Сигналы источника для электросейсмической разведки - RU2251715C2
Код документа: RU2251715C2
Чертежи
Описание
По этой заявке испрашивается приоритет согласно предварительной заявке на патент регистрационный №60/191041, поданной 21 марта 2000 г.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области геофизической разведки. Точнее, изобретение относится к сигналам источника, предназначенным для использования при электросейсмической разведке.
Предпосылки создания изобретения
Электросейсмический способ представляет собой способ геофизической разведки, предназначенный для получения изображения подземных формаций с использованием преобразования электромагнитной энергии в сейсмическую. Электросейсмический способ описан в патенте США №5877995 (Thompson et al.). Сущность электросейсмического способа заключается в том, что электрическую энергию высоких уровней посылают в грунт на или вблизи поверхности, и при этом электрическая энергия преобразуется в сейсмическую энергию при взаимодействии подземных флюидов, включая углеводороды, с основной массой породы. Сейсмические волны обнаруживают на или вблизи поверхности посредством сейсмических приемников. Для эффективности этого способа необходим источник входного тока со следующими характеристиками:
Источник должен создавать токи больших уровней в течение длительного времени.
Источник должен иметь высокий электрический коэффициент полезного действия.
Источник должен иметь небольшую или не иметь составляющей постоянного тока для исключения электролитического осаждения на группу электродов.
Частотный спектр источника должен соответствовать потребностям разведки.
Корреляционная функция сигнала источника с опорным сигналом должна иметь боковые лепестки с низкими уровнями.
Вследствие новизны способа на сегодняшний день имеется немного публикаций, относящихся к электросейсмическим сигналам. Однако при традиционной сейсмической разведке в качестве источника энергии иногда используют источник энергии для формирования управляемого волнового пакета (известного как свипп-сигнал), который инжектируют в землю. После корреляции полученных записанных сейсмических данных с волновым пакетом с изменяющейся частотой или с другим опорным сигналом коррелированная запись имеет сходство с обычной сейсмограммой, такой, какая получается от импульсного источника.
При корреляции сигнала источника с соответствующим опорным сигналом обычно имеется большой пик во время вступления волны, вокруг которого имеются меньшие пики в более раннее и в более позднее время. Эти меньшие пики представляют собой боковые лепестки корреляционной функции. Боковые лепестки корреляционной функции нежелательны, поскольку они могут маскировать более слабые полезные сейсмические отражения.
Следует отметить, что сигнал источника является лишь одним элементом электросейсмической системы. Другие признаки включают в себя синтезатор мощного сигнала (который создает колебание), а также компоновку входных электродов, компоновки сейсмических приемников и разнообразные проблемы оснащения полевых работ.
Как указано выше, вследствие новизны способа техника токов для электросейсмических сигналов неразвита. Некоторые очевидные способы могут включать в себя использование импульсных или псевдослучайных последовательностей прямоугольной формы. Повторяющиеся импульсы неэффективны (энергетически/при последующем вступлении) по сравнению с непрерывными сигналами. Сигналы прямоугольной формы требуют значительных затрат для реализации, поскольку необходимы токи больших уровней и, кроме того, энергия будет рассеиваться в бесполезных высокочастотных составляющих.
Существует необходимость в сигнале источника, который удовлетворяет требованиям, сформулированным выше. Настоящее изобретение удовлетворяет этим требованиям.
Краткое описание изобретения
В одном варианте осуществления настоящее изобретение охватывает способ для электросейсмической разведки, содержащий этапы: (а) выбора сигнала источника и соответствующего опорного сигнала, при этом оба выбираются для уменьшения амплитуды боковых лепестков корреляционных функций, (b) формирования электрического сигнала, основанного на сигнале источника, (с) посылки электрического сигнала в грунт, (d) обнаружения и записи сейсмических сигналов, получающихся в результате преобразования электрического сигнала в сейсмическую энергию в подземных формациях, и (е) корреляции получившихся в результате сейсмических сигналов с опорным сигналом для получения коррелированной сейсмограммы. Предпочтительно выбирать опорный сигнал так, чтобы минимизировались боковые лепестки при корреляции с конкретным используемым сигналом источника.
Сигнал источника может быть образован из индивидуальных периодов синусоидального колебания с частотой 60 Гц, то есть из стандартного источника переменного тока, с полярностью некоторых таких периодов, инвертированной под управлением двоичного последовательного кода. Двоичный код выбирают так, чтобы специально образовать продолжительную, но конечную волну источника, для которой получают опорную волну, которая по существу минимизирует боковые лепестки корреляционной функции при корреляции волны источника и опорной волны друг с другом. Опорной волной может быть сама волна источника или колебание, производное от волны источника. Когда желательно более глубокое проникновение в нижние горизонты, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения образуют частоты ниже 60 Гц путем переключения между тремя фазами трехфазного источника энергии.
В некоторых вариантах осуществления изобретения используемая двоичная последовательность представляет собой последовательность сдвигового регистра максимальной длины, а круговую корреляцию (определенную ниже) используют на последнем этапе. В других вариантах осуществления в грунт посылают две волны источника. Одна представляет собой элемент 60-герцового синусоидального колебания с порядком следования, задаваемым одним элементом дополняющей пары последовательности Голея; другая является тем же самым элементом колебания с порядком следования, задаваемым другим элементом пары Голея. Получающиеся в результате сейсмические отражения раздельно подвергают корреляции с соответствующими входными волнами и затем суммируют. Последовательностям Голея и последовательности сдвигового регистра максимальной длины присуща хорошая способность уменьшения боковых лепестков корреляционной функции, при этом теоретически в случае последовательностей Голея боковые лепестки уменьшаются до нуля.
