Одной из основных задач, ставящихся в последнее время перед сейсмическими наблюдениями в скважинах, является изучение анизотропии среды. С целью обеспечения высокой точности и полноты результатов классический подход к изучению анизотропии предполагает возбуждение не только продольных волн, но и поперечных волн в двух ортогональных направлениях [1]. В связи с отсутствием источников поперечных волн в настоящее время в России скважинные наблюдения выполняются с традиционными для сейсморазведки источниками продольных волн, в этом случае корректно может быть исследована только анизотропия продольных волн.
В практике сейсморазведки при оценке анизотропии обычно используется понятие поперечно(трансверсально)изотропной среды, характеризующейся плоскостью изотропии, в которой упругие свойства не меняются, и осью симметрии, перпендикулярной к этой плоскости. При горизонтальном положении оси симметрии среда называется горизонтальной поперечно-изотропной (HTI средой) или азимутально-анизотропной, а при вертикальном – вертикальной поперечно-изотропной (VTI средой). Анизотропия упругих свойств среды оценивается параметрами Томсена ε, γ [2]:
где VP – скорость продольной (P) волны; VSH – скорость быстрой поперечной (SН) волны; угол отсчитывается от оси симметрии.
В случае VTI среды положение оси симметрии задано, задача сводится к определению параметров ε и γ. В скважинной сейсморазведке, по данным продольного ВСП, в каждом слое могут быть определены VP0=VP(0°) и VS0=VSH(0°). В остальных модификациях по полученной скоростной модели и поляризации волны могут быть определены угол подхода волны к вертикальному профилю ϴ и скорость по лучу в слое, что позволяет при каждом измерении приближенно оценить параметры Томсена, используя выражения [3]:
Из (2) видно, что для определения параметра ε, характеризующего анизотропию продольных волн (1), требуются измерение скорости медленной поперечной волны VSV и определение третьего не менее важного параметра Томсена δ. Это возможно только при использовании источника направленного возбуждения поперечных волн. При отсутствии такого источника придется допустить предположение ε = δ (эллиптическая анизотропия), когда:
где показатель степени n≤4 можно подобрать по результатам нескольких измерений с различным удалением источника (и угла ϴ) из условия ε=const. Следует отметить, что выражение (4) допустимо только при достаточно больших углах ϴ, когда член с ε в выражении (2) для VP(ϴ) значительно больше, чем член с δ.
Выражение для VP(ϴ) из (2) легко преобразуется в квадратичную функцию относительно sin2ϴ:
что создает принципиальную возможность определения обоих параметров ε и δ по скорости продольных волн путем аппроксимации результатов измерений параболой. Однако точность определения будет существенно зависеть от числа данных и точности определения скорости, на которую влияет изменяющаяся верхняя часть разреза.
В случае HTI среды помимо параметров ε и γ дополнительно требуется определить азимут оси симметрии. Для этого необходимо либо выполнить специальные наблюдения с достаточно плотным расположением источников по полуокружности, позволяющие выявить направление максимальных значений скорости, соответствующее плоскости изотропии, и минимальных, соответствующее оси симметрии. Либо, исследуя поляризацию, установить факт расщепления поперечной волны в анизотропной среде на две: быструю SH, поляризованную в плоскости изотропии, и медленную SV, поляризованную по оси симметрии [1].
При работах с источником продольных волн в качестве поперечных волн используются нисходящие обменные PS-волны, что, в принципе, позволяет определить оба параметра ε и γ. Однако условия образования обменных волн меняются по площади из-за изменения тонкослоистого распределения упругих свойств среды и углов падения продольных волн, их амплитуда неустойчива и быстро уменьшается с глубиной. Обменные нисходящие волны интерферируют друг с другом и с другими вторичными волнами. При нормальном падении обменные волны не образуются, на материалах продольного ВСП они могут отсутствовать или иметь недостаточную интенсивность. Вследствие всего сказанного точность снятия фазовых годографов обменных волн и их привязки к вступлениям невысока. Поэтому оценка параметра γ без использования источника поперечных волн не гарантирована и вряд ли имеет смысл. Но при высокой интенсивности обменных волн исследование их поляризации и определение азимута оси симметрии вполне возможно [4].
Для оценки анизотропии среды могут быть применены три модификации скважинной сейсморазведки: многолучевое непродольное вертикальное сейсмическое профилирование (НВСП), ВСП-2D в модификации «метод обращенного годографа» (МОГ) и ВСП-3D. Возможности каждой из модификаций проанализируем по материалам экспериментальных работ, выполненных в одной скважине.
ИЗУЧЕНИЕ АНИЗОТРОПИИ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ НВСП
Данные многолучевого НВСП с источником продольных волн позволяют оценить анизотропию как HTI, так и VTI среды. Задача изучения анизотропии накладывает ряд ограничений на методику работ [2], число положений источника должно быть достаточно большим (не менее трех, точность результата возрастает с увеличением числа источников), удаление источника во всех направлениях должно быть одинаковым и не превышать половины глубины скважины. В выполненном эксперименте было шесть положений источника (в азимутах 69°, 136°, 197°, 227°, 294°, 351°), их удаление изменялось от 1281м до 1450 м, а альтитуда – от 175 м до 253 м.
Определение азимута оси симметрии для HTI среды выполнено по расщеплению поперечной волны по методике, предложенной в работе [2]. Для всех положений источника рассчитаны азимутальные графики амплитуды наиболее интенсивной нисходящей обменной РS-волны, образованной на резкой сейсмической границе – подошве верхней терригенной толщи (974 м). Началом отсчета является положение лучевой плоскости (азимут источника). В изотропной среде S-волна поляризована в лучевой плоскости, максимумы амплитуды, соответствующие направлению поляризации, должны наблюдаться в азимутах 0° и 180°. При наличии анизотропии поляризация S-волны смещена от лучевой плоскости, данные разных пунктов возбуждения (ПВ) должны группироваться вблизи двух ортогональных направлений, соответствующих поляризации расщепленных S-волн. Кровля анизотропного слоя устанавливается по результатам определений на различных глубинах.
На рис. 1 проиллюстрированы азимутальные графики амплитуд на глубине 3720 м (вблизи забоя скважины). Полученные направления поляризации, определяемые как сумма азимута ПВ и отклонения от лучевой плоскости, составили 69°, 146°, 21°, 37°, 93° и 171°. Неупорядоченный характер поляризации S-волны указывает на отсутствие выраженной азимутальной анизотропии, смещения поляризации от лучевой плоскости вызваны влиянием интерференции с другими волнами. Отсутствие анизотропии на глубине 3720 м свидетельствует об ее отсутствии во всей вышележащей толще пород.
С целью уточнения результатов анализ поляризации PS-волны дополнен поинтервальной оценкой азимутальных изменений лучевой скорости и затухания продольных и поперечных волн. При наличии азимутальной анизотропии скорости P- и S-волн и отношение Vs/Vp в направлении плоскости изотропии должны быть существенно больше, а затухание обеих волн существенно меньше, чем в ортогональном направлении (по оси симметрии). Расчеты выполнены в трех интервалах (1638 – 2597 м; 2597 – 3460м; 3460 – 3763 м), выбор которых определялся однородностью состава и скоростной характеристики отложений (скоростной разрез скважины по данным продольного ВСП приведен на рис. 2). Граница верхнего интервала выбрана таким образом, чтобы углы подхода волн к вертикальному профилю не превышали 45°. Полученные результаты приведены в таблице. Упорядочение данных по двум ортогональным направлениям, характерное для азимутально-анизотропной среды, не проявляется. В двух верхних интервалах отношения Vs/Vp близки во всех направлениях, за исключением ПВ6, на который наклон скважины и рельеф поверхности влияют в наибольшей степени. Коэффициенты затухания имеют малую величину, не характерную для анизотропных зон, и соизмеримы с ошибками определения, их изменение не согласуется с характером изменения отношения Vs/Vp. В нижнем интервале дифференциация скоростей и затухания повышается, но причиной является снижение точности определений вследствие уменьшения длины интервала. Таким образом, анализ скорости и затухания продольной и поперечной волн подтверждает отсутствие выраженной азимутальной анизотропии.
Достаточно большое число источников позволяет также выполнить оценку азимутальной анизотропии продольных волн по азимутальному изменению лучевой скорости. На исходных материалах преимущественно проявляется зависимость от альтитуды источника: с уменьшением альтитуды источника лучевые скорости повышаются за счет размыва наиболее низкоскоростной части отложений. Для устранения этого фактора годографы первых вступлений сдвинуты во времени так, чтобы лучевая скорость на подошве верхней терригенной толщи (974 м) была одинаковой для всех ПВ (рис. 2). В связи с высоким уровнем шумов верхняя часть данных до глубины 480 м исключена из расчетов. В интервале от 974 м до 2093 м (кровля карбонатных каменноугольных отложений) наблюдается постепенный рост различий лучевой скорости для разных ПВ: скорости в северной части несколько выше, чем в южной. В целом изменение скорости не носит симметричный характер, позволяющий определить направление плоскости изотропии (по максимальной скорости) и оси симметрии (по минимальной скорости). Наибольшее различие наблюдается между соседними ПВ1 и ПВ2 и составляет 2,2 %. Причиной изменений скорости является, скорее всего, не анизотропия среды, а изменение строения рассматриваемой толщи пород, содержащей соли и ангидриты. Ниже 2093 м в преимущественно карбонатных отложениях графики лучевых скоростей практически параллельны, что еще раз подтверждает отсутствие азимутальной анизотропии во всем интервале глубин.
При выявлении азимутальной анизотропии после определения азимута оси симметрии можно составить систему уравнений из выражений (2) или (3) для каждого пункта возбуждения и определить параметры ε и γ.
Годографы первых вступлений НВСП позволяют выполнить анализ анизотропии скорости продольных волн в вертикальной плоскости для VTI среды. Результаты определения параметра ε для VTI среды проиллюстрированы на рис. 3. Определения выполнены путем расчета траектории луча и подбора по выражению (3) параметра анизотропии для каждого слоя в последовательности сверху вниз с использованием в качестве вертикальной скоростной модели результатов продольного ВСП.
В верхней низкоскоростной терригенной части разреза (до 974 м) анизотропия скорости продольных волн возрастает с уменьшением глубины, на полученные оценки дополнительно влияют рефракция и преломление на не учтенных промежуточных границах. В интервале от 974 м (подошва верхней терригенной толщи – кровля солей кунгурского яруса) до 1638 м (кровля ангидритов филипповского горизонта) среднее значение параметра ε постепенно уменьшается от 0,05 до 0,025 из-за ослабления влияния верхней части разреза. Ниже глубины 1638 м параметр ε имеет малую величину, практически не меняется и не обладает выраженной зависимостью от азимутального направления. Среднее значение параметра ε в вертикальной плоскости здесь составляет около 0,02. Имеющиеся азимутальные различия вызваны изменением удаления и альтитуды источника, что особенно контрастно отражается на соседних ПВ3 и ПВ4.
Таким образом, по данным НВСП, в области исследованной скважины азимутальная анизотропия среды отсутствует. Анизотропия скорости продольных волн в вертикальной плоскости (для VTI среды) на больших глубинах выражена слабо, параметр ε равен 0,02.
ОЦЕНКА АНИЗОТРОПИИ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ МОГ (ВСП-3D)
При наличии не менее трех профилей МОГ может быть выполнена выборка источников с равным удалением и аналогично НВСП определена азимутальная анизотропия среды, но только на глубине установки зонда. Данные МОГ по одному профилю позволяют оценить анизотропию скорости продольных волн только для VTI среды. В отличие от НВСП, представляется возможность оценки анизотропии продольных волн по выражению (4) с подбором показателя степени n или по аппроксимации результатов измерений выражением (5). МОГ выполняется с приемными скважинными зондами небольшой длины (до первых сотен метров), поэтому при расчетах может быть использована только двухслойная модель и определены среднее значение параметра ε в толще от дневной поверхности до верхней глубины зонда и значение параметра в интервале приема. Оценка анизотропии продольных волн по данным МОГ проиллюстрирована на рис. 4. Приемники установлены в интервале глубин 1800 — 1890 м. Диапазон изменения удалений источника от устья скважины составил 630 — 3352 м, по условиям местности в центральной части наблюдения не выполнены. Альтитуды источника меняются по профилю в больших пределах: от 156 м — в южной части профиля, до 271 м — в северной. Результаты представлены в виде зависимости параметра ε от угла подхода волны ϴ, который меняется от 20° до 62°.
Результат определения среднего значения параметра ε в толще над скважинным зондом в значительной степени определяется альтитудой источника: на участках понижения альтитуды лучевые скорости повышаются, что приводит к завышению параметра. 
На определение параметра в интервале приема удаление и альтитуда источника влияют в меньшей степени, результат является более корректным. Однако при малых углах подхода (менее 30°) точность расчетов также резко понижается – вследствие малой величины члена с ε в выражении (2) для VP(ϴ). При углах подхода более 30° результат устойчив, сказывается лишь изменение альтитуды источника. Среднее значение параметра ε по профилю содержится в пределах 0,02 – 0,03 и уменьшается в сторону поднятия рельефа в северном направлении из-за остающегося некоторого влияния низкоскоростной верхней части разреза. В целом полученные результаты близки к результатам НВСП на глубине 1800 м (рис. 3), МОГ вполне может быть использован для оценки анизотропии VTI среды.
Оценка анизотропии аппроксимацией результатов измерений выражением (5) выполнена отдельно для левой и правой части профиля МОГ. Из-за разброса данных аппроксимация оказалась неустойчивой. В интервале приема для левой части, состоящей из 49 измерений, выбраны наиболее правдоподобные оценки ε = 0,065 и δ = 0,045. Для правой части, состоящей из 79 измерений, выбраны ε = 0,049 и δ = 0,010. Неоднозначность, значительные расхождения оценок этим способом и их отличие от предыдущих результатов объясняются гораздо большей зависимостью от неоднородности верхней части разреза. Возможно, более устойчивые результаты этим способом могут быть достигнуты при обработке большего массива данных в ВСП-3D.
ОЦЕНКА АНИЗОТРОПИИ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ ВСП-3D
В отличие от двумерных наблюдений ВСП-3D представляет широкие возможности как для определения азимутальной анизотропии среды по технологии, отработанной для многолучевого НВСП, так и анизотропии в вертикальной плоскости по технологии, рассмотренной для МОГ, но оценка анизотропии возможна только на глубине установки скважинного зонда (в эксперименте также 1800 – 1890 м). Для иллюстрации этих возможностей из данных ВСП-3D выбраны 9 пунктов возбуждения, расположенных в различных азимутах на удалении около 1200 м от установки приемников. При выборе удаления учитывались результаты МОГ (углы подхода должны превышать 30°). К сожалению, пропуски по условиям местности не позволили получить выборку, равномерную как по удалениям, так и по азимутам. Азимуты выбранных источников приведены на рис. 5, их альтитуды – на рис.6, удаление изменялось от 1106 м до 1278 м.
Расчет азимутальных графиков амплитуды выполнен, как и в НВСП, для интенсивной обменной РS-волны, образованной на подошве верхней терригенной толщи. Полученные результаты оказались аналогичными НВСП, они достаточно убедительно показывают отсутствие выраженной азимутальной анизотропии на глубине 1800м (рис. 5). При шаге расчета 10° отклонение поляризации волны от лучевой плоскости не превышает 18°, не носит системный характер и вызвано влиянием интерференции с другими волнами. При использовании зонда ограниченной длины полученная оценка азимутальной анизотропии относится к вышележащим отложениям, при выявлении анизотропии конкретная глубина нахождения анизотропного слоя остается неизвестной. При присутствии нескольких слоев с разным характером азимутальной анизотропии результат будет искажен [1].
В отличие от МОГ, в ВСП-3D при оценке анизотропии VTI среды могут быть проанализированы азимутальные изменения параметров Томсена. На рис. 6 для выбранных источников приведены графики изменения параметра ε, определенного для VTI среды в интервале приема (1800 – 1890 м), и среднего значения параметра в толще от дневной поверхности до глубины 1800 м в зависимости от азимута источника. Полученные результаты близки к результатам НВСП и МОГ. Среднее значение параметра ε в толще от дневной поверхности до глубины приема тесно коррелируется с альтитудой источника, на участках понижения альтитуды значение параметра повышается. То есть, азимутальное изменение параметра вызвано преимущественно изменением строения верхней части разреза, а не анизотропией среды. Учитывая результаты НВСП, определенное влияние может оказать также изменение строения толщи солей и ангидритов кунгурского возраста. Параметр ε для интервала 1800 – 1890 м меняется в меньшей степени (от 0,02 до 0,05), среднее значение составляет около 0,025. Азимутальные изменения параметра вызваны преимущественно остаточным влиянием рельефа поверхности, а не азимутальной анизотропией среды.
Результаты всех модификаций скважинной сейсморазведки (НВСП, МОГ, ВСП-3D) оказались близкими, в области исследованной скважины анизотропия скорости продольных волн в вертикальной плоскости (VTI среда) на больших глубинах выражена слабо, параметр ε содержится в пределах 0,02 – 0,03. Азимутальная анизотропия скорости (HTI среда) практически отсутствует, изменение скорости по латерали имеет сложный характер и определяется преимущественно альтитудой источника, некоторое влияние оказывает изменение строения толщи солей и ангидритов кунгурского возраста.
ВЫВОДЫ
По материалам скважинной сейсморазведки с источником продольных волн реально может быть исследована только анизотропия продольных волн, для оценки анизотропии поперечных волн необходим источник направленного возбуждения поперечных волн. Для надежного определения анизотропии VTI среды углы подхода волн к вертикальному профилю должны превышать 30°. Только многолучевое НВСП обеспечивает оценку анизотропии HTI и VTI сред во всем интервале глубин. МОГ и ВСП-3D с коротким зондом позволяют оценить анизотропию только на глубине приема. При этом оценка азимутальной анизотропии относится к вышележащей толще отложений, конкретная глубина нахождения анизотропного слоя остается неизвестной. ВСП-3D, в отличие от двумерных наблюдений, представляет широкие возможности для азимутальной выборки пунктов возбуждения и определения анизотропии HTI и VTI сред, большая плотность наблюдений обеспечивает более высокую точность результатов. Пространственное расположение лучей в ВСП-3D представляет возможность определения реальной анизотропии среды с реальным положением осей симметрии, не ограничиваясь случаями HTI и VTI сред. Полная реализация возможностей ВСП-3D требует создания специального программного обеспечения.
