Система геофизической разведки, использующая вибрационный источник сейсмических колебаний, который выдает составной сигнал с качающейся частотой.

1 Настоящее изобретение относится к системе геофизической разведки, в состав которой входит источник сейсмических колебаний, выдающий составной сигнал с качанием частоты в многооктавной полосе частот. Составной сигнал с качающейся частотой, выдаваемый в соответствии с изобретением, представляет собой сигналы синусоидальной или незатухающей волны(НВ), частотно-модулированные (ЧМ) качанием частоты, которое осуществляется по различным участкам полосы частот в течение одного и того же промежутка времени. Система, предлагаемая изобретением, может использоваться в морских средах или на земле и способна производить акустические передачи достаточной мощности в земные пласты с целью детализации геофизических свойств пластов на нужную глубину,обычно, в поисках доказательств наличия месторождений нефти. Акустические передачи для геофизической разведки обычно предусматривают частотную модуляцию посредством качания частоты в полосе частот, проходящей от нижней частоты и покрывающей ширину полосы, обычно, от 3 до 6 октав. Продолжительность сигнала с качающейся частотой может составлять порядка 10 секунд (например, от 5 до 20 с) и обычно повторяется по мере того, как платформа, которая движется по земле, или судно, на котором размещена акустическая передающая система, продвигается вдоль линии изыскания. Акустические сигналы, отраженные от земных пластов,принимаются гидрофоном в случае морских сред или геофоном в случае наземных изысканий. Можно также использовать совокупность подобных гидрофонов или геофонов. Сигнал регистрируется и анализируется посредством корреляционной обработки, в результате чего генерируются сейсмограммы, описывающие земные породы. Низкие частоты в передаче важны для глубокого проникновения акустических волн в землю, тогда как высокие частоты важны для разрешения границ раздела между пластами, имеющими различные характеристики распространения сигнала. Были предложены вибрационные источники сейсмических колебаний, в которых на разных участках полосы частот используются разные источники. См. Мифсуд (Mifsud.), патентUS 4,295,213, выданный 13 октября 1981 г. и Вард (Ward), патент US 4,823,326, выданный 18 апреля 1989 г. Предлагалось также передавать сигналы на различных участках полосы частот последовательно в течение последовательных временных приращений. См. Мейн (Мауnе),патент US 4,004,267, выданный 18 января 1977 г. С целью уменьшения времени качания частоты по сравнению со временем, которое требуется для последовательной передачи дискретных сигналов с качающейся частотой, также было предложено передавать эти сигналы в одно и то же время как комбинированный сигнал. Тем не 2 менее, ни разу не было предложено регулировать амплитуды сигналов с целью обеспечения равномерного спектра передаваемой энергии,иными словами, для создания акустического давления с постоянной амплитудой или спектрального уровня. Кроме того, каждый участок спектра обрабатывался по отдельности, а не как составной сигнал, проходящий по всей полосе частот. В тех случаях, когда качание частоты сигнала происходит в большой полосе частот, и сигнал генерируется единым источником, или когда для низких частот используются отдельные источники, такие источники включают в себя большие излучающие поршни (излучатели), которые могут вибрировать с большими длинами хода. Чтобы поддерживать постоянную плотность потока акустической энергии в течение качания частоты, требуется, чтобы источник был способен управлять большими физическими амплитудами движения, дабы покрывать нижние частоты полосы. Для приведения в действие вибратора при низких частотах и высоких уровнях длины хода также требуется большая мощность, что, в случае вибрационных источников с гидравлическим приводом, требует больших насосов для управления расходом жидкости с целью поддержания больших длин хода. Основной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной системы геофизической разведки и, в частности, такое усовершенствование этой системы путем усовершенствования вибрационного источника сейсмических колебаний, входящего в ее состав,чтобы составной сигнал с качающейся частотой мог передаваться с практически одинаковым энергетическим спектром (практически постоянным спектром) во всей полосе частот, образованной множественными октавами, при одновременном значительном снижении пиковой мощности (и потребности в расходе жидкости в случае гидравлических источников) и габаритов оборудования, сопряженного с источниками. Изобретение предусматривает вибрационный источник, на который подается составной сигнал с качающейся частотой, что позволяет минимизировать габариты источника и длину хода излучателя для данных частотного диапазона качания частоты и требования к акустическому уровню источника. В системе, реализующей изобретение, спектральная плотность энергии делается практически постоянной путем использования разных амплитуд для сигналов с частотой, качающейся