В соответствии с настоящим изобретением боковые лепестки можно дополнительно уменьшить в случае любого псевдослучайного, образованного в виде двоичной последовательности сигнала источника путем максимального увеличения длительности волны источника до предельных возможностей записывающего оборудования, когда необходимо прерывать колебания источника.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение и его преимущества станут более понятными при обращении к следующему подробному описанию и сопровождающим чертежам, на которых:
На фиг.1А представлен 60-герцовый элемент сигнала, а на фиг.1В представлена автокорреляционная функция такого элемента сигнала.
На фиг.1С представлен элемент сигнала с частотой ниже 60 Гц, образованный из трехфазных 60-герцовых колебаний.
На фиг.1D - автокорреляционная функция элемента сигнала согласно фиг.1С.
На фиг. 2А и 2В представлена дополняющая пара последовательностей Голея с 60-герцовым элементом сигнала;
На фиг.3А и 3В представлена автокорреляционная функция колебаний из фиг.2А и фиг.2В, соответственно.
На фиг.3С - сумма этих автокорреляционных функций.
На фиг.4 - структурная схема сдвигового регистра.
На фиг.5А представлена последовательность сдвигового регистра максимальной длины с 60-герцовым элементом сигнала, а на фиг.5В - ее автокорреляционная функция.
На фиг.6А представлена модифицированная последовательность сдвигового регистра с 60-герцовым элементом сигнала, а на фиг.6В - функция взаимной корреляции колебания согласно фиг.6А с колебанием согласно фиг.5А.
На фиг.7 представлена типичная полевая установка для настоящего изобретения.
На фиг.8 представлены результаты эксперимента.
Изобретение будет описано применительно к предпочтительным вариантам осуществления. Однако в том смысле, что нижеследующее подробное описание является характерным для конкретного варианта осуществления или конкретного использования изобретения, то есть предполагается только иллюстративным и не должно толковаться как ограничивающее объем изобретения. В противоположность этому, оно предполагается охватывающим все варианты, модификации или эквиваленты, которые могут находиться в рамках сущности и объема изобретения, определенных приложенной формулой изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение представляет собой способ нахождения сигналов источника, предназначенных для использования при электросейсмической разведке нефти и газа. Сигналы источника, предложенные в настоящем изобретении, в некоторых его вариантах осуществления находятся в классе двоично-кодированных сигналов. Двоично-кодированный сигнал состоит из последовательности элементов. Индивидуальными элементами может быть, например, один период 60-герцового синусоидального колебания. На самом деле, сигналы, которые образованы из фрагментов 60-герцовых синусоид (или с любой промышленной частотой местного производителя электрической энергии), являются особенно экономичными для электросейсмического случая, поскольку источник этого типа может быть образован путем использования простого переключения сигналов промышленной линии электроснабжения. Эти фрагменты сигналов присоединяют друг к другу с полярностями, задаваемыми двоичной последовательностью. Как пояснено ниже, предпочтительно образовывать двоичную последовательность так, чтобы получались минимальные боковые лепестки, а элемент сигнала образовывать так, чтобы оптимизировался частотный спектр источника.
Автокорреляция двоично-кодированного сигнала будет давать основной импульс, который является автокорреляционной функцией индивидуального элемента сигнала (в качестве примера этого, обратите внимание на рассмотрение последовательностей Голея, приведенное ниже). На фиг. 1А показан один период 10 60-герцовой синусоиды. Ее автокорреляционная функция 20 приведена на фиг. 1В. Это легко понять, обратившись, например, к Seismic data processing, Ozdogan Yilmaz, Society of Exploration Geophysicists, 1987, 18-19. Возможно, что этот элемент 10 сигнала подходит для объектов разведки, расположенных относительно неглубоко. Когда имеется трехфазный источник электрической энергии, можно образовывать различные элементы с более низкими частотами. На фиг. 1С приведен пример 30 с относящейся к нему автокорреляционной функцией 40 на фиг. 1D.
С целью дальнейшего пояснения фиг.1С отметим, что трехфазный источник электрической энергии формирует шесть синусоид с фазовым сдвигом 60° между ними. Множество сигналов приблизительно прямоугольной формы можно образовать путем переключения от одной синусоиды к следующей в точке пересечения. Когда один сигнал начинает спадать от пика, выход подключают к следующему сигналу, который возрастает до пика. Таким путем можно получить приблизительно прямоугольный сигнал. Прямоугольный сигнал можно образовать с нужной длительностью, которой соответствует целое число таких циклических переключений, и, следовательно, с соответствующей частотой ниже 60 Гц. На фиг.1С приведен пример, где пик продлен путем пятикратного переключения к следующей, совпадающей по фазе синусоиде для получения прямоугольного сигнала с частотой примерно 20 Гц.
