RU2494418C1 - Method of measuring coordinates of microseismic sources and parameters of mechanisms of centres thereof in conditions of strong seismic interference (versions) - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: first and second versions of the method involve a surface group of seismic detectors measuring seismic signals emitted by microseismic sources. Digital records of the seismic signals are analysed and a microseismic event is detected from the analysis results by calculating certain functionals. The value of the vector argument in which said functional reaches its maximum is established and then used to determine coordinates of the microseismic source and parameters of the mechanism of the centre of the microseismic source. The receivers of the surface group of seismic detectors used are three-component seismic detectors. The values of complete vectors of the seismic signals are calculated at points of exit onto the surface of propagation beams of the seismic wave from the microseismic source to all seismic detectors; the expected values of physical characteristics of the seismic signals are calculated using physical models of the medium under the receivers of the surface group of seismic detectors. When analysing digital records of seismic signals, various defined functionals are calculated on the first and second versions of the method.

EFFECT: high probability of detecting microseismic events and accuracy of measuring coordinates of their sources.

2 cl, 7 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области сейсмических исследований и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности, а именно - при контроле процесса гидроразрыва пластов залежей углеводородов, в горнодобывающей промышленности - для контроля микросейсмичности в окрестности шахт и рудников, в технологиях контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний - для идентификации мест проведения подземных взрывов.The invention relates to the field of seismic research and can be used in the oil and gas industry, namely, when monitoring the process of hydraulic fracturing of hydrocarbon deposits, in the mining industry to control microseismicity in the vicinity of mines and mines, in technologies for monitoring compliance with the Comprehensive Nuclear Ban Treaty tests - to identify places of underground explosions.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Перспективные технологии из числа применяемых в настоящее время для мониторинга микросейсмической активности в верхних слоях земной среды, в частности, мониторинга гидроразрыва пластов (ГРП) при добыче нефти и газа используют поверхностные группы сейсмических приемников (ПГСП) для регистрации сейсмических волн, излучаемых микросейсмическими источниками. Записи сейсмических сигналов, принятых ПГСП, используются затем для определения размеров и геометрии образовавшейся области разрушения среды. ПГСП представляют собой совокупность приборов, регистрирующих колебания частиц Земной среды, установленных на поверхности земли или на небольшом углублении под ее поверхностью на расстояниях от 30 до 200 м друг от друга в области (апертуре), размеры которой определяются глубиной, где происходят микросейсмические события, и скоростной моделью среды, охватывающей место производство ГРП. [RU, №2319177], [RU, №2305298], [PCT/US 2009/037220], [WO/2009/007822], [RU, №2451307], [RU, №2451308].Promising technologies among those currently used to monitor microseismic activity in the upper layers of the earth's environment, in particular, hydraulic fracturing (Fracturing) monitoring in oil and gas production, use surface groups of seismic receivers (PSGS) to register seismic waves emitted by microseismic sources. Records of seismic signals received by the SSSP are then used to determine the size and geometry of the resulting region of medium destruction. PHSPs are a set of instruments recording the oscillations of particles of the Earth’s environment, installed on the surface of the earth or at a small depression below its surface at distances from 30 to 200 m from each other in the region (aperture), the dimensions of which are determined by the depth where microseismic events occur, and high-speed model of the environment covering the production of hydraulic fracturing. [RU, No. 2319177], [RU, No. 2305298], [PCT / US 2009/037220], [WO / 2009/007822], [RU, No. 2451307], [RU, No. 2451308].

Известные способы микросейсмического мониторинга различаются, в основном, методами анализа зарегистрированных ПГСП сейсмических сигналов для решения основных задач мониторинга, каковыми являются:Known methods of microseismic monitoring differ, mainly, by the methods of analysis of recorded SSSP seismic signals to solve the main tasks of monitoring, which are:

1) измерение координат (локация) источников микроземлетрясений, образующихся при техногенном воздействии на земную среду, которые в совокупности определяют места локальных разрывов среды;1) measurement of the coordinates (location) of the sources of microearthquakes generated by anthropogenic impact on the earth's environment, which together determine the places of local discontinuities of the medium;

2) определение геометрических, кинематических и динамических характеристик этих разрывов, в частности, направления и скорости относительных перемещений локальных участков земной среды при микроземлетрясении, а также размеры этих участков.2) determination of the geometric, kinematic and dynamic characteristics of these discontinuities, in particular, the direction and speed of the relative displacements of local parts of the earth's environment during a microearthquake, as well as the sizes of these sections.

В известных способах мониторинга решение двух указанных задач осуществляется с помощью различных процедур анализа данных ПГСП. Сначала с помощью процедуры локации измеряются координаты микросейсмического источника. Затем процедурами многоканальной фильтрации (с помощью «фокусировки на источник», «стекинга») сигналы от источника, зарегистрированные на различных областях апертуры ПГСП, выделяются из сейсмических шумов. Различия в формах сигналов, излучаемых источником в виде сейсмических волн в различных направлениях, позволяют судить о геометрии «диаграммы излучения» очага микросейсмического события, которая однозначно связана с характером деформации среды в очаге.In the known monitoring methods, the solution of these two problems is carried out using various procedures for analyzing data of PHSP. First, using the location procedure, the coordinates of the microseismic source are measured. Then, using multichannel filtering procedures (using “focus on the source”, “stacking”), signals from the source, recorded at various areas of the aperture of the MSS, are extracted from seismic noise. Differences in the shapes of the signals emitted by the source in the form of seismic waves in different directions make it possible to judge the geometry of the “radiation pattern” of the microseismic event source, which is uniquely related to the nature of the medium’s deformation in the source.

Практическая реализация известных способов мониторинга связана со следующими трудностями:The practical implementation of known monitoring methods is associated with the following difficulties:

A. Наличием в записях сейсмических сигналов от микроземлетрясений сильных когерентных помех, т.е. случайных помех, коррелированных и по времени, и по пространству. Такие помехи порождаются, главным образом, техническими устройствами, работающими в районе, где производится мониторинг микросейсмичности. В частности, это механизмы, используемые для разработки месторождений нефти или газа и технологических операций гидроразрыва среды.A. The presence of strong coherent interference in the records of seismic signals from microearthquakes, i.e. random interference, correlated both in time and in space. Such interference is caused mainly by technical devices operating in the area where microseismicity is monitored. In particular, these are the mechanisms used for the development of oil or gas fields and technological operations for hydraulic fracturing of the medium.

Б. Сложностью строения земной среды под ПГСП, включающей область, где происходят микросейсмические события. Недостаточный учет имеющейся информации о строении среды приводит к ошибкам в физических моделях распространения сейсмических волн от микросейсмических источников к приемникам ПГСП, т.е. тех моделей, которые используются при решении указанных выше основных задач обработки сейсмических сигналов при микросейсмическом мониторинге.B. The complexity of the structure of the earth’s environment under the MSS, including the area where microseismic events occur. Insufficient accounting of the available information on the structure of the medium leads to errors in the physical models of the propagation of seismic waves from microseismic sources to the receivers of the GSP, i.e. those models that are used to solve the above main problems of processing seismic signals in microseismic monitoring.

B. Сложностью механизмов очагов микросейсмических источников, которые невозможно моделировать как точечные источники только вида расширения (типа взрыва) или только вида сдвига (типа двойного диполя). Как правило, микросейсмические источники имеют тензор сейсмического момента общего вида [Foulger G.R., Julian B.R. et al Non-double-couple microearthquakes at Long Valley caldera, California, provide evidence for hydraulic fracturing // Journal of Volcanology and Geothermal Research, N 132, (2004), 45-71], причем в процессе развития трещины при гидроразрыве этот тензор может меняться во времени.B. The complexity of the mechanisms of foci of microseismic sources that cannot be modeled as point sources of only the type of expansion (such as an explosion) or only the type of shear (such as a double dipole). As a rule, microseismic sources have a general seismic moment tensor [Foulger G.R., Julian B.R. et al Non-double-couple microearthquakes at Long Valley caldera, California, provide evidence for hydraulic fracturing // Journal of Volcanology and Geothermal Research, N 132, (2004), 45-71], and this tensor during hydraulic fracturing may vary over time.

Измерение координат (локацию) микросейсмического источника по данным ПГСП приходится осуществлять при очень малых отношениях сигнал/шум из-за высоких техногенных поверхностных сейсмических помех, малой энергетики самих источников и затухания сейсмических волн на пути от источника к поверхности. Поэтому алгоритмы локации должны в максимальной степени использовать имеющуюся априорную информацию, как о статистических характеристиках помех, так и об условиях распространения сейсмических волн в среде под ПГСП, определяемых скоростной моделью этой среды. Эти обстоятельства, в частности, учитываются в способах измерения координат микросейсмических источников, описанных в патентах [RU, №2451307, G01V 1/00, опубл. 20.05.2012] и [RU, №2451308, G01V 1/00, опубл. 20.05.2012].The coordinates (location) of the microseismic source according to the SSSP data have to be carried out at very small signal-to-noise ratios due to high technogenic surface seismic interference, low energy sources themselves and the attenuation of seismic waves on the way from the source to the surface. Therefore, location algorithms should make the maximum use of the available a priori information, both on the statistical characteristics of the interference and on the propagation conditions of seismic waves in the medium under the SSS determined by the velocity model of this medium. These circumstances, in particular, are taken into account in the methods of measuring the coordinates of microseismic sources described in the patents [RU, No. 2451307, G01V 1/00, publ. 05/20/2012] and [RU, No. 2451308, G01V 1/00, publ. 05/20/2012].

Известные из уровня техники способы решения второй основной задачи микросейсмического мониторинга - определения механизма очага источника, в частности, методы, изложенные в [WO/2009/007822, Methods and Systems for Processing microseismic data (Shlumberger)] и [Foulger G.R., Julian B.R. et al. Non-double-couple microearthquakes at Long Valley caldera, California, provide evidence for hydraulic fracturing // Journal of Volcanology and Geothermal Research, N 132, (2004), 45-71], основаны на инверсии записей сигналов от источника (сейсмограмм), зарегистрированных различными сейсмометрами ПГСП, т.е. преобразовании совокупности этих записей в тензор сейсмического момента источника. Эти известные технические решения подразумевают, что сигналы источника могут быть с достаточной точностью выделены из помех, т.е. что отношение сигнал/шум в отдельных приемниках ПГСП достаточно велико. Однако во многих практических приложениях, в частности, при гидроразрывах среды, последнее условие не выполняется, и механизм очага источника, как и его координаты, необходимо определять в условиях, когда сейсмограммы источника полностью замаскированы шумами. Т.е. обе указанные выше задачи микросейсмического мониторинга невозможно решать известными способами с требуемой надежностью и точностью при малом отношении сигнал-помеха в приемниках ПГСП.Known from the prior art, methods for solving the second main task of microseismic monitoring are determining the source focus mechanism, in particular, the methods described in [WO / 2009/007822, Methods and Systems for Processing microseismic data (Shlumberger)] and [Foulger G.R., Julian B.R. et al. Non-double-couple microearthquakes at Long Valley caldera, California, provide evidence for hydraulic fracturing // Journal of Volcanology and Geothermal Research, N 132, (2004), 45-71], based on the inversion of source signal recordings (seismograms), recorded by various PGSP seismometers, i.e. transforming the totality of these records into the source seismic moment tensor. These well-known technical solutions imply that the source signals can be extracted with sufficient accuracy from interference, i.e. that the signal-to-noise ratio in individual PHSP receivers is quite large. However, in many practical applications, in particular, when fracturing a medium, the latter condition is not fulfilled, and the source focus mechanism, as well as its coordinates, must be determined under conditions when the source seismograms are completely masked by noise. Those. both of the above problems of microseismic monitoring cannot be solved by known methods with the required reliability and accuracy with a small signal-to-noise ratio in the receivers of the MSS.

Для надежного определения механизма очагов микросейсмических источников в условиях сильных помех, воздействующих на ПГСП, необходимо использовать физическую модель очагов этих источников в районе, где проводится микросейсмический мониторинг [Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология М.: Мир, 1983, 536 с]. В известных способах на основании модели очага рассчитываются синтетические (теоретические) сейсмограммы, порождаемые источником на приемниках ПГСП, сравнивая которые с наблюдаемыми сейсмограммами определяют параметры механизма очага. Для расчета синтетических сейсмограмм необходимо использовать определенные предположения о временной функции смещений среды в очаге (которая реально никогда не известна). Расхождение между предполагаемой и реальной временными функциями вносит ошибки в определение параметров механизма очага, что затрудняет использование известных способов при малых отношениях сигнал помеха в приемниках ПГСП.In order to reliably determine the mechanism of foci of microseismic sources under conditions of strong interference affecting the MSS, it is necessary to use a physical model of the foci of these sources in the region where microseismic monitoring is carried out [Aki K., Richards P. Quantitative seismology M .: Mir, 1983, 536 s] . In known methods, based on the source model, synthetic (theoretical) seismograms are generated that are generated by the source at the receivers of the GSP, comparing with the observed seismograms the parameters of the source mechanism are determined. To calculate synthetic seismograms, it is necessary to use certain assumptions about the time function of the displacements of the medium in the source (which is never really known). The discrepancy between the assumed and real time functions introduces errors in the determination of the parameters of the source mechanism, which complicates the use of known methods with small signal-to-noise ratios in the receiver.

Из уровня техники известно применение трехкомпонентных сейсмометров в микросейсмическом мониторинге [RU, №2319177], однако в этом известном способе не определена процедура вычисления углов выхода сейсмических лучей от источников в точки расположения сейсмометров ПГСП и не учитывается влияние поверхности раздела земной среды и воздуха на распределение энергии сейсмической волны по компонентам каждого из сейсмометров [Jepsen, D.C. and Kennet, B.L.N., 1990 Three-component analysis of regional seismograms // Bui. Seism. Soc. Am., vol.80, 1990,The use of three-component seismometers in microseismic monitoring is known from the prior art [RU, No. 2319177], however, in this known method, the procedure for calculating the angles of exit of seismic rays from sources at the points of location of the SSSP seismometers is not defined and the influence of the interface between the earth and air on the energy distribution is not taken into account seismic wave along the components of each of the seismometers [Jepsen, DC and Kennet, B.L.N., 1990 Three-component analysis of regional seismograms // Bui. Seism. Soc. Am., Vol. 80, 1990,

P.2032-2053]. Поэтому в известном способе не может быть использована полная энергия сейсмических колебаний вдоль сейсмических лучей, соединяющих источник с приемниками ПГСП, что не позволяет достичь потенциальной надежности и точности микросейсмического мониторинга в условиях малого отношения сигнал-помеха в приемниках ПГСП.P.2032-2053]. Therefore, in the known method, the total energy of seismic vibrations along the seismic rays connecting the source with the receivers of the DSS cannot be used, which does not allow to achieve the potential reliability and accuracy of microseismic monitoring in the conditions of a small signal-to-noise ratio in the receivers of the DSS.

