Комплекс микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения и суперкомпьютерных методов обработки информации Российский патент 2017 года по МПК G01N1/28 

Изобретение относится к геофизическим методам исследования процессов разработки месторождений углеводородов, в частности к системам контроля (мониторинга) процессов производства гидроразрыва пласта (ГРП) при разработке месторождений углеводородов. Изобретение может быть использовано в нефтедобыче для контроля процесса разработки месторождений углеводородов, что приводит к снижению себестоимости разработки месторождений углеводородов и повышению коэффициента извлечения нефти.

Известно устройство для контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах, содержащее модуль регистрации состояния горных пород, соединенный линиями связи с устройством обработки данных, связанным с индикатором сигнала опасности [1]. В этом устройстве модуль регистрации состояния горных пород выполнен в виде последовательно соединенных электромагнитного преобразователя-антенны, усилителя, фильтра низкой частоты, аналого-цифрового преобразователя, а устройство обработки данных состоит из устройства памяти и вычислителя верхней частоты спектра. Первый выход через ограничитель верхней частоты спектра снизу соединен со входом устройства ее отображения. Второй выход вычислителя подключен ко входу устройства сравнения значений f1, …, fh-1 верхней частоты спектра с ее значением fh, выход которого соединен с индикатором сигнала об опасности. По изменению спектров электромагнитного излучения в широком диапазоне частот судят о начале и развитии нарушения сплошности исследуемого участка массива горных пород.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность контроля и невысокая точность прогноза опасного состояния массива горных пород, что обусловлено диапазоном частот электромагнитного излучения, принимаемых антенной. В способе и устройстве отсутствует возможность определения направления (азимута) на источник и координат источника электромагнитного излучения.

Известен способ контроля процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов [2], по которому осуществляют одновременную синхронную регистрацию сейсмических колебаний на дневной поверхности над забоем скважины, в которой производится гидроразрыв пласта. Для регистрации используют сейсмическую антенну и цифровую регистрирующую аппаратуру REFTEK, осуществляют обработку сейсмических сигналов в реальном времени и по результатам обработки определяют размеры и направление развития поверхностей трещиноватости, обеспечивая, таким образом, контроль процесса гидроразрыва пласта.

Недостатком этого способа является не высокая частота оцифровки 500 Гц и плохая синхронизация отдельных регистраторов REFTEK с помощью GPS. В предлагаемом изобретении используется частота оцифровки 1-4 кГц и синхронная оцифровка всех каналов, что повышает достоверность выделения (обнаружения) и точность определения пространственных координат источников микросейсмической эмиссии.

Известна также система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах [3], содержащая, по крайней мере, один модуль регистрации состояния массива горных пород, соединенный линиями связи с устройством обработки данных, связанным с индикатором сигнала опасности, отличающаяся тем, что каждый модуль регистрации состояния массива горных пород включает в себя последовательно соединенные датчик изменения состояния массива горных пород (по крайней мере, один датчик выполнен в виде трехкомпонентного сейсмического датчика), усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и регистратор с блоком синхронизации и блоком первичной обработки данных, а устройство обработки данных выполнено в виде сервера сбора и вторичной обработки данных, соединенного линией связи, по крайней мере, с одним компьютером с модулем программного обеспечения, связанным с индикатором сигнала опасности.

Данная система контроля взята за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является низкая эффективность контроля и невысокая точность прогноза опасного состояния массива горных пород. Это обусловлено тем, что с помощью одного трехкомпонентного сейсмического датчика можно приближенно определить направление на источник сейсмической эмиссии. Кроме того, с помощью одного датчика невозможно определить координаты источника - место геодинамического явления (возможного обрушения, внезапного выброса или горного удара).

Настоящее изобретение имеет целью предложить систему оперативного контроля процесса гидроразрыва пласта, позволяющую за счет связи системы контроля с флотом, производящим гидроразрыв, оперативно менять параметры операций гидроразрыва пласта и не имеющую вышеуказанных недостатков.

Сущность изобретения поясняет чертеж, где представлена структурная схема заявляемого устройства.

