Способ сейсмического наблюдения за подземной зоной путем одновременного использования нескольких вибросейсмических источников

1 Область техники Настоящее изобретение касается способа и устройства для сейсмического наблюдения за подземной зоной, такой как месторождение или полость, предполагающих одновременное использование нескольких сейсмических вибраторов. Предшествующий уровень техники Известен способ длительного наблюдения за изменениями состояния полости во время эксплуатации, когда речь идет о месторождении углеводородов или о полости, в которой накапливается газ, с помощью сейсмической системы,содержащей импульсный сейсмический источник или сейсмический вибратор для посылки сейсмических волн в землю, а также приемное устройство, включающее сейсмические улавливающие датчики, расположенные на поверхности или внутри скважин и соединенные со средствами наблюдения. В определенные интервалы времени производят сейсмическое исследование путем посылки волн, приема волн, отраженных от подземных областей с нарушением сплошности, и регистрации сейсмограмм таким образом,чтобы определить сравнительным путем изменения, происшедшие в полости при эксплуатации. Различные системы длительного наблюдения описаны, например, в патентах ЕР 591 037(US 5 461 594), FR 2 593 292 (US 4 775 009), FR 2 728 973 (US 5 724 311) или FR 2 775 349. Из патентов Франции FR 2 728 973 и FR 2 775 349 известны системы сейсмического наблюдения за подземной зоной во время эксплуатации, содержащей углеводороды, и за полостью скопления газа. Как показано на фиг. 1-3,указанные системы содержат, например, систему сейсмических антенн 2, каждая из которых включает сейсмические улавливающие датчики 4, расположенные с равномерными интервалами вдоль скважины 3 в земной поверхности. Система может быть равномерной (фиг. 2) или неравномерной. В качестве улавливающих датчиков могут быть использованы однонаправленные геофоны, ориентированные вертикально,или многоосевые датчики (трифоны) и/или гидрофоны. В непосредственной близости от каждой антенны 2 располагают сейсмический источник 5. В качестве источников использованы вибраторы пьезоэлектрического типа, например,как описаны в заявке на изобретение FR 99/04 001, которые размещают в непосредственной близости от каждой антенны 2. Сейсмические волны, генерируемые одним или каждым сейсмическим источником 5, распространяются в нисходящем направлении нисходящие волны 9. Нисходящие волны сначала регистрируют с помощью приемников 4 каждой скважины 3. Волны 10, отраженные областями, в которых нарушена сплошность (сейсмические интерфейсы), распространяются в восходящем направлении. Восходящие волны 10 регистрируют также с помощью приемников 4. Таким образом, восходящие и нисходящие вол 003029 2 ны совмещаются на сейсмограммах. Их исследуют обычно способом, идентичным способу исследования вертикального сейсмического профиля (PSV - Profils Sismiques Verticaux), хорошо известного специалистам в этой области. Различные источники этой сейсмической системы активизируют последовательно, используя между моментами излучения сигнала интервал времени, достаточный для того, чтобы принять волны, отраженные от исследуемых зон. Можно также использовать несколько сейсмических источников, излучающих те же сигналы, которые посылают одновременно для увеличения мощности излучения. Из патента FR 2 589 587 (US 4 780 856) известен способ сейсмического обследования моря, заключающийся в формировании сейсмических волн с помощью одного или одновременно нескольких вибраторов, управляемых закодированными сигналами в соответствии с псевдослучайным кодом. Краткое изложение существа изобретения Способ согласно изобретению позволяет осуществлять сейсмическое наблюдение за подземным пластом. Способ включает следующие операции: посылку сейсмических волн в пласт путем подключения к пласту, по меньшей мере, двух вибраторов, излучающих одновременно и управляемых сигналами, ортогональными друг относительно друга, чтобы образовать составной сигнал от вибраторов,прием отраженных сигналов в ответ на посылку сейсмических волн,регистрацию принятых сигналов, по меньшей мере, одним сейсмическим улавливающим датчиком, и формирование сейсмограмм путем обработки зарегистрированных сигналов, учитывая распознавание взаимных воздействий вибраторов на составной сигнал от вибраторов, и внесение изменений в сейсмограммы, которые можно было бы получить, активизируя вибраторы раздельно. В качестве ортогональных сигналов используют, например, синусоидальные сигналы с частотами, отличающимися одни от других как по основным составляющим, так и по взаимным гармоникам, или сигналы, образованные на основе слабого возмущения, полиномов Лежандра или случайных серий и т.