Формирование элемента сигнала представляет собой важный аспект проектирования электросейсмического источника. Такие способы, как генетические алгоритмы, могут быть использованы для определения элемента, требуемого для заданного объекта разведки с учетом вычисленного затухания сейсмических волн и глубины проникновения электромагнитного поля. В общем случае, чем глубже находится объект разведки, тем ниже предпочтительная частота, поскольку для более высоких частот характерна тенденция к поглощению, что снижает эффективность. В случае типичных отложений частота 60 Гц случайно обеспечивает хорошие результаты для объектов разведки на глубине приблизительно от 100 до 500 футов. Кроме того, несмотря на то, что 60-герцовый элемент сигнала не является предпочтительным, его можно успешно использовать для намного больших глубин, порядка 5000 футов. Практические преимущества и удобство образования сигнала с помощью 60-герцовой линии электропередачи должны быть очевидными для специалистов в области сейсмической разведки. Кроме того, для элемента одночастотного синусоидального сигнала техническая реализация является наиболее простой, отчасти потому, что эффективность не снижается, как в случае широкополосного усиления.
При электросейсмической разведке боковые лепестки корреляционной функции имеют критическое значение, поскольку в нулевой момент времени могут быть очень большие пики. Этот большой пик формируется неизбежной прямой помехой на приемниках от полей, связанных с входными токами. При больших пиках будут значительные боковые лепестки корреляционной функции. Хотя эти боковые лепестки, обусловленные прямой помехой, меньше максимальной амплитуды, они все же достаточно большие для того, чтобы не маскировались намного меньшие полезные электросейсмические отражения. Уровень прямой помехи может быть снижен путем соответствующего выбора поля и/или путем использования иных нововведений, например усовершенствований приемника; тем не менее, лучше всего минимизировать действие прямой помехи путем использования сигнала источника, обеспечивающего минимальные боковые лепестки корреляционной функции (корреляция с соответствующим опорным сигналом в продолжение сигнала источника будет уменьшать все боковые лепестки, включая боковые лепестки от прямой помехи, поскольку прямая помеха также создается использованным сигналом).
В предшествующем рассмотрении корреляции волны источника с опорной волной с целью минимизации боковых лепестков источник волны был суррогатным для электросейсмического отклика. В настоящем изобретении этим откликом является сейсмический отклик на волну электрического источника, который на более позднем этапе обработки подвергают корреляции с выбранной опорной волной. Настоящее изобретение
основано на обнаружении линейной составляющей электросейсмического отклика. Вследствие линейности такой отклик будет пропорционален волне источника. Поэтому волна источника и опорная волна, специально рассчитанные на то, чтобы иметь большой центральный пик и минимальные боковые лепестки при корреляции, гарантируют, что сейсмический отклик для того же самого сигнала источника будет аналогичным образом создавать большой центральный пик и минимальные боковые лепестки при корреляции с той же самой опорной волной.
Существуют двоичные последовательности, по меньшей мере, двух типов, которые в соответствии с настоящим изобретением хорошо подходят для электросейсмических сигналов. Один тип относится к последовательности сдвигового регистра максимальной длины, которая определена в Golomb S., Digital communications with space applications. Prentice Hall, Inc. (1964). Другой представляет собой пару дополняющих последовательностей Голея, которая определена в Golay M.J.E., "Complementary series", IRE Transactions on Information Theory (1961), vol.7, 82-87. Эти последовательности можно сконфигурировать, чтобы получить минимальные боковые лепестки корреляционной функции.
Последовательность Голея
В одном варианте осуществления настоящего изобретения использованы элементы синусоидального колебания с порядком следования, задаваемым парами дополняющих последовательностей Голея. Дополняющая пара из ряда Голея определена Голеем как
пара конечных последовательностей равной длины из элементов двух видов, которые имеют свойство, заключающееся в том, что число пар из подобных элементов при любом одном заданном разделении в одном ряду (при рассмотрении каждого ряда как циклического с целью детерминированного разбиения) равно числу пар неподобных элементов с тем же заданным разделением в другом ряду. Эти пары последовательностей имеют такое свойство, что суммы последовательных автокорреляционных функций имеют нулевые боковые лепестки. Одна такая пара длиной 8 имеет вид {-1 -1 -1 1-1-1 1 -1} и {-1 -1-1 1 1 1-1 1}. Эта пара из ряда может считаться удовлетворяющей определению, данному выше. Например, при взятии разделения из трех пространств первый ряд имеет 6 подобных пар и 2 неподобные пары, тогда как второй ряд имеет 2 подобные пары и 6 неподобных и так далее. Эта пара рядов длиной 8 показана на фиг. 2А и 2В вместе с 60-герцовым элементом. На фиг. 2А показана упомянутая выше последовательность 50; на фиг. 2В - вторая упомянутая последовательность 60. В любой последовательности "1" означает один период 60-герцовой синусоиды с нормальной полярностью, иллюстрированный периодом, начинающимся в точке 52 и заканчивающимся в точке 54 на фиг.2А; "-1" означает элемент 60-герцового колебания с инвертированной полярностью, иллюстрированный периодом, начинающимся в точке 54 и заканчивающимся в точке 56 на фиг.2А.
Автокорреляционные функции и их сумма показаны на фиг. 3А-С. На фиг. 3А показана автокорреляционная функция 70 расширенного фрагмента 50 сигнала; автокорреляционная функция 80 расширенного фрагмента 60 сигнала показана на фиг. 3В. На фиг. 3С изображена сумма 90 автокорреляционных функций 70 и 80. Теоретически боковые лепестки полностью компенсированы. Кроме того, метод последовательной пары весьма эффективен в том смысле, что сигнал является непрерывным, то есть без прерываний, противоположность, например, видоизмененной последовательности сдвигового регистра, описанной ниже. Недостаток заключается в том, что компенсация боковых лепестков является теоретической, зависящей от того, как осуществлено соответствующее вычитание относительно больших боковых лепестков автокорреляционных функций 70 и 80. На практике это может быть проблематичным, когда могут случаться дрейфы частоты источника электрической энергии или флуктуации амплитуды сигналов.
