Научная статья на тему 'Попытка локализации наведенных сейсмических границ в ближней зоне мощного виброисточника'

Попытка локализации наведенных сейсмических границ в ближней зоне мощного виброисточника Текст научной статьи по специальности «Геология»

75
30
Поделиться
Журнал
Физическая мезомеханика
ВАК
RSCI
Область наук

Аннотация научной статьи по геологии, автор научной работы — Геза Н. И., Егоров Г. В., Сапрыкин И. В., Юшин В. И.

Выполнен комплекс экспериментов по локализации неустойчивых сейсмических границ, наблюдаемых при акустическом просвечивании рыхлой среды, подвергаемой динамическому нагружению. Проведены эксперименты по проверке корректности применяемых методик и аппаратуры акустического просвечивания. В частности, экспериментально установлено, что 1) импульсное и непрерывное квазигармоническое зондирование при использовании одного и того же источника колебаний дает идентичные результаты (что позволяет корректно сопоставлять сейсмограммы, получаемые этими двумя типами зондирующих сигналов); 2) при условии безотрывности платформы поверхностного источника колебаний от грунта генерируемые им импульсные воздействия типа нагрузки-сжатия и типа разгрузки-разрежения дают совершенно идентичные сейсмограммы противоположной полярности, что свидетельствует о линейности зондирования, то есть процесс акустического зондирования в данных экспериментах сам по себе не порождает нелинейных эффектов. Межскважинными просвечиваниями выявлена значительная скоростная неоднородность просвечиваемого блока, скорости продольных волн в котором изменяются от 330 до 470 м/с. Исследование волнового поля при межскважинном просвечивании выявило существенное отрицательное влияние трубных волн, как бегущих, так и стоячих. Установлено, что бегущие и стоячие волны в одной и той же скважине возникают одновременно, но имеют различный спектральный состав и декремент затухания. Выявленная при динамическом нагружении среды наведенная граница не соответствует ни одной из сейсмических границ, наблюдаемых при просвечивании невозмущенной среды, но попадает в область коды трубных волн. Таким образом, природа наведенных границ остается по-прежнему до конца нераскрытой.

Localization of induced seismic boundaries in the nearest vicinity of a powerful vibration source

We have performed a set of experiments on the localization of unstable seismic boundaries observed due to acoustic measurements of a loose medium under dynamic loading. The correctness of used procedures and acoustic equipment is experimentally tested. Thus, we have found that 1) at the same vibration source pulse and continuous quasi-harmonic sounding provides identical results (which allows a correct comparison of seismograms obtained by these two types of sounding signals); 2) assuming that the surface source platform maintains a continuous contact with ground, generated impulses of load-compression and unload-rarefaction types provide absolutely identical seismograms of opposite polarity. This bears evidence of the sounding linearity, i.e., in such experiments an acoustic sounding process induces no nonlinear effects by itself. Crosshole acoustic measurements are used to reveal a considerable velocity heterogeneity in the studied block, where velocities of longitudinal waves vary from 330 to 470 m/s. Crosshole acoustic measurements of the wave filed discover a sufficient negative influence of both standing and traveling tube waves. They are found to appear simultaneously in the same borehole and have different spectral composition and damping constants. The boundary induced by dynamic loading of the medium corresponds to none of seismic boundaries observed at acoustic measurements of an undisturbed medium and however it falls within the region of the tube wave coda. Thus, the nature of induced boundaries is still obscure.

Похожие темы научных работ по геологии , автор научной работы — Геза Н.И., Егоров Г.В., Сапрыкин И.В., Юшин В.И.,

Текст научной работы на тему «Попытка локализации наведенных сейсмических границ в ближней зоне мощного виброисточника»

Попытка локализации наведенных сейсмических границ в ближней зоне мощного виброисточника

Н.И. Геза, Г.В. Егоров, И.В. Сапрыкин, В.И. Юшин

Институт геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия

Выполнен комплекс экспериментов по локализации неустойчивые сейсмических границ, наблюдаемые при акустическом просвечивании рыелой среды, подвергаемой динамическому нагружению. Проведены эксперименты по проверке корректности применяемые методик и аппаратуры акустического просвечивания. В частности, эксперименталыно установлено, что

