СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
METHOD OF MEASURING COORDINATES MICROSEISMIC SOURCES

Область техники
Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности, а именно при контроле процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов, в горнодобывающей промышленности для контроля микросейсмичности в окрестности шахт и рудников, в технологиях контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний для идентификации мест проведения сильных подземных взрывов.
Предшествующий уровень техники
Наиболее перспективная технология из числа применяемых в настоящее время для мониторинга микросейсмической активности в верхних слоях земной среды, в частности мониторинга гидроразрыва пластов (ГРП) при добыче нефти и газа [RU, 2319177], [RU, 2305298], [PCT/US 2009/037220, WO/2009/117336] предполагает использование поверхностных групп сейсмических приемников (ПГСП) для регистрации сейсмических волн, излучаемых микросейсмическими источниками. Записи сейсмических сигналов, принятых ПГСП, используются затем для оценивания размеров и геометрии образовавшейся области разрушения среды. ПГСП представляют собой совокупность приборов, регистрирующих колебания частиц земной среды и установленных на поверхности земли или на небольшом углублении под ее поверхностью на расстояниях от 30 до 200 м друг от друга в области, размеры которой определяются глубиной, на которой происходят микросейсмические события.
Известные методы микросейсмического мониторинга различаются, в основном, методами анализа зарегистрированных ПГСП сейсмических сигналов для решения основных задач мониторинга. Такими задачами являются: локация (измерение координат) источников микроземлетрясений, образующихся при техногенном воздействии на земную среду, т.е. определение мест локальных разрывов среды, генерирующих сейсмические волны; определение геометрических характеристик этих разрывов, т.е. направлений образовавшихся трещин среды.
Решение указанных задач па практике затрудняется следующими факторами:
А. Сложностью строения земной среды под ПГСП, включающей область, где происходят микросейсмические события. Неучет имеющейся информации о строении среды приводит к ошибкам в физических моделях распространения сейсмических волн от микросейсмических источников к приемникам ПГСП, т.е. тех моделей, которые используются при решении указанных выше основных задач обработки сейсмических сигналов.
Б. Наличием в записях сейсмических сигналов от микроземлетрясений сильных когерентных (коррелированных по времени и пространству) помех, порождаемых, главным образом, техническими устройствами, которые работают в районе, где производится мониторинг микросейсмичности. В частности, это механизмы, используемые для разработки месторождений нефти или газа.
Известные способы [RU, 2305298], [RU, 2319177] анализа зарегистрированных ПГСП сейсмических сигналов не в полной мере используют информацию о модели земной среды под сейсмической антенной и совсем не используют информацию о характеристиках помех. При практическом применении этих методов единственным средством компенсации мешающих мониторингу микросейсмичности факторов А, Б является увеличение числа сейсмоприемников в ПГСП или помещение последних в глубокие скважины. Оба эти подхода приводят к существенному повышению стоимости мониторинга
Наиболее близким к предлагаемому в настоящем изобретении является способ измерения координат микросейсмических источников, включающий регистрацию поверхностной группой сейсмических приемников сейсмических сигналов, излучаемых микросейсмическими источниками, и обработку сейсмических сигналов цифровой аппаратурой; при этом производят анализ цифровых записей сейсмических сигналов в скользящем временном окне с длительностью, равной типичной длительности микросейсмических событий, в режиме, близком к режиму реального времени, в результате анализа цифровых записей вычисляют функционал, позволяющий судить об обнаружении микросейсмического события, затем устанавливают значение аргумента, в котором этот функционал достигает максимума, и по этому значению определяют измеренное значение координат микросейсмического источника [PCT/US 2009/037220, WO/2009/117336].
В патенте [PCT/US 2009/037220, WO/2009/117336] описывается способ контроля процесса гидроразрыва пласта (ГРП), основанный на регистрации сейсмических волн, генерируемых при разрыве пласта в результате закачивания в него рабочей жидкости под давлением. Регистрация сейсмических волн осуществляется совокупностью сейсмометров, расположенных на поверхности земли и образующих поверхностную группу сейсмических приемников (ПГСП). Механический процесс разрыва пласта интерпретируется как последовательность микросейсмических событий, генерирующих сейсмические волны. Волны от каждого из событий регистрируются ПГСП и обрабатываются с целью отображения сейсмического волнового поля на поверхности в области установки ПГСП в совокупность источников внутри земной среды в области ГРП.
Обработке последовательно подвергаются записи сигналов ПГСП в пределах скользящего временного окна. Для каждого положения временного окна определяются координаты точки максимума функционала сейсмической эмиссионной томографии (СЭТ)
,
где r=(x,y,z) - координаты предполагаемой точки расположения источника в среде,
k
x(t), t=1, …, N, k=1, …, m - дискретные отсчеты сигналов, зарегистрированных сейсмометрами ПГСП, находящиеся в пределах скользящего временного окна с длительностью Т;
д
д
N=Tf - число дискретных отсчетов сигналов в пределах скользящего окна, где f - частота дискретизации сигналов;
k
τ (r) - задержка сигнала источника при его распространении от источника в точке r до k-го приемника ПГСП,
m - число приемников в ПГСП.
Большое значение максимума функционала свидетельствует о наличии микросейсмического источника, а координаты , ,  точки максимума функционала принимаются за оценку координат этого источника.
k
При локации микросейсмических источников на основе анализа записей ПГСП с помощью функционала Ψ(r) не учитываются статистические характеристики случайных сейсмических помех, воздействующих на приемники ПГСП. Такой учет чрезвычайно важен, так как в районах регистрации микросейсмической активности, в частности в районах разработки залежей углеводородов, существуют интенсивные случайные сейсмические помехи, генерируемые техническими устройствами, работающими в этих районах. Эти помехи имеют сильную временную и пространственную корреляцию, из-за которой сигналы x(t), зарегистрированные различными приемниками ПГСП и представляющие собой суммы сигналов от источника и сигналов помех в точках расположения приемников ПГСП, оказываются сильно коррелированными при любых отношениях сигнал-помеха. Поэтому простое их суммирование (как это предполагается во второй сумме в формуле функционала Ψ(r)) не уменьшает влияние помех на значение максимума функционала Ψ(r). Как известно из классических результатов математической статистики, «подавление» помех их простым суммированием имеет место только в том случае, когда сигналы помех в различных приемниках ПГСП являются взаимно некоррелированными.
Сильно коррелированные по времени и пространству помехи, как правило, искажающие сигналы от микросейсмических источников, обычно называются когерентными помехами.
Указанный недостаток приводит к тому, что при практической реализации описанного выше способа мониторинга ГРП из-за влияния когерентных техногенных сейсмических помех, воздействующих на приемники ПГСП, обнаруживается большое число «ложных» микросейсмических источников, а оцененные координаты реальных источников существенно отличаются от их истинных положений. В результате весьма неточно определяется область, в которой происходит разрушение среды при ГРП, и для уточнения этой области приходится применять интерактивную обработку «облака» обнаруженных сейсмических событий с помощью квалифицированного оператора. Этот недостаток существенно затрудняет мониторинг гидроразрыва пласта в близком к реальному масштабе времени.
Раскрытие изобретения
Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик мониторинга микросейсмичности с помощью ПГСП.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного способа, - повышение вероятности обнаружения истинных микросейсмических событий и улучшение точности измерения координат их источников.
Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата в известном способе измерения координат микросейсмических источников, включающем: регистрацию поверхностной группой сейсмических приемников сейсмических сигналов, излучаемых микросейсмическими источниками; обработку сейсмических сигналов цифровой аппаратурой в режиме, близком к режиму реального времени; анализ цифровых записей сейсмических сигналов в скользящем временном окне с длительностью, равной типичной длительности микросейсмических событий; суждение по результатам анализа об обнаружении микросейсмического события, вычисление определенного функционала; установление значения аргумента, в котором этот функционал достигает максимума; определение по этому значению измеренного значения координат микросейсмического источника, согласно изобретению при анализе цифровых записей сейсмических сигналов вычисляют новый функционал, использующий частотные характеристики путей распространения сейсмических сигналов от микросейсмического источника и включающий операцию пространственно-временной фильтрации когерентных помех:
j
T
где x(f), j=1, …, N - m-мерные комплексные векторы значений дискретного конечного преобразования Фурье (ДКПФ) векторных отсчетов m-канальных записей сигналов ПГСП , t=1, …, N, на интервале анализируемого временного окна (верхний индекс  есть знак транспонирования вектора),
д
- частоты ДКПФ, f - частота дискретизации сигналов ПГСП;
д
N=Tf - число векторных отсчетов m-канальных записей сигналов ПГСП на интервале временного окна, Т - длительность временного окна,
m - число приемников ПГСП,
- комплексные векторные функции, компоненты которых вычисляются по формуле:
,
1
2
где Т(d,z), d∈[0,R], z∈[Z,Z], - заданное семейство годографов сейсмических волн в земной среде под ПГСП,
R - апертура ПГСП,
1
2
Z, Z - минимальная и максимальная глубины, в пределах которых ищутся сигналы от микросейсмических источников,
,
k
k
k
x, y, z - координаты k-го сейсмоприемника, r=(x,y,z) - ожидаемые координаты источника,
i - мнимая единица;
*
верхний индекс  у символа h - знак Эрмитова сопряжения вектора, то есть, транспонирования и комплексного сопряжения;
j
B(f) - комплексная матричная функция размерности m×m пространственно-временного фильтра для подавления когерентных случайных помех, содержащихся в записях сигналов ПГСП, которая вычисляется по формуле:
,
где F(f) - матричная спектральная плотность мощности случайных когерентных помех, воздействующих на сейсмометры ПГСП (Бриллинджер Д. Временные ряды. Обработка данных и теория // М.: Мир, 1980, 536 с.);
Δf - интервал частот, в котором ожидаются сигналы от микросейсмического источника,
Q - область земной среды, в которой ищутся микросейсмические источники;
затем устанавливают значение аргумента r функционала Ф(r), в котором этот функционал достигает максимума, и по этому значению определяют измеренное значение координат  микросейсмического источника:
Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:
j
- матричная функция B(f) пространственно-временного фильтра для подавления когерентных случайных помех вычислялась на основании заданных координат расположения технических устройств, генерирующих сильные сейсмические помехи, законов распространения волн помех в приповерхностном слое земной среды по формуле (Кушнир А.Ф., Мостовой С.В. Статистический анализ геофизических полей // Киев, Наукова Думка, 1990, 275 с.):
,
где ,
q,j
l
j
матрица U составлена из s векторов-столбцов q(f), l∈1, …, s, то есть
,
l
j
векторы q(f) представляют собой частотные характеристики путей распространения сейсмических волн-помех от локализованных источников помех к приемникам группы,
s<<m - число источников техногенных помех.
j
- матричная функция B(f) пространственно-временного фильтра для подавления когерентных случайных помех вычислялась на основании вспомогательных записей помех во всех сейсмометрах ПГСП путем статистического оценивания по этим записям обратной матричной спектральной плотности мощности помех .
Предлагаемый в настоящем изобретении способ измерения координат микросейсмических источников по записям их сигналов, зарегистрированных ПГСП при воздействии сильных когерентных помех, позволяет существенно уменьшить влияние факторов А и Б на эффективность микросейсмического мониторинга с помощью ПГСП. Это позволяет при практическом применении метода уменьшить число сейсмоприемников в ПГСП и/или устранить необходимость заглубления их в скважины. Использование изобретения приведет к значительному уменьшению стоимости мониторинга микросейсмичности с помощью ПГСП, особенно в случае сейсмического мониторинга ГРП при сильных техногенных помехах.
Сущность изобретения заключается в способах накопления и эффективного использования информации о регистрируемых ПГСП сигналах с учетом физических свойств земной среды в районе мониторинга микросейсмичности и статистических характеристик помех, маскирующих сейсмические сигналы.
Существенные особенности предлагаемого способа заключаются в следующем.
Предлагаемый способ учитывает то, что и воздействие помех на сейсмические сигналы, и влияние на них земной среды в сложно устроенной приповерхностной области, в которой проявляется микросейсмичность, существенно зависят от доминирующих частот сигналов и помех. Поэтому заявленный способ предполагает анализ зарегистрированных ПГСП сигналов в частотной области, после преобразования их с помощью дискретного конечного преобразования Фурье (ДКПФ), реализуемого процедурой быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Заявленный способ основан на современных математических методах статистического анализа многомерных случайных наблюдений. А именно, он учитывает, что согласно теоретическим рекомендациям (Кушнир А.Ф., Мостовой С.В. Статистический анализ геофизических полей // Киев, Наукова Думка, 1990 275 с.) влияние сильных пространственно коррелированных (когерентных) помех на надежность обнаружения микросейсмических источников и точность определения их координат может быть существенно уменьшено в результате пространственно-временной фильтрации помех при анализе многомерных наблюдений. При этом наилучшая матричная частотная характеристика пространственно-временного фильтра определяется обратной спектральной плотностью мощности помех, искажающих сигналы сейсмического источника в процессе их регистрации сейсмометрами ПГСП.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Краткий перечень чертежей
Фиг.1 изображает функциональную схему устройства для реализации заявленного способа;
Фиг.2 - то же, что фиг.1, другой вариант.
Лучшие варианты осуществления изобретения
Предлагаемые варианты функциональных схем устройств локации микросейсмических сигналов для осуществления заявленного способа основаны на общем способе анализа данных ПГСП и классифицируются в соответствии с объемом информации о статистических характеристиках случайных помех, действующих в районе установки ПГСП. Эта информация, как правило, задается в техническом задании (ТЗ) на применение устройства локации в конкретной задаче микросейсмического мониторинга.
Базовое устройство требует наибольшей информации о случайных помехах, воздействующих на сейсмометры ПГСП, то есть задание их матричной спектральной плотности мощности. Другие варианты базового устройства - это устройства, использующие различную априорную информацию о помехах, позволяющую достаточно точно определить их матричную спектральную плотность мощности, и поэтому требующие включения в устройства определенных дополнительных блоков.
Базовое устройство локации микросейсмических источников
Базовое устройство функционирует в соответствии со следующей формулой для определения координат микросейсмического источника:
, где
j
T
где x(f), j=1, …, N - m-мерные комплексные векторы значений дискретного конечного преобразования Фурье (ДКПФ) векторных отсчетов m-канальных записей ПГСП , t=1, …, N, t=1, …, N, на интервале анализируемого временного окна (верхний индекс  - знак транспонирования вектора);
д
- частоты ДКПФ; f - частота дискретизации сигналов ПГСП;
д
N=Tf - число векторных отсчетов m-канальных записей ПГСП на интервале временного окна, T - длительность временного окна;
m - число сейсмометров ПГСП;
- комплексные векторные функции, компоненты которых вычисляются по формуле:
,
1
2
где Т(d,z), d∈[0,R], z∈[Z,Z] - заданное семейство годографов сейсмических волн в земной среде под ПГСП,
1
2
R - апертура ПГСП, Z, Z - минимальная и максимальная глубины, в пределах которых ищутся микросейсмические источники,
k
k
k
, x, y, z - координаты k-го сейсмоприемника,
r=(x,y,z) - ожидаемые координаты источника,
i - мнимая единица;
*
верхний индекс - знак Эрмитова сопряжения векторов (т.е. транспонирования и комплексного сопряжения),
Δf - интервал частот, в котором ожидаются сигналы от микросейсмического источника;
Q - область земной среды, в которой ищутся микросейсмические источники.
j
B(f) - комплексная матричная функция размерности m×m пространственного фильтра для подавления когерентных случайных помех, содержащихся в записях сигналов ПГСП, которая вычисляется по формуле:
где F(f) - матричная спектральная плотность мощности случайных когерентных помех, воздействующих сейсмометры ПГСП;
Базовое устройство, функционирующее согласно формулам (1), (2), (3), состоит из следующих блоков, выполненных на основе цифровой вычислительной техники (Фиг.1):
k
1) Блока 1 - блока приема аналоговых сейсмических сигналов x(t), t∈[0,T]; k=1, …, m, с помощью m сейсмоприемников, образующих ПГСП.
k
k,t
д
t
l,t
m,t
2) Блока 2 - аналогово-цифрового преобразователя сейсмических сигналов ПГСП для преобразования сигналов x(t), t∈[0,T]; k=1, …, m, в последовательности дискретных отсчетов x, t=1, …, N, k=1, …, m, с заданной частотой дискретизации f. Эти отсчеты образуют в совокупности последовательность векторных цифровых данных ПГСП x=(x,…,x), t=1, …, N, используемых для обнаружения и локации микросейсмических источников.
t
3) Блока 3 - буфера накопления многоканальных цифровых данных ПГСП x, t=1, …, N и передачи этих данных для обработки следующими блоками в режиме, близком к режиму реального времени.
t
4) Блока 4 - устройства предварительной обработки многоканальных цифровых данных ПГСП. Этот блок обеспечивает считывание из буфера многоканальных отсчетов x, t=1, …, N на очередном интервале скользящего окна, предварительную обработку этих данных: частотную фильтрацию и исправление возможных технических искажений, устранение сильных импульсных техногенных помех.
t
j
5) Блока 5 - преобразователя цифровых многоканальных данных ПГСП x, t=1, …, N в частотную область. В результате в этом блоке образуется векторная последовательность x(f), , j=1, …, N «частотных отсчетов» данных ПГСП на интервале скользящего временного окна.
j
6) Блока 6 - вычислителя комплексных векторных частотных характеристик путей распространения сейсмических волн к сейсмометрам ПГСП. Вычисляются функции h(f,r} по формуле (2) на основе заданного семейства годографов сейсмических волн в земной среде под ПГСП.
j
7) Блока 7 - вычислителя значений матричной частотной характеристики пространственно-временного фильтра для подавления когерентных помех. Матричная функция B(f) вычисляется по формуле (3).
8) Блока 8 - вычислителя значений максимизируемого функционала Ф(r) от наблюдений в заданных точках  по формуле (1)
9) Блока 9 - вычислителя точки максимума функционала Ф(r) по координатам источника в области Q возможных расположений источника на данном этапе ГРП. Вычисление осуществляется или одним из известных методов максимизации функций многих переменных (Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высш. шк., 1994, 544 с.) или путем вычисления значений Ф(r) на сетке значений 3-мерного вектора r, построенной в области Q. После этого производится выбор той точки , где достигается его максимальная величина на множестве всех вычисленных значений Ф(r).
Устройство II локации микросейсмических источников
Устройство II является техническим расширением базового устройства. Оно применяется, когда информация о статистических характеристиках техногенных помехах в районе установки ПГСП может быть получена на основании координат технических устройств, излучающих интенсивные сейсмические волны, и характеристик земной среды, определяющих распространение этих волн. В этом случае матричная функция пространственно-временного фильтра, подавляющего техногенные помехи, рассчитывается по формулам:
где ,
q,j
l
j
матрица U составлена из s векторов-столбцов q(f), l∈1, …, s, то есть
,
l
j
векторы q(f) представляют собой частотные характеристики путей распространения сейсмических волн - помех от локализованных источников помех к приемникам группы,
s<<m - число источников техногенных помех.
j
j
Функциональная схема устройства II (Фиг.2) почти полностью совпадает с блок-схемой базового устройства (Фиг.1). Отличие этих блок-схем заключается в следующем. В блок-схеме устройства II введен дополнительный блок 10, в котором производится определение матричной спектральной плотности мощности (МСПМ) когерентных помех. То есть осуществляется вычисление согласно формуле (5) матричной функции G(f) аппроксимирующей МСПМ когерентных техногенных помех. Вычисленная в блоке 10 функция G(f) далее используется в блоке 7 для вычисления матричной частотной характеристики пространственно-временного фильтра подавления когерентных помех (Фиг.2).
Устройство III локации микросейсмичсских источников
Устройство III является техническим видоизменением устройства II. Оно применяется, когда информация о статистических характеристиках помех в районе установки ПГСП может быть получена на основании дополнительной регистрации этих помех на всех приемниках ПГСП непосредственно перед проведением ГРП. В этом случае матричная функция пространственно-временного фильтра для подавления когерентных помех вычисляется по формулам:
- статистическая оценка обратной матричной функции спектральной плотности мощности помех, полученная в результате обработки записи «чистых» помех с помощью алгоритмов многомерного статистического спектрального анализа.
j
Функциональная схема устройства III почти полностью совпадает с блок-схемой устройства II (Фиг.2). Отличие этих блок-схем заключается в том, что в блок-схеме устройства III аппроксимация матричной спектральной плотности мощности когерентных помех производится в блоке 10 по формулам (6) и (7). Вычисленная в блоке 10 матричная функция  далее используется в блоке 7 для вычисления матричной частотной характеристики B(f) пространственно-временного фильтра подавления когерентных помех.
Промышленная применимость
Наиболее успешно заявленный способ измерения координат микросейсмических источников при воздействии сильных когерентных помех промышленно применим в нефтяной и газовой промышленности, в горнодобывающей промышленности, в технологиях контроля проведения ядерных испытаний.