Методы получения и обработки данных от связки скважинных модулей, полученных методом вертикального сейсмического профилирования в программном обеспечении управления комплексом приема сейсмических сигналов в скважине

Чикрин Дмитрий Евгеньевич кандидат технических наук доцент, Кафедра радиофизики, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) Федеральный Университет 420008, Россия, республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18 Chickrin Dmitry Evgenevich PhD in Technical Science Associate Professor, Department of Radiophysics, Kazan (Volga Region) Federal University 420008, Russia, respublika Tatarstan, g. Kazan', ul. Kremlevskaya, 18 dmitry.kfu@gmail.com Егорчев Антон Александрович младший научный сотрудник, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) Федеральный Университет, Кафедра радиофизики 420008, Россия, республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18 Egorchev Anton Alexandrovich Junior Researcher, Kazan (Volga Region) Federal University, Department of Radio Physics 420008, Russia, respublika Tatarstan, g. Kazan', ul. Kremlevskaya, 18 alin.sitnikova.@yandex.ru Бриский Дмитрий Владимирович инженер, Институт физики, НИЛ "Перспективные системы ориентации, навигации, связи"; Казанский Федеральный Университет 420008, Россия, республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18 Briskiy Dmitry Vladimirovich Engineer, Institute of Physics, Research Laboratory "Perspective Systems of Orientation, Navigation, Communication"; Kazan Federal University 420008, Russia, respublika Tatarstan, g. Kazan', ul. Kremlevskaya, 18 briskiydmitry@mail.ru

Закиров Ришат Ильдусович ведущий инженер, Институт физики, НИЛ "Перспективные системы ориентации, навигации, связи"; Казанский Федеральный Университет 420008, Россия, республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлёвская, 18 Zakirov Rishat Ildusovich Lead Engineer, Institute of Physics, Research Laboratory "Perspective Systems of Orientation, Navigation, Communication"; Kazan Federal University 420008, Russia, respublika Tatarstan, g. Kazan', ul. Kremlevskaya, 18 zakir0v.rishat@mail.ru

1. ВВЕДЕНИЕ

Сейсмическая разведка является ведущим методом геофизических исследований. Лидирующее положение метода в разведочной геофизике обусловлено его большой глубинностью при высокой детальности исследований. Сейсмическая разведка (сейсморазведка) включает в себя комплекс методов исследований геологического строения земной коры, основанных на изучении особенностей распространения в ней искусственно возбужденных упругих волн. Сейсмические волны создаются в геологической среде с помощью взрыва в скважинах, либо с помощью специальных устройств невзрывного типа, которые воздействуют на поверхность земли в импульсном или вибрационном режиме.

Вертикальное сейсмическое профилирование является одним из методов скважинной сейсморазведки, в основе которого лежит изучение особенностей волнового поля во внутренних точках среды применительно к решению целого ряда задач по геологическому строению в зоне, близлежащей к каротируемой скважине. Актуальность и основное преимущество данного метода заключаются в том, что данные вертикального сейсмического профилирования существенно расширяют информационную представительность об особенностях геологического строения и физических свойств среды не только по стволу скважины, но и в околоскважинном пространстве. Сейсмические наблюдения в скважинах методом вертикального сейсмического профилирования особенно востребованы на стадии доразведки, разведки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений ^[5].

Для осуществления вертикального сейсмического профилирования необходим аппаратно-методический комплекс приема сейсмических сигналов в скважине. Приведем краткие сведения о существующих решениях.

Аппаратурно-методический комплекс скважинной сейсморазведки АМЦ-ВСП-3-48М разработан и производится в России. Данный комплекс предназначен для высокочувствительной трехкомпонентной скважинной сейсморазведки в обсаженных и необсаженных скважинах ^[2]. В состав данного комплекса входят цифровой сейсмический многомодульный зонд, комплект наземного оборудования и технологическое программное обеспечение. Цифровой сейсмический многомодульный зонд состоит из идентичных скважинных приёмных модулей, межмодульных кабельных соединителей, модуля-ретранслятора. Комплект наземного оборудования состоит из компьютера, программно-управляемого блока питания скважинного зонда, интерфейсного блока. Программное обеспечение включает автоматическое тестирование комплекса, препроцессинг и контроль качества получаемых данных, документирование хода проведения работ. Основные возможности и преимущества АМЦ-ВСП-3-48М:

1. Работа в режимах различных модификаций скважинной сейсморазведки.

