СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЛИБРОВОЧНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДАННЫХ
METHOD AND DEVICE TO PRODUCE CALIBRATION FILTER FOR ELECTROMAGNETIC DATA

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам формирования калибровочного фильтра для электромагнитных данных и способам обработки электромагнитных данных с использованием такого сформированного фильтра. Настоящее изобретение может быть использовано, например, при формировании калибровочного фильтра с целью его использования при электромагнитном профилировании морского дна.
Уровень техники
th
Технология электромагнитного профилирования морского дна (EM-SBL) является новым средством изучения углеводородов, основанным на электромагнитных данных, и раскрыта в статье Eidesmo и др. (2002) «Профилирование морского дна, новый метод прямой идентификации удаленных, содержащих углеводороды отложений на глубоководных площадях», The Leading Edge, 20, №3, 144-152, и Ellingsrud и др. (2002) «Обнаружение удаленных гидрокарбонатных залежей при помощи профилирования морского дна: Результаты работ в прибрежной зоне Анголы», First Break, 21 №10, 972-982. EM-SBL является особым видом применения электромагнитного зондирования с управляемым источником (CSEM). СЗЕМ-зондирование много лет с успехом используется для изучения океанических бассейнов и активных спрединговых центров. SBL является первым применением CSEM для дистанционного и прямого обнаружения углеводородов в морской среде. Два первых опубликованных успешных SBL исследований были проведены в прибрежной зоне Западной Африки (упомянутые выше Eidesmo и др. и Ellingsrud и др.) и в прибрежной зоне средней Норвегии, Resten и др., (2003) «Исследования профиля рельефа в районе газового месторождения Ормен Ланге», EAGE, 65 Ann. Internal. Mtg., Eur. Assoc. Geosc. Eng., Extended Abstracts, P058. Оба исследования проводились в глубоководной среде (на глубине более 1000 метров).
Метод использует горизонтальный электрический дипольный источник (HED), который излучает низкочастотный электромагнитный сигнал в морское дно и вниз в подстилающие отложения. Электромагнитная энергия быстро затухает в проводящих глубинных отложениях вследствие заполненного водой порового пространства. В породах с высоким сопротивлением, таких как заполненные гидрокарбонатами песчаники, и при критических углах падения энергия распространяется вдоль слоев и ослабляется в меньшей степени. Энергия преломляется обратно к морскому дну и выделяется расположенными там электромагнитными приемниками. Когда расстояние приемник-источник (т.е. офсет) приблизительно в 2-5 раз больше глубины резервуара, преломленная энергия от слоев с высоким сопротивлением будет превышать прямо распространяющуюся энергию. Выделение распространяющейся вдоль слоев и преломленной энергии является основой EM-SBL.
Мощность заполненного гидрокарбонатами резервуара должна быть не менее 50 м, чтобы обеспечить эффективное прохождение энергии вдоль пластов с высоким сопротивлением, и толща воды в идеальном случае должна быть более 500 м для предотвращения наложения волн-спутников от границы с воздухом.
Электромагнитная энергия, которая генерируется источником, распространяется во всех направлениях, и электромагнитная энергия быстро ослабевает в проводящих подводных отложениях. Расстояние, на которое энергия может проникать в глубинные породы, определяется, главным образом, мощностью и частотой возбуждаемого сигнала, а также проводимостью подстилающих формаций. Более высокие частоты приводят к большему ослаблению энергии и, соответственно, к меньшей глубине проникновения. Поэтому частоты, применяемые в EM-SBL, очень низкие, обычно 0,25 Гц. Диэлектрической проницаемостью можно пренебречь вследствие очень низких частот, магнитная проницаемость предполагается равной проницаемости в вакууме, т.е. соответствующей немагнитным глубинным породам. Несмотря на экстремально низкие частоты, использующиеся в EM-SBL, тот факт, что технология основана на использовании электрического тока или рассеяния, а не распространении электромагнитных волн, означает, что дальность и разрешающая способность не ограничиваются теоретическими вычислениями длин волн.
В численном выражении заполненный углеводородами резервуар обычно имеет сопротивление в несколько десятков ом-метров или больше, тогда как сопротивление выше- и нижележащих осадков обычно менее нескольких ом-метров. Скорость распространения зависит от среды. В морской воде скорость приблизительно равна 1700 м/с (при частоте 1 Гц и сопротивлении 0,3 Ом-м), тогда как обычно скорость распространения магнитного поля в заполненных водой подводных осадках составляет около 3200 м/с (при той же частоте и сопротивлении 1 Ом-м). Электромагнитное поле в заполненных углеводородом слоях с высоким сопротивлением распространяется со скоростью около 22000 м/с (при сопротивлении 50 Ом-м и частоте 1 Гц). Глубина электромагнитного проникновения для этих трех случаев составляет приблизительно 275 м, 500 м и 3600 м соответственно.
Электромагнитные приемники могут быть размещены по отдельности на дне моря, каждый приемник измеряет два горизонтальных и ортогональных компонента как электрического, так и магнитного полей. HED-источник состоит из двух электродов, разнесенных приблизительно на 200 м друг от друга и имеющих электрический контакт с морской водой. Источник передает непрерывный и периодически изменяющийся токовый сигнал с основной частотой в диапазоне 0,05-10 Гц. Двойная амплитуда АС изменяется от нуля до нескольких сотен ампер. Высота источника относительно морского дна должна быть значительно меньше глубины проникновения электромагнитной энергии в морской воде для обеспечения хорошей передачи возбуждаемого сигнала в глубинные отложения, например, 50-100 м. Существует несколько способов размещения приемников на морском дне. Обычно приемники располагаются по прямой линии. При исследованиях могут использоваться несколько таких линий, и линии могут иметь любую ориентировку относительно друг друга, например, некоторое число линий может пересекаться.
Окружающая обстановка и оборудование для регистрации EM-SBL данных иллюстрируется на фиг.1. Исследовательский корабль 1 буксирует электромагнитный источник 2 вдоль и перпендикулярно линиям приемников 3, приемниками может регистрироваться как линейная (поперечная магнитная), так и широкополосная (поперечная электрическая) энергии. Приемники на морском дне 4 производят непрерывную запись сигналов во время буксировки источника со скоростью 1-2 узла. Выборка EM-SBL данных от источника производится с высокой плотностью, обычно с интервалом в 0,04 с, при более грубом квантовании данных от приемников. Обычно расстояние между приемниками составляет 500-2000 м. Поэтому стандартную обработку и интерпретацию полученных данных следует выполнять в области общей плоскости приемников, а не в области общей плоскости источников.
EM-SBL данные регистрируются в виде временных рядов и затем обрабатываются с использованием оконного Фурье анализа дискретных рядов (см., например, Jacobsen и Lyons (2003) «Скользящее DFT», IEEE Signal Proc. Mag., 20, №2, 74-80) на передаваемой частоте, т.е. на основной частоте или ее гармонической составляющей. После обработки данные могут быть воспроизведены в виде графиков зависимости амплитуды от офсета (MVO) или фазы от офсета (PVO).
Сочетание электрических и магнитных измерений может быть использовано для разложения электромагнитных данных на падающие и восходящие волны. Эта операция известна как разделение электромагнитного волнового поля, или разложение на восходящие и падающие составляющие. В частности, разделение электромагнитного поля на уровне морского дна может быть использовано для распознавания и последующего выделения или ослабления падающих воздушных волн в EM-SBL данных. Кроме того, при разложении электромагнитного волнового поля исключаются падающие магнитотеллурические волны (МТ). Обычно существуют различия в эффектах взаимодействия и разница в переходных характеристиках электрических и магнитных приемных установок. Поэтому измерения должны быть соответствующим образом прокалиброваны, чтобы правильно объединить электрические и магнитные измерения в достоверные векторные представления.
Раскрытие изобретения
В первом аспекте изобретение предлагает способ, охарактеризованный в пункте 1.
Последующие варианты реализации изобретения охарактеризованы в других пунктах формулы.
Таким образом, представляется возможным создать технологию, которая позволит улучшить определение оптимального калибровочного фильтра для электромагнитных данных. Технология является независимой от структуры Земли, и никакой информации о Земле не требуется. Технология требует только измерений электрического и магнитного полей при минимальном расстоянии источник-приемник. Такой калибровочный фильтр может быть применен при обработке электромагнитных данных для разделения восходящих и падающих составляющих в полученных данных и удаления падающих волн-спутников и МТ.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания настоящего изобретения, а также его осуществления на практике в качестве примера будут рассмотрены предпочтительные варианты изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, где
фиг.1 иллюстрирует окружающую среду и оборудование для получения EM-SBL данных;
фиг.2 является блок-схемой, иллюстрирующей способ получения калибровочного фильтра в соответствии с вариантом изобретения;
фиг.3 является схематической блок-схемой устройства для реализации способа, проиллюстрированного на фиг.2.
Осуществление изобретения
Рассмотренный вариант реализации изобретения позволяет создать технологию формирования калибровочного фильтра для обработки EM-SBL данных. Предполагается, что электрические приемники имеют хорошее взаимодействие с полем и частотно-независимый калибровочный фильтр определяется для магнитных приемников. Применение этой технологии эквивалентно и в обратном случае, т.е. в предположении, что магнитные приемники имеют хорошее взаимодействие с полем и частотно-независимый калибровочный фильтр определяется для электрических приемников. Без потери общности рассматривается волновое разложение электрического поля (предпочтительнее, чем магнитного поля). Настоящая технология использует прямой сигнал, т.е. сигнал, который распространяется прямо от электромагнитного источника к электромагнитным приемникам. Желательно размещать источник выше или прямо над приемниками. Технология может быть полностью автоматизирована и управляться имеющимися данными.
Далее будет рассмотрена технология, в которой приемники располагаются на морском дне, хотя следует понимать, что эта расстановка является чисто примерной. Приемники могут быть расположены любым образом относительно электромагнитного источника, но при этом источник и приемники должны быть достаточно приближены друг к другу, так чтобы интенсивность восходящего поля была пренебрежимо малой по сравнению с интенсивностью падающего поля.
EM-SBL данные с нулевым офсетом являются хорошим приближением к чисто падающим волнам. В реальных условиях это требует применения электромагнитных приемников с большим динамическим диапазоном, например, 32-разрядных аналого-цифровых преобразователей.
x,y
x,y
В частотной области восходящая составляющая скалярного электрического поля на морском дне  связана с зарегистрированным скалярным электрическим полем, измеренным в х и у направлениях, E(ω), и зарегистрированным скалярным магнитным полем H(ω):
и
,
где А(ω) является фильтром разложения, а ω - угловой частотой. Соответствующими падающими компонентами являются:
z
Вертикальная компонента скалярного электрического поля Е(ω) приближается к нулю непосредственно под источником в стандартной съемке с получением электромагнитных данных. Соответствующие выражения для магнитного поля могут быть получены посредством применения уравнений Максвелла. Для вертикально падающих волн А(ω) определяется выражением
,
где µ является магнитной проницаемостью, ε - диэлектрической проницаемостью, а σ является электрической проводимостью. Когда описанная здесь технология применяется к EM-SBL данным, то можно предположить, что магнитная проницаемость соответствует проницаемости в свободном пространстве, т.е. немагнитным материалам. Диэлектрическая проницаемость может считаться пренебрежимо малой вследствие использования низких частот, которые применяются в EM-SBL. Электрическая проводимость морской воды может быть измерена экспериментально, хотя такие измерения необязательно выполнять в месте расположения каждого приемника. Электрическая проводимость мелководных наносов на морском дне также является измеряемым параметром, но это измерение трудно осуществимо, поэтому предпочтительнее избегать требований о величине этого параметра.
Чтобы выполнялись условия приведенного выше выражения для , необходимо выполнить калибровку составляющих электрического и магнитного полей. Применение частотно-зависимого калибровочного фильтра В(ω) к магнитному полю дает следующее выражение для восходящего электрического поля:
и
Частотно-зависимый калибровочный фильтр получается путем исключения восходящего прямого сигнала.
Согласно первому варианту реализации изобретения частотно-зависимый калибровочный фильтр В(ω) получается путем применения дискретного преобразования Фурье к локализованному временному окну электрических и магнитных временных рядов, когда электромагнитный источник расположен выше и/или в непосредственной близости от электромагнитных приемников. В этом локализованном временном окне в зарегистрированной энергии в значительной мере будет преобладать падающий прямой сигнал; восходящая энергия от глубинных горизонтов будет пренебрежимо малой. Когда расстояние между источником и приемником приближается к минимальному, при измерениях на морском дне доминируют падающие волны. Предельное расстояние между источником и приемником, при котором может быть реализована данная технология, составляет приблизительно 1000 м.
В этом варианте реализации изобретения для определения В(ω) применяется известный фильтр разложения А(ω) с любыми из параметров, соответствующими среде выше или ниже морского дна. Это достигается приравниванием уравнений 1 и 2 к нулю, где  и  являются соответственно представительными выборками измерений падающих электрических и магнитных сигналов в частотной области. В результате этого будут получены два выражения для калибровочного фильтра:
и
Когда разложение выполняется над морским дном, то в соответствии с приведенным выше описанием необходимо знать величину электрической проводимости морской воды. Данная технология хорошо работает, если коэффициент отражения от поверхности раздела морской воды с морским дном составляет менее одной трети.
Когда разложение выполняется ниже морского дна, требуется знание электрической проводимости мелководных осадков на дне моря. Оптимальным является выполнение разложения непосредственно под поверхностью морского дна. Это обусловлено тем, что коэффициенты отражения между слоями в осадках обычно очень маленькие, в результате падающий сигнал от источника в области нулевых офсетов доминирует над восходящими сигналами от глубинных отложений.
Согласно второму варианту реализации данного изобретения может быть определен эффективный калибровочный фильтр , сформированный из «истинного» калибровочного фильтра В(ω) и неизвестного фильтра разложения А(ω). Это достигается приравниванием выражений (1) и (2) нулю и переименованием  в эффективный калибровочный фильтр. В результате этого будут получены два выражения для эффективного калибровочного фильтра:
и
Устойчивыми решениями этих уравнений являются, например:
и
где * обозначает комплексно-сопряженную операцию и λ является обобщенной стабилизирующей постоянной.
Калибровочные фильтры могут быть определены для нескольких локализованных временных окон, в которых будет наблюдаться значительное преобладание падающего прямого сигнала в зарегистрированной энергии. Различные решения могут быть объединены путем линейных (сложение) или нелинейных комбинаций.
Эффективный калибровочный фильтр может быть также выражен во временной области как:
и
,
где e(t) и h(t) являются электрическими и магнитными временными рядами с близким к нулю офсетом, -1 в верхнем индексе обозначает обратный фильтр, а * обозначает свертку. В вычислительном отношении предпочтительнее работать в частотной области, хотя представление во временной области включено здесь ради полноты изложения.
Применение эффективного калибровочного фильтра  неявно соответствует применению разложения непосредственно ниже поверхности морского дна, что в соответствии с приведенным выше описанием является оптимальным местом для выполнения разложения. Хотя эта технология и работает при условии, что падающая волна имеет большую интенсивность, чем восходящая волна, но более эффективным является тот случай, когда интенсивность восходящей волны составляет менее одной трети интенсивности падающей волны (т.е. коэффициент отражения между слоями в осадках меньше одной трети).
В первом варианте реализации настоящего изобретения с известным фильтром разложения А(ω) должны быть известны электромагнитные параметры непосредственно над или под морским дном.
Во втором варианте реализации настоящего изобретения  включает А(ω), и поэтому не требуется знание электромагнитных параметров морского дна.
Калибровочный фильтр, полученный с использованием любого из двух рассмотренных выше вариантов, может быть применен к данным, зарегистрированным приемниками в процессе EM-SBL получения данных. При адекватной калибровке электромагнитных приемников падающие волны могут быть впоследствии удалены посредством определения формы восходящих волн.
Способы, рассмотренные в вышеприведенных вариантах реализации изобретения, могут быть обрисованы в общих чертах блок-схемой на фиг.2. На этапе 20 электромагнитные приемники устанавливаются на морском дне, и на этапе 21 источник располагается на нулевом или близким к нему офсете над первым приемником. Когда источник излучает энергию (этап 22), данный приемник измеряет электрические и магнитные компоненты сигнала в частотной области (этап 24). В реальных условиях локализованные окна временных рядов в данных, полученных на этапе 25, подвергаются дискретному преобразованию Фурье на этапе 26 для получения электрических и магнитных компонентов сигнала в частотной области.
Правая ветвь фиг.2 показывает способ, реализуемый в первом варианте. Известный фильтр разложения А(ω) применяется к данным на этапе 29.
«Истинный» калибровочный фильтр В(ω) затем формируется на этапе 30. Этот процесс повторяется для формирования калибровочных фильтров для каждого приемника (этап 31).
Левая ветвь фиг.2 показывает способ, реализуемый во втором варианте. Эффективный калибровочный фильтр определяется в соответствии с вышеприведенными уравнениями 3 или 4 (этап 27). Этот процесс повторяется для уточнения калибровочного фильтра для каждого приемника (этап 28).
На более поздней стадии или одновременно с калибровочными замерами выполняется EM-SBL съемка (этап 23), затем зарегистрированные данные обрабатываются с применением калибровочного фильтра как части дальнейшего процесса обработки данных (этап 32), заключающегося в удалении в сигнале падающих составляющих от источника и получении MVO- или PVO-характеристик согласно приведенному выше описанию.
Описанные выше способы обработки данных могут быть реализованы путем программы, управляющей компьютером для осуществления данной технологии. Программа может быть записана на носителе информации, например, твердых или гибких дисках, CD- и DVD-воспроизводимых дисках или флеш-памяти. Программа может также передаваться через компьютерную сеть, например, Интернет или группу компьютеров, объединенных вместе в локальную сеть.
Схематическая диаграмма на фиг.3 иллюстрирует центральный процессор (CPU) 13, соединенный с постоянным запоминающим устройством (ROM) 10 и оперативной памятью (RAM) 12. CPU получает данные 14 от приемников через блок ввода-вывода 15. CPU затем определяет калибровочный фильтр 16 в соответствии с командами, получаемыми из блока памяти 11 с записанной программой, который может быть частью ROM 10. Сама программа или любые входные и/или выходные данные могут быть получены или переданы через сеть 18 передачи данных, в качестве которой может быть, например, Интернет. Эта же система или отдельная система может быть использована для корректировки EM-SBL данных с целью удаления падающих сигналов для получения модифицированных EM-SBL данных 17 для дальнейшей обработки.
Для специалиста очевидна возможность многочисленных модификаций в соответствии с изложенным описанием без выхода за рамки изобретения, определяемые формулой.