Введение к работе
Объект исследования - многокомпонентные волновые сейсмические поля на предмет построения сейсмических изображений в истинных амплитудах.
Актуальность. Несмотря на то, что решению обратных задач сейсмики, состоящих в определении физических характеристик среды по волновым полям, уделяется самое пристальное внимание, широко применяемые на практике методы не позволяют получать максимально полные, надёжные и точные результаты. Например, применение принципа визуализации может дать пространственное распределение неод-нородностей, но не абсолютные значения соответствующих коэффициентов отражения/амплитуд рассеяния, которые несут важную информацию об упругих параметрах целевых объектов. Применение скалярной миграции к сейсмическим многокомпонентным данным осуществляется после предварительного разделения полного волнового поля на продольную и поперечную составляющие, однако используемая при этом модель среды, которая описывается скалярным волновым уравнением, не учитывает весьма важных эффектов, связанных с процессами обмена на границах раздела. Часто применяемая для построения изображений миграция по Кирхгофу основывается на использовании лучевых представлений волнового поля и достаточно проста в реализации, но не может применяться в областях со сложным геологическим строением, где поле лучей нерегулярно. Наиболее общий метод миграции сейсмических данных - миграция в обратном времени - строится на основе конечно-разностного решения скалярного волнового уравнения акустики (однокомпонентные данные) или уравнений динамической теории упругости (многокомпонентные данные). Она не требует регулярности поля лучей, но не позволяет строить изображения в истинных амплитудах и, следовательно, достоверно отображает только геометрию границ раздела. В то же время, для количественной оценки изменчивости параметров среды вдоль границ раздела необходимы процедуры построения сейсмических изображений, обеспечивающие не только восстановление геометрии границ раздела, но и параметров, характеризующих отражательную способность среды. Традиционно для этого вводятся специальные веса суммирования данных, позволяющие компенсировать амплитуды за геометрическое расхождение и учесть тем самым влияния неоднородных перекрывающих толщ. Однако использование здесь лучевых представлений для вычисления функции Грина ограничивает примени-
мость такого подхода только средами с регулярным полем лучей. Поэтому широкое распространение получило использование представления функции Грина в виде суперпозиции Гауссовых пучков. Реализация данного подхода в миграции Кирхгофа обеспечило возможность её применения для весьма сложных сред с нерегулярным полем лучей. К сожалению, построение изображений в истинных амплитудах при этом весьма проблематично.
Отличительной особенностью предлагаемого подхода является использование отдельных Гауссовых пучков, что позволяет строить селективные изображения и не требует вычисления дополнительных весов суммирования. Ранее этот подход был реализован для скалярного волнового уравнения, что позволяло применять его для обработки одно-компонентных данных.
По мере внедрения в производство многокомпонентных наблюдений представляется актуальным за счет дальнейшего совершенствования реализации глубинной миграции до суммирования существенно улучшить её разрешающую способность и информативность в целях повышения достоверности результатов применения сейсмических методов поиска и разведки месторождений углеводородов.
Цель исследования - повысить информативность и разрешающую способность результатов сейсмической миграции путём построения волновых сейсмических изображений геологических сред в истинных амплитудах за счет взвешенного суммирования многокомпонентных данных многократного перекрытия, с нахождением таких весов трассированием специальным образом выбираемых Гауссовых пучков.
Научная задача - модифицировать метод глубинной миграции до суммирования на основании использования Гауссовых пучков в целях получения волновых сейсмических изображений геологических сред в истинных амплитудах по многокомпонентным данным многократного перекрытия и разработать на этой основе научно-исследовательское программное обеспечение.
Основные этапы исследования
Выполнить математический анализ выражения, описывающего интегральное преобразование многокомпонентных данных многократного перекрытия.
На основе полученных математических соотношений разработать алгоритм и создать научно-исследовательское программное обеспечение для вычисления весов суммирования многокомпонентных данных многократного перекрытия, обеспечивающих построение изобра-
жения в истинных амплитудах.
3. Провести серию численных экспериментов по построению волновых сейсмических изображений геологических сред в истинных амплитудах с использованием е синтетических данных для сред различной степени сложности.
Фактический материал. Научные методы исследования.
Высокая степень достоверности полученных результатов определяется использованием современных достижений в области теории и численных методов решения прямых и обратных задач сейсмики, включая:
метод построения Гауссовых пучков для уравнений динамической теории упругости;
теории псевдодифференциальных операторов;
- современных численных методов моделирования волновых сейс
мических полей в сложнопостроенных средах, в том числе конечно-
разностных схем Вирье и поглощающих граничных условий PML (аб
бревиатура от английского Perfectly Matched Layer).
Для верификации разработанного подхода использовались синтетические многокомпонентные данные, рассчитанные с помощью программного обеспечения, созданного в Лаборатории численного моделирования геофизических полей ИНГГ СО РАН. Для трассировки лучей и построения Гауссовых пучков было использовано как оригинальное программное обеспечение, разработанное Лаборатории численных методов обращения геофизических полей ИНГГ СО РАН, так и переданная для проведения научных исследований Московским научным центром фирмы Schlumberger библиотека динамической трассировки лучей TR3. Для разработки программы обработки многокомпонентных данных использовался объектно-ориентированный язык программирования C++.
Защищаемые научные результаты.
1. Модифицирован метод построения волновых сейсмических
изображений в истинных амплитудах с использованием Гауссовых пуч
ков различной поляризации для случая упругих сред, что позволяет
осуществить обработку многокомпонентных данных, зарегистрирован
ных на свободной поверхности, в слое воды и на дне моря.
