Способ обеспечения синхронизации сейсмических данных по времени и коррекции местоположения автономной донной станции при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4C, 4D-4C Российский патент 2024 года по МПК G01V1/16 G01V1/38 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для осуществления синхронизации сейсмических данных по времени и при решении задачи коррекции местоположения автономной донной станции при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4С, 4D-4C.

Известен способ определения местоположения и обеспечения тайминга для сейсмических приборов-регистраторов, установленных на морском дне (1), представляющий собой систему численных методов учета, основанных на том допущении, что начальное достоверно определенное местоположение сейсмической станции (автономной донной сейсмической станции) определено как наилучшее и время первичного отсчета сейсмического приемника сигналов принимается за эталонное, с которым впоследствии выполняется сравнение, иными словами в качестве точки отсчета (достоверное, принятое эталонным значение параметров автономной донной сейсмической станции - АДСС) выбираются параметры первичной записи после установки станции на дне, согласно схеме расстановки. Несмотря на то, что эти достоверно определенные данные формируются за счет инструментальных оценок, но при этом не учитывают точное определение местоположения и отсчет времени и не включают в оценку изменения, которые произошли с момента начала позиционирования, то есть, по сути являются набором неких априорных данных. Оценка изменений параметров АДСС рассчитывается исходя из того, что начало работы с наилучшими предположениями о положении приемника, временной коррекции и модели скорости распространения упругих волн с вычислением ожидаемого времени прибытия сигнала от пункта возбуждения на пункт приема (АДСС). Это рассчитанное время прибытия затем сравнивается с наблюдаемым временем прибытия (обычно оценка выражается как разность между рассчитанным и наблюдаемым). Одна или несколько входных переменных (положение, время и модель скорости) затем изменяются и выявляются тенденции изменения оцениваемой разности, что, в дальнейшем, используется для корректировки входных переменных. Применение данного способа не предполагает изменения системы расстановки или качественного изменения состава АДСС, составляющих измерительную (приемную) часть при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4C, 4D-4C. И основан на сравнительной оценке рассчитанных и наблюдаемых параметров.

Однако, предложенный способ (1) наиболее эффективен при осуществлении подобного способа контроля качества с последующей коррекцией только при соблюдении дополнительных условий. Первым условием является то, что дрейф часов в пределах одного профиля незначителен и для последующей обработки не используется. Основной принцип этого подхода при расчете ухода часов представлен на фиг.1.

Вторым условием является то, что скорость распространения сигнала от пункта возбуждения в водном слое не является переменной, то есть скорость постоянна и известна. Предварительно, для проведения анализа по сейсмическим данным при использовании предложенного метода необходима «оцифровка» первых вступлений водной волны, что выполнить с требуемой точностью для большинства удалений ПП-ПВ (пункты приема сигнала - пункты возбуждения) при ограниченной мощности моря невозможно. Таким образом, представляемый метод не может быть применен на мелких Арктических морях России, так как соблюсти данное условие возможно только на глубокой воде. На фиг.2 показано искажение волновой картины в области волновода, характерное для мелких Арктических морей. На фиг.3 представлен пример оцифровки первых вступлений в области волновода.

Значение скорости в воде для мелких морей очень сильно колеблются со временем, то есть является функцией от времени, и связано с ее опреснением в результате приливно-отливных явлений, впадающих пресных рек, течений (часто имеющих сложную зависимость от сезонности) и др. Следующий фактор наличие мощных термоклинов, образующих явление рефракции сейсмической волны. Типичный пример теромклина представлен на фиг.4. На фиг.5 приведены типичные данные LMO анализа при выборе величины скорости в водном слое в качестве постоянной величины (не зависящей от времени).

Таким образом, рассматриваемый алгоритм имеет существенные ограничения в применении его для при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4C, 4D-4С с помощью АДСС в Арктических морях России.

Вторым способом, являющимся в некоторой степени прототипом настоящего предложения является также расчетный метод коррекции положения и ухода времени АДСС, основанный на определении поправок за счет сравнения показаний двух соседних станций с центральной станцией, для которой и оцениваются поправки для коррекции (2). Начиная с 2019 года компания ОАО МАГЭ при непосредственном участии автора предлагаемого изобретения применяет этот алгоритм при контроле качества в своих набортных центрах обработки. Каждая станция имеет два расчета за уход часов при использовании станций, находящихся слева и справа. На фиг.6 и фиг.7 представлены пример такого непрерывного анализа вдоль линии расстановки ПП без нарушения синхронизации и с нарушением, соответственно.

