Повышение эффективности управления импульсными невзрывными источниками енисей при сейсморазведочных работах

На правах рукописи

Детков Владимир Алексеевич

Повышение эффективности управления импульсными невзрывными источниками «Енисей» при сейсморазведочных работах

Специальность 05.11.13. «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

Специальность 25.00.10. «Геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Красноярск - 2009

Диссертация выполнена в ОАО «Енисейгеофизика» (г. Красноярск)

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Шайдуров Георгий Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кашкин Валентин Борисович

доктор технических наук, профессор

Поздняков Владимир Александрович

Ведущая организация: Институт нефтегазовой геологии и геофизики Сибирского Отделения Российской Академии Наук им. А.А. Трофимука (ИНГГ СО РАН) (г. Новосибирск)

ё

Защита диссертации состоится «26 » июня 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.05 при Сибирском федеральном университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26,

УЛК 1-15.

С диссертацией можно знакомиться в библиотеке по техническим наукам Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан «25» мая 2009 г.

Учёный секретарь
диссертационного совета			Вейсов Е.А.

На период 70-х гг. приходится начало интенсивного изучения геологического строения Сибирской платформы сейсмическими методами. К этому времени активно начала развиваться вибрационная технология, которая поддерживалась Министерством геологии СССР. При централизованном финансировании были построены предприятия по производству вибраторов в г. Армавире и в г. Гомеле. Импульсная невзрывная технология тогда была представлена газодинамическим источником ГСК. Руководство Министерства геологии СССР не посчитало оправданным развитие еще одного произ­водства импульсных источников.

Между тем, для условий Восточной Сибири существующие источники оказались неоптимальными по нескольким причинам. Бурение взрывных скважин зачастую было невозможно из-за выхода на поверхность трапповых магматических покровов, которые относятся к '9-10 категории бурения. В свою очередь, наличие трапповых тел требовало особого подхода к изучению верхней части разреза. Важной составляющей изучения ВЧР является информация из первых вступлений сейсмограмм ОПВ. Как известно, вибрационная технология не всегда обеспечивает качественные первые вступления сейсмограмм. Поэтому применение вибраторов также не могло в полной мере удовлетворить сейсморазведчиков Восточной Сибири. Импульсные источники ГСК-6, ГСК-10 по своим параметрам также не выдерживали никакой критики. Сложность их обслуживания и эксплуатации (пропан, кислород), очень большая длительность формирования импульса (5-10 мс), неидентичность условий возбуждения из-за разрушения грунта, ограничен­ность применения в условиях низких температур - вот далеко не полный пе­речень тех недостатков, которые имели эти газодинамические источники.

Таким образом, наличие многих факторов, как технологических, так и сейсмогеологических, не позволяло выбрать из всех существующих источни­ков наиболее оптимальный для условий Восточной Сибири. Оставался один выход - создание нового невзрывного источника более всего адаптированного к сложным условиям горно-таежной местности и непростым сейсмогеологическим условиям. И такой тип источника, в содружестве с Тольяттинским политехническим институтом (Ивашин В.В.), был найден - это им­пульсный источник [1, 2, 3], основанный вначале на электродинамическом, а затем и на электромагнитном принципе возбуждения сейсмических колебаний.

Руководителем геофизической службы Красноярского края Сибгатул-линым В.Г. было предложено и блестяще осуществлено решение Министерства геологии РСФСР о строительстве опытного производства в г. Минусинске. В конце 70-х годов первые источники были внедрены в практику сейсморазведочных работ.

В кооперации с Тольяттинским политехническим институтом (ныне Тольяттинский государственный университет) был разработан и внедрен в производство импульсный электромагнитный источник [1], который позволяет реализовать очень короткое время воздействия. Из-за принципиально иного решения воздействия на грунт за счет движения массы пригруза вверх, а излучающей плиты вниз, обеспечивается согласованное со скоростью дефор­мации грунта механическое воздействие. Такой способ создания механического напряжения позволяет грунту наиболее полно, не разрушаясь, прояв­лять свои упругие свойства.

