СПОСОБ ВИБРАЦИОННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ Российский патент 2015 года по МПК G01V1/00 G01V1/02 

Изобретение относится к геофизическим методам исследования геологической среды и предназначено главным образом для поисков и разведки месторождений нефти и газа.

Вибрационная сейсморазведка (вибросейсморазведка) основывается на протяженном во времени возбуждении колебаний, которое может быть реализовано в виде квазигармонических переменных по частоте нагрузок, при которых точки среды совершают вынужденные колебания в соответствии с частотой приложения внешней нагрузки. Особенности применяемых в вибросейсморазведке нагрузок приводят к тому, что на полевых сейсмических записях не выделяются отдельные волновые пакеты, соответствующие определенным физическим границам. Для их выделения и прослеживания необходима корреляционная обработка данных, которая предусматривает нахождение степени сходства между посылаемым в землю и зарегистрированными сигналами, или деконволюционная обработка полученных записей для их временного сжатия.

В вибросейсморазведке исключительное применение получили электрогидравлические системы на основе сервопривода. Эти источники характеризуются следующими отличительными качествами: наименьшими габаритами и относительно малым энергопотреблением на единицу мощности; стабильностью частотных характеристик при изменяющихся нагрузках; сравнительной простотой регулировки колебаний по частоте и амплитуде; широким применением элементов гидропривода в промышленности, что делает возможным использование в вибраторах серийно выпускаемых узлов и деталей. В состав вибрационного гидравлического источника входят гидравлическая, пневматическая и электрическая системы.

Гидравлическая система обеспечивает полный рабочий цикл вибратора, включающего опускание вибровозбудителя с опорной плитой на грунт и подъем его, прижим плиты вибратора к грунту, подачу рабочей жидкости в полости цилиндров для возбуждения колебаний и перевод источника в транспортное положение. Жидкость в гидросистеме приводится в движение и нагнетается аксиально-поршневым насосом высокого давления с механизмом регулирования подачи и вспомогательным насосом низкого давления.

Пневматическая система предназначена для создания подпора в гидросистеме вибратора и обеспечения необходимого давления в пневмоамортизаторах опорной плиты, которые изолируют раму вибратора от вибровозбудителя.

Электрическая система вибратора состоит из комплекса устройств и приборов, обеспечивающих управление его работой в целом и отдельных узлов, синхронность их работы, а также выработку электрических сигналов, в том числе опорного сигнала, который является «программой работы» вибратора в сеансе вибрационного возбуждения, а также управляющего сигнала, который управляет вибровозбудителем и по обратной связи корректирует работу гидравлической системы вибратора так, чтобы упругие колебания, посылаемые плитой вибратора в землю, по возможности ближе соответствовали опорному сигналу.

Рабочим элементом гидравлического вибратора является вибровозбудитель, представляющий собой массивный гидроцилиндр двустороннего действия, играющий роль инерционной массы, внутри которого помещен поршень, соединенный с опорной плитой источника, которая в процессе излучения колебаний прижимается внешней (удерживающей) силой к поверхности земли. Чаще всего для этого используется масса транспортной базы источника и для того, чтобы плита не отрывалась от поверхности земли, статическая нагрузка на нее выбирается большей или равной силе, развиваемой вибровозбудителем. Преобразователь электрогидравлический (ПЭГ или «сервоклапан») является «сердцем» гидравлического вибратора, от надежной и правильной работы которого зависит работа вибратора. Поршень с опорной плитой приводится в движение путем попеременной подачи масла в верхнюю и нижнюю полости гидроцилиндра через золотники первого и второго каскадов ПЭГ. Действующая на поршень сила равняется произведению его площади на разность давлений над и под поршнем

где P_A и P_B давления в полостях гидроцилиндра; S активная площадь поршня.

Эта сила получила название пиковой, и она является одним из основных параметров вибратора.

Усилия, развиваемые вибровозбудителем, преобразуются в сейсмические волны через рабочую плиту вибратора, которая вместе с присоединенным объемом грунта образует механическую систему, включающую упругие, неупругие и инерционные элементы. Наличие их приводит к тому, что процесс перехода механической энергии в сейсмическую носит частотно-зависимый характер с резонансом на определенной частоте.

Обязательным условием успешной работы вибратора является движение опорной плиты, синхронное с изменением напряжения управляющего сигнала, подаваемого на ПЭГ. Для этого используют специальные системы фазовой коррекции (обратной связи), включающие акселерометры, установленные на опорной плите и инерционной (реактивной) массе, а также другие датчики и электронные схемы, анализирующие поступающую информацию и выдающие сигналы управления, корректирующие движение опорной, излучающей плиты.

