I. - C.I0B.

10. Акустический эонд для каротажных исследований.

A.c. 1437620/Со вместно с Вейцманом Б.А., Окунцовым Е.И.//Бюлл. изобретений. - 1988. - » 42. - С.296.

11. Комплекс программ МЦСАК обработки данных многоканальной цифровой сейсмоакустики подсистемы СЦС-3-ИШ£ГЕ0/Совмес?но с Бондаревым В.И., Вейцманом Б.А.//Информ.листок, ЛатНИИ НТИ. -

1988. - 4 с.

12. Программный комплекс МЦСАК подсистемы СЦС-3~ИН1ГЕ0/Сов-местно с Бондаревым В.И., Вейцманом Б.А., Захарченко В.В., Федоровым В.И. - М.: ГОСМП (ВНТИцентр), 1988. - 530 с.

13. Применение данных многоканальной цифровой сейсмоакустики для прогнозирования физико-механических свойств морских грунтов/Совместно с Бондаревым В.И., Вейцманом Б.А., Федоровым В.И., Захарченко В.В., Онищенко C.B., Шипиловым АлJI.//Морская инженерная геофизика .-Рига: ВНИИморгео, 1988. - С.3-10.

14. Цифровое многоканальное профилирование при морских ин-нонерных изысканиях для нефтегазопромыслового строительства// Совместно с Бондаревы;.! В.И., Вейцманом Б.А., Лисиным В.П.//Методика комплексного геолого-геофизического изучения Мирового океана и его минеральных ресурсов.-Рига: ВНИИморгео, 1988. -

С.19-23.

15. Влияние волнения моря на погрешность определения аффективных скоростей/Совместно с Бондаревым В.И., Вейцманом Б.А., Клохой М.А,//Аппаратура и оборудование морских геофизических исследований.-Рига: ВНИИморгео, 1989. - С.'69-78.

16. Оценка точности определения скоростной модели среды по данным многоканальной сейсмоакустики/Совместно с Бондаревым 0.И., Вейцманом Б.А., Василевской Г.С.//Аппаратура и оборудование юрских геофизических исследований .-Рига: ВНИИморгео,

1989. - С.60-69.