Особенности создания и использования наземного сейсмогравиметрического комплекса

Обсуждается возможность слежения (мониторинга) за режимом эксплуатации крупных месторождений углеводородов, а также оценки выработки объема из подземных хранилищ газа с помощью несейсмических методов. Особое место при этом отводится режимным гравиметрическим наблюдениям, которые выполнялись бы продолжительное время с высокой точностью. В связи с этим как в нашей стране, так и за рубежом, ведутся активные геофизические исследования по соз- данию таких гравиметрических комплексов.

Гравиметрические и сейсмические наблюдения имеют один и тот же физический принцип – измерение перемещений с высокой точностью. В то же время каждый вид этих долговременных наблюдений существует отдельно, каждый из них рассматривает перемещение пробной массы в «своей» полосе частот. Перекрытие этих частот находится в области десятых долей герца. Помимо этого аппаратура каждого вида наблюдений создавалась отдельно и в конкретном случае реализа-

ции каждая из них обладает своим спектром погрешностей.

Поэтому создание комплекса долговременных геофизических наблюдений, позволяющих проводить наблюдения в полосе частот от десяти до 1х 10-8 герц (с периодом более одного года), очень актуально.

Высокая степень надежности и значительный срок службы обуславливают использование относительных гравиметров в качестве базовых приборов геофизического комплекса. Наиболее предпочтительны относительные гравиметры с кварцевыми системами крутильного типа. Погрешность отсчета должна быть не более 1 мкГал. При такой погрешности можно с высокой точностью наблюдать приливные эффекты, влияние атмосферного давления, нутации полюса и другие геофизические явления.

В составе комплекса целесообразно использовать не менее двух относительных гравиметров. Это позволит компенсировать ряд инерциальных помех различного типа, оценить работоспособность каждого из двух однотипных приборов, повысить надежность и достоверность гравиметрических измерений. В составе комплекса следует использовать гравиметры разного физического принципа действия, имеющие один порядок точности измерений.

В геофизический комплекс необходимо включить абсолютный гравиметр. Его использование позволит «привязывать» точку наблюдений к пунктам государственной гравиметрической сети, а также периодически проверять вычисленные значения ускорений силы тяжести, полученные с помощью относительных гравиметров. Необходимо отметить, что использование абсолютного гравиметра для непрерывных измерений невозможно при проведении долговременных геофизических наблюдений, так как его возможности ограничены ресурсом механических систем. В то же время совместные наблюдения гравиметрических приборов разных физических принципов позволят освободить геофизические наблюдения от приборных погрешностей каждого класса.

В состав геофизического комплекса необходимо введение трехкомпонентной сейсмической станции. Она позволит зарегистрировать сейсмические колебания в полосе частот от десяти до 0,1 герц.

В силу того, что геофизические наблюдения, как правило, зависят от метеорологических условий окружающей среды, в составе комплекса необходима станция метеорологических наблюдений, которая в автоматическом режиме должна измерять давление, температуру и влажность в точке наблюдений.

Следует учесть, что указанный комплекс должен быть мобильным и воспроизводимым в нескольких экземплярах для создания сети наблюдений.

Целями его являются:

• •    отработка методических приемов использования;

• •    оценка отклика на сейсмические сигналы входящих в состав базовых относительных гравиметров и сейсмических приемников;

• •    получение длинных рядов гравиметрических наблюдений, позволяющих после учета метеорологических факторов и сейсмических оценок определить геофизические факторы в области периодов от одного часа до одного года.

При создании комплекса был использован мобильный абсолютный баллистический гравиметр А10. В качестве базового прибора выбран кварцевый гравиметр CG-5, обладающий требуемой точностью, возможностями учета поправок за смещение нуль-пункта, наклонов гравиметра, учета поправок за лунно-солнечное влияние и др.

Для реализации поставленных задач определилась структура комплекса. В него входят:

• – два относительных гравиметра CG-5 [1];

  – абсолютный гравиметр А10 [2];

  – трехкомпонентная сейсмическая станция «Югра» [3];

  – автоматическая метеорологическая станция [4];

  – GPS двухчастотный приемник навигационного позиционирования, используемый как для решения геодинамических задач, так и для синхронизации наблюдений всех составляющих приборов комплекса;

  – система сбора и обработки данных на базе переносного компьютера.

При долговременных наблюдениях с помощью относительных гравиметров с кварцевыми системами крутильного типа необходимо решить задачу точной аппроксимации смещения нуль-пункта этих приборов. Разработчики этих гравиметров считают достаточным использование линейной аппроксимации дрейфа, обусловленного пластической деформацией кварцевой системы гравиметра и квадратичной аппроксимацией нестабильности электронной схемы съема и обработки сигнала кварцевой системы. Пользователю относительного гравиметра доступна процедура уточнения (калибровки) линейной составляющей дрейфа. Корректировка квадратичной составляющей дрейфа отнесена к категории заводских регулировок. При проведении полевых работ и наблюдений длительностью до двух недель такой подход вполне оправдан. При долговременных наблюдениях этого явно недостаточно. На рис. 1 приведен график погрешности измерений после снятия линейной составляющей.

Выбор функциональных зависимостей, аппроксимирующих дрейф нуля относительных гравиметров – процесс творческий. Считаем целесообразным использование следующего методического прие-ма–подбор аппроксимирующей функции методом наименьших квадратов с учетом весовых коэффициентов в моменты проведения измерений абсолютным гравиметром, входящим в состав комплекса.

Рис. 2.

Критерием окончания итеративного процесса подбора коэффициентов аппроксимирующего полинома является отсутствие корреляции между остатком полученной разности наблюденных отсчетов и вычтенных значений аппроксимирующей функции со значениями полинома более высокого порядка. На рис. 2 приведена разность величин после вычитания из измеренных значений ускорения силы тяжести численных значений подобранной функции аппроксимации. В данном случае функцией аппроксимации был полином пятого порядка. Экспериментально было доказано, что на интервале 30-45 сут. целесообразно использование аппроксимирующей функции в виде полинома пятого порядка. На более длительных отрезках наблюдений использована интервальная аппроксимация для исключения краевых эффектов и согласования с данными баллистического гравиметра. Периодичность контрольных измерений абсолютным гравиметром составляла 3035 сут.

Отработка и совершенствование методических приемов наблюдений со всеми составляющими приборами комплекса привела к получению рядов гравиметрических измерений на протяжении 45-90 сут. Представленные на рис. 3 графики, отображающие ряды значений абсолютного и относительного гравиметра, пока- зывают, что по своей информативности и точности относительные гравиметры целесообразно использовать в качестве базовых приборов геофизического комплекса. Это подтверждают значения математического ожидания и разбросы среднеквадратического отклонения измерений, полученных относительными и абсолютным гравиметрами.

Рис. 3.

Комплекс был укомплектован приборами в 2008 г., и на протяжении двух лет продолжается его опытно-методическая эксплуатация. Пример расположения на гравиметрическом постаменте составляющих приборов комплекса приведен на фотографии (рис. 4). Для получения с помощью созданного комплекса ряда значений ускорений силы тяжести, свободных от техногенных помех, необходимо было создать гравиметрическую обсерваторию.

• 1.    Заложенные при создании комплекса концепции оправдались. Комплекс позволил проводить долговременные геофизические наблюдения при условии полного устранения погрешностей гравиметрических измерений.

• 2.    Как и предполагалось, относительные гравиметры и сейсмические приборы отображают, каждый по-своему, сейсмические события. На рис. 5 показаны значения силы тяжести для двух относительных гравиметров и сигналы сейсмических станций, входящих в состав комплекса. На графиках отображаются приход про-

• дольных и поперечных сейсмических волн на сейсмические и гравиметрические датчики и изменение среднеквадратических отклонений гравиметрических измерений. Сейсмические события в виде землетрясений или техногенного воздействия, документированные на записях сейсмостанций комплекса, должны служить основанием для удаления из рассмотрения и анализа сигналов гравиметров в эти моменты времени.

• 3.    Новым результатом геофизических наблюдений стал тот факт, что информативным параметром оказалось среднеквадратическое отклонение измеренных значений ускорений силы тяжести. Это отклонение увеличивается не только при землетрясениях, но и при длительном большом изменении атмосферного давления. На рис. 6 приведены графики среднеквадратического отклонения погрешностей измерений силы тяжести, а на рис. 7 – график поправки, вычтенной из измере-

• ний, которая учитывает изменение атмосферного давления.

Долговременные комплексные наблюдения в течение одного года на созданном гравиметрическом комплексе привели к следующим предварительным результатам.

Рис. 4. В центре постамента баллистический гравиметр А10, справа два относительных гравиметра CG-5.

Рис. 5.

Следует отметить, что с помощью гравиметров учтено атмосферное давление. Данный результат получен всеми приборами.

Рис. 6.

Рис. 7.

Для получения с помощью созданного комплекса ряда значений ускорений силы тяжести, свободных от техногенных помех, была создана гравиметрическая обсерватория, удаленная от городов, авто- мобильных и железных дорог. Закладка постаментов обсерватории выполнялась в соответствии с требованиями к пунктам гравиметрической сети 1 класса (рис. 8), общий вид построенной обсерватории показан на рис. 9. В здании обсерватории расположены три постамента, независимые друг от друга, и фундамент здания, построенные в соответствии с требованиями обеспечения надежного функционирования сейсмогравиметрической аппа- ратуры.

Рис. 8.

Рис. 9. Общий вид построенной сейсмограви-метрической обсерватории

Результаты наблюдений в обсерватории наглядно видны на графике значений ускорений силы тяжести (рис. 10). Как видно из кривых гравиметрических измерений, уровень влияния сейсмического шума наблюдений в обсерватории по отношению к наблюдениям на фундаментальном гравиметрическом пункте «Дол- гое Ледово» в 15-18 раз меньше. В этом случае лучше выявлять влияние метеорологических и геофизических факторов на гравиметрические измерения. На рис. 10 показан также график изменения атмосферного давления и видно влияние двух землетрясений на гравиметрические измерения. Гравиметрические наблюдения в обсерватории позволили выявить не только качественную, но и количественную оценку изменения среднеквадратического отклонения гравиметрических наблюдений от изменения давления. Пример полученных графиков этих зависимостей приведен на рис. 11. Отметим, что инструкция по использованию относительных гравиметров CG-5 не предусматривает введение в измерения поправки, обусловленной изменением атмосферного давления.

Высокоточные долговременные гравиметрические наблюдения c использованием относительных гравиметров показывают необходимость учета этой поправки. Для баллистического гравиметра эта поправка в мкГал вычисляется по формуле (0,3 – 0,4)ΔP, где ΔP – изменение давления относительно нормального давления в миллибарах.

Условия обсерватории позволили уточнить эту формулу в точке наблюдения.

Был использован следующий методический прием, который основывался на предположении, что изменение атмосферного давления влияет на долговременные гравиметрические наблюдения с некоторым временным запаздыванием. Опишем его подробнее.

Вариант 1. На рис. 12 показано изменение сигнала гравиметра от изменения атмосферного давления, а также построена линия регрессии этих параметров на интервале наблюдения. Значения смещения нуль-пункта гравиметра аппроксимированы полиномом 5 порядка и вычтены из показаний прибора. Наклон линии регрессии показан на рисунке и составил 0.156 мкГал/миллибар.

Рис. 10. График значений ускорений силы тяжести по наблюдениям в обсерватории

Рис. 12. Изменение сигнала гравиметра от изменения атмосферного давления и линия регрессии на интервале наблюдения

Рис. 11. Зависимость среднеквадратического отклонения гравиметрических измерений от атмосферного давления

Вариант 2. Если за время наблюдения изменение атмосферного давления аппроксимировать полиномом 5 порядка (рис. 13), то мгновенные изменения давления будут сглажены, но общая тенденция останется. Сравнивая в этом случае, как и на рис. 12, изменение сигнала гравиметра от изменения атмосферного давления, представленного аппроксимированным полиномом (рис. 13), то наклон линии регрессии и значение коэффициен- та регрессии (0,034 мкГал/миллибар) будут совершенно другими (рис. 14).

Использованный методический прием показал, что для высокоточных долговременных гравиметрических наблюдений учет влияния атмосферного давления необходим, а предлагаемые формулы учета (0.3 – 0.4)ΔP требуют уточнения. Это обусловлено как местом установки гравиметров и продолжительностью измерений, так и уточнением модели влияния атмо- сферного давления на показания гравиметра.

Результаты исследований с помощью наземного гравиметрического комплекса показывают, что основная цель при создании комплекса долговременных гравиметрических наблюдений достигнута. Разработан и создан автоматизированный комплекс, позволяющий в заданном диапазоне частот проводить долговременные геофизические наблюдения. Для создания оптимальной методики мониторинга углеводородных месторождений необходимо получение с его помощью рядов наблюдений продолжительностью несколько лет.

Рис. 13. Изменение атмосферного давления аппроксимированное полиномом 5 порядка

Рис. 14.