СПОСОБ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЛАМИНАРНОЙ СТРУКТУРЫ И ДРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕМЛИ Российский патент 1998 года по МПК G01V9/00 G01V1/00 

Настоящее изобретение касается способов измерения, анализа и оценки структуры грунта.

Для определения структуры и характеристик поверхностного слоя земли до настоящего времени необходимо было бурить множество скважин в грунте и вставлять или вводить приборы и вспомогательные устройства в скважины, а также использовать источник колебаний для генерирования волн, подлежащих измерению. Поэтому было бы очень выгодно, если бы можно было узнать структуру и характеристики поверхностного слоя земли без любых таких усилий и трудностей. Для этой цели может быть предусмотрено измерение и анализ колебательных волн или микросейсмов, наблюдаемых в поверхностном слое земли. Однако до настоящего времени не было известного способа измерения или системы инструментального анализа, посредством которых могли бы измеряться краткосрочные микросейсмы с достаточной точностью, чтобы определить тектонику и другие характеристики поверхностного слоя земли, включая скорость волн сдвига (S).

Далее, система согласно предшествующему уровню техники, выполненная для одновременного измерения краткосрочных микросейсмов во множестве точек, чтобы тем самым определить структуру грунта, имеет следующие недостатки.

А. Так как расстояния датчиков колебаний должны быть большими, иначе говоря, так как масштаб измерения должен быть большой, требуется большая свободная зона, и отнимает много времени соединение шнуров от соответствующих датчиков колебаний для центрального анализа. Кроме того, так как требуется большое число датчиков колебаний, аналитическая операция пересчитывается в той мере, чтобы способ не мог использоваться преимущественно в поле.

В. Так как сеть датчиков колебаний не подогнана в отношении усовершенствования измерительной точности или разрешающей способности режимов высокого порядка, надежность кривой измеренных дисперсий (разбросов) низкая.

С. Краткосрочные микросейсмы включают в себя не только самостоятельные волны, такие как продольные (P-) волны и S-волны, но и поверхностные волны, такие как волны Рейлиха и Лава. Так как подтверждение или суждение о том, что детектированные волны являются поверхностными волнами или нет, не производится при измерении или анализе, невозможно сделать вывод, соответствует ли полученная дисперсионная кривая поверхностным волнам, и тем самым точно определить структуру грунта.

D. Так как краткосрочные волны включают в себя поверхностные волны более высоких типов колебаний, невозможно вычислить точную дисперсионную кривую поверхностных волн и тем самым подтвердить структуру поверхностного слоя земли, если отсутствуют некоторые средства для удаления или отделения этих волн.

Е. Так как дисперсионная кривая не может быть вычислена в реальном масштабе времени из полевых величин, то неизвестно, были ли измерения проведены с приемлемой точностью.

Цель настоящего изобретения состоит в создании способа для измерения, анализа и оценки структуры грунта, благодаря которому ламинарная структура и характеристики грунта могут быть определены быстро, соответственно и точно посредством одновременного наблюдения за уровнем грунта и анализа краткосрочных микросейсмов даже в ограниченном доступном участке земли.

Другая цель настоящего изобретения состоит в создании способа для измерения, анализа и оценки структуры грунта, который не требует бурения скважин или использования источника колебаний.

Дальнейшая цель изобретения состоит в создании способа для измерения, анализа и оценки структуры грунта, в котором точность измерения и анализа улучшена путем использования сети по существу равноразнесенных датчиков колебаний, которая облегчает также позиционирование полевых датчиков.

Дальнейшая цель настоящего изобретения состоит в создании способа для измерения, анализа и оценки структуры грунта, посредством которого ламинарная структура и характеристики грунта могут быть определены с точностью посредством селективного экстрагирования поверхностных волн.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в создании способа для измерения, анализа и оценки структуры грунта, посредством которого точность оценки структуры грунта может быть улучшена путем совокупного анализа данных, полученных в результате повторных измерений, используя различные расстояния от датчика к датчику
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в создании способа для измерения, анализа и оценки структуры грунта, посредством которого ламинарная структура и характеристики грунта могут оцениваться соответственно и точно на основе реального масштаба времени.

