Аппаратура для сейсмических наблюдений. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ

воздействия на упругую среду. Простейший вид источника - это кувалда.

Им ударяют по поверхности земли или стенке горной выработки.
Источник должен :
Быть оптимальной мощности и обеспечивать прием волн, отраженных или преломленных от глубоких границ;
Обеспечивать кратковременное воздействие, для возможности разделения волн от разных границ (спектр частот возбуждаемых колебаний должен быть оптимальным для решаемых задач);
Быть экономичным;
Быть транспортабельным;
Быть экологичным.

замкнутую поверхность внутри среды), генерируют преимущественно P-волны.
Поверхностные - действующие на

поверхность земли, стенку скважины, горной выработки. Генерируют S и P волны.
По энергии источники делятся на
маломощные 10-104 Дж
средние 104-106 Дж
По длительности воздействия
Импульсные 0,1*10-3-0,1с
Квазинепрерывные 2 –20 с и более
мощные 106-109 Дж и более

эффективность того или иного источника. Интенсивность, форма импульса, состав возбуждаемых

колебаний (доля P- и S-волн) зависят от условий возбуждения. Условия возбуждения определяются качеством контакта рабочего органа с породой и упругими свойствами среды вблизи источника. В зависимости от условий возбуждения интенсивность возбуждаемых источником волн меняется в тысячи раз.
Ранее для возбуждения колебаний в основном использовались взрывчатые вещества. Взрывное возбуждение удовлетворяло почти всем требованиям, кроме условия охраны окружающей среды, а также являлось источником повышенной опасности. В настоящее время взрывное возбуждение полностью запрещено на акваториях. Созданы невзрывные источники (пневматические, электроискровые и т.д.), которые удовлетворяют требованиям не только экологичности, но и по остальным пунктам превосходят взрывные источники.
В наземной сейсморазведке используется несколько видов источников: источники на основе взрывчатых веществ, установки газовой детонации, вибросейс, источники типа падающий груз и др.

(взрывчатых веществ): погружные источники (вес заряда от 100 г –

до нескольких килограмм).
Взрывы тротилового заряда производятся в специальных скважинах глубиной 5-20 м, залитых водой или засыпанных сверху землей. Это производится с целью усиления воздействия взрыва на грунт. Глубина погружения заряда должна превышать мощность зоны малых скоростей, наиболее оптимальные условия для производства взрывов - глинистые водонасыщенные отложения. При взрыве образуется газ, имеющий высокую температуру и давление. Стенки газовой полости смещаются и воздействуют на окружающую среду. При взрыве на свободной поверхности резко снижается эффективность возбуждения. При взрывах в скважинах амплитуда отраженных волн возрастает примерно на порядок, амплитуда поверхностных волн существенно уменьшается, звуковые волны практически исчезают, длительность импульса отраженных волн существенно сокращается.

смеси пропана и кислорода внутри расширяющейся камеры.
Взрывная камера монтируется под

грузовиком и опускается до земли в положении готовности. Подрыв газовой смеси с помощью электрической искры создает давление, которое действует на подвижную плиту, образующую дно камеры, передавая импульс давления в землю. Вес камеры создает необходимую реакцию опоры. УГД требуют массивного полевого оборудования, которое ограничивает их применение только открытыми местностями.

генерируются за счет знакопеременных сил, действующих по нормали к поверхности

контакта.

называется опорной плитой и прижимается к поверхности земли автомобилем. Система

работает на основе принципа гидравлики. Поршень, соединенный с опорной плитой, приводится в движение благодаря попеременной подаче масла в верхнюю и нижнюю полости гидроцилиндра. Потоки масла управляются устройством, на вход которого подается свип-сигнал. Чтобы колебания опорной плиты наиболее точно соответствовали свип-сигналу, на ней установлены специальные датчики, а для того, чтобы регулировать этот процесс, система охвачена цепями обратной связи. Частотный диапазон вибраторов от нескольких Гц до сотни Гц, а нагрузка на грунт может быть от нескольких десятков килограммов (для случая малоглубинной сейсморазведки) до сотен тонн (стационарные вибраторы для просвечивания Земли).

