4.6.1. Сейсморазведка при поисках углеводородов
4.6.2. Малоглубинная (инженерная) сейсморазведка
* * *
Сейсмические методы разведки используются в основном при решении различных задач структурной геологии. В основном сейсморазведка применяется при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, тесно связанных с определенными структурными формами вмещающих пород. К таким полезным ископаемым в первую очередь относятся нефть и природный газ, поэтому сейсморазведка наиболее актуальна в решении задач нефтяной и газовой геологии. Эти методы применяют также при изучении региональных особенностей строения земной коры, для решения инженерно-геологических и рудных задач.
Большое значение имеет рациональное сочетание различных методов изучения геологического строения земной коры, в частности, различных геофизических методов. Ввиду высокой стоимости сейсморазведки ее следует применять для решения только таких задач, которые не могут быть решены другими методами с необходимой точностью. Во многих случаях данные сейсморазведки могут быть использованы в качестве опорных для истолкования результатов других геофизических методов.
4.6.1. Сейсморазведка при поисках углеводородов
Углеводороды, как правило, встречаются в мощных осадочных толщах, присутствующих в обширных осадочных бассейнах. Существует несколько необходимых условий для накопления нефти и газа в промышленном количестве: подходящая материнская порода; порода-коллектор и непроницаемая покрышка; история захоронения осадков, приводящая к преобразованию исходного органического вещества, содержащегося в осадочном материале, в углеводороды; подходящая ловушка, способствующая накоплению нефти и газа и препятствующая их продвижению в направлении земной поверхности. Известно множество типов ловушек, включая тектонические структуры и стратиграфические ловушки типа локальных песчаных линз, окруженных глинистыми оболочками, или локальных рифовых построек в толщах известняка (рис. 4.28).
Рис. 4.28. Временной сейсмический (а) и геологический (б) разрез по профилю глубоких скважин
Пихтовского месторождения (Предуральский краевой прогиб) (по материалам ЦГЭ):
I, II, IIA, IIБ, III — отражающие горизонты; 1 — песчаники, алевролиты; 2 — аргиллиты;
3 — известняки мелководные; 4 — карбонатные рифогенные породы; 5 — нефтенасыщенные пласты
Вода, нефть и газ могут накапливаться в поровом пространстве пород-коллекторов в таких ловушках, располагаясь в соответствии со своей удельной массой: газ в верхней части, нефть в середине и вода внизу. Хотя сейсмические исследования методом отраженных волн позволяют иногда непосредственно определять изменения акустической жесткости между различными слоями флюидов в пластах-коллекторах, при поисках углеводородов геофизическими методами, как правило, используют косвенный подход, выявляя ловушки (например, антиклинальные перегибы), в пределах которых могут содержаться нефть и газ.
Начальный этап сейсмических исследований при поисках месторождений углеводородов обычно состоит из предварительных наблюдений вдоль широко разнесенных профилей, покрывающих обширные площади. При изучении глубокозалегающих структурных объектов, характерных для месторождений нефти и газа, основное значение имеет метод отраженных волн. Высокая разрешающая способность, обеспечивающая раздельное изучение разреза по большому числу отражающих горизонтов, делает метод отраженных волн незаменимым при поисках небольших по размеру структурных объектов, залегающих на большой глубине. При наблюдениях по сравнительно редкой сети профилей при помощи МОВ удается во многих районах выявить отдельные структурные элементы по различным стратиграфическим горизонтам, часто залегающим несогласно между собой (см. рис. 4.28).
Таким путем выявляют основные структурные или стратиграфические элементы регионального геологического строения, после чего, получив возможность детального планирования, продолжают наблюдения МОВ на более ограниченных площадях, содержащих главные перспективные объекты. Там, где имеются хорошие геологические карты известных осадочных комплексов, необходимость в проведении рекогносцировочных сейсмических наблюдений значительно снижается, и основные усилия могут быть перенесены с начального этапа на сейсмические исследования отдельных площадей, представляющих особый интерес.
Детальные наблюдения МОВ-ОГТ проводят по линиям близко расположенных профилей при высокой плотности точек пересечения профилей для того, чтобы можно было надежно прослеживать отражения от профиля к профилю и использовать их для построения основных структур. В ряде случаев для построения объемной геологической модели нефтегазового месторождения использут трехмерную сейсморазведку. Первоначальная интерпретация сейсмических данных, как правило, включает структурное картирование, которое выполняют, используя карты изохрон (карты равных времен пробега отраженных волн) для выявления структурных замыканий, способных содержать нефть или газ. Для любой выделенной структуры может оказаться необходимым провести дальнейшее оконтуривание на втором этапе детальных сейсмических исследований. Только после этого в руках геофизика окажется достаточно данных для уверенного выбора местоположения разведочной скважины.
