Сейсмические  методы обнаружения водоносных горизонтов. Опыт работы в Греции и Испании

5 июня 2008 года

Тезисы доклада.

С.Ю. Червинчук

Изучение микросейсмических шумов. История вопроса.

Изучение микросейсм (микросейсмических шумов земной поверхности) уже более ста лет находится под пристальным вниманием широкого круга сейсмологов и геофизиков. Еще в начале ХХ века российский ученый Б.Б. Голицын, используя созданный им электродинамический сейсмограф – лучший на то время сейсмический датчик, провел обстоятельное изучение микросейсм и произвел их классификацию по различным показателям (Голицын, 1959). Тем самым было положено начало систематическому изучению микросейсм как объекта сложной природы.

Исследователи понимали, что под «слабостью» проявления физичесих свойств этого объекта сложной природы и его шумоподобными характеристиками скрываются интересные по своей геофизической и даже физической сути процессы. Дальнейшее развитие геофизики оправдало это предположение, и в настоящее время наблюдается формирование направления исследований, которое определяют как сейсмологию шумов (Хаврошкин, 1999; Малышев, 1999; Капустин, 2000).

Значительный прогресс в исследовании микросейсмических шумов в области коротких периодов был достигнут в 60-70-е годы (Кедров и др.,2000), когда придавалось исключительно большое значение проблеме обнаружения сейсмических сигналов от подземных ядерных взрывов малой мощности. Многочисленные исследования тогда дали практически полные ответы на вопросы о возможностях сейсмического контроля подземных ядерных взрывов в условиях наложения различного рода микросейсм.

К настоящему времени установлено (Винник, 1968; Монахов, 1977; Табулевич, 1986), что микросейсмический шум проявляется в широком диапазоне частот от (сотых долей Гц до нескольких кГц). а его амплитуда варьирует в интервале  долей (мк) до долей нанометров (нм). Генерация микросейсмических шумов может быть обусловлена самым разнообразными процессами (крипом, взаимная подвижка блоков, пластическими деформациями пород, фазовыми переходами и изменениями напряженного состояния в результате тектонических, геохимических и гидрогеологических процессов, земных приливов, сейсмических воздействий, различных техногенных нагрузок). Если низкочастотные шумы (с периодом 1-100 с и более) имеют сходные характеристики в различных точках наблюдений, то более высокочастотные шумы имеют чрезвычайно разнообразные характеристики. Фактически каждая точка наблюдения имеет свой специфический «шумовой портрет». При  этом наиболее интересные с позиции нелинейной сейсмики участки – так называемые «сенсорные зоны» (Капустин, 2000), характеризуются мерцающими характером проявления своих ярких свойств.

Долгие годы изучение микросейсмических шумов инициировалось необходимостью решения фундаментальных задач большой геофизики. Только в последнее десятилетия анализ микросейсмических шумов стал привлекаться к решению прикладных задач, из которых наибольший практический интерес, вызывают исследования, связанные с изучением микросейсмического излучения в районах расположения нефтегазовых месторождений.

Согласно модели «геофизической среды» содержащие флюиды нефтяные пласты представляют собой сложные многокомпонентные образования с ярко выраженной аномалией внутреннего строения, резко увеличивающие степень неоднородности геологической среды. В них активно взаимодействую твердая и флюидная фазы. Находясь в метастабильном состоянии, они не только постоянно поглощают поступающую извне энергию различных типов, но и перерабатывают и переизлучают ее в виде микросейсмического волнового поля (МСВП), описываемого законами нелинейной акустики.

Последующий совместный анализ экспериментальных и теоретических исследований позволил определить это явление следующим образом. При гармоническом воздействии слабыми акустическими сигналами на нефтегазовый пласт, месторождение переходит в состояние, которое с известной определенностью можно классифицировать (в терминах теории катастроф) как состояние странного аттрактора (состояние резонансного возбуждения случайно распределенных по пласту резонаторов). Регистрируемое при этом на земной поверхности акустическое поле, переизлученное нефтегазовой залежью, имеет вид случайного сигнала, а точнее “детерминированного шума”, спектральные особенности которого характеризуются смещением (трансформацией) частот в область ниже частотного спектра сигнала возбуждения.

