Система и способ сбора сейсмических данных

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для геофизического исследования морских акваторий. Система сбора сейсмических данных содержит множество сейсмических буев, предназначенных для приема и записи сейсмических сигналов во время нахождения в воде, первое судно с источником возбуждения сейсмических сигналов, предназначенное для несения множества сейсмических буев и спуска последних на воду по курсу движения судна, сейсмическую косу, буксируемую первым судном, и второе судно, предназначенное для подъема сейсмических буев из воды после выполнения ими программы записи сейсмических сигналов. По крайней мере, один сейсмический буй включает в себя первый корпус с размещенным в нем, по крайней мере, одним первым сейсмическим датчиком, поплавок, закрепленный на первом корпусе, и второй корпус, подвешенный к первому корпусу на кабеле заданной длины, с размещенным в нем, по крайней мере, одним вторым сейсмическим датчиком. Технический результат - расширение арсенала технических средств сбора и записи сейсмических данных. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области сейсмологии, в частности к сбору сейсмических данных в процессе проведения сейсморазведочных работ, и может быть использовано для геофизического исследования морских акваторий.

В настоящее время в мире сейсмические данные на море получают с помощью плавающих или донных (перекладываемых) кос, например, опубликованные заявки на патент US 2011/0158043, G01V 1/38 и US 2015/0003196, G01V 1/38. Существует также альтернативная система получения сейсмических данных, в которой плавающая коса заменена множеством буев, погружающихся в воду на заданную глубину, например, опубликованная заявка US 2013/0155806, G01V 1/38.

Указанные исследования относятся к методу отраженных волн в модификации общей глубинной точки (МОВ-ОГТ), получившему наибольшее распространение в нефтегазовой отрасли для изучения геологического строения. Интерпретация данных сейсморазведки MOB в сложных геологических условиях требует хорошего сейсмического изображения, которое можно получить, только если поле скоростей известно с высокой точностью.

В настоящее время развиты методики построения глубинно-скоростных моделей в рамках собственно метода МОВ-ОГТ. При всех преимуществах данных подходов их использование проблематично в средах, характеризующихся сложным скоростным распределением при отсутствии четко выраженных отражающих горизонтов. В этих случаях предлагается использовать другой тип волн - преломленные волны и сейсмотомографический подход для построения глубинно скоростной модели среды.

Для построения томографической скоростной модели среды по преломленным волнам на всю глубину разреза требуются принципиально большие удаления источник-приемник, чем это принято в работах МОВ-ОГТ, а именно материалы наблюдений метода преломленных волн (МПВ). Как правило, для этого используется технология с применением донных сейсмических станций, например, патент US 6932185, G01V 1/38, опубл. 2005 г. или европейский патент ЕР 1217390, G01V 1/38, опубл. 2002 г. Эту технологию отличает относительно низкая производительность, необходимость применения специфической техники, например подводных роботов.

Существенными также являются ограничения, связанные с глубиной в районе проведения работ и с более сложной процедурой получения разрешений при работе в экономических зонах прибрежных стран.

Известные технические решения позволяют использовать в процессе обработки и интерпретации преимущественно какой-либо один вид волн. Так при обработке данных, полученных с помощью сейсмической косы и системы буев, полезными являются отраженные волны, в то время как зарегистрированный цуг преломленных волн практически не используется (полностью удаляется на одном из первых этапов обработки данных вместе с регулярными и нерегулярным полями волн помех) в виду его малой информативности из-за сильно ограниченного набора удалений (обычно не превышающего 6-8 км). И напротив, для данных, полученных с помощью донных станций, поле отраженных волн является сильной помехой и обнуляется на первом этапе обработки, в то время как поле преломленных волн используется для получения правдивой скоростной модели и дальнейших геологических построений.

