Сейсмология отражения (или сейсмическое отражение ) — метод разведочной геофизики , использующий принципы сейсмологии для оценки свойств недр Земли по отраженным сейсмическим волнам . Для этого метода требуется контролируемый сейсмический источник энергии, такой как взрыв динамита или Tovex , специализированная пневматическая пушка или сейсмический вибратор. Сейсмология отражения похожа на гидролокатор и эхолокацию .
Отражения и преломления сейсмических волн на геологических границах Земли были впервые обнаружены при записях сейсмических волн, генерируемых землетрясениями. Основная модель глубинных недр Земли основана на наблюдениях сейсмических волн, генерируемых землетрясениями и проходящих через недра Земли (например, Мохоровичич, 1910). [1] Вскоре после этого последовало использование генерируемых человеком сейсмических волн для детального картирования геологии верхних нескольких километров земной коры и получило развитие в основном благодаря коммерческим предприятиям, особенно нефтяной промышленности.
Разведка сейсмических отражений выросла из метода сейсмической рефракционной разведки, который использовался для поиска нефти, связанной с соляными куполами . [2] Людгер Минтроп, немецкий маркшейдер, в 1914 году изобрел механический сейсмограф, который он успешно использовал для обнаружения соляных куполов в Германии. В 1919 году он подал заявку на немецкий патент, который был выдан в 1926 году. В 1921 году он основал компанию Seismos, которая была нанята для проведения сейсморазведки в Техасе и Мексике, что привело к первому коммерческому открытию нефти с использованием метода рефракционной сейсмики в 1924 году. [3] Открытие в 1924 году соляного купола Орчард в Техасе привело к буму сейсмических исследований рефракции вдоль побережья Мексиканского залива, но к 1930 году этот метод привел к открытию большинства неглубоких соляных куполов Луанна и метода рефракционной сейсмики. блеклый. [2]
После Первой мировой войны в разработку коммерческого применения сейсмических волн входили Минтроп, Реджинальд Фессенден , Джон Кларенс Керчер , Э.А. Экхардт, Уильям П. Хейсман и Бертон МакКоллум. В 1920 году Хаземан, Керхер, Экхардт и Макколлум основали Геологическую инженерную компанию. В июне 1921 года Керхер, Хаземан, И. Перрин и У. Кайт зафиксировали первый исследовательский сейсмограф отражения недалеко от Оклахома-Сити, штат Оклахома . [4] : 4–10
Многие представители нефтяной промышленности относились к сейсмологии ранних отражений со скептицизмом. Один из первых сторонников метода прокомментировал:
Инженерно-геологическая компания закрылась из-за падения цен на нефть. В 1925 году цены на нефть восстановились, и Керхер помог сформировать Корпорацию геофизических исследований (GRC) как часть нефтяной компании Amerada . В 1930 году Керхер покинул GRC и помог основать Geophysical Service Incorporated (GSI). GSI была одной из самых успешных сейсмических подрядных компаний на протяжении более 50 лет и являлась материнской компанией еще более успешной компании Texas Instruments . Один из первых сотрудников GSI Генри Сальватори покинул компанию в 1933 году, чтобы основать другого крупного подрядчика по сейсмическим исследованиям, Western Geophysical . Многие другие компании, использующие сейсмологию отражения в разведке углеводородов, гидрологии , инженерных исследованиях и других приложениях, были созданы с момента первого изобретения этого метода. Крупнейшие сервисные компании в последние годы включали CGG , ION Geophysical , Petroleum Geo-Services , Polarcus , TGS и WesternGeco , но после падения цен на нефть в 2015 году поставщики сейсмических услуг, такие как Polarcus, продолжали испытывать финансовые трудности [6] , в то время как Компании, которые всего десять лет назад были лидерами отрасли сейсмических данных, такие как CGG [7] и WesternGeco [8], теперь полностью отказались от среды сейсмических данных и провели реструктуризацию, чтобы сосредоточиться на своих существующих библиотеках сейсмических данных, управлении сейсмическими данными и несейсмических данных. сопутствующие нефтесервисные услуги.
Сейсмические волны — это механические возмущения, которые распространяются по Земле со скоростью, определяемой акустическим сопротивлением среды, в которой они движутся. Акустический (или сейсмический) импеданс Z определяется уравнением:
где v — скорость сейсмической волны , а ρ ( греч. rho ) — плотность породы.
Когда сейсмическая волна, проходящая через Землю, сталкивается с границей раздела двух материалов с разными акустическими импедансами, часть энергии волны отражается от границы раздела, а часть преломляется через границу раздела. По своей сути метод сейсмического отражения состоит из генерации сейсмических волн и измерения времени, необходимого волнам для прохождения от источника, отражения от границы раздела и обнаружения массивом приемников (например, геофонов или гидрофонов ) на поверхности. [9] Зная время прохождения от источника до различных приемников, а также скорость сейсмических волн, геофизик затем пытается реконструировать траектории волн, чтобы построить изображение недр.
Как и другие геофизические методы, сейсмологию отражений можно рассматривать как разновидность обратной задачи . То есть, учитывая набор данных, собранных в ходе экспериментов , и физические законы, применимые к эксперименту, экспериментатор желает разработать абстрактную модель изучаемой физической системы. В случае отраженной сейсмологии экспериментальные данные представляют собой записанные сейсмограммы, а желаемый результат — модель строения и физических свойств земной коры. Как и в случае с другими типами обратных задач, результаты, полученные с помощью сейсмологии отраженных волн, обычно не уникальны (более одной модели адекватно соответствуют данным) и могут быть чувствительны к относительно небольшим ошибкам в сборе, обработке или анализе данных. [10] По этим причинам необходимо проявлять большую осторожность при интерпретации результатов сейсморазведки.
