История вибрационной сейсморазведки

Оглавление

Введение.                                                                                                                                                          3

Глава 1. Сейсморазведка. Способы возбуждения упругих волн.                            4

Глава 2. Невзрывная сейсморазведка.                                                                                    5

Глава 3. Связь физико-механических свойств грунтов с их поведением при динамических нагрузках.                                                                                                                              8

Глава 4. Возбуждение волн в наземной невзрывной сейсморазведке.              9

Глава 5. Специфика вибросейсморазведки.                                                                11

Глава 6. Эволюция методик полевых работ.                                                                13

Заключение.                                                                                                                                      16

Список использованной литературы.                                                                              17
Введение.

Моя научная работа связана с развитием вибрационной сейсморазведки, поэтому именно ей я решила посвятить свой реферат. Дело в том, что сегодня именно вибрационные методы получают большое распространение, выходят на передний план при поисках и разведке полезных ископаемых, постепенно вытесняя традиционный взрывной способ возбуждения упругих волн. Вибрационные методы были разработаны не так давно, а широкое применение получили и вовсе недавно, однако даже столь короткая история, на мой взгляд, заслуживает внимания.

Глава 1. Сейсморазведка. Способы возбуждения упругих волн.

Сейсморазведка и все ее модификации являются волновыми геофизическими методами изучения глубинного строения Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанными на приложении динамических, переменных во времени нагрузок к точкам среды, под действием которых последние выходят из состояния равновесия и начинают совершать собственные или вынужденные колебания[6]. Эти колебания и приводят к возникновению волновых процессов в земле. В результате образуются отраженные, преломленные и другие волны, прием и регистрация которых позволяют изучать строение и состав земных недр. Постоянные по величине нагрузки не приводят к образованию переменных во времени волновых полей и в разведочной геофизике не применяются.

Нагрузки могут иметь разнообразный характер и различаться по способу их создания (взрывные и невзрывные), времени действия (кратковременные – импульсные и длительные – вибрационные и виброимпульсные), величине, регулярности и другим параметрам[13]. Следовательно, сформировались и соответствующие технологии: импульсные (взрывная и невзрывная), а также невзрывная вибрационная сейсморазведка. Все они основываются на единых физических принципах распространения волн в реальных средах, но различаются характером и способами создания и приложения нагрузок, а также методическими возможностями техническими средствами.

Глава 2. Невзрывная сейсморазведка.

К созданию невзрывной сейсморазведки, в которой волны возбуждаются специальными установками и механизмами без использования зарядов взрывчатых веществ или линий детонирующего шнура, привело в первую очередь стремление заменить взрыв более управляемым, безопасным, экологически чистым и дешевым источником упругих колебаний[13]. Сначала получила развитие импульсная невзрывная сейсморазведка, в которой волны генерировались кратковременными, импульсными нагрузками на поверхность земли или водного слоя. Импульсная невзрывная сейсморазведка, упростив производство работ и сделав их более безопасными для окружающей среды, не смогла решить целый ряд вопросов, связанных с управлением процесса возбуждения колебаний и концентрацией энергии в необходимом диапазоне частот[9].

Параллельно с импульсной шло развитие вибрационной невзрывной сейсморазведки, которая  в последние годы находит все большее применение при проведении поисковых и разведочных работ на нефть, газ и другие полезные ископаемые[5]. Вибрационная сейсморазведка (ВСР), основываясь на тех же физических принципах, что и взрывная, импульсная сейсморазведка, отличается от нее использованием длительных, переменных во времени и относительно небольших по величине нагрузок известной формы для возбуждения упругих колебаний в земле без нарушения верхнего слоя грунта и дорожных покрытий. Возможность направленного управления спектральным составом возбуждаемых и регистрируемых волн, применения корреляционных методов сжатия сигналов и их выделения на фоне помех и проведения работ в городах, населенных пунктах, вдоль дорог при высоком уровне помех и без ущерба для окружающей среды обусловливает преимущества вибрационной сейсморазведки перед импульсной и позволяет высоко оценить ее перспективы, особенно при решении сложных задач, требующих активного воздействия на форму и частотный состав регистрируемых волн[8]. Вибрационная сейсморазведка привлекательна еще и тем, что позволяет использовать большой класс сложных сигналов для возбуждения упругих колебаний в среде.