2. Синхронная работа с наземной сейсморазведкой, межскважинная сейсмотомография.

3. Возможность высокочастотных измерений для решения задач инженерной геологии.

4. Отсутствие влияния промышленных сетевых помех.

5. Минимальное влияние резонанса системы "прибор-стенка скважины" на регистрируемые сейсмические колебания.

Работа аппаратурного комплекса осуществляется под управлением бортовой программы, которая обеспечивает выполнение следующих основных технологических операций:

1. Установка и просмотр исходных технологических параметров комплекса. Их корректировка в процессе работы.

2. Управление электропитанием скважинных модулей.

3. Тестирование и контроль работы скважинных модулей.

4. Управление механическими прижимными скважинных модулей.

5. Взаимодействие с сейсмическими источниками инициализации возбуждения и регистрации, прием данных, визуальный контроль и запись на жесткий диск.

6. Экспресс-анализ зарегистрированных данных.

Сейсмостанция Прогресс-МЛ предназначена для выполнения следующих видов сейсморазведочных работ: прямой и обращенный микросеймокаротаж (МСК); ВСП при подключении аналоговых зондов; ВСП при подключении цифровых зондов; МПВ с любым источником возбуждения. Прогресс-МЛ является малоканальной сейсмостанцией линейного типа, основным назначением которой является выполнение работ при исследовании зоны малых скоростей и выполнения работ ВСП с использованием различных типов импульсных и вибрационных источников возбуждения сейсмических колебаний.

Отличительные особенности сейсмостанции Прогресс-ЛМ:

1. Соответствие технических параметров канала записи и воспроизведения современным требованиям к сейсморазведочной аппаратуре.

2. Широкий частотный диапазон регистрируемых сейсмических сигналов.

3. Интегрированные в систему программные средства, позволяющие выполнять в поле обработку данных.

4. Возможность работы с источниками взрывного и невзрывного типов.

5. Малая мощность потребления в расчете на один канал.

6. Наличие широкого набора средств тестирования аппаратуры сейсмостанции и сейсмокосы.

2. ЦЕЛЕВЫЕ ЗАДАЧИ

В рамках темы работы были решены следующие задачи:

1) Исследование существующих аппаратно-программных систем сейсморазведки, направленных на вертикальное сейсмическое профилирование;

2) Создание программного обеспечения оператора для аппаратно-методический комплекса приема сейсмических сигналов в скважине для осуществления вертикального сейсмического профилирования;

3) Применение методов обработки данных скважинных модулей и модулей наземной регистрации разработанного АВСП, их испытания и получение количественных характеристик их работы в программном обеспечении на АРМ оператора.

3. ЭЛЕМЕНТЫ И СТРУКТУРА РАЗРАБОТАННОГО АВСП

АВСП - аппаратно-методический комплекс приема сейсмических сигналов в скважине для осуществления вертикального сейсмического профилирования, межскважинного просвечивания и контроля за гидроразрывом пласта. Получаемые АВСП комплексом данные имеют ценность для сейсморазведки на этапах разведки и доразведки месторождений, они также могут иметь самостоятельное значение при разработке и эксплуатации различных видов залежей. Позволяет регистрировать несколько компонент сейсмического волнового поля. Для возбуждения сейсмической волны используются несколько типов источников.

Для работы с подобными данными необходимо понятное ПО оператора, которое должно предоставлять весь необходимый функционал для работы с комплексом, а также обработку, отображение и хранение данных, приходящих от модулей. Также ПО должно обеспечивать качественную передачу данных, без потерь, с возможностью восстановления битых пакетов.

Аппаратный комплекс состоит из:

- скважинной связки с количеством модулей, достигающим до 40 шт.;

- скважинный транслятор и блок управления данными скважинных модулей;

- блока приема и управления данными наземных модулей;

- блока синхронизации;

- наземных модулей;

- нескольких блоков питания (в том числе управляемый блок питания).

На рисунке 1 представлена система спуска-подъема (БСП), с помощью которого скважинные модули опускаются в скважину.

Рисунок 1 - Проведение операции спуска-подъёма с использованием специального приспособления

На рисунке 2 представлена общая схема разработанного комплекса АВСП. Двусторонними стрелками показана передача информации при взаимодействие составных частей в обе стороны.

