ES2312412T3 - Metodo y aparato de vigilancia sismica de una zona subterranea mediante utilizacion simultanea de varias fuentes vibrosismicas. - Google Patents

Abstract

Método de vigilancia sísmica de una formación subterránea (1) que comprende la emisión de ondas sísmicas en la formación, la recepción de las señales reenviadas por la formación en respuesta a la emisión de las ondas sísmicas, el registro de las señales recibidas mediante al menos un sensor sísmico (4) y la formación de sismogramas mediante tratamiento de las señales registradas, caracterizado porque: - la emisión se realiza acoplando con la formación al menos dos vibradores (5) que emiten simultáneamente y controlados mediante señales ortogonales unas con respecto a otras constituidas por sinusoides de frecuencias diferentes entre sí tanto por sus componentes fundamentales como por sus armónicos respectivos, para formar una señal vibratoria compuesta; y - el tratamiento comprende una discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores a la señal vibratoria compuesta y una reconstrucción de sismogramas equivalentes a los que se obtendrían accionando por separado los vibradores.

Description

Método y aparato de vigilancia sísmica de una zona subterránea mediante utilización simultánea de varias fuentes vibrosísmicas.

La presente invención se refiere a un método y a un dispositivo de vigilancia sísmica de una zona subterránea tal como un yacimiento o depósito, que comprende la utilización simultánea de varios vibradores sísmicos.

Estado de la técnica

Se conoce la vigilancia de las variaciones de estado a largo plazo de un depósito en curso de utilización ya sea un yacimiento de hidrocarburos o un depósito para el almacenamiento de gas, por medio de un sistema sísmico que comprende una fuente sísmica de impulsos o un vibrador sísmico para emitir ondas sísmicas en el suelo y un dispositivo de recepción que comprende sensores sísmicos dispuestos en superficie o en pozos y acoplados a las formaciones a vigilar. A intervalos de tiempo definidos, se realizan investigaciones sísmicas con emisión de ondas, recepción de las ondas reenviadas por las discontinuidades del subsuelo y registro de sismogramas, para determinar, por comparación, modificaciones que tienen lugar en el depósito, como resultado de su explotación.

Diferentes sistemas de vigilancia sísmica a largo plazo se describen por ejemplo en las patentes EP 591 037 (US 5 461 594), FR 2 593 292 (US 4 775 009), FR 2 728 973 (US 5 724 311) o FR 2 775 349.

Por las patentes FR 2 728 973 y FR 2 775 349 particularmente, se conocen sistemas de vigilancia sísmica de una zona subterránea en curso de explotación, ya sea un yacimiento de hidrocarburos o un depósito de almacenamiento de gas por ejemplo. Como se esquematizan en las figuras 1 a 3, estos comprenden por ejemplo una red de antenas sísmicas 2 constituidas cada una por un conjunto de sensores sísmicos 4 dispuestos a intervalos regulares a lo largo de un pozo 3 perforado en el suelo. Esta red puede ser regular como se esquematiza en la figura 2 o irregular. Los sensores pueden ser geófonos mono-direccionales orientados verticalmente o de ejes múltiples (trífonos) y/o hidrófonos. En las proximidades de cada antena 2, se dispone una fuente sísmica 5. Como fuentes, se utilizan ventajosamente vibradores de tipo piezoeléctrico, tales como se describen en la solicitud de patente FR 99/04 001 a nombre conjuntamente de los Solicitantes, que se instalan de forma permanente inmediatamente adyacentes a cada antena 2.

Las ondas sísmicas generadas por la o cada fuente sísmica 5 se propagan hacia abajo (ondas descendentes 9). Estas ondas incidentes son registradas en primer lugar 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 también son registradas por los diferentes receptores 4. De este modo, las ondas ascendentes y descendentes se superponen en los sismogramas. Habitualmente éstas son tratadas mediante un método idéntico al del tratamiento de los PSV (Perfiles Sísmicos Verticales) bien conocido por los especialistas en la técnica.

Las diferentes fuentes del sistema sísmico pueden accionarse sucesivamente, disponiendo entre las activaciones un intervalo de tiempo suficiente para recibir las ondas reenviadas por la zona investigada. También pueden utilizarse varias fuentes sísmicas que emiten las mismas señales que se activan simultáneamente para aumentar la potencia emitida.

Por la patente FR 2 589 587 (US 4 780 856), se conoce también un método de prospección sísmica marina que comprende la emisión de ondas sísmicas mediante un vibrador o simultáneamente mediante varios vibradores controlado(s) por señales vibratorias codificadas de acuerdo con un código pseudo-aleatorio.

El método de acuerdo con la invención

El método de acuerdo con la invención permite realizar operaciones de vigilancia sísmica de una formación subterránea. Este método comprende:

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la emisión de ondas sísmicas en la formación acoplando a la formación al menos dos vibradores que emiten simultáneamente y controlados por señales ortogonales unas con respecto a otras, para formar una señal vibratoria compuesta.

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la recepción de las señales reenviadas por la formación en respuesta a la emisión de las ondas sísmicas,

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el registro de las señales recibidas mediante al menos un sensor sísmico, y

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la formación de sismogramas mediante un tratamiento de las señales registradas que comprende una discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores a la señal vibratoria compuesta y una reconstrucción de sismogramas equivalentes a los que se obtendrían accionando por separado los vibradores.

Como señales ortogonales, se utilizan por ejemplo señales sinusoidales de frecuencias diferentes unas de otras tanto por sus componentes fundamentales como por sus respectivos armónicos o señales formadas a base de ondas pequeñas, de polinomios de Legendre o de series aleatorias, etc.

En el caso particularmente en que las señales ortogonales emitidas son sinusoides, se realiza por ejemplo la discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores, mediante determinación de la amplitud y de la fase de la señal vibratoria compuesta, a las frecuencias fundamentales de las señales de control aplicadas a los vibradores.

La discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores comprende por ejemplo una ponderación de las señales registradas mediante un factor de ponderación (o de apodización) en campana y una determinación de la amplitud y de la fase de la señal compuesta.

Para realizar la discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores, se realiza por ejemplo una selección mediante transformada de Fourier, de líneas del espectro complejo asociadas respectivamente a las diferentes señales ponderadas.

La reconstrucción de los sismogramas que corresponden específicamente a los diferentes vibradores se realiza por ejemplo aplicando, después de su separación, una transformada de Fourier inversa, a las líneas asociadas respectivamente a las diferentes señales ponderadas.

Siguiendo un modo de implementación, se desplazan mediante pasos de frecuencia, a intervalos de tiempo determinados, las frecuencias de las señales de control ortogonales aplicadas respectivamente a los diferentes vibradores, para barrer cierta banda de frecuencia de emisión.

El sistema de vigilancia sísmica de una formación subterránea de acuerdo con la invención comprende medios de emisión de vibraciones sísmicas en la formación que comprenden al menos dos vibradores y medios para generar señales ortogonales unas con respecto a otras y aplicarlas respectivamente a los vibradores para generar en la formación una señal vibratoria compuesta, medios de recepción de las señales reenviadas por la formación en respuesta a la emisión de las ondas sísmicas, medios de registro de las señales recibidas por los medios de recepción de las señales y medios de tratamiento de señales registradas para formar sismogramas que comprenden al menos una calculadora adaptada para realizar una discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores a la señal vibratoria compuesta y una reconstrucción de sismogramas equivalentes a los que se obtendrían accionando por separado los vibradores.

Siguiendo un primer modo de implementación, el sistema comprende al menos dos unidades locales dispuestas a distancia unas de otras y acopladas a la formación, comprendiendo cada unidad al menos un sensor sísmico, un vibrador sísmico, un dispositivo local de adquisición y de tratamiento de las señales recibidas y una unidad central de control y de sincronización conectada a las diferentes unidades, que comprende un generador adaptado para aplicar a los vibradores las señales vibratorias de control ortogonales.

Siguiendo otro modo de implementación, el sistema comprende al menos dos unidades locales dispuestas a distancia unas de otras y acopladas a la formación, comprendiendo cada unidad al menos un sensor sísmico, un vibrador sísmico y una unidad central de control y de sincronización conectada a las diferentes unidades locales mediante conexión material (por ejemplo cables) o inmaterial (por radio) y que comprende un generador de señales adaptado para formar las diferentes señales vibratorias de control ortogonales y medios de adquisición de las señales recibidas por las diferentes antenas y de reconstrucción de los sismogramas que corresponden a las contribuciones de los diferentes vibradores.

Los medios de recepción comprenden por ejemplo al menos una antena constituida por varios sensores sísmicos dispuestos a lo largo de un pozo practicado en la formación, estando esta antena conectada a los medios de registro.

Presentación de las figuras

Otras características y ventajas del método y del sistema de acuerdo con la invención, surgirán con la lectura de la descripción a continuación de ejemplos no limitantes de realización, en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 muestra esquemáticamente un sistema de vigilancia de una formación subterránea que comprende varios conjuntos de emisión y de adquisición de señales;

- la figura 2 muestra un ejemplo de distribución en superficie de conjuntos de vigilancia;

- la figura 3 muestra esquemáticamente un conjunto de emisión y de adquisición de señales que comprende sensores sísmicos dispuestos para formar antenas;

- la figura 4 muestra una variante del sistema de vigilancia de la figura 1 en el que los medios de adquisición de las señales sísmicas están centralizados en un puesto central;

- la figura 5 ilustra las diferentes etapas del algoritmo de realización del método; y

- la figura 6 muestra esquemáticamente el trayecto de las ondas entre dos puntos de emisión X1, X2 y un punto de recepción común.

Descripción detallada

El método permite por lo tanto realizar operaciones de vigilancia sísmica de una zona subterránea utilizando un conjunto de sensores sísmicos y una pluralidad de vibradores accionados simultáneamente mediante señales a diferentes frecuencias seleccionadas de modo que se pueda discriminar las contribuciones de cada fuente en los sismogramas realizados a partir de las señales recibidas y registradas. Esto se realiza de manera general mediante el control de las diferentes fuentes mediante señales "ortogonales" que traducen funciones llamadas ortogonales bien conocidas por los especialistas en la técnica y mediante la utilización de técnicas de cálculo numérico conocidas tales como la transformada de Fourier inversa para separar las contribuciones a los sismogramas obtenidos de los diferentes vibradores, como se explicará a continuación utilizando las siguientes notaciones:

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A - Funciones ortogonales

Se consideran dos señales unitarias P_{1} y P_{2} sinusoidales de frecuencias respectivas f_{1} y f_{2} emitidas por dos fuentes S_{1} y S_{2} situadas en los puntos X_{1} y X_{2} (figura 6) durante un periodo t_{s} grande frente a 1/f_{1} y 1/f_{2}.

P_{1} = sen2\pif_{1}t

P_{2} = sen2\pif_{2}t

El sismograma registrado de las señales recibidas en un punto R de recepción a partir de la fuente S_{1} que emite en solitario es: T_{1} = A_{1} x sen(2\pif_{1}t - \Phi_{1}), donde \Phi_{1} es un retardo de fase.

Del mismo modo, el sismograma observado en el mismo punto R a partir de S_{2} que emite en solitario es: T_{2} = A_{2} x sen(2\pif_{2}t - \Phi_{2}), donde \Phi_{2} es también un retardo de fase.

Si S_{1} y S_{2} emiten simultáneamente, la linealidad de la transmisión de las ondas sísmicas hace que el sismograma de las ondas recibidas en R sea la suma de T_{1} y T_{2}.

Si además f1 \neq f2,

P_{2}\ding{72}P_{1} = 0	(A),
T\ding{72}P_{1} = T_{1}\ding{72}P_{1}	(B), y
T\ding{72}P_{1} = T_{2}\ding{72}P_{2}	(C)

La ecuación (A) expresa la ortogonalidad de las señales P_{1} y P_{2}; las ecuaciones (B) y (C) traducen la posibilidad de separar la señal compuesta T en sus dos componentes. Esta propiedad se extiende en teoría a un número cualquiera de fuentes que emiten sinusoides de frecuencias diferentes o más exactamente señales ortogonales entre sí, pero en la práctica, el número de fuentes debe ser limitado a causa de los siguientes fenómenos:

a) la distorsión que, en efecto no puede despreciarse, con fuentes mecánicas. Al mismo tiempo que la frecuencia f_{1}, la fuente S_{1} emite frecuencias 2f_{1}, 3f_{1}, ... nf_{1}. Como consecuencia, si f_{i} y f_{j} son las frecuencias respectivas de las dos fuentes Si y Sj del conjunto de fuentes, es adecuado no solamente que f_{i} \neq f_{j} sino también que f_{i} \neq 2f_{j}, f_{i} \neq 3f_{j}, ... f_{i} \neq nf_{j};

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b) el carácter necesariamente truncado del periodo de emisión (t_{s}) que se traduce en el campo de las frecuencias realizando una convolución de la línea (impulso) mediante la transformada de Fourier del truncamiento. Si ésta es brutal (multiplicación por un impulso rectangular de longitud t_{s}), es un seno cardinal de gran anchura. Si, por el contrario, ésta es progresiva (multiplicación por una curva en campana, gaussiana o función de Hanning por ejemplo), es otra función en campana de anchura inversamente proporcional a la longitud del truncamiento; y

c) la imperfección de las fuentes que afecta a su estabilidad y a la precisión de las frecuencias emitidas. En la práctica, puede considerarse que esta imperfección contribuye simplemente al aumento de la anchura de línea.

Las funciones ortogonales más sencillas son sinusoides de diferentes frecuencias. También pueden utilizarse otras funciones ortogonales: funciones basadas en los polinomios de Legendre, ondas pequeñas, series aleatorias, etc.

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B - Reversibilidad de la transformada de Fourier

Si en lugar de emitir una sinusoide T_{i} de frecuencia f_{i}, de módulo A_{i} y de fase \Phi_{i}, se emite la señal compuesta P_{t} constituida por la suma de N sinusoides {f_{i}, A_{i}, \Phi_{i}} con 1 \leq i \leq N, estando todas las frecuencias contenidas en una banda espectral comprendida entre dos frecuencias límites f_{b} y f_{f}, el sismograma T_{t} observado en el punto R tendrá por transformada de Fourier a la frecuencia f_{i}, el número de módulo A_{i} y de fase \Phi_{i}, iguales a la amplitud y a la fase de la sinusoide T_{i}. También puede, emitiendo sucesivamente todas las sinusoides de frecuencias f_{b} a f_{r}, reconstruirse mediante transformada de Fourier inversa el sismograma T_{i}.

En el caso en que, por ejemplo, todas las amplitudes A_{i} son iguales a 1 y todas las fases \Phi_{i} = 0. La señal P_{t} obtenida está muy próxima a la que resulta de la autocorrelación de una señal de frecuencia deslizante que varía en el intervalo [f_{b} - f_{f}] (sweep), utilizada habitualmente en vibrosísmica. Según la teoría de la transformada de Fourier discreta, bien conocida por los especialistas en la técnica, si se desea escuchar la fuente S_{l} durante el tiempo t_{e}, el incremento de frecuencia entre las sinusoides es \Deltaf = 1/t_{e} y el número de sinusoides necesarias es N_{f} = (f_{f} - f_{b})t_{e}.

Por lo tanto, pueden excitarse simultáneamente N vibradores instalados en el terreno por medio de señales vibratorias de frecuencias tales que cada fuente es excitada sucesivamente por cada una de las N_{f} sinusoides anteriores en cada instante, a condición de que las respectivas frecuencias de las sinusoides emitidas en un mismo instante por los diferentes vibradores sean todas diferentes entre sí. La separación de las señales recibidas por los sensores sobre el terreno, en respuesta a la emisión simultánea de las diferentes señales se obtiene de este modo mediante selección de la línea a la frecuencia apropiada.

La figura 5 ilustra esquemáticamente las diferentes etapas del método. Se aplican simultáneamente a las diferentes fuentes sísmicas 5 instaladas sobre el terreno señales piloto sinusoidales 11 de frecuencias respectivas af_{0}, bf_{0}, cf_{0}, df_{0}, etc., seleccionándose los coeficientes a, b, c, d, etc., para que estas frecuencias sean diferentes entre sí y diferentes de sus respectivos armónicos. Estas frecuencias son múltiplos enteros de una frecuencia fundamental f_{0}.

El sismograma 12 que se obtiene registrando las ondas recibidas por los sensores de las diferentes antenas 4, es una combinación lineal de los sismogramas que se habrían obtenido excitando las fuentes 5 secuencialmente.

Se ponderan entonces las señales registradas multiplicándolas por un factor de ponderación en campana llamado de apodización (tapering) 13 para formar señales apodizadas o ponderadas 14. Después, se calcula la parte real 15 y la parte imaginaria 16 de la transformada de Fourier de las señales apodizadas. Cada una de estas partes está compuesta por impulsos bien separados entre sí. Para cada fuente 5, solamente se conserva entonces el número real 17 y el número imaginario 18 que forman el valor complejo de la transformada de Fourier a la frecuencia emitida por la fuente.

Los conjuntos de diferentes números 17 y 18 cuando la fuente emite todas las frecuencias programadas, forman la parte real 19 y la parte imaginaria 20 del sismograma 21 asociado a la fuente. Este sismograma se obtiene mediante transformada de Fourier inversa.

Siguiendo un primer ejemplo de implementación del método, el sistema comprende una pluralidad de unidades locales LU que comprenden cada una, una antena 2 unida mediante cables (no representados) y un dispositivo local de adquisición y de tratamiento 6 (figuras 1, 2) y los diferentes vibradores están unidos mediante cables C por ejemplo, a una unidad central 8 de control y de sincronización que comprende un generador de señales (no representado) adaptado para generar, para los diferentes vibradores 5, las señales ortogonales de control tales como se han definido anteriormente.

Siguiendo otro modo de implementación (figura 4), las diferentes antenas de recepción 2 están unidas mediante cables C por ejemplo, a la unidad central de control y de sincronización 8 que asegura las labores de generación de señales compuestas para las diferentes fuentes 5 y la adquisición y el registro de las señales recibidas por los sensores 4 y el tratamiento de las señales adquiridas.

Por supuesto, los cables C pueden sustituirse de manera general, por cualquier conexión material o inmaterial (conexión herciana, fibra óptica, etc.).

Los dispositivos locales de adquisición y de tratamiento 6 y/o la unidad central de control y de sincronización 8 comprenden calculadoras tales como PC programados para realizar los tratamientos con intención de aislar y reconstituir los sismogramas que corresponden a las contribuciones propias de los diferentes vibradores, tales como se han definido en la descripción.

Claims (12)

1. Método de vigilancia sísmica de una formación subterránea (1) que comprende la emisión de ondas sísmicas en la formación, la recepción de las señales reenviadas por la formación en respuesta a la emisión de las ondas sísmicas, el registro de las señales recibidas mediante al menos un sensor sísmico (4) y la formación de sismogramas mediante tratamiento de las señales registradas, caracterizado porque:

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la emisión se realiza acoplando con la formación al menos dos vibradores (5) que emiten simultáneamente y controlados mediante señales ortogonales unas con respecto a otras constituidas por sinusoides de frecuencias diferentes entre sí tanto por sus componentes fundamentales como por sus armónicos respectivos, para formar una señal vibratoria compuesta; y

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el tratamiento comprende una discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores a la señal vibratoria compuesta y una reconstrucción de sismogramas equivalentes a los que se obtendrían accionando por separado los vibradores.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se emiten señales ortogonales formadas a base de ondas pequeñas, de polinomios de Legendre o de series aleatorias.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se realiza la discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores mediante determinación de la amplitud y de la fase de la señal vibratoria compuesta, a las frecuencias fundamentales de las señales de control aplicadas a los vibradores.

4. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores (5) comprende una ponderación de las señales registradas mediante un factor (13) de ponderación en campana y una determinación de la amplitud y de la fase de la señal compuesta.

5. Método de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque la discriminación de las contribuciones respectivas de los vibradores comprende una selección mediante transformada de Fourier, de líneas (15-18) del espectro complejo asociadas respectivamente a las diferentes señales ponderadas.

6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se realiza la reconstrucción de los sismogramas que corresponden específicamente a los diferentes vibradores aplicando, después de su separación, una transformada de Fourier inversa, a las líneas (19, 20) asociadas respectivamente a las diferentes señales ponderadas.

7. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se desplazan mediante paso de frecuencia, a intervalos de tiempo determinados, las frecuencias de las señales de control ortogonales aplicadas respectivamente a los diferentes vibradores para barrer cierta banda de frecuencia de emisión [f_{b} - f_{f}].

8. Sistema de vigilancia sísmica de una formación subterránea que comprende medios de emisión de vibraciones sísmicas en la formación, medios de recepción de las señales reenviadas por la formación en respuesta a la emisión de las ondas sísmicas, medios de registro de las señales recibidas por los medios de recepción de las señales y medios de tratamiento de señales registradas para formar sismogramas, caracterizado porque:

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los medios de emisión comprenden al menos dos vibradores (5) y medios (8) para generar señales ortogonales unas con respecto a otras constituidas por sinusoides de frecuencias diferentes entre sí tanto por sus componentes fundamentales como por sus armónicos respectivos y aplicarlas simultáneamente de forma respectiva a los vibradores (5) para generar en la formación una señal vibratoria compuesta; y

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los medios de tratamiento comprenden al menos una calculadora (6) adaptada para realizar una discriminación en el campo de la frecuencia de las contribuciones respectivas de los vibradores a la señal vibratoria compuesta y una reconstrucción de sismogramas equivalentes a los que se obtendrían accionando por separado los vibradores.

9. Sistema de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque comprende una pluralidad de unidades locales (LU) dispuestas a distancia unas de otras y acopladas a la formación, comprendiendo cada unidad al menos un sensor sísmico (4), un vibrador sísmico (5), un dispositivo local (6) de adquisición y de tratamiento de las señales recibidas y una unidad central de control y de sincronización (8) conectada a las diferentes unidades locales, que comprende un generador de señales adaptado para aplicar a los vibradores (5), las señales vibratorias de control ortogonales.

10. Sistema de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la unidad central de control y de sincronización (8) está conectada a las diferentes unidades locales mediante medios de conexión material o inmaterial.

11. Sistema de acuerdo con la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque comprende una pluralidad de unidades locales (LU) dispuestas a distancia unas de otras y acopladas a la formación, comprendiendo cada unidad al menos un sensor sísmico, un vibrador sísmico (5) y una unidad central de control y de sincronización (8) conectada a las diferentes unidades locales (LU), que comprende un generador de señales adaptado para formar las diferentes señales vibratorias de control ortogonales y medios de adquisición de las señales recibidas por las diferentes antenas (2) y de reconstrucción de los sismogramas que corresponden a las contribuciones de los diferentes vibradores (5).

12. Sistema de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque los medios de recepción comprenden al menos una antena (2) constituida por varios sensores sísmicos (4) dispuestos a lo largo de un pozo (3) practicado en la formación, estando esta antena conectada a medios de registro.