Автореферат (Оценивание параметров микросейсмического источника по измерениям, производимым группой датчиков)

Работа выполнена в федеральном государственном автономномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет«Высшая школа экономики»Научныйруководитель:кандидат физико-математических наук, доцентБежаева Зинаида ИвановнаОфициальныеоппоненты:Чернояров Олег Вячеславович,доктор физико-математических наук, профессор,федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Национальныйисследовательский университет «Московскийэнергетический институт», профессор кафедрырадиотехнических приборов и антенных системЛюбушин Алексей Александрович,доктор физико-математических наук, профессор,федеральное государственное бюджетноеучреждение науки «Институт физики Землиим.

О.Ю. Шмидта РАН»Ведущаяорганизация:федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Российскийгосударственный университет нефти и газаим. И. М. Губкина»Защита диссертации состоится «___» __________ 2015 г. в ___ ч. ___ мин. назаседании диссертационного совета Д 212.141.15 при Московскомгосударственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу:Москва, Рубцовская наб., 2/18, ауд. 1006 л.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте (www.bmstu.ru)Московского государственного технического университета имени Н.

Э. Баумана.Автореферат разослан «___» ___________ 2015 года.Учёный секретарь диссертационного совета,кандидат технических наук, доцентАттетковАлександр ВладимировичОбщая характеристика работыАктуальность темы. В настоящее время инженеры в сфере энергетикиинтенсивно исследуют вопрос об экологически безопасном и эффективном вприбыльномотношенииосвоенииуглеводородныхигеотермальныхрезервуаров, что, как правило, осуществляется при помощи технологическисложной и ответственной операции гидроразрыва пласта (ГРП). Единственнымспособом контроля ГРП является микросейсмический мониторинг.Подмикросейсмическиманалитическихинформациюметодов,оприповерхностноймониторингомпозволяющихсложныхземнойфизическихсреде,впонимаютполучатьдостаточнопроцессах,частности,окомплексточнуюпротекающихгеометриивтрещин,развивающихся в пространстве и во времени. Эту информацию извлекают изрезультатов непрерывной обработки записей сейсмической группы в режимереального времени, оценивая параметры сейсмического источника на каждомвременном интервале, где был обнаружен сигнал от индуцированногогидроразрывом микросейсмического события.Впервые задача определения координат сейсмического источника поданным поверхностных сейсмических групп рассматривалась при мониторингеземлетрясений и подземных ядерных взрывов, на региональных и глобальныхрасстояниях.

Основное отличие указанной задачи, которой посвященаобширная литература, от задачи, рассматриваемой в диссертации, состоит втом, что источник сейсмических волн удалён от сейсмической группы нарасстояние, значительно превышающее апертуру группы. В этом случаеволновой фронт, приходящий на сейсмическую группу, является плоским,вследствие чего невозможно оценить местоположение очага с требуемой напрактике точностью, используя только информацию об относительныхзапаздываниях сейсмического сигнала на датчиках группы.

Однако именно вуказанных приложенияхполучили развитие и нашли широкое применениеметоды обработки данных сейсмических групп. По наблюдениям группы1оцениваются такие параметры, как азимут вектора нормали плоской волны ипроекция скорости волны на земную поверхность.Наряду с энергетикой, микросейсмический мониторинг применяется вгорнодобывающей отрасли для обеспечения безопасности и повышенияэкономической эффективности открытых горных работ.Несмотря на то, что настоящая работа посвящена разработке алгоритмоврешения конкретной прикладной задачи геофизики, результаты, полученные вдиссертации, могут быть использованы при решении круга практических задач,которые математически формулируются как идентификация многомерныхлинейных систем с одним входом и несколькими выходами, векторнаяпередаточная функция которых зависит от конечного набора неизвестныхпостоянных во времени параметров.

Такие задачи часто встречаются,например, в акустике, радиотехнике, медицине, геофизике и связаны сситуациями, когда некоторый сигнал, проходящий через сложно устроеннуюфизическую среду, измеряется в присутствии помех в различных точках этойсреды. При этом распространение сигнала в среде математически описываетсялинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, а порезультатам измерения этого сигнала в разных точках среды необходимоизучить свойства среды или определить характеристики объекта, излучающегосигнал.Цель проведённых исследований – статистический синтез и анализчисленных методов определения параметров точечных источников слабыхупругих колебаний земной среды, сигналы от которых наблюдаются на фонеинтенсивных помех.Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующихосновных задач:1.Статистическоеоптимизациякоторыхобоснованиеприводиткивыводосновныхопределениюфункционалов,значенийпараметровмикросейсмического источника с неизвестной детерминированной временной2функцией; при этом характеристики среды распространения сейсмических волнот источника полагаются известными.2.Получение статистической оценки параметров микросейсмическогоисточника, обладающей свойством асимптотической эффективности, дляслучая, когда временная функция источника описывается как «отрезок»гауссовскогостационарногослучайногопроцессасизвестнойавтокорреляционной функцией.3.

