СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЗОНЫ РАЗЛОМА, ЗАПОЛНЕННОЙ ФЛЮИДАМИ

Предлагаемое техническое решение относится к сейсмологии и может быть использовано для определения эффективных геометрических размеров зоны разлома, заполненной флюидами, по инструментальной регистрации сейсмических волн и обработке данных.

Известен способ обнаружения зарождения или существования по меньшей мере одной заполненной жидкостью трещины в среде, содержащий этапы, на которых

регистрируют колебания среды;

сопоставляют частоты зарегистрированных колебаний с имеющимися частотами колебаний среды в отсутствие заполненных жидкостью трещин;

при этом определяют частоты v(n) стоячих граничных волн (n - целое), распространяющихся вдоль поверхностей, по меньшей мере, одной заполненной жидкостью трещины, как соответствующие выделенным резонансным частотам колебаний, по меньшей мере, одной заполненной жидкостью трещины и вычисляют групповую скорость V (v(n), w) граничной волны, которая зависит от ширины трещины w и свойств элемента конструкции и жидкости, и вычисляют характерный размер трещины вдоль распространения стоячей граничной волны;

обнаруживают зарождение или существование по меньшей мере одной заполненной жидкостью трещины (патент РФ №2370791, G01V 1/00, 2009 г., [1]).

Недостатки известного решения - необходимость использования достаточно сложной аппаратурной схемы, включающей виброисточник, что повышает расходы на реализацию способа, также ограничены технологические возможности использования данного решения.

Известен способ определения геометрических характеристик трещины гидроразрыва, в соответствии с которым

- до осуществления гидроразрыва проводят предварительные сейсмические изыскания, представляющие собой возбуждение сейсмического сигнала по меньшей мере одним сейсмоисточником и регистрацию отраженных и преломленных сейсмических сигналов по меньшей мере одним сейсмоприемником,

- создают скоростную модель путем комбинирования результатов предварительных сейсмических изысканий и дополнительной геологической информации,

- оценивают сейсмические характеристики исследуемой геологической области,

- на основе скоростной модели выявляют по меньшей мере один мощный и плоский литологический отражатель, расположенный ниже планируемой трещины,

- создают численную модель распространения упругих волн в пласте с трещиной, обладающей заданными свойствами,

- оптимизируют расположение сейсмических источников и приемников и их свойства на основе численной модели с учетом глубины выявленного литологического отражателя, геометрии и расположения планируемой трещины,

- осуществляют гидроразрыв пласта,

- проводят сейсмические изыскания после формирования трещины гидроразрыва, когда трещина поддерживается в открытом состоянии и находится под давлением, и

определяют размеры и форму трещины гидроразрыва на основе сравнения зарегистрированных до и после гидроразрыва отраженных и преломленных сейсмических сигналов посредством решения обратной задачи с использованием созданной численной модели (патент РФ №2461026, G01V 1/40, E21B 47/14, 2012 г., [2]).

По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога. По известному решению определяют размеры и форму трещины гидроразрыва на основе сравнения зарегистрированных до и после гидроразрыва отраженных и преломленных сейсмических сигналов посредством решения обратной задачи с использованием созданной численной модели.

Основной недостаток известного решения - необходимость использования достаточно сложной аппаратурной схемы, включающей виброисточник, что повышает расходы на реализацию способа, также ограничены технологические возможности использования данного решения из-за проблемы возбуждения сейсмических колебаний в низкочастотном (минутном) диапазоне частот. Это связано с различным масштабом трещин гидроразрыва (метры, сотни метров) и разломных зон (десятки и сотни километров).

Задачами предлагаемого технического решения являются повышение точности определения эффективных геометрических размеров зоны разлома, заполненной флюидами, снижение затрат на реализацию способа.

Техническими результатами являются инструментальная регистрация сейсмических волн с использованием действующего оборудования, определение длины и ширины зоны разлома путем анализа графика спектральных отношений низкочастотных микросейсмических колебаний (микросейсм) и математических вычислений.

Технические результаты достигаются тем, что в способе определения эффективных геометрических размеров зоны разлома, заполненной флюидами, включающем инструментальную регистрацию сейсмических волн, обработку данных с выделением в процессе обработки информативных спектров колебаний, анализ спектров и оценку на основе анализа эффективных геометрических размеров зоны разлома, отличающемся тем, что используют данные сейсмического мониторинга зоны разлома с частотой дискретизации 100 Гц, производят обработку данных по выборке с частотой 0,00833 Гц, построением спектров низкочастотных микросейсмических колебаний (микросейсм) и по анализу графика спектральных отношений определяют эффективную длину зоны разлома по зависимости частот (периодов) основной моды резонансных колебаний от длины разлома, а ширину зоны определяют через частоту (или период) выделенной волны Стоунли с использованием формулы:

, где

, α и β - скорости продольных и поперечных волн соответственно, ρ - плотность среды, индексы F и М соответствуют жидкости и твердому телу, h и L - ширина и длина соответственно, и ширина зоны разлома, при выделенном периоде, составит:

.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.