на нижних и верхних частотах, при том, что для обеспечения составного сигнала с качающейся частотой качание частоты осуществляется с разными скоростями(имеется в виду скорость изменения частоты) в течение одного и того же промежутка времени. В частности, амплитуда сигнала с качанием частоты, которое покрывает нижний участок(приблизительно, первую октаву) полосы частот, снижена по отношению к амплитуде сигнала с качанием частоты, проходящим выше первой октавы, пропорционально квадратному корню из отношения скорости качания частоты высокочастотного сигнала с качающейся частотой к скорости качания частоты низкочастотного сигнала с качающейся частотой. Иными словами, поскольку периоды качания равны, амплитуда низкочастотного сигнала с качающейся частотой уменьшена в корень квадратный из отношения ширины полосы высокочастотного сигнала с качающейся частотой к ширине полосы низкочастотного сигнала с качающейся частотой. Ясно, что качания частоты, которые покрывают нижний и верхний участки полосы,могут изменять частоту в одном и том же направлении, скажем, в сторону увеличения или в сторону уменьшения, или же одно качание частоты может изменять частоту в сторону увеличения, тогда как другое при этом изменяет частоту в сторону уменьшения. В любом случае,составной сигнал с качающейся частотой генерируется и передается сейсмическим вибратором. Положим, например, что составной сигнал генерируется, в соответствии с настоящим изобретением, с качающейся частотой от 5 до 200 Гц. Эта полоса частот делится на две составляющие качания частоты, которые выполняются одновременно. В этом примере первая составляющая качания частоты покрывает самую нижнюю октаву от 5 до 10 Гц, а вторая составляющая качания частоты покрывает оставшийся диапазон с шириной полосы от 10 до 200 Гц. Теперь, если оба качания частоты линейны и занимают обычный промежуток времени в 10 секунд, то скорость качания частоты для первой составляющей качания частоты составляет 5 Гц/10 с или 1/2 Гц в секунду, тогда как скорость второй составляющей качания частоты составляет 190 Гц/10 с или 19 Гц в секунду. Поскольку спектральная плотность энергии, передаваемой вибратором, пропорциональна квадрату акустического давления в расчете на единицу частоты(Р 2/Гц), то чтобы достичь одного и того же нужного спектрального уровня при различных скоростях качания частоты требуются разные уровни акустического давления. Для получения равномерного спектра (практически постоянного), акустический уровень сигнала с составляющей качания частоты от 5 до 10 Гц должен быть снижен по отношению к амплитуде сигнала с составляющей качания частоты, проходящей от 10 до 200 Гц в корень квадратный из отношения ширины полосы второго качания частоты к ширине полосы первого качания частоты, т.е. в корень квадратный из 190/5 (или на 16 дБ). Поэтому для получения эквивалентного спектрального уровня, в случае единого линейного качания частоты от 5 до 200 Гц, в полосе 4 от 5 до 10 Гц потребовалась бы спектральная амплитуда приблизительно на 16 дБ выше, чем в случае составного сигнала с качающейся частотой. Поскольку возрастание смещения излучателя в пределах октавы от 10 до 5 Гц, при постоянном ускорении составляет 12 дБ, благодаря снижению на 16 дБ, достигаемому посредством вышеописанного иллюстративного вида составного качания частоты, для сигнала с качанием частоты от 5 до 10 Гц требуется меньшая амплитуда, необходимая на 10-герцевом конце качания частоты от 10 до 200 Гц. Соответственно, составное качание частоты позволяет значительно снизить максимальную длину хода, которую должен иметь вибрационный источник, и тем самым существенно уменьшить его габариты, вес и потребности во входной мощности, в то же время поддерживая постоянный спектральный уровень на нижнем конце нужного частотного спектра. Составные качания частоты не ограничиваются двумя составляющими, а также не предусматривается ограничение составляющих определенным частотным диапазоном (например, октавой). Изобретение предусматривает составной набор качаний частоты, который обеспечивает нужный спектральный уровень энергии и в то же время позволяет минимизировать габариты источника,амплитуды смещения и энергопотребление (например, насоса для обеспечения необходимого расхода жидкости). Вышеперечисленные и иные задачи, признаки и преимущества изобретения станут более очевидными из описания, приведенного ниже в совокупности с прилагаемыми чертежами. Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую систему геофизической разведки, в состав которой входит гидроакустический излучатель широкополосного акустического сигнала или вибратор, приводимый в действие составным сигналом, и приемный канал, в котором осуществляется обработка составного сигнала после его отражения от земли и пластов с целью формирования сейсмограмм, все в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 2 включает в себя график спектрального уровня составного сигнала с качающейся частотой излучателя вибрационного источника в воде, окружающей этот излучатель, выраженного в микропаскалях на герц (мкПа/Гц), и график автокорреляционной функции, которая получается из корреляционной обработки составного сигнала. Фиг. 3 представляет собой график относительных смещений излучателя для трех составляющих составного сигнала с качающейся частотой, на котором качание частоты в нижней полосе проходит от 5 до 14 Гц, а качание частоты в верхней полосе проходит от 14 до 200 Гц. График показывает относительное смещение излучателя применительно к составляющей 5 сигнала с качанием частоты в нижней полосе,составляющей сигнала с качанием частоты в верхней полосе и составному сигналу с качающейся частотой. (Смещения исчисляются относительно смещения, которое требуется для тона 10 Гц при том же уровне звукового давления). Фигура иллюстрирует первоначальную часть,составляющую 1 секунду составного сигнала с качающейся частотой, длительность которого 16 с, и показывает относительное смещение излучателя для данного уровня звукового давления, который пропорционален ускорению излучателя. Для этого составного сигнала с качающейся частотой уровень звукового давления на нижней полосе составляет квадратный корень из 14-5)/(200-14 или приблизительно 22% уровня звукового давления на верхней полосе. Поскольку уровень звукового давления пропорционален второй производной смещения, смещение излучателя на 5 Гц составляло бы 784% от смещения на 14 Гц при одном и том же уровне звукового давления. Составное качание частоты позволяет снизить смещение на нижней частоте в 0,227,84, иными словами, смещение на 5 Гц в 1,72 раза превосходит смещение на 14 Гц. В результате суммирования двух сигналов с качающейся частотой относительный пик составного смещения составляет приблизительно 1. Фиг. 4 представляет собой график расхода жидкости в м 3/c в течение всего 16-секундного промежутка времени излучения сигналов с качающейся частотой, которые изображены на фиг. 3. Фиг. 5 представляет собой кривую, показывающую расход жидкости в зависимости от времени для единого сигнала, частота которого линейно модулируется качанием частоты, которое начинается с нижней частоты и проходит по той же полосе, что и качания частоты сигналов,изображенных на фиг. 3 и 4, то есть от 5 до 200 Гц. Таким образом, фиг. 5 показывает, в сравнении с фиг. 4, что пиковый расход жидкости при наличии единого сигнала с качанием частоты от 5 до 200 Гц, происходящем в течение 16 с, более, чем на 150% превосходит пиковый расход жидкости, необходимый для излучения составного сигнала с качающейся частотой, обеспечивающего такую же спектральную энергию, который генерируется и используется в системе геофизической разведки в соответствии с изобретением. Фигуры иллюстрируют, что источник единого сигнала с качающейся частотой должен был бы быть физически больше и тяжелее, чтобы управлять расходом жидкости и обеспечивать большие длины хода, которые необходимы для обеспечения той же спектральной энергии. Фиг. 6 А и Б, соответственно, иллюстрируют кривые, аналогичные тем, что изображены на фиг. 3 и 4, показывая, что происходит при обращении направления качания частоты сигна 001274 6 ла с частотой, качающейся в верхней полосе. Здесь составное качание частоты состоит из качания частоты от 5 до 14 Гц и качания частоты от 200 до 14 Гц. Пиковые значения расхода жидкости и смещения при таком качании частоты еще меньше, чем при ранее рассмотренном составном качании частоты. (Что касается графика смещения, то амплитуда сигнала в верхней полосе столь мала, что смещения составного сигнала и сигнала в нижней полосе оказываются почти одинаковыми и накладываются друг на друга). На фиг. 1 изображены генератор 10 сигнала с частотой, качающейся в нижней полосе частот и генератор 20 сигнала с частотой, качающейся в верхней полосе частот, которые вырабатывают сигналы с частотой, качающейся,соответственно, в верхней и нижней полосах частот, амплитуды которых соотносятся как квадратный корень из отношения ширины нижней полосы качания частоты к ширине верхней полосы качания частоты или скорости качания частоты в верхней полосе к скорости качания частоты в нижней полосе. Оба сигнала с качающейся частотой являются синусоидальными сигналами с качающейся частотой, и частоты их могут качаться, например, в одном и том же направлении увеличения, как показано на фиг. 3, или в противоположных направлениях, как показано на фиг. 6. Оба сигнала с качающейся частотой запускаются одновременно по сигналу запуска сигнала с качающейся частотой, полученного от источника 12. После запуска сигналы с качающейся частотой продолжают генерироваться в течение одного и того же промежутка времени, скажем 16 с, что иллюстрируется на фиг. 3 и 6. Можно использовать обычные промежутки времени для качания частоты, составляющие от 5 до 20 с. Сигналы с качающейся частотой суммируются в суммирующей схеме 14. Выходной сигнал суммирующей схемы является как опорным сигналом, частоты которого проходят от нижнего до верхнего конца полосы (от fa до fb),так и управляющим сигналом источника 30 акустического сигнала. Этот источник может, как обычно, представлять собой гидравлический