Wprowadzenie

Rozpoznanie budowy geologicznej, jeżeli nie oparte o informacje otrzymane z otworów wiertniczych lub odkrywek mogą być oparte o badania geofizyczne. W takich badaniach wykorzystuje się relacje pomiędzy rozkładem własności fizycznych w ośrodku a rozkładem własności pól geofizycznych.

W szczególności rozkład gęstości może być interpretowany w rezultacie interpretacji wielkości i kształtu anomalii grawimetrycznych rozkład podatności magnetycznej z anomalii magnetycznych a rozkład oporności elektrycznej lub stałej dielektrycznej z pomiarów georadarowych. W badaniach sejsmicznych takimi parametrami są własności mechaniczne gruntu.

Z równań wynikających z równowagi sił wynika, że w ośrodku skalnym rozchodzą się fale sprężyste podłużna i poprzeczna odpowiednio z prędkościami

gdzie  i  są współczynnikami sprężystymi zwanymi stałymi Lamego, ρ jest gęstością. Współczynnik ten można przeliczyć na tak zwane współczynniki sprężyste takie jak moduł Younga i współczynnik Poissona zgodnie ze wzorem

Metoda sejsmiczna oparta jest na badaniu ruchu falowego w ośrodku skalnym. Rejestracje sejsmiczne powinny być wykorzystane do odtwarzania budowy geologicznej w rejonie badań. Taka interpretacja wyników pomiarowych jest utrudniona z wielu powodów. Trzeba uwzględnić fakt, że istnieje szereg fal sejsmicznych, które są wytwarzane w ośrodku skalnym. Najważniejsze z nich fale podłużne są wykorzystywane do lokalizacji granic sejsmicznych w ośrodku geologicznym. Obok fal podłużnych w ośrodku rozchodzą się rozchodzą się fale poprzeczne, fale rozproszone, dyfrakcyjne i i inne. Często rejestrowane sygnały są wynikiem interferencji sejsmicznej.

Jak już stwierdzono do badań sejsmicznych wykorzystuje się przede wszystkim fale podłużne, ze względu na najkrótszy czas, w jakim sygnał sejsmiczny utworzony z tej fali, (a konkretnie momentu pojawienia się tej fali czyli pierwsze wystąpienie sygnału) pojawia się w zapisie. Pierwsze wystąpienia muszą być wyznaczone bardzo dokładnie, jeżeli informacja wyinterpretowana z tych danych ma być wystarczająco dokładna.

Dla drgań harmonicznych opisanych funkcjami trygonometrycznymi można napisać wzór opisujący te drgania funkcją. Drgania sejsmiczne będzie związane z wychyleniem cząstki gruntu z położenia równowagi o wielkości x opisany wzorem:

W tym zapisie wykorzystujemy znany wzór z dziedziny liczb zespolonych:

W rozważaniach fizycznych uwzględnia się część rzeczywistą w tym wzorze. Dla drgań harmonicznych wprowadzono dwa pojęcia, częstości ω, która jest równa
, gdzie T jest okresem drgań, czyli najmniejszym przedział czasu pomiędzy dwoma momentami, w których cząstka ma takie samo wychylenie i taką samą prędkość oraz wektor falowy
wektor jednostkowy skierowany w kierunku rozchodzenia się fal
, λ długość fali a więc najmniejsza odległość pomiędzy dwoma cząstkami, które mają takie samo wychylenie i taką samą prędkość. Taki zapis pozwala na podział w zapisie na dwa istotne elementy, czyli amplitudę A i fazę
która w sejsmice jest wykorzystywana do opisu ruchu fali w przestrzeni.

