CC BY
14ISSN 0136-4545 ^Курнал теоретической и прикладной механики.
№4 (81) / 2022.
УДК 550.34
ёок10.24412/0136-4545-2022-4-86-96 EDN:VBSJCU
©2022. Л.А. Новгородцева, Е.А. Ялпута, О.Л. Шалованов, Д.С. Бородин
ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОПАСНЫХ СКОПЛЕНИЙ МЕТАНА В ПРИРАЗЛОМНЫХ ЗОНАХ
В данной статье изучены различные приемы микросейсмических наблюдений в рамках работ по изучению скоплений углеводородов в приразломных зонах.
Ключевые слова: микросейсмы, углеводороды, волна Рэлея, амплитуда, энергия, метод На-камуры.
Введение. Микросейсмические наблюдения над геологическими объектами, в том числе в зонах геодинамической активности, в России и за рубежом приобретают характер нового и перспективного направления в сейсморазведке.
Особый интерес в рамках проводимых в РАНИМИ научных исследований представляет использование микросейсм методом пассивного низкочастотного сейсмического зондирования для изучения коллекторов углеводородов (УВ), то есть скоплений метана на угольных месторождениях. Следует заметить, что за последние 15-20 лет этот метод получил определенное распространение в нефтегазовой геологии, главным образом в Бразилии и на Ближнем востоке [1]. При этом основная предпосылка успешного применения метода заключается в том, что модификации спектра сейсмического фона в частотном диапазоне 0, 5—20 Гц уверенно отличаются при его взаимодействии с геологическими структурами, содержащими заполненные УВ поры, в сравнении с аналогичными структурами, содержащими только воду. Другими словами, микродрожание углеводоро-досодержащих структур можно зафиксировать на сейсмическом регистраторе как частотно-зависимое «рассеяние» входящих фоновых сейсмических волн. В угольной геологии данный метод пока не нашел применения, но вполне и с успехом может быть использован для выполнения задач, связанных с прогнозом зон опасного скопления метана на шахтных полях.
Важная роль при микросейсмических наблюдениях отводится проблеме выделения эндогенной составляющей из сложного цуга приходящих волн различной частоты f = от 0,01 до 20 Гц. Уровень интенсивности для амплитуд полезного сигнала оценивается в нанометрах, что соответствует уровню шумов, произведенных на поверхности Земли источниками естественной и искусственной природы [2-4.]
К естественным колебаниям с периодом Т до 1-2 сек относятся поверхност-
ные волны Рэлея, Лява, и приходящие отовсюду объемные продольные и поперечные волны, образовавшиеся при разгрузке тектонических напряжений внутри Земли.
К искусственным колебаниям относятся волны на частотах f = от 5 до 10 Гц и периодами T от 0,1 сек и ниже, образуемые работой электрогенераторов, движением транспорта, бурением скважин и т.д.
Исследованиями Горбатикова А.В. [3, 4] и других авторов установлено, что наиболее информативной для решения геологических задач является волна Рэ-лея. В этой статье рассмотрены результаты микросейсмических наблюдений, приемы методики полевых измерений, обработки и интерпретации при использовании поверхностной волны Рэлея.
1. Анализ методических приемов микросейсмических измерений при выявлении сверхслабых сигналов.
При проведении исследований необходимо понимать, что вне зависимости от того, какой конкретно источник микросейсмических колебаний предстоит изучить: образование и расширение зон трещиноватости, технические микроземлетрясения при проведении горных работ, движение флюидов над нефтяными залежами, напряженное состояние горных пород и иные - полезный сигнал находится внутри сложного волнового поля, всегда присутствующего на поверхности. Для того, чтобы выделить параметры отдельного сейсмического события - форму импульса, частоту колебаний, выделяющуюся сейсмическую энергию, сейсмический момент и координаты очага, необходимо использовать множество предварительных процедур, начиная от методики измерений и заканчивая обработкой и интерпретацией сейсмической информации.