источник, имеющий в своем составе следящий клапан 32, выходной сигнал которого модулируется составным сигналом с качанием частоты от fa до fb, для создания изменений в расходе жидкости, текущей от насоса 34 через приводную полость 36 вибратора 38. Это гидравлический вибратор, в состав которого входит плита излучателя или поршень 40, которая, в случае морского источника, поддерживается в подводном положении или, в случае наземного источника, находится в контакте с поверхностью земли. Передачи излучаются в землю через воду или непосредственно и воспринимаются приемником 42 канала обработки 50 системы геофизической разведки. Приемник может представ 7 лять собой совокупность гидрофонов или геофонов с соответствующим усилением. Корреляционный процессор 44 коррелирует принимаемый сигнал, который отражается от земли и пластов с опорным сигналом с целью выработки выходного сигнала, который регистрируется,предпочтительно, для выдачи сейсмограммы исследуемой земли и пластов. Обрабатывается весь составной сигнал в течение его промежутка времени, чтобы просто и непосредственно воспользоваться преимуществами составного сигнала. При желании, нелинейность источника можно компенсировать с помощью обратной связи и других методик, известных из уровня техники. Из вышеприведенного описания следует,что была предложена усовершенствованная система геофизической разведки, в состав которой входит усовершенствованная система формирования и передачи акустических сейсмических сигналов и в которой используется составной сигнал НВ с частотами, качающимися в пределах совокупности октав, причем система позволяет значительно снизить пиковые мощности и расход жидкости, а также габариты оборудования, сопряженного с источником сейсмических колебаний. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система генерирования акустических сигналов в многооктавной полосе частот для геофизической разведки, содержащая средства генерирования первого и второго сигналов, которые изменяются синусоидально по амплитуде,частота которых качается соответственно в пределах нижнего и верхнего участков упомянутой полосы частот в течение одного и того же промежутка времени и спектральные амплитуды которых соотносятся пропорционально ширине участка полосы частот, по которому происходит качание их частоты, средство комбинирования упомянутых сигналов с целью выдачи составного сигнала с качающейся частотой, средство,реагирующее на упомянутые комбинированные сигналы, для генерирования акустического сигнала, соответствующего упомянутому составному сигналу с качающейся частотой, обладающего практически постоянным спектральным уровнем в пределах упомянутой полосы частот. 2. Система для геофизической разведки,содержащая источник акустических сигналов для излучения синусоидально изменяющихся акустических вибрационных сигналов непосредственно в земные пласты или через воду,находящуюся поверх упомянутых пластов, когда упомянутые пласты находятся в морской среде, причем упомянутый источник содержит средства генерирования первого и второго сигналов, которые изменяются синусоидально по 8 амплитуде, частота которых качается соответственно в пределах нижнего и верхнего участков упомянутой полосы частот в течение одного и того же промежутка времени и спектральные амплитуды которых соотносятся пропорционально ширине участка полосы частот, по которому происходит качание их частоты, средство комбинирования упомянутых сигналов с целью выдачи составного сигнала с качающейся частотой, средство, реагирующее на упомянутые комбинированные сигналы, для генерирования акустического сигнала, соответствующего упомянутому составному сигналу с качающейся частотой, обладающего практически постоянным спектральным уровнем в пределах упомянутой полосы частот, средство передачи упомянутого акустического сигнала в упомянутые пласты, средство обнаружения упомянутого акустического сигнала после распространения через упомянутые пласты и средство обработки упомянутых обнаруженных сигналов путем корреляции с упомянутым передаваемым сигналом для выдачи сейсмограмм исследуемых пластов. 3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что частота упомянутых первого и второго сигналов изменяется линейно на протяжении упомянутого промежутка времени и спектральная амплитуда первого сигнала уменьшена по отношению к спектральной амплитуде упомянутого второго сигнала в корень квадратный из отношения скорости изменения частоты упомянутого второго сигнала к скорости изменения частоты упомянутого первого сигнала на протяжении упомянутого промежутка времени. 4. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутый первый участок занимает приблизительно одну октаву упомянутой полосы частот, а упомянутый второй участок занимает оставшуюся часть упомянутой полосы частот, расположенную выше упомянутой приблизительно 1 октавы. 5. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что частота одного из упомянутых первого и второго сигналов качается в направлении увеличения, тогда как частота другого качается в направлении уменьшения.