Решение задач инверсии сейсмограмм в параметры модели среды тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

НЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛИ НА АУО - ЭФФЕКТЫ.

1.1 Аппроксимационные уравнения коэффициентов отражения для разных типов волн.

1.2 штрофизические характеристики терригенных коллекторов и вмещающих пород их акустические жесткости и ю1ассификавдя коэффициентов отражения. коэффициентов отражения.

2 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИНВЕРСИИ СЕЙСМОГРАММ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ «НАПРАВЛЕННЫХ» МЕТОДОВ МОНТЕ-КАРЛО.

2.1 Направления в развитии решения задач инверсии.

2.2 Алгоритм «имитации кристаллизации».

2.3 Представление годографов волн различных типов в плоскости г-^р.

2.3.1 Трансформация годографов продольных отраженных и преломленных волн при переходе из Т-Х в г-р плоскости.

2.4 Реализация г-р преобразования.

2.5 Оценивание формы сейсмическогосигнала.

2.5.1 Программные реализации оценки сигнала.

2.6 Оценивание параметров поглощения сейсмических волн в геологических средах.

2.7 Схема алгоритма решения задачи инверсии.

3 ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ ИНВЕРСИИ ТА11-Р СЕЙСМОГРАММ.

Объектом исследования является определение параметров геологической среды по сейсмическим данным многоканальных наблюдений продольных отраженных волн, что означает решение обратной задачи для волнового уравнения на основе «направленных методов Мойте Карло».

Внедрение в практику сейсморазведочных работ анализа амплитуды сейсмического сигнала в зависимости от удаления (АУО) явилось новым этапом в развитии задач прогнозирования геологического разреза, выявления коллекторов и оценки их флюидонасыщения.

Развитие работ по созданию АУО - технологий наглядный тому пример. За полтора десятилетия с начала его официального признания этот метод занимает все более прочное место в вопросах прогнозирования и подготовки объектов к разведке, пройдя определенный путь от эйфорийной стадии до практически осознанного использования с пониманием необходимости дальнейшего развития многих вопросов в приложении этого метода к делу разведки и прогнозной оценки, выявляемых объектов. Комплексный подход к постановке работ, обеспечивающих получение необходимой исходной базы данных, обеспечивающих получение кондиционного материала; теоретические работы в создании корректной интерпретационной основы и развитие новых подходов в вопросах обработки ориентированной на решение обратных динамических задач -это методология, которая должна способствовать получению положительного решения в этом вопросе с учетом конкретной сейсмогеологической обстановки. Кроме того, положительное решение во многом зависит от тривиального подхода к вопросам ком-плексирования с другими направлениями и методами, обеспечивающими извлечение информации об изучаемом объекте, которая необходима для корректного решения обратных динамических задач - это и информация о форме сейсмического сигнала, это и его спектрально-энергетических представлениях вплоть до оценок поглощения.

Решение обратной динамической задачи, т.е. применение так называемой процедуры инверсии или обращения данных АУО в параметры модели среды, наилучшим образом удовлетворяющей наблюденному сейсмическому полю посредством многопараметрического перебора, является актуальной задачей.

В отличие от традиционных вариантов решения обратных задач разработанных Лаврентьевым ММ, Алексеевым A.C., Яновской Т.Б. и др. данное направление многопараметрического перебора и многошаговой оптимизации модели требует высокоэффективного аппарата решения прямой задачи, способа сравнения наблюденного и модельного полей и принятия решения.

Современное развитие вычислительной техники послужило базой в развитии данных направлений решения задач инверсии. Основополагающие результаты, связанные с решением задач, соответствующих указанной проблеме были получены в работах Rothman D.H., Clarke J.T., Yagfe А.Е., Levy B.C., Tarantola A., Sen M.K., Stoffa P.L., Ky-рочкин А.Г., Борисенко Ю.Д. и др.

Переход от традиционных монопараметров к комплексным его характеристикам (у, а) и упругим модулям определяет, практически, новый подход к использованию сейсмической базы данных, которая претерпевает качественно новое ее развитие в направлении перехода к векторной сейсморазведке, занимая при этом в деле развития сейсморазведки достаточно обоснованное место.

