Льва Александровича

Книга посвящается: Столетию со дня рождения профессора Льва Александровича
Рябинкина (1910-1985),
Учителя и первого заведующего кафедрой полевой геофизики РГУ имени И.М. Губкина
РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина благодарит компанию Schlumberger за финансовую
поддержку этого издания.
Рецензенты:
кафедра методов полевой геофизики Российского государственного геологоразведочного
университета им. С. Орджоникидзе,
доктор технических наук, профессор Е.А. Козлов (ООО «Парадайм Геофизикал»).
Воскресенский Ю.Н.
Полевая геофизика: Учебник для вузов. – М.: ООО «Издательский дом Недра», 2010,
с. 488 с ил.
Учебник состоит из четырех частей, посвященных сейсморазведке, гравиразведке,
магниторазведке и электроразведке – основным геофизическим методам, применяемым в
нефтегазовой геологии. В книге даются представления о физико-геологических основах,
аппаратуре, методике полевых работ, обработке и интерпретации данных этих методов и
их геологических возможностях.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по
специальности 130304 «Геология нефти и газа» направления 130300 «Прикладная
геология». Он представляет также интерес для широкого круга студентов и специалистов
смежных нефтегазовых областей, желающих ознакомится с основами методов полевой
геофизики и, особенно, с сейсморазведкой.
Voskresenskiy Yu. N.
Field Geophysical Exploration: The textbook for high school students. – Moscow,
This textbook consists of four parts, covering seismic, gravity, magnetic and electrical exploration - the
main geophysical methods in petroleum geology. Physical and geological foundations of those methods are
considered along with surveying equipment & technique, data processing and interpretation. The geological
efficiency of each method is discussed.
The textbook is intended for high school students educating on specialty 130304 "Petroleum Geology" of
the direction 130300 "Applied Geology". It may be also useful for a wide range of students and professionals of
petroleum-related specialties willing to understand the basics of exploration geophysics and, especially,
exploration seismology.
Это издание, являясь собственностью РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, не может быть
репродуцировано (воспроизведено) любыми способами без согласия университета.
© Воскресенский Ю.Н., 2010
© Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина,
© ООО «Издательский дом Недра»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Содержание учебника соответствует Государственному образовательному стандарту
и действующей в настоящее время примерной учебной программе дисциплины «Полевая
геофизика». В основу учебника положены лекции по этому курсу, читаемые автором в
Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина.
В книге дано изложение физических и геологических основ, методики и техники
полевых работ, обработки и интерпретации данных сейсморазведки, гравиразведки,
магниторазведки и электроразведки, причем с учетом ведущей роли сейсморазведки в
общем комплексе геофизических работ на нефть и газ ей уделено относительно большее
внимание и она рассматривается ранее других методов.
Интенсивное развитие методов полевой геофизики в последние десятилетия
обусловлено быстрым прогрессом их теории и методики, а также электроники и
вычислительной
техники,
что
позволяет
регистрировать,
обрабатывать
и
интерпретировать в ограниченное время огромное количество собранной на поверхности
Земли геофизической информации. Необходимость создания данного учебника вызвана
тем, что с момента выхода последних учебных изданий [2, 3] по этой дисциплине прошло
уже более 20-ти лет и к настоящему времени они значительно устарели. Особенно это
касается раздела о сейсморазведке.
Изложение материалов приводится на достаточно простом физическом уровне без
излишних математических подробностей. Однако при рассмотрении ряда проблем не
удалось избежать вопросов, связанных с представлением геофизических сигналов в
пространственной, временной и частотной областях. Поэтому основы спектральных
представлений - общие для любых геофизических методов - приводятся в упрощенном и
сжатом виде в конце книги в качестве Приложения.
Автор благодарен коллегам по кафедре разведочной геофизики – профессорам С.А.
Серкерову и В.И. Рыжкову, доцентам А.В. Белоусову, В.А. Бакирову, Е.Б. Варову, а также
И.В. Фельду за просмотр и замечания по содержанию различных разделов учебника.
