RU2799398C1 - Аппаратно-программный комплекс микросейсмического мониторинга разработки нефтяных и газовых месторождений - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в системах регистрации микросейсмического мониторинга (ММ) при проведении поверхностного мониторинга операции гидравлического разрыва пласта (ГРП). Аппаратно-программный комплекс (АПК) микросейсмического мониторинга включает в себя персональный компьютер или мобильное устройство оператора ГРП, выполняющие управление режимом работы АПК, визуализацию в режиме реального времени обработанных данных ММ, отправку управляющих команд на локальный сервер и/или удаленный сервер, выполняющие сбор и специализированную обработку данных ММ, N цифровых сейсмометров для регистрации по трем ортогональным направлениям X, Y, Z сейсмической активности, возбуждаемой при операции ГРП, которые соединены с локальным сервером через соответствующие N точек доступа Wi-Fi и коммутатор доступа локальной беспроводной сети для управления и сбора данных ММ. При этом каждый цифровой сейсмометр включает в себя последовательно соединенные сейсмоприемник, блок управления и регистрации микросейсмических сигналов, блок процессорный, размещенные в едином корпусе, причем в сейсмоприемнике расположены три блока приемников микросейсмических сигналов (ПМС), ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z. При этом каждый блок ПМС включает в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальных усилителей, подключены к сумматору, соединенному через обратный фильтр, состоящему из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω1 до собственной частоты геофона ω0, и фильтр высоких частот с драйвером аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику опорного напряжения. N цифровых сейсмометров соединены с удаленным сервером, через соответствующие N точек доступа Wi-Fi, коммутатор доступа и маршрутизатора, который имеет возможность выхода в сеть Internet и соединяет удаленный сервер с локальной беспроводной сетью через VPN-туннель. Технический результат: расширение эксплуатационных возможностей АПК микросейсмического контроля. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к области сейсмометрии в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано в системах регистрации микросейсмического мониторинга (ММ), например, при проведении поверхностного мониторинга операции гидравлического разрыва пласта (ГРП), поиске залежей углеводородов, определении системы естественной трещиноватости.

Основной проблемой наземных методов контроля гидроразрыва пласта является высокая зашумленность искомых сигналов от микросейсмических импульсов, сопровождающих образование трещины гидроразрыва, техногенными шумами от технологического оборудования, осуществляющего гидроразрыв, которое устанавливают в непосредственной близости от устья скважины.

В настоящее время при решении данных задач с помощью аппаратно-программных комплексов (АПК) микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения, необходимо применение автономных широкополосных высокоточных цифровых сейсмометров, которые располагаются компактной группой.

Как правило, в сетях пассивного сейсмологического мониторинга в качестве сейсмических приемников применяют сейсмометры, позволяющие работать в частотном диапазоне от 0,5 Гц до 60 Гц.

Организация работающей малоапертурной группы в этом случае является экономически нецелесообразной в виду высокой стоимости автономных широкополосных цифровых сейсмометров и отсутствия готовых решений на их основе для обеспечения мониторинга в режиме реального времени.

Высокая стоимость таких сейсмометров, трудоемкость их установки, последующего обслуживания и охраны делают такие работы чрезвычайно затратными.

Вместе с тем сейсмоприемники на базе геофонов, дополненные соответствующими модулями усиления и корректировки амплитудно-частотных характеристик и фильтрации, могут быть использованы в современных АПК микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов.

Подобные цифровые сейсмометры позволяют зарегистрировать сейсмические сигналы, ассоциирующиеся с залежью углеводородов, развитием трещины ГРП.

Методы увеличения частотного диапазона позволяют создать сейсмический приемник, покрывающий необходимый рабочий диапазон частот в области низких частот, при этом верхняя граница частотного диапазона ограничена 1 кГц, что позволяет комплексировать методы пассивного и активного сейсмического мониторинга.

Использование таких сейсмических приемников при разработке АПК микросейсмического контроля позволит увеличить густоту локальных сейсмологических сетей благодаря снижению затрат на их обустройство и обслуживание.

Известны цифровые сейсмометры - регистраторы сейсмических сигналов, которые могут быть использованы при разработке АПК микросейсмического контроля:

ZET 048-С производства ZETLAB [https://zetlab.com/product-category/izmeritelnoborudovanie/seysmostantsii/];

Байкал-8 производства ООО «Р-сенсорс» [http://r-sensors.ru/1_products/Descriptions/BY-8-RU.pdf];

ДЕЛЬТА-ОЗМ производства ООО «Логические системы» [http://logsys.ru/index.php?page=15].

Недостатками таких АПК микросейсмического контроля являются:

- необходимость использования первичных преобразователей различных типов с достаточно большим уровнем выходного сигнала, которые в случае электродинамических сейсмоприемников со значительной инерционной массой имеют низкую стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам, что обусловливает низкую надежность совокупной измерительной системы, а в случае электрохимических (молекулярно-электронных) преобразователей механических величин существенно зависимы от температуры внешней среды, что приводит к неконтролируемому ухудшению соотношения сигнал/шум в процессе измерений в полевых условиях, и требует применения термостатирования, что увеличивает массогабариты и потребляемую мощность;

- невозможность использования первичных преобразователей с малыми уровнями выходного сигнала, вследствие малых коэффициентов усиления;

- невозможность сохранения приемлемого отношения сигнал/шум в случае дополнения вышеупомянутых устройств каскадом усиления со значительным коэффициентом усиления для использования первичных преобразователей с малым уровнем выходного сигнала.

- недостаточно высокое соотношение сигнал/шум при измерениях микросейсмических сигналов на частотах долей и первых герц, в частности для задач поиска углеводородов и слабых сигналов трещиноватой среды при ГРП.

Известен АПК микросейсмического контроля «АНЧАР-Гео» [http://anchar.ru/article/geofizicheskij-kompleks-anchar.html], в котором использован цифровой малошумящий регистратор низкочастотного аналогового сигнала (патент RU 2685067, МПК G01V 1/48, дата публикации 16.04.2019).

Недостатками этого АПК микросейсмического контроля являются:

- применение одного аналого-цифрового преобразователя для оцифровки микросейсмических сигналов с N сейсмоприемников не позволяет корректно определять поляризацию регистрируемой сейсмической волны, что в свою очередь значительно ухудшает точность и достоверность определения направления прихода сейсмической волны и приводит к ошибкам определения координат гипоцентров сейсмических событий;

- блочная структура оборудования, когда сейсмоприемник и регистратор микросейсмических сигналов представляют собой отдельные приборы, конструктивно выполненные в отдельных корпусах, приводит к ухудшению характеристик надежности и мобильности работы автономного устройства при полевом использовании и транспортировке.

Аналогом также является АПК микросейсмического контроля, реализующий способ контроля процесса гидроразрыва пласта залежи углеводородов, по которому осуществляют одновременную синхронную регистрацию сейсмических колебаний на дневной поверхности над забоем скважины, в которой производится гидроразрыв пласта, при этом используют сейсмическую антенну и цифровую регистрирующую аппаратуру REFTEK фирмы Refraction Technology, Inc., США, осуществляют обработку сейсмических сигналов в реальном времени и по результатам обработки определяют размеры и направление развития поверхностей трещиноватости, обеспечивая, таким образом, контроль процесса гидроразрыва пласта (патент RU 2319177, МПК G01V 1/00, дата публикации 10.03.2008).

