СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD FOR EXCITATION OF SEISMIC VIBRATIONS

Способ относится к сейсмической разведке с импульсными и непрерывными источниками сейсмических колебаний. Его можно использовать при наземных и скважинных сейсмических исследованиях, при которых осуществляется многократное возбуждение колебаний с последующим накапливанием полученных сейсмических записей. В наибольшей степени способ применим при проведении работ методом вертикального сейсмического профилирования (ВСП), когда из одного пункта возбуждения приходится осуществлять множество воздействий.
Нагрузки на грунт, развиваемые наземными невзрывными источниками, как правило, невелики, что предопределяет их работу в начальной части компрессионной кривой, в пределах которой превалируют упругие и частично пластические деформации и волны (Жуков А.П., Колесов СВ., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками. - Тверь, ООО «Издательство ГЕРС», 2011. - 412 с.). Повторение воздействий в пределах одного и того же пункта возбуждения (ПВ) приводит к уплотнению и упрочению грунтов, а также к их проседанию.
Уплотненный грунт ведет себя как упругая среда, характеризующаяся линейной зависимостью между механическим напряжением и деформацией. В такой среде формируется устойчивый по форме сигнал, а после прекращения воздействия на грунт глубина забоя под плитой возвращается в исходное состояние. Однако при изменении местоположения ПВ достижение уплотненного состояния грунта требует повторения воздействий, что само по себе снижает производительность работ.
Применение подложек, через которые оказывают механическое воздействие на грунт, позволяет распределить нагрузку на площадь, превышающую площадь плиты, являющейся составной частью источника колебаний. Тем самым исключается искажающее влияние неровностей, содержащихся на поверхности грунта, а также уменьшаются систематические проседания грунта под плитой, имеющие место в случае отсутствия подложки. Однако использование в качестве подложки металла приводит к противоречивой ситуации: тонкая подложка быстро деформируется в процессе работ, а более прочная толстая подложка обладает большой массой, которая вместе с присоединенной массой грунта, расположенной непосредственно пол подложкой, приводит к понижению частоты резонансных колебаний в источнике, накладывающихся на возбуждаемый в грунте сигнал. В итоге ожидаемого повышения разрешающей способности сейсморазведки может не произойти.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ возбуждения сейсмических колебаний, в котором увеличение площади контакта жесткого блока источника типа «падающий груз» с грунтом достигается путем плотной установки листа железа на грунт. При этом, по мнению авторов этого способа, значительная доля энергии, выделяемой падающим грузом, расходуется на возбуждение сейсмических волн, а не на деформацию (выравнивание) неровностей грунта, вследствие чего длительность возбуждаемого импульса будет уменьшаться, а амплитуда увеличиваться, что приведет к увеличению общей энергии волн и особенно энергии высокочастотных компонент (Берешполец А.И., Гавшин А.Н., Чомахидзе З.Г. Сравнение источников возбуждения при изучении верхней части разреза методом МПВ//Приборы и системы разведочной геофизики, 2014, №1, с. 42-45).
Основной недостаток известного способа состоит в том, что плотность железа, которое берут в качестве материала для подложки, устанавливаемой на грунт, примерно втрое превышает плотность грунта. Поэтому общая масса жесткого блока, подложки и присоединенной массы грунта оказывается достаточно большой для возникновения низкочастотных резонансных колебаний, удлиняющих возбуждаемый импульс и снижающих разрешенность сейсмических записей.
Цель предлагаемого изобретения состоит в повышения стабильности возбуждаемого сейсмического сигнала.
Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения сейсмических колебаний, основанном на импульсном или непрерывном механическом воздействии источника на грунт через подложку, материал подложки берут с соизмеримыми упругими свойствами с упругими свойствами уплотненного грунта, а толщину подложки берут соизмеримой с амплитудой деформаций, возбуждаемых в уплотненном грунте. В одной из модификаций способа подложку выполняют в виде полого сосуда с гибким дном с возможностью нагнетания в сосуд газа или жидкости до величины упругости гибкого дна, соизмеримой с упругостью уплотненного грунта.
По сравнению с аналогами и прототипом предлагаемый способ возбуждения сейсмических колебаний характеризуется следующими существенными отличиями:
1. Подложку, через которую осуществляют механическое воздействие на грунт, берут с такими упругими свойствами, которые соизмеримы с упругими свойствами уплотненного грунта, на который оказывается механическое воздействие с целью возбуждения сейсмических колебаний.
2. Толщину подложки берут соизмеримой с величиной амплитуды деформаций, возбуждаемых в уплотненном грунте.
