Исследование и разработка способов повышения разрешающей способности вибрационной сейсморазведки

Глава 3. Аппаратурное обеспечение ВРВС.

Здесь рассмотрены вопросы создания аппаратуры и методики тестирования вибраторов, моделирования работы вибраторов и модернизации блоков управления.

Контроль вибраторов. Использование сложной сейсмической, в том числе - вибросейсмической, аппаратуры в полевых условиях должно обеспечиваться специализированными средствами контроля. В настоящее время принято контролировать следующие сейсмические характеристики вибратора: силу воздействия на грунт (действующую силу, Ground Force - GF), фазовую ошибку свип - сигнала (PH), и коэффициент побочных гармоник сигнала (КG). При этом нужны не только их средние значения, но и их зависимости от частоты. GF пропорциональна (в дальней зоне) сейсмическому сигналу, регистрируемому сейсмостанцией (Schrodt J.K. 1987), поэтому целесообразно измерять функцию GF(F) и уже для неё определять - PH(F) и КG(F). Коэффициент гармоник может быть истолкован как отношение помеха/сигнал для сигнала, излучаемого вибратором. В идеале KG = 0, однако изменения давления масла в вибраторе лишь приближенно соответствуют опорному сигналу, причем <гармоники> тем больше, чем ниже частота вибрации. КG возрастает с увеличением GF, так что меняя амплитуду сигнала, можно добиться приемлемого уровня гармонических помех.

Контролировать PH(F), GF(F) и KG(F) на время изготовления (1991г.) в России позволял только "ВИБРОТЕСТЕР"- прибор экспресс - диагностики вибраторов, созданный во ВНИИГеофизике коллективом сотрудников под руководством автора. Он измеряет сигналы от двух калиброванных акселерометров, за-крепленных на инертной массе и плите вибратора, обрабатывает их на встроенной ЭВМ и выдает результаты на устройство индикации. ВИБРОТЕСТЕР может мерять PH(F) и KG(F) не только для GF(F), но и отдельно для ускорений либо скоростей опорной плиты или инертной массы. Частотный диапазон измерений - 5-1500Гц, интервал осреднения процесса- 50мс, точность измерений - проценты.

Действующий макет и затем опытный образец ВИБРОТЕСТЕРа несколько лет успешно использовались для измерений параметров и настройки вибраторов, а также "сбивки" их групп в геофизических организациях г.г.Астрахани, Волгограда, Редкино, Наро-Фоминска, пос. Поваровки и на заводе ЗИМ (г.Армавир). Во всех случаях прибор работал безотказно и приносил пользу. В дальнейшем он использовался и для измерения и спектрального анализа фона микросейсм.

Пример измерений ВИБРОТЕСТЕРом, показан на рис.3-а. GF(F) вибратора СВ 5-150 М2 до 80 Гц практически не регулируется, а увеличение амплитуды силы до 70% (на БУСВ) приводит лишь к выравниванию GF(F) в более широкой полосе частот, тогда как характеристики для 50% и 30% очень близки: их разница не соответствует регулировке. Вывод: у данного вибратора нет регулировки силы; нужны были независимые измерения, чтобы это узнать. Другой пример -вибратор MERTZ 18/612 (НФФ), настроенный поставляющей фирмой. На поз. "б" рис.3 при установке амплитуды А=30%, реальная сила - 16т, т.е. практический максимум 18и тонного вибратора; при А=30% и А=20% сила соответственно втрое и вдвое больше, чем при А=10%, то есть сила регулируется, но её амплитуда - не реальная. PH(F) (поз. "г") лишь при А= 30% находится в допустимых пределах (6%), а при меньших амплитудах - она против ожидания больше. На поз."в" видно, что с убыванием силы растёт KG(F), при амплитуде 10% и час-тоте 35Гц на побочные гармоники тратится половина энергии вибратора. Это противоречит теории и говорит о нестабильности вибратора на малых амплитудах силы.

Моделирование работы вибратора. Для интерпретации сейсмических характеристиках вибратора нужно знать причины, вызывающие выход тестируемых параметров за допустимые границы. С этой целью была создана и изучена математическая модель сейсмического вибратора (Кривенко Н.Е., Клинов В.В., Колесов С.В. 1990). Аналитическое решение уравнений работы вибратора встречает трудности, которые обходят с помощью линеаризации, упрощая задачу. В данном случае полная система уравнений была решена численно на ЭВМ. Насколько модель соответствует реальности, оценивалось по временным разверткам параметров, которые параллельно измерялись на реальных вибраторах. Был показан нелинейный характер связи входного сигнала (смещения золотника ПЭГ - электрогидравлического преобразователя) и выходного - "действующей силы" GF(t). вследствие чего в сигнале GF(t) появляются кратные гармоники.

Было показано, что чем меньше уровень входного сигнала, тем меньше гармонических помех на выходе. С другой стороны, чем выше уровень входного сигнала, тем более высокочастотный полезный сигнал генерируется вибратором. Отсюда следует вывод: ЛЧМ сигналы с постоянной амплитудой, обладают принципиальным недостатком. Необходимо менять амплитуду входного сигнала с частотой, одновременно используя нелинейные (НЧМ) свипы.

Концепция блока управления. Общий подход к выбору параметров оптимального вибросейсмического сигнала "от спектра", (гл. 2), меняет планирование опытных работ, а также предъявляет новые требования к БУСВ. Речь идет об аппаратурно - программном <интерфейсе>, создающем удобства для геофизика и реализующим переход от них к <удобствам> для вибратора. Целесообразно организовать работу геофизика именно со спектром свипа, передав вычисление частотной развертки блоку управления. БУСВ должен быть подключен к сейсмостанции, чтобы по сейсмограммам опытных работ вычислять параметры оптимального вибросейсмического сигнала. Для функциональных свипов должна быть предусмотрена работа с различными вариантами наборов их установочных параметров. (см. гл. 2). При этом должна быть также реализована возможность использования сейсмических характеристик вибраторов.

Для реализации на БУСВ свипов с оптимальным спектром произвольного вида автором был разработан алгоритм вычисления частотной развёртки по спектру мощности, заданному ограниченным набором точек, вследствие чего F(t) вычисляется в виде кусочно - параболической функции с непрерывными производными на краях звеньев. Передача по радиоканалу небольшого набора значений {F(ti)}, i= 1..N, повышает надежность передачи, а промежуточные значения вычисляются при помощи процедуры "КИН-свипа" (замена спектра лома-ной) или "СПЛАЙН - свипа" (представление спектра кубической сплайном).

Составные свипы Функциональные свипы (логарифмический, <дециБелл-на-октаву> и т.п.) получили распространение потому, что количество задаваемых параметров мало - по сравнению со свипами общего вида (ОМНИ и т.п.). Однако у них есть неприятная особенность: чем больше "коэффициент нелинейности" (H, C, Ok), тем выше реальная (после конусования) начальная частота. Соответственно падает и реальная октавность, что вкупе заметно ухудшает качество сейсмического материала. Чтобы исправить этот недостаток, автором были разработаны алгоритмы их "составных" аналогов, названные свипами Паралог и Парадокт. Например, в сравнении со свипом 10 - 90Гц/10с - 10дБ/окт, t1 = 0.5с, у свипа Парадокт реальная начальная частота почти на 10Гц ниже, что является существенным вкладом в увеличение октавности (см. рис.4).