METODO DE SEPARACION DE SEÑALES DE MICROSISMICIDAD DE SEÑALES SISMICAS EMITIDAS POR UNA O VARIAS FUENTES
Campo de la Invención La invención se refiere a un método para discriminar las señales microsísmicas inducidas por la explotación de un yacimiento subterráneo, entre las señales sísmicas emitidas en el marco de operaciones de vigilancia sísmica . Antecedentes de la Invención Para seguir la evolución de un yacimiento subterráneo en el curso de su explotación, ya se conoce la implantación de un poste fijo de fuentes sísmicas y de receptores sísmicos, en la superficie o en los pozos, dependiendo de si se trata de un pozo de exploración de o de la explotación del yacimiento y proceder a intervalos fijos de tiempo a las operaciones de registro de las señales sísmicas que emanan de la formación. Se puede tratar de señales sísmicas inducidas por la actividad de explotación del sitio o de señales sísmicas reenviadas por las discontinuidades geológicas de la formación, en respuesta a la emisión de sacudidas en el suelo por medio de una o varias fuentes sísmicas. La comparación de los registros efectuados en diferentes instantes de la explotación del sitio, proporciona los datos sobre su evolución.
Ref .162744 Diferentes sistemas de vigilancia sísmica a largo plazo son descritos por ejemplo en las patentes EP 591 037 (US 5 461 594) , F 2 593 292 (US 4 775 009) , FR 2 728 973 (US 5 724 311) o FR 2 775 349. Para la patente EP 748 457 (US 5 724 311) de dos solicitantes, ya se conoce un sistema de vigilancia permanente que permite obtener una perfecta reproducibilidad de las condiciones operativas en operaciones repetitivas de vigilancia sísmica de una zona subterránea atravesada por al menos un pozo de exploración, y especialmente de un depósito subterráneo de almacenamiento de gas. Este sistema lleva, instalados en un poste fijo, uno o varios conjunto (s) de receptores sísmicos (enterrados en la superficie o colocados en uno o varios pozos) , varias fuentes sísmicas repetitivas (enterradas o en la superficie) así como una red de enlace permanente para la alimentación selectiva de estas fuentes de energía. Una estación central comanda a distancia selectivamente cada una de estas fuentes, y registra las señales sísmicas que emanan de la zona subterránea en respuesta a las ondas sísmicas transmitidas selectivamente en el suelo por las fuentes. Gracias a este conjunto de fuentes de poste fijo cuyo acoplamiento con los terrenos del medio ambiente permanece estable, y a esta red de alimentación al menos enterrada parcialmente y cuyo aire de influencia es reducido, se puede proporcionar toda una serie de operaciones sísmicas de vigilancia de larga duración en condiciones operativas estables, sin riesgo de incompatibilidad con las actividades del lugarloración . Por la patente F 2,775,349 (US 6 182 012) de dos mismos solicitantes, ya se conoce un método y un dispositivo de vigilancia permanente de una formación subterránea en la cual se forman cavidades para fuentes sísmicas (de preferencia bastante profundas para que ellas sean acopladas con la formación abajo de la zona alterada (QZ) ) , se perfora al menos un pozo ya sea abajo de cada una de las fuentes o en las proximidades inmediatas de cada de ellas. En cada uno de los pozos así perforados, se hace descender una antena constituida de una pluralidad de receptores sísmicos (geófonos, hidrófonos, etc.) que se acoplan con la información del medio ambiente. Con este dispositivo, se realizan ciclos de emisión-recepción con la emisión de ondas sísmicas en la formación por al menos una fuente y la adquisición de las señales captadas por los receptores sísmicos, en respuesta a las ondas reenviadas por la formación. Los receptores pueden estar asociados por ejemplo con un tubo de transferencia de fluidos que se ha hecho bajar en el pozo, con el objeto de conectarse con una zona subterránea a un aparato de exploración en la superficie y acoplados con la formación del medio ambiente del pozo.