Сдвигом последовательности относительно частоты опорной линии, масштабированием данных для согласования амплитуд и выбором конкретных пар последовательностей Голея, которые имеют относительно небольшие боковые лепестки при задержках, представляющих интерес, можно свести к минимуму эти проблемы.
Для выполнения типичных полевых работ предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может включать в себя 60-герцовый элемент сигнала и последовательность Голея длиной 1664 (27,7 сек). Последовательности Голея можно образовать из меньших последовательностей, используя способы, рассмотренные в Kounias S., Koukouvinos С. and Sotirakoglou К., "On Golay sequences". Discrete Mathematics, (1991) Elsevier Science Publishers B. V., vol.92, 177-185. Существуют последовательности Голея только определенной длины, например имеются последовательности Голея с длиной 8, но не с длиной 6. Голей показал, что существуют последовательности с длинами, задаваемыми 2j, 10k, 26l, где j, k и l - целые неотрицательные числа, то есть 0, 1, 2... (см. Kounias, p. 178). Для других длин, которые можно, но необязательно, создавать, имеются пары последовательностей Голея, задаваемых а2+b2, где а и b - целые числа (в том числе нуль). Для длин вплоть до 50 Голей предложил пары последовательностей, существующие для следующих длин: 2, 4, 8, 10, 16, 18, 20, 26, 32, 34, 36, 40 и 50 (см. Golay, p.84). Kounias разработал алгоритм для получения решения в случае заданной длины (см. Kounias, p.184). Лемма 1 в статье Kounias (р.178) показывает путь образования более длинных последовательностей Голея из более коротких последовательностей. Пара последовательностей Голея длиной nm может быть образована из пары Голея длиной n и другой пары Голея длиной m. Следуя этим правилам образования, можно получить много пар последовательностей заданной длины.
Затем можно выбрать конкретную пару для заданной длины, используя, например, полный перебор, чтобы выбрать пару с минимальными боковыми лепестками до компенсации. Этим выбор обеспечивает минимизирование остаточной энергии боковых лепестков, обусловленных несовершенной компенсацией. Каждую из последовательностей пары Голея направляют в месторождение как отдельный сигнал, при этом после каждой
последовательности выделяют некоторое мертвое время для сбора сейсмических отражений. Опорные корреляции и суммирование являются этапами обработки.
В качестве примера образования других дополняющих рядов Голея заданной длины рассмотрим пару длиной 8, приведенную выше:
-1 –1 –1 1 –1 –1 1 –1 и –1 –1 –1 1 1 1 –1 1
Голеем показано, что любая из нижеследующих операций над данной парой приводит к получению другой пары дополняющих рядов:
(a) перестановка рядов;
(b) обращение первого ряда;
(c) обращение второго ряда;
(d) чередование (замена каждого элемента противоположным) первого ряда;
(e) чередование второго ряда или
(f) чередование элементов четного порядка в каждом ряду. Следуя этим правилам, получаем шесть добавочных дополняющих рядов длиной 8:
-1 –1 –1 1 1 1 –1 1 и –1 –1 –1 1 –1 –1 1 –1
-1 1 –1 –1 1 –1 –1 –1 и –1 –1 –1 1 1 1 –1 1
-1 –1 –1 1 –1 –1 1 –1 и 1 –1 1 1 1 –1 –1 –1
1 1 1 –1 1 1 –1 1 и –1 –1 –1 1 1 1 –1 1
-1 –1 –1 1 –1 –1 1 –1 и 1 1 1 –1 –1 –1 1 –1
-1 1 –1 –1 –1 1 1 1 и –1 1 –1 –1 1 –1 –1 -1
Много добавочных дополняющих рядов длиной 8 (некоторые из которых могут быть идентичными) можно образовать путем выполнения двух или более из шести операций, приведенных выше. Кроме того, эти операции можно выполнять над подпоследовательностями (то есть парами длиной 4 и 2) до объединения с целью получения последовательности длиной 8.
Последовательность сдвигового регистра максимальной длины
Голомб определил псевдослучайную двоичную последовательность как любую двоичную последовательность, полученную с помощью детерминированного процесса (осуществляемого, например, сдвиговым регистром) таким образом, что последовательность будет удовлетворять любым критериям случайности, которые могут быть выбраны (см. Golomb, pp. 7-16). Сдвиговый n-разрядный регистр представляет собой устройство, имеющее n последовательных двоичных (1, -1 или 1, 0) разрядов памяти или “регистров”, которые сдвигают содержимое каждого регистра в следующий регистр по линии связи синхронно с регулярными колебаниями генератора тактовых импульсов или другого синхронизирующего устройства. Для предохранения сдвигового регистра от очистки по окончании n тактовых импульсов, можно ввести “член обратной связи” в виде логической (то есть булевой) функции содержимого n разрядов и подавать содержимое обратно в первый разряд сдвигового регистра.
Например, рассмотрим случай, когда n=4, а функция обратной связи заключается в сложении содержимого третьего и четвертого регистров, чтобы получить сумму, которая вводится в регистр 1 после того, как он очистится при следующем сдвиге. Такое сложение двоичных чисел называют суммированием по модулю 2 и обозначают символом ⊕ .
