полевая аппаратура и способ сейсмического мониторинга

Формула изобретения

1. Способ сейсмического мониторинга, заключающийся в том, что последовательно осуществляется прием сейсмических сигналов от сейсмических датчиков, аналого-цифровое преобразование принятых сигналов, запись и временное хранение данных в промежуточной памяти, из которой информация периодически передается в пункт сбора и обработки, где после интерпретации представляется в виде графического или текстового отчета, отличающийся тем, что после аналого-цифрового преобразования в него дополнительно вводится операция вычисления энергии сейсмического сигнала с последующей записью выборок вычисленной энергии в память для временного хранения, причем вычисление энергии производится в некотором, заранее установленном окне, с учетом полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии.

2. Полевая аппаратура сейсмического мониторинга, содержащая последовательно соединенные сейсмический датчик, блок усиления и фильтрации и аналого-цифровой преобразователь, а также последовательно соединенные блок памяти и блок передачи цифровых данных, кроме того, устройство содержит контроллер управления, управляющие выходы которого соединены с соответствующими входами блока усиления и фильтрации, аналого-цифрового преобразователя, блока памяти и блока передачи цифровых данных, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен блок вычисления энергии, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен ко входу блока памяти, при этом управляющий вход блока вычисления энергии соединен с соответствующим выходом контроллера управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано при изучении сейсмического поля естественного или искусственного происхождения.

Известно, что сейсмический мониторинг является методом, который обеспечивает контроль характеристик сейсмических колебаний от различных источников естественного или искусственного происхождения [2]. Объект сейсмического мониторинга - пространственное распределение изменений свойств изучаемой среды во времени. Вариации параметров среды, связанные, например, с периодическим изменением напряженного состояния горных пород, как правило, адекватно отображаются в параметрах и структуре волнового поля объекта исследования, что является геологической основой мониторинга. С точки зрения физики в основе мониторинга лежит высокая чувствительность горных пород к перемещениям различного рода, связанная со структурными особенностями, текстурой, трещиноватостью и т.п. При исследовании геодинамических процессов, связанных с сейсмичностью или сейсмической эмиссией, мониторинг позволяет получить информацию о тензочувствительности среды, о распределении поля напряжений. Актуален сейсмический мониторинг на площадях разработки нефтегазовых месторождений, поскольку объект исследования - собственно нефтегазовая залежь - характеризуется контрастным проявлением временных изменений структуры поля в области контактов нефти, газа и воды [2].

Особая область сейсмических исследований, получившая активное развитие в последнее десятилетие, связана с жизнедеятельностью человека, которая в современных мегаполисах при высокой плотности населения в них может, как показывает мировая практика, существенно ухудшить характеристики окружающей среды и, если не принимать своевременных эффективных мер, стать реальной угрозой здоровью и жизни людей. Необходимость сейсмического мониторинга на территории крупных городов определяется наличием постоянных сейсмических нагрузок на здания и сооружения, обусловленных динамическими процессами земной коры. Указанные процессы в значительной степени могут быть усилены в результате техногенной деятельности: созданием подземных сооружений, закачкой и откачкой воды, воздействием транспортных потоков, работой силовых установок и т.д.

Таким образом, сейсмический мониторинг в настоящее время известен и востребован как один из способов долговременных сейсмических исследований, который в общем виде можно алгоритмизировать следующим образом (фиг.1). На первом этапе осуществляется прием и аналого-цифровое преобразование 1 сейсмических сигналов в точке наблюдения, затем полученные данные записываются 2 и временно хранятся в буферной памяти, далее происходит передача 3 данных в пункт сбора и обработки, где информация интерпретируется 4 в соответствии с заданными требованиями, на последнем этапе результат обработки выдается 5 пользователю. Этапы 1-3 выполняются непосредственно в полевых условиях и являются составной частью алгоритма работы автономного сейсмического регистратора. При проведении площадных мониторинговых наблюдений таких регистраторов может быть множество R₁ , R₂, ..., R_n. Из приведенного алгоритма нетрудно видеть, что для проведения мониторинговых наблюдений используется полевая сейсморегистрирующая аппаратура R₁ -R_n со встроенным устройством передачи цифровых данных, которая выполняет этапы 1-3, блок приема данных и обработки, выполняющий этап 4, и устройство выдачи результата, например, в виде распечатки или изображения на экране монитора - этап 5. При этом регистраторы R₁-R_n являются стандартными известными приборами, например отечественная цифровая аппаратура «Дельта-Геон», которая осуществляет прием, запись на диск, а в последствии передачу в пункт сбора (в среднем один раз в сутки) полной сейсмической информации по двухпроводной линии связи или телефонной сети через модем.

