СПОСОБ И СИСТЕМА СБОРА СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ
METHOD AND SYSTEM FOR COLLECTING SEISMIC DATA

Исследуемое техническое решение относится к области геофизики, а именно к способам и устройствам, направленным на изучение характеристик глубинного строения и может быть применено для сейсмической разведки [G01V 1/02, G01V 3/12, G01V 3/15, G01V 3/17].
Основной потенциал прироста запасов углеводородов в мире XXI века – это сложно построенные и трудноизвлекаемые месторождения нефти и газа. Необходима ревизия и корректировка существующих подходов к работам на нефть и газ, так как существующие геофизические технологии изучения геологического строения и прогноза высокодебитных блоков месторождений не соответствует сложности геолого-геофизических условий.
Нефтяные компании проводят сейсмическую разведку для понижения уровня рисков и снижения стоимости работ по обнаружению и разработке новых нефтяных и газовых месторождений. Традиционная сейсмическая разведка проводится путем развертывания на местности линейных профильных или пространственных сетей сейсмических приемников (датчиков), покрывающих значительные участки земной поверхности. Источник упругой волны приводится в действие внутри такой сети, и возникающая в результате воздействия на среды акустическая волна распространяется по поверхности и внутрь земной коры. Отдельные части упругой волны отражаются от подземных неоднородностей, таких как нефтяные и газовые пластовые резервуары. Процессы возбуждения отраженных волн и записи информации об их распространении обозначаются термином "сбор сейсмических данных". С помощью перемещения источника сейсмической энергии в границах измерительной сети и сбора сейсмических данных возможно построение трехмерной карты или глубинных разрезов подземной структуры земной коры, которая в дальнейшем используется для принятия решений о месте заложения буровых скважин и глубинах продуктивных зон.
Поиск и разведка так называемых сложно устроенных, малоразмерных месторождений углеводородов требуют от сейсморазведочных исследований внедрения технологических приемов, повышающих вертикальную и горизонтальную разрешающую способность метода. Общепринятый способ – это отказ от традиционного группирования источников и приемников и использования точечного возбуждения с одновременным сгущением линий приема и возбуждения и непрерывной регистрацией регулярных и случайных сигналов без искажений.
Технология сбора сейсмических данных на конкретном участке месторождения   рассчитана на заданную проектом точность и обычно ограничена особенностями сейсмогеологического разреза среды, условиями производства работ, экологическими требованиями и экономическими факторами.  Повышение производительности получения исходных данных сокращает операционные расходы и одновременно повышает достоверность и детальность сейсмических исследований и кондиционность геологических моделей.
Важным фактором при определении качества и пространственного разрешения сейсмического изображения является выбор источника   упругих волн. Традиционные взрывные и импульсные невзрывные источники прямого ударного действия по способу и физике   формирования упругих колебаний на поверхности различных сред обеспечивают высокое разрешение сейсмических сигналов, но не могут составить конкуренцию вибрационным источникам из-за сложности контроля за фазовой и амплитудной идентичностью одиночных воздействий, а также по экономическим показателям.
Современные высокоплотные системы наблюдений используют способы и методы вибрационного возбуждения. Вибрационный источник создаёт на поверхности среды импульсы давления за 15 – 60 секунд от 3 до 120 Гц с амплитудой до 30 тонн. Излучатель монтируется на тягаче повышенной проходимости и позволяет получать много раз воспроизводимый сигнал. Для ускорения сбора геофизических данных разработаны и внедрены в производство технологии поочерёдного возбуждения сигналов (flip-flop), перекрывающихся сигналов (slip-sweep), независимого возбуждения сигналов (ISS) и их комбинации, что сокращает время возбуждения упругих волн в сети.
Известна ТРЕХМЕРНАЯ СЕЙСМОРАЗВЕДКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕСКОЛЬКИХ ИСТОЧНИКОВ ОДНОВРЕМЕННО [CA2185751 (A1), опубл.: 21.02.1998], характеризующаяся одновременным излучением сигналов с плавающей частотой от множества вибраторов или групп вибраторов N, и включает в себя следующие шаги в комбинации: a) выбор желаемой начальной частоты и конечной частоты сигналов развертки частоты; b) выбор максимального времени; c) выбор или наблюдение для типичного вибратора или группы вибраторов связи между основной частотой развертки и временем развертки; d) выведение для указанного отношения частотно-временного пространства между указанным отношением и назначенной гармоникой такого отношения; e) деление упомянутого частотно-временного пространства на N разделов, каждый из которых имеет экстент частоты от упомянутой начальной частоты до упомянутой конечной частоты, и каждый имеет интервал времени на каждой частоте, не менее указанного максимального времени в пути; f) назначение каждого из N вибраторов или групп вибраторов одному из указанных N разделов; и g) управляют частотно-временным отношением каждого вибратора или группы вибраторов так, чтобы все сейсмические сигналы, полученные из него, вплоть до указанного максимального времени пробега, попадали в его упомянутую раздел.
Недостатком аналога является низкая оперативность измерений, обусловленная неподвижным размещением источников сигналов.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ СБОРА СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ [RU2008107174 (A), опубл.: 10.10.2009], относящихся к подземной области, на поверхности которой расположены набор приемников сейсмических волн, находящихся в контакте с землей, записывающее устройство для записи сигналов, выдаваемых приемниками, и набор источников вибрации, следующих по соответствующим заранее определенным траекториям, причем каждая из траекторий содержит ряд положений генерирования возбуждений, при этом указанные источники выполнены с возможностью генерирования, при нахождении в положении генерирования возбуждений, сейсмических вибраций, соответствующих последовательности возбуждений типа свип-сигнала заранее определенной длительности и переменной частоты, включающий в себя шаг синхронизации часов источников и записывающего устройства и шаг выдачи каждому из источников разрешения на генерирование возбуждений в соответствующие последовательности заранее определенных моментов времени tk,n возбуждения, где k - порядковый номер возбуждения для данного источника, a n - порядковый номер источника, находящийся в пределах от 1 до числа Ns источников, при этом на указанном шаге выдачи разрешения источникам вибрации осуществляют генерирование колебаний при условии, что в указанное время tk,n источник находится в состоянии готовности к генерированию вибраций, и осуществляют непрерывную запись сигналов, выдаваемых приемниками.
Основной технической проблемой прототипа является низкая эффективность применения указанного способа, обусловленная   ограничением  спектра сигнала диапазоном частот свипирования и уровнем гармонических и фазовых искажений, при этом данный способ обладает высокой трудоемкостью, обусловленной значительными  затратами времени на поиск заданной точки возбуждения, временем установки вибратора и подготовку его к работе.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности сбора и обработки сейсмических данных с высокой разрешающей способностью.
i
i
0N
ш
i
0i
сi
i
сi
i
сi
готi
готi
сi
0i
прni
i
ni
ni
ш
kn
i
kn
kn
ni
ш
i
0i
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ сбора сейсмических данных, характеризующийся воздействием на исследуемую поверхность источниками сейсмических сигналов, следующих по заранее определенным траекториям, синхронизацией часов источников и записывающего устройства и непрерывную запись сигналов, выдаваемых приемниками, отличающийся тем, что перед сбором сигналов задают количество одновременно работающих источников сигналов N и траектории их перемещения, плотность возбуждения на единицу длины траектории движения n каждого из N-источников сигнала, амплитуду сигнала А и  уровень случайных помех А,  для каждого из N-источников сигналов вычисляют и задают начальную скорость движения V= f / n, где  f - частота повторения импульсов каждого из N-источников сигналов, при этом f = 1/T, где  T – период готовности источника сигнала к повторному возбуждению, определяют координаты каждого из приемников сигналов, в процессе перемещения источников сигналов воздействуют на поверхность импульсами с заданной частотой повторения f и амплитудой А, на регистрируемой приемниками непрерывной записи выделяют времена прихода упругих волн t от каждого из N-источников сигналов и их амплитуды А, определяют соотношения сигнал/шум А/А, сопоставляют полученные данные с данными о временах импульсов t от каждого из N-источника сигналов и координатах x и y каждого из импульсов, определяют распределение скоростей сигналов в земной поверхности и строят модель земной поверхности, при этом при уменьшении соотношения сигнал/шум А/А увеличивают плотность возбуждения n и их амплитуды А без остановки перемещения источников сигналов.
В частности, перемещение источников сигналов осуществляют непрерывно.
прn
kn
В частности, распределение скоростей сигналов в земной поверхности определяют по разности времен пробегов t-t упругих волн от источников сигналов до каждого из приемников.
Указанный технический результат достигается за счет того, что система сбора сейсмических данных, содержащая приемники сигналов, записывающее устройство и источники сигналов, отличающаяся тем, что содержит, как минимум, один источник сигналов, выполненный в виде невзрывного импульсного источника упругих колебаний смонтированном на подвижной платформе, размещенной в контакте с исследуемой поверхностью, к источнику сигналов подключены записывающее устройство, датчик измерения скорости, модуль местоположения, смонтированные на одной с источников сигналов платформе, один или несколько приемников сигналов подключены к блоку сбора данных, записывающие устройства и блоки сбора данных соединены модулями связи со станцией управления и сбора данных, включающей контроллер, регистрирующее устройство, модуль обработки данных, интерфейсный модуль для отслеживания местонахождения источника сигналов, скорости его движения и технического состояния источника и приемников сигналов, модуль синхронизации источников сигналов и датчик ветра для регистрации шумовых помех.
В частности, подвижная платформа смонтирована на транспортном средства.
В частности, подвижная платформа выполнена в зацеплении с транспортным средством.
В частности, приемники сигналов выполнены в виде приемников сейсмических сигналов.
В частности, модуль местоположения выполнен в виде GPS-приемника.
В частности, модуль обработки данных выполнен в виде ПЭВМ.
На фигуре показана блок-схема системы сбора сейсмических данных, на которой обозначено: 1 – приемники сигналов, 2 –источники сигналов, 3 – блоки сбора данных, 4 – модули связи, 5 – записывающие устройства, 6 – станция управления и сбора данных, 7 – датчики скорости, 8 – платформа, 9 – GPS-модули, 10 – контроллер, 11 – модуль обработки данных, 12 – интерфейсный модуль, 13 – модуль синхронизации источников сигналов, 14 – датчик ветра.
Осуществление изобретения.
Система сбора сейсмических данных содержит источники сигналов 2, выполненные в виде невзрывных импульсных источников упругих колебаний. Каждый из источников сигналов 2 смонтирован на транспортном средстве или в зацеплении с транспортным средством и выполнен в непосредственном контакте с исследуемой поверхностью или с поверхностью, соприкасающуюся с исследуемой (лед, водная среда, снег), например, в металлических полозьях саней, на волокуша, на дне судна.
Каждый из источников сигналов 2 подключен к записывающему устройству 5 к которому, в свою очередь, подключены смонтированные на одной с источником сигналов 2 платформе 8 датчик скорости 7, GPS-модуль 9 и модуль связи 4.
Записывающие устройства 5 через модули связи 4 подключены к станции управления и сбора данных 6.
Станция сбора и обработки данных 6 содержит контроллер 10 с подключенным к нему модулем обработки данных 11 и регистрирующими устройствами, выполненными в виде блоков сбора данных 3 для обработки сигналов от приемников сигналов 1 также соединенными с модулем обработки данных 11. К модулю обработки данных 11 подключен интерфейсный модуль 12, модуль синхронизации источников сигналов 13, GPS-модуль 9 и датчик ветра 14.
Приемники сигналов 1 смонтированы непосредственно на исследуемой земной поверхности с возможностью регистрации сейсмических сигналов. Каждый из приемников сигналов 1 или приемники сигналов 1, объединенные в группу подключены к блокам сбора данных 3 через модули связи 4.
Систему сбора сейсмических данных реализуют следующим образом.
Первоначально на исследуемой местности размещают приемники сигналов 1, определяют потребность в количестве одновременно работающих источников сигналов N 2, размещенных на транспортном средстве или в зацеплении с ними. Определяют траектории движения источников сигналов 2 и их протяженности.
Получают от GPS-модулей 9 и записывают в станцию управления и сбора данных 6 координаты размещения каждого из приемников сигналов 1.
i
i
0N
ш
Далее исходя из требуемого разрешения сейсмограмм определяют плотность возбуждения на единицу длины траектории движения n каждого из N-источников сигналов 2, амплитуду сигнала А и уровень случайных помех А.
сi
i
готi
0
с
Зная частоту повторения импульсов f каждого из N-источников сигналов 2, обратно пропорциональной периоду готовности источника сигнала 2 к повторному возбуждению T определяют начальную скорость для каждого из источников сигналов 2 по формуле V= f / n.
Например,
пусть n = 200 имп/км;
сi
готi
f = 0,1 имп/сек при T = 10 сек;
тогда,
V = 0,1/200 = 0,0005 км/с = 1,8 км/ч.
От контроллера 10 станции управления и сбора данных 6 через модули связи 4 подают команду на включение и синхронизацию по времени с помощью GPS-модулей 9 источников сигналов 2 и модуля обработки данных 11. После синхронизации от источников сигналов 2 и модуля обработки данных 11 на контроллер 10 станции управления и сбора данных 6 и визуально на интерфейсный модуль 12 поступают сигналы о готовности источников сигналов 2 к работе.
0.
0n
Контроллер 10 станции управления и сбора данных 6, получив сигналы о готовности к работе, запускает записывающие устройства 5 и блоки сбора данных 3 и одновременно или синхронно с помощью модуля синхронизации источников сигналов 13 направляет команду на первый удар одного из источников сигналов 2 и дальнейшее его движение с рассчитанной скоростью VЗаписывают в записывающем устройствах 5 источника сигнала 2 время его запуска t.
0
Через промежуток времени, например, равный времени прихода отраженной сейсмической волны от предельно глубокого горизонта изучаемой подземной структуры (время тишины), запускают второй источник сигналов 2 на удар и движение с расчетной скоростью V. Подобным образом поочередно запускают все источники сигналов 2.
сi
0
0
kn
0n
n
kn
kn
прni
ni
В процессе непрерывного перемещения каждого из источников сигналов 2 с заданной частотой повторения импульсов f или командой от контроллера 10 станции управления и сбора данных 6 воздействуют на поверхность грунта импульсами, длительностью до 10 мс с начальной амплитудой А, пропорциональной величине удельного давления источника сигналов 2 на грунт. Записывают в записывающее устройство 5 амплитуду импульсов А, время подачи импульсов t, отсчитанное от начального времени t, номер k и координаты точек воздействия импульсов x и y, где n - порядковый номер источника сигнала 2. Упругая волна от источника сигналов 2 в грунте преобразуется в объемную сейсмическую волну со скоростью распространения от 2,5 до 8 км/с в зависимости от плотности и упругости среды распространения, при этом при прохождении границы сред с разными упругими постоянными упомянутая волна преломляется и меняет свое направление и амплитуду. Приемниками сигналов 1 регистрируют пришедшую от источника сигналов 2 сейсмический сигнал и передают информацию через модули связи 4 в блоки сбора данных 3, в которых записывают времена прихода сейсмических волн t от источника сигналов 2 и их амплитуды А. Из блоков сбора данных 3 указанную информацию передают в модуль обработки данных 11 станции управления и сбора данных 6.
kn
kn
kn
прn
n
n
kn
ni
ш
прn
kn
0
n
В модуле обработки данных 11 станции управления и сбора данных 6 полученные данные о времени подачи импульсов t и координатах точек воздействия импульсов x и y каждого из источников сигналов 2 с учетом скорости перемещения источника сигналов 2, полученных от датчика скорости 7 сопоставляют с временами прихода сейсмических волн t от каждого из источников сигналов 2 и их амплитудами А, анализируют зависимости Аот времени t и изменение частоты сигнала и вычисляют отношение сигнал/шум А/А. По разности времен пробегов t-t сейсмических волн от каждого из источников сигналов 2 до каждого из приемников 1 и величине затухания А-А определяют распределение скоростей вдоль земной поверхности и в глубину, а с учетом известных скоростей распространения сейсмических волн в упругой среде формируют амплитудно-частотную спектрограмму.
ni
ш
При уменьшении соотношения сигнал/шум А/А, увеличивают степень воздействия источника сигналов 2 на поверхность путем увеличения удельного давления источника сигналов 2 на поверхность или снижения скорости движения V источника сигналов 2, тем самым увеличивают плотность возбуждения n.
с
ni
ш
kn
kn
kn
ni
ш
0
Заявленный технический результат - повышение производительности сбора и обработки сейсмических данных с высокой разрешающей способностью, достигается за счет воздействия на исследуемую поверхность или поверхность, непосредственно соприкасающуюся с исследуемой поверхностью  с заданными плотностью возбуждения на единицу длины траектории движения n и частотой повторения импульсов f, как минимум, одним источником сигналов 2, выполненным в виде невзрывного импульсного источника упругих колебаний, смонтированного подвижно на транспортном средстве, движущегося по заданной траектории с рассчитанной скоростью V, привязкой упомянутых источников сигналов 2 по времени и координатам воздействия на грунт с помощью GPS-модулей 9, смонтированных вблизи источников сигналов 2, непрерывной передачей и записью в блоках сбора данных 3 и обработкой в модуле обработки данных 11 зарегистрированных приемниками сигналов 1, определения в процессе записи соотношения сигнал/шум А/А, сопоставления полученных данных с данными о временах импульсов t и координатах x и y воздействия каждым из источников сигналов 2 и построения спектральных характеристик распределения сейсмических волн, а при уменьшении соотношения сигнал/шум А/А  оперативного увеличения плотностью возбуждения на единицу площади n путем изменения скорости движения V источника сигналов 2 и амплитуды А сигнала (удельного давления на грунт) без остановки движения источников сигналов 2.