Предлагаемое техническое решение направлено на расширение арсенала технических средств сбора и записи сейсмических данных и позволяет использовать для обработки и интерпретации геологического строения среды одновременно отраженные и преломленные волны. Сейсмическая коса регистрирует отраженные волны, буи преломленные и отраженные, причем на очень больших удалениях. Это позволяет существенно расширить волновую картину принятых сигналов, на данных которой возможно построение глубинно-скоростной модели для выполнения глубинной миграции до суммирования данных МОВ-ОГТ на основании скоростной модели, полученной на этапе томографической обработки данных МПВ. В результате оказывается возможным получить данные глубинного строения земной коры вплоть до границы Мохо.

Система сбора сейсмических данных содержит первое судно с источником возбуждения сейсмических сигналов, сейсмическую косу, буксируемую первым судном, второе судно и множество сейсмических буев, предназначенных для приема и записи сейсмических сигналов во время нахождения в воде. Количество буев, применяемое при работах, определяется конкретными условиями исследований и может составлять от десятков до нескольких сотен единиц.

Первое судно также предназначено для несения множества сейсмических буев и спуска последних на воду по курсу движения судна. Первое судно может нести бортовой комплекс аппаратуры для приема сигналов глобальной навигационной системы, а также передачи данных и команд на сейсмические буи и второе судно. Кроме того, первое судно имеет средство для записи сигнала с сейсмической косы.

Второе судно предназначено для подъема сейсмических буев из воды после выполнения ими программы записи сейсмических сигналов. Второе судно может нести бортовой комплекс аппаратуры для приема и передачи данных и команд на сейсмические буи.

По крайней мере, один сейсмический буй включает в себя первый корпус, поплавок, закрепленный на первом корпусе, и второй корпус, подвешенный к первому корпусу на кабеле заданной длины.

В первом корпусе сейсмического буя размещен, по крайней мере, один первый сейсмический датчик, а во втором корпусе размещен, по крайней мере, один второй сейсмический датчик. В качестве первого и второго сейсмических датчиков могут быть использованы геофон, гидрофон и их комбинации.

По крайней мере, один сейсмический буй имеет средство для записи сигналов, поступающих от первых и вторых датчиков. Для записи точных координат и времени сейсмический буй имеет приемник глобальной навигационной системы. Приемник глобальной навигационной системы может работать как с системой GPS, так и с системой ГЛОНАСС.

Для приема команд от первого и второго судов, а также для передачи информации сейсмический буй может быть оборудован приемопередатчиком.

Для управления модулями, такими как средство для записи сигналов, приемопередатчик и приемник глобальной навигационной системы, сейсмический буй имеет контроллер, расположенный в первом корпусе.

Способ сбора сейсмических данных заключается в том, что программируют сейсмический буй, имеющий, по крайней мере, один датчик, расположенный в первом корпусе буя, и, по крайней мере, один датчик, расположенный во втором корпусе буя, подвешенном кабелем заданной длины на первом корпусе, на запись сигналов с определенным интервалом.

Первым судном с источником возбуждения сейсмических сигналов буксируют сейсмическую косу и с заданным интервалом с первого судна спускают на воду обладающие положительной плавучестью сейсмические буи.

Источником возбуждения сейсмических сигналов с заданным интервалом осуществляют сейсмическое воздействие и записывают сигналы отраженных и преломленных волн на небольших удалениях (до 6-8 км), полученные сейсмической косой, а также сигналы отраженных и преломленных волн, полученные первым и вторым датчиками сейсмических буев на сверхбольших удалениях (до 200 км). Одновременно с этим записывают соответствующие координаты и точное время UTC.

Координаты и точное время определяют при помощи системы глобального позиционирования. Сигналы отраженных волн, полученные сейсмической косой, записывают в средство записи, расположенное на первом судне, а сигналы отраженных и преломленных волн, полученные первым и вторым датчиками сейсмических буев, записывают в средство записи, расположенное на буе.

Применение сейсмических буев совместно с проведением работ с плавающими косами, позволяет, при относительно небольшом увеличении стоимости работ, более полно использовать оборудование сейсмического судна и получать дополнительные данные о строении осадочного чехла и земной коры, которые при работе только с плавающей косой оказываются недоступными.

