Способ определения времени распространения упругих волн и устройство для его осуществления

Цель изобретен ности определения нения упругих вол погрешности от не го сейсмическогоаэ-.я Изо едке пре бретение относится и может быть испол деления скоростей уп мени их распространен микросейсмокаротажа ния массивов горных к сейсмо зовано дл угих вол ия при прсейсмоз ород. ия - повышение точвремени распростраза счет уменьшения инейности реальноигнала. веде.иди н ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И(71) Специальное конструкторскоебюро геофизического приборостроенияИнститута геологии им. акад.И.М.Губкина(56) Авторское свидетельство СССРУ 1000973, кл. С 01 Ч 1/26, 1980,Авторское свидетельство СССРб 1239667, кл. С О 1 Ч 1/26, 1984,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИРАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57 Изобретение относится к сейсморазведке и может быть использованодля определения скоростей упругихволн и времени их распространения прпроведении микросейсмокаротажа и сейсмозондирования массивов горных пород. Цель изобретения - повышениеточности определения времени распространения упругих волн за счет уменьшения погрешности от нелинейностиреального сейсмического сигнала.Изобретение основано на анализе из-менения сейсмического сигнала (ДС) 801509775 на его начальн частке относительно двух отличающихся друг от другапо величине в два раза пороговыхуровней Чпорч и Ч,Ф больший изкоторых (Чпору) устайавливают вышее, аменьший (Ч ,) - ниже максимального .амплитудного уровня микросейсм. Времяистинного первого вступления СС определяют путем вычи-ания иэ первоговременного интервала (ВИ 1), равного интервалу времени от момента возбужденияупругих волн до момента достижения ССменьшего порогового уровня, второго временного интервала (ВИ 2), равного интервалу времени между моментами последовательного достижения СС меньшего аи большего пороговых уровней. Моментувовбувденив упругих волн, фиксируемо- Яму формирователем, соответствует на.чало ВИ 1. В этот момент триггер.электронного ключа устанавливаетсяв "1" и счетные импульсы генератораначинают поступать на суммирующий ивычитающий счетчики. Моментам последовательного срабатывания компарато- Юров при достижении СС уровня Ч,р, 4 еи при достижении СС уровня Ч соответствует окончание ВИ (начало ВИ 2)и окончание ВИ 2. 2 с,и 3 з.п. ф-лы, Вью5 Сл3 1509775На фиг1 приведена структурная схема устройства; на Фиг,2 - схемауправляемого генератора счетных импульсов; на фиг.3 - схема одновибратора, на фиг.4 - временная диаграммаработы предлагаемого устройства;на фиг.5 - временные диаграммы работыуправляемого генератора и одновибратора. ОНа фиг.1-5 показаны: формировательотметки момента возбуждения упругихволн, управляемый генератор 2 счетныхимпульсов, электронный ключ 3, первый компаратор 4, первый (вычитающий) 5счетчик 5, второй (суммирующий) счетчик 6, блок 7 опорных напряжений(БОН), усилитель-формирователь 8,сейсмоприемник 9, одновибратор 10,блок 11 регистрации, блок 12 питания, 20тумблер 13, третий Р-триггер 14,элемент И 15, сейсмический усилитель16, стробируемый компаратор 17, пьезодатчик 18, усилитель 19, второйкомпаратор 20, третий компаратор21, первый и второй установочные входы 22 и 23 устройства, четвертый Ртриггер 24, пятый Р-триггер 25, третий установочный вход 26 устройства,Формирователь 27 импульсов высокой 30частоты,. кольцевой счетчик 28, коммутатор 29, счетный триггер (делительна два) 30, первый Р-триггер 31,второй Р-триггер 32, грфик 33 изменения запускающего сигнала, графики34 и 35 изменения сейсмического сигнала и графики 35-56 временных диаграмм сигналов на выходах элементовустройства.40Устройство для определения времени распространения упругих волн(Фиг,1) содержит формирователь 1отметки момента возбуждения упругих волн, выход которого подключен к . 45 управляющему входу управляемого генератора 2 счетных импульсов и к первому входу электронного ключа 3, вто-, рой вход которого подключен к первому выходу управляемого генератора счетных импульсов, третий вход - к выходу первого компаратора 4, а первый выход " к счетным входам первого (вычитающего) и второго (суммирующего) счетчиков 5 и 6, блок 7 опорных напряжений (БОН), выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого компаратора 4, усилителя-формирователя 8, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу сейсмоприемника 9 и второму выходу электронного ключа, а первый и второй выходы - к второму входу первогс компаратора 4 и первому входу одновибратора 10, второй и третий входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами управляемого генератора счетных импульсов, а выход - с управляющим входом первого счетчика, вход параллельной записи информации которого связан с выходом второго счетчика, а выход - с входом блока 1 регистрации, и блок 12 питания, выход которого через тумблер 3 подключен к соответствующим входам иНапряжение питания всех электронных узлов устройства (эти связи не показаны). В устройстве, кроме того, электронный ключ выполнен в виде последовательно соединенных. третьего Р-триггера 14 и элемента И 15, при этом первый и второй входы и выход третьего Э-триггера являются первым и третьим входами и вторым выходом электронного ключа, а второй вход и выход элемента И - втоУ рым входом и первым выходом электронного ключа соответственно, первый вход третьего Р-триггера подключен к шине потенциалаУсилитель-формирователь выполнен в виде последовательно соединенных сейсмического усилителя 16 и стробируемого компаратора 17, при этом вход и выход сейсмического усилителя являются вторым входом и первым выходом усилителя-формирователя соответственно, а второй и стробирующий входы и выход стробируемого компара-, тора - первым и третьим входами и вторым выходом усилителя-формирователя соответственно. Формирователь отметки момента возбуждения упругих волн выполнен в виде последовательно соединенных пьезодатчика 18 и усилителя 19, выход которого подключен к первым входам второго и третьего компараторов 20 и 21, вторые входы которых соединены с установочными входами 22 и 23 устройства, а выходы - с входами четвертого П-триггера 24, единич 1 ный выход которого подключен к выходу формирователя., а нулевой выход - к второму входу пятого Р-триггера 25, первый вход которого подключен к шине потенциала "1", третий вход - к третьему установочному входу 265 15097 "Сброс", а нулевой выход - к первому входу четвертого Э-триггера 24.Управляемый генератор счетных импульсов (фиг.2) выполнен в виде после-. довательно соединенных формирователя 27 импульсов высокой частоты и кольце 1вого счетчика 28, первый и второй выходы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам гене ратора, а третий выход - к информационным входам коммутатора 29 непосредственно и через счетный триггер (делитель на два) 30, при этом управляющий вход и выход коммутатора явля ются соответственно управляющим входом и первым выходом генератора. Одно- вибратор (фиг.3) выполнен в виде первого Э-триггера 31, первый вход которого подключен к шине потенциала "1", 20 второй вход - к первому входу одновибратора, а выход - к первому входу второго Р-триггера 32, второй и третий входы которого соединены соответственно с вторым и третьим вхолами одновибратора, а выход - с третьим входом первого П-триггера и выходом одндвибратора.Сущность способа заключается в следующем. 30Установление нижнего порогового уровня (Ч,р,) ниже максимального амплитудного уровня микросейсм позволяет анализировать сигнал и определять время вступления на наиболее линейной части вступления сигнала, что значительно снижает погрешность иэ-за нелинейности реального сейсмического сигнала, имеющую место при анализе сигнала и определении вступления , 40 на большем значении амплитуды сигнала. Вероятность превьппения уровня 26 (6 среднеквадрътичное отклонение ) 4 Б амплитудой случайного сигнала равна 5 Х. Так как на практике 7 о, устанавливается вблизи уровня 2 б, то существует 5-процентная вероятность того, что первое вступление сейсмического сигнала придется на "выброс" микросейсм в момент его нахождениямежду уровнями пои аоро моора = 2 оо ). Это может привести к появлению дополнительной погрешности 55 (в трех-четырех измерениях из ста), носящей несистематический характер. Для ее исключения возбуждение упругих волн осуществляют не менее трех раз и из полученных результатов выяв-.ляют и исключают аномальные,Способ осуществляется при помощипредлагаемого устройства следующимобразом.Включением тумблера 13 напряжениепитания, формируемое блоком 12, подается на все электронные узлы устройства, которое затем приводится висходное состояние (состояние ожида-:ния упругой волны) путем установкитриггера 14 электронного ключа 3,триггеров 24 и 25 формирователя 1,триггеров 31 и 32 одновибратора 10и счетчиков 5 и 6 в положение "0"(цепь предварительной установки указанных элементов в положение "0"на фиг1 не показана). В этом положении в обоих счетчиках 5 и 6 находится нулевой код (000) и их содержимое не меняется, так как потенциал низкого уровня, соответствующего уровню логического "0" (далее -потенциал "0"), с единичного выходаП-триггера 14 блокирует элемент И 15и тем самым "разрывает" цепь подачисчетных импульсов генератора 2 насчетные входы счетчиков. Посредствомблока 7 формируются опорные напряжения по и поа соответствующиеменьшему и большему пороговым уровням, при этом напряжение Ч, устанавливается ниже максимального амплитудного уровня микросейсм и подаетсяна один из входов стробируемого компаратора 17, входящего в состав усилителя-формирователя 8 (в исходномсостоянии данный компаратор блокирован по стробирующему входу потенциалом "0" с единичного выхода 0-триггера 14), а напряжение Ч , вдвоебольшее по 1, устанавливается вьппемаксимального амплитудного уровнямикросейм и подается наодин извходов компаратора 4. К вторым входамуказанных компараторов подключаетсявыход сейсмического усилителя 16.В момент удара (взрыва) срабатывает пьезочатчик 18, установленныйвблизи точки удара (взрыва) иливстроенный в устройство возбужденияупругих волн ударного типа, и формирует запускающий сигнал (ЗС) с крутым по сравнению с сейсмическим сигналом передним фронтом (график 33),который после усиления усилителем19 поступает на первые входы компараторов 20 и 21, На вторые входы ука 1509775занных компараторов с входов 22 и 23 подаются напряжения Ч, и Ч 2 соответственно, причем величина Ч выбирается вдвое больше Ч, (т.е. Ч - 2 Ч 1), а величина (Ч) устанавливается с учетом таких факторов, как возможная сила удара (взрыва),передаточная характеристика пьезодатчика, коэффициент усиления усилителя и 10 др. В момент времени С соответствую. щий достижению,ЗС уровня Ч, (график 33), срабатывает компаратор 20 и передним фронтом его выходного сигнала (график 36) 0-триггер 24 форми 15 рователя 1 устанавливается в положение, соответствующее уровню потенциала на его первом входе, т.е. в положение 1 так как на первом входе Р-триггера 24 присутствует потенциал 20 высокого уровня, соответствующего уровню логпческой "1" (далее - потенциал "1"), с нулевого выхода Р-триггера 25 (график 40). На единичном выходе 0-триггера 24 при этом появ ляется потенциал "1" (график 38), а на нулевом - потенциал 0 (график 39) Перепадом потенциала с единичного выхода 0-триггера 24 устанавливается в положение "1" и 0-триггер 30 14 электронного ключа 3, на первом входе которого присутствует потенциал "1", при этом разрешающий потенциал "1" с единичного выхода Р-триггера 14 (график 42), во-первых, 35 открывает элемент И 15, и счетные импульсы генератора 2 через этот элемент начинают поступать на счетные входы суммирующего б и вычитающего 5 счетчиков (графики 43 и 46), во вторых, разблокирует. (включает в рабочий режим) компаратор 17.В момент времени С , соответствующий достижению ЗС уровня. Ъ. (график 33), срабатывает компаратор 21 (граФик 37) и возвращает Р-триггер 24 в исходное положение "0" по третьему входу (графики 38 и 39), при этом перепадом потенциала с нулевого выхода этого Р-триггера (график 39) перебрасывается в положение "1" 0- триггер 25 (график 40), и потенциал "1" с первого входа Р-триггера 24 снимается, что обеспечивает надежную "защелку" Л-триггера 24 при возможных последующих срабатываниях компаратора 20, Таким образом, на единичном выходе Р-триггера 24 при ударе (взрыве , производимом с целью возбуждения упругих волн, образуется одиночный импульс с длительностьюпропорциональной, крутизне ЗС в интервале С, - С (график 38). Передний фронт это;о импульса (момент времени С, ) Фактически соответствует началу первого временного интервала (ВИ 1) и должен совпасть, но как видно на графике 33, не совпадает с нулем. (момент времени Со) запускающего сигнала ЗС из-за необходимости выполнения исходных требований к установке величины ЧО. Зто может привести к появдению методической погрешности. Для устранения последней использован известный прием, согласно которому в интервале С, - С Формируются (генератором 2) и подсчитываются (счетчиками б и 5; графики 43 и 46) счетные импульсы с удвоенной (относительно частоты Г, счетных импульсов в интервале С - Сь ) частотой Г, что равно 2сильно прибавлению к ВИ 1 временного интервала с длительностью, равнойЬС (при условии Ч 2= 2 Ч, и ничтожно малой нелинейности ЗС в интервале С - С , что можно допустить, учитывая крутой фронт его нарастания и большую амплитуду, значительно превышающую уровень Ч 2).Формирование счетных импульсов осуществляется управляемым генератором 2 в следующей последовательности (Фиг.5).Управляемый генератор включает в себя формирователь 27, с выхода которого снимаются импульсы высокой частоты (график 48), поступающие далее на кольцевой счетчик 28Последний вы. дает четыре смещенные друг относитель. но друга последовательности импульсов (графики 49-52), синхронизированные с импульсами формирователя 1; первая (график 49 ) и вторая (график 50) из них поступают на второй и третий выходы управляемого генератора соответственно (и используются далее при управлении одновибратором 10), а третья с частотой Г, (график 51) на информационные входы коммутатора.29 непосредственно и через счетный триггер 30 (делитель на два), формирующий из нее последовательность счетных импульсов с частотой Г = Г /2 1 график 53). В интервале С, - С по- тенциал "1" с выхода 0-триггера 24 формирователя 1 (график 38), поступая на управляющий вход коммутатора 29, 915097751 Оустанавливает его в положение,при юотором он пропускает счетные импульсы с большей частотой Г, (график5) на выход генератора и далее5на счетные входы обоих счетчиков через элемент И 15 электронного ключа3 (графики 43 и 46). В дальнейшем,когда этот потенциал снимается суправляющего входа коммутатора (интер Вал времени 1- Сб ) последний пропускает уже счетные импульсы с выхода счетного триггера 30 (график 53),следующие с вдвое меньшей частОтойо15До момента истинного первого вступ.ления сейсмической волны сейсмоприемник 9 реагирует только на микросейсмы, которые (после усиления усилителем 16) сравниваются с опорным напряжением Чустанавливаемым нижемаксимального амплитудного уровня .микросейсм. Если текущее значениемикросейсм превышает уровень Ч 0,(момент времени 1, график 34), 25компаратор 17 усилителя-фсрмирователя 8 срабатывает, а если оно становится ниже этого уровня (момент времениграфик 34) - возвращается в исходное состояние (график 44). Передним 30фронтом выходного сигнала сработавшего компаратора 17 (график 54) Ртриггер 31 одновибратора 10, на первомвходе которого - потенциал "1", сразуже устанавливается в положение "1"и потенциал "1" с его единичного выхода (график 55) подается на первыйвход Р-триггера 32 одновибратора,подготавливая его. Передним фронтомближайшего к этому моменту времени 40(1 ) импульса первой импульсной по 5следовательности с второго выходауправляемого генератора 2 (график 49)В-триггер 32 устанавливается в положение "1" (и одновременно возвращает 45В-триггер 31 по третьему входу в исходное положение "0", график 55),а следующим же импульсом второй импульсной последовательности с третьего выхода управляемого генератора(график 50) возвращается в исходноеположение ",О", при этом на его единичном выходе образуется импульс(график 56), не совпадающий ни с одним из счетных импульсов (график 53.). 55Этот импульс (график 56, а такжзграфик 45 - для большей наглядностиздесь он условно показан в виде короткого импульса с нулевой длителькостью; значение в данном случае имв-ет только то, что он попадает обязательно между счетными импульсами ив момент своего появления не "сбивает" счетчик) подается на выход одновибратора и используется для управления счетчиком 5, а именно - он разрешает перенос в него (по входу параллельной записи информации) содержи-,мого И суммирующего счетчика 6(графики 43 и 46, данная операцияусловно показана стрелкой), Счетчик6 после этого продолжает суммироватьсче 1 ные импульсы с частотой Г , поступающие на его счетный вход (график 43); эти же импульсы, поступаяна счетный вхоц вычитающего счетчика5, уменьшают его содержимое - начинаятеперь с кода И, (график 46), занесенного в него после срабатываниякомпаратора 17 выходным импульсомодновибратора 1 О (график 45) в рассмотренной последовательности. Такпродолжается все время, пока нетсейсмического сигнала (СС) и действуют микросейсмы, уровень которыхможет превьннать Ч что достаточно для срабатывания компаратора 17,но не достигает Ч , установленного вьнне максимального амплитудногоуровня микросейсм, что не может вызвать срабатывания компаратора 4 ификсации (в счетчике 5) искомого результата,После прихода волны на сейсмоприемник 9 характер изменения СС иной:он возрастает, последовательно дости 1гая и превышая меньшее и большееопорные напряжения блока 7 (график35, участок ВС), При этом в моментвремени 1, как и прежде, срабатываеткомпаратор 17, передним фронтом еговыходного сигнала (график 44) запускается одновибратор 10, а выходным импульсом одновибратора (график45) разрешается перенос содержимогоИ счетчика 6 в счетчик 5 (графики43 и 46). После этого счетные импульсы, поступая на счетный вход вычитающего счетчика 5, уменьшают его содержимое - начиная теперь с последнегозаписанного в него кода Б (график46). В момент времени С (график 35),при достижении СС уровня Ч ,срабатывает компаратор 4, сигнал с выхода которого (график 47) возвращаетР-триггер 14 электронного ключа 3в исходное положение "0", при этом25 на единичном выходе этого Р-триггера устанавливается потенциал "0" (график 42)элемент И 15 закрывается и поступление счетных импульсов генератора 2на оба счетчика прекращается (графики 43 и 46). Одновременно компаратор17 блокируется. В счетчике 5 фиксируется в цифровой форме искомый результат Мч,10И=И -И,где Б - код, зайесенный в счетчик5 в момент времени, соответствующий окончанию ВИ 1 (иначалу второго временного 15интервала ВИ 2);Б - код, соответствующий числуМгсчетных импульсов, пришедшихна счетчик 5 в интервалеЬС 1- Сб - С 5 20(Н + =Г ЬСг)Код М , таким образом, оказывается пропорциональным длительности первого временного интервала (ВИ 1),т.е. интервала времени от моментавозбуждения упругой волны (за этотмомент принимается С а отрезоквремени С - Сучитывается приемом,рассмотренным вьппе) до момента достижения СС.меньшего порогового уровня, 30код Б, - длительности второго вреп.менного интервала (ВИ 2), т,е, интер"вала времени между моментами последовательного достижения СС меньшегои большего пороговых уровней, а кодБ - результату измерения, т.е, вре%мени распространения волны с компенсацией методичиеской погрешности вступления как ЗС, так и СС.Код счетчика 5 в момент времени 40С выводится на блок 11 регистрации(йапример, по переднему фронту выходного сигнала компаратора 4), который,в зависимости от предъявляемых требований к форме отображения информации, 45может быть выполнен в виде матричнойпанели, цифропечатающего устройства .(при .необходимости документированияинформации), дисплея (при необходимости визуализации исследуемого процесса) и дрДля проведения следующего циклаизмерения устройство переводят в исходное состояние лутем подачи.на установочный вход 26 импульса (график : 5541),Таким образом, предлагаемые способи устройство для его осуществленияпозволяют точно определять время распространения упругих воли, так как за счет установки уровня меньшего опорного напряженияр (меньшего порогового уровня) ниже максимального амплитудного уровчя микро(сейсм значительно сокращают анализируемый участок сейсмического сигнала.Формула изобретения1.Способ определения времени распространения упругих волн, согласно которому возбуждают упругие волны и анализируют изменение сейсмического сигнала на его начальном участке относительно двух отличающихся друг от друга по величине в два раза пороговых уровней, больший из которых устанавливают вьппе максимального амплитудного уровня микросейсм, при этом в процессе анализа формируют два сопряженных временных интервала и вычитают из первого временного интервала, равного интервалу времени от момента возбуждения упругих волн до момента достижения сейсмическим сигналом меньшего порогового уровня, второй временной интервал, равный интервалу времени между моментами последовательного достижения сейсмическим сигналом меньшего и большего пороговых уровней, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения времени распространения упругих волн за счет уменьшения погрешности от нелинейности реального сейсмического сигнала, меньший пороговый уровень устанавливают ниже максимального амплитудного уровня микросейсм, а возбуждение проводят не менее трех раз.2.Устройство для определения времени распространения упругих волн, содержащее формирователь отметки момента возбуждения упругих волн выход которого подключен к первому входу электронного ключа, второй вход которого подключен к первому выходу генератора счетных импульсов, а первый выход - к счетному входу первого счетчика, выход которого подключен к блоку регистрации, и блок опорных напряжеций, выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого компаратора и усилителя- формирователя, второй вход которого подключен к выходу сейсмоприемника, а первый выход - к второму входу пер 1509775 14вого компаратора, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения времени распространения упругих волн, в него введены второй счетчик и одновибратор, а генератор счетных импульсов выполнен управляемым, причем третий вход и второй выход электронного ключа соединены соответственно с выхо дом первого компаратора и третьим входом усилителя-формирователя, второй выход которого подключен к первому входу одновибратора, второй и третий входы которого соединены соот ветственно с вторым и третьим выходами генератора счетных импульсов, а выход - с управляющим входом первого счетчика, вход параллельной записи информации которого связан с выходом 20 второго счетчика, счетный вход которого подключен к первому выходу электронного ключа, а управляющий вход генератора счетных импульсов соединен с выходом формирователя отметки момента возбуждения упругих волн.З.Устройство по п.2, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что в нем усилитель-формирователь выполнен в виде последовательно соединенных сейсми- З 0 ческого усилителя и стробируемого компаратора, при этом вход и выход сейсмического усилителя являются вторым входом и первым выходом усилителя-формирователя соответственно, а второй и стробирующий входы и выход стробируемого компаратара - первым и третьим входами и вторым выходом усилителя-формирователя соответственно.4.Устройство по п,2, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что управляемый генератор счетных импульсов выполнен в виде последовательно соединенных формирователя импульсов высокой частоты и кольцевого счетчика, первый и второй выходы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам управляемого генератора, а третий выход - к первому входу коммутатора непосредственно, а к второму его входу через делитель на два, при этом управляющий вход и выход коммутатора являются соответственно управляющим входом и первым выходом управляемого генератора.5.Устройство по п.2, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что в нем одно. вибратор выполнен в виде первого и второго Р-триггеров, причем первый вход первого Р-триггера подключен к шине потенциала "1", второй вход - к первому входу одновибратора, а выход - к первому входу второго В-триг. гера, второй и третий входы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами одновибратора, а выход - с третьим входом первого Э- триггера и выходом одновибратора.1509775 98 Ю 80 Г 1 52 Я 5 Ф О И Составитель А.Володинедактор Н.Яцола Техред П,Олийнык Корректо пле 803/40 Тираж 484 ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Иосква, М, Раушская наб., д. 4/5 ЗакаВНИИПИ Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101