Las diferentes fuentes del dispositivo de vigilancia sísmica pueden ser accionadas sucesivamente, proporcionando entre las puestas en marcha un intervalo de tiempo suficiente para recibir las ondas reenviadas por la zona investigada. Se pueden utilizar también varias fuentes sísmicas que emitan las mismas señales que se ponen en marcha simultáneamente para aumentar la potencia emitida. Por la patente FR 2,805,051 de los solicitantes, ya se conoce un método y un sistema de vigilancia sísmica de una formación subterránea. Como se esquematiza en la figura 1, figura 2, figura 3 y figura 4, el sistema lleva por ejemplo una red de antenas sísmicas 2 constituidas cada una de un conjunto de captadores sísmicos 4 colocados a intervalos regulares a lo largo de un pozo 3 perforado en el suelo. Esta red puede ser regular como es esquematizado sobre la figura 2, o irregular. Los captadores son por ejemplo geófonos mono-direccionales orientados verticalmente o de ejes múltiples (trifonos) y/o hidrófonos. En la proximidad de cada antena 2, está colocada una fuente sísmica 5. Como fuentes, se utilizan ventajosamente vibradores de tipo piezoeléctrico, tales como los descritos en la patente FR 2,791,780 (US 6,338,394) a favor de los nombres conjuntos de los solicitantes, que son instalados de manera fija en la proximidad inmediata de cada antena 2. En cada antena puede estar asociado un módulo electrónico de control y de registro 6 (figura 1) . Estos módulos electrónicos 6 pueden estar conectados a un laboratorio central de comando y de sincronización 8. Siguiendo otro modo de funcionamiento, esquematizado sobre la figura 4 , las antenas 2 están conectadas directamente a un laboratorio central 8 que reagrupa todos los módulos electrónicos individuales de control y de registro 6 (figura 1) · Las ondas sísmicas son emitidas en la formación subterránea por una o varias fuentes sísmicas (vibradores) 5. En el caso de fuentes múltiples, las cuales son de emisión simultánea; son comandadas por las señales ortogonales unas relativamente ortogonales con respecto a las otras, de manera que se forme una señal vibratoria compuesta. Los vibradores funcionan de manera permanente o cuando menos durante un periodo bastante prolongado para obtener una relación de la señal en bruto suficiente. Las ondas sísmicas generadas por las fuentes sísmicas 5 se propagan hacia abajo (ondas descendentes 9) . Estas ondas incidentes son registradas primeramente por los receptores 4 de cada pozo 3. Las ondas reenviadas por las discontinuidades de la zona (interfaces sísmicas) se propagan hacia arriba. Estas ondas ascendentes 10 son registradas también por los diferentes receptores 4. De este modo, las ondas ascendentes y descendentes son superpuestas sobre los sismogramas . Se aplican a los registros los tratamientos usuales bien conocidos por los expertos en el arte que convienen a aquellos obtenidos por la técnica llamada de PSV (Profils Sismiques Verticaux) (por sus siglas en francés) . Enseguida, se discriminan las contribuciones respectivas de las fuentes sísmicas a la señal vibratoria compuesta y se reconstruyen los sismogramas equivalentes a aquellos que se obtendrían accionando separadamente las fuentes sísmicas. Como señales ortogonales, se utilizan por ejemplo las señales sinusoidales de frecuencias diferentes entre sí también por sus componentes fundamentales en lugar de por sus armónicas respectivas, o de las señales formadas a base de ondas pequeñas, de polinomios de Legendre o de series aleatorias, etc. En el caso especialmente en donde las señales emitidas son sinusoidales, se obtiene por ejemplo la discriminación de las contribuciones respectivas de las fuentes sísmicas, para la determinación de la amplitud y de la fase de la señal vibratoria compuesta para las frecuencias fundamentales de las señales de comando aplicadas a las fuentes sísmicas. Esta discriminación lleva por ejemplo una ponderación de las señales registradas por un factor de ponderación (o de apodización) del tipo de campana y una determinación de la amplitud y de la fase de la señal compuesta, o bien aún una selección para la transformada de Fourier, de líneas del espectro complejo asociadas respectivamente con diferentes señales ponderadas . La reconstrucción de los sismogramas que corresponden específicamente a las diferentes fuentes sísmicas es efectuada por ejemplo aplicando, después de su separación, una transformada de Fourier inversa, a las líneas asociadas respectivamente a las diferentes señales ponderadas . Por otra parte, ya se conoce la explotación de los depósitos, inducida por las variaciones de las tensiones mecánicas en el depósito y en su cobertura. Estas variaciones de la tensión tienen por efecto generar señales sísmicas que se propagan en los terrenos . Los receptores de diferentes antenas 2 van a registrar estas señales (ondas ascendentes 11) . Como las fuentes sísmicas 5 están situadas mucho más cerca de los receptores 4 de las antenas 2 que del depósito y que la energía que las mismas emiten es mucho más intensa que la energía de las señales microsísmicas inducidas generadas en el depósito, resulta que las señales microsísmicas son generalmente enmascaradas e indetectables . Breve Descripción de la Invención El método según la invención permite separar las señales de microsismicidad inducidas y las señales sísmicas de fuentes múltiples en el marco de las operaciones de la vigilancia de una zona subterránea en el curso de la exploración.