Недостатком данного АПК микросейсмического контроля является невысокая частота оцифровки 500 Гц и плохая синхронизация отдельных регистраторов REFTEK с помощью GPS.

Прототипом является АПК микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов на основе площадных систем наблюдения и суперкомпьютерных методов обработки информации, содержащий, по крайней мере, один телеметрический сейсмический бортовой модуль управления и регистрации с 32-мя полевыми модулями, соединенный посредством сети Ethernet с сервером сбора и обработки данных ММ, при этом каждый полевой модуль включает в себя: трехкомпонентный сейсмический приемник скорости смещения, три канала аналоговых усилителей, аналого-цифровой преобразователь, линию связи с телеметрическим бортовым модулем управления и регистрации, все модули вместе с сейсмическими приемниками устанавливаются в виде сейсмической антенны апертурой до 1000 метров на дневной поверхности в эпицентральной зоне перфорации скважины, в которой производится гидроразрыв, а устройство сбора и обработки данных выполнено в виде сервера сбора и обработки микросейсмических данных, включающего базу данных ММ, программный модуль предварительной обработки данных, осуществляющий предварительную обработку и подготовку данных для специализированной обработки, программный модуль специализированной обработки данных, который путем решения обратной кинематической задачи с использованием методики параллельных вычислений на кластере определяет скорости сейсмических волн в среде, пространственные координаты источников микросейсмической эмиссии, оценивают по картам распределения источников микросейсмической эмиссии в трех плоскостях направление и длину трещины разрыва непосредственно на месторождении для принятия решений по выбору параметров операций ГРП (патент RU 2618485, МПК G01V 1/28, дата публикации 03.05.2017).

В прототипе используется частота оцифровки 1-4 кГц и синхронная оцифровка всех каналов регистрации сейсмических данных ММ, что повышает достоверность выделения (обнаружения) и точность определения пространственных координат источников микросейсмической эмиссии.

Основным недостатком прототипа являются ограниченные эксплуатационные возможности АПК микросейсмического контроля, обусловленные следующими факторами:

- обработку цифрового сигнала можно осуществлять только на локальном сервере, поскольку модуль управления и регистрации передает данные в сервер сбора и обработки данных по сети Ethernet, при этом необходимо вести сбор и обработку данных на сервере, который будет находиться на месте проведения операции ГРП, что не всегда реализуемо в полевых условиях;

- для передачи цифрового сигнала в модуль управления и регистрации используются линии связи в виде сигнальных кабелей, что не позволяет развертывать комплекс в условиях болотистой местности, в зоне наличии водоемов, на территории частной собственности, причем длина сигнальных кабелей в пересчете на все приборы может достигать нескольких десятков километров, при этом высокая трудоемкость их прокладки, последующего обслуживания и охраны делают такие системы чрезвычайно затратными;

- кабельные системы подвержены механическим и атмосферным воздействиям, что отрицательно сказывается на надежности комплекса в целом.

К недостаткам прототипа также следует отнести ограниченное количество полевых модулей регистрации микросейсмической эмиссии (сейсмоприемников), что в определенных условиях, в зависимости от дизайна ГРП, не позволяет накрывать необходимую площадь наблюдения операции ГРП, при этом мощность сигнала, обусловленная процессами ГРП в разрабатываемом пласте, незначительно превышает мощность микросейсмического фона, и, в свою очередь, приводит к низкому соотношению сигнал-шум, причем для выделения полезного сигнала на фоне сильного шума необходимо иметь в распоряжении хорошую статистику накопленных данных ММ, что реализуемо только при наличии достаточного количества сейсмоприемников.

Таким образом, известные из уровня техники АПК микросейсмического контроля обладают недостатками, и требуется расширение их арсенала для удовлетворения потребностей производителей и потребителей аппаратно-программных комплексов микросейсмического контроля разработки континентальных и шельфовых месторождений углеводородов.

Техническая задача, решаемая посредством разработанного АПК, состоит в расширении арсенала указанных аппаратно-программных комплексов контроля на основе мониторинга сейсмической активности в режиме реального времени, обеспечении возможности их использования в различных эксплуатационных условиях, возможности повышения эффективности и безопасности разработки месторождения углеводородов и повышения коэффициента извлечения углеводородов.

Основным техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей АПК микросейсмического контроля.

Кроме того, техническим результатом является повышение точности и достоверности определения направления прихода сейсмической волны и снижения ошибок определения координат гипоцентров сейсмических событий, а также повышение надежности и мобильности работы АПК за счет повышения надежности и мобильности работы цифровых сейсмометров АПК микросейсмического контроля при их полевом использовании и транспортировке, обеспечение возможности регистрации слабых сейсмических сигналов в большом динамическом диапазоне за счет улучшения соотношения сигнал/шум и ослабления низкочастотного шума в области частот ниже нижней граничной частоты ω₁.

Техническим результатом также является повышение точности и достоверности регистрируемых микросейсмических сигналов, повышение помехозащищенности работы АПК за счет повышения помехозащищенности выходного сигнала цифровых сейсмометров АПК микросейсмического контроля.

Технический результат достигается тем, что аппаратно-программный комплекс (АПК) микросейсмического мониторинга (ММ) разработки нефтяных и газовых месторождений, согласно настоящему изобретению, включает в себя персональный компьютер или мобильное устройство оператора гидроразрыва пласта (ГРП), выполняющие управление режимом работы АПК, визуализацию в режиме реального времени обработанных данных ММ, отправку управляющих команд на локальный сервер и/или удаленный сервер, выполняющими сбор и специализированную обработку данных ММ, N цифровых сейсмометров для регистрации по трем ортогональным направлениям X, Y, Z сейсмической активности, возбуждаемой при операции ГРП, которые соединены с локальным сервером через соответствующие N точек доступа Wi-Fi и коммутатор доступа локальной беспроводной сети для управления и сбора данных ММ, при этом каждый цифровой сейсмометр включает в себя последовательно соединенные сейсмоприемник, блок управления и регистрации микросейсмических сигналов, блок процессорный, размещенные в едином корпусе, причем в сейсмоприемнике расположены три блока приемников микросейсмических сигналов (ПМС), ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z, при этом каждый блок ПМС включает в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальных усилителей, подключены к сумматору, соединенному через обратный фильтр, состоящему из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω₁ до собственной частоты геофона ω₀, и фильтр высоких частот с драйвером аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику опорного напряжения.

А также тем, что N цифровых сейсмометров соединены с удаленным сервером, через соответствующие N точек доступа Wi-Fi, коммутатор доступа и маршрутизатора, который имеет возможность выхода в сеть Internet и соединяет удаленный сервер с локальной беспроводной сетью через VPN-туннель.