Выполненные в данной работе исследования особенностей проявления AVO -эффектов с учетом возможного многообразия сейсмогеологических ситуаций исходя из модели среды с учетом ее фильтрационно-емкосгных свойств и характера насыщающего флюида показали насколько это сложная и во многих ситуациях некорректная задача, требующая комплексного подхода к ее решению с созданием новых приемов в этом плане. Поэтому переход к интерпретационной модели AVO - технологии на основе решения задач инверсии является своевременным и обоснованным с учетом оптимизированного подхода к ее решению на основе комплексных параметров и модульных характеристик.

Исследования по указанному кругу вопросов проводятся в ГУЛ ПО «Союзмор-гео» в рамках программ тематических работ Министерства и природных ресурсов и нашли отражение в тематических отчетах госрегистрации, список которых приводится в конце реферата. Целью работы являются: разработка алгоритмов решения задач инверсии многоканальных сейсмограмм отраженных волн на основе «направленных» методов Монте-Карло для определения параметров модели среды. Методика исследований

В настоящей работе, используя традиционные подходы к выводу уравнений коэффициентов отражения Knott (1899), Zoepritz (1919), а также их последующие преобразование Aki и Richards (1988) к матричной форме и линеаризацию Bortfeld (1961), Richards и Frasier (1976) и Richards (1980) рассматриваются точные и аппроксимационные уравнения коэффициентов отражения для различных моделей сред в зависимости от удаления источника возбуждения, на основе чего рассматривается классификация коэффициентов отражения флюидонасыщенных песков с целью прогнозирования геологического разреза и продуктивнонасыщенных объектов.

Решение задач инверсии сейсмограмм для определения параметров модели среды осуществляется на основе «направленных» методов Монте-Карло с привлечением кепстральных преобразований для оценки сейсмического сигнала и характера его поглощения в процессе распространения.

Опробование алгоритмов инверсии для оценки свойств модели проводились на тестовых и фактически наблюденных материалах.

Научная новизна исследований заключается в проведении анализа коэффициентов отражения для различных вариантов моделей сред с различным характером их насыщения и представление соответствующей их классификации для гранулярных коллекторов.

Построение алгоритма инверсии т - р сейсмограмм для определения параметров модели среды на основе «направленных» методов Монте-Карло и кепстральных преобразований сейсмической информации.

Оптимизация параметризации модели на основе перехода от традиционных параметров Vp, Vs (скорости продольных и поперечных волн) и их импеданеов к модульным характеристикам (модулям сжатия и сдвига (К и р.) и комплексным параметрам, включая коэффициент Пуассона (о) и y=Vs/Vp.

Построение алгоритмов инверсии с использованием модульных и комплексных представлений в параметризации модели.

Анализ возможности решения задач инверсии сейсмограмм с целью выделения в инверсии среды гранулярных коллекторов и определения характера их насыщения. 7

Практическое значение работы заключается в классификации коэффициентов отражения для гранулярных коллекторов с учетом различного характера их насыщения и возможности использования этой информации для обращения ее в параметры модели среды посредством «направленных» методов Монте-Карло, что служит основой прогнозирования геологического разреза, выявления коллекторов и определения характера их насыщения.

На защиту выносятся: классификация коэффициентов отражения от насыщенных гранулярных коллекторов с учетом широкого диапазона регистрации углового параметра; алгоритм обращения (инверсии) т - р сейсмограмм в параметры модели среды на основе использования «направленных» методов Монте-Карло и кепстральных преобразований сейсмической информации; оптимизация набора параметров, используемых для решения задач инверсии посредством перехода к модульным характеристикам К, р. и комплексным параметрам у, а; алгоритм инверсии т-р сейсмограмм на базе параметризации через модульные характеристики; результаты апробирования алгоритмов инверсии т-р сейсмограмм для прогнозирования геологического разреза и выделения гранулярных коллекторов и определения характера их насыщения.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПЕТРОФИЗИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛИ НА АУО-ЭФФЕКТЫ