Общий принцип сейсмического отражения заключается в отправке упругих волн (с использованием источника энергии, такого как взрыв динамита или вибросейс ) в Землю, где каждый слой внутри Земли отражает часть энергии волны обратно и позволяет остальной части преломляться. Эти отраженные энергетические волны регистрируются в течение заранее определенного периода времени (называемого длиной записи) приемниками, которые обнаруживают движение земли, в которой они расположены. На суше типичным приемником является небольшой портативный прибор, известный как геофон , который преобразует движение грунта в аналоговый электрический сигнал. В воде используются гидрофоны , которые преобразуют изменения давления в электрические сигналы. Реакция каждого приемника на одиночный выстрел называется «следом» и записывается на устройство хранения данных , затем место выстрела перемещается, и процесс повторяется. Обычно записанные сигналы подвергаются значительной обработке сигналов . [4] : 2–3, 21
Когда сейсмическая P-волна сталкивается с границей между двумя материалами с разными акустическими импедансами, часть энергии волны будет отражаться от границы, а часть энергии будет передаваться через границу. Амплитуда отраженной волны прогнозируется путем умножения амплитуды падающей волны на коэффициент сейсмического отражения , определяемый контрастом импедансов между двумя материалами. [4]
Для волны, которая достигает границы при нормальном падении (в лоб), выражение для коэффициента отражения имеет простой вид:
где и – сопротивление первой и второй среды соответственно. [4]
Аналогично, амплитуда падающей волны умножается на коэффициент прохождения , чтобы предсказать амплитуду волны, прошедшей через границу. Формула для коэффициента передачи при нормальном падении:
Поскольку сумма энергий отраженной и прошедшей волны должна быть равна энергии падающей волны, легко показать, что
Наблюдая за изменениями силы отражений, сейсмологи могут сделать вывод об изменениях сейсмического сопротивления. В свою очередь, они используют эту информацию для вывода изменений в свойствах пород на границе раздела, таких как плотность и скорость волн [4] посредством сейсмической инверсии .
Ситуация значительно усложняется в случае ненормального падения из-за преобразования мод между P-волнами и S-волнами и описывается уравнениями Цеппритца . В 1919 году Карл Цепприц вывел четыре уравнения, определяющие амплитуды отраженных и преломленных волн на плоской границе раздела для падающей продольной волны в зависимости от угла падения и шести независимых упругих параметров. [9] Эти уравнения имеют 4 неизвестных и могут быть решены, но они не дают интуитивного понимания того, как амплитуды отражения изменяются в зависимости от свойств горной породы. [11]
Коэффициенты отражения и прохождения, которые определяют амплитуду каждого отражения, изменяются в зависимости от угла падения и могут использоваться для получения информации (помимо прочего) о содержании жидкости в породе. Практическое использование явления ненормального падения, известного как AVO (см. Амплитуда в зависимости от смещения ), стало возможным благодаря теоретическим работам по получению работоспособных приближений к уравнениям Цепприца и достижениям в области компьютерной обработки. Исследования AVO с некоторым успехом пытаются предсказать содержание жидкости (нефти, газа или воды) в потенциальных резервуарах, снизить риск бурения непродуктивных скважин и выявить новые нефтяные резервуары. Наиболее часто используемое трехчленное упрощение уравнений Цепприца было разработано в 1985 году и известно как «уравнение Шуи». Дальнейшее двухчленное упрощение известно как «приближение Шуи», справедливо для углов падения менее 30 градусов (обычно это имеет место при сейсмических исследованиях) и приведено ниже: [12]
где = коэффициент отражения при нулевом удалении (нормальное падение); = Градиент AVO, описывающий поведение отражения при промежуточных смещениях и = угол падения. Это уравнение сводится к уравнению нормального падения при =0.
Время, необходимое для того, чтобы отражение от определенной границы достигло сейсмоприемника, называется временем прохождения . Если известна скорость сейсмической волны в породе, то время прохождения можно использовать для оценки глубины до отражателя. Для простой вертикально бегущей волны время прохождения от поверхности до отражателя и обратно называется временем двустороннего движения (TWT) и определяется по формуле
где – глубина отражателя, – скорость волны в породе. [4] : 81
Серию явно связанных отражений на нескольких сейсмограммах часто называют событием отражения . Сопоставляя события отражений, сейсмолог может оценить поперечное сечение геологической структуры , породившей отражения. [4] : 196–199.
Помимо отражений от границ раздела в недрах, приемниками обнаруживается ряд других сейсмических откликов, которые либо нежелательны, либо ненужны:
Воздушная волна распространяется непосредственно от источника к приемнику и является примером когерентного шума. Его легко узнать, поскольку он движется со скоростью 330 м/с — скорости звука в воздухе.
Волна Рэлея обычно распространяется вдоль свободной поверхности твердого тела, но упругие константы и плотность воздуха очень малы по сравнению с таковыми у горных пород, поэтому поверхность Земли представляет собой примерно свободную поверхность . Волны Рэлея с низкой скоростью, низкой частотой и высокой амплитудой часто присутствуют в сейсмических записях и могут затенять сигнал, ухудшая общее качество данных. В отрасли они известны как «катки земли» и являются примером когерентного шума, который можно ослабить с помощью тщательно разработанной сейсмической разведки. [13] Волна Шольте аналогична волне земной поверхности, но возникает на морском дне (граница раздела жидкость/твердое тело) и может скрывать и маскировать глубокие отражения в морских сейсмических записях. [14] Скорость этих волн зависит от длины волны, поэтому их называют дисперсионными, а форма волнового потока меняется в зависимости от расстояния. [15]
Головная волна преломляется на границе раздела, проходит вдоль нее в нижней среде и вызывает колебательное движение, параллельное границе раздела. Это движение вызывает возмущение в верхней среде, которое обнаруживается на поверхности. [9] То же явление используется в сейсмической рефракции .
Событие на сейсмической записи, которое вызвало более одного отражения, называется кратным . Множественные отражения могут быть либо короткими (привязка), либо длинными, в зависимости от того, мешают ли они первичным отражениям или нет. [16] [17]
Множественные сигналы от дна водоема и границы раздела воздух-вода часто встречаются в морских сейсмических данных и подавляются при обработке сейсмических данных .
Культурный шум включает шум от погодных воздействий, самолетов, вертолетов, электрических опор и кораблей (в случае морских исследований), каждый из которых может быть обнаружен приемниками.