К 1988 году опытное производство в г. Минусинске изготавливало 25-30 источников в год, к 1990 году объем работ с невзрывной технологией достиг 50-60% от общего объема сейсморазведочных работ. С момента создания ОАО "Енисейгеофизика" невзрывными источниками, в основном собственного производства, отработано около 60 тысяч погонных километров сейсмопрофилей.

На протяжении всех лет производства электромагнитных источников "Енисей" шло непрерывное совершенствование их эксплуатационных характеристик, создавались новые модификации, обновлялась система управления, увеличивалась мощность. Изначально создаваемый для специфических условий Восточной Сибири, электромагнитный источник "Енисей" сегодня бла­годаря широкому ряду модификаций (санные, колесные, водные), стал уни­версальным источником для любых поверхностных и сейсмогеологических условий. Сегодня невзрывные источники работают в Европейской части России, на Урале, в Западной и Восточной Сибири, в Якутии, на Камчатке, в Казахстане.

Производство электромагнитных источников "Енисей" в ОАО "Енисейгеофизика" уже давно вышло за рамки опытного, и их дальнейшее совершенство­вание, разработка новых модификаций с учетом требований современного процесса геофизического исследования недр требует больших затрат. Назрела необходимость кооперации с заинтересованными научными и производст­венными организациями для создания конкурентоспособного на мировом рынке невзрывного импульсного источника [4, 5, 6].

За рубежом невзрывная сейсморазведка получила распространение в виде вибрационных источников с непрерывной частотной модуляцией сейсмических волн. Между тем, в связи с появлением в России импульсных невзрывных источников, зарубежные геофизики начали проявлять повышенное внимание к импульсным системам. Реализован ряд контрактов на поставку источников «Енисей» в США, Францию, Индию.

Большой вклад в развитие невзрывной сейсморазведки в России сделан Шнеерсоном, Циммерманом, Чичениным и др.; в разработку импульсных невзрывных источников «Енисей» сотрудниками Геотехцентра (г.Минусинск) – Федотовым И.Т., Смирновым, Шварковым, Матвеевым.

В обработку и внедрение в практику импульсной методики – сотрудники ОАО «Енисейгеофизика» Федотов И.Г., Муртаев И.С., Карболеев И.А., Корсунов И.В., Струнов В.А., Щадин П.Ю.

Целью работы является разработка и реализация предложений по по­вышению эффективности импульсных невзрывных источников.

Методы исследования

Применены методы линейного и спектрального анализа, теории сейсморазведки, оптимизации функционалов, статистической теории обработки сигналов.

Защищаемые положения

1. Принцип действия, заложенный в импульсный невзрывной источник (ИНИ) типа «Енисей», обеспечивает сохранность грунта под плитой-антеной за счет волнового характера приложения силы удара вначале вверх относительно грунта, затем, в обратном направлении с запаздыванием по времени, относительно постоянной времени пластической деформации грунта определяемой законом Гука.

2. Предельное отношение сигнал/синхронная помеха не зависит от мощности источника излучения и определяется усредненным по частоте отношением сигнал/синхронная помеха.

3. Алгоритм оперативной оценки полезного сигнала, заключающийся в определении спектральных характеристик полезного сигнала на выходе ближайшего к источнику сейсмоприемника по ближним и дальним задержкам, затем через отношение найденных спектральных характеристик определяется спектр полезного сигнала и через обратное преобразование Фурье выделяется временная структура сигнала.

4. Методика управления частотой излучения группы импульсных невзрывных источников путем последовательного их включения с временным запаздыванием соответствующим периоду повторения излучаемой частоты.

5. Методика снижения вибрационных помех со стороны привода генератора заряда путем его замены на аккумуляторы и заглушкой в рабочий момент.

6.Методика снижения микросейсм путем погружения сейсмоприемников в неглубокие скважины.

Новые научные результаты

1. Впервые предложен способ воздействия на среду, отличающийся обратным направлением действия импульса силы по отношению к поверхности грунта с временным запаздыванием по отношению к деформации грунта, что позволило многократно поднять КПД источника и сохранить це­лостность поверхности грунта.

2. Впервые способ реализован в промышленном исполнении в виде импульсного электромагнитного источника возбуждения сейсмических колебаний серии «Енисей» (производитель ОАО «Енисейгеофизика»), которыми отработано за последние 10 лет около 60 тысяч погонных километров сейсмопрофилей.