El mismo incluye la emisión de ondas sísmicas en la formación acoplando con ella una o varias fuentes sísmicas. En este último caso, las mismas emiten simultáneamente señales ortogonales de manera relativa entre sí, de modo que se forme una señal vibratoria compuesta, la recepción de las señales reenviadas por la formación en respuesta a la emisión de las ondas sísmicas, el registro de las señales recibidas por al menos un captador sísmico y el tratamiento de las señales registradas para separar las contribuciones respectivas de las fuentes sísmicas de las señales recibidas y reconstruir los sismogramas equivalentes a aquellos que se obtendrían accionando separadamente las fuentes sísmicas. Se separan las señales de microsismicidad inducidas (sísmicas pasivas) de las señales sísmicas emitidas esencialmente aislando la contribución de cada una de las fuentes por la comparación con un modelo espectral de referencia con las frecuencias f ndamentales emitidas y con sus armónicas respectivas, y reconstituyendo en el dominio del tiempo las señales de microsismicidad inducidas y las señales sísmicas emitidas. La contribución espectral de las señales de microsismicidad en el espectro de las señales recibidas es obtenida por ejemplo restando los valores de reamplitud y de las fases asociadas con el modelo espectral de referencia, de la amplitud y de la fase del espectro asociado con los registros. Siguiendo un modo de puesta en funcionamiento, como modelo espectral de referencia, se utiliza por ejemplo un modelo normal formado por una actualización de un modelo espectral teniendo en cuenta la contribución de ciclos de registro precedentes. El modelo espectral normal puede ser formado, determinando un valor promedio de los espectros de frecuencia formados a partir de los registros (anteriores y/o posteriores) obtenidos por la misma fuente y las mismas frecuencias. Siguiendo otro modo de utilización, se forma un modelo espectral normal, determinando un valor promedio de los espectros de frecuencia formados a partir de los registros anteriores obtenidos para la misma fuente y las mismas frecuencias. Siguiendo otro modo de realización, se forma el modelo espectral normal, por la extrapolación o interpolación a partir del espectro de frecuencia a partir de los valores espectrales próximos . Siguiendo otro modo de utilización, se forma el modelo espectral normal utilizando la línea obtenida a esta frecuencia . Siguiendo un modo de utilización, la discriminación de las señales de microsismicidad inducida entre las señales emitidas en el marco de operaciones de vigilancia sísmica activa es obtenida por las siguientes etapas: a) para cada registro n de un ciclo p de registro, se calculan las contribuciones respectivas de las diferentes fuentes a las frecuencias fundamentales; b) se calcula enseguida la relación de la contribución a un modelo espectral normal formado por la actualización de un modelo espectral precedente a partir de las frecuencias emitidas durante el registro precedente asi como sus armónicas; c) se deduce la parte de registro n del ciclo p, que se puede asociar a las operaciones de vigilancia sísmica activa; d) se deduce la parte del registro n del ciclo p, relevando propiamente de la actividad microslsmica pasiva; y e) se forman por inversión en el dominio del tiempo, de las contribuciones espectrales respectivas de cada una de las fuentes sísmicas a las frecuencias fundamentales y a sus armónicas, después del complemento de un ciclo de medidas, los sismogramas que se pueden asociar a las operaciones de vigilancia sísmica activa; y f) se forman por inversión en el dominio del tiempo, a partir de la parte relevante de la actividad microslsmica pasiva, las señales microsísmicas subyacentes contenidas en los registros.