Dwie fale podłużna i poprzeczna różnią się z jednej strony kierunkiem drgań cząstek jako że kierunek ten dla fali podłużnej jest równoległy do kierunku jej rozchodzenia a dla fali poprzecznej jest prostopadły a z drugiej strony różnią się rodzajem odkształceń, które tworzą ten ruch (fala podłużna jest falą kompresyjną a fala poprzeczna jest związana z odkształceniem ścinającym). Zachowanie fal zależy od własności sprężystych ośrodka. Do rozważań trzeba wprowadzić pojęcie twardości akustycznej ośrodka, która jest iloczynem prędkości i gęstości.

W poniższej tabeli podano parametry, które są charakterystyczne dla takich różnic.

Granica pomiędzy dwoma rodzajami skał	Pierwszy ośrodek		Drugi ośrodek		Stosunek twardości akustycznej
Piaskowce i wapienie	2000	2⋅4	3000	2⋅4	0⋅67
Wapienie piaskowe	3000	2⋅4	2000	2⋅4	1⋅5
Granica warstw przypowierzchniowych	2100	2⋅4	2300	2⋅4	0⋅93
Głębokie granice	4300	2⋅4	4500	2⋅4	0⋅97
Miękkie dno morskie	1500	1⋅0	1500	2⋅0	0⋅50
Twarde dno morskie	1500	1⋅0	3000	2⋅5	0⋅20
Powierzchnia oceanu	1500	1⋅0	360	0⋅0012	3800
Strefa zwietrzała	500	1⋅5	2000	2⋅0	0⋅19

Na granicy pomiędzy dwoma ośrodkami o różnej twardości akustycznej występuje odbicie i załamanie promieni sejsmicznych (rys1).

Rys. 1. Odbicie i załamanie promieni sejsmicznych

Najważniejsze w rozważaniach sejsmicznych są trzy prawa

1. prawo Snelliusa zgodnie z którym kąty padania załamania i odbicia są opisane zależnością:

2. prawo Fressnela, czas przechodzenia fal przez ośrodek skalny jest minimalny

3. Prawo Hughensa, zgodnie z którym każdy punkt w oparciu o te zasady zostały skonstruowane metody pomiarów sejsmicznych takie jak metoda refleksyjna i refrakcyjna.

W oparciu o te zasady zostały skonstruowane metody pomiarów sejsmicznych takie jak metoda refleksyjna i refrakcyjna.

Metoda refleksyjna

Najpopularniejszą metodą sejsmiczną jest metoda refleksyjna.

Rys. 2. Schemat odbicia fal sejsmicznych od granicy geologicznej

Zgodnie ze wzorem Snelliusa i równaniem ruchu cząstek gruntu, które opisane jest wzorem w obszarze pierwszym:

Analogiczne równanie z amplitudami
i
i
i
można zapisać dla ośrodka drugiego.

Energia odbita fali podłużnej w pierwszym przybliżeniu wyrazi się wzorem:

a współczynnik określający wielkość energii przechodzącej wyraża się wzorem:

Fala odbita od płaskiej granicy jeżeli zostanie zarejestrowana w czasie t od momentu kiedy powstał sygnał na powierzchni Ziemi jak to pokazano na rys. 2.

gdzie:

V - prędkość fali n głębokość poziomej warstwy, na której następuje odbicie fali.

Przyrost czasu przyjścia fal odbitych do dwóch geofonów położonych w dwóch punktach x₁ i x₂ może być przybliżone wzorem:

gdzie:

. Ten wzór wskazuje na to, że wzór, który opisuje przyrost czasu przyjścia fali do czujnika od oddalonego od miejsca, do którego przychodzi fala odbita prostopadle od granicy odbijającej (czas przyjścia fali jest wówczas t_o) można przybliżyć wzorem

Najczęściej druga część wyrazu w nawiasie jest zaniedbana.

