способ сейсмической разведки

Формула изобретения

Способ сейсмической разведки, включающий многократное профелирование, возбуждение и регистрацию упругих колебаний интерференционными системами с применением частотных фильтров, отличающийся тем, что формируют интерференционные системы излучения упругих волн, которые в качестве импульсных излучателей включают вторичные источники импульсных упругих колебаний, формирующиеся в верхней части геологической среды путем воздействия на среду внешним упругим полем, возбужденным невзрывными излучателями упругих колебаний с заданной частотно-временной последовательностью, для накопления в верхней части среды энергии, которая после прекращения воздействия внешнего упругого поля излучается в виде импульса "разгрузки", определяют амплитудно-частотную характеристику колебаний системы плита излучателя - верхняя часть среды и частотный спектр импульсного сигнала "разгрузки", затем определяют частоту излучения сигналов внешнего упругого поля, при которой частотный спектр импульсного сигнала "разгрузки" вторичных источников соответствует амплитудно-частотной характеристике системы плита излучателя - верхняя часть среды, вторичные источники располагают на базах возбуждения, превышающих длину волны, и ориентируют эти базы возбуждения вдоль или перпендикулярно профилю, а расстояние между вторичными источниками импульсных упругих колебаний в пределах базы возбуждения не превышает 1/2 длины волны, определяемой по частоте в экстремуме амплитудно-частотной характеристики плита излучателя - верхняя часть среды, упругие колебания регистрируют площадными или линейными группами сейсмоприемников, а расстояния между ними рассчитывают по частоте экстремума частотной характеристики системы плита излучателя - верхняя часть среды и значениям кажущейся скорости годографов волн при максимальном удалении канала от источника и ожидаемого угла наклона границ в среде.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сейсмической разведке и может быть использовано для изучения геологического строения сложнопостроенных сред при поиске полезных ископаемых.

Известен способ вибросейсмической разведки [1]. Этот способ основан на излучении монохроматического вибрационного сигнала виброисточником с частотой где - интервал дискретности цифровой регистрации K 3 - целое число отсчетов на полупериод T/2 возбуждаемых колебаний, который записывают цифровой сейсмостанцией с интервалом дискретности и обрабатывают, определяя энергию в скользящем по записи временном окне (n 1 - целое число), т. е. определяют энергию зарегистрированных колебаний в окрестности каждой дискретной точки записи колебаний и по разности энергий судят о приходе волн, отраженных от границ раздела в исследуемой среде.

Известен также способ вибросейсмической разведки [2]. По этому способу излучают монохроматический вибрационный сигнал виброисточником с частотой, равной преобладающей частоте f₀ спектра целевого отражения, а интервал дискретности цифровой регистрации выбирают из соотношения = 1/2f_o(k-1), , где k 3 - целое число во временном интервале (n 1 - целое число), определяют энергию зарегистрированных колебаний последовательно по трассе записи и по разности энергий судят о приходе волн, отраженных от границ раздела.

Недостатками этих известных технических решений являются:

- значительное затухание сигналов с глубиной ограничивает возможность существенного повышения частотного состава, свыше 60 Гц;

- в связи с узким линейчатым частотным спектром монохроматического сигнала существенно возрастают требования к точности определения поправок, связанных с влиянием геологической среды на времена распространения волн, особенно при группировании источников;

- недостаточная помехоустойчивость способа обработки.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ вибросейсморазведки, описанный в [3]. Способ базируется на возбуждении колебаний с переменными нагрузками, длительность которых существенно больше времени распространения отраженных волн до разведуемых границ раздела. Плавное нарастание или убывание частоты сигналов является необходимым репером для сжатия информации и определения времени регистрации регулярных волн при обработке. Для сжатия сигнала применяется обработка способом корреляционного анализа, заключающегося в вычислении функции взаимной корреляции (ФВК) вдоль трассы. Графики ФВК каждой регистрируемой регулярной волны рассматриваются как аналог сейсмических сигналов.

Недостатком этого способа является недостаточная разрешенность во времени, что особенно проявляется в тонкослоистой и сложнопостроенной геологической среде.