Известное решение и предлагаемое характеризуются сходными общими признаками:

- инструментальная регистрация сейсмических волн;

- обработка данных с выделением в процессе обработки информативных спектров колебаний;

- анализ спектров и оценка на основе анализа размеров и формы зоны разлома ,заполненной флюидами.

Предлагаемое решение отличается от известного решения следующими признаками:

- используют данные сейсмического мониторинга зоны разлома с частотой дискретизации 100 Гц;

- производят обработку данных по выборке с частотой 0,00833 Гц;

- построение спектров низкочастотных микросейсмических колебаний (микросейсм);

- анализ графика спектральных отношений и определение эффективной длины зоны разлома - по зависимости частот (периодов) основной моды резонансных колебаний от длины разлома;

- ширину зоны определяют через частоту (или период) выделенной волны Стоунли с использованием формулы:

, где

, α и β - скорости продольных и поперечных волн соответственно, ρ - плотность среды, индексы F и М соответствуют жидкости и твердому телу, h и L - ширина и длина соответственно, и ширина зоны, при выделенном периоде, составит:

.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих решение, принятое в качестве ближайшего аналога, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «новизна».

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Для изучения разломных зон, в частности Прибайкалья, применяются методы очаговой сейсмологии (source seismology), основанные на статистическом исследовании пространственно-временных параметров и характеристик разрывных процессов. Полученные результаты позволяют в первом приближении рассматривать зону разлома как неоднородное объемное низкодобротное тело высокой степени трещиноватости, разделяющее монолитные высокодобротные блоки литосферы. Разломные зоны являются основными элементами геофлюидных систем, через которые осуществляется перенос флюида. Поперечный размер Н зоны нарушения сплошности горных пород иногда интерпретируется как ширина области динамического влияния разлома, оцениваемая по формуле:

H=bL, где

L - длина разлома,

b=0.03÷0.09 - эмпирический коэффициент.

Вариации коэффициента b отражают, вероятно, реологическое состояние геоматериала разломных зон в условиях неоднородного разломообразования, концентрации напряжений и деформаций на разных иерархических уровнях.

В основе предлагаемого способа лежат экспериментально-теоретические результаты по выделению и параметризации медленных сейсмических волн в модельных конструкциях типа узкой щели, заполненной флюидом. На основании теоретических исследований волн Стоунли (разломных волн) и результатов экспериментов установлено, что в спектре сейсмических колебаний фиксируются частоты, обусловленные низкочастотными колебаниям на границе массив-флюид. Наиболее отчетливо такие колебания наблюдаются на горизонтальной компоненте сейсмической волны, ориентированной в направлении на разломную зону - амплитуда волн, распространяющихся перпендикулярно трещине, на порядок выше амплитуды волн, движущихся вдоль нее. Проведенные исследования показали, что по результатам сейсмических наблюдений, проводимых на некотором расстоянии от трещины, можно судить о характерной длине и ширине последней. Несмотря на то что амплитуда сейсмических колебаний мала, их низкая частота дает основание полагать и это экспериментально доказано, что они могут быть зарегистрированы на некотором расстоянии от трещины.

В заполненном флюидами неоднородном объемном низкодобротном теле высокой степени трещиноватости могут формироваться низкочастотные сейсмические волны, выделение и исследование которых позволяет оценить геометрические размеры и состояние разломных зон как совокупности большого количества трещин. Структура геоматериала и стратификация массива будут предопределять низкую доминантную частоту, к которой перекачивается энергия по мере движения сейсмической волны сквозь массив. Поскольку реальные разломы имеют обычно сложную конфигурацию, то, по-видимому, можно говорить лишь об эффективных (характерных) размерах разломной зоны в целом, как зоны повышенной трещиноватости. Появляется возможность по найденной частоте сейсмических волн, формируемых разломной зоной, в целом оценить ее эффективные размеры.