Основными приемами измерений, используемыми в настоящее время для улучшения отношений сигнал/шум, являются [3-9]:
- для определения степени доминирования волн Рэлея в общей интерференционной картине проводится поляризационный анализ движения частиц, заключающийся в расчете отношений горизонтальной и вертикальной составляющей сигнала;
- проведение прямой оценки кажущихся скоростей Vp, Vs и фундаментальной моды Рэлея Vr (так как Vr зависит от частоты f, на которой она измеряется) для дальнейшего использования доказанного соотношения H = 0.5VR(f )/f, где H - выделяемая глубина залегания границы неоднородности;
- создание опорной станции с изучением нормального фона микросейсмических измерений и использование этих измерений для внесения корректирующих поправок на полевые наблюдения;
- проведение измерений в интервалах времени не менее 1500 сек для получения стабильных спектров микросейсм;
- использование трехкомпонентных датчиков с измерением 2-х горизонтальных и одной вертикальной составляющей волнового поля;
- создание каталога волновых форм для отбраковки записей, связанных со случайными событиями;
- использование малоапертурных групп сеисмоприемников, расположенных на специально рассчитанной схеме с целью подавления различных помех.
Кроме того, как и при работе с другими геофизическими методами, точность исследований напрямую зависит от полноты геологической информации по участку измерений. Такие сопутствующие данные, как изученные коллектор-ские свойства горных пород по вертикальному разрезу участка из нескольких опорных скважин на участке работ или определение изменений по картам геофизических наблюдений с поверхности в электрических, гравитационных, магнитных и газовых параметров, значительно способствуют нахождению ключевых аномалий для решения конкретных геологических задач.
Выбор измерительных приборов обусловлен амплитудно-частотными характеристиками изучаемого сигнала, поэтому большинство исследователей арендуют или разрабатывают системы, позволяющие регистрировать с высокой детальностью частоты сигналов не превышающие 10-20 Гц. Примеры типичных спектров, ожидаемых при полевых экспериментах приведены на рисунке 1.
100 нм/с
10
0.1
0.01
Д —Т- —N5 ЕШ
" ч ЧАл Л!
0.1
1.0
10 Гц
Рис. 1. Типичные амплитудно-частотные спектры микросейсмического шума,
по данным [1, 6].
Установлено, что:
- возникающие в диапазоне частот f = 0, 01-0,1 Гц колебания земной поверхности происходят от подземных толчков, возникающих на расстоянии более 1000 км от места измерения;
- характерный пик амплитуд A > 5 мкм, измеренный на частотах f = 0.1-0.3 Гц (периоды 1-3 сек), связан с частичным преобразованием суммарной энергии штормов в океанах вначале в колебания морских волн, а затем в вибрационную энергию поверхности Земли;
- область спектра на частотах f = 0.7-1.4 Гц является переходной от низкочастотных к высокочастотным колебаниям и является очень удобной для вычисления отношений горизонтальной и вертикальной составляющих по методу Накамуры [10];
- в области высокочастотного спектра f от 1.5 Гц и выше (период от 0,6 сек и ниже) значительный вклад в состав колебаний вносят техногенные помехи.
После выбора диапазона частот и получения трасс сигналов на сейсмопри-емниках, переходят к специальной обработке, приемы которой разнообразны и зависят как от количества использованных датчиков, так и от расположения на профиле наблюдений. Рассмотрим основные из этих приемов.
2. Способы выделения полезного сигнала при микросейсмических наблюдениях.
Аникеевым Д.В. [11] предложен способ выпрямления амплитуд сейсмических сигналов, заключающийся в обращении отрицательных значений в положительные и последующим суммировании этих амплитуд.
При одномоментном измерении на 911 датчиках и использовании 6-ти компонентного сигнала вычисляется тензор сейсмического момента М0 для каждого датчика, и впоследствии составляется матрица из 911 уравнений для вычисления виртуального дифракционного значения амплитуды заданных 911 точек полупространства. Его метод показал хороший результат при изучении образования зон трещиноватости в момент гидроразрыва пласта.
Большинство исследователей применяют стандартные процедуры, состоящие из предварительного расчета ожидаемого частотно-амплитудного спектра и дальнейшем сравнении рассчитанного и фактически наблюденного спектров. При этом применяют следующие пакеты программ:
- Petrel, Geo Frame, ISIS [12];
- DAK (Data Analysis Kit) [5];
- NERA [14];
- Технология АНЧАР [16] и др.