Расчеты в рассматриваемом алгоритме, применяемом с 2019 года специалистами компании ОАО МАГЭ проводятся без выбора ограничений по удалениям, что может приводить к локальным искажениям. Осреднение проводится при использовании полинома не выше 3 степени, то есть по весьма упрощенному алгоритму.

Применение данного способа, также, как и первого, не предполагает изменения системы расстановки или качественного изменения состава АДСС, составляющих измерительную (приемную) часть при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4C, 4D-4C. Второй алгоритм основан на сравнительной оценке параметров трех соседних станций, где для центральной станции выполняется попарное сравнение с параметрами соседних станций и коррекция местоположения и оценка ухода времени центральной станции выполняется с учетом обоих полученных оценок.

Задачей настоящего изобретения является осуществление надежной коррекции определения местоположения ПП (АДСС) и синхронизации станций по времени за счет создания опорной сети внутри расстановки сейсмических станций таким образом, что сравнение параметров осуществляется не вдоль линий профиля с допущениями по неизменности параметров и не путем попарного сравнения соседних показаний, а за счет назначения некоторых станций в качестве эталонных. И тогда сравнение параметров всех ПП осуществляется между ПП рядовой сети и ПП опорной.

Идея создания опорной сети донных автономных сейсмических станций (АДСС) для производства сейсморазведочных работ появилась у автора после многолетнего использования упомянутого выше авторского решения специалистами набортной обработки сейсмических данных компании ОАО МАГЭ (при непосредственном участии автора изобретения) при производстве работ 3D/4D-4C. За время работ начиная с 2019 года, опыт показал, что алгоритм сравнения параметров соседних станций обладает высокой устойчивостью (повторяемостью), чувствительностью (точностью расчета) за счет использования большого набора статистических данных и существует перспектива его применения как программного средства, позволяющего значительно удешевить стоимость работ с АДСС, при этом сохранив высокие требования к точности регистрации самих сейсмических данных для каждого донного модуля.

Применение опорной сети позволит обеспечить высокую точность коррекции благодаря соблюдению следующих факторов:

1. Опорная сеть АДСС выполняет роль эталонных станций для общей рядовой сети расстановки донных сейсмических регистраторов.

2. Волновое сейсмическое поле упругих колебаний от сейсмического источника, распространяющееся в водном слое (водная волна) и регистрируемое АДСС опорной и рядовой сети, является однотипным для них.

3. При выполнении условия, что два пункта приема ПП разнесенные на ограниченное расстояние имеют одинаковую пару также разнесенных пунктов возбуждения ПВ (т.е. пара ПП-ПВ опорной сети и пара ПП-ПВ рядовой сети является по своим положениям симметричными), то оцифрованные данные (про пикированные) первые вступления водной волны по сейсмическим данным для этих пар ПП-ПВ являются достаточными массивами данных для расчета по ним ухода часов с требуемой точностью для станций рядовой сети.

Следует отметить, что в данном случае мы имеем дело в параметрами измеряемыми одновременно опорными и рядовыми станциями в одинаковых условиях съемки. А не осуществляем сравнение расчетных и наблюденных величин. Более того, наличие опорной сети, в свою очередь, позволяет оценивать конкретные удаления и выполнять более точную оценку параметров сразу с несколькими станциями и, соответственно, получать более надежные данные для коррекции.

Предпосылки для решения задачи:

1. Большой массив статистических данных полученных при анализе зарегистрированных сейсмических данных АДСС при использовании полного азимута при различных удалениях пункта возбуждения.

2. С определенных удалений ПП-ПВ величина рассчитываемой невязки при наличии смещения станции рядовой сети зависит только от угла видимости ПВ с пункта приема рядовой сети и не зависит от дальнейшего изменений расстояния ПП-ПВ вдоль данного азимута. Т.е. для каждого фиксированного азимута видимости ПВ такая невязка является величиной постоянной.

3. С определенных удалений ПП-ПВ величина рассчитываемой невязки за уход часов станции рядовой сети вдоль азимута видимости ПВ не зависит от того имеет станция смещение или нет.