1) импулысное и непрерывное квазигармоническое зондирование при исполызовании одного и того же источника колебаний дает идентичные резулытаты (что позволяет корректно сопоставляты сейсмограммы, получаемые этими двумя типами зондирующих сигналов);

2) при условии безотрывности платформы поверхностного источника колебаний от грунта генерируемые им импулысные воздействия типа нагрузки-сжатия и типа разгрузки-разрежения дают совершенно идентичные сейсмограммы противоположной полярности, что свидетелыствует о линейности зондирования, то есты процесс акустического зондирования в данные экспериментах сам по себе не порождает нелинейных эффектов.

Межскважинными просвечиваниями вышвлена значителыная скоростная неоднородносты просвечиваемого блока, скорости продолыных волн в котором изменяются от 330 до 470 м/с. Исследование волнового поля при межскважинном просвечивании вышвило существенное отрицателыное влияние трубныгх волн, как бегущих, так и стоячих. Установлено, что бегущие и стоячие волны в одной и той же скважине возникают одновременно, но имеют различный спектралыный состав и декремент затухания. Вышвленная при динамическом нагружении среды наведенная граница не соответствует ни одной из сейсмических границ, наблюдаемые при просвечивании невозмущенной среды, но попадает в областы коды трубных волн. Таким образом, природа наведенных границ остается по-прежнему до конца нераскрытой.

1. Введение

Эффектом наведенных границ названо явление аномально высокой чувствителыности некоторых сейсмических границ к интенсивному динамическому воздействию [1]. Этот эффект был обнаружен при исследовании вариаций акустических параметров рыхлой среды под воздействием пулысирующего (вибрационного) динамического нагружения. В частности, он может прояв-лятыся как возникновение/исчезновение или раздвоение/ слияние некоторого сейсмического импулыса в разных фазах циклического динамического нагружения. Под фазами нагружения понимаются мгновенные относи-телыные значения напряженно-деформированного состояния среды, вызванные искусственным пулысиру-ющим воздействием, такие как максималыное и мини-малыное сжатие (разгрузка), максималыные скорости нагрузки/разгрузки и все промежуточные состояния. В наших экспериментах [1] мы делили полный цикл сину-

соидалыной нагрузки/разгрузки на 15 или 16 равноотстоящих по аргументу синуса фаз и в каждой из этих фаз получали сейсмограмму акустического просвечивания нагружаемой среды. Технологический процесс, в результате которого вместо одной обычной сейсмограммы получается семейство сейсмограмм, соответствующее всем фазам нагружения, мы назвали расщеплением сейсмограмм по фазам динамической нагрузки. Оригиналыный метод, с помощыю которого оказалосы возможным получаты расщепленные по фазам нагрузки сейсмограммы, основан на совмещении методов вибрационного сейсмозондирования и стробоскопирова-ния и потому назван корреляционно-стробоскопическим [1, 2]. Эксперимент по получению расщепленных сейсмограмм состоит в одновременном воздействии на изучаемую среду мощного низкочастотного сейсмического вибратора и системы высокочастотного геоакусти-ческого просвечивания на непрерывных колебаниях.

© Геза Н.И., Егоров Г.В., Сапрыкин И.В., Юшин В.И., 2002

Ввиду особых требований к датчикам акустического сигнала (в частности, обычные сейсмоприемники для этой цели непригодны), а также большого объема первичной измерительной информации и высокой вычислительной трудоемкости последующей корреляционностробоскопической обработки реально можно получать этим методом только отдельные сейсмические трассы (а не все волновое поле). Априори несомненно, что среда под платформой мощного стационарного вибратора отличается от прилегающих областей вследствие длительного воздействия интенсивных вибраций. Поэтому для интерпретации полученных результатов, а именно, локализации обнаруженных эффектов в просвечиваемом пространстве, необходимо провести детальное сейсмическое исследование волнового поля обычными методами.