Данная глава посвящена теоретическим аспектам в представлении АУО-эффектов в зависимости от различных факторов петрофизических свойств модели и ее структуры. Основа этого базируется на аналитических выводах уравнений коэффициентов отражения в виде точных решений и аппроксимационных уравнений для различных типов волн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведены.основные результаты и выводы, к которым относятся:

1. точные и аппроксимационные уравнения коэффициентов отражения для различных вариантов входящих параметров, на основе которых реализованы алгоритмы инверсии сейсмограмм в параметры модели среды;

2. классификация распределений коэффициентов отражения с учетом их изменения от угла падения на границу отражения для ситуаций различного характера насыщения, которая учитывает особенности изменения петрофизических свойств модели и влияние фактора насыщения;

3. оптимизация параметров модели среды посредством перехода от монопараметров (р, Ур, Ув) к упруго-деформационным модулям (К, ц) и комплексным параметрам у и о, которые положены в основу алгоритмических решений задач инверсии сейсмограмм в параметры модели среды;

4. алгоритмы инверсии сейсмограмм в параметры модели среды, построенные на базе «направленных методов Монте-Карло». Предложенные алгоритмы реализуются посредством использования плосковолнового разложения поля сферических и цилиндрических волн и кепстральной оценки сейсмического сигнала;

5. результаты применения разработанных алгоритмов к модельным и фактическим материалам, показавшие обоснованность теоретических положений, приведенных в диссертационной работе, а также позволившие определить методологию использования данных алгоритмов с учетом классификации АУО - эффектов основанной на характере распределения коэффициентов отражения в зависимости от угла падения волны на границу отражения;

6. количественные значения плотностиых и упруго-деформационных (К, (1, у, сг) параметров модели среды, обеспечивающих прогнозную оценку геологического разреза и выявления аномальных зон, связанных с насыщением углеводородами;

7. выделенные зоны углеводороднонасьпценных коллекторов на фактическом материале подтверждены результатами разведочного бурения по ряду скважин в условиях Западно-Кубанского прогиба.

1. Aki K.I. and Richards P.G. Quantitative seismology: W.H. Freeman and Co.

2. ВиЫ P., Stoffa P.L. and Bryan G H. The application of Homomorphic deconvolution to shallow water marine seismology. Geophysics., vol.39, pp.401-426,1974.

3. Basu A. and Frazer L. N. Rapid determination of critical temperature in simulated annealing inversion. 1989, Science, 249, p. 1409-1412.

4. Bortfeld R. Approximation to the reflection and transmission coefficients of plane langitudinal and transverse waves. Geophysical Prospecting, 1961, 9, pp.485-502.

5. Brysk H. And McCowan D.W. A slant stack procedure for point-source data. Geophysics, 1986, vol. 51, N 8, pp. 1370-1386.

6. Carrion P., Kuo J.T. A method for computation of velocity profils by inversion of large-offset records. Geophysics, 1984, vol.49, N 8, pp. 1249-1258.

7. Carrion P., Kuo J.T., Stoffa P. Inversion method in the slant stack domain amplitudes of reflection arrivals. Geophysical Prospecting, 1984, vol.32, N 3, pp.375-391.

8. Charman С. H. Generalised Radon transforms and slant stacks. Geophys. J. R Astr. Soc. v. 66,1981, p.445-453.

9. Clarke J.T. Full reconstruction of a layered elastic medium for P-SV slant stacked data. Geophys. J.Roy. Astr. Soc., 78,1984, p.775-793.

10. Clayton R.W., McMachan G.A. Inversion of reflection data by wave field continuation. -Geophysics, 1981, vol.46, N6, pp.860-868.

11. Debski W. and Tarantola A. Information on elastic parameters obtained from the amplitudes of reflected waves. Geophysics, vol. 60, №5, 1995, p. 1426-1436.

12. Dibold J.B. Stoffa P.L. The travel time equation, tau-p mapping and inversion of common midpoint data. Geophysics, 1981, vol.46, N3, pp.238-254.