Задачей изобретения является повышение эффективности способа и его достоверности.

Поставленная задача решается следующим образом.

В способе сейсмической разведки, включающем многократное профилирование, возбуждение и регистрацию упругих колебаний интерференционными системами с применением частотных фильтров, формируют интерференционные системы излучения упругих волн, которые в качестве импульсных излучателей включают вторичные источники импульсных упругих колебаний, формирующиеся в верхней части геологической среды путем воздействия на среду внешним упругим полем, возбужденным невзрывными излучателями упругих колебаний с заданной частотно-временной последовательностью, для накопления в верхней части среды энергии, которая после прекращения воздействия внешнего упругого поля излучается в виде импульса "разгрузки", определяют амплитудно-частотную характеристику колебаний системы плита излучателя - верхняя часть среды и частотный спектр импульсного сигнала "разгрузки", затем определяют частоту излучения сигналов внешнего упругого поля, при которой частотный спектр импульсного сигнала "разгрузки" вторичных источников соответствует амплитудно-частотной характеристике системы плита излучателя - верхняя часть среды, вторичные источники располагают на базах возбуждения, превышающих длину волны, и ориентируют вдоль или перпендикулярно профилю, а расстояния между вторичными источниками в пределах базы возбуждения не превышают 1/2 длины волны, определяемой по частоте в экстремуме амплитудно-частотной характеристики плита излучателя - верхняя часть среды, упругие колебания регистрируют площадными или линейными группами сейсмоприемников, а расстояния между ними рассчитывают по частоте экстремума частотной характеристики системы плита излучателя - верхняя часть среды и значениям кажущейся скорости годографов волн при максимальном удалении канала от источника и ожидаемого угла наклона границ в среде.

Отличительными признаками в заявляемом способе являются:

- формируют интерференционные системы излучения упругих волн, которые в качестве импульсных излучателей включают вторичные источники импульсных упругих колебаний, формирующиеся в верхней части геологической среды, путем воздействии на среду внешним упругим полем, возбужденным невзрывными излучателями упругих колебаний с заданной частотно-временной последовательностью, для накопления энергии, которая излучается в виде сигнала импульса "разгрузки". Это позволяет сформировать в геологической среде интенсивное импульсное суммарное волновое поле, а формирование сигнала импульса "разгрузки" после прекращения воздействия внешнего упругого поля, позволяет регистрировать импульсные сигналы отраженных и других типов волн с высокой динамической выраженностью;

- определяют амплитудно-частотную характеристику колебаний системы плита излучателя - верхняя часть среды и частотный спектр импульсного сигнала "разгрузки". Это позволяет выбрать оптимальные параметры интерференционной системы для обеспечения формирования наиболее интенсивного внешнего упругого поля, возбуждаемого невзрывными излучателями упругих колебаний;

- определяют частоту излучения сигналов внешнего упругого поля, при которой частотный спектр импульсного сигнала "разгрузки" вторичных источников соответствует амплитудно-частотной характеристике системы плита излучателя - верхняя часть среды. Это позволяет согласовать частотный спектр сигналов внешнего упругого поля, возбужденного невзрывным источником, со спектром сигнала системы плита излучателя - верхняя часть среды, что обеспечивает наибольшую интенсивность импульсного сигнала "разгрузки";

- вторичные источники располагают на базах возбуждения, расстояние между которыми превышает длину волны, и ориентируют эти базы возбуждения вдоль или перпендикулярно профилю, а расстояния между вторичными источниками колебаний в пределах базы возбуждения не превышают 1/2 длины волны, определяемой по частоте в экстремуме амплитудно-частотной характеристики плита излучателя - верхняя часть среды. Это позволяет обеспечить формирование однолепестковой диаграммы направленности интерференционной системы;

- упругие колебания регистрируют площадными или линейными группами сейсмоприемников, а расстояния между ними рассчитывают по частоте экстремума частотной характеристики системы плита излучателя - верхняя часть среды и значениям кажущейся скорости годографов волн при максимальном удалении канала от источника и ожидаемого угла наклона границ в среде. Это позволяет определить параметры групп, при которых обеспечивается оптимальная регистрация сигналов полезных волн, и максимальное ослабление фона помех, возникающих в верхней части среды.

