Сейсмология отраженных волн (или сейсмическое отражение ) — это метод разведочной геофизики , который использует принципы сейсмологии для оценки свойств недр Земли по отраженным сейсмическим волнам . Для этого метода требуется контролируемый источник сейсмической энергии, такой как динамит или взрыв Tovex , специализированная пневматическая пушка или сейсмический вибратор. Сейсмология отраженных волн похожа на гидролокацию и эхолокацию .
Отражения и преломления сейсмических волн на геологических интерфейсах внутри Земли впервые были обнаружены на записях сейсмических волн, генерируемых землетрясениями. Базовая модель глубоких недр Земли основана на наблюдениях за сейсмическими волнами, генерируемыми землетрясениями, передаваемыми через недра Земли (например, Мохоровичич, 1910). [1] Использование антропогенных сейсмических волн для детального картирования геологии верхних нескольких километров земной коры последовало вскоре после этого и развивалось в основном благодаря коммерческому предпринимательству, в частности, нефтяной промышленности.
Сейсмическая разведка отраженных волн выросла из метода сейсмической разведки преломленных волн, который использовался для поиска нефти, связанной с соляными куполами . [2] Людгер Минтроп, немецкий маркшейдер, в 1914 году разработал 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 сейсмической разведки в Техасе и Мексике, что привело к первому коммерческому открытию нефти с использованием метода преломленной сейсморазведки в 1924 году. [3] Открытие в 1924 году соляного купола Орчард в Техасе привело к буму сейсмической разведки преломленных волн вдоль побережья Мексиканского залива, но к 1930 году этот метод привел к открытию большинства неглубоких соляных куполов Луанн, и метод преломленной сейсморазведки сошёл на нет. [2]
После Первой мировой войны в разработку коммерческих приложений сейсмических волн были вовлечены Минтроп, Реджинальд Фессенден , Джон Кларенс Кархер , Э. А. Экхардт, Уильям П. Хаземан и Бертон Макколлум. В 1920 году Хаземан, Кархер, Экхардт и Макколлум основали Geological Engineering Company. В июне 1921 года Кархер, Хаземан, И. Перрин и В. К. Кайт записали первый разведочный сейсмограф отражения около Оклахома-Сити, штат Оклахома . [4] : 4–10
Ранняя сейсмология отражений воспринималась скептически многими в нефтяной промышленности. Один из первых сторонников метода прокомментировал:
Компания Geological Engineering Company закрылась из-за падения цен на нефть. В 1925 году цены на нефть восстановились, и Karcher помог сформировать Geophysical Research Corporation (GRC) как часть нефтяной компании Amerada . В 1930 году Karcher покинул GRC и помог основать Geophysical Service Incorporated (GSI). GSI была одной из самых успешных компаний по сейсмическому подряду на протяжении более 50 лет и была материнской компанией еще более успешной компании Texas Instruments . Ранний сотрудник GSI Генри Сальватори покинул эту компанию в 1933 году, чтобы основать еще одного крупного сейсмического подрядчика Western Geophysical . С момента изобретения этого метода было создано множество других компаний, использующих сейсморазведку отраженных волн в разведке углеводородов, гидрологии , инженерных исследованиях и других областях. В последние годы крупнейшими сервисными компаниями были CGG , ION Geophysical , Petroleum Geo-Services , Polarcus , TGS и WesternGeco , но после обвала цен на нефть в 2015 году поставщики сейсмических услуг, такие как Polarcus, [6] продолжают испытывать финансовые трудности, в то время как компании, которые были лидерами в отрасли сбора сейсмических данных всего десять лет назад, такие как CGG [7] и WesternGeco [8], теперь полностью вышли из сферы сбора сейсмических данных и реструктурировались, чтобы сосредоточиться на своих существующих библиотеках сейсмических данных, управлении сейсмическими данными и не связанных с сейсмикой нефтепромысловых услугах.
Сейсмические волны — это механические возмущения, которые распространяются в Земле со скоростью, определяемой акустическим импедансом среды, в которой они распространяются. Акустический (или сейсмический) импеданс, Z , определяется уравнением:
где v — скорость сейсмической волны , а ρ ( греч. ро ) — плотность породы.
Когда сейсмическая волна, проходящая через Землю, встречает границу между двумя материалами с различным акустическим импедансом, часть энергии волны будет отражаться от границы, а часть преломляться через границу. По сути, метод сейсмического отражения состоит из генерации сейсмических волн и измерения времени, необходимого для того, чтобы волны прошли от источника, отразились от границы и были обнаружены массивом приемников (таких как геофоны или гидрофоны ) на поверхности. [9] Зная время прохождения от источника до различных приемников и скорость сейсмических волн, геофизик затем пытается реконструировать пути волн, чтобы построить изображение недр.
Как и другие геофизические методы, сейсмология отраженных волн может рассматриваться как тип обратной задачи . То есть, имея набор данных, собранных экспериментальным путем , и физические законы, которые применяются к эксперименту, экспериментатор хочет разработать абстрактную модель изучаемой физической системы. В случае сейсмологии отраженных волн экспериментальные данные представляют собой записанные сейсмограммы, а желаемым результатом является модель структуры и физических свойств земной коры. Как и в случае с другими типами обратных задач, результаты, полученные с помощью сейсмологии отраженных волн, обычно не являются уникальными (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 отраженных волн.