Объектами исследования в настоящей работе являются массив грунта в окрестности 30-тонного стационарного вибратора, а также сейсмогеологическое строение среды, в которой обнаружен вышеупомянутый эффект.

2. Методика и результаты сейсмоакустического исследования

На рис. 1 представлена схема просвечиваний блока среды под платформой сейсмического вибратора. Просвечивание выполнялось как по горизонтальным, так и по вертикальным профилям. Вертикальные профили простреливались по 4 скважинам, пробуренным с разных сторон вибратора. Глубина скважин от 7 до 12 м. Горизонтальные профили были проведены вкрест: один пересекал ближнюю зону сейсмовибратора, другой был направлен в сторону от вибратора. Источник просвечивающих колебаний — поверхностный пьезокерамический излучатель.

Просвечивание по вертикальным профилям выполнялось как с помощью поверхностного, так и с помощью скважинного пьезокерамических источников. Оба источника могли работать как в импульсном режиме излучения (при приеме выполнялось синхронное накоп-

Скальный фундамент

Рис. 1. Схема просвечиваний ближней зоны 30-тонного вибратора

ление импульсных воздействий), так и в вибрационном свип-режиме (с восстановлением импульсных сейсмограмм путем корреляционного преобразования по методу «вибросейс»). Импульсный метод использовался в случаях, когда было важно выделить слабые первые вступления, особенно при межскважинном просвечивании, вибрационный — при необходимости добиться максимального отношения сигнал/шум в экспериментах, когда просвечивание сопровождалось низкочастотными колебаниями мощного вибратора. При этом, если требовалось еще и выделить вариации волнового поля, вызванные вибратором, применялся корреляционностробоскопический метод, позволяющий расщепить каждую трассу сейсмограммы по фазам динамического воздействия. Подробно об этом методе сказано в [1].

Для того чтобы можно было корректно сопоставлять результаты просвечиваний, полученные при импульсном и непрерывном квазигармоническом зондировании, необходимо было убедиться, что оба метода в равных условиях дают абсолютно идентичные волновые поля.

Здесь необходимо сделать одно важное замечание. В проведении экспериментов методом «вибросейс» в сейсморазведке накоплен огромный опыт. Как известно, «вибросейс» в настоящее время практически вытеснил взрывные методы как по экологическим, так и по экономическим причинам. Разумеется, сравнение сейсмограмм, полученных «вибросейсом», и взрывных сейсмограмм проводилось неоднократно многими сейсморазведчиками. Как правило, отмечалось, что все основные отражающие границы выделяются обоими методами, но полной идентичности формы каждого отдельного волнового импульса, особенно в самой начальной части сейсмограммы, пока что никому добиться не удавалось. Это можно объяснить как нелинейными явлениями при взрыве, так и тем, что источник взрыва находится в скважине, а вибратор — на поверхности, и ожидать идентичности зондирующих сигналов от них при любых ухищрениях с помощью фильтрации и других приемов обработки не следует. Тем не менее, среди практиков укрепилось убеждение, что эта неидентич-ность является какой-то принципиальной особенностью вибросейсмического метода. Поскольку при изучении нелинейных эффектов приходится сопоставлять весьма тонкие изменения в волновых импульсах, полученных разными типами зондирующих сигналов, необходимо было отсеять сомнения в корректности таких сопоставлений. С этой целью мы провели сравнительное исследование результатов просвечивания обоими типами зондирующих сигналов одним и тем же источником на одном и том же профиле.

2.1. Сравнение импульсного и вибрационного способов сейсмического просвечивания

Источником служил вертикальный поверхностный пьезокерамический излучатель, установленный у устья

-200

-400

-600

-800

Рис. 2. Сравнение импульсных (тонкие линии) и вибрационных (жирные линии) акустосейсмограмм на вертикальном профиле в скважине 2