Возбуждение сейсмических колебаний вибрационными источниками всегда сопровождается образованием основной - линейной - и нелинейных компонент волнового поля. Под линейной составляющей понимаются волны, частоты которых соответствуют частотам опорного сигнала. Колебания всех других частот, которые присутствуют в волновом поле вибратора, относят к его нелинейным компонентам. Эти волны обусловлены следующими двумя основными причинами: нелинейным характером взаимодействия рабочей плиты вибратора с грунтом при передаче силового воздействия на среду и нелинейными процессами в гидравлическом системе вибратора, возникающими при создании переменных усилий в вибровозбудителе.

Плита со штоком, поршнем и гидроцилиндром (инерционной массой) образуют единую механическую систему, приводимую в движение внутренними переменными по величине силами. В результате поршень с плитой движутся в одну сторону, а инерционная масса - в другую. При этом, если инерционная масса может свободно перемещаться вверх и вниз от центрального положения, то движения поршня с плитой ограничены сопротивлением грунта, что и приводит к искажению формы возбуждаемых колебаний и появлению волн с кратными частотами - волнами-гармониками. Их уровень определяется ходом поршня относительно инерционной массы и компрессионными характеристиками грунта. С увеличением частоты возбуждаемых колебаний взаимные перемещения инерционной массы и плиты уменьшаются и, начиная с какой-то частоты, становятся равными, а затем и меньшими предела упругости пород грунта. Это приводит к снижению уровня гармоник с ростом частоты, что четко фиксируются на кривых при контроле работы вибраторов и анализе сигналов, возбуждаемых ими.

В последнее время в вибросейсморазведке наметился интерес к расширению частотного состава возбуждаемых колебаний как в сторону высоких, так и низких частот, то есть к переходу к высокоразрешающей вибросейсморазведке. Это обусловлено тем, что проводится разведка более глубоко залегающих месторождений углеводородов, а все возрастающее применение акселерометров при наземных работах и скважинных исследованиях, позволяет принимать колебания в полосе частот от 3-5 Гц. Расширение же возбуждаемой полосы частот в сторону высоких частот обуславливается необходимостью повышения разрешающей способности вибрационной сейсморазведки.

Технические возможности наиболее широко применяемых вибраторов, подтвержденные практикой их эксплуатации, показывают, что они наиболее устойчиво работают в диапазоне от 8-10 до 90-100 Гц. Расширение диапазона частот в обе стороны наталкивается на определенные трудности, вызываемые особенностями современных гидравлических вибраторов и использованными конструктивными решениями.

Перемещение поршня относительно цилиндра, получившее название «ход поршня», является одним из «сейсмических» параметров вибратора, который задается (как допуск максимальной амплитуды колебаний поршня) на минимальной частоте из-за того, что с ее увеличением «ход поршня» уменьшается обратно пропорционально квадрату частоты возбуждаемых колебании.

В связи с тем, что ход поршня с ростом частоты уменьшается, то при расчете вибраторов он выбирается значительным - до 10 см, чтобы и на высоких частотах он имел заметные значения и не допускалось существенного снижения уровня возбуждаемых колебаний вследствие недопустимо малых перемещений плиты из-за потерь в вибровозбудителе (сжимаемость масла, люфты механических соединений и др).

Эффективная работа вибратора на низких частотах (5-6 Гц и ниже) ограничена рядом конструктивных особенностей вибровозбудителя, из которых ключевыми (по данным модельных исследований) являются «ход поршня» и предельная величина усилия, при котором отсутствует отрыв плиты от поверхности грунта. Наибольшим ограничением на низких частотах является ход реактивной массы, которая начинает ударяться по ограничителям.

При квазигармоническом излучении колебаний справедливо следующее соотношение: F=(Р/4 π² h Mr)^1/2, где F - частота возбуждаемых волн, Р - сила, развиваемая вибратором, h - ход поршня и Mr - реактивная масса вибровозбудителя (масса гидравлического цилиндра). Из этого соотношения следует, что при заданной величине силы для смещения в сторону низких частот необходимо увеличивать «ход поршня» и инерционную массу. Отметим также, что увеличение силы, развиваемой вибратором, также будет способствовать повышению уровня низкочастотных колебаний за счет уменьшения резонансной частоты системы вибратор-грунт.