La contribución espectral es obtenida multiplicando una función de transferencia entre una onda pequeña característica de la fuente y un sismograma asociado a un receptor dado, por una onda pequeña característica de la fuente. Esta función de transferencia puede ser actualizada continuamente en el transcurso de un ciclo normal a partir de una estimación hecha en el transcurso de un ciclo precedente y de una estimación inicial hecha en el transcurso de un ciclo común por la relación. Breve descripción de las figuras Las características y ventajas del método según la invención, serán evidentes más claramente con la lectura de la descripción después de un ejemplo no limitativo de utilización, y se hará referencia a las figuras anexas en donde : la figura 1 muestra esquemáticamente el dispositivo de vigilancia colocado sobre el terreno para vigilar sísmicamente una formación subterránea; la figura 2 muestra un modo de disposición de las unidades de emisión-recepción sobre el terreno; la figura 3 muestra esquemáticamente una de estas unidades de emisión-recepción que comprenden una fuente sísmica y una antena de recepción; - la figura 4 muestra una variante del dispositivo de vigilancia de la figura 1 ; y la figura 5 muestra ejemplos de señales y espectros de frecuencia mencionados en el transcurso de la descripción . Descripción Detallada de la Invención El método permite así realizar operaciones de vigilancia sísmica de una zona subterránea utilizando un conjunto de captadores sísmicos y una o varias fuentes sísmicas vibratorias. En el caso de la utilización de varias fuentes simultáneas, las mismas son accionadas simultáneamente por las señales a las diferentes frecuencias elegidas de manera que se puedan discriminar las contribuciones de cada fuente sobre los sismogramas obtenidos a partir de las señales recibidas y registradas. Esto es realizado de una manera general por el comando de las diferentes fuentes por las sinosuides de frecuencias diferentes y por la utilización de las técnicas de cálculo numérico conocidas tales como la transformada de Fourier inversa para separar las contribuciones a los sismogramas obtenidos de diferentes fuentes sísmicas. La distorsión no puede ser despreciable con las fuentes mecánicas. Al mismo tiempo que una frecuencia f±, una misma fuente Si emite las frecuencias 2f¿, 3f± ... nfi . En consecuencia, si i± y fj son las frecuencias respectivas de dos fuentes Si y Sj del conjunto de fuentes, es conveniente tener separadas sus contribuciones respectivas no solamente si fi ? f sino también si f¿ ? 2fj, f¿ ? 3fj, ... f¿ ? nf . Como ya se describe en la patente FR 2,805,051 precitada, si se emite la señal compuesta Pt constituida de la suma de N sinusoides {fi, Ai, F } con 1 < i < N, todas las frecuencias están contenidas en una banda espectral comprendida entre dos frecuencias limites fb y ff, el sismograma Tt observado en el punto tomado para la transformada de Fourier a la frecuencia f±, el número de módulos Ai y de la fase <3i iguales a la amplitud y a la fase de la sinusoide Ti. Se puede así, emitiendo sucesivamente todas las sinusoides de las frecuencias fb a f£, reconstruir por la transformada de Fourier inversa el sismograma Tt. En el caso en donde, por ejemplo, todas las amplitudes Ai son iguales a 1 y todas las fases <E>i son nulas, la señal Pt obtenida está muy próxima a aquella resultante de la auto-correlación de una señal de frecuencia deslizante que varia en el intervalo [¾ - ff/] (deslizamiento), utilizado comúnmente en vibrosísmica . Según la teoría de la transformada de Fourier discreta, bien conocida por lo expertos en el arte, si se desea tener en cuenta la fuente Sa durante el tiempo te, el incremento de la frecuencia entre las sinusoides es Af = l/te y el número de sinusoides necesarias es Nf = (ff - fb)te. Se pueden excitar así simultáneamente N vibradores SI, S2 , Si, ... SN instalados sobre el terreno por medio de señales vibratorias de frecuencias tales que cada fuente sea excitada sucesivamente por cada una de las Nf sinusoides anteriores en cada instante, bajo la reserva que las frecuencias respectivas de las sinusoides emitidas en un mismo instante para las diferentes fuentes sísmicas son todas diferentes entre sí. Se obtiene así con cada vibrador Nf registros que corresponden a las Nf frecuencias seleccionadas en el intervalo de exploración. La separación de las señales recibidas por los captadores