Поэтому в двоичной {1, 0} области 0⊕ 0=0; 0⊕ 1=1 и 1⊕ 1=0. Такой сдвиговый регистр показан на фиг. 4.
Можно показать, что эта функция обратной связи может быть выражена в виде следующей рекуррентной формулы:
Xi=Xi-3⊕Xi-4,
где Xi - содержимое любого одного из четырех регистров для i-того сдвига. Поэтому содержимое любого регистра является суммой по модулю 2, которая была в том же самом регистре до трех сдвигов и которая была в том же самом регистре до четырех сдвигов.
Процесс начинается с установки содержимого всех четырех регистров в 1, то есть –Х0(R1)=X0(R2)=Х0 (R3)=Х0(R4)=1, при этом до того, как значения начинают повторяться, четыре регистра содержат следующие значения:
Числа, образованные в регистре 1 (другие регистры формируют ту же самую последовательность с циклической перестановкой), представляют собой “последовательность сдвигового регистра” для этого конкретного сдвигового регистра, имеющую длину 4 и конкретное рекуррентное соотношение. Можно видеть, что число в регистре 1 для любого значения i является суммой по модулю 2 чисел в регистрах 3 и 4 до одного сдвига, которая, в свою очередь, является суммой двух чисел, которые были в регистре 1 до трех и четырех сдвигов, что требуется согласно рекуррентной формуле. Эта последовательность удовлетворяет, например, следующим трем критериям случайности, которые предложил Голомб на странице 10 своей книги:
1. В каждом периоде последовательности число ЕДИНИЦ отличается от числа НУЛЕЙ самое большее на 1.
2. Среди “групп” ЕДИНИЦ и НУЛЕЙ в каждом периоде одна половина групп каждого вида имеет длину 1, одна четверть имеет длину 2, одна восьмая часть имеет длину 3 и так далее до тех пор, пока эти части не составят значащее число групп.
3. При сравнении периода последовательности, член за членом, при любом циклическом сдвиге самой последовательности число совпадений отличается от числа несовпадений самое большее на 1.
В последовательности длиной 15, образованной выше (регистр 1), имеются 8 ЕДИНИЦ и 7 НУЛЕЙ, удовлетворяющих критерию 1. Последовательность имеет 5 групп с длиной 1, 2 - с длиной 2 и 2 - с длиной 3, которые точно удовлетворяют критерию 2 (“группа” возникает, когда число в последовательности является повторяющимся, за исключением группы с длиной 1, которая представляет собой отдельное событие). При сравнении последовательности регистра 1 с последовательностью регистра 4, которая представляет собой циклическую перестановку последовательности регистра 1, сдвинутого на 3 разряда, обнаруживаются 7 совпадений и 8 несовпадений, удовлетворяющих критерию 3. Это состоятельное удовлетворение критериям случайности будет различным при псевдослучайном ряде и точном случайном ряде. Вследствие детерминированных свойств каждый и даже псевдослучайный ряд будет удовлетворять критерию. Точно случайный ряд будет удовлетворять критерию только в среднем.
В конечном счете, выходной сигнал любого сдвигового регистра является периодическим с периодом, не превышающим 2n, где n - разрядность или длина сдвигового регистра (Golomb, р. 9). Для линейных рекуррентных формул, приведенных Голомбом на странице 9, период равен самое большее 2n-1. В приведенном выше примере, в котором n=4, период равен 15, и поэтому последовательность, образованная выше, имеет максимально возможную длину и соответственно называется последовательностью сдвигового регистра максимальной длины.
Примером последовательности сдвигового регистра, имеющей длину 7, является {-1 1 –1 1 1 1 -1}. На фиг. 5А показан полученный расширенный фрагмент 100 сигнала при использовании 60-герцового элемента. Функция 110 круговой автокорреляции сигнала 100 показана на фиг. 5В. Центральная часть кривой 110 представляет собой пик автокорреляционной функции цикла 60 Гц, а боковые лепестки для 60 Гц имеют относительную амплитуду 1/7 (для последовательности длиной 7). Этот уровень боковых лепестков может быть приемлемым для длинных последовательностей, но возможны альтернативные подходы.
Например, Foster и Sloan, например изменили сигнал 100, включив только положительные двоичные элементы 120, а отрицательные элементы заменили элементами нулевой амплитуды, что показано на фиг. 6А (Foster M.R. and Sloan R.W., "The use of pseudonoise sequences to code a pulsed neutron logging source". Geophysics (1972), vol. 37, 481-487). Результат 130 круговой корреляции при использовании сигнала 100 (фиг. 5А) в качестве опорного имеет нулевые боковые лепестки (фиг. 6В). Недостаток этого подхода заключается в том, что максимальное значение ориентировочно уменьшается наполовину из-за элементов нулевой амплитуды.
Поясним термины, использованные выше: автокорреляция означает корреляцию сигнала с самим собой. Круговую корреляцию можно пояснить следующим образом: в процессе обычной корреляции сигналы до корреляции предполагаются “дополненными нулями”, то есть в сигнальной последовательности и ее опорной последовательности амплитуда предполагается спадающей до нуля до и после последовательности. Процесс корреляции включает получение перекрестного произведения одного сигнала и сдвинутой версии второго сигнала при различных сдвигах. При дополнении нулями часть сдвинутого сигнала, которая пересекается с концом стационарного сигнала, не оказывает влияния, поскольку умножается на дополненные нули. В случае круговой корреляции сигналы предполагаются повторяющимися, а не имеющими дополнение нулями. Поэтому, когда во время процесса корреляции сдвинутый сигнал пересекается с концом стационарного сигнала, он начинает перекрывать начало стационарного сигнала. Круговую корреляцию используют потому, что она лучше уменьшает боковые лепестки, чем обычная корреляция.
