Динамика и синтез широкополосных сейсмических приборов

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...............................................................6
ГЛАВА 1. СЕЙСМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ........................................16
1.1 Особенности возбуждения высокочастотных сигналов...................17
1.1.1 Основные требования, предъявляемые к импульсному сейсмическому источнику для малоглубинной сейсморазведки...............................21
1.1.2 Основные требования, предъявляемые к вибрационному сейсмическому источнику для малоглубинной сейсморазведки.............................24
1.2 Обзор существующих типов невзрывных сейсмических источников 29
1.2.1 Невзрывные импульсные сейсмические источники.....................31
1.2.2 Невзрывные вибрационные сейсмические источники...................36
1.2.3 Виброимнульсные сейсмические источники...........................40
1.3 Проблема согласования сейсмического источника с фунтом.............41
1.4 Схема замещения фунта..............................................44
1.5 Выводы.............................................................48
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ...50
2.1 Динамика наземного сейсмического прибора...........................51
2.1.1 Вывод уравнений динамики механической части сейсмического ирибора...51
2.1.2 Передаточные функции механической части сейсмического источника...53
2.2 Динамика скважинного прибора.......................................58
2.2.1 Задача в статике.................................................58
2.2.2 Задача в динамике................................................61
2.3 Динамика сейсмических приборов на базе электродинамического преобразователя возвратно-поступательного движения............................65
2.3.1 Основные уравнения динамики электродинамического преобразователя возвратно-поступательного движения.....................................66
2.3.2 Передаточные функции сейсмического источника на базе ОДПВПД по току подвижной катушки...................................................67
2.3.3 Передаточные функции сейсмического источника на базе ОДМВПД по напряжению питания подвижной катушки.....................................68
3
2.3.4 Исследование вибрационных сейсмических источников на базе ЭД11ВПД..71
2.3.4.1 Анализ амплитудно-частотных характеристик.......................71
2.4 Динамика импульсного сейсмического источника на базе электромагнитного преобразователя возвратно-поступательного движения......................77
2.4.1 Накопление и преобразование энергии холостого хода................79
2.4.2 Потери на трение о стенку направляющей............................83
2.4.3 Вентиляционные потери.............................................85
2.5 Выводы..............................................................89
ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ВОЗВРАТ! 10-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ 90
3.1 Основные принципы построения систем управления сейсмическими источниками па базе электрических двигателей возвратно-поступательного движения...90
3.2 Анализ электромагнитных процессов в ЭПВПД управляемых статическими преобразователями.......................................................91
3.2.1 Анализ электромагнитных процессов в системе СП - электродинамический преобразователь возвратно-поступагельного движения.................91
3.2.1.1 Обзор существующих методов исследования электромагнитных процессов в системе с импульсными преобразователями...........................92
3.2.1.2 Метод расчета электромагнитных процессов в системе АНН -ЭДПВПД 93
3.2.1.3 Анализ электромагнитных процессов в системе СП - ЭДПВПД при широтно-импульсной модуляции напряжения.................................99
3.2.1.3.1 Вычисление моментов коммутации...............................100
3.2.1.3.2 Определение коммутационных функций...........................101
3.2.1.4 Расчет электромагнитных процессов в системе АНН - ЭДПВПД при формировании тока по синусоидальному закону.............................ЮЗ
3.2.1.5 Исследование гармонического состава тока подвижной катушки
ЭДПВПД.................................................................Ю4
3.2.1.5.1 Пример........................................................Ю6
3.3 Способ управления ЭДПВПД и устройство для его осуществления........110
4
3.4 Выводы...........................................................ИЗ
ГЛАВА 4. СИНТЕЗ ВИБРАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ С ЗАДАННЫМИ ЧАСТОТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ..........................................114
4.1 Анализ существующих методов синтеза вибрационных систем..........114
4.2 Метод корневого годографа........................................116
4.3 Метод функций сопрягающих частот.................................118
4.3.1 Построение функций сопрягающих частот..........................121
4.3.2 Применение метода функций сопрягающих частот для синтеза вибрационных систем с заданными частотными характеристиками..........121
4.4 Выводы...........................................................134
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................136
5.1 Исследование влияния параметров сейсмических источников на согласование с геологической средой...........................................136
5.1.1 Исследование вибрационных сейсмических источников на базе ЭДПВПД
5.1 Л.2 Проведение исследований на экспериментальной установке.......142
5.1.2.1 Снятие амплитудно-частотных характеристик системы............144
5.1.2.2 Снятие переходных характеристик разомкнутой системы..........147
5.1.3 Определение параметров грунта..................................152
5.1.3.1 Аналитическое определение параметров грунта..................153
5.1.3.2 Экспериментальное определение параметров грунта..............153
5.1.3.2.1 Измерение удельной жесткости грунта........................154
5.1.3.2.2 Определение коэффициента демпфирования.....................156
5.1.4 Экспериментальные исследования вибрационного источника ЭДВИС-1.... 157
5.1.4.1 Измерение вибросмещения излучающей плиты.....................158
5.1.4.2 Измерение виброскорости......................................159
5.1.4.3 Измерение виброускорейия излучающей плиты....................160
5.1.4.4 Определение усилия, приложенного к излучающей плите..........161
5.1.4.5 Результаты испытаний.........................................164