3. Предложен способ оценки отношения сигнал/помеха на основе обработки сигнала первого удара путем спектрально-временных преоб­разований сигналов группы сейсмоприемников, ближайших к источнику, что позволяет оптимально оценивать количество ударов и тем самым повысить скорость разведки.

4. Предложен метод кодирования воздействия группы излучателей путем подбора времени запаздывания и формы огибающей группы импульсов излучения, и временной формы сигналов возбуждения отдельных излучателей, позволяющих эффективно возбуждать сейсмические колебания на опре­деленной глубине и в заданном спектральном окне.

5. Экспериментальными работами в различных регионах страны и раз­личными организациями подтверждена эффективность работы импульсных электромагнитных невзрывных источников с промышленным производством серии их модификаций.

Практическая значимость работы

- Разработанный способ воздействия на грунт реализован в серии из­делий «Енисей» в различных модификациях:

Изделие «Енисей» серийно выпускается предприятием «Геотехника» (г. Минусинск) с конца 70-х годов и прошло широкое апробирование в различных гео­лого-геофизических условиях в России, а также прошло испытания за рубе­жом (Франция, Индия).

- Прошел экспериментальную проверку метод возбуждения источника с работой от аккумулятора с использованием специального зарядного устройства, разработанного с участием и по техническому заданию автора.

- Способ оптимизации режимов работы сейсмического источника и их группы прошел экспериментальную проверку на испытательном полигоне ОАО «Енисейгеофизика» и вошел в техническое задание на аппаратурную реализацию.

- Внедрен в полевую практику метод работы с сейсмоприемниками, заглубленными в неглубокие скважины, что позволило существенно сокра­тить их число и существенно снизить шумовые микросейсмы.

Апробация работы

Основные результаты работы представлялись на всероссийских научно-практических конференциях – VII Международной в г. Геленжике (2005 г.), Новосибирске 2006 г. – три доклада, ежегодных Российских семинарах по сейсморазведке г. Минусинск, п. Шира 2004, 2005, 2006, 2007 гг., опубликованы в 10 журнальных статьях.

По материалам работы получено 2 патента и одно авторское свидетельство на изобретение.

Личный вклад автора

Поставлена проблема создания «умного источника», позволяющего в адаптивном режиме управлять его основными параметрами, повышающими эффективность сейсморазведочных работ с использованием источников типа «Енисей», определены физические основы действия этого типа источников в виде волнового характера взаимодействия с грунтом без его разрушения, разработаны системные модели формирования сейсмических сигналов и алгоритмы оценки отношения сигнал/шум в процессе работы, предложены и экспериментально проверены алгоритмы управления частотой излучения группы источников, предложены и экспериментально проверены методы снижения шумов путем зарядки конденсаторов источника от аккумуляторных батарей и заглубления сейсмоприемников в небольшие скважины.

Все результаты численных расчетов проанализированы автором самостоятельно, а экспериментальные полевые работы проведены под непосредственным руководством и участии диссертанта.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., проф. Шайдурову Г.Я. и научному консультанту д.т.н., проф. Ивашину В.В. за помощь в постановке проблемы и консультации по математическим моделям решения поставленных задач.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Работа содержит: 183 страниц, 68 рисунков, 4 таблиц, 7 приложений. Список литературы – 39 наименований.

Содержание работы

В первой главе изложены исходные предпосылки для диссертационного исследования, дается анализ известных разработок в области невзрывной техники сейсморазведки, описываются конструктивные особенности и преимущества разработанных при участии автора импульсных невзрывных источников «Енисей», формулируются основные научные проблемы, решаемые диссертацией.

Обычно импульсный источник поверхностного типа генерирует сейсмические волны созданием деформации грунта х при воздействии на плиту-антенну силой Р(t) (рис. 1а).