Основные трудности при возбуждении линейного частотно-модулированного сигнала (ЛЧМ-сигнала) на частотах ниже 8-10 Гц связаны, в первую очередь, с критическим увеличением размаха реактивной массы, что может привести к выходу из строя виброисточника. Приведенные ниже технические решения предлагают ряд способов для возбуждения вибрационных сигналов в данном диапазоне частот, однако все они имеют ряд недостатков.

Известен способ вибрационной сейсморазведки (вибросейсморазведки), в котором одновременно с возбуждением колебаний в высокочастотном диапазоне частот, соответствующем 10-100 Гц, возбуждают колебания меньшей амплитуды в низкочастотном диапазоне, соответствующем 2-12 Гц [патент Великобритании №2416033]. Комбинированный свип, сформированный в результате наложения низко- и высокочастотного свипов, уменьшает искажающее действие гармоник на возбуждаемый сейсмический сигнал. Недостатком данного способа является сложность выбора таких амплитуд и фаз перекрывающихся свипов, которые бы при суммировании каждого из свипов в комбинированный свип обеспечивали постоянство амплитуды хода реактивной массы виброисточника, столь важное для возбуждения неискаженных колебаний.

Известен способ определения оптимального сейсмического сигнала [Патент США №3815704], в котором для каждой дискретной частоты определяют и фиксируют максимум неискаженной амплитуды. Соответствующие амплитуды и частоты используют для возбуждения виброисточником колебаний с оптимальной энергией. Недостатком данного способа является непостоянство амплитуды возбуждаемых колебаний во времени, поскольку вынужденные и резонансные колебания, возникающие в различных узлах виброисточника и непосредственно на контакте плиты со средой, разделить трудно. Непостоянство же амплитуды в данном способе, как и в отмеченном выше способе, не позволяет на этапе обработки записей разделить эффекты, связанные с исследуемым геологическим объектом, и эффекты технического характера, обусловленные особенностями конструкции виброисточника.

Известен способ определения и компенсации импеданса горных пород на контакте с виброисточником [патент США №4750157], в котором в каждой точке, намеченной для возбуждения колебаний, определяют импеданс горных пород в приповерхностном слое и затем учитывают данные об импедансе для компенсации изменения заранее заданной формы сигнала, вызванного изменением импеданса. О величине импеданса при этом судят по показаниям акселерометров, установленных на опорной плите и реактивной массе виброисточника. Недостаток данного способа состоит в том, что сама по себе компенсация влияния импеданса на форму сигнала не приводит к увеличению амлитуды полезного сигнала в низкочастотном диапазоне.

Известен способ уменьшения искажений, вызванных гармониками [патент США №6035257], в котором в выходной сигнал виброисточника дополнительно включают, по меньшей мере, одну гармонику с соответствующей интенсивностьюи полярностью, сдвинутую по фазе относительно исходного сигнала. Эта гармоника компенсирует гармонику, возникающую в излучаемом сигнале вследствие его искажения. Недостаток способа состоит в том, что он, уменьшая искажения, не увеличивает амплитуду полезного сигнала в полосе частот, представляющей разведочный интерес. Кроме того, необходимость изучения физических свойств грунта для установки режима работы вибратора само по себе создает дополнительные сложности при проведении полевых работ.

Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению (прототип) является способ усиления низкочастотных компонент при проведении вибросейсморазведки [патент США №7327633]. Достигается это путем использования физических свойств виброисточника для определения управляющего сигнала такого, чтобы реактивная масса возбуждала свип-сигнал с усиленными значениями низкочастотных компонент. Способ реализуется путем определения пиковых значений смещений реактивной массы для одной или более частот в полосе возбуждаемых частот и последующего формирования сейсмического сигнала при условии пикового значения смещений реактивной массы. При этом учет физических свойств виброисточника не предполагает использование каких-либо геофизических свойств грунта, имеющих отношение к работе виброисточника.