Автор признателен компании «Шлюмберже» за спонсорский вклад в издание книги.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Часть 1. СЕЙСМОРАЗВЕДКА
Глава 1. ОБРАЗОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
1.1. Напряжения и упругие деформации, связь между ними
1.2. Уравнение движения (волновое уравнение), объемные волны
1.3. Характеристики сейсмических колебаний
1.3.1. Сферические и плоские волны, их форма и амплитуда
1.3.2. Особенности распространения волн в неидеально упругих средах
1.4. Кинематические основы сейсморазведки - геометрическая сейсмика
1.4.1. Поле времен сейсмической волны. Принципы Гюйгенса и Ферма
1.4.2. Понятие о годографах сейсмических волн и кажущейся скорости
1.5. Динамические особенности волнового поля
1.5.1. Лучевые представления
1.5.2. Волновые представления. Принцип Гюйгенса-Френеля и интеграл Кирхгофа.
Контрольные вопросы
Глава 2. СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ
2.1. Отражение и прохождение сейсмических волн
2.2. Преломленные (головные) волны
2.3. Дифрагированные волны
2.4. Поверхностные волны
2.5. Неоднородные и анизотропные среды и их скоростные характеристики
2.5.1. Модели слоистых и градиентных сред.
2.5.2. Анизотропные среды и их скоростные характеристики.
2.6. Сейсмические волны в слоистых средах
2.6.1. Однократные и кратно-отраженные волны
2.6.2. Преломленные волны в многослойной среде и рефрагированные волны.
Контрольные вопросы
Глава 3. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДЫ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
3.1. Петрофизические основы сейсморазведки
3.1.1. Упругие и поглощающие свойства горных пород
3.1.2. Сейсмическое отображение элементов геологического разреза
3.2. Методы сейсморазведки
Контрольные вопросы
Глава 4. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПОЛЕВЫХ РАБОТ
4.1. Основы регистрации сейсмических сигналов
4.1.1. Сейсморегистрирующий канал и его характеристики
4.1.1. Принципы цифровой регистрации
4.1.3. Сейсмическая регистрирующая аппаратура
4.1.4. Сейсмоприемники
4.1.5. Источники сейсмических колебаний и условия возбуждения колебаний
4.2. Методика сейсморазведки
4.2.1. Линейные системы наблюдений. Сети профилей.
4.2.2. Площадные системы наземных наблюдений
4.2.3. Методика морской сейсморазведки
Контрольные вопросы
Глава 5. СТРУКТУРА СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЛНОВОГО ПОЛЯ
5.1. Сейсмические трассы, сейсмограммы и волны на них
5.2. Динамические характеристики сейсмических волн
5.3. Моделирование сейсмических трасс и сейсмограмм
Контрольные вопросы
Глава 6. КИНЕМАТИКА ОТРАЖЕННЫХ И ДИФРАГИРОВАННЫХ ВОЛН
6.1. Среда с одной границей раздела или точкой дифракции
6.2. Многослойная среда
Контрольные вопросы
Глава 7. ОБРАБОТКА ДАННЫХ МОВ - ПОЛУЧЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
7.1. Регулировка амплитуд
7.2. Частотная и пространственная фильтрация сейсмических данных
7.3. Обратная фильтрация (деконволюция)
7.4. Метод общей средней точки (ОСТ)
7.4.1. Временная коррекция трасс сейсмограмм ОСТ
7.4.2. Суммарные временные разрезы и проявление на них различных волн
7.5. Сейсмическая миграция
7.5.1. Миграция Кирхгофа после суммирования
7.5.2. Миграция Кирхгофа до суммирования
7.5.3. Рекурсивные методы миграции
7.6. Получение изображений в 3D сейсморазведке
7.6.1. 2D и 3D сейсморазведка
7.6.2. Особенности построения изображений в 3D сейсморазведке
7.7. Последовательность процедур обработки данных МОВ
Контрольные вопросы
Глава 8. ОСНОВЫ МЕТОДА ПРЕЛОМЛЕННЫХ ВОЛН (МПВ)
8.1. Кинематика преломленных волн
8.2. Построение сейсмических изображений по данным МПВ
8.2.1. Построение кинематических разрезов
8.2.2. Построение динамических разрезов МПВ
Контрольные вопросы
Глава 9. МНОГОВОЛНОВАЯ СЕЙСМОРАЗВЕДКА И СКВАЖИННЫЕ МЕТОДЫ
9.1. Многоволновая сейсморазведка
9.2. Скважинные сейсмические методы
Контрольные вопросы
Глава 10. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХ ДАННЫХ
10.1. Основные инструменты сейсмической интерпретации
10.1.1. Сейсмические атрибуты, их получение и геологическое значение
10.1.2. AVO анализ
10.1.3. Сейсмическая инверсия
10.1.4. Методы спектрального разложения
10.2. Кинематическая (структурная) интерпретация
10.3. Динамическая интерпретация
10.3.1. Сейсмофациальный анализ
10.3.2. Статистические приёмы динамической интерпретации
10.3.3. Геостатистическая инверсия
10.4. Разрешающая способность сейсморазведки
10.5. Представление о геологической модели резервуара
Контрольные вопросы
Глава 11. ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
11.1. Изучение земной коры и региональные исследования
11.2. Сейсморазведка на стадии разработки и эксплуатации нефтегазовых
месторождений
Контрольные вопросы
Часть 2. ГРАВИРАЗВЕДКА
Глава 12. ФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГРАВИРАЗВЕДКИ
12.1. Сила тяжести, потенциал силы тяжести
12.2. Нормальное и аномальное поле силы тяжести. Фигура Земли
12.3. Редукции и аномалии силы тяжести
12.4. Плотность горных пород
Контрольные вопросы
Глава 13. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПОЛЕВЫХ РАБОТ
13.1. Принципы измерения гравитационного поля и аппаратура
13.2. Методика гравиразведочных работ
Контрольные вопросы
Глава 14. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГРАВИРАЗВЕДКИ
14.1. Трансформации аномалий силы тяжести
14.2. Качественная интерпретация гравитационных аномалий
14.3. Количественная интерпретация гравитационных аномалий
14.4. Области применения гравиразведки
Контрольные вопросы
Часть 3 МАГНИТОРАЗВЕДКА
Глава 15. ФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТОРАЗВЕДКИ
15.1. Силы магнитного взаимодействия. Магнитный потенциал.
15.2. Элементы магнитного поля и его изменение во времени
15.3. Нормальное и аномальное магнитное поле
15.4. Магнитные свойства горных пород
Контрольные вопросы
Глава 16. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПОЛЕВЫХ РАБОТ
16.1. Принципы измерения геомагнитного поля и аппаратура
16.2. Методика магниторазведочных работ
Контрольные вопросы
Глава 17. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ МАГНИТОРАЗВЕДКИ
17.1. Качественная интерпретация магнитных аномалий
17.2. Количественная интерпретация магнитных аномалий
17.3. Совместная интерпретация магнитных и гравитационных аномалий
17.4. Области применения магниторазведки
Контрольные вопросы
Часть 4. ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА
Глава 18. ФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
18.1. Основные представления об электромагнитном поле
18.2. Электромагнитные свойства горных пород. Геоэлектрический разрез
18.3. Классификация методов электроразведки
Контрольные вопросы
Глава 19. МЕТОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
19.1. Поле постоянного электрического тока
19.2. Электрические зондирования на постоянном токе
19.2.1. Виды электрических зондирований и методика работ
19.2.2. Интерпретация данных ЭЗ
19.3. Электрическое профилирование на постоянном токе
Контрольные вопросы
Глава 20. МЕТОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИСКУССТВЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ
20.1. Метод вызванной поляризации
20.2. Методы электромагнитных зондирований
20.2.1. Частотное зондирование
20.2.2. Зондирование становлением поля
Контрольные вопросы
Глава 21. МЕТОДЫ ПЕРЕМЕННОГО ПОЛЯ С ЕСТЕСТВЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ
21.1. Магнитотеллурическое зондирование и профилирование
21.2. Метод теллурических токов
Контрольные вопросы
Глава 22. АППАРАТУРА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
22.1. Электроразведочная аппаратура
22.2. Области применения электроразведки
Контрольные вопросы
ПРИЛОЖЕНИЕ: СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ И ИХ ФИЛЬТРАЦИЯ
П1. Сигналы и их характеристики
П1.1. Преобразование Фурье
П1.2. Характеристики случайных сигналов
П1.3. Дискретизация непрерывных сигналов
П2. Фильтрация сигналов
П2.1. Фильтрация во временной и частотной областях
П2.2. Двухмерная фильтрация
П2.3. Оптимальная фильтрация
П2.4. О преобразовании Гильберта
П2.5. Представление о спектральном разложении
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
CONTENTS
PREFACE
INTRODUCTION
Part 1. SEISMIC EXPLORATION
Chapter 1. GENERATION AND PROPAGATION OF SEISMIC WAVES
1.1. Stress and strain, the relation between them
1.2. Equation of motion (wave equation), body waves
1.3. Properties of seismic waves
1.3.1. Spherical and plane waves, their waveforms and amplitudes
1.3.2. Wave propagation in imperfectly elastic media
1.4. Kinematic fundamentals of seismics - geometric seismology
1.4.1. Time field of a seismic wave. Huygens' and Fermat's principles
1.4.2. The concepts of seismic travel-time curves and the apparent velocity
1.5. Dynamic characteristics of the seismic wave field
1.5.1. Ray representation
1.5.2. Wave representation. The principle of Huygens-Fresnel and Kirchhoff integral.
Quiz
Chapter 2. SEISMIC WAVES IN INHOMOGENEOUS MEDIA
2.1. Reflection and transmission of seismic waves
2.2. Refracted (head) waves
2.3. Diffracted waves
2.4. Surface waves (Ground roll)
2.5. Inhomogeneous and anisotropic media and their velocity characteristics
2.5.1. Models of layered and gradient media.
2.5.2. Anisotropic media and their velocity characteristics.
2.6. Seismic waves in stratified media
2.6.1. Primary and multiple reflected waves
2.6.2. Head waves in a multilayer medium and refracted waves.
Quiz
Chapter 3. GEOLOGICAL FUNDAMENTALS AND SEISMIC EXPLORATION METHODS
3.1. Petrophysical basis of seismics
3.1.1. Elastic and absorptive properties of rocks
3.1.2. Seismic representation of geological section elements
3.2. Seismic methods
Quiz
Chapter 4. EQUIPMENT AND SEISMIC SURVEYING TECHNIQUES
4.1. Fundamentals of seismic signal recording
4.1.1. Seismic channel and its characteristics
4.1.1. Principles of digital recording
4.1.3. Seismic recording equipment
4.1.4. Geophones
4.1.5. Sources of seismic waves and the conditions of wave generation
4.2. Seismic surveying techniques
4.2.1. Linear surveying systems. Surveying grids.
4.2.2. 3D land surveying systems
4.2.3. Marine seismic surveying
Quiz
Chapter 5. SEISMIC WAVE FIELD STRUCTURE
5.1. Seismic traces, seismograms and waves on them
5.2. Dynamic characteristics of seismic waves
5.3. Modeling of seismic traces and seismograms
Quiz
Chapter 6. KINEMATICS OF REFLECTED AND DIFFRACTED WAVES
6.1. Medium with one interface or point of diffraction
6.2. Multilayer medium
Quiz
Chapter 7. REFLECTION DATA PROCESSING – SEISMIC IMAGING
7.1. Amplitude control
7.2. Frequency and spatial filtering of seismic data
7.3. Inverse filtering (deconvolution)
7.4. Common midpoint (CMP) method
7.4.1. Time corrections for CMP seismograms
7.4.2. Stacked time sections and waves on them
7.5. Seismic migration
7.5.1. Poststack Kirchhoff migration
7.5.2. Prestack Kirchhoff migration
7.5.3. Recursive migration methods
7.6. 3D seismic imaging
7.6.1. 2D and 3D seismic exploration
7.6.2. Specificity of 3D Seismic imaging
7.7. Reflection Data processing flow
Quiz
Chapter 8. FUNDAMENTALS OF REFRACTION SEISMICS
8.1. Kinematics of head waves
8.2. Seismic imaging of refraction data
8.2.1. Kinematical imaging of refraction waves
8.2.2. Dynamic imaging of refraction waves
Quiz
Chapter 9. FULL-WAVE SEISMICS AND BOREHOLE METHODS
9.1. Full-wave seismics
9.2. Borehole seismic methods
Quiz
Chapter 10. INTERPRETATION OF SEISMIC DATA
10.1. Main instruments of seismic interpretation
10.1.1. Seismic attributes, their definition and geological meaning
10.1.2. AVO analysis
10.1.3. Seismic inversion
10.1.4. Methods of spectral decomposition
10.2. Kinematic (structural) interpretation
10.3. Dynamic interpretation
10.3.1. Seismic facies analysis
10.3.2. Statistical methods of dynamic interpretation
10.3.3. Geostatistical inversion
10.4. The resolution capacity of seismics
10.5. The concept of the geological reservoir model
Quiz
Chapter 11. OTHER APPLICATIONS OF SEISMIC EXPLORATION
11.1. Studying the Earth's crust and regional investigations
11.2. Seismics during development and exploitation of oil and gas fields
Quiz
Part 2. GRAVITY EXPLORATION
Chapter 12. PHYSICAL AND GEOLOGICAL FUNDAMENTALS OF GRAVITY
EXPLORATION
12.1. Gravity and its potential
12.2. Normal and anomalous gravity field. Earth's figure
12.3. Gravity reductions and gravity anomalies
12.4. Rock density
Quiz
Chapter 13. EQUIPMENT AND SURVEYING TECHNIQUES
13.1. Principles of measurement of the gravitational field and equipment
13.2. Gravity surveying techniques
Quiz
Chapter 14. INTERPRETATION OF GRAVITY ANOMALIES
14.1. Transformations of gravity anomalies
14.2. Qualitative interpretation of gravity anomalies
14.3. Quantitative interpretation of gravity anomalies
14.4. Applications of gravity exploration
Quiz
Part 3 MAGNETIC EXPLORATION
Chapter 15. PHYSICAL AND GEOLOGICAL FUNDAMENTALS OF MAGNETIC
EXPLORATION
15.1. The forces of magnetic interaction. Magnetic potential.
15.2. Elements of the magnetic field. Field changes over time
15.3. Normal and anomalous magnetic field
15.4. Rock magnetism
Quiz
Chapter 16. EQUIPMENT AND SURVEYING TECHNIQUES
16.1. Principles of measurement of the geomagnetic field and equipment
16.2. Magnetic surveying techniques
Quiz
Chapter 17. INTERPRETATION OF MAGNETIC ANOMALIES
17.1. Qualitative interpretation of magnetic anomalies
17.2. Quantitative interpretation of magnetic anomalies
17.3. Joint interpretation of magnetic and gravity anomalies
17.4. Applications of magnetic exploration
Quiz
Part 4. ELECTRIC EXPLORATION
Chapter 18. PHYSICAL AND GEOLOGICAL FUNDAMENTALS OF ELECTRIC
EXPLORATION
18.1. Basic concepts of the electromagnetic field
18.2. Electromagnetic properties of rocks. Geoelectric section
18.3. Classification of electric exploration techniques
Quiz
Chapter 19. DIRECT CURRENT (DC) METHODS
19.1. Field of a direct current (DC)
19.2. DC Electrical sounding
19.2.1. Electric sounding types and surveying techniques
19.2.2. Interpreting electric soundings
19.3. DC Electrical profiling
Quiz
Chapter 20. ALTERNATING CURRENT (AC) METHODS WITH ARTIFICIAL SOURCES
20.1. The method of induced polarization
20.2. Methods of electromagnetic sounding
20.2.1. Frequency sounding
20.2.2. Transient electromagnetic sounding
Quiz
Chapter 21. AC METHODS WITH NATURAL SOURCES
21.1. Magnetotelluric sounding and profiling
21.2. The method of telluric currents
Quiz
Chapter 22. EQUIPMENT AND APPLICATIONS OF ELECTRIC EXPLORATION
22.1. Electric exploration equipment
22.2. Applications of electrical exploration
Quiz
APPENDIX: SPECTRAL REPRESENTATION AND FILTERING OF GEOPHYSICAL
SIGNALS
П1. Signals and their characteristics
П1.1. Fourier transform
П1.2. Random signals characteristics
П1.3. Sampling of continuous signals
П2. Signal Filtering
П2.1. Filtering in the time and frequency domains
П2.2. Two-dimensional filtering
П2.3. Optimal Filtering
П2.4. The Hilbert Transform
П2.5. The idea of spectral decomposition
BIBLIOGRAPHY
INDEX