4. При выполнении итерационных вычислений по всем азимутам или для части их (при имеющихся ограничениях для расчета) возможно раздельное проведение независимых вычислений по сейсмическим данным как ухода часов станции рядовой сети, так и определение координат смещения станции рядовой сети.

5. Уход часов для модуля рядовой сети и оценка его смещения может быть проведена по множеству таких пар, образованных посредством сравнения параметров с несколькими станциями опорной сети.

Помимо ограничений, связанных с применимостью описанных в качестве прототипов изобретения расчетных алгоритмов, присутствуют также проблемы, связанные с применимостью самого оборудования на территории России в силу ряда причин. Рассмотрим их подробнее ниже.

Предъявляемые требования к оборудованию и его подготовке:

1. Для всех донных автономных сейсмических станций для опорной и рядовой сети перед их развертыванием производится синхронизация их внутренних часов с Всемирным координированным временем (UTC).

2. После подъема донных автономных сейсмических станций для опорной и рядовой сети проводится повторная синхронизация их внутренних часов с Всемирным координированным временем с целью определения разницы времени между их внутренними часами и временем UTC. По разнице времени между внутренними часами и UTC для станций опорной и рядовой сети вводится для их временных шкал линейная коррекция за уход часов.

3. Остаточная невязка для станций рядовой сети, после ввода линейной коррекции, определяется по сейсмическим данным по средствам программных средств и вводится при наличии ее повторно.

4. Для станций опорной сети требуется использование высокоточных «внутренних» часов с температурной стабильностью: до±5x10-10 (-40+85°С) при низкой их потребляемой мощностью.

5. Для станций рядовой сети достаточным является использовать внутренние часы с температурной стабильностью не хуже+1x10-7 (-40+85)°С с обязательным обеспечением сверхнизкой их потребляемой мощностью.

Основной проблемой являются размеры станций, которые обусловлены необходимостью поддерживать высокоточные часы для обеспечения требуемой точности синхронизации ПП по времени. На фиг.8 приведен пример размещения АДСС на борту судна раскладчика.

Очевидно, что ограничение возможного количества станций на борту судна в 1600 единиц накладывает ограничения на объем выполняемых работ в один полевой сезон и напрямую определяет их стоимость. На фиг.9 приведены сравнительные характеристики АДСС разных производителей, из которых видно, что серия оборудования Seisnode рассчитана на 200 дней, то есть заряда таких модулей хватает на весь полевой период работ и при объеме АДСС в 3 раза меньше.

Соответственно, несмотря на то что целью предложенного изобретения является обеспечение надежной коррекции местоположения и времени для всех станций, участвующих в расстановке, совершенно очевидным следствием становится факт, что станции рядовой сети можно использовать с такими характеристиками, чтобы значимо снизить потребляемую мощность их внутренних батарей при сохранении возможности обеспечивать их высокую синхронизацию для сейсмических данных. К примеру, если опорную сеть станций создавать на базе нодов, использующих высокоточные часы, определяющие, в основном, необходимость значительных размеров для отсека батарей и, как следствие, размеров нода, то рядовую сеть можно создавать исходя из более мягких требований, что, в конечном счете, позволит создать более компактное и недорогое автономное донное сейсмическое оборудование.

Тогда можно разработать следующие основные требования к оборудованию рядовых сетей:

1. Размер АДСС должен быть сопоставим с размером автономных сейсмических станций, применяемых в наземные сейсморазведки.

2. Иметь возможность размещения «неограниченного» числа АДСС на одном борту судна-раскладчика.

3. Оборудование должно быть недорогим и доступным для закупок в большом объеме для всех сервисных сейсмических компаний в России.

Если же тайминг опорной сети станций создавать не с помощью применения высокоточных часов, а осуществлять синхронизацию по времени за счет привлечения цифровых акустических систем, то размеры нодов опорной сети также можно уменьшить.

Как уже было сказано выше, эти требования являются ключевыми факторами, определяющими стоимость сейсморазведочных работ с донными автономными станциями:

a. Использование нескольких одновременно работающих на площади работ судов-источников кратно снижает стоимость таких сейсморазведочных исследований, но требуют и кратного увеличения числа донных регистраторов на проекте работ.

b. Плотность сети ПП при проведении сейсморазведочных работ при регистрации продольных и обменных поперечных волн должна быть выше, чем при использовании только монотипных продольных волн.

c. Для исследования (3D-4C) и мониторинга ряда нефтегазовых месторождений (4D-4C) в России требуется использовать высокоплотные расстановки пунктов приема одновременно обеспечивая большие для них удалениях ПП-ПВ (Это относится к районам работ, где нефтегазовые залежи расположены одновременно в верхних и в нижних геолого-стратиграфических этажах).

d. Увеличение числа донных регистраторов используемых на проекте работ не должно приводить к увеличению флота судов для их обслуживания.