Разведочные скважины обычно располагают на линиях сейсмических профилей, с тем чтобы данные каротажа скважин можно было непосредственно связать с соответствующим сейсмическим разрезом. Это облегчает точную геологическую привязку конкретных отражающих границ. На акваториях, где бурение скважин обходится очень дорого (обычно стоимость его в 10–20 раз превышает бурение на суше) и где, как правило, получают сейсмические данные МОВ прекрасного качества (рис. 4.29), для более тонкого изучения литологии осадочных пород и палеогеологических обстановок осадконакопления часто пользуются приемами сейсмической стратиграфии. Сейсмостратиграфия дает дополнительные критерии для выбора площадей, требующих детального изучения, например, позволяет распознать развитие локальных дельтовых или рифогенных фаций (с соответствующим высоким потенциалом коллекторов) в более обширном осадочном комплексе.
Рис. 4.29. Временной разрез, полученный в результате обработки
морских сейсмических материалов МОВ-ОГТ
Вклад сейсморазведки в исследование углеводородных запасов не заканчивается открытием месторождения нефти или газа. Уточненная интерпретация сейсмических данных, возможно с использованием дополнительных сейсмических профилей, позволяет оптимизировать выбор мест для бурения эксплуатационных скважин. Кроме того, сейсмическое моделирование изменений амплитуд и др. характеристик записи отраженных волн, которые можно измерить на сейсмических разрезах, проходящих через продуктивную структуру, можно использовать для получения детальной информации о геометрии коллектора и литологических изменениях внутри него, способных оказать влияние на запасы углеводородов.
4.6.2. Малоглубинная (инженерная) сейсморазведка
Под инженерной сейсморазведкой понимают совокупность методических и технических приемов проведения сейсмических работ, связанных с решением задач инженерной геологии и гидрогеологии. К числу таких задач в первую очередь относятся изучение положения и формы коренных пород, определение уровня грунтовых вод, изучение трещиноватости горных пород и выявление ослабленных зон, определение упругих и некоторых других механических свойств пород в естественном залегании. Необходимость решения такого рода задач связывается обычно со строительством крупных сооружений (плотины, мосты, здания), выбором трасс для строительства дорог, трубопроводов, тоннелей, с изучением проблем водоснабжения. При решении инженерно-геологических задач сейсмические исследования проводят обычно в тесном сочетании с другими геофизическими методами, в особенности с электроразведкой и приповерхностной георадиолокацией.
В инженерной сейсморазведке изучают особенности строения верхней части разреза, в связи с чем наблюдают преимущественно проходящие и преломленные волны, реже — отраженные. Ввиду малой глубины исследований (обычно до 20–30 м, реже до 100 м) для возбуждения колебаний применяют в основном ударные источники, в том числе и горизонтальные удары для возбуждения поперечных волн. Для повышения разрешенности сейсмической записи, что особенно важно при изучении небольших объектов, стремятся повысить частоту регистрируемых колебаний. При наблюдениях в скважинах и горных выработках применяют также ультразвуковую аппаратуру.
Наиболее простой и распространенной задачей при малоглубинных сейсмических исследованиях является определение уровня грунтовых вод с использованием преломленных волн, поскольку увеличение водонасыщенности вызывает значительный скачок скорости сейсмических волн в породах, однородных по литологическому составу. Метод преломленных волн используют также для обнаружения погребенных русел и заполненных обломочными отложениями долин, которые часто представляют собой важные источники подземных вод в районах широкого развития непроницаемых коренных пород.
Благоприятные условия для применения сейсморазведки МПВ встречаются при определении формы поверхности коренных пород под рыхлыми отложениями (рис. 4.30). Сведения о наличии ослабленных зон могут быть получены на основании изучения распределения граничных скоростей при работах методом преломленных волн и динамических особенностей сейсмических записей МОВ.