Jeżeli poziom odbijający jest nachylony pod kątem  to czas przyjścia fali odbitej można przybliżyć wzorem:

Interpretację zapisów refleksyjnych prowadzi się najczęściej wyznaczając w każdym punkcie przekroju sejsmicznego wartość t_o. Aby wyznaczyć te wartości trzeba uwzględnić dwie poprawki. Pierwsza zwana poprawką statyczną uwzględnia zmiany czasu przyjścia fali sejsmicznej do odbioru wywołane warunkami topograficznymi i istnieniem strefy małej prędkości. Pomiar metodą refleksyjna polega na ułożeniu szeregu odbiorników (geofonów) w różnych miejscach na powierzchni Ziemi (często w równych odległościach wzdłuż linii zwanej profilem sejsmicznym) i wzbudzeniu drgań w ściśle wyznaczonym punkcie.

Czas przejścia fali sejsmicznej zależy zarówno od głębokości do granicy odbijającej, ale również od względnych różnic położenia czujników i punktu pomiarowego (różnicy długości promienia sejsmicznego). Poprawki statyczne mają na celu zlikwidowanie tych różnic. Jednocześnie w strefie przypowierzchniowej występuje strefa o małej prędkości sejsmicznej, a zmiana jej miąższości również powoduje zmianę czasu przyjścia sygnałów sejsmicznych do odbiorników. Poprawki statyczne niwelują również ten efekt.

Poprawki dynamiczne są związane z położeniem czujników sejsmicznych w stosunku do miejsca występowania źródeł sejsmicznych. Poprawki powodują skrócenie rzeczywistego czasu do t_o.

Metodyka pomiarów refleksyjnych

Najczęstszym sposobem prowadzenia pomiarów sejsmicznych jest pomiar profilowy
2-D. Przy tym sposobie prowadzenia pomiarów źródła sejsmiczne i czujniki ułożone są na tej samej linii w terenie (źródło na środku rzędu czujników rozłożonych w równych odległościach wzdłuż profilu lub źródło na brzegu tego ciągu). Ustalony schemat pomiarowy jest przesuwany o określony krok pomiarowy. Ten podstawowy schemat może spowodować rejestrację i interpretację tzw. refleksów wielokrotnych. Sygnał sejsmiczny odbity od granicy geologicznej (reflektora) jest powtórnie odbity od granicy na powierzchnią Ziemi.

Rys. 3. Metodyka pokryć wielokrotnych

Powstają tzw. refleksy wielokrotne, które mogą wprowadzić błąd do interpretacji danych sejsmicznych. Dla uniknięcia takich zaburzeń używa się metody pokryć wielokrotnych. W takiej metodzie gromadzi się wyniki rejestracji sejsmicznych powstałych w wyniku odbicia fal sejsmicznych w tym samym punkcie (promienie padające pod różnymi kątami). Po zredukowaniu czasu rejestracji do czasu potrzebnego po pionowego odbicia sygnału od reflektora to otrzymamy sygnały takie same dla prawdziwych refleksów sejsmicznych i różne dla refleksów wielokrotnych. Dodawanie zapisów otrzymanych dla wyników pomiarowych dotyczących tego samego punktu odbijającego powoduje wzmocnienie sygnałów użytecznych i osłabienie impulsów wielokrotnych.

Ostatnio rozwija się rejestracja 3-D. Odbiorniki sejsmiczne są rozmieszczone wzdłuż profili zlokalizowanych jeden obok drugiego. Taka technika pozwala na uzyskanie informacji związanej z trójwymiarowym kształtem struktury geologicznej.

Metoda refrakcyjna

Jeżeli fala sejsmiczna odbija się od granicy pod kątem granicznym, w którym promień sejsmiczny propaguje pod kątem θ, takim, że stosunek prędkości:

to fala sejsmiczna ślizga się po powierzchni reflektora i zgodnie z zasadą Hughensa w każdym punkcie powstaje fala, która transmitowana jest do powierzchni Ziemi pod kątem graniczny. Można wykazać, że nachylenie hodografu (zależności czasu przyjścia fali refrakcyjnej do czujników od odległości pomiędzy źródła fali i położeniem czujników sejsmicznych) zależy od prędkości fali w ośrodku. Jeżeli ośrodek składa się z kilku warstw to hodograf składa się z kilku odcinków, nachylonych pod kątem
gdzie
prędkości w kolejnych warstwach . Czasy pojawienia się fal refrakcyjnych w określonym punkcie profilu może być wykorzystane do oceny głębokości poziomu refrakcyjnego, oraz estymacji prędkości w ośrodku geologicznym.