Недостаток известного способа состоит в том, что для формирования сейсмического сигнала используют пиковые значения реактивной массы. Эти значения могут, как известно, достигаться на резонансных частотах, характерных для виброисточника. Если такое значение пиковых смещений реактивной массы принять в качестве эталонного для смещений реактивной массы на других частотах, далеких от резонансной частоты, то виброисточнику трудно будет достичь пикового значения амплитуды смещения реактивной массы без соответствующих конструктивных изменений отдельных его узлов. В полевых условиях такие и изменения крайне нежелательны, так как они тормозят проведение работ в производственном режиме.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей вибросейсморазведки путем повышения относительной интенсивности низкочастотных компонент возбуждаемого сейсмического сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в способе вибрационной сейсморазведки, основанном на возбуждении и регистрации сейсмических колебаний в широкой полосе частот, расширенной в область низких частот, и на формировании колебаний с фиксированной амплитудой реактивной массы виброисточника, передающей возбуждаемые колебания в горные породы через опорную плиту виброисточника, возбуждаемые колебания разделяют на два интервала, один из которых соответствует низкочастотной части рабочей полосы частот, а другой интервал соответствует более высокочастотной части, при этом изменения амплитуды возбуждаемых колебаний и их частоты от времени в низкочастотной части подбирают в виде нелинейной зависимости из условия постоянства амплитуды хода реактивной массы, а в остальной части диапазона возбуждаемых колебаний зависимость амплитуды и частоты от времени устанавливают линейной либо также изменяющейся по нелинейному закону. В одном из воплощений предлагаемого способа граничную точку перехода от нелинейной низкочастотной части спектра возбуждаемых колебаний к высокочастотной его части выбирают исходя из зависимости хода реактивной массы виброисточника от частоты.

По сравнению с аналогами и прототипом предлагаемый способ вибрационной сейсморазведки существенно отличается тем, что амплитуду хода реактивной массы виброисточника в области низких частот устанавливают постоянной не путем экстраполяции пиковых значений, полученных для какой-либо одной частоты или нескольких частот, а путем выбора нелинейной зависимости амплитуды и частоты от времени. Свип, рассчитанный по описанному ниже алгоритму, включают в состав встроенных библиотечных свипов виброисточника. Это избавляет пользователя от громоздкой и сложной процедуры, связанной с созданием специального свипа и переноса его физически в контроллер виброисточника.

Основное преимущество предлагаемого способа состоит в том, что исходя из установленного лимита перемещения инерционной массы в данном диапазоне частот автоматически рассчитывают нелинейный сигнал, позволяющий возбуждать низкочастотные колебания безопасно для гидравлики виброисточника.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Рабочую полосу частот делят на две части. В пределах левой, более низкочастотной части (ориентировочно от нуля до 10 Гц), аналитически или путем моделирования подбирают нелинейный закон изменения зависимости амплитуды и частоты свипа (опорного сигнала) от времени при условии постоянства хода амплитуды реактивной массы. Для правой, более высокочастотной, области сигнала зависимость амплитуды и частоты от времени устанавливают линейной или нелинейной, в зависимости от поставленных сейсморазведочных задач.

Способ в одном из его возможных воплощений осуществляют следующим образом.

Расчет свипа, обеспечивающего постоянную амплитуду хода реактивной массы в области низких частот, выполняют по следующему алгоритму.

В качестве исходных данных мы имеем:

- F1 - начальная частота свипа

- Fc - граничная частота перехода нелинейной части в линейную

- F2 - конечная частота свипа

- Т - длительность свипа.

Расчет проводят численно с шагом 0.1 Гц, то есть весь свип делят на сегменты по 0.1 Гц, при этом длительность сегмента и амплитуда в нелинейной части свипа переменные, в линейной - постоянные.

Для первого приближения берем длительность и амплитуду первого сегмента равными единице. Чтобы получить длительность следующего сегмента, надо длительность текущего сегмента умножить на квадрат отношения текущей и следующей частот. Чтобы получить амплитуду следующего сегмента, надо длительность текущего умножить на четвертую степень отношения текущей и следующей частот.

Например, если F1=3 Гц, тогда первый сегмент в интервале 3-3.1 Гц будет иметь амплитуду 1, следующий сегмент 3.1-3.2 Гц будет иметь амплитуду и последующий сегмент в интервале частот 3.2-3.3 Гц будет иметь амплитуду Смысл изменения амплитуды в квадрате состоит в известной зависимости хода реактивной массы вибратора от частоты.

Для того чтобы энергия сегментов свипа оставалась постоянной, необходимо изменение амплитуды сегмента компенсировать изменением длительности в квадрате. Отсюда получается, что длительность сегментов меняется в четвертой степени, то есть для предыдущего примера длительность второго сегмента составит

Таким образом, расчет сегментов продолжается до достижения частоты Fc, далее от Fc до F2 длительность, и амплитуда сегментов не меняется.

После расчета всех сегментов от F1 до F2 необходимо найти истинные длительности сегментов и амплитуды. Для нахождения истинных амплитуд просто все амплитуды сегментов делят на амплитуду в интервале Fc-F2 так, чтобы амплитуда линейной части свипа была равна 1. Далее все длительности сегментов делят на сумму длительностей сегментов и умножают на длительность свипа.