С практической точки зрения   “детерминированный шум” представляет собой суперпозицию особых, “медленных” волн,  во флюидонасыщенном поровом пространстве и является его (порового пространства) исключительной принадлежностью, как бы “визитной карточкой” , по которой можно осуществлять его поиск.

Все вышесказанное, очевидно, справедливо в отношении любого флюида, заполняющего любую пористую или “разуплотненную” область пространства в земной коре и, в частности, воды.

Изложенный выше механизм, объясняющий появление аномалий в МСВП на поверхности Земли над зонами “разуплотнений” заполненных флюидом, не является единственным.  Теория непрерывно развивается и существует обширная библиография по этому вопросу. Желающие могут обратиться, например,  к  статье [4].

Необходимо заметить , что поиск  зон “разуплотнения” в земной коре представляет собой чрезвычайно важную задачу не только с точки зрения поиска  залежей нефти, газа и воды. Эти зоны являются естественными резервуарами для возможного  хранения  газа и радиоактивных отходов, что при бурном развитии энергетики во всем мире, является  актуальной проблемой для большинства стран мира.

Технология “ИГЛА”.

В начале 90-х годов группе российских ученых, под руководством к.г.м.н. Г.Я. Шутова, используя описанное выше явление, удалось создать уникальную, не имеющую мировых аналогов, технологию акустической низкочастотной разведки  нефтегазовых залежей.

Технологии АНЧАР, ADNR, СКАНЭР и DISCH,  являясь этапами в развитии низкочастотной акустической разведки, достигли значительных успехов в поисках запасов нефти и газа по всему миру.  Количество пробуренных скважин измеряется десятками, а процент неудач не превышает 10%. Однако эти методы не давали оценки по глубине залежи.

К настоящему времени появились приборы и методы, позволившие предложить на основе полученного опыта, кардинально новый способ  регистрации МСВП от зон “разуплотнений”  в земной коре, заполненных флюидами различного происхождения, в том числе и искусственного.

В его основе лежит идея использования группы из нескольких  высокочувствительных (шумы не хуже 10^-10 м/сек), высокостабильных (синхронизируемых по GPS с точностью до 1мкс), автономных сейсмостанций, способных за счет изменения диаграммы направленности приема как бы “пронзать” земную кору на нужную глубину и в нужном направлении.

Технология “Игла ” - Инфразвуковой Геофизический Локатор Аномалий явилась попыткой реализовать эту идею на практике.

Измерение излучения флюидонасыщенных областей с поверхности Земли представляет собой сложную задачу связанную с выделением низкоуровневых слабодетерминированных шумовых сигналов флюида на фоне значительных поверхностных шумов.

Известно, что микросейсмический фон на поверхности Земли является  весьма “подвижным “  и зависит от множества  внешних причин, как естественного (землетрясения, вулканическая деятельность, ветер , приливы и т.д.), так и искусственного происхождения (индустриальные шумы). Увеличение поверхностных шумов приводит к необходимости увеличивать длину записи, чтобы добиться выделения полезного сигнала. Как показывает опыт, в большинстве случаев длительность 1 час оказывается достаточной, хотя возможны и 25 часовые записи.

Для борьбы с искусственными шумами используются различные методы фильтрации, заглубление, группирование, выбор места и времени записи.

Для исключения естественных факторов, влияющих на изменение фона, используется синхронная запись на опорной станции (Express-4-24) на одном из ПИ по возможности равноудаленном от остальных ПИ площади и возможных источников помех.

Имеется большая статистика по поиску нефти и газа без оценки глубины.

Методика поиска воды с оценкой глубины была апробирована в бассейне реки Сегура (Испания). Ниже приводятся фотографии фрагментов работ в Испании  и используемой аппаратуры, а так же карты аномалий МСВП, построенные по результатам проведенных исследований.

Схема измерений без оценки глубины