тяжелого рабочего цилиндра 1, внутри которого перемещается поршень 2, жестко

соединенный с опорной плитой 3. Плита прижимается к земле всем весом. При подаче и сливе масла попеременно в верхнюю 4 и нижнюю 5 полости гидроцилиндра поршень под высоким давлением (20 МПа) совершается движения, возбуждающие знакопеременные колебания в грунте. Управление потоками масла осуществляется с помощью двухкаскадного электрогидравлического преобразователя. На катушку соленоида 6 подается переменный ток, соответствующий форме заданного свип-сигнала.

наложение сигналов, соответствующих отраженным и преломленным волнам, без предварительной обработки.

С подобными записями невозможно работать без обработки ввиду их сложности. Для этого производят расчет коррелограммы – функции взаимной корреляции принятого сигнала с возбуждаемым свип-сигналом. В результате этой процедуры каждый сигнал сжимается, в результате наша запись становится похожей на сейсмограмму, т.е. запись от импульсных источников. Свип-сигнал представляет собой линейно-частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал. Частота колебаний таких сигналов меняется по линейному закону в диапазоне, который задается начальной и конечной частотами. Благодаря такой форме посылаемого сигнала имеется возможность оптимально сжимать сигналы на коррелограммах. Начальная и конечная частоты ЛЧМ сигнала определяют разрешающую способность, а длительность определяет глубинность работ. При глубинных нефтегазовых исследованиях частота свип-сигнала меняется в диапазоне 5 - 80Гц, а длительность в диапазоне 7 - 35 секунд. Необходимо отметить, что помимо технических характеристик вибратора на глубинность и разрешающую способность влияет не только форма свип-сигнала, но также физико-механические свойства поверхности, на которой стоит вибратор и сейсмогеологические условия исследуемой среды. Обычно мы пытаемся добиться того, чтобы сигнал был максимально приближен к форме колебания давления, приложенного к опорной плите. В реальной ситуации, нельзя сбрасывать со счетов такие эффекты, как разрушение и уплотнение поверхностного материала, в результате этих явлений излучаемый сигнал меняется нелинейно с изменением давления, создаваемого вибратором. Это добавляет гармоники, отсутствующие в исходном сигнале.
Согласно приведенной классификации, вибраторы - источники поверхностного типа и возбуждают интенсивные поверхностные волны-помехи. Поэтому требуется выполнять особые требования к методике проведения полевых работ.
Достоинством вибраторов является то, что благодаря большой длительности сигнала можно добиться большой энергии источника при относительно малой амплитуде воздействия, которое не приводит к локальному разрушению пород. Благодаря этому вибраторы представляют собой экологически наименее вредные источники, отличаются большим КПД. Кроме того, техническое устройство вибраторов позволяет подбирать необходимые параметры возбуждения для наиболее оптимального решения поставленных задач.

границ и получаемая окончательная запись вибросейс.

корреллограмму.
Получаем высокоамплитудную трассу небольшой длительности, похожую на запись сигнала

импульсного источника. Разница в том, что в нашем случае импульс нуль фазовый, тогда как импульс импульсного источника минимально-фазовый.

кувалды: 220 фунтов

Источник типа «падающий груз» используют при разведке, не требующей

глубинности (инженерно-геологические задачи). При исследованиях небольших глубин методом преломленных волн, при регистрации первых вступлений, кувалда – простой и экономичный источник колебаний. Момент касания земли передается на сейсмостанцию как отметка момента возбуждения.
Для возбуждения продольных волн производятся вертикальные удары кувалдой по поверхности земли или по стальной плите. При этом одновременно с продольными волнами возбуждаются высокоамплитудные поверхностные волны. Это делает весьма затруднительным использование кувалды при работах методом отраженных волн.
Кувалда может возбуждать поперечные волны. Для этого производятся удары по боковым стенкам небольшой ямы, или по штырю, забитому в землю под углом около 45°. В дальнейшем при специальной обработке продольные волны вычитаются. Такой способ возбуждения является весьма эффективным для работ методом отраженных волн на поперечных волнах. Поперечные волны, которые возбуждает источник, имеют тип SH, то есть, поляризованы в плоскости, перпендикулярной плоскости профиля. Благодаря этому при таком типе возбуждения волн, интенсивность волн Релея гораздо ниже, чем при произведении вертикальных ударов. Скорости распространения поперечных волн ниже скорости распространения продольных волн, поэтому отраженные поперечные волны приходят значительно позже, чем продольные волны от одних и тех же границ, это значительно облегчает их выделение.