Первые положительные результаты по практическому использованию квазигармонических сейсмических сигналов были получены в США в 1959 -1960 гг. (Д.Крауфорд, В.Дота, М.Ли). Фирма «Continental Oil Company» («Conoco») разработала метод и аппаратуру с торговой маркой «Vibroseis»[5]. В нашей стране вибрационная сейсморазведка начала развиваться с конца шестидесятых годов, сначала в направлении создания эксцентриковых (И.С.Чичинин, В.И.Юшин, Г.П.Евчатов, Ю.П.Лукашин и др.), а затем и гидравлических (В.М.Косов, А.С.Шагинян, А.Г.Асан-Джалалов, А.М.Седин, Г.И.Молоканов, А.С.Кастанов, В.М.Шевкунов и др.) излучателей[12]. В результате этих работ были созданы промышленные полупромышленные образцы аппаратуры и оборудования для вибрационной сейсморазведки: комплекмы «Вибролокатор» и ВСК-1, а впоследствии ВСК-2, вибраторы СВ-5-150 и СВ-10-100 [13].

Одновременно с созданием вибрационной техники шло ее полевое опробование, разрабатывались регистрирующая аппаратура, методика проведения полевых работ и обработки материалов (Ю.П.Лукашин, Т.М.Гродзянская, М.Б.Шнеерсон, Г.П.Евчатов, В.А.Гродзенский, Ю.И.Лугинец, Ю.П.Кострыгин, В.М.Косов и др.)[13]. В результате был создан и подготовлен к промышленному изготовлению комплекс технических средств для вибрационной сейсморазведки, базирующийся на возбуждении и передаче грунту протяженных во времени квазигармонических нагрузок. Кроме того, развивалось и другое направление вибрационной сейсморазведки, основанное на возбуждении кодовых импульсных посылок, которое завершилось созданием вибрационных источников дискретного действия или кодоимпульсных (виброимпульсных) установок (В.В.Ивашин, С.И.Николаев, Ю.А.Бару и др.).

Промышленное применение вибрационная сейсморазведка получила с конца семидесятых годов, когда начался серийный выпуск гидравлических вибраторов СВ. В восьмидесятые годы их начали изготавливать в нескольких модификациях, а также разрабатывать вибраторы специального назначения для северных районов. Технические характеристики вибраторов непрерывно улучшались, поэтому повышалась эффективность их применения при решении различных задач по изучению строения исследуемых территорий, поиску и разведке месторождений полезных ископаемых. К настоящему времени наземная вибрационная сейсморазведка заняла прочное место при поисково-разведочных работах на нефть, газ и другие полезные ископаемые, при глубинных исследованиях и инженерно-геологических изысканиях[8].

Вибрационная сейсморазведка основывается на протяженном во времени возбуждении колебаний, которое может быть реализовано в виде квазигармонических, переменных по частоте нагрузок или в виде последовательности силовых импульсов, следующих друг за другом с равными или меняющимися временными интервалами, величины которых соизмеримы с периодом возбуждаемых волн. Первое направление получило название вибрационного, а второе – виброимпульсного или кодоимпульсного генерирования волн. В обоих случаях общая длительность направляемых в землю сигналов, образующих одну посылку, может достигать 10 секунд и более, и она значительно превышает периоды волн, регистрируемых в импульсной сейсморазведке[8]. При квазигармоническом возбуждении точки среды совершают вынужденные колебания в соответствии с частотой приложения внешней нагрузки, а при виброимпульсном – собственные, которые из-за частого следования импульсов интерферируют, образуя сложные неразрешенные волновые поля. Особенности применяемых в вибрационной сейсморазведке нагрузок приводят к тому, что на полевых записях не выделяются отдельные волновые пакеты, соответствующие определенным физическим границам. Для их выделения и прослеживания необходимы корреляционная обработка данных, которая подразумевает нахождение степени сходства между посылаемыми в землю и зарегистрированными сигналами, или деконволюционная обработка полученных записей для их временного сжатия. Теоретические и экспериментальные основы вибрационной сейсморазведки освещены в монографиях и работах ряда авторов, постоянно происходит интенсивное развитие этого вида сейсморазведки. Постоянно предлагаются и получают практическое применение новые идеи и способы по выбору характера нагрузок, управления спектральным составом генерируемых волн, по совершенствованию методики и техники, а также повышению производительности работ и качества получаемых результатов.

Глава 3. Связь физико-механических свойств грунтов с их поведением при динамических нагрузках.

В наземной невзрывной сейсморазведке волны возбуждаются путем приложения динамических, переменных во времени нагрузок к поверхности земли или к стенкам скважины.