Общий принцип сейсмического отражения заключается в отправке упругих волн (используя источник энергии, такой как взрыв динамита или вибросейсмический зонд ) 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 грунта, в котором они размещены. На суше типичным используемым 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. Каждый ответ приемника на одиночный выстрел известен как «след» и записывается на устройство хранения данных , затем место выстрела перемещается, и процесс повторяется. Обычно записанные сигналы подвергаются значительной обработке сигнала . [4] : 2–3, 21
Когда сейсмическая P-волна встречает границу между двумя материалами с различным акустическим импедансом, часть энергии в волне будет отражаться на границе, в то время как часть энергии будет передаваться через границу. Амплитуда отраженной волны прогнозируется путем умножения амплитуды падающей волны на коэффициент сейсмического отражения , определяемый контрастом импеданса между двумя материалами. [4]
Для волны, которая падает на границу при нормальном падении (лоб в лоб), выражение для коэффициента отражения простое:
где и – импеданс первой и второй среды соответственно. [4]
Аналогично, амплитуда падающей волны умножается на коэффициент передачи, чтобы предсказать амплитуду волны, прошедшей через границу. Формула для коэффициента передачи при нормальном падении имеет вид
Поскольку сумма энергий отраженной и прошедшей волны должна быть равна энергии падающей волны, легко показать, что
Наблюдая изменения в силе отражений, сейсмологи могут делать выводы об изменениях в сейсмических импедансах. В свою очередь, они используют эту информацию для вывода изменений в свойствах пород на границе раздела, таких как плотность и скорость волны , [4] с помощью сейсмической инверсии .
Ситуация становится намного сложнее в случае ненормального падения из-за преобразования мод между P-волнами и S-волнами и описывается уравнениями Цеппритца . В 1919 году Карл Цеппритц вывел 4 уравнения, которые определяют амплитуды отраженных и преломленных волн на плоском интерфейсе для падающей P-волны как функцию 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 вовлеченной породы. [11]
Коэффициенты отражения и пропускания, которые управляют амплитудой каждого отражения, изменяются в зависимости от угла падения и могут использоваться для получения информации (среди прочего) о содержании жидкости в породе. Практическое использование явлений ненормального падения, известных как AVO (см. амплитуда против смещения ), было облегчено теоретической работой по получению работоспособных приближений к уравнениям Цепприца и достижениями в области вычислительной мощности. Исследования AVO с некоторым успехом пытаются предсказать содержание жидкости (нефть, газ или вода) потенциальных резервуаров, чтобы снизить риск бурения непродуктивных скважин и выявить новые нефтяные резервуары. 3-членное упрощение уравнений Цепприца, которое наиболее часто используется, было разработано в 1985 году и известно как «уравнение Шуи». Еще одно 2-членное упрощение известно как «приближение Шуи», справедливо для углов падения менее 30 градусов (обычно в случае сейсмических исследований) и приведено ниже: [12]
где = коэффициент отражения при нулевом смещении (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 отражения от определенной границы, чтобы достичь геофона, называется временем пробега . Если известна скорость сейсмической волны в горной породе, то время пробега можно использовать для оценки глубины до отражателя. Для простой вертикально бегущей волны время пробега от поверхности до отражателя и обратно называется двухсторонним временем (TWT) и определяется по формуле
где - глубина отражателя, - скорость волны в горной породе. [4] : 81
Серия очевидно связанных отражений на нескольких сейсмограммах часто называется событием отражения . Коррелируя события отражения, сейсмолог может создать предполагаемое поперечное сечение геологической структуры, которая сгенерировала отражения. [4] : 196–199
Помимо отражений от границ раздела в недрах, приемники обнаруживают ряд других сейсмических откликов, которые либо нежелательны, либо не нужны:
Воздушная волна распространяется напрямую от источника к приемнику и является примером когерентного шума. Ее легко узнать, поскольку она распространяется со скоростью 330 м/с, скоростью звука в воздухе.
Волна Рэлея обычно распространяется вдоль свободной поверхности твердого тела, но упругие константы и плотность воздуха очень низки по сравнению с таковыми у горных пород, поэтому поверхность Земли представляет собой приблизительно свободную поверхность . Низкоскоростные, низкочастотные и высокоамплитудные волны Рэлея часто присутствуют в сейсмической записи и могут скрывать сигнал, ухудшая общее качество данных. Они известны в отрасли как «грунтовая волна» и являются примером когерентного шума, который можно ослабить с помощью тщательно разработанной сейсмической разведки. [13] Волна Шольте похожа на земную волну, 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 меняется в зависимости от длины волны, поэтому их называют дисперсионными, а форма волнового поезда меняется в зависимости от расстояния. [15]
Головная волна преломляется на границе раздела, перемещаясь вдоль нее, в нижней среде и производит колебательное движение параллельно границе раздела. Это движение вызывает возмущение в верхней среде, которое обнаруживается на поверхности. [9] То же явление используется в сейсмической рефракции .
Событие в сейсмической записи, которое вызвало более одного отражения, называется кратным . Кратные могут быть либо короткого пути (колышек), либо длинного пути, в зависимости от того, мешают ли они первичным отражениям или нет. [16] [17]
Многократные волны от дна водоема и границы раздела воздух-вода часто встречаются в морских сейсмических данных и подавляются при сейсмической обработке .
Культурный шум включает в себя шум от погодных явлений, самолетов, вертолетов, опор линий электропередач и кораблей (в случае морских исследований), каждый из которых может быть обнаружен приемниками.