Доказательство статистической состоятельности оценок параметровмикросейсмическогоисточника,получаемыхприпоискеэкстремумафункционала от фазовых компонент спектральных наблюдений сейсмическойгруппы, для случая неизвестной временной функции микросейсмическогоисточника.4. Синтез фазовых алгоритмов оценивания параметров микросейсмическогоисточника, робастных к диаграмме его излучения.5.Сравнительныйстатистическиханализоценокматрицпараметровсреднеквадратическихмикросейсмическихошибокисточников,соответствующих различным алгоритмам оценивания этих параметров.Методы исследования. При решении задач, возникших в ходевыполнения диссертации, использовались различные классы математическихметодов: функциональный анализ, теория вероятностей, теория стационарныхслучайныхпроцессов,статистическаятеорияоцениванияпараметровслучайных процессов, методы матричной алгебры, метод независимыхиспытаний Монте-Карло, методы вычислительной математики, современнаятехнология программирования.Достоверность и обоснованность научных результатов и выводовгарантируетсяподтверждаетсястрогостьюиспользуемогорезультатамичисленногоматематическогомоделирования.аппаратаиРезультатыдиссертационной работы согласуются с известными результатами другихавторов.3Научная новизна.

В диссертации получены следующие новые научныерезультаты, выносимые на защиту:1. С помощью современной асимптотической теории статистическогооцениванияразработаныалгоритмыопределениязначенийвекторныхпараметров микросейсмических источников по наблюдениям многомерныхвременных рядов, регистрируемых группами пространственно распределённыхсейсмоприемников.2. Разработаны и экспериментально исследованы фазовые алгоритмыоценивания параметров сейсмического источника, учитывающие спектральныеплотности мощности помех и временных функций микросейсмическихисточников, диаграммы излучения этих источников.3. Разработаны и экспериментально исследованы фазовые алгоритмы,инвариантные к неизвестным диаграммам излучения источников, позволяющиеоцениватькоординатымикросейсмическогоисточникаприотсутствииаприорной информации о его диаграмме излучения.4.

Теоретически обосновано, что используемый в современной практикемикросейсмическогомониторингаалгоритмсейсмическойэмиссионнойтомографии (СЭТ) есть частный случай разработанных в диссертации методовопределения параметров микросейсмического источника. С использованиемрезультатоввычислительныхэкспериментов,методамиматематическогомоделирования доказано, что СЭТ существенно уступает разработанным вдиссертацииалгоритмампоточностиоцениванияпараметровмикросейсмических источников при малых отношениях сигнал-шум истатистических характеристиках помех, коррелированных по времени и попространству.Практическая значимость.

Разработанные в диссертации методы«борьбы c помехами», основанные на современной статистической теорииоценивания параметров многомерных случайных процессов, могут бытьиспользованы для решения широкого класса практических задач, в которых4наблюдения«полезных»сигналовискаженыпомехами,сильнокоррелированными во времени и в пространстве.Разработанные в ходе исследований алгоритмы определения значенийпараметров микросейсмических источников могут быть использованы дляповышения эффективности мониторинга микросейсмической активности спомощью поверхностных сейсмических групп.В частности, в проблемемикросейсмического мониторинга гидроразрыва пластов на месторожденияхуглеводородовразработанныестатистическиоптимальныеифазовыеалгоритмы являются альтернативой традиционному методу эмиссионнойтомографии - практически единственному методу, используемому в настоящеевремя для анализа данных от микросейсмических событий, регистрируемыхповерхностными сейсмическими группами.Апробациярезультатовработы.Основныерезультатыдиссертационной работы докладывались на 74-ой международной конференцииевропейской ассоциациигеофизиков и инженеров «Evaluation of locationcapabilities of statistically optimal algorithms for microsesimic monitoring»(Копенгаген, 2012); на международной конференции генеральной ассамблеиевропейской сейсмологической комиссии«Enhancement of Surface ArrayMonitoring of Hydraulic Fracturing Based on Statistically Optimal Algorithms»(Москва, 2012); на ежегодном собрании общества разведочной геофизики«Statistically Optimal Technique of Simultaneous Event Location and FocalMechanism Determination of Weak Microseismicity Using Surface Arrays» (ЛасВегас, 2012);на международном микросейсмическом форуме «EvaluatingMonitoring Techniques:Downhole, Buried and Surface» (Напа, Калифорния,2013); на 4-ом семинаре по сейсморазведке европейской ассоциациигеофизиков и инженеров «Optimization of Statistically Optimal (SO) Algorithmsfor Surface Location of Microseismic Sources with Complex Focal Mechanisms»(Амстердам, 2013).Публикации.