Предложенное автором решение позволяет снизить физический размер автономной донной станции сделать ее компактной или выполнить станции сходного типичному объему, но с продолжительностью работы в 5 раз выше (такое решение реализует компания seisnode). Таким образом нет необходимости в их зарядке на что тратится 90% времени (не менее 20 часов обслуживания) и автоматизировать (роботизировать) процесс подготовки донного оборудования: считывания данных, подстройки автогенератора его внутренних часов, прохождение собственных тестов, возможно использование и обычных контейнеров-лабораторий, где резко сокращает время их обслуживания за сутки в 5-10 раз (современные станции обслуживаются 24 часа, требуемое время без зарядки может быть сокращено до 2-4 часа). Таким образом число нодов размещенных на одном борту судна для обслуживания может быть увеличено до 10000 и более единиц модулей. Предоставляя разработчикам донного оборудования возможность снизить требования к внутренним часам автономной донной станции ими уже самостоятельно могут быть реализованы и другие технические решения. Стоимость станций рядовой сети также будет существенно снижена.

Предлагаемый автором подход лишен всех недостатков, перечисленных при описании прототипов, так как при расчетах используются методы корреляции сейсмических данных для пары (как минимум) станций, одна из которых является опорной (т.е. эталоном) другая рядовой станицей. При этом станции находятся в идентичных условиях при регистрации. Скорость в воде при этом является неопределенной при проведении расчетов. Применение в качестве опорной станции АДСС с высокой точностью учета времени позволит использовать их временные отсчеты как эталонные для станций рядовой сети и тогда попарное вычитание времени прихода прямой волны между опорной станцией и рядовой станцией будет фиксировать уход часов только для рядовой станции.

Возможность сервисной компании кратно увеличить число донного оборудования приводит к практически кратному удешевлению сейсморазведочных работ, так как появляется возможность использовать на проекте несколько одновременно работающих судов источников. За рубежом, при выполнении такого вида работ, Заказчик изначально ставит условие использовать несколько судов источников. В то же время количество донного оборудование на проекте не должно приводить к увеличению флота судов для обслуживания этого оборудования. Известно, что при стандартном подходе, два судна раскладчика смогут разместить на своем борту на проекте работ чуть более 3000 нодов. При этих условиях сложно обеспечить экономичность проекта сейсморазведочных исследований с донным оборудованием, а проекты высокоплотных сетей ПП становятся еще более низко производительными при кратном возрастании стоимости проектов. Возможность обеспечить большое количество донного оборудования на проекте работ и повышение скорости его развертывания являются ключевыми факторами увеличения производительности и снижения стоимости. Мы предлагаем решение, которое позволит снять ряд этих проблем. Для опорной сети могут использоваться одноканальные донные станции с каналом регистрации - гидрофон. При этом станции уменьшат свой размер также в несколько раз. Сеть таких опорных станций будет составлять около 5% от общего объема донного оборудования - например для сети 100×100 м ПП достаточно (из опыта работ) иметь сеть опорной сети 600×600 метров (для 1 км2потребуется 100 станций рядовой сети и 3 станции для опорной сети). Могут быть и другие технические решения, которые обеспечат общие их формы. Здесь представлено решение, дающее возможности к таким реализациям.

Способ прост в реализации, не требует разработки дополнительных программных средств для расчетов, надежен и достоверен и базируется на результатах многолетнего положительного опыта применения алгоритмов расчета параметров коррекции и обеспечения необходимого качества сейсмических данных. Помимо этого, применение данного способа позволит значительно уменьшить размеры донных станций рядовой сети и, соответственно, увеличить количество станций в контейнерах, размещаемых на судах-раскладчиках. Это, в свою очередь, позволит увеличить объемы проводимых работ в рамках одного полевого сезона без дополнительных затрат. Применение опорной сети позволит обеспечить высокое качество получаемой сейсмической информации и обеспечит надежную коррекцию определения местоположения и отсчета времени для всех АДСС, включенных в расстановку.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 продемонстрирован основной принцип контроля ухода часов за счет итерационной оценки первичных данных на панелях в зависимости от линии пункт возбуждения (ПВ), осуществляемый в рамках существующего патента (Патент WO 2019/224354 А1/ G01V1 /38 (2006.01) Hoogeveen Jeroen) (1).