2. Предложен способ восстановления параметров, характеризую
щих отражательную способность среды, путём вычисления функции,
пропорциональной линеаризованному коэффициенту отражения.
3. Разработан алгоритм обработки многокомпонентных сейсмических данных и научно-исследовательская версия программного обеспечения, обеспечивающие численное построение сейсмических изображений упругих сред в истинных амплитудах. Новизна работы. Личный вклад.
1. Построено интегральное преобразование многокомпонентных
данных многократного перекрытия, позволяющее получить интеграль
ное уравнение относительно неизвестной функции, определяющей изо
бражение в истинных амплитудах.
2. Разработан алгоритм и на его основе создано научно-
исследовательское программное обеспечение, реализующее обработку
многокомпонентных сейсмических данных, включая:
вычисление весов суммирования исходных многокомпонентных данных выполненное с помощью библиотеки динамической трассировки лучей TR3;
суммирование многокомпонентных данных;
- вычисление набора параметров, характеризующих отража
тельную способность среды с использованием комплекса про
грамм математического моделирования.
3. Проведена серия численных экспериментов для упрощённой и
реалистичной моделей среды, подтвердившая работоспособность мето
да и продемонстрировавшая уверенное восстановление AVO-параметра
R0 и возмущения продольного импеданса среды I р1.
Теоретическая и практическая значимость результатов.
Разработанное на основе предложенного в работе метода глубинной миграции до суммирования программное обеспечение позволяет строить сейсмические изображения упругих сред в истинных амплитудах во всех точках целевой области как для регулярного поля лучей, так и для поля лучей, содержащего сингулярные точки (каустики и фокальные точки). Интенсивность изображения восстанавливаемых в результате применения метода границ пропорциональна линеаризованному коэффициенту отражения и свободна от влияния перекрывающей толщи.
Трассировка лучей из целевой области дает возможность не только избежать стандартных трудностей, связанных со сложным поведением лучей, но и контролировать угол обзора и угол освещения для пар лучей, используемых при построении изображений. Так возникает возможность реализации AVO-анализа в области изображений и на этой
основе нахождения параметров, характеризующих отражательную способность границ.
Использование ограниченного диапазона углов наклона открывает возможность построения селективных изображений, содержащих преимущественно участки границ с заранее заданными углами наклона. В отличие от аналогичных процедур, предложенных ранее (Поздняков, Чеверда; 2005), интенсивность получаемых при этом изображений свободна от влияния перекрывающей толщи и однозначно связана с контрастностью изучаемых объектов.
Несомненным достоинством предложенного подхода является возможность использования многокомпонентных волновых полей без их предварительного разделения на продольные и поперечные волны. Кроме того, для выполнения миграции в продольных волнах не требуется знать распределение поперечных скоростей, которые с трудом поддаются восстановлению современными методами скоростного анализа.
Проведённые численные эксперименты на реалистичной двумерной сейсмической модели нефтяного месторождения Gullfaks показали эффективность развиваемого подхода для обработки многокомпонентных данных.
Таким образом, предложенная модификация метода построения изображений позволяет выявить взаимосвязь между физическими характеристиками геологического объекта и зарегистрированными многокомпонентными волновыми полями, а именно перейти от структурных построений к реконструкции коэффициентов отражения. Это позволяет прогнозировать физические характеристики слагающих упругую среду слоев, что имеет первостепенное значение для геологической интерпретации результатов наблюдений при поисках полезных ископаемых и достоверной оценки их запасов.
Научные результаты диссертации докладывались на XLV Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 2007), IV Международном научном конгрессе и выставке "ГЕО-Сибирь-2008" (Новосибирск, 2008), XLVI Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 2008), Ежегодной международной конференции "Days on diffraction" (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010), 10-й международной научно-практической конференции "Геомодель -2008" (Геленджик, 2008), Международной конференции по математическим методам в геофизике "ММГ-2008" (Новосибирск, 2008), Всероссийской молодежной научной конференции "Трофимуковские чтения -2008" (Новосибирск, 2008), XLVII Международной научной студенче-
ской конференции (Новосибирск, 2009), VI Международном научном конгрессе и выставке "ГЕО-Сибирь-2010" (Новосибирск, 2010), Международном симпозиуме "Seismic waves in laterally inhomogeneous media VII" (Чешская Республика, 2010), семинарах в институте Нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, семинаре в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.
Публикации.
Результаты исследования изложены в 12 публикациях, в том числе в одной статье в ведущем научном рецензируемом журнале по перечню ВАК «Технологии сейсморазведки» и в 11 тезисах международных и российских конференций.
Благодарности.
Автор выражает сердечную и глубокую признательность научному руководителю д.ф.-м.н., доценту В.А. Чеверде и к.ф.-м.н. М.И. Протасову за терпение и неоценимую помощь в научной работе.
Автор благодарен своим коллегам Д.М. Вишневскому за расчет синтетических данных, использованных в численных экспериментах, к.ф.-м.н. И.Ю. Сильвестрову, к.ф.-м.н. Д.А. Неклюдову и М.Н. Дмитриеву за содержательные и плодотворные обсуждения и моральную поддержку во время работы над диссертацией.
Автор выражает благодарность А.А. Сахаровой, В.И. Самойловой и Е.А. Мельник за методические рекомендации и поддержку при подготовке диссертации.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 92 страницы, включая 57 рисунков. Список используемой литературы содержит 58 наименований.
