Результат интеллектуальной деятельности: Низкочастотная двухкомпонентная донная сейсмическая коса

Изобретение относится к сейсмическим регистрирующим системам и может быть использовано при поисках и разведке углеводородов, а также мониторинге нефтегазовых месторождений. В частности, техническое решение относится к двухкомпонентным сейсмическим системам, основанным на одновременном измерении вертикальной компоненты вектора скорости частиц и акустического давления в поле сейсмической волны. Кроме того, техническое решение относится к донным кабельным сейсмическим системам, известным также как «донные косы», представляющие собой измерительные модули, соединенные кабелем между собой и с центральным компьютером сейсмической системы, и размещаемые на морском дне.

Основным преимуществом двухкомпонентных донных сейсмических систем, как показано в патентах US 7123543 B2, US 08599717, US 7123543 B2 по сравнению с косой на основе гидрофонов является возможность разделения сейсмических волн в зависимости от того, распространяются ли они вниз или вверх. Такие волны различаются по фазовым соотношениям для выходных сигналов гидрофонов и датчиков вертикальной колебательной скорости. Соответственно, выделяя сигналы с определенным видом указанных фазовых соотношений можно выделить волны, только отраженные от нижележащих слоев волны, а, следовательно, улучшить разрешения разреза, соотношения сигнал/помеха и определение сейсмических скоростей в зарегистрированных данных.

Также существенным преимуществом двухкомпонентных систем является возможность регистрации обменных волн, которые при проведении тщательной обработки позволяют картировать и получать отображение газонаполненных структур. Газовые скопления искажают и абсорбируют Р-волны, что выражается в размытии и нечетком отображении структур, связанных с резервуарами. Волны смещения распространяются в минеральном скелете горной породы и не подвержены влиянию присутствия поровых жидкостей или газов. Обменные волны также дают дополнительную информацию о физических свойствах горных пород и особенно о плотности, а также о трещиноватости и напряженности.

Одним из важных направлений развития современных сейсморазведочных систем, к которым относятся двухкомпонентные донные сейсмические косы является расширение ча диапазона регистрации сейсмических сигналов, прежде всего, в сторону низких частот. Анализ низкочастотных сигналов позволяет исследовать геологические структуры на больших глубинах и наиболее полно использовать возможности метода полноволновой инверсии.

В настоящее время известно множество подходов, практически реализующих указанное принципиальное преимущество двухкомпонентных сейсмических систем. Одной из известных проблем при использовании донных кос является невозможность контролировать ее ориентацию при расположении на дне, прежде всего повороты, вокруг оси косы. В этом случае требуется использовать специальные средства для задания или определения ориентации датчиков, входящих в состав донной косы. Эта проблема, как показано ниже, становится особенно сложной, если коса предназначена для измерения низкочастотных сигналов вблизи или ниже 1 Гц. Отметим, что важным требованием при построении донных сейсмических кос являются небольшие габариты измерительных модулей, прежде всего, вдоль направления косы, что необходимо для использования стандартных лебедок при ее развертывании в морских условиях.

Рассмотрим элементы сейсморегистрирующего канала двухкомпонентного донного регистрирующего модуля более подробно.

Сейсмические и акустические датчики. Для измерения сейсмических сигналов чаще всего используются геофоны, выходной сигнала которых в рабочем диапазоне частот пропорционален колебательной скорости в сейсмической волне. Геофон представляют собой магнит, зафиксированный на корпусе датчика и катушку, закрепленную на упругом подвесе (РФ2084004, US 4285054A, US 7099235 B2). Под действием сил инерции, вызываемых колебаниями грунта или другого объекта, на котором закреплен сейсмодатчик, магнит перемещается относительно катушки. При этом в катушке вырабатывает электродвижущая сила, и на ее выводах образуется разность потенциалов, являющаяся выходным сигналом. Несмотря на простоту конструкции, датчики такого типа наиболее широко распространены в сейсморазведке, что связано с их дешевизной в сочетании с приемлемыми, для многих задач параметрами.