д. Именно в том случае, когда ортогональные сигналы представляют собой синусоиды, осуществляют распознавание взаимного воздействия вибраторов путем определения амплитуды и фазы составного сигнала от вибраторов для основных частот сигналов управления в применении к вибраторам. Распознавание взаимных воздействий вибраторов предполагает, например, весовую обработку сигналов, зарегистрированных с коэффициентом корреляции между весовым коэффициентом и переменной, иными словами, аподиза 3 ции в колоколе и определение амплитуды и фазы составного сигнала. Для распознавания взаимных воздействий вибраторов проводят выбор преобразованием Фурье полос сложного спектра, присущего соответственно различным уравновешенным сигналам. Специфическое изменение сейсмограмм,соответствующее различным вибраторам, выполняют, применяя после разделения обратное преобразование Фурье к полосам, присущим различным уравновешенным сигналам. Следуя режиму воплощения, осуществляют смещение с шагом частоты в определенных интервалах времени частот ортогональных сигналов управления, поступающих соответственно к различным вибраторам, чтобы сканировать некоторый диапазон частот при излучении. Система сейсмического наблюдения за подземным пластом согласно изобретению реализует способ подачи сейсмических вибраций в пласт и содержит, по меньшей мере, два вибратора и средства для генерирования одних ортогональных сигналов относительно других и направления этих сигналов к вибраторам, чтобы генерировать в пласт составной сигнал, средства приема сигналов, отраженных от пласта в ответ на посылку сейсмической волны, средства для регистрации сигналов, полученных от средства приема сигналов, а также средства обработки зарегистрированных сигналов для формирования сейсмограмм, включающие, по меньшей мере, один счетчик для распознавания взаимных воздействий вибраторов на составной сигнал от вибраторов и восстановление сейсмограмм, эквивалентных тем, которые можно было бы получить, активизируя вибраторы раздельно. В соответствии с первым вариантом воплощения система содержит, по меньшей мере,два локальных блока, расположенных на расстоянии один от другого, связанных с пластом,каждый локальный блок содержит, по меньшей мере, один сейсмический вибратор, локальное устройство приема и обработки полученных сигналов, а также центральный блок управления и синхронизации, соединенный с различными блоками, содержащими генератор для подачи на вибраторы ортогональных сигналов управления. В соответствии с другим вариантом воплощения система содержит, по меньшей мере,два локальных блока, расположенных на расстоянии один от другого и соединенных с пластом, каждый локальный блок содержит, по меньшей мере, один сейсмический улавливающий датчик и один центральный блок управления и синхронизации, связанный с различными локальными блоками посредством материальных связующих средств - кабелей, или нематериальных связующих средств - радио, и содержащий генератор сигналов для формирования ортогональных сигналов управления от вибраторов, а также средства приема полученных сигналов с помощью различных антенн и созда 003029 4 ние сейсмограмм в соответствии с воздействиями различных вибраторов. Средства приема содержат, по меньшей мере, одну антенну, включающую множество сейсмических улавливающих датчиков, размещенных вдоль скважины, которая расположена в пласте и соединена со средствами регистрации сигнала. Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 изображает систему наблюдения за подземным пластом, включающую несколько устройств для посылки и приема сигналов, согласно изобретению; фиг. 2 - устройство для распределения на поверхности устройств для наблюдения согласно изобретению; фиг. 3 - устройство посылки и приема сигналов, содержащее сейсмические датчики, размещенные так, чтобы образовать антенны системы, согласно изобретению; фиг. 4 - систему наблюдения, в которой средства приема сейсмических сигналов объединены в центральном блоке, согласно изобретению; фиг. 5 - этапы алгоритма способа согласно изобретению; фиг. 6 - диаграмму прохождения волн между двумя пунктами посылки сигнала X1 и Х 2 и общим пунктом приема согласно изобретению. Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения Для реализации способа сейсмического наблюдения за подземной зоной используют комплект сейсмических улавливающих датчиков и несколько вибраторов, активизированных одновременно при помощи сигналов с различными частотами, выбранными так, чтобы можно было распознать воздействие каждого источника на сейсмограммы, сделанные исходя из данных поступающих и зарегистрированных сигналов. То есть осуществляют управление различными источниками с помощью "ортогональных" сигналов, передающих функции, названные ортогональными, которые хорошо известны специалистам в этой области техники, а также используют известные способы цифрового расчета, такие как обратное преобразование Фурье,для распознавания воздействий на полученные сейсмограммы различных вибраторов, о чем будет сказано ниже, с использованием следующих обозначений: Линейная фильтрация Корреляция Длительность посылки сигнала ts (с) Время ожидания наблюдения 5 А. Ортогональные функции. Рассмотрены два единичных синусоидальных сигнала P1 и Р 2 с частотами соответственноf1 и f2, посылаемые двумя источниками S1 и S2,расположенными в точках X1 и Х 2 (фиг. 6), в течение времени ts величиной 1/f1 и 1/f2.P2 =sin2f2t Зарегистрированная сейсмограмма полученных сигналов в точке R приема от источникаT1=A1sin(2f1t-Ф 1), где Ф 1 - запаздывание фазы. Таким же образом, сейсмограмма, которую получают в той же точке R от источника S2, посылающего сигнал,представляет собойT2=A2sin(2f2t-Ф 2), где Ф 2 - частичное запаздывание фазы. Если источники S1 и S2 посылают сигнал одновременно, то линейность передачи сейсмических волн приводит к тому, что сейсмограмма полученных волн в точке R представляет собой сумму T1 и Т 2. Если к тому же f1f2, то(С). Уравнение (А) выражает ортогональность сигналов P1 и Р 2, уравнения (В) и (С) показывают возможность разделения составного сигнала Т на две составляющие. Это свойство теоретически распространяется на некоторое число источников, посылающих синусоидальные сигналы с различной частотой или, точнее, сигналы,ортогональные между собой, но на практике число источников должно быть ограничено изза следующего:a) существуют искажения при использовании механических источников, которыми в действительности нельзя пренебречь. Одновременно с сигналом с частотой f1 источник S1 посылает сигналы с частотами 2f1, 3f1, , nf1. Вследствие чего, если fi и fj являются частотами соответственно двух источников Si и Sj комплекса источников, то получается не только то, что fib) обязательно ограничен характер длительности посылки сигнала (ts), который проявляется в области частот, реализуя линейную фильтрацию полосы ограничения преобразованием Фурье. Если речь идет о резком ограничении (мультиплексирование строб импульсом длительностью ts), то это - кардинальный синус большой ширины. Если речь идет, наоборот, о прогрессивном ограничении (мультиплексирование конусообразной кривой, гауссовой или функцией Ханнинга), то это другая конусообразная функция с шириной, обратно пропорциональной длине ограничения;c) существует погрешность источников,которая подчеркивает стабильность и точность частот посылаемых сигналов. На практике мож 003029 6 но считать, что эта погрешность просто приводит к увеличению ширины спектра. Наиболее простыми ортогональными функциями являются синусоиды различных частот. Используют также другие ортогональные функции - функции, основанные на полиномах Лежандра, возмущения, случайные серии и другие. В. Обратимость преобразования Фурье. Если вместо посылки синусоидального сигнала Ti с частотой fi амплитудой Ai и фазой Фi посылают составной сигнал Pt, состоящий из суммы N синусоид fi, Ai, Фi с 1iN, и при этом все частоты входят в спектральный диапазон между двумя пограничными частотами fb и ff,то сейсмограмма Тt, отслеженная в точке R, будет иметь для преобразования Фурье по частотеfi, число модуля Ai и фазу Фi равными по амплитуде и фазе синусоиде Тi. Таким образом, можно,посылая последовательно все синусоидальные сигналы с частотами fb-ff, восстановить обратным преобразованием Фурье сейсмограмму Tt. В случае, когда все амплитуды Ai равны 1 и все фазы Фi=0, полученный сигнал Pt очень близок к сигналу, получающемуся в результате автокорреляции сигнала со скользящей частотой, изменяющейся в интервале [fb-ff] (качание частоты), что широко применяется в вибросейсмической области. Хорошо