Настоящее изобретение исходит из фактов, что когда поверхностные волны, такие как волны Релейга, распространяются через горизонтальную структуру земли, фазовая скорость (скорость распространения) изменяется при разных длинах волн (дисперсий), что явная фазовая скорость может быть вычислена путем усреднения коэффициентов корреляции форм волны, измеренных равноотстоящими датчиками колебаний в разных направлениях, что эта явная фазовая скорость изменяется с изменением расстояний от датчика к датчику под влиянием колебательных волн более высокого порядка, и что когда горизонтальный и вертикальный компоненты движения частицы на поверхности грунта из-за распространения колебаний детектируются и синтезируются, траектория вращения или орбита частицы на поверхности земли может быть образована, и что такие поверхностные волны также присутствуют в краткосрочных микросейсмах. Как таковое, настоящее изобретение направлено на создание способа для измерения, анализа дисперсных кривых поверхностных волн, которые служат в качестве основ для оценки тектонических и эластических характеристик грунта посредством повторного одновременного измерения краткосрочных микросейсмов во множестве точек в простой маломасштабной системе, в которой три или больше датчиков колебаний расположено по существу на равных расстояниях от датчика к датчику в пределах сравнительно небольшой зоны, и проводятся инверсный (обратно пропорциональный) анализ дисперсионных кривых поверхностных волн в точках измерения для вычисления скорости S-волн грунта и оценка ламинарной структуры и характеристик грунта.

В первом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ для оценки ламинарной структуры и характеристик земли, который включает в себя размещение датчиков колебаний, адаптированных детектировать вертикальный компонент или вертикальный и горизонтальный компоненты колебаний в каждой из трех по крайней мере точек в сравнительно узкой зоне и тем самым измерения микросейсмов в таких многих точках одновременно, при необходимости изменения точки измерения и повторяя измерения и анализируя данные вертикальных колебаний или данные вертикальных колебаний или данные вертикальных и горизонтальных колебаний.2 Во втором варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ для оценки ламинарной структуры и характеристик грунта в соответствии с первым вариантом реализации, когда измеряемые микросейсмы являются краткосрочными микросейсмами, наблюдаемыми на уровне земли.

В третьем варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ согласно первому варианту реализации, в котором два датчика колебаний расположены на каждой из двух или больше прямых линий, проходящих через измеряемый грунт и деля азимут 360 градусов на четное число секций, или прямых линиях, параллельных им, таким образом, что все расстояния от датчика к датчику равны на каждой из прямых линий.

В четвертом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ согласно первому варианту реализации, в котором датчики колебаний располагаются в трех или более точках на равных расстояниях друг от друга по окружности круга, и в одной точке в центре круга, или всего в четырех точках.

В пятом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ согласно первому варианту реализации, в котором датчики колебаний располагаются в вершинах правильного треугольника и в центре тяжести его или всего в четырех точках.

В шестом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ для оценки ламинарной структуры и характеристик грунта, который включает в себя анализ данных вертикальных колебаний или данных вертикальных и горизонтальных колебаний, как они измерены одновременно датчиками колебаний, оценивая, являются ли или нет колебательные волны, детектированные датчиками колебаний, поверхностными волнами, и выделяя (экстрагируя) и анализируя поверхностные волны.

В седьмом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ для оценки ламинарной структуры и характеристик земли, который включает в себя анализ коэффициентов корреляции и фазовых разностей данных о колебаниях, измеренных равно разнесенными датчиками колебаний на соответствующих частотах, проводя анализ в отношении каждого изменения расстояний от датчика до датчика, анализируя и вычисляя фундаментальные колебательные волны поверхностных волн, основываясь на результатах соответствующих анализов, и при необходимости анализируя и вычисляя длины волн более высоких колебательных волн.

