🗊Презентация Аппаратура для регистрации сейсмических событий.

Сейсмический мониторинг месторождений углеводородов Семестровый курс Лекция 4

Лекция 4 Аппаратура для регистрации сейсмических событий. Требования к системе сейсмического мониторинга. Определение положения сейсмического источника. Задача Абеля. Уравнения Герглотца-Вихерта. Взаимосвязь между сейсмической активностью и параметрами пласта месторождения нефти. Использование регистрации микросейсмических явлений для определения положения трещин гидроразрыва пласта.

Сейсмометры В 132 г.н.э. китайский ученый Чан Хен изобрел первый сейсмоскоп - прибор для определения азимута на эпицентр. Во второй половине XIX века сейсмоскопы стали использовать для определения времени землетрясения, снабжая их часами, которые останавливались или запускались в момент землетрясения.

Сейсмометры Первый сейсмограф, имеющий научное значение, был построен в 1887 г. в Японии Юингом. Он состоял из чугунного кольца весом 25 кг, подвешенного на стальной проволоке длиной около 6.8 м. При помощи системы рычагов движение груза разбивалось на две горизонтальные составляющие и в увеличенном виде записывалось на закопченной стеклянной пластине, вращающейся вокруг вертикальной оси. Пуск часового механизма, вращающего пластинку, производился сотрясением при землетрясении. Увеличение этого прибора было около 10. В 1888-1889 г.г. Ребер-Пашвиц создал горизонтальный маятник, подвешенный к штативу на двух остриях с оптической регистрацией на барабане, вращающемся с линейной скоростью 11мм/ час. Длина маятника 19 см, длина оптического плеча 4.5 м, увеличение около 48.5.

Сейсмометры В 1902 г. князь Б.Б.Голицыным предложил сейсмограф, в котором было использовано электродинамическое преобразование перемещений маятника в электрический ток. Для записи сейсмограммы использовался пучок света, отраженный от зеркальца гальванометра; чрез гальванометр проходил электрический ток, возбуждаемый в обмотке катушки, которая была соединена с маятником и двигалась вместе с ним в постоянном магнитном поле. Современные типы сейсмографов используют принцип регистрации, предложенный Голицыным. В основном регистрируется скорость смещения почвы, полученные велосиграммы с помощью АЦП преобразуются в цифровую форму и записываются на различные типы носителей- магнитные ленты, диски и т.д. Для регистрации сильных движений в эпицентральной зоне землетрясений применяются акселерометры, в устройстве которых используются пъезоэлементы.

Аппаратура для проведения регистрации микросейсмического фона.

Установка скважинного сейсмодатчика

Схема сооружения для размещения станций геодинамичес-кого мониторинга

Основные требования к системе сейсмического мониторинга Регистрация сейсмических колебаний от местных и удаленных землетрясений; Определение времени, магнитуды и положения эпицентров местных землетрясений в пределах месторождений, береговых сооружений и на расстоянии до 20 км от них для землетрясений с локальными магнитудами от 2 c точностью определения положения эпицентра 2 км. Нахождение статистических параметров естественного сейсмического режима. Определение возможных изменений естественного сейсмического режима в ходе разработки месторождений.

Требования к составу сейсмической станции. Короткопериодные сейсмометры - три компоненты; Система точного времени GPS; Система архивации сейсмических сигналов; Система резервного питания сейсмической станции.

Требования к техническим характеристикам сейсмометров Режим преобразования по скорости Частотный диапазон 0.5 - 40 Гц Коэффициент преобразования 200 - 600 в/м/сек Шум сейсмоприемника в диапазоне частот 0,5-40 Гц не более 2,5 нм/с Динамический диапазон не менее 120 Дб Длина коммуникационного кабеля к регистратору до 20 м

Требования к техническим характеристикам блока регистрации и выделения сейсмического сигнала. Количество информационных каналов не менее 6 Динамический диапазон информационных каналов не менее 120 Дб АЦП 24 разряда Частотный диапазон каждого канала 0,5 - 40 Гц Диапазон регулировки усиления канала 1 - 64 Частота квантования входного сигнала на канал от 10 до 1000 отсч/сек Антиалясинговый фильтр с частотой среза 40 Гц Тип системы ведения точного времени GPS Точность привязки к мировому единому времени не хуже 1 мс Калибровка импульсным или синусоидальным сигналом, Тип записи информации непрерывный, триггерный, по расписанию Тип алгоритма выделения событий LTA / STA Размер винчестера не менее 30 Гбайт Рабочий температурный диапазон -5 / +30 С Питание от сети через систему резервного питания (возможно резервирование аккумулятором емкостью до 55А/ч). Напряжение сети 220 В Потребляемая мощность (без датчиков) не более 30 Вт Длина коммуникационного кабеля к PI/CI до 500 м

Программное обеспечение, входящие в комплект станции. Пакет программ управления сейсмической станцией Пакет программ системы сбора данных Пакет программного обеспечения по обработке сейсмических данных

Запись карьерных взрывов на Кольском полуострове сейсмическими группами в Норвегии: ARCES (эпицентральное расстояние  = 391 км; верхние две трассы и NORES ( = 1309 км, нижние трассы).

Определение положения источника сейсмических волн Основные алгоритмы определения координат сейсмических источников базируются на лучевых представления о распространении сейсмических волн. Положения волнового фронта в моменты времени t и t+t определяются расстоянием s вдоль направления луча. Угол  между вертикалью и падающим лучом называется углом падения. Путь, пройденный волной вдоль луча, связан с путем, пройденным вдоль поверхности выражением s = x sin. Т.к. s = vt, то vt = x sin t /x = sin /v = u sin  p, где u – «медленность» ( u = 1/v, где v- скорость), а p - лучевой параметр.