Выбор двоичной последовательности и элемента сигнала зависит от объекта разведки, геологического строения и полевой установки. Решение относительно элемента сигнала принимается, главным образом, на основании глубины залегания объекта разведки и ожидаемого затухания. Решение относительно типа двоичной последовательности принимается на основании относительного уровня прямой электромагнитной помехи и, следовательно, необходимости уменьшения боковых лепестков. Вероятно, что для соответствующего выбора потребуются компьютерное моделирование и полевые испытания. Как дополнительно рассмотрено ниже, чем длиннее последовательности, тем больше будут уменьшаться боковые лепестки. Предел на длину последовательности накладывается возможностями регистрирующего оборудования. Хотя настоящее изобретение предназначено для использования, главным образом, в наземных условиях, оно может дать полезные результаты в морской среде.
Как правило, более длинные двоичные последовательности способствуют формированию уменьшенных боковых лепестков корреляционной функции, чем более короткие последовательности. Известно, что для сигналов, образованных последовательностями сдвиговых регистров максимальной длины, амплитуды боковых лепестков после того, как последовательность подвергается круговой корреляции сама с собой, изменяются как 1/L, где L - длина последовательности. Поэтому предпочтительны более длинные последовательности сдвиговых регистров максимальной длины. Известно, что для действительно случайных последовательностей характерно меньшее уменьшение с длиной, при этом изменение происходит обратно пропорционально корню квадратному из длины, но этот эффект обнаруживается на статистической основе.
Другой предпочтительный для настоящего изобретения тип двоичного кодирования, реализуемый парами последовательностей Голея, не является ни псевдослучайным, ни случайным. Для него также характерна обратная зависимость амплитуды боковых лепестков от длины последовательности, но зависимость намного слабее 1/L. Хотя теоретически компенсация боковых лепестков для пар Голея является полной, независимо от длины последовательности, маловероятно, что на практике эта полная компенсация будет достигаться, на что обращено внимание выше. Поэтому последовательности Голея предпочтительно выбирать так, чтобы иметь минимальные боковые лепестки до сложения пар, и при этом длина последовательности является одним из критериев такого выбора. Другие критерии, а не длина, служат основаниями для выбора последовательности, те же самые, что и для псевдослучайных двоичных поверхностей: необходимо проверять различные последовательности и находить, когда достигается ослабление боковых лепестков.
Корреляцией для последовательностей Голея является обычная корреляция. Для псевдослучайных последовательностей необходима круговая корреляция, чтобы сильнее уменьшить боковые лепестки, которыми задается практический предел длины таких последовательностей. Псевдослучайную последовательность необходимо повторять (при разведке) по меньшей мере один раз, чтобы обеспечить круговое перекрытие. Первый цикл может быть использован только для получения корреляционных эффектов с задержкой на следующем цикле и, следовательно, утрачивается для компоновки данных. В то время как более длинная псевдослучайная последовательность предпочтительна для уменьшения боковых лепестков, более короткая псевдослучайная последовательность предпочтительна для исключения утраты данных и потери времени разведки. Предпочтительный компромисс заключается в использовании псевдослучайной последовательности промежуточной длины и в повторении ее несколько раз, может быть, всего на трех-семи циклах. Поэтому можно выбрать последовательность сдвигового регистра максимальной длины, имеющую длину 225, и повторить шесть раз, всего на семи циклах. Для этого в полевых условиях потребуются приблизительно 28 сек в предположении использования 60-герцового элемента сигнала, и при этом только 1/7 часть данных будет фактически утрачена. Данные, полученные таким образом от псевдослучайной последовательности, необходимо сравнивать достаточно близко к тому числу, которое получается от последовательности пар Голея длиной 1664 (6× 255=1530 по сравнению с 1664).
На фиг. 7 показана схема возможной полевой компоновки при развертывании настоящего изобретения. Электрический ток вводят в приповерхностную зону 140 путем приложения напряжения от источника 141 энергии между двумя заглубленными электродными проводами 142 и 143. Обычно электродные провода представляют собой неизолированный медный кабель 4/0. При необходимости для пропускания требуемого тока можно использовать кабель другого сечения. Электродные провода должны быть заглублены на глубину, достаточную для создания хорошего электрического контакта с грунтом. Обычно эта глубина находится в пределах от 1 дюйма до 10 футов, но в некоторых случаях, например при особенно сухом поверхностном грунте, может быть желательным более глубокое заглубление.
На фиг. 7 показаны пути 144 токов. Показанное направление соответствует движению электронов от отрицательного электрода к положительному электроду. Источник 141 энергии обеспечивает ток и состоит, главным образом, из генератора сигналов, способного формировать фрагменты двоично-кодированных сигналов, предпочтительных для настоящего изобретения. Элементарным источником энергии обычно является локальная линия энергосистемы общего пользования (на фиг. 7 подключение не показано). Можно использовать один или несколько генераторов. Пути 144 токов, показанные на фиг. 7, отображают пути тех токов, которые проникают вниз до глубины объекта 145 разведки, которым обычно является нефтяной пласт. Под электродами такие траектории токов близки к вертикальным. Эксперименты показали, что максимальный вертикальный ток 146 обычно направлен прямо вниз или даже несколько в сторону от электродных проводов. Поэтому максимальная амплитуда получающейся в результате направленной к поверхности сейсмической волны 147 (аналогичная волна под положительным электродом не показана) будет наблюдаться вдоль линии максимального вертикального тока, и этим задается предпочтительное место расположения сейсмических датчиков 148.