13. Diebold J. В., Stoffa P.L. The travel time equation tau-p mapping and inversion of common midpoint data. Geophysics, vol, 46,1981, N 3, p. 238-254.

14. Domenico S.N. Effect of brine-gas mixture on velocity in an unconsolidated sand reservoir. Geophysics, vol, 41,1976, N 4, p. 882-894.

15. Drufiick D., Mazotti A., Ambiguities in AVO inversion of reflection from a gas-sand. Geophysics, 60,1995, p. 134-141.

16. Gardner G.H.F., Gardner L.W., Gregory A.R. Formation velocity and density diagnostic basics for stratigraphic traps. Geophysics, vol, 39,1974, N 6, p. 770-780.

17. Gregory A.R. Fluid seturation effects on dynamic elastic properties of sedimentary rocks. Geophysics, vol, 41,1976, N 4, p. 895-921.

18. Hamilton E.L. Vp/Vs and Poisson's rations in marine sediments and rocks. J. Acoust. Soc. Am. 1979. 66(4) Oct. 1979, p. 1093-1101.

19. Harding A. J. Inversion methods for tau-p maps of near offset data linear inversion. - -Geophysical prospecting, 1985, vol. 33, N5, pp.674-695.

20. Harding A.J. Inversion methods for t-p maps of near offset data-linear inversion. Geophysical prospecting, 1985,33, p. 674-695.

21. Kirkpatrick S., Gelatt C. D. Jr. and Vecchi M.P. Optimization by simulated annealing. 1983, Science, 220, p. 671-680.

22. Koefoed O., On the effect of Poisson's ratios of rock strata on the reflection coefficients of plane waves. Geophys. Prosp., 3, 1955, p.381-387.

23. Mallick S., A simple approximation to the P-wave reflection coefficient and its implication in the inversion of amplitude variation with offset data. Geophysics, 58, 1993, p. 544- 552.

24. McMachan G.A. p-x imaging by localized slant stacks of T-x data. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 1983, vol.72, N 1, pp.213-221.

25. McMachan G.A. Wavefield inversion of seismic refraction data the p-x plane. -Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 1983, vol.72, N , pp.809-810.

26. Noponen I. And Keeney J. Attenuation of waterborne coherent noise by application of hyperbolic velocity filtering during the tau-p transform. Geophysics, vol, 51,1986, N 1, p. 20-33.

27. Offset dependent reflectivity-theory and practice of AVO analysis. Edited by John P. Castagna and Milo M. Backus. Investigations in Geophysics, 1993. Society of exploration geophysicists.

28. Ostrander W.J., Plane wave the reflection coefficients for sands at nonnormal angles of incidence, Geophysics, 49,1984, p. 1637-1648.

29. Pan G.S., Phinney R.A. and Odom R.I. Full waveform inversion of plane wave seismograms in stratified acoustic media: Theory and feasibility. Geophysics, 53, 1988, p.21-31.

30. Rothman D.H. Nonlinear inversion, statistical mechanics and residual statics estimation. Geophysics, 1985, vol. 50, pp. 2784-2796.

31. Rothman D.H. Automatic estimation of large residual statics correction . Geophysics, 1986, vol. 51, pp. 332-346.

32. Ruhterford S R. and Williams R. H. Amplitude-versus-offset variations in gas sands. Geophysics, 1989, vol. 54, No 6, pp. 680-688.

33. Schultz P.S. A method for direct estimation of interval velocities. Geophysics, 1982, vol.47, N12, pp.1657-1671.

34. Schultz P.S. Seismic data processing: current industry practice and new directions. -Geophysics, 1985, vol. 50, N12, pp.2452-2457.

35. Schultz P.S., Claerbout J.F. Velocity estimation and downward continuation by wave-front synthesis. Geophysics, 1978, vol.43, N4, pp.691-714.