В известных авторам источниках научной и патентно-технической информации не описан способ сейсмической разведки с перечисленной совокупностью признаков, направленных на решение поставленной технической задачи, это позволило сделать вывод о наличии в заявленном техническом решении критерия изобретения "изобретательский уровень".

На фиг. 1 (а и б) приведены экспериментальные виброграммы, (в и г) результаты их обработки, на фиг. 2 - сейсмограммы (е, д), иллюстрирующие эффект импульсного воздействия монохроматического виброисточника на среду.

Способ осуществляется следующим образом.

В отличие от известных способов, в рассматриваемом способе упругое поле, возбужденное невзрывными излучателями, используется не для формирования отраженных или других типов волн, а для создания вторичного источника импульсных упругих волн непосредственно в среде и использования их для решения геологических задач.

В качестве импульсных упругих волн вторичного источника используются импульсные сигналы "разгрузки", возникающие в верхней части среды на контакте с плитой излучателя, в связи с нелинейными процессами, вызванными облучением среды длительными во времени упругими колебаниями определенной частоты (4, 5, 6). Преимущество такого источника упругих волн сводится к следующему.

В квазиупругой среде происходят нелинейные процессы, обеспечивающие накопление энергии с последующим излучением в коротком промежутке времени упругого импульса (сигнал "разгрузки"). Большой объем верхней части разреза с малой скоростью распространения волн (ЗМС) способствует повышению интенсивности излучения сигналов упругих волн в подстилающую среду за счет накопления энергии при нелинейных процессах, возникающих в среде при длительном ее облучении внешним упругим полем. Исходя из теоретических представлений о процессах, происходящих в среде (5, 6), и полученных нами экспериментальных данных, можно отметить, что интенсивность этого сигнала зависит от длительного воздействия внешним упругим полем, а частотный состав определяется амплитудно-частотной характеристикой системы плита излучателя - верхняя часть среды верхней части разреза. Таким образом имеются условия для управления интенсивностью импульсного сигнала "разгрузки".

После снятия воздействия внешнего упругого поля практически мгновенно происходит релаксация среды и формирование импульсного сигнала "разгрузки". Сигнал образуется в среде, где обычно размещают заряды при производстве работ взрывными источниками. Так как процессы происходят путем воздействия на среду упругими колебаниями, а среда релаксирует в короткий промежуток времени без упругих деформаций, то можно ожидать идентичность сигналов вторичного источника импульсных упругих волн сигналу взрывного источника при размещении заряда в этой среде. Использование импульсного сигнала "разгрузки" как вторичного источника импульсных упругих волн обеспечит регистрацию импульсных сигналов отраженных и других типов сейсмических волн, и, соответственно динамическую выраженность, и временную разрешенность регистрируемого волнового поля, и надежность данных на уровне, соответствующем взрывным излучателям.

Спектр импульсного сигнала "разгрузки" по имеющимся экспериментальным материалам зафиксирован в диапазоне частот 30 - 60 Гц с экстремумом спектра 49 - 50 Гц. В то же время отмечается ослабление интенсивности поверхностной волны, частотный диапазон которой не превышает 20 Гц. В таких условиях имеются следующие возможности ослабления поверхностных волн:

- использование повышенных частот излучения (свыше 60 Гц), что практически не повлияет на условия формирования импульсного сигнала "разгрузки", но снизит интенсивность поверхностных волн;

- применить фильтр высоких частот (30 Гц и более) при регистрации, обеспечивающий ослабление низкочастотных гармоник сигналов (менее 25 - 30 Гц) и выравнивание амплитуд гармоник спектра с частотой более 30 Гц с целью его расширения и сокращение длительности сигнала во времени; параметры фильтра определяются исходя из амплитудно-частотной характеристики плита излучателя - верхняя часть среды, которая определяет спектр импульсного сигнала "разгрузки", так как подавлению подлежат низкочастотные поверхностные волны, то фильтр высоких частот (ФВЧ) должен иметь характеристику левого крыла спектра излученного сигнала. На экспериментальных материалах применение фильтрации позволило полностью ослабить поверхностные волны;