Сейсмические датчики могут быть размещены на поверхности где угодно, но предпочтительное месторасположение находится сбоку от электродных проводов, а не между электродными проводами. Сейсмическими датчиками могут быть сейсмоприемники, гидрофоны, акселерометры или любые аналогичные устройства. Такое сейсмическое оборудование хорошо известно специалистам в области техники, к которой относится изобретение. Для снижения сейсмической помехи предпочтительно, чтобы сейсмические датчики были заглублены под поверхность.
Обычно конфигурацию компоновки, показанную на фиг. 1, рассчитывают для охвата всей области, представляющей интерес, то есть нет необходимости многократно перемещать источник и приемники, чтобы постепенно перекрыть область, представляющую интерес, как в случае традиционной сейсмической разведки. Это является одним преимуществом электросейсмического способа, хотя использование одной установки не является существенным для настоящего изобретения (электродные провода и приемники могут быть вырыты по завершении эксперимента и перемещены в другие места). Соответственно, длина электродов может изменяться между одной десятой глубины пласта (объекта разведки) до нескольких глубин пласта. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения расстояние между электродами равно приблизительно глубине объекта разведки.
При электросейсмической разведке электромагнитная волна от источника доходит до всего объекта разведки по существу в один и тот же момент времени. Поэтому обычно проявляют интерес к распространяющимся вверх сейсмическим волнам, которые вступают на все сейсмоприемники приблизительно в один и тот же момент времени, в предположении, что сейсмоприемники развернуты как на фиг. 7. Поэтому при обработке обычная сейсмическая помеха может быть отфильтрована, поскольку проявляется то, что в области сейсмической разведки называют “приращением времени”. Расстояние от источника до приемника, называемое “удалением”, меньше при электросейсмической разведке. При традиционной сейсмической разведке можно охватить намного большую площадь поверхности, поскольку необходимы большие удаления от каждого пункта взрыва, для обеспечения достаточного отношения сигнала/шум на выборке трасс с общей средней точкой. При электросейсмической разведке площадь может уменьшиться приблизительно в 4 раза по сравнению с обычной сейсмической разведкой.
Двоично-кодированные сигналы, рассмотренные выше, удовлетворяют пяти требованиям электросейсмической разведки, установленным ранее. Необходимо обратить внимание на большие уровни тока, поскольку имеются непрерывные сигналы вместо, например, импульсов, которые имеют значительное мертвое время. Использование простых (или составных трехфазных) 60-герцовых элементов делает возможным получение больших уровней тока и высокого электрического коэффициента полезного действия, поскольку соответствующее оборудование упрощается. Отсутствие постоянного тока гарантируется, поскольку каждый элемент сигнала (например, полный период при 60 Гц) не имеет составляющей постоянного тока (то есть его среднее значение равно нулю); поэтому отсюда следует, что набор таких элементов не будет иметь составляющей постоянного тока. Частотный спектр источника может быть согласован с исследуемым объектом путем изменения частоты элемента сигнала. Наконец, минимизация боковых лепестков была рассмотрена подробно.
Для дополнительного пояснения предшествующего высказывания относительно изменения частоты источника с целью достижения желаемой глубины проникновения положим, что ни волна источника, ни отраженная сейсмическая волна не состоят из одной частоты. Фазовые обращения и (в некоторых вариантах осуществления) установка в нуль некоторых элементов обеспечивают формирование волн, состоящих из многих частот в понятиях разложения с анализом Фурье. Это необходимо для изобретения, то есть необходимо, чтобы волны имели ширину полосы частот. При одночастотной сейсмической отраженной волне отсутствует волна для взаимной корреляции с ней с целью формирования локализованного импульса на этапе обработки. Ширина полосы частот необходима для формирования требуемого пика. Из элементарного анализа Фурье следует, что чем острее пик, тем шире необходимая полоса частот. Поэтому, хотя волна источника и отраженная волна имеют расширение частот, с достаточным основанием можно ожидать, а разложением Фурье можно подтвердить, что частотное распределение обеих волн будет максимальным на частоте компоновочного блока, элемента сигнала. Поэтому желаемого проникновения под поверхность можно достигнуть путем изменения частоты элемента сигнала.
На фиг. 8 показаны результаты, полученные при использовании представленного способа согласно изобретению на газовом месторождении Friendswood в Техасе. Представленная область находится в окрестности скважины №181. Участок был выбран на основании информации об утечке газа на поверхности, указывающей на неглубокие залежи газа над продуктивными пластами. Обычной сейсмической разведкой области выявлены светлые сейсмические отражения, показанные на фиг. 8, из которых, несомненно, наиболее выделяется полоса 160. Пять темных тел 170 характеризуют зоны электросейсмического сигнала большой амплитуды. Электросейсмические сигналы с амплитудой меньше половины пикового значения сформированы дисплеем прозрачными, В среднем превышение отраженного сигнала над помехой было 10:1 или больше (на фиг. 8 показано высокопрофессиональное визуальное воспроизведение дисплеем, разработанным по программе GEOVIS и продаваемым Geospace Corporation). Для преобразования временного разреза в глубинный были использованы вертикальные сейсмические профили и ранее полученные сейсмические данные.
