CC BY
21
ГЕОФИЗИКА
УДК 550.3:550.834.24
оценка направленных свойств сложных интерференционных систем, формирующихся ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СЕйСМОРАЗВЕДОчных РАБОТ МОВ
© 2018 г. Э. С. Шестаков, Н. А. Веселов, А. В. Дашян, В. М. Наумов
Саратовский госуниверситет
Как известно, в сейсморазведке МОВ одним из основных классов помех являются низкоскоростные волны-помехи поверхностного типа. Интенсивность их особенно велика при применении широко используемых в настоящее время приповерхностных источников упругих колебаний. Для уменьшения влияния этого класса помех повсеместно используется группирование приемников упругих колебаний и очень часто - источников. Группы источников и приемников по отношению к волновому полю образуют интерференционные системы (ИС).
До середины 60-х годов прошлого столетия группирование источников и приемников было практически единственным способом селекции волнового поля по кинематическим характеристикам волн. При его реализации требовалось знание кинематических и динамических характеристик регистрируемого волнового поля, для чего практически на каждом новом объекте исследований проводились специальные опытные работы.
С внедрением в практику сейсморазведки лабораторной аналоговой и в особенности цифровой обработки утрачен интерес к оценке свойств и оптимизации характеристик повсеместно используемых интерференционных систем (ИС). В производственных организациях утрачено соответствующее программно-методическое обеспечение, опытные работы по изучению кинематических и динамических
характеристик волнового поля практически не проводятся (за исключением оптимизации параметров источника). Выбор параметров группирования источников и приемников упругих колебаний диктуется скорее технологией полевых работ, чем характеристиками поля упругих колебаний.
Кроме того, классические теории ИС, как частотная [1], так и энергетическая [2], разработаны для одиночных систем. Совместное использование группового источника и групповых приемников порождает сложные ИС. Подходы к оценке направленных свойств сложных систем начали разрабатываться в 60-е годы прошлого столетия, предлагались способы оценки их свойств, как, например, в работе [3], но интерес к этому направлению был утрачен. Более того, специалисты, выполняющие работы с применением группирования источников и приемников, даже не подозревают, что имеют дело со сложными ИС, свойства которых отличаются от свойств составляющих их одиночных систем.
На кафедре геофизики Саратовского университета в 90-е годы были начаты инициативные научно-исследовательские работы (НИР), касающиеся энергетической теории ИС. Основным побудительным моментом было не столько развитие теоретических основ сейсморазведки, сколько учебно-методические аспекты деятельности кафедры. К этим исследованиям широко привлекались студенты, при участии которых опубликованы четыре научных статьи
[4-7]. В них использовались материалы, собранные студентами на производственных практиках (проектные материалы, сейсмограммы, скоростные модели и т. п.). Полевые материалы в цифровой форме студентам ни в одной организации не предоставлялись, что исключало определение спектральных характеристик волн и использование частотной теории ИС. Энергетическая теория оперирует в пространственно-временной области, где кинематические и некоторые динамические характеристики волнового поля могут быть получены путем анализа визуализированных полевых сейсмограмм, что и предопределило выбор ее как инструмента исследований.
В этих программах по характеристикам ИС и волнового поля рассчитывалась целевая функция энергетической теории ИС - коэффициент направленного действия (КНД), представляющий собой отношение энергии сигнала некоторой волны на выходе некоторой ИС к максимально возможной энергии выходного сигнала той же волны на выходе той же системы [2]:
КНД =
Е
Е тах вых
I
Ъъ / о+М,)
г=1
ё Г
Ъъ
г=1
(1)
I / 2 № I
Использовался алгоритм расчета КНД, разработанный основоположником энергетической теории интерференционных систем Б. И. Беспятовым, изложенный в работе [2]. В основе его лежит аппроксимация сейсмических сигналов нуль-фазовым импульсом Пу-зырева (гармонический сигнал, ограниченный экспоненциальной огибающей):
/ „=. - * 2'2 „пф+¥)=. - к 2т 2 " Т)2 „П пТ+*
(2)
где I - аргумент функции (текущее время), Т - период гармонической заполняющей, у - фазовый сдвиг, к - параметр, характеризующий быстроту изменения экспоненциальной огибающей (видимую длительность импульса).