На фиг.2 представлен пример искажения волновой картины в области волновода, характерного для мелких Арктических морей, показывающее невозможность применения существующего подхода синхронизации времени и определения положения донных регистраторов, предложенного в упоминаемом в качестве прототипа патента при условии проведения сейсморазведочных работ в Арктике.

На фиг.3 представлен пример оцифровки первых вступлений в области волновода, по которому видно насколько неоднозначным становится определение первых вступлений при наличии зоны волновода, характерной для более мелких акваторий Арктики. Сравнение осуществляется между реальными условиями в морях Арктики и решением, описываемом в прототипе.

На фиг.4 представлен типичный пример теромклина при выполнении работ на акватории Охотского моря.

На фиг.5 приведены типичные данные LMO анализа при выборе величины скорости в водном слое в качестве постоянной величины (не зависящей от времени).

На фиг.6 представлен пример такого непрерывного анализа вдоль линии расстановки ПП (пунктов приема сигналов) без нарушения синхронизации.

На фиг.7 представлен пример такого непрерывного анализа вдоль линии расстановки ПП с нарушением синхронизации.

На фиг.8 приведен пример размещения АДСС (автоматических донных сейсмических станций) на борту судна раскладчика, свидетельствующего об ограниченности возможностей использований большего количество станций, обусловленной размерами самих донных станций и типичных судов.

На фиг.9 приведены характеристики АДСС разных производителей, позволяющие осуществлять сравнительный анализ.

Использованная литература:

1. Патент WO 2019/224354 А1/ G01V 1/38 (2006.01) Hoogeveen Jeroen // METHOD FOR ESTABLISHING POSITION AND TIMING OF SEISMIC RECORDING DEVICES THAT ARE DEPLOYED ON A SEAFLOOR.

2. Степанов H.A., Алешкин M.B., Шушаков И.А., Ланцев В.В., Арлашин A.M., Базилевич С.О., Казанин Г.А., Станюлис А.Л.-А. Доклад Особенности контроля качества сейсморазведки с использованием донных станций при работах 3D4C //Материалы международной геолого-геофизической конференции и выставки ГеоЕвразия 2020 (GEOEurasia 2020) - Современные технологии изучения и освоения недр Евразии.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для осуществления синхронизации сейсмических данных по времени и при решении задачи коррекции местоположения автономной донной станции при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4C, 4D-4C. Предложен способ формирования сети автономных донных станций при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4C или МОВ-ОГТ 4D-4C, включающий развертывание автономных донных сейсмических станций на дне, причем часть автономных донных сейсмических станций в общей схеме расстановки сети выступает в качестве опорных станций и образует опорную сеть, а остальные станции организуют рядовую сеть. Опорную сеть образуют одноканальные автономные донные сейсмические станции с каналом регистрации - гидрофон, которые оснащены высокоточными кварцевыми часами либо имеют цифровые акустические системы для коррекции времени. Для всех автономных донных сейсмических станций опорной и рядовой сети перед их развертыванием производится синхронизация их внутренних часов с Всемирным координированным временем (UTC). Технический результат - обеспечение высокого качества получаемой сейсмической информации и обеспечение надежной коррекции определения местоположения и отсчета времени для всех АДСС, включенных в расстановку. 9 ил.

Способ формирования сети автономных донных станций при проведении морской сейсморазведки в модификации МОВ-ОГТ 3D-4C или МОВ-ОГТ 4D-4C, включающий развертывание автономных донных сейсмических станций на дне, причем часть автономных донных сейсмических станций в общей схеме расстановки сети выступает в качестве опорных станций и образует опорную сеть, а остальные станции организуют рядовую сеть, при этом опорную сеть образуют одноканальные автономные донные сейсмические станции с каналом регистрации - гидрофон, которые оснащены высокоточными кварцевыми часами либо имеют цифровые акустические системы для коррекции времени, причем для всех автономных донных сейсмических станций опорной и рядовой сети перед их развертыванием производится синхронизация их внутренних часов с Всемирным координированным временем (UTC).