История вибрационной сейсморазведки

Оглавление

Введение.                                                                                                                                                          3

Глава 1. Сейсморазведка. Способы возбуждения упругих волн.                            4

Глава 2. Невзрывная сейсморазведка.                                                                                    5

Глава 3. Связь физико-механических свойств грунтов с их поведением при динамических нагрузках.                                                                                                                              8

Глава 4. Возбуждение волн в наземной невзрывной сейсморазведке.              9

Глава 5. Специфика вибросейсморазведки.                                                                11

Глава 6. Эволюция методик полевых работ.                                                                13

Заключение.                                                                                                                                      16

Список использованной литературы.                                                                              17
Введение.

Моя научная работа связана с развитием вибрационной сейсморазведки, поэтому именно ей я решила посвятить свой реферат. Дело в том, что сегодня именно вибрационные методы получают большое распространение, выходят на передний план при поисках и разведке полезных ископаемых, постепенно вытесняя традиционный взрывной способ возбуждения упругих волн. Вибрационные методы были разработаны не так давно, а широкое применение получили и вовсе недавно, однако даже столь короткая история, на мой взгляд, заслуживает внимания.

Глава 1. Сейсморазведка. Способы возбуждения упругих волн.

Сейсморазведка и все ее модификации являются волновыми геофизическими методами изучения глубинного строения Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанными на приложении динамических, переменных во времени нагрузок к точкам среды, под действием которых последние выходят из состояния равновесия и начинают совершать собственные или вынужденные колебания[6]. Эти колебания и приводят к возникновению волновых процессов в земле. В результате образуются отраженные, преломленные и другие волны, прием и регистрация которых позволяют изучать строение и состав земных недр. Постоянные по величине нагрузки не приводят к образованию переменных во времени волновых полей и в разведочной геофизике не применяются.

Нагрузки могут иметь разнообразный характер и различаться по способу их создания (взрывные и невзрывные), времени действия (кратковременные – импульсные и длительные – вибрационные и виброимпульсные), величине, регулярности и другим параметрам[13]. Следовательно, сформировались и соответствующие технологии: импульсные (взрывная и невзрывная), а также невзрывная вибрационная сейсморазведка. Все они основываются на единых физических принципах распространения волн в реальных средах, но различаются характером и способами создания и приложения нагрузок, а также методическими возможностями техническими средствами.

Глава 2. Невзрывная сейсморазведка.

К созданию невзрывной сейсморазведки, в которой волны возбуждаются специальными установками и механизмами без использования зарядов взрывчатых веществ или линий детонирующего шнура, привело в первую очередь стремление заменить взрыв более управляемым, безопасным, экологически чистым и дешевым источником упругих колебаний[13]. Сначала получила развитие импульсная невзрывная сейсморазведка, в которой волны генерировались кратковременными, импульсными нагрузками на поверхность земли или водного слоя. Импульсная невзрывная сейсморазведка, упростив производство работ и сделав их более безопасными для окружающей среды, не смогла решить целый ряд вопросов, связанных с управлением процесса возбуждения колебаний и концентрацией энергии в необходимом диапазоне частот[9].

Параллельно с импульсной шло развитие вибрационной невзрывной сейсморазведки, которая  в последние годы находит все большее применение при проведении поисковых и разведочных работ на нефть, газ и другие полезные ископаемые[5]. Вибрационная сейсморазведка (ВСР), основываясь на тех же физических принципах, что и взрывная, импульсная сейсморазведка, отличается от нее использованием длительных, переменных во времени и относительно небольших по величине нагрузок известной формы для возбуждения упругих колебаний в земле без нарушения верхнего слоя грунта и дорожных покрытий. Возможность направленного управления спектральным составом возбуждаемых и регистрируемых волн, применения корреляционных методов сжатия сигналов и их выделения на фоне помех и проведения работ в городах, населенных пунктах, вдоль дорог при высоком уровне помех и без ущерба для окружающей среды обусловливает преимущества вибрационной сейсморазведки перед импульсной и позволяет высоко оценить ее перспективы, особенно при решении сложных задач, требующих активного воздействия на форму и частотный состав регистрируемых волн[8]. Вибрационная сейсморазведка привлекательна еще и тем, что позволяет использовать большой класс сложных сигналов для возбуждения упругих колебаний в среде.