Также из уровня техники известны способы измерения координат микросейсмических источников [RU, №2451307, G01V 1/00, опубл. 20.05.2012], [RU, №2451308, G01V 1/00, опубл. 20.05.2012] учитывающие статистические характеристики помех, воздействующих на приемники ПГСП. В этих способах для анализируемых данных ПГСП измеряются координаты точки максимума по координатам источника определенных функционалов, зависящих как от всей совокупности зарегистрированных данных, так и от координат источника. Функционал способа [RU, №2451308] является обобщением известного функционала сейсмической эмиссионной томографии (СЭТ) (при вычислении последнего в частотной области), но в отличие от СЭТ он учитывает статистические характеристики помех, воздействующих на зарегистрированные сигналы микросейсмического источника. Для этого в предлагаемом обобщении функционала СЭТ используется матричная функция спектральной плотности мощности помех, одновременно воздействующих на всю совокупность приемников ПГСП. При большом числе приемников, применяемых для мониторинга ГРП, указанная функция имеет очень большой размер и поэтому определяется (по дополнительным наблюдениям помех) с невысокой точностью, что уменьшает эффективность ее использования для микросейсмического мониторинга при малых отношениях сигнал-помеха в приемниках ПГСП.Also known from the prior art are methods for measuring the coordinates of microseismic sources [RU, No. 2451307, G01V 1/00, publ. 05/20/2012], [RU, No. 2451308, G01V 1/00, publ. 05/20/2012] taking into account the statistical characteristics of interference affecting the receivers of PHSP. In these methods, the coordinates of the maximum point for the analyzed coordinates of the maximum point are measured from the coordinates of the source of certain functionals, depending on both the totality of the recorded data and the coordinates of the source. The functional of the method [RU, No. 2451308] is a generalization of the known functional of seismic emission tomography (SET) (when calculating the latter in the frequency domain), but unlike the SET, it takes into account the statistical characteristics of the interference affecting the recorded signals of the microseismic source. To do this, in the proposed generalization of the STE functional, a matrix function of the spectral density of interference power is used, which simultaneously affects the entire set of PHSP receivers. With a large number of receivers used for hydraulic fracturing monitoring, this function has a very large size and is therefore determined (by additional observations of interference) with low accuracy, which reduces the efficiency of its use for microseismic monitoring with small signal-to-noise ratios in the receiver and receiver array.

В известном способе [RU, №2451308] максимизируемый по координатам источника функционал вычисляется только по фазам комплексных дискретных конечных преобразований Фурье (ДКПФ) данных, зарегистрированных сейсмометрами ПГСП в анализируемом временном окне. При этом для вычисления указанного фазового функционала используются данные только тех пар приемников ПГСП и только те частоты их ДКПФ, для которых в специальной предварительной процедуре обработки данных ПГСП установлено высокое значение их функции когерентности. Использование только фазовой информации, содержащейся в данных ПГСП, а также только пар датчиков и частот с высокой когерентностью обеспечивает дополнительную помехоустойчивость при оценивании координат микросейсмического источника в условиях при малых отношениях сигнал-помеха в приемниках ПГСП.In the known method [RU, No. 2451308], the functional maximized by the source coordinates is calculated only by the phases of the complex discrete finite Fourier transforms (DKPF) of the data recorded by the PHSP seismometers in the analyzed time window. In this case, to calculate the indicated phase functional, the data are used only from those pairs of PHSP receivers and only those frequencies of their DKPF for which a special preliminary procedure for processing the PHSP data sets a high value of their coherence function. The use of only phase information contained in the PHS data, as well as only pairs of sensors and frequencies with high coherence, provides additional noise immunity when estimating the coordinates of a microseismic source in conditions with small signal-to-noise ratios in the PHSP receivers.

Недостаток способов [RU, №2451308], [RU, №2451308] (являющихся усовершенствованием традиционно применяемого в микросейсмическом мониторинге способа СЭТ) состоит в том, что они не позволяют измерять параметры механизмов очагов микросейсмических источников, а также не позволяют использовать полную энергию сейсмических волн, распространяющихся вдоль лучей от источника до приемников ПГСП (что возможно при оснащении ПГСП трехкомпонентными сейсмометрами).The disadvantage of the methods [RU, No. 2451308], [RU, No. 2451308] (which are an improvement of the SET method traditionally used in microseismic monitoring) is that they do not allow measuring the parameters of focal mechanisms of microseismic sources, and also do not allow using the full energy of seismic waves propagating along the rays from the source to the receivers of the DGSP (which is possible when equipping the DGSP with three-component seismometers).

Существенными недостатками способов измерения координат микросейсмических источников [RU, №2451307], [RU, №2451308] (как и способов, описанных в [RU, №2319177], [RU, 2305298], [PCT/US 2009/037220]) является то, что в них не принимается во внимание сложный характер механизмов очагов реальных микросейсмических источников, что особенно важно при мониторинге гидроразрыва пласта на нефте-газовых месторождениях. Наличие в очаге источника деформаций не только типа расширения (типа взрыва), но и типа сдвига (типа двойного диполя) приводит к существенному различию амплитуд (и следовательно, отношений сигнал/шум), а также знаков первых вступлений сигналов источника (сейсмограмм), зарегистрированных различными приемниками ПГСП, т.е. к нарушению «подобия» этих сейсмограмм для различных приемников. При нарушении подобия сигналов, порождаемых источником в различных датчиках, способы локации, основанные на СЭТ и ее обобщениях, теряют свою эффективность, т.е. обеспечиваемая ими надежность обнаружения источника и точность измерения его координат существенно ухудшаются. Можно утверждать, что эти способы ориентированы на локацию источников с механизмом очага только типа расширения.Significant disadvantages of the methods for measuring the coordinates of microseismic sources [RU, No. 2451307], [RU, No. 2451308] (as well as the methods described in [RU, No. 2319177], [RU, 2305298], [PCT / US 2009/037220]) are the fact that they do not take into account the complex nature of the mechanisms of foci of real microseismic sources, which is especially important when monitoring hydraulic fracturing in oil and gas fields. The presence in the source of the deformation source not only of the type of expansion (type of explosion), but also the type of shear (type of double dipole) leads to a significant difference in amplitudes (and therefore signal-to-noise ratios), as well as signs of the first arrivals of source signals (seismograms) recorded various receivers of PHSP, i.e. to the violation of the "similarity" of these seismograms for various receivers. If the similarity of the signals generated by the source in various sensors is violated, location methods based on SET and its generalizations lose their effectiveness, i.e. the reliability of source detection provided by them and the accuracy of measuring its coordinates are significantly impaired. It can be argued that these methods are focused on locating sources with a focus mechanism of only an extension type.

Также способы [RU, №2451307], [RU, №2451308] не позволяют использовать полную энергию сейсмических волн, распространяющихся вдоль лучей от источника до приемников ПГСП, что возможно при оснащении ПГСП трехкомпонентными сейсмометрами.Also, the methods [RU, No. 2451307], [RU, No. 2451308] do not allow the use of the full energy of seismic waves propagating along the rays from the source to the receivers of the DSS, which is possible when the DSS is equipped with three-component seismometers.

Способ измерения координат микросейсмических источников, предлагаемый в настоящем изобретении, наиболее близок к способу, описанному в патенте [RU, №2451307, G01V 1/00, опубл. 20.05.2012]. В этом известном способе регистрация сейсмических волн, излучаемых микросейсмическим источником, производится поверхностной группой сейсмических приемников (ПГСП). Обработка зарегистрированных многоканальных сейсмических сигналов осуществляется цифровой аппаратурой. Механический процесс разрушения среды (в частности, процесс разрыва среды при ГРП) интерпретируется как последовательность микросейсмических событий, генерирующих сейсмические волны, поэтому анализ цифровых записей сейсмических сигналов осуществляется в скользящем временном окне с длительностью, равной типичной длительности микросейсмических событий (в режиме, близком к режиму реального времени). В результате цифровой обработки данных, соответствующих последовательности временных окон, записи поверхностного сейсмического волнового поля в области установки ПГСП отображаются в совокупность точечных источников внутри исследуемой области земной среды. При этом суждение об обнаружении микросейсмического события и измерение координат его источника осуществляется на основе вычисления максимума определенного функционала от данных ПГСП, зарегистрированных в текущем временном окне. Последующий анализ полученной совокупности точечных источников позволяет судить о процессе развития трещин в земной среде (вызванных, в частности технологической процедурой ГРП).The method of measuring the coordinates of microseismic sources, proposed in the present invention, is closest to the method described in the patent [RU, No. 2451307, G01V 1/00, publ. 05/20/2012]. In this known method, the registration of seismic waves emitted by a microseismic source is performed by the surface group of seismic receivers (PHSP). Processing registered multichannel seismic signals is carried out by digital equipment. The mechanical process of medium destruction (in particular, the process of medium failure during hydraulic fracturing) is interpreted as a sequence of microseismic events generating seismic waves, therefore, the analysis of digital records of seismic signals is carried out in a sliding time window with a duration equal to the typical duration of microseismic events (in a mode close to the mode real time). As a result of digital processing of data corresponding to the sequence of time windows, recordings of the surface seismic wave field in the area of the GSP installation are displayed as a set of point sources inside the studied area of the earth's environment. In this case, the judgment of the detection of a microseismic event and the measurement of the coordinates of its source is carried out on the basis of calculating the maximum of a certain functional from the data of the CSP recorded in the current time window. Subsequent analysis of the resulting set of point sources allows us to judge the process of development of cracks in the earth's environment (caused, in particular, by the hydraulic fracturing process).

В настоящем изобретении предлагается модификация описанных в [RU, №2451307], [RU, №2451308] способов измерения координат микросейсмического источников путем введения дополнительных измерительных и вычислительных процедур для определения ожидаемых амплитуд и знаков первых вступлений сигналов, порождаемых в приемниках ПГСП источником со сложным механизмом очага (полным тензором его сейсмического момента). Эти процедуры позволяют скомпенсировать потерю подобия указанных сигналов при появлении в очаге источника сдвиговых составляющих, уменьшить влияние помех и, следовательно, уменьшить вероятность ошибок измерения координат источника.The present invention proposes a modification of the methods described in [RU, No. 2451307], [RU, No. 2451308] for measuring the coordinates of microseismic sources by introducing additional measuring and computational procedures to determine the expected amplitudes and signs of the first arrivals of signals generated in the receivers of the PHSP source with a complex mechanism source (by the full tensor of its seismic moment). These procedures make it possible to compensate for the loss of similarity of these signals when shear components appear in the source focus, reduce the influence of interference, and, therefore, reduce the probability of errors in measuring the source coordinates.

Введение указанных измерений и процедур в алгоритм обработки данных ПГСП позволяет не только улучшить качество локации источника, но одновременно дает возможность определять параметры механизма его очага (параметры тензора его сейсмического момента). Это дает возможность решать на основе единой процедуры анализа данных ПГСП обе основные задачи микросейсмического мониторинга в условиях сильных помех, полностью маскирующих сигналы от источника, зарегистрированные приемниками ПГСП.The introduction of these measurements and procedures into the data processing algorithm of the PSPP allows not only to improve the quality of the source location, but also makes it possible to determine the parameters of its source mechanism (parameters of the tensor of its seismic moment). This makes it possible to solve, on the basis of a unified procedure for analyzing the data of PHSP, both the main tasks of microseismic monitoring under conditions of strong interference, completely masking the signals from the source recorded by the PHSP receivers.

Для улучшения качества измерения координат и параметров механизма очага источника существенным является использование в ПГСП трехкомпонентных сейсмометров и точный учет распределения по компонентам сейсмометров энергии сейсмических волн от источников, расположенных в различных точках контролируемой среды. Для этого необходимы специальные процедуры для определения углов выхода сейсмических лучей от источников в точки расположения сейсмометров ПГСП и учета влияния поверхности раздела земной среды и воздуха на распределение энергии сейсмических волн по компонентам каждого из сейсмометров. Оба данных фактора существенно влияют на указанное распределение энергии, и только их учет обеспечивает эффективное использование при микросейсмическом мониторинге полной энергии сейсмических волн, распространяющихся вдоль лучей от источника к приемникам ПГСП.To improve the quality of measuring the coordinates and parameters of the source focus mechanism, it is essential to use three-component seismometers in the DSSS and to accurately account for the distribution of seismic wave energy from the sources located at different points of the controlled medium over the components of the seismometers. For this, special procedures are needed to determine the angles of exit of seismic rays from the sources to the points of the location of the PHS seismometers and to take into account the influence of the interface between the earth and air on the distribution of the energy of seismic waves among the components of each seismometer. Both of these factors significantly affect the indicated energy distribution, and only their consideration ensures the effective use in microseismic monitoring of the total energy of seismic waves propagating along the rays from the source to the GSP receiver.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Решаемая в предлагаемом изобретении задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик мониторинга микросейсмических событий с помощью ПГСП, в том числе техногенных микроземлетрясений, порождаемых различными видами деятельности человека.Solved in the present invention, the task is to improve the technical and operational characteristics of the monitoring of microseismic events using PHSP, including man-caused microearthquakes generated by various human activities.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленных вариантов способа микросейсмического мониторинга, это - повышение вероятности обнаружения микросейсмических событий, улучшение точности измерения координат их источников, а также определение параметров механизма очага микросейсмического источника при малых отношениях сигнал-шум в приемниках ПГСП.The technical result that can be obtained by implementing the claimed variants of the microseismic monitoring method is to increase the likelihood of detecting microseismic events, improve the accuracy of measuring the coordinates of their sources, and also to determine the parameters of the mechanism of the microseismic source focus at small signal-to-noise ratios in PHSP receivers.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата по первому варианту осуществления предлагаемого способа в известном способе измерения координат микросейсмических источников, включающем:To solve the problem with the achievement of the specified technical result according to the first embodiment of the proposed method in the known method for measuring the coordinates of microseismic sources, including:

- регистрацию поверхностной группой сейсмических приемников сейсмических сигналов, излучаемых микросейсмическими источниками; обработку сейсмических сигналов цифровой аппаратурой в режиме, близком к режиму реального времени;- registration by a surface group of seismic receivers of seismic signals emitted by microseismic sources; processing of seismic signals with digital equipment in a mode close to real time;

- анализ цифровых записей сейсмических сигналов в скользящем временном окне с длительностью, равной типичной длительности микросейсмических событий;- analysis of digital records of seismic signals in a moving time window with a duration equal to the typical duration of microseismic events;

- суждение по результатам анализа об обнаружении микросейсмического события, путем вычисления определенного функционала;- a judgment based on the analysis of the detection of a microseismic event by calculating a specific functional;

- установление значения векторного аргумента, в котором этот функционал достигает максимума;- establishing the value of the vector argument in which this functional reaches its maximum;