Особенно важно в городских условиях (например, линии электропередач), его трудно удалить. Некоторые особые датчики, такие как микроэлектромеханические системы (MEM), используются для уменьшения этих помех в таких условиях. [18]
Первоначальный метод сейсмического отражения включал сбор данных по двухмерному вертикальному профилю через кору, теперь называемый 2D-данными. Этот подход хорошо работал с областями относительно простой геологической структуры, где наклоны низкие. Однако в областях более сложной структуры 2D-метод не смог правильно отобразить подповерхность из-за отражений вне плоскости и других артефактов. Пространственное наложение также является проблемой с 2D-данными из-за отсутствия разрешения между линиями. Начиная с первых экспериментов в 1960-х годах, сейсмический метод исследовал возможность полного трехмерного сбора и обработки. В конце 1970-х годов были получены первые большие наборы 3D-данных, и к 1980-м и 1990-м годам этот метод стал широко использоваться. [19] [20]
Сейсмология отраженных волн широко используется в ряде областей, и ее приложения можно разделить на три группы [21] , каждая из которых определяется глубиной исследования:
Метод, аналогичный сейсморазведке отражений, который использует электромагнитные волны вместо упругих и имеет меньшую глубину проникновения, известен как георадар или георадар.
Сейсмология отраженных волн, чаще называемая «сейсмическим отражением» или сокращенно «сейсмикой» в углеводородной промышленности, используется геологами-нефтяниками и геофизиками для картирования и интерпретации потенциальных нефтяных резервуаров . Размер и масштаб сейсмических исследований увеличились вместе со значительным ростом мощности компьютеров с конца 20-го века. Это привело сейсмическую отрасль от трудоемкого — и, следовательно, редкого — получения небольших 3D-съемок в 1980-х годах к регулярному получению крупномасштабных 3D-съемок высокого разрешения. Цели и основные принципы остались прежними, но методы немного изменились за эти годы.
Основными средами для сейсмической разведки углеводородов являются суша, переходная зона и море:
Земля – Среда суши охватывает почти все типы ландшафтов, которые существуют на Земле, каждый из которых приносит свои собственные логистические проблемы. Примерами такой среды являются джунгли, пустыня, арктическая тундра, лес, городские условия, горные регионы и саванна.
Переходная зона (TZ) – считается, что это область, где суша 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 топи, [27] коралловые рифы, приливные зоны на пляжах и зона прибоя. Сейсмические бригады переходной зоны часто работают на суше, в переходной зоне и в мелководной морской среде в рамках одного проекта, чтобы получить полную карту недр.
Морская зона – морская зона находится либо в мелководных районах (глубина воды менее 30–40 метров обычно считается мелководьем для проведения 3D морских сейсмических работ), либо в глубоководных районах, обычно связанных с морями и океанами (например, Мексиканский залив).
Получение сейсмических данных является первым из трех отдельных этапов сейсмической разведки, два других — это обработка сейсмических данных и сейсмическая интерпретация. [28]
Сейсмические исследования обычно разрабатываются национальными нефтяными компаниями и международными нефтяными компаниями , которые нанимают сервисные компании, такие как CGG , Petroleum Geo-Services и WesternGeco , чтобы получить их. Затем нанимается другая компания для обработки данных, хотя часто это может быть та же компания, которая получила исследование. Наконец, готовый сейсмический том передается нефтяной компании, чтобы его можно было геологически интерпретировать.
Наземные сейсмические исследования, как правило, являются крупными объектами, требующими сотен тонн оборудования и в которых задействовано от нескольких сотен до нескольких тысяч человек, развернутых на обширных территориях в течение многих месяцев. [29] Существует ряд вариантов для контролируемого сейсмического источника при наземной съемке, и особенно распространенными вариантами являются вибросейс и динамит. Вибросейс — это неимпульсный источник, который дешев и эффективен, но для работы требуется ровная поверхность, что затрудняет его использование в неосвоенных районах. Метод включает в себя один или несколько тяжелых вездеходных транспортных средств, опускающих стальную пластину на землю, которая затем вибрирует с определенным распределением частоты и амплитуды. [30] Он производит низкую плотность энергии, что позволяет использовать его в городах и других застроенных районах, где динамит может нанести значительный ущерб, хотя большой вес, прикрепленный к грузовику вибросейса, может нанести свой собственный ущерб окружающей среде. [31] Динамит — это импульсный источник, который считается идеальным геофизическим источником из-за того, что он производит почти идеальную импульсную функцию , но у него есть очевидные экологические недостатки. Долгое время это был единственный доступный сейсмический источник, пока около 1954 года не был введен метод сбрасывания груза, [32] что позволило геофизикам найти компромисс между качеством изображения и ущербом для окружающей среды. По сравнению с вибросейсом, динамит также неэффективен в эксплуатации, поскольку каждую точку источника необходимо пробурить, а динамит поместить в скважину.
В отличие от морских сейсмических исследований, геометрия земли не ограничивается узкими путями получения данных, что означает, что обычно приобретается широкий диапазон смещений и азимутов, и самой большой проблемой является увеличение скорости получения данных. Скорость производства, очевидно, контролируется тем, насколько быстро источник (в данном случае Vibroseis) может быть запущен, а затем перемещен к следующему местоположению источника. Были предприняты попытки использовать несколько сейсмических источников одновременно, чтобы повысить эффективность исследования, и успешным примером этой техники является Independent Simultaneous Sweeping (ISS). [33]
Наземная сейсмическая разведка требует существенной логистической поддержки; в дополнение к самой ежедневной сейсмической операции, также должна быть поддержка основного лагеря для мероприятий по пополнению запасов, медицинской поддержки, задач по обслуживанию лагеря и оборудования, безопасности, смены персонала и управления отходами. Некоторые операции могут также управлять небольшими «летучими» лагерями, которые устанавливаются удаленно, где расстояние слишком велико, чтобы ежедневно возвращаться в основной лагерь, и им также потребуется логистическая поддержка на частой основе.