в акустическую при нагревании жидкости протекающим через нее электрическим током.

Энергия менее 100 кДж.

Пневматические источники

Толстостенные камеры, содержат воздух под давлением 10-15 Мпа. Энергия 200 – 300 кДж.

и электроискровые источники. Принцип действия электроискровых источников основан на преобразовании

электрической энергии в акустическую при нагревании жидкости протекающим через нее электрическим током. Выделяющееся тепло приводит к нагреву, испарению и частичному разложению жидкости и к возникновению парогазовой полости с внутренним давлением до миллиона гектопаскалей. Последующее движение стенок этой каверны приводит к возникновению в окружающем пространстве интенсивной волны сжатия с максимальном давлением на фронте волны того же порядка, что и внутреннее давление в каверне. Дальнейшее движение стенок образовавшейся полости будет приводить к образованию упругих импульсов давления. Источником энергии служит конденсатор, заряженный до напряжения от нескольких сотен Вт до десятков-сотен кВт. Источники этого типа относятся к маломощным, с энергией менее 100 кДж.
Пневматические источники представляют собой толстостенные камеры, в них под давлением 10-15 МПа подается воздух. По команде воздух выталкивается в воду с большой скоростью. Образуется воздушная полость с движущимися стенками. Энергия пневмоисточников лежит в диапазоне 200 – 300 кДж. Это источники средней мощности. Диапазон частот пневмоисточников обычно 10-60 Гц. Для возбуждения сейсмических колебаний электроискровым источником (спаркером) на суше, также как и при взрывном возбуждении, требуются скважины, заполненные водой. Спаркер является значительно менее мощным источником, чем взрыв и возбуждает частоты до 1000 Гц. По сравнению со взрывом спаркер возбуждает более высокочастотные колебания. Поэтому он незаменим при высокоразрешающих сейсмических исследованиях, в особенности в скважинах – при проведении вертикального сейсмического профилирования (ВСП) и межскважинного сейсмического просвечивания.
По экономическим и экологическим соображениям предпочтительно применять невзрывные источники поверхностного типа: ударные, газодинамические, электродинамические, вибрационные.

пневмопушка, готовая к запуску. На рисунке б – в момент

запуска.

Камеры A и B заполнены сжатым воздухом, который входит в камеру A через левое верхнее отверстие и попадает в камеру B через отверстие в штоке поршня. Последний поддерживается в опущенном положении давлением воздуха. Чтобы пушка сработала, в верхней части камеры открывают соленоидальный клапан, который дает возможность сжатому воздуху подойти к нижней стороне фланца C. Это создает направленную вверх силу, которая превосходит силу, поддерживающую поршень в опущенном состоянии. Поэтому он начинает подниматься. В результате сжатый воздух из нижней камеры выбрасывается через четыре выходных отверстия в воду. После этого пузырь, образованный сжатым воздухом, пульсирует таким же образом, как пузырь газов, образовавшихся при взрыве. Однако, поскольку энергия меньше, частота пульсаций лежит в сейсмическом диапазоне и происходит удлинение первоначального импульса. Движение поршня вверх останавливается прежде, чем он коснется верха камеры A, так как направленная вверх сила быстро ослабевает по мере выхода воздуха в воду, и направленная вниз сила сжатого воздуха в верхней камере увеличивается. Затем поршень возвращается в исходное положение и нижняя камера заполняется воздухом. Взрыв и высвобождение длятся 1-4 мс, а весь интервал разгрузки занимает 25-40 м

возбуждают волн Релея, обладают высоким КПД.
Недостаток – необходимо бурение.

