Устройство для геофизической разведки земной коры на основе детонационного генератора

Основная часть. Существующие в настоящее время устройства для геофизической разведки, которые содержат источник детонационных волн, приёмник акустический излучений, блок обработки эхосигналов, блок индикации обладают такими недостатками, как низкое быстродействие регистрации информации и низкая точность разведки по причине сильного влияния на процесс обработки эхосигналов отраженных от поверхности земного коры [8,9].
Для обес­печения быстродействия регистрации информации и получения возможности их многократного использования авторами статьи разработано устройство для геофизической разведки земной коры на основе детонационного генератора блок-схема которого приведено на рис.1.
Устройство работает следующим образом. Синхронизирующий генератор СГ вырабатывает последовательность коротких прямоугольных импульсов с периодом повторения (- максимальная глубина разведки; с - скорость распространение акустических волн в среде, рис. 2, а - момент времени t₁) который воздействует на запускающий вход источника акустического излучения ИАИ, первого индикатора ИН1 и второго индикатора ИН2. В результате которого на первом ИН1 и втором ИН2 индикаторе происходит сброс информации и подготавливается к приёму очередная информация, одновременно с этим на выходе первого одновибратора ОВ1 формируется прямоугольный импульс (рис. 2, б) который подается к запускающему входу генератора коротких импульсов ГКИ, электромагнитного клапана газообразного углеводородного топлива ЭКУ и электромагнитного клапана сжатого воздуха ЭКВ. При этом время открытого состояния электромагнитных клапанов ЭКВ и ЭКУ соответствует длительности прямоугольных импульсов формируемых первым одновибратором ОВ1, который является достаточным для полного заполнения углеводородовоздушной смесью камеры детонационного генератора ДК.



Рис.1. Блок-схема устройства для геофизической разведки земной коры на основе детонационного генератора.

С заднего фронта выходного импульса первого одновибратора ОВ1 (момент времени t₂ рис. 2, в) срабатывает генератор коротких импульсов ГКИ, в результате на его выходе формируется короткий прямоугольный импульс, который одновременно воздействуют на вход системы инициирования СИ, второго одновибратора ОВ2 и триггера с раздельным запуском ТРЗ. Далее на выходе последнего устанавливается логическая «1» и подается на вход измерителя временных интервалов ИВИ.

Воздействие короткого импульса с выхода генератора коротких импульсов ГКИ на вход системы инициирование СИ в его выходе формирует высоковольтный импульс напряжений (рис. 2, г). Высоковольтный импульс с выхода системы инициирования воздействуют на вход устройства зажигания УЗ и приводит к возгоранию углеводородовоздушной смеси внутри детонационной камеры. Далее из-за разгона фронта пламени внутри детонационной камеры ДК на его выходе формируется ударная волна и воздействует на земную поверхность. В момент времени t₂ на выходе второго одновибратора ОВ2 формируется прямоугольный импульс (рис. 2, е), длительность которого больше длительности огибающего многочастотного затухающего колебания т. е. t_ОВ2 > t_ОЗК.
Сформированный на выходе второго одновибратора ОВ2 прямоугольный импульс воздействует на вход коммутатора К и блокирует вход блока обработки эхосигналов БОЭС от приёмника излучений ПИ.

Рис.2. Временные диаграммы устройства.

Воздействие ударной волны на земную поверхность возбуждает многочастотные гармонические, затухающие сейсмические волны (рис. 2, д), формы колебаний и частотный состав которых зависит от многих факторов, таких как характер импульса воздействия, поглощающий свойства среды, а также особенности строения границ раздела на пути волны и т. п. [6].

В современной сейсморазведке, используются мощные взрывные источники, которые располагают длительностью импульса воздействия в несколько сотни миллисекунд, а частотная полоса спектра возбуждаемых сейсмических волн составляет 1 – 200 Гц [10].
Известно, что частотная полоса спектра многочастотных, затухающих, сейсмических волн, возбуждаемой ударной волной, с увеличением длительности импульса воздействие сужается и наоборот с уменьшением – расширяется, поэтому при использования детонационных генераторов в качестве источника возбуждения, частотная полоса возбуждаемых сейсмических волн расширяется несколько раз, так как длительность импульса воздействия у детонационных генераторов в зависимости от длины детонационной трубы может составлять от несколько десятки микросекунд до несколько миллисекунд [11,12].
Необходимая длина детонационного камеры определяется из условия , где: - минимальная глубина искомого объекта; и - скорость распространения детонационной волны и сейсмических волн на глубине разведываемого участка земной коры соответственно [13,14].

