Обработка микросейсмических сигналов в задаче пассивного низкочастотного сейсмического зондирования земли

На правах рукописи

РЫЖОВ Василий Александрович

ОБРАБОТКА МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
В ЗАДАЧЕ ПАССИВНОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО
СЕЙСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Специальность 01.04.03 – радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Казань – 2009

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский Государственный Университет им. В.И. Ульянова-Ленина»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент

Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина

Шерстюков Олег Николаевич

Научный консультант:

кандидат технических наук,

НИИ математики и механики им. Н.Г. Чеботарева

Биряльцев Евгений Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Казанский государственный энергетический университет

Минуллин Ренат Гизатуллович

кандидат технических наук, доцент

Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина

Степанов Андрей Владимирович

Ведущая организация:

Институт физики Земли РАН им. О.Ю. Шмидта

(ИФЗ РАН, г. Москва)

Защита диссертации состоится «26» февраля 2009 г. в ___ часов ___ минут
в ауд. 210 физического факультета на заседании диссертационного совета Д212.081.18 в Казанском государственном университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 16.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке
им. Н.И. Лобачевского Казанского государственного университета

Автореферат разослан «___» января 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

д.ф.-м.н, профессор А.В. Карпов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена методике обработки микросейсмических сигналов и разработке методов фильтрации помех в задаче пассивного низкочастотного сейсмического зондирования (НСЗ). Среди геофизических методов НСЗ является новым малоизученным методом, который позволяет при небольших трудозатратах с высокой эффективностью оценивать характеристики геологического разреза, в частности, наличие нефтегазовых залежей.

Объект исследования и актуальность темы. Естественные микросейсмические колебания поверхности Земли (микросейсмы) порождаются явлениями как природного характера (удаленные землетрясения, атмосферные явления, морской прибой), так и антропогенного (транспорт, промышленные объекты). На основе изучения характеристик природных микросейсм базируется несколько методов поиска и разведки нефтегазовых залежей, в том числе метод НСЗ. Он основан на изучении явления повышенной (аномальной) низкочастотной (1-10 Гц) энергии в спектре микросейсм над нефтяными объектами. С 1989 г. это явление наблюдается в различных нефтегазовых регионах планеты (С. Дангел, Р. Граф, Ю.Ю. Подладчиков, Г.М. Голошубин). В работах С.Л. Арутюнова, Ю.В. Сиротинского, А.Е. Сунцова для его усиления было предложено осуществлять вибровоздействие на залежь с поверхности Земли (технология «АНЧАР»). Метод пассивного низкочастотного сейсмического зондирования развивают Е.В. Биряльцев, Н.Я. Шабалин.

В качестве физического описания явления низкочастотной спектральной аномалии над нефтяными объектами доминировала гипотеза генерации низкочастотных микросейсм нефтегазовой залежью. В виду отсутствия обоснованного количественного объяснения явления потребовалось дополнительное его изучение. В 2005 г. Е.В. Биряльцевым была выдвинута гипотеза резонанса сейсмических волн между поверхностью Земли и нефтегазовой залежью, которая нуждалась в практическом подтверждении. Для выбора корректного теоретического описания этого явления и для получения набора отличительных признаков полезного сигнала от помех необходимо провести детальное исследование характеристик микросейсмического сигнала.

Фоновые микросейсмические колебания чувствительны к локальным поверхностным источникам помех, частотный диапазон которых, в большинстве случаев, пересекается с частотным диапазоном спектральной аномалии, а отношение «сигнал/помеха» может быть существенно меньше единицы. Это значительно осложняет выделение аномалии в спектре. Тот факт, что полезным сигналом для технологии НСЗ является фоновый микросейсмический шум, относит задачу разработки методов фильтрации помех в разряд слабоизученных, где приоритетным является условие сохранения фонового уровня шума. Специфичный характер полезного сигнала и помехи требует разработки специальных методов фильтрации, в основе которых должна лежать априорная информация об их отличительных признаках.