В восьмом варианте реализации настоящее изобретение обеспечивает способ для оценки ламинарной структуры и характеристик грунта, который включает в себя проведение измерений и анализа микросейсмов повторно (периодически) до тех пор, когда можно будет заключить, что соотношение между фазовой скоростью и длиной волны, которое обеспечивает достаточно точную оценку структуры земли, достигнуто.

Таким образом, согласно настоящему изобретению датчики колебаний для детектирования вертикального компонента или вертикального и горизонтального компонентов вибрации располагаются в трех или более точках в сравнительно небольшой зоне на уровне земли, и микросейсмы измеряются одновременно в этих точках, при необходимости изменяя местоположения этих точек измерения, и результирующие данные вертикальных колебаний или данные вертикальных и горизонтальных колебаний анализируются. Путем измерения микросейсмов с помощью небольшой сети датчиков колебаний точность оценки поверхностной структуры земли может быть улучшена, и может быть сконструирована система, обеспечивающая быстрые полевые измерения, анализ и оценку. Поэтому ламинарная структура и характеристика земли могут оцениваться соответственно, позитивно и точно.

Далее настоящее изобретение касается краткосрочных микросейсмов, которые могут быть легко измерены на уровне земли, и как таковое (изобретение) не требует бурения и размещения приборов в пробуренных скважинах или использования источника колебаний, так, что измерение и анализ структуры грунта могут легко проводиться в любом местоположении.

Кроме того, так как система датчиков колебаний для измерения может быть размещена в пределах относительно ограниченной зоны, измерения облегчаются и могут проводиться даже на небольшом участке земли.

Дополнительно, когда анализируются данные вертикальных и горизонтальных колебаний и траектория вращения частицы на поверхности земли по причине распространения колебаний образована, и анализ и оценка проведены в подтверждение того, что измеренные волны являются поверхностными волнами, волны P и S могут быть дифференцированы, и только позитивно измеренные поверхностные волны будут обеспечивать точную информацию о структуре грунта.

Кроме того, когда датчики колебаний расположены в сети, в которой расстояния от датчика до датчика по существу и измерение волн повторяются, изменяя расстояния от датчика до датчика, поверхностные волны высокого типа колебаний могут быть изолированы от фундаментального типа колебаний, приводя к результату, что может быть достигнуто очень высокое отношение дисперсионной волны к длине волны. Это связано с тем, что аналитическая система выполнена с использованием микрокомпьютера, так что оценки могут производиться по пятну (точке).

Кроме того, когда измерение микросейсмов, усиление детектированных сигналов и анализ и оценка данных производятся автоматически как последовательность операций, отношение между дисперсионной кривой и длиной волны может быть более точно определено в полевых условиях.

Согласно настоящему изобретению множество датчиков колебаний для детектирования вертикального компонента или вертикального и горизонтального компонентов колебаний располагается в трех или больше точках в сравнительно небольшой зоне и одновременно проводятся измерения микросейсмов в соответствующих точках, при необходимости изменяя местоположения этих точек и повторяя измерения, и данные по измеренным вертикальным колебаниям или данные по измеренным вертикальным и горизонтальным колебаниям анализируются для подтверждения ламинарной структуры и характеристики грунта. Поэтому ламинарная структура и другие характеристики земли могут быть определены не только соответственно позитивно и точно, но и даже в случае, когда доступная для измерения зона ограниченная.

Во втором варианте реализации настоящего изобретения, когда измеряемые микросейсмы являются краткосрочными микросейсмами, наблюдаемыми на поверхности земли, ламинарная структура и другие характеристики земли могут быть определены без помощи бурения скважин или использования источника колебаний дополнительно для реализации эффектов, достигаемых посредством первого варианта реализации изобретения.