А также тем, что блок управления и регистрации микросейсмических сигналов содержит блок АЦП, подключенный к блоку опорного напряжения, причем блок АЦП содержит три микросхемы АЦП, каждая из которых принимает аналоговый сигнал от соответствующего геофона и через цифровой изолятор шин данных (ГДИШД) и мультиплексор соединена с микроконтроллером управления, подключенным к ЦИШД, GPS/ГЛОНАСС приемнику, соединенному с активной антенной, и генератору тактовых сигналов.

А также тем, что блок процессорный представляет собой одноплатный компьютер, соединенный с микроконтроллером блока управления и регистрации микросейсмических сигналов, причем одноплатный компьютер имеет карту памяти, порты USB, модуль Bluetooth, модуль Wi-Fi и разъем RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet.

А также тем, что на лицевой панели корпуса цифрового сейсмометра размещены активная GPS/ГЛОНАСС антенна, порты USB, разъем RJ-45, разъем для подключения источника питания и пузырьковый уровень горизонта, а также светодиоды для индикации режима работы цифрового сейсмометра и кнопка Старт/Стоп, подключенные к микроконтроллеру управления.

А также тем, что на каждом геофоне установлен коэффициент демпфирования, равный единице при помощи, подключенного параллельно геофону, шунтирующего резистора R_d, номинал сопротивления которого определяется из соотношения:

где h_m - механическое демпфирование, R_c - сопротивление катушки геофона, m - масса подвижной части геофона, ω₀ - собственная частота геофона, G - чувствительность геофона при открытой цепи.

А также тем, что каждый геофон содержит два подтягивающих резистора R_p, имеющих номинал сопротивления, равный 100 кОм, посредством которых выходные сигналы каждого геофона подтянуты к земляному потенциалу.

А также тем, что каждый инструментальный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель со сверхнизкими шумами с коэффициентом усиления 0 дБ.

А также тем, что сумматор представляет собой аналоговый сумматор на операционном усилителе, причем выходной сигнал

на выходе сумматора определяется из соотношения

где V₁, V₂, … V_N - выходные напряжения с каждого геофона, а соотношение номиналов резисторов R_f и R_a задает необходимый коэффициент усиления суммарного сигнала.

А также тем, что передаточная характеристика первого полосового интегратора определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал первого полосового интегратора;

- выходной сигнал с сумматора, а передаточная характеристика второго полосового интегратора определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал со второго полосового интегратора,

- выходной сигнал с первого полосового интегратора.

А также тем, что фильтр высоких частот представляет собой два последовательно соединенных фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, при этом передаточная характеристика первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал со второго полосового интегратора;

- выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, а передаточная характеристика второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка,

- выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.

А также тем, что драйвер аналого-цифрового преобразователя представляет собой прецизионный драйвер со сверхнизкими искажениями, который преобразовывает несимметричный сигнал в симметричный.

На фигурах 1, 2, 3, 4 и 5 представлены функциональные схемы, соответственно, АПК микросейсмического мониторинга разработки нефтяных и газовых месторождений, цифрового сейсмометра, сейсмоприемника с тремя расположенными в нем блоками ПМС, блока управления и регистрации микросейсмических сигналов, блока процессорного.

На фигуре 6 представлена электрическая схема каждого блока приемников ПМС, включающая в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальные усилители подключены к сумматору.

На фигуре 7 представлена электрическая схема обратного фильтра каждого блока ПМС.

На фигуре 8 представлена электрическая схема фильтра высоких частот каждого блока ПМС.

На фигуре 9 представлена электрическая схема драйвера аналого-цифрового преобразователя каждого блока ПМС.

Аппаратно-программный комплекс микросейсмического мониторинга разработки нефтяных и газовых месторождений (см. фиг.1) включает в себя персональный компьютер 1 или мобильное устройство оператора гидроразрыва пласта, выполняющие управление режимом работы АПК, визуализацию в режиме реального времени обработанных данных ММ, отправку управляющих команд на локальный сервер 2 и/или удаленный сервер 3, выполняющими сбор и специализированную обработку данных ММ, а также N цифровых сейсмометров 6 для регистрации по трем ортогональным направлениям X, Y, Z сейсмической активности, возбуждаемой при операции ГРП, которые могут быть соединены с локальным сервером 2 через соответствующие N точек 4 доступа Wi-Fi и коммутатор 5 доступа локальной беспроводной сети для управления и сбора данных ММ.

N цифровых сейсмометров 6 могут быть соединены с удаленным сервером 3, через соответствующие N точек 4 доступа Wi-Fi, коммутатор доступа 5 и маршрутизатор 7, который имеет возможность выхода в сеть Internet и соединяет удаленный сервер 3 с локальной беспроводной сетью через VPN-туннель.

Каждый цифровой сейсмометр 6 (см. фиг.2) включает в себя последовательно соединенные сейсмоприемник 8, блок 9 управления и регистрации микросейсмических сигналов, блок 10 процессорный, размещенные в едином корпусе 56.

Сейсмоприемник 8 содержит три расположенных в нем блока ПМС 11, 12 и 13, ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z соответственно (см. фиг.3).

Блок 11 сейсмоприемника 8 (Х-канал) включает в себя N геофонов 14 (14₁, 14₂ … 14_N), которые через соответствующие инструментальные усилители 15 (15₁, 15₂ … 15_N), сумматор 16, обратный фильтр 17, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω₁ до собственной частоты геофона ω₀, и фильтр 18 высоких частот соединены с драйвером 19 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 20 опорного напряжения (см. фиг.3).

Блок 12 сейсмоприемника 8 (Y -канал) включает в себя N геофонов 21 (21₁, 21₂ … 21_N), которые через соответствующие инструментальные усилители 22 (22₁, 22₂ … 22_N), сумматор 23, обратный фильтр 24, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω₁ до собственной частоты геофона ω₀, и фильтр 25 высоких частот соединены с драйвером 26 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 27 опорного напряжения (см. фиг.3).

Блок 13 сейсмоприемника 8 (Z -канал) включает в себя N геофонов 28 (28₁, 28₂ … 28_N), которые через соответствующие инструментальные усилители 29 (29₁, 29₂ … 29_N), сумматор 30, обратный фильтр 31, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω₁ до собственной частоты геофона ω₀, и фильтр 32 высоких частот соединены с драйвером 33 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 34 опорного напряжения (см. фиг.3).

Таким образом, микросейсмические сигналы, регистрируемые геофонами (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,) и (28₁, 28₂ … 28_N) с каждого ортогонального направления X, Y, Z соответственно, преобразуются в аналоговые электрические сигналы.

Блок 9 управления и регистрации микросейсмических сигналов (см. фиг.4) содержит блок 35 аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключенный к блоку 36 опорного напряжения. Блок 35 АЦП содержит три микросхемы 37, 38, 39.

Микросхемы АЦП 37, 38, 39 принимают аналоговый сигнал, от соответствующих геофонов (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,) и (28₁, 28₂ … 28_N), и через, соответственно, цифровые изоляторы 40, 41, 42 шин данных (ЦИШД) и мультиплексоры 43, 44, 45 соединены с микроконтроллером 46 управления, подключенным к ЦИШД 40, 41, 42, GPS/ГЛОНАСС приемнику 47, соединенному с активной GPS/ГЛОНАСС антенной 48, и генератору 49 тактовых сигналов.