Для сопоставления спектральных аномалий по территории наблюдения необходимо определиться в выборе информативного параметра спектральной аномалии. Разработка алгоритма его оценки позволит автоматизировать процесс параметризации спектров.

Исследование стационарности параметров аномалии в течение продолжительного времени наблюдения (больше суток) необходимо для ответа на вопрос о корректности сравнения информативного параметра спектральных аномалий, зарегистрированных в разное время на разных точках наблюдения. В случае нестационарности параметров спектральной аномалии необходимо разработать методику наблюдения, позволяющую учитывать их временные вариации.

Как правило, технология НСЗ применяется для исследований территорий вблизи уже разрабатываемых месторождений, на которых регистрируемое микросейсмическое поле обладает повышенным уровнем техногенных помех. Ее адаптация к техногенно-нагруженным районам, а также к условиям нестационарного фонового микросейсмического поля, позволит проводить исследования зашумленных территорий на наличие нефтегазовых залежей.

Все это позволяет сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка методики регистрации и обработки микросейсмических сигналов для выделения спектральных аномалий, коррелирующих с местоположением нефтегазовых залежей в задаче пассивного низкочастотного сейсмического зондирования Земли в присутствии помех.

Исходя из указанной цели, поставлены следующие задачи:

1. Исследование характеристик микросейсмического сигнала для выделения отличительных признаков полезной компоненты сигнала и помех, выявление особенностей полезной компоненты сигнала.
2. Разработка и реализация методов фильтрации полезного (фонового) сигнала и помех на основе их отличительных признаков.
3. Разработка и реализация метода оценки параметров спектральной аномалии.
4. Разработка методики регистрации, позволяющей учитывать временные вариации параметров спектральной аномалии для выявления их пространственных изменений при ограниченном количестве одновременно наблюдаемых точек, в условиях временной нестационарности и пространственной неоднородности микросейсмического поля.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые получен набор отличительных признаков, позволяющий качественно и количественно разделить полезную компоненту сигнала от помех. Полезный сигнал в отличие от помех: локализован на участках микросейсмического сигнала с минимальной энергией, является широкополосным с шириной полосы спектральных максимумов от 0.5 Гц до 3 Гц. Наиболее информативными являются стационарные участки сигнала, образованные суперпозицией множества случайных колебаний от некогерентных широкополосных источников. Полезный сигнал коррелирован в пространстве, является шумом со временем корреляции 1-5 с. Спектр полезного сигнала содержит амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) геосреды, поэтому имеет мультимодальную структуру. Параметры полезного сигнала зависят от влияния интенсивных источников помех. Фоновый микросейсмический шум, составляющий полезный сигнал, имеет случайное азимутальное направление прихода.
2. Разработан и применен комплекс методов для обработки микросейсмических сигналов, позволяющий в автоматическом режиме отфильтровывать основные типы помех, который включает в себя: метод адаптивного определения порогового уровня энергии сигнала для исключения локально-нестационарных помех в сигнале; метод нелинейной фильтрации узкополосных помех с сохранением фонового уровня шума; оптимизационный метод фильтрации квазигармонических помех с сохранением фонового уровня шума.
3. Разработан метод оценки параметров спектральной аномалии на основе анализа локальных максимумов вейвлет-образа спектра микросейсмического сигнала, позволяющий автоматизировать процесс параметризации в технологии НСЗ.
4. Разработана методика регистрации, позволяющая учитывать временные вариации параметров спектральной аномалии при ограниченном количестве одновременно наблюдаемых точек в условиях временной нестационарности и пространственной неоднородности микросейсмического поля. Предложен алгоритм автоматического учета временных вариаций параметров спектральной аномалии для выявления их пространственных изменений.