Преимущество поверхностных источников –отпадает надобность в бурении, нагрузки на грунт не велики
Недостаток – низкий КПД, зависимость интенсивности форм колебаний от условий возбуждения, высокий уровень возбуждаемых поверхностных волн Релея.

амплитуды самого сильного и самого слабого сигналов, которые можно принять

и зарегистрировать без искажений.
Частотный состав колебаний может быть от первых герц до десятков килогерц
Направление подхода волн к сейсмоприемнику

электрические (э.д.с. на выходе сейсмоприемника).

регистрации записи без искажений и синхронизация начала записи с моментом

возбуждения. Для того чтобы запись велась без искажений необходимо, чтобы динамический и частотный диапазоны аппаратуры были шире диапазона принимаемых колебаний. В процессе приема используют фильтры низких (ФНЧ) и фильтры высоких (ФВЧ) частот для подавления интенсивных помех еще до этапа регистрации сигналов.
В сейсморазведке используется многоканальная приемно-регистрирующая аппаратура, это означает, что входные сигналы на разных каналах регистрируются отдельно, т.е. отсутствует взаимодействие между каналами. Схема сейсморегистрирующего канала включает сейсмоприемники, сейсмическую косу, сейсмостанцию (усилитель, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь), интерфейсный кабель, ЭВМ.
В настоящее время при работах на суше используют сейсмоприемники индукционного типа, которые оказались наиболее эффективными по сравнению с другими электромеханическими преобразователями. В индукционном сейсмоприемнике использовано явление инерции. Внутри сейсмоприемников имеется инертная масса, подвешенная на пружине, которая жестко связана с корпусом. Корпус приемника является постоянным магнитом. Вместе с окружающей средой он может двигаться как единое целое в вертикальном направлении под действием упругих волн. Инертная масса – это цилиндрическая катушка индуктивности. Сейсмоприемники конструируют так, чтобы катушка могла смещаться только по вертикали и горизонтали. На зажимах катушки наводится ЭДС, которая согласно закону индукции, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, т.е. ЭДС пропорциональна скорости смещения корпуса. В реальном сейсмоприемнике колебательную систему образуют пружинка и инертная масса. Будучи выведена из состояния покоя, инертная масса совершает собственные колебания. Они возбуждают дополнительную ЭДС индукции, тем самым искажая выходной сигнал реального приемника. Эти собственные колебания следует демпфировать. В современных сейсмоприемниках гашение собственных колебаний производится электромагнитной силой Ленца. Это так называемая тормозящая сила, которая действует в магнитном поле на движущийся проводник с током. Для этого цепь катушки замыкают шунтирующим резистором, чтобы в ней под действием ЭДС индукции возник электрический ток. Тогда на движущуюся катушку будет действовать сила Ленца, пропорциональная силе тока.
В наземной сейсморазведке наблюдения ведутся на свободной поверхности.

сейсмоприемника) – величина, показывающая какая ЭДС развивается на выходе приемника

при воздействии на вход единицы скорости смещения. Чувствительность сейсмоприемников обычно составляет (0,3 – 0,7) В/см.
Частотная характеристика – показывает, как изменяется напряжение на выходе сейсмоприемника в зависимости от частоты колебания почвы, если скорость смещения задается U(t)= U0sin2πft. H()- частотная характеристика СП; 0– собственная частота колебательной системы инертная масса – пружина.
На рисунке – частотная характеристика без шунта

регистрирующих каналов;
собственный уровень шумов – т.е. шумы, которые создает

сама усилительная аппаратура;
полоса пропускания – задаваемая fн, fв (граничными частотами);
динамический диапазон – определяющий максимально возможные амплитуды сигналов, при которых регистрация будет вестись без искажения, а также
входное сопротивление усилителей, максимальный коэффициент усиления усилителей и их идентичность.

