Пролить свет на скважины

Благодаря способности «пропускать» большое количество информации, оптическое волокно применяется в различных технологиях промышленного мониторинга, например, в вертикальном сейсмическом профилировании (ВСП). Волокно в ВСП позволяет определять состав породы по всей длине скважины, а также на расстоянии между скважинами.

Наши партнёры из Горного института УрО РАН сравнили оптический мониторинг и традиционные методы георазведки на самом большом месторождении калийных солей в мире — Верхнекамском месторождении. О технологии (она особенная), результатах сравнения, преимуществах и недостатках каждого метода читайте в материале коллег УроРАН, которым они поделились с нами.

Поехали!

Почему волокно?

Мониторинг состояния подработанной территории на Верхнекамском месторождении калийных солей (ВКМКС) ведется сейсмоакустическими методами.  Одним из таких методов является скважинная сейсмоакустика способом межскважинного просвечивания.

В последнее время интенсивно развивается направление распределённых акустических измерений, являющееся альтернативой точечным датчикам. Оптоволоконные системы регистрации акустических сигналов (DAS — distributed acoustic sensing) уже применяются в нефтяной и рудной скважинной сейсморазведке. Системы DAS имеют ряд особенностей по сравнению с точечными датчиками, и необходимо дополнительное изучение для их внедрения на Верхнекамском месторождении калийных солей. Имеющиеся в литературе результаты в подавляющем большинстве случаев рассматривают оптоволокно для проведения вертикального сейсмопрофилирования, в то время как по межскважинному просвечиванию существует дефицит информации.

Основными преимуществами распределённых оптоволоконных сенсоров являются количество каналов, которое для одного регистратора может достигать десятков тысяч, а также низкая стоимость оптоволокна. В качестве недостатков необходимо выделить неравномерность спектра регистрации (рис. 1) и диаграмму направленности, отличающуюся от традиционных датчиков – геофонов или гидрофонов (рис. 2).

Рисунок 1. Зависимость амплитудно-частотной характеристики от угла падения продольных (а) и поперечных (б) волн. Vp = 2200 м/с, Vs = 1300 м/с и GL = 10 м. 0° — распространение волны вдоль волокна.
Рисунок 2. Диаграмма направленности оптоволоконного сенсора для продольных (а) и поперечных (б) волн (по Матеевой, 2012)

Методика сравнения сигналов

На тестовом участке выполнено сравнение оптоволоконной системы DAS и гидрофонов при проведении межскважинных исследований. 

Расстояние между скважинами составляет 150 м, интервал возбуждения 105-164 м, интервал приёма 127-198 м. В качестве источника упругих колебаний использован электроискровой излучатель с энергией разряда 2500 Дж, а регистрация велась с помощью пьезокерамических гидрофонов и DAS. Шаг пунктов возбуждения (ПВ) – 1 м, шаг пунктов приема (ПП) для гидрофонов — 1 м, для DAS — 0.25 м (рис. 3). Подробное описание геологии и анализ волнового поля при межскважинном просвечивании на ВКМКС приведено в работе.

На каждом ПВ выполнено 4 накопления для повышения отношения сигнал-шум.  Для повышения интенсивности сигнала соседние трассы DAS просуммированы на базе 1 м (каждые 4 трассы). Это обеспечило возможность прямого сравнения с данными, полученными с гидрофонов. Такой подход возможен, поскольку длины регистрируемых волн составляют 5-20 м, соответственно суммирование вызовет снижение верхней границы спектра полезного сигнала на 10 % или менее.

Рисунок 3. Параметры системы наблюдений и схема хода луче

Регистрация сигнала гидрофонов осуществлялась станцией IS-128, регистрация DAS с помощью iDAS2 Silixa. Время регистрации 300 мсек, дискретизация 0.2 мсек (5000 Гц). База осреднения сигнала DAS (Gauge length) определяется характеристиками станции и составляет 10 м. Использовано одномодовое оптоволокно G.657.A1 в кабеле диаметром 5 мм MultiSense производства Инкаб. Особенностью такого кабеля является уложение волокна без оптического модуля и практически без запаса длины, что должно обеспечивать лучшую передачу акустического сигнала из массива к волокну за счет жесткого сцепления волокна и изоляции кабеля.

Сравнение первичных сейсмограмм общего пункта возбуждения (ОПВ) и общего пункта приема (ОПВ) приведено на рисунках 4 и 5. Спектральный состав приведен на рис. 6.

Наиболее интенсивный сигнал на сейсмограммах DAS представлен преломленной головной волной (PPP), формирующейся на кровле каменной соли. Кроме того, присутствуют отражения этой волны от горизонтальных границ (PPPP). В сортировке ОПП достаточно ясно прослеживается головная волна SPP, поскольку ход лучей у регистрирующей скважины для волн PPP и SPP идентичный. Прямая продольная волна (время регистрации 62-70 мс) на сейсмограммах DAS ожидаемо отсутствует, поскольку она попадает в минимум диаграммы направленности, однако вторичное поле, образуемое прямой волной, можно различить на временах 65-70 мс (рис. 4б). Сюда входят отраженные продольные и обменные поперечные волны от горизонтальных сейсмогеологических границ. Эти волны требуют более детального изучения.