36. Seismic Stratigraphy. Edited by Charles E. Payton. Tulsa, Oklahoma, U.S.A., 1977.38; Sen M.K. and Stoffa P.L. Nonlinear one-dimensional seismic waveform inversion using simulated annealing. Geophysics, 56, 1991, p. 1624-1638.

37. Shuey R.T., A simplification of the Zoeppritz equations, Geophysics, 50, 1985, p.609-614.

38. Stoffa P.L. and Sen M.K. Nonlinear multiparameter optimization using genetic algorithms: Inversion of plane-wave seismograms. Geophysics, 56,1991, p. 1794-1810.

39. Tarantola A Linearized inversion of seismic reflection data. Geophys. Prosp., 32, 1984, p.998-1015.

40. Tatham R., Keeney J., Noponen I. Application of the tau-p transforms (slant stack) in processing seismic reflection data. Bull., Australl Soc. Explos Geophys. 1983, 14, p. 163172.

41. Treitel S., Gutowski P.R. Wagner D.E. Plane-wave decomposition of seismograms. Geophysics, vol, 47, 1982, N10, p. 1375-1401.

42. Tribolet. A new phase unwrapping algorithm. IEEE Trans, on Acoustics, Speech and Signal Proc. №2, April, 1977.

43. Tygel M., Hubral P., Wensel F. Plane wave decomposition of seismograms. Geophysics, vol, 47,1982, N 10, p. 1375-1401.

44. Ulrych T.J. Application of homomorphic deconvolution to seismology. Geophys., vol.36, pp.650-660,1971.

45. Wapenaar С. P.A., Hermann P. Verschuur P.J., Berkhout A.J. Decomposition of multicomponent seismic data in primery P- and S- wave responses. Geophysical Prospecting, vol, 38, 1990, N 1, p. 633 661.

46. Yagle A.E. and Levy B.C., A layer stripping solution of the inverse problem for a one-dimensional elastic medium. Geophysics, 50,1985, p.425-433.

47. Zoeppritz K. Erdbebenwellen VIII В, Uber Reflexion and Durchgang, seismischer Wellen durch unstetig keitslachen: Gottinger Nachr, 1, p.66-84.

48. Авербух А.Г. Изучение состава и свойств горных пород при сейсморазведке. М. Недра, 1992, с.230.

49. Акулов A.A., Турков О.С. Шудабаев К С. Новые данные о строении и времени формирования межкупольных зон юга Прикаспийской впадины. Геология нефти и газа. 1992, №4, с.2-4.

50. Алексеев A.C., Гельчинский Б.Я. Элементарная теория распространения сейсмических волн. Сб. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. ЛГУ, сб. III, ч. 2, 1959.

51. Ампилов Ю.П. Поглощение и рассеяние сейсмических волн в неоднородных средах. М. Недра, 1992, с. 155.

52. Бат М., Спектральный анализ в геофизике. M Недра, 1980, с. 535.

53. Бельфер И.К., Голошубин Г.М., Шербиг A.B. Использование в сейсморазведке т—р преобразования. Обзор ВИЭМС. 1987, с.55.

54. Бокс Дж., Дженкинс Г., Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 1. М. Мир, 1974, с. 406.

55. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. АН СССР, 1957.

56. Бродов Л.Ю. Многоволновая сейсморазведка новый вид геофизических исследований. Изв. Вузов. Геология и разведка, 1988, №11.

57. Голошубин Г.М. Комбинированный метод сейсмической разведки. М. Недра, 1992, с. 158.

58. ГурвичИИ. БоганикГ.Н. Сейсморазведка. -М: Недра, 1980, с.551.

59. Кобранова В.Н. Петрофизика. М., Недра, 1986.

60. Кондратьев O.K. Сейсмические волны в поглощающих средах. М. Недра. 1986, с. 176.

61. Купер Дж., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. М. Мир, 1989, с. 376.

62. Курочкин А.Г., Борисенко Ю.Д., Газарян В.П., Калайдина Г.В. Выявление коллекторов глубоководного происхождения. Разведка и охрана недр", № 7-8, 1999, с.54-57.