Морские сейсмические исследования с буксируемыми косами проводятся с использованием специализированных сейсмических судов, которые буксируют один или несколько кабелей, известных как косы, чуть ниже поверхности, как правило, на глубине от 5 до 15 метров в зависимости от спецификации проекта, которые содержат группы гидрофонов (или группы приемников) по всей их длине (см. схему). Современные суда с буксируемыми косами обычно буксируют несколько кос за кормой, которые могут быть закреплены на подводных крыльях, обычно известных как двери или лопасти, которые позволяют буксировать несколько кос в ширину к левому и правому борту судна. Современная технология буксировки кос, такая как на судах серии Ramform, эксплуатируемых PGS , построенных в период с 2013 по 2017 год [34], увеличила количество кос до 24 в общей сложности на этих судах. Для судов такого типа вместимости не редкость, когда коса, распространенная по корме от «двери до двери», превышает одну морскую милю. Точная конфигурация кос в любом проекте с точки зрения длины кос, расстояния между косами, длины группы гидрофонов и смещения или расстояния между центром источника и приемниками будет зависеть от интересующей геологической области под морским дном, из которой клиент пытается получить данные.
Суда-стримеры также буксируют источники высокой энергии, в основном массивы пневматических пушек высокого давления, которые работают при 2000 фунтов на квадратный дюйм, которые срабатывают вместе, чтобы создать настроенный энергетический импульс в морское дно, от которого отраженные энергетические волны регистрируются группами приемников стримеров. Массивы пушек настраиваются, то есть частотная характеристика полученного воздушного пузыря из массива при выстреле может быть изменена в зависимости от комбинации и количества пушек в определенном массиве и их индивидуальных объемов. Пушки могут быть расположены по отдельности на массиве или могут быть объединены в кластеры. Обычно массивы источников имеют объем от 2000 кубических дюймов 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 буксировочных возможностей.
Сейсмическое судно с 2 источниками и буксировкой одной косы известно как узкоазимутальная буксируемая коса (NAZ или NATS). К началу 2000-х годов было признано, что этот тип сбора данных полезен для первоначальной разведки, но неадекватен для разработки и добычи, [36] при которых скважины должны быть точно позиционированы. Это привело к разработке многоазимутальной буксируемой косы (MAZ), которая пыталась сломать ограничения линейной схемы сбора данных съемки NATS путем получения комбинации съемок NATS на разных азимутах (см. диаграмму). [37] Это успешно обеспечило повышенное освещение 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 визуализировать. Это привело к еще одной вариации типа исследования NATS, широкоазимутальной буксируемой косе (или WAZ или WATS), и впервые было испытано на месторождении Mad Dog в 2004 году. [38] Этот тип исследования включал 1 судно, буксирующее только набор из 8 кос, и 2 отдельных судна, буксирующих сейсмические источники, которые были расположены в начале и конце последней линии приемника (см. схему). Эта конфигурация была «плиточной» 4 раза, причем судно-приемник каждый раз удалялось от судов-источников и в конечном итоге создавало эффект исследования с 4-кратным увеличением числа кос. Конечным результатом был набор сейсмических данных с большим диапазоном более широких азимутов, что обеспечило прорыв в сейсмической визуализации. [36] Теперь это три распространенных типа морских сейсмических исследований с буксируемыми косами.
Получение данных морской съемки не ограничивается только сейсмическими судами; также возможно прокладывать кабели геофонов и гидрофонов на морском дне аналогично тому, как кабели используются в наземной сейсмической съемке, и использовать отдельное судно-источник. Этот метод был первоначально разработан из эксплуатационной необходимости, чтобы обеспечить проведение сейсмических съемок в районах с препятствиями, такими как производственные платформы , без ущерба для качества получаемого изображения. [39] Кабели для морского дна (OBC) также широко используются в других районах, где сейсмическое судно не может быть использовано, например, на мелководье (глубина воды <300 м) и в переходной зоне, и могут быть развернуты дистанционно управляемыми подводными аппаратами (ROV) в глубокой воде, когда важна повторяемость (см. 4D ниже). В обычных исследованиях OBC используются двухкомпонентные приемники, объединяющие датчик давления ( гидрофон ) и датчик вертикальной скорости частиц (вертикальный геофон ), но более поздние разработки расширили метод до использования четырехкомпонентных датчиков, т. е. гидрофона и трех ортогональных геофонов. Четырехкомпонентные датчики имеют преимущество в том, что они могут также регистрировать сдвиговые волны , [40] которые не распространяются через воду, но все еще могут содержать ценную информацию.
Помимо эксплуатационных преимуществ, OBC также имеет геофизические преимущества по сравнению с обычной съемкой NATS, которые возникают из-за увеличенной кратности и более широкого диапазона азимутов, связанных с геометрией съемки. [41] Однако, как и в случае с наземной съемкой, более широкие азимуты и увеличенная кратность имеют свою цену, а возможности крупномасштабных съемок OBC существенно ограничены.
В 2005 году океанические донные узлы (OBN) — расширение метода OBC, в котором используются работающие от батарей беспроводные приемники, размещенные в глубокой воде — были впервые опробованы на нефтяном месторождении Atlantis в партнерстве между BP и Fairfield Geotechnologies . [42] Размещение этих узлов может быть более гибким, чем у кабелей в OBC, и их легче хранить и развертывать из-за их меньшего размера и меньшего веса.
Развитие узловой технологии стало прямым развитием технологии океанского донного кабеля, то есть возможности размещать гидрофон в прямом контакте с морским дном, чтобы исключить морское дно для гидрофона в морской воде, которое существует при технологии буксируемой косы. Концепция океанского донного гидрофона сама по себе не нова и использовалась в течение многих лет в научных исследованиях, но ее быстрое использование в качестве методологии сбора данных при разведке нефти и газа произошло относительно недавно.
