NO20140809A1 - Seismisk overvåkning - Google Patents

Abstract

Søknaden beskriver fremgangsmåter og anordninger for seismisk overvåking ved å bruke fiberoptisk, distribuert akustisk a vf øl ing (DAA). Fremgangsmåten innebærere avsporte en første optisk fiber (102) som er utplassert i et område av interesse, for å tilveiebringe en distribuert akustisk sensor som omfatter et antall langsgående avfølingspartier i fiberen, og som også overvåker minst en geofon (107) som er utplassert i det området som er av interesse. Signalet fra den minst ene geofonen blir analysert for å detektere en hendelse av interesse (105). Hvis en hendelse av interesse blir detektert, blir dataene fra den distribuerte akustiske sensoren som er innhentet under hendelsen av interesse, registrert. Geofonen kan være samlokalisert med en del av avfølingsfiberen og kan i noen utførelsesformer være integrert (307) med avfølingsfiberen.

Description

Seismisk overvåkning

Foreliggende oppfinnelse vedrører seismisk overvåkning og spesielt langsiktig seismisk overvåkning ved bruk av distribuerte fiberoptiske sensorer, spesielt distribuerte akustiske sensorer.

Seismisk geofysisk overvåkning og måling blir brukt i en rekke forskjellige anvendelser. På olje- og gassområdet kan for eksempel seismiske undersøkelser utføres ved mange forskjellige trinn under konstruksjon og drift av en brønn. Straks en brønnkonstruksjon er blitt fullført og brønnene er operative, kan det spesielt være ønskelig å utføre langsiktig seismisk overvåkning for å overvåke mikroseismiske hendelser for å belyse eventuelle betydelige endringer i tilstanden til brønnene og/eller reservoaret over tid.

Seismisk overvåkning kan også brukes til vurdering av reservoarer for lagring av farlige eller uønskede materialer, for eksempel for lagring av karbon-dioksid. I disse anvendelsene kan det igjen være ønskelig å foreta langsiktig seismisk overvåkning, for eksempel for å lytte etter mikroseismiske hendelser etter injeksjoner for å overvåke tilstanden på stedet over tid.

Langsiktig seismisk overvåkning blir konvensjonelt utført ved å plassere en gruppe med seismometere i et område som skal overvåkes. En gruppe med geofoner blir typisk brukt som en avfølingsgruppe. Geofonene kan være anordnet over overflaten til det området som skal overvåkes, i et ønsket mønster, og/eller en streng av geofoner kan være utplassert nede i et brønnhull.

Nylig er det blitt foreslått å bruke distribuerte, fiberoptiske akustiske sensorer som sensorgruppe med seismisk overvåkning. Distribuert akustisk avføling (DAA) er for eksempel en kjent type avføling hvor en optisk fiber er utplassert som en avfølingsfiber og avspurt med elektromagnetisk stråling. Stråling som blirtil-bakespredt fra innsiden av den optiske fiberen, blir detektert og analysert for å av-dekke informasjon om akustisk stimulering av den optiske fiberen i forskjellige langsgående seksjoner av avfølingsfiberen, dvs. kanaler. DAA-sensoren virker dermed effektivt som en lineær avfølingsgruppe med avfølingspartier av optiske fibere. Lengden av avfølingspartiene til fiberen blir bestemt av karakteristikkene til avspørringsstrålingen og behandlingen som anvendes på de tilbakespredte signalene, men avfølingspartier i størrelsesorden 10m eller der omkring kan typisk brukes i noen anvendelser, og mindre avfølingspartier for mer nøyaktige anvendelser. Legg merke til at uttrykket "akustisk" slik det brukt her, skal bety enhver type trykkbølge eller forstyrrelse som kan resultere i en deformasjon av en optisk fiber, og for å inngå enhver tvil skal uttrykket "akustisk" innbefatte seismiske bølger.

Distribuert akustisk avføling (DAA) har flere potensielle fordeler sammenlignet med bruken av geofon-grupper. Geofon-grupper er for det første kostbare. For aktive undersøkelser hvor området som undersøkes, blir stimulert ved å bruke en seismisk kilde og responsen på den seismiske stimulien blir registrert, kan dermed en geofon-grupper utplasseres bare for undersøkelsen og hentes opp etterpå for bruk på et annet sted. For langsiktig overvåkning av et område er det imidlertid klart at sensoren vil forbli utplassert over varigheten av overvåkningen. Omkostningene i forbindelse med geofon-grupper betyr at antallet individuelle avfølingselementer i en geofon-gruppe som er utplassert for langsiktig overvåking, vanligvis blir begrenset.

DAA benytter derimot en forholdsvis billig optisk fiber som avfølings-medium. Den optiske fiberen kan utplasseres i det området som skal undersøkes, for eksempel ved å bli gravd ned i et ønsket arrangement for å beskytte fiberen fra omgivelsene, og kan etterlates på stedet over en lang tidsperiode. Med DAA kan en fiberlengde opp til omkring 40 km brukes for å tilveiebringe seismisk overflate-overvåkning med 10 m lange avfølingspartier for å tilveiebringe 4000 individuelle avfølingspartier. Dette gir betydelig flere datakanaler enn hva som er vanlig i forbindelse med en konvensjonell geofon-gruppe, og til en meget lav pris. DAA kan også gjøre det mulig å overvåke hele lengden av en dyp brønn, for eksempel 4 km eller mer, ved mye kortere avfølingspartier. Med en typisk geofon-gruppe kan det være en grense for antallet geofoner som blir brukt, og dermed kan geofon-gruppen bare kunne overvåke en del av et sted med en dyp brønn.