скважины 1, прием осуществлялся на вертикальном профиле в скважине 2. На рис. 2 показаны с наложением друг на друга сейсмограммы обоих просвечиваний. Несущественные расхождения в сейсмограммах связаны с тем обстоятельством, что датчики при переходе с одного метода зондирования на другой устанавливались заново, то есть возможны были некоторые отклонения от их местоположения. В случае же неизменности местоположения датчика сейсмограммы получаются одинаковыми, за исключением, разумеется, появления теоретически обусловленных небольших боковых лепестков у волновых импульсов, полученных из непрерывных колебаний и остатков внешнего шума. Таким образом, этим экспериментом мы доказали, что если при импульсном и непрерывном зондировании используется один и тот же источник, то и результаты получаются идентичными — в полном согласии с теорией. Полагаем, что этот попутный результат важен также с точки зрения экспериментального подтверждения теоретических основ вибрационного сейсмозондирования.

2.2. Сравнение импульсных сейсмограмм, полученных с помощью импульсов сжатия и разрежения

Второй попутно полученный результат, важный с общетеоретической точки зрения, касается идентичности сейсмограмм, полученных с помощью импульсов сжатия и импульсов разрежения. Этот вопрос возник при интерпретации волнового поля на горизонтальном профиле, когда мы попытались привлечь для анализа траектории смещения частиц в тех или иных волновых импульсах, как это обычно делается в сейсмометрии. Для этого, прежде всего, была экспериментально установлена полярность каждого импульсного воздействия и знак «первого движения» реакции сейсмоприемников на воздействие заданной полярности. Регистрация про-

водилась с помощью вертикальных и горизонтальных сейсмоприемников (Х-ориентации). Поскольку в каждом сеансе накоплений импульсы положительной и отрицательной полярности чередовались (особенность пьезокерамического излучателя), то мы имели возможность, суммируя раздельно все положительные и все отрицательные воздействия, сравнить полученные результирующие сейсмограммы. Оказалось, что совпадение тех и других (с учетом инверсии) было практически идеальным: после суммирования обеих сумм оставался только шумовой фон без следов регулярного сигнала. Единственная точка, где вертикальный сейсмоприемник регистрировал существенное отличие положительного и отрицательного воздействия, находилась в непосредственной близости от платформы пьезоизлучателя, но там и сами колебания были слишком велики для их линейной регистрации обычным сейсмоприемником. Этот эксперимент показал, что источник зондирующих колебаний работает в линейной области деформаций среды и, следовательно, сам по себе не порождает нелинейных эффектов. Значит, те нелинейные эффекты, которые мы наблюдаем (изменения скорости, затухания и появление наведенных границ), связаны с динамическим воздействием на среду другого, значительно более мощного источника — сейсмического вибратора.

2.3. Результаты поверхностного зондирования

На рис. 3 представлены с наложением друг на друга сейсмограммы волновых полей Zz и Zx по поверхностному профилю П1 (в направлении от вибратора). Анализ такой совмещенной записи позволяет легче распознать разные типы волн по траекториям движения частиц почвы. В частности, видно, что на сейсмограмме присутствуют как Р-, так и S-волны. В области первых вступлений и продольных волн (рис. 3) мы наблюдаем

40 80 120 160

Время, мс

Рис. 3. Горизонтальный профиль П1: компоненты 2 — жирные трассы, X — тонкие трассы

следующую картину. В первом вступлении находится прямая слегка рефрагированная волна с кажущимися скоростями от 315 м/с на начальном участке профиля до 370 м/с — в конце. Средняя скорость на всем интервале наблюдения — 340 м/с.

В прямой волне мы наблюдаем еще один весьма интересный эффект — инверсию фазы смещения частиц. Выше мы упоминали, что сейсмограмма на рис. 3 приведена в полярности, соответствующей воздействию типа импульса сжатия, когда платформа источника ударяет по грунту сверху вниз. Естественно, что вертикальный датчик, стоящий непосредственно рядом с платформой, должен зарегистрировать первое движение также вниз, т.е. отрицательный сигнал. Но до профильных датчиков волна должна добежать как волна сжатия и, следовательно, они должны откликнуться положительным сигналом. Значит, на каком-то расстоянии от источника должна произойти инверсия фронта сигнала. Именно этот эффект мы и наблюдаем в первых вступлениях между датчиками, стоящими на расстоянии 1 и 2 м от платформы вибратора. Первый движется вместе с платформой источника, а второй и все последующие уже реагируют на порожденную платформой волну сжатия. Здесь, кстати, можно отметить, что аналогичную картину мы наблюдаем и при изучении волнового поля ближней зоны мощного вибратора, только в этом случае граница инверсии проходит на расстоянии около 5 м от края платформы.