Согласно третьему варианту реализации изобретения два датчика колебаний располагаются на двух или больше прямых линиях, проходящих через измеряемую землю и разделяющих азимут 360 градусов на четное число секций или прямых линий, параллельных им, таким образом, что расстояние между датчиками колебаний является постоянным на каждой из прямых линий, приводя к результату, что дополнительно к эффектам первого варианта реализации изобретения полевая установка датчиков колебаний облегчается, кроме того, так как расстояние от датчика до датчика является постоянным в разных направлениях, точность измерения и анализа повышается.

Сравнимые эффекты достигаются в четвертом и пятом вариантах реализации изобретения.

В соответствии с шестым вариантом реализации настоящего изобретения данные о вертикальных колебаниях или данные о вертикальных и горизонтальных колебаниях, измеренные одновременно упомянутыми датчиками колебаний, анализируются для определения, являются ли колебательные волны, детектированные датчиками колебаний, поверхностными волнами или нет, и ламинарная структура и другие характеристики земли также более точно оцениваются на основе точных дисперсионных кривых, образованных путем извлечения и селективного анализа поверхностных волн.

В соответствии с седьмым вариантом реализации настоящего изобретения коэффициенты корреляции и фазовые разности данных о колебаниях, измеренных датчиками колебаний, расположенных друг от друга на одинаковых расстояниях, в отношении соответствующих длин волн анализируются, изменяя разности от датчика до датчика и повторяя измерения, и основываясь на результатах соответствующих анализов фундаментальный тип колебаний поверхностных волн анализируется и вычисляется. При необходимости длина волны более высокого типа колебаний анализируется и вычисляется для оценки ламинарной структуры и характеристик грунта. Поэтому дополнительно к эффектам вариантов реализации изобретения с первого по шестой поверхностные волны более высокого типа колебания, которые не могли быть легко изолированы в прошлом, могут быть четко изолированы для обеспечения дальнейшего повышения точности оценки структуры земли.

В соответствии с восьмым вариантом реализации изобретения измерение микросейсмов и анализ данных по измеренным микросейсмам продолжаются до тех пор, пока отношение между фазовой скоростью и длиной волны, так что структура земли может быть определена с достаточной точностью, не будет достигнуто, так что ламинарная структура и характеристики земли могут определяться соответственно быстро и точно на основе реального масштаба времени.

На фиг. 1 вид, показывающий расположение датчиков колебаний в варианте реализации настоящего изобретения.

На фиг. 2 схематичный вид, показывающий систему измерения, анализа и оценки согласно изобретению.

На фиг. 3 и 4 блок-схемы порядка действий для иллюстрации проведения анализа и оценки.

На фиг. 5 схематичный вид, показывающий измеренные и теоретические дисперсионные кривые.

На фиг. 6 график тектонических характеристик, полученных путем инверсного анализа их в соответствии с теорией распространения упругих волн.

На фиг. 7 10 другие расположения датчиков колебаний.

Предпочитаемые варианты реализации настоящего изобретения описываются ниже подробно.

Обращаясь к фиг. 1 и 2, на них показано типичное расположение датчиков колебаний и схематическое изображение системы, воплощающей принципы изобретения, трехкомпонентный датчик 1 колебаний для детектирования вертикального компонента колебаний и двунаправленного горизонтального компонента колебаний, расположенный на уровне земли в одном положении, и множество датчиков 2a, 2b и 2c колебаний вертикальных компонентов, расположенных в положениях, соответствующих вершинам B₁-B₃ правильного (равностороннего) треугольника с длиной одной стороны R и центром тяжести, совпадающим с названной одной точкой A.

Вышеназванные датчики колебаний 1 и 2a-2c каждый содержат тахометр и измеритель смещения. В вышеприведенном расположении одновременно измеряют краткосрочные микросейсмы.

Выходные сигналы детектирования от соответствующих датчиков колебаний 1 и 2a-2c усиливаются усилителем 3 сигналов (фиг. 2) и затем подаются на устройство 5 анализа-оценки данных, состоящее из микрокомпьютера, действующего через аналого-цифровой преобразователь 4 (интерфейс).