Блок 10 процессорный (см. фиг.5) представляет собой одноплатный компьютер 50, соединенный с микроконтроллером 46 блока 9 управления и регистрации микросейсмических сигналов.

Одноплатный компьютер 50 имеет карту 51 памяти, порты 52 USB, модуль 53 Bluetooth, модуль 54 Wi-Fi и разъем 55 RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet.

На лицевой панели корпуса 56 цифрового сейсмометра 6 размещены активная GPS/ГЛОНАСС антенна 48, порты 52 USB, разъем 55 RJ-45, разъем 57 для подключения источника питания и пузырьковый уровень 58 горизонта, а также три светодиода 59 - LED-индикаторы - («Power», «GPS», «Mode») для индикации режима работы цифрового сейсмометра 6 и кнопка 60 "Старт/Стоп". Светодиоды 59 и кнопка 60 подключены к микроконтроллеру 46 управления.

Пример конкретного выполнения и работы сейсмоприемника 8.

Сейсмоприемник 8 представляет собой трехкоординатный сейсмоприемник и является мобильным широкополосным устройством на базе геофонов GS-ONE LF с собственной частотой 4,5 Гц (URL: https://geospace-ufa.ru/products/geofonvbez-korpusov/gs-one-lf/:[сайт).

Сейсмоприемник 8 содержит, в каждом блоке ПМС 11, 12, 13, платы из соответствующих инструментальных усилителей (15₁, 15₂ … 15_N), (22₁, 22₂ … 22_N), (29₁, 29₂ … 29_N), соответствующих сумматоров 16, 23, 30 и соответствующие схемы корректировки амплитудно-частотной характеристики каждого геофона (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N).

Поскольку чувствительность одного геофона GS-ONE LF (89,4 В/м/с) является недостаточной в системах регистрации микросейсмических данных, на каждое ортогональное направление (X, Y, Z) установлено N геофонов: (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,) и (28₁, 28₂ … 28_N), сигналы с которых, проходя через соответствующие инструментальные усилители (15₁, 15₂ … 15_N), (22₁, 22₂ … 22_N), (29₁, 29₂ … 29_N), суммируются с необходимым коэффициентом усиления при помощи соответствующих сумматоров 16, 23, 30, в результате чего общая чувствительность сейсмоприемника 8 достигает величины порядка 2000 В/м/с, что сопоставимо с широкополосными цифровыми сейсмометрами, используемыми в сетях сейсмологического наблюдения.

На каждом геофоне (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,) и (28₁, 28₂ … 28_N) установлен коэффициент демпфирования, равный единице, при помощи, подключенного параллельно геофону, шунтирующего резистора R_d, номинал сопротивления которого определяется из соотношения:

где h_m - механическое демпфирование, R_c - сопротивление катушки геофона, m - масса подвижной части геофона, ω₀ - собственная частота геофона, G - чувствительность геофона при открытой цепи (см. фиг.6).

Каждый геофон (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,) и (28₁, 28₂ … 28_N) содержит подтягивающий резистор R_p, имеющий номинал сопротивления, равный 100 кОм, посредством которого выходные сигналы каждого геофона подтянуты к земляному потенциалу (см. фиг.6).

Каждый инструментальный усилитель (15₁, 15₂ … 15_N,), (22₁, 22₂ … 22_N), (29₁, 29₂ … 29_N) представляет собой дифференциальный усилитель со сверхнизкими шумами с коэффициентом усиления 0 дБ (см. фиг.6).

Выходной дифференциальный сигнал каждого геофона (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N) поступает на соответствующий инструментальный усилитель (15₁, 15₂ … 15_N), (22₁, 22₂ … 22_N), (29₁, 29₂ … 29_N), который преобразует симметричный сигнал в несимметричный.

Выходной сигнал каждого инструментального усилителя (15₁, 15₂ … 15_N), (22₁, 22₂ … 22_N), (29₁, 29₂ … 29_N) поступает на соответствующий сумматор 16, 23, 30, который производит суммирование всех сигналов от N геофонов (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N) в соответствующем ортогональном направлении (X, Y, Z).

Данное суммирование приводит к уменьшению шума в выходном сигнале и увеличивает соотношение сигнал/шум в

раз.

Каждый сумматор 16, 23, 30 представляет собой аналоговый сумматор на операционном усилителе, причем выходной сигнал V_sum на выходе каждого сумматора 16, 23, 30 определяется из соотношения:

где V₁, V₂, … V_N - выходные напряжения с каждого геофона, а соотношение номиналов резисторов R_f и R_a задает необходимый коэффициент усиления

суммарного сигнала (см. фиг.6).

Основным ограничением аппаратной корректировки частотной характеристики геофона является наличие аппаратного шума, прежде всего шума операционных усилителей.

В качестве операционных усилителей, входящих в состав сумматоров 16, 23, 30, обратных фильтров 17, 24, 31 выбраны малошумящие прецизионные операционные усилители ОРА2211 от компании Texas Instruments со спектральной плотностью мощности шума 1,1 нВ/Гц.

Данные усилители имеют сверхнизкие значения температурного дрейфа и низкое электропотребление, что является преимуществом при применении в автономных системах сейсмологического мониторинга.

Для восстановления амплитудно-частотной характеристики каждого геофона (6₁, 6₂ … 6_N,), (13₁, 13₂ … 13_N,) и (20₁, 20₂ … 20_N) в диапазоне частот от ω₁ до ω₀, где ω₀ собственная частота геофона, а со₁ нижняя частота коррекции амплитудно-частотной характеристики геофона, использована схема коррекции на основе обратного фильтра.

Выходной сигнал с каждого сумматора 16, 23, 30 поступает на соответствующий обратный фильтр 17, 24, 31, каждый из которых представляет собой два последовательно соединенных интегратора с крутизной частотной характеристики 12 дБ/октаву (крутизна частотной характеристики каждого интегратора 6 дБ/октаву). Реализация каждого обратного фильтра 17, 24, 31 на базе двух последовательно соединенных интеграторов представлена на фиг.7.

Передаточная характеристика первого полосового интегратора определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал первого полосового интегратора;

- выходной сигнал с сумматора. По заданным значениям С₁, R₂, R₃ можно определить номиналы сопротивления R₁ и R₄ при помощи следующих уравнений:

Передаточная характеристика второго полосового интегратора определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал со второго полосового интегратора,

- выходной сигнал с первого полосового интегратора. По заданным значениям С₂, R₆, R₇ можно определить номиналы сопротивления R₅ и R₈ при помощи следующих уравнений:

Соответственно два последовательно включенных интегратора формируют передаточную характеристику:

Для расширения частотного диапазона геофона GS-ONE LF в области 0,5-4,5 Гц, использована схема коррекции на основе обратного фильтра.

Обратные фильтры 17, 24, 31 имеют усиление 12 дБ на октаву в полосе частот 0,5-4,5 Гц.