Рис. 1 а)- упрощенная принципиальная схема; б) - качественная зависимость энергии Ан неупругой и Ау упругой деформации грунта от скорости смещения Vсм

При деформации грунта энергия, поступающая от источника силы Р(t), затрачивается на уплотнение грунта (переходит в тепло) и на создание упругой части деформации, следствием которой является создание сейсмических волн различного типа: поверхностной, поперечной и продольной. Сейсмическая эффективность сейсмоисточника определяется интенсивностью продольной волны. С увеличением силы Р(t) увеличивается скорость смещения Vсм частиц в прилегающем к плите слое грунта и давление в грунте, определяющее с учетом диаметра D плиты реакцию грунта при его деформации. Известно, что при распространении сейсмической волны в грунте механические напряжения а в нем определяются скоростью Vсм и волновым сопротивлением С = V, где плотность грунта, а V  скорость распространение продольной сейсмической волны

(1)

При увеличении Vсм увеличиваются механические напряжения в грунте под плитой, что соответственно приводит к увеличению потерь на неупругие деформации грунта и снижению коэффициента преобразования энергии воздействия на грунт в энергию его упругой деформации. Графики на рис. 1 показывают качественную зависимость распределения энергии воздействия А на грунт между энергией, затрачиваемой на неупругую Ан и упругую Ау деформацию. При Vсм >(0,51) м/с существенного приращения упругих деформаций грунта не происходит, а энергия А воздействия на грунт затрачивается в основном на диссипацию при уплотнении грунта и поверхностные волны (Ивашин В.В. и др.).

Например для грунтов средней прочности, характеризуемыми параметрами = 5105 Па ( 5 кгс/см2), 2000 кг/м3 и V  300 м/с:

(2)

Важно отметить, что при увеличении прочности грунта под плитой увеличиваются , и Vр. Рациональное же значение создаваемой скорости деформации грунта при этом изменяется менее значительно и может быть принято равным ~ 0,51 м/с. По крайней мере, существенное превышение скорости Vсм1 плиты при деформации ею грунта представляется нежелательным.

Важной характеристикой сейсмоисточника, существенно

определяющей его вес и стоимость, является время деформации грунта плитой-антенной. В работе Харкевича А.А. [6] теоретически показано, что даже при деформации грунта с постоянной скоростью время формирования сейсмической волны определяется соотношением:

.

За время деформации грунта положительное значение давления в грунте под плитой уменьшается до нуля (и даже может изменить знак). Например, при D 2м и Vp 300м/с время 6, 6-10-3.

Величина и длительность прикладываемой к плите силы, в значительной мере определяющие весовые, стоимостные и эксплуатационные показатели сейсмоисточника, были положены в основу проектирования сейсмоисточников "Енисей".

Для сейсмоисточников был разработан специальный электромагнитный привод, содержащий короткоходовой электромагнит с импульсной системой возбуждения магнитного поля, обеспечивающий необходимые воздействия на плиту-антенну при высоком кпд преобразования потребляемой энергии в механическую.

Недостаточная сейсмическая эффективность разрабатывавшихся ранее и не нашедших достаточно широкого применения невзрывных сейсмоисточников обусловлена в основном тем, что они не обеспечивали эффективную передачу механической энергии двигателя в энергию упругих деформаций грунта. Например, в сейсмоисточниках типа "падающий груз" при падении ударника с высоты Н0 = (2+3) м с ускорением силы тяжести скорость воздействия на грунт Vсм ~ (6+8) м/с, при которой энергия воздействия на грунт в основном затрачивается на неупругие деформации грунта (на его уплотнение и даже разрушение). Газодинамические сейсмоисточники также воздействовали на грунт со скоростями во много раз превышающими скорости смещения [Vсм] частиц грунта при распространении сейсмической волны. В сейсмоисточниках "Сейсмодин" был применен электродинамический двигатель с рабочим ходом ~ 20-10-3 м, превышающим смещение плиты при деформации грунта в 10-20 раз. При работе сейсмоисточника основная часть механической энергии такого двигателя передается в реактивную массу (до 90-95 %), а не в энергию деформации грунта.

Отличительной особенностью источников типа «Енисей» является волновой характер воздействия на грунт, при котором первоначальное действие силового импульса направлено вверх относительно грунта, а последующий удар вниз действует на грунт с временным запаздыванием по отношению к постоянной времени пластической деформации, определяемой законом Гука.