На рисунке 2 показан типичный микросейсмический сигнал в выбранных интервалах времени и примеры его обработки с расчетом распределения энергии по кадрам длительностью 5,12 сек [9].
По мнению Бережного Д.В. понятия мощности и энергии в теории сигналов не относятся к характеристикам каких-либо физических величин сигналов, а являются их количественными характеристиками, отражающими определенные
б)
Л , Гц
<1-3<£<(14 7 IX). V
- —-
_ _; - — —
—
Г, у. е.
в)
Рис. 2. Пример обработки микросейсмических записей. а - типичный микросейсмический сигнал во временной области; б - расчет энергии с помощью преобразования Фурье на одном из кадров; в - типичная зависимость усредненных спектров микросейсм от энергии.
свойства сигналов и динамику изменения их значений во времени, в пространстве или по любым другим аргументам.
Согласно известным работам исследователей всегда важно рассматривать следующие характеристики:
- средние амплитуды;
- максимумы спектров;
- ширину спектров;
- верхняя и нижняя границы частот;
- изменение скорости и понижение частоты на разных крыльях тектонического нарушения;
- отношение горизонтальной и вертикальной составляющей сигнала [10];
- скорости продольных и поперечных волн.
После выбора наиболее устойчивых параметров наблюдаемых сигналов приступают к интерпретации, которая заключается в геологическом, сейсмологическом и техническом истолковании полученных данных.
3. Интерпретация результатов микросейсмических наблюдений.
Вообще говоря, применение пассивной сейсморазведки развивается, в основном, в трех направлениях:
- в геологическом - картирование и определение глубины залегания активных разломов, обнаружение грязевых вулканов, залежей нефти, зон трещино-ватости в массиве горных пород при гидроразрыве пласта и др;
- в сейсмологическом - локация очагов землетрясений и установление природы макросейсмических событий;
- в техническом - исследование характеристик грунтов при строительстве крупных объектов (АЭС, ГЭС, ТЭС и т.д.).
Однако, с точки зрения проводимых исследований, интерес представляют первые два из указанных направлений, которые рассмотрим более подробно.
Геологические исследования. Экспериментально установлено и подтверждено численным и физическим моделированием, что геологические объекты со сравнительно высокими сейсмическими скоростями проявляются в микросейсмическом поле как зоны с пониженными амплитудами, в то время как структуры с более низкими скоростями - области с повышенными амплитудами [3, 4].
На рисунке 3 приведены результаты микросейсмического зондирования района с глубокозалегающей вулканической интрузией. На горизонтальных срезах четырех разных глубин, соответствующих частотам / = 0.7, 0.8,1.0 и 1.12, обнаружена устойчивая аномалия пониженных значений параметра ^А (рис. 3а). Местоположение этой аномалии совпадает с зоной повышенных значений гравитационного поля (рис. 3б), что интерпретируется как наличие высокоскоростного тела значительной плотности, залегающего под толщей наносов.
Интересными и результативными с точки зрения выявления коллекторов УВ в приразломных зонах в регионах с низкой природной сейсмической активностью являются микросейсмические исследования Геофизичиской службы РАН в пределах неотектонических зон Воронежского кристаллического массива [6]. Авторами было установлено, что:
- фоновыми значениями микросейсмического шума в относительных к нормирующему показателю единицах отмечаются штамповые структуры;
- линейные прогибы характеризуются повышением горизонтальной и вертикальной составляющих в 1.5-2 раза относительно нормального фона;
- по характеру спектра микросейсмических колебаний в диапазоне частот / = 0.15-6 Гц наиболее отчетливо различаются два геоблока - КМА и Хоперский;
- как правило, высокие значения нормированных амплитуд коррелируются с низкими значениями плотности по гравиметрическим данным.
Рис. 3. Сопоставление аномалий микросейсмического и гравитационного поля при измерениях на острове Лансароте Канарского архипелага; а - микросейсмические измерения (^А); б - гравитационное поле (mGal) [4].
На рисунке 4 приведены результаты микросейсмического зондирования при исследованиях Курского метеоритного кратера, образованного в результате падения небесного тела диаметром в несколько сотен метров. Зоны разуплотненных и дислоцированных пород архейского фундамента картируются повышенными значениями приведенных амплитуд и совпадают данными бурения и низкими значениями производной силы тяжести.
