Нелинейные искажения вибрационных сигналов и перспективы их использования в малоглубинной сейсморазведке

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

2. Нелинейные явления в вибрационной сейсморазведке

Исходные, начальные причины нелинейности обусловлены приближенностью закона Гука (физическая нелинейность), нелинейностью уравнений теории упругости (геометрическая нелинейность) и особенностями передачи нагрузок среде вибраторами (механическая нелинейность) [1,2].

Начало теоретических и экспериментальных исследований по изучению нелинейных явлений в реальных средах относится ко второй половине прошлого столетия, когда появились первые результаты работ с вибрационными источниками колебаний, из которых следовало безусловное наличие нелинейных составляющих в наблюдаемых сейсмических волновых полях. В последующих работах [2,3] были проанализированы и показаны возможности и ограничения практического использования волн-гармоник и волн-взаимодействия для освещения поведения разведуемых границ раздела и прямого прогноза наличия/отсутствия скоплений углеводородов в разрезе. Первые результаты были обнадеживающими, однако, в силу различных причин эти исследования дальнейшего развития не получили. В последние годы вопросы подавления и практического использования волн-гармоник стали актуальными в связи с проведением полевых работ по технологии «скользящий свип», при которой волныгармоники могут попадать на времена регистрации полезных волн, и с пересмотром отношения к волнам – гармоникам.

Возникновение нелинейных составляющих в волновых полях, возбуждаемых

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

вибрационными источниками колебаний – вибраторами, обусловлены особенностями их конструкции и нелинейным характером взаимодействия рабочей плиты излучателя с грунтом при передаче силового воздействия на среду.

Плита со штоком, поршнем и гидроцилиндром (реактивной массой) образует единую, реактивную механическую систему, приводимую в движение внутренней переменной по величине силой. В результате поршень с плитой движутся в одну сторону, а реактивная масса - в другую. При этом, если последняя может свободно перемещаться вверх и вниз от центрального положения, то поршень с плитой ограничены в своем движении сопротивлением грунта, так как вибратор работает в режиме упругих деформаций, что и приводит к искажению формы возбуждаемых колебаний и появлению гармоник. Их уровень определяется ходом поршня и компрессионными характеристиками грунта. С увеличением частоты

возбуждаемых колебаний амплитуды перемещения плиты уменьшаются и, начиная с какой-то частоты, становятся равными, а затем и меньшими предела упругости пород грунта. Это приводит к повсеместно наблюдаемому снижению уровня гармоник с возрастанием частоты.

Другой причиной появления гармоник является несимметричность реакции грунта на «плюс» и «минус» воздействия, развиваемые рабочей плитой вибратора.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Она обусловлена тем, что при положительном воздействии происходит дополнительное нагружение грунта, а при отрицательном – его частичная разгрузка, что при нелинейной зависимости между напряжением и деформацией приводит к различному уровню возбуждаемых колебаний

при разнонаправленных воздействиях и, как следствие, осложнение излучаемых колебаний гармониками.

Для иллюстрации наличия гармоник и оценки их уровня были использованы записи сигналов, снимаемых с датчиков, установленных в полостях гидро – цилиндра, на рабочей плите и инерционной массе вибро-возбудителя.

Кривые изменения давления в полостях гидроцилиндра

на частотах 10, 30 и 40 Герц

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Зависимость уровня гармоник

от частоты

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Анализ приведенных кривых показывает следующее: -

-кривые, характеризующие движение плиты вибратора и его реактивной массы,

носят сложный характер и на них выделяются гармоники второго, третьего и

более высокого порядка, а также субгармоники;

-уровень нелинейных искажений в целом снижается с ростом частоты;

-интенсивность нелинейных искажений сигналов на плите в среднем на порядок -выше, чем на реактивной массе.

Обобщение полученных материалов показывает, что гармоники имеют волновую

природу и повышенный частотный состав, что обосновывает их применение

для расширения спектрального состава излучаемых и регистрируемых волн.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

3.Примеры использования волн-гармоник для расширения

спектрального состава регистрируемых волн

Волновые поля гармоник распространяются в нижнем полупространстве по законам геометрической сейсмики, образуя отраженные и другие волны.

От основных они будут отличаться спектральным составом и интенсивностью, что делает возможным отображение разреза в другой полосе частот. Это и определяет интерес к использованию гармоник и их практическую значимость. Выделение гармонических составляющих волновых полей может проводиться путем корреляции виброграмм с управляющим сигналом начальная и конечная частоты которого согласованы с частотным диапазоном гармоник. Это обеспечит выделение волн - гармоник и подавление всех волн другого частотного состава. Возможны и другие способы выделения гармоник [3].

Таким образом, ориентация на использование волн – гармоник позволяет получать

временные и глубинные разрезы на основной и кратных частотах. Но при этом

необходимо сохранение виброграмм и многократная, как минимум, двукратная их корреляция, что является нежелательным, т.к. нарушает

стандартный цикл работ, предусматривающий корреляцию записей в поле, на

сейсмостанции и передачу на ВЦ прокоррелированных полевых записей.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

К настоящему времени способ гармоник, предусматривающий корреляцию исходных виброграмм с основным управляющим сигналом и вспомогательным, модельным для выделения гармоник, достаточно успешно опробован в ряде районов у нас и за рубежом [1,3,4]. Анализ полученных материалов показал, что на коррелограммах по вторым гармоникам на временах до 1,5 с. достаточно уверенно выделяются отраженные волны, аналогичные тем, которые прослеживаются на основных записях. Но от последних они отличаются более высоким частотным составом и меньшей интенсивностью, что вполне согласуется с исходными теоретическими предпосылками. Сейсмограммы, прокоррелированные по третьей гармонике, оказались неинформативными. На них преобладали шумы, на фоне которых регулярные волны практически не прослеживались..

На следующих слайдах приведены временные разрезы и спектры волн, полученные по основному сигналу, второй, а также по третьей гармоникам.

Обобщение полученных в разных районах материалов показало, что интенсивность отраженных волн, обусловленных вторыми гармониками, позволяет выделять и прослеживать отраженные волны на временах до 1.4 - 1,5 с. При этом примерно в 1,3 – 1.5 раза расширяется спектральный состав зарегистрированных волн, что приводит к несколько лучшей разрешенности записей.

На временах, превышающих 1,6 с, волны-гармоники практически не выделяются на фоне помех.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Временные разрезы, полученные при корреляции с основной и второй гармониками