Практическая ценность работы. Результаты работы составляют методику регистрации и обработки микросейсмических сигналов в технологии пассивного низкочастотного сейсмического зондирования, которая уже применяется на практике. Результаты работы составляют методику регистрации и обработки микросейсмических сигналов в технологии пассивного низкочастотного сейсмического зондирования, которая уже применяется на практике и может быть тиражирована другими компаниями. Выявленный набор отличительных признаков полезной компоненты сигнала позволил обнаруживать аномалии в спектрах сигналов зарегистрированных на неизученных ранее территориях. Разработанный комплекс автоматизированных методов, позволил снизить общее время обработки в несколько раз. Предложенный комплекс методов апробирован при выполнении геологоразведочных работ для нефтяных компаний Республики Татарстан и за ее пределами.

На защиту выносится:

1. Набор отличительных признаков, позволяющий качественно и количественно выделять полезную компоненту микросейсмического сигнала, в которой может наблюдаться спектральная аномалия.
2. Комплекс методов обработки микросейсмического сигнала, позволяющий в автоматическом режиме отфильтровать основные типы помех.
3. Метод оценки параметров спектральной аномалии, разработанный на основе анализа локальных максимумов вейвлет-образа спектра микросейсмического сигнала, позволяющий автоматизировать процесс параметризации в технологии НСЗ.
4. Методика регистрации микросейсмического поля, позволяющая учитывать временные вариации параметров спектральной аномалии для выявления их пространственных изменений.

Достоверность полученных результатов определяется: применением известных методов оптимизации, аппарата вейвлет-анализа, методов цифровой обработки сигналов; применением регистрирующей аппаратуры, прошедшей метрологическую экспертизу.

Личный вклад автора. Автором выявлены отличительные признаки полезного сигнала и помех, разработаны и программно реализованы методы фильтрации помех, метод оценки параметров спектральных аномалий. Предложена методика регистрации и разработан алгоритм автоматического вычисления поправочных коэффициентов для учета вариаций параметров спектральных аномалий. Разработанные автором методы были апробированы непосредственно при его участии на более 2000 точках наблюдения. Общая площадь исследуемых территорий составила более 150 км2.

Апробация работы и публикации. Основные положения и выводы диссертации нашли отражение в 10 научных статьях, в том числе в двух статьях в журналах, включенных в перечень ВАК («Научно-технические ведомости СПбГПУ» и «Геология, Геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений») и одной коллективной монографии. Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных конференциях: «General Assembly – 2008», EGU (устный доклад, Вена, Австрия), на X конференции Европейской ассоциации геоученых и инженеров (EAGE) «ГЕОМОДЕЛЬ-2008» (Геленджик), на XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2007), на X Международном научном симпозиуме имени академика М.А.Усова студентов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2006). А также на региональных конференциях: «Волновые процессы в средах» (Зеленодольск, 2007), «Актуальные проблемы естественных и гуманитарных наук» (Зеленодольск, 2006).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В ней содержится 157 страниц печатного текста, приводится 77 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 134 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и научная новизна темы, определяется цель и задачи, формулируются положения, выносимые на защиту, дается научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов исследования.

В первой главе проводится обзор литературы в области микросейсмических колебаний. Особое внимание уделяется явлению низкочастотной аномалии над нефтяными месторождениями. Проводится сопоставление основных физических моделей явления: резонанс сейсмических волн внутри нефтегазовой залежи и резонанс продольных волн в геосреде между поверхностью Земли и нефтегазовой залежью. На наш взгляд наиболее обоснованной является гипотеза резонанса продольных сейсмических волн между поверхностью Земли и нефтегазовой залежью. Она основывается на выявленной нами зависимости частотного положения спектральных максимумов аномалии от времени прохождения продольной сейсмической волны между поверхностью и нефтеносным объектом. Спектр аномалии микросейсмического сигнала состоит из множества спектральных максимумов, частоты которых рассчитываются как:

, , ,

Рис. 1. Пример спектра микросейсм над нефтяным месторождением