РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ ГЕЗА Николай Иванович РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ. - презентация

1 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ ГЕЗА Николай Иванович РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук В.И.Юшин Цель работы Создание аппаратурно-методических комплексов для практических и научных исследований, обеспечивающих повышение производительности работ при вибрационной сейсморазведке нефтяных месторождений, проведение испытаний и оценки предельно достижимых характеристик мощных низкочастотных вибраторов, проведение активного вибросейсмического мониторинга, изучение нелинейных сейсмических явлений в ближней зоне виброисточника.

2 Задачи исследований 1. Разработать цифровой экспресс-коррелятор для оперативного контроля методики полевых работ и анализа качества первичных материалов вибрационной сейсморазведки. 2. Разработать полевой комплекс приемно-анализирующей аппаратуры, обеспечивающий энергетически оптимальный прием вибросейсмических сигналов в реальном масштабе времени при практически неограниченной дальности от источника колебаний и неограниченной длительности накопления с получением коррелограмм свип-сигналов и спектрограмм монохроматических сигналов. 3. Экспериментально оценить реальные предельно достижимые технико-методические характеристики мощных низкочастотных вибраторов, такие как дальность, глубинность, стабильность излучения и проч. с точки зрения применения таких источников для глубинных сейсмических исследований и активного вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных зон. 4. Разработать и испытать на реальном объекте аппаратуру и методику исследования нелинейных сейсмических эффектов как в динамически возмущенной среде, так и эффектов релаксации в состоянии последующего покоя. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3 Защищаемые научные результаты 1. Разработка и внедрение в практику сейсморазведочных работ первого советского цифрового экспресс-коррелятора ЦК Разработка полевых аппаратурно-технических комплексов «Береза» и КАРС-ВПЗ, а также вибросейсмическая модификация на их основе регистрирующей аппаратуры «Тайга», обеспечивших повышение эффективности и достоверности научного эксперимента по проблеме глубинных сейсмических исследований. 3. Результаты экспериментов по оценке метрологических и предельно достижимых характеристик созданных в СО АН СССР мощных вибраторов, экспериментальная оценка "тротилового эквивалента" 100-тонного вибратора. 4. Экспериментальное обнаружение и теоретическое объяснение различной помехоустойчивости монохроматических и широкополосных вибросейсмических сигналов. 5. Методика и аппаратурно-программная реализация адаптивных нелинейных разверток частоты в практике активного вибросейсмического мониторинга. 6. Корреляционно-стробоскопический метод и результаты изучения нелинейных сейсмических явлений в реальной среде с помощью многоцелевых сейсмостанций ТРАЛ-СМВ и ЛАВА. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4 2.2 Аппаратура для корреляционно-спектрального накопления вибросейсмических сигналов "Берёза" Основные технические характеристики Число сейсмических каналов Число ординат коррелограммы Частоты дискретизации, Гц , 50, 100, 200 Максимальное усиление, дБ Разрядность сейсмических сигналов, бит Длительность накопления, час, не менее Разрешающая способность в режиме спектроанализатора, макс, Гц ………….0,0001 Разрядность накопительных ячеек, бит Полная ёмкость ОЗУ, Кбит Быстродействие парных операций, МГц…… 2 Собственный шум в полосе 100 Гц, мкВ...0,35 Потребляемая мощность, Вт, не более Время непрерывной работы на аккумуляторах без подзарядки, час, не менее

5 Основные технические характеристики Число сейсмических каналов СК Период дискретизации, мс Максимальное усиление, дБ …120 Разрядность СК, бит Разрядность ОК, бит Количество слов на канал …………..…3840 Регенерация памяти 505ИР2..динамическая Длительность коррелограммы, с ……...…12 Тактовая частота АЛУ, МГц …..……… 2 Частоты дискретизации, Гц ; 100 Динамический диапазон, дБ ……………..40 Потребляемая мощность, Вт, не более РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1 Цифровой экспресс-коррелятор ЦК-2

6 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.3 Аппаратурно-программный комплекс КАРС-ВПЗ для целей адаптивного мониторинга КАРС-Д КАРС-М

7 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.4 Многоцелевая аппаратура ТРАЛ-СМВ и ЛАВА-СМ для исследования нелинейных эффектов ТРАЛ-СМВ ЛАВА-СМ

8 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Методы абсолютных измерений амплитуд вибросейсмических колебаний в дальней зоне по результатам их корреляционного накопления Виброграмма b(t) - зондирующий сигнал h(t) - импульсная реакция среды Коррелограмма где - начальная частота опорного сигнала, - скорость свипа, Т - длительность сеанса Синтетическая виброграмма от свип-сигнала c(t) единичной амплитуды с полосой частот Гц длительностью 1,1 с, состоящая из 3 задержек (0,03, 0,04 и 0,1 с). Возрастание амплитуды "энергетической" коррелограммы по отношению к виброграмме составляет С учетом параметров сквозного тракта выбираем или Энергетический масштаб результат - виртуальные амплитуды Амплитудный результат - истинные амплитуды

9 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.2 Помехоустойчивость свипа и монохрома Модель среды Зондирующие сигналы 0< t

10 4 Рис Фотокопии с экрана монитора при накоплении монохроматических сигналов на расстояниях 700 и 1000 км от виброисточника. Время накопления спектроанализатора «Береза» – 4, 8, 16 минут км 1000 км верт

11 4.1. Экспериментальная оценка глубинности и дальности сейсмозондирования 100-тонным вибратором. 4.2 Измерения абсолютных уровней вибросейсмических сигналов и шумов. ДальностьL, км Длительность воздействияT, мин Амплитуда Р-волны в виброграммеa, нм10,080,040,01 Среднеквадратическое значение шума в полосе частот зондирующего сигнала нм1,320,40,7 Отношение сигнал/шум на коррелограмме для первого вступления Р-волны раз Коэффициент помехоустойчивостидБ Число уровней квантования, приходящееся на амплитуду виброграммы одиночной волны n71/21/41/15 Самый дальний пункт, в котором была получена импульсная сейсмограмма отстоял от виброисточника на 470 км (район г. Семипалатинска).

12 Рис Сравнение корреляционной сейсмограммы (315 км от виброисточника) со взрывной (275 км до точки взрыва 4,5 тонн тротила) 38 Рис Сравнение корреляционной сейсмограммы (125км от виброисточника) со взрывной в районе оз. Байкал ВЗРЫВВИБРАТОРОтношение энергий, раз Место экспериментаДальность, км Новосибирск-Алтай, 5 тонн, карьер, замедление 315/ МДж162 МДж140 Байкальская рифтовая зона, 3 тонны, водоем 125/ Мдж72 МДж Сопоставление сейсмической эффективности мощных вибраторов и взрывов

13 4 Фотокопии с экрана монитора при накоплении монохроматических сигналов на расстояниях 700 и 1000 км от виброисточника. Время накопления спектроанализатора «Береза» – 4, 8, 16 минут км1000 км Сравнение помехоустойчивости свипа и монохрома

14 42 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 4.5 Схема эксперимента по измерению АЧХ и фазированию группы виброисточников

15 Рис Схема эксперимента по фазированию группы виброисточников на расстоянии 315 км. 42

16 СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА ПО РЕЛАКСАЦИИ

17 4.6 Адаптивные нелинейные свип-сигналы на примере длительного мониторинга Байкальской рифтовой зоны

18 Амплитуда колебаний вибро­платформы в летних (1 и 2) и зимних (3 и 4) условиях в зависимости от вынуждающей силы (5 и 6). 6 номинальная характеристика силы; 2 виброскорость грунта при номинальной силе в летних условиях; 1 виброскорость грунта при удвоенной силе в летних условиях в графическом масштабе 1:2; 4 виброскорость в грунте зимой при вмороженной в грунт виброплатформе и номинальной силе 6; 3 то же при оторванной платформе.

19 СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА ПО РЕЛАКСАЦИИ КОРРЕЛЯЦИОННО-СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД

20 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Представленные в диссертации пионерные на момент создания разработки аппаратурные комплексы и уникальные эксперименты оказали прогрессивное влияние на развитие вибросейсмического метода как в области промышленного освоения вибрационной сейсморазведки, так и в области становления и глубинных вибросейсмических исследований, включая активный вибросейсмический мониторинг. 1. Разработанный цифровой коррелятор ЦК-2 является первым отечественным серийным прибором полевого экспресс-анализа, обеспечившим оперативный контроль качества наблюдений непосредственно на исследуемом профиле, что способствовало успешному освоению метода вибрационной сейсморазведки на начальном этапе ее внедрения в СССР, благодаря существенному повышению производительности вибросейсмических работ. 2. Разработанные приемно-анализирующие комплексы "Береза" и КАРС-ВПЗ, способные выполнять неограниченное по длительности накопление, прецизионную корреляционную и спектральную обработку вибросейсмических колебаний в реальном масштабе времени в полевых условиях, существенно ускорили проведение географически крупномасштабных экспериментов с мощными вибраторами и тем самым в значительной степени способствовали успешному развитию метода глубинных вибросейсмических исследований. 3. Проведенные на основе разработанной соискателем аппаратуры и созданных в СО АН СССР мощных стационарных вибраторов уникальные эксперименты позволили практически оценить дальнодействие и глубинность таких вибраторов, оценить их энергетическую эффективность в сравнении с многотонными взрывами, впервые изучить метрологические параметры вибросигналов на удалениях до 1000 км, оценить практически рациональные требования к стабильности зондирований при реализации метода активного вибросейсмического мониторинга. 4. Экспериментально обнаружено и теоретически объяснено парадоксальное с точки зрения теории оптимального приема явление разной помехоустойчивости широкополосных и монохроматических вибросейсмических сигналов. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 5. Разработана и реализована в аппаратуре КАРС методика повышения разрешающей способности вибрационных сейсмограмм с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Методика впервые успешно применена при проведении активного вибросейсмического мониторинга в районе оз. Байкал в 1991 г. 6. Разработан и успешно реализован новый метод изучения нелинейных сейсмических явлений в упругой среде в натурных условиях, названный корреляционно- стробоскопическим. Метод, основанный на воздействии колебаний мощного вибратора на среду и одновременном ее акустическом зондировании, позволяет раздельно изучать реактивную и диссипативную составляющие нелинейности среды. 5. Разработана и реализована в аппаратуре КАРС методика повышения разрешающей способности вибрационных сейсмограмм с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Методика впервые успешно применена при проведении активного вибросейсмического мониторинга в районе оз. Байкал в 1991 г. 6. Разработан и успешно реализован новый метод изучения нелинейных сейсмических явлений в упругой среде в натурных условиях, названный корреляционно- стробоскопическим. Метод, основанный на воздействии колебаний мощного вибратора на среду и одновременном ее акустическом зондировании, позволяет раздельно изучать реактивную и диссипативную составляющие нелинейности среды. В настоящее время результаты проведенных исследований или уже нашли практическое применение или остаются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняют, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты; во-вторых, - предложенный автором корреляционно- стробоскопический метод, предназначенный не только для более тонких исследований нелинейных эффектов при работе мощных вибраторов на исследовательских полигонах, но и для поиска аналогичных проявлений на реальных геологических объектах, прежде всего, на месторождениях углеводородов. К перспективным проблемам автором относятся исследования КС-методом влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и полей другой физической природы. Дальнейшее совершенствование сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - низкочастотной сейсмологической информации позволит более детально исследовать процессы релаксации и, возможно, связанные с ними специфические формы переноса энергии накачки путем переупаковок блочно-построенных структур [Гольдин С.В., 2002] как один из механизмов т.н. «медленных движений» среды. В настоящее время результаты проведенных исследований или уже нашли практическое применение или остаются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняют, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты; во-вторых, - предложенный автором корреляционно- стробоскопический метод, предназначенный не только для более тонких исследований нелинейных эффектов при работе мощных вибраторов на исследовательских полигонах, но и для поиска аналогичных проявлений на реальных геологических объектах, прежде всего, на месторождениях углеводородов. К перспективным проблемам автором относятся исследования КС-методом влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и полей другой физической природы. Дальнейшее совершенствование сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - низкочастотной сейсмологической информации позволит более детально исследовать процессы релаксации и, возможно, связанные с ними специфические формы переноса энергии накачки путем переупаковок блочно-построенных структур [Гольдин С.В., 2002] как один из механизмов т.н. «медленных движений» среды.

21 Новосибирский вибросейсмический полигон