СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
METHOD OF EXCITING SEISMIC WAVES

Предлагаемое изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых методами многоволновой сейсморазведки.
Известен способ возбуждения крутильных сейсмических колебаний, заключающийся в генерировании колебаний около общей вертикальной оси плоских элементов, жестко связанных между собой и с земной поверхностью (Патент США №3280935, 1963 г.) [1].
Недостатком этого способа является его функциональная ограниченность. Это связано с тем, что излучение крутильных сейсмических колебаний происходит равномерно во все стороны, кроме направлений по вертикали и близких к ним, обычно главных для регистрации сейсмических отраженных волн.
Известен способ возбуждения сейсмических поперечных волн, заключающийся в генерировании этих волн с помощью, по крайней мере, трех элементарных излучателей, жестко связанных между собой в кольцо, а их опорная плита - с грунтом (Патент США №3587774, 1974 г.) [2].
Недостаток способа в его функциональной ограниченности, так как элементарные излучатели не могут обеспечить генерирование поперечных волн по вертикали вследствие наличия жестких связей между ними.
Известен способ возбуждения поперечных сейсмических волн, заключающийся в одновременной генерации сейсмических волн симметрично расположенными и не связанными между собой элементарными источниками (Сейсмическая разведка методом поперечных и обменных волн. Н.Н.Пузырев, А.В.Тригубов, Л.Ю.Бродов и др. 1985 г., М., «Недра», с.100-107) [3].
Недостаток способа в его функциональной ограниченности, поскольку равномерное излучение поперечных волн происходит во всех направлениях, кроме вертикали и близких к ней.
Известен способ возбуждения сейсмических волн, включающий симметричное расположение не связанных между собой элементарных излучателей, генерацию поперечных сейсмических волн каждым излучателем по отдельности, при этом эту генерацию осуществляют последовательно каждым излучателем с задержкой по времени, равной
где n - количество элементарных излучателей, i - порядковый номер элементарного излучателя, ω - преобладающая круговая частота поперечной волны (Заявка №94045331 за 1997 г., БИ №12) [4], (прототип).
Недостаток способа в том, что поляризационный эффект (состояние поляризации поперечной волны по кругу) наблюдается только в направлениях строго по вертикали или близких к ней, то есть для условий регистрации «эхосигналов». В случае регистрации волн в других направлениях начинает влиять эффект дополнительного запаздывания генерируемых излучателями волн в связи с их распределением по площади. При этом задержка во времени одной и той же фазы сейсмической волны в точке регистрации от каждого излучателя будет другой, что и нарушает эффект круговой поляризации в этих направлениях относительно вертикали.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа.
Поставленная задача решается тем, что в способе возбуждения сейсмических волн, заключающемся в симметричном расположении по площади не связанных между собой элементарных излучателей, генерации поперечных сейсмических волн последовательно друг за другом каждым элементарным излучателем с задержкой во времени один относительно другого, эту задержку излучения упругой волны для каждого элементарного излучателя рассчитывают по формуле:
где ω - преобладающая круговая частота поперечной волны, i, n - порядковый номер и количество элементарных излучателей, при этом симметричное распределение осуществляют по кольцу, радиус которого не превышает четверти преобладающей длины поперечной волны.
Заявляемое изобретение по сравнению с известным позволяет осуществить возбуждение поперечных сейсмических волн, поляризованных по кругу в любой наблюдательной точке, а не только по вертикали.
Кроме того, предлагаемый способ позволяет расчетным путем определить временную задержку для каждого элементарного излучателя по двум координатам, фиксирующим его место в симметричном групповом распределении.
Последовательное излучение упругих волн каждым элементарным излучателем создает условия для осуществления управления процессом возбуждения и частотной селекции поперечных волн.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, изображающим схематически в разрезе и в проекции на земную поверхность генерацию поперечных волн при симметричном распределении на поверхности элементарных излучателей.
На чертеже:
τ
i
i
X, Y, Z - оси координат; О - центр симметрии группы элементарных излучателей; R - радиус кругового распределения; 2π(i-1)/nω - угловое расстояние в группе элементарных излучателей; F - касательная сила, развиваемая элементарным излучателем; 1, 2, 3,…8 - номера элементарных излучателей; 9 - положение отражающей границы; r - радиус-вектор излучателя №8 i; Δr - разность хода лучей до точки М от излучателей i до i-1 и i+1.
Общим свойством известных способов возбуждения поперечных сейсмических волн является особая форма функции диаграммы направленности излучения. Генерация поперечных волн происходит равномерно в азимутальных плоскостях, однако максимальная его интенсивность сосредоточена в плоскости, перпендикулярной к оси вращательных колебаний, и содержит центр симметрии возбуждающей системы. При этом поперечные волны распространяются преимущественно в боковых направлениях при нулевой интенсивности по вертикали (Возбуждение поперечных сейсмических волн импульсными источниками. АН СССР, СО, ИГиГ СО АН СССР, 1981 г., Новосибирск, с.154-158) [5].