5.1.5 Экспериментальные исследования вибрационных сейсмических источников ЭДВИС-1 и ЭДВИС-2 в полевых условиях.............................168
5
5.2 Экспериментальное исследование импульсных сейсмических источников на базе ЭМДВПД.........................................................171
5.2.1 Испытания ЭМДВПД в лабораторных условиях......................171
5.3 Выводы..........................................................174
ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ....................................175
6.1 Высокочастотный вибрационный сейсмический источник ЭДВИС-1......175
6.2 Электромагнитный сейсмический источник ИСЗИ-ВА4-01..............199
6.2.1 ЭМПВПД сейсмического источника ИСЗИ-ВАЧ-01....................199
6.2.2 Система управления электромагнитным импульсным источником
ИСЗИ -ВАЧ-01........................................................202
6.3 Скважинные сейсмический источники...............................204
6.3.2Скважинный источник сейсмоакустнческих сигналов................209
6.4 Устройства для прижима приборов в скважинах.....................213
6.4.1 Устройство для прижима приборов в глубоких скважинах Г1С - 73.213
6.4.2 Устройство для прижима геофизических приборов в скважинах малого
диаметра ПС-36......................................................218
6.4.3 Разъемное устройство для крепления приборов в шпурах ПШ-28-36.219
6.5 Устройство для восстановления дебита скважин....................224
6.6 Устройства для крепления насосов в скважинах....................228
6.7 Выводы..........................................................230
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................235
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................238
ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................270
6
ВВЕДЕНИЕ
Возможность получить информацию о строении земной коры с минимальными затратами позволяет важнейший метод г еофизики - сейсморазведка. Источники сейсмической энергии излучают сигналы п глубь земли, где они отражаются или преломляются к поверхности от зон резкого изменения плотности и скорости распространения, обусловленных вариациями литологии, стратиграфии и структуры горных пород. Па поверхности отраженные сигналы регистрируются, обрабатываются с помощью ЭВМ, в результате чего получаются сейсмограммы, геологическая интерпретация которых позволяет определить возможность наличия и потенциальные запасы полезных ископаемых в данной области [29].
В 1960 г. в статье Кроуфорда, Доти и Ли [2Й4] был описан метод вибрационной сейсмической разведки, получивший название "Вибросейс" (товарный знак фирмы «Коноко»).
Метод вибрационной сейсмической разведки обладает важным преимуществом, состоящим в возможности осуществлять контроль частотного спектра колебаний, посылаемых в землю. Излучаемые источником сигналы отражаются от поверхностей раздела, встречающихся на пути распространения волны. За счет поглощения в земле колебаний происходит изменение амплитудного спектра сигнала. На поверхности приемники регистрируют сложный сигнал, представляющий собой сумму всех отраженных сигналов, различных по амплитуде и смещенных во времени. Обработка полученной вибрационной сейсмограммы включает вычисление корреляционной функции между полученной трассой и управляющим сигналом, причем обе записи делаются на одном и том же носителе, так что время приведения для них известно. Вычисление корреляционной функции можно рассматривать как процесс поиска и выделения отдельных сигналов из всего записанного сигнала. Было установлено, что форма функций автокорреляций, которые составляют запись в методе "Вибросейс", зависит только от амплитудного спектра сигнала, посылаемого в
7
землю. Для того, чтобы побочные экстремумы функции автокорреляции были минимальны, излучаемый сигнал должен удовлетворять следующим условиям:
- иметь широкополосный спектр;
- не содержать резких изменений амплитуд;
- не иметь повторяющихся частот;
- мгновенные частоты должны меняться плавно;
- спектр должен быть равномерным.
Актуальность темы
Специфика сейсмологической характеристики реальных сред и геологических задач, решаемых сейсморазведкой при изучении рудных месторождений и районов, определяется высокими значениями скоростей распространения упругих колебаний в изучаемой части разреза, резким отличием частотною спектра низкоскоростных волн-помех и целевых отраженных волн и использованием информации, в основном заключенной в ближней части сейсмограммы (до 0,5 с). Указанные особенности, с одной стороны, застаатяют искать пути повышения разрешающей способности метода, что реально за счет увеличения частоты возбуждаемых колебаний, а с другой стороны, требуют или увеличения динамического диапазона регистрирующей аппаратуры, или уменьшения динамическою диапазона возбуждаемого волнового поля за счет исключения из его состава наиболее интенсивных волн - низкочастотных помех, связанных с верхней низкоскоростной частью разреза. Исключение низкочастотных помех может быть достигнуто за счет применения источников с управляемым в широком диапазоне частотным спектром.
И, наконец, привлечение сейсморазведки к решению задач классификации аномалий других геофизических методов и к прямым поискам рудных тел может быть эффективно при одновременном использовании волн различной поляризации, что определяет необходимость создания источников, обеспечивающих возможность возбуждения в среде как продольных, так и поперечных волн.
Таким образом, повышение разрешающей способности сейсморазведки может быть достигнуто за счет повышения частоты колебаний (при достаточно
8
большем октавном числе), понижения скорости или за счет использования поперечных волн. Также повышение разрешающей способности сейсморазведки обеспечивает сокращение расстояния до отражающего объекта за счет наблюдений в скважинах, и в этом случае возможности метода будут определяться свойствами приборов в скважинах. Наиболее реальным путем повышения разрешающей способности является расширение частотного диапазона используемых сигналов. При этом, наряду с достижением основной цели, могут быть получены дополнительные преимущества, заключающиеся в увеличении диапазона изучаемых глубин, улучшения соотношения сигнал/помеха и сокращение диапазона волнового поля на входе приемных приборов и в конечном итоге в вовлечении в число объектов прогнозирования непосредственно рудных тел и других структурно-вещественных неоднородностей малого размера. Появляется возможность включить в число изучаемых параметров так называемые “собственные частоты колебаний” геологических неоднородностей.