(5-10 Гц), среднечастотные (15-30Гц). Наиболее распространенными сейсмоприемниками в России являются

СB-30, СВ-20, СВ-10, СВ-5, СГ-10 (С – сейсмоприемник; В – вертикальный; Г –горизонтальный; 30 - собственная частота в Герцах).
Сейсмоприемник с оптимальным затуханием представляет собой фильтр высоких частот с граничной частотой .
Для работ на акватории и акустическом каротаже скважин используются пьезоэлектрические сейсмоприемники (гидрофоны). Этот тип приемников отличается простотой, поскольку не содержит подвижных механических частей. Преобразователь представляет собой пьезокерамический элемент в форме пластины, диска, цилиндра, и т.д., к противоположным концам которого прикреплены металлические контакты для снятия электрического сигнала. При помещении в жидкость преобразователя будут отмечаться его сжатие или растяжение при увеличении или уменьшении давления на его стенки. Из-за возникающих в элементе напряжений на его поверхности образуются электрические заряды, что приводит к появлению между противоположными сторонами преобразователя разности потенциалов, пропорциональной внешнему давлению.
Сейсмоприемники регистрируют упругие волны на разных расстояниях от источника. Для более точного определения истинной разности времен прихода одних и тех же волн к разным пунктам наблюдения, необходимо, чтобы все сейсмоприемники передавали колебания земли без искажения формы и без временных сдвигов. Именно поэтому такие высокие требования предъявляются к идентичности сейсмоприемников, совпадению частотных характеристик.
От каждого сейсмоприемника на профиле сигнал идет на вход сейсмостанции с помощью двух проводов, подсоединенных к двум клеммам сейсмоприемника. При этом из-за того, что сейсмоприемников много, образуется жгут проводов, который называется сейсмокоса. Длина ее может достигать нескольких километров.

– 104. Основными характеристиками аналого-цифрового преобразователя (АЦП) является динамическим диапазоном

– число двоичных разрядов (от 12 до 2) – и быстродействие – время преобразования одного отсчета сигнала (около 1 - 10мкс).
Далее цифровой сигнал подается на компьютер, встроенный в саму станцию, или ноутбук. В процессе регистрации осуществляется визуализации сигнала на экране, так можно выполнять предварительный контроль качества записи.
Усилитель включает в себя также частотные фильтры (фильтры высоких и низких частот, режекторный фильтр). Основными характеристиками фильтра являются частота среза и крутизна среза.
Частоты среза задаются следующими соотношениями


Крутизна для фильтра высоких и низких частот определяется:

числом отсчетов (квантование по времени или дискретизация). Эти отсчеты, в

свою очередь, кодируются числом цифр двоичного кода (квантование по уровню).

при дискретизации функции с ограниченным спектром с равномерным шагом информация

не теряется в том случае, если частота дискретизации более чем вдвое превышает верхнюю частоту спектра дискретизируемого сигнала. Должно быть более чем два отсчета за период, соответствующий самой высокой частоте спектра.

- максимальная частота в спектре сигнала.
На практике мы имеем дело

с сигналами конечной длительности, спектр которых бесконечен, и в радиотехнике принято характеризовать сигнал граничной частотой спектра (fгр ), которая характеризуется тем, что на этой частоте достигается уровень спектра:


Поэтому обычно выбирают шаг квантования

за цикл, это может привести к потере информации.
Таким образом, на

практике для данных с шагом дискретизации 4мс, пределом являются частоты около 90 Гц.

равна 125 Гц. Тогда по теореме о дискретизации шаг дискретизации

не должен превышать 4 мс.


Т.е. частота дискретизации должна быть 250 Гц.
Половина частоты дискретизации – это частота Найквиста.


Вопрос: Какова частота Найквиста для данных, зарегистрированных с шагом 2мс?
Ответ: Частота Найквиста =1/(2мс)=(1000/2) Гц= 250 Гц

частоту большую, чем частота Найквиста на величину , будет неотличима

от компоненты с частотой N- (эффект зеркальных частот или аляйсинг-эффект). Компоненты с зеркальными частотами, которые попадают в интересующую нас полосу частот, окажутся полноправными сигналами. При последующем восстановлении такие сигналы преобразуются в низкочастотный шум или помеху, который уже не может быть отфильтрован частотными фильтрами.

