5.4. Применение М-последовательности на стационарной сейсмической трассе

Приведем пример использования псевдослучайных сигналов на основе М-последовательности в сейсмике. Сейсмические акустические эксперименты обычно проводятся на трассах, имеющих более стабильные характеристики, чем у трасс в атмосфере и гидроакустике. Большая подвижность воздуха и воды приводит к появлению доплеровских смещений сигнала, распространяющегося по трассе, значительно превышающих разрешение спектрального анализа, достижимое в эксперименте. В сейсмических экспериментах движения земной коры вызывают частотные сдвиги сигнала много меньшие, чем реализуемое спектральное разрешение. Поэтому применение М-последовательности в сейсмике не требует модификации реплики, что несколько упрощает реализацию методов согласованной обработки.

Приводимый пример представляет собой эксперимент по межскважинной томографии с применением М-последовательности для идентификации модели среды. Методы межскважинных сейсмоакустических наблюдений, являющиеся средством исследования горных пород между двумя и более скважинами, начали предлагаться практически с начала XX века [40]. Но наибольший интерес к различным томографическим методам исследования земных пород возник в 80-е годы, когда было предложено множество различных алгоритмов межскважинных измерений. Одна из основных проблем реализации таких алгоритмов - необходимость повышения помехоустойчивости и точности оценки свойств пород, что может быть достигнуто за счет применения источников низкочастотного звукового диапазона высокой эффективности и когерентности.

Именно отсутствие до недавнего времени источников звука с четко известными и управляемыми параметрами (использовались либо взрывные источники, либо поверхностные механические вибраторы) являлось особенностью прикладных исследований распространения звука в земной толще.

В 1999 году были проведены натурные эксперименты по межскважинному низкочастотному акустическому зондированию [36]. Использовался мощный пьезокерамический источник, позволяющий излучать сигналы заданной формы и производить когерентное накопление и согласованную фильтрацию принятых сигналов, обеспечивающий хорошее согласование со средой. Источник размещался в почти вертикальной (максимальный угол отклонения не более 3 градусов) нефтедобывающей скважине в районе нефтеносного слоя (1690 м). В соседней скважине размещался вертикально перемещаемый акустический приемник. Таким образом была реализована схема сейсмоакустической томографии на проходящих волнах с монохроматическими и широкополосными сигналами.

В качестве источника сигнала использовался мощный пьезокерамический излучатель с диапазоном излучения 60-500 Гц разработки ИПФ РАН, имеющий хорошее согласование со средой. Конструкция источника обеспечивала возбуждение в среде -волн.

Волновое уравнение для твердой среды имеет два решения, отвечающие волнам двух типов. Первый тип волн (Primary wave или P-wave) - это волны давления, связанные с объемными изменениями среды распространения звука. Второй тип волн (Secondary wave или S-wave) - волны, вызывающие смещение материала среды без изменения его объема. В жидкой среде существуют лишь -волны. Наличие двух типов волн, распространяющихся в среде с разной скоростью, приводит к сложности идентификации импульсных откликов. Фактически такая система состоит из двух сложных систем, имеющих общий вход и общий выход. Ниже будет показана возможность разделения каналов на основе использования селективных свойств источника и приемника.

В качестве тестового сигнала использовалась М-последовательность, модулирующая фазу гармонической несущей с частотой излучения 209 Гц. Длина М-последовательности составляла 1023 символа, один символ содержал 8 периодов несущей. Таким образом, ширина полосы сигнала составляла 25 Гц. Ширина импульса автокорреляции такого сигнала была порядка 40 мс. Длительность М-последовательности составила примерно 40 с.

В соседней скважине, ствол которой (несколько искривленный) находился в 110-350 м от ствола предыдущей, размещался перемещаемый акустический приемник. В качестве приемника использовался глубоководный гидрофон, который в заполненной жидкостью скважине обеспечивал прием и регистрацию -волн, практически не реагируя на -волны. До последнего времени в качестве приемников использовались датчики вибраций, регистрировавшие оба типа волн и легко устанавливаемые на грунте. Использование заполненных жидкостью скважин для установки приемников давления в сейсмических экспериментах является до некоторой степени новым и оригинальным решением, существенно упрощающим идентификацию. Шаг перемещения приемников составлял 150 м в диапазоне глубин от 1750 до 250 м.