Устройство 5 анализа-оценки данных анализирует входные данные в соответствии с порядком обработки, показанным на фиг. 3, для вычисления предварительных дисперсионных кривых и визуализации кривых на электронно-лучевой трубке ЭЛТ 6.

Функции измерения, анализа и оценки системы описываются подробно ниже со ссылкой на блок-схемы порядка действий, показанных на фиг. 3 и 4.

Обращаясь снова к фиг. 1, выходные сигналы детектирования вертикальных и горизонтальных колебаний от датчиков колебаний 1 и 2a-2c, расположенных в точках A и точках B₁ по B₃, соответственно усиливаются в сигнальном усилителе 3 и после аналого-цифрового преобразования подаются на устройство 5 анализа-оценки данных для анализа данных ((1) на фиг. 3).

Данные о колебаниях фильтруются ((2) на фиг. 3) и подвергаются спектральному анализу, включая ГГТ (быстрое преобразование Фурье) для определения когерентности, коэффициента корреляции и фазовой разности волн, детектированных многими равноразнесенными датчиками колебаний в отношении каждой рассматриваемой частоты (f)(фиг. 3(3)). Когда имеют место данные о горизонтальном компоненте (фиг. 3(4)), определяется направление приближения к доминирующей волне (фиг. 3(5)), данные о горизонтальном компоненте, измеренные датчиками колебаний 1 и 2f-2c, анализируются в направлении, перпендикулярном направлению приближения к волнам (фиг.3 (6)), и перемещения земной поверхности в плоскостях, параллельных и перпендикулярных направлению приближения к волнам, определяются как траектории вращения частицы на земной поверхности (фиг. 3 (7)). Затем определяется, является ли преобладающая сейсмическая волна поверхностной волной, или нет (фиг. 3(8)). Если ответ утвердительный, вычисляется предварительная дисперсионная кривая (фиг. 3(9)) в отношении частоты, относящейся к поверхностной волне.

Вышеназванная серия измерения, анализа и оценки проводится при длине сторон треугольника, в вершинах которого расположены датчики колебаний 2a. 2b и 2c, изменяющихся от 50 см до 1 м, 2 м, 5 м и 10 м, или альтернативно правильных треугольников, изменяющих длину своих сторон, и названные датчики колебаний располагаются в вершинах каждого треугольника.

Предварительные диспергированные кривые определены с помощью измерений при использовании правильных треугольников, изменяющих длину своих сторон (фиг. 4 (1) -(2)), и если все предпочтительные дисперсионные кривые являются идентичными, они принимаются на конечные дисперсионные кривые (3). Если они разные, фундаментальный тип колебаний и более высокого порядка тип колебаний соответственно изолируются и степень преобладания определяется в отношении каждой частоты (4). Наконец, определяется дисперсионная кривая.

В отношении дисперсионной кривой, определяемой таким образом, проводится инверсный анализ, основанный на теории распространения упругих волн, для оценки ламинарной структуры и характеристик земли.

На фиг. 5 измеренная дисперсионная кривая представлена под знаком "0", и структура земли, определяемая посредством этого инверсного анализа, показана на фиг. 6. На фиг. 5 сплошная линия представляет теоретическую кривую земли, которая хорошо согласуется с измеренными величинами, указывая, что характеристики земли могут быть определены с надежной точностью.

Теперь измерение микросейсмов и анализ измеренных микросейсмов автоматически продолжаются до тех пор, пока можно будет сделать вывод, что отношение между фазовой скоростью и длиной волны является соответствующим для достаточно точного определения структуры. Благодаря этому ламинарная структура и характеристики грунта могут быть определены соответственно и точно в реальном масштабе времени.

На фиг. 7 показан пример расположения, в котором датчики колебаний 2a-2e расположены в вершинах правильного (равностороннего) многоугольника с дополнительным датчиком колебаний 1, расположенным в центре тяжести многоугольника (пятиугольника).