Однако, уже на уровне базовых физических принципов, в выходные характеристики геофона заложены существенные ограничения по частотному диапазону. На низких частотах полоса пропускания геофона ограничена собственной частотой колебаний инерциальной массы (масса катушки) на упругом подвесе. Наиболее распространенные геофоны имеют полосу, начинающуюся от 10 Гц. Для ее расширения в сторону низких частот приходится использовать большую инерциальную массу и более мягкий подвес, что увеличивает габариты, массу и вероятность поломки при транспортировке. Еще одним недостатком электродинамических геофонов является ограничение по рабочему диапазону углов наклонов. Предельным обычно является диапазон ±15°.

Указанные ограничения делают актуальной задачей создание новых типов сейсмических датчиков с расширенным частотным диапазоном. Наиболее известны результаты, связанные с применением технологии МЭМС. По сравнению с геофонами, сейсмические МЭМС, обеспечивают более широкую полосу регистрируемого сигнала, высокую линейность измерений, нечувствительность к наклонам при установке, высокую идентичность [1]. Примеры реализации акселерометров МЭМС представлены в патентах US 607674 B2B и US 20050235751 A1. В некоторых случаях, датчики такого типа позволяют получить более точную картину волнового поля и, как следствие, использовать более точные методы обработки и интерпретации данных [2, 3]. Широкому распространению сейсмических МЭМС препятствует их высокая цена.

Еще один подход к созданию сейсмодатчиков может быть реализован на принципах молекулярно-электронного переноса (МЭП) [4, 5]. С точки зрения предлагаемого технического решения основными достоинствами молекулярно-электронных сейсмодатчиков является более широкий, по сравнению с геофоном, частотный диапазон, а также отсутствие ограничений по рабочему диапазону углов наклонов.

Системы регистрации. В сейсморегистрирующей части более распространены кабельные системы, такие, например, как ТСС «Sercel 428 XL» [6], ТСС «SCORPION» [7], ТСС «ARAM*ARIES И» [8], ТСС «UniQ» [9,10], ТСС «Прогресс-Т155» [11]. Принципиально важным для получения высококачественных первичных сейсмических данных является достижение максимально высокого отношения сигнал/шум. Поэтому, в настоящее время практически безальтернативным является использование 24-разрядного, а, в ряде случаев, 32-разрядного АЦП, что делает возможным регистрацию даже слабых сигналов с высоким отношением сигнал/шум.

Устройство для выделения вертикально поляризованного сейсмического сигнала. Распространение получило техническое решение, связанное с применением карданного подвеса со смещенным центром тяжести. Пример такого решения приведен в патенте US 6751162 B2. В этом и подобных решениях ось чувствительности помещенного на такой подвес датчика самоустанавливается вертикально. В некоторых случаях, как, например в US 4701890A предполагается использование фиксирующего механизма. Принципиально важным является требование, чтобы собственная частота колебаний маятника, образованного карданом со смещенной массой, была заметно (в 10 раз и более) ниже полосы пропускания сейсмического датчика. Это достаточно просто реализовать, если нижняя граница полосы пропускания датчика выше 10 Гц. Задача существенно усложняется, если нужно снизить ограничения по полосе регистрации до 1 Гц и ниже. Известна следующая формула для частоты колебаний физического маятника:

J - момент инерции подвеса относительно точки качания, - смещение центра масс маятника относительно точки качания. Если принять Т~10 сек, то r²/gl ~ 1, где r - характерный размер подвешенного груза. Тогда при r ≈ 5 см, величина будет всего 0.25 мм. Для создания такого подвеса требуется высокая точность изготовления деталей и балансировка груза. Одновременно, малое смещение центра масс относительно точки подвеса означает малый возвращающий момент колебательной системы, а, при наличии даже небольшого сухого трения в подшипнике кардана, возможность залипания датчика, установленного на подвесе в положении, существенно отличном от вертикального. Кроме того, использование кардана большого размера делает габаритным содержащий его донный регистрирующий модуль. Большие размеры донного модуля затрудняют его применение в составе донных кос.