Для того, чтобы обеспечить устойчивый режим работы схемы коррекции и подавления низкочастотного шума, который усиливается при прохождении обратного фильтра в полосе частот ниже частоты корректировки ω₁ (в области частот ниже 0,5 Гц) были применены, в качестве фильтров высоких частот 18, 25, 32, два последовательно соединенных фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, которые подавляют частоты ниже 0,5 Гц.

Реализация каждого фильтра 18, 25, 32 высоких частот на базе двух последовательно соединенных фильтров высоких частот Баттерворта 2-го порядка представлена на фиг.8.

Передаточная характеристика первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал со второго полосового интегратора;

- выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.

Передаточная характеристика второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка;

- выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.

Для передачи аналогового сигнала в тракт аналого-цифровых преобразователей выходной сигнал с каждого фильтра 18, 25, 32 высоких частот подключен к соответствующему драйверу 19, 26, 33 аналого-цифрового преобразователя, в качестве которых выбраны прецизионные драйверы LMP8350 со сверхнизкими искажениями, которые преобразовывают несимметричный сигнал в симметричный. Реализация каждого драйвера 19, 26, 33 аналого-цифрового преобразователя представлена на фиг.9.

Содержащиеся, в каждом блоке ПМС 11, 12, 13, платы из соответствующих инструментальных усилителей (15₁, 15₂ … 15_N), (22₁, 22₂ … 22_N), (29₁, 29₂ … 29_N), соответствующих сумматоров 16, 23, 30 и соответствующие схемы корректировки амплитудно-частотной характеристики каждого геофона GS-ONE LF (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N), позволяют расширить рабочий частотный диапазон геофонов GS-ONE LF в сторону низких частот с первоначальной 4,5 Гц до 0,5 Гц.

Точность измерения аналого-цифрового преобразователя, а также его температурная стабильность зависит в значительной степени от точности и стабильности источника опорного напряжения.

Точность преобразования при проведении абсолютных измерений определяется точностью опорного сигнала. Однако в задачах сейсмологического мониторинга главным показателем является не абсолютная точность, а стабильность и повторяемость результатов измерения с малым уровнем вносимого аппаратного шума. Поэтому в качестве источников 12, 19, 26 опорного напряжения выбрана микросхема ADR02, которая имеет выходное напряжение 5 В, значение шума 10 мкВ в полосе частот 0,1-10 Гц и температурную стабильность 3 ppm/С.

Таким образом, выполнение сейсмоприемника 8 в соответствии с предложенным техническим решением, позволяет регистрировать слабые сейсмические сигналы в большом динамическом диапазоне за счет улучшения соотношения сигнал/шум и ослабления низкочастотного шума в области частот ниже нижней граничной частоты ω₁, повысить помехозащищенность выходного сигнала за счет использования симметричного выходного сигнала, повысить точность и достоверность регистрируемых сейсмических сигналов за счет применения группирования геофонов, повысить надежность и мобильность работы устройства при полевом использовании за счет применения геофонов в качестве первичного преобразователя.

Пример конкретного выполнения и работы блока 9 управления и регистрации микросейсмических сигналов.

Блок 9 управления и регистрации микросейсмических сигналов предназначен для сбора аналогового сигнала, поступающего с блока 8 сейсмоприемника, и управления режимами работы цифрового сейсмометра 6.

Блок 9 содержит плату фильтрации и оцифровки аналоговых сигналов, полученных с сейсмоприемника 8, микроконтроллер 46 управления и модуль синхронизации.

Плата фильтрации и оцифровки аналоговых сигналов позволяет одновременно выполнять оцифровку сигналов по трем каналам цифрового сейсмометра 6.

Микроконтроллер 46 управления представляет собой микроконтроллер STM32F030C, работающий на частоте 48 МГц.

Программное обеспечение микроконтроллера 46 блока управления и регистрации 9 предназначено для выполнения логики работы основных узлов цифрового сейсмометра 6.

Блок управления и регистрации 9 обеспечивает следующие функции:

- синхронизация цифрового сейсмометра 6 с астрономическим временем и определение его географических координат;

- установка расписания времени начала и остановки регистрации данных ММ;

- запуск и остановка режима регистрации данных от кнопки 60 «Старт/Стоп», размещенной на лицевой панели корпуса 56;

- индикация статуса и режимов работ цифрового сейсмометра 6 при помощи светодиодов 59, размещенных на лицевой панели корпуса 56;

- оцифровка сигналов, поступающих с сейсмоприемника 8;

- формирование и передача массива данных в одноплатный компьютер 50 по интерфейсу SPI;

- прием и обработка управляющих команд с одноплатного компьютера 50 по интерфейсу SPI.

Модуль синхронизации включает в себя GPS/ГЛОНАСС приемник 47 и генератор 49 тактовых сигналов, соединенный с микроконтроллером 46. Модуль синхронизации измерительного комплекса по GPS/ГЛОНАСС позволяет осуществлять синхронную запись с сейсмоприемника 8 с заданной точностью. GPS/ГЛОНАСС приемник 47 соединен с активной антенной 48 и обеспечивает привязку измеряемых микросейсмических сигналов к мировому времени и текущим географическим координатам.

На качество записанной информации при регистрации микросейсмического сигнала существенное влияние оказывает правильно подобранный аналого-цифрового преобразователь.

Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя определяет, с какой частотой будет выполняться выборка аналогового сигнала и преобразовываться в цифровой сигнал.

Чем выше частота дискретизации, тем ближе результат преобразования к исходному сигналу. С учетом того, что верхняя граничная частота геофонов (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N) ограничена величиной порядка 1 кГц, частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя выбрана в области 4 кГц.

Важным параметром, определяющим качество преобразования, является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Разрядность определяет количество уровней квантования входного аналогового сигнала и характеризует порог чувствительности и динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя.

С учетом требования повышенной точности измерений за счет более высокого уровня разрядности оцифровки, в качестве АЦП 37, 38, 39 выбран 32 битный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь ADS1281IPW от компании Texas Instruments.

В составе микросхем АЦП 37, 38, 39 имеется встроенный цифровой фильтр с бесконечной импульсной характеристикой первого порядка, что позволяет подавлять низкочастотный тренд, который может присутствовать в сигнале от соответствующих геофонов (14₁, 14₂ … 14N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N), вне рабочем диапазоне частот.

За счет применения в блоке 9 управления и регистрации трех аналого-цифровых преобразователей (микросхемы АЦП 37, 38, 39), оцифровка сигнала от соответствующих геофонов (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N) выполняется одновременно, в отличие от последовательной оцифровки сигнала в известных устройствах.

Это позволяет более точно определять поляризацию микросейсмического сигнала, которая необходима в задачах определения направления прихода сейсмической волны, а также для локализации гипоцентра сейсмического источника методами поляризационного анализа. Частота оцифровки АЦП 37, 38, 39 задается программно и устанавливается от 250 Гц до 4 кГц.

В качестве блока 36 опорного напряжения выбрана микросхема ADR02 от компании Analog Devices, которая имеет выходное напряжение 5 В, значение шума 10 мкВ в полосе частот 0,1-10 Гц и температурную стабильность 3 ppm/С.

