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 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, способные выполнять неограниченное по длительности накопление, прецизионную корреляционную и спектральную обработку вибросейсмических колебаний в реальном масштабе времени в полевых условиях, существенно ускорили проведение уникальных, 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 до удалений 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 на среду колебаний мощного вибратора 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 на среду колебаний мощного вибратора 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 являются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняет, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Для этого потребуется провести разработку системы управления с обратными связями на современной элементной базе и с более высокими характеристиками по точности слежения за частотой и фазой силовых двигателей, в том числе и асинхронного типа. 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 нерешенным проблемам автором относятся исследования КС-методом степени влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и (с привлечением соответствующих специалистов) энергетических полей другой природы, например, электрических. Дальнейшее совершенствование возможностей многоцелевой сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - сейсмологической информации позволит более детально исследовать процессы релаксации и, возможно, связанные с ними медленные движения среды. В настоящее время результаты проведенных исследований или уже нашли практическое применение или являются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняет, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Для этого потребуется провести разработку системы управления с обратными связями на современной элементной базе и с более высокими характеристиками по точности слежения за частотой и фазой силовых двигателей, в том числе и асинхронного типа. 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 нерешенным проблемам автором относятся исследования КС-методом степени влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и (с привлечением соответствующих специалистов) энергетических полей другой природы, например, электрических. Дальнейшее совершенствование возможностей многоцелевой сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - сейсмологической информации позволит более детально исследовать процессы релаксации и, возможно, связанные с ними медленные движения среды.

5 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, способные выполнять неограниченное по длительности накопление, прецизионную корреляционную и спектральную обработку вибросейсмических колебаний в реальном масштабе времени в полевых условиях, существенно ускорили проведение уникальных, 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 до удалений 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 на среду колебаний мощного вибратора 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 на среду колебаний мощного вибратора 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 являются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняет, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Для этого потребуется провести разработку системы управления с обратными связями на современной элементной базе и с более высокими характеристиками по точности слежения за частотой и фазой силовых двигателей, в том числе и асинхронного типа. 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 нерешенным проблемам автором относятся исследования КС-методом степени влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и (с привлечением соответствующих специалистов) энергетических полей другой природы, например, электрических. Дальнейшее совершенствование возможностей многоцелевой сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - сейсмологической информации позволит более детально исследовать процессы релаксации и, возможно, связанные с ними медленные движения среды. В настоящее время результаты проведенных исследований или уже нашли практическое применение или являются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняет, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Для этого потребуется провести разработку системы управления с обратными связями на современной элементной базе и с более высокими характеристиками по точности слежения за частотой и фазой силовых двигателей, в том числе и асинхронного типа. 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 нерешенным проблемам автором относятся исследования КС-методом степени влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и (с привлечением соответствующих специалистов) энергетических полей другой природы, например, электрических. Дальнейшее совершенствование возможностей многоцелевой сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - сейсмологической информации позволит более детально исследовать процессы релаксации и, возможно, связанные с ними медленные движения среды.

6 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, способные выполнять неограниченное по длительности накопление, прецизионную корреляционную и спектральную обработку вибросейсмических колебаний в реальном масштабе времени в полевых условиях, существенно ускорили проведение уникальных, 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 до удалений 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 на среду колебаний мощного вибратора 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 на среду колебаний мощного вибратора 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 являются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняет, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Для этого потребуется провести разработку системы управления с обратными связями на современной элементной базе и с более высокими характеристиками по точности слежения за частотой и фазой силовых двигателей, в том числе и асинхронного типа. 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 степени влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и (с привлечением соответствующих специалистов) энергетических полей другой природы, например, электрических. Дальнейшее совершенствование возможностей многоцелевой сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - 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 являются перспективными как в прикладных, так и фундаментальных научных исследованиях. Актуальность широкого внедрения в практику применения мощных вибраторов сохраняет, во-первых, автоматизированный метод повышения разрешающей способности мониторинга с помощью адаптивных нелинейных разверток частоты. Для этого потребуется провести разработку системы управления с обратными связями на современной элементной базе и с более высокими характеристиками по точности слежения за частотой и фазой силовых двигателей, в том числе и асинхронного типа. 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 степени влияния на параметры среды не только сейсмических полей, но и (с привлечением соответствующих специалистов) энергетических полей другой природы, например, электрических. Дальнейшее совершенствование возможностей многоцелевой сейсмостанции ЛАВА-СМ по одновременной регистрации высокочастотных зондирующих воздействий и – в непрерывном режиме - 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.

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

8 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 гор

9 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

10 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

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

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

13 СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА ПО РЕЛАКСАЦИИ

14 КОРРЕЛЯЦИОННО-СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД

15

16 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