Известно техническое решение, описанное в патенте РФ2488849 «Скважинный трехкомпонентный цифровой сейсмометр», в котором предложен цифровой акселерометр, включающий трехкомпонентный акселерометрический датчик, соединенный с АЦП и снабженный наклономером для определения поправок, связанных с невертикальностью установки корпуса в скважине. Недостатком решения является использование акселерометров, имеющих, как известно, меньшую чувствительность на низких частотах по сравнению с датчиками колебательной скорости. Кроме того, реализация цифровой системы предложенного акселерометра не позволяет использовать его в больших цифровых сетях, содержащих более 1000 цифровых узлов. Патент РФ 2488849 является прототипом предлагаемого решения.

Техническое решение, приведенное в патенте US 4618949A, предлагает применение сложной системы электромагнитных арретиров для закрепления геофона в вертикальном положении. Недостатком решения является низкая надежность и большие габариты конструкции.

В патенте US 4078223 предлагается использовать блок из нескольких различным образом ориентированных геофонов в каждой точке, в которой выполняются измерения. Предполагается, что в любом положении указанного блока часть геофонов будет ориентирована вертикально в пределах допускаемых рабочим диапазоном наклонов. Предложен также способ автоматического определения таких геофонов и отключения выходного сигнала от всех остальных геофонов. Предложенная конструкция слишком громоздка для использования в донных кабельных двухкомпонентных косах. Кроме того, она не решает задачи достижения широкого частотного диапазона регистрации сигналов.

Таким образом, известные технические решения ограничены по частотному диапазону регистрации, как за счет частотных характеристик самих датчиков, так и из-за необходимости использования карданного подвеса, который для низкочастотных систем должен иметь значительные габариты, существенно затрудняющие развертывание донных кос с применением обычного для морской сейсморазведки оборудования.

В предлагаемом техническом решении задачу создания низкочастотной донной двухкомпонентной сейсмической косы предполагается решить за счет ее построения в виде системы соединенных кабелями цифровых регистрирующих модулей, структура которых показана на Фиг 1. Модули (1) имеют вытянутую в направлении косы форму. В каждом цифровом регистрирующем модуле установлены молекулярно-электронные сейсмические датчики (2), конструкция которых представляет изготовленный из химически устойчивого материала герметичный корпус, заполненный электролитом и содержащий сквозной канал с электродным элементом, преобразующим движение жидкости в электрический сигнал, завершающийся по своим концам упругими возвращающими элементами (мембранами). Указанные датчики размещены в герметичном корпусе, предотвращающем прямой контакт мембран со средой, в которой распространяется сейсмический сигнал. При различной ориентации датчика происходит деформация упругих мембран. В отличие от, например, емкостного датчика, деформации не изменяют условий функционирования электродного элемента, преобразующего движение жидкости в электрический сигнал. Как следствие, такой датчик можно использовать при любой ориентации относительно силы тяжести. В предлагаемом техническом решении каждый модуль содержит два таких датчика ортогонально ориентированных относительно продольной оси цифрового регистрирующего модуля сбора данных.

Для повышения точности измерений сейсмические датчики могут быть оснащены механизмом обратной связи электродинамического типа [5], либо обратной связью на основе магнитогидродинамического эффекта.

Кроме сейсмических датчиков (2) в составе цифрового регистрирующего модуля (1) находится гидрофон (3), электронный блок с АЦП (4), контроллер (5) и сетевой коммутатор (6), обеспечивающий работу модуля в составе донной косы, представляющей собой локальную цифровую сеть, узлами которой являются цифровые регистрирующие модули, центральный компьютер сейсмической системы и, возможно, другое сетевое оборудование. Для определения ориентации цифрового регистрирующего модуля в пространстве используются специализированные датчики наклона (7). Предпочтительно, предлагается использовать интегрированную цифровую микросхему, сочетающую в одном чипе двух или трехкомпонентный акселерометр, для определения ориентации модуля относительно вектора силы тяжести, аналого-цифровой преобразователь и цифровую логику для управления системой и обмена данными и командами с микроконтроллером. Функционально, модуль позволяет определять ориентацию его осей относительно вектора силы тяжести с точностью лучше 1 градуса. Использование интегрированного модуля позволяет уменьшить количество используемых электронных компонентов.