Oprócz metody refleksyjnej i refrakcyjnej stosuje się również szczególne metody takie jak:

• pomiary sejsmiczne w otworach kontrolnych Czujniki rozmieszczane są wzdłuż otworu sejsmicznego i odbita fala od reflektora jest rejestrowana przez czujniki a czas przyjścia fali zależny od rozkładu prędkości fali sejsmicznej,

• rejestracja fal powierzchniowych. Metoda, w której wykorzystuje się falę Rayleigha dla rozpoznania własności mechanicznych strefy przypowierzchniowej. Badania prowadzi się w warstwie o miąższości 8-20 m,

• prześwietlanie sejsmiczne. Ta metoda polega na pomiarze czasu przejścia energii fali sejsmicznej miedzy dwoma lub wieloma otworami. W jednym z otworów wytwarza się fale sprężyste a w pozostałych prowadzi się rejestrację tych fal. Takie pomiary mogą być wykorzystywane do prześwietlania każdego elementu objętościowego wielokrotnie a przez wykorzystanie programu topograficznego odtwarzanie rozkładu prędkości sejsmicznej pomiędzy otworami.

Aparatura pomiarowa

Pomiary prowadzi się przy pomocy sejsmicznego systemu pomiarowego, którego elementami są czujniki pomiarowe, rejestrator zwany aparaturą sejsmiczną i kable łączące czujniki z rejestratorem.

Czujnikami używanymi w sejsmice są geofony. Są to czujniki, w których prędkość drgania mas sejsmicznych jest zamieniane na drgania napięcia prądu elektrycznego. Czujnik składa się z masy, na który nawinięto cewkę elektryczną umieszczoną w korpusie, w którym umieszczono magnesy.

Drgania korpusu nie przenoszą się na drgania masy i w związku z tym, pole magnetyczne zmienia się w czasie w sposób zależny od częstotliwości sygnału i wytwarza prąd elektryczny w cewce. Taki sygnał elektryczny jest przekazywany przez przewód do rejestratora, gdzie jest zapisywany. Czujnik wraz z przewodem nazywa się kanałem sejsmicznym. Na końcu kanału może się znajdować kilka czujników ułożonych w ten sposób, aby zarejestrować fale użyteczne i eliminować zakłócenia. Od strony fizycznej rejestruje się składową prędkości fal sprężystych kierunku osi czujnika sejsmicznego.

Rejestracja sejsmiczna polega na cyfrowym zapisie sygnałów elektrycznych wytworzonych przez geofony i przesyłanych kanałem sejsmicznym. Sygnał taki podlega próbkowaniu specjalnym przełącznikiem (multiplekserem), a następnie konwersji analogowo-cyfrowej. Sygnał cyfrowy jest zapamiętywany w pamięci cyfrowej aparatury. Istotnym elementem technicznym potrzebnym do realizacji zapisu sejsmicznego jest źródło fali sejsmicznej.

Najczęstszym rodzajem źródła sejsmicznego jest eksplozja materiału wybuchowego w otworze wiertnicznym. Taka eksplozja pozwala na wytworzenie fali sprężystej rozchodzącej się do głębokości kilku kilometrów. Jeżeli pomiary sejsmiczne prowadzone są których rejonach, w których wiercenia sejsmiczne są niemożliwe wykorzystuje się inne sposoby wywoływania fal sprężystych. Mogą one być wywołane np. przez dinosejsy, w których źródłem fal jest eksplozja w specjalnej komorze mieszaniny propanu i tlenu. Komora umieszczona jest pod ciężkim samochodem powodując silne uderzenie w ziemię i w ten sposób jest tworzony sygnał sejsmiczny.