Согласно [15,16] и вышеизложенного, сформированная гармоническая, затухающая, сейсмическая волна на земной поверхности имеет вид:

(1)
где: - максимальная амплитуда гармонических составляющих на частотах соответственно; - круговая частота; - коэффициенты затухания среды, которые соответствуют частотах соответственно; - время.
Из теории дефектоскопии известно, что основная информация о характере искомого объекта содержится в фазовом сдвиге эхосигналов [7,17,18] поэтому сформированная волна, на поверхности земли, распространяясь по глубине земной коры проходит расстояние h_ц и достигает поверхности искомого объекта, отражается от него, претерпевая изменения фазы каждого гармонического составляющего, проходит еще раз расстояние h_ц и достигает поверхности земли, где установлен приёмник излучения ПИ (рис. 2, ж), при этом волна, воздействующая на приёмник излучения ПИ, имеет вид.
(2)
где: - максимальная амплитуда гармонических составляющих эхосигналов на частотах соответственно;
- фазовый сдвиг эхосигналов на частотах соответственно; - время задержки эхосигналов соответствующих на расстоянию 2h_ц.
Электрический сигнал, сформированный на выходе приёмника излучения ПИ, имеет вид.
(3)
где: - максимальная амплитуда напряжений гармонических составляющих эхосигналов на частотах соответственно.
Согласно теории акустических методов контроля, для оценки характера искомого объекта достаточно произвести измерение фазового сдвига между двумя соседними гармоническими составляющими эхосигналов, которые отличаются по частоте [7, 19-24].
Выбор соответствующей пары гармонических составляющих эхосигналов производится по их более интенсивной амплитуде, который в сейсморазведке при использовании мощные взрывных источников соответствует частотному диапазону 20-80 Гц [6,10].
Экспериментально установлено, что при использовании детонационных генераторов, которые располагают длительностью импульса воздействие в порядке одного миллисекунд диапазон частот на уровни 0,5 от максимальной амплитуды эхосигналов, составляет 20 - 400 Гц, что позволяет использовать более высокочастотные, гармонические, составляющие эхосигналов для определения и классификации искомого объекта на глубине до 100 м.
Известно, что в фазометрии для измерения фазовых сдвигов между компонентом гармонических сигналов, необходимо привести их к одной частоте путем домножения их исходной частоты.
Тогда фазовый сдвиг между выбранными гармоническими составляющими при кратности их частоты согласно по [25-32] определяется как
,
Приведение их к одной частоте, например , путем домножения частот и соответственно на и , позволяет определить разность фаз между гармоническими составляющими эхосигналов [4,17,18].

где: - номер выбранной гармонической составляющей.
Когда частоты выбранных гармонических составляющих и незначительно отличаются друг от друга, то можно принимать .
Поэтому разность фаз между гармоническими составляющими будет равна фазовому сдвигу эхосигнала (рис. 2 м).
Осуществление данного метода измерения фазового сдвига между гармоническими составляющими эхосигналов производится в блоке обработки эхосигналов БОЭС (рис.1).
Для этого электрический сигнал с выхода приёмника излучения ПИ подаётся через коммутатор К на вход блока обработки эхосигналов БОЭС.
При этом электрический сигнал соответствующий отраженному акустическому сигналу от поверхности земли P(t) блокируется коммутатором К за промежуток времени затухающего колебательного процесса на поверхности земли (рис. 2. ж), а электрический сигнал соответствующий отраженному эхосигналу от поверхности искомого объекта P_Э(t) проходит через коммутатора, так как за промежуток времени t _ОВ2 коммутатор находится в заблокированном состоянии выходным импульсом второго одновибратора ОВ (рис. 2. е).
Проходящий через коммутатор электрический сигнал, который соответствует отраженному эхосигналу от поверхности искомого объекта ИО, одновременно подается на вход первого Ф1 и второго Ф2 фильтра. Электрический сигнал (рис. 2 ж) соответствующий частоте с выхода первого фильтра Ф1 проходит через усилитель ограничителя УОГ1 (рис. 2 и) далее подается на второй вход триггера с раздельным запуском ТРЗ и через удвоитель частоты УДЧ на один из входов фазового детектора ФД (рис. 2. й). На второй вход фазового детектора ФД подаётся соответствующий электрической сигнал (рис. 2 к) с частотой который поступает через второй усилитель ограничителя УСГ2 с выхода второго фильтра Ф2.
Таким образом, на выходе фазового детектора ФД формируется электрический сигнал пропорциональный фазовому сдвигу между гармоническими составляющими эхосигналов (рис. 2 м), а на выходе триггера, с раздельным запуском, формируется прямоугольный импульс, длительность которого соответствует расстоянию до искомого объекта h_ц, и производится измерение на измерителе временных интервалов ИВИ. Сигнал соответствующий расстоянию h_ц отображается на индикаторе ИН1, а на индикаторе ИН2 отображается сигнал соответствующему фазовому сдвигу