Это особенно важно в городских условиях (например, на линиях электропередачи), поскольку его трудно снять. Некоторые конкретные датчики, такие как микроэлектромеханические системы (МЭМ), используются для уменьшения этих помех в таких средах. [18]
Первоначальный метод сейсмического отражения включал сбор данных по двумерному вертикальному профилю земной коры, который теперь называется 2D-данными. Этот подход хорошо работал на участках с относительно простой геологической структурой и небольшими падениями. Однако в областях с более сложной структурой 2D-метод не смог правильно отобразить недра из-за отражений от плоскости и других артефактов. Пространственное сглаживание также является проблемой для 2D-данных из-за отсутствия разрешения между линиями. Начиная с первоначальных экспериментов в 1960-х годах, сейсмическая техника исследовала возможность получения и обработки полных трехмерных данных. В конце 1970-х годов были получены первые большие наборы 3D-данных, а к 1980-м и 1990-м годам этот метод стал широко использоваться. [19] [20]
Сейсмология отражения широко используется во многих областях, и ее приложения можно разделить на три группы, [21] каждая из которых определяется глубиной исследования:
Метод, аналогичный отраженной сейсмологии, который использует электромагнитные волны вместо упругих и имеет меньшую глубину проникновения, известен как георадар или георадар.
Сейсмология отражения, чаще называемая «сейсмическим отражением» или сокращенно «сейсмика» в углеводородной промышленности, используется геологами-нефтяниками и геофизиками для картирования и интерпретации потенциальных нефтяных резервуаров . Размер и масштаб сейсмических исследований увеличились вместе со значительным увеличением мощности компьютеров с конца 20 века. Это привело к тому, что в 1980-х годах сейсмическая отрасль перешла от кропотливого (и, следовательно, редкого) получения небольших 3D-съемок к регулярному получению крупномасштабных 3D-съемок с высоким разрешением. Цели и основные принципы остались прежними, но методы с годами немного изменились.
Основными средами сейсмической разведки углеводородов являются суша, переходная зона и морская среда:
Земля . Сухопутная среда охватывает почти все типы местности, существующие на Земле, и каждая из них создает свои логистические проблемы. Примерами такой среды являются джунгли, пустыня, арктическая тундра, лес, городские условия, горные районы и саванна.
Переходная зона (TZ) . Переходная зона считается местом, где земля встречается с морем, что представляет собой уникальные проблемы, поскольку вода слишком мелкая для больших сейсмических судов, но слишком глубокая для использования традиционных методов сбора данных на суше. Примерами такой среды являются дельты рек, болота и болота, [27] коралловые рифы, пляжные приливные зоны и зона прибоя. Сейсмические бригады переходной зоны часто работают на суше, в переходной зоне и в мелководной морской среде над одним проектом, чтобы получить полную карту недр.
Морская зона. Морская зона находится либо на мелководье (глубины воды менее 30–40 метров обычно считаются мелководными участками для морских сейсмических операций 3D), либо на глубоководных участках, обычно связанных с морями и океанами (например, Мексиканский залив).
Сбор сейсмических данных — это первый из трех отдельных этапов сейсморазведки, два других — это обработка сейсмических данных и их интерпретация. [28]
Сейсмические исследования обычно проводятся национальными нефтяными компаниями и международными нефтяными компаниями , которые нанимают для их проведения сервисные компании, такие как CGG , Petroleum Geo-Services и WesternGeco . Затем для обработки данных нанимается другая компания, хотя часто это может быть та же самая компания, которая провела опрос. Наконец, готовый объем сейсмических данных доставляется в нефтяную компанию для геологической интерпретации.
Наземные сейсморазведочные работы, как правило, представляют собой крупные мероприятия, требующие сотен тонн оборудования и в которых задействовано от нескольких сотен до нескольких тысяч человек, развернутые на огромных территориях в течение многих месяцев. [29] Существует несколько вариантов контролируемого сейсмического источника при геодезии, и особенно распространенными являются вибросейсмический метод и динамит. Вибросейсмический источник — это неимпульсный источник, дешевый и эффективный, но для работы требуется ровная поверхность, что затрудняет его использование в неосвоенных районах. Способ заключается в том, что один или несколько тяжелых вездеходов опускают на землю стальную пластину, которая затем вибрирует с определенным распределением частоты и амплитуды. [30] Он производит низкую плотность энергии, что позволяет использовать его в городах и других населенных пунктах, где динамит может нанести значительный ущерб, хотя большой вес, прикрепленный к вибросейсному грузовику, может нанести собственный ущерб окружающей среде. [31] Динамит – это импульсный источник, который считается идеальным геофизическим источником, поскольку он обеспечивает почти идеальную импульсную функцию , но имеет очевидные экологические недостатки. Долгое время это был единственный доступный сейсмический источник, пока примерно в 1954 году не было введено снижение веса, [32] что позволило геофизикам найти компромисс между качеством изображения и ущербом окружающей среде. По сравнению с вибросейсмическим методом динамит также неэффективен с эксплуатационной точки зрения, поскольку необходимо просверлить каждую точку источника и поместить динамит в яму.
В отличие от морской сейсморазведки, геометрия суши не ограничивается узкими путями сбора данных, а это означает, что обычно регистрируется широкий диапазон удалений и азимутов, и самой большой проблемой является увеличение скорости сбора данных. Скорость производства, очевидно, контролируется тем, насколько быстро источник (в данном случае вибросейсмический) может быть запущен, а затем перейти к следующему местоположению источника. Были предприняты попытки использовать несколько сейсмических источников одновременно, чтобы повысить эффективность съемки, и успешным примером этого метода является независимое одновременное исследование (ISS). [33]
Наземная сейсморазведка требует существенной материально-технической поддержки; Помимо самой повседневной сейсмической операции, необходимо также обеспечить поддержку основного лагеря для пополнения запасов, медицинского обеспечения, задач по техническому обслуживанию лагеря и оборудования, обеспечения безопасности, смены персонала и управления отходами. Некоторые операции могут также управлять небольшими «летучими» лагерями, которые располагаются удаленно, где расстояние слишком велико, чтобы ежедневно возвращаться в главный лагерь, и им также будет часто требоваться материально-техническая поддержка.