- определение по этому значению координат микросейсмического источника, согласно изобретению предлагается:- determination of the microseismic source coordinates by this value, according to the invention, it is proposed:

- использовать трехкомпонентные сейсмометры в качестве приемников ПГСП;- use three-component seismometers as receivers of the satellite navigation system;

- измерять дополнительные характеристики сейсмических сигналов, регистрируемых ПГСП, а именно:- measure the additional characteristics of the seismic signals recorded by the PHSP, namely:

1) измерять значения полных векторов сейсмических колебаний в точках выхода на поверхность лучей их распространения от микросейсмического источника ко всем трехкомпонентным сейсмометрам ПГСП;1) to measure the values of the total vectors of seismic vibrations at the points of exit to the surface of the rays of their propagation from a microseismic source to all three-component seismometers ПГСП;

2) измерять соответствие основных физических характеристик указанных в п.1) сейсмических сигналов, зарегистрированных на различных сейсмометрах ПГСП с ожидаемыми (теоретическими) значениями этих характеристик, а именно:2) measure the correspondence of the basic physical characteristics specified in clause 1) of seismic signals recorded on various PGSP seismometers with the expected (theoretical) values of these characteristics, namely:

а) относительных задержек во времени этих колебаний на разных сейсмометрах,a) the relative time delays of these oscillations on different seismometers,

б) знаков (полярностей) этих колебаний на разных сейсмометрах,b) the signs (polarities) of these oscillations on different seismometers,

в) отношений мгновенных амплитуд на разных сейсмометрах;c) relations of instantaneous amplitudes on different seismometers;

3) измерять спектральные плотности мощности помех, воздействующих на каждый из трехкомпонентных сейсмометров ПГСП;3) measure the spectral power density of the interference affecting each of the three-component seismometers ПГСП;

- для расчета ожидаемых (теоретических) характеристик сейсмических колебаний, измеренных согласно п.1), использовать реальные физические модели среды под ПГСП, в которой происходят микросейсмические события:- to calculate the expected (theoretical) characteristics of seismic vibrations measured according to claim 1), use real physical models of the medium under the PSGS in which microseismic events occur:

- скоростную модель среды,- high-speed model of the environment,

- модель затухания сейсмических волн в среде,- model of attenuation of seismic waves in the medium,

- динамическую модель типичных очагов микросейсмических источников.- A dynamic model of typical foci of microseismic sources.

- вычислять функционал, зависящий от результатов измерений, описанных в- calculate the functional depending on the measurement results described in

п.п.1) - 3), а также от координат микросейсмических источников и параметров механизма их очагов в анализируемой области среды;items 1) - 3), as well as from the coordinates of microseismic sources and the parameters of the mechanism of their foci in the analyzed area of the medium;

функционал вычисляется в частотной области и имеет вид:the functional is calculated in the frequency domain and has the form:

$$Ф(r,\theta )={\displaystyle \sum _{j\in J}{c}_j(r)}{\left|{\displaystyle \sum _{k=1}^m{h}_{k,j}^{+}(r,\theta )y_{k,j}(r)}\right|}^2,r\in Q,\theta \in V,(1)$$

$$F(r,\theta )={\displaystyle \sum _{j\in J}{c}_j(r)}{\left|{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^m{h}_{k,j}^{+}(r,\theta )y_{k,j}(r)}\right|}^2,r\in Q,\theta \in V,(\mathrm{one})$$

где:Where:

$$y_{k,j}(r)=a_k^{*}(r)F_k^{-1}(f_j)x_k(f_j)$$

- комплексное значение на частоте f_j дискретного конечного преобразования Фурье (ДКПФ) сейсмических колебаний в среде в точке выхода на поверхность сейсмического луча L_k(r), соединяющего микросейсмический источник в точке r и k-й трехкомпонентный сейсмометр ПГСП, (верхний индекс ^* - знак Эрмитова сопряжения вектора: транспонирования и комплексного сопряжения, верхний индекс ⁺ - знак комплексного сопряжения); $$y_{k,j}(r)=a_k^{*}(r)F_k^{-\mathrm{one}}(f_j)x_k(f_j)$$

- the complex value at the frequency f _{j of the} discrete finite Fourier transform (DKF) of seismic vibrations in the medium at the point of exit to the surface of the seismic beam L _k (r) connecting the microseismic source at point r and the k-th three-component seismometer PHSP, (superscript ^* - the Hermitian conjugation sign of a vector: transposition and complex conjugation, the superscript ⁺ is the sign of complex conjugation);

x_k(f_j), j=1, …, N - 3-х-мерные комплексный вектор значения на частоте f_j ДКПФ отсчетов сейсмических сигналов, зарегистрированных на трех компонентах k-го сейсмометра ПГСП в анализируемом временном окне длительностью T,x _k (f _j ), j = 1, ..., N is the 3-dimensional complex vector of the value at the frequency f _{j of the} DKPF of samples of seismic signals recorded on the three components of the k-th PHS seismometer in the analyzed time window of duration T,

N=Tf_д - число 3m-мерных отсчетов сигналов ПГСП в этом временном окне,N = Tf _d is the number of 3m-dimensional samples of the PHSP signals in this time window,

f_д - частота дискретизации сигналов ПГСП, $$f_j=\frac{f_{д}j}{2N}$$

- частоты ДКПФ;f _d - the sampling frequency of the signals PGSP, $$f_j=\frac{f_{d}j}{2N}$$

- frequency DKPF;

r=(x, y, z) - координаты микросейсмического источника;r = (x, y, z) - coordinates of the microseismic source;

$$F_k^{-1}(f_j)$$

- комплексная 3×3-матрица - значение (на частоте f_j) обратной матричной спектральной плотности мощности помех, воздействующих на каждую из трех компонент k-го сейсмометра ПГСП; $$F_k^{-\mathrm{one}}(f_j)$$

- complex 3 × 3 matrix — value (at frequency f _j ) of the inverse matrix spectral power density of the interference power acting on each of the three components of the k-th PSGP seismometer;

$$a_k^{*}(r)=v(p_x{C}_2,p_y{C}_2,q{C}_1)$$

- векторная функция, определяющая распределение энергии сейсмической волны от микросейсмического источника между компонентами k-го сейсмометра, которая определяется скоростной моделью среды под ПГСП и зависит от взаимного расположения микросейсмического источника и k-го сейсмометра; $$a_k^{*}(r)=v({\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="p\; x\; C"\; filenames="00000060.png,00000061.png"\; state="\{\{state\}\}">p\; </figure-callout>}}_x{C}_{}{}_2,{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="p\; y\; C"\; filenames="00000060.png,00000061.png"\; state="\{\{state\}\}">p\; </figure-callout>}}_y{C}_{}{}_2,q{C}_{\mathrm{one}})$$

- a vector function that determines the distribution of the energy of a seismic wave from a microseismic source between the components of the k-th seismometer, which is determined by the velocity model of the medium under the DSS and depends on the relative position of the micro-seismic source and the k-th seismometer;

p_k(r)=(p_x,p_y,p_z) - единичный вектор выхода сейсмического луча L_k(r), соединяющего микросейсмический источник в точке r с точкой расположения k-го сейсмометра; С_1,k(r), С_2,k(r), q_k(r), v(r) - функции, позволяющие учитывать не только угол выхода сейсмического луча L_k(r), но также влияние поверхности раздела среды и воздуха на волновое поле под k-м сейсмометром и измерять полную энергию сейсмической волны от микросейсмического источника, приходящей на k-й сейсмометр;p _k (r) = (p _x , p _y , p _z ) is the unit output vector of the seismic beam L _k (r) connecting the microseismic source at point r with the location point of the kth seismometer; C _{1, k} (r), C _{2, k} (r), q _k (r), v (r) are functions that allow one to take into account not only the exit angle of the seismic beam L _k (r), but also the influence of the interface air to the wave field under the k-th seismometer and measure the total energy of the seismic wave from a microseismic source arriving at the k-th seismometer;

h_k(f_j|r,θ)=d_k(r,θ)ехр{-i2πf_jГ_k(r)} - комплексная частотная характеристика пути распространения сигнала микросейсмического источника вдоль сейсмического луча L_k(r), где i - мнимая единица, Г_k(r) - время распространения сейсмической волны от микросейсмического источника вдоль луча L_k(r) (определяемое скоростной моделью среды под ПГСП),h _k (f _j | r, θ) = d _k (r, θ) exp {-i2πf _j Г _k (r)} is the complex frequency response of the signal propagation path of the microseismic source along the seismic beam L _k (r), where i - imaginary unit, G _k (r) is the propagation time of the seismic wave from the microseismic source along the beam L _k (r) (determined by the velocity model of the medium under the PSP),

d_k(r, θ) - значение относительной амплитуды излучения колебаний в очаге вдоль луча L_k(r) (значение «диаграммы излучения» очага); эта величина определяется как взаимным расположением микросейсмического источника и k-го сейсмометра, так и вектором параметров θ механизма очага микросейсмического источника;d _k (r, θ) is the value of the relative amplitude of the radiation of oscillations in the focus along the beam L _k (r) (the value of the "radiation pattern" of the focus); this value is determined both by the relative position of the microseismic source and the kth seismometer, and by the vector of parameters θ of the focal mechanism of the microseismic source;

θ=(w, α, β, γ) - параметры механизма очага микросейсмического источника, имеющие следующий физический смысл: w - доля энергии микросейсмического источника, излученной в результате деформаций в очаге в виде расширения среды (1-w - соответственно, доля энергии микросейсмического источника, излученной в результате деформаций в очаге в виде сдвигов участков среды), α, β - направляющие углы плоскости сдвига участков среды, γ угол, определяющий направление деформации среды в плоскости сдвига;θ = (w, α, β, γ) are the parameters of the mechanism of the source microseismic source, which have the following physical meaning: w is the fraction of the energy of the microseismic source emitted as a result of deformations in the source as an expansion of the medium (1-w, respectively, the fraction of the energy of the microseismic the source emitted as a result of deformations in the focus in the form of shifts of medium sections), α, β are the directing angles of the plane of shear of medium sections, γ is the angle defining the direction of medium deformation in the shear plane;

$$c_j\left(r\right)={\left[{\displaystyle \sum _{k=1}^m{a}_k^{*}\left(r\right)F_k^{-1}\left(f_j\right)}{a}_k^{*}\left(r\right)\right]}^{-1}$$

- множители, обеспечивающие минимизацию случайных колебаний функционала из-за влияния коррелированных сейсмических помех, воздействующих на сейсмометры ПГСП; $$c_j\left(r\right)={\left[{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^m{a}_k^{*}\left(r\right)F_k^{-\mathrm{one}}\left(f_j\right)}{a}_k^{*}\left(r\right)\right]}^{-\mathrm{one}}$$

- factors that minimize the random fluctuations of the functional due to the influence of correlated seismic interference affecting the seismic signal transducer;

m - число трехкомпонентных сейсмометров ПГСП;m is the number of three-component seismometers ПГСП;

J - множество индексов частот ДКПФ, соответствующее интервалу частот, в котором измеряют сигнал микросейсмического источника;J is the set of DKPF frequency indexes corresponding to the frequency interval in which the signal of the microseismic source is measured;

Q - область земной среды, в которой выявляют микросейсмические источники;Q is the region of the earth’s environment in which microseismic sources are detected;

V - область значений параметров θ механизма очага, соответствующая излучению им сейсмических сигналов в направлении апертуры ПГСП;V is the range of parameters θ of the source mechanism, corresponding to the radiation of seismic signals in the direction of the aperture of the MSS;

- устанавливать значение векторных аргументов r, θ функционала Ф(r, θ) (1), в котором функционал достигает максимума, и по найденному значению r определять измеренное значение координат $$\widehat{r}$$

микросейсмического источника, а по соответствующему значению θ - измеренное значение $$\widehat{\theta }$$

параметров механизма очага микросейсмического источника.- set the value of the vector arguments r, θ of the functional Ф (r, θ) (1), in which the functional reaches its maximum, and determine the measured coordinate value from the found value of r $$\widehat{r}$$

microseismic source, and the corresponding value of θ is the measured value $$\widehat{\theta }$$

parameters of the mechanism of the source microseismic source.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата по второму варианту осуществления предлагаемого способа в известном способе измерения координат микросейсмических источников, включающем:To solve the problem with the achievement of the specified technical result according to the second embodiment of the proposed method in a known method for measuring the coordinates of microseismic sources, including:

- регистрацию поверхностной группой сейсмических приемников сейсмических сигналов, излучаемых микросейсмическими источниками; обработку сейсмических сигналов цифровой аппаратурой в режиме, близком к режиму реального времени;- registration by a surface group of seismic receivers of seismic signals emitted by microseismic sources; processing of seismic signals with digital equipment in a mode close to real time;

- анализ цифровых записей сейсмических сигналов в скользящем временном окне с длительностью, равной типичной длительности микросейсмических событий;- analysis of digital records of seismic signals in a moving time window with a duration equal to the typical duration of microseismic events;

- суждение по результатам анализа об обнаружении микросейсмического события, путем вычисления определенного функционала;- a judgment based on the analysis of the detection of a microseismic event by calculating a specific functional;

- установление значения векторного аргумента, в котором этот функционал достигает максимума;- establishing the value of the vector argument in which this functional reaches its maximum;

- определение по этому значению координат микросейсмического источника, согласно изобретению предлагается:- determination of the microseismic source coordinates by this value, according to the invention, it is proposed:

- использовать трехкомпонентные сейсмометры в качестве приемников ПГСП;- use three-component seismometers as receivers of the satellite navigation system;

- измерять дополнительные характеристики сейсмических сигналов, регистрируемых ПГСП, а именно:- measure the additional characteristics of the seismic signals recorded by the PHSP, namely:

1) измерять полную энергию колебаний сейсмических волн, порождаемых микросейсмическим источником, в точках выхода на поверхность лучей их распространения от микросейсмического источника ко всем трехкомпонентным сейсмометрам ПГСП;1) measure the total vibrational energy of the seismic waves generated by the microseismic source at the points of exit to the surface of the rays of their propagation from the microseismic source to all three-component seismometers ПГСП;

2) измерять соответствие основных физических характеристик указанных в п.1) колебаний на различных сейсмометрах ПГСП с ожидаемыми (теоретическими) значениями этих характеристик, а именно:2) measure the correspondence of the basic physical characteristics indicated in clause 1) of the oscillations at various PHSP seismometers with the expected (theoretical) values of these characteristics, namely:

а) относительных задержек во времени этих колебаний на разных сейсмометрах,a) the relative time delays of these oscillations on different seismometers,

б) знаков (полярностей) этих колебаний на разных сейсмометрах,b) the signs (polarities) of these oscillations on different seismometers,

в) отношений мгновенных амплитуд на разных сейсмометрах;c) relations of instantaneous amplitudes on different seismometers;

3) измерять спектральные плотности мощности помех, воздействующих на каждый из трехкомпонентных сейсмометров ПГСП;3) measure the spectral power density of the interference affecting each of the three-component seismometers ПГСП;

4) измерять функции взаимной когерентности для каждой пары сейсмических колебаний вдоль лучей, указанных в п.1);4) measure the mutual coherence functions for each pair of seismic vibrations along the rays specified in paragraph 1);

- для расчета ожидаемых (теоретических) характеристик сейсмических колебаний, измеренных согласно п.1), использовать реальные физические модели среды под ПГСП, в которой происходят микросейсмические события:- to calculate the expected (theoretical) characteristics of seismic vibrations measured according to claim 1), use real physical models of the medium under the PSGS in which microseismic events occur:

- скоростную модель среды,- high-speed model of the environment,

- модель затухания сейсмических волн в среде,- model of attenuation of seismic waves in the medium,

- динамическую модель типичных очагов микросейсмических источников.- A dynamic model of typical foci of microseismic sources.