В предлагаемом решении представлен способ по выделению, обработке и интерпретации сейсмических волн на записях микросейсм, которые принимаются здесь как интерференционно-модулированный сигнал, генерируемый источниками разной природы и прошедший амплитудно-частотные преобразования в результате распространения в сложноорганизованной структурно-неоднородной геологической среде. Мы основываемся на том, что сигналы, возникающие в естественных условиях, можно считать модулированными колебаниями. В технике связи модулирующие сигналы являются информационными, т.е. содержащими передаваемую информацию, тогда как несущее колебание, частота которого, как правило, много больше ширины спектра информационного сигнала, обеспечивает более эффективную передачу этой информации на расстояние. В радиолокации модулированные колебания используют для обнаружения целей и определения их важнейших геометрических (размеры, конфигурация) и физических (температура, плотность, диэлектрическая проницаемость и т.п.) параметров. Обычно под модулированными колебаниями понимаются колебания, параметры которых (амплитуда, фаза, частота, длительность и т.п.) изменяются во времени. Однако это понятие распространяется и на колебания, параметры которых изменяются в пространстве, и тогда говорят о пространственно-модулированных колебаниях: в отличие от временных модулированных колебаний они могут быть двух- и трехмерными. В общем случае модулированные колебания отражают пространственно-временную модуляцию сигналов, в том числе и микросейсм.

Для определения частоты сейсмических волн, связанных с разломной зоной, необходимо знать и длину l и ширину h трещины. Данные параметры можно оценить, если учесть, что такие волны имеют резонансную природу, т.е. обусловлены явлением резонанса и формируются структурой резонатора.

Резонатор - устройство или природный объект (в нашем случае зона повышенной трещиноватости), в котором происходит накопление энергии колебаний, поставляемой извне. Обычно он относится к линейным колебательным системам и характеризуется резонансными частотами - при приближении частоты внешнего воздействия к резонансной частоте в резонаторе наблюдается достаточно резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний. Наиболее простой вариант резонатора - труба, стоячие волны в которой возможны лишь для тех случаев, когда на длине трубы укладывается нечетное число четвертей длин волн. Соответственно, резонансные частоты будут равны:

где С₀ - скорость звуковых волн, а L - длина резонатора. Хотя резонансных частот несколько, однако сильнее всех выражена первая мода колебаний и этому случаю соответствует четвертьволновый резонатор длиной

Для оценки возможных параметров первой моды резонансных колебаний в таблице даны вычисленные по формуле (2) частоты и периоды основной моды, соответствующие набору длин L зоны разлома-резонатора. Из полученных оценок следует, что для крупных протяженных разломов (L>20 км) связанные с ними максимальные резонансные колебания следует искать в минутном диапазоне периодов.

Исходными данными для анализа служили непрерывные сейсмические записи компоненты цифровых станций "Байкал", с частотой дискретизации 100 Гц. С целью перехода к шагу дискретизации 120 сек (2 мин) вычислялись средние значения последовательности непересекающихся интервалов длиной 12000 отсчетов. В качестве примера на фиг. 1 приведены записи сейсмических колебаний с исходной частотой дискретизации (фиг. 1а) и после перехода к среднеквадратичной амплитуде и шагу по времени 2 минуты (фиг. 1б).

Если по исходным записям невозможно представить характер вариаций микросейсм в минутном диапазоне периодов, то на графиках среднеквадратичной амплитуды можно наблюдать интенсивные низкочастотные составляющие, в том числе суточные и приливные. Далее по сглаженным рядам в окне 720 отсчетов (1 сутки) определялись спектры горизонтальных и вертикальной компонент записи и рассчитывались их спектральные отношения. Это позволяет выделить резонансные колебания, формируемые разломной зоной, и подавить колебания, связанные с временными вариациями. В результате получаем график спектральных отношений, где по оси ординат взято отношение спектра горизонтальной компоненты к вертикальной (Фиг. 2). Максимум на периоде 8,8 мин нами интерпретируется как связанный с разломной зоной, длина которой составляет ~200 км.

Второй параметр разломной зоны - ширину определяют через частоту (или период) выделенной волны Стоунли по формуле

,

где , α и β - скорости продольных и поперечных волн соответственно, ρ - плотность среды, индексы F и М соответствуют жидкости и твердому телу, h и L - ширина и длина трещины соответственно.

При выделенном периоде 8,8 минут эффективную ширину разломной зоны оцениваем величиной 2180 м.

Сравнение предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области техники показывает следующее.

Известен способ обнаружения региональных зон повышенной трещиноватости и глубинных разломов литосферы, основанный на возбуждении и регистрации электромагнитного поля, включающий выделение из совокупности геологических данных по литосфере областей, характеризующихся отсутствием разломов, измерение магнитного поля с помощью двух магнитометров, расположенных так, что первый находится в области отсутствия разломов, выбранной из совокупности, а второй - в исследуемой зоне, и определение координат расположения зон повышенной трещиноватости и глубинных разломов, в котором производят излучение искусственного гармонического колебания электромагнитного поля в крайне низком (от 3 до 30 Гц) или сверхнизком (от 30 до 300 Гц) частотных диапазонах и осуществляют измерение вертикальной составляющей магнитного поля от искусственного источника электромагнитного поля на частотах излучения, причем измерения производят на границе раздела сред атмосфера - литосфера и выполняют сравнительный анализ полученных данных, наличие аномальных превышений значений величин вертикальной составляющей магнитного поля от источника искусственного излучения указывает на положение зон повышенной трещиноватости или глубинных разломов, положение разломов, протяженность зон определяют по участкам с величинами превышений вертикальной составляющей магнитного поля по полученным результатам на магнитометре, перемещаемом в исследуемой зоне, а по изменениям градиентов измеряемых значений определяют границы зон разломов, при этом показания магнитометра, находящегося в области отсутствия разломов, дополнительно используют для дистанционного контроля стабильности параметров излучаемого электромагнитного поля и среды распространения радиоволн (патент РФ №2374666, G01V 3/12, 2009 г., [3]).

