Способ оценки шумовых составляющих выходных сигналов сейсмомодулей, работающих на литий-ионных источниках питания
METHOD OF ESTIMATING NOISE COMPONENTS OF OUTPUT SIGNALS OF SEISMIC MODULES OPERATING ON LITHIUM-ION POWER SOURCES

Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в нефтяной промышленности для непрерывного контроля сейсмической активности, предпочтительно в инфразвуковой области.
В связи с освоением нефтегазового потенциала арктического континентального шельфа России, большое внимание уделяется развитию мониторинга сейсмической активности акваторий. При проведении различных геофизических работ по микросейсмическому мониторингу, исследователю приходится иметь дело с шумовыми случайными сигналами в инфразвуковой области частот.Обработка, анализ, выявление закономерностей и их интерпретация для такого типа сигналов представляет довольно серьезную проблему. Исследование микросейсмических шумовых процессов является перспективным направлением в геофизике. До недавнего времени возможности этих исследований ограничивались целым комплексом проблем обработки и интерпретации шумовых сигналов. Такие сигналы принципиально отличаются от обычных строго детерминированных сигналов и могут принимать любое произвольное значение из всего допустимого диапазона.
Структура и характер шумовых составляющих оказывают существенное влияние на вероятность оценки самой измеряемой величины. Классические методы исследования случайных процессов (выборочная дисперсия, спектральная плотность) не всегда позволяют идентифицировать источник погрешностей и их количественный вклад в общую статистику шума. Соответствующие статистические оценки также сопровождаются неприемлемо большим разбросом, сопоставимым с самим сигналом. Для решения данной задачи нами использован метод вариации Аллана. Сущность метода вариации Аллана состоит в вычислении дисперсии разницы соседних отклонений, а не самих отклонений центрированного случайного процесса, как это делается при определении классической выборочной дисперсии.
До настоящего времени в измерительных сейсмомодулях в качестве штатных источников электропитания использовались в основном батареи из никель-кадмиевых элементов. Проведенные испытания в реальных условиях низкого уровня микросейсмического фона Арктики, подтвердили возможность измерения этих сигналов с использованием таких измерительных сейсмомодулей. При этом, благодаря весьма низкому уровню микросейсмических шумов удалось провести исследование порога чувствительности аппаратуры.
В последнее время в качестве источников электропитания в автономных сейсмомодулях стали внедряться литий-ионные источники тока: которые обладают гораздо большей энергоэффективностью. Технология производства таких источников тока достаточно хорошо отлажена и четко регламентирована. Однако, к настоящему времени исследование собственных шумов таких источников фактически не проводилось.
В частности, известен (RU, патент 2233001, опубл. 20.07.2004) способ улучшения сейсмического сигнала, создаваемого буровым долотом, с использованием параметров бурения. Изобретение относится к области исследования скважин и пластов в процессе бурения и может быть использовано для повышения отношения сигнал/шум. В качестве пилот-сигнала используют сигнал, создаваемый буровым долотом. Измеряют взаимно коррелированные друг с другом пилот-сигнал и сейсмические сигналы, переданные в грунт и отраженные от пластов. Пилот-сигнал и сейсмические сигналы могут быть обращены из свертки с получением, таким образом, дорожек стандартных сейсмограмм, на которых сигнал искажен шумом. Одновременно с этими сигналами получают связанные с ними параметры бурения. Для обеспечения улучшенного отношения сигнала к шуму и более четкого разделения сигнала и шума пилот-сигнал и сейсмические сигналы, полученные многократными измерениями для одного и того же диапазона глубин, частично или полностью суммируют с весом на основе одного или более параметров бурения или их комбинации Для измерения указанных сигналов служит ряд приемников, образующих сейсмическую линию.
Недостатком способа является необходимость использования для повышения отношения сигнал/шум пилот-сигнала и учета параметров бурения, что не всегда возможно особенно при бурении поисковых и разведочных скважин.
Данный источник информации использован в качестве ближайшего аналога.
Техническая проблема, решаемая использованием разработанного способа, состоит в усовершенствовании метода сейсмического исследования с использованием сейсмических инфразвуковых колебаний.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является оценка и реализация предельно возможной точности статистических измерений микросейсмического шума и контроль отсутствия возможных помех в применяемых литий-ионных источниках питания.
Для достижения указанного технического результат предложено использовать разработанный способ определения погрешностей сейсмоприемникков, обусловленных собственными шумами литий-ионных источников питания. При реализации способа проводят длительную синхронную регистрацию не менее, чем двумя одноименными компонентами сейсмомодулей, в качестве источников электропитания которых использованы литий-ионные источники, информационного сигнала, в качестве которого используется микросейсмический шум Земли, из зарегистрированного информационного сигнала выделяют случайный шумовой сигнал, характеризующийся достаточной стационарностью и пригодный для статистического анализа двух сейсмомодулей, проводят статистическую обработку выделенного сигнала с использованием алгоритма вариации Аллана с оценкой шумовых составляющих выходных сигналов обработки данных одноименных компонент.
Предпочтительно выделение случайного шумового сигнала осуществляют с использованием высокочастотной фильтрации.
Обычно время синхронной регистрации составляет не менее 100 мин.
Преимущественно при статистической обработке выделенного сигнала производят построение Диаграммы вариации Аллана.
Для усиления достигаемого технического результата при регистрации информационного сигнала жестко фиксируют на основании сейсмомодули, одинаково ориентированные по сторонам света.
В настоящей работе рассмотрен метод определения погрешностей, обусловленных собственными шумами литий-ионных источников питания
Тестирование предлагаемого метода определения погрешностей, обусловленных собственными шумами литий-ионных источников питания проводили на примере конкретных измерений шумового микросейсмического сигнала на сейсмостанции «Михнево».
При этом была проведена запись микросейсм двух сейсмомодулей АНЧАР (ras.ru>FStoraga/Downlood aspx), в которых в качестве блока источников электропитания использовались источники на базе литий-ионных элементов (фиг. 1) Сигнал от микросейсмических шумов непрерывно записывали на протяжении длительного интервала времени (110 мин). В результате был выделен случайный шумовой сигнал, характеризующийся достаточной стационарностью и пригодный для статистического анализа двух сейсмомодулей
Как видно из приведенного графика, ход кривой показывает идентичность полученных записей микросейсмического шума.
На фиг. 1 приведен результат статистической обработки, проведенный с использованием алгоритма вариации Аллана на полученной записи.
На фиг. 2 по обеим осям показан график аппроксимирующей кривой вариации Аллана для микросейсмического шумового фона. При этом сделаны оценки шумовых составляющих выходных сигналов обработки данных одноименных компонент
Полученный результат свидетельствует о наличие в обоих каналах коррелированных шумов, т.е. отсутствие собственного шума.
Разработанный способ может быть использован при решении проблем, возникающих при измерении пониженных шумовых микросейсм.
В целом разработанный способ позволяет достаточно четко представить весь ход измерения случайного сигнала во времени и обосновать возможности прецизионных измерений в каждом конкретном случае. При этом необходимым условием результативности подхода является квазистационарности исследуемого сигнала.
Описанное решение проблемы, в отличие от известных вариантов решения подобных задач позволяет корректно и наглядно во всех деталях представить полный ход измерения по мере увеличения его длительности. При этом ход кривой позволяет надежно выявить условия достижения предельно возможной точности оценки квазистационарного микросейсмического шума, определить необходимую длительность измерения и соответствующую погрешность.