- применить интерференционные системы с использованием вторичных источников импульсных упругих волн. Это позволит сформировать в геологической среде суммарное волновое поле с плоской или заданной формой фронта волны. При этом, за счет перераспределения потока излученной энергии в пространстве, в соответствии с диаграммой направленности, произойдет усиление интенсивности сигналов упругих волн в направлении ориентации основного лепестка диаграммы направленности. При условии превышения длины базы размещения источников длины сейсмической волны и расстояниях между излучателями менее 1/2 длины волны, в направлении лепестка диаграммы направленности, интенсивность сигналов прямо пропорциональна количеству излучателей. Изменяя число вторичных источников сферических импульсных упругих волн и длину базы их размещения, можно управлять интенсивностью суммарного волнового поля в среде, концентрируя его на объекте разведки. Если излучение всеми вторичными источниками импульсных упругих волн одновременное, то в среде формируется волна с цилиндрической формой фронта, при которой изменение интенсивности, в связи с уменьшением плотности энергии с увеличением пути пробега S на поверхности фронта волны, уменьшится в раз, в то время как при сферических волнах - в S раз. Таким образом обеспечивается увеличение интенсивности упругих волн на больших глубинах;

- используя интерференционные системы с применением вторичных источников импульсных волн, имеется возможность управлять направлением распространения волн и формой фронта излученной волны с тем, чтобы обеспечить хорошую динамическую выраженность сигналов полезных волн и ослабить волны-помехи.

Отсюда следует, что использование нелинейных процессов для формирования в геологической среде вторичного источника сферических импульсных упругих волн, позволяет регулировать интенсивность излученных сигналов и решать задачи повышения временной разрешенности, частотного состава и снижения отрицательного влияния поверхностных волн на результаты сейсморазведки до уровня взрывных источников. При этом снизится трудоемкость производства работ в сравнении с взрывными источниками.

Способ основан на применении интерференционных излучающих систем с использованием вторичных источников импульсных упругих волн, формирующихся в верхней части геологической среды при длительном воздействии на нее внешним упругим полем, возбужденным с постоянной или переменной во времени частотой невзрывными излучателями упругих колебаний, размещенных на дневной поверхности. Интервал их размещения (база возбуждения) должен превышать длину волны для обеспечения свойств направленности интерференционной системы, а расстояния между точками размещения вторичных источников упругих волн в пределах базы возбуждения не должны превышать 1/2 длины волны, что регулируется плотностью вторичных источников упругих волн, для формирования однолепестковой диаграммы направленности.

Для обеспечения максимальной интенсивности вторичных источников упругих волн, спектры сигналов, излученных невзрывными источниками, должны соответствовать амплитудно-частотной характеристике системы плита излучателя - верхняя часть среды, а длительность излучения - обеспечить устойчивое формирование в среде импульсного сигнала "разгрузки".

Интенсивность суммарного волнового поля, сформированного упругими колебаниями, излученными вторичными источниками упругих волн, регулируется также направленными свойствами интерференционных систем, остротой направленности, количеством излучателей и расстояниями между ними (не более 1/2 длины волны). Эти параметры определяют по экстремуму амплитудно-частотной характеристики системы плита излучателя - верхняя часть среды и скорости распространения волн в интервале разреза формирования суммарного волнового поля. Для определения этих данных выполняют экспериментальные исследования. Так как амплитудно-частотная характеристика системы плита излучателя - верхняя часть среды и параметры интерференционных систем зависят от физико-геологических условий, то для повышения эффективности исследований желательно уточнить их экспериментальным путем. Наблюдения выполняются многократным профилированием с перемещением групп вторичных источников упругих волн, размещенных в пределах заданной длины базы возбуждения, после каждого воздействия на величину, равную расстоянию между вторичными источниками.

Для ослабления поверхностных волн, сглаживания амплитудно-частотного спектра регистрируемых сигналов отраженных волн и сокращения их длительности во времени, регистрацию колебаний каждого воздействия выполняют с применением частотных фильтров. Параметры фильтров (ФВЧ) должны иметь характеристику левого крыла спектра излученных сигналов, в связи с необходимостью подавления низкочастотных поверхностных волн. Если же подлежат подавлению высокие частоты, то фильтр низких частот (ФНЧ) должен иметь характеристику правого крыла спектров излученных сигналов.

Для повышения деятельности излучения мелкозалегающих границ и создания условий для исключения искажений, вносимых геологической средой в волновое поле на последующих этапах обработки, запись каждого воздействия фиксируют на магнитном носителе. Это обеспечит получение системы наблюдения с плотностью пунктов возбуждения, равной шагу перемещения излучателей.

Регистрация колебаний осуществляется интерференционными площадными или линейными группами сейсмоприемников с расстояниями между ними, рассчитанными по частоте экстремума частотной характеристики системы плита излучателя - верхняя часть среды и значениями кажущейся скорости годографов волн при максимальном удалении канала от источника с учетом ожидаемого угла наклона границ к среде.

На фиг. 1 приведены сейсмограммы, зарегистрированные при возбуждении колебаний вибраторами с частотным диапазоном 20-80 Гц и длительностью 3 с. На фрагментах "а" приведены записи, зарегистрированные в интервале времени до 2,0 с, а на фрагментах "б" после выключения вибраторов в интервале 3,0-5,0 е. Результаты обработки этих сейсмограмм изображены на фрагментах "в" и "г". Сопоставление этих материалов свидетельствует о хорошей повторяемости записей - зарегистрированы одни и те же отраженные волны, но возбужденные различными упругими полями: фрагменты "а" и "в" вибрационным упругим полем невзрывного источника, а фрагменты "б" и "г" - вторичным источником импульсных упругих колебаний, сформированным в верхней части среды после выключения вибрационного излучателя, облучавшего верхнюю часть среды в течении 3 с. Отраженные волны распространялись в одной среде, отражались от одних границ, упругие поля возбуждены источниками, включенными с разницей во времени 3 с. На фиг. 2 сопоставлены сейсмограммы, на которых также выделены сигналы отраженных волн от одних и тех же границ, при излучении монохроматических колебаний частотой 40 Гц и длительностью 2 с (интервал времени 0-2 с) и импульсных сигналов, возбужденных вторичным источником, сформированным в верхней части среды после выключения вибраторов в результате облучения ее в течении 2 с монохроматическими упругими колебаниями (интервал времени более 2 с). Приведенные сейсмограммы отличаются протяженностью расстановки - на фиг. 2 расстановка в два раза длиннее, чем на фиг. 1, при равном числе трасс записи. Сейсмограммы получены при накоплении 2 записей ("g") и 12 записей ("e"). Шаг перемещения невзрывных излучателей 2,5 м, три вибратора на базе 5 м. О регулярности волн в интервале времени более 2 с можно судить по сейсмограмме "e" - с увеличением числа накоплений улучшается запись и повышается динамика сигналов отраженных волн.

Таким образом, формирование интерференционных систем излучения упруги волн, в которых вторичные источники импульсных упругих колебаний формируются в геологической среде в результате ее релаксации после длительного ее облучения внешним упругим полем, совместно с описанными приемами выполнения наблюдений, обеспечивают повышение геологической эффективности - ослабление поверхностных волн, повышение интенсивности полезных волн, сокращение длительности их сигналов, повышение разрешенности и достоверности записи, в сравнении с известными способами вибросейсморазведки.

Литература

1. SU, патент, 1721561, 1992.

2. То же.

3. Шнеерсон М.Б., Потапов О.А., Гродзенский В.И. и др. Вибрационная сейсморазведка. - М.: Недра, 1990.

4. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. - М.: Наука, 1966, с.519.

5. Николаев А. В. Проблемы нелинейной сейсмики. /В кн.: Проблемы нелинейной сейсмики. - М.: Наука, 1987, с.5-20.

6. Николаев А. В., Павленко О.В., Яковлев Р.П. Квазистатические деформации земной поверхности, вызванной вибровоздействием, и нелинейные свойства земных пород. Изв. АН РАН. Физика Земли. - М.: Наука, N 12, 1994, с.3-12.