МЕТОДЫ ФАЗОЧАСТОТНОГО ПРОСЛЕЖИВАНИЯ И ИХ

МЕТОДЫ ФАЗОЧАСТОТНОГО ПРОСЛЕЖИВАНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ОБРАБОТКИ
ДАННЫХ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Иванченков Виктор Павлович, Кочегуров Александр Иванович, Купина Наталья Артемовна
ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, Томск
При обработке сейсмических материалов, получаемых при поиске нефтяных и газовых
месторождений, возникает целый ряд проблем, связанных с необходимостью анализа и обработки
больших массивов данных в условиях неполной априорной информации о возбуждаемых
сейсмических колебаниях и среды их распространения. Вследствие этого имеет место значительная
сложность и вычислительная трудоемкость решения обратных задач сейсморазведки - определения
геологического строения Земли по зарегистрированному полю упругих волн.
В настоящее время прогресс в решении обратных задач сейсморазведки во многом
обеспечивается внедрением в практику обработки супер ЭВМ, позволяющих обрабатывать
одновременно сотни сейсмических трасс потоком команд одной и той же процедуры. Поскольку
сейсмические поля легко разделятся на отдельные сейсмические трассы, эффективность
параллельной обработки данных очень высока, особенна при реализации трудоемких процедур,
таких как дискретное преобразование Фурье (ДПФ), преобразование Гильберта и т.д.
В этом плане значительный интерес представляют методы фазочастотного анализа волновых
полей, требующие для своей реализации многократного вычисления мгновенных фазовых спектров
участков сейсмотрасс. В фазу сейсмических сигналов, точнее в сложный закон изменения их фазовых
спектров (ФЧХ), заложена важная информация о местоположении отражающих границ, типе
скоростного разреза, поглощающих и дисперсионных свойствах слоистых сред [1−2]. На этой основе
могут быть синтезированы фазочастотные алгоритмы прослеживания сейсмических данных,
позволяющие в условиях априорной неопределенности относительно формы исследуемых волн
обнаруживать и разрешать сигналы на фоне интенсивных помех и получать надежные оценки их
параметров. Использование фазочастотных характеристик отраженных волн оказывается также
полезным при решении задач прогноза геологического разреза [1-3], в том числе прогнозе
нефтегазоносности осадочных толщ.
Прослеживание сейсмических волн является одной из центральных задач структурной
сейсморазведки. Не менее важное значение оно имеет и для решения задач прогноза геологического
разреза, в том числе прогноза залежей углеводородов. При решении этих задач не только требуется
оценивать время прихода целевых волн, но и осуществлять детальное расчленение слоистых
неоднородных осадочных толщ, определять форму выделяемых геологических объектов. В [4]
предложен оптимальный фазочастотный метод прослеживания фиксированных волн на фоне
гауссовых помех, который реализуется как процедура поиска положения максимума функции G ()
вида:
n
G ( )    ( f k ) cos(  ( f k )  2f k ) .
(1)
k 1
В выражении (1) весовая функция
 ( fk )
определяет отношение сигнала к шуму, а
разность фазовых спектров сигнала и смеси «сигнал плюс шум» на частоте
 ( f k ) −
f k ,  − сдвиг окна
анализа, n − число частот, k  1,..., n .
При практическом применении оптимального фазочастотного метода прослеживания (ФЧП)
возникают определенные трудности, связанные, в частности, с оценкой величины  ( f k ) в выбранном
диапазоне частот. Поэтому в [5-6] были предложены и исследованы фазочастотные алгоритмы,
названные алгоритмами с равновесной и неравновесной обработкой. Эти алгоритмы получены из
оптимального метода путем замены в (1) весовой функции  ( f k ) на другие, специально
подобранные функции. В общем случае, функция качества
фазочастотного прослеживания может быть выражена в виде:
L( )
для
таких
алгоритмов
n
L()   W ( f k ) cos(( f k )  2f k ) ,
(2)
k 1
где
W ( f k ) принимаемая весовая функция,  ( f k ) – мгновенный фазовый спектр выделяемого
участка сейсмотрассы. Временное положение волн оценивается по положению максимума функции
L( ) , которая формируется при перемещении окна анализа  вдоль сейсмической трассы (рис. 1).
Для равновесного алгоритма весовая функция принимается равной единице во всей используемой
полосе частот, для алгоритмов с неравновесной обработкой W ( f k ) задается треугольной,
синусоидальной или экспоненциальной формы.
Рисунок 1 - Схема фазочастотного прослеживания сейсмических волн;
–
текущее
положение центра окна анализа, T – длительность окна анализа
В качестве примера на рис.2. показаны фрагменты сейсмических разрезов для одного из
профилей Мыльджинского газоконденсатного месторождения Томской области после стандартной
обработки (рис.2, а) и фазочастотного прослеживания с неравновесной обработкой (рис.2, б). Расчет
мгновенных ФЧХ осуществлялся на суперкомпьютерном кластере «СКИФ- политех». Для реализации
ФЧП в процессе вычислений потребовалось произвести несколько тысяч ДПФ в перемещающемся
вдоль трассы окне анализа. Весовая функция W ( f k ) имела треугольный вид:


0,

2  2
W (2f ) 
( f  f H ),

3f C  f C
 1
 f ( f  f B ),
 C
f  fH
f H  f  fC
(3)
fC  f  f B
2f B и 2f H – соответственно верхние и нижние частоты, определяющие W (2f K ) ; 2f C –
частота максимума W (2f K ) . При этом f C =2 f H ; f B =2 f C .
где
Как видно из рисунка, на разрезе ФЧП (рис.2,б), в отличие от стандартной обработки (рис.2,а),
удается выделить основные отражающие горизонты нижнего мела и верхней юры, причем уверенно
прослеживаются даже очень слабые по интенсивноёсти отражения.
Методы фазочастототного прослеживания, как уже отмечалось выше, также могут быть
эффективно использованы для прогноза нефтегазоносности осадочных толщ. Так, проведенные на
ряде моделей геологических сред исследования показали, что фазовые спектры отраженных волн
значимо зависят от изменения акустических и поглощающих свойств этих сред.
Рисунок 2 - Результаты прослеживания: а - разрез ОГТ, б – разрез ФЧП
На основании этих данных были разработан алгоритм фазовременного (ФАН) анализа,
который использовался для прогноза типов геологического разреза в около- и межскважинном
пространстве [3]. При этом для каждой анализируемой сейсмотрассы в области исследуемой толщи
формировался набор функций ФЧП общего вида:
n 1
Li ()   Wi ( f k ) cos( f k )  2f k  ,
(4)
k 0
где i – номер фильтра ( i  1,..., l ), l – число используемых фильтров. Совокупность функций вида (4)
образует ФАН-колонку (ФАН-образ) для данной сейсмотрассы, а их совокупность для набора
сейсмотрасс вдоль профиля наблюдения образует ФАН-разрез.
Для решения данной задачи дополнительно привлекались данные геофизического исследования
скважин. На рис. 3 представлены эталонные ФАН-образы геологического разреза четырех типов,
сформированные для скважин Болтного нефтяного месторождения. Эти ФАН-образы использовались
в дальнейшем для определения области распространения таких типов геологического разреза в
пределах всего месторождения.
I –тип
II – тип
III – тип
IV – тип
Рисунок 3 - Эталонные ФАН – образы, выделенные для различных типов геологического
разреза. Gr –георгиевская, Tm – тюменская свиты
Таким образом, результаты обработки реальных сейсмических материалов показали большую
перспективность применения фазочастотных методов как для решения структурных задач, так и
задач прогноза геологического разреза. При этом, эффективность применения данных методов, в том
числе, существенно зависит от имеющихся вычислительных ресурсов, так как расчет ФЧХ участков
сейсмотрасс требует многократных вычислений ДПФ в коротких окнах.
Литература
1. Авербух А.Г., Трапезникова Н.А. Отражение и преломление плоских волн при нормальном
падении на границу поглощающих сред // Изв. АН СССР Физика Земли. – 1972. – №9, с. 74-83.
2. Худзинский Л.А. Об определении некоторых параметров однородных слоев по их фазовым
спектральным характеристикам // Изв. АН СССР. Физика Земли. – 1996. – №5. – C. 68-77.
3. Иванченков В.П., Вылегжанин О.Н., Орлов О.В.и др. Методы фазочастотного анализа волновых
полей и их применение в задачах обработки данных сейсморазведки// Известия Томского
политехнического университета.- 2006.- т. 309, - № 7.- С.65-70.
4. Иванченков В.П., Кочегуров А.И. Определение временного положения сейсмических сигналов по
оценкам их фазочастотных характеристик // Геология и геофизика. –1988. – № 9. – C.77-83.
5. Кочегуров А.И. Анализ алгоритмов измерения временного положения сложных сигналов по
оценкам их фазочастотных характеристик// Проблемы информатики.-2011 - №. 2(10) - C. 44-50.
6. Иванченков В.П., Кочегуров А.И. Фазочастотные алгоритмы оценки местоположения
пространственно-временных сигналов в условиях априорной неопределенности // Известия вузов.
Физика. – 1995. – № 9. – C.100-104.