sobre el terreno, en respuesta a la emisión simultánea de las diferentes señales es obtenida así por la selección de la línea a la frecuencia apropiada . Se repiten así los ciclos de Nf registros. El registro En de un ciclo de adquisición dado contiene un conjunto de frecuencias fundamentales y armónicas que no dependen de n. Partiendo de esta observación, el método que se va a aplicar para detectar los efectos de la microsismicidad, está basado en la constante verificada en la práctica, que las variaciones de amplitud y de fase observadas a la frecuencia f y el instante t son muy poco diferentes de aquellas observadas a la frecuencia f - Af y al instante t - At . Esto permite formar un modelo espectral acumulativo construido a partir de los registros de los ciclos precedentes a las mismas frecuencias pero formado así sobre un tiempo prolongado durante el cual las características de las señales sísmicas emitidas son susceptibles de variación, y adaptado permanentemente a partir de los registros obtenidos durante un periodo suficientemente breve para que las variaciones de la señal puedan ser despreciables. La eficacia del método propuesto es óptima cuando las frecuencias sucesivas emitidas por una misma fuente se incrementan regularmente . Se podría por ejemplo, alternar los ciclos de las frecuencias ascendentes y de las frecuencias descendentes . Para llegar en la práctica a la puesta en evidencia de esta contribución espectral de las señales microsísmicas subyacentes, se va a proceder como sigue. Notaciones : fi,n, va a designar la frecuencia fundamental emitida por la fuente i durante el registro n (esta frecuencia es independiente del ciclo) ; Para simplificar las notaciones de las magnitudes siguientes, el índice que designa el número del receptor es omitido. Cualquiera que sea la misma, las magnitudes son calculadas de la misma manera. ¾>,n va a designar el registro de la fila n del ciclo
P; CP/i,n< la contribución de la fuente i en el registro n del ciclo p; - Mp<n el modelo inicial de la parte activa del registro n del ciclo p. Este modelo no contiene más que las frecuencias emitidas así como sus armónicas durante el registro n; Ep<n< la relación entre las contribuciones activas del registro n del ciclo p y el modelo inicial de la parte activa del registro n del ciclo p; AP(n, la parte activa del registro n del ciclo p; Pp,n, la parte pasiva del registro n del ciclo p (microsísmica) ; - k el coeficiente de actualización de las desviaciones (típicamente del orden de 15 a 25 %) ; - h el coeficiente de actualización de los modelos (típicamente del orden de 5 a 10 %) . Teniendo en cuenta estas notaciones, el método consiste en una primera etapa, para cada registro n del ciclo p, en calcular las contribuciones respectivas CPIÍ(I1 de las diferentes fuentes a las frecuencias fundamentales así como sus armónicas para el método descrito en la patente FR 2,805,051 precitada. Debido a la presencia eventual de energía microsísmica, la contribución de las diferentes fuentes es susceptible de ser considerada como ruido. Se puede mejorar esta estimación asociando las contribuciones de todos los receptores de un mismo registro CP;i,ri. Estas contribuciones pueden ser consideradas como el producto de dos factores uno de los cuales depende de la fuente (y no del receptor) y el otro del receptor y no de la fuente .
Si el índice r representa el receptor,
T no depende de p, i y n más que por la variación de las características del receptor y de su medio ambiente con el tiempo. Estas variaciones son muy lentas y pueden ser despreciables o estimadas de manera más precisa. S y T son determinadas como un factor aproximado. Se puede elegir así para Sp,i,n el promedio de las ondas descendentes . Este promedio es obtenido por un cálculo bien conocido por aquellos que tratan los PSV (por el desarrollo de las ondas descendentes y promedio) . Las Tp.i,n,r son entonces las funciones de transferencia entre la onda descendente y el sismograma. En el caso en donde se desee tomar en cuenta la variación de T, se puede utilizar por ejemplo el coeficiente de actualización h. para actualizar Tp,i,n,r a partir de Tp,i,n-i,r procediendo de la manera siguiente: Si CoP/iin,r designa la estimación inicial de la contribución C y ToP(i(n<r, aquella del factor receptor, se calcula S por medio de desarrollo teórico y el promedio de las ondas descendentes luego Top,i,n,r por la relación: CoT To ?,?,?