Далее на сейсмограмме (рис. 3) видны две четких Р-волны, отраженных от горизонтальных границ, с временами выхода вертикальных лучей 50 и 75 мс. Первую из них мы относим к верхам водоносного горизонта, который здесь находится на глубине 8-9 м (уровень колеблется), что подтверждено бурением и последую-

щими межскважинными просвечиваниями. Это соответствует средней скорости Р-волн около 320-340 м/с и подтверждается скважинными наблюдениями. Вторая отраженная Р-волна, исходя из априорных геологических данных, скорее всего, порождена поверхностью выветрелого фундамента, глубина залегания которого составляет по разным оценкам от 16 до 40 м. Уточнить положение фундамента в зоне экспериментов помогло последующее межскважинное просвечивание, которое позволило определить скорость Р-волн ниже водоносного горизонта (1 900 м/с). Опираясь на это значение скорости, по разности времен выхода на поверхность отраженных от воды и фундамента волн (15 мс) можно судить о глубине залегания последнего — 14 м ниже воды, или 22-23 м ниже дневной поверхности.

Четкая SV-волна, характеризующаяся поперечными лучу траекториями движения почвы, выходит на дневную поверхность лишь на расстоянии 11 м от источника. По-видимому, это та же самая граница, от которой мы наблюдаем первую отраженную Р-волну. Ее максимальная фаза на этом расстоянии соответствует времени пробега 140 мс. Пятиметровый интервал (11-16 м) S-волна пробегает за 8.5 мс, что соответствует кажущейся скорости ~ 590 м/с. Средняя скорость S-волны в верхнем девятиметровом слое, рассчитанная по вертикальному лучу, — 130 м/с.

Никаких существенных отличий от сейсмограмм профиля П1 на доступном для наблюдений участке профиля П2 не обнаружилось. Таким образом, горизонтальные поверхностные профили не выявили каких-либо признаков особенного строения среды под вибратором в отличие от естественной. Тем не менее, поверхностные профили дали важную информацию об общем сейсмогеологическом строении района экспериментов,

Рис. 4. Волновое поле (а) при межскважинном просвечивании из скважины 3 в скважину 4 при параллельном смещении источника и приемника; средняя скорость прямой Р-волны в зависимости от глубины по результатам просвечивания (б). Метки на сейсмограмме проставлены в точках первых вступлений, выделенных при большом усилении

наличии двух отражающих границ, одна из которых проявляется и на поперечных волнах. Более детальные поверхностные исследования в настоящее время невозможны из-за серьезной поломки поверхностного пьезокерамического источника.

2.4. Результаты межскважинного просвечивания подвибраторной зоны

Первые скважинные исследования мы проводили с помощью поверхностного источника по методике вертикального сейсмического профилирования. Именно в этих экспериментах были обнаружены многие нелинейные эффекты, в том числе наведенные границы, возникающие при воздействии на среду мощных вибраций. Для межскважинного просвечивания был разработан скважинный пьезокерамический источник. Источник представляет собой смонтированный в пластиковой герметизированной маслонаполненной трубе блок цилиндрических пьезокерамических элементов радиальной поляризации. При проведении эксперимента он опускается в скважину, заполненную водой или керосином, и под действием электрического напряжения генерирует волны давления соответствующей формы. Как и поверхностный источник, он способен работать как в импульс-

ном, так и в непрерывном режимах с заданной внешним генератором разверткой частоты (свип-сигналом).