Повышение точности и селективности сейсмических методов особенно важно при решении задач инженерной ссйсмики.
Активное развитие высокочастотных модификаций сейсморазведки сдерживается в первую очередь проблемами возбуждения и регистрации широкополосных сигналов с преобладанием высоких частот.
В связи с этим повышение разрешающей способности сейсморазведки является актуальной научной проблемой.
Цель работы
Разработка научных основ синтеза широкополосных сейсмических приборов обеспечивающих повышение разрешающей способности сейсморазведки.
Задачи исследования:
- анализ существующего аппаратурного обеспечения сейсморазведки и определение путей повышения разрешающей способности;
- разработка математических моделей сейсмических приборов;
9
- исследование динамики взаимодействия с геологической средой наземных и скважинных сейсмических приборов в зависимости от их конструктивных параметров;
- исследование существующих методов и создание методов синтеза широкополосных сейсмических приборов обеспечивающих заданные динамические характеристики;
- исследовать динамику электромагнитных процессов в системе статический преобразователь - электрический преобразователь возвратнопоступательного движения;
- разработать широкополосные сейсмические приборы для вибрационной и импульсной сейсморазведки;
- исследовать вопросы применения широкодиапазонных и широкополосных сейсмических приборов для решения различных практических задач.
Методы исследования
В качестве основных методов исследования в диссертационной работе применялись методы, принятые в теории колебаний, теории управления, системного анализа, физического и математического моделирования, статистическою анализа, теории измерений и обработки наблюдений.
Достоверность научных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачам, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, опытом практического использования разработок в производственной и научной областях.
На защиту выносятся следующие основные научные положении:
1. Созданный на основании предложенных автором функций сопрягающих частот метод синтеза сейсмических приборов, позволяющий выбирать параметры приборов, обеспечивающие заданную, с точки зрения повышения разрешающей способности сейсморазведки, полосу частот.
2. Научно обоснованный метод расчета электромагнитных процессов в системе статический преобразователь - электрический преобразователь возврат-
10
но-постуиательного движения, позволяющий упростить расчет электромагнитных процессов при наиболее сложных „тля расчета режимах работы статического преобразователя, на основании которого разработаны методика и алгоритмы расчета электромагнитных процессов в системе автономный инвертор напряжения - электродинамический преобразователь возвратно-поступательного движения сейсмического источника.
3. Способ управления статическим преобразователем сейсмического источника, полученный в результате проведенных с помощью разработанных методики и алгоритмов исследований электромагнитных процессов, позволяющий обеспечить формирование сигнала возбуждения с минимумом частотных искажений для повышения разрешающей способности сейсморазведки.
4. Математические модели наземных и скважинных сейсмических приборов, позволяющие провести анализ их динамики.
5. Научно обоснованная модель эквивалентного сопротивления фунта и зависимости сопротивления грунта от силы взаимодействия сейсмического прибора с поверхностью фунта, которая позволяет выбирать режимы эксплуатации сейсмических приборов, обеспечивающие минимизацию нелинейных искажений.
6. Полученные на основании построенных математических моделей зависимости характеристик сейсмических приборов от вариации значений их параметров, позволяющие выбрать параметры, обеспечивающие наилучшую характеристику с точки зрения повышения разрешающей способности.
Научная новизна *
Автором получены следующие научные результаты.
1. На основании предложенных автором функций сопрягающих частот создан метод синтеза сейсмических приборов, позволяющий выбирать параметры приборов, обеспечивающие наилучшую, с точки зрения обеспечения повышения разрешающей способности, полосу частот.
2. Создан метод расчета электромагнитных процессов в системе статический преобразователь - электрический преобразователь возвратно-поступательного движения, позволяющий упростить расчет электромагнитных процессов при наиболее
1)
сложных для расчета режимов работы статического преобразователя, на основании которого разработаны методика и алгоритмы расчета электромагнитных процессов в системе автономный инвертор напряжения - электродинамический преобразователь возвратно-поступательного движения сейсмического источника.
3. В результате проведенных с помощью разработанных методики и алгоритмов исследований электромагнитных процессов предложен способ управления статическим преобразователем сейсмического источника, позволяющий обеспечить формирование сигнала возбуждения с минимумом частотных искажений для повышения разрешающей способности сейсморазведки.
4. Построены математические модели наземных и скважинных сейсмических приборов, позволяющие провести анализ их динамики.
5. Обоснована модель эквивалентного сопротивления грунта и зависимости сопротиатения фунта от силы взаимодействия сейсмического источника с поверхностью фунта, позволяющая выбирать режимы эксплуатации сейсмических приборов, обеспечивающие минимизацию нелинейных искажений.
6. На основании построенных математических моделей получены зависимости характеристик сейсмических приборов от вариации значений их параметров, позволяющие выбрать параметры, обеспечивающие наилучшую характеристику с точки зрения повышения разрешающей способности.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.