1 - трехкомпонентный датчик сейсмических колебаний;

2 - модуль полевой;

3 - телеметрический сейсмический бортовой модуль;

4 - линия связи для передачи цифрового сигнала;

5 - сеть Ethernet;

6 - сервер сбора и обработки;

7 - база данных;

8 - модуль предварительной обработки данных;

9 - модуль специализированной обработки;

10 - сеть Ethernet;

11 - кластер;

12 - линия передачи данных на месторождение;

13 - флот, производящий гидроразрыв пласта (ГРП);

14 - процесс ГРП.

Решаемая предлагаемым изобретением техническая задача - повышение эффективности оперативного контроля процесса гидроразрыва пласта путем определения направления и длины трещины гидроразрыва по картам микросейсмической эмиссии во времени с привязкой к стадиям производства гидроразрыва.

Для достижения этой цели комплекс микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения и суперкомпьютерных методов обработки информации включает в себя, по крайней мере, один телеметрический сейсмический бортовой модуль управления и регистрации 3, соединенный линиями связи с 32-мя полевыми модулями 2, имеющими каждый трехкомпонентный датчик скорости смещения 1, установленными на дневной поверхности для регистрации микросейсмической эмиссии, возбуждаемой при производстве ГРП.

Телеметрический сейсмический бортовой модуль соединен посредством сети Ethernet с сервером сбора и обработки данных 6, содержащим базу данных микросейсмического мониторинга (БД) 7, модуль предварительной обработки данных 8 и модуль специализированной обработки данных 9, с возможностью параллельного вычисления на кластере 11 карт распределения источников микросейсмической эмиссии и определения направления и длины трещины разрыва. Комплекс может быть использован в нефтедобыче для контроля процесса разработки месторождений углеводородов - контроля производства ГРП.

Полевой модуль имеет трехкомпонентный датчик 1, выполненный в едином корпусе с возможностью установки по трем взаимно перпендикулярным направлениям X, Y, Z, трехканальный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и линии связи с телеметрическим сейсмическим бортовым модулем управления и регистрации.

Телеметрический бортовой модуль управления и регистрации осуществляет регистрацию цифровых сигналов всех полевых модулей на жесткий диск, передачу данных по сети Ethernet на сервер сбора и обработки данных, содержащий базу данных микросейсмического мониторинга (БД), модуль предварительной обработки данных и модуль специализированной обработки данных для вычисления карт распределения источников микросейсмической эмиссии и определения направления и длины трещины разрыва с использованием параллельной обработки данных на кластере.

Устройство обработки данных выполнено в виде сервера 6, содержащего базу данных микросейсмического мониторинга, модуль предварительной обработки данных и модуль специализированной обработки данных, соединенный по сети Ethernet с кластером, предназначенным для параллельной специализированной обработки данных, получения карт распределения источников микросейсмической эмиссии и определения направления и длины трещины разрыва. Параметры гидроразрыва передаются по линии связи на месторождение для оперативного контроля технологических операций производства ГРП.

Оперативная обработка данных гидроразрыва пласта позволяет изменять параметры дизайн проекта ГРП в процессе его производства, что повышает эффективность проведения технологических операций ГРП на месторождениях углеводородов.

Аналогичным образом, комплекс может выделять достаточно точно области горных ударов в массивах горных пород с помощью регистрации сейсмических сигналов, возбуждаемых при горных ударах, посредством сейсмической антенны, установленной на дневной поверхности.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

фигура схематично изображает функциональную схему комплекса микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения и суперкомпьютерных методов обработки информации с одним телеметрическим бортовым модулем управления и регистрации 3 сигналов микросейсмической эмиссии, 32-мя полевыми модулями 2, каждый из модулей включает в себя трехкомпонентный сейсмический датчик 1, имеющий три канала измерения, соответствующие трем компонентам X, Y, Z, каждый из каналов соединен со своим усилителем, аналогово-цифровым преобразователем и сигнальным кабелем для передачи цифрового сигнала в телеметрический бортовой модуль управления и регистрации, который по сети Ethernet передает данные в сервер сбора и обработки 6.