Данные, записанные с помощью сейсмических буев на удалениях источник-приемник, достигающих до 200 км, позволяют построить с помощью волнового моделирования геолого-геофизический разрез глубинностью до 40-45 км, в то время как глубинность работ с сейсмическими косами в лучшем случае составляет порядка 10-15 км. Столь значительное увеличение глубины исследований позволяет учитывать глобальные региональные геологические процессы на этапах интерпретации данных и бассейнового моделирования.

Процедуры сейсмотомографической обработки данных преломленных волн с сейсмических буев, такие как томография волн первых вступлений, а также совместное послойное восстановление скоростной модели геологической среды, дают возможность получить закон распределения скоростей в осадочном чехле и земной коре. Миграция сейсмических данных отраженных волн во временной или глубинной области с полученными скоростями позволяет значительно улучшить качество данных отраженных волн, полученных при проведении сейсмических работ с помощью плавающих кос (классический вариант морской сейсморазведки).

Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения изобретения, не являющееся ограничительным примером практической реализации способа и системы для сбора сейсмических данных со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:

На фиг. 1 изображен общий вид системы сбора сейсмических данных.

На фиг. 2 изображена конструктивная схема буя.

Система сбора геофизических данных включает в себя первое судно 1 с источником 2 возбуждения сейсмических сигналов и второе судно 3. Первое судно 1 буксирует сейсмическую косу 4 и несет на себе сейсмические буи 5, которые спускаются на воду по курсу его движения.

Второе судно 3 предназначено для нахождения, сбора и подъема сейсмических буев 5 из воды после выполнения ими программы записи сейсмических сигналов.

Сейсмический буй 5 включает в себя первый корпус 6 и второй корпус 7, соединенный с первым корпусом 6 кабелем 8. Для обеспечения положительно плавучести буя 5 на корпусе 6 закреплен поплавок 9. В верхней части корпуса 6 установлена антенна 10 и световые маяки 11.

Внутри корпуса 6 расположены контроллер 12, управляющий работой остальных элементов буя, и энергонезависимая память 13, служащая для записи настроек и сейсмических данных, и первый сейсмический датчик 14 с модулем 15 обработки сигнала.

Кроме того, в корпусе 6 расположены приемопередатчик 16, обеспечивающий по командам контроллера 12, благодаря антенне 10, связь с внешним передатчиком, например, расположенным на втором судне 3, и приемник 17 глобальной навигационной системы GPS/ГЛОНАСС, обеспечивающий при поступлении от спутников данных о точном времени и координатах буя.

Питание электронных модулей сейсмического буя обеспечивает аккумулятор 18, также расположенный в корпусе 6.

В конкретном случае выполнения изобретения первый сейсмический датчик 14 представляет собой геофон, преобразующий амплитуды сейсмического сигнала, достигшего чувствительного элемента датчика, в электрический ток соответствующего напряжения. Электрический сигнал с выхода геофона поступает на модуль 15 обработки сигнала.

Датчик 14, расположенный в корпусе 6 буя и подключенный в электрическую схему как акселерометр, регистрирует колебательные ускорения частиц среды. За счет его нахождения в приповерхностных слоях воды спектр регистрируемого сигнала расширяется в сторону высоких частот, увеличивая разрешающую способность метода, за счет меньшей длины волны.

В модуле 15 обработки сигнала осуществляется предварительное усиление и преобразование значений напряжения электрического тока в цифровую форму. После данного преобразования сейсмические данные в цифровой форме записываются под управлением контроллера 12 в память 13.

Во втором корпусе 7 расположены два вторых датчика, один из которых датчик 19 является геофоном, а другой 20 - гидрофоном. Модуль 21 обработки сигнала осуществляет предварительное усиление и оцифровку сигналов с датчиков 19 и 20, после чего сейсмические данные в цифровой форме также записываются в память 13.