Вместе с тем, в ряде случаев при проведении мониторинговых наблюдений нет необходимости использовать полную сейсмическую информацию, особенно, если приоритетной является задача оперативного контроля временных изменений активности сейсмического поля исследуемого участка, например наблюдения за производством карьерных взрывов, в частности, если карьер расположен на недостаточном расстоянии от жилых или промышленных сооружений. Другой пример - мониторинг объектов в шахтных выработках, где проявляется опасность спонтанной разгрузки напряжений, возникающих в результате искусственного формирования пустых пространств значительного объема внутри горных массивов.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение объема памяти, необходимой для временного хранения цифровой информации, повышение оперативности передачи сейсмических данных в пункт сбора и обработки и увеличение длительности работы полевых регистрирующих аппаратов в автономном режиме. Достижение цели осуществляется за счет введения в алгоритм мониторинговых наблюдений дополнительной операции вычисления энергии сейсмических волн с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый, заранее установленный интервал времени, выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии.

Операция вычисления энергии сейсмической волны в точке измерения осуществляется следующим образом. На фиг.2а представлена сейсмограмма события от импульсного воздействия, где T₁ и Т₃ - время, в течение которого регистрировались фоновые значения сигнала, a T₂ - собственно импульсное воздействие с затуханием до уровня фона. Из физики известно, что энергия прямо пропорциональна произведению амплитуды сигнала на время:

где К - коэффициент пропорциональности, определяющий вертикальный масштаб. Зная величину U в каждый момент времени Т, можно рассчитать энергию для всей сейсмограммы. По сути это будет суммарная площадь положительных и отрицательных полуволн сигнала. Однако, если рассчитывать энергию для всей сейсмограммы, получим некоторое значение, не отражающее поведение сигнала. Очевидно, следует производить вычисление энергии в окне, длительность которого позволит отобразить изменения энергетических уровней адекватно изменениям сигнала на исходной сейсмограмме. Опыт исследований в этом направлении показал, что оптимальным является окно, длительность которого составляет 2-10 видимых периодов начальной фазы волны (Ts на фиг.2а), возникающей при импульсном воздействии. С другой стороны, окно не должно превышать время от момента возникновения волны до ее затухания (интервал Т₂). На фиг.2b,с показаны гистограммы изменения энергии, вычисленные соответственно для окна T_WIN=0,5Т2 и T_WIN=0,25Т2. В первом случае расчетное окно вмещало 10 видимых периодов Ts, во втором - 5. Расчет энергии внутри каждого окна производился по формуле (1) с учетом цифрового представления данных:

где Т - шаг дискретизации, - модули амплитуд выборок сигнала внутри окна WIN. Поскольку К и ДТ являются константами и задаются как параметры для цикла мониторинговых наблюдений, операция вычисления энергии сводится к простейшей процедуре суммирования выборок, которую может обеспечить в режиме реального времени практически любой современный микромощный контроллер.

Таким образом, для предлагаемого варианта мониторинга алгоритм будет выглядеть, как показано на фиг.3, где дополнительная операция вычисления энергии 6, описанная выше, включается между операцией приема и аналого-цифрового преобразования 1 и процедурой записи и временного хранения 2 данных. Результаты вычисления, т.е. выборки энергии, рассчитанные по формуле (2) в соответствии с установленным окном T_WIN: E_WIN1, E _WIN2, ..., E_WINm, согласно приведенному алгоритму, временно сохраняются в памяти (до момента передачи данных в пункт сбора и обработки).