Правомерность такой аппроксимации доказана теоретически, экспериментально и эмпирически, и останавливаться на ней нет необходимости. Подставляя выражение (2) в (1) и выполняя некоторые математические преобразования, Б. И. Беспятов получил выражение для КНД в явном виде, то есть зависящее от значений запаздывания волны в различных элементах ИС и чувствительности элементов:
КНД
1
п
Ъъ
г=1
п 2 (П-1) п Ъ ъ + 2 Ъ е
г =1 1=1,г =1+1
IФ г
к2Т2 (Л11 -Мг ^2
Т
хсо„2п
(At/ -Мг Л Т
(3)
Здесь - чувствительность г -того элемента ИС, At¡, At- запаздывания сигнала на /-ном и г-ном элементах ИС.
2
вых
у.
2
эо
2
2
Совокупность значений ¡. и , которая позволяет рассчитать значение КНД, в работе [2] было предложено называть амплитудно-временным аналогом интерференционной системы (далее - АВА). В действительности АВА описывает реакцию ИС
на одну волну, сигнал которой определяется к2!2
параметром--2— , а запаздывания Ж -
относительными расстояниями между элементами системы и кажущейся скоростью этой волны.
При постановке рассматриваемых НИР первоначально было восстановлено утраченное программное обеспечение оценки направленных свойств одиночных линейных ИС на продольном профиле. Программы реализованы на персональных компьютерах и были доступны для понимания на уровне текстов. Это позволило студентам самостоятельно выполнять оценки помехоустойчивости групп приемников или источников, применявшихся в сейсмических партиях, где они проходили производственную практику, и использовать эти оценки при подготовке курсовых и дипломных работ.
Выражение (3) использовано во всех упоминаемых ниже программах. Исходными данными служили число элементов в группе, база группы (О) и распределение чувствительности (однородная группа или группа с треугольным распределением чувствительности). Длительность сигнала задавалась в долях видимого периода и составляла, по аналогии с работой [2], 2 Т*, 3 Т* или 5 Т*.
Практически сразу же встал вопрос о подходе к оценке помехоустойчивости сложных ИС, поскольку в сейсмических партиях, помимо повсеместного использования группового приема, широко применялись групповые источники сейсмических колебаний. Подход, предложенный в работе [3] и заключавшийся в перемножении значений КНД групп источников и приемников
упругих колебаний, не был теоретически обоснован. В результате поиска такого обоснования была установлена некорректность данного подхода и выработан новый, изложенный в статье [7].
Суть его сводится к тому, что интерференционные системы рассматриваются как линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции и принцип взаимности. На их основе можно построить одиночную интерференционную систему, эквивалентную по своим свойствам сложной ИС, которую далее будем именовать эквивалентной интерференционной системой (ЭИС).
Для описания ЭИС в статье [7] было предложено использовать понятие амплитудно-геометрического аналога (АГА), являющееся развитием идеи АВА. В нем, в отличие от АВА, элементы ИС характеризуются не временными запаздываниями, а относительными удалениями кото-
рые легко пересчитываются в АВА путем деления относительных удалений на кажущуюся скорость волны. Он инвариантен к характеристикам волнового поля и, следовательно, характеризует собственно ИС. На основе формирования АГА эквивалентной ИС построен алгоритм расчета КНД сложных ИС, примененный при всех упоминаемых далее программах.
Программа KND_SLIS_2D_tab_vyb ориентирована на наиболее употребительную в профильной сейсморазведке систему наблюдения: продольное 2D-профилиро-вание и линейное группирование источников и приемников (группы ориентированы вдоль линии наблюдения). Ее рабочее окно представлено на рисунке 1. Рассчитываются 48 значений параметра ^КНД как функция 48-ми фиксированных значений безразмерного аргумента О/Х* в интервале от 0,1 до 90,0 (здесь Х* - видимая длина волны). Шаг значений аргумента выбран неравномерным с тем расчетом, чтобы
л
£
I
л
«
О
Г4
I
ю
нн -1
сл
I
О
г а
«
а и о а с о
я
«
о
<и <и
т о
ю «
рц
и рц
обеспечить приближенную равномерность точек при построении графика параметра в билогарифмическом масштабе. Эта программа может быть использована для одиночной ИС: количество элементов источника задается равным 1, а база - 0 м.
В рассматриваемой системе наблюдения всем пунктам приема соответствует одна ЭИС, ее АГА рассчитывается в начальной части программы. Он может быть визуализирован в текстовом поле рабочего окна программы KND_SLIS_2D_tab_vyb в виде таблицы, как показано в верхней рамке на рисунке 1.
Результаты счета представлены в виде таблицы в нижней рамке. Отличительной особенностью программы KND_SLIS_2D_ tab_vyb является возможность расчета целевой функции для выборочных значений аргумента. Такая необходимость возникает при построении графиков при длительности сигнала, равной 5 Т*, поскольку на них отмечается значительное число локальных экстремумов, и дискретность шкалы значений аргумента, используемой при расчете таблицы, оказывается слишком высокой. Кроме того, в программу добавлена функция очистки текстового поля рабочего окна.
Программа KND_SLIS_2D_tab_vyb ориентирована на продольное 2D-профи-лирование и была неприменима в 3D-сис-темах наблюдений.
Широкое внедрение в практику сейсмо-разведочных работ 3D-систем наблюдения потребовало разработки программ оценки помехоустойчивости сложных ИС, предполагающих произвольное расположение группового источника упругих колебаний по отношению к групповому приемнику. Анализ показал, что наиболее употребительными являются ортогональные системы наблюдения типа «крест», использующие линейное группирование источников и приемников упругих колебаний. Группы источников и приемников ориентируются
вдоль линий возбуждения (ЛВ) и линий наблюдения (ЛН) соответственно.
В отличие от продольного профилирования в непродольном относительные удаления элементов интерференционной системы зависят не только от геометрии групп источника и приемников, но и от их взаимного расположения на плоскости наблюдения.
Для расчета относительных удалений задавалась система координат, ось абсцисс которой совпадала с первой линией наблюдения (ЛН1) в шаблоне расстановки, начальная точка - с первым пунктом приема на первой ЛН (ПП1), ось ординат ориентирована по направлению линии возбуждения. За положение пунктов возбуждения (ПВ) и 1111, как принято в практике сейсморазведки, принималось положение центра группы источников или приемников. Таким образом, зная параметры группирования и координаты ПВ и ПП, можно определить координаты каждого источника и каждого приемника в соответствующих группах и вычислить расстояния источник-приемник. Расстояния упорядочивались по величине, относительные удаления вычислялись как разность текущего и минимального расстояния в рассматриваемой паре ПВ-ПП.
В системе продольного профилирования график КНД дает полное представление о свойствах ИС по отношению к волнам с заданной длительностью импульса сигнала. Как было отмечено выше, при непродольном профилировании образуется столько сложных ИС, отличающихся по своим характеристикам, сколько существует пар ПВ-ПП в системе наблюдения. В 3D-сис-темах наблюдений типа «крест» количество таких систем равно числу ПП на ЛН, умноженному на число линий наблюдения, и представление результатов расчета в виде графиков КНД теряет наглядность.
Существенно более информативно представление в виде карт параметра КНД, рас-
считанного для конкретной волны, задаваемой значениями кажущейся скорости, видимой частоты и длительности импульса сигнала (в долях видимого периода). Для построения карт можно использовать любой промышленный картосоставительский пакет (в нашем случае - Surfer). Для передачи данных в программе расчета КНД должна формироваться таблица, в каждую строку которой заносятся координаты 1111 и расчетное значение параметра, таблица записывается в дисковый файл.
Рассмотренный алгоритм формирования АГА был положен в основу программы KND_SLIS_3D_file3. Рабочее окно программы представлено на рисунке 2. В последнем, помимо характеристик системы и волнового поля, для расчета удалений задаются координаты ПВ, шаг линий ЛН и шаг ПП на ЛН. Параметры волны задаются кажущейся скоростью, видимой частотой колебаний, длительностью импульса сигнала.
Параметры системы наблюдения задаются числом линий наблюдения (ЛН), шагом ЛН по оси Y, количеством и шагом ПП на ЛН. Предполагается, что группы источников и приемников - равномерные однородные линейные, ориентация групп источников и приемников - вдоль линии возбуждения (ЛВ) и ЛН соответственно. Положение группы источников задается координатами ее центра.
Результатом счета является таблица, в каждой строчке которой приводятся X-, Y-координаты 1111 и значение д/КНД для рассматриваемой волны в текстовом формате. Ее можно визуализировать в текстовом поле рабочего окна в виде групп по три колонки в каждой, но наглядность ее, как видно из рисунка 2, из-за большого объема данных невелика.
Для записи таблицы в дисковый файл задается его полное имя (полный адрес). Запись осуществляется при нажатии кнопки
«Запись файла», по ее завершении в текстовое поле рабочего окна выдается сообщение с указанием полного адреса записанного файла.
Как было сказано выше, построение карт распределения расчетного параметра выполнялось в комплексе Surfer-8, однако непосредственно использовать записанные файлы было невозможно, поскольку комплекс воспринимает информацию в числовом формате. Поэтому предварительно в комплексе Exel выполнялось преобразование файлов в числовой формат. Технология построения карт определяется Руководством пользователя комплекса Surfer, излагать его в данной статье нет необходимости. Пример карты распределения параметра д/КНД , построенной по данным, приведенным на рисунке 3, представлен на рисунке 4.
При рассмотрении карты видно, что в симметричной системе наблюдения полное представление о распределении параметра можно получить, визуализируя лишь один из квадрантов. Четко видно, что область минимальных значений (д/КНД < 0,32) располагается вдоль ЛВ, а область глобального максимума ( Л/КНД > 0,45) - вдоль ЛН с Y-координатами 2700 и 3000 м. Значения параметра достаточно большие и обеспечивают подавление волны W 1 не более чем в 3 раза в области минимума и в 2,2 раза в области максимума.
Располагая упомянутыми выше программами и имея представление о характеристиках волн-помех (кажущаяся скорость, видимый период колебаний, длительность импульса в долях видимого периода), которые могут быть определены по сейсмограмме, полученной ранее на участке работ, достаточно просто оценить возможности улучшения качества полевого материала в период проектирования. Для этого нужно рассчитать графики КНД в 2D-системах наблюдения или карты распределения это-
а\ ос
Я
а>
-а
Р
Я
о и о
№
м
К
Я
I
Я
И
ЕС
1=1 чо
(О
м тз
ё р4
к> о
00 -I
^ Программа КМО.ЗШ.ЗО.МеЗ Расчет карты подавления поверхностной Группа источников
Колмество [з База (м) [5*
Коораинаты центра группы исто*«икое ХМ |ТЖ0 У|м| [750
Группа приемников
6мН (Тв"
Ко/мчестео [12
Параметры системы наблюдения
Число мабжют« [3
Шаг ггчлА наб/пония (м)
(эоо~
Число пустое приема на л—ч найлюае»*«в
Шаг пустое приема по пл**л маблкае»*« 1м|
300
Параметры волны
Д<*<тельмость импульса Пузырем
а гт- г зт-_г_
Ви««>мя частата (Гц) рэо Кажущееся скорость (м/с) [ЭСС
5Т"
Расчет КНД
Визуализация КЛД
Пp^•*ep м^екм D:\VB _да»»«>1е\ |0ЛУ8 _даг*1ые\Про6а_фамяЗ
По/мое имя Файла
Запись файла
0<мстигь текстовое поле
помехи сложной ИС в ЗР системе наблюдения типа 'крест*_____
Параметры во*»*< <* • 30 (Гц). V* - 300 |м/с1 дл»*«а волны • 10 (м) Длительность мипульса - 2 Т"
супах * 36
ЛН 1 ПП 1 ОИж» -1544.345 оН • Ж Ье: - 27,39
ЛН 1 ПП 2 ОИ:е» -1290.349 • 36 Ьм - 28.597
ЛН 1 ПП 3 0»«< • 1060.66 че! • 36 Ью- 29.698
ЛН 1 ПП 4 ОШе» • 874.643 ое! > 36 Ье» • 29.841
ЛН • ПП 5 0»«< • 764 853 34 Ь«- 26.675
ЛН 2 ПП 1 0»$«» • 1423.025 • 36 Ье5 = 24.665
ЛН 2 ПП 2 ОШе» - 1142.366 • 36 Ье: -25.998
ЛН 2 ПП 3 0И«Ч - 874 643 че! - 36 Ье» • 27.782
ЛН 2 ПП 4 ОН:* ■ 636.396 ое1 • 36 Ье: - 29.698
ЛН 2 ПП 5 ОН»» •474 342 <*1- 36 Ье: - 28.459
ЛН 3 ПП 1 01»*« • 1358.308 -36 Ье: -20.54
ЛН 3 ПП 2 0И$е< • 1060,66 <*)- 36 Ье: • 21,212
ЛН 3 ПП 3 0»*е< • 764 853 че! • 36 Ье» • 22.355
ЛН 3 ПП 4 ОН:* • 474 342 че! • 36 Ье»- 24.662
ЛН 3 ПП 5 0»»«« ■ 212 .132 <*!• 36 Ье»- 29.697
Таблица КНД рассмтама
Параметры систем*.! иаблклемия
Число ЛН -3 Шаг ПН (м] - 300
Параметры груггы исто^кое
Число исто<*«*.ов в трупе • 3 База грутгы (м) • 24
Коорйтатм центра групгы источ»«*ов М X » 1350 У «750
Параметры групг** приб**««ое
Число СП о группе "12 Базагруты(м)- 18
Параметры во/**/
Виа»«<«я частота (Гц) - 30 V* |м/с| ■ 300
«■••••••••••••••••••■■••••••»••••■■•••••••»•■•••••——-—•—-а——■•——«-•••■•■••»••—••••••—
М:ППхППМ ЛН-1 ЛН-2 ЛН-3
И
о е к
к
Я >
001 0000.0 0.0734 0.0692 0.1243
002 0300.0 0.0687 0.0660 0.1138
003 0600.0 0.1265 0.0743 0.0950
004 0900.0 0.0938 0.1265 0.0693
005 1200.0 0.4841 0.3413 0.1262
««•••■■■•■■•■■•я
9ЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯШЯЯЯ»ЯЯ»ЯЯ»ЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯ»Я»ЯЯ»ЯЯ»»Я»ЯЯЯЯЯЯЯЯЯ
Загмсаифайл
О \У8_д»иые\Лроба_ФайлЗ м
Рис. 2. Рабочее окно программы ЮЧВ_8Ы8_ЗВ_ШеЗ
Рис. 3. Волна \¥ 1. Карта распределения параметра Ч'КНД по полному полю темплейта
Рис. 4. Рабочее окно программы KND 2D комплекса CaDiFactor
Рис. 5. Рабочее окно программы KND_3D комплекса CaDiFactor
Рис. 6. Рабочее окно программы GraphLogSoft (сигнал т = 3 Т*)
го параметра для разных параметров группирования источников/приемников и выбрать оптимальный вариант с точки зрения
помехоустойчивости, технологичности полевых наблюдений и технических возможностей исполнителя работ.
Упомянутые выше программы KND_ SLIS_2D_tab_vyb и KND_SLIS_3D_file3 решают задачи, для которых они разрабатывались, но имеют ряд недостатков. Основным из них является низкий уровень интерфейса, что ограничивает их промышленное использование при решении реальных задач в процессе выполнения сейсмо-разведочных работ. Поэтому в 2017 году одним из авторов данной статьи (Н. А. Ве-селовым) был разработан программный комплекс CaDiFactor (software complex for Calculation of the Directivity Factor - программный комплекс расчета коэффициента направленного действия), который объединил в себе функции программ KND_ SLIS_2D_ и KH^SLIS_3D_file3, поскольку обе программы имели общую основу, аналогичный интерфейс и сходные алгоритмы расчета. Обе программы были оформлены как вкладки-программы единого начального рабочего окна - KND 2D (рисунок 4) и KND 3D (рисунок 5).
В дополнение к реализованному комплексу была разработана программа Graph-LogSoft, позволяющая строить графики КНД на билогарифмическом бланке с дальнейшей их распечаткой на принтере. Рабочее окно программы показано на рисунке 6. Ее создание позволило включить в интерфейс программы комплекса CaDiFactor функцию записи результатов счета в дисковый файл в текстовом формате. При построении графиков в программе GraphLogSoft реализовано изменение масштабов и подписей по обеим осям координат, использование интерполяционного сглаживания.
CaDiFactor и GraphLogSoft были написаны на C# - объектно-ориентированном языке программирования. Разработанные программы были реализованы в системе Windows Presentation Foundation (WPF), используемой для построения клиентских приложений Windows. Использование C#
обусловлено тем, что данный язык более современен, чем Visual Basic, имеет более удобный синтаксис и больше дополнительных возможностей. Реализация в системе WPF помогла в создании более высокоуровневого и приятного на вид интерфейса с рядом вспомогательных возможностей, облегчающих работу с программами.
Таким образом, можно констатировать, в ходе выполнения инициативных НИР получены следующие результаты:
- предложен и обоснован подход к оценке помехоустойчивости сложных интерференционных систем, образующихся при одновременном применении нескольких одиночных ИС, заключающийся в замене сложной ИС одиночной, эквивалентной ей по своим свойствам (ЭИС);
- предложено использовать для описания ИС понятие амплитудно-геометрического аналога (АГА), где каждый элемент ИС характеризуется относительным удалением и чувствительностью;
- АГА инвариантен к характеристикам волнового поля, легко пересчитывается в амплитудно-временной аналог, необходимый для расчета КНД путем деления относительных удалений на величину кажущейся скорости рассматриваемой волны;
- в основе такой замены лежит расчет амплитудно-геометрического аналога ЭИС;
-разработан алгоритм расчета КНД в наиболее употребительной 2D-системе наблюдений - продольное профилирование с использованием линейных групп источников и приемников упругих колебаний, ориентированных вдоль линии профиля;
- разработан алгоритм расчета КНД в наиболее распространенной 3D-системе наблюдений типа «крест» с использованием линейных групп источников и приемников упругих колебаний, ориентированных вдоль линий возбуждения и наблюдения соответственно;
- разработана методика представления КНД в 3D-системах наблюдения в виде карт распределения параметра для каждой из выделенных волн-помех;
- разработано программное обеспечение для расчета графиков и карт КНД в вышеупомянутых системах наблюдений;
- разработана программа построения графиков КНД в билогарифмическом масштабе.
Л и т е р а т у р а
1. Гольцман Ф. М. Основы теории интерференционного приема регулярных волн. - М.: Наука, 1964. - 284 с.
2. Беспятов Б. И. Методические основы повышения эффективности сейсморазведки методом отраженных волн (на примере Нижнего Поволжья) // Труды НВНИИГГ. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 1972. - Вып. 16. - 266 с.
3. Дикгоф Ю. А. Методика выбора оптимальных баз при совместном группировании сейсмо-приемников и зарядов // Аппаратура, методика и интерпретация геофизических наблюдений. - Казань: изд-во Казан. ун-та, 1965. - С. 71-88.
4. Шестаков Э. С., Дмитриев М. А. О группировании сейсмоприемников в системах наблюдения способа широкого профиля // Вопросы методики и результаты интерпретации геофизических наблюдений в Нижнем Поволжье. Межвузовский научный сборник. - Саратов: изд-во Сарат. унта, 1987. - Ч. 1. - С. 15-25.
5. Шестаков Э. С., Шаманов А. В. О влиянии формы импульса и аддитивного фона случайных помех на КНД линейных продольных стационарных интерференционных систем // Недра Поволжья и Прикаспия. - 2002. - Вып. 29. - С. 39-44.
6. Шестаков Э. С., Игонин Д. В., Шаманов А. В. К вопросу о влиянии аддитивной случайной помехи на характеристики интерференционных систем при использовании ЛЧМ зондирующих сигналов // Недра Поволжья и Прикаспия. - 2003. - Вып. 34. - С. 49-54.
7. Власов С. С., Муравьев И. А., Шестаков Э. С. Оценка свойств сложных интерференционных систем в рамках энергетической теории // Недра Поволжья и Прикаспия. - 2008. - Вып. 56. -С. 65-74.