Существенное различие волнового состава на сейсмограммах обусловлено различными диаграммами направленности гидрофонов и кабеля с прямым оптоволоконном (рис. 3).

Считая спектр сигнала, зарегистрированного с помощью гидрофонов, близким к истинному (рис. 6а) и сравнивая его со спектром DAS можно сделать вывод, что шум станции DAS на приведённых сейсмограммах сопоставим по интенсивности с полезным сигналом.

Рисунок 4. Сейсмограммы общего ПВ, полученные с помощью гидрофонов (а) и DAS (б)
Рисунок 5. Сейсмограммы общего ПП, полученные с помощью гидрофонов (а) и DAS (б)
Рисунок 6. Спектры сейсмограмм для гидрофонов (а) и DAS (б)

Имеющаяся волновая картина, зарегистрированная с помощью DAS, может быть улучшена путем суммирования головных волн, способом, описанным в работе. Этот способ основан на свойстве головных волн, относительная волновая картина которых практически не меняется при перемещении источника колебаний вдоль излучающей скважины.

На рис. 7 приведены варианты суммирования с разным количеством накоплений от 2 до 60 пунктов возбуждения. Наблюдается заметное улучшение прослеживаемости годографов, особенно для вторичного волнового поля, которое на исходных сейсмограммах практически не различимо.

Рисунок 7. Суммирование головных волн при разном количестве ПВ (регистрация DAS)

Для полноценного сравнения волновых картин, зарегистрированных с помощью гидрофонов и DAS выполнена идентичная обработка сигналов (за исключением пункта 2):

  1. 4-х кратное накопление на одной точке пункта возбуждения
  2. Для DAS суммирование 4 трасс на базе 1 м (приведение шага ПП к 1 м)
  3. Полосовая фильтрация 50-100-1000-2000 Гц
  4. Снятие первых вступлений головной волны
  5. Ввод временных поправок для приведения поля головных волн к одному времени
  6. Суммирование по общему пункту приема (волновая картина у возбуждающей скважины). Результаты на рис. 8.
  7. Суммирование по общему пункту возбуждения (волновая картина у регистрирующей скважины). Результаты на рис. 9.
Рисунок 8. Сравнение суммарных сейсмограмм ОПП и спектров гидрофонов (а) и DAS (б)
Рисунок 9. Сравнение суммарных сейсмограмм ОПВ и спектров гидрофонов (а) и DAS (б)

Результаты

Сравниваемые суммарные сейсмограммы качественно полностью соответствуют исходным данным, но характеризуются существенно более высоким отношением сигнал-шум. Выводы по волновым картинам вблизи излучающей и приемной скважины отличаются.

Поскольку диаграммы направленности электроискрового излучателя и гидрофона весьма похожи, то в сортировке общего пункта приема волновое поле вблизи излучающей скважины весьма сходно для гидрофонов и DAS (рис. 8).

Для приемной скважины диаграмма направленности прямого волокна оказывает существенное фильтрующее влияние на волновое поле, вследствие чего регистрируются лишь отдельные классы волн, в данном случае продольные головные PPP и преломлённо-отраженные PPPP волны. Перспективными для обработки также являются отраженные PP волны.

На частотный состав сигналов, полученных с помощью DAS, оказывает влияние осреднение на базе измерения (рис. 1), что в данном случае привело к выпадению частот 250-350 Гц и сужению спектра.

Выводы

Оптоволоконная система регистрации имеет чувствительность намного ниже, чем у традиционных сейсмоакустических датчиков, тем не менее она обеспечивает хорошую повторяемость регулярного полезного сигнала, что позволяет повысить его интенсивность за счет многократного суммирования. Несмотря на различия регистрируемого волнового состава результаты сравнения можно считать весьма обнадёживающими, поскольку существуют способы изменения диаграммы направленности и расширения частотного состава акустических сигналов, получаемых с помощью оптоволокна за счет применения кабеля со спиральным уложением волокна.

На основании сравнения имеющегося оборудования, стоимость одного канала оптоволоконной системы в 10-100 раз ниже, чем при использовании гидрофонов. Это позволяет проектировать системы наблюдения со стационарным заложением оптоволоконного кабеля, охватывающие сразу несколько скважин, что, в свою очередь существенно снизит затраты на проведение регулярных мониторинговых полевых исследований, а также открывает перспективу создания автоматической системы сбора сейсмической информации в активном или пассивном режиме.

Чугаев А.В.,

Кузнецов А.И.

Горный институт УрО РАН, г. Пермь