При поверхностном возбуждении нагрузки воспринимаются самыми верхними слоями земли – грунтами, представленными в большинстве районов переотложенными, рыхлыми, слабосцементированными породами различного литологического состава и физических свойств[2]. При работах в зонах выхода на поверхность кристаллических пород усилия, развиваемые вибраторами, передаются среде через упругие проставки. В зимнее время, при низких отрицательных температурах грунты могут быть сцементированы льдом и покрыты слоем снега различной мощности. В этих условиях уплотненный слой снега обеспечивает неплохую передачу усилий от вибраторов среде.

Излучающим элементом наземного вибрационного источника является жесткая металлическая плита, которая устанавливается на поверхность грунта и под действием активных или реактивных сил выводит его из положения равновесия, воздействуя на среду.

При возбуждении волн погружными источниками нагрузки прикладываются к стенкам скважины или непосредственно, или через обсадную колонну и воспринимаются плотными, коренными, не подвергшимися эрозии породами. Излучающим элементом является корпус источника, прижатый в колонне или к стенке скважины, или вращающийся буровой инструмент.

Во всех случаях усилия, развиваемые вибрационным источником, воспринимаются определенным, так называемым присоединенным объемом грунта (породы), что играет важную роль в теории и практике невзрывного возбуждения волн[9]. Под действием внешних сил в присоединенном объеме грунта возникают переменные во времени объемные или сдвиговые деформации, которые передаются близлежащим слоям и приводят к образованию упругих волн, интенсивность и частотный состав которых определяются величиной и характером нагрузок, а также физико-механическими свойствами пород и их поведением под действием переменных внешних сил.

Глава 4. Возбуждение волн в наземной невзрывной сейсморазведке.

В сейсморазведке применяются все известные способы возбуждения колебаний. На суше наиболее широко используют взрывы конденсированных зарядов различных по составу и массе взрывчатых веществ и вибрационные невзрывные источники колебаний (сейсмические вибраторы). В последнее время определенное применение также получили импульсные невзрывные электромеханические источники сейсмических волн («Енисей» и «Геотон»)[8].

Выбор при наземных съемках взрывного или невзрывного способа генерации волн определяется следующими основными технологическими и субъективными факторами:

       глубина разведки, качество получаемых материалов и степень их соответствия решаемым задачам;

       поверхностные сейсмогеологические условия, характер и рельеф местности;

       наличие/отсутствие наземных и подземных коммуникаций, населенных пунктов, сооружений и других препятствий для проведения работ;

       экономические факторы и требования по обеспечению безопасности работ;

       экология окружающей среды;

       требования и условия заказчика.

Последнее условие в ряде случаев является решающим при выборе способа возбуждения колебаний, величины заряда и глубины его погружения или типа невзрывного источника[8].

Исторически сложилось представление о том, что взрыв заряда взрывчатого вещества на оптимальной глубине является наилучшим со всех точек зрения источником колебаний в сейсморазведке. И это мнение в течение ряда лет не подвергалось сомнению в связи с тем, что отсутствовали адекватные, сопоставимые по эффективности промышленные способы генерации волн. С развитием технических и методических средств сейсморазведки положение существенно изменилось. Появились более прогрессивные и безопасные во всех отношениях невзрывные способы генерации волн в сейсморазведке. К настоящему времени невзрывное, вибрационное возбуждение колебаний на суше заняло прочное место в общем комплексе работ на нефть и газ, а в морской сейсморазведке невзрывное возбуждение является практически единственным способом генерации волн.

По мере урбанизации наших территорий и повышения требований к безопасности работ и сохранению окружающей среды приоритет переходит к невзрывной сейсморазведке. Эта тенденция получает и практическое воплощение, сегодня известны случат запрещения работ с взрывчатыми веществами в некоторых районах России. Ограничение работ со взрывчатыми веществами, определенно, будет способствовать совершенствованию невзрывной сейсморазведки и созданию новых, более эффективных способов возбуждения волн. Это позволяет говорить о том, что в будущем наземная невзрывная сейсморазведка станет основным методом поисков и разведки месторождений углеводородов и других полезных ископаемых.

Глава 5. Специфика вибросейсморазведки.

В сравнении с работами со взрывным возбуждением вибросейсмический метод характеризуется следующим:

       использование квазигармонических колебаний грунта, длительность которых существенно больше времен распространения отраженных или преломленных волн до разведуемых границ: имеются в виду в основном частотно-модулированные управляющие сигналы с частотой, меняющейся в пределах от 5-7 и до 400 Гц и более. Это дает возможность сжать сигналы во временной области и тем самым получить сейсмические записи заданной разрешенности;