Каждый полевой модуль 2 комплекса микросейсмического контроля включает в себя трехкомпонентный датчик скорости смещения (электроиндукционный) 1, выполненный в едином корпусе с возможностью установки по трем взаимно перпендикулярным направлениям с ориентацией по компасу 1, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и сигнальные кабели для передачи цифрового сигнала 4. К выходу полевых модулей подключены линии связи.

Полевые модули устанавливаются рядом с трехкомпонентными датчиками на дневной поверхности в виде площадной антенны диаметром не более 1000 метров с шагом между датчиками 30-100 метров, в эпицентральной зоне области перфорации скважины.

Синхронизация оцифровки всех полевых модулей осуществляется с высокой точностью от телеметрического бортового модуля управления и регистрации 6. Питание полевых модулей также осуществляется по сигнальным линиям от бортового модуля от источников питания (аккумуляторов) 4.

Телеметрический бортовой модуль управления и регистрации 3 по сети Ethernet соединяется с сервером сбора и обработки данных 6. Сервер сбора и обработки данных соединен высокоскоростной сетью Ethernet с кластером 11, на котором осуществляется специализированная обработка с использованием функции распараллеливания вычислений.

На сервере сбора и обработки данных 6 установлены: база данных микросейсмического мониторинга 7, содержащая регистрационные записи, параметры процесса производства ГРП, геолого-геофизические данные по месторождению и т.п., программный модуль предварительной обработки данных 8, в котором осуществляется контроль регистрационных записей, предварительная обработка (фильтрация, вычисление спектров и т.п.), подготовка данных для модуля специализированной обработки данных 9.

Обработка, решение обратной кинематической задачи, с определением скоростей сейсмических волн в среде и пространственных координат источников микросейсмической эмиссии, осуществляется модулем специализированной обработки данных 9 на сервере сбора и обработки данных 6 с использованием кластера 11 для оперативного определения параметров гидроразрыва пласта.

В качестве кластера 11 используется специальный вычислительный комплекс (СВК-128) фирмы Dell с количеством вычислительных узлов 128 (на 8-ядерных процессорах каждый), пиковой производительностью не менее 12 Терафлопс, объемом оперативной памяти 8 Терабайт.

В качестве линии связи 4 используются геофизические кабели с симметричными витыми парами.

Сервер связан по линии передачи данных 12 с месторождением, на котором производится гидроразрыв, и в процессе обработки оперативно отправляет данные флоту для принятия решения об изменении, если это необходимо, параметров дизайн проекта гидроразрыва пласта.

Изобретение может быть изготовлена с применением указанных выше элементов и узлов, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью, что соответствует критерию «промышленная применимость».

Комплекс микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения и суперкомпьютерных методов обработки информации функционирует следующим образом.

Аналоговые электрические сигналы с трехкомпонентных сейсмических датчиков скорости смещения 1 усиливаются в каждом канале для каждой компоненты усилителем и оцифровываются аналогово-цифровым преобразователем с частотой 1-4 кГц. Данные по линии связи 4 передаются пакетами в телеметрический бортовой модуль управления и регистрации 3, где записываются на жесткий диск и далее через имеющуюся сеть Ethernet 5 передаются на сервер сбора и обработки данных 6. На сервере сбора и обработки осуществляется предварительная обработка данных с занесением информации в базу данных микросейсмического мониторинга 7, в нее же заносятся данные по техническим операциям процесса ГРП, геолого-геофизические данные по месторождению, данные вертикального сейсмического профилирования (ВСП) скважин и т.п.

Использование высокой частоты оцифровки сигнала повышает достоверность выделения (обнаружения) и точность определения пространственных координат источников микросейсмической эмиссии - основные показатели качества обработки данных. Но при этом частота оцифровки 1-4 кГц требует высокой скорости обработки сигналов в режиме реального времени и распараллеливания вычислений.

В модуле специализированной обработки 9 с использованием параллельных вычислений на кластере 11 вычисляются карты распределения источников микросейсмической эмиссии и определяется направление и длина трещины разрыва с привязкой к операциям производства ГРП. Координаты определяются путем решения обратной кинематической задачи.