Узлы представляют собой автономные 4-компонентные блоки, включающие гидрофон и три датчика ориентации по горизонтальной и вертикальной осям. Их физические размеры варьируются в зависимости от требований к конструкции и производителя, но в целом узлы, как правило, весят более 10 килограммов на блок, чтобы компенсировать проблемы плавучести и уменьшить вероятность перемещения по морскому дну из-за течений или приливов.
Узлы могут использоваться в районах, куда суда-стримеры не смогут безопасно зайти, поэтому для безопасной навигации судов-узлов и перед развертыванием узлов обычно проводится батиметрическое обследование морского дна в районе обследования с использованием технологии бокового сканирования для подробного картирования топографии морского дна . Это позволит выявить любые возможные опасности, которые могут повлиять на безопасную навигацию судов-узлов и источников, а также выявить любые проблемы для развертывания узлов, включая подводные препятствия, затонувшие суда, инфраструктуру нефтепромыслов или внезапные изменения глубины воды из-за подводных скал, каньонов или других мест, где узлы могут быть нестабильными или не иметь хорошего соединения с морским дном.
В отличие от операций OBC, судно-узел не подключается к линии узла, тогда как океанские донные кабели должны быть физически прикреплены к судну-регистратору для записи данных в режиме реального времени. Что касается узлов, то до тех пор, пока узлы не будут восстановлены и данные с них не будут собраны (сбор данных — это отраслевой термин, используемый для удаления данных с восстановленного узла, когда он помещается в компьютеризированную систему, которая копирует данные жесткого диска с узла), предполагается, что данные будут записаны, поскольку нет элемента контроля качества в реальном времени для рабочего состояния узла, поскольку они являются автономными и не подключены ни к какой системе после развертывания. Технология в настоящее время хорошо отработана и очень надежна, и как только узел и его система батарей прошли все свои установленные критерии, есть высокая степень уверенности в том, что узел будет работать так, как указано. Технические простои во время проектов узлов, т. е. отказы отдельных узлов во время развертывания, как правило, выражаются единичными числами в процентах от общего числа развернутых узлов.
Узлы питаются либо от перезаряжаемых внутренних литий-ионных аккумуляторных батарей , либо от сменных неперезаряжаемых батарей — конструкция и спецификация узла будут определять, какая технология батареи будет использоваться. Срок службы батареи узла является критически важным фактором при проектировании проекта узла; это связано с тем, что после разрядки батареи на узле собранные данные больше не хранятся на твердотельном жестком диске, и все данные, записанные с момента его развертывания на морском дне, будут утеряны. Поэтому узел с 30-дневным сроком службы батареи должен быть развернут, записать данные, быть восстановленным и собранным в течение этого 30-дневного периода. Это также связано с количеством узлов, которые должны быть развернуты, поскольку это тесно связано со сроком службы батареи. Если развернуто слишком много узлов, а ресурсов экипажа OBN недостаточно для их своевременного восстановления или внешние факторы, такие как неблагоприятные погодные условия, ограничивают операции по восстановлению, батареи могут разрядиться, а данные могут быть потеряны. Одноразовые или неперезаряжаемые батареи также могут стать причиной серьезных проблем с утилизацией отходов, поскольку батареи необходимо транспортировать к месту эксплуатации и обратно, а разряженные батареи утилизировать с помощью лицензированного подрядчика на берегу.
Другим важным соображением является синхронизация времени отдельных узловых часов с внутренней коррекцией дрейфа часов. Любая ошибка в правильной синхронизации узлов перед их развертыванием может привести к созданию непригодных для использования данных. Поскольку сбор данных узла часто осуществляется в разных направлениях и из нескольких источников одновременно в течение 24-часового периода времени, для точной обработки данных жизненно важно, чтобы все узлы работали по одному и тому же времени часов.
Тип и спецификация узла будут определять конструкцию системы обработки узла и режимы развертывания и восстановления. В настоящее время существуют два основных подхода: узел на тросе и операции ROV.
Узел на веревке
Этот метод требует, чтобы узел был прикреплен к стальной проволоке или высококачественному тросу. Каждый узел будет равномерно распределен вдоль троса, который будет иметь специальные крепления для надежного соединения узла с тросом, например, каждые 50 метров в зависимости от конструкции перспективного объекта. Затем этот трос укладывается специализированным судном-узлом с использованием системы обработки узлов, обычно с динамическим позиционированием вдоль заранее определенной линии узлов. Узлы «приземляются» на предварительно нанесенные позиции с согласованным и приемлемым радиусом погрешности, например, узел должен быть размещен в радиусе 12,5 метров от навигационных предварительных позиций. Они часто сопровождаются пингерами, небольшими транспондерами, которые могут быть обнаружены подводным акустическим позиционным преобразователем, который позволяет судну-пингеру или самому судну-узлу устанавливать определенное положение на морском дне для каждого узла при развертывании. В зависимости от контракта пингеры могут быть расположены на каждом узле или на каждом третьем узле, например. Оборудование для пингования и пингования — это отраслевое сокращение для использования USBL или систем акустического позиционирования с ультракороткой базой , которые сопряжены с судовым дифференциальным навигационным оборудованием GPS или дифференциальной глобальной системы позиционирования.
Узловые линии обычно извлекаются с помощью якоря или крюка-кошки, чтобы извлечь узловую линию обратно на борт судна. Системы обработки на узловых судах используются для хранения, развертывания и извлечения 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 узлов. Узловые суда также используют такие системы, как катушки для управления канатными линиями и канатные бункеры для хранения многих километров канатов, которые часто перевозятся на борту узла на канатных судах.