Поскольку одной из основных задач мониторинга является изучение изменений интенсивности и структуры сейсмического поля во времени, вариантом представления результата в пункте приема и обработки данных может быть карта изолиний энергии поля, при построении которой синхронизируются все массивы E_WIN , полученные от регистраторов R₁-R_n . Для построения карты можно воспользоваться, например, известной компьютерной программой Surfer, подготовив соответствующим образом исходные массивы E_WIN. Таких карт будет множество, причем на каждой из них отобразится распределение энергии сейсмического поля в некоторый момент времени t_i. Фиг.4 наглядно иллюстрирует изменение активности и структуры поля с течением времени: последовательность карт, отражающих моменты t₁ , t₂, ..., t_n-1, t_n. Для формирования динамической картины достаточно поочередно выводить на экран монитора подготовленные карты в направлении, показанном стрелкой на фиг.4. Эффект анимации возникает при частоте смены изображений 24 кадр/сек. Следует добавить, что при построении карт необходимо учитывать ограничение, которое накладывает исходный массив данных E_WIN:t_n-t_n-1T_WIN.

Как отмечалось выше, при проведении сейсмического мониторинга обычно используется известная полевая сейсморегистрирующая аппаратура, например, описанная в работе [1], в состав которой входят последовательно соединенные сейсмический датчик, блок усиления и фильтрации, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти для временного хранения информации и блок передачи цифровых данных в пункт сбора и обработки. Работой всех блоков, кроме сейсмического датчика, руководит контроллер управления. Функциональное назначение блоков известно и в дополнительном описании не нуждается.

На фиг.5 изображена структурная схема полевого сейсморегистрирующего аппарата, предназначенного для реализации предлагаемого способа сейсмического мониторинга. Устройство состоит из последовательно соединенных сейсмического датчика 7, блока усиления и фильтрации 8, аналого-цифрового преобразователя 9, дополнительно введенного блока 10 вычисления энергии, блока 11 памяти и блока 12 передачи цифровых данных. Кроме того, устройство содержит контроллер 13 управления, управляющие выходы которого соединены с соответствующими входами всех блоков, кроме сейсмического датчика.

Сигнал, поступая от датчика 7, усиливается, фильтруется и преобразуется в цифровой вид в блоках 8 и 9. Цифровые выборки поступают в блок 10 вычисления энергии, где производится расчет E_WIN согласно описанному выше алгоритму. Таким образом, в блоке 10 вычисления энергии происходит преобразование выборок амплитуд сейсмического сигнала в выборки энергии, которые далее поступают в блок 11 памяти, где сохраняются до момента передачи информации в пункт сбора и обработки с помощью блока 12 передачи цифровых данных. Практически блок 10 реализован на микроконтроллере АТ89С51, в память программы которого заложен алгоритм вычисления энергии.

Предлагаемые способ и полевая аппаратура сейсмического мониторинга позволяют в значительной степени уменьшить объем требуемой памяти для промежуточного хранения цифровых массивов данных. Прежде всего, уменьшение этого объема обусловлено введением дополнительной процедуры (и соответствующего блока в аппаратной реализации) вычисления и последующего временного хранения выборок энергии сигнала, а не самого сигнала. При этом плотность потока данных с выхода блока вычисления энергии может быть снижена на 2 порядка по сравнению с плотностью на выходе аналого-цифрового преобразователя. Конкретная величина плотности выбирается пользователем и зависит от окна вычисления энергии T_WIN. При необходимости и соответствующей организации связи между полевыми регистраторами и пунктом сбора данных метод может обеспечить визуальное представление изменений активности и структуры сейсмического поля в реальном времени. Заметим, что до сих пор получить подобный отчет в реальном времени не представлялось возможным, поскольку плотность информационного потока выборок сейсмического сигнала от многих полевых регистраторов чрезвычайно высока.

Кроме того, уменьшение объема памяти, необходимой для временного хранения данных, практически снимает проблему автономности использования полевых регистраторов в непрерывном режиме наблюдения. Остается лишь критерий емкости аккумуляторной батареи, предназначенной для питания аппаратуры. С учетом того, что полевое оборудование выполняется на микромощных элементах с минимальным энергопотреблением, длительность автономной работы на аккумуляторах емкостью 12-16 А·ч может достигать нескольких месяцев.

Источники информации

1. Seismic acquisition system using wireless telemetry. Patent US 6219620 B1, Apr. 17, 2001.

2. Коллектив авторов. Сейсмический мониторинг земной коры. М., Институт физики Земли АН СССР, 1986. 290 с. - Прототип.