Применение М-последовательности, накопления сигнала и согласованной фильтрации позволило получить хорошее отношение сигнал/шум на выходе схемы обработки и хорошее временное разрешение каналов (40 мс соответствуют разрешению 130 м для -волн и 75 м для -волн), что, в свою очередь, позволило уверенно выделить на импульсной характеристике отдельные импульсы, соответствующие траекториям лучей. Благодаря этому удалось идентифицировать различные каналы распространения звука и оценить их акустические параметры.

Обработка сигналов состояла из предварительной фильтрации сигнала с целью устранения помех и последующей корреляции с репликой излученного сигнала. Анализ массива сигналов, принятых на 11 горизонтах, позволил произвести идентификацию каналов распространения с разными скоростями распространения (разными типами волн). На рис. 5.7 приведен так называемый годограф, представляющий собой трехмерное отображение матрицы импульсных откликов для разных приемников. По горизонтали отложено время задержки сигнала, по вертикали - разные приемники в соответствии с глубиной, а чернота характеризует амплитуду отклика. Годограф построен по данным, полученным в результате первичной обработки сигналов, нормированных на суммарную дисперсию основных приходов сигнала. Над годографом приведена упрощенная модель среды и модель распространения в ней сигнала.

На рисунке хорошо различаются несколько импульсов на всех горизонтах, соответствующих приходам сигнала по разным путям. Для их идентификации была предложена простая модель распространения сигнала в среде, в основе которой лежат следующие положения:

1. Излучатель возбуждает в среде волны -типа.

2. Гидрофон в соседней скважине, заполненной жидкостью, принимает волны -типа, практически не реагируя на -волны.

3. Регистрируемый сигнал, возбуждаемый излучателем -типа, при распространении в неоднородной среде преобразуется в волну -типа при наклонном падении на некоторую границу.

На основе этих предположений первый по времени приход сигнала соответствует волне -типа, возбудившей волну -типа непосредственно вблизи гидрофона на

Рис. 5.7. (см. скан) Трехмерное представление матрицы импульсных откликов для приемников с разных глубин скважины. Почернение пропорционально амплитуде откликов.

стенках приемной скважины. По известным геометрическим параметрам скважины и времени первого прихода оценивается скорость -волны. Она составила 2010 м/с. Следует отметить, что на втором приемнике сигнал первого прихода практически отсутствовал, что является некоторым подтверждением принятой модели, поскольку -волна падает на скважину под углом в 90 градусов и практически не возбуждает -волну. Следующий приход, являющийся отражением от верхней границы в соответствии с предполагаемой моделью, идентифицируется с отражением от поверхности, на которой -волна преобразуется в -волну и соответствует ее скорости, равной примерно 3500 м/с. Полученное соотношение скоростей хорошо совпадает с теоретическими оценками.

Приведенный пример показывает, что применение метода взаимно корреляционной функции с тестовыми сигналами позволяет разделять сигналы, распространяющиеся по разным трассам, и благодаря этому идентифицировать их с теоретическими моделями. Следует отметить одну особенность данного эксперимента - это использование эффекта преобразования волн в среде, источников и приемников, излучающих и принимающих только определенный тип волн, что упростило идентификацию. Обычные сейсмические приемники, регистрируя все типы волн, распространяющиеся с разной скоростью, часто не позволяют идентифицировать каналы из-за мешанины импульсов, пришедших по разным каналам и с разной скоростью.

В данном эксперименте использование псевдослучайного сигнала на основе М-последовательности плюс уникальный источник -волн и оригинальный способ размещения гидрофона в заполненной жидкостью скважине позволило уверенно выделить импульсы, пришедшие по разным путям, и идентифицировать их с определенными траекториями лучей.