Сейсморазведочная аппаратура и оборудование

Принципы регистрации сейсмических колебаний.

Системы наблюдений сейсмических колебаний могут быть разными.

Если пункты возбуждения (ПВ) и пункты приема (ПП) расположены на одной линии вдоль профиля то имеет место двумерная сейсморазведка, которую называют линейной или профильной.

Эти работы сравнительно просты и экономичны, благодаря чему они да сих пор преобладают в сейсморазведке. Однако недостатком профильной сейсморазведки является то, что она не дает объемной картины о наличии или отсутствии нефтегазоносных структур. Эта задача успешно решается трехмерной сейсморазведкой, которую называют площадной, пространственной или объемной. В этом случае пункты возбуждения и приема располагают так, чтобы наблюдать объемное волновое поле.

ПН разделяют по видам: 1D, 2D, 3D, 4D.

1D – совмещение ПН и ПВ т.е. одноточечная регистрация нормально отраженных волн;

2D- профильные наблюдения, с многоканальной расстановкой сейсмоприемников;

3D- сейсморазведка проводится сразу по площади, а не по одному профилю;

4D- дополнительная размерность- время.

Площадные наблюдения повторяют на одном и том же объекте через определенные интервалы времени (или через непрерывную регистрацию) при неизменной системе наблюдений.

По степени полноты наблюдений различают непрерывное профилирование и точечное зондирование. Чаще всего применяется непрерывное профилирование, однако оно не всегда реализуется в труднодоступной местности. В этом случае делают сейсмические зондирования, а по отдельным полученным фрагментам судят о геометрии изучаемого тела.

СЕЙСМОПРИЕМНИКИ.

Сейсмоприемник это первое звено в системе приема упругих колебаний. Он преобразует механические колебания частиц среды в электрические колебания. В настоящее время при работах на суше чаще всего применяются сейсмоприемники индукционного типа.

Такой сейсмоприемник состоит из корпуса являющегося постоянным магнитом и инертной массы в виде индукционной катушки прикрепленной к корпусу достаточно мягкой пружиной. Постоянный магнит прикреплен к корпусу изнутри. Установленный на грунт сейсмоприемник совершает колебания в такт с колебаниями грунта, его корпус смещается относительно катушки, и за счет этого изменяется магнитный поток, проходящий через ее витки. В катушке наводится ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока и следовательно пропорциональна скорости колебания корпуса приемника. Само колебание почвы величина векторная, а вектор можно представить как горизонтальную и вертикальную составляющие.

Сейсмоприемники конструируют так, чтобы катушка могла смещаться только по вертикали или только по горизонтали.

Свойство сейсмоприемника как электромеханического преобразователя определяются его частотной характеристикой и чувствительностью.

Частотная характеристика.

Частотная характеристика показывает как изменяется напряжение на выходе при изменении частоты колебания грунта.

График частотной характеристики.

По значениям f₀ сейсмоприемники разделяются на:

- низкочастотные (f₀ =5-10 Гц);

- среднечастотные (f₀ =15-30 Гц);

- высокочастотные (f₀ =80-100 Гц).

Чувствительность сейсмоприемников составляет (0,3-0,7) В/см в среднем. Чувствительность- это величина напряжения на концах катушки при амплиткде колебания в 1 см.

Сейсмоприемники регистрируют одновременно упругие волны на разном удалении от пункта возбуждения (ПВ). Для того чтобы результаты измерения были наиболее точными при определении разности времени прихода одних и тех же волн к различным пунктам наблюдения, необходимо чтобы все сейсмоприемники передавали колебания земли без искажения и без временных сдвигов (задержек). Отсюда возникают высокие требования к идентичности сейсмоприемников, совпадению их частотных характеристик.

Частотные характеристики сейсмоприемников определяют лишь их потенциальные возможности. Реальный процесс преобразования зависит еще и от силы сцепления сейсмоприемника с грунтом.

При проведении сейсморазведки на море т.е. при исследовании морского дна невозможно установить сейсмоприемник в донный грунт. В этом случае используют специальный пьезоэлектрический сейсмоприемник в виде пустотелого цилиндра или шара, который помещают в воду. Упругие колебания в жидкости создают в ней меняющиеся во времени избыточные давления, которые периодически сжимают либо растягивают стенки цилиндра (шара). Одновременно стенки сейсмоприемника передают механические колебания пьезоэлементу в котором в такт колебаниям возникают электрические импульсы. В морской сейсморазведке сейсмоприемники на пьезоэлектрической основе называют – гидрофонами.

К сейсмоприемникам приходят множество разнообразных сигналов: отраженные, преломленные, поверхностные, обменные и другие волны, а также микросейсмы т.е. колебания почвы, вызванные движущимся транспортом, ветром, дождем и т.д.

Разделение полезных упругих волн и волн- помех осуществляется с помощью частотной фильтрации т.к. все волны отличаются друг от друга не только по амплитуде но и также по частоте. Усиливая колебания в заданном диапазоне частот и ослабляя колебания не входящие в этот диапазон максимально выделяют полезные сигналы это осуществляется уже в первых каскадах сейсмостанции.

Современные сейсмостанции являются цифровыми. Это дает возможность передать более точно форму и величину сигнала.

Примеры перевода десятичных чисел в двоичную систему.

1 10 11 100 101 110 111 1000

1 2 3 4 5 6 7 8

При цифровой записи непрерывный электрический сигнал преобразуют в ряд мгновенных отсчетов амплитуд, переведенных в двоичный код (или как говорят- оцифрованных). Для этого выполняют последовательно две операции:

- квантование по времени (дискретизация)

- квантование по уровню (кодирование)

При дискретизации выбирают амплитудные значения сигналов через равные промежутки времени ( ). При этом оценивают не мгновенные значения амплитуды в момент времени , а ее среднее значение. Чем меньше интервал выборки , тем точнее можно восстановить непрерывный сигнал по его дискретным отсчетам. Кроме того мгновенные выборки аналогово сигнала должны быть оцифрованы (кодированы) путем измерения их амплитуд с точностью соответствующей динамическому диапазону записи сейсмических колебаний. Для этого существуют схемы сравнения называемые- преобразователи аналог-код (ПАК).

Численные значения дискретных отсчетов сейсмических колебаний поступают в цифровой регистратор где фиксируются в двоичном коде на магнитном носителе. При этом цифровая сейсмограмма должна иметь определенную структуру, называемую сейсмическим форматом записи. Существуют единые стандарты форматов записи принятые в международной сейсморазведочной практике. Это позволяет прочитывать разные сейсмические записи, полученные на различных типах сейсмостанций.

В последнее время широкое применение нашли телеметрические станции типа Input/Output I/O (США). Телеметрическая система обеспечивает управление всем процессом возбуждения, приема и регистрации отраженного сигнала. Управление осуществляется через кабельную и через спутниковую (телеметрическую) связь. При этом центральная аппаратура располагается в салоне автомобиля, а управляемые блоки (модули) располагаются на профиле. Питание всех полевых модулей осуществляется автономно от аккумуляторных батарей либо генератора. Они имеют гнезда для подключения переговорного устройства.

Отличительной особенностью телеметрической системы является также большой набор частотных фильтров, которые можно использовать при записи колебаний.

В телеметрической сейсмостанции I/O осуществляется автоматический контроль режимов работы фактических характеристик- как в целом всей системы, так и ее составных частей.

Наиболее важные из них:

- амплитудная идентичность каналов;

- фазовая идентичность каналов;

- уровень внутренних шумов;

- взаимное влияние каналов;

- сопротивление групп сейсмоприемников;

- уровни предварительного усиления;

- частотные характеристики фильтров;

-температура и влажность полевых модулей;

- параметры сейсмоприемников и т.д.

Сейсмостанция снабжена системой спутниковой навигации GPS, обеспечивающей на площади полевых работ высокоточную плановую и высотную привязку к земной поверхности всех полевых модулей и сейсмических источников. В целом телесистема позволяет в реальном времени выполнять средствами спутниковой связи управление и контроль за получением полевого материала, а также проводить телесовещания для оперативного решения возникающих проблем. Из удаленного центра можно следить за работой оператора сейсмостанции и всей аппаратурой и в случае необходимости брать на себя управление работами.

Основные механические характеристики телесистемы I/O :

- количество каналов до 6000;

- количество линий приема до 120;

- шаг дискретизации (мсек) 0,5; 1; 2; 4;

- коэффициенты предусиления дБ 12,24,36 и 48;

- уровень входных шумов мкВ 0,15;

- амплитудная неидентичность каналов % 0,1;

- общая потребляемая мощность кВт 1,2;

- масса полевого модуля 7кг;

- температурный режим работы С -40 до 50.

Источники колебаний

Источники сейсмических колебаний делятся на:

а) взрывные;

б) динамические;

в) вибрационные;

г) пневматические.

а) взрывные источники колебаний

Взрывчатым материалом служит тротил в виде шашек массой 0,2 и 0,4 кг. Реже используются большие цилиндры массой до 2,5 кг. Средством взрывания служат электродетонаторы мгновенного действия, время срабатывания которых не превышает 10-15 мсек. Подрыв заряда разрешается только с помощью взрывной машинки. В машинке имеется источник низковольтного питания. Это питание с помощью преобразователя напряжения и накопительного конденсатора создается высоковольтный разряд постоянного напряжения в 500-600 В. Этой мощности достаточно для одновременного срабатывания нескольких десятков электродетонаторов.

Пара проводов соединяющая взрывную машину с электрической цепью зарядов, называется боевой линией или магистралью. При групповых взрывах детонаторы обычно соединяют между собой последовательно. Одновременно вместе с взрывом с помощью системы синхронизации возбуждения (ССВ) запускается сейсмостанция.

б) динамические системы возбуждения

состоят из камеры в несколько тонн, в которую подается отдельно пропан и кислород. По команде сейсмостанции смесь в камере поджигается с помощью специальной системы создания искры. Для усиления сигнала используют сразу несколько камер в которые синхронно подаются газовая смесь и одновременно поджигаются. Марки СИ-32.

в) вибрационные источники

Этот тип источников встречается чаще всего благодаря стабильности и хорошим управлением амплитудных и фазовых характеристик. Основной рабочий узел источника- это вибровозбудитель в виде тяжелого рабочего цилиндра внутри которого перемещается поршень жестко соединенный с опорной плитой. С помощью гидравлики поршень совершает возврат на поступательные движения, которые являются источниками упругих колебаний. В сейсморазведке используют много разновидностей гидравлических вибраторов отечественного и зарубежного производства. Зарубежные представлены фирмами I/O, Sersel, среди отечественных марок СВ-5/150, СВ-10/100, СВ-20/150 ( %/150- первое число- максимально толкающее усилие в тонах, второе число- максимально генерируемая чистота).

Запуск вибраторов обеспечивается по радиокоманде от сейсмостанции. Вибрационные источники оказались наиболее эффективными в наземной сейсморазведке, поскольку позволяют управлять энергией и спектром излучаемых колебаний. Применяют в основном гидравлические вибраторы, реже электромеханические. Генерируемые ими колебания задаются управляющими сигналами или свип-сигналами.

Преимущественно используют линейно-частотно-модулированный сигнал. Иногда используют вибро-импульсный свип-сигнал в виде последовательных однополярных или разнополярных импульсов. Ввиду неизбежных искажений, возникающих в механической системе вибратор-грунт, излучаемые сейсмические колебания могут значительно отличатся от задаваемого сигнала, причем наиболее значительны фазовые сдвиги колебаний. Для их коррекции вибратор имеет систему следящего сервопривода, которая обеспечивает стабильность фаз упругих колебаний.

г) пневматические источники.

Среди различных типов сейсмоизлучателей в морской среде наибольшее применение получили пневматические источники, называемые- воздушные пушки. Они генерируют упругие колебания путем выхлопа в воду порции сжатого воздуха, давление сжатия- 15 атмосфер (1 атмосфера- 10 метров). Основной объем сжатого воздуха за несколько милисекунд выдавливается в окружающую водную среду, создавая мощный упругий импульс. Как правило, используют не одну, а группу воздушных пушек. Воздушные пушки, собраны в группу линейной или площадной конфигурации, подвешиваются за бортом геофизического судна или буксируются за его кормой. При проведении исследований пушки погружаются на определенную глубину, чтобы избежать влияния на работу пушек морских волн.