Расположение датчиков 19 и 20 во втором корпусе 7, заглубленном на кабеле 8 относительно первого корпуса 6, позволяет исключить влияние приповерхностных шумов окружающей среды (ветер, дождь, волнения верхнего водного слоя, приповерхностных течений и т.д.). Чем больше заглубление датчика, тем выше соотношение полезного сигнала к уровню помех и меньше влияние погодных условий на проведение работ. Также при увеличении глубины расширяется частотный спектр сейсмического сигнала в сторону крайне низких частот и тем самым увеличивается итоговая глубина проникновения сейсмического сигнала и общая глубинность работ.

Применение нескольких сейсмических датчиков позволяет проводить дополнительные операции при последующей математической обработке полезной записи, улучшающие соотношение сигнал/шум и позволяющие повысить общее качество данных.

Нижняя сборка сейсмических датчиков данного устройства, состоящая из близко расположенных друг к другу геофона 19 и гидрофона 20, позволяет производить синхронный прием колебаний вертикальным геофоном (Z) и гидрофоном (Р). Геофон измеряет колебательную скорость частиц среды, а гидрофон - изменение давления в водном слое, созданное колебаниями этих частиц. При этом колебания скорости частиц среды опережают изменение давления среды на π/2. Благодаря данному фазовому сдвигу и различию характеристик направленности компонент датчика, возможно применение операции PZ-суммирования, которая направлена на подавление интерференции волн-помех в ближней зоне и соответственно улучшение качества сейсмических данных.

Запись сейсмических данных с помощью приемников колебаний, заглубленных на разную глубину (верхний геофон и нижняя сборка датчиков геофон и гидрофон), позволяет применять технологию подавления волн-спутников, что также положительно сказывается на качестве данных при минимальном удорожании единицы информации.

Реализация заявленного способа будет показана на примере работы системы сбора сейсмических данных. Как показано на фиг. 1, в начале работ буй 5, предварительно запрограммированный на сбор сейсмических данных с требуемыми параметрами, с заряженным аккумулятором, сбрасывается с борта сейсмического судна 1, проводящего работы с плавающими косами 4, на акваторию, где проводятся исследования. С шагом, определяемым геологическим заданием или проектом на работы, последовательно сбрасываются другие буи.

С заданными интервалами с судна 1 пневматическим источником возбуждения сейсмических сигналов 2 осуществляется сейсмическое воздействие и производится запись в память на первом судне 1 сейсмических данных, полученных сейсмической косой 4. Данные представляют собой отраженные волны.

В то же время в процессе работ буй свободно дрейфует от места сброса, принимая с помощью датчиков (геофонов и гидрофона) и записывая на внутреннюю память сейсмические данные. Данные представляют собой запись отраженных и преломленных структурными элементами земной коры сейсмических волн, порожденных пневматическим источником сигнала первого судна 1.

Благодаря встроенному GPS/ГЛОНАСС приемнику, полученные данные синхронизируются с точным временем. Также с требуемой периодичностью определяются и сохраняются вместе с записываемыми сейсмическими данными координаты буя. Данные регистрируются с требуемыми для конкретной задачи и задаваемыми перед началом работ параметрами сбора данных (частота дискретизации, коэффициенты усиления, задержка начала сбора данных после сброса буя).

В процессе работы между буем 5 и вторым судном 3 происходит обмен информацией в режиме, не мешающем сбору сейсмических данных. Обмен осуществляется благодаря наличию приемопередатчика 16 и антенны 10 на буе 5 и бортового оборудования комплекса для работы с буями, включающего радиомодем, на втором судне 3. На судно 3 передается информация о координатах буя, состоянии памяти (нормальном протекании процесса записи данных) и состоянии аккумулятора (напряжение на элементах питания).

После удаления первого судна 1 с источником возбуждения сейсмических сигналов на требуемое расстояние от первого сброшенного буя осуществляется его поиск вторым судном 3 с помощью данных о местоположении, получаемых по радиоканалу.

