Способы возбуждения сейсмических колебаний.

 

Для того чтобы в упругой среде возникла волна, необходимо в некоторой точке (области) среды создать механическое возмущение. Исходя из этого любое устройство, осуществляющее механическое воздействие на среду, может использоваться в качестве источника сейсмических волн. Однако воздействие должно быть: 1) достаточно сильное, чтобы обеспечить возможность приема волн, отраженных или преломленных от глубоких границ; 2) кратковременное, чтобы обес­печить разделение волн от разных границ (спектр частот возбуждае­мых колебаний должен быть оптимальным для решаемых задач). Кроме этого нужно учесть соображения: 3) экономичности; 4) транспорта­бельности; 5) охраны окружающей среды и т.д.

В начале в сейсморазведке для возбуждения колебаний в основном использовались взрывы твердых взрывчатых веществ. Взрыв­ное возбуждение удовлетворяло почти всем требованиям, кроме условия 5, а также отличалось повышенной опасностью. В настоящее время взрывное возбуждение полностью запрещено на ак­ваториях. Созданы невзрывные источники (пневматические, электро­искровые и т.д.), которые удовлетворяют требованиям не только условия 5, но и по остальным пунктам превосходят взрывные источники.

При сейсмических исследованиях на суше также начали широко использовать невзрывные источники [11]. Однако здесь их преимуще­ства не столь очевидны, как на акваториях. Соображения экономич­ности, технологичности и охраны окружающей среды указывают на пре­имущества невзрывных источников поверхностного типа: ударных, газо­динамических, электродинамических, вибрационных. Но при возбуждении колебаний на поверхности создаются интенсивные помехи - поверхност­ные волны, а проникающие в среду волны сильно поглощаются в слое рыхлых отложений ЗМС. В результате сейсмический коэффициент полезного действия таких источ­ников оказывается небольшим. Для получения хороших результатов при­меняют группирование источников и приемников, накопление сигналов при многократном возбуждении колебаний и другие приемы повышения соотношения сигнал/помеха. Применение современных цифровых сейсморегистрирующих систем и способов обработки данных на ЭВМ позволяют наиболее полно реализовать преимущества невзрывных источников и по­лучать качественные материалы.

Возбуждение взрывами. В настоящее время во время учебных практик по сейсморазведке взрывное возбуждение не применяется. В производственных работах взрывы тротилового заряда весом 100-500 г производятся в специальных скважинах глубиной 5-20 м, залитых водой или засыпанных сверху землей. Укупорка заряда сверху усиливает силу воздействия взрыва на грунт. Глубина скважин выбирается больше мощности ЗМС, взрывы стараются проводить в оптимальных условиях - в глинистых водонасыщенных отложениях. Сравнение сейсмограмм, полученных при взрывах на поверхности и в скважинах (рис.8), показывает, что в последнем случае амплитуда отраженных волн возрастает примерно на порядок, амплитуда поверхностных волн сущест­венно уменьшается, звуковые волны практически исчезают, длительно­сть импульса отраженных волн существенно сокращается (т.е. повышается как глубинность, так и разрешающая способность исследований).

Возбуждение ударами. Из невзрывных источников колебаний на учебной практике используется самый простой - кувалда. Для возбуждения продольных волн производятся вертикальные удары кувалдой по поверхности земли или по стальной плите. При этом одновременно с продольными волнами возбуждаются также сильные поверхностные волны, спектр колебаний оказывается более низкочастотным, чем при взрывах в скважинах. Все это практически исключает возможность использования ударного возбуждения при работах MOB. Но при исследованиях небольших глубин (5-20 м) методом преломленных волн, когда регистрируются только первые вступления волн, кувалда оказывается незаменимым инструментом для возбуждения колебаний, так как является самым простым, надежным и экономичным устройством. Удары кувалдой можно использовать также при сейсмическом каротаже неглубоких скважин (до 50 м).

Кувалдой можно возбуждать и попереч­ные волны. При этом удары производятся либо по боковым стенкам неболь­шой ямы, либо по штырю, забитому в землю под углом, близким к 45⁰.Оказалось, что при определенных сейсмогеологических условиях такой способ возбуждения достаточно эффективен для работ МОВ-ОГТ с использованием поперечных волн. При этом возбуждают поперечные волны типа SH, т.е. с поляризацией, перпендикулярной плоскости профиля. Благодаря этому интенсивность поверхностных волн Релея оказывается гораздо более низкой, чем при вертикальных ударах. Так как скорости распространения поперечных волн раза в два меньше скорости продольных волн, то отраженные поперечные волны от одних и тех

же сейсмических границ приходят значительно позже, чем продольные волны, и в определенных случаях могут быть достаточно легко выделены при обработке данных.