Рисунок 2 - Общая схема комплекса АВСП

4. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИСХОДНЫХ СИГНАЛОВ И ИХ СРАВНЕНИЕ

Вибрационная сейсморазведка отличается от сейсморазведки с применением импульсных источников, не только типом применяемых источников и спецификой методики полевых работ, но и обработкой данных. Длительное воздействие на геологическую среду вибрационного источника приводит к образованию сложного неразрешенного волнового поля, которые регистрируются на полевых записях ‒ виброграммах. Виброграмма представляет в данном случае интерференционное наложение сигналов, отраженных и преломленных от границ в среде, и практически не читаема, выделить на ней отдельные сигналы и определить положение границ невозможно ^[4]. Обработка сейсмических данных имеет ключевое значение перед интерпретацией результатов оператором комплекса скважинной сейсморазведки.

Одним из первых этапов в обработке данных сейсмического вибратора является взаимная корреляция записанных данных с сигналом развертки. Корреляционные функции в вибрационной сейсморазведке имеют основополагающее значение, потому что именно они преобразуют данные исходные виброграмм в данные, пригодные для получения информации о разведуемых границах раздела и строении подземных толщ ^[9]. Процедура корреляции виброграммы с опорным управляющим сигналом применяется для представления виброграмм в виде последовательности коротких импульсов. При корреляции энергия вибрационных колебаний концентрируется на временах вступления волн, образовывая коррелограмму, аналогичную по структуре данных взрывной сейсморазведке, то есть при импульсном возбуждении колебаний ^[2].

Вычисление корреляционных функций возможно реализовать на основе временных или спектральных преобразований. Взаимнокорреляционная функция является стандартным методом оценки степени корреляции двух последовательностей и находит частое применение в обработке сигналов для распознавания отражений в условиях помех. Функция взаимной корреляции взаимосвязана со сверткой, их связь показана в формуле (1), где – взаимная корреляция, * – комплексное сопряжение, * – операция свертки ^[10].

(1)

Стандартная процедура взаимной корреляции при обработке записей вибрационной сейсмической разведки изначально проводилась во временной области ^[2]. Данный метод проведения вычислений предполагает запись опорного сигнала за время tсвип и запись виброграмм с модулей регистрации за время tзаписи, причем tзаписи > tсвип. Таким образом длина результирующего вектора расчетов будет составлять разницу времени виброграмм и времени записи опорного сигнала tкорреляции = tзаписи ‒ tсвип.

Обозначим c – вектор корреллограммы с числом отсчетов С, с является результатом вычислений; s – вектор опорного сигнала длинной N, m – вектор значений с одного канала скважинного модуля или наземного длинной M. Зависимость между векторами с, s и m определяется формулой (2).

(2)

Для наглядности процесс взаимной корреляции схематично представлен на рисунке 3. Взаимная корреляция представляет собой вычисление при каждом шаге n по вектору виброграммы суммы поэлементных произведений отсчетов виброграммы m n+i и опорного сигнала s i. При этом сумма вычисляется по длине опорного сигнала N. Когда начало опорного сигнала и виброграммы совпадают, вычисляется первое значение коррелограммы. Затем вектор опорного сигнала передвигается относительно фиксированного положения виброграммы на один отсчет, вычисляется сумма поэлементных произведений, то есть второе значение коррелограммы. Далее вектор опорного сигнала передвигается еще на один отсчет и вычисления повторяются. Процесс повторяется пока последний отсчет опорного сигнала не совпадет с последним отсчетом виброграммы. На рисунке 3 представлен результат вычислений автокорреляции опорного сигнала в виде графика.

Рисунок 3 - Схематическое представление процедуры взаимной корреляции во временной области.

Для реализации взаимной корреляции в спектральной области используется основное свойство сверточных моделей – свертка во временной области эквивалентна поэлементному перемножению комплексных спектров ^[3]. Данное свойство описано в формуле (3), где – преобразование Фурье, – взаимная корреляция, * – комплексное сопряжение.

(3)

Алгоритм расчета представлен в виде блок-схемы на рисунке 4. После регистрации данных опорного сигнала и виброграмм, производится быстрое преобразование Фурье отдельно над каждым вектором значений. На следующем этапе вычисляется комплексное сопряжение вектора виброграммы. Далее в блоке П, показанного на рисунке 4, производится поэлементное умножение спектра опорного сигнала и комплексно-сопряженного спектра виброграммы. В результате данного этапа получается комплексный спектр корреллограммы. На последнем этапе вычисляется обратное Фурье-преобразование над результатом умножения, то есть корреллограмма из частотной области переводится во временную.