Узел на тросе обычно используется там, где в пределах разведки есть мелководье, например, менее 100 метров или зона перехода близко к пляжу. Для более глубоководных операций используется судно динамического позиционирования, чтобы гарантировать точное развертывание узлов, но эти более крупные суда имеют ограничение относительно того, насколько далеко в берег они могут безопасно зайти; обычное ограничение будет между глубиной воды 15 и 20 метров в зависимости от судна и его подводного оборудования. Затем можно использовать специальные мелководные лодки для развертывания и подъема узлов на глубине воды от 1 до 3 метров. Затем эти мелководные узлы можно использовать для привязки к геофонам на берегу, чтобы обеспечить последовательный переход сейсмической линии от воды к суше.
С этим подходом связаны некоторые проблемы, которые делают их уязвимыми к повреждению или потере в ходе проекта, и все эти риски должны быть оценены и смягчены. Поскольку узлы, соединенные вместе на тросе, находятся на морском дне без присмотра: они могут быть перемещены из-за сильных течений, тросы могут зацепиться за препятствия на морском дне, их могут затащить якоря сторонних судов и поймать траулеры рыболовных судов. Угрозу этих типов потенциальных опасностей для этого оборудования обычно следует выявлять и оценивать на этапе планирования проекта, особенно в местах расположения нефтяных месторождений, где имеются устья скважин, трубопроводы и другие подводные конструкции, и где необходимо избегать любого контакта с ними, что обычно достигается путем принятия зон отчуждения. Поскольку возможно перемещение узловых линий после развертывания, вопрос положения узла при восстановлении имеет решающее значение, и поэтому позиционирование как во время развертывания, так и при восстановлении является стандартной проверкой контроля качества навигации. В некоторых случаях узловые линии может потребоваться восстановить и переложить, если узлы вышли за пределы спецификаций контракта.
Развертывание ROV
Этот метод использует технологию ROV ( дистанционно управляемый подводный аппарат ) для обработки и размещения узлов в их предварительно обозначенных позициях. Этот тип метода развертывания и подъема использует корзину, полную узлов, которая опускается в воду. ROV соединяется с совместимой корзиной узлов и извлекает отдельные узлы из лотка в заранее определенном порядке. Каждый узел будет помещен в выделенную ему предварительно обозначенную позицию. При подъеме процесс работает в обратном порядке; узел, который нужно извлечь, подбирается ROV, помещается в лоток корзины узлов, пока корзина не заполнится, когда она будет поднята обратно на поверхность. Корзина поднимается на судно узла, узлы извлекаются из корзины и собираются.
Операции ROV обычно используются для проектов глубоководных узлов, часто на глубине до 3000 метров в открытом океане. Однако есть некоторые проблемы с операциями ROV, которые необходимо учитывать. Операции ROV, как правило, сложны, особенно операции глубоководных ROV, и поэтому периодические требования к техническому обслуживанию могут повлиять на производство. Шлангокабель и другие высокотехнологичные запасные части для ROV могут быть чрезвычайно дорогими, а ремонт ROV, требующий поддержки на суше или сторонних специалистов, остановит проект узла. Из-за экстремальных глубин воды производительность развертывания и подъема узла будет намного ниже из-за времени, необходимого для перемещения корзины узла с поверхности на морское дно, и почти наверняка будут ограничения по погодным или морским условиям 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 экипажа.
Покадровые или 4D съемки — это 3D сейсмические съемки, повторяемые через определенный период времени, термин 4D относится к четвертому измерению, которым в данном случае является время. Покадровые съемки проводятся для наблюдения за изменениями в резервуаре во время добычи и выявления областей, где существуют препятствия для потока, которые могут быть не обнаружены при обычной сейсмике. Покадровые съемки состоят из базовой съемки и контрольной или повторной съемки, проводимой после того, как месторождение было введено в эксплуатацию. Большинство этих съемок были повторными съемками NATS, поскольку их дешевле проводить, и на большинстве месторождений исторически уже была базовая съемка NATS. Некоторые из этих съемок проводятся с использованием донных кабелей, поскольку кабели можно точно разместить на их предыдущем месте после извлечения. Лучшее повторение точного местоположения источника и приемника приводит к улучшению повторяемости и лучшим соотношениям сигнал/шум. Ряд 4D съемок также был организован над месторождениями, на которых были приобретены и постоянно развернуты донные кабели. Этот метод может быть известен как сейсморазведка в течение всего срока службы поля (LoFS) или постоянный мониторинг резервуара (PRM). [36]
Сейсмические исследования 4D с использованием технологии буксируемой косы могут быть очень сложными, поскольку целью исследования 4D является максимально точное повторение исходного или базового исследования. Погода, приливы, течение и даже время года могут оказать значительное влияние на то, насколько точно такое исследование может достичь этой цели повторяемости.
OBN оказался еще одним очень хорошим способом точно повторить сейсмическую съемку. Первая в мире 4D-съемка с использованием узлов была проведена над нефтяным месторождением Atlantis в 2009 году, при этом узлы были размещены ROV на глубине воды 1300–2200 метров в пределах нескольких метров от того места, где они были размещены ранее в 2005 году. [43]
Существует три основных процесса обработки сейсмических данных: деконволюция , суммирование по общей средней точке (CMP) и миграция . [44]
Деконволюция — это процесс, который пытается извлечь ряд отражательной способности Земли, предполагая, что сейсмическая трасса — это просто ряд отражательной способности Земли, свернутый с искажающими фильтрами. [45] Этот процесс улучшает временное разрешение, сжимая сейсмический вейвлет, но он не является уникальным, если нет дополнительной информации, такой как каротажные диаграммы, или если не сделаны дополнительные предположения. Операции деконволюции могут быть каскадными, при этом каждая отдельная деконволюция предназначена для удаления определенного типа искажения.
