Нелинейные искажения вибрационных сигналов и перспективы их использования в малоглубинной сейсморазведке

1. Нелинейные искажения вибрационных сигналов и перспективы их использования в малоглубинной сейсморазведке

М. Б. Шнеерсон, д.т.н., проф., РГУ Нефти и
Газа им. И.М. Губкина

2.

Содержание
1.Введение
2. Нелинейные явления в вибрационной сейсморазведке
3. Примеры использования волн-гармоник для расширения
спектрального состава регистрируемых волн
4.
Заключение
5.
Литература

3.

1. Введение
В вибрационной сейсморазведке гармоники - нелинейные компоненты
наблюдаемых волновых полей - традиционно относились к помехам и
предпринимались определенные усилия для их подавления. Однако, со
временем отношение к ним изменилось, т.к. стало понятно, что они
являются частью возбуждаемых волновых полей и могут быть использованы
для расширения спектрального состава регистрируемых волн.
Выделение гармоник и их практическое применение возможно только в
вибрационной сейсморазведке, оперирующей с излучаемыми колебаниями
заданного частотного состава и результатами последующей корреляционной
обработки исходных записей, позволяющей выделять волны требуемого
частотного состава. Это отличает вибрационную сейсморазведку от импульсной
и позволяет использовать нелинейные компоненты волновых полей для получения
дополнительной информации о разрезе.
Рассмотрению возможности использования нелинейных компоненты волновых
полей вибрационной сейсморазведки и анализу полученных результатов
посвящен настоящий доклад.

4.

2. Нелинейные явления в вибрационной сейсморазведке
Исходные, начальные причины нелинейности обусловлены приближенностью
закона Гука (физическая нелинейность), нелинейностью уравнений теории упругости
(геометрическая нелинейность) и особенностями передачи нагрузок среде
вибраторами (механическая нелинейность) [1,2].
Начало теоретических и экспериментальных исследований по изучению нелинейных
явлений в реальных средах относится ко второй половине прошлого столетия, когда
появились первые результаты работ с вибрационными источниками колебаний, из
которых следовало безусловное наличие нелинейных составляющих в наблюдаемых
сейсмических волновых полях. В последующих работах [2,3] были проанализированы
и показаны возможности и ограничения практического использования волн-гармоник
и волн-взаимодействия для освещения поведения разведуемых границ раздела и
прямого прогноза наличия/отсутствия скоплений углеводородов в разрезе. Первые
результаты были обнадеживающими, однако, в силу различных причин эти
исследования дальнейшего развития не получили. В последние годы вопросы подавления и практического использования волн-гармоник стали актуальными в связи с
проведением полевых работ по технологии «скользящий свип», при которой волныгармоники могут попадать на времена регистрации полезных волн, и с пересмотром
отношения к волнам – гармоникам.
Возникновение нелинейных составляющих в волновых полях, возбуждаемых

5.

вибрационными источниками колебаний – вибраторами, обусловлены
особенностями их конструкции и нелинейным характером взаимодействия
рабочей плиты излучателя с грунтом при передаче силового воздействия на среду.
Плита со штоком, поршнем и гидроцилиндром (реактивной массой) образует
единую, реактивную механическую систему, приводимую в движение внутренней
переменной по величине силой. В результате поршень с плитой движутся в одну
сторону, а реактивная масса - в другую. При этом, если последняя может свободно
перемещаться вверх и вниз от центрального положения, то поршень с плитой
ограничены в своем движении сопротивлением грунта, так как вибратор
работает в режиме упругих деформаций, что и приводит к искажению формы
возбуждаемых колебаний и появлению гармоник. Их уровень определяется ходом
поршня и компрессионными характеристиками грунта. С увеличением частоты
возбуждаемых колебаний амплитуды перемещения плиты уменьшаются и, начиная
с какой-то частоты, становятся равными, а затем и меньшими предела упругости
пород грунта. Это приводит к повсеместно наблюдаемому снижению уровня
гармоник с возрастанием частоты.
Другой причиной появления гармоник является несимметричность реакции
грунта на «плюс» и «минус» воздействия, развиваемые рабочей плитой вибратора.

6.

Она обусловлена тем, что при положительном воздействии происходит
дополнительное нагружение грунта, а при отрицательном – его частичная
разгрузка, что при нелинейной зависимости между напряжением
и деформацией приводит к различному уровню возбуждаемых колебаний
при разнонаправленных воздействиях и, как следствие, осложнение
излучаемых колебаний гармониками.
Для иллюстрации наличия гармоник и оценки их уровня были использованы
записи сигналов, снимаемых с датчиков, установленных в полостях гидро –
цилиндра, на рабочей плите и инерционной массе вибро-возбудителя.
Кривые изменения давления в полостях гидроцилиндра
на частотах 10, 30 и 40 Герц

7.

Зависимость уровня гармоник
от частоты

8.

Частотно-временная кривая сигнала «сила земли»

9.

10.

Анализ приведенных кривых показывает следующее: - кривые, характеризующие движение плиты вибратора и его реактивной массы,
носят сложный характер и на них выделяются гармоники второго, третьего и
более высокого порядка, а также субгармоники;
- уровень нелинейных искажений в целом снижается с ростом частоты;
- интенсивность нелинейных искажений сигналов на плите в среднем на порядок
-выше, чем на реактивной массе.
Обобщение полученных материалов показывает, что гармоники имеют волновую
природу и повышенный частотный состав, что обосновывает их применение
для расширения спектрального состава излучаемых и регистрируемых волн.

11.

3. Примеры использования волн-гармоник для расширения
спектрального состава регистрируемых волн
Волновые поля гармоник распространяются в нижнем полупространстве
по законам геометрической сейсмики, образуя отраженные и другие волны.
От основных они будут отличаться спектральным составом и интенсивностью,
что делает возможным отображение разреза в другой полосе частот. Это и
определяет интерес к использованию гармоник и их практическую значимость.
Выделение гармонических составляющих волновых полей может проводиться
путем корреляции виброграмм с управляющим сигналом начальная и конечная
частоты которого согласованы с частотным диапазоном гармоник. Это обеспечит
выделение волн - гармоник и подавление всех волн другого частотного состава.
Возможны и другие способы выделения гармоник [3].
Таким образом, ориентация на использование волн – гармоник позволяет получать
временные и глубинные разрезы на основной и кратных частотах. Но при этом
необходимо сохранение виброграмм и многократная, как минимум,
двукратная их корреляция, что является нежелательным, т.к. нарушает
стандартный цикл работ, предусматривающий корреляцию записей в поле, на
сейсмостанции и передачу на ВЦ прокоррелированных полевых записей.

12.

К настоящему времени способ гармоник, предусматривающий корреляцию
исходных виброграмм с основным управляющим сигналом и вспомогательным,
модельным для выделения гармоник, достаточно успешно опробован в ряде районов
у нас и за рубежом [1,3,4]. Анализ полученных материалов показал, что на
коррелограммах по вторым гармоникам на временах до 1,5 с. достаточно уверенно
выделяются отраженные волны, аналогичные тем, которые прослеживаются на
основных записях. Но от последних они отличаются более высоким частотным
составом и меньшей интенсивностью, что вполне согласуется с исходными
теоретическими предпосылками. Сейсмограммы, прокоррелированные по третьей
гармонике, оказались неинформативными. На них преобладали шумы, на фоне
которых регулярные волны практически не прослеживались..
На следующих слайдах приведены временные разрезы и спектры волн, полученные
по основному сигналу, второй, а также по третьей гармоникам.
Обобщение полученных в разных районах материалов показало, что интенсивность
отраженных волн, обусловленных вторыми гармониками, позволяет выделять и
прослеживать отраженные волны на временах до 1.4 - 1,5 с. При этом примерно в
1,3 – 1.5 раза расширяется спектральный состав зарегистрированных волн, что
приводит к несколько лучшей разрешенности записей.
На временах, превышающих 1,6 с, волны-гармоники практически не выделяются на
фоне помех.

13.

Временные разрезы, полученные при корреляции с основной и
второй гармониками

14.

Временные разрезы, полученные при корреляции с основной и
второй гармоникам

15.

Фрагменты волнового разреза и спектры волн, полученные по основному
сигналу и второй гармонике

16.

Сопоставление разрезов показывает, что привнесение вторых гармоник повысило
разрешенность записей, улучшило прослеживаемость отдельных горизонтов и привело
к смещению спектральных характеристик волн в сторону высоких частот. Наиболее
отчетливо эти изменения видны в интервале времен 1,30-1,65 с. На больших временах
(1,9-2,15 с) волновая картина и соответствующие спектры волн практически
не изменились, что обусловлено затуханием высокочастотных составляющих волн и
снижением уровня вторых гармоник.

17.

Фрагменты временных разрезов и спектры волн, полученные по основной и
второй гармоникам

18.

Фрагменты временных разрезов, полученных при корреляции
с основной частотой и субгармоникой

19.

Обработка материалов по способу гармоник показала, что при использовании
разверток с повышением частоты на коррелограммах с определенным смещением
во времени появляются ложные оси синфазностей, чаще всего параллельные первым
вступлением волн. Образование этих помех обусловлено тем, что в процессе корреляции
происходит совпадение по частотам колебаний гармоники и свипа, что и приводит к
возникновению помех. Время их появления определяется временным сдвигом
управляющего сигнала на частоту, равную его начальной частоты. Оно зависит от
частотного диапазона и длительности сигнала корреляции. Возможно два способа
решения этой задачи.
Первый - заключается в выборе управляющих сигналов с разверткой вниз по частоте,
что исключает совпадение частот управляющего сигнала и волн – гармоник.
Второй - основан на выборе управляющих сигналов с такими параметрами, при которых
ложные колебания будут появляться на временах, превышающих времена регистрации
целевых волн. Тогда полезная область будет свободна от этих помех. Необходимым и
достаточным условием этого является выбор такой скорости изменения частоты
управляющего сигнала, при которой полоса частот, равная его начальной частоте,
преодолевалась бы за промежуток времени, превышающий время регистрации самого
глубокого отражающего горизонта. Для этого длительность управляющего сигнала Т
должна выбираться из следующего условия:

20.

:
где tn - временная глубина освещения разреза; fн, fK - начальная (максимальная) и конечная
(минимальная) частоты управляющего сигнала.
Технологическим ограничением
использования гармоник является необходимость, как минимум, двухкратной
корреляции виброграмм с основным и дополнительным управляющимсигналом.
Это ограничение частично может быть преодолено путем корреляции исходных, полевых
записей с модифицированным управляющим сигналом, рассчитанным на выделение волн
основных и кратных частот. В простейшем случае - это сумма исходного управляющего
сигнала и его второй гармоники. Такая корреляция обеспечивает сложение энергии волн
разного частотного состава, расширение частотного диапазона волн и более полное
использование технических возможностей вибраторов.
Предложенный способ корреляции виброграммы был опробован и позволил получить
материалы, иллюстрирующие его возможность. Первоначально виброграммы,
полученные в одном из районов России, были прокоррелированы с основным
управляющим сигналом и обработаны до уровня временного разреза. Затем те же
самые виброграммы были повторно прокоррелированы с синтетическим сигналом,
образованным путем сложения сигналов, соответствующих основному управляющему
сигналу и его второй гармонике, т.е. расчет был сделан на одновременное выделение
волн от основного сигнала и второй гармоники.

21.

Полученный фрагмент разреза приведен на следующем слайде.
Фрагмент разреза при корреляции Фрагмент разреза с основным
с суммарным сигналом
сигналом

22.

Заключение:
- гармоники являются следствием искажения излучаемого вибратором волнового поля;
- гармоники могут использоваться для расширения спектрального состава
зарегистрированных волн и повышения разрешенности записей на временах
до 1,4 – 1,6;
- наиболее перспективно использование гармоник повышенной частоты для изучения
малоглубинных отражающих горизонтов

23.

Спасибо за внимание