известно специалистам данной области техники из теории дискретного преобразования Фурье, если существует необходимость прослушать источник S1 в течение времени te, то приращение частоты между синусоидами будет f=1/te, а количество необходимых синусоид Nf=(ff - fb)te. Таким образом, можно одновременно возбуждать N вибраторы, установленные на площадке, с помощью вибраторных частотных сигналов, так что каждый источник будет возбуждаться последовательно каждой из Nf синусоид,описанных выше, в каждый момент, при условии, что соответствующие частоты синусоидальных сигналов, посылаемых в одно и то же время различными вибраторами, совершенно отличаются одни от других. Разделение сигналов, полученных улавливающими датчиками на площадках в ответ на одновременную посылку различных сигналов, можно получить путем селекции полосы с соответствующей частотой. На фиг. 5 схематически показаны различные этапы заявленного способа. На различные сейсмические источники 5, установленные на площадке, одновременно воздействуют синусоидальными управляющими сигналами 11 с частотами соответственно af0, bf0, cf0, df0 и т.д. Коэффициенты а, b, с, d и т.д. выбраны для того,чтобы эти частоты отличались друг от друга и соответственно различались гармониками. Эти частоты являются многочисленными составляющими основной частоты f0. 7 Сейсмограмма 12, которую получают при регистрации волн, полученных улавливающими датчиками различных антенн 4, представляет собой линейную комбинацию сейсмограмм,которые могли бы быть получены при последовательном возбуждении источников 5. Уравновешивание зарегистрированных сигналов производят путем их мультиплексирования с помощью конусообразного весового коэффициента или так называемой аподизацией 13 для формирования аподизированных или уравновешенных сигналов 14. Затем рассчитывают действительную часть 15 и мнимую часть 16 преобразования Фурье для аподизированных сигналов. Каждая из этих частей состоит из импульсов, четко отделенных друг от друга. Для каждого источника 5 сохраняют только действительное число 17 и мнимое число 18, которые дают составную величину для преобразования Фурье в применении к частоте сигнала, посылаемого источником. Комбинации различных чисел 17 и 18, когда источник посылает все запрограммированные частоты, образуют действительную часть 19 и мнимую часть 20 сейсмограммы 21, связанной с источником. Эту сейсмограмму получают путем обратного преобразования Фурье. В соответствии с первым вариантом воплощения данного способа система содержит несколько локальных блоков (LU), каждый из которых включает антенну 2, соединенную кабелями (не показаны) и локальное устройство 6 приема и обработки (фиг. 1, 2), а также различные вибраторы, которые соединяют кабелем С с центральным блоком 8 управления и синхронизации, включающим генератор сигналов (не показан), для генерации различных генераторов 5 ортогональных управляющих сигналов, как было упомянуто выше. В соответствии с другим вариантом воплощения (фиг. 4) различные принимающие антенны 2 соединяют кабелями С с центральным блоком 8 управления и синхронизации,который генерирует составные сигналы для различных источников 5, а также прием и регистрацию сигналов, полученных улавливающими датчиками 4, и обработку полученных сигналов. Кабели С, без сомнения, могут быть заменены на любой элемент связи (радио, оптическое волокно и другие). Локальные устройства 6 приема и обработки и/или центральный блок 8 управления и синхронизации включают счетчики, такие как ПЭВМ, запрограммированные для осуществления обработки, направленной на выделение и воссоздание сейсмограмм, соответствующих воздействиям, свойственным различным вибраторам 5. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сейсмического наблюдения за подземным пластом (1), заключающийся в том, 003029 8 что осуществляют посылку сейсмических волн в пласт, прием отраженных пластом волн в ответ на посылку сейсмических волн, регистрацию полученных сигналов с помощью, по меньшей мере, одного сейсмического улавливающего датчика (4) и формирование сейсмограмм путем обработки зарегистрированных сигналов, отличающийся тем, что посылку сигналов осуществляют путем подключения к пласту, по меньшей мере, двух вибраторов (5), посылающих сигналы одновременно и управляемых сигналами, ортогональными друг относительно друга, чтобы образовать синусоиды с частотами, отличающимися как основными составляющими, так и относительными гармониками, чтобы образовать составной сигнал от вибраторов, и осуществляют обработку зарегистрированного сигнала, которая включает в себя распознавание взаимных воздействий вибраторов на составной сигнал и восстановление сейсмограмм, эквивалентных тем, которые можно было бы получить, активизируя вибраторы раздельно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что посылают ортогональные сигналы, образованные на основе возмущений, полиномов Лежандра или случайных серий. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют распознавание взаимных воздействий вибраторов путем определения амплитуды и фазы составного сигнала от вибраторов с основными частотами управляющих сигналов в применении к вибраторам. 4. Способ по любому из предыдущих пп.13, отличающийся тем, что для распознавания взаимных влияний вибраторов (5) осуществляют уравновешивание сигналов, зарегистрированных через весовой конусообразный коэффициент, и распознают амплитуду и фазу составного сигнала. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для распознавания взаимных воздействий вибраторов осуществляют разделение с помощью преобразования Фурье полос (15-18) составного спектра для различных уравновешенных сигналов. 6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что осуществляют формирование сейсмограмм специально для различных вибраторов, применяя после их разделения обратное преобразование Фурье к полосам (19, 20), свойственным соответственно различным уравновешенным сигналам. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что, используя шаг частоты, сдвигают в определенных интервалах времени частоты управляющих сигналов, применяемые соответственно к вибраторам таким образом, чтобы сканировать некоторый диапазон с частотой излучения [fb-ff]. 8. Система сейсмического наблюдения за подземным пластом, содержащая средства посылки сейсмических волн в пласт, средства приема сигналов, отраженных от пласта в ответ на посылку сейсмических волн, средства регистрации полученных сигналов средствами приема сигналов и средства обработки зарегистрированных сигналов для формирования сейсмограмм, отличающаяся тем, что средства посылки сигнала содержат, по меньшей мере, два вибратора (5) и средства (8) для генерирования сигналов, ортогональных относительно друг друга, представляющих собой частотные синусоиды и отличающиеся друг от друга как по основным составляющим, так и по их взаимным гармоникам, а также для взаимного использования вибраторов (5) для генерирования в пласт составного сигнала,средства обработки содержат, по меньшей мере, один счетчик (6) для распознавания в частотной области взаимных воздействий вибраторов с составным вибраторным сигналом и формирования сейсмограмм, эквивалентных тем,которые можно было бы получить, активизируя вибраторы раздельно. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что содержит множество локальных блоков (LU),расположенных на расстоянии друг от друга и соединенных с пластом, каждый блок включает,по меньшей мере, один сейсмический улавливающий датчик (4), один сейсмический вибратор (5), одно локальное устройство (6) приема и обработки полученных сигналов и один центральный блок (8) управления и синхронизации,соединенный с различными локальными блоками, генератор сигналов, подключенный к вибраторам (5) для управления ортогональными сигналами. 10. Система по п.9, отличающаяся тем, что центральный блок (8) управления и синхронизации соединен с различными локальными блоками посредством различных элементов связи,материальных и нематериальных. 11. Система по любому из пп.9 или 10, отличающаяся тем, что содержит множество локальных блоков (LU), расположенных на расстоянии один от другого и соединенных с пластом, каждый блок содержит, по меньшей мере,один сейсмический вибратор (5) и один блок (8) управления и синхронизации, соединенный с различными локальными блоками (LU), содержащими генератор сигналов для формирования различных ортогональных управляющих сигналов, и средства приема полученных сигналов с помощью различных антенн (2) и формирования сейсмограмм в соответствии с воздействиями различных вибраторов (5). 12. Система по любому из пп.10 или 11,отличающаяся тем, что средства приема сигналов содержат, по меньшей мере, одну антенну(2), состоящую из нескольких сейсмических улавливающих датчиков (4), расположенных вдоль скважины (3) в пласте, которая соединена со средствами регистрации.