Известен способ обнаружения региональных зон повышенной трещиноватости и глубинных разломов литосферы, включающий измерение магнитного поля Земли и определение геомагнитных координат расположения зон повышенной трещиноватости и глубинных разломов, в котором производят выделение из совокупности геологических данных по литосфере областей, характеризующихся отсутствием разломов, затем осуществляют измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью двух магнитовариационных станций, расположенных на одной геомагнитной широте так, что первая находится в области отсутствия разломов, выбранной из совокупности, а вторая в исследуемой зоне, и сравнение полученных данных, наличие аномальных значений величины горизонтальной составляющей магнитного поля определяет положение зоны повышенной трещиноватости или глубинного разлома, по величине превышения значения горизонтальной составляющей, полученного на второй станции, определяют активность или неактивность разломов, а путем сравнения значений горизонтальной составляющей, одно из которых получают с помощью второй станции, перемещаемой в зоне обнаружения разломов до тех пор, пока значения горизонтальной составляющей, полученные с помощью двух станций, не сравняются, определяют размеры зоны разломов (патент РФ №2226283, G01V 9/00, 2004 г., [4]).

Не выявлено в результате поиска и сравнительного анализа технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, обеспечивающей при использовании достижение аналогичных результатов, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение осуществляется следующим образом.

Пример

Способ реализуется на основе записей микросейсм станциями Байкальского филиала геофизической службы СО РАН. Для анализа были взяты записи сейсмостанции "Тырган" (TRG) за февраль, март 2013 г. Исходными данными для анализа служили непрерывные сейсмические записи компоненты цифровых станций "Байкал", с частотой дискретизации 100 Гц. С целью перехода к шагу дискретизации 120 сек (2 мин) вычислялись средние значения последовательности непересекающихся интервалов длиной 12000 отсчетов. В качестве примера на фиг. 1 приведены записи сейсмических колебаний с исходной частотой дискретизации (фиг. 1а) и после перехода к среднеквадратичной амплитуде и шагу по времени 2 минуты (фиг. 1б).

Если по исходным записям невозможно представить характер вариаций микросейсм в минутном диапазоне периодов, то на графиках среднеквадратичной амплитуды можно наблюдать интенсивные низкочастотные составляющие, в том числе суточные и приливные. Далее по сглаженным рядам в окне 720 отсчетов (1 сутки) определялись спектры горизонтальных и вертикальной компонент записи и рассчитывались их спектральные отношения. Это позволяет выделить резонансные колебания, формируемые разломной зоной, и подавить колебания, связанные с временными вариациями. В результате получаем график спектральных отношений, где по оси ординат взято отношение спектра горизонтальной компоненты к вертикальной (Фиг. 2). Максимум на периоде 8,8 мин нами интерпретируется как связанный с разломной зоной, длина которой составляет ~200 км.

Второй параметр разломной зоны определяем через частоту (или период) выделенной волны Стоунли по формуле

,

где α и β - скорости продольных и поперечных волн соответственно, ρ - плотность среды, индексы F и М соответствуют жидкости и твердому телу, h и L - ширина и длина трещины соответственно.

При выделенном периоде 8,8 минут эффективную ширину разломной зоны оцениваем величиной 2180 м.

Таким образом, по предлагаемому решению определены эффективная длина и ширина озера Байкал.

Аналогично возможно определение эффективных геометрических размеров и параметров зоны любого разлома, заполненного флюидами, что позволит определять структуру и рельеф местности, при необходимости вносить изменения в картографическую информацию.

Получаемую по предлагаемому техническому решению информацию по определению геометрических размеров и оценке состояния разломных зон, как совокупности большого количества трещин, возможно использовать для оценки сейсмической обстановки в зонах возможного промышленного и гражданского строительства, т.е. предлагаемое решение соответствует условию патентоспособности изобретения «промышленная применимость».

Информация

1. Патент РФ №2370791, G01V 1/00, 2009 г.

2. Патент РФ №2461026, G01V 1/40, E21B 47/14, 2012 г.

3. Патент РФ №2374666, G01V 3/12, 2009 г.

4. Патент РФ №2226283, G01V 9/00, 2004 г.