СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК
SEISMIC RECEIVER

Изобретение относится к области сейсмометрии в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано в системах регистрации сейсмических данных, например, при проведении поверхностного мониторинга операции гидравлического разрыва пласта (ГРП), поиске залежей углеводородов, определении системы естественной трещиноватости.
В настоящее время при решении данных задач необходимо применение автономных широкополосных высокоточных сейсмических приемников, которые располагаются компактной группой.
Как правило, в сетях пассивного сейсмологического мониторинга в качестве сейсмических приемников применяют сейсмометры, позволяющие работать в частотном диапазоне от 0,5 Гц до 60 Гц.
Организация работающей малоапертурной группы в этом случае является экономически нецелесообразной в виду высокой стоимости автономных широкополосных сейсмических приемников и отсутствия готовых решений на их основе для обеспечения мониторинга в режиме реального времени.
Высокая стоимость таких сейсмических приемников, трудоемкость их установки, последующего обслуживания и охраны делают такие работы чрезвычайно затратными.
Вместе с тем сейсмоприемники на базе геофонов, дополненные соответствующими модулями усиления и корректировки амплитудно-частотных характеристик и фильтрации, могут быть использованы в современных цифровых системах регистрации сейсмических данных.
Подобные сейсмические приемники позволяют зарегистрировать сейсмические сигналы, ассоциирующиеся с залежью углеводородов, развитием трещины ГРП.
Методы увеличения частотного диапазона позволяют создать сейсмический приемник, покрывающий необходимый рабочий диапазон частот в области низких частот, при этом верхняя граница частотного диапазона может достигать до 1 кГц, что позволяет комплексировать методы пассивного и активного сейсмического мониторинга.
Использование таких сейсмических приемников позволит увеличить густоту локальных сейсмологических сетей благодаря снижению затрат на их обустройство и обслуживание.
Известны регистраторы сейсмических сигналов, в которых использованы измерительные первичные преобразователи (сейсмические приемники):
ZET 048-С производства ZETLAB
[https://zetlab.com/product-category/izmeritelno oborudovanie/seysmostantsii/];
Байкал-8 производства ООО «Р-сенсорс»
[http://r-sensors.ru/1_products/Descriptions/BY-8-RU.pdf],;
ДЕЛЬТА-03М производства ООО «Логические системы» [http://logsys.ru/index.php?page= 15].
Недостатками аналогов являются:
- использование первичных преобразователей с малыми уровнями выходного сигнала, вследствие малых коэффициентов усиления;
- невозможность сохранения приемлемого отношения сигнал/шум в случае дополнения вышеупомянутых устройств каскадом усиления со значительным коэффициентом усиления для использования первичных преобразователей с малым уровнем выходного сигнала;
- недостаточно высокое соотношение сигнал/шум при измерениях микросейсмических сигналов на частотах долей и первых герц, в частности для задач поиска углеводородов и слабых сигналов трещиноватой среды при ГРП.
1
0
Прототипом является устройство для коррекции частотной характеристики геофона, состоящее из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω до собственной частоты геофона ω (патент RU 111689 U1, МПК G01V 1/00, дата публикации 20.12.2011).
1
Основным недостатком устройства-прототипа является недостаточное соотношение сигнал/шум, при этом, так как полосовой интегратор имеет постоянный коэффициент усиления в области частот 0 - ω, а соотношение сигнал/шум в данной области частот меньше единицы, усиление сигнала в данной области частот приводит к усилению низкочастотного шума, причем значение резистора в цепи обратной связи полосового интегратора может достигать больших величин, порядка мегаома, что является дополнительным источником тепловых шумов.
Недостатками устройства-прототипа также являются:
- низкая помехозащищенность, так как используется несимметричный выходной сигнал;
- низкая надежность и мобильность работы устройства при полевом использовании, если геофон - электродинамический сейсмоприемник со значительной инерционной массой, который имеет низкую устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, что приводит к низкой надежности совокупной измерительной системы;
- увеличенные массогабаритные характеристики и потребляемая мощность, если геофон - электрохимический (молекулярно-электронный) преобразователь механических величин, который имеет существенную зависимость от температуры внешней среды, что приводит к неконтролируемому ухудшению соотношения сигнал/шум в процессе измерений в полевых условиях, и требует применения термостатирования.
Таким образом, известные из уровня техники сейсмические приемники обладают недостатками, и требуется расширение их арсенала для удовлетворения потребностей производителей и потребителей систем регистрации сейсмических данных.
Техническая задача состоит в расширении арсенала сейсмических приемников путем создания сейсмического приемника - мобильного широкополосного устройства на базе геофонов, представляющего собой трехкоординатный сейсмоприемник в едином корпусе, обеспечивающего возможность его использования в различных эксплуатационных условиях.
1
Основным техническим результатом является обеспечение возможности регистрации слабых сейсмических сигналов в большом динамическом диапазоне за счет улучшения соотношения сигнал/шум и ослабления низкочастотного шума в области частот ниже нижней граничной частоты ω.
Техническим результатом также является повышение точности и достоверности регистрируемых микросейсмических сигналов за счет применения группирования геофонов, повышение помехозащищенности выходного сигнала за счет использования симметричного выходного сигнала.
1
0
Технический результат достигается тем, что, сейсмический приемник, согласно настоящему изобретению, содержит корпус, в котором расположены три блока приемников микросейсмических сигналов (ПМС), ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z, при этом каждый блок ПМС включает в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальных усилителей, подключены к сумматору, соединенному через обратный фильтр, состоящему из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω до собственной частоты геофона ω, и фильтр высоких частот с драйвером аналого-цифрового преобразователя, подключенным к источнику опорного напряжения и к выходному разъему, расположенному на лицевой панели корпуса.
d
А также тем, что на каждом геофоне установлен коэффициент демпфирования, равный единице при помощи, подключенного параллельно геофону, шунтирующего резистора R, номинал сопротивления которого определяется из соотношения
m
c
0
где h - механическое демпфирование, R - сопротивление катушки геофона, m - масса подвижной части геофона, ω - собственная частота геофона, G - чувствительность геофона при открытой цепи.
p
А также тем, что каждый геофон содержит два подтягивающих резистора R, имеющих номинал сопротивления, равный 100 кОм, посредством которых выходные сигналы каждого геофона подтянуты к земляному потенциалу.
А также тем, что каждый инструментальный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель со сверхнизкими шумами с коэффициентом усиления 0 дБ.
sum
А также тем, что сумматор представляет собой аналоговый сумматор на операционном усилителе, причем выходной сигнал V на выходе сумматора определяется из соотношения:
l
2
N
ƒ
a
где V, V,… V - выходные напряжения с каждого геофона, а соотношение номиналов резисторов R и R задает необходимый коэффициент усиления суммарного сигнала.
0
1
А также тем, что передаточная характеристика в полосе частот ω - ωпервого полосового интегратора определяется из соотношения:
int1
sum
0
1
где V - выходной сигнал первого полосового интегратора; V - выходной сигнал с сумматора, а передаточная характеристика в полосе частот ω - ω второго полосового интегратора определяется из соотношения:
int2
int1
где V - выходной сигнал со второго полосового интегратора, V - выходной сигнал с первого полосового интегратора.
А также тем, что фильтр высоких частот представляет собой два последовательно соединенных фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, при этом передаточная характеристика первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения
int2
hpƒ1
где V - выходной сигнал со второго полосового интегратора; V - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, а передаточная характеристика второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:
hpƒ2
hvƒ1
где V - выходной сигнал второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, V - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.
А также тем, что драйвер аналого-цифрового преобразователя представляет собой прецизионный драйвер со сверхнизкими искажениями, который преобразовывает несимметричный сигнал в симметричный.
На фигурах 1, 2, 3 и 4 представлены, соответственно, укрупненная блок-схема предлагаемого сейсмического приемника, функциональные блок-схемы блоков ПМС, ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z соответственно.
На фигуре 5 представлена электрическая схема каждого блока ПМС, включающая в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальные усилители подключены к сумматору.
На фигуре 6 представлена электрическая схема обратного фильтра каждого блока ПМС.
На фигуре 7 представлена электрическая схема фильтра высоких частот каждого блока ПМС.
На фигуре 8 представлена электрическая схема драйвера аналого-цифрового преобразователя каждого блока ПМС.
Сейсмический приемник (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором расположены три блока ПМС 2, 3 и 4, ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z соответственно, выходные сигналы которых подключены к выходному разъему 5, расположенному на лицевой панели корпуса 1.
1
2
N
1
2
N
1
0
Блок 2 сейсмоприемника (Х-канал) включает в себя N геофонов 6 (6, 6…6), которые через соответствующие инструментальные усилители 7 (7, 7…7), сумматор 8, обратный фильтр 9, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω до собственной частоты геофона ω, и фильтр 10 высоких частот соединены с драйвером 11 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 12 опорного напряжения и к выходному разъему 5.
1
2
N
1
2
N
1
0
Блок 3 сейсмоприемника (Y -канал) включает в себя N геофонов 13 (13, 13…13), которые через соответствующие инструментальные усилители 14 (14, 14…14), сумматор 15, обратный фильтр 16, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω до собственной частоты геофона ω, и фильтр 17 высоких частот соединены с драйвером 18 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 19 опорного напряжения и к выходному разъему 5.
1
2
N
1
2
N
1
0
Блок 4 сейсмоприемника (Z -канал) включает в себя N геофонов 20 (20, 20…20), которые через соответствующие инструментальные усилители 21 (21, 21…21), сумматор 22, обратный фильтр 23, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω до собственной частоты геофона ω, и фильтр 24 высоких частот соединены с драйвером 25 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 26 опорного напряжения и к выходному разъему 5.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Таким образом, микросейсмические сигналы, регистрируемые геофонами (6, 6…6,), (13, 13…13,) и (20, 20…20) с каждого ортогонального направления, X, Y, Z соответственно, преобразуются в аналоговые электрические сигналы.
Пример конкретного выполнения и работы сейсмического приемника.
Разработанный сейсмический приемник является мобильным широкополосным устройством на базе геофонов GS-ONE LF с собственной частотой 4,5 Гц (URL: https://geospace-ufa.ru/products/geofonybez-korpusov/gs-one-1f/:[сайт]) и представляет собой трехкоординатный сейсмоприемник в едином корпусе.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Сейсмический приемник содержит, в каждом блоке ПМС 2, 3, 4, платы из соответствующих инструментальных усилителей (7, 7…7), (14, 14…14), (21, 21…21), соответствующих сумматоров 8, 15, 22 и соответствующие схемы корректировки амплитудно-частотной характеристики каждого геофона (6, 6…6,), (13, 13…13,), (20, 20…20).
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Поскольку чувствительность одного геофона GS-ONE LF (89,4 В/м/с) является недостаточной в системах регистрации сейсмических данных, на каждое ортогональное направление (X, Y, Z) установлено N геофонов: (6, 6…6,), (13, 13…13,), (20, 20…20), сигналы с которых, проходя через соответствующие инструментальные усилители (7, 7…7), (14, 14…14), (21, 21…21), суммируются с необходимым коэффициентом усиления при помощи соответствующих сумматоров 8, 15, 22, в результате чего общая чувствительность сейсмического приемника достигает величины порядка 2000 В/м/с, что сопоставимо с широкополосными цифровыми сейсмометрами, используемыми в сетях сейсмологического наблюдения.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
d
На каждом геофоне (6, 6…6,), (13, 13…13,) и (20, 20…20) установлен коэффициент демпфирования, равный единице, при помощи, подключенного параллельно геофону, шунтирующего резистора R, номинал сопротивления которого определяется из соотношения
m
c
0
где h - механическое демпфирование, R - сопротивление катушки геофона, m - масса подвижной части геофона, ω - собственная частота геофона, G - чувствительность геофона при открытой цепи (см. фиг. 5).
1
2
N
1
2
N
1
2
N
p
Каждый геофон (6, 6…6,), (13, 13…13,) и (20, 20…20) содержит два подтягивающих резистора R, имеющих номинал сопротивления, равный 100 кОм, посредством которых выходные сигналы каждого геофона подтянуты к земляному потенциалу (см. фиг. 5).
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Каждый инструментальный усилитель (7, 7…7), (14, 14…14), (21, 21…21) представляет собой дифференциальный усилитель со сверхнизкими шумами с коэффициентом усиления 0 дБ (см. фиг. 5).
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Выходной дифференциальный сигнал каждого геофона (6, 6…6,), (13, 13…13,) и (20, 20…20) поступает на соответствующий инструментальный усилитель (7, 7…7), (14, 14…14), (21, 21…21), который преобразует симметричный сигнал в несимметричный.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Выходной сигнал каждого инструментального усилителя (7, 7…7), (14, 14…14), (21, 21…21) поступает на соответствующий сумматор 8, 15, 22, который производит суммирование всех сигналов от N геофонов (7, 7…7), (14, 14…14), (21, 21…21).
Данное суммирование приводит к уменьшению шума в выходном сигнале и увеличивает соотношение сигнал/шум в  раз.
sum
Каждый сумматор 8, 15, 22 представляет собой аналоговый сумматор на операционном усилителе, причем выходной сигнал V на выходе каждого сумматора 8, 15, 22 определяется из соотношения:
1
2
N
ƒ
a
где V, V,…V - выходные напряжения с каждого геофона, а соотношение номиналов резисторов R и R задает необходимый коэффициент усиления суммарного сигнала (см. фиг. 5).
Основным ограничением аппаратной корректировки частотной характеристики геофона является наличие аппаратного шума, прежде всего шума операционных усилителей.
В качестве операционных усилителей, входящих в состав сумматоров 8, 15, 22, обратных фильтров 9, 16, 23 выбраны малошумящие прецизионные операционные усилители ОРА2211 от компании Texas Instruments со спектральной плотностью мощности шума 1,1 нВ/Гц.
Данные усилители имеют сверхнизкие значения температурного дрейфа и низкое электропотребление, что является преимуществом при применении в автономных системах сейсмологического мониторинга.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
0
0
1
Для восстановления амплитудно-частотной характеристики каждого геофона (6, 6…6,), (13, 13…13,) и (20, 20…20) в диапазоне частот от ω до ω, где ω собственная частота геофона, а ω нижняя частота коррекции амплитудно-частотной характеристики геофона использована схема коррекции на основе обратного фильтра.
0
1
Выходной сигнал с каждого сумматора 8, 15, 22 поступает на соответствующий обратный фильтр 9, 16, 23, каждый из которых представляет собой два последовательно соединенных интегратора с крутизной частотной характеристики 12 дБ/октаву (крутизна частотной характеристики каждого интегратора 6 дБ/октаву) в полосе частот ω - ω.
Реализация каждого обратного фильтра 9, 16, 23 на базе двух последовательно соединенных интеграторов представлена на фиг. 6.
Передаточная характеристика первого полосового интегратора определяется из соотношения:
int1
sum
где V - выходной сигнал первого полосового интегратора; V - выходной сигнал с сумматора.
1
2
3
1
4
По заданным значениям С,R,R можно определить номиналы сопротивления R и R при помощи следующих уравнений:
Передаточная характеристика второго полосового интегратора определяется из соотношения:
int2
int1
где V - выходной сигнал со второго полосового интегратора, V -выходной сигнал с первого полосового интегратора.
2
6
7
5
Q
По заданным значениям С,R,R можно определить номиналы сопротивления R и R при помощи следующих уравнений:
Соответственно два последовательно включенных интегратора формируют передаточную характеристику:
Для расширения частотного диапазона геофона GS-ONE LF в области 0,5-4,5 Гц, использована схема коррекции на основе обратного фильтра. Обратные фильтры 9, 16, 23 имеют усиление 12 дБ на октаву в полосе частот 0,5-4,5 Гц.
1
Для того, чтобы обеспечить устойчивый режим работы схемы коррекции и подавления низкочастотного шума, который усиливается при прохождении обратного фильтра в полосе частот ниже частоты корректировки ω (в области частот ниже 0,5 Гц) были применены, в качестве фильтров 10, 17, 24 высоких частот, два последовательно соединенных фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, которые подавляют все частоты ниже 0,5 Гц.
Реализация каждого фильтра 10, 17, 24 высоких частот на базе двух последовательно соединенных фильтров высоких частот Баттерворта 2-го порядка представлена на фиг. 7.
Передаточная характеристика первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:
int2
hрƒ1
где V - выходной сигнал со второго полосового интегратора; V - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.
Передаточная характеристика второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:
hрƒ2
hрƒ1
где V - выходной сигнал второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка; V - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.
Для передачи аналогового сигнала в тракт аналого-цифровых преобразователей выходной сигнал с каждого фильтра 10, 17, 24 высоких частот подключен к соответствующему драйверу 11, 18, 25 аналого-цифрового преобразователя, в качестве которых выбраны прецизионные драйверы LMP8350 со сверхнизкими искажениями, которые преобразовывают несимметричный сигнал в симметричный.
Реализация каждого драйвера 11, 18, 25 аналого-цифрового преобразователя представлена на фиг. 8.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Таким образом, содержащиеся, в каждом блоке ПМС 2, 3, 4, платы из соответствующих инструментальных усилителей (7, 7…7), (14, 14…14), (21, 21…21), соответствующих сумматоров 8, 15, 22 и соответствующие схемы корректировки амплитудно-частотной характеристики каждого геофона GS-ONE LF (6, 6…6,), (13, 13…13,) и (20, 20…20), позволяют расширить рабочий частотный диапазон геофонов GS-ONE LF в сторону низких частот с первоначальной 4,5 Гц до 0,5 Гц.
Точность измерения аналого-цифрового преобразователя, а также его температурная стабильность зависит в значительной степени от точности и стабильности источника опорного напряжения. Точность преобразования при проведении абсолютных измерений определяется точностью опорного сигнала. Однако в задачах сейсмологического мониторинга главным показателем является не абсолютная точность, а стабильность и повторяемость результатов измерения с малым уровнем вносимого аппаратного шума. Поэтому в качестве источников 12, 19, 26 опорного напряжения выбрана микросхема ADR02, которая имеет выходное напряжение 5 В, значение шума 10 мкВ в полосе частот 0,1-10 Гц и температурную стабильность 3 ррm/С.
1
Таким образом, выполнение сейсмического приемника в соответствии с предложенным техническим решением, позволяет регистрировать слабые сейсмические сигналы в большом динамическом диапазоне за счет улучшения соотношения сигнал/шум и ослабления низкочастотного шума в области частот ниже нижней граничной частоты ω, позволяет повысить точность и достоверность регистрируемых микросейсмических сигналов за счет применения группирования геофонов, повысить помехозащищенность выходного сигнала за счет использования симметричного выходного сигнала.