Особенности проведения полевых исследований на примере ОАО «Оренбургская геофизическая экспедиция»

Введение

Мой отчет по преддипломной практике выполнен на основе сейсмических исследований, проводимых ОАО «Оренбургская геофизическая экспедиция», в которых я принимал непосредственное участие в качестве инженера механика по техническому обслуживанию и ремонту установок возбуждения сейсмических сигналов 2 категории. Хочу выразить огромную благодарность руководству и коллективу ОАО «Оренбургская геофизическая экспедиция» за предоставленную мне возможность прохождения преддипломной практики, с 6 июля по 28 сентября 2011 года, и предоставления материалов для выполнения дипломной работы.

Основными задачами исследований данного отчета являются:

Рассмотрение принципа вибрационной сейсморазведки;

Условия применения невзрывных источников возбуждения сейсмических сигналов для данной территории;

Технология и методика вибрационных возбуждений;

Подбор оптимальных параметров работы, установок возбуждения сейсмических сигналов;

Контроль качества работы источников;

Детальное изучение геологического строения в пределах площади исследований Умиркинского лицензионного участка по основным отражающим горизонтам Кн, Кн2, У, Т, Дфр, Дп, Даф, Дкв;

Методика проведения полевых исследований в значительной степени влияет на качество получаемых сейсмических материалов и предопределяет возможность решения поставленных конечных геологических задач. В связи c этим особую важность имеет правильный опытный выбор параметров возбуждения и регистрации сейсмических колебаний, осуществляемый, как правило, до начала производственных работ (либо в случае значительного изменения сейсмогеологических условий).

Целью моей работы является выбор и обоснование параметров возбуждения сейсмических колебаний, определяемых на этапе опытных исследований, а также контроль над качеством работы источников возбуждения сейсмических сигналов.

1. Теория вибрационной сейсморазведки

1.1 Взаимодействие невзрывного источника с грунтовым полупространством Излучающим элементом наземного невзрывного источника является жесткая металлическая плита, которая под действием активных или реактивных сил совершает вертикальные, горизонтальные или наклонные движения, создавая динамические нагрузки на поверхность земли. Если считать среду в области действия излучателя однородной, то задача возбуждения волн наземным невзрывным источником сводится к действию силы на поверхности упругого полупространства. В связи с тем, что линейные размеры излучающих плит существенно меньше, чем преобладающие длины возбуждаемых волн, реальные источники и генерируемые ими силы могут считаться точечными.

Для упругого полупространства действие вертикальной силы приводит к возбуждению в нем продольной (Р), поперечной (S), поверхностной ® и конической (PS) волн. Продольная волна распространяется со скоростью ?_p и имеет наибольшую интенсивность по вертикали в направлении действия силы. По мере отхода от вертикали интенсивность продольной волны уменьшается по закону косинуса и становится равной нулю в направлении дневной поверхности.

Поперечная волна распространяется со скоростью? s и имеет довольно сложное распределение интенсивностей в зависимости от угла ц между вертикалью и направлением на точку, в которой определяется амплитуда волн. Максимум ее будет наблюдаться в диапазоне углов ц?40−50, а минимум — при углах б=sin^(-1)?(?pч?s)и вдоль свободной поверхности. Распределение интенсивностей волн в пространстве под точкой приложения силы определяется характеристикой направленности. Теоретическая характеристика направленности для точечной вертикальной силы, действующей на поверхности, представляет собой окружность, вершина которой расположена в точке приложения нагрузки.

Продольные и поперечные волны являются объемными и затухают обратно пропорционально расстоянию от точки наблюдения до места приложения силы.

Поверхностная волна распространяется со скоростью? p??s и убывает от источника вдоль поверхности среды обратно пропорционально v (R). Следовательно, по мере удаления от источников колебаний поверхностные волны будут доминировать на записях, что в целом подтверждается практикой работ с наземными невзрывными источниками.

Коническая волна из-за очень небольшой интенсивности и низких частот на сейсмограммах не выделяется, поэтому эти волны в дальнейшем не рассматриваются.

Распределение энергии по вертикальной нагрузке между волнами примерно следующее [3],%: продольные — 7, поперечные — 25, поверхностные — 68. Поэтому на сейсмограммах, полученных при работе с наземными невзрывными источниками, превалируют поверхностные и поперечные волны, и для выделения целевых продольных волн необходимы специальные методические приемы.

При приложении к поверхности упругого полупространства точечного источника горизонтальной силы в среде возникают продольные и поперечные волны, поляризация которых определяется направлением действия этой силы. При ее ориентации вдоль линии профиля (ось х) в среде возникают продольная (Р) и поперечная (SV) волны. Продольная волна в вертикальном направлении не излучается, а ее минимальные амплитуды наблюдаются под углами 40−60 относительно вертикали. Форма волны по фронту не меняется. Поперечная SV волна поляризована в вертикальной плоскости и фаза ее остается постоянной для углов с вертикалью [и]?sin (-1)?(?sч?p). При действии точечной горизонтальной силы перпендикулярно линии профиля (ось у) в вертикальной плоскости, проходящей через профиль (плоскость xOz), наблюдается только поперечная волна SH, поляризованная в направлении, перпендикулярном линии профиля с равномерной характеристикой направленности.

Реальные среды, на которых проводятся работы с невзрывными источниками, в разной степени отличаются от упругого полупространства по своим физическим свойствам. Поэтому протекающие при возбуждении колебаний процессы могут приводить к образованию волн, имеющих несколько иное распределение интенсивностей при сохранении общей качественной картины, которая подтверждается практикой работ с невзрывными источниками колебаний.

Представив грунт моделью, состоящей из параллельно соединенных механических элементов, рассмотрим силы, действующие в системе плита вибратора — грунт.