Предложенный метод синтеза сейсмических приборов на базе функций сопрягающих частот от выбираемых параметров дает возможность в процессе проектирования наглядно представить влияние изменения соответствующего параметра на характеристики системы. Это позволяет достаточно просто определить области оптимальных значений параметров системы, обеспечивающих требуемую полосу, а при необходимости параметрического управления свойствами системы определить пределы изменения управляющего параметра.
Разработанный метод исследования электромагнитных процессов в системе статический преобразователь напряжения - электрический преобразова-
12
тель возвратно-поступательного движения позволяет упростить процесс исследования электромагнитных процессов при широтно-импульсной модуляции и частотно-токовом управлении. На основании результатов исследований с помощью разработанного метода предложен способ управления электродинамическим сейсмическим источником с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающий формирование сигнала возбуждения с минимумом высших гармоник.
Полученные обобщенные математические модели наземных и скважинных сейсмических приборов обеспечили анализ влияния вариации параметров сейсмических приборов на их характеристики, в результате, которого реализована возможность определения выбора значений параметров для обеспечения наиболее широкой полосы приборов.
Анализ динамики скважинных приборов, выполненный на базе разработанной модели, позволил предложить решения для создания скважинных приборов, обеспечивающих наиболее широкие полосы частот.
Предложена упруго-диссипативная модель грунта с зависимостью параметров от силы прижатия источника к фунту, которая объясняет возникновение существенных нелинейных искажений на низких частотах при соизмеримых значениях силы прижима и амплитуды развиваемой источником силы и позволяет выбирать оптимальные соотношения развиваемого источником усилия и силы прижима его к фунту для уменьшения нелинейных искажений.
В результате анализа динамики электромагнитного преобразователя возвратно-поступательного движения предложено принципиально новое решение, позволяющее повысить динамические показатели импульсного сейсмического источника на базе электромагнитного преобразователя возвратно-
поступательного движения (расширение полосы спектра излучения в область верхних частот) и его КПД.
На основании предложенных моделей и методов анализа и синтеза сложных систем найдены новые подходы к построению структурно-
13
функциональной организации приборов и устройств, которые позволили создать и внедрить в ряд отраслей народного хозяйства:
- широкополосные вибрационные сейсмические источники;
- широкополосные импульсные сейсмические источники;
- широкополосные скважинные геофизические приборы для возбуждения и регистрации сейсмических сигналов;
- устройства для эксплуатации и ремонта подземных водозаборов;
- системы вибрацнотпюн диагностики строительных конструкций;
- системы и устройств коррекции психофизиологического состояния человека;
- вибрационных вискозиметров.
Применение разработанных широкополосных наземных и скважинных приборов обеспечило повышение разрешающей способности сейсморазведки почти на порядок.
Предложенная методика определения параметров грунта позволяет ускорить процесс оценки реальных параметров грунтов в точках установки сейсмических приборов.
Разработанные стенды для исследования сейсмических источников обеспечивают возможность испытания вибрационных и импульсных сейсмических источников.
Оригинальность предложенных способов и устройств подтверждается авторскими свидетельствами и патентами СССР, РФ, Австралии, Великобритании, Франции, Украины.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы при создании сейсмических источников в НПО «Рудгеофизика» Каз. ВИРГ (г. Алма-Ата), Каз. Геофизпрнбор (г. Алма-Ата). Работы велись в рамках программы ГКНТ 0.50.03., заказ-наряда 070/4 и договора 287 отраслевой программы Мингео СССР. С помощью разработанных опытно-методических образцов широкополосных вибрационных и импульсных наземных и скважинных сейсмических приборов получено повышение разрешающей способности сейсморазведки почти на порядок. Разработанный на основе предложенных рс-
14
щений скважинный сейсмический источник использован для поиска и разведки алмазных месторождений в Якутии. Скважинный сейсмический прибор с управляемым прижимом использовался при проведении опытно-методических работ по изучению геопространсгва Кольской сверхглубокой скважины. Разработанный электромагнитный импульсный источник ИСЗИ-ВА4-01 использовался в Кольской горно-геологической компании при проведении инженерно-геологических работ, что повысило точность и производительность полевых работ. Полученные в результате исследований аппаратурные и методические решения использованы при проведении инженерно-геологических изысканий в Ярославле, в том числе было обнаружено расположение погребенного русла под зданием первого российского театра нм. Ф. Волкова. Разработанные устройства использованы для эксплуатации и ремонта водозаборных скважин.
Апробация работы
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на Всесоюзной НТК « Измерение и контроль при автоматизации процессов» (Барнаул, 1982); Всесоюзной НТК « РАПП-83» (Барнаул, 1983); Всесоюзной на-учно-иракгнческой конференции «Разработка и применение невзрывных источников сейсмических сигналов для сейсморазведки на нефть и газ» (Гомель, 1983); V и VI Всесоюзных совещаниях «Электрические внброимпульсные системы» (Новосибирск, 1984, 1987); Всесоюзной конференции «Оптико-электронные устройства и системы» (Томск, 1989); Всесоюзном совещании «Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе» (Барнаул, 1989); П-й НТК «Устройства и системы автоматики автономных объектов» (Красноярск, 1990); краевой НТК «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов элеклропо-требления» (Красноярск, 1991); межрегиональной НГЖ «Проблемы экологической оптимизации землепользования и водохозяйственного стротельства в бассейне р. Днепр» (Киев, 1992); 1-й Международной конференции «Датчики электрических и неэлехтрических величин» (Барнаул, 1993); Международной конференции «Оптикоэлектронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 1993); Международной конферен-
15
ции «Проблемы техники и технологии XXI века» (Красноярск, 1994); Н-й научно -технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1995); международных конференциях «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 1997, 1999,2001,2003, 2005); IV-й Международной конференции «Экология урбанизированных территорий» (Ярославль, 1999); международных научно-технических конференциях «Вибрация-2001, 2003, 2005 (Вибрационные машины и технологии)» (Курск, 2001, 2003, 2005); XVII Международной конференции «Математические метода в технике и технологиях» - ММТТ-17 (Кострома, 2004); Х1Л1 Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики п химии (Москва, 2006); 5-й Международной конференции «Авиация и космонавтика-2006» (Москва, 2006).