Рисунок 4 - Блок-схема взаимной корреляции в спектральной области.

Нежелательным побочным результатом применения данного метода взаимной корреляции является присутствие боковых лепестков в образующейся короткой волне ^[1]. Данное явление обуславливается конечностью времени записи сигнала. Преобразование Фурье над конечной записью равносильно преобразованию над бесконечной записью с применением прямоугольного окна. Это приводит к уширению спектра и появлению медленно убывающих боковых лепестков в спектре. Выбором другой, не прямоугольной, функции окна можно добиться значительного понижения уровня боковых лепестков, и тем самым повысить контрастность спектра. Стоит также отметить, что применение любых функций окна, кроме прямоугольного, приводит к некоторому увеличению ширины главного лепестка ^[10]. Для минимизации эффекта боковых лепестков в вычислениях при преобразовании данных в частотную область используется оконная функция Хемминга. На рисунке 5 представлены результаты взаимной автокорреляции опорного сигнала с использованием окна Хемминга и прямоугольного окна.

При вычислении быстрого преобразования Фурье для вектора длинной N отсчетов необходимо O(N•log(N)) арифметических операций. Операция быстрого преобразования Фурье производится над двумя векторами – опорного сигнала и виброграммы. Обратное преобразование Фурье аналогично по сложности с прямым. Таким образом сложность для вычисления функции взаимной корреляции потребуется O(3•N•log(N)). На вычисления во временной области требуется 2CN операций. Выигрыш в числе операций при реализации метода вычислений через быстрое преобразование Фурье имеет место при условии указанном в формуле (4). В вибросейсмической разведке это соотношение выполняется, так как типичные значения N = 2000 ÷ 20000, а C = 1000 ÷ 10000. При Nср = 9000 и Cср = 4500 выигрыш составит ~230.

(4)

Рисунок 5 - Часть исходного опорного свип-сигнала (а), результаты автокорреляции опорного сигнала: взаимная корреляция во временной области (б), взаимная корреляция в частотной области с прямоугольным окном (в), взаимная корреляция в частотной области с окном Хемминга (г).

Замерим время выполнения вычисления взаимнокорреляционной функции по двум вышеописанным методам расчета – во временной и частотной областях. Результаты приведены в таблице 1, длина вектора виброграммы бралась равной 5000, 10000 и 20000 отсчетов. В результате вычислений во временной области получалась корреллограмма, вектор которой составлял 2000, 5000 и 5000 отсчетов соответственно. Это означает, что опорный сигнал составлял 3000, 5000 и 15000 отсчетов. В расчетах во временной области наблюдается рост времени с увеличением длины виброграммы (числа операций). В расчетах в частотной области наблюдаемый рост времени вычисления значительно ниже, что соответствует тому, что при увеличении длины вектора виброграммы (времени записи) выигрыш взаимной корреляции в частотной области над расчетами во временной области становится более значительным.

Таблица 1 - Количественные характеристики работы методов

5. ВЫВОДЫ

Корреляция в спектральной области обеспечивает выигрыш по числу операций над корреляцией во временной области за счет использования менее вычислительно затратных алгоритмов быстрого преобразования Фурье. Расчет во временной области дает более точный результат, так как преобразование Фурье на конечной выборке дает искажения даже при использовании оконных функций. Для получения коррелограммы одинаковой длины в методе расчёта во временной области требуется регистрация и обработка большего объема данных, чем при использовании метода расчета в спектральной области.

Реализация взаимной корреляции в спектральной области в полевой аппаратуре ранее была затруднена из-за недостаточной вычислительной мощности и малого количества памяти. Поэтому большинство первых экспресс-корреляторов строились на вычислениях во временной области. В текущем положении аппаратная часть вычислительных устройств при проведении полевых работ не только позволяет выполнять обработку в спектральной области, но и, как видно по результатам, за более короткое время вычислений предоставляет качественный результат при использовании оконных функций.

Взаимная корреляция является стандартным и основным методом первичной обработки сейсмических записей при вибрационном воздействии. В дальнейшем предполагается использовать способы повышения качества исходных данных, такие как весовая корреляция ^[8] и процедура деконвульции, обратная фильтрация ^[6]. Эти методы позволяют повысить разрешенность сейсмических записей при обработке материалов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 02.G25.31.0131).