Скв.2809 Скв.7980 Ска.3800 Скв 2812 Скв.2979
сз д_й_¿ А_д_А_А_д_А_д_А_
Т-11 Т-10 Т-9 Т-а Т-7 Т-б Т-5 Т-4 Т-3 Т-2 Т-1
Рис. 4. Результаты геолого-геофизических работ по профилю I—I: а - графики d2g/dz2 вдоль профиля и интенсивности микросейсмического шума
на частоте 0.7-1.0 Гц; б - геологический разрез по данным глубинного бурения (Кучеренко В.И., 2009); в - результаты микросейсмического зондирования в диапазоне частот 8-0.2 Гц [6].
Следует отметить, что положительные результаты исследований методом микросейсмического зондирования по этому объекту также подчёркивают теоретическую оправданность применения метода для изучения зон тектонических
разломов.
Сейсмологические микросейсмические исследования. Научное направление обнаружения сверхслабых сигналов при мониторинговых наблюдениях в значительной мере развивается благодаря работам Института динамики геосфер РАН и Югорскому научно-исследовательскому институту информационных технологий [7, 8, 13].
Специальная методика расположения сейсмоприемников (малоапертурная сейсмическая антенна «Михнево») и применяемый комплекс обработки с помощью кросс-корреляции волновых форм позволили повысить отношение сигнал/шум в 3,5 раза и фиксировать далекие микроземлетрясения и взрывы. В ИДГ РАН создается также каталог волновых форм, помогающий исключить случайные технические помехи.
Шмаковым Ф.Д. [13] предложен комплекс программ, базирующийся на решении обратной кинематической задачи сейсморазведки для локации источников сейсмического излучения. Эти научные достижения могут быть использованы при микросейсмическом мониторинге углеводородов и позволяют исследовать следующие геологические задачи:
- выявлять зоны трещиноватости и области активных разломов;
- выделять пространственные зоны микросейсмической активности;
- анализировать изменение интенсивности излучения энергии в процессе разработки месторождений углеводородов.
Заключение. В результате анализа литературных источников было установлено, что микросейсмы содержат обширную информацию о структурно-геологических неоднородностях и напряженном состоянии горного массива. Также подтверждается тот факт, что их можно рассматривать как постоянно действующий информационный элемент сейсмического поля, позволяющий изучать геодинамическое состояние геологической среды.
Было проанализировано успешное применение результатов микросейсмических измерений в разных отраслях науки и производства, что позволяет надеяться на новый этап развития метода, содержанием которого будет более глубокое проникновение в физику взаимодействия волны Рэлея с такими геологическими объектами, как зоны скоплений метана на шахтных полях угольных месторождений.
1. Graf R. Passive low frequency spectral analysis: Exploring a new field in geophysics / R. Graf, S.M. Schmalholz, Y. Podladchikov, E.H. Saenger // World Oil. - 2007. - P. 47-52.
2. Кузнецов И.А. Сейсмоакустика пористых и трещиноватых геологических сред. Экспериментальные исследования / И.А. Кузнецов [и др.]. - М., 2004. - Т. 2. - 320 с.
3. Горбатиков А.В. Технология глубинного зондирования земной коры с использованием естественного низкочастотного микросейсмического поля / А.В. Горбатиков [и др.] // Изменение окружающей среды и климата: монография. - М.: ИФЗ РАН, 2008. - Т. 1, ч. 2.
- С. 223-236.
4. Горбатиков А.В. Возможность оценки параметров геологических объектов на основе использования фонового микросейсмического поля. Результаты экспериментальных исследований и моделирования / А.В. Горбатиков // Современные методы обработки и интер-
претации сейсмологических данных: матер. междунар. сейсмологической школы. - 2006. - С. 66-71.
Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=23287245&ysclid= l985lhhhiv944835622
5. Данилов К.Б. Выявление геологических неоднородностей в верхней части земной коры на основе анализа низкочастотных микросейсм (на примере Архангельской области): дис. канд. физ.-мат. наук: 25.00.10 / Данилов Константин Борисович. - Архангельск, 2017. -181 с.