Разработанные при непосредственном участии и под руководством автора приборы демонстрировались и отмечены на ВДНХ СССР (серебряная медаль), г. Москва. ВДНХ УССР (свидетельство и диплом), г. Киев, ВДНХ Каз. ССР г. Алма-Ата, ЭКСПО-НАУКА 2003 (медали и дипломы), НГТМ-20О4, НТТМ-2005, НТТМ-2006 (медали и дипломы) ВВЦ, г. Москва, «Инженерное искусство в развитии цивилизации», юбилейной выставке, посвященной 150-летию В.Г. Шухова, Москва, 2003 (диплом), «Инновации. Производство. Рынок» Ярославль, 2004 (медали и дипломы), «Инновации. Производство. Рынок» Ярославль, 2005 (медали и дипломы), «Инновации. Производство. Рынок» Ярослаать, 2006 (медаль и диплом).
Публикации По теме диссертации опубликовано более 90 работ, в том числе 1 монофафия, 8 работ в изданиях, включенных в перечень ВАК, получено более 50 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
16
ГЛАВА І. СЕЙСМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ
Долгое время в методе отраженных волн, разработанном более 60 лет назад, использовались взрывчатые вещества для возбуждения сейсмических волн. Однако неудобство и дороговизна буровых работ, нестабильность возбуждения сейсмических импульсов взрывами, наличие областей, в которых не удавалось получить записи отраженных волн, невозможность использования такого источника в населенных районах и экологический вред привели к поискам других видов сейсмических источников.
Создание источника "падающий груз" открыло эру невзрывных поверхностных источников. Груз весом 1,5-2 тонны сбрасывали на землю с высоты 2 - 3 м. Момент возбуждения сейсмической волны определяли по акселерометру, вмонтированному в бетонную плиту [29).
Трудности проведения рабог этим методом связаны с непостоянством параметров фунта и преобладанием низких частот (от 5 до 20 Гц) в возбужденном сигнале. В [35) показано, что форма импульса меняется, даже когда груз падает несколько раз в одно и то же место. Результатом является изменчивость спектра в области низких частот. При суммировании колебаний от многих ударов сохраняются лишь низкочастотные отражения, но их фаза (или время вступления) выделяется нечетко.
Создание поверхностных импульсных источников продолжается и в настоящее время. Совершенствуются известные системы, создаются новые. По принципу преобразования первичного источника энергии в механический импульс существуют механические, гидравлические, электромеханические, электромагнитные, электродинамические, индукционно-динамические, газодинамические и др.
Существенный вклад в развитие невзрывных методов возбуждения упругих колебаний в геологической среде внесли работы Ю. П. Бевзенко, Н. В. Волошина, Л. П. Вержбицкого, Б. Г. Ваншельбойма, Т. М. Гродзянской. Г. П. Ев-чатова, В. В. Ивашина, И. Б. Крылова, Ю. П. Лукашина, В. В. Майорова,
17
А. П. Малахова, Г. И. Молоканова, А. А. Певзнера, Л. А. Певзнера, М. К. Полшко-ва, О. А. Потапова, Л. Д. Райхсра, Н. П. Ряшенцева, В. А. Теплицкого, А. С. Шагн-няна, М. Б. Шнеерсона, В. В. Циммермана, И. С. Чичипина, В. И. Юшнна и др.
Первый вибрационный сейсмический источник был центробежного типа. Два эксцентрично укрепленных 1руза, вращаясь в противоположных направлениях, создают вертикально направленную силу, пропорциональную квадрату мгновенного значения частоты. Виброисточники такого типа обладают высокой удельной мощностью, просты в изготовлении и эксплуатации, но не позволяют регулировать амплитуду силы, и сложны в синхронизации.
Наиболее широкое применение в вибрационной сейсморазведке углеводородов нашли гидравлические виброисточиики. Они позволяют развивать значительные усилия, имеют довольно широкий диапазон частот, позволяют обеспечить управление амплитудой и синхронизацию источников.
Существенное место среди сейсмических источников заняли источники с электромеханическими преобразователями. Наиболее широкое применение они нашли в малоглубинной сейсморазведке для поисков и разведки рудных месторождений и для решения задач инженерной геологии.
1.1 Особенности возбуждении высокочастотных сигналов
В последние годы сейсмические методы все в больших объемах начинают применяться на крупномасштабных стадиях изучения месторождений твердых полезных ископаемых. При этом объектом сейсморазведки становится непосредственно рудное тело или локальные структурно-вещественные неоднородности, контролирующие рудные тела и месторождения (узлы пересечения разрывных нарушений, зоны гидротермальноизмененных пород или повышенной проницаемости и т. д.). Главной особенностью развития сейсморазведки является вовлечение в исследования все более мелких объектов и все возрастающие требования к точности их изучения.