Укладка CMP — это надежный процесс, который использует тот факт, что определенное местоположение в недрах будет опробовано много раз и с разными смещениями. Это позволяет геофизику построить группу трасс с диапазоном смещений, которые все опробуют одно и то же местоположение в недрах, известную как Common Midpoint Gather . [46] Затем средняя амплитуда вычисляется по временной выборке, что приводит к значительному снижению случайного шума, но также теряет всю ценную информацию о взаимосвязи между сейсмической амплитудой и смещением. Менее значимые процессы, которые применяются незадолго до укладки CMP , — это нормальная коррекция кинематики и статистическая коррекция . В отличие от морских сейсмических данных, наземные сейсмические данные должны быть скорректированы с учетом разницы высот между местоположениями выстрела и приемника. Эта коррекция имеет форму вертикального временного сдвига к плоской точке отсчета и известна как статистическая коррекция , но потребует дальнейшей коррекции позже в последовательности обработки, поскольку скорость приповерхностного слоя точно не известна. Эта дополнительная коррекция известна как остаточная статистическая коррекция.
Сейсмическая миграция — это процесс, посредством которого 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 связной геологической истории из карты обработанных сейсмических отражений. [47] На самом простом уровне сейсмическая интерпретация включает в себя отслеживание и корреляцию вдоль непрерывных отражателей по всему набору данных 2D или 3D и использование их в качестве основы для геологической интерпретации. Целью этого является создание структурных карт, которые отражают пространственное изменение глубины определенных геологических слоев. Используя эти карты, можно идентифицировать углеводородные ловушки и создавать модели недр, которые позволяют выполнять расчеты объема. Однако набор сейсмических данных редко дает достаточно четкую картину для этого. Это в основном из-за вертикального и горизонтального сейсмического разрешения [48], но часто шум и трудности обработки также приводят к более низкому качеству изображения. Из-за этого в сейсмической интерпретации всегда есть некоторая степень неопределенности, и конкретный набор данных может иметь более одного решения, которое соответствует данным. В таком случае для ограничения решения потребуется больше данных, например, в форме дополнительных сейсмических данных, данных каротажа скважин или гравитационной и магнитной разведки . Подобно менталитету сейсмического обработчика, сейсмический интерпретатор, как правило, поощряется быть оптимистом, чтобы поощрять дальнейшую работу, а не отказываться от области исследования. [49] Сейсмическая интерпретация выполняется как геологами , так и геофизиками , при этом большинство сейсмических интерпретаторов имеют понимание обеих областей.
При разведке углеводородов интерпретатор в первую очередь старается описать те части, которые составляют нефтяной резервуар : материнскую породу , коллектор, покрышку и ловушку .
Анализ сейсмических атрибутов включает в себя извлечение или выведение количества из сейсмических данных, которые могут быть проанализированы с целью улучшения информации, которая может быть более тонкой в традиционном сейсмическом изображении, что приводит к лучшей геологической или геофизической интерпретации данных. [50] Примеры атрибутов, которые могут быть проанализированы, включают среднюю амплитуду, которая может привести к разграничению ярких и тусклых пятен , когерентность и амплитуду против смещения . Атрибуты, которые могут показать наличие углеводородов, называются прямыми углеводородными индикаторами .
Использование сейсмологии отражений в исследованиях тектоники и земной коры было впервые применено в 1970-х годах такими группами, как Консорциум по континентальному профилированию отражений (COCORP), который вдохновил на проведение глубокой сейсмической разведки 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 углеводородов в Северном море. Стало ясно, что существует недостаток понимания тектонических процессов, которые сформировали геологические структуры и осадочные бассейны , которые исследовались. Усилия дали некоторые существенные результаты и показали, что с помощью морских сейсмических исследований можно профилировать такие особенности, как сбросы , проникающие через кору в верхнюю мантию . [52]
Как и любая деятельность человека, сейсморазведка оказывает определенное воздействие на природную среду Земли , и как представители углеводородной промышленности, так и экологические организации принимают участие в исследованиях по изучению этого воздействия.
На суше проведение сейсмической разведки может потребовать строительства дорог для транспортировки оборудования и персонала, а также может потребоваться расчистка растительности для размещения оборудования. Если разведка проводится в относительно неразвитой местности, может произойти значительное нарушение среды обитания , и многие правительства требуют от сейсмических компаний соблюдения строгих правил относительно разрушения окружающей среды; например, использование динамита в качестве сейсмического источника может быть запрещено. Методы обработки сейсмических данных позволяют сейсмическим линиям отклоняться вокруг естественных препятствий или использовать уже существующие непрямые пути и тропы. При тщательном планировании это может значительно снизить воздействие на окружающую среду наземной сейсмической разведки. Более позднее использование инерциальных навигационных приборов для наземной разведки вместо теодолитов уменьшило воздействие сейсмики, позволив изгибать исследовательские линии между деревьями.
Потенциальное воздействие любой сейсмической разведки на землю необходимо оценивать на этапе планирования и эффективно управлять. Хорошо регулируемые среды обычно требуют отчетов по оценке воздействия на окружающую среду и общество (ESIA) или оценке воздействия на окружающую среду (EIA) до начала любых работ. Планирование проекта также должно признавать, что после завершения проекта какое воздействие, если таковое имеется, останется позади. Подрядчики и клиенты несут ответственность за управление планом рекультивации в соответствии с контрактом и законами, действующими в месте реализации проекта.
В зависимости от масштаба проекта, наземные сейсмические работы могут иметь значительное локальное воздействие и ощутимый физический след, особенно там, где требуются складские помещения, коммунальные услуги лагеря, объекты по управлению отходами (включая управление черными и серыми водами), общие и сейсмические парковки для транспортных средств, мастерские и объекты технического обслуживания, а также жилые помещения. Контакт с местными жителями может вызвать потенциальные нарушения их обычной жизни, такие как повышенный шум, круглосуточная работа и увеличение трафика, и эти факторы необходимо оценить и смягчить.
Археологические соображения также важны, и планирование проекта должно учитывать правовые, культурные и социальные требования, которые необходимо учитывать. Специальные методы могут использоваться для оценки безопасных рабочих расстояний от зданий и археологических сооружений, чтобы минимизировать их воздействие и предотвратить ущерб.
Главной экологической проблемой для морских сейсмических исследований является потенциальная возможность того, что шум, связанный с источником высокоэнергетических сейсмических волн, может нарушить 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] Высокий уровень и продолжительный звук может вызвать физические повреждения, такие как потеря слуха, тогда как низкий уровень шума может вызвать временные пороговые сдвиги слуха, заглушая звуки, которые жизненно важны для морской жизни, или поведенческие нарушения. [54]
Исследование показало [55] , что мигрирующие горбатые киты оставляют между собой и работающим сейсмическим судном зазор не менее 3 км, при этом отдыхающие стада горбатых китов с самками демонстрируют повышенную чувствительность и оставляют увеличенный зазор в 7–12 км. Напротив, исследование показало, что самцы горбатых китов были привлечены одной работающей пневматической пушкой, поскольку считалось, что они путали низкочастотный звук с поведением китов, выпрыгивающих из воды . Помимо китов, морские черепахи , рыбы и кальмары демонстрировали тревожное и избегающее поведение в присутствии приближающегося сейсмического источника. Трудно сравнивать отчеты о влиянии шума сейсмической разведки на морскую жизнь, поскольку методы и единицы измерения часто недостаточно документированы.
Серый кит будет избегать своих обычных миграционных и кормовых территорий на расстоянии >30 км в районах сейсмического тестирования. [ требуется ссылка ] Аналогично, было показано, что дыхание серых китов становится более быстрым, что указывает на дискомфорт и панику у кита. Именно косвенные доказательства, такие как это, заставили исследователей полагать, что избегание и паника могут быть причиной учащения случаев выброса китов на берег, хотя исследования по этим вопросам продолжаются.
Тем не менее, пневматические пушки отключаются только тогда, когда китообразные появляются 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 морской сейсмической разведкой, сопоставим с естественными источниками сейсмического шума, и утверждает: [57]
Правительственная организация Великобритании, Объединенный комитет по охране природы (более известный как JNCC), является «...государственным органом, который консультирует правительство Великобритании и автономные администрации по вопросам охраны природы в масштабах Великобритании и за рубежом». [58] на протяжении многих лет проявляет долгосрочный интерес к влиянию геофизических или сейсмических исследований на морскую среду. Еще в 1990-х годах на правительственном уровне понимали, что воздействие звуковой энергии, производимой сейсмическими исследованиями, необходимо исследовать и контролировать. [59] Руководящие принципы JNCC были и продолжают оставаться одним из источников, используемых на международном уровне в качестве возможного базового стандарта для исследований в сейсмических контрактах по всему миру, например, «Руководящие принципы JNCC по минимизации риска травмирования морских млекопитающих в результате геофизических исследований (руководящие принципы сейсмической разведки)», 2017 г. [60]
Фактором, усложняющим обсуждение сейсмической звуковой энергии как разрушительного фактора для морских млекопитающих, является размер и масштаб сейсмических исследований, проводимых в 21 веке. Исторически сейсмические исследования, как правило, длились недели или месяцы и были локализованы, но с технологией OBN исследования могут охватывать тысячи квадратных километров океана и продолжаться годами, все время направляя звуковую энергию в океан 24 часа в сутки из нескольких источников энергии. Одним из текущих примеров этого является контракт на мегасейсмическую съемку площадью 85 000 квадратных километров [61], подписанный национальной нефтяной компанией Абу-Даби ADNOC в 2018 году с предполагаемой продолжительностью до 2024 года в различных глубоководных районах, прибрежных зонах, островах и мелководных местах. Может быть очень сложно оценить долгосрочное воздействие этих огромных операций на морскую жизнь.
В 2017 году IOGP рекомендовала [62] , чтобы избежать помех во время съемки:
Вторым фактором является нормативная среда, в которой проводится сейсмическая разведка. В местах с высоким уровнем регулирования, таких как Северное море или Мексиканский залив , правовые требования будут четко изложены на уровне контракта, и как подрядчик, так и клиент будут соблюдать правила, поскольку последствия несоблюдения могут быть серьезными, например, существенные штрафы или отзыв разрешений на разведочные блоки. Однако есть некоторые страны, которые имеют разнообразный и богатый морской биом , но где законы об охране окружающей среды слабы, а регулирующий орган неэффективен или даже отсутствует. Такая ситуация, когда нормативная база не является надежной, может серьезно подорвать любые попытки защитить морскую среду: это часто встречается, когда государственные нефтегазовые компании доминируют в стране, а регулирующий орган также является государственным и управляемым субъектом, и поэтому он не считается по-настоящему независимым.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)Следующие книги охватывают важные темы в области сейсмологии отражений. Большинство из них требуют определенных знаний математики, геологии и/или физики на университетском уровне или выше.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Дальнейшие исследования в области сейсморазведки отражений можно найти, в частности, в книгах и журналах Общества геофизиков-разведчиков , Американского геофизического союза и Европейской ассоциации геологов и инженеров .