По результатам распределения источников микросейсмической эмиссии во времени (по картам накопленной микросейсмической эмиссии в трех взаимно перпендикулярных плоскостях) делается заключение о направлении распространения трещины разрыва и ее длине. Если направление трещины разрыва не соответствует проектному, оперативно изменяются параметры операций ГРП.

В соответствии с предложенным изобретением в БФУ им И. Канта изготовлен опытный образец «Комплекс микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения и суперкомпьютерных методов обработки информации». Комплекс апробирован при гидроразрыве пласта в скважинах на месторождениях Западной Сибири и Казахстане.

Проведенные испытания предложенного изобретения подтвердили возможность оперативного контроля гидроразрыва пласта на месторождениях углеводородов в Западной Сибири и Казахстане.

Литература

1. Способ прогноза разрушения массива горных пород и устройство для его осуществления. Патент РФ, №2289693, опубл. 20.12.2006.

2. Способ контроля процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов. Патент РФ, №2319177, опубл. 10.03.2008.

3. Система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах. Патент РФ, №122119, опубл. 20.11.2012.

Изобретение относится к геофизическим методам исследования процессов разработки месторождений углеводородов, в частности к комплексам микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов, содержащим, по крайней мере, один телеметрический сейсмический бортовой модуль управления и регистрации, соединенный линиями связи с 32-мя полевыми модулями регистрации микросейсмической эмиссии, возбуждаемой при производстве ГРП, соединенный посредством высокоскоростной сети Ethernet с устройством сбора и обработки - сервером, на котором установлена база данных микросейсмического мониторинга, модуль предварительной обработки данных и модуль специализированной обработки с возможностью параллельного вычисления на кластере карт распределения источников микросейсмической эмиссии. Использование: в нефтедобыче для контроля процесса разработки месторождений углеводородов. Технический результат: повышение эффективности контроля производства гидроразрыва пласта, снижение за счет контроля процесса ГРП себестоимости разработки месторождений углеводородов и повышение коэффициента извлечения нефти. Указанный технический результат достигается за счет введения полевых модулей регистрации микросейсмической эмиссии, включающих в себя последовательно соединенные трехкомпонентный датчик сейсмических колебаний (скорости смещения), усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и линии связи для передачи цифрового сигнала в телеметрический сейсмический бортовой модуль управления и регистрации. При этом устройство сбора и обработки данных выполнено в виде сервера сбора и обработки с базой данных, модулем предварительной обработки данных и модулем специализированной обработки, соединенными посредством сети Ethernet с кластером для параллельных вычислений и линией передачи данных непосредственно на месторождении для принятия решений по выбору параметров операций ГРП. 1 ил.

Комплекс микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения и суперкомпьютерных методов обработки информации, содержащий, по крайней мере, один телеметрический сейсмический бортовой модуль управления и регистрации с не менее 32-мя полевыми модулями, соединенный посредством сети Ethernet с сервером сбора и обработки данных, отличающийся тем, что каждый полевой модуль включает в себя: трехкомпонентный сейсмический датчик скорости смещения, три канала аналоговых усилителей, аналого-цифровой преобразователь, линию связи с телеметрическим бортовым модулем управления и регистрации, все модули вместе с датчиками устанавливаются в виде сейсмической антенны апертурой до 1000 метров на дневной поверхности в эпицентральной зоне перфорации скважины, в которой производится гидроразрыв, а устройство сбора и обработки данных выполнено в виде сервера сбора и обработки микросейсмических данных, включающего базу данных микросейсмического мониторинга, программный модуль предварительной обработки данных, осуществляющий предварительную обработку и подготовку данных для специализированной обработки, программный модуль специализированной обработки данных, который путем решения обратной кинематической задачи с использованием методики параллельных вычислений на кластере определяет скорости сейсмических волн в среде, пространственные координаты источников микросейсмической эмиссии, оценивают по картам распределения источников микросейсмической эмиссии в трех плоскостях направление и длину трещины разрыва, и может быть использован в нефтедобыче для оперативного контроля процесса разработки месторождений углеводородов - мониторинга гидроразрыва пласта.