Se obtiene la estimación final del factor receptor por : TP/i,n,r = (1 - h)TPfi,n-i.r + hTop,i,n,r y la contribución final de la fuente i al ciclo p del registro n por:
Se calcula enseguida la relación Ep<ri del registro normal para el modelo espectral por la relación:
EpM Este cálculo necesita el conocimiento de ??.? cuyo cálculo descrito posteriormente es efectuado en el momento del ciclo p-1. Se efectúa una alisaduras frecuencias precedentes de manera que se limite el efecto de energía microsísmica en su estimación. La fórmula propuesta no utiliza más que los registros precedentes y autoriza así el tiempo real. En los casos difíciles, se puede reemplazar esta suma por un promedio o una mediana normal. Se hace trabajar entonces en tiempo diferido (el tiempo necesario para obtener la segunda porción de los registros utilizados en el cálculo del promedio) . Si p+i,n representa el modelo inicial de la parte activa del registro n del ciclo p+1, entonces:
Mp,1,n=0.-h)Mpil¡+h'?Ep¡n_1C¡
Este modelo consiste esencialmente de un promedio ponderado de la contribución normal y de las contribuciones precedentes. La fórmula utilizada autoriza la variación del modelo: la contribución del ciclo p-q al modelo utilizado para el ciclo p es multiplicado por el coeficiente (l-h)q que tiende a cero tanto más rápido que h esté próximo a 1. Esto permite al modelo Mp,n seguir variaciones temporales, y a las relaciones Ep<n reflejar que las variaciones diarias. c) Conociendo el modelo espectral MPiI1 asi como la relación Ep.n de la contribución al modelo establecido precedentemente, se deduce la parte Ap,n del registro n del ciclo p, relevante de la actividad sísmica, Parte Activa:
De la misma manera, la parte PP(I1 del registro n del ciclo p, relevante propiamente de la actividad microsísmica (pasiva) se calcula por la relación: Las contribuciones espectrales respectivas Cp,i,n de cada una de las fuentes Si a las frecuencias fundamentales y a sus armónicas, después del complemento de un ciclo de medidas provistas por FFT inversa, los sismogramas (en el dominio del tiempo) utilizados en el marco de la explotación activa. Para FFT inversa, a partir de la parte Pp,n relevante de las contribuciones pasivas, se obtiene la estimación de la actividad microsísmica subyacente contenida en el registro Rp,n- La actualización de la relación Ep,n entre la contribución normal y el modelo espectral MP/n, es efectuada de manera relativamente rápida de modo que se permitan variaciones rápidas de la señal. La actualización del modelo inicial se efectúa de manera mucho más lenta; de hecho el modelo inicial no podría ser actualizado. El interés de estas actualizaciones es optimizar la estimación de la señal activa cuando sus variaciones no pueden ser controladas (variaciones temporales y diarias) . En los casos más favorables, las mismas no son necesarias y la estimación de la parte activa se reducirá al modelo inicial. Otra simplificación posible es despreciar el ruido sísmico a las frecuencias emitidas (y, si es necesario, a las armónicas de estas frecuencias) . La simplificación no se preocupa más de estimar la parte activa y su contenido, para obtener la parte pasiva, de anular o de interpolar las líneas correspondientes a las frecuencias emitidas (y, si hace falta, aquellas de las armónicas) . En un primer tiempo, se suprimen las líneas armónicas del espectro de frecuencia de cada señal registrada y se interpola la amplitud y la fase a los valores de la línea a la frecuencia de la fuente; y luego se reconstituye por la inversión del registro no afectado por las emisiones de las fuentes que contienen eventualmente una señal microsísmica . Este modo de utilización conviene mejor en el caso de un número de fuentes poco elevado y/o presenta una variabilidad importante de la señal con el tiempo. Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.