Определение положения источника сейсмических волн Отмечая время прихода сейсмической волны на две сейсмические станции, можно измерить лучевой параметр. Лучевой параметр характеризует медленность волнового фронта в горизонтальном направлении, поэтому p часто называют горизонтальной медленностью сейсмического луча. Рассмотрим траекторию луча, падающего на границу слоя под углом a1 к вертикали. Пусть скорость в каждом ниже лежащем слое больше, чем в верхнем. Т.к. лучевой параметр р остается постоянным p = u1 sin a1 = u2 sin a2 = u3 sin a3 = … Если скорость будет все время расти, то в конце концов, угол a достигнет 900 и луч будет распространяться горизонтально. Обозначим медленность на поверхности u0 , угол выхода a0 тогда. u0 sin a0 = p = u sin a. Когда a = 900, луч достигает точки поворота р = uгр , uгр - медленность в точке поворота.

Определение положения источника сейсмических волн Рассмотрим отрезок длиной ds вдоль пути луча. Из геометрии Чтобы получить х, проинтегрируем это выражение. Пусть z1 находится на свободной поверхности (z1 = 0) , z2 - точка поворота zp , тогда расстояние, пройденное лучом от поверхности до точки поворота Т. к. траектория луча симметрична относительно точки поворота, полное расстояние Х ( р)

Определение положения источника сейсмических волн Для времени пробега T ( р) dt = uds, dt/ds = u Вывод справедлив для случая, когда скоростная модель представляет собой непрерывную функцию, зависящую от глубины. Для скоростной модели в виде плоскопараллельных слоев интеграл заменяется на суммирование. Вместо X(p) и T(X), часто используется комбинация этих функций, эта функция получила название временной задержки и может быть выражена как где zp - глубина точки поворота.

Обратная кинематическая задача – построение скоростной модели Пусть из наблюдений нам известен простейший годограф – функция T(X), не имеющий ни точек возврата, ни разрывов, связанных с существованием зон пониженных скоростей. Тангенс угла наклона касательной к каждой точке годографа определяет значение скорости в точке поворота. Необходимо определить какой глубине в Земле эта скорость соответствует.

Задача Абеля Как определить форму холма, зная начальную скорость и время, потраченное мячом на то, чтобы прокатиться от основания холма до верхней точки и снова до основания. здесь x –высшая точка, на которую поднялся мяч , t – затраченное на это время. Аналогично для волны положим t(x)=X(p)/2p, x=p², =u(z)]² f()=dz/d(u²)

Уравнения Герглотца-Вихерта для плоской модели Земли для сферической модели Земли где r1 – радиус-вектор для луча, выходящего на расстоянии X1, R – радиус Земли

Некорректность обратной кинематической задачи. Предположим, что только первые вступления волн выделены верно и по ним построены два прямолинейных участка годографа. Существует бесчисленное множество разрезов, которые дадут одинаковый годограф первых вступлений.

Определение положения источника по записи одной 3-компонентной станции В случае регистрации сейсмического события одной станцией для оценки координат очага и времени в очаге, используется метод отношения амплитуд между компонентами 3-компонентной записи. Вектор движения в начальной части записи P-волны на горизонтальных и на вертикальных компонентах смещения, используется для вычисления азимута на эпицентр и угла падения сейсмического луча. Расстояние можно получить по разности времен пробега волн P и S. На больших расстояниях от очага для определения эпицентрального расстояния используются годографы.

Определение положения источника по записи нескольких станций Если в обработке используются данные не более 3 станций, координаты гипоцентра и время в очаге определяются методом засечек по данным об азимуте на эпицентр и угле падения. Определение координат эпицентра методом засечек осуществляется построением на карте кругов с центрами в точках расположения сейсмостанций и радиусами равными эпицентральным расстояниям, измеренным по разности времен пробега P- и S-волн. Область пересечения кругов соответствует местонахождению эпицентра. Эти круги, впрочем, редко пересекаются в одной точке, что приводит к ошибкам в определении положения эпицентра и гипоцентра.

Метод инверсии времен пробега В случае если доступны данные четырёх и более станций, параметры гипоцентра определяются при помощи метода инверсии времен пробега. Предполагается, что разница в истинном положении очага и рассчитанном является малой величиной, так что остаточная разность может быть задана линейной функциональной зависимостью от поправки к истинному положению гипоцентра. Исходное решение задается в виде времен пробега для рассматриваемых фаз от некоторой области, где предположительно локализован очаг, которое затем проверяется для нахождения поправок к первоначально заданному положению, далее исправленное решение является входным и т.д. Итеративный процесс обычно быстро сходится, если первоначальное определение гипоцентра близко к истинному местоположению. В международной практике полевых сейсмологических наблюдений данный подход определения положения землетрясений является одним из самых распространенных. В расчетах в качестве базовой модели в основном используется одномерная скоростная модель среды.

Локальная сейсмичность в районе месторождений нефти и газа о.Сахалин.

Пассивный сейсмический мониторинг Регистрация сейсмических событий Расчет положения гипоцентров сейсмических событий Определения параметров групп сейсмических событий

Spatio-temporal distributions of the sums of AE events amplitudes in the 0.1-second intervals and scaled pore pressure during water injection into closed reservoir. Permeability 14 mD.

Литература Садовский М.А., Писаренко В.Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенные процессы в литосфере (опасности и катастрофы).