Для проверки интерпретации данных сейсмической разведки, которая может быть сделана по фиг.8 любым средним специалистом в области сейсмической техники, была пробурена разведочная скважина глубиной 1000 футов. Линия 170 скважины показана на фиг.8. Каротажными диаграммами подтверждено наличие газоносных песков на четырех из пяти мест 170. Наличие газоносного песка на одной промежуточной глубине, едва лишь соприкасающегося со скважиной, что можно видеть из фиг.8, не подтверждено. Поверхность 160 отражения обычных сейсмических волн оказалась слоем глинистого сланца, изолирующим самый верхний газовый пласт 170 (скорости распространения звуковых волн в глинистых сланцах могут быть намного выше, чем в окружающих субстанциях, что делает их сильными сейсмическими отражателями). Только один, самый верхний из пяти газовых пластов, предсказанных с помощью настоящего изобретения, можно предсказать из результатов обычной сейсмической разведки. Заметим, что в этом примере с помощью настоящего изобретения показаны сами залежи углеводородов, а не структура, которая может иметь или не иметь ловушки, то есть может включать или не включать углеводороды.
Сигнал электросейсмического источника, использованный на Friendswood, был образован 60-герцовой синусоидой при использовании дополняющих пар последовательностей Голея длиной 1664, создающих свип-сигнал длительностью 27,73 сек. Этот свип-сигнал повторялся приблизительно 500 раз для каждого из сигналов пары Голея. Это повторение способствовало снижению помехи по отношению к сейсмическому сигналу, поскольку помехи окружающей среды имеют случайные фазы относительно сигнала.
Полевая компоновка для разведочной скважины Friendswood была аналогична показанной на фиг.7. Длина электродных проводов составляла приблизительно 800 футов, а электроды были разнесены приблизительно на 650 футов. Сейсмоприемники размещали в 180 местах на поверхности с образованием сетки 18× 10 сбоку только от одного из электродов; этого было достаточно для проверки способа. В каждом месте на поверхности использовали два комплекта связок сейсмоприемников. Сейсмоприемники в одной связке отличались от сейсмоприемников другой связки только направлением обмоток катушек. Для работы сеймоприемников использовался принцип формирования электрического сигнала при небольшом сотрясении проволочной катушки, находящейся в фиксированном магнитном поле. При изменении направления обмоток катушек изменяется на обратную
полярность нежелательной электромагнитной помехи без затрагивания полезного сигнала, формируемого подвижной катушкой. Объединение выходов двух связок сейсмоприемников с противоположно включенными катушками способствует подавлению нежелательной помехи.
Генератор сигналов, который может быть назван синтезатором мощных сигналов, использованный на разведочной скважине Friendswood, имел выходную мощность приблизительно 100 кВт, выдаваемую при пиковом напряжении 120 В. Поскольку импеданс грунта низкий, синтезатор сигнала должен быть способен формировать токи больших уровней. Основная проблема при проектировании или изготовлении такого мощного синтезатора заключается в удовлетворении требованиям большой мощности (тока). Специалисты в области проектирования оборудования могут сделать это, используя промышленные узлы.
Наконец, подаваемые электрические сигналы записывались по мере того, как они посылались в грунт на месторождении Friendswood. Эти записи затем использовались в качестве опорных сигналов для корреляции на этапе обработки данных; тем самым обеспечивался максимально точный опорный сигнал, в котором учтены действительное сетевое напряжение и аналогичные флуктуации. Записанные сигналы могут быть сигналами напряжения или сигналами тока. В случае тестового примера, представленного на фиг.8, записывался сигнал тока.
Предшествующее описание касается конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения с целью их иллюстрации. Однако для специалиста в данной области техники очевидно, что возможны многочисленные модификации и изменения вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке. Например, можно использовать иные элементы сигнала источника и двоичные последовательности, пока они удовлетворяют пяти требованиям, перечисленным выше. Как отмечено ранее, амплитуда боковых лепестков корреляционной функции изменяется обратно пропорционально длительности расширенного отрезка сигнала в случае любого псевдослучайного сигнала. Поэтому существует много возможностей для выбора элемента сигнала и двоичной последовательности, которые обеспечат удовлетворительные результаты в рамках настоящего изобретения, описанного выше. Кроме того, для настоящего изобретения не является обязательным, чтобы сигнал источника формировался двоичной последовательностью из одного элемента сигнала или двоичной последовательностью вообще. Все такие модификации и изменения предполагаются находящимися в рамках объема настоящего изобретения, определенного приложенной формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к электросейсмической разведке с использованием преобразования электромагнитной энергии в сейсмическую энергию. Сущность: сигналы источника подвергают корреляции с опорными сигналами, выбранными с целью минимизации боковых лепестков корреляционной функции. Чтобы сформировать фрагмент длительного сигнала источника с минимальными боковыми лепестками корреляционной функции для элемента сигнала, последовательность которого задается двоичным кодом, можно использовать сеть с частотой 60 Гц. Предпочтительные двоичные коды включают в себя дополняющие пары Голея и последовательности сдвиговых регистров максимальной длины. Технический результат: повышение эффективности. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.