Следует заметить, что первоначально мы располагали двумя давно пробуренными 7-8-метровыми скважинами. Затем были пробурены две новые более глубокие (12-метровые) измерительные скважины. По счастливому стечению обстоятельств, эти скважины были пробурены совсем рядом со старыми (если бы это было по-другому, вряд ли бы мы нашли причину одного из непонятных поначалу явлений, о чем скажем ниже). Просвечивание с помощью скважинного источника и датчиков давления сначала выполнялось в новых 12метровых скважинах. Использовались всевозможные системы наблюдений: параллельное просвечивание, когда источник и приемник перемещаются в разных скважинах, оставаясь всегда на одинаковых глубинах; методика ОТВ (общая точка взрыва) с пунктами возбуждения на глубинах 2, 4, 6, 8 и 10 м (источник — в скважине 3, приемник — в скважине 4); источник и приемник в одной и той же скважине и др., всего 12 различных систем наблюдений и перекрестных просвечиваний.

На рис. 4 приведена сейсмограмма межскважинного просвечивания из скважины 3 в скважину 4 (рис. 4, а) и скоростной разрез, полученный по результатам анализа

Усиление 1 Усиление 10

Рис. 5. Первые вступления и трубные волны в скважине 4 от источника в скважине 3 на глубине 9.8 м

первых вступлений этой сейсмограммы (рис. 4, б). Просвечивание выполнялось по методу параллельного смещения источника и приемника. Волновое поле характеризуется нечеткими, очень слабыми первыми вступлениями, особенно в верхней части разреза и внезапно возникающими интенсивными многофазными колебаниями — в последующей части. Местоположение первых вступлений можно зафиксировать только при большом усилении, при котором остальная часть сейсмограммы становится нечитаемой. Поэтому сейсмограмма на рис. 4, а представлена в амплитудном масштабе, удобном для обзора большей части волнового поля, а на временах первых вступлений рукой интерпретатора нанесены метки. При этом надо учесть, что источник в силу относительно больших габаритов мог смещаться только в диапазоне от 2 до 9.8 м, а приемник смещался на всю глубину приемной скважины. Поэтому

волновое поле характеризуется тремя участками: верхний (от 0.5 до 2 м) соответствует методу ОТВ с фиксированным источником на глубине 2 м, средний (от 2 до ~9 м — методу параллельного смещения и нижний (от 10 до 12.5 м) — ОТВ с фиксированным источником на глубине 9.8 м.

В нижней части волнового поля видны мощные четкие вступления на временах около 3.6 мс, что соответствует скорости пробега прямой волны между скважинами на глубинах свыше 9 м около 1 900 м/с. На этой глубине находится водонасыщенный слой рыхлых отложений, вскрытый скважинами. На глубине 15-40 м должен находиться скальный фундамент, но скважины не достают до него, и точное его положение пока будем считать неизвестным. Несомненно, должна существовать отраженная от фундамента восходящая волна, и если судить по сейсмограмме (рис. 4, а), единственная

Усиление 1 Усиление 10

Рис. 6. Трубные волны в скважине 4 от источника в скважине 3 на глубине 2 м

Рис. 7. Сравнение сейсмограмм межскважинного просвечивания по старым (а) и новым (б) скважинам

волна, которая может претендовать на эту роль, — это волна, вступающая на нижней трассе на рис. 4, а на времени 35 мс. Однако она характеризуется слишком низкой кажущейся скоростью 330 м/с. Похожая, но более прозрачная, картина волнового поля наблюдается на сейсмограмме просвечивания на рис. 5. В этом эксперименте источник был зафиксирован на максимально возможной глубине 9.8 м в скважине 3, прием сигнала выполнялся по всему стволу скважины 4. Для удобства обзора сейсмограмма представлена фрагментарно в двух амплитудных масштабах, различающихся в 10 раз: 10-кратно увеличены амплитуды «хвостовой» части, начиная с времени пробега 110 мс, и область первых вступлений от нуля времени до, приблизительно, конца самого первого периода колебаний (только для трасс, относящихся к заглублениям приемника от 0.5 до 7.5 м).

На рис. 6 представлена аналогичная сейсмограмма при фиксированном источнике на глубине 2 м. Отличие ее параметров от сейсмограммы на рис. 5 только в том, что область первых вступлений не увеличена, и, стало быть, на всем интервале от 0 до 110 мс отображено истинное соотношение амплитуд. Местоположение первых вступлений, которые при таком усилении не видны, помечено метками.