Реальный потенциал высокоточного аналого-цифрового преобразователя может быть достигнут только при хорошем разделении аналоговых и цифровых цепей. Цифровые компоненты, работающие с высокочастотными логическими сигналами, могут создавать значительные радиочастотные помехи, которые в свою очередь через возвратные токи могут инжектироваться в контур аналогового сигнала. Поэтому в системах со смешанными сигналами крайне желательно физически отделить чувствительные аналоговые компоненты от шумных цифровых компонент, предотвращая тем самым наложение цифровых шумов на аналоговые цепи сигналов преобразователя и, как результат, улучшить соотношение сигнал-шум, помехозащищенность и электромагнитную совместимость.

По этой причине аналоговая часть схемы, содержащая АЦП 37, 38, 39, гальванически изолирована от шумных цифровых компонент при помощи, соответственно, ЦИШД 40, 41, 42, в качестве которых выбран цифровой изолятор шин данных ADuM 140х от компании Analog Devices.

Сбор данных, задание режимов работы и синхронизация всех трех АЦП 37, 38, 39 осуществляется программно, через синхронно-последовательный интерфейс SPI, при помощи микроконтроллера 46 управления, в качестве которого выбран микроконтроллер STM32F030C от компании STMicroelectronics.

Однако интерфейс SPI АЦП 37, 38, 39 не имеет порта Chip Select, позволяющего подключать к одному ведущему устройству несколько ведомых устройств.

Для того чтобы решить данную проблему, использованы мультиплексоры 43, 44, 45, в качестве которых выбран мультиплексор TS5A3357 от компании Texas Instruments, что позволило как взаимодействовать каждым аналого-цифровым преобразователем в отдельности, так и отправлять широковещательные команды одновременно всем трем АЦП 37, 38, 39.

За счет применения модуля синхронизации, достигается привязка измеряемых микросейсмических сигналов к мировому времени и к текущим географическим координатам. В качестве GPS/ГЛОНАСС приемника 47 выбран энергоэффективный GPS/ГЛОНАСС приемник SIM68ML от компании Simcom, построенный на базе чипсета MediaTek, обладающий малым током потребления и большой чувствительностью в совмещенном режиме GPS/ГЛОНАСС. Чувствительность приемника SIM68ML составляет порядка 160 дБм и обладает функцией фильтрации помех и оповещения об их наличии, работает в комплексе с активной антенной 48, которая имеет встроенный LNA усилитель/фильтр на 28 дБи и крепится на лицевой панели корпуса цифрового сейсмометра 6. Приемник SIM68ML подключен к микроконтроллеру 46 посредством последовательного интерфейса UART, работающего на скорости 115200 бод/сек. Помимо этого, приемник SIM68ML также выдает сигнал PPS (Pulse Per Second).

Момент передачи сообщения GPS/ГЛОНАСС приемника 47 никак не связан с передним фронтом сигнала PPS. В случае привязки GPS/ГЛОНАСС приемника 47 к спутникам, данная микросхема начинает генерировать сигнал PPS и между сигналами PPS выдает через интерфейс UART точное время по Гринвичу и координаты устройства. Сигнал PPS подключен на один из портов общего назначения микроконтроллера 46.

При поступлении сигнала PPS, в микроконтроллере 46 срабатывает внешнее прерывание, в обработчике данного прерывания микроконтроллер 46 считывает сообщение с GPS/ГЛОНАСС приемника 47. Далее происходит валидация данного сообщения и в случае успешной валидации, выполняется парсинг данных и считывается текущее время, которое соответствует последнему сигналу PPS. Следующим шагом микроконтроллер 46 программирует внутренние часы реального времени, записывает полученные временные данные для следующей секунды времени и ждет прихода очередного сигнала PPS. При поступлении очередного сигнала PPS, в микроконтроллере 46 также срабатывает внешнее прерывание, в обработчике прерывания микроконтроллер 46 запускает часы реального времени уже с записанными временными данными. Далее работа часов тактируется от внешнего высокостабильного генератора 49 тактовых сигналов в качестве которого выбран высокоточный термокомпенсированный кварцевый генератор с частотой 12,8 МГц и стабильностью частоты 0.28 ppm.

Пример конкретного выполнения и работы процессорного блока 10.

Блок 10 представляет собой одноплатный компьютер 50, построенный на базе процессора Broadcom ВСМ2711, Cortex-А72 @ 1.5GHz, который через последовательный интерфейс SPI, сопряжен с блоком 9 управления и регистрации.

В данной конфигурации блок 9 является ведомым устройством и управление блоком 9 полностью осуществляется через одноплатный компьютер 50.

Программное обеспечения для процессорного блока 10 реализовано в виде скрипта, которое запускается во время загрузки операционной системы и обеспечивает следующие функции:

- считывание с карты памяти 51 информации, определяющей текущую настройку режима работы цифрового сейсмометра 6 и ее передачу на микроконтроллер 46 блока 9 управления и регистрации по интерфейсу SPI;

- прием массива данных, отправленных микроконтроллером 46 блока 9 управления и регистрации, последующая запись на карту памяти 51 microSD и/или потоковую передачу через разъем 55 RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet на внешнее устройство.

- прием команд управления с внешнего устройства.

- отправка команд на блок 9 управления и регистрации.

Текущие настройки режима работы цифрового сейсмометра 6 хранятся на карте памяти 51 microSD процессорного блока 10. Процессорный блок 10 работает на операционной системе GNU Linux и для сопряжения с внешними устройствами имеет на борту несколько портов 52 USB, модуль 53 Bluetooth Bluetooth 5.0 Low Energy, модуль 54 Wi-Fi 2.4GHz/5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac и разъем 55 RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet.

Рассмотрим укрупненно функционирование предложенного аппаратно-программного комплекса микросейсмического мониторинга разработки нефтяных и газовых месторождений в режиме реального времени.

Группа N цифровых сейсмометров 6 (см. фиг.1) распределяется на дневной поверхности по географическим координатам в виде сейсмической антенны в эпицентральной зоне перфорации скважины, в которой проводят операцию гидроразрыва пласта (ГРП).

Временная синхронизация работы группы N цифровых сейсмометров 6 в течение длительного времени осуществляется за счет использования сигналов точного мирового времени.

Источником сигналов точного времени в начальный момент синхронизации является высокоточный GPS/ГЛОНАСС-приемник 47.

Данные, принимаемые с высокоточного GPS/ГЛОНАСС-приемника 47, синхронизируют работу группы N цифровых сейсмометров 6, работающих от высокостабильных термокомпенсированных генераторов 49 тактовых сигналов.

За счет организованной, встроенной системы временной синхронизации, обеспечивается высокоточная привязка регистрируемых микросейсмических сигналов к единому мировому времени и к географическим координатам.

Сейсмоприемник 8 цифрового сейсмометра 6 в каждом из трех ортогонально ориентированных направлениях X, Y, Z содержит N геофонов: (14₁, 14₂ … 14_N,) - в направлении X, (21₁, 21₂ … 21_N,), - в направлении Y, (28₁, 28₂ … 28_N) - в направлении Z.