Свип, рассчитанный по описанному алгоритму, включают в состав встроенных библиотечных свипов виброисточника. Тем самым пользователь избавляется от громоздкой и сложной процедуры, связанной с созданием специального свипа и переноса физически в контроллер виброисточника.

Предлагаемый способ опробован в производственных условиях. На фиг. 1 для сравнения показаны два сейсмических волновых разреза, один из которых получен по стандартной методике (фиг. 1, а) (с линейным свипом в диапазоне частот 10-90 Гц), а другой - по предлагаемой методике (фиг. 1, б), включающей формирование низкочастотного нелинейного свипа в рабочем диапазоне частот, соответствующем 3-90 Гц. Дополнительно приведены спектры записей, на которых эллипсами показана низкочастотная часть спектра. Легко видеть, что расширение спектра возбуждаемых частот влево увеличило динамическую выразительность записей и привело к появлению в левой части разреза (фиг. 1, б) устойчиво коррелирующихся глубинных фрагментов, при стандартной методике практически не выделяющихся (фиг. 1, а).

Предлагаемое изобретение включено в разрабатываемую в ООО «Геофизические системы данных» технологию широкополосной регистрации сейсмических данных на основе системы управления виброисточниками типа GDS-1^® и GDS-1plus^®. Внедрение технологии позволило выявить ее возможности, представляющие интерес для современной сейсморазведки. Эта технология

- обеспечивает оптимальное применение алгоритмов инверсии сейсмических данных с целью определения литологических характеристик исследуемой толщи;

- дает лучшую динамическую выразительность сигналов на сейсмических разрезах;

- позволяет режим низкочастотного воздействия реализовать на стандартных виброисточниках и сейсмоприемниках;

- позволяет достичь расширения спектров в широком диапазоне частот;

- допускает возможность совмещения ее с технологией адаптивной сейсморазведки АВИСейс^®, разработанной в ООО «Геофизические системы данных».

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

Жуков А.П., Колесов С.В., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками // Тверь, ООО «Издательство ГЕРС», 2011. - 412 с.

Патент Великобритании №2416033.

Патент США №3815704.

Патент США №4750157.

Патент США №6035257.

Патент США №7327633.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поисков и разведки месторождений нефти и газа. Заявленный способ вибрационной сейсморазведки основан на возбуждении и регистрации сейсмических колебаний в широкой полосе частот, расширенной в область низких частот, и на формировании колебаний с фиксированной амплитудой реактивной массы виброисточника, передающей возбуждаемые колебания в горные породы через опорную плиту виброисточника. Для этого возбуждаемые непрерывные колебания разделяют на два интервала, один из которых соответствует низкочастотной части рабочей полосы частот, а другой интервал соответствует более высокочастотной части. При этом изменения амплитуды возбуждаемых колебаний и их частоты от времени в низкочастотной части подбирают в виде нелинейной зависимости из условия постоянства амплитуды хода реактивной массы, а в остальной части диапазона возбуждаемых колебаний зависимость амплитуды и частоты от времени устанавливают линейной либо также изменяющейся по нелинейному закону. В одном из воплощений способа граничную точку перехода от нелинейной части возбуждаемых колебаний в линейную выбирают исходя из зависимости хода реактивной массы виброисточника от частоты. Технический результат - расширение функциональных возможностей способа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ вибрационной сейсморазведки, основанный на возбуждении и регистрации сейсмических колебаний в широкой полосе частот, расширенной в область низких частот, и на формировании колебаний с фиксированной амплитудой реактивной массы виброисточника, передающей возбуждаемые колебания в горные породы через опорную плиту виброисточника, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей, возбуждаемые колебания разделяют на два интервала, один из которых соответствует низкочастотной части рабочей полосы частот, а другой интервал соответствует более высокочастотной части, при этом изменения амплитуды возбуждаемых колебаний и их частоты от времени в низкочастотной части подбирают в виде нелинейной зависимости из условия постоянства амплитуды хода реактивной массы, а в остальной части диапазона возбуждаемых колебаний зависимость амплитуды и частоты от времени устанавливают линейной либо изменяющейся по нелинейному закону.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что граничную точку перехода от низкочастотной нелинейной части возбуждаемых колебаний к более высокочастотной линейной или нелинейной выбирают исходя из зависимости хода реактивной массы виброисточника от частоты.