Innym źródłem fali sprężystej jest wibrator. Źródłem fali sejsmicznej jest w nimdrganie stalowej płyty dociśniętej do gruntu perzez 7 sekund lub nawet dłużej.

Otrzymamy ciąg pomiarowy o częstościach od 6 do 50 Hz. W wyniku odbicia fali otrzymamy sumę różnych fal, pozwalających na znacznie głębszą interpretację wyników sejsmicznych.

Szczególnie skomplikowane są pomiary sejsmiczne na morzu. W takiej metodyce pomiarowej aparatura pomiarowa jest umieszczona na statku, na którym działa również dokładny system lokalizacyjny. Trzeba bowiem podkreślić fakt, że lokalizacja profilu jest również ważna jak dokładny pomiar czasu rejestracji sygnału sejsmicznego. Pomiary prowadzi się z użyciem hydrofonów, przyrządów do pomiaru zmian ciśnienia wywołanych falą sejsmiczną. Ciąg czujników sejsmicznych w morzu jest ciągnięta przez okręt na określonej głębokości lub na dnie morskim. Źródłem fali sprężystej są tzw. „działa powietrzne” wytwarzające sygnał sejsmiczny na powierzchni morza.

Przetwarzanie sejsmiczne danych pomiarowych

Przetwarzanie danych sejsmicznych polega na użyciu procedur przeznaczonych do polepszania jakości informacji użytecznej zawartej z sejsmicznych danych pomiarowych. Realizuje się je przy pomocy zespołu procedur realizowanych przy pomocy central sejsmicznych i komputerowych stacji roboczych.

Przetwarzanie można podzielić na kilka etapów. Pierwszym z nich jest przetwarzanie wstępne. Należą do nich takie procedury jak:

• odtwarzanie wzmocnienia. Sygnały przychodzące z dużych głębokości są znacznie słabsze niż sygnały przychodzące od płytkich granic odbijających. Dlatego przez ustalenie wzrostu wzmocnienia w funkcji głębokości można polepszyć jakość danych pomiarowych.

• składanie. Jeżeli pomiary były wykonane metodą wspólnego punktu odbicia we wstępnym przetworzeniu danych pomiarowych sumujemy właściwe trasy

• usnięcie zbyt silnych sygnałów początkowych (muting),

• redagowanie tras polegające na usuwaniu lub poprawianiu tras,

Następnym etapem jest przetwarzanie podstawowe, które składa się z następujących procedur:

• analizy widmowej, dzięki której można wyliczyć widma sygnałów i wydzielać te części widma, które odpowiadają sygnałom i szumom.

• filtracji częstotliwościowej (dolnoprzepustowych, górno-przepustowych, pasmowych, pasmowych, Wienera) stosowanych do eliminowania fal zakłócających,

• filtracji f-k - dwuwymiarowe filtry stwarzają możliwość eliminacji fal charakteryzujących się określoną prędkością, wzdłuż rozstawu lub sekcji. Noszą one nazwę filtrów prędkościowych i pozwalają na eliminacje tych części zapisów, które mają inną prędkość pozorną. Pozwala ona na eliminację zakłóceń koherentnych.

• dekonwolucja, w której sygnały sejsmiczne są zagęszczone na istotnie krótszy przedział czasu dla poprawy rozdzielczości pionowej zapisu sejsmicznego,

• automatyczna analiza prędkości stosowana do identyfikacji rozkładu w ośrodku,

• obliczanie korelacji dla eliminowania identyfikacji refleksów wielokrotnych. Obliczanie korelacji pozwala określić przesuniecie czasowe pomiędzy sygnałami przesuniętymi między sobą.

Końcowy etap przetwarzania obejmuje:

• migrację sejsmiczną, która jest procedurą pozwalającą odtworzyć prawdziwe kształty granicy odbijającej na podstawie rozwiązania równań falowych,

• inwersja sejsmiczna przeznaczona do odtwarzania krzywych pseudoimpedancji akustycznych z rejestracji sejsmicznej,

• analiza amplitudowa - położenie na profilu (AVO). W celu w celu określenia własności petrofizycznych w rejonie odbicia.

Interpretacja geologiczna

Przetwarzanie danych pozwala na tworzenie przekrojów sejsmicznych, w których na jednej osi jest czas a na drugim położenie na profilu, czyli przekrojów czasowych. Żeby można te dane przetworzyć na przekroje geologiczne należy rozpoznać rozkład prędkości przekroju w funkcji głębokości. Rozkład prędkości w otworach wiertniczych można estymować z danych uzyskanych w geofizyce otworowej lub w rezultacie specjalnego profilowania sejsmicznego (geofony umieszczone w otworze sejsmicznym na różnych głębokościach pozwalają na zbudowanie profilu prędkościowego).

Ustalone prędkości rozpoznane dla poszczególnych warstw (prędkości warstwowe) pozwalają wyliczyć wartość średnią, która pozwala zastąpić ośrodek wielowarstwowy ośrodkiem jednorodnym, przy którym czas przebiegu fali jest taki sam jak czas rzeczywisty. Dzięki takiej prędkości istnieje możliwość wyznaczania głębokości do granicy odbicia. W ten sposób przekrój czasowy zostaje zamieniony na przekrój geologiczny.

Trudności we właściwej interpretacji zapisów geologicznych mogą być zmniejszone, jeżeli do interpretacji wykorzystamy wyniki modelowań sejsmicznych, w których prowadzimy obliczenia sejsmogramów syntetycznych i obliczonych odpowiedzi sejsmicznych pochodzących od zadanego przekroju geologicznego. Porównanie wyników modelowych z prawdziwymi danymi pomiarowymi pozwala na identyfikację rzeczywistego przekroju geologicznego wyinterpretowanego z danych pomiarowych.

Również istotnym przedmiotem interpretacji geologicznej jest anomalia w rozkładzie amplitud w funkcji odległości pomiędzy źródłem fali i punktem odbioru. Anomalne rozkłady tych amplitud mogą być uważana za bezpośredni dowód istnienia złóż gazu i ropy.

W przypadku, gdy dwie granice są bardzo blisko siebie to fale odbite od dwóch poziomów dodają się do siebie tworząc tzw. efekt tuningu, który można wydzielić i interpretować.

Rozpoznanie geologiczne oparte o pomiary sejsmiczne powinno być uzupełnione, w miarę możliwości, informacją uzyskaną z pomiarów geofizyki otworowej. W ten sposób można identyfikować własności warstw geologicznej, jej porowatość, przepuszczalność i rodzaj nasycenia węglowodorem.

Systemy sejsmiczne

W przetwarzaniu przemysłowym najczęściej używa się systemy OMEGA i system PROMAX.

W systemie OMEGA przetwarzanie odbywa się w trybie ustalonym, w którym kolejność oraz wartości parametrów poszczególnych procedur zadane są na samym początku cyklu przetwarzania lub w trybie interaktywnym, w którym parametry procedur mogą ulec zmianie w trakcie wykonywania poszczególnych procedur.

W systemie PROMAX sekwencje przetwarzania tworzymy interaktywnie na ekranie monitora każdą procedurę może przenieść z widocznego na ekranie spisu procedur i umieścić w kolejnym wierszu sekwencji przetwarzania.

Natomiast interpretację geologiczną prowadzi się w systemie CHARISMA przystosowanym do grafiki sejsmicznej i pozwalającej na dodanie do danych sejsmicznych informacji geologicznej i wyników pomiarów geofizyki otworowej.

- 11 -

---