приемников записывается, начиная от момента возбуждения. Этот момент принимают за

момент отсчета данной записи (ноль по оси времени).
Запись одного канала (т.е. каждый отдельный график, соответствующий движению одного сейсмоприемника или осреднению по группе сейсмоприемников), длительностью t, называют сейсмотрассой, она характеризуется значением U=U(t, xп, xи), где xп отвечает за ПП (пункт приема), а xи – за ПВ (пункт возбуждения).
Для фиксированного источника U=U(t,xk). Сейсмограмма – это совокупность сейсмотрасс на плоскости (t, xk) с шагом по профилю x.

mode” (W): Рисуется кривая отклонений в каждой точке наблюдения в

зависимости от времени прихода волны.
На рисунке показана часть сейсмограммы способом отклонений. Этот тип изображений используется преимущественно для высокоразрешенных работ. По горизонтали – пространственные координаты сейсмоприемника, по вертикали – время.

area mode (VA). Положительные значения зачерняют, отрицательные остаются белыми, иногда

зачерняют полупериоды относительно нуля, иногда участки между трассой и некоторым средним уровнем. Этот способ отображения дает возможность более четко видеть оси синфазности. До 70-х годов этот способ был стандартным для индустрии.

фазы зачерняются, отрицательные рисуются способом отклонений. Метод одновременно помогает добиться

детальности изображения и улучшает прослеживание когерентных отражений. В настоящее время является стандартом.

вдоль оси времени так, как это делается при формировании телевизионного

изображения. Плотность изображения пропорциональна амплитуде. Дает возможность лучше видеть отрицательные и положительные фазы. Стандартно используется для представления временных срезов.

вес. Положительные амплитуды изображаются красным цветом, отрицательные – синим. Еще

больше подчеркиваются положительные и отрицательные амплитуды.

амплитуд от центра трассы
• положительная величина смещения усиливает эффект отрицательных

амплитуд.
В примере смещение +30 % означает, что каждая трасса смещается на 30% площади вправо. Усиливаются слабые волны, при этом теряется некая информация о высокоамплитудных волнах.
• Отрицательная величина смещения усиливает эффект положительных амплитуд.

Смещение нуля (bias)

или движение вверх представляется отрицательным числом. Таким образом, первые вступления

на трассах изображаются в виде белых минимумов.
Увеличение акустического импеданса = положительный коэффициент отражения = отрицательное число

Для положительного отражения:
Минимально-фазовый импульс (вверху) начинается с минимума
Центром симметричного (нульфазового) импульса является максимум
Источники типа динамит и воздушная пушка характеризуются минимально-фазовым импульсом, тогда как вибросейс – нульфазовым

нормальной полярности
Для нее положительное отражение газ-флюид будет ‘белым’
Справа показан разрез

в обратной полярности
Для нее положительное отражение газ-флюид будет ‘черным’

разрезы в обратной полярности для выделения особенностей разреза.
Независимо от того,

какую полярность выбирает интерпретатор, важно чтобы была проверена и записана полярность, в которой работает полевое оборудование, с тем, чтобы обработчик проконтролировал и пометил полярность на изображении.

К вопросу о полярности изображений

в правой части сейсмического изображения

периода (Твид), поскольку у нас имеется импульс типа синус. Кроме

того, существует понятие интенсивности Amax – это не амплитуда (т.к. у нас не синус и не косинус), а размах или пиковое значение. и – длительность импульса.
Если посмотреть на амплитудный спектр, то максимум будет достигаться на частоте, соответствующей видимому периоду. От длительности импульса и зависит разрешающая способность записи. Т.е. возможность раздельного обнаружения сигналов, приходящих в близкие моменты времени. Для увеличения разрешающей способности необходимо сокращать длительность импульса, т.е. расширять его спектр. Вопрос о разрешающей способности будет рассмотрен позже.

погружные источники отличаются от поверхностных?
Каков принцип действия источника типа вибросейс?
Что

такое динамический диапазон?
Что такое чувствительность сейсмоприемника?