For nåværende DAA-sensorer kan den umiddelbare utgangen fra ethvert enkelt avfølingsparti ikke gi det samme følsomhetsnivået som en konvensjonell geofon. Forskjellige databehandlingsteknikker slik som kombinering av resultatene fra flere uavhengige avfølingskanaler imidlertid brukes til å forbedre signal/støy-forholdet til DAA-sensoren, slik at DAA kan anvendes med stor nytte til seismisk overvåking.

DAA gir derfor flere fordeler i forbindelse med seismisk overvåking og har med stor nytte blitt anvendt til seismisk overvåkning. Det faktum at DAA muliggjør en betydelig økning i antallet tilgjengelige avfølingskanaler sammen med det faktum at DAA-sensoren typisk har en datautmatingshastighet som er større enn for konvensjonelle geofoner, medfører derfor noen potensielle problemer med datalagring og behandling.

For langsiktig mikroseismisk overvåkning kan imidlertid sensorgruppen innhente data kontinuerlig over forholdsvis utgangsdataene fra sensorgruppen blir vanligvis lagret for senere behandling.

For seismisk overvåkning ved bruk av en DAA-sensor vil den betydelige økningen i antallet avfølingskanalen sammen med de økte datahastighetene resultere i at betydelig flere data blir produsert enn med en konvensjonell geofon-gruppe. Håndtering og lagring av disse dataene er ikke en triviell oppgave, spesielt ettersom det området som overvåket ofte kan være et fjerntliggende og forholdsvis ugunstig miljø.

Noen konvensjonelle geofoner-innsamlingssystemer kan være utstyrt med direkte hendelsesdeteksjon og utløsning for å lagre bare detekterte hendelser. Datautgangen fra geofon-gruppen kan med andre ord bufres og innledningsvis behandles for å bestemme om det er noen hendelser av interesse. Hvis ikke, vil dataene ikke bli lagret og vil bli gradvis erstattet i bufferlageret av nyere data. Hvis imidlertid en hendelse av interesse blir detektert, kan de bufrede dataene lagres med data som lagres inntil hendelsen av interesse opphører. På denne måten blir bare data som er relevante for hendelser av interesse, lagret, for derved å redusere datalagringsbehovene.

Med geofon-grupper betyr de forholdsvis langsomme datahastighetene og den relativt høye følsomheten til de enkelte geofonene at hendelsesdeteksjon er forholdsvis enkelt. Med DAA-sensorer betyr imidlertid den høyere datahastigheten og den forholdsvis lavere følsomheten til et enkelt avfølingsparti i fiberen at det ikke er enkelt å detektere når en hendelse av interesse inntreffer. Behandling av dataene fra flere forskjellige kanaler for DAA-sensoren for å detektere en hendelse av interesse vil innebære betydelig beregningsmessig kapasitet, og for å kunne ta en nyttig beslutning om å lagre eller forkaste bufrede data, må behandlingen operere effektivt i sanntid. Dette vil medføre utplassering av betydelig beregningsressurser for en feltbasert avspørringsenhet med en betydelig virkning på prisen for og kompleksiteten av enheten.

Det vil derfor være fordelaktig å tilveiebringe fremgangsmåter og anordninger for seismisk overvåking ved å bruke distribuert fiberoptisk avføling som letter i det minste noen av de ovennevnte ulempene.

Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen er det derfor tilveiebrakt en fremgangsmåte for seismisk overvåking som omfatter: å avspørre en første optisk fiber utplassert i en område av interesse for å tilveiebringe en distribuert akustisk sensor som omfatter et antall langsgående avfølingspartier i fiberen; å overvåke i det minste én geofon som er utplassert i området av interesse; å analysere signalet fra den minst ene geofonen for å detektere en hendelse av interesse; og å registrere data fra den distribuerte akustiske sensoren som er innsamlet under hendelsen av interesse.

Fremgangsmåte ifølge foreliggende oppfinnelse benytter derfor DAA til å overvåke et område av interesse, men benytter også minst en geofon som også er utplassert i området av interesse, for eksempel langs lengden av den første optiske fiberen, dvs. avfølingsfiberen. Utgangen fra geofonen kan analyseres for å detektere en seismisk hendelse av interesse som så utløser registrering av relevante data fra DAA-sensoren. På denne måten blir bare de relevante dataene fra DAA-sensoren registrert, men hendelsesdeteksjonen er basert på det forholdsvis sensitive og langsomme datasignalet fra en geofon. Dermed unngås behovet for behandling av dataene fra DAA-sensoren i sanntid med det tilhørende behovet for betydelige beregningsressurser.

Ettersom signalet fra den minst ene geofonen bare behøver å bli brukt til å identifisere en hendelse av interesse, kan en forholdsvis enkel og dermed forholdsvis billig geofon brukes. Geofonen kan for eksempel være en enkeltkomponent-geofon, selv om multikomponent-geofoner også kan brukes om det