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

2Оглавление.Стр.Введение. ..................................................................................................................... 4Глава 1. Определение параметров микросейсмического очага какстатистическая задача идентификации параметров многомерных линейныхсистем. .......................................................................................................................

161.1. Вероятностная модель наблюдений сигналов источника на группепространственно разнесённых геофонов. .......................................................... 161.2. Критерии оптимальности при построении алгоритмов оцениванияпараметров микросейсмического источника. .................................................... 211.3. Асимптотически эффективная оценка параметров источника прислучайной временной форме сигнала источника. .............................................

241.4. Оценка параметров очага при неизвестной временной формесигнала источника................................................................................................. 301.5. Сейсмическая эмиссионная томография какчастный случай МП оценки. ................................................................................ 351.6. Фазовые алгоритмы определения координат источника........................... 371.7. Фазовые алгоритмы оценивания координат источника с произвольнойдиаграммой излучения.

........................................................................................ 411.8. Выводы по первой главе. .............................................................................. 45Глава 2. Теоретический анализ статистических свойств оценокпараметров микросейсмического источника. ....................................................... 472.1. Выбор оптимальных коэффициентов невязок в фазовом алгоритмеоценивания параметров источника. Случай модели сигнала источника ввиде «отрезка» Гауссовского стационарного случайного процесса.

.............. 472.2. Выбор коэффициентов при фазовых невязках. Случайдетерминированного сигнала в источнике......................................................... 622.3. Оценка спектральных амплитуд сигнала источника с помощью фильтраКейпона. ................................................................................................................. 693Стр.2.4. Вероятностная сходимость оценок координат источника,получаемых с помощью минимизации фазовых невязок.

................................ 752.5. Компенсация когерентной помехи как свойство МП оценки. .................. 792.6. Выводы по второй главе. .............................................................................. 82Глава 3. Исследование качества определения параметровмикросейсмических очагов с помощью моделирования. .................................... 833.1. Критерий качества оценивания и алгоритм создания гибридныхсейсмограмм. ......................................................................................................... 833.2. Исследование точности локации источниковразличными алгоритмами.

................................................................................... 873.3. Оценивание координат очага при пространственно коррелированныхпомехах. ............................................................................................................... 1133.4. Оценивание координат реальных микросейсмических событийвызванных процессами перфорирования скважины. ...................................... 1163.5. Выводы по третьей главе. ........................................................................... 121Общие выводы и результаты работы.

.................................................................. 122Список литературы. ................................................................................................ 1244Введение.Непрерывный рост мирового спроса на энергоресурсы, без которых впоследниегодыневозможнофункционированиебазовыхотраслейпромышленности, побуждает мировые организации нефтегазодобывающегопромыслапереходитькразработкеболеесложныхместорожденийуглеводородов. Эти сложности могут быть обусловлены как структурнымисвойствами горных пород, способные фильтровать и отдавать жидкие игазообразные углеводороды при наличии перепада давления, так и факторамисвязанными с более поздними стадиями разработки этих залежей [61]. Поэтому,естественным образом, возникает вопрос о применении эффективного методаосвоения и интенсификации добычи запасов углеводородов, заключающегося втехнологически сложной и ответственной операции гидроразрыва пласта (ГРП)[11,28]. Суть метода ГРП заключается в формировании проницаемых каналов,соединяющих ствол скважины с газосодержащими или нефтеноснымипластами посредством создания необходимого гидравлического давлениязакачиваемого в скважину флюида [29].

Под действием этого давления в средевозникают упругие напряжения, в результате которых образуются трещины,формирующиеновыеилирасширяющиеужесущесвующие«полостинефтеотдачи», что, как правило, приводит к повышению продуктивностискважины. Стоит отметить, что на сегодняшний день метод ГРПтакжеуспешно применяется как для добычи природного газа из сланцевых пород, таки при извлечении экологически чистой энергии пара из геотермальныхисточников [79, 64].Необходимойсточкизренияоптимизациипроцессадобычиэнергоресурсов из скважины, а также для рационального планирования ходаработ на нефтегазовых или геотермальных месторождениях наиболее важнымявляется информация о пространственном распределении многочисленных зонмикросейсмическойэмиссии–областейобразованиятрещин,сопровождающееся излучением сейсмических волн при перестройке структуры5напряжённо - деформированных материалов.

Для получения такой информациисуществуетрядраспространениетехническихполучилрешений,средимикросейсмическийкоторыхнаибольшеемониторингдинамикиобразования трещин в среде с помощью поверхностной группы [78,54]сейсмоприемников – сейсмической антенны, способной регистрироватьсейсмические сигналы, вызванные локальным нарушением сплошности земнойсреды. Такие сигналы называют микросейсмическими, а источниками этихсигналовсоответственноочагамимикро-землетрясений.Подмикросейсмическим мониторингом понимают комплекс аналитических ивычислительныхметодовпозволяющихполучитьдостаточноточнуюинформацию о сложных физических процессах, протекающих в земной среде, вчастности о геометрии трещин, развивающихся в пространстве и во времени, сцельюдальнейшегопринятиятехнологическихрешений.Приэтоммикросейсмический мониторинг предполагает непрерывную обработку записейсейсмической антенны в режиме реального времени.

Наряду с добычейуглеводородов микросейсмический мониторинг находитприменение и вгорнодобывающей отрасли для повышения безопасности и экономическойэффективности открытых горных работ [27,85]. Здесь, как и в предыдущемслучае, целью мониторинга отчасти является локализация в пространствепроцессов разрушения среды. Технология сбора и обработки информации, атакже интерпретация и анализ результатов этой обработки аналогичны тем, чтоприменяются при разработке залежей углеводородов.По содержанию микросейсмический мониторинг можно разделить на двезадачи – детектирование сигнала сейсмического события и определениепараметров события по записям сейсмической антенны (группы).

Первая задачазаключается в проверке гипотезы о наличии сигнала источника в наблюденияхгруппы, полученных на фиксированном отрезке времени[6]. Рассмотрение этойпроблемы выходит за рамки настоящей работы. После обнаружения сигнала отсейсмического события, необходимо оценить положение его очага в земнойсреде, а также величины, определяющие диаграмму направленности излучения6очага. Таким образом, к параметрам микросейсмического события относятсялокальные координаты, его очага, заданные в некоторой прямоугольнойсистеме координат и диаграмма направленности излучения очага, определяемаясимметричным тензором второго ранга [37]. Регистрация микросейсмическихсигналов в различных точках пространства позволяет накапливать энергиюсейсмического волнового пакета, высвобождаемую при растрескиванииупругой среды, до величины, достаточной для определения параметров очага нафоне аддитивных сейсмических помех, генерируемых как мощной вибрациейповерхности среды, которая создается механизмами, осуществляющимигидроразрыв, так и естественной шумовой сейсмической эмиссией среды.Энергия этих помех в десятки раз превышает энергию, излучаемуюмикросейсмическими очагами [84], а сами помехи, как правило, имеютстохастический характер [21].

Последние два обстоятельства обуславливаютнеобходимостьпримененияметодовматематическойстатистикидляформализации задачи о выделении полезной информации из наблюденийсейсмической антенны (многоканальной сейсмограммы), представляющихсобой смесь сигналов сейсмического источника и случайных помех.Существует несколько отличительных особенностей исследуемой вданнойработепроблемыпоотношениюканалогичнойзадаче,рассматриваемой в смежной области знаний - прикладной акустике [86,43], гденакопленныеинженерамиразличныеспособыэффективнойцифровойобработки сигналов речи оказались весьма полезными при проведенииисследований и получении общих математических результатов, изложенных внастоящей работе.Перваяособенность–этосложностьдиаграммизлучениямикросейсмических очагов, т.е. неравномерное распределение энергии,генерируемой источником сейсмической волновой энергии, по поверхностиинфинитезимальной сферы, охватывающей микросейсмический очаг. При этом,вдоль разных направлений от источника среда в каждый момент времени можетиспытывать как сжимающие, так и растягивающие воздействия источника [62].7Последний факт очень важен, поскольку он противоречит типичному вакустике предположению, что наблюдаемые на различных датчиках антеннойрешетки сигналы от источника отличаются друг от друга только сдвигом вовремени и амплитудой, (что имеет место в случае изотропного механизмаизлучения источника [89]).Вторая особенность заключается в сложной структуре среды, в которойсейсмическая волна распространяется от источника до поверхности, гдерасположена сейсмическая антенна.Ещёоднамикросейсмическихспецификаочагов,задачипорождаемыхопределенияГРП,связанапараметровсналичиемтехногенных помех, мощность которых, как уже отмечалось выше, значительнопревышает мощность сигнала, генерируемого микросейсмическим источником[87,36].