Микросейсмические сигналы, регистрируемые с каждого ортогонального направления - геофонами (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N) - преобразуются в аналоговые симметричные электрические сигналы. Далее эти сигналы преобразуются в несимметричный вид при помощи операционных усилителей (15₁, 15₂ … 15_N), (22₁, 22₂ … 22_N), (29₁, 29₂ … 29_N) и поступают на соответствующие сумматоры 16, 23, 30. Далее корректируются амплитудно-частотные характеристики в области спада чувствительности сейсмоприемника 8 обратными фильтрами 17, 24, 31, отфильтровываются частотные составляющие, выходящие за рабочую полосу частот фильтрами высоких частот 18, 25, 32.

Далее несимметричный аналоговый сигнал с каждой компоненты поступает на драйвера АЦП 19, 26, 33, который преобразует несимметричный аналоговый сигнал в симметричный, и поступает в блок 9 управления и регистрации микросейсмических сигналов - в свой аналого-цифровой преобразователь 37, 38, 39, где происходит синхронная оцифровка всей группой N цифровых сейсмометров 6 в АПК микросейсмического мониторинга.

Оцифрованные данные каждого аналого-цифрового преобразователя 37, 38, 39 опрашиваются микроконтроллером 46, который формирует пакеты данных ММ с указанием точного времени формирования и географических координат цифрового сейсмометра 6.

Далее микроконтроллер 46 направляет пакеты данных в блок 10 (процессорный модуль), где происходит их передача через локальную беспроводную сеть на локальный 2 или удаленный 3 сервер.

Согласно функциональной схеме на фиг.1 каждый цифровой сейсмометр 6 соединяется с локальным сервером 2, выполняющим сбор и специализированную обработку данных ММ, через локальную беспроводную сеть, содержащую точки 4 доступа Wi-Fi и коммутатор 5.

В случае применения удаленного сервера 3 для сбора и специализированной обработки данных ММ, реализуется функциональная схема с подключением коммутатора 5 к маршрутизатору 7, который имеет доступ в сеть Internet и соединяет удаленный сервер 3 с локальной беспроводной сетью через VPN-туннель.

Серверы 2 и 3 осуществляют регистрацию цифровых сигналов всех цифровых сейсмометров 6 на жесткий диск.

Далее по регистрационным записям микросейсмических сигналов определяются координаты сейсмических событий.

Принцип определение координат источников сейсмических событий основан на решении системы нелинейных уравнений относительно четырех неизвестных, таких как, координаты сейсмических событий и скорости их распространения. Предполагается, что на исследуемом участке месторождения углеводородов проведены работы вертикального сейсмического профилирования и получены результаты зависимости интегральных и интервальных скоростей от глубины.

По регистрационным данным определяется время задержки сейсмического событий между точками наблюдения сейсмической антенны, установленной на дневной поверхности в районе забоя скважины.

На основе полученных данных ММ решается обратная кинематическая задача, в результате решения которой определяются координаты сейсмических событий. Из множества всех решений, выбираются решения с минимальной невязкой.

Далее сервер 2 или 3 (в зависимости от реализации функциональной схемы) формирует пакет данных с координатами сейсмических событий и значениями амплитуд и отправляет на персональный компьютер 1 или мобильное устройство оператора ГРП.

Персональный компьютер 1 или мобильное устройство оператора ГРП соединяется в случае использования локального сервера с сервером 2 через локальную беспроводную сеть посредством точек 4 доступа Wi-Fi и коммутатора 5 доступа.

Персональный компьютер 1 или мобильное устройство оператора ГРП в случае использования удаленного сервера соединяется с сервером 3 через локальную беспроводную сеть посредством точек 4 доступа Wi-Fi, коммутатора 5 доступа и маршрутизатора 7, который имеет доступ в сеть Internet и соединяет удаленный сервер 3 с локальной беспроводной сетью через VPN-туннель.

Персональный компьютер 1 или мобильное устройство оператора ГРП выполняют визуализацию обработанных данных в режиме реального времени, а также задают режимы работы АПК микросейсмического мониторинга путем отправки команд в случае использования локального сервера на сервер 2, а в случае использования удаленного сервера на сервер 3.

По результатам распределения сейсмических событий в персональном компьютере 1 или на мобильном устройстве оператора ГРП определяется азимут и геометрические размеры трещины гидроразрыва в режиме реального времени, что в свою очередь позволяет обнаружить несоответствии дизайна ГРП фактической геометрии и размерам трещинной зоны, прогнозировать негативные сценарии распространения трещин за пределы целевого пласта, выявлять и предотвращать преждевременные аварийные остановки закачки, получать данные для оперативной коррекции дизайна последующих операций при многостадийном ГРП, а также, за счет обратной связи с флотом ГРП, оперативно корректировать параметры операции гидроразрыва пласта.

Рассмотрим укрупненно работу цифрового сейсмометра 6, содержащего последовательно соединенные блоки 8, 9 и 10, размещенные в едином корпусе 56. Более подробно работа сейсмоприемника 8, блока 9 управления и регистрации микросейсмических сигналов и блока 10 процессорного изложена в примерах их конкретного выполнения. Перед началом работы, группа N цифровых сейсмометров 6 устанавливается на горизонтальную поверхность, уровень горизонта каждого из которых определяется через пузырьковый уровень горизонта 58, расположенного на лицевой панели устройства. При включении питания цифрового сейсмометра 6, на процессорном блоке 10 происходит загрузка операционной системы, после чего запускается программа управления устройством и происходит считывание с карты 51 памяти информации, определяющей настройку режима работы цифрового сейсмометра 6. Информация о режиме работы цифрового сейсмометра 6 определяет частоту оцифровки микросейсмического сигнала, активные каналы регистрации данных, режим работы устройства (режим ожидания или режим регистрации микросейсмических сигналов), расписание времени начала и остановки регистрации данных, направление потока оцифрованных данных или запись на карту 51 памяти или потоковую передачу через разъем 55 RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet.

Все настройки работы цифрового сейсмометра 6 для полной инициализации устройства отправляются на микроконтроллер 46 блока 9 управления посредством синхронно-последовательного интерфейса SPI. После чего микроконтроллер 46 в зависимости от текущих настроек переходит или в режим ожидания, или в режим регистрации микросейсмических сигналов.

В режиме ожидания микроконтроллер 46 поддерживает следующие функциональные команды: старт режима регистрации данных ММ, задание расписания времени начала и остановки регистрации данных, задание настройки режима работы цифрового сейсмометра 6.