Будем считать, что на грунт действует сила F=F (t) sin? щ (t), где F (t) и щ (t) -соответственно ее амплитуда и частота, являющиеся в общем случае функциями времени. Колебания, возбуждаемые плитой, имеющей массу М_гр, передаются присоединенному объему грунта с массой mн. Под действием внешней нагрузки в грунте возникают силы сопротивления, обусловленные инерционными, упругими и неупругими, вязкими свойствами пород. При этом зависимость между напряжениями и деформациями носит линейный характер, а силы неупругого сопротивления грунта пропорциональны скорости его перемещения в процессе движения. Нетрудно показать, что рассмотрев силы, действующие в системе рабочая плита вибратора — грунт, получим уравнение (1.1.1), в правой части которого будет величина внешней нагрузки:

l (.)+2hl.+n2 l=F/v sin? щ (t)t (1.1.1)

где 2h=зM и n2=CS?M — затухание и собственная частота колебаний системы плита — грунт.

Коэффициент сжатия С при вертикальных нагрузках связан с модулем упругости Е простым соотношением (1.1.2), [5]:

C₂=ч₂ E/(1-м2) 1/vS (1.1.2)

где м — коэффициент Пуассона;

ч — коэффициент, зависящий от конфигурации плиты и равный для квадратной плиты 1,06, для круглой — 1,13.

В общем случае система плита излучателя — грунт совершает вынужденные и собственные колебания. Однако последние быстро затухают и, принимая во внимание значительное время приложения нагрузок, поведение системы определяется ее вынужденными колебаниями. Решением уравнения (1.1.1) является выражение (1.1.3):

l=Аsin??(щ (t)t+ц)? (1.1.3)

где, А и ц — амплитуда колебаний и сдвиг фаз между силой и смещением.

Значения, А и ц определяются соотношениями:

А= F0/(Mv (?(n²-щ² (t))?2+4h2 щ2)), tg=2hщ/(n2-щ2) (1.1.4)

Решение уравнения (1.1.1)с учетом (1.1.4):

l=F₀/(Mv (?(n²-щ² (t))?^2+4h² щ²)) sin?[щ (t)t+tan^(;

1)??2hщ/(n²-щ²)? ] (1.1.5)

Из (1.1.5) следует, что под действием квазипериодических сил система плита — грунт совершает квазигармонические колебания, частота и амплитуда которых определяются параметрами внешней нагрузки и свойствами грунта. При переменных по частоте нагрузках в системе могут наблюдаться резонансные явления, которые наступают при щp = n. При этом амплитуды колебаний плиты и грунта определяются затуханием h и могут быть значительными. Таким образом, система вибратор — грунт представляет собой резонансную систему, собственная частота которой определяется как физическими свойствами пород в точках возбуждения колебаний, так и параметрами излучателя. Опыт работ с вибрационными источниками показывает, что практически повсеместно наблюдается резонанс в области частот 25−30 Гц. Имеет место также определенная зависимость амплитудных характеристик системы от строения и состава пород. Причем амплитудно-частотные характеристики волн, снятые в непосредственной близости от плиты вибратора, уже имеют сложный вид с четко выраженным резонансом в указанной полосе частот (рис. 1.1.1). В ряде случаев на повышенных частотах 60−80 Гц наблюдается второй всплеск амплитуд волн, что указывает на наличие еще одной механической системы со своей резонансной частотой.

Рис. 1.1.1 Амплитудно-частотные характеристики волн, зарегистрированные вблизи вибратора: 1 — луг; 2 — грунт средней твердости; 3 — пашня после дождя.

Резонансная частота системы определяется соотношением:

Щр = 1? v (М/CS) (1.1.6)

Нетрудно видеть, что с увеличением М эта частота уменьшается и происходит смещение резонанса в сторону низких частот. Поэтому масса плиты у высокочастотных вибраторов выбирается минимально возможной. Соотношение (2.1.6) определяет принципиальную возможность изменения собственных частот вибрационных систем путем соответствующего подбора входящих в него величин.

В соответствии с (1.1.5) наибольшие смещения и напряжения в грунте:

Lmax = F/(M2hщp), уmax=Eд l max/l 0 (1.1.7)

где l₀ — вертикальный размер присоединенного объема грунта, E_д — динамический модуль упругости пород.

1.2 Основные положения вибрационной сейсморазведки Вибрационная сейсморазведка основывается на возбуждении колебаний переменными нагрузками, длительность которых существенно больше времен распространения отраженных или преломленных волн до разведуемых границ раздела. В вибрационной сейсморазведке основное применение получили нагрузки, представляющие собой квазигармонические частотно-модулированные сигналы (ЧМ) длительностью до 20−30с с полосой частот от 6−15 до 200−250 Гц. В процессе излучения частота возбуждаемых колебаний изменяется в указанных пределах, что является необходимым условием (репером) для последующего сжатия информации выделения волновых импульсов и определения времен прихода регулярных колебаний. Предложена также модификация вибрационного метода, основанная на применении чисто гармонических сигналов, в которой сжатие информации достигается суммированием выборок сигналов в пределах периода колебаний.

Наряду с ЧМ-сигналами в вибрационной сейсморазведке получили применение кодовые последовательности однополярных, а в ряде случаев разнополярных импульсов, следующих друг за другом через разные или одинаковые промежутки времени. Длительности последовательностей могут доходить до нескольких десятков секунд при средних частотах следования импульсов 5−25 Гц. В этом случае репером для сжатия информации служит или полярность импульсов, или изменение временного интервала между ними.

Сигналы, описывающие нагрузки в вибрационной сейсморазведке, называют в отечественной литературе управляющими или опорными сигналами, а в американской — свип или свип-сигналами. Длительность одной посылки управляющего сигнала во много раз больше периода волн при импульсном возбуждении и для него выполняется условие

F_срЧТ=1/Т Т=1 (1.2.1)

где F_ср — средняя частота сигнала или следования импульсов; Т — длительность сигнала или одной последовательности импульсов.

Под действием нагрузок в среде возбуждаются поверхностные и объемные (продольные и поперечные) волны, которые, отражаясь и преломляясь на физических границах раздела и интерферируя между собой, образуют сложное, неразрешенное поле колебаний, в котором визуально не выделяются импульсы регулярных волн, соответствующих отражающим и преломляющим поверхностям.

Колебания почвы, принятые одиночными или групповыми сейсмоприемниками, расставленными по профилю, преобразуются ими в электрические сигналы, которые передаются на сейсмостанцию для записи на информационный носитель. Воспроизведения этих лент на бумажном носителе образуют виброграммы, состоящие из совокупности отдельных трасс — вибротрасс, каждой из которых соответствует одиночный или групповой сейсмоприемник, стоящий на профиле.

Сжатие зарегистрированных колебаний волн производится на основе специальной обработки данных, которая может выполняться двумя, в общем, идентичными способами: корреляционным (временным) и спектральным (частотным). Наибольшее применение получил корреляционный способ обработки благодаря его простоте и более легкой реализуемости на современных полевом оборудовании и ЭВМ. Корреляционный способ основан на вычислении функции взаимной корреляции (ФВК) управляющего и зарегистрированных сигналов. В статической радиотехнике такая обработка получила название оптимальной или согласованной фильтрацией. Оптимальный фильтр работает таким образом, что все спектральные составляющие колебаний задерживаются на определенное время и поступают на его выход одновременно, где они складываются и образуют интенсивный суммарный сигнал.

Применительно к вибрационной сейсморазведке согласованная фильтрация сводится к нахождению нормированных значений ФВК управляющего сигнала и колебаний, принятых сейсмоприемниками и зарегистрированных сейсмостанцией.

Математически эта операция выражается корреляционным интегралом нахождения ФВК:

R_aS (ф)=1/T ?_0^T a (t)S (t+ф)dt (1.2.2)

где a (t) и S (t) — соответственно зарегистрированный и управляющие сигналы; ф — временный сдвиг между ними. Последовательность значений R_aS (ф), вычисленных по одной вибротрассе, образует корреляционную трассу, а их совокупность, входящая в одну виброграмму, — коррелограмму.

Корреляционные трассы и коррелограммы являются результатами обработки первичных вибросейсмических данных.

В современной сейсморазведке вычисление ФВК производится в дискретной форме, что оказалось очень удобным при цифровой регистрации и обработке данных. Вычисление ФВК может выполняться также упрощенным способом, например, путем суммирования данных с временными сдвигами одной последовательности относительно другой.

Выражение (1.2.2) может быть представлено в несколько ином, важном для понимания особенностей вибрационной сейсморазведки, виде. Действительно, сигнал a (t) при отсутствии помех описывается интегралом свертки:

a (t)=?_0^? h (?)S (t-?)d? (1.2.3)

где h (?) — оператор фильтра земли, распределение коэффициентов отражения по разрезу.

Подставляя (1.2.2) в (1.2.3) и меняя порядок интегрирования, получим:

R_(a, S) (ф)=1/T ?_0^Th (?) ?_0^?S (t-?)S (t+?)dtd? ?

R_(a, S) (ф)=?_0^Th® r_S (ф-?)d? (1.2.4)

где

r_S (t-?)=1/T ?_0^?S (t-?)S (t+?)dt

Величина r_S (t-?) представляет собой автокорреляционную функцию (ФВК) управляющего сигнала. Основываясь на выражении (2.1.2.4), можно составить обобщенную модель прокоррелированной вибросейсмической трассы во временной области:

R_(a, S) (ф)=r_S (ф)h (ф)F (ф)P (ф)N (ф)+h (ф) (1.2.5)

где F (ф), P (ф) и N (ф) — операторы фильтров, определяющих искажение волн при возбуждении колебаний, их распространении и приеме регистрирующей системой; h (ф) — результат корреляции аддитивных помех с управляющим сигналом.

Из (2.1.2.5) следует, что информативной является та часть коррелограммы, которая определяется сверткой ФВК управляющего сигнала с распределением коэффициентов отражения по разрезу. Остальная ее часть формируется действием помех, влияние которых должно быть сведено к минимуму, что и определяет основное содержание многих методических, аппаратурных и технических приемов и средств современной сейсморазведки. Отметим, что по аналогии с (1.2.5) модельная сейсмическая трасса в импульсной сейсморазведке записывается следующим образом:

S (ф)=a (t)h (t)F (t)P (t)N (t)+n (t) (1.2.6)

где a (t) — посылаемый в землю сигнал; n (t) — аддитивная помеха Соотношения (1.2.5) и (1.2.6) представляют интерес в том плане, что они достаточно наглядно иллюстрируют особенности вибрационной сейсморазведки и ее сходство и отличие от импульсной. Действительно в своих информативных частях эти выражения различаются тем, что в первом находится свертка распределения коэффициентов отражения с ФВК управляющего сигнала, а во втором — с посылаемой в землю волной. То есть ФВК управляющего сигнала может рассматриваться как некоторая импульсная нагрузка, действующая на среду. В этом определенная аналогия вибрационной сейсморазведки с импульсной. Различие результирующих данных будет определяться тем, насколько ФАК сигнала отличается от импульсной нагрузки. Из этого следует, что все основные положения импульсной сейсморазведки справедливы и для вибрационной. Однако по своей природе вибрационные сигналы после корреляции отличаются от импульсных. В силу основополагающих положений сейсморазведки волны, регистрируемые при импульсном возбуждении колебаний, всегда являются причинными и минимально-фазовыми. В вибрационной сейсморазведке прокоррелированные колебания непричинные и имеют нульили смешанно-фазовую форму. Их форма определяется искажениями зарегистрированных вибрационных сигналов, которые имеют место в процессе их возбуждения, распространения и регистрации. Поэтому они существенно отличаются от управляющего сигнала и их взаимная корреляция будет давать смешанно-фазовый, а не нуль-фазовый импульс. В этом одно из основных отличий вибрационной сейсморазведки от импульсной, следствием, которого является то, что времена прихода волн, выделяемых на сейсмограммах и коррелограммах, не совпадают между собой. Для уменьшения этих различий была разработана и начала применяться минимально-фазовая корреляция, которая делает подобными волновые импульсы в обеих модификациях сейсморазведки.

Прокоррелированная трасса представляет собой непрерывное распределение значений ФВК зарегистрированного и управляющего сигналов в зависимости от временных сдвигов между ними. Положительные и отрицательные разрастания корреляционной функции (в зависимости от знака коэффициента отражения) будут наблюдаться при временных сдвигах анализируемых колебаний, которые равны временам прихода отраженных волн при импульсном возбуждении, т. е. временам прихода регулярных волн соответствуют максимумы (минимумы) корреляционной функции, а временные сдвиги ф ФВК являются аналогами времени прихода волн в импульсной сейсморазведке. Максимальные значения ф выбираются исходя из глубины разведки, и поэтому при определении корреляционного интеграла они не должны быть меньше, чем ожидаемые времена прихода волн от самых глубоких разведуемых горизонтов.

По внешнему виду коррелограммы близки к сейсмограммам импульсной сейсморазведки вследствие компактности корреляционных функций, обусловленной перераспределением энергии ФВК и концентрацией ее в областях, приуроченных к временным сдвигам, равным временам прихода регулярных волн. Форма и поведение корреляционных функций определяются параметрами исходных сигналов и их изменениями в процессе передачи нагрузок грунту, распространения волн в среде и их регистрации приемными устройствами.

вибрационный сейсмический сигнал возбуждение

2. Основные характеристики источников возбуждения сейсмических сигналов Эффективность работы источников возбуждения сейсмических сигналов определяется его сейсмическими и эксплуатационными характеристиками, такими, как:

Синхронность воздействий Под синхронностью понимается разброс времени между подачей электрического импульса на работу, записываемого на цифровой носитель станции и передаваемого на источник, и воздействием на грунт. Разброс времени определяет возможность работы излучателя в режиме синхронного накопления воздействий, и он должен находиться в обратном соотношении с максимальной частотой возбуждаемых колебаний. Чем выше частота, тем меньше допустимый разброс времен воздействий, действие его в принципе аналогично работе фильтра с заданной верхней частотой среза. Например, для волн с максимумом спектра 20−35 Гц (наибольшая частота ~ 70Гц) разброс времени до ±2 мс может считаться приемлемым, а для частоты 60−65 Гц (максимальная частота ~ 130Гц) будет уже недостаточным. Большинство типов и модификаций источников обеспечивает необходимую синхронизацию воздействий и работу в режиме их синхронного накопления.

Повторяемость воздействий Под этим параметром понимается идентичность по форме волн, возбуждаемых при последовательных воздействиях на каждом пункте возбуждения. Сохранение формы записи колебаний также необходимо для эффективного накопления сигналов. Идентичность их зависит от ряда факторов, в том числе и не зависимых от экспериментатора. Но конструкция излучателя и выбранная методика работ должны обеспечить выполнение этого требования. Исключения могут встретиться при повторных ударах на очень мягких грунтах. Тогда следует принять специальные меры, вплоть до минимального сокращения числа воздействий в одной точке.

Частотный состав возбуждаемых волн.

Под этим параметром понимается видимая частота или частота максимума спектра возбуждаемых волн. В среднем они наблюдаются в полосе частот от 20−22 до 30−35 Гц и зависят от конструкции и параметров излучателей, а также от поверхностных условий. Ранее отмечалось, что с уменьшением энергии излучателя наблюдается увеличение резонансной частоты колебаний, что является следствием уменьшения присоединенного объема грунта.

Интенсивность возбуждаемых колебаний Под интенсивностью возбуждаемых колебаний понимаются величины амплитуд при одной посылке вибрационной установки после процедуры взаимной корреляции волн. Интенсивность является важным параметром излучателя. Выполненные в разное время сравнительные испытания источников позволили проранжировать их по амплитудам возбуждаемых волн.

Температурный диапазон и мобильность источника Под этими характеристиками понимается возможность работы источника в различных климатических условиях. Большие объемы работ выполняются в условиях полного или частичного бездорожья и при низких отрицательных температурах. Поэтому все типы и модификации невзрывных источников монтируются на транспортных базах высокой проходимости, на которые устанавливают сам излучатель и необходимое вспомогательное оборудование, что обеспечивает полную автономность источника. Для работы в северных районах используют специальные транспортные средства — гусеничные, снегоболотоходы, обладающие сверхвысокой проходимостью и низким удельным давлением на грунт.

2.1 Гидравлические источники возбуждения сигналов (вибраторы) В вибрационной сейсморазведке при проведении поисково-разведочных работ исключительное применение получили гидравлические системы на основе сервопривода. Эти источники характеризуются следующими качествами:

Наименьшими габаритами и энергопотреблением на единицу мощности;

Стабильностью частотных характеристик при изменяющихся нагрузках;

Сравнительной простотой регулировки колебаний по частоте и амплитуде;

Широким применением элементов гидропривода в промышленности и возможностью использования серийно выпускаемых узлов деталей.

Наряду с достоинствами эти установки имеют определенные недостатки, обусловленные сложностью их конструкции, а, следовательно, и обслуживания, неизбежными утечками жидкости, для ограничения которых необходимы специальные профилактические мероприятия, и др. Однако достоинства гидравлических вибраторов превалируют и они широко применяются практически во всех странах мира.

Рабочим элементом гидравлического вибратора является вибровозбудитель (рис. 2.1.1), представляющий собой массивный цилиндр 4, играющий роль инерционной массы, внутри которого помещен поршень 5, соединенный с опорной плитой источника 6, которая в процессе излучения колебаний прижимается внешней 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 излучателем. Поршень с опорной плитой приводится в движение путем попеременной подачи масла в верхнюю и нижнюю полости гидроцилиндра через золотники первого (2) и второго (5) каскадов электрогидравлического преобразователя 1. На входе он имеет катушку, на которую подаются переменное напряжение или ток, частота и амплитуда которого изменяется в соответствии с принятыми параметрами управляющего сигнала. Помещение стержня в катушке приводит в действие золотник первого каскада, который управляет потоками жидкости, нагнетаемой насосом в систему. Одновременно с нагнетанием в одну полость, а из противоположной полости происходит его слив. Действующая на поршень сила равняется произведению его площади на разность давлений над и под поршнем:

F+(p_A-p_B)S (2.1.1)

где p_A и p_B — давления в полостях гидроцилиндра; S — активная площадь поршня.

Рис. 2.1.1 Возбудитель вибраций с двухкаскадным электрогидравлическим преобразователем:

1 — электрогидравлический преобразователь; 2 — золотник первого каскада; 3 — золотник второго каскада; 4 — гидроцилиндр; 5 — поршень возбудителя вибрации; 6 — датчик положения золотника; 7 — гидроцилиндр подъема и опускания плиты; 8 — опорная плита; > - сливная линия; < - напорная линия.

В зарубежной литературе эта сила получила название пиковой. В большинстве случаев считается, что наибольшая амплитуда действующей на поршень силы постоянна на всех частотах. На практике, она уменьшается с увеличением частоты. Размеры нагнетательных и сливных отверстий меняются золотниковым механизмом в соответствии с амплитудой управляющего сигнала, чем и достигается возбуждение переменных по времени колебаний. При этом поршень и цилиндр совершают возвратно-поступательные движения, которые через плиту передаются грунту и возбуждают упругие волны в земле. В вибраторах продольных волн вибровозбудитель установлен вертикально, что и определяет направление приложения нагрузок к поверхности земли. Отрицательные нагрузки реализуются за счет действующей вверх силы и частичной разгрузки плиты, прижатой к поверхности земли массой транспортного средства.

Все отечественные и зарубежные электрогидравлические вибраторы имеют единый принцип действия и отличаются друг от друга пиковыми усилиями, частотным диапазоном, транспортными базами и некоторыми другими характеристиками.

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

Активная составляющая сейсмической мощности Р, развиваемой возбудителем вибраций, определяется соотношением

P= ZFcos? ц/2 (2.1.2)

где Z — скорость перемещения плиты; F — толкающее усилие; ?ц — фазовый сдвиг между Z и F.

Оптимальным будет такой режим работы вибратора, при котором фазовый угол равен нулю, и он реализуется на частоте резонанса. С этих позиций очень перспективны так называемые резонансные вибраторы, для которых во всей полосе частот фазовый угол равен нулю. Однако реализация такого режима работы вибратора наталкивается на ряд трудностей. Экспериментальные работы также показали на значительные препятствия, возникающие при создании таких вибраторов.

Сердцем гидравлического вибратора является преобразователь электрогидравлический (ПЭГ), от надежной и правильной работы которого зависит работа вибратора. Первоначально применялись золотниковые преобразователи (см. рис. 2.1.1). Им на смену пришли преобразователи с сопло-заслонкой, которые работают при меньших входных напряжениях и обеспечивают более устойчивую работу вибратора (принцип действия такого гидроусилителя показан на рис. 2.1.2).

Входным каскадом является электромеханический преобразователь с заслонкой, помещенной между двумя щелевыми дросселями, установленными на пути потоков жидкости. Эта система образует первый каскад гидроусилителя, который управляет работой золотниковых пар. При отсутствии управляющего сигнала заслонка находится в среднем положении, обеспечивая равенство проходящих потоков жидкости по обе стороны от нее. При подаче маломощного электрического управляющего сигнала на электромеханический преобразователь гидроусилителя в виде разности напряжений? U=U₁-U₂ заслонка отклоняется от среднего положения. В результате равенство потоков жидкости нарушается, что ведет к повышению давления в одной из полостей гидроцилиндра и к смещению золотника второго, а затем и выходного третьего каскада.

В связи с тем, что масса заслонки выбирается небольшой, преобразователь становится лучше управляемым во всем сейсмическом диапазоне частот, в том числе при значениях, больших 150−200 Гц.

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, включающие в себя приборы ускорения или скорости, расположенные на опорной плите и инерционной массе, а также датчики перемещений — на золотнике и инерционной массе, электронные схемы, анализирующие поступающие сигналы и выдающие сигналы управления, корректирующие движение опорной плиты.

Рис 2.1.2 Усилитель электрогидравлический с соплом-заслонкой:

1 — электромеханический преобразователь; 2 — подвижная заслонка; 3 — сопло; 4 — первый каскад; 5 датчик обратной связи; 6 -гидроцилиндр; 7 — дроссель; 8 — золотник.

Проанализируем работу вибратора, используя метод электромеханических аналогий. При этом будем исходить из следующих положений:

1. Давление, или усилие, в полостях гидроцилиндра вибровозбудителя меняется по квазисинусоидальному закону, амплитуда которого остается постоянной во всем диапазоне генерируемых частот.

2. Амплитудно-частотные характеристики вибратора, определяемые по записям стандартных сейсмоприемников, установленных от него в «ближней» и «дальней» зонах, носят резонансный характер с максимумом в полосе частот 20−35 Гц. Кроме того, наблюдается незначительный подъем амплитуд на частотах 60−80 Гц.

3. Волны, возбуждаемые вибраторами, регистрируются сейсмоприемниками, выходное напряжение которых пропорционально скоростям смещения частиц грунта.

Основу его составляет гидравлический цилиндр двустороннего действия с поршнем, который жестко связан с излучающей, опорной плитой. Гидроцилиндр вместе с поршнем и рабочей жидкостью является каналом передачи нагрузок и подвержен влиянию внутренних помех, что приводит к искажению передаваемых ими усилий. Помехами являются нелинейные процессы, имеющие место в гидроприводе и грунте, а также паразитная упругость жидкости, обусловленная наличием в ней нерастворенной газовой составляющей воздуха. Он проникает в жидкость через свободную поверхность масла, а также через негерметичные соединения трубопроводов и уплотнения. Пузырьки воздуха, попадая в зону высокого давления, уменьшаются в объеме, образуя стабильную газожидкостную эмульсию, что делает рабочую жидкость двухфазной и сжимаемой. Газовая компонента равномерно распределена по объему рабочей жидкости. Она также концентрируется на поверхностях элементов гидросистемы и в микротрещинах. Объемная концентрация нерастворенного газа может меняться в довольно широких пределах, от 3,5 до 20%. Наличие газовой компоненты приводит к тому, что под действием внешней нагрузки (сжатие) в двухфазных смесях вначале происходит сжатие воздуха в пузырьках, затем его частичное растворение в масле. В результате жидкость становится сжимаемой, что влияет на работу вибратора, особенно в верхней части сейсмического диапазона частот, и что следует учитывать при анализе его работы.

М_ин, М_пл, m_н — инерционная масса (масса корпуса гидроцилиндра), масса плиты с поршнем и присоединенного объема грунта соответственно; C_н, С_ж — сжимаемость присоединенного объема грунта и рабочей жидкости; C_р — дополнительная упругость для обеспечения резонансного режима работы вибратора.

Рис. 2.1.3 Механическая модель вибратора (а) и его электромеханический аналог (б): — инерционная масса (масса корпуса гидроцилиндра), масса плиты с поршнем и присоединенного объема грунта соответственно; - сжимаемость присоединенного объема грунта и рабочей жидкости; - дополнительная упругость для обеспечения резонансного режима работы вибратора.

Теоретические расчеты показывают, что с увеличением процентного содержания нерастворенной газовой компоненты наблюдаются:

увеличение длительности переходных процессов;

смещение максимумов амплитудно-частотных характеристик вибровозбудителя в сторону низких частот и значительное сужение полосы рабочих частот гидроприводов.

Некоторые характеристики, иллюстрирующие влияние газосодержания жидкости на работу гидропривода, приведены на рис. 2.1.4

Сжимаемость жидкости предлагается учитывать путем введения упругих элементов между поршнем и гидроцилиндром, через которые как бы передаются усилия инерционной массе и плите. При этом пренебрегают силами трения, действующими в гидросистеме, а массу жидкости считают входящей в массу поршня.

Сейсмической нагрузкой вибратора является грунт, представленный рассмотренной ранее моделью, состоящей из последовательно соединенных массы присоединенного объема грунта m_н, упругости C_н и активного сопротивления R_н. На схеме не показаны элементы прижима рабочей плиты к грунту, потому что они рассчитываются таким образом, чтобы практически не влияли на работу вибратора в сейсмическом диапазоне частот от 6−12 Гц и более.

Электрический генератор, развивающий напряжение U, нагружен на два параллельно соединенных контура, из которых первый включает в себя электрические аналоги инерционной массы и упругости, учитывающей сжимаемость жидкости (M_ин и C_ж), и второй — аналог плиты со штоком (M_пл) и присоединенного объема грунта — нагрузки (m_н, C_н, R_н). Наличие двух электрических контуров с индуктивными и емкостными сопротивлениями предопределяет возможность существования двух резонансных частот, на которых ток в цепи нагрузки будет иметь максимальные значения. В соответствии с принятой системой аналогий ток соответствует скорости смещения механических элементов.

Инерционная масса и упругость жидкости образуют первый контур с комплексным сопротивлением:

Z_ин=jщM_ин/(1-щM_нн C_ж) (2.1.3)

Оно оказывает шунтирующее действие на генератор, уменьшая ток в цепи нагрузки I_н, а следовательно, и сейсмический эффект вибратора. Действительно, при щ>0 Z>0 и ток в цепи нагрузки будет стремиться к нулю. По мере повышения частоты комплексное сопротивление первого контура возрастает и его шунтирующее действие уменьшается. Этим объясняется поведение левой, дорезонансной, ветви амплитудно-частотной характеристики вибратора. Для повышения эффективности работы вибратора в низкочастотной части сейсмического диапазона необходимо увеличивать инерционную массу. Эта тенденция отчетливо прослеживается в конструкции современных вибраторов. Инерционная масса может быть определена из простого соотношения:

M_ин=F₀/4р² f_min² Z (2.1.4)

где F₀ — амплитуда силы, действующей на поршень; f_min — минимальная частота развертки управляющего сигнала; Z — максимальное перемещение инерционной массы относительно поршня. При заданных инерционной массе и наибольшем ходе поршня может быть определена минимальная частота:

f_min=F₀/v (4р² M_ин Z) (2.1.5)

В области высоких частот сопротивление первого контура может быть представлено в виде:

Z_ин=-1/(jщC_ж) (2.1.6)

Оно носит емкостный характер, определяется сжимаемостью жидкости и также не должно быть очень малым. Сжимаемость жидкости зависит от площади поршня гидроцилиндра (S), модуля упругости жидкости (е) и ее действующего объема (V) в полостях гидроцилиндра [12]:

?C ?_ж=V/(ES²) (2.1.7)

Для ее уменьшения необходимо увеличивать площадь поршня и уменьшать объем рабочей жидкости. Заслуживает внимания последний способ, так как с увеличением частоты рабочий ход поршня уменьшается, что позволяет сократить рабочий, действующий объем жидкости. В этом случае сжимаемость жидкости уменьшается, что приводит к расширению амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот. Известен ряд решений, реализующих эту идею в высокочастотных вибраторах.

Комплексное сопротивление Z_нн имеет максимум на частоте:

f_р=½р v (1/(м_ин с_ж)) (2.1.8)

На этой частоте наступает резонанс тока, сопротивление контура увеличивается, и ток в нагрузке возрастает, что ведет к повышению сейсмического эффекта вибратора, что неплохо согласуется с экспериментальными данными.

Второй электрический контур образован последовательно соединенными электрическими аналогами массы плиты и нагрузки грунта.

Ток в этой цепи:

I_н=U?((Z_н+jщM_пл)) (2.1.9)

где Z_н — сопротивление нагрузки; M_пл — масса плиты.

После простых преобразований получим:

I_н=jщC_н U?[1-щ (M_пл+m_н) C_н+jщC_н R_н ] (2.1.10)

Анализ этого соотношения показывает следующее:

На низких частотах преобладающее влияние на величину тока в нагрузке оказывают упругие характеристики присоединенного объема грунта. При этом ток нагрузки возрастает с увеличением частоты до некоторого максимального значения, определяемого соотношением

1-щ² (M_пл+m_н) C_н=0.

На этой частоте имеет место резонанс напряжения и ток нагрузки:

I_н=I_max=U?R_н При этом

щ_р=1?v ((M_пл+m_н) C_н)

Таким образом, на частоте резонанса наблюдается максимум тока нагрузки и отсутствует сдвиг фаз между ним и напряжением, развиваемым генератором. Этот режим является оптимальным, однако для его реализации в пределах всей полосы частот возбуждаемых колебаний необходимо выполнение определенных условий, которые будут рассмотрены далее. Резонансу соответствует максимум амплитудно-частотной характеристики вибратора, который наблюдается повсеместно на частотах 20−30 Гц. Для расширения эффективной полосы частот возбуждаемых колебаний необходимо смещение резонанса в верхнюю часть сейсмического диапазона. С этой целью следует уменьшить величину M_пл+m_н что может быть достигнуто снижением массы и размеров плиты. Эта тенденция отчетливо прослеживается в конструкциях современных высокочастотных вибраторов, она проявляется в увеличении отношения инерционной массы к массе плиты. Например, это отношение у среднечастотного вибратора AMG Р23М27 (Sercel) с полосой частот 6−180 Гц равно 2.

Резонансный режим работы вибратора интересен еще и тем, что позволяет получить оценки физических свойств грунта в точках возбуждения колебаний. Действительно, частота резонанса определяется упругими свойствами присоединенного объема грунта и его массой, нахождение которых может служить мостом к физическим свойствам пород.

За частотой резонанса наблюдается снижение тока нагрузки, и его величина начинает определяться инерционными элементами системы. Действительно, на повышенных частотах щ² (M_пл+m_н) C_н?1 и ток нагрузки I=U?[R-jщ (M_пл+m_н) ] .

Наблюдается спад характеристики вибратора и на его фоне может наблюдаться некоторый подъем, обусловленный резонансом за счет сжимаемости жидкости.

Таким образом, ток нагрузки является переменной величиной, зависимой от частоты и параметров присоединенного объема грунта.

В соответствии с изменением тока нагрузки будет меняться скорость колебаний плиты и присоединенного объема грунта, а следовательно, и интенсивность возбуждаемых и регистрируемых сейсмоприемниками волн, что находит подтверждение в форме амплитудно-частотной характеристики вибратора и спектрах регистрируемых волн. Это положение имеет принципиальное значение в понимании особенностей излучения волн вибрационными источниками, так как они, работая в режиме постоянной амплитуды силы, не обеспечивают равномерной характеристики по скорости, а следовательно, и по амплитудам волн, регистрируемых стандартными сейсмоприемниками скорости смещения частиц грунта.

Подведем основные итоги. Вибрационный источник сейсмических колебаний, работающий на нагрузку в виде присоединенного объема грунта, представляет собой довольно сложную механическую систему, амплитудно-частотная характеристика которой имеет резонансную форму. Анализ работы системы вибратор-грунт возможен на основе метода электромеханических аналогий, который позволяет получить достаточно простые и наглядные решения, объясняющие характер протекающих в системе процессов, оценить влияние каждого элемента системы на ее выходные характеристики, в том числе и на относительный уровень возбуждаемых волн в различных частях сейсмического диапазона частот.

2.2 Аппаратура фирмы «Pelton» для контроля над работой вибрационных источников Зарубежные фирмы уделяют большое внимание системам, обеспечивающим повышение эксплуатационных характеристик вибрационных источников и текущий контроль над их параметрами. Одно из ведущих мест в разработке и создании таких систем занимает компания «Pelton» (США), оборудованием которой оснащаются вибраторы, выпускаемые различными фирмами США («Merz», «Feiling» и др.). Для работы с вибраторами фирмой «Pelton» разработаны и выпускаются следующие устройства, входящие в систему «Advance II»:

1. Электронный блок управления вибраторами «Advance II», в состав которого входит:

— программируемый генератор управляющих сигналов;

— система контроля уровня воздействия, которая обеспечивает возбуждение силы заданного уровня и предотвращает повреждение вибратора;

— система измерения и коррекции фазы сигнала через каждые 0,5 мс, для контроля по фазе может быть использована или сила, или ускорение реакционной массы, или ускорение плиты, по выбору экспериментатора.

В блоке «Advance II» предусмотрены: возможность ввода всех задающих параметров с клавиатуры компьютера, а также полный графический контроль каждого генерируемого сигнала.

2. Генератор управляющих сигналов «Advance II».

В генератор включен программируемый источник линейных и нелинейных, а также псевдослучайных управляющих сигналов в диапазоне 3−250 Гц.

Генератор располагает наиболее совершенной и простой в использовании системой контроля качества, в нем предусмотрена также возможность синхронизации нескольких сейсмостанции и групп вибраторов. Система автоматически информирует оператора в случае выхода генерируемого сигнала за пределы заданной погрешности.

3. Система анализа работы вибраторов «Vibrasig» (Vibrator Signature System).

Система контроля качества, включенная в блок управления «Advance II», использует персональный компьютер, совместимый с IBM PC. Она выводит на экран компьютера в цифровой и графической форме результаты анализа работы каждого вибратора по каждому сигналу и записывает информацию на диск. Она позволяет просуммировать взаимно корреляционные функции по каждому вибратору и получить суммарную взаимно корреляционную функцию.

4. Устройство интерфейса между вибраторами и компьютером VCI U2 (Vibrator-Computer Interface Unit).

Устройство обеспечивает обмен данных между блоком управления вибратором и персональным компьютером по радио или по проводам. Оно производит преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую, осуществляет слежение за работой вибраторов по радио и снабжено развитой системой контроля за параметрами возбуждаемых управляющих сигналов на основе персонального компьютера IBM PC и математическое обеспечение, разработанного компанией «Pelton».

5. Система анализа работы вибратора VCF (Vibrator-Computer Analysis System).

Это устройство представляет собой портативную систему анализа работы вибратора, применимую для любых модификаций вибраторов и управляющей электроники. Входящие в нее магнитные акселерометры позволяют вести совершенно независимые измерения ускорений плиты и реакционной массы вибратора. В состав устройства входит система интерфейса между вибратором и компьютером.

6. Усовершенствованный электрогидравлический преобразователь (сервоклапан «Pelton DR2»).

Преобразователь уменьшает нелинейные эффекты работы вибратора и расширяет частотную полосу генерируемых сигналов, улучшает точность воспроизведения фазы и амплитуды генерируемых колебаний, снижает их искажения и сглаживает резонанс в системе плита — грунт, снижает искажения генерируемого сигнала.

7. Электронный имитатор гидравлического вибратора VS2.

Имитатор вибратора моделирует работу в различных режимах. Электрическая схема имитатора генерирует сигналы, вырабатываемые датчиками вибратора, что позволяет проверять и устранять неисправности блока управления источником в лабораторных условиях сейсмостанции. Имитатор может моделировать эффект резонанса между плитой и поверхностью земли, и он позволяет обучать специалистов, создавая различные ситуации, в том числе с не включенными или включенными в неправильной полярности акселерометрами и др.

8. Устройство контроля над работой вибратора «Vibrachek».

Устройство контроля над работой вибратора определяет фазовые сдвиги и амплитуды генерируемых сигналов в функции частоты в процессе излучения колебаний и распечатывает их на бумажном носителе. Оно может быть установлено на вибраторе или сейсмостанции и получать необходимые данные по радио или по проводам.

9. Комплекс, вспомогательного оборудования и набор программ для обработки данных.

В этот комплекс входят:

— акселерометры, обладающие повышенными надежностью и точностью в диапазоне частот до 250 Гц;

— цветной портативный компьютер 486;

— портативный электронный блок;

— 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

— математическое обеспечение для определения характеристик вибраторов, отображения их на дисплее ЭВМ и записи в ее память, а также на магнитную ленту станции.

После краткого изложения возможностей оборудования фирмы «Pelton» рассмотрим более подробно принципы работы основных устройств, входящих в систему «Advance II».

2.2.1 Определение и коррекция фазы управляющего сигнала Фазовый детектор-корректор (ФДК) служит для определения фазы выходного сигнала вибратора с целью контроля над качеством генерируемого сигнала, а также коррекции этой фазы.

Плата, основанная на микропроцессоре 63В03, для определения фазовой ошибки использует алгоритм «Vibrachek». Для режима фазового контроля в реальном времени (Phase Lock Mode) минимальное время подсчета фазы для достаточного разрешения составляет 12,5 мс, что дает возможность корректировать фазу каждого периода свип-сигнала вплоть до 80 Гц. Коррекция фазы начинается после того, как опорный сигнал достигает порога 2,5 В. Период, в котором достигается этот порог, не используется для определения фазы, а вычисления начинаются со следующего периода. Коррекция фазы становится возможной после завершения одного полного периода опорного сигнала, по которому вычислена фаза. На частотах, больших 80 Гц, для получения адекватного разрешения недостаточно одного цикла опорного сигнала. В этом случае процессор использует для определения фазы подряд несколько периодов так, чтобы их суммарная длина достигала 12,5 мс. В случае типичного сигнала длина максимального окна будет порядка 24,5 мс. Полученная фаза в конце окна будет представлять собой среднее по всем периодам в этом окне. Коррекция фазы используется для компенсации разности времен между опорным и управляющим сигналами, генерируемыми в ФДК, для периода сигнала непосредственно следующего за концом подсчета.

В более поздней версии 63В03 ФДК предусмотрена возможность записи временной ошибки для каждого интервала, что позволяет заранее корректировать управляющий сигнал при последующем его воспроизведении. Это так называемый режим «Phase Lock Modes». В этих режимах коррекция фазы в реальном времени осуществляется наряду с предварительной коррекцией фазы. В них также используется алгоритм «Vibrachek». Минимальное время подсчета для предварительной коррекции фазы составляет 62 мс. Эти режимы позволяют корректировать фазу каждого периода свип-сигнала в отдельности вплоть до частоты 16,1 Гц. Объем памяти позволяет хранить результаты до 512 интервалов для каждого из шестнадцати сигналов. Данные, хранящиеся в памяти, служат для предварительной коррекции управляющего сигнала с целью получения выходной фазы с вибратора, наиболее близкой к заданной без дальнейшей коррекции. Если длина сигнала превышает объем памяти, то ФДК возвращается к коррекции фазы в реальном времени. Величина корректирующего воздействия в реальном времени должна быть уменьшена при использовании предварительной коррекции. Для этого нужно уменьшить на 50% значение усиления фазовой обратной связи по сравнению с режимом «0» путем введения этого значения с клавиатуры. Использование предварительного фазового контроля оказывается наиболее полезным для случаев, когда нормальный отклик вибраторов не меняется от одного сигнала до другого. Такая ситуация обычно возникает, когда вибратор находится на одном и том же месте при генерации многих сигналов, например, в случае ВСП.

Режим ввода с клавиатуры называется «Регулировка фазы» в системах, существовавших до версии 5 и «Синхронизация фазы» в версии 5 и более поздних версиях. В оборудовании, существовавшем до версии 5, изменение параметров режима «Регулировка фазы» влекло за собой изменение в фазовых отношениях между всеми опорными сигналами в блоке управления вибратором (VCE). Для этих версий анализ подобия выходного и опорного сигналов отражал вариации установки режима «Регулировка фазы». В версии 5 оборудования для оценки фазы используется синтезируемый опорный сигнал. Этот сигнал не существует в аналоговой форме. В указанной версии фазовые соотношения между аналоговыми опорными сигналами в блоке управления вибратором (VCE) и выходными сигналами с вибратора остаются постоянными независимо от установки «Синхронизации фазы». Анализ подобных сигналов в версии 5 не будет зависеть от изменений параметров режима «Синхронизация фазы». Было обнаружено, что оптимальная фаза в начале развертки получается в случае установки режимов «Регулировка фазы» или «Синхронизация фазы» в пределах от 70 до 110 градусов для сервоклапанов модификации DR.