Для обнаружения буя в темное время суток и при плохой видимости используются световые маяки 11, включаемые по радиоканалу.

Далее буй 5 поднимается на борт второго судна 3, где к нему подключают внешний компьютер и считывают сейсмические данные с памяти 13. Считанные со всех буев и сейсмической косы данные в дальнейшем подвергают математической обработке для:

- избавления от присутствующих на записи волн помех (включая операции расширения частотного спектра записи с помощью использования наборов данных, зарегистрированных с различными заглублениями приемников, а также PZ-суммирование для подавления волн спутников. Использование данных алгоритмов улучшения сейсмической записи на этапе обработки сейсмических данных возможно только благодаря конструктивным особенностям сейсмического буя, а именно наличию датчиков, расположенных в разных корпусах);

- построения высокоточной скоростной модели среды с возможностью ее использования на этапе миграции до суммирования отраженных волн, полученных с помощью плавающей сейсмической косы классической методикой проведения морских работ МОВ-ОГТ;

- построения глубинной сейсмогеологической модели среды с расчленением земной коры и выявлением границы Мохо.

1. Система сбора сейсмических данных, содержащая:
множество сейсмических буев, предназначенных для приема и записи сейсмических сигналов во время нахождения в воде,
первое судно с источником возбуждения сейсмических сигналов, предназначенное для несения множества сейсмических буев и спуска последних на воду по курсу движения судна,
сейсмическую косу, буксируемую первым судном,
второе судно, предназначенное для подъема сейсмических буев из воды после выполнения ими программы записи сейсмических сигналов,
по крайней мере, один сейсмический буй включает в себя:
первый корпус с размещенным в нем, по крайней мере, одним первым сейсмическим датчиком,
поплавок, закрепленный на первом корпусе,
второй корпус, подвешенный к первому корпусу на кабеле заданной длины, с размещенным в нем, по крайней мере, одним вторым сейсмическим датчиком.

2. Система сбора сейсмических данных по п. 1, отличающаяся тем, что первое судно имеет средство для записи сигнала с сейсмической косы.

3. Система сбора сейсмических данных по п. 1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один сейсмический буй имеет средство для записи сигналов от первых и вторых датчиков.

4. Система сбора сейсмических данных по п. 3, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один сейсмический буй имеет приемник глобальной навигационной системы.

5. Система сбора сейсмических данных по п. 3, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один сейсмический буй имеет приемопередатчик.

6. Система сбора сейсмических данных по любому из пп. 3-5, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один сейсмический буй имеет контроллер для управления аппаратными модулями буя.

7. Способ сбора сейсмических данных, заключающийся в том, что
первым судном с источником возбуждения сейсмических сигналов буксируют сейсмическую косу,
программируют сейсмический буй, имеющий, по крайней мере, один датчик, расположенный в первом корпусе буя, и, по крайней мере, один датчик, расположенный во втором корпусе буя, подвешенном кабелем заданной длины на первом корпусе, на запись сигналов с определенным интервалом,
с заданным интервалом с первого судна спускают на воду сейсмические буи с положительной плавучестью,
источником возбуждения сейсмических сигналов с заданным интервалом осуществляют сейсмическое воздействие,
записывают сигналы отраженных волн, полученные сейсмической косой, и сигналы отраженных и преломленных волн, полученные первым и вторым датчиками сейсмических буев,
одновременно записывают соответствующие координаты и точное время.

8. Способ сбора сейсмических данных по п. 7, отличающийся тем, что координаты и точное время определяют при помощи глобальной навигационной системы.

9. Способ сбора сейсмических данных по п. 7, отличающийся тем, что сигналы отраженных волн, полученные сейсмической косой, записывают в средство записи, расположенное на первом судне.

10. Способ сбора сейсмических данных по п. 7, отличающийся тем, что сигналы отраженных и преломленных волн, полученные первым и вторым датчиками сейсмических буев, записывают в средство записи, расположенное на буе.