Разработка импульсно-вибрационного источника сейсмических сигналов

© К.А. Кувшинов, Б.Б. Мойзес, 2012

К.А. Кувшинов, Б.Б. Мойзес

РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНО-ВИБРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Показана возможность создания наземного мобильного источника сейсмических сигналов для геофизической разведки геологических сред с плавной огибающей амплитуды воздействия.

Ключевые слова: сейсмическая разведка, источники сейсмических сигналов, вертикальная поляризация волн, зондирующий сигнал.

Вибрационные и ударные механизмы нашли широкое применение в различных сферах жизнедеятельности, одна из них — сейсмическая разведка геологических сред. Сейсморазведка основана на возбуждении и последующей передаче Земле усилий (зондирующего сигнала), в виде колебаний либо в виде отдельных импульсов. Точность определения границ раздела пластов на сейсмическом разрезе зависит от технических характеристик применяемых устройств и от параметров возбуждаемого ими сигнала.

К проектируемым и применяемым в сейсморазведке механизмам (сейсмическим источникам) предъявляются требования к:

• минимизации веса, который ограничивает широту географических зон и климатических условий применения механизма;

• информативности возбуждаемого сигнала, обуславливающую лучшую степень выделения полезной информации на виброграмме на фоне принятых помех;

• стабильности процесса возбуждения, характеризующей неизменность свойств сигнала при повторных излучениях в разных точках.

Применение того или иного типа источника ограничивается сейсмологическими условиями той географической зоны, где собираются проводить исследования земных пород.

Благодаря своим достоинствам перед импульсными источниками, наибольшее применение нашли вибрационные механизмы. Они имеют хорошую информативность возбуждаемого сигнала и высокую стабильность процесса возбуждения колебаний.

Рис. 1. Схема вибрационного источника: 1 — инерционный груз; 2 — опорная плита; 3, 5 — пружины; 4 — инерционная масса

Типовая схема вибрационного механизма представлена на рис. 1. Инерционный груз 1 весом С0, находящийся на пружинах 3, осуществляет прижим опорной плиты 2 к грунту, через которую на грунт передается зондирующий сигнал х(*) (рис. 2), формируемый колебаниями подвешенной инерционной массы 4 на пружинах 5. Следовательно, чем глубже требуется провести разведку недр Земли, тем больше необходимо передать на грунт силовое воздействие. Это приводит к неизбежному увеличению веса груза 1 и, соответственно, веса всей машины, что делает невозможным проведение поисковых геофизических работ при помощи данных источников в труднопроходимых регионах Сибири и Дальнего востока. В данном случае разведку проводят импульсными и кодоимпульсными источниками, отличающимися относительно слабой информативностью.

Таким образом, актуально создать мобильную машину с возможностью передачи на грунт значительных динамических усилий при относительно малом массогабаритном показателе. При этом отказ от традиционных схем построения вибрационных источников приведет к изменению традиционных форм зондирующих сигналов, нашедших применение в сейсморазведке.

В настоящее время в вибрационной сейсморазведке наилучшими характеристиками обладают линейные частотно-модулированные сигналы (рис. 2), которые в общем случае описываются законом

х (*) = А(*) Э1п

в*2

+ ш 0 * + ф 0

где А(*) — амплитуда колебаний сигнала; * — текущее время; ш0 — начальная частота развертки сигнала; ф0 — начальная фаза; в — темп нарастания частоты

Рис. 2. Линейный частотно-модулированный сигнал

е = •

Т

1 п

юк, ю0- соответственно, конечная и начальная частота развертки сигнала; Т0 — период зондирующего сигнала, 70=/к — /0.

Зондирующий сигнал, передаваемый земле и существующий во времени 0^/, информативен только в период возбуждения 70. В период времени 0^/0 частота сигнала ю=ю0, в период частота ю=юк.

Посылаемый в землю сигнал, отражаясь и преломляясь на внутренних границах раздела, суммируется с волнами, генерируемыми квазигармоническими силами в среде и образующими сложное поле колебаний, на фоне которого невозможно визуально определить время прихода отраженного от границ раздела зондирующего сигнала. Поэтому для выделения в результирующем суммарном колебании полезной информации применяются корреляционный и частотный способы обработки, обеспечивающие временное сжатие сигналов. Корреляционный способ является наиболее простым и легко реализуемым. Суть данного способа заключается в вычислении корреляционного интеграла (3) и построении взаимокорреляционной функции (ВКФ).

1 'к

г(т) = -1 } X! (/)X0 (/ -т)Л ,

7 0 /о

Рис. 3. Идеальная ВКФ (АКФ) сигнала: 1 — главный максимум; 2 — побочные максимумы

где XI, хо, Т0, т — соответственно, принятый отраженный сигнал, исходный сигнал и его период, временной сдвиг корреляции сигналов.

Если предположить, что принятый приемником отраженный сигнал не исказился, то его ВКФ имеет идеальный вид

1

г(т) = -1 } X0Ц)X0Ц -т)Л.

1 0 ^

Видно, что АКФ имеет четко выраженный главный максимум 1 на фоне побочных 2. Чем меньше по амплитуде побочные максимумы и чем они быстрее затухают, тем сигнал лучше выделяется на фоне принятых помех.