18
Появление новых сложных задач отражает изменившиеся потребности геологической службы, но не означает, что уже в полной мере решены ранее стоявшие проблемы сейсморазведки, связанные со спецификой сейсмогеоло-гичсских условий рудных районов и сформулированные ниже.
Большая часть рудных месторождений связана с открытыми или полузакрытыми (мощность наносов не превышает десятков - сотни метров) территориями складчатых областей, которые состоят из снльнодислоцированных с интенсивной тектономагматической проработкой комплексов эффузивноосадочных или изверженных пород, отличающихся сложной формой и изменчивыми физическими свойствами литолого-стратиграфических и тектонических границ. Вмещающая среда, так же как и сами рудные тела, отличается высокими (5000 - 6000 м/с) значениями скорости упругих колебаний и добротности среды (400 - 600). Относительно слабая скоростная дифференциация на границах раздела сочетается с высокой степенью неоднородности всей среды в целом. Низкоскоростная изменчивая по мощности и свойствам покрывающая толща обуславливает образование интенсивных низкочастотных волн-помех в широком диапазоне частот и скоростей.
Задача детального изучения значительного интервала малых глубин (от десятков до сотен метров) приводит к потребности разрешения волнового поля в очень небольшом временном интервале (0,2 - 0,4 с), малые размеры (от первых метров до первых сотен метров) целевых объектов и их сложная форма также требуют повышения разрешающей способности метода.
Факторами, благоприятными для достижения этой цели, являются малые глубины целевых объектов и высокая добротность среды, позволяющая использовать высокочастотные компоненты волнового поля. Снижение частотного спектра волн, связанных с ВЧР, открывает хорошие перспективы для использования частотной селекции при формировании волнового поля в источнике, а наличие значительных площадей с маломощной ЗМС позволяет рассчитывать на успешное применение невзрывных источников сейсмических волн.
19
Наметившаяся тенденция к увеличению глубинности поисков при одновременном уменьшении размеров целевых объектов и ухудшении разрешающей способности традиционного комплекса геофизических методов делает еще более актуальной проблему повышения разрешающей способности сейсморазведки и в первую очередь за счет повышения частотного диапазона волнового поля. Г. Л. Гамбурцев еще в 1952 г. отметил: “Разработка метода ВЧС открыла перед сейсмической разведкой новые области исследования - область рудной и инженерной геофизики” [35]. Под ВЧС (высокочастотная сейсморазведка) Г. А. Гамбурцев предложил понимать сейсмические исследования в диапазоне частот 70 - 500 Г ц.
Вводимое в последнее время новое понятие высокоразрешающая сейсморазведка (ВРС), в сущности, является синонимом термина ВЧС в том смысле, как его предлагали Г. А. Гамбурцев и И. С. Бсрзон, и мы в дальнейшем будем использовать оба термина.
В настоящее время высокоразрешающая сейсморазведка (ВРС) понимается как комплекс технических и методических средств, а также приемов обработки, позволяющих получить динамические характеристики волнового поля и обеспечить максимальную временную разрешенность при заданной величине соотношения сигнал/помеха. Целью применения методики ВРС является повышение детальности и точности сейсмических исследований на основе увеличения разрешающей способности сейсморазведки по вертикали и латерали.
Задачей методики полевых работ является расширение рабочей полосы частот - того диапазона частот, в котором после обработки достшается превышение сигналов над уровнем помех [81 ].
Известно, что наибольшая разрешенность сейсмической записи достигается при наиболее широкой рабочей полосе частот [81,217, 309].
Главными проблемами, определяющими развитие этого актуального направления, являются задачи повышения и оценки разрешающей способности волнового поля и оценка частотно-зависимого затухания.
20
Принято различать {67, 71, 96] временную и пространственную или вертикальную и горизонтальную разрешающие способности сейсмического метода. Временной разрешающей способностью оценивается преимущественно разрешающая способность регистрации, выражающаяся в возможности разделения двух близких объектов по форме импульса. Различными исследователями предложены многочисленные способы оценки вертикальной разрешающей способности (67. 71, 96], все многообразие которых в конечном итоге сводится к учету ширины полосы возбуждаемых частот (октавного числа) и величины главного периода исследуемых колебаний и косвенному учету скорости их распространения.
Горизонтальная (пространственная) разрешающая способность позволяет оценить разрешение геологических неоднородностей, и се оценку проводят по величине главной зоны Френеля, то есть в этом случае в оценке участвуют частота, скорость упругих колебаний и расстояние до изучаемого объекта.
Таким образом, повышение разрешающей способности сейсморазведки может быть достигнуто за счет повышения частоты (при достаточно большем октавном числе), понижения скорости или сокращения расстояния до отражающею объекта. В этой связи можно было бы рассчитывать на повышение разрешающей способности за счет использования поперечных отраженных волн с пониженными скоростями, если бы удалось сохранить их период равным периоду продольных волн, что в принципе возможно при вибрационных источниках. Можно пытаться сократить расстояние до исследуемого объекта за счет наблюдений в скважинах методами ВСП, но в этом случае возможности метода будут полностью определяться взаимным расположением объекта и скважины. Наиболее реальным путем повышения разрешающей способности является расширение частотного диапазона используемых сигналов. При этом, наряду с достижением основной цели, могут быть достигнуты дополнительные преимущества, заключающиеся в увеличении диапазона изучаемых глубин, улучшении соотношения сигнал/помеха и сокращении диапазона волнового поля на входе сейсмоприемника и в конечном итоге в вовлечении в число объ-
21
ектов прогнозирования непосредственно рудных тел и других структурновещественных неоднородностей малого размера. Появляется возможность включить в число изучаемых параметров так называемые “собственные частоты колебаний” геологических неоднородностей.