Морские сейсморазведочные работы с буксируемыми косами проводятся с использованием специализированных сейсмических судов, которые буксируют один или несколько кабелей, известных как косы, чуть ниже поверхности, обычно на глубину от 5 до 15 метров в зависимости от спецификации проекта, которые содержат группы гидрофонов (или группы приемников) по всей длине (см. диаграмма). Современные суда с косами обычно буксируют несколько кос за корму, которые можно прикрепить к подводным крыльям, обычно известным как двери или лопасти, которые позволяют буксировать несколько кос в ширину к левому и правому борту судна. Современная технология буксировки кос, например, используемая на судах серии Ramform, эксплуатируемых PGS , построенных в период с 2013 по 2017 год [34] , позволила увеличить общее количество кос на этих судах до 24. Для судов такого типа вместимости нередко случается, что коса, простирающаяся по корме от «двери до двери», превышает одну морскую милю. Точная конфигурация кос в любом проекте с точки зрения длины косы, расстояния между косами, длины группы гидрофонов и смещения или расстояния между центром источника и приемниками будет зависеть от интересующей геологической области ниже морского дна, которую представляет клиент. пытаюсь получить данные от.
Суда-стримеры также буксируют источники высокой энергии, в основном группы пневматических пушек высокого давления, которые работают при давлении 2000 фунтов на квадратный дюйм, которые стреляют вместе, чтобы создать настроенный энергетический импульс на морское дно, от которого отраженные энергетические волны регистрируются группами приемников кос. Орудийные решетки являются настраиваемыми, то есть частотная характеристика образующегося пузырька воздуха из решетки при выстреле может изменяться в зависимости от комбинации и количества орудий в конкретной решетке и их отдельных объемов. Пушки могут быть расположены по отдельности в массиве или объединены в группы. Обычно массивы источников имеют объем от 2000 до 7000 кубических дюймов, но это будет зависеть от конкретной геологии района исследования.
Морские сейсмические исследования генерируют значительный объем данных [35] из-за размеров современных буксируемых кос и их буксирных возможностей.
Сейсмическое судно с двумя источниками, буксирующее одну косу, известно как узкоазимутальная буксируемая коса (или NAZ или NATS). К началу 2000-х годов было признано, что этот тип добычи полезен для первоначальной разведки, но недостаточен для разработки и добычи [36] , при которых скважины должны быть точно расположены. Это привело к разработке многоазимутальной буксируемой косы (MAZ), которая попыталась преодолеть ограничения линейной схемы сбора данных при съемке NATS путем получения комбинации съемок NATS на разных азимутах (см. Диаграмму). [37] Это успешно обеспечило повышенную освещенность недр и лучшее соотношение сигнал/шум.
Сейсмические свойства соли создают дополнительную проблему для морских сейсмических исследований: она ослабляет сейсмические волны, а ее структура содержит выступы, которые трудно отобразить. Это привело к появлению еще одного варианта типа съемки NATS — широкоазимутальной буксируемой косы (или WAZ или WATS) — и впервые было опробовано на месторождении Mad Dog в 2004 году. [38] В этом типе съемки участвовало одно судно, буксирующее исключительно комплект 8 кос и 2 отдельных судна, буксирующих сейсмические источники, которые располагались в начале и конце последней приемной линии (см. схему). Эта конфигурация была «плиточной» 4 раза, при этом судно-приемник каждый раз удалялось от судов-источников и в конечном итоге создавало эффект съемки с 4-кратным количеством кос. Конечным результатом стал набор сейсмических данных с более широким диапазоном более широких азимутов, что стало прорывом в области сейсмических изображений. [36] В настоящее время это три распространенных типа сейсмических исследований с морской буксируемой косой.
Сбор данных морских исследований не ограничивается только сейсмическими судами; также можно прокладывать кабели геофонов и гидрофонов на морском дне аналогично тому, как кабели используются при наземной сейсморазведке, и использовать отдельное судно-источник. Этот метод изначально был разработан из-за эксплуатационной необходимости, чтобы обеспечить возможность проведения сейсмических исследований в местах с препятствиями, таких как производственные платформы , без ущерба для качества получаемого изображения. [39] Океанские донные кабели (OBC) также широко используются в других областях, где невозможно использовать сейсмическое судно, например, на мелководье (глубина воды <300 м) и в переходной зоне, и могут быть развернуты с помощью подводных аппаратов с дистанционным управлением ( ROV) на глубокой воде, когда ценится повторяемость (см. 4D ниже). В традиционных исследованиях OBC используются двухкомпонентные приемники, сочетающие в себе датчик давления ( гидрофон ) и датчик вертикальной скорости частиц (вертикальный сейсмоприемник ), но более поздние разработки расширили метод до использования четырехкомпонентных датчиков, то есть гидрофона и трех ортогональных геофонов. Преимущество четырехкомпонентных датчиков заключается в том, что они способны также регистрировать поперечные волны [40] , которые не проходят через воду, но все же могут содержать ценную информацию.
Помимо эксплуатационных преимуществ, OBC также имеет геофизические преимущества перед традиционной съемкой NATS, которые возникают из-за увеличенной кратности и более широкого диапазона азимутов, связанных с геометрией съемки. [41] Однако, как и при наземной съемке, более широкие азимуты и увеличенная кратность обходятся дорого, а возможности крупномасштабных съемок OBC строго ограничены.
В 2005 году донные узлы океана (OBN) – расширение метода OBC, в котором используются беспроводные приемники с батарейным питанием, помещенные в глубокую воду – были впервые опробованы на нефтяном месторождении Атлантис в партнерстве между BP и Fairfield Geotechnologies . [42] Размещение этих узлов может быть более гибким, чем кабели в OBC, и их легче хранить и развертывать из-за их меньшего размера и меньшего веса.