- вычислять функционал, зависящий от результатов измерений, описанных в п.п.1) - 4), а также от координат микросейсмических источников и параметров механизмов их очагов в анализируемой области среды;- calculate the functional depending on the measurement results described in items 1) - 4), as well as on the coordinates of microseismic sources and parameters of the mechanisms of their foci in the analyzed area of the medium;

функционал вычисляется в частотной области и имеет вид:the functional is calculated in the frequency domain and has the form:

$$\Psi (r,\theta )={\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}k\mathrm{,1}\\ k\ne 1\end{array}}^m{\displaystyle \sum _{j\in J}b({\widehat{K}}_{k\mathrm{,1}}(f_j))}q(\Delta {\varphi }_{\mathrm{1,}k}(r,\theta ,f_j)-{\widehat{\Psi }}_{k\mathrm{,1}}(f_j)),r\in Q,\theta \in V}$$

$$\Psi (r,\theta )={\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}k\mathrm{,one}\\ k\ne \mathrm{one}\end{array}}^m{\displaystyle \sum _{j\in J}b({\widehat{K}}_{k\mathrm{,one}}(f_j))}q(\Delta {\varphi }_{\mathrm{one,}k}(r,\theta ,f_j)-{\widehat{\Psi }}_{k\mathrm{,one}}(f_j)),r\in Q,\theta \in V}$$

где:Where:

$${\widehat{K}}_{k,l}\left(f_j\right)$$

- измеренное на частоте f_j значение функции взаимной когерентности комплексных сигналов y_k,j(r), y_l,j(r) - ДКПФ сейсмических колебаний в среде в точке выхода на поверхность сейсмических лучей L_k(r) и L_l(r), соединяющих микросейсмический источник в точке r с k-м и l-м сейсмометрами; $${\widehat{K}}_{k,l}\left(f_j\right)$$

- measured at a frequency f _{j the} value of the mutual coherence function of complex signals y _{k, j} (r), y _{l, j} (r) - DKF of seismic oscillations in the medium at the point of exit to the surface of seismic rays L _k (r) and L _l (r ) connecting the microseismic source at point r with the kth and lth seismometers;

$$b\left({\widehat{K}}_{k,l}\left(f_j\right)\right)$$

- пороговая функция, позволяющая выбрать пары сейсмометров ПГСП и частоты ДКПФ, для которых взаимная когерентность сигналов y_k,j(r), y_l,j(r) достаточно велика; $$b\left({\widehat{K}}_{k,l}\left(f_j\right)\right)$$

- a threshold function that allows you to select pairs of PHS seismometers and DKPF frequencies for which the mutual coherence of the signals y _{k, j} (r), y _{l, j} (r) is quite large;

Δφ_k,l(r,θ,f_j)=2πf_j(Г_k(r)-Г_l(r))+π(γ_k(r,θ)-γ_l(r,θ)) - ожидаемая разность фаз на частоте f_j сигналов микросейсмического источника в точках выхода на поверхность сейсмических лучей L_k(r) и L_l(r);Δφ _{k, l} (r, θ, f _j ) = 2πf _j (Г _k (r) -Г _l (r)) + π (γ _k (r, θ) -γ _l (r, θ)) is the expected difference phases at a frequency f _{j of} microseismic source signals at the points of exit to the surface of seismic rays L _k (r) and L _l (r);

γ_k(r, θ) - индикатор знака деформации среды, создаваемой микросейсмическим источником вдоль луча L_k(r) («1» - сжатие, «0» - расширение);γ _k (r, θ) is an indicator of the sign of the deformation of the medium created by the microseismic source along the beam L _k (r) (“1” - compression, “0” - expansion);

$${\widehat{\psi }}_{k,l}\left(f_j\right)$$

- измеренная разность фаз (на частоте f_j) сейсмических колебаний y_k,j(r), $${\widehat{\psi }}_{k,l}\left(f_j\right)$$

- the measured phase difference (at a frequency f _j ) of seismic vibrations y _{k, j} (r),

y_l,j(r) вдоль лучей L_k(r) и L_l(r);y _{l, j} (r) along the rays L _k (r) and L _l (r);

q(ψ),ψ∈[-π, π] - настроечная нелинейная функция процедуры анализа;q (ψ), ψ∈ [-π, π] is the tuning nonlinear function of the analysis procedure;

остальные обозначения в формуле (2) аналогичны обозначениям в формуле (1), при этом первая сумма в функционале Ψ(r) вычисляется по всем парам сейсмометров ПГСП, имеющим различные номера, для которых функция взаимной когерентности на частоте f_j превышает порог, заданный в пороговой функции $$b({\widehat{K}}_{k,l}(f_j))$$

.the remaining notation in formula (2) is similar to the notation in formula (1), while the first sum in the functional Ψ (r) is calculated for all pairs of PHS seismometers with different numbers for which the mutual coherence function at a frequency f _j exceeds the threshold specified in threshold function $$b({\widehat{K}}_{k,l}(f_j))$$

.

Во втором варианте осуществления заявленного способа при минимизации функционала (2) по r,θ используются только аргументы (фазы) измеренных комплексных величин y_k,j(r). Этот вариант математически получается раскрытием в функционале (1) квадрата модуля суммы $${\displaystyle \sum _{k=l}^m{h}_{k,j}^{+}}(r,\theta )y_{k,j}(r)$$

, выделения модулей и аргументов (фаз) получающихся m² комплексных слагаемых с последующим нелинейным преобразованием этих модулей и фаз.In the second embodiment of the claimed method, while minimizing functional (2) with respect to r, θ, only arguments (phases) of the measured complex quantities y _{k, j} (r) are used. This option is mathematically obtained by expanding in functional (1) the square of the modulus of the sum $${\displaystyle \sum _{k=l}^m{h}_{k,j}^{+}}(r,\theta )y_{k,j}(r)$$

, allocation of modules and arguments (phases) of the resulting m ² complex terms with subsequent nonlinear transformation of these modules and phases.

Использование в предлагаемом способе измерения координат и параметров очагов микросейсмических источников второго варианта с функционалом (2) наиболее целесообразно, когда нет достоверной информации о статистических характеристиках помех, т.е. неизвестны матричные спектральные плотности мощности (МСПМ) F_k(f) помех, воздействующих на трехкомпонентные сейсмометры ПГСП. В большинстве практических ситуаций эти МСПМ могут быть определены только по дополнительным наблюдениям помех, произведенным до момента, когда произошло микросейсмическое событие (например, до начала процесса гидроразрыва пласта).The use in the proposed method of measuring the coordinates and parameters of the foci of microseismic sources of the second option with functional (2) is most appropriate when there is no reliable information about the statistical characteristics of the interference, i.e. unknown matrix power spectral densities (MSPMs) F _k (f) of interference affecting the three-component seismometers ПГСП. In most practical situations, these MSPMs can only be determined by additional interference observations made before the microseismic event occurred (for example, before the start of the hydraulic fracturing process).

В настоящем изобретении предлагается реализация решения второй основной задачи микросейсмического мониторинга по данным ПГСП - определения механизма очага микросейсмического источника - когда отношения сигнал/шум в отдельных приемниках ПГСП мало, однако число этих приемников и апертура ПГСП достаточно велики. При этом и локация, и определение параметров механизма очага источника осуществляются не в виде различных последовательных процедур анализа данных ПГСП, а в результате одной процедуры измерения полной совокупности параметров микросейсмического источника на основе многоканальной записи данных ПГСП.The present invention proposes the implementation of the solution to the second main task of microseismic monitoring according to the data of the SGBP - determining the mechanism of the focus of the microseismic source - when the signal-to-noise ratio in individual SGBP receivers is small, however, the number of these receivers and the SGBP aperture are quite large. At the same time, the location and determination of the parameters of the source focus mechanism are carried out not in the form of various sequential procedures for analyzing the data of the GSS, but as a result of one procedure for measuring the complete set of parameters of the microseismic source based on the multichannel data recording of the GSS.

Кроме того, в заявленный способ введены дополнительные измерительные и вычислительные процедуры для определения ожидаемых амплитуд и знаков первых вступлений сигналов, порождаемых в приемниках ПГСП микросейсмическим источником со сложным механизмом очага (полным тензором его сейсмического момента). Эти процедуры позволяют скомпенсировать потерю подобия указанных сигналов при появлении в очаге микросейсмического источника сдвиговых составляющих, уменьшить влияние помех и, следовательно, уменьшить вероятность ошибок измерения координат микросейсмического источника.In addition, additional measuring and computational procedures are introduced into the inventive method to determine the expected amplitudes and signs of the first arrivals of signals generated in PGSP receivers by a microseismic source with a complex focal mechanism (full tensor of its seismic moment). These procedures make it possible to compensate for the loss of similarity of these signals when shear components appear in the source of the microseismic source, to reduce the influence of interference, and, therefore, to reduce the probability of errors in the measurement of the coordinates of the microseismic source.

Введение указанных измерительных и вычислительных процедур в алгоритм обработки данных ПГСП позволяет не только улучшить качество локации микросейсмического источника, но одновременно дает возможность определять параметры механизма его очага (параметры тензора его сейсмического момента). Это позволяет решать на основе единой процедуры анализа данных ПГСП обе основные задачи микросейсмического мониторинга в условиях сильных помех, полностью маскирующих сигналы от микросейсмического источника.The introduction of the indicated measuring and computational procedures into the data processing algorithm of the PSPG not only improves the quality of the location of the microseismic source, but also makes it possible to determine the parameters of its source mechanism (parameters of the tensor of its seismic moment). This allows us to solve both the main tasks of microseismic monitoring under the conditions of strong interference, fully masking signals from a microseismic source, on the basis of a unified procedure for analyzing the data of PHSP.

В настоящем изобретении предлагается при использовании ПГСП с трехкомпонентными сейсмометрами применять также специальные измерительные и вычислительные процедуры для учета распределения энергии сейсмических волн по компонентам сейсмометра. Предложенные в настоящем изобретении процедуры определения углов выхода сейсмических лучей от микросейсмических источников и учета влияния поверхности раздела земной среды и воздуха на распределение энергии сейсмической волны по компонентам сейсмометра обуславливают высокую эффективность использования трехкомпонентных сейсмометров для повышения качества микросейсмического мониторинга. Указанные процедуры позволяют использовать для определения координат и параметров механизма очага микросейсмического источника полную энергию сейсмических волн, распространяющихся вдоль лучей от микросейсмического источника до сейсмометров ПГСП, более точно измерять относительные амплитуды и знаки (полярности) этих волн на разных сейсмометрах. Это повышает надежность обнаружения микросейсмического источника, точность определения его координат и параметров механизма его очага в условиях сильных сейсмических помех.The present invention proposes, when using PHSP with three-component seismometers, also use special measuring and computational procedures to take into account the distribution of energy of seismic waves over the components of the seismometer. The procedures proposed in the present invention for determining the angles of exit of seismic rays from microseismic sources and taking into account the influence of the interface between the earth and the air on the energy distribution of the seismic wave over the components of the seismometer determine the high efficiency of using three-component seismometers to improve the quality of microseismic monitoring. The indicated procedures make it possible to use the total energy of seismic waves propagating along the rays from the microseismic source to the SSPP seismometers to determine the coordinates and parameters of the mechanism of the source microseismic source, more accurately measure the relative amplitudes and signs (polarities) of these waves on different seismometers. This increases the reliability of detection of a microseismic source, the accuracy of determining its coordinates and the parameters of the mechanism of its focus under conditions of strong seismic interference.

Предлагаемый в настоящем изобретении способ измерения координат микросейсмических источников позволяет существенно уменьшить влияние указанного выше фактора - сложного характера очага реальных микросейсмических событий - на эффективность микросейсмического мониторинга с помощью ПГСП, т.е. повысить надежность обнаружения и точность локации микросейсмических источников и одновременно с локацией определять важнейшие физические параметры очагов микросейсмических источников в условиях сильных техногенных помех, когда сигналы от микросейсмических источников полностью маскируются помехами. При практическом применении предлагаемый способ позволит уменьшить число сейсмоприемников в ПГСП и/или устранить необходимость заглубления их в скважины. Использование изобретения, таким образом, приведет к значительному уменьшению стоимости мониторинга микросейсмичности, особенно в случае сейсмического мониторинга гидроразрывов пластов при добыче углеводородов с помощью ПГСП.The method of measuring the coordinates of microseismic sources proposed in the present invention can significantly reduce the influence of the above factor — the complex nature of the focus of real microseismic events — on the effectiveness of microseismic monitoring using PHSP, i.e. to increase the reliability of detection and the accuracy of the location of microseismic sources and simultaneously with the location to determine the most important physical parameters of the foci of microseismic sources in conditions of strong technogenic interference, when signals from microseismic sources are completely masked by interference. In practical application, the proposed method will reduce the number of geophones in the SSS and / or eliminate the need to bury them in wells. The use of the invention, therefore, will lead to a significant reduction in the cost of monitoring microseismicity, especially in the case of seismic monitoring of hydraulic fracturing in hydrocarbon production using PHSP.

Заявленный способ измерения координат микросейсмических источников и параметров механизма их очагов основан на измерении дополнительных характеристик сейсмических сигналов, современных математических методах статистического анализа многоканальных временных рядов и привлечении всей имеющейся априорной информации о строении среды под ПГСП и динамических характеристиках возникающих в ней микросейсмических источников. В предложенном способе при обработке записей ПГСП предлагается производить трассирование лучей распространения сейсмических волн от всех точек анализируемой области до сейсмометров ПГСП с целью определения времени распространения сигнала микросейсмического источника вдоль лучей, углов выхода лучей на поверхность раздела среды и воздуха и характера преобразования этой поверхностью волнового поля микросейсмического источника. Кроме того, предлагается использовать информацию о диаграмме излучения микросейсмического источника с полным тензором сейсмического момента - как для локации микросейсмического источника, так и для определения парметров механизма его очага при малых отношениях сигнал-помеха на поверхности.The claimed method for measuring the coordinates of microseismic sources and the parameters of the mechanism of their foci is based on measuring additional characteristics of seismic signals, modern mathematical methods for statistical analysis of multichannel time series and using all the available a priori information about the structure of the medium under the GSS and the dynamic characteristics of the microseismic sources that arise in it. In the proposed method, when processing PHSP records, it is proposed to trace the rays of the propagation of seismic waves from all points of the analyzed region to the PHMS seismometers in order to determine the propagation time of the microseismic source signal along the rays, the angles of the rays reaching the interface between the medium and air, and the nature of the transformation of the microseismic wave field by this surface source. In addition, it is proposed to use information on the radiation pattern of a microseismic source with a full tensor of seismic moment - both for location of a microseismic source and for determining the parameters of its focus mechanism at small signal-to-noise ratios on the surface.

Предлагаемый способ микросейсмического мониторинга предполагает включение в реализующее его устройство обработки цифровой сейсмической информации, зарегистрированной с помощью ПГСП, специальных блоков для измерения и расчета характеристик сейсмических лучей в среде под ПГСП и характеристик микросейсмических очагов источников со сложными тензорами сейсмического момента.The proposed method of microseismic monitoring involves the inclusion in its device of processing digital seismic information recorded using the DSS, special units for measuring and calculating the characteristics of seismic rays in the environment under the DSS and the characteristics of the microseismic source foci with complex tensors of seismic moment.

Указанные преимущества изобретения, а так же его особенности поясняются с помощью вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.These advantages of the invention, as well as its features are explained with the help of options for its implementation with reference to the accompanying figures.

Краткий перечень чертежейBrief List of Drawings

Фиг.1 изображает укрупненную блок-схему устройства мониторинга гидроразрыва среды для реализации заявленных вариантов способа;Figure 1 depicts an enlarged block diagram of a device for monitoring hydraulic fracturing for the implementation of the claimed variants of the method;

Фиг.2 - блок-схему предварительной обработки данных ПГСП;Figure 2 is a block diagram of the preliminary data processing PHSP;

Фиг.3 - блок-схему вычисления параметров механизма очага микросейсмического источника;Figure 3 - block diagram of the calculation of the parameters of the mechanism of the focus of the microseismic source;

Фиг.4 - блок-схему вычислителя значений функционала (1) микросейсмического мониторинга;Figure 4 is a block diagram of a calculator of the values of the functional (1) microseismic monitoring;

Фиг.5 - блок-схему вычислителя значений функционала (2) микросейсмического мониторинга;5 is a block diagram of a calculator of the values of the functional (2) microseismic monitoring;

Фиг.6 - эпюры локации микросейсмического источника с координатами x=0 м, y=0 м, z=1000 м и разными механизмами очага с помощью метода сейсмической эмиссионной томографии (СЭТ). Верхний ряд - карты функционала СЭТ, нижний ряд - диаграммы амплитуд и знаков сигналов от микросейсмического источника на поверхности, $$\widehat{x}$$

, $$\widehat{y}$$

- ошибки локации.6 is a location diagram of a microseismic source with coordinates x = 0 m, y = 0 m, z = 1000 m and different focal mechanisms using the method of seismic emission tomography (SET). The upper row is the CET functional maps, the lower row is the diagram of amplitudes and signs of signals from a microseismic source on the surface, $$\widehat{x}$$

, $$\widehat{y}$$

- location errors.

Фиг.7 - эпюры локации и определения параметров очага микросейсмического источника с механизмом очага типа сдвига по данным смеси синтетического сигнала источника с реальными помехами (истинные координаты источника: x=0 м, y=0 м, z=1000 м, истинные параметры его механизма очага: α=45°, β=90°, γ°=0 отношение сигнал/помеха 0.05). Верхний ряд - карты предложенного функционала (2) при различных ожидаемых значениях параметров механизма очага (α, β, γ), нижний ряд - диаграммы амплитуд и знаков сигналов от источника на поверхности, $$\widehat{x}$$

, $$\widehat{y}$$

- ошибки локации, измеренные с помощью функционала (2) значения координат источника: x=0 м, y=0 м, z=1000 м, значения параметров механизма его очага: $$\widehat{\alpha }={40}^{\circ }$$

, $$\widehat{\beta }={90}^{\circ }$$

, $$\widehat{\gamma }={10}^{\circ }$$

.Fig.7 - location diagrams and determination of the parameters of the source microseismic source with the source of the shear type according to the mixture of the synthetic source signal with real noise (true source coordinates: x = 0 m, y = 0 m, z = 1000 m, the true parameters of its mechanism focus: α = 45 °, β = 90 °, γ ° = 0 signal-to-noise ratio 0.05). The upper row - maps of the proposed functional (2) for various expected values of the parameters of the source mechanism (α, β, γ), the lower row - diagrams of amplitudes and signs of signals from the source on the surface, $$\widehat{x}$$

, $$\widehat{y}$$

- location errors, measured using the functional (2), the coordinates of the source: x = 0 m, y = 0 m, z = 1000 m, the values of the parameters of the mechanism of its focus: $$\widehat{\alpha }={40}^{\circ }$$

, $$\widehat{\beta }={90}^{\circ }$$

, $$\widehat{\gamma }={10}^{\circ }$$

.

Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention

Устройство микросейсмического мониторинга (УММ), реализующее предложенные варианты способа микросейсмического мониторинга, служит для оценивания координат и параметров механизмов очагов микросейсмических источников и содержит блоки, выполненные на базе цифровой вычислительной техники. УММ содержит следующие последовательно работающие блоки (фиг.1): устройство 1 предварительной обработки (УПО) данных ПГСП (фиг.2), вычислитель 2 параметров источника (ВПИ) (фиг.3). ВПИ 2, в свою очередь, состоит из вычислителя 3 значений функционала (ВЗФ) (фиг.4, фиг.5) и устройства 4 максимизации функционала (УМФ). Для работы ВПИ 2 в масштабе времени, близком к реальному, необходимо его подключение к двум базам данных: а) базе данных сейсмических лучей (БДСЛ) в среде под ПГСП и б) базе данных диаграмм излучения микросейсмических источников (БДДИ) (на фиг.1, 3, 4, 5 это показано, как единая База 5 данных сейсмических лучей и диаграмм излучения источников). База 5 данных создается перед процедурой гидроразрыва (или другой процедурой микросейсмического мониторинга) на основании математических моделей среды под ПГСП и моделей механизмов очагов микросейсмических источников, возникающих в этой среде.The microseismic monitoring device (UMM), which implements the proposed variants of the microseismic monitoring method, serves to estimate the coordinates and parameters of the mechanisms of foci of microseismic sources and contains blocks based on digital computer technology. UMM contains the following sequentially working blocks (Fig. 1): device 1 for preliminary processing (UPR) of the data of the CSPP (Fig. 2), a calculator 2 of the source parameters (VPI) (Fig. 3). VPI 2, in turn, consists of a calculator 3 values of the functional (VZF) (figure 4, figure 5) and device 4 maximizing the functional (UMF). For VPI 2 to work on a time scale close to real, it is necessary to connect it to two databases: a) a database of seismic rays (BDSL) in a medium under the SSS and b) a database of microseismic source radiation patterns (BDI) (in Fig. 1 , 3, 4, 5 this is shown as a single Database 5 of seismic ray data and radiation patterns of sources). Database 5 is created before the hydraulic fracturing procedure (or another microseismic monitoring procedure) based on mathematical models of the environment under PHSP and models of the mechanisms of foci of microseismic sources that arise in this environment.

Устройство 1 предварительной обработки (фиг.1) состоит из следующих блоков (фиг.2):The device 1 pre-processing (figure 1) consists of the following blocks (figure 2):

- Блока А1 - блок приема 3-х канальных аналоговых сейсмических сигналов- Block A1 - block receiving 3-channel analog seismic signals

$$x_k^{+}(t)=(x_{k,n}(t),x_{k,e}(t),x_{k,z}(t))$$

, t∈[0, T]; k=1, …, m, от трехкомпонентных сейсмометров ПГСП. $$x_k^{+}(t)=(x_{k,n}(t),x_{k,e}(t),x_{k,z}(t))$$

, t∈ [0, T]; k = 1, ..., m, from three-component seismometers ПГСП.

- Блока А2 - аналогово-цифрового преобразователя для преобразования сигналов x_k(t), t∈[0, T]; k=1, …, m, в последовательности дискретных отсчетов x_k,τ, τ=1, …, N, k=1, …, m, с заданной частотой дискретизации f_д. Эти отсчеты образуют в совокупности последовательность многоканальных цифровых данных ПГСП $${\tilde{x}}_{\tau }=(x_{\mathrm{1,}\tau },\dots ,x_{m,\tau })$$

, τ=1, …, N, используемых для обнаружения, локации микросейсмических источников и определения параметров механизма их очагов.- Block A2 - an analog-to-digital converter for converting signals x _k (t), t∈ [0, T]; k = 1, ..., m, in the sequence of discrete samples x _{k, τ} , τ = 1, ..., N, k = 1, ..., m, with a given sampling frequency f _d . These samples together form a sequence of multi-channel digital data $${\tilde{x}}_{\tau }=(x_{\mathrm{one,}\tau },...,x_{m,\tau })$$

, τ = 1, ..., N used to detect, locate microseismic sources and determine the parameters of the mechanism of their foci.

- Блока A3 - буфера накопления многоканальных дискретных цифровых данных $$\tilde{x}$$

_τ, τ=1, …, N и передачи этих данных для обработки последующим блокам в режиме, близком к режиму реального времени.- Block A3 - accumulation buffer of multichannel discrete digital data $$\tilde{x}$$

_τ , τ = 1, ..., N and transferring this data for processing to subsequent blocks in a mode close to the real-time mode.

- Блока А4 - блока коррекции многоканальных цифровых данных. Этот блок обеспечивает считывание из буфера многоканальных отсчетов $${\tilde{x}}_{\tau }$$

, τ=1, …, N на очередном интервале скользящего временного окна, предварительную обработку этих данных: частотную фильтрацию, исправление возможных технических искажений, устранение сильных импульсных техногенных помех.- Block A4 - block correction of multi-channel digital data. This block provides reading from the buffer of multi-channel samples $${\tilde{x}}_{\tau }$$

, τ = 1, ..., N on the next interval of the moving time window, preliminary processing of these data: frequency filtering, correction of possible technical distortions, elimination of strong pulsed technological interference.

- Блока А5 - преобразователя цифровых многоканальных данных ПГСП $${\tilde{x}}_{\tau }$$

, τ=1, …, N в частотную область. В результате в этом блоке образуется многоканальная последовательность x(f_j), $$f_j=\frac{f_{д}j}{N}$$

, j=1, …, N комплексных «частотных отсчетов» данных ПГСП на интервале скользящего временного окна.- Block A5 - digital multi-channel data converter ПГСП $${\tilde{x}}_{\tau }$$

, τ = 1, ..., N in the frequency domain. As a result, a multichannel sequence x (f _j ) is formed in this block, $$f_j=\frac{f_{d}j}{N}$$

, j = 1, ..., N complex “frequency samples” of the PHSP data on the interval of the moving time window.

Информация, обработанная в УПО 1 (фиг.1), передается следующему блоку-вычислителю 2 параметров источника (ВПИ), состоящему из вычислителя 3 значений функционала (ВЗФ) и устройства 4 максимизации функционала (УМФ). ВЗФ 3 работает под управлением УМФ 4 и для каждого значения координат источника и параметров механизма его очага, «опрашиваемых» в процессе максимизации функционала, вычисляет соответствующее значение функционалов (1) или (2).The information processed in the UPR 1 (figure 1) is transmitted to the next block-calculator 2 source parameters (VPI), consisting of a calculator 3 values of the functional (VZF) and device 4 maximizing the functional (UFM). VZF 3 operates under the control of UFM 4 and for each value of the source coordinates and parameters of the mechanism of its focus, “interrogated” in the process of maximizing the functional, calculates the corresponding value of the functionals (1) or (2).

Для варианта устройства микросейсмического мониторинга, основанного на функционале (1), ВЗФ 3 состоит из следующих блоков (фиг.4):For a variant of the microseismic monitoring device based on functional (1), the WZF 3 consists of the following blocks (Fig. 4):

- Блока Б1 - вычислителя величин y_k,j(r, θ) - значений на частоте f_j ДКПФ сейсмических колебаний в точках выхода на поверхность сейсмических лучей L_k(r), соединяющих микросейсмический источник в точке r с сейсмометрами ПГСП. Указанные колебания вычисляются с учетом кажущихся медленностей p_h,k сейсмических волн вдоль лучей L_k(r), значений функций C_1,k(r), C_2,k(r), q_k(r), ν(r), позволяющих учитывать влияние поверхности раздела среды и воздуха на распределение энергии сейсмической волны по компонентам k-го сейсмометра, и значений диаграммы излучения микросейсмического источника d_k(r, θ). Значения последних параметров сейсмических лучей L_k(r) берутся из БДСЛ и БДДИ. При вычислении величин y_k,j(r, θ) используются также МСПМ помех F_k(f_j), если эти 3×3-матрицы предварительно оценены по дополнительным наблюдениям «чистых» помех ПГСП. В случае если информации об этих матрицах нет, вычисления производятся в предположении, что F_k(f_j)=I, где I - единичная матрица.- Block B1 - a calculator of the quantities y _{k, j} (r, θ) - values at the frequency f _{j of the} DCFFT of seismic oscillations at the points of exit to the surface of seismic rays L _k (r) connecting the microseismic source at point r with the PHS seismometers. The indicated oscillations are calculated taking into account the apparent slowness p _{h, k of} seismic waves along the rays L _k (r), the values of the functions C _{1, k} (r), C _{2, k} (r), q _k (r), ν (r), allowing one to take into account the influence of the interface between the medium and air on the energy distribution of the seismic wave over the components of the kth seismometer, and the values of the radiation pattern of the microseismic source d _k (r, θ). The values of the last parameters of seismic rays L _k (r) are taken from BDSL and BDDI. When calculating the values of y _{k, j} (r, θ), the MFMS of interference F _k (f _j ) is also used if these 3 × 3 matrices are preliminary estimated from additional observations of “pure” interference of the MSS. If there is no information about these matrices, the calculations are performed under the assumption that F _k (f _j ) = I, where I is the identity matrix.

- Блока Б2 - вычислителя амплитуд колебаний сигналов микросейсмического источника d_k(r, θ) и времени распространения этих колебаний Г_k(r) вдоль сейсмических лучей L_k(r), k=1, …, m, соединяющих «опрашиваемую» точку r возможного расположения микросейсмического источника с сейсмометрами ПГСП. Указанные характеристики лучей вычисляются для тех координат источника r=(x, y, z) и параметров θ=(w, α, β, γ) механизма его очага, которые задаются устройством максимизации функционала.- Block B2 - calculator of the amplitudes of the oscillations of the signals of the microseismic source d _k (r, θ) and the propagation time of these oscillations G _k (r) along the seismic rays L _k (r), k = 1, ..., m, connecting the “interrogated” point r possible location of microseismic source with PGSP seismometers. The specified characteristics of the rays are calculated for those source coordinates r = (x, y, z) and parameters θ = (w, α, β, γ) of the mechanism of its focus, which are set by the functional maximization device.

Вычисления в блоках Б1 и Б2 производятся с помощью информации, получаемой из базы данных сейсмических лучей в среде под ПГСП и базы данных диаграмм излучения очагов микросейсмических источников.Calculations in blocks B1 and B2 are made using information obtained from the database of seismic rays in the medium under the SSS and the database of radiation patterns of foci of microseismic sources.

- Блока Б3 - вычислителя значения функционала (1) по на основе результатов вычислений в блоках Б1 и Б2.- Block B3 - calculator of the value of the functional (1) based on the results of calculations in blocks B1 and B2.

Для варианта УММ, основанного на функционале (2), вычислитель ВЗФ 3 состоит из следующих блоков (фиг.5):For the UMM variant based on functional (2), the VZF 3 calculator consists of the following blocks (Fig. 5):

- Блоков В1 и В2, идентичных блокам Б1 и Б2 вычислителя ВЗФ 3 (фиг.4).- Blocks B1 and B2, identical to blocks B1 and B2 of the calculator VZF 3 (figure 4).

- Блока В3 - вычислителя амплитудно-фазовой информации в цифровых многоканальных данных ПГСП на основе комплексных частотных отсчетов y_k,j(r), $$\frac{f_{д}j}{N}\in \Delta f$$

, где Δf - полоса частот, в которой измеряются параметры микросейсмических источников. В блоке В3 определяются следующие величины:- Block B3 - calculator of the amplitude-phase information in digital multi-channel data of the CSPP based on complex frequency samples y _{k, j} (r), $$\frac{f_{d}j}{N}\in \Delta f$$

where Δf is the frequency band in which the parameters of microseismic sources are measured. In block B3, the following values are determined:

1) измеряются функции когерентности $${\widehat{K}}_{k,l}(f_j)$$

для всех частот $$f_j=\frac{f_{д}j}{N}\in \Delta f$$

и для всех пар преобразованных наблюдений ПГСП y_k,j(r,θ), y_l,j(r,θ), k,l∈1, …, m с различными индексами k≠l;1) coherence functions are measured $${\widehat{K}}_{k,l}(f_j)$$

for all frequencies $$f_j=\frac{f_{d}j}{N}\in \Delta f$$

and for all pairs of transformed observations of PHSP, y _{k, j} (r, θ), y _{l, j} (r, θ), k, l∈1, ..., m with different indices k ≠ l;

2) отбираются те пары величин y_k,j(r,θ), y_l,j(r,θ) и те частоты f_j, для которых функция когерентности $${\widehat{K}}_{k,l}(f_j)$$

больше заданного порога;2) those pairs of quantities y _{k, j} (r, θ), y _{l, j} (r, θ) and those frequencies f _j for which the coherence function are selected $${\widehat{K}}_{k,l}(f_j)$$

more than a given threshold;

3) измеряются разности фаз $${\widehat{\psi }}_{k,l}(f_j)$$

для отобранных пар наблюдений y_k,j(r,θ), y_l,j(r,θ) на отобранных частотах f_j.3) phase differences are measured $${\widehat{\psi }}_{k,l}(f_j)$$

for the selected pairs of observations y _{k, j} (r, θ), y _{l, j} (r, θ) at the selected frequencies f _j .

- Блока В4 - вычислителя ожидаемых разностей фаз Δφ_k,l(r_i, θ_i, f_j) сейсмических сигналов для тех пар приемников ПГСП и тех частот f_j, которые были отобраны в блоке В4- Block B4 - calculator of the expected phase differences Δφ _{k, l} (r _i , θ _i , f _j ) of seismic signals for those pairs of PHSP receivers and those frequencies f _j that were selected in block B4

- Блока В5 - вычислителя функционала Ψ(r,θ) по формуле (2) на основе результатов работы блоков В1-В4.- Block B5 - calculator of the functional Ψ (r, θ) according to formula (2) based on the results of the operation of blocks B1-B4.

Устройство 4 максимизации функционала (УМФ) может быть реализовано в двух следующих вариантах:Functional maximization device 4 (UMF) can be implemented in two of the following options:

Для первого варианта УМФ 4 значения функционала вычисляются на сетке в многомерном пространстве измеряемых параметров (x, y, z, w, α, β, γ) микросейсмического источника: координат источника и параметров механизма его очага. Шаг этой сетки для различных параметров может быть различен: он определяется разрешающей способностью ПГСП и требуемой точностью мониторинга по каждому из измеряемых параметров источника. После вычисления всего множества значений функционала, соответствующего узлам сетки, на этом множестве находится глобальный максимум функционала. Если это величина этого максимума больше некоторого порога, то принимается решение: данные ПГСП в анализируемом временном окне свидетельствуют о присутствии сигнала от некоторого микросейсмического источника. При этом значения параметров (x, y, z, w, α, β, γ), соответствующих глобальному максимуму функционала, принимаются за оценки соответствующих параметров обнаруженного микросейсмического источника: его координат и параметров механизма его очага.For the first variant of UFM 4, the values of the functional are calculated on a grid in the multidimensional space of the measured parameters (x, y, z, w, α, β, γ) of the microseismic source: the coordinates of the source and the parameters of its source mechanism. The step of this grid for various parameters can be different: it is determined by the resolution of the PHSP and the required monitoring accuracy for each of the measured source parameters. After calculating the entire set of functional values corresponding to the grid nodes, the global maximum of the functional is found on this set. If this value of this maximum is greater than a certain threshold, then a decision is made: the GSS data in the analyzed time window indicate the presence of a signal from some microseismic source. In this case, the values of the parameters (x, y, z, w, α, β, γ) corresponding to the global maximum of the functional are taken as estimates of the corresponding parameters of the detected microseismic source: its coordinates and the parameters of its focus mechanism.

Первый вариант УМФ 4 позволяет находить аргументы глобального максимума функционалов (1) и (2) по координатам источника и параметрам механизма его очага (т.е. измерять эти характеристики микросейсмического источника) с ошибками, меньшими, чем шаг сетки для соответствующего параметра. Однако его применение требует значительной вычислительной мощности программно управляемого электронного устройства обработки информации ПГСП.The first variant of UFM 4 allows one to find the arguments of the global maximum of functionals (1) and (2) from the coordinates of the source and the parameters of its source mechanism (i.e., to measure these characteristics of the microseismic source) with errors smaller than the grid step for the corresponding parameter. However, its application requires significant processing power of a software-controlled electronic information processing device ПГСП.

Во втором варианте выполнения УМФ 4 для нахождения глобального максимума функционалов (1) и (2) микросейсмического мониторинга по координатам источника и параметрам механизма его очага используется один из известных методов итеративной максимизации функции многих переменных. Все эти методы предполагают, что имеется предварительная оценка измеряемых параметров источника - «начальное приближение», в окрестности которого ищется локальный максимум функционала (1) или (2). Поиск локального максимума осуществляется с помощью одной из итеративных процедур математического программирования, основанных на квази-ньютоновских методах: методе сопряженных градиентов, методе Дэвидона-Флетчера-Пауэла и др. Начальное приближение чаще всего ищется сканированием функционала по сетке измеряемых параметров источника, как это делается в первом варианте выполнения УМФ 4. Однако шаги сетки в этом случае выбираются достаточно большими, что существенно экономит количество вычислений. Поэтому устройство УМФ 4 для второго варианта может быть реализовано на программно управляемом электронном устройстве обработки информации со скромными вычислительными возможностями.In the second embodiment of UMF 4, to find the global maximum of the functionals (1) and (2) of microseismic monitoring by the coordinates of the source and the parameters of the source mechanism, one of the known methods for iterative maximization of the function of many variables is used. All these methods suggest that there is a preliminary estimate of the measured parameters of the source — the “initial approximation”, in the vicinity of which the local maximum of functional (1) or (2) is sought. The search for a local maximum is carried out using one of the iterative mathematical programming procedures based on quasi-Newtonian methods: the conjugate gradient method, the Davidon-Fletcher-Powell method, etc. The initial approximation is most often sought by scanning the functional over the grid of measured source parameters, as is done in the first embodiment of the UMF 4. However, the grid steps in this case are selected sufficiently large, which significantly saves the number of calculations. Therefore, the device UMF 4 for the second option can be implemented on a software-controlled electronic device for processing information with modest computational capabilities.

Необходимость усовершенствования известных методов микросейсмического мониторинга с целью обеспечения их работоспособности в условиях, когда очаги микросейсмических источников имеют сложные динамические характеристики, а также эффективность предложенного способа для измерения параметров микросейсмических источников со сложными очагами при малых отношениях сигнал-помеха демонстрируются приведенными ниже результатами численного моделирования. Рассчитывались синтетические сейсмограммы 150 сейсмометров, расположение которых соответствовало геометрии реальной ПГСП для контроля гидроразрыва пласта на месторождении углеводородов. Микросейсмический источник, генерировавший синтетические сейсмограммы, был расположен на глубине 1000 м и имел горизонтальные координаты x=0 м, y=0 м в локальной системе координат реальной ПГСП. В качестве временной функции микросейсмического источника использовалась запись длительностью 100 милисекунд реального сейсмического события. Для маскировки синтетических сейсмограмм - сигналов микросейсмического источника - использовались реальные записи микросейсмических помех на сейсмометрах указанной ПГСП.The need to improve the well-known methods of microseismic monitoring in order to ensure their operability in conditions where the foci of microseismic sources have complex dynamic characteristics, as well as the effectiveness of the proposed method for measuring the parameters of microseismic sources with complex foci at small signal-to-noise ratios are demonstrated by the results of numerical simulation below. Synthetic seismograms of 150 seismometers were calculated, the location of which corresponded to the geometry of a real PHS to control hydraulic fracturing in a hydrocarbon field. The microseismic source that generated the synthetic seismograms was located at a depth of 1000 m and had horizontal coordinates x = 0 m, y = 0 m in the local coordinate system of a real PHSS. As a time function of a microseismic source, a recording of 100 milliseconds of a real seismic event was used. To mask synthetic seismograms - signals from a microseismic source - we used real records of microseismic interference on seismometers of the indicated SSP.

Механизм очага микросейсмического источника характеризовался деформацией среды в виде сдвига ее участков вдоль плоскости (источник типа двойного диполя) и равномерного ее расширения (источник типа взрыва). Этот механизм определяется рассмотренными выше параметрами θ=(w, α, β, γ) и позволяет вычислить теоретическое распределение относительных амплитуд создаваемых микросейсмическим источником колебаний земной поверхности (диаграмму амплитуд), распределение на дневной поверхности знаков первых вступлений сигналов от источника (диаграмму знаков движения поверхности: "+" - вверх, "-" - вниз) и распределение указанных знаков на поверхности малой сферы, окружающей источник (диаграмму знаков излучения источника). На приведенных ниже рисунках указанные диаграммы составляют второй ряд. Первый ряд представляют карты значений микросейсмического функционала, построенные при поиске источника на глубине 1000 м и горизонтальных координатах источника, расположенных в квадрате $$(x,y)\in \left[-\frac{a}{2}<x<\frac{a}{2},-\frac{a}{2}<y<\frac{a}{2}\right]$$

, (a=1000 м для фиг.6 и 400 м для фиг.7). Координаты максимума функционала на указанных картах определяют измеренные координаты положения в среде микросейсмического источника.The mechanism of the source microseismic source was characterized by deformation of the medium in the form of a shift of its sections along the plane (source of the double dipole type) and its uniform expansion (source of the type of explosion). This mechanism is determined by the parameters θ = (w, α, β, γ) considered above and allows one to calculate the theoretical distribution of the relative amplitudes of the oscillations of the earth’s surface generated by the microseismic source (amplitude diagram), the distribution on the day surface of the signs of the first arrivals of signals from the source (the diagram of signs of surface movement : "+" - up, "-" - down) and the distribution of the indicated signs on the surface of the small sphere surrounding the source (diagram of the signs of radiation of the source). In the figures below, these diagrams make up the second row. The first row is represented by maps of microseismic functional values constructed when searching for a source at a depth of 1000 m and horizontal coordinates of the source, located in a square $$(x,y)\in \left[-\frac{a}{2}<x<\frac{a}{2},-\frac{a}{2}<y<\frac{a}{2}\right]$$

, (a = 1000 m for FIG. 6 and 400 m for FIG. 7). The coordinates of the maximum functional on these maps determine the measured position coordinates in the environment of a microseismic source.

Первой задачей численного моделирования было выяснить: можно ли (даже при высоких отношениях сигнал/шум) точно измерять с помощью традиционного метода сейсмической эмиссионной томографии (СЭТ) координаты микросейсмического источника, механизм очага которого отличается от простейшего - с деформацией среды типа взрыва. Для этого были использованы синтетические сейсмограммы от источников с координатами r=(0 м, 0 м, 1000 м) и деформациями среды в очаге в виде суммы деформаций типа двойного диполя и типа взрыва. Сейсмограммы рассчитывались при различных значениях параметров механизма очага (w, α, β, γ), описанных в пояснениях к формуле (1).The first task of numerical modeling was to find out: is it possible (even at high signal-to-noise ratios) to accurately measure the coordinates of a microseismic source using the traditional method of seismic emission tomography (СЭТ), the source mechanism of which differs from the simplest one with the deformation of a medium like an explosion. For this, synthetic seismograms from sources with coordinates r = (0 m, 0 m, 1000 m) and deformations of the medium in the source were used as the sum of deformations of the double dipole type and the type of explosion. Seismograms were calculated at various values of the focal mechanism parameters (w, α, β, γ) described in the explanations to formula (1).

На фиг.6 представлены результаты расчетов карт функционала СЭТ для 4 различных значений указанных параметров механизма очага. Неопределенность измерения координат микросейсмического источника с помощью СЭТ отчетливо проявляется для случая чисто сдвигового механизма очага (столбцы 1 и 4 на фиг.6). Добавление к чисто сдвиговой деформации среды ее деформации типа взрыва со значением параметра w=0.5 (столбцы 2 и 3 на фиг.6) в некоторой степени уменьшает неопределенность измерения координат микросейсмического источника. Однако ошибка измерения координат уменьшается до нуля только при некоторых «удачных» значениях углов α, β, γ сдвиговой составляющей деформации (столбец 3 на фиг.6).Figure 6 presents the results of calculations of the cards of the SET functional for 4 different values of the indicated parameters of the focal mechanism. The uncertainty of measuring the coordinates of the microseismic source using the SET is clearly manifested for the case of a purely shear mechanism of the source (columns 1 and 4 in Fig.6). Adding to the shear deformation of the medium of its deformation an explosion type with the parameter value w = 0.5 (columns 2 and 3 in Fig. 6) to some extent reduces the measurement uncertainty of the coordinates of the microseismic source. However, the coordinate measurement error decreases to zero only for some “successful” values of the angles α, β, γ of the shear strain component (column 3 in FIG. 6).

Добавление шума в синтетические сейсмограммы сложного микросейсмического источника существенно искажает карты функционала СЭТ по сравнению с картами, приведенными на фиг.6, что приводит к резкому увеличению ошибок локации источника.Adding noise to the synthetic seismograms of a complex microseismic source significantly distorts the CET functional maps in comparison with the maps shown in Fig. 6, which leads to a sharp increase in source location errors.

Из приведенных на фиг.6 результатов численного моделирования следует, что известные способы микросейсмического мониторинга, основанные на тех или иных модификациях метода эмиссионной сейсмической томографии, не могут обеспечить точной локации микросейсмического источника при сложном механизме его очага. Кроме того, они не решают задачи измерения параметров механизма очага источника.From the results of numerical simulation shown in FIG. 6, it follows that the known microseismic monitoring methods based on various modifications of the method of emission seismic tomography cannot provide accurate location of the microseismic source with a complex mechanism of its source. In addition, they do not solve the problem of measuring the parameters of the source focus mechanism.

Для проверки эффективности предложенных выше вариантов способа измерения параметров микросейсмических источников: его координат и параметров механизма его очага, использовалась смесь синтетических сейсмограмм с многоканальной записью реальных помех на ПГСП, установленной на месторождении углеводородов для контроля гидроразрыва пласта. Усредненное по сейсмометрам ПГСП среднеквадратическое отношение сигнал-помеха в модельной смеси составляло 0.05.To verify the effectiveness of the above options for measuring the parameters of microseismic sources: its coordinates and the parameters of its focus mechanism, we used a mixture of synthetic seismograms with multichannel recording of real interference at the DSS installed on a hydrocarbon field to control hydraulic fracturing. The rms signal-to-noise ratio averaged over the PHSP seismometers in the model mixture was 0.05.

На фиг.7 представлены результаты обработки такой смеси в случае источника с координатами x=0 м, y=0 м, z=1000 м и сдвиговым механизмом очага с параметрами α=45°, β=90°, γ=0°. Карты функционала (2) рассчитывались при различных углах α, β, γ механизма очага (с шагом 10 градусов по каждому из углов) при сканировании по горизонтальным координатам источника в квадрате с центром (0 м, 0 м) и стороной 400 м, расположенного на глубине 1000 м. Примеры таких карт при углах α, β, γ, не совпадающих с истинными значениями параметров механизма очага, приведены в столбцах 1-3 фиг.7. Глобальный максимум функционала (2) для множества всех рассчитанных его значений соответствовал координатам источника $$\widehat{x}=0$$

, $$\widehat{y}=0$$

, и параметрам его очага $$\widehat{\alpha }={40}^{\circ }$$

, $$\widehat{\beta }={90}^{\circ }$$

, $$\widehat{\gamma }={10}^{\circ }$$

. Столбец 4 на фиг.8 представляет собой карту функционала (2) для оцененных параметров очага $$\widehat{\alpha }={40}^{\circ }$$

, $$\widehat{\beta }={90}^{\circ }$$

, $$\widehat{\gamma }={10}^{\circ }$$

. Столбец 3 фиг.7 иллюстрирует тот факт, что правильные значения координат источника могут быть получены в процессе максимизации функционала (2) и для неверных значений параметров механизма его очага. Однако глобальный максимум функционала по всем параметрам источника всегда достигается при координатах источника и параметрах механизма его очага, наиболее близких к правильным значениям этих характеристик (столбец 4 фиг.7).Figure 7 presents the results of processing such a mixture in the case of a source with coordinates x = 0 m, y = 0 m, z = 1000 m and a shear mechanism of the source with parameters α = 45 °, β = 90 °, γ = 0 °. Maps of functional (2) were calculated at various angles α, β, γ of the source mechanism (with a step of 10 degrees for each of the angles) when scanning along the horizontal coordinates of the source in a square centered at (0 m, 0 m) and with a side of 400 m located on depth of 1000 m. Examples of such maps at angles α, β, γ that do not coincide with the true values of the focal mechanism parameters are given in columns 1-3 of Fig. 7. The global maximum of functional (2) for the set of all its calculated values corresponded to the coordinates of the source $$\widehat{x}=0$$

, $$\widehat{y}=0$$

, and the parameters of its focus $$\widehat{\alpha }={40}^{\circ }$$

, $$\widehat{\beta }={90}^{\circ }$$

, $$\widehat{\gamma }={10}^{\circ }$$

. Column 4 in Fig. 8 is a functional map (2) for the estimated focal parameters $$\widehat{\alpha }={40}^{\circ }$$

, $$\widehat{\beta }={90}^{\circ }$$

, $$\widehat{\gamma }={10}^{\circ }$$

. Column 3 of Fig. 7 illustrates the fact that the correct values of the coordinates of the source can be obtained in the process of maximizing the functional (2) and for incorrect values of the parameters of the mechanism of its source. However, the global maximum of functionality in all parameters of the source is always achieved with the coordinates of the source and the parameters of the mechanism of its focus, closest to the correct values of these characteristics (column 4 of Fig. 7).

С учетом того, что сканирование по углам сдвигового механизма очага источника производилось с шагом 10°, приведенные на фиг.7 результаты численного моделирования свидетельствуют о высокой эффективности предложенного способа измерения параметров микросейсмического источника со сложным механизмом очага при малом отношении сигнал/помеха в приемниках ПГСП.Considering the fact that scanning at the angles of the shear mechanism of the source focus was performed with a step of 10 °, the results of numerical simulation shown in Fig. 7 indicate the high efficiency of the proposed method for measuring the parameters of a microseismic source with a complex source mechanism with a small signal / noise ratio in the PHSP receivers.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Наиболее успешно заявленные варианты способа измерения координат микросейсмических источников и параметров механизма их очагов промышленно применимы в нефтяной и газовой промышленности, а именно - при контроле процесса гидроразрыва пластов залежей углеводородов, в горнодобывающей промышленности - для контроля микросейсмичности в окрестности шахт и рудников, в технологиях контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний - для идентификации мест проведения сильных подземных взрывов.The most successfully declared variants of the method for measuring the coordinates of microseismic sources and the parameters of the mechanism of their foci are industrially applicable in the oil and gas industry, namely, when monitoring the process of hydraulic fracturing of hydrocarbon deposits, in the mining industry to control microseismicity in the vicinity of mines and mines, in technologies for monitoring compliance with the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty - to identify locations of major underground explosions.

Claims (2)

1. Способ измерения координат микросейсмических источников, заключающийся в том, что измеряют поверхностной группой сейсмических приемников сейсмические сигналы, излучаемые микросейсмическими источниками, для их регистрации, обрабатывают сейсмические сигналы цифровой аппаратурой в режиме, близком к режиму реального времени, производят анализ цифровых записей сейсмических сигналов в скользящем временном окне с длительностью, равной типичной длительности микросейсмических событий, судят по результатам анализа об обнаружении микросейсмического события путем вычисления функционала, устанавливают значение векторного аргумента, в котором этот функционал достигает максимума, определяют по значению векторного аргумента, в котором этот функционал достигает максимума, координаты микросейсмического источника и параметры механизма его очага, отличающийся тем, что в качестве приемников поверхностной группы сейсмических приемников применяют трехкомпонентные сейсмометры, измеряют значения полных векторов сейсмических колебаний в точках выхода на поверхность лучей распространения сейсмических волн от микросейсмического источника ко всем сейсмометрам, рассчитывают ожидаемые значения физических характеристик этих сейсмических колебаний, используя физические модели среды, в которой происходят микросейсмические события под сейсмометрами поверхностной группы сейсмических приемников - скоростную модель среды, модель затухания сейсмических волн в среде, динамическую модель типичных очагов микросейсмических источников, измеряют соответствие значений физических характеристик сейсмических сигналов, зарегистрированных на различных сейсмометрах, ожидаемым значениям этих характеристик, а именно таких физических характеристик, как относительные задержки во времени сейсмических сигналов на различных сейсмометрах, знаки-полярности сейсмических сигналов на различных сейсмометрах, отношения мгновенных амплитуд на различных сейсмометрах, спектральные плотности мощности помех, воздействующих на каждый из сейсмометров, при анализе цифровых записей сейсмических сигналов вычисляют функционал
$$Ф(r,\theta )={\displaystyle \sum _{j\in J}{c}_j(r)}{\left|{\displaystyle \sum _{k=1}^m{h}_{k,j}^{+}(r,\theta )y_{k,j}(r)}\right|}^2,r\in Q,\theta \in V,(1)$$

$$гдеy_{k,j}(r)=a_k^{*}(r)F_k^{-1}(f_j)x_k(f_j)$$

- комплексное значение на частоте f_j дискретного конечного преобразования Фурье сейсмических колебаний в среде в точке выхода на поверхность сейсмического луча L_k(r), соединяющего источник в точке r и k-й трехкомпонентный сейсмометр поверхностной группы сейсмических приемников, верхний индекс * - знак Эрмитова сопряжения вектора: транспонирования и комплексного сопряжения, верхний индекс ⁺ - знак комплексного сопряжения,
x_k(f_j), j=1, …, N - 3-мерный комплексный вектор значения на частоте f_j дискретного конечного преобразования Фурье отсчетов сейсмических колебаний, зарегистрированных на трех компонентах k-го сейсмометра поверхностной группы сейсмических приемников в анализируемом временном окне длительностью T,
N=Tf_д - число 3m-мерных отсчетов сигналов поверхностной группы сейсмических приемников в этом временном окне,
f_д - частота дискретизации сигналов поверхностной группы сейсмических приемников,
$$f_j=\frac{f_{д}j}{2N}$$

- частоты дискретного конечного преобразования Фурье,
r=(x, y, z) - координаты микросейсмического источника,
$$F_k^{-1}(f_j)$$

- комплексная 3×3 матрица - значение на частоте f_j обратной матричной спектральной плотности мощности помех, воздействующих на каждую из трех компонент k-го сейсмометра поверхностной группы сейсмических приемников,
$$a_k^{*}(r)=v(p_x{C}_2,p_y{C}_2,g{C}_1)$$

- векторная функция, определяющая распределение энергии сейсмической волны от микросейсмического источника между компонентами k-го сейсмометра, которая определяется скоростной моделью среды под поверхностной группой сейсмических приемников и зависит от взаимного расположения источника и k-го сейсмометра,
p_k(r)=(p_x, p_y, p_z) - единичный вектор выхода сейсмического луча L_k(r), соединяющего микросейсмический источник в точке r с точкой расположения k-го сейсмометра,
C_1,k(r), C_2,k(r), q_k(r), v(r) - функции, позволяющие учитывать не только угол выхода сейсмического луча L_k(r), но также влияние поверхности раздела среды и воздуха на волновое поле под k-м сейсмометром и измерять полную энергию сейсмической волны от микросейсмического источника, приходящей на k-й сейсмометр,
h_k(f_j\r, θ)=d_k(r, θ)exp{-i2πf_jГ_k(r)} - комплексная частотная характеристика пути распространения сигнала микросейсмического источника вдоль сейсмического луча L_k(r), где i - мнимая единица, Г_k(r) - время распространения сейсмической волны от микросейсмического источника вдоль луча L_k(r), определяемое скоростной моделью среды под поверхностной группой сейсмических приемников,
d_k(r, θ) - значение относительной амплитуды излучения сейсмических сигналов в очаге вдоль луча L_k(r) (значение «диаграммы излучения» очага), эта величина определяется как взаимным расположением микросейсмического источника и k-го сейсмометра, так и вектором параметров θ механизма очага микросейсмического источника,
θ=(w, α, β, γ) - параметры механизма очага микросейсмического источника, имеющие следующий физический смысл: w - доля энергии источника, излученной в результате деформаций в очаге в виде расширения среды, а (1-w) - соответственно доля энергии источника, излученной в результате деформаций в очаге в виде сдвигов участков среды), α, β - направляющие углы плоскости сдвига участков среды, γ - угол, определяющий направление деформации среды в плоскости сдвига,
$$c_j(r)={\left[{\displaystyle \sum _{k=1}^m{a}_k^{*}}(r)F_k^{-1}(f_j)a_k^{*}(r)\right]}^{-1}$$

- множители, обеспечивающие минимизацию случайных колебаний функционала из-за влияния коррелированных сейсмических помех, воздействующих на сейсмометры поверхностной группы сейсмических приемников,
m - число трехкомпонентных сейсмометров поверхностной группы сейсмических приемников,
j - множество индексов частот дискретного конечного преобразования Фурье, соответствующее интервалу частот, в котором измеряют сигнал микросейсмического источника,
Q - область земной среды, в которой выявляют микросейсмические источники,
V - область значений параметров θ механизма очага, соответствующая излучению им сейсмических сигналов в направлении апертуры поверхностной группы сейсмических приемников,
устанавливают значение аргументов r, θ функционала Ф(r, θ), в котором он достигает максимума, и по найденному значению r определяют измеренное значение координат $$\widehat{r}$$

микросейсмического источника, а по соответствующему значению θ - измеренное значение $$\widehat{\theta }$$

параметров очага микросейсмического источника.1. The method of measuring the coordinates of microseismic sources, which consists in measuring the surface group of seismic receivers seismic signals emitted by microseismic sources for their registration, process seismic signals with digital equipment in a mode close to real time, analyze digital records of seismic signals in a sliding time window with a duration equal to the typical duration of microseismic events is judged by the results of the analysis of the detection of micros of a ismic event by calculating the functional, set the value of the vector argument in which this functional reaches its maximum, determine by the value of the vector argument in which this functional reaches its maximum, the coordinates of the microseismic source and the parameters of its source mechanism, characterized in that as receivers of the surface group of seismic receivers use three-component seismometers, measure the values of the total vectors of seismic vibrations at the points of exit to the surface of the rays the propagation of seismic waves from a microseismic source to all seismometers, calculate the expected values of the physical characteristics of these seismic vibrations using physical models of the medium in which microseismic events occur under seismometers of the surface group of seismic receivers - a velocity model of the medium, a model of the attenuation of seismic waves in the medium, a dynamic model of typical foci of microseismic sources, measure the correspondence of the values of the physical characteristics of seismic signals, recorded on various seismometers, the expected values of these characteristics, namely such physical characteristics as relative time delays of seismic signals on various seismometers, polarity signs of seismic signals on various seismometers, ratios of instantaneous amplitudes on various seismometers, spectral power densities of interference acting on each of the seismometers, when analyzing digital records of seismic signals, calculate the functional
$$F(r,\theta )={\displaystyle \sum _{j\in J}{c}_j(r)}{\left|{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^m{h}_{k,j}^{+}(r,\theta )y_{k,j}(r)}\right|}^2,r\in Q,\theta \in V,(\mathrm{one})$$

$$gde{y}_{k,j}(r)=a_k^{*}(r)F_k^{-\mathrm{one}}(f_j)x_k(f_j)$$

- the complex value at the frequency f _{j of the} discrete finite Fourier transform of seismic oscillations in the medium at the point of exit to the surface of the seismic beam L _k (r) connecting the source at point r and the k-th three-component seismometer of the surface group of seismic receivers, the superscript * is the Hermitian sign vector conjugations: transpose and complex conjugation, superscript ⁺ - sign of complex conjugation,
x _k (f _j ), j = 1, ..., N is the 3-dimensional complex vector of the value at the frequency f _{j of the} discrete finite Fourier transform of seismic oscillation samples recorded on the three components of the k-th seismometer of the surface group of seismic receivers in the analyzed time window of duration T
N = Tf _d - the number of 3m-dimensional samples of the signals of the surface group of seismic receivers in this time window,
f _d - the sampling frequency of the signals of the surface group of seismic receivers,
$$f_j=\frac{f_{d}j}{2N}$$

- frequencies of the discrete finite Fourier transform,
r = (x, y, z) - coordinates of the microseismic source,
$$F_k^{-\mathrm{one}}(f_j)$$

- complex 3 × 3 matrix - the value at the frequency f _{j of the} inverse matrix spectral density of the interference power acting on each of the three components of the k-th seismometer of the surface group of seismic receivers,
$$a_k^{*}(r)=v(p_x{C}_2,p_y{C}_2,g{C}_{\mathrm{one}})$$

is a vector function that determines the distribution of energy of a seismic wave from a microseismic source between the components of the kth seismometer, which is determined by the velocity model of the medium under the surface group of seismic receivers and depends on the relative position of the source and the kth seismometer,
p _k (r) = (p _x , p _y , p _z ) is the unit output vector of the seismic beam L _k (r) connecting the microseismic source at point r with the location point of the k-th seismometer,
C _{1, k} (r), C _{2, k} (r), q _k (r), v (r) are functions that allow one to take into account not only the exit angle of the seismic beam L _k (r), but also the influence of the interface air to the wave field under the kth seismometer and measure the total energy of the seismic wave from a microseismic source arriving at the kth seismometer,
h _k (f _j \ r, θ) = d _k (r, θ) exp {-i2πf _j Г _k (r)} is the complex frequency response of the microseismic source signal propagation path along the seismic beam L _k (r), where i - imaginary unit, G _k (r) is the propagation time of the seismic wave from the microseismic source along the beam L _k (r), determined by the velocity model of the medium under the surface group of seismic receivers,
d _k (r, θ) is the value of the relative radiation amplitude of the seismic signals in the source along the beam L _k (r) (the value of the "radiation diagram" of the source), this value is determined both by the relative position of the microseismic source and the k-th seismometer, and by the parameter vector θ mechanism of the focus of the microseismic source,
θ = (w, α, β, γ) are the parameters of the mechanism of the source focus of a microseismic source, which have the following physical meaning: w is the fraction of the source energy emitted as a result of deformations in the source as an expansion of the medium, and (1-w) is the energy share, respectively the source emitted as a result of deformations in the source in the form of shifts of medium sections), α, β are the directing angles of the plane of shear of medium sections, γ is the angle defining the direction of medium deformation in the plane of shift
$$c_j(r)={\left[{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^m{a}_k^{*}}(r)F_k^{-\mathrm{one}}(f_j)a_k^{*}(r)\right]}^{-\mathrm{one}}$$

- factors that minimize the random fluctuations of the functional due to the influence of correlated seismic interference affecting the seismometers of the surface group of seismic receivers,
m is the number of three-component seismometers of the surface group of seismic receivers,
j is the set of frequency indices of the discrete finite Fourier transform corresponding to the frequency interval in which the signal of the microseismic source is measured,
Q is the region of the earth’s environment in which microseismic sources are detected,
V is the range of parameters θ of the source mechanism, corresponding to the radiation of seismic signals in the direction of the aperture of the surface group of seismic receivers,
establish the value of the arguments r, θ of the functional Ф (r, θ) in which it reaches a maximum, and the measured value of coordinates is determined from the found value of r $$\widehat{r}$$

microseismic source, and the corresponding value of θ is the measured value $$\widehat{\theta }$$

microseismic source source parameters. 2. Способ измерения координат микросейсмических источников, заключающийся в том, что измеряют поверхностной группой сейсмических приемников сейсмические сигналы, излучаемые микросейсмическими источниками, для их регистрации, обрабатывают сейсмические сигналы цифровой аппаратурой в режиме, близком к режиму реального времени, производят анализ цифровых записей сейсмических сигналов в скользящем временном окне с длительностью, равной типичной длительности микросейсмических событий, судят по результатам анализа об обнаружении микросейсмического события путем вычисления функционала, устанавливают значение векторного аргумента, в котором этот функционал достигает максимума, определяют по значению векторного аргумента, в котором этот функционал достигает максимума, координаты микросейсмического источника и параметры механизма его очага, отличающийся тем, что в качестве приемников поверхностной группы сейсмических приемников применяют трехкомпонентные сейсмометры, измеряют значения полных векторов сейсмических колебаний в точках выхода на поверхность лучей распространения сейсмических волн от микросейсмического источника ко всем сейсмометрам, рассчитывают ожидаемые значения физических характеристик этих сейсмических колебаний, используя физические модели среды, в которой происходят микросейсмические события под сейсмометрами поверхностной группы сейсмических приемников - скоростную модель среды, модель затухания сейсмических волн в среде, динамическую модель типичных очагов микросейсмических источников, измеряют соответствие значений физических характеристик сейсмических колебаний, зарегистрированных на различных сейсмометрах, ожидаемым значениям этих характеристик, а именно таких физических характеристик, как относительные задержки во времени сейсмических сигналов на различных сейсмометрах, знаки-полярности сейсмических сигналов на различных сейсмометрах, отношения мгновенных амплитуд на различных сейсмометрах, спектральные плотности мощности помех, воздействующих на каждый из сейсмометров, функции взаимной когерентности для каждой пары измеренных сейсмических колебаний в точках выхода лучей распространения сейсмических волн от микросейсмического источника к сейсмометрам, при анализе цифровых записей сейсмических сигналов вычисляют функционал
$$\psi (r,\theta )={\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}k\mathrm{,1}\\ k\ne 1\end{array}}^m{\displaystyle \sum _{j\in J}b({\widehat{K}}_{k\mathrm{,1}}(f_j))}q(\Delta {\phi }_{\mathrm{1,}k}(r,\theta ,f_j)-{\widehat{\psi }}_{k\mathrm{,1}}(f_j)),r\in Q,\theta \in V},$$

где $${\widehat{K}}_{k\mathrm{,1}}(f_j)$$

- измеренное на частоте f_j значение функции взаимной когерентности сейсмических колебаний y_k,j(r), y_l,j(r) вдоль лучей распространения сейсмических волн L_k(r) и L_l(r), соединяющих микросейсмический источник с k-м и l-м сейсмометрами, где $$f_j=\frac{f_{д}j}{2N}$$

- частоты дискретного конечного преобразования Фурье,
f_д - частота дискретизации сейсмических сигналов поверхностной группы сейсмических приемников, N=Tf_д - число 3m-мерных отсчетов сейсмических сигналов поверхностной группы сейсмических приемников во временном окне анализа,
$$b\left({\widehat{K}}_{k,l}\left(f_j\right)\right)$$

- пороговая функция, позволяющая выбрать пары сейсмометров поверхностной группы сейсмических приемников и частоты дискретного конечного преобразования Фурье, для которых взаимная когерентность сейсмических колебаний
y_k,j(r), y_l,j(r) достаточно велика,
$${\widehat{\Psi }}_{k,l}\left(f_j\right)$$

- измеренная разность фаз на частоте f_j сейсмических колебаний y_k,j(r), y_l,j(r) вдоль лучей L_k(r) и L_l(r),
Δφ_k,l(r, θ, f_j)=2πf_j(Г_k(r)-Г₁(r))+π(γ_k(r, θ)-γ_l(r, θ)) - ожидаемая разность фаз на частоте f_j сигналов микросейсмического источника в точках выхода на поверхность лучей L_k(r) и L_l(r), где Г_k(r) - время распространения сейсмического сигнала микросейсмического источника вдоль луча L_k(r), γ_k(r, θ) - индикатор знака деформации среды, создаваемой микросейсмическим источником вдоль луча L_k(r), «0» - сжатие, «1» - расширение,
q(Ψ), Ψ∈[-π, π] - настроечная нелинейная функция процедуры анализа,
m - число трехкомпонентных сейсмометров поверхностной группы сейсмических приемников,
j - множество индексов частот дискретного конечного преобразования Фурье, соответствующее интервалу частот, в котором измеряют сигнал микросейсмического источника,
Q - область земной среды, в которой выявляют микросейсмические источники,
V - область значений параметров θ механизма очага, соответствующая излучению им сейсмических колебаний в направлении апертуры поверхностной группы сейсмических приемников,
при этом первая сумма в функционале ψ(r) вычисляется по всем парам сейсмометров поверхностной группы сейсмических приемников, имеющим различные номера, для которых функция взаимной когерентности на частоте f_j. превышает порог, заданный в пороговой функции $$b({\widehat{K}}_{k,l}(f_j))$$

,
устанавливают значение аргументов r,θ функционала ψ(r), в котором он достигает максимума, и по найденному значению r определяют измеренное значение координат $$\widehat{r}$$

микросейсмического источника, а по соответствующему значению θ - измеренное значение $$\widehat{\theta }$$

параметров механизма очага микросейсмического источника. 2. A method of measuring the coordinates of microseismic sources, which consists in measuring the surface group of seismic receivers seismic signals emitted by microseismic sources for their registration, processing seismic signals with digital equipment in a mode close to real-time mode, analyzing digital records of seismic signals in a sliding time window with a duration equal to the typical duration of microseismic events is judged by the results of the analysis of the detection of micros of a ismic event by calculating the functional, set the value of the vector argument in which this functional reaches its maximum, determine by the value of the vector argument in which this functional reaches its maximum, the coordinates of the microseismic source and the parameters of its source mechanism, characterized in that as receivers of the surface group of seismic receivers use three-component seismometers, measure the values of the total vectors of seismic vibrations at the points of exit to the surface of the rays the propagation of seismic waves from a microseismic source to all seismometers, calculate the expected values of the physical characteristics of these seismic vibrations using physical models of the medium in which microseismic events occur under seismometers of the surface group of seismic receivers - a velocity model of the medium, a model of the attenuation of seismic waves in the medium, a dynamic model of typical foci of microseismic sources, measure the correspondence of the values of the physical characteristics of seismic vibrations recorded on various seismometers, the expected values of these characteristics, namely such physical characteristics as relative time delays of seismic signals on various seismometers, polarity signs of seismic signals on various seismometers, ratios of instantaneous amplitudes on various seismometers, spectral power densities of interference acting for each of the seismometers, the mutual coherence functions for each pair of measured seismic vibrations at the exit points of the propagation rays eniya seismic waves from microseismic source to a seismometer, a functional assay is calculated by digital recordings of seismic signals
$$\psi (r,\theta )={\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}k\mathrm{,one}\\ k\ne \mathrm{one}\end{array}}^m{\displaystyle \sum _{j\in J}b({\widehat{K}}_{k\mathrm{,one}}(f_j))}q(\Delta {\phi }_{\mathrm{one,}k}(r,\theta ,f_j)-{\widehat{\psi }}_{k\mathrm{,one}}(f_j)),r\in Q,\theta \in V},$$

Where $${\widehat{K}}_{k\mathrm{,one}}(f_j)$$

- measured on the frequency f _j function of the value of mutual coherence of seismic vibrations _{y k, j (r),} y l, j (r) along the ray propagation of seismic waves L _k (r) and _{L l} (r), connecting the source with microseismic k- m and l-th seismometers, where $$f_j=\frac{f_{d}j}{2N}$$

- frequencies of the discrete finite Fourier transform,
f _d is the sampling frequency of the seismic signals of the surface group of seismic receivers, N = Tf _d is the number of 3m-dimensional samples of seismic signals of the surface group of seismic receivers in the time window of analysis,
$$b\left({\widehat{K}}_{k,l}\left(f_j\right)\right)$$

- a threshold function that allows you to select pairs of seismometers of the surface group of seismic receivers and the frequencies of the discrete final Fourier transform, for which the mutual coherence of seismic oscillations
y _{k, j} (r), y _{l, j} (r) is large enough,
$${\widehat{\Psi }}_{k,l}\left(f_j\right)$$

- the measured phase difference at the frequency f _{j of} seismic vibrations y _{k, j} (r), y _{l, j} (r) along the rays L _k (r) and L _l (r),
Δφ _{k, l} (r, θ, f _j ) = 2πf _j (Г _k (r) -Г ₁ (r)) + π (γ _k (r, θ) -γ _l (r, θ)) is the expected difference phases at a frequency f _{j of} microseismic source signals at the exit points to the surface of the rays L _k (r) and L _l (r), where Г _k (r) is the propagation time of the seismic signal of the microseismic source along the beam L _k (r), γ _k ( r, θ) is an indicator of the sign of deformation of the medium created by the microseismic source along the beam L _k (r), “0” is compression, “1” is expansion,
q (Ψ), Ψ∈ [-π, π] is the tuning nonlinear function of the analysis procedure,
m is the number of three-component seismometers of the surface group of seismic receivers,
j is the set of frequency indices of the discrete finite Fourier transform corresponding to the frequency interval in which the signal of the microseismic source is measured,
Q is the region of the earth’s environment in which microseismic sources are detected,
V is the range of parameters θ of the source mechanism corresponding to the radiation of seismic vibrations in the direction of the aperture of the surface group of seismic receivers,
the first sum in the functional ψ (r) is calculated for all pairs of seismometers of the surface group of seismic receivers having different numbers for which the mutual coherence function at a frequency f _j . exceeds threshold set in threshold function $$b({\widehat{K}}_{k,l}(f_j))$$

,
establish the value of the arguments r, θ of the functional ψ (r) in which it reaches a maximum, and the measured value of coordinates is determined from the found value of r $$\widehat{r}$$

microseismic source, and the corresponding value of θ is the measured value $$\widehat{\theta }$$

parameters of the mechanism of the source microseismic source.

Images