Возбуждение электроискровым разрядом. Для возбуждения сейсми­ческих колебаний электроискровым источником - спаркером на суше, также как и при взрывном возбуждении, требуются скважины, запол­ненные водой. Так что по экономическим соображениям спаркер выигрыша не дает, в то же время является значительно менее мощным ис­точником, чем взрыв. Однако спаркер возбуждает более высокочастот­ные колебания, а также позволяет легко осуществить накопление сиг­налов при многократном возбуждении. Поэтому весьма перспективно использование спаркера при высокоразрешающих сейсмических исследо­ваниях, в особенности в скважинных исследованиях – вертикальном сейсмическом профилировании (ВСП) и межскважинном сейсмическом просвечивании.

На рис. 9 представлены формы импульсов и спектры возбуждаемых этими источниками колебаний.

Вибрационная сейсморазведка – или метод Вибросейс – это сейсморазведка с использованием вибраторов для возбуждения упругих колебаний в земной толще. В отличие от импульсных источников (взрыв, удар), вибраторы возбуждают колебания квазисинусоидальной формы большой длительности. Непосредственная запись колебаний – виброграмма – представляет в данном случае интерференционное наложение сигналов, отраженных и преломленных от границ в среде, и практически не читаема, т.е. выделить на ней отдельные сигналы и определить положение границ невозможно (рис.10, 4). Для того, чтобы сделать запись читаемой и разделить сигналы во времени, необходимо вычислить коррелограмму – функцию взаимной корреляции принятого сигнала с формой возбуждаемых вибратором колебаний – свип-сигналом. В результате каждый отраженный или преломленный сигнал сжимается многократно, и коррелограмма в целом оказывается похожей на сейсмограмму, получаемую при импульсном возбуждении колебаний. В качестве свип-сигнала наиболее широко используются линейно-частотно модулированные (ЛЧМ) сигналы, когда частота синусоидальной формы колебаний во время посылки меняется по линейному закону между некоторыми значениями начальной и конечной частоты (рис.10, 1 и 2).

 

 

Такая форма посылаемого сигнала позволяет оптимально сжимать сигналы на коррелограммах. В целом, значения начальной и конечной частоты ЛЧМ сигнала определяют длительность отдельных сигналов на коррелограмме, следовательно, разрешающую способность, а длительность посылки определяет суммарную энергию возбуждаемого сигнала, значит, глубинность исследований. В традиционной нефтегазовой сейсморазведке частота свип-сигнала обычно меняется в пределах 5-80 герц, а длительность посылки – от 7 до 35 секунд. Однако коэффициент сжатия и форма выходного сигнала на коррелограммах определяются не только формой свип-сигнала, но и физико-механическими свойствами земной поверхности на месте установки вибратора, и сейсмогеологическими условиями исследуемой среды. Кроме того, вибраторы являются поверхностными источниками сейсмических колебаний, и возбуждают интенсивные поверхностные волны, мешающие выделению отраженных волн. Все это накладывает определенные требования к методике проведения полевых работ.

Таким образом, вибрационная сейсморазведка отличается от сейсморазведки с применением импульсных источников, не только типом применяемых источников, но и спецификой методики полевых работ и обработки данных.

Большая длительность сигнала позволяет возбуждать в среде колебания большой энергии при относительно малой амплитуде силового воздействия, обычно не превышающей разрушительный порог. Поэтому вибраторы являются экологически наименее вредными источниками сейсмических волн, обладают большим коэффициентом полезного действия, позволяют относительно легко регулировать частотный состав возбуждаемых колебаний, а также существенно удешевляют проведение сейсмических исследований на суше. Благодаря этому вибраторы заметно оттеснили традиционные источники сейсмических волн на суше – взрывы твердых зарядов в специально пробуриваемых скважинах, а также невзрывные источники импульсного действия типа ударных, газо-взрывных и пневматических.

Использование для сейсмических исследований строительных вибраторов неэффективно, так как сейсмические вибраторы должны удовлетворять ряду специфических требований. Они должны возбуждать достаточно интенсивные упругие колебания в среде в относительно широком частотном диапазоне (5-150 Гц), обеспечивать управление частотой и фазой возбуждаемых колебаний, и синхронность работы вибраторов при их группировании. Поэтому сейсмические вибраторы – это специальные устройства, технически сложные и дорогостоящие. Наиболее широкое распространение получили гидравлические вибраторы, в которых поршень, соединенный с опорной плитой, приводится в движение путем попеременной подачи масла в верхнюю и нижнюю полости гидроцилиндра. Потоки масла управляются электрогидравлическим преобразователем, на вход которого подается свип-сигнал. Чтобы колебания опорной плиты как можно точнее следовали свип-сигналу, на ней установлены специальные датчики, и вся система охвачена несколькими цепями обратной связи. А чтобы плита не отскакивала от поверхности при отрицательных фазах давления, она прижимается к грунту почти всей массой транспортного средства, которая у современных вибраторов доходит до нескольких десятков тонн. В настоящее время в мире производятся сейсмические вибраторы, работающие в частотном диапазоне от первых герц до нескольких сотен герц, и с полной нагрузкой на грунт от нескольких десятков килограммов (переносные вибраторы для малоглубинной сейсморазведки) до сотен тонн (стационарные вибраторы для вибрационного просвечивания Земли). Производятся также специальные вибраторы для возбуждения поперечных волн.