1.1.1 Основные требования, предъявляемые к импульсному сейсмическому источнику для малоглубинной сейсморазведки
Специфика сейсморазведки малых глубин, направленной на решение задач рудной, инженерной геологии и гидрологии, определяется геологическими условиями соответствующего месторождения, сейсмологической характеристикой среды и объемом изучения (локального рудного тела или маломощных горизонтов), определяет соответствующие требования и к используемой аппаратуре.
К основным сейсмологическим особенностям малоглубинной сейсморазведки можно отнести следующие:
1. Многообразие геологического строения перспективных на твердые полезные ископаемые или используемых для строительства и водоснабжения территорий и участков от типично осадочных до типично складчатых областей с широким диапазоном изменений размеров и акустической контрастности объектов исследований, что требует широких технических возможностей аппаратуры, в том числе источника упругих колебаний. Известно (192], что разрешающая способность сейсморазведки зависит от длины волны и ширины частотного спектра возбуждаемых колебаний. При этом длина волны, в свою очередь, зависит от частоты и скорости распространения колебаний:
(1.1)
Вертикальная и пространственная разрешающая способность сейсмических методов тем выше, чем меньше длина волны и, следовательно, повышается с увеличением частоты и уменьшением скорости. Скорость распространения упругих колебаний в геологической среде зависит от свойств среды (плот-
22
ность, упругие модули) и не может изменяться. Так, для верхней части (до 500 - 1000 м) осадочных разрезов (пески, супеси, глины, песчаники) скорость продольных колебаний составляет 300 - 3000 м/с и обычно не превышает 2000 м/с. Скорость упругих колебаний в изверженных и метаморфических комплексах, даже выходящих на дневную поверхность, в складчатых областях равна 4500 -6500 м/с и, таким образом, для сохранение той же, что и в осадочных толщах, длины волны (разрешающая способность метода), необходимо в три раза увеличить частоту возбуждаемых волн. С другой стороны, интегральная характеристика частотно-зависимого поглощения сейсмической энергии (а) может быть записана в виде:
а=к/Х (1.2)
где К - коэффициент, связанный с добротностью среды.
Таким образом, очевидно, что чем выше частота и ниже скорость, тем больше потерь сейсмической энергии, и тогда возникает необходимость снизить частоту в низкочастотных разрезах.
2. Малая глубина исследований и малые размеры целевых объектов определяют требования к разрешающей способности метода.
Разрешающая способность сейсмических методов зависит не только от свойств среды, частотного диапазона возбуждаемых колебаний, но и от приемов обработки сигнала.
Для обеспечения необходимой разрешающей способности по вертикали мощность изучаемого объекта не должна превышать четверть длины волны. Продольная горизонтальная разрешающая способность оценивается четвертью или половиной значения главной зоны Френеля. В реальных условиях рудных районов (целевого объекта 5 м, глубина залегания 1000 м =5000 - 6000 м/с) для достижения сформулированных требований к длине волны максимум частотного спектра сигнала должен соответствовать 250 - 300 Гц. Аналогичные требования получаем для обеспечения горизонтальной разрешенности при исследовании объектов с размерами по горизонтали 40 - 50 м. Разрешающая способность метода будет сохранена при обработке сигнала, обладающего доста-
23
точно широким частотным спектром. Принято считать, что ширина полосы частот в 2 - 3 октавах обеспечивает необходимое качество функции корреляции.
Еще одной особенностью малоглубинной сейсморазведки является ее широкое применение в условиях интенсивных электрических (с частотой 50 Гц) и низкочастотных (10 -40 Гц) сейсмических полей. Исключение низкочастотной части компонент из спектра возбуждения источником колебаний позволяет максимально использовать динамический диапазон регистрирующей аппаратуры для полезных сигналов и значительно уменьшить требования к источнику энергии. Таким образом, нижняя граница частотного диапазона источника для многих задач должна быть равна примерно 60 - 70 Гц, и тогда с учетом требовании октавного числа, равного 3, верхняя граница будет превышать 550 Гц, а максимум частотного спектра остается в области 280 Гц.
3. Сложные оро1рафические условия большинства рудных районов накладывают на аппаратуру рудной сейсморазведки требования портативности.
4. Одной из важнейших задач инженерной сейсморазведки и во многих случаях рудной является изучение упругих модулей среды, которые определяются значениями скоростей продольных и поперечных волн и плотности. Таким образом, оптимальный источник должен обеспечивать возможность возбуждения продольных и поперечных волн. Наиболее сложным вопросом оценки требований к сейсмическому источнику является определение энергетических параметров. Следует отметить, что вопрос теоретической оценки сейсмической энергии источников непрерывных сигналов пока не разработан. Оценка давления, передаваемого на грунт, не учитывает огромных потерь (до 80 %) на образование многочисленных волн-помех и неупругие деформации. Не ясен до конца и механизм частотно-зависимого поглощения энергии.