В литературе упоминается, что линейные частотно-модулированные сигналы могут иметь по величине как постоянную, так и переменную во времени амплитуду колебаний силы воздействия А(/) [1, 2]. Доказано [2, 3], что интенсивность побочных максимумов и их величина зависит от закона изменения амплитуды сигнала. Наибольшей интенсивностью обладают сигналы с прямоугольной огибающей амплитуды усилия (постоянной амплитудой) (рис. 2), из-за относительной простоты реализации нашедшие широкое применение в современной сейсморазведке.

Один из способов ослабления побочных максимумов — применение сигналов с переменной амплитудой — сигналов со сглаженными огибающими (треугольными, трапецеидальными, колоколообразными или синусоидальными). С целью определения оптимальной формы огибающей, обуславливающей наименьшую интенсивность побочных максимумов, проведены исследования путем компьютерного моделирования сигналов с различными огибающими амплитуды колебаний [4].

Рис. 4. АКФ сигнала x

Результаты компьютерного моделирования показали, что наилучшими свойствами обладает сигнал синусоидальной формы [4] (амплитуда воздействия A(t) изменяется по синусоидальному закону), который, несмотря на наличие второго побочного максимума большого по амплитуде, имеет самую компактную АКФ (рис. 4) по сравнению с другими видами сигналов. На рисунке показана только «половина» АКФ, так как она имеет симметричный вид.

8 9 13 12 14

Рис. 5. Источник сейсмических сигналов: 1 — корпус вибромеханизма; 2 — падающий груз; 3 — трос подъема; 4 — инерционная масса; 5 — ограничители; 6 — упругие оболочки (шланги высокого давления); 7 — амортизирующий гидроцилиндр; 8, 13 — магистраль; 9 — гидропневмоаккумуля-тор; 10 — упоры; 11 — система управления; 12 — генератор колебаний; 14 — источник энергии; 15 — опорная плита

Рис. 6. Импульс силы

На основе сделанного анализа разработан вибромеханизм (рис. 5), в котором прижим опорной плиты осуществляется не инерционным грузом, а импульсом силы (рис. 6) при взаимодействии падающего груза 2 с амортизирующим гидроцилиндром 7, установленным на подвижной массе 4, удерживаемой ограничителями 5. Упоры 10 удерживают груз в начальном положении. При подаче от системы управления 11 сигнала на упоры груз высвобождается.

Перед началом работы корпус 1 с излучающей плитой — 15 устанавливается на грунт на точку возбуждения. Груз 2 тросом 3 поднимается в начальное положение, в котором фиксируется упорами 10. В начальный момент возникновения импульса (рис. 6) запускается генератор колебаний 12, который возбуждает через магистраль 13 в поджатых упругих оболочках 6 линейный частотно-модулированный сигнал (рис. 2) — силовое воздействие Рв(/), которая, благодаря импульсу силы Ри(/) и нелинейности упругих оболочек, существенно возрастает до величины Ра (рис. 8).

Рис. 7. Расчетная схема эквивалентного вибрационного механизма

Возврат груза 2 в начальное положение осуществляется амортизатором 7 энергией гидропневмоаккумулятора 9. Трос 3 необходим для фиксации груза 2 только в начале работы устройства.

В момент взаимодействия груза с амортизирующим гидроцилиндром источник сейсмических сигналов (рис. 5) можно заменить эквивалентным вибрационным механизмом (рис. 7).

Выводы

Приведена схема построения сейсмического источника на гидравлических оболочках, в котором замена инерционного пригруза «активным» (падающим грузом) в момент возбуждения зондирующего сигнала, позволяет снизить вес всей машины по сравнению с аналогами в 5—6 раз и, тем самым, создать мобильную машину для труднопроходимых регион Сибири и Дальнего Востока. Благодаря меленной осадке упругих оболочек, в которых возбуждается линейный частотно-модулированный сигнал, форма импульса приближается к синусоидальной, а форма комбинированного сигнала — к оптимальной. Нелинейность упругих оболочек позволяет получить отношение полезной (информативную) составляющей зондирующего сигнала в усилии прижима 0.8^0.9.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шнеерсон М.Б., Потапов O.A., Гродзенский Б. А. Вибрационная сейсморазведка. — М.: Недра, 1990. — 240 с.

2. Евчатов Г.П., Михаэлис Ю.Б., Юшин Б.И. К выбору огибающей вибросейсмического сигнала // Вибрационная сейсморазведка на продольных и поперечных волнах: Тр. СНИИГГиМСа. — 1975. — Вып. 219. — С. 65—71

3. Егоров Б.Г., Зуев A.A., Яковлев А.Н. Обоснование структуры деба-лансного вибратора для глубинного сейсмозондирования // Излучение и прием вибросейсмических сигналов. — Новосибирск, 1990, — С. 111—138.

4. Мойзес Б.Б., Крауиньш П.Я. Выбор огибающей зондирующего вибрационного сигнала. // Современные техника и технологии: Труды VI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых — Томск, ТПУ, 24—28 марта 2000. — Томск: Изд. ТПУ, 2000. — С. 203—205. ШШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Кувшинов Кирилл Александрович — заведующий лабораторией, Мойзес Борис Борисович — кандидат технических наук, доцент, Томский политехнический университет, Институт природных ресурсов.