Предлагаемое техническое решение работает следующим образом. Функцией сейсмических датчиков является измерение сейсмического сигнала (виброскорости) относительно двух ортогональных направлений в плоскости перпендикулярной оси модуля регистрации, независимо от их ориентации относительно силы тяжести. Микроакселерометр определяет направление вектора силы тяжести относительно системы координат, оси которой совпадают с осями чувствительности сейсмических датчиков. Оцифрованные выходные сигналы микроакселерометра обрабатываются микроконтроллером. Результатом обработки является матрица направляющих косинусов между местной вертикалью и осями сейсмических датчиков. Другой функцией микроконтроллера является пересчет выходных сигналов сейсмических сенсоров к вертикальному направлению и передача полученных данных по локальной цифровой сети, структурная схема которой показана на Фиг. 2, образованной, как минимум, цифровыми регистрирующими модулями (1) и центральным управляющим компьютером (8) донной сейсмической системы. Как показано на Фиг. 2 цифровые регистрирующие модули последовательно соединены между собой, образуя, таким образом, донную сейсмическую косу. При большом количестве регистрирующих модулей, а, следовательно, большом объеме передаваемых данных, подключение кос к центральному компьютеру может осуществлять с применением специального коммутирующего оборудования (9), обеспечивающего подключение оптоволоконных линий связи. Также, при большом объеме данных может потребоваться отдельный сервер для их хранения (10), соединенный с центральным управляющим компьютером.

По сравнению с прототипом, описанным в патенте РФ 2488849, предложенное решение обеспечивает более качественную регистрацию низкочастотных сигналов за счет использования датчиков колебательной скорости вместо акселерометрического блока, имеет более широкий допустимый диапазон наклонов и обеспечивает построение донной сейсмической системы в виде локальной цифровой сети.

Техническим результатом использования предлагаемого решения является многоканальная регистрация двухкомпонентных сейсмических данных (давление и вертикальная колебательная скорость), в том числе, в низкочастотной области, при использовании на морском дне, когда невозможно обеспечить контроль за ориентацией модулей донной сейсмической косы.

Как пример реализации изобретения был построен макет двухкомпонентного цифрового регистрирующего модуля, внешний вид которого показан на Фиг. 3.

Сейсмические датчики были изготовлены из поликарбоната методом литья под давлением с использованием преобразующего элемента как закладной детали. Литьевая форма обеспечивала формирование сквозного канала, содержащего преобразующий элемент, на концах которого были установлены гибкие мембраны, изготовленные из химически стойкой резины. Для обеспечения преобразования сигналов в низкочастотной области использовался четырехэлектродный чувствительный элемент, изготовленный из платиновой сетки с шагом 100 мкм, причем аноды (внешние электроды преобразующего элемента) изготовлены из одинарной сетки, а катоды (внутренние электроды преобразующего элемента) - из двух наложенных друг на друга, проваренных и прокатанных до толщины 90 мкм сеток. Расстояние между каждой парой смежных электродов составляет 30 мкм, что обеспечивается с помощью специальных калиброванных керамических прокладок с отверстиями диаметром 120 мкм. Электродный пакет, состоящий из четырех электродов и трех разделительных прокладок, собирается таким образом, чтобы отверстия в керамических прокладках оказались расположены соосно, и, таким образом, были бы сформированы 25 цилиндрических каналов с керамическими стенками, внутри которых располагаются элементы сетчатых электродов. Собранный электродный пакет запекается по металлокерамической технологии, что обеспечивает ему стабильность параметров во времени и механическую жесткость. Датчик был заполнен водным раствором LiI с небольшой добавкой молекулярного йода. Контакты преобразующего элемента подсоединялись к электронной плате, обеспечивающей преобразование выходного тока датчика в напряжение и частотную коррекцию сигнала. Три датчика собираются в ортогональную сборку (11). Один из датчиков при дальнейшей обработке данных не использовался.