При оценке ожидаемых оптимальных энергетических параметров источников некоторые исследователи [70, 71] считают необходимым компенсировать потери высокочастотных компонент резким увеличением мощности источника. Вместе с тем, давно установлена обратная зависимость частот возбу-
24
ждаемых колебаний от энергии источника 145]. Минимальная величина возбуждаемой энергии ограничивается относительным уровнем случайных (не связанных с взрывом) помех и может быть дополнительно снижена за счет накопления сигнала.
Грубые оценки ожидаемой величины усилия на грунт для высокочастотного малоглубинного вибрационного источника с максимумом спектра на уровне 300 Гц позволяют считать величину усилия, равную 0,5 - 1,0 кН, достаточной для разработки макета. Окончательная оценка должна выполняться в процессе экспериментов в реальных геологических условиях.
Таким образом, сейсмический источник для .малоглубинной сейсморазведки должен удовлетворять следующим требованиям:
- возбуждение управляемого частотного спектра в диапазоне частот 50 -600 Гц;
- способность возбуждения волн различной поляризации;
- энергетические характеристики должны обеспечивать изучение реальных разрезов с высокой разрешающей способностью до глубин 500 - 1000 м;
- размещение на транспортном средстве повышенной проходимости;
- работоспособность в широком диапазоне климатических условий.
1.1.2 Основные требования, предъявляемые к вибрационному сейсмическому источнику для малоглубнннон сейсморазведки
Активное развитие высокочастотных модификаций сейсморазведки сдерживается в первую очередь проблемой частотно-зависимого затухания волнового поля. Отсутствие теоретической базы и необходимого объема экспериментальных данных привело к существованию достаточно разноречивой оценки характера поглощения высокочастотных компонент. В настоящее время большинством исследователей принято считать его пропорциональным первой степени частоты. В числе основных причин частотно-зависимых потерь рассматриваются поглощение, или диссипация, связанная с внутренним трени-
25
ем, и процессы затухания, связанные с рассеянием на всех типах неоднородностей среды, включая и тонкую слоистость.
Доля влияния каждого из двух факторов в общих потерях энергии волнового поля также оценивается противоречиво; так, в работе [199] отмечено, что вклад потерь рассеивания составляет от 0,3 до 0,5 всего частотно-зависимого затухания, а в работе [35] отмечается несущественность потерь, связанных именно с этим фактором. Можно ожидать, что в связи с пропорциональностью потерь рассеяния количеству границ и их контрастности в различных средах влияние рассматриваемого фактора будет существенно различным.
Интегральная характеристика всех факторов частотно-зависимого затухания выражается коэффициентом затухания а [199]
<13>
где Г и V - соответственно частота и скорость упругих колебаний; 1/С> - удельная диссипативная постоянная (величина, обратная добротности среды 0).
Для оценки потерь (в децибелах) на некотором расстоянии Ъ может быть использовано выражение:
аг ' ~0^г ■ О-4)
Из (1.4) видно, что потери растут с увеличением частоты и уменьшаются с увеличением добротности и скорости. Численная оценка потерь высокочастотных составляющих в условиях реальных сред рудных районов позволяет прийти к несколько иным выводам, по сравнению с результатами, полученными Вайдессом и Рийе [309, 310] при оценке потерь в осадочных разрезах. Дело в том, что для сейсмогеологических условий рудных районов значение скорости почти в два раза превышает скорость в осадочных разрезах, а добротность - в пять-десять раз. Следовательно, потери при равных значениях частот в рудных районах, по крайней мере, на порядок ниже частотно-зависимых потерь в осадочных разрезах, и при равных с осадочными разрезами потерях для рудных районов может быть на порядок повышена частота используемых сиг-
26
налов. Последнее обстоятельство позволяет компенсировать снижение разрешающей способности метода в рудных районах, связанное с высокими знамениями скорости. Меньшие глубины целевых объектов рудных районов позволяют рассчитывать на еще большее повышение частотного диапазона, если будут реализованы соответствующие необходимые меры, обеспечивающие исключение или компенсацию фильтрующих свойств остальных звеньев сейсмического канала (контакт источник-среда и среда-приемник, методические приемы и процедуры обработки и т.д.). В первую очередь возникает проблема создания высокочастотного источника.
Среди различных типов источников сейсмических колебаний взрывные источники отличаются наиболее широким спектром частот и большими организационными трудностями в практической реализации. Импульсные невзрывные источники характеризуются среднечастотным и низкочастотным спектром и очень чувствительны к условиям установки и строению верхней части разреза. Вибрационные источники в принципе могут обладать достаточно широким спектром частот и в значительно меньшей степени зависят от условий их установки.
Из наиболее важных характеристик высокочастотных вибросейсмиче-ских источников следует в первую очередь оценить необходимый частотный диапазон и энергетические параметры.
Необходимость использования гибкой частотной селекции возбуждаемого поля заставляет выбрать в качестве оптимального источника именно вибрационные источники, поскольку волновые поля, возбуждаемые практически любыми, импульсными или кодоимпульсными источниками колебаний, содержат весьма существенную долю низкочастотных компонент, обуславливающих соответствующие низкочастотные волны-помехи. С учетом указанных особенностей волнового поля и сложных поверхностных условий рудных районов к вибрационным источникам сейсмических сигналов для целей рудной сейсморазведки должны быть предъявлены следующие требования: