RU2751574C1

RU2751574C1 - Method for excitation of seismic vibrations

Info

Publication number: RU2751574C1
Application number: RU2020124661A
Authority: RU
Inventors: Григорий Аронович Шехтман; Александр Петрович Жуков; Андрей Олегович Соловьев
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2021-07-15

Abstract

FIELD: geophysics.

SUBSTANCE: method relates to seismic exploration with pulsed and continuous sources of seismic vibrations. The method can be used in surface and borehole seismic surveys wherein multiple excitation of vibrations is executed with further accumulation of the obtained seismic records. The method is based on mechanical impact of the source on the soil through the substrate. According to the claimed method, the material of the substrate is taken comparable in elastic properties with the elastic properties of the compacted soil, and the thickness of the substrate is taken comparable with the amplitude of deformations excited in the compacted soil. In one of the specific variants of the method, the substrate is made in form of a hollow vessel with a flexible bottom configured for a gas or liquid to be injected into the vessel until a value of elasticity of the flexible bottom is reached, comparable with the elasticity of the compacted soil.

EFFECT: increased stability of the excited seismic signal.

2 cl

Description

Способ относится к сейсмической разведке с импульсными и непрерывными источниками сейсмических колебаний. Его можно использовать при наземных и скважинных сейсмических исследованиях, при которых осуществляется многократное возбуждение колебаний с последующим накапливанием полученных сейсмических записей. В наибольшей степени способ применим при проведении работ методом вертикального сейсмического профилирования (ВСП), когда из одного пункта возбуждения приходится осуществлять множество воздействий.The method relates to seismic exploration with pulsed and continuous sources of seismic vibrations. It can be used in surface and borehole seismic surveys, in which multiple excitation of vibrations is carried out with the subsequent accumulation of the obtained seismic records. To the greatest extent, the method is applicable when carrying out work by the method of vertical seismic profiling (VSP), when many impacts have to be carried out from one point of excitation.

Нагрузки на грунт, развиваемые наземными невзрывными источниками, как правило, невелики, что предопределяет их работу в начальной части компрессионной кривой, в пределах которой превалируют упругие и частично пластические деформации и волны (Жуков А.П., Колесов СВ., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками. - Тверь, ООО «Издательство ГЕРС», 2011. - 412 с.). Повторение воздействий в пределах одного и того же пункта возбуждения (ПВ) приводит к уплотнению и упрочению грунтов, а также к их проседанию.The loads on the soil developed by ground-based non-explosive sources, as a rule, are small, which predetermines their work in the initial part of the compression curve, within which elastic and partially plastic deformations and waves prevail (Zhukov A.P., Kolesov SV., Shekhtman G.A. ., Shneerson M.B. Seismic survey with vibration sources. - Tver, LLC "GERS Publishing House", 2011. - 412 p.). Repetition of impacts within the same excitation point (PW) leads to compaction and consolidation of soils, as well as to their subsidence.

Уплотненный грунт ведет себя как упругая среда, характеризующаяся линейной зависимостью между механическим напряжением и деформацией. В такой среде формируется устойчивый по форме сигнал, а после прекращения воздействия на грунт глубина забоя под плитой возвращается в исходное состояние. Однако при изменении местоположения ПВ достижение уплотненного состояния грунта требует повторения воздействий, что само по себе снижает производительность работ.Compacted soil behaves like an elastic medium, characterized by a linear relationship between mechanical stress and deformation. In such an environment, a signal that is stable in shape is formed, and after the cessation of the impact on the soil, the depth of the face under the slab returns to its original state. However, with a change in the location of the PV, the achievement of the compacted state of the soil requires repetition of the actions, which in itself reduces the productivity of the work.

Применение подложек, через которые оказывают механическое воздействие на грунт, позволяет распределить нагрузку на площадь, превышающую площадь плиты, являющейся составной частью источника колебаний. Тем самым исключается искажающее влияние неровностей, содержащихся на поверхности грунта, а также уменьшаются систематические проседания грунта под плитой, имеющие место в случае отсутствия подложки. Однако использование в качестве подложки металла приводит к противоречивой ситуации: тонкая подложка быстро деформируется в процессе работ, а более прочная толстая подложка обладает большой массой, которая вместе с присоединенной массой грунта, расположенной непосредственно пол подложкой, приводит к понижению частоты резонансных колебаний в источнике, накладывающихся на возбуждаемый в грунте сигнал. В итоге ожидаемого повышения разрешающей способности сейсморазведки может не произойти.The use of substrates through which they exert a mechanical effect on the soil makes it possible to distribute the load over an area exceeding the area of the slab, which is an integral part of the vibration source. This eliminates the distorting effect of irregularities contained on the surface of the soil, and also reduces the systematic subsidence of the soil under the slab, which occurs in the absence of a substrate. However, the use of metal as a substrate leads to a contradictory situation: a thin substrate is quickly deformed during work, and a stronger thick substrate has a large mass, which, together with the added mass of the soil located directly on the floor of the substrate, leads to a decrease in the frequency of resonant oscillations in the source, superimposed to the signal excited in the ground. As a result, the expected increase in seismic resolution may not occur.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ возбуждения сейсмических колебаний, в котором увеличение площади контакта жесткого блока источника типа «падающий груз» с грунтом достигается путем плотной установки листа железа на грунт. При этом, по мнению авторов этого способа, значительная доля энергии, выделяемой падающим грузом, расходуется на возбуждение сейсмических волн, а не на деформацию (выравнивание) неровностей грунта, вследствие чего длительность возбуждаемого импульса будет уменьшаться, а амплитуда увеличиваться, что приведет к увеличению общей энергии волн и особенно энергии высокочастотных компонент (Берешполец А.И., Гавшин А.Н., Чомахидзе З.Г. Сравнение источников возбуждения при изучении верхней части разреза методом МПВ//Приборы и системы разведочной геофизики, 2014, №1, с. 42-45).The closest technical solution to the proposed one is a method of excitation of seismic vibrations, in which an increase in the contact area of a rigid block of a source of the "falling weight" type with the ground is achieved by densely installing a sheet of iron on the ground. At the same time, according to the authors of this method, a significant fraction of the energy released by the falling weight is spent on the excitation of seismic waves, and not on the deformation (leveling) of ground irregularities, as a result of which the duration of the excited pulse will decrease, and the amplitude will increase, which will lead to an increase in the total wave energy and especially the energy of high-frequency components (Bereshpolets A.I., Gavshin A.N., Chomakhidze Z.G. Comparison of excitation sources in the study of the upper part of the section by the refractory method // Instruments and systems of exploration geophysics, 2014, No. 1, p. 42-45).

Основной недостаток известного способа состоит в том, что плотность железа, которое берут в качестве материала для подложки, устанавливаемой на грунт, примерно втрое превышает плотность грунта. Поэтому общая масса жесткого блока, подложки и присоединенной массы грунта оказывается достаточно большой для возникновения низкочастотных резонансных колебаний, удлиняющих возбуждаемый импульс и снижающих разрешенность сейсмических записей.The main disadvantage of the known method is that the density of iron, which is taken as a material for a substrate installed on the ground, is approximately three times the density of the ground. Therefore, the total mass of the rigid block, substrate, and attached soil mass turns out to be large enough for the occurrence of low-frequency resonant vibrations, which lengthen the excited pulse and reduce the resolution of seismic records.

Цель предлагаемого изобретения состоит в повышения стабильности возбуждаемого сейсмического сигнала.The aim of the present invention is to improve the stability of the excited seismic signal.

Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения сейсмических колебаний, основанном на импульсном или непрерывном механическом воздействии источника на грунт через подложку, материал подложки берут с соизмеримыми упругими свойствами с упругими свойствами уплотненного грунта, а толщину подложки берут соизмеримой с амплитудой деформаций, возбуждаемых в уплотненном грунте. В одной из модификаций способа подложку выполняют в виде полого сосуда с гибким дном с возможностью нагнетания в сосуд газа или жидкости до величины упругости гибкого дна, соизмеримой с упругостью уплотненного грунта.This goal is achieved by the fact that in the method of excitation of seismic vibrations based on a pulsed or continuous mechanical action of a source on the soil through the substrate, the substrate material is taken with comparable elastic properties with the elastic properties of the compacted soil, and the thickness of the substrate is taken commensurate with the amplitude of deformations excited in the compacted soil. soil. In one of the modifications of the method, the substrate is made in the form of a hollow vessel with a flexible bottom with the possibility of injecting a gas or liquid into the vessel until the elasticity of the flexible bottom is commensurate with the elasticity of the compacted soil.

По сравнению с аналогами и прототипом предлагаемый способ возбуждения сейсмических колебаний характеризуется следующими существенными отличиями:Compared with analogues and the prototype, the proposed method for exciting seismic vibrations is characterized by the following significant differences:

1. Подложку, через которую осуществляют механическое воздействие на грунт, берут с такими упругими свойствами, которые соизмеримы с упругими свойствами уплотненного грунта, на который оказывается механическое воздействие с целью возбуждения сейсмических колебаний.1. The substrate, through which the mechanical action on the soil is carried out, is taken with such elastic properties that are commensurate with the elastic properties of the compacted soil, which is subjected to mechanical action in order to excite seismic vibrations.

2. Толщину подложки берут соизмеримой с величиной амплитуды деформаций, возбуждаемых в уплотненном грунте.2. The thickness of the substrate is taken commensurate with the magnitude of the amplitude of deformations excited in the compacted soil.

3. При перемещении источника колебаний на другую точку не требуется уплотнять грунт, поскольку роль уплотненного грунта выполняет подложка, упругие свойства которой соизмеримы со свойствами уплотненного грунта.3. When the vibration source is moved to another point, it is not required to compact the soil, since the role of the compacted soil is played by the substrate, the elastic properties of which are commensurate with the properties of the compacted soil.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

При механическом воздействии на грунт породы могут вести себя как пластические тела, при снятии нагрузок с которых наблюдаются остаточные деформации. В результате этого забой, по которому осуществляются повторные механические воздействия, необратимо проседает, в результате чего время прихода возбуждаемых импульсов к сейсмоприемникам последовательно уменьшается, причем неконтролируемым образом. Суммирование импульсов, полученных при повторных воздействиях в таких условиях, приводит к понижению преобладающей частоты суммарного импульса и, соответственно, к уменьшению интенсивности верхнечастотных компонент спектра сейсмических колебаний. В итоге разрешающая способность сейсморазведки падает. Такая ситуация наблюдается до момента уплотнения грунта, при котором он начинает себя вести как чисто упругая среда, которой не свойственны остаточные деформации.Under mechanical action on the soil, rocks can behave like plastic bodies, when the loads are removed from which residual deformations are observed. As a result, the bottomhole, through which repeated mechanical actions are carried out, irreversibly subsides, as a result of which the time of arrival of the excited impulses to the seismic receivers gradually decreases, and in an uncontrolled manner. The summation of pulses obtained during repeated impacts under such conditions leads to a decrease in the prevailing frequency of the total impulse and, accordingly, to a decrease in the intensity of the high-frequency components of the seismic spectrum. As a result, the resolution of the seismic survey drops. This situation is observed until the moment of compaction of the soil, at which it begins to behave as a purely elastic medium, which is not characterized by permanent deformations.

Если между грунтом и источником колебаний поместить подложку, то условия возбуждения колебаний существенно изменятся. Подложка, упругие свойства которой соизмеримы с упругими свойствами уплотненного грунта, будет себя вести как уплотненный грунт, т.е. как практически упругая среда. Изучив свойства уплотненного грунта по крайней мере в одной точке, расположенной в пределах однородного участка, можно в пределах этого участка в любой другой его точке возбуждать колебания, используя при этом подложку с упругими свойствами, соизмеримыми с упругими свойствами уплотненного грунта в той точке участка, в которой известными способами осуществили уплотнение грунта и определили его упругие свойства. Знание упругих свойств уплотненного грунта позволит подобрать соответствующий материал подложки. В качестве одного из вполне осуществимого варианта подложки предлагается использовать полый сосуд с гибким дном с возможностью нагнетания в сосуд газа или жидкости до величины упругости гибкого дна, соизмеримой с упругостью уплотненного грунта. В качестве возможного материала для подложки можно также использовать композиты, отличающиеся широким диапазоном физико-механических свойств.If a substrate is placed between the ground and the source of vibrations, then the conditions for excitation of vibrations will change significantly. A substrate, the elastic properties of which are commensurate with the elastic properties of compacted soil, will behave like a compacted soil, i.e. as a practically elastic medium. Having studied the properties of compacted soil at least at one point located within a homogeneous area, it is possible to excite vibrations within this area at any other point, using a substrate with elastic properties commensurate with the elastic properties of compacted soil at that point of the area, at which by known methods carried out the compaction of the soil and determined its elastic properties. Knowing the elastic properties of compacted soil will allow you to select the appropriate substrate material. As one of a completely feasible version of the substrate, it is proposed to use a hollow vessel with a flexible bottom with the possibility of injecting a gas or liquid into the vessel until the elasticity of the flexible bottom is commensurate with the elasticity of the compacted soil. Composites with a wide range of physical and mechanical properties can also be used as a possible substrate material.

Существенное значение имеет вопрос о толщине подложки, используемой для возбуждения колебаний. Подложка должна быть достаточной толщины для того, чтобы максимальная деформация осуществлялась без выхода за ее пределы. Удовлетворить это требование можно путем измерения известными способами величины максимальной деформации уплотненного грунта при механическом воздействии на него импульсного или непрерывного источника (Гик Л.Д. Измерение вибраций//»Наука», Новосибирск, 1972, с. 291). Так что, толщину подложки берут соизмеримой с величиной амплитуды деформации уплотненного грунта, которую определяют экспериментальным путем для каждого из используемых источников колебаний. Способ осуществляют следующим образом.The question of the thickness of the substrate used to excite the vibrations is of great importance. The backing must be of sufficient thickness to allow maximum deformation to occur without overshooting. This requirement can be met by measuring the maximum deformation of the compacted soil by known methods under the mechanical action of an impulse or continuous source on it (Gik L. D. Measurement of vibrations // "Science", Novosibirsk, 1972, p. 291). So, the thickness of the substrate is taken commensurate with the magnitude of the deformation amplitude of the compacted soil, which is determined experimentally for each of the vibration sources used. The method is carried out as follows.

Район, предназначенный для изучения вибросейсмическим методом, известными способами разделяют на участки, каждый из которых характеризуется однородными поверхностными условиями. По меньшей мере, в одной точке, расположенной на каждом из участков, известными способами уплотняют грунт и определяют плотность и упругие свойства уплотненного грунта (Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов: Практический курс/ М.: Стройиздат, 1981. - 455 с.). Возбуждая колебания в уплотненном грунте, оценивают амплитуду деформаций, возбуждаемых источником, выбранным для проведения работ. Знание упругих свойств грунта, его плотности и амплитуды деформаций позволяет выбрать материал подложки с требуемыми свойствами и толщиной, обеспечивающей соизмеримую амплитуду деформаций непосредственно в пределах подложки.The area intended for study by vibroseismic method is divided by known methods into sections, each of which is characterized by homogeneous surface conditions. At least at one point located on each of the sections, the soil is compacted by known methods and the density and elastic properties of the compacted soil are determined (Kostya J., Sanglera G. Soil Mechanics: A Practical Course / M .: Stroyizdat, 1981. - 455 p. .). Exciting vibrations in compacted soil, the amplitude of deformations excited by the source selected for the work is estimated. Knowledge of the elastic properties of the soil, its density and the amplitude of deformations allows you to select a substrate material with the required properties and thickness, providing a comparable amplitude of deformations directly within the substrate.

В отличие от аналогов и прототипа, плотность подложки берут соизмеримой с плотностью уплотненного грунта. Это обеспечивает резкое уменьшение общей массы колеблющейся системы, а, следовательно, и повышение резонансной частоты этой системы. В результате этого не возникают низкочастотные резонансные колебания, снижающие разрешающую способность сейсморазведки.Unlike analogs and the prototype, the density of the substrate is taken commensurate with the density of the compacted soil. This provides a sharp decrease in the total mass of the oscillating system, and, consequently, an increase in the resonant frequency of this system. As a result, low-frequency resonance oscillations do not occur, which reduce the resolution of the seismic survey.

Внедрение предлагаемого изобретения в практику вибрационной сейсморазведки не требует создания новых технических средств и может быть начато уже в настоящее время.The introduction of the proposed invention into the practice of vibration seismic exploration does not require the creation of new technical means and can be started already at the present time.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

Берешполец А.И., Гавшин А.Н., Чомахидзе З.Г. Сравнение источников возбуждения при изучении верхней части разреза методом МПВ//Приборы и системы разведочной геофизики, 2014, №1, с. 42-45Bereshpolets A.I., Gavshin A.N., Chomakhidze Z.G. Comparison of excitation sources in the study of the upper part of the section by the MPV method // Instruments and systems of exploration geophysics, 2014, no. 42-45

Гик Л.Д. Измерение вибраций//»Наука», Новосибирск, 1972, с. 291 Жуков А.П., Колесов С.В., Шехтман Г.А., Шнеерсон М.Б. Сейсморазведка с вибрационными источниками. - Тверь, ООО «Издательство ГЕРС», 2011.Geek L.D. Measurement of vibrations // "Science", Novosibirsk, 1972, p. 291 Zhukov A.P., Kolesov S.V., Shekhtman G.A., Shneerson M.B. Seismic survey with vibration sources. - Tver, LLC GERS Publishing House, 2011.

Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов: Практический курс/ М.: Стройиздат, 1981.- 455 с.Coste J., Sanglera G. Soil Mechanics: A Practical Course / M .: Stroyizdat, 1981.- 455 p.

Claims

1. A method for exciting seismic vibrations based on a pulsed or continuous mechanical action of a source on the ground through a substrate, characterized in that, in order to increase the stability of the excited seismic signal, the substrate material is taken commensurate with the elastic properties of the compacted soil, and the thickness of the substrate is taken commensurate with the amplitude deformations generated in compacted soil.

2. The method according to claim 1, characterized in that the substrate is made in the form of a hollow vessel with a flexible bottom, with the possibility of injecting a gas or liquid into the vessel until the elasticity of the flexible bottom is commensurate with the elasticity of the compacted soil.