В режиме регистрации микросейсмических сигналов, данные с каждой координаты геофонов (14₁, 14₂ … 14_N,), (21₁, 21₂ … 21_N,), (28₁, 28₂ … 28_N) после соответствующих преобразований в виде дифференциального сигнала поступает на вход соответствующего АЦП 37, 38, 39. По команде, поступающей с микроконтроллера 46 по синхронно-последовательной шине данных SPI, начинается синхронное преобразование на каждом АЦП 37, 38, 39. По завершению преобразования каждый АЦП 37, 38, 39 выставляет прерывание готовности цифровых данных микроконтроллеру 46. В обработчике прерывания микроконтроллер 46 производит считывание данных из каждого АЦП 37, 38, 39 по интерфейсу SPI и формирует пакет данных, выделяя на каждый канал по 4 байта памяти. Далее данный пакет данных буферизуется и при достижении определенного размера буфера, данные отправляются через интерфейс SPI на процессорный блок 10, где в зависимости от текущих настроек происходит или запись полученных данных на карту 51 памяти или передача через разъем 55 RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet. Запись данных на карту 51 памяти производиться в бинарном формате. В начале каждого файла записывается служебная информация, содержащая следующие данные: идентификационный номер цифрового сейсмометра 6, количество каналов записи, частота оцифровки, количество бит АЦП, время начала и время остановки записи, координаты цифрового сейсмометра 6.

В режиме регистрации на микроконтроллер 46 блока 9 управления и регистрации можно отправить команду остановки регистрации данных ММ, после чего цифровой сейсмометр 6 переходит в режим ожидания.

При подключении через разъем 57 источника питания к цифровому сейсмометру 6, загорается светодиод "Power" и выполняется инициализация устройства. После чего GPS/ГЛОНАСС приемник 47 устройства переходит в режим поиска сигнала от спутников GPS и ГЛОНАСС.

В случае обнаружения сигнала от спутников, выполняется синхронизация устройства с астрономическим временем, и устройство переходит в режиме ожидания, при этом загорается светодиод "GPS", а светодиод "Mode" находится в выключенном состоянии. При установке начало времени регистрации, светодиод "Mode" начинает мигать, и в процессе регистрации светодиод "Mode" светится непрерывно. Запуск цифрового сейсмометра 6 в режим регистрации можно осуществить также путем нажатия кнопки 60 "Старт/Стоп".

Все операции управления и настройки цифрового сейсмометра 6 выполняются через персональный компьютер 1 или любое мобильное устройство через разъем 55 RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet или модуль 54 Wi-Fi.

Таким образом, выполнение аппаратно-программного комплекса (АПК) микросейсмического мониторинга (ММ) разработки нефтяных и газовых месторождений, в соответствии с предложенным техническим решением, позволяет расширить арсенал АПК микросейсмического мониторинга, обеспечить возможность его использования в различных эксплуатационных условиях, повысить эффективность и безопасность разработки месторождения углеводородов и повысить коэффициент извлечения углеводородов за счет увеличения точности и достоверности регистрируемых микросейсмических сигналов.

Claims (16)

1. Аппаратно-программный комплекс (АПК) микросейсмического мониторинга (ММ) разработки нефтяных и газовых месторождений, характеризующийся тем, что включает в себя персональный компьютер или мобильное устройство оператора гидроразрыва пласта (ГРП), выполняющие управление режимом работы АПК, визуализацию в режиме реального времени обработанных данных ММ, отправку управляющих команд на локальный сервер и/или удаленный сервер, выполняющие сбор и обработку данных ММ, N цифровых сейсмометров для регистрации по трем ортогональным направлениям X, Y, Z сейсмической активности, возбуждаемой при операции ГРП, которые соединены с локальным сервером через соответствующие N точек доступа Wi-Fi и коммутатор доступа локальной беспроводной сети для управления и сбора данных ММ, при этом каждый цифровой сейсмометр включает в себя последовательно соединенные сейсмоприемник, блок управления и регистрации микросейсмических сигналов, блок процессорный, размещенные в едином корпусе, причем в сейсмоприемнике расположены три блока приемников микросейсмических сигналов (ПМС), ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z, при этом каждый блок ПМС включает в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальных усилителей, подключены к сумматору, соединенному через обратный фильтр, состоящему из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω₁ до собственной частоты геофона ω₀, и фильтр высоких частот с драйвером аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику опорного напряжения.

2. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что N цифровых сейсмометров соединены с удаленным сервером, через соответствующие N точек доступа Wi-Fi, коммутатор доступа и маршрутизатор, который имеет возможность выхода в сеть Internet и соединяет удаленный сервер с локальной беспроводной сетью через VPN-туннель.

3. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что блок управления и регистрации микросейсмических сигналов содержит блок АЦП, подключенный к блоку опорного напряжения, причем блок АЦП содержит три микросхемы АЦП, каждая из которых принимает аналоговый сигнал от соответствующего геофона и через цифровой изолятор шин данных (ЦИШД) и мультиплексор соединена с микроконтроллером управления, подключенным к ЦИШД, GPS/ГЛОНАСС приемнику, соединенному с активной антенной, и генератору тактовых сигналов.

4. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что блок процессорный представляет собой одноплатный компьютер, соединенный с микроконтроллером блока управления и регистрации микросейсмических сигналов, причем одноплатный компьютер имеет карту памяти, порты USB, модуль Bluetooth, модуль Wi-Fi и разъем RJ-45 сетевого приемопередатчика Gigabit Ethernet.

5. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что на лицевой панели корпуса цифрового сейсмометра размещены активная GPS/ГЛОНАСС антенна, порты USB, разъем RJ-45, разъем для подключения источника питания и пузырьковый уровень горизонта, а также светодиоды для индикации режима работы цифрового сейсмометра и кнопка «Старт/Стоп», подключенные к микроконтроллеру управления.

6. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что на каждом геофоне установлен коэффициент демпфирования, равный единице, при помощи подключенного параллельно геофону шунтирующего резистора R_d, номинал сопротивления которого рассчитывается из соотношения:

где

- механическое демпфирование, R_c - сопротивление катушки геофона, m - масса подвижной части геофона, ω₀ - собственная частота геофона, G - чувствительность геофона при открытой цепи.

7. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что каждый геофон содержит два подтягивающих резистора R_p, имеющих номинал сопротивления, равный 100 кОм, посредством которых выходные сигналы каждого геофона подтянуты к земляному потенциалу.

8. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что каждый инструментальный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель со сверхнизкими шумами с коэффициентом усиления 0 дБ.

9. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что сумматор представляет собой аналоговый сумматор на операционном усилителе, причем выходной сигнал

на выходе сумматора определяется из соотношения:

где V₁, V₂, … V_N - выходные напряжения с каждого геофона, а соотношение номиналов резисторов R_f и R_a задает необходимый коэффициент усиления суммарного сигнала.

10. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что передаточная характеристика первого полосового интегратора определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал первого полосового интегратора,

- выходной сигнал с сумматора, а передаточная характеристика второго полосового интегратора определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал со второго полосового интегратора,

- выходной сигнал с первого полосового интегратора.

11. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что фильтр высоких частот представляет собой два последовательно соединенных фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, при этом передаточная характеристика первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал со второго полосового интегратора;

- выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, а передаточная характеристика второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:

где

- выходной сигнал второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка,

- выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.

12. Аппаратно-программный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что драйвер аналого-цифрового преобразователя представляет собой прецизионный драйвер со сверхнизкими искажениями, который преобразовывает несимметричный сигнал в симметричный.

Images