3. При перемещении источника колебаний на другую точку не требуется уплотнять грунт, поскольку роль уплотненного грунта выполняет подложка, упругие свойства которой соизмеримы со свойствами уплотненного грунта.
Суть предлагаемого способа состоит в следующем.
При механическом воздействии на грунт породы могут вести себя как пластические тела, при снятии нагрузок с которых наблюдаются остаточные деформации. В результате этого забой, по которому осуществляются повторные механические воздействия, необратимо проседает, в результате чего время прихода возбуждаемых импульсов к сейсмоприемникам последовательно уменьшается, причем неконтролируемым образом. Суммирование импульсов, полученных при повторных воздействиях в таких условиях, приводит к понижению преобладающей частоты суммарного импульса и, соответственно, к уменьшению интенсивности верхнечастотных компонент спектра сейсмических колебаний. В итоге разрешающая способность сейсморазведки падает. Такая ситуация наблюдается до момента уплотнения грунта, при котором он начинает себя вести как чисто упругая среда, которой не свойственны остаточные деформации.
Если между грунтом и источником колебаний поместить подложку, то условия возбуждения колебаний существенно изменятся. Подложка, упругие свойства которой соизмеримы с упругими свойствами уплотненного грунта, будет себя вести как уплотненный грунт, т.е. как практически упругая среда. Изучив свойства уплотненного грунта по крайней мере в одной точке, расположенной в пределах однородного участка, можно в пределах этого участка в любой другой его точке возбуждать колебания, используя при этом подложку с упругими свойствами, соизмеримыми с упругими свойствами уплотненного грунта в той точке участка, в которой известными способами осуществили уплотнение грунта и определили его упругие свойства. Знание упругих свойств уплотненного грунта позволит подобрать соответствующий материал подложки. В качестве одного из вполне осуществимого варианта подложки предлагается использовать полый сосуд с гибким дном с возможностью нагнетания в сосуд газа или жидкости до величины упругости гибкого дна, соизмеримой с упругостью уплотненного грунта. В качестве возможного материала для подложки можно также использовать композиты, отличающиеся широким диапазоном физико-механических свойств.
Существенное значение имеет вопрос о толщине подложки, используемой для возбуждения колебаний. Подложка должна быть достаточной толщины для того, чтобы максимальная деформация осуществлялась без выхода за ее пределы. Удовлетворить это требование можно путем измерения известными способами величины максимальной деформации уплотненного грунта при механическом воздействии на него импульсного или непрерывного источника (Гик Л.Д. Измерение вибраций//»Наука», Новосибирск, 1972, с. 291). Так что, толщину подложки берут соизмеримой с величиной амплитуды деформации уплотненного грунта, которую определяют экспериментальным путем для каждого из используемых источников колебаний. Способ осуществляют следующим образом.
Район, предназначенный для изучения вибросейсмическим методом, известными способами разделяют на участки, каждый из которых характеризуется однородными поверхностными условиями. По меньшей мере, в одной точке, расположенной на каждом из участков, известными способами уплотняют грунт и определяют плотность и упругие свойства уплотненного грунта (Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов: Практический курс/ М.: Стройиздат, 1981. - 455 с.). Возбуждая колебания в уплотненном грунте, оценивают амплитуду деформаций, возбуждаемых источником, выбранным для проведения работ. Знание упругих свойств грунта, его плотности и амплитуды деформаций позволяет выбрать материал подложки с требуемыми свойствами и толщиной, обеспечивающей соизмеримую амплитуду деформаций непосредственно в пределах подложки.
В отличие от аналогов и прототипа, плотность подложки берут соизмеримой с плотностью уплотненного грунта. Это обеспечивает резкое уменьшение общей массы колеблющейся системы, а, следовательно, и повышение резонансной частоты этой системы. В результате этого не возникают низкочастотные резонансные колебания, снижающие разрешающую способность сейсморазведки.
Внедрение предлагаемого изобретения в практику вибрационной сейсморазведки не требует создания новых технических средств и может быть начато уже в настоящее время.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
Берешполец А.И., Гавшин А.Н., Чомахидзе З.Г. Сравнение источников возбуждения при изучении верхней части разреза методом МПВ//Приборы и системы разведочной геофизики, 2014, №1, с. 42-45
Гик Л.Д. Измерение вибраций//»Наука», Новосибирск, 1972, с. 291 Жуков А.П., Колесов С.В., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками. - Тверь, ООО «Издательство ГЕРС», 2011.
Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов: Практический курс/ М.: Стройиздат, 1981.- 455 с.