6. Орлов Р.А. Опыт использования микросейсмического шума для решения геологических задач в условиях платформы (на примере воронежского кристаллического массива / Р.А. Орлов. // Вестник ВГУ, Серия: Геология - 2011. - № 1. - С. 184-192.
7. Адушкин В.В. Обнаружение сверхслабых сигналов на малоапертурной сейсмической антенне «Михнево» с помощью кросскорреляции волновых форм / В.В. Адушкин [и др.] // Геофизика: журн. / ДАН. - 2015. - Т. 460, № 6. - С. 707-709.
8. Сергеев С.И. Развитие малоапертурной сейсмической антенны «Михнево» для решения новых сейсмологических задач / С.И. Сергеев, С.А. Королев, С.Г. Волосов, О.П. Кузнецов// Научное приобретение: работы с конференции. - 2017. - Т. 27, № 1 - С. 35-39.
9. Бережной Д.В. Анализ спектральных характеристик микросейсм как метод изучения структуры геологической среды [Электронный ресурс] / Д. В. Бережной [и др.]. - Режим доступа: https://modernseismic.com/images/Analiz_spektralnyh_harakteristik_mikrosei-sm_ kak_metod_izucheniya_struktury_geologicheskoi-_sredy.pdf
10. Nakamura Y. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface / Y. Nakamura // Quarterly Report of Railway Technical Research Institute. - 1989. - Vol. 30, № 1. - P. 25-33. - Режим доступа: www.sdr.co.jp
11. Anikiev D.V. Joint Detection, Location and Source Mechanism Determination of Microseismic Events / D.V. Anikiev // Saint Petersburg state university studies in physics. - Saint Petersburg, 2015. - Vol. 4. - 85 p.
12. Блехман В. Методика моделирования терщиноватых терригенных коллекторов в Западной Сибири / В. Блехман [и др] // Технология ТЭК. - 2007. - № 6. - С. 7-11. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=9908095&ysclid=l9gpqp6fts161744708
13. Шмаков Ф.Д. Программный комплекс решения обратных кинематических задач микросейсмического мониторинга / Ф.Д. Шмаков // Югорский НИИ ИТ. - 2010. - 9 с. - Режим доступа: https://lib.nsu.ru/xmlui/bitstream/handle/nsu/288/05.pdf ?sequence=1&isAllowed= y - Загл. с экрана.
14. Рогачев М. Статья-ответ доктору А.С. Алешину. Еще раз о сейсмическом микрорайонировании. Часть 2 / М. Рогачев // ГеоИнфо. - 2016. Режим доступа: https://asp-g.ru/wp-content/uploads/2016/06/Еще-раз-о-сейсмическом-микрорайонировании.Часть-2.pdf.
15. Аносов Г.И. Метод Накамуры: современные технологии сейсмического микрорайонирования стройплощадок на урбанизированных территориях / Г.И. Аносов. - ООО ЦИ-ИЗ ИМПУЛЬС-М. - Калининград. Режим доступа https://www.geoygservis.ru/publishing/ metod-nakamury-sovremennye-tekhnologii-seysmicheskogo-mikrorayonirovaniya.
16. Кузнецов О.Л. Сейсмические исследования неравномерности открытой трещиноватости и неоднородности флюидонасыщения геологической среды для оптимального освоения месторождений нефти и газа / О.Л. Кузнецов, И.А. Чиркин, С.И. Арутюнов, Е.Г. Ризанов и др.// Георесурсы. - 2018. - № 20(3), Ч.2. - C. 206-216. DOI: https://doi.org/10.18599/ grs.2018.3.206-215.
L.A. Novgorotseva, E.A. Yalputa, O.L. Shalovanov, D.S. Borodin
Prerequisites for the application of microseismic observations for the exploration of dangerous methane concentrations in fault zones.
In this article, various techniques of microseismic observations had studied in the framework of
studies of hydrocarbon accumulations in fault zones.
Keywords: microseisms, hydrocarbons, Rayleigh wave, amplitude, energy, Nakamura method.
Республиканский академический научно-исследовательский Получено 02.12.2022
и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), г. Донецк
Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying (RANIMI), Donetsk