Характерная особенность всех сейсмограмм меж-скважинных просвечиваний, примерами которых явля-

ются рис. 5 и 6, — наличие интенсивных многократно отраженных волн с кажущейся скоростью около 330340 м/с и совершенно прямолинейными осями синфаз-ности. Эти волны возникают как бы «из ничего» на временах 30-40 мс, то есть через 10-20 мс после прихода первых вступлений (прямых волн), как очень слабые колебания на ближайшем к источнику участке скважины; но по мере распространения по скважине они возрастают по амплитуде в несколько раз и начинают медленно затухать лишь после отражения от края скважины, «на обратном ходу», независимо от того, пошла волна сначала вверх, как на рис. 5, или вниз, как на рис. 6. Самый яркий их признак — исключительно хорошая преемственность соседних каналов и постоянство кажущейся скорости (прямолинейность годографов). Спектральный анализ и полосовая фильтрация показывают, что одновременно возбуждаются два типа волн. Первые относятся к начальной части сейсмограммы, имеют эффективную полосу частот 160-300 Гц и затухают, успев пробежать по всей длине приемной скважины 1-2 раза. Вторые характеризуются на порядок меньшей амплитудой, очень стабильной частотой, зависящей только от параметров скважины (для 12-метровой — 88 Гц, для 7-метровой скважины 2 — 205 Гц). Эти волны возникают почти одновременно с первыми, с небольшим отставанием, и на их фоне сначала не видны, однако высоко-

Глубина, см Глубина, см Глубина, см

Рис. 8. Сейсмограммы просвечивания подвибраторного пространства для трех положений источника: на глубинах 2 (а), 4 (б) и 6 м (в); лучевые траектории и изохроны для источника на глубине 6 м

добротная фильтрация их уверенно выделяет. Они очень медленно затухают, так что приблизительно через 100 мс после импульсного воздействия, когда волны первого типа падают ниже уровня шума, в приемной скважине остается только волна второго типа, практически потерявшая информацию о вызвавшем ее воздействии. Эти и последующие эксперименты, а также теоретические оценки, убеждают, что здесь мы столкнулись с интенсивными трубными волнами двух типов — бегущими и стоячими. Мы вынуждены так подробно исследовать этот вопрос не только потому, что они серьезно затрудняют изучение массива вмещающей среды. Действительно, доверять в этом случае можно только первым вступлениям прямых волн, которые, как мы уже отмечали, малы по амплитуде и, главное, весьма неустойчивы по форме. Главное же, необходимо удостовериться, что «наведенные границы» — это не какой-либо побочный эффект трубных волн. Обращаясь к нашим прошлым экспериментам, убеждаемся, что наведенные границы наблюдаются и в чисто наземных экспериментах, проводившихся с поверхностным источником и приемниками, где не могло быть трубных волн. К сожалению, поломка поверхностного излучателя в самом начале полевого сезона не позволила выполнить в текущем году весь запланированный с ним объем работ. Они были заменены скважинными экспериментами.

Разгадать причину «плохих фронтов» и в конечном итоге решить проблему межскважинного просвечивания помогли старые 7-метровые скважины. Повторные эксперименты, выполненные одновременно на паре старых и паре новых скважин, показали, что новые скважины пока что мало пригодны для таких исследований, и единственно разумное объяснение этому — плохой, не-устоявшийся контакт обсадных труб с породой выше водного горизонта. Для обоснования вышеприведенных утверждений остановимся подробнее на результатах сравнительного эксперимента в новых и старых скважинах.