63. Курочкин АГ., Борисенко Ю.Д., Газарян В.П., Калайдина Г.В. Новые подходы в изучении геофизического объекта. Тезисы докладов Международной конференции "Проблемы региональной тектоники Северного Кавказа и прилегающих акваторий", г. Геленджик, 1997.

64. Курочкин А.Г., Борисенко Ю.Д., Газарян В.П., Калайдина Г.В. Развитие теории и практики АУО анализа. Материалы юбилейной конференции "Теория и практика морских геолого-геофизических исследований", г. Геленджик, 1999, с. 47-49.

65. Курочкин А.Г., Борисенко Ю.Д., Газарян В .П., Трофимов В.В., Калайдина Г.В. Таи-р трансформация и ее использование в сейсморазведке. Тезисы бизнес-семинара по программным средствам для обработки сейсмической информации, г. Москва, 1995.

66. Курочкин АГ., Борисенко Ю.Д., Калайдина Г.В. Обращение т-р сейсмограмм по методу "имитаций кристаллизации". Журнал "Наука Кубани", Сер. Проблемы физико-математического моделирования. Естественные и технические науки, 1998, №1, с.71-76.

67. Молчан Г.М. Об использовании отраженных волн в рамках г- метода. Сб. Вычислительная сейсмология. 1979, вып. 12. М. Наука, с. 115-123.

68. Материалы количественного изучения динамики сейсмических волн. ЛГУ, 1957,

69. Петрашень Г.И. Элементарная теория распространения сейсмических волн. Сб. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. ЛГУ, сб. Ш, ч. 1,1959.

70. Петрашень Г.И. Распространение упругих волн в слоистых изотропных средах, разделенных параллельными плоскостями. Ученые записки. ЛГУ. Вып. 26, № 162, 1952.

71. Петрашень Г.И. Общая количественная теория отраженных и головных волн. Сб. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн. Гостоптехиздат, сб. I, ч. 1, 1957.

72. Применение цифровой обработки сигналов. Ред. Оппенгейма А. М. Мир, 1980, с.

73. Пузырев НИ. Методы и объекты сейсмических исследований. Новосибирск: Издательство СОРАН, 1997, с. 301.

74. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М. Мир, 1978, с. 848.

75. Раппопорт М.Б. Корреляционная методика прямых поисков залежей нефти и газа по сейсмическим данным. Разведочная геофизика, вып. 77. М., «Недра», 1977, с. 54-61.1. Т.1, Т.2.550.841 аченко Ю.В. Сейсморазведка слоистых сред. М. Недра, 1985, с. 184.

76. Сейсмическая разведка методом поперечных и обменных волн. М. Недра, 1985, с.278.

77. Сейсмическая стратиграфия. Под редакцией Ч. Пейтона, ч. 1 и 2. М., Мир, 1982.

78. Стокхяи Т.Г. Обработка изображений в контексте модели зрения. ТИИЭР, 1972, т.60, №7, с.93-108.

79. Тэтам Р.Х. Многомерная фильтрация сейсмических данных. ТИИЭР, т. 72, № 10, 1984, с. 147-161.

80. Уайт Дж. Э. Возбуждение и распространение сейсмических волн. М. Недра, 1986, с.260.

81. Хелгасон С. Преобразование Радона. М., Мир, 1983.

82. Шерифф Р., Грегори А. Сейсмическая стратиграфия. Т.1 и 2. -М.: Мир, 1982.

83. Шерриф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка. -М: Мир, 1987. Т.1, с.447, Т.2, с. 400.

84. Шульц Ф.С. Определение сейсмических скоростей. -ТИИЭР, М., Мир, 1984, т.72, №10, с. 114-125.1. ФОНДОВАЯ ЛИТЕРАТУРА:

85. Курочкин А.Г., Борисенко Ю.Д., Калайдина Г.В. Развитие методики и технологических схем реализации АУО-анализа". Отчет по теме 2-96. Минтопэнерго, КОМЭ ГУП ПО "Союзморгео", г. Краснодар, 1999 № Гос. регистрации 01.99.0007.255.