Первые положительные результаты по практическому использованию квазигармонических сейсмических сигналов были получены в США в 1959 -1960 гг. (Д.Крауфорд, В.Дота, М.Ли). Фирма «Continental Oil Company» («Conoco») разработала метод и аппаратуру с торговой маркой «Vibroseis»[5]. В нашей стране вибрационная сейсморазведка начала развиваться с конца шестидесятых годов, сначала в направлении создания эксцентриковых (И.С.Чичинин, В.И.Юшин, Г.П.Евчатов, Ю.П.Лукашин и др.), а затем и гидравлических (В.М.Косов, А.С.Шагинян, А.Г.Асан-Джалалов, А.М.Седин, Г.И.Молоканов, А.С.Кастанов, В.М.Шевкунов и др.) излучателей[12]. В результате этих работ были созданы промышленные полупромышленные образцы аппаратуры и оборудования для вибрационной сейсморазведки: комплекмы «Вибролокатор» и ВСК-1, а впоследствии ВСК-2, вибраторы СВ-5-150 и СВ-10-100 [13].

Одновременно с созданием вибрационной техники шло ее полевое опробование, разрабатывались регистрирующая аппаратура, методика проведения полевых работ и обработки материалов (Ю.П.Лукашин, Т.М.Гродзянская, М.Б.Шнеерсон, Г.П.Евчатов, В.А.Гродзенский, Ю.И.Лугинец, Ю.П.Кострыгин, В.М.Косов и др.)[13]. В результате был создан и подготовлен к промышленному изготовлению комплекс технических средств для вибрационной сейсморазведки, базирующийся на возбуждении и передаче грунту протяженных во времени квазигармонических нагрузок. Кроме того, развивалось и другое направление вибрационной сейсморазведки, основанное на возбуждении кодовых импульсных посылок, которое завершилось созданием вибрационных источников дискретного действия или кодоимпульсных (виброимпульсных) установок (В.В.Ивашин, С.И.Николаев, Ю.А.Бару и др.).

Промышленное применение вибрационная сейсморазведка получила с конца семидесятых годов, когда начался серийный выпуск гидравлических вибраторов СВ. В восьмидесятые годы их начали изготавливать в нескольких модификациях, а также разрабатывать вибраторы специального назначения для северных районов. Технические характеристики вибраторов непрерывно улучшались, поэтому повышалась эффективность их применения при решении различных задач по изучению строения исследуемых территорий, поиску и разведке месторождений полезных ископаемых. К настоящему времени наземная вибрационная сейсморазведка заняла прочное место при поисково-разведочных работах на нефть, газ и другие полезные ископаемые, при глубинных исследованиях и инженерно-геологических изысканиях[8].

Вибрационная сейсморазведка основывается на протяженном во времени возбуждении колебаний, которое может быть реализовано в виде квазигармонических, переменных по частоте нагрузок или в виде последовательности силовых импульсов, следующих друг за другом с равными или меняющимися временными интервалами, величины которых соизмеримы с периодом возбуждаемых волн. Первое направление получило название вибрационного, а второе – виброимпульсного или кодоимпульсного генерирования волн. В обоих случаях общая длительность направляемых в землю сигналов, образующих одну посылку, может достигать 10 секунд и более, и она значительно превышает периоды волн, регистрируемых в импульсной сейсморазведке[8]. При квазигармоническом возбуждении точки среды совершают вынужденные колебания в соответствии с частотой приложения внешней нагрузки, а при виброимпульсном – собственные, которые из-за частого следования импульсов интерферируют, образуя сложные неразрешенные волновые поля. Особенности применяемых в вибрационной сейсморазведке нагрузок приводят к тому, что на полевых записях не выделяются отдельные волновые пакеты, соответствующие определенным физическим границам. Для их выделения и прослеживания необходимы корреляционная обработка данных, которая подразумевает нахождение степени сходства между посылаемыми в землю и зарегистрированными сигналами, или деконволюционная обработка полученных записей для их временного сжатия. Теоретические и экспериментальные основы вибрационной сейсморазведки освещены в монографиях и работах ряда авторов, постоянно происходит интенсивное развитие этого вида сейсморазведки. Постоянно предлагаются и получают практическое применение новые идеи и способы по выбору характера нагрузок, управления спектральным составом генерируемых волн, по совершенствованию методики и техники, а также повышению производительности работ и качества получаемых результатов.

Глава 3. Связь физико-механических свойств грунтов с их поведением при динамических нагрузках.

В наземной невзрывной сейсморазведке волны возбуждаются путем приложения динамических, переменных во времени нагрузок к поверхности земли или к стенкам скважины.

При поверхностном возбуждении нагрузки воспринимаются самыми верхними слоями земли – грунтами, представленными в большинстве районов переотложенными, рыхлыми, слабосцементированными породами различного литологического состава и физических свойств[2]. При работах в зонах выхода на поверхность кристаллических пород усилия, развиваемые вибраторами, передаются среде через упругие проставки. В зимнее время, при низких отрицательных температурах грунты могут быть сцементированы льдом и покрыты слоем снега различной мощности. В этих условиях уплотненный слой снега обеспечивает неплохую передачу усилий от вибраторов среде.

Излучающим элементом наземного вибрационного источника является жесткая металлическая плита, которая устанавливается на поверхность грунта и под действием активных или реактивных сил выводит его из положения равновесия, воздействуя на среду.

При возбуждении волн погружными источниками нагрузки прикладываются к стенкам скважины или непосредственно, или через обсадную колонну и воспринимаются плотными, коренными, не подвергшимися эрозии породами. Излучающим элементом является корпус источника, прижатый в колонне или к стенке скважины, или вращающийся буровой инструмент.

Во всех случаях усилия, развиваемые вибрационным источником, воспринимаются определенным, так называемым присоединенным объемом грунта (породы), что играет важную роль в теории и практике невзрывного возбуждения волн[9]. Под действием внешних сил в присоединенном объеме грунта возникают переменные во времени объемные или сдвиговые деформации, которые передаются близлежащим слоям и приводят к образованию упругих волн, интенсивность и частотный состав которых определяются величиной и характером нагрузок, а также физико-механическими свойствами пород и их поведением под действием переменных внешних сил.

Глава 4. Возбуждение волн в наземной невзрывной сейсморазведке.

В сейсморазведке применяются все известные способы возбуждения колебаний. На суше наиболее широко используют взрывы конденсированных зарядов различных по составу и массе взрывчатых веществ и вибрационные невзрывные источники колебаний (сейсмические вибраторы). В последнее время определенное применение также получили импульсные невзрывные электромеханические источники сейсмических волн («Енисей» и «Геотон»)[8].

Выбор при наземных съемках взрывного или невзрывного способа генерации волн определяется следующими основными технологическими и субъективными факторами:

       глубина разведки, качество получаемых материалов и степень их соответствия решаемым задачам;

       поверхностные сейсмогеологические условия, характер и рельеф местности;

       наличие/отсутствие наземных и подземных коммуникаций, населенных пунктов, сооружений и других препятствий для проведения работ;

       экономические факторы и требования по обеспечению безопасности работ;

       экология окружающей среды;

       требования и условия заказчика.

Последнее условие в ряде случаев является решающим при выборе способа возбуждения колебаний, величины заряда и глубины его погружения или типа невзрывного источника[8].

Исторически сложилось представление о том, что взрыв заряда взрывчатого вещества на оптимальной глубине является наилучшим со всех точек зрения источником колебаний в сейсморазведке. И это мнение в течение ряда лет не подвергалось сомнению в связи с тем, что отсутствовали адекватные, сопоставимые по эффективности промышленные способы генерации волн. С развитием технических и методических средств сейсморазведки положение существенно изменилось. Появились более прогрессивные и безопасные во всех отношениях невзрывные способы генерации волн в сейсморазведке. К настоящему времени невзрывное, вибрационное возбуждение колебаний на суше заняло прочное место в общем комплексе работ на нефть и газ, а в морской сейсморазведке невзрывное возбуждение является практически единственным способом генерации волн.

По мере урбанизации наших территорий и повышения требований к безопасности работ и сохранению окружающей среды приоритет переходит к невзрывной сейсморазведке. Эта тенденция получает и практическое воплощение, сегодня известны случат запрещения работ с взрывчатыми веществами в некоторых районах России. Ограничение работ со взрывчатыми веществами, определенно, будет способствовать совершенствованию невзрывной сейсморазведки и созданию новых, более эффективных способов возбуждения волн. Это позволяет говорить о том, что в будущем наземная невзрывная сейсморазведка станет основным методом поисков и разведки месторождений углеводородов и других полезных ископаемых.

Глава 5. Специфика вибросейсморазведки.

В сравнении с работами со взрывным возбуждением вибросейсмический метод характеризуется следующим:

       использование квазигармонических колебаний грунта, длительность которых существенно больше времен распространения отраженных или преломленных волн до разведуемых границ: имеются в виду в основном частотно-модулированные управляющие сигналы с частотой, меняющейся в пределах от 5-7 и до 400 Гц и более. Это дает возможность сжать сигналы во временной области и тем самым получить сейсмические записи заданной разрешенности;

       использование электрогидравлических вибраторов – специальных излучателей колебаний с характеристиками сигналов, которые задаются и контролируются электронным блоком управления, работающим по программе, задаваемой геофизиком;

       использование группы из нескольких вибраторов и режима накопления сигналов для повышения мощности излучения;

       длительность вибрационных сигналов, как правило, значительно больше времени распространения сейсмических волн до целевых границ разреза;

       зарегистрированная первичная сейсмограмма (виброграмма) подвергается корреляционной обработке и становится подобной импульсной сейсмограмме, но с сигналом, близким к симметричному (нуль-фазовому);

       имеется принципиальная возможность произвольного (в определенных пределах и по желанию геофизика) задания амплитудных, частотных и фазовых параметров излучаемых сигналов, что можно называть управлением параметрами вибросейсмических сигналов.

Вибросейсмическая разведка с электрогидравлическими вибраторами, по отношению к использованию других вибрационных источников, получила наибольшее распространение при поисках и разведке месторождений углеводородов[1].

              В промышленном использовании имеются также другие модификации вибрационного метода. Одна из них основана на применении гармонических сигналов, причем сжатие информации достигается суммированием выборок сигналов в пределах периода колебаний [4]. Другая модификация использует кодовые последовательности однополярных и разнополярных импульсов, следующих друг за другом через заданные промежутки времени. Длительность последовательностей может доходить до нескольких десятков секунд при средних частотах следования импульсов 5 – 25 Гц. «Частотный» метод вибрационной сейсморазведки использует восстановление импульсной характеристики среды (идеальной сейсмограммы) по ее частотной характеристике при изменении частоты излучаемых колебаний в заданном диапазоне частот [12]. Однако эти модификации не получили широкого распространения в нефтяной сейсморазведке.