Разработка узловой технологии стала прямым развитием технологии донного кабеля, т.е. возможности размещать гидрофон в прямом контакте с морским дном, чтобы устранить морское дно и гидрофонировать пространство морской воды, которая существует в технологии буксируемой косы. Концепция донного гидрофона сама по себе не нова и уже много лет используется в научных исследованиях, но ее быстрое использование в качестве методологии сбора данных при разведке нефти и газа началось относительно недавно.
Узлы представляют собой автономные 4-компонентные блоки, в состав которых входят гидрофон и три датчика ориентации по горизонтальной и вертикальной осям. Их физические размеры варьируются в зависимости от проектных требований и производителя, но, как правило, узлы имеют тенденцию весить более 10 килограммов на единицу, чтобы избежать проблем с плавучестью и уменьшить вероятность движения по морскому дну из-за течений или приливов.
Узлы можно использовать в районах, куда суда с косами не могут безопасно войти, поэтому для безопасного плавания узловых судов перед развертыванием узлов обычно проводится батиметрическая съемка морского дна в районе съемки с использованием технологии бокового обзора для картирования. топография морского дна в деталях. Это позволит выявить любые возможные опасности, которые могут повлиять на безопасную навигацию узлов и судов-источников, а также выявить любые проблемы, связанные с развертыванием узлов, включая подводные препятствия, затонувшие объекты, инфраструктуру нефтяных месторождений или внезапные изменения глубины воды из-за подводных скал, каньонов или других мест, где узлы может быть нестабильным или плохо соединяться с морским дном.
В отличие от операций OBC, узловое судно не подключается к узловой линии, тогда как донные кабели необходимо физически прикрепить к судну-регистратору для записи данных в режиме реального времени. Что касается узлов, то до тех пор, пока узлы не будут восстановлены и данные из них не будут извлечены (собирание — это отраслевой термин, используемый для удаления данных из восстановленного узла, когда он помещается в компьютеризированную систему, которая копирует данные жесткого диска с узла), существует Предполагается, что данные будут записываться, поскольку не существует элемента контроля качества в реальном времени для определения рабочего состояния узла, поскольку они автономны и не подключаются к какой-либо системе после развертывания. В настоящее время технология хорошо зарекомендовала себя и очень надежна, и как только узел и его аккумуляторная система соответствуют всем критериям настройки, возникает высокая степень уверенности в том, что узел будет работать так, как указано. Время технического простоя во время проектов узлов, то есть сбои отдельных узлов во время развертывания, обычно выражаются отдельными цифрами в процентах от общего числа развернутых узлов.
Узлы питаются либо от перезаряжаемых внутренних литий-ионных аккумуляторов, либо от сменных неперезаряжаемых аккумуляторов — конструкция и характеристики узла определяют, какая технология аккумуляторов будет использоваться. Срок службы батареи узла является решающим фактором при разработке проекта узла; Это связано с тем, что как только на узле разряжается батарея, собранные данные больше не хранятся на твердотельном жестком диске, и все данные, записанные с момента его размещения на морском дне, будут потеряны. Следовательно, узел с 30-дневным сроком службы батареи необходимо развернуть, записать данные, восстановить и использовать в течение этого 30-дневного периода. Это также связано с количеством узлов, которые необходимо развернуть, поскольку это также тесно связано с временем автономной работы. Если развернуто слишком много узлов и ресурсов бригады OBN недостаточно для их своевременного восстановления или внешние факторы, такие как неблагоприятные погодные условия, ограничивают операции по восстановлению, батареи могут разрядиться и данные могут быть потеряны. Одноразовые или неперезаряжаемые батареи также могут создавать серьезные проблемы с утилизацией отходов, поскольку батареи необходимо транспортировать на место эксплуатации и обратно, а разряженные батареи утилизировать на берегу лицензированному подрядчику.
Еще одним важным моментом является синхронизация времени отдельных узлов тактовых импульсов с помощью внутренней коррекции дрейфа тактового сигнала. Любая ошибка в правильной синхронизации узлов перед их развертыванием может привести к созданию непригодных для использования данных. Поскольку сбор узлов часто бывает разнонаправленным и из нескольких источников одновременно в течение 24 часов, для точной обработки данных жизненно важно, чтобы все узлы работали в одно и то же время.
Тип и спецификация узла будут определять конструкцию системы управления узлами, а также режимы развертывания и восстановления. В настоящее время существует два основных подхода; узел на тросе и операции ROV.
Узел на веревке
Этот метод требует, чтобы узел был прикреплен к стальной проволоке или веревке с высокими техническими характеристиками. Каждый узел будет равномерно расположен вдоль веревки и снабжен специальными креплениями для надежного соединения узла с веревкой, например, через каждые 50 метров в зависимости от конструкции перспективного объекта. Затем этот канат укладывается специализированным узловым судном с использованием системы манипулирования узлами, обычно с динамическим позиционированием вдоль заранее определенной узловой линии. Узлы «приземляются» на заранее нанесенные позиции с согласованным и приемлемым радиусом ошибки, например, узел должен быть размещен в радиусе 12,5 метров от предварительно нанесенных навигационных позиций. Они часто сопровождаются пингерами, небольшими транспондерами, которые могут быть обнаружены датчиком подводного акустического позиционирования, который позволяет судну-пингеру или самому узловому судну установить определенное положение морского дна для каждого узла при развертывании. В зависимости от контракта пингеры могут располагаться, например, на каждом узле или на каждом третьем узле. Пинг и пинговое оборудование — это отраслевое сокращение для использования систем акустического позиционирования USBL или сверхкороткой базовой линии, которые взаимодействуют с навигационным оборудованием дифференциальной GPS или дифференциальной глобальной системы позиционирования на судне.
Линии узлов обычно восстанавливаются путем перетаскивания якоря или грейферного крюка, чтобы вернуть линию узла обратно на борт судна. Системы обработки на судах-узлах используются для хранения, развертывания и восстановления узлов, и их конкретная конструкция будет зависеть от конструкции узла. Небольшие узлы могут включать элемент ручной обработки, тогда как более крупные узлы автоматически обрабатываются роботизированными системами для перемещения, хранения, подзарядки и сбора урожая. Суда-узлы также используют такие системы, как намоточные устройства для управления канатными линиями и бункеры для канатов для хранения многих километров канатов, которые часто перевозятся на борту узлов на канатных судах.
Узел на веревке обычно используется там, где на перспективном объекте имеется мелководье, например, менее 100 метров или в зоне переходной зоны рядом с пляжем. Для более глубоководных операций используется судно с динамическим позиционированием, чтобы обеспечить точное развертывание узлов, но эти более крупные суда имеют ограничение на то, насколько далеко в берег они могут безопасно проникнуть; обычная граница составляет от 15 до 20 метров глубины воды в зависимости от судна и его подводного оборудования. Затем можно использовать специализированные мелководные лодки для развертывания и восстановления узлов на глубине от 1 до 3 метров. Эти мелководные узлы затем можно использовать для связи с геофонами на берегу, чтобы обеспечить последовательный переход сейсмической линии от воды к суше.
В этом подходе есть некоторые проблемы, которые делают их уязвимыми к ущербу или потерям в проекте, и все эти риски необходимо оценивать и смягчать. Поскольку узлы, соединенные между собой на веревке, сидят на морском дне без присмотра: они могут смещаться из-за сильных течений, веревки могут зацепляться за донные препятствия, их можно тащить якорями сторонних судов и ловить траловыми рыболовными судами. Угрозу такого рода потенциальных опасностей для данного оборудования обычно следует выявлять и оценивать на этапе планирования проекта, особенно на нефтяных месторождениях, где имеются устья скважин, трубопроводы и другие подводные сооружения и где необходимо избегать любого контакта с ними, что обычно достигается путем введение зон отчуждения. Поскольку линии узлов могут быть перемещены после развертывания, вопрос положения узла при восстановлении имеет решающее значение, и поэтому позиционирование как во время развертывания, так и во время восстановления является стандартной проверкой контроля качества навигации. В некоторых случаях может потребоваться восстановление и повторная прокладка узловых линий, если узлы вышли за пределы спецификаций контракта.
развертывание ROV
В этом методе используется технология ROV ( подводный аппарат с дистанционным управлением ) для обработки и размещения узлов в заранее намеченных положениях. В этом методе развертывания и восстановления используется корзина с узлами, которую опускают в воду. ROV соединится с совместимой корзиной узлов и удалит отдельные узлы из лотка в заранее определенном порядке. Каждый узел будет помещен в назначенную ему позицию предварительного графика. При восстановлении процесс работает в обратном порядке; узел, подлежащий восстановлению, подхватывается ROV и помещается в лоток корзины узлов до тех пор, пока корзина не заполнится, когда ее поднимут обратно на поверхность. Корзину возвращают на узловой сосуд, узлы вынимают из корзины и собирают.
Операции ROV обычно используются для проектов глубоководных узлов, часто на глубине до 3000 метров в открытом океане. Однако есть некоторые проблемы с эксплуатацией ROV, которые необходимо учитывать. Операции с ROV, как правило, сложны, особенно операции с глубоководными ROV, поэтому необходимость периодического технического обслуживания может повлиять на добычу. Шланги и другие высокотехнологичные запасные части для ROV могут быть чрезвычайно дорогими, а ремонт ROV, требующий поддержки наземных или сторонних специалистов, остановит проект узла. Из-за экстремальных глубин воды скорость развертывания и восстановления узлов будет намного ниже из-за времени, необходимого для перехода узловой корзины с поверхности на морское дно, и почти наверняка будут ограничения по погоде или состоянию моря для операций ROV в районах открытого океана. Логистика для поддержки операций вдали от берега также может быть проблематичной для регулярного пополнения запасов, бункеровки и смены экипажей.
Промежуточная съемка или 4D-съемка — это 3D-сейсмическая съемка, повторяемая через определенный период времени. Термин 4D относится к четвертому измерению, которым в данном случае является время. Промежуточные исследования проводятся для наблюдения за изменениями в резервуаре во время добычи и выявления областей, где существуют барьеры для потока, которые не могут быть обнаружены при обычной сейсморазведке. Промежуточные исследования состоят из базового исследования и контрольного или повторного исследования, проводимого после того, как месторождение было введено в эксплуатацию. Большинство этих исследований представляли собой повторные исследования NATS, поскольку их дешевле приобрести, и исторически на большинстве месторождений уже проводилось базовое исследование NATS. Некоторые из этих исследований собираются с использованием донных кабелей, поскольку после удаления кабели можно точно разместить на прежнем месте. Лучшее повторение точного местоположения источника и приемника приводит к улучшению повторяемости и улучшению отношения сигнал/шум. Также был проведен ряд исследований 4D на месторождениях, на которых были закуплены и постоянно проложены океанские донные кабели. Этот метод может быть известен как сейсморазведка на протяжении всего срока службы (LoFS) или постоянный мониторинг пласта (PRM). [36]
Сейсмические исследования 4D с использованием технологии буксируемой косы могут быть очень сложными, поскольку цель 4D-исследования — максимально точно повторить исходную или базовую съемку. Погода, приливы, течение и даже время года могут оказать существенное влияние на то, насколько точно такое исследование может достичь цели повторяемости.
OBN оказался еще одним очень хорошим способом точного повторения сейсмических данных. Первая в мире 4D съемка с использованием узлов была проведена на нефтяном месторождении Атлантис в 2009 году, при этом узлы были размещены с помощью ROV на глубине воды 1300–2200 метров с точностью до нескольких метров от того места, где они были ранее размещены в 2005 году. [ 43 ]
В обработке сейсмических данных есть три основных процесса: деконволюция , суммирование общей средней точки (CMP) и миграция . [44]
Деконволюция — это процесс, который пытается извлечь ряд отражательной способности Земли в предположении, что сейсмическая трасса — это просто ряд отражательной способности Земли, свернутый с помощью искажающих фильтров. [45] Этот процесс улучшает временное разрешение за счет свертывания сейсмического импульса, но он не является уникальным, если не доступна дополнительная информация, такая как каротажные диаграммы, или не сделаны дополнительные предположения. Операции деконволюции могут быть каскадными, при этом каждая отдельная деконволюция предназначена для устранения определенного типа искажений.
Суммирование ОСТ – это надежный процесс, в котором используется тот факт, что определенное место в недрах будет отобрано множество раз и на разных удалениях. Это позволяет геофизику построить группу трасс с диапазоном выносов, которые выбирают одно и то же место в недрах, известную как сбор общей средней точки . [46] Затем по временной выборке рассчитывается средняя амплитуда, что приводит к значительному снижению случайного шума, но также к потере всей ценной информации о взаимосвязи между сейсмической амплитудой и смещением. Менее значимые процессы, которые применяются незадолго до стека CMP, — это нормальная коррекция приращения и коррекция статики . В отличие от морских сейсмических данных, наземные сейсмические данные необходимо корректировать с учетом разницы высот между точками выстрела и приемника. Эта поправка имеет форму вертикального временного сдвига к плоской базе данных и известна как коррекция статики , но на более позднем этапе обработки потребуется дополнительная коррекция, поскольку скорость вблизи поверхности точно не известна. Эта дополнительная коррекция известна как коррекция остаточной статики.
Сейсмическая миграция — это процесс, при котором сейсмические события геометрически перемещаются в пространстве или времени в место, где событие произошло в недрах, а не в место, где оно было зафиксировано на поверхности, тем самым создавая более точное изображение недр.
Целью сейсмической интерпретации является получение целостной геологической истории на основе карты обработанных сейсмических отражений. [47] На самом простом уровне сейсмическая интерпретация включает отслеживание и корреляцию вдоль непрерывных отражателей по всему набору 2D или 3D данных и использование их в качестве основы для геологической интерпретации. Целью этого является создание структурных карт, отражающих пространственные изменения глубины определенных геологических слоев. С помощью этих карт можно выявить ловушки углеводородов и создать модели недр, позволяющие производить расчеты объемов. Однако набор сейсмических данных редко дает достаточно четкую картину, чтобы сделать это. В основном это связано с вертикальным и горизонтальным сейсмическим разрешением [48] , но часто шум и трудности обработки также приводят к ухудшению качества изображения. Из-за этого всегда существует определенная степень неопределенности в интерпретации сейсмических данных, и конкретный набор данных может иметь более одного решения, соответствующего данным. В таком случае для ограничения решения потребуется больше данных, например, в форме дальнейших сейсмических исследований, каротажа скважин или данных гравитационной и магнитной разведки . Подобно менталитету сейсмического обработчика, сейсмическому интерпретатору обычно рекомендуется быть оптимистом, чтобы стимулировать дальнейшую работу, а не отказываться от района исследования. [49] Интерпретацию сейсмических данных выполняют как геологи , так и геофизики , причем большинство интерпретаторов сейсмических данных имеют представление об обеих областях.
При разведке углеводородов интерпретатор особенно старается определить части, из которых состоит нефтяной резервуар : материнская порода , порода-коллектор, покрышка и ловушка .
Анализ сейсмических атрибутов включает в себя извлечение или получение количественного значения из сейсмических данных, которое можно проанализировать, чтобы улучшить информацию, которая может быть более тонкой в традиционном сейсмическом изображении, что приведет к лучшей геологической или геофизической интерпретации данных. [50] Примеры атрибутов, которые можно анализировать, включают среднюю амплитуду, которая может привести к выделению ярких и тусклых пятен , когерентность и зависимость амплитуды от смещения . Признаки, которые могут показать наличие углеводородов, называются прямыми индикаторами углеводородов .
Впервые использование сейсмологии отражения в исследованиях тектоники и земной коры было впервые использовано в 1970-х годах такими группами, как Консорциум по профилированию континентальных отражений (COCORP), который вдохновил на глубокие сейсмические исследования в других странах, таких как BIRPS в Великобритании и ECORS во Франции. . [51] Синдикат британских институтов по профилированию отражений (BIRPS) был создан в результате разведки нефтяных углеводородов в Северном море. Стало ясно, что отсутствует понимание тектонических процессов, сформировавших исследуемые геологические структуры и осадочные бассейны . Эти усилия дали некоторые важные результаты и показали, что с помощью морских сейсмических исследований можно составить профиль таких особенностей, как надвиги , которые проникают через земную кору в верхнюю мантию . [52]
Как и всякая человеческая деятельность, сейсмические исследования отражения оказывают определенное воздействие на природную среду Земли , и в исследованиях по изучению этих последствий принимают участие как углеводородная промышленность, так и экологические группы.
На суше проведение сейсморазведки может потребовать строительства дорог для перевозки оборудования и персонала, а также может потребоваться расчистка растительности для размещения оборудования. Если исследование проводится на относительно неосвоенной территории, может произойти значительное нарушение среды обитания , и многие правительства требуют от сейсмических компаний следовать строгим правилам в отношении разрушения окружающей среды; например, может быть запрещено использование динамита в качестве сейсмического источника. Методы обработки сейсмических данных позволяют сейсмическим линиям отклоняться от естественных препятствий или использовать уже существующие непрямые трассы и тропы. При тщательном планировании это может значительно снизить воздействие наземной сейсморазведки на окружающую среду. Более позднее использование инерциальных навигационных инструментов для топографической съемки вместо теодолитов уменьшило воздействие сейсмических исследований, позволив наматывать линии съемки между деревьями.
Потенциальное воздействие любой сейсмической разведки на землю необходимо оценивать на этапе планирования и эффективно контролировать. Хорошо регулируемая среда обычно требует отчетов об оценке воздействия на окружающую среду и социальную среду (ESIA) или оценки воздействия на окружающую среду (EIA) до начала каких-либо работ. При планировании проекта также необходимо учитывать, что после завершения проекта любые последствия, если таковые имеются, останутся позади. Подрядчики и клиенты несут ответственность за управление планом восстановления в соответствии с контрактом и законами, в которых осуществлялся проект.
В зависимости от размера проекта наземные сейсмические работы могут иметь значительное локальное воздействие и значительные физические последствия, особенно там, где складские помещения, коммунальные услуги в лагере, объекты по утилизации отходов (включая утилизацию черных и бытовых сточных вод), общие и сейсмические стоянки транспортных средств, необходимы мастерские, средства технического обслуживания и жилые помещения. Контакт с местным населением может привести к потенциальным нарушениям их нормальной жизни, таким как повышенный шум, круглосуточная работа и увеличение трафика, и эти явления необходимо оценивать и смягчать.
Археологические соображения также важны, и планирование проекта должно учитывать юридические, культурные и социальные требования, которые необходимо будет учитывать. Специализированные методы могут использоваться для оценки безопасного рабочего расстояния от зданий и археологических сооружений, чтобы минимизировать их воздействие и предотвратить ущерб.
Основная экологическая проблема морских сейсмических исследований заключается в том, что шум, связанный с высокоэнергетическим сейсмическим источником, может потревожить или нанести вред животным, особенно китообразным, таким как киты , морские свиньи и дельфины , поскольку эти млекопитающие используют звук в качестве основного метода общения. друг с другом. [53] Высокоуровневый и продолжительный звук может вызвать физический ущерб, например, потерю слуха, тогда как шум более низкого уровня может вызвать временное изменение порога слуха, заглушение звуков, жизненно важных для морской жизни, или поведенческие нарушения. [54]
Исследование показало [55] , что мигрирующие горбатые киты оставляют расстояние минимум в 3 км между собой и работающим сейсмическим судном, а отдыхающие стаи горбатых китов с коровами проявляют повышенную чувствительность и оставляют увеличенное расстояние в 7–12 км. И наоборот, исследование показало, что самцов горбатых китов привлекал один работающий пневматический пистолет, поскольку считалось, что они путали низкочастотный звук с поведением китов, нападающих на них . Помимо китов, морские черепахи , рыбы и кальмары проявляли тревожное и избегающее поведение в присутствии приближающегося сейсмического источника. Трудно сравнивать отчеты о влиянии шума сейсморазведки на морскую жизнь, поскольку методы и устройства часто недостаточно документированы.
Серый кит будет избегать своих мест регулярной миграции и нагула на расстоянии >30 км в районах сейсмических испытаний. [ нужна цитата ] Точно так же было показано, что дыхание серых китов учащено, что указывает на дискомфорт и панику у кита. Именно такие косвенные доказательства заставили исследователей поверить в то, что избегание и паника могут быть ответственны за увеличение количества выброшенных на берег китов, хотя исследования по этим вопросам продолжаются.
Несмотря на это, пневматические пушки отключаются только тогда, когда китообразные видны на очень близком расстоянии, обычно менее 1 км [56].
Предлагая другую точку зрения, совместный документ Международной ассоциации геофизических подрядчиков (IAGC) и Международной ассоциации производителей нефти и газа (IOGP) утверждает, что шум, создаваемый морскими сейсмическими исследованиями, сравним с естественными источниками сейсмического шума, заявляя, что : [57]
Правительственная организация Великобритании, Объединенный комитет по охране природы (более известный как JNCC), является «... общественным органом, который консультирует правительство Великобритании и переданные администрации по вопросам охраны природы на всей территории Великобритании и за рубежом». [58] уже много лет проявляют личный интерес к влиянию геофизических и сейсмических исследований на морскую среду. Еще в 1990-х годах на правительственном уровне было понятно, что влияние звуковой энергии, создаваемой сейсмическими исследованиями, необходимо исследовать и контролировать. [59] Руководства JNCC были и продолжают оставаться одним из справочных материалов, используемых на международном уровне в качестве возможного базового стандарта для исследований по сейсмическим контрактам во всем мире, например, «Руководство JNCC по минимизации риска травмирования морских млекопитающих в результате геофизических исследований» ( Руководство по сейсморазведке), 2017. [60]
Осложняющим фактором в обсуждении сейсмической звуковой энергии как разрушительного фактора для морских млекопитающих является размер и масштаб сейсмических исследований, проводимых в 21 веке. Исторически сложилось так, что сейсмические исследования, как правило, длились несколько недель или месяцев и были локализованы, но с помощью технологии OBN исследования могут охватывать тысячи квадратных километров океана и продолжаться годами, постоянно излучая звуковую энергию в океан 24 часа в сутки. в день от нескольких источников энергии. Одним из текущих примеров этого является контракт на мегасейсмические исследования площадью 85 000 квадратных километров [61], подписанный национальной нефтяной компанией Абу-Даби ADNOC в 2018 году с расчетным сроком действия до 2024 года в ряде глубоководных районов, прибрежных районов, островов и мелководья. локации. Возможно, будет очень сложно оценить долгосрочное воздействие этих огромных операций на морскую жизнь.
В 2017 году IOGP рекомендовал [62] , чтобы избежать помех во время съемки:
Вторым фактором является нормативная среда, в которой проводятся сейсмические исследования. В местах со строгим регулированием, таких как Северное море или Мексиканский залив , юридические требования будут четко сформулированы на уровне контракта, и как подрядчик, так и клиент будут соблюдать правила, поскольку последствия несоблюдения могут быть серьезными, например, значительные штрафы. или отзыв разрешений на разведочные блоки. Однако есть страны, которые имеют разнообразный и богатый морской биом , но где экологические законы слабы, а регулятор неэффективен или даже отсутствует. Эта ситуация, когда нормативно-правовая база недостаточно надежна, может серьезно подорвать любые попытки защиты морской среды: это часто встречается в тех случаях, когда государственные нефтегазовые компании доминируют в стране и когда регулирующий орган также является государственным предприятием и управляется им. и поэтому он не считается по-настоящему независимым.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)Следующие книги охватывают важные темы отраженной сейсмологии. Большинству из них требуются знания математики, геологии и/или физики на уровне университета или выше.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Дальнейшие исследования в области отраженной сейсмологии можно найти, в частности, в книгах и журналах Общества геофизиков-исследователей , Американского геофизического союза и Европейской ассоциации геофизиков и инженеров .