Рис. 4.30. Результаты сейсморазведочных работ МПВ, проведенных
с целью определения глубины залегания скальных пород
под толщей рыхлых отложений на участке створа Ингурской плотины (по А. И. Савичу):
1 — делювиальные отложения (супесь, суглинки, валуны); 2, 3 — коренные породы
(2 — известняки, 3 — глина с прослоями известняков); 4 — зона выветривания
В последнее время интенсивно развивается направление малоглубинных сейсмических исследований, связанное с оценкой карстово-суффозионной опасности в крупных городах. Типичной геологической ситуацией в этом случае является поиск закарстованных участков и ослабленных зон в кровле карбонатных пород, залегающих на глубине 30–40 м и перекрытых толщей песчано-глинистых отложений. Для решения данной задачи обычно применяется МОВ на поперечных волнах в модификации ОПВ или ОГТ (рис. 4.31).
Рис. 4.31. Временной разрез МОВ на поперечных волнах
(район станции метро «Беговая» г. Москвы)
Совместное наблюдение продольных и поперечных (или обменных) волн позволяет определить модули упругости пород, слагающих изучаемый интервал разреза. Определяемые на основании распространения упругих волн модули упругости называют динамическими в отличие от статистических модулей упругости, определяемых методами механики грунтов при изучении действия постоянных нагрузок. В настоящее время установлена связь между динамическими и статическими модулями упругости, что значительно облегчает практическое использование сейсмических данных.
Сейсморазведка находит весьма широкое применение и при инженерно-геологических исследованиях, связанных со строением дна водоемов, как в прибрежной зоне, так и в условиях глубокой воды. Инженерная деятельность включает строительство гаваней, приливных заграждений и морских платформ, прокладывание подводных трубопроводов и драгирование. Во всех работах такого рода использование сейсмических методов для изучения условий на участке работ играет значительную роль. Строительство в прибрежной зоне обычно нуждается в детальной информации о характере морского дна и мощности всех неконсолидированных осадочных слоев. Драгирование, которое может проводиться с целью углубления навигационных путей для подхода к гавани, также требует знания мощности и распределения слоев осадков.
Применяемая в морских инженерно-сейсмических исследованиях методика одноканального непрерывного сейсмического профилирования (метод НСП) имеет сходство с эхолотированием — определением глубины моря при помощи эхолота. Наблюдаются волны, отраженные как от дна водоема, так и от границ в нижележащей осадочной толщи (рис. 4.32). Регистрация ведется в диапазоне частот до 10–50 кГц. Применение столь высоких частот возможно благодаря очень слабому поглощению упругих волн в водной среде. Используют специальную одноканальную аппаратуру. Она состоит из излучателя и приемника, соединенного с сейсмостанцией. Аппаратура устанавливается на судне, регистрация ведется непрерывно при его движении. Глубина исследований может достигать 200 м, в зависимости от состава придонных отложений и степени их дифференцированности. Мобильность и высокая разрешающая способность метода НСП делают его идеальным средством малоглубинных сейсмических исследований на акваториях.
Рис. 4.32. Участок временнОго сейсмического разреза НСП,
полученного в шельфовой зоне Баренцева моря (материалы С. М. Клещина)
4.6.3. Сейсморазведка при решении рудных задач
В рудных районах сейсморазведка решает следующие задачи: а) региональное исследование рудных провинций и районов; б) выявление и изучение отдельных рудоконтролирующих структур; в) изучение структуры рудных полей и выявление площадей, перспективных в отношении содержания рудных тел.
При региональных исследованиях рудных провинций работают в основном методом преломленных волн. Изучению подвергаются территории площадью в несколько сотен квадратных километров. Изучаются рельеф коренных пород под наносами, границы в метаморфических толщах, проводится картирование литологических комплексов под покрывающими отложениями. При изучении рудных районов применение МПВ позволяет производить картирование по признаку величины граничной скорости. Во многих случаях это позволяет локализовать зоны, интересные с точки зрения проведения последующих детальных исследований (рис. 4.33).
Рис. 4.33. Карта граничных скоростей (vг) пород докембрия КМА
(по С. М. Таруц, И. И. Гурвичу):
1 — сейсмические профили МПВ; 2 — область vг < 5,7 км/с;
3 — область 5,7 км/с < vг < 6,0 км/с; 4 — область vг > 6,0 км/с
При изучении и прослеживании рудоконтролирующих структур находят применение как МПВ, так и МОВ. С помощью этих методов удается регистрировать волны, возникающие в ослабленных зонах, связанных с тектоническими нарушениями, к которым приурочены рудные поля. Применение МОВ позволяет также изучать тектонику до глубин 1–2 км, что имеет важное значение для объяснения процессов рудообразования и направления поисковых работ.
При детальных исследованиях, направленных на изучение структуры рудных полей в изверженных и метаморфических отложениях, сейсморазведка встречается со значительными трудностями, вызванными сложностью их строения, малой скоростной дифференциацией пород, неустойчивостью их скоростных характеристик, а также сравнительно небольшими размерами искомых объектов. Для преодоления этих трудностей целесообразно комплексирование сейсморазведки с другими геофизическими методами (в первую очередь с электро- и магниторазведкой) и бурением. При исследовании россыпных месторождений сейсморазведка успешно применяется как для расчленения разреза, так и для поиска перспективных структурных объектов.
4.6.4. Глубинные сейсмические исследования
Геофизические исследования — основной источник информации о внутреннем строении земной коры. Они позволяют также познать процессы тектоники плит, вызывающие образование и разрушение литосферы. Не последнее место в изучении глубинных горизонтов земной коры и верхней мантии принадлежит сейсмическим методам.
Глубинные сейсмические исследования для решения задач региональной геологии проводят вдоль отдельных разведочных линий (региональных профилей, геотраверсов) непрерывно либо через определенные интервалы (сейсмозондирования). Такая методика исследований позволяет изучать характер залегания сейсмических горизонтов на ряде участков, расположенных вдоль разведочных линий. Возможно применение сочетаний отдельных профилей с сейсмозондированиями, которые располагают вдоль разведочных линий (рис. 4.34). Как правило, глубинные сейсмические исследования по региональным профилям производят в комплексе с другими геофизическими методами — гравиразведкой, глубинной электроразведкой (МТЗ, ЧЗ) и т. п.
Рис. 4.34. Участок сейсмического разреза земной коры и данные
гравиметрии вдоль профиля глубинного сейсмического зондирования в районе
северо-западного продолжения Большого Каратау (по Т. И. Облогиной):
1 — изолинии скорости продольных волн; 2 — отражающие площадки;
3 — зоны тектонических нарушений, выделенные по точкам дифракции;
4 — граница Мохо; 5 — нижние и верхние ограничения гравитирующих тел;
6 — разломы, выделяемые по полосам повышенных градиентов силы тяжести
(стрелки указывают направление разуплотнения);
7 — количественные характеристики разломов: перед дробью —
горизонтальный скачок плотности (г/см3), над и под чертой —
глубины верхнего и нижнего ограничений гравитирующих тел
При глубинных региональных исследованиях может применяться как метод отраженных, так и метод преломленных волн. Выбор того или иного метода зависит от условий, благоприятствующих или препятствующих успешному их использованию в сейсмогеологических условиях данного района.
При решении большинства региональных задач, связанных с изучением кровли кристаллического фундамента, преимущество отдается методу преломленных волн, в особенности если в данном районе не удается, как это часто бывает, выделить отражения от кровли фундамента. Мелкомасштабные сейсмические исследования по методу преломленных волн с использованием взрывов в качестве источников колебаний с целью изучения строения коры проводились во многих областях земного шара. Метод преломленных волн, позволяя судить о величине граничных скоростей, дает возможность более уверенно отождествлять сейсмические и геологические границы по сравнению с методом отраженных волн. Это особенно важно в связи с тем, что региональные сейсмические исследования проводят, как правило, в малоизученных районах. Кроме того, метод преломленных волн при региональных исследованиях позволяет расчленять осадочную толщу и одновременно изучать геометрию нескольких сейсмических горизонтов.
Следует, однако, иметь в виду, что достаточно точная интерпретация данных метода преломленных волн возможна только при наличии сведений о величине средней скорости для каждого из изучаемых горизонтов. Главным же источником сведений о средней скорости является метод отраженных волн. Поэтому одновременно с применением метода преломленных волн в качестве основного метода изучения глубинных горизонтов неизбежны дополнительные работы методом отраженных волн, главная задача которых заключается в определении эффективных скоростей в покрывающей толще и получении детальной картины внутреннего строения земной коры. В связи с этим роль метода отраженных волн в изучении геологического строения коры и верхней мантии непрерывно усиливается. Вслед за широким использованием одноканального и многоканального профилирования МОВ для изучения геологии океанических областей в настоящее время получают сейсмические разрезы через всю толщу земной коры. Эти проекты используют модификации промышленных методов сейсморазведки, которые успешно зарекомендовали себя при поисках углеводородов.