              Колебания почвы, возбужденные вибратором, регистрируются приемной расстановкой, записываются сейсмостанцией. Длительность (по времени) полученной виброграммы равна сумме длительности сигнала и времени «слушания»[3]. Виброграмма в первозданном виде непригодна для дальнейшей стандартной обработки и интерпретации. Ее нужно привести к виду, сходному с видом обычной сейсмограммы, полученной с импульсным источником. Для этого виброграмма на станции или на вычислительном центре проходит стадию «предварительной» обработки, а именно, взаимной корреляции – обычно с опорным сигналом, и превращается в коррелограмму, имеющую вид обычной сейсмограммы, полученной с импульсным (например, взрывным) источником. Длительность коррелограммы равна времени «слушания», а каждый импульс коррелограммы приближенно соответствует функции автокорреляции сигнала.

Глава 6. Эволюция методик полевых работ.

Стандартная, наиболее часто применяемая методика вибросейсмических работ – это работа на профиле (площади) с одной группой вибраторов, которая последовательно перемещается от одного пункта возбуждения к другому. При этом может отрабатываться «статическая» группа, когда вибраторы стоят при отработке данного пункта возбуждения на одном месте и посылают в среду последовательно (по времени) несколько свип-сигналов, а далее все вместе перемещаются на следующий пункт возбуждения.

              Подобная стандартная методика была разработана для относительно слабых вибраторов (до 100 кН), оснащенных примитивными блоками управления, и совершенных транспортных средств (в том числе обычных грузовых автомобилей). По мере развития технического обеспечения вибросейсморазведки исчезла потребность в комбинировании сигналов для повышения разрешающей способности и необходимость в большом числе накоплений на одном пункте возбуждения[5].

              В целом традиционный подход к вибрационной сейсморазведке предполагает получение для данного пункта возбуждения наилучших записей с высоким значением отношения сигнал/помеха. Для этого используют группы из нескольких вибраторов с большой единичной мощностью и с малыми искажениями генерируемых сигналов; на каждом пункте возбуждения отрабатывается несколько накоплений сигналов и используются длинные сигналы. Такая методика имеет низкую производительность из-за относительно длительного цикла отработки одного физического наблюдения, большой шаг и низкую кратность наблюдений. Протяженная группа подавляет высокочастотные составляющие сейсмической записи и, к тому же, такая группа имеет плохую маневренность на местности.

              Современные методики вибросейсмических работ направлены в основном на повышение производительности, точнее, скорости отработки площади вибросейсмических работ.

              Это достигается разными способами. Здесь и отказ от группирования вибраторов, и увеличение длительности сигнала, и уменьшение числа накоплений с целью сократить время слушания после каждого свип-сигнала. Среднее время отработки одного пункта возбуждения сокращается за счет увеличения числа одиночно работающих мощных вибраторов, уменьшения числа воздействий на пункт возбуждения, уменьшения времени между отработкой последовательно отрабатываемых точек, одновременной работы вибраторов на разных точках, использования GPS-навигации при задании программы перемещения вибратора по площади и т.п.[8].

              Однако, хорошо налаженная связь со всеми вибраторами и GPS-связь с навигационными спутниками, оперативная раскладка полевого оборудования – все это хорошо реализуется на открытой ровной местности (тундра, степь, пустыня). На пересеченной, гористой или залесенной местности производительность работ будет ниже, если вообще такие работы возможны в этих условиях. Недаром высокопроизводительные работы описываются в районах, где известны пустыни: Оман, Катар, Карачаганак, арктическая тундра Аляски и Канады[8].

              В последнее время наибольшие объемы вибрационной сейсморазведки выполняются при работах 3D. В связи с этим выдвигается новая парадигма работ 3D (новая модель постановки задачи и способов ее решения), в которой главное значение имеет плотность наблюдений, вместо получения на каждом пункте возбуждения наилучших записей с высокими значениями соотношения сигнал/помеха. Значение имеет не только отношение сигнал/помеха на исходных записях, но и плотность пунктов возбуждения в пространстве, влияющая на кратность, плотность трасс и качество сейсмических изображений. Новая парадигма использует статистику против помех и принцип, что плотность и кратность важнее качества отдельной сейсмограммы.

              Для повышения производительности используются несколько основных подходов [7]:

1)      попеременная работа (посылка сигналов) нескольких групп или отдельных мощных вибраторов. При этом когда одна из групп отрабатывает свой вибросигнал, остальные перемещаются к очередным пунктам возбуждения;

2)      работа разными группами вибраторов, которые излучают свип-сигналы, частично перекрывающиеся во времени, при этом в одно и то же время разные группы генерируют разные частоты. Фактически это попеременная работа, но с частичным наложением (во времени) конца одного свипа (первой группы) и начала другого (от второй группы вибраторов) и т.д.;

3)      одновременная работа двух или большего числа групп (отдельных вибраторов), находящихся на разных пунктах возбуждения; при этом параметры сигналов разных групп могут отличаться друг от друга, чтобы из зарегистрированных сейсмограмм при специальной обработке можно было выделить результат посылки каждой отдельной группы вибраторов;

4)      сокращение времени слушания за счет использования «длинных» сигналов, длительность которых равна сумме длительностей нескольких накапливаемых сигналов.

Адаптивная технология вибрационной сейсморазведки – это технология, в которой по тем или иным установленным критериям на основе анализа отклика среды на предварительно посланный сигнал осуществляется выбор оптимальных рабочих нелинейных вибросигналов, оптимизирующих заданные параметры сейсмической записи, причем процесс выбора происходит в реальном времени и в автоматизированном режиме[10].

Заключение

В своей работе я постаралась вкратце представить историю развития изучаемого мной вибрационного метода возбуждения упругих волн. Завершая краткий обзор этой дисциплины, хотелось бы еще раз отметить ее величайшее значение для современной сейсморазведки, в наш век повышения требований экологической безопасности работ, а также безопасности для работников.

Список использованной литературы

1.       Асан-Джалалов О.А., Гридин П.А. Совершенствования систем управления и контроля электрогидравлических вибрационных источников сейсмических сигналов // Приборы и системы разведочной геофизики. 2004. №3.

2.       Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. – М.: Высшая школа, 1976. 328 с.

3.       Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. – М.: Советское радио, 1970.

4.       Гаврюшин В.Б. Сейсморазведка на монохроматических волнах // Недра Поволжья и Прикаспия. Наука, практика, маркетинг. 1993. Вып. 4. С. 45 – 51.

5.       Гаротта Р. Современное состояние и новые перспективы вибрационной сейсморазведки: Техн. серия. 1990. №587.

6.       Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка. – М.: Недра, 1980.

7.       Дени Мужно. Высокопроизводительный ВиброСейс // Приборы и системы разведочной геофизики. 2004. №3.

8.       Жуков А.П., Колесов С.В., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками. – Тверь, ООО «Издательство ГЕРС», 2011. – 412 с.

9.       Жуков А.П., Шнеерсон М.Б., Логинов К.И. и др. Гармонические и нелинейные компоненты сейсмических вибрационных волновых полей в пористых, трещиноватых, проницаемых, флюидонасыщенных средах // Приборы и системы разведочной геофизики. 2004. №2.

10.   Жуков А.П., Шнеерсон М.Б. Адаптивные и нелинейные методы вибрационной сейсморазведки. – М.: Недра-Бизнесцентр, 2000.

11.   Колесов С.В., Потапов О.А., Иноземцев А.Н., Захарова Г.А. Использование нелинейных свипов при высокоразрешающей вибросейсморазведке // Геофизика. 2002. №1. С. 18 – 28.

12.   Чичинин И.С. Вибрационное излучение сейсмических волн. – М.: Недра, 1984.

13.   Шнеерсон М.Б., Потапов О.А., Гродзенский В.А. и др. Вибрационная сейсморазведка. – М.: Недра, 1990.

17