Физтехи научились отличать нефтяные залежи от ледовых помех в сейсмограммах Арктики

Освоение арктического шельфа — одна из самых сложных задач современной геологоразведки. Ледяной покров, мелководье, многолетняя мерзлота и слоистое дно создают такой уровень помех, что стандартные методы морской сейсморазведки часто дают ошибочные результаты. Математики из МФТИ решили разобраться, как каждый из этих факторов искажает сейсмический сигнал и можно ли по этим искажениям надёжно идентифицировать нефтяные залежи.

Для этого они построили двумерную численную модель арктического шельфа, включив в неё все ключевые элементы: двухметровый слой льда, водный столб глубиной 60 метров, дно с водонасыщенными осадками (75 метров), пять многолетнемерзлых пород с постепенным увеличением акустической жёсткости и нефтяной пласт толщиной 60 метров на глубине около 1200 метров от поверхности дна. Нефтяной пласт описывался как среда с существенно меньшей скоростью звука — это соответствует реальным условиям.

Три сценария: источник во льду, в воде и у дна

В расчётах использовался сеточно-характеристический метод, который точно воспроизводит волновые процессы в слоистых средах с множеством границ. В качестве источника применялся вейвлет Рикера с центральной частотой 30 Гц. Авторы рассмотрели три конфигурации: источник в воде (безо льда), источник во льду (со льдом) и источник у дна (со льдом). Приёмники размещались как на поверхности, так и на морском дне.

Моделирование выявило три основных типа помех. Первый — поверхностные волны Рэлея, которые возникают в ледяном покрове при прохождении сигнала через лёд. Эти волны медленные (скорость волны Рэлея во льду составляет около 0,92 от скорости поперечной волны), но обладают высокой амплитудой и перекрывают отражения от глубоких пластов. Второй — многократные переотражения в тонких слоях у поверхности, создающие ложные «подземные отражения». Третий — волны Стоунли на границе дна и воды, обнаруженные при размещении источника и приёмников у дна.

Как выделить полезный сигнал на фоне помех

Ключевой вопрос работы — можно ли по сейсмограммам надёжно выявить нефтяную залежь? Ответ: да, но с оговорками. В сценарии безо льда залежь идентифицировалась уверенно: отражение от её верхней границы имело заметно большую амплитуду, чем от соседних мерзлых пластов, а время пробега волны смещалось из-за меньшей скорости звука в нефтенасыщенном коллекторе.

При наличии льда ситуация осложнялась. Когда источник располагался во льду, мощные многократные волны в ледяном покрове практически полностью перекрывали отражения с большой глубины. Однако размещение источника у дна кардинально меняло картину: амплитуда поверхностных и многократных волн снижалась, а глубинные отражения, в том числе от нефтяного пласта, становились отчётливо видны.

Практический вывод: источник и приёмники лучше располагать на разных поверхностях — например, источник у дна, а приёмники у поверхности. Каждый тип помех (поверхностные волны во льду, реверберации в воде) имеет свою пространственную амплитудную зависимость, и при разнесении источника и приёмника эти помехи ослабевают относительно полезного сигнала.

«Арктический шельф — исключительно сложная волновая среда, — комментирует Евгения Гусева, аспирантка МФТИ, участвовавшая в исследовании. — Лёд, слоистые многолетнемерзлые породы, морское дно — каждый элемент вносит вклад в сейсмограмму, и разобраться в их суперпозиции без численного моделирования крайне трудно. Мы показали, что модель способна воспроизвести все эти эффекты вместе, и тогда становится видно, каким сигналом проявляет себя нефтяная залежь».

Работа опубликована в журнале Mathematical Models and Computer Simulations и выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект №23-11-00035). Полученные результаты не только имеют академическую ценность, но и могут служить практическими рекомендациями для планирования морских геофизических экспедиций в арктических акваториях. Цифровые модели, созданные в ходе работы, могут стать основой для решения обратных задач — восстановления строения шельфа по наблюденным сейсмограммам. В планах учёных — переход к трёхмерным моделям с криволинейными границами и учётом газовых включений и трещин в мёрзлых породах.