Кроме того, данные способы возбуждения не могут обеспечить формирование поляризованных поперечных колебаний иначе кроме как линейно. Это видно из того, что генерирование сейсмических волн каждым элементарным излучателем в группе производится одновременно без какого-либо сдвига фаз. Известно, что суперпозиция нескольких линейно-поляризованных волн дает суммарную волну линейной же поляризации (М.Б.Виноградова, О.В.Руденко, А.П.Сухоруков. Теория волн. 1979 г., М., «Наука», с.40-44) [6].
Вместе с тем, для формирования поперечных волн, распространяющихся в глубину по вертикали, необходимо обеспечить форму функции диаграммы направленности, характерную для источника типа горизонтальной Y-силы [3]. Это оказывается возможным, если ввести временные задержки между включением в работу каждого элементарного излучателя из их совокупности.
Рассмотрим действие совокупности элементарных излучателей, замкнутых в кольцо, но не имеющих между собой никаких побочных связей, кроме как через породу. Радиус кольца совокупности обозначим R. Центр прямоугольной системы координат совместим с центром кольцевой совокупности, а элементарные излучатели расположим в точках А, В,…, Н на одинаковом угловом расстоянии друг от друга Δφ=2π/n рад, где n - количество элементарных излучателей.
i
i
Разложим вектор смещения U каждого излучателя ,  и  на составляющие по осям координат X, Y, Z. Вектор U лежит в азимутальной плоскости х, у, поэтому проекция его на ось OZ равна 0. Составляющие по осям азимутальных координат х, у будут равны соответственно:
i
i
i
где φ - есть угол между радиусом-вектором R и осью Х. φ=(i-1)·(2π/n), i=1, 2,…, n.
В точке М, произвольной по отношению к кольцевому распределению элементарных излучателей, волны от каждого излучателя накладываются друг на друга и интерферируют. Датчики в этой точке М зафиксируют сумму колебаний, линейно поляризованных по осям Х и У:
i
Но каждая из функций U зависит от временной функции вида:
где ν - частота, k - волновое число работы каждого элементарного излучателя совокупности, , но V, ν и r - постоянные в точке М, поэтому kr также постоянная величина, которая не изменяется от излучателя к излучателю, так как R/r<<1. Отсюда следует, что можно выбрать эту задержку таким образом, чтобы в точке М она равнялась нулю. Теперь необходимо произвести суммирование ряда тригонометрических функций, отличающихся друг от друга временным сдвигом:
Произведя операции разложения синуса суммы двух углов и последующего почленного суммирования, получим окончательно:
x
y
y
x
x
y
Из (5) видно, что две результирующие волны U и U имеют основную частоту ω, что и каждый из элементарных излучателей. Сравнивая времена экстремумов на суммарных импульсах, замечаем, что функция U запаздывает ровно на четверть периода относительно U, то есть Δφ=π/2. Это показывает, что датчик в точке М фиксирует фактически две линейно-поляризованные волны, сдвинутые по фазе. Это является формальным признаком волн, поляризованных по кругу, если амплитуды их равны, то есть U=U, и по эллипсу в противном случае [4].
Таким образом, для производства возбуждения сейсмической волны с излучением по вертикали необходимо дать каждому элементарному излучателю временную задержку  при i=1, 2,…, n. При этом обеспечивается поворот вектора смещения  вокруг центра совокупности элементарных источников со скоростью V, которую можно вычислить следующим образом. Конец вектора смещения  должен за время полного периода колебаний Т «пробежать» расстояние L, равное полной длине окружности радиуса R, то есть L=2πR. Отсюда линейная скорость
но
и, подставив, получим, что
i
Поскольку скорость  есть вектор, то можно изменить направление вращения, задавая его по часовой или против часовой стрелки путем соответствующего распределения временных задержек δ.
Вместе с тем, каждый элементарный излучатель симметричного распределения имеет не одинаковые координаты относительно точки наблюдения М, расположенной на некоторой глубинной границе. По этой причине упругая волна, генерируемая каждым из них, затратит разное время до момента прихода в наблюдательную точку М.
Следовательно, возникнет дополнительный сдвиг по времени
i
1
s
s
1
i
s
где r и r - расстояние до наблюдательной точки от элементарных излучателей с номерами i и 1, c - скорость распространения поперечной волны. Спроектируем ход лучей на горизонтальную поверхность земли. При этом используем характерное для сейсморазведки приближение дальней зоны, когда λ/r и R/r<<1 и, следовательно, лучи, исходящие от элементарных излучателей, можно считать параллельными независимо от их номера. Тогда общая временная задержка будет состоять из двух слагаемых. Первое из них дает искусственное временное запаздывание вследствие различий времен инициирования колебаний в каждом излучателе группы. Второе - это фазовый сдвиг в элементарных волнах по причине не одинакового расстояния до наблюдательной точки М. τ=Δr/c, т.е. . Но из фиг.1 видно, что при условии R/r<<1, . Отсюда
. Обозначения те же, что приведены ранее.
Таким образом, общая временная задержка будет равна:
s
Самый невыгодный случай это тот, при котором , т.е. когда , отсюда i=1+n/2. Подставим в выражение для τ: . Но временная задержка должна быть больше 0, поэтому , или , или R<λ/4. Следовательно, если радиус симметричного распределения элементарных излучателей меньше четверти преобладающей длины поперечной волны, то предлагаемый способ обеспечивает возбуждение поляризованной по кругу поперечной волны независимо от направления на наблюдательную точку.
i
Способ осуществляют следующим образом. На выбранном пункте возбуждения намечают центр симметричного расположения элементарных излучателей. Вычисляют радиус симметричного распределения, исходя из зависимости , после чего наносят контур окружности и размещают элементарные излучатели в точках с центральным углом φ=2π/n. Назначают позицию первому порядковому номеру излучателя i=1 в точке пересечения окружности распределения с направлением профиля, проходящим через ее центр. Производят подготовку каждого излучателя по заданной технологии, например, взрывного или вибрационного воздействий и передают на пункт регистрации сигнал готовности к работе. В качестве элементарных излучателей обычно используют импульсные взрывные источники типа траншейного или барьерного, как наиболее точно синхронизируемые во времени. Можно использовать и совокупность вибраторов, последовательно смещаемых от одной пары воздействий к другой.
Из условий разведочной задачи оператор определяет шаг временной задержки между началом работы каждого из элементарных излучателей совокупности и передает эти величины на пункт возбуждения, где они устанавливаются на каждом из излучателей. Затем по команде оператора производится последовательное включение в работу излучателей из совокупности, начиная с номера 1.
s
s
i
В качестве примера возьмем 8 элементарных излучателей (см. чертеж), которые расположим на кольце радиуса 15 м (R=15 м) с угловым расстоянием между ними 45°. Положим, что преобладающая частота поперечных волн ν=20 Гц, а скорость их распространения не более 1200 м/с. Тогда R=λ/4=c/4ν=1200/80=15 м. Период колебаний при этом T=2π/ν≈0,3 с. Временная задержка δ=T/n=0,3/8=0,0375 с≈38 мс.
i
Окончательно получим распределение задержек по номерам элементарных источников: δ=(i-1)0,038 с, где i=1, 2,…, 8. Скорость вращения вектора поляризации составит: V=2πR/Т=Rν=15·20=300 м/с. Выбор направления вращения произволен, но одинаков для одного сеанса возбуждения.
В условиях однородной и изотропной покрывающей толщи двухкомпонентная регистрация отраженных сейсмических волн покажет, что отраженная от одного и того же горизонта поперечная волна будет отмечена на X-компоненте позже, чем на Y-компоненте на 76 миллисекунд, если излучатель под номером 1 генерирует в среде силовое воздействие перпендикулярно линии профиля. Время опережения компоненты Y относительно компоненты Х будет сохраняться неизменным до тех пор, пока поперечная или обменная волна не попадет в анизотропную среду, где происходит расщепление на медленную и быструю, и по этой причине будет наблюдаться не только изменение времени задержки между Y и Х компонентами, но и скорость вращения на сейсмограмме. Это изменение задержки является индикатором присутствия в разрезе трещиноватого геологического объекта, что является предметом поиска нефтегазовой геологии.
Таким образом, предлагаемый способ возбуждения сейсмических волн обеспечивает генерацию не только линейно-поляризованных, если временная задержка равна 0, но и эллиптически поляризованных волн. Это позволяет ввести новые информационные признаки сейсмической волны, такие как момент импульса, сдвиг фаз и скорость вращения вектора поляризации.
Источники информации
1. Патент США №3280935 за 1963 г.
2. Патент США №3587774 за 1974 г.
3. Сейсмическая разведка методом поперечных и обменных волн. Н.Н.Пузырев, А.В.Тригубов, Л.Ю.Бродов и др. 1985 г., М., «Недра», с.100-107.
4. Заявка №94045331 за 1997 г., БИ №12 (прототип).
5. Возбуждение поперечных сейсмических волн импульсными источниками. АН СССР, СО, ИГиГ СО АН СССР, 1981 г., Новосибирск, с.154-158.
6. М.Б.Виноградова, О.В.Руденко, А.П.Сухоруков. Теория волн. 1979 г., М., «Наука», с.40-44.