Результат сравнения представлен на рис. 7. В этих экспериментах источник поочередно устанавливался в скважинах 1 и 3 на фиксированной глубине 6 м. Прием проводился соответственно в скважинах 2 и 4 с уменьшенным шагом 0.25 м. Верхняя сейсмограмма — старые скважины, нижняя — новые, расстановки приборов одинаковы. Видно, что в новых скважинах, в отличие от старых, почти не видно четких первых вступлений: они неустойчивы, меняют амплитуду и фазу от трассы к трассе, тогда как последующие колебания (как мы теперь понимаем — трубные волны) довольно похожи. Аналогичная картина наблюдается и при других положениях источника. Именно этот эксперимент привел к окончательному убеждению, что для межскважинного просвечивания необходимо тщательное заполнение пустот затрубного пространства породой или флюидом. На

старых скважинах, пробуренных 3 года назад, это произошло естественным путем вследствие осадков и длительного воздействия вибраций, новые обсадные трубы еще не успели как следует «врасти» в грунт.

Обратимся теперь непосредственно к интерпретации просвечивания по старым скважинам. На рис. 8 (ав) приведены сейсмограммы, соответствующие трем заглублениям источника (2, 4 и 6 м) в скважине 1 и приемникам — в скважине 2. В частности, при положении источника на глубине 6 м сейсмические лучи, проходящие под вибратором, настолько искривляются, что достигают всех точек приемной скважины почти одновременно, плоским фронтом (рис. 8, в). Точнее, можно заметить, что «прямая» волна быстрее всего добегает до 2-метровой отметки скважины 2. На рис. 8, г сделана попытка томографического построения поля времен и изохрон для этого случая. Из этого построения следует, что в подвибраторном массиве существует область со скоростью повышенной, по крайней мере, до 470 м/с. Заметим, что это не противоречит ранее построенному скоростному разрезу (рис. 4, б), так как он свидетельствует только о средних скоростях. Таким образом, можно утверждать, что налицо значительная неоднородность просвечиваемого блока, скорости продольных волн в котором изменяются от 330 до 470 м/с. Мы надеемся, что более детальная обработка полученного экспериментального материала позволит уточнить строение блока.

3. Выводы

1. Выполнены эксперименты по проверке корректности применяемых методик и аппаратуры акустического просвечивания. В частности, экспериментально установлено, что

- импульсное и непрерывное квазигармоническое зондирование при использовании одного и того же источника колебаний дает идентичные результаты (что позволяет корректно сопоставлять сейсмограммы, получаемые этими двумя типами зондирующих сигналов);

- при условии безотрывности платформы поверхностного источника колебаний от грунта генерируемые им импульсные воздействия типа нагрузки-сжатия и типа разгрузки-разрежения дают совершенно идентичные сейсмограммы противоположной полярности, что свидетельствует о линейности зондирования, то есть процесс акустического зондирования в данных экспериментах сам по себе не порождает нелинейных эффектов.

2. Межскважинными просвечиваниями выявлена значительная скоростная неоднородность просвечиваемого блока, скорости продольных волн в котором изменяются от 330 до 470 м/с.

3. Исследование волнового поля при межскважин-ном просвечивании показало существенное отрицательное влияние трубных волн, как бегущих, так и стоячих.

Установлено, что бегущие и стоячие волны в одной и той же скважине возникают одновременно, но имеют различный спектральный состав и декремент затухания. Необходимо усовершенствовать систему наблюдений для борьбы с трубными волнами.

4. Выявленная при динамическом нагружении среды наведенная граница не соответствует ни одной из сейсмических границ, наблюдаемых при просвечивании невозмущенной среды, но попадает в область коды трубных волн. Таким образом, природа наведенных границ остается по-прежнему до конца нераскрытой.

Работа выполнялась при поддержке РФФИ, гранты 99-05-79083, 00-05-65276.

Литература

1. Геза Н.И., Егоров Г.В., Мкртумян Ю.В., Юшин В.И. Экспериментальное исследование мгновенных вариаций скорости и затухания сейсмических волн в рыхлой среде in situ, подвергаемой пульсирующей динамической нагрузке // Геология и геофизика. - 2001. -Т. 42. - № 7. - С. 1137-1146.

2. Юшин В.И., ЕгоровГ.В., СперанскийН.Ф., АстафьевВ.Н. Акусти-

ческое исследование нелинейных и реологических явлений в ближней зоне сейсмического вибратора // Геология и геофизика. -1996. - Т. 37. - № 9. - С. 156-165.