На фиг. 8 показан пример расположения, в котором шесть датчиков колебаний, с 2a по 2f, расположены в вершинах шестиугольника с разными сторонами. В расположении, показанном на фиг. 9, датчики колебаний 1 и с 2a по 2f расположены в вершинах трех равносторонних треугольников, каждый из которых повернут на 45^o и имеет одну из вершин общей. В расположении, показанном на фиг. 10, окружность поделена на 12 равных секций и датчики колебаний 1 и с 2a по 2f располагаются в шести из названных периферийных секций и один в центре тяжести.

В расположении на фиг. 1, где краткосрочные микросейсмы подвергаются измерению, длина одной стороны составляет около 30 см как минимум и около 30 м как максимум.

Использование: для определения ламинарной структуры и других характеристик грунта. Сущность изобретения: датчики колебаний для детектирования вертикальной компоненты или вертикальной и горизонтальной компонент колебаний располагаются в трех или больше точках в сравнительно небольшой зоне на уровне земли для одновременного измерения микросейсмов в соответствующих точках, если необходимо, с изменением мест точек и проведением измерений в соответствующих местах и анализа данных вертикальной компоненты колебания или данных вертикальной и горизонтальной компонент колебания, образованных таким образом. Этот способ обеспечивает не только соответствующую положительную и точную оценку ламинарной структуры и других характеристик грунта, но и также обеспечивает возможность измерения структуры грунта, даже когда доступная для измерения зона небольшая. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ для оценки ламинарной структуры земли, отличающийся тем, что располагают датчики колебаний, адаптированные детектировать вертикальную компоненту или вертикальную и горизонтальную компоненты колебаний в каждой из по крайней мере трех точек в сравнительно небольшой зоне на уровне земли, чтобы одновременно измерить микросейсмы в каждой из множества точек, изменяя при необходимости местоположения этих точек измерения и повторяя измерения, и анализируя данные о вертикальном колебании или данные о вертикальном и горизонтальном колебаниях, при этом с помощью этого вычисляют скорость S-волны земли, по которой оценивают ламинарную структуру земли. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряемые микросейсмы являются краткосрочными микросейсмами, наблюдаемыми на уровне поверхности земли. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что два датчика колебаний располагают на каждой из двух или более прямых линий, проходящих через измеряемый грунт и делящих азимут 360^o на четное число равных секций или прямые линии, параллельные им, таким образом, что расстояния от датчика до датчика равны на этих прямых линиях. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что датчики колебаний располагают в трех или больше точках на равных расстояниях друг от друга по окружности круга и в одной точке в центре круга или во всех по крайней мере четырех точках. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что датчики колебаний располагают в вершинах равностороннего треугольника и в центре тяжести его или всего в четырех точках. 6. Способ по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что анализируют данные о вертикальных колебаниях или данные о вертикальных и горизонтальных колебаниях, измеренные одновременно датчиками колебаний, оценивают, являются ли колебательные волны, детектированные датчиками колебаний, поверхностными волнами или нет, и экстрагируют и анализируют поверхностные волны, при этом с помощью этого вычисляют скорость S-волны земли, по которой оценивают ламинарную структуру земли. 7. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что анализируют коэффициент корреляции и фазовой разности колебательных данных, измеренных разнесенными датчиками колебаний, в отношении каждой частоты, проводя анализ повторно при изменении расстояний от датчика до датчика, анализируя и вычисляя фундаментальный тип колебаний поверхностных волн, основываясь на результатах соответствующих анализов, и при необходимости анализируют и вычисляют длины волн более высокого типа колебаний, причем с помощью этого вычисляют скорость S-волны земли, по которой оценивают ламинарную структуру земли. 8. Способ по любому из пп.1 7, отличающийся тем, что проводят измерение и анализ микросейсмов повторно, пока можно будет сделать вывод, что соотношение между фазовой скоростью и длиной волны, которое обеспечивает достаточно точную оценку структуры земли, достигнуто.