В примере реализации сейсмические датчики имели следующие технические характеристики:

- рабочая полоса: 1-300 Гц;

- коэффициент преобразования механического движения в электрический ток (10 Гц, 25°С): 20 мА/м/с;

- максимальный регистрируемый сигнал: 3 см/с;

- коэффициент нелинейных искажений: <0.05% на максимальном сигнале.

Кроме того, в примере реализации изобретения использовался пьезоэлектрический гидрофон (12) с полосой пропускания 2-500 Гц.

Для определения ориентации осей чувствительности датчиков была выбрана микросхема LSM303C производства ST Microelectronics, сочетающая в себе микроакселерометр для измерения направления вектора силы тяжести, магнитометр (не использовался) и цифровую часть. Микросхема имеет габариты всего 2×2×1 мм. Встроенный микроакселерометр характеризуется значением спектральной плотности собственного шума а 1 мд RMS. Это позволяет установить ориентацию устройства относительно вертикальной оси с точностью вплоть до 1 мрад, или 0,06°. Выходной сигнал микросхемы - цифровой, 16 разрядов, 100 Гц. Принцип функционирования микроакселерометра основан на пьезоэлектрическом эффекте. Выходные сигналы сейсмических датчиков и гидрофона были подключены ко входам АЦП, размещенным на специальной плате. Также на этой платеразмещался микроакселерометр. Для сбора и обработки данных была изготовлена еще одна специальная плата на основе микроконтроллера ADS131E04 Texas Instruments и источника опорного напряжения ADR444, Analog Devices. Конструктивно, обе платы соединялись между собой через разъем, образуя единую цифровую сборку (13).

Чертежи, поясняющие техническое решение.

На Фиг. 1 показана структурная схема цифрового регистрирующего модуля.

На Фиг. 2 показана структурная схема локальной цифровой сети, построенной на основе цифровых регистрирующих модулей.

На Фиг. 3 показан внешний вид регистрирующего модуля, иллюстрирующий пример реализации изобретения.

Источники информации.

1. http://www.inovageo.com/images/stories/resources/VectorSeis-Brochure.pdf.

2. http://www.inovageo.com/images/stories/resources/Vector-fidelity.pdf.

3. http://www.inovageo.com/images/stories/resources/Vector-filtering.pdf.

4. Н. Huang, V. Agafonov, and Н. Yu, "Molecular electric transducers as motion sensors: A review," Sensors (Switzerland), vol. 13, no. 4, pp. 4581-4597, 2013.

5. V.M. Agafonov, I.V. Egorov, and a. S. Shabalina, "Operating principles and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback," Seism. Instruments, vol. 50, no. l, pp. 1-8, 2014.

6. 428 XL, Sercel [2009], http://www.sercel.com/land/systems/428XL.php.

7. Scorpion. Full-wave cable based land recording, ION [2009], http://www.iongeo.com/Land_Imaging/Recording_Systems/Scorpion/.

8. TCC «ARAM*ARIES II»,

http://www.inovageo.com/ru/images/stories/resources/ARIES_II_Datasheet_100525.pdf.

9. Flexible, robust land seismic system launched, JPT Online [2009], http://www.spe.org/jpt/2008/11/flexible-robust-land-seismic-system-launched/

10. S*Land Data Acquisition System, Seismic Instruments, Inc. [2009], http://www.seismicinstruments.com/products.html.

11. Телеметрическая сейсморегистрирующая система «Прогресс-Т155», СКБ СП [2009], http://www.skbsp.ru.