ИСТОЧНИК ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ГРУНТЕ

Предлагаемая полезная модель относится к области геологии, точнее к геофизическим методам поисков и разведки месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых.
В настоящее время в геофизике наиболее широкое практическое применение нашли сейсмические методы, основанные на использовании традиционных продольных волн Р, поляризованных в вертикальной плоскости. Но согласно динамической теории распространения сейсмических волн, разработанной в Ленинградском отделении математического института (ЛОМИ) Ленинградского Государственного университета (ЛГУ) под руководством профессора Петрашеня Г.И., наиболее полную характеристику упругих свойств изучаемой среды можно получить только при совместном использовании продольных и поперечных волн различной поляризации. Однако поперечные волны SH и SV не нашли пока широкого применения на практике из-за трудности их возбуждения по сравнению с продольными волнами. Поэтому на протяжении всей истории развития сейсморазведки с использованием поперечных волн основной проблемой является разработка и совершенствование эффективных способов возбуждения поперечных волн заданной поляризации: поперечных волн типа SH, поляризованных в горизонтальной плоскости, и поперечных волн типа SV, поляризованных в вертикальной плоскости. В соответствии с динамической теорией распространения сейсмических волн поперечные волны SH возбуждаются горизонтальным воздействием в грунт, ориентированным перпендикулярно направлению профиля наблюдений, т.е. вдоль оси Y в декартовой системе координат, в которой за ось Х принято направление профиля наблюдений. При этом волны SH регистрируются горизонтальными сейсмоприемниками, ось максимальной чувствительности которых направлена также перпендикулярно профилю наблюдений X, т.е. вдоль оси Y. Таким образом, схемой возбуждения и регистрации поперечных волн SH является YY. Поперечная же волна SV возбуждается и регистрируется по схеме XX, при которой направление горизонтального воздействия источника возбуждения и ось максимальной чувствительности сейсмоприемника совпадают с направлением профиля наблюдений X.
Первым источником возбуждения поперечных волн был горизонтальный удар кувалдой в вертикальный уступ в грунте, ориентированный в заданном направлении. В последующих работах кувалда заменялась более мощными горизонтальными копрами различной конструкции. При практическом использовании поперечных волн применялись стационарные и самоходные копры, использующие груз весом до 2.5 т, сбрасываемый с высоты до 4-5 м. [Згировский Н.З., Кузнеченков Е.П. «Некоторые особенности возбуждения и регистрации поперечных волн в южной части Сибирской платформы». В кн. Геофизические работы в Восточной работы в Восточной Сибири, Иркутск, ВостСибНИИГГиМС, 1969. c.98-104.]
Ударные источники характеризуются высокой направленностью воздействий и высокой воспроизводимостью, однако мощность их ограничена и во многих случаях недостаточна для освещения геологического разреза на необходимую глубину. По этой причине они не нашли широкого применения на практике. Вместо механической энергии поднятого тела предпринимались попытки использовать химическую энергию взрывчатых веществ (ВВ) для повышения мощности горизонтального направленного воздействия, а следовательно и глубинности исследований. Они завершились разработкой траншейного источника, в котором применялись взрывы зарядов ВВ в полости, заполненной рыхлым грунтом-поглотителем, снижающим сферу действия ударных волн на все поверхности полости, кроме рабочей, ориентированной в заданном направлении [А.С. 193092(СССР) «Способ возбуждения поперечных сейсмических волн». Н.Н.Пузырев, К.А.Лебедев. Заявлено 30.03.66. Опубликовано в Б.И. №6, 1967.]. При использовании траншейных взрывов поперечные отраженные волны зарегистрированы и систематически прослежены с глубин до 2.0-2.5 км в различных регионах страны.
Недостатками этого источника являются трудности его использования в обводненных разрезах, ограниченная мощность, низкая технологичность, связанная с большим объемом земляных работ для создания траншей и отсутствием специализированной техники для выполнения этих земляных работ, особенно в условиях мерзлых грунтов.
С целью увеличения глубинности исследований были разработаны и опробованы в различных сейсмогеологических условиях скважинные модификации взрывов зарядов ВВ в полостях с рыхлым поглотителем: взрыв в одиночном камуфлете, взрыв в двухрядной группе скважин, взрыв в трехрядной группе скважин [А.Г.Гинодман, Л.В.Миронова «Экспериментальные исследования поперечных отраженных волн в Восточной Татарии». В книге «Поперечные и обменные волны в сейсморазведке», М., «Недра», 1967 г с.51-68.]. Основным из этих источников, нашедшим наибольшее применение на практике, является так называемые трехрядные группы скважин глубиной до 3-5 м при величине одиночного рабочего заряда 0.8-2.0 кг, камуфлетирующего заряда 1.5-2.4 кг, группированных по 10-15 таких источников на базе 40-70 м. С успешным применением этих источников возбуждения с операцией вычитания противоположно направленных воздействий связанно широкое опробование и внедрение метода поперечных волн в различных регионах страны. Объем профильных наблюдений при этом составил свыше 3000 км. В то же время эти работы выявили и существенные недостатки, присущие скважинно-камуфлетным источникам: низкую направленность (чистоту) воздействия, неустойчивость интенсивности воздействия по площади, непостоянство соотношения энергии возбуждаемых продольных и поперечных волн, особенно сильно проявляющихся в условиях повышенной влажности грунтов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является источник, использующий взрыв заряда ВВ в скважине большого диаметра (прототип) [А.Г.Гинодман, Л.В.Миронова «Экспериментальные исследования поперечных отраженных волн в Восточной Татарии». В книге «Поперечные и обменные волны в сейсморазведке», М., «Недра», 1967 г с.51-68.]. При этом диаметр скважины изменяется в пределах 0.3-0.5 м и более, глубина скважины порядка 1.5-2.0 м, расстояние между скважинами при группировании составляет 1.0-2.0 м, количество скважин в группе порядка 10-20. Для придания взрывному воздействию горизонтальной направленности, необходимой для возбуждения поперечных волн заданной поляризации, используется поглотитель энергии ударной волны в виде, например, рыхлого грунта или снега. Величина сосредоточенного заряда в одиночной скважине, при которой сохраняется обращаемость целевых поперечных волн q=0.2 кг; линейные заряды ВВ собираются из метровых отрезков детонирующего шнура, например, марки ДША, в количестве до 8 м (q=12×8=96 г) при диаметре скважины d=300 мм и до 35 м ДША (q=12×35=420 г) при d=500 мм.
Основным недостатком прототипа является меньшая интенсивность возбуждаемых поперечных волн по сравнению с траншейными и скважинно-камуфлетными взрывами, а следовательно и меньшая глубинность исследований. Однако простая технология подготовительных буровых работ и наличие стандартной заводской техники для бурения скважин диаметром порядка 300-600 мм и небольшой глубины (порядка 1.5-2.0 м) позволяют надеяться на успешное применение заявляемого источника в практике сейсморазведочных работ при условии повышения интенсивности целевых волн, возбуждаемых с использованием взрывов в скважинах большого диаметра и на этой основе повышения глубинности исследований с заявляемым источником.
Техническим результатом полезной модели является повышение интенсивности целевых поперечных волн (без увеличения диаметра взрывной скважины, а значит без дополнительных буровых работ), возбуждаемых источником с использованием взрывов заряда ВВ в скважине большого диаметра, с чем связанно и повышение глубинности исследований с предлагаемым источником возбуждения поперечных волн, и соответствующее повышение отношения сигнал-помеха.
Указанный технический результат достигается тем, что к известным элементам прототипа (вертикальная скважина заданного диаметра и глубины; рыхлый грунт-поглотитель, полностью заполняющий скважину; точечные или линейные заряды ВВ, помещаемые в заданных азимутах на границе вертикальной стенки скважины с рыхлым грунтом-поглотителем) добавляется новый элемент - механический экран-отражатель в виде, например, металлической двутавровой балки, помещаемой в центр скважины внутрь рыхлого грунта-поглотителя так, чтобы экран-отражатель не касался вертикальной стенки и дна взрывной скважины, а также зарядов ВВ. Экран отражатель должен быть достаточно прочным, чтобы он не разрушался от многократно повторяющихся взрывов зарядов ВВ.
Отличие предлагаемого источника от известного (прототипа) показано на фиг.1-2, на котором (фиг.1) дан поперечный разрез известного источника, а на (фиг.2) аналогичный разрез предлагаемого источника, где: 1 - вертикальная скважина; 2 - рыхлый грунт-поглотитель; 3 - заряд взрывчатого вещества; 4 - механический экран-отражатель.
Известный источник (прототип) состоит из вертикальной скважины большого диаметра 1 (диаметр порядка 0.2-0.6 м) и глубиной порядка 1.0-2.0 м, заполненной рыхлым грунтом-поглотителем 2, на границе которого с вертикальной стенкой скважины помещают точечный или линейный заряд ВВ 3. Для осуществления двух противоположно направленных воздействий в направлении +y и -y с целью возбуждения волны SH и последующего применения при обработке операции вычитания сейсмограмм, полученных от этих двух воздействий, значительно повышающей отношение сигнал-помеха на результирующей разностной сейсмограмме, в скважину помещают два заряда в заданных азимутах, которые поочередно взрывают по команде из сейсмостанции.
Работает известный источник (прототип) следующим образом. В результате взрыва заряда ВВ, ориентированного в заданном азимуте, например, в направлении +y, образуется ударная волна, которая в заданном (рабочем) направлении +y (составляющая ударной волны U1) распространяется безпрепятственно, а во всех других направлениях, в первую очередь в направлении, противоположном заданному (составляющая ударной волны U2), полностью или частично поглощается рыхлым грунтом. В результате же взрыва заряда ВВ в заявляемом источнике составляющая ударной волны U1 также распространяется беспрепятственно, возбуждая в окружающем скважину грунте целевые поперечные волны заданной поляризации. А составляющая ударной волны U2 при встрече с экраном-отражателем 4 частично теряет свою энергию на приведение его в движение, а частично отражается от него и, меняя свое направление на 180°, распространяется в заданном (рабочем) направлении, увеличивая энергию полезного сигнала. Таким образом, в предлагаемом источнике по сравнению с известным источником (прототипом) увеличивается количество энергии ударной волны, распространяющейся в рабочем направлении +y и соответственно уменьшается количество энергии, распространяющейся в противоположном ему направлении -y. Это повышает отношение сигнал-помеха у целевых поперечных волн, возбуждаемых предлагаемым источником, позволяет увеличить величину заряда ВВ без увеличения диаметра взрывной скважины, что в конечном счете приводит к существенному повышению мощности предлагаемого источника, т.е. к повышению амплитуды целевых поперечных волн при условии их уверенной обращаемости, а следовательно и к повышению глубинности исследований с его применением.
Эти выводы подтверждаются результатами экспериментальных работ, которые показывают, что применение механического экрана-отражателя при возбуждении поперечных волн взрывами зарядов ВВ в скважине большого диаметра позволяет без увеличения диаметра взрывной скважины повысить более, чем на 80% величину заряда ВВ при сохранении уверенной обращаемости целевых поперечных волн.
А с этим связана возможность повышения мощности источника, а значит и глубинности исследований с предлагаемым источником возбуждения поперечных волн. Что с учетом высокой технологичности источника и наличия стандартной заводской техники для бурения скважин большого диаметра позволяет надеяться на то, что предлагаемый источник станет ведущим среди других источников возбуждения поперечных волн, в первую очередь в условиях мерзлых пород, в которых до последнего времени преобладают взрывные источники возбуждения традиционных продольных волн, а в перспективе заявляемый источник займет достойное место в продольно-поперечной сейсморазведке, которая, без сомнения, в ближайшей перспективе заменит монополяризационную сейсморазведку, выполняющую основные объемы геофизических работ в настоящее время.
В случае, если программой работ предусмотрено после возбуждения и регистрации поперечных волн SH дополнительная регистрация волн SV, поляризованных в вертикальной плоскости, для их возбуждения используют ту же взрывную скважину и такие же заряды ВВ. Для этого экран-отражатель поворачивают в скважине на 90°, заряды ВВ устанавливают в секторах скважины, ориентированных в направлении +x и -x и производят их поочередное взрывание аналогично тому, как это делается для возбуждения поперечных волн SH. При этом регистрация волн SV производится с применением сейсмоприемников, ось максимальной чувствительности которых ориентирована вдоль оси X, т.е. вдоль профиля наблюдений.
С целью совместного применения поперечных волн SH и SV в качестве экрана-отражателя вместо конструкции, разделяющей полость скважины на две части, применяют крестообразную конструкцию, разделяющую скважину на 4 равные части, ориентированные по направлению ±y для возбуждения волн SH и ±x для возбуждения волн SV. При этом регистрация волн SH производится горизонтальными сейсмоприемниками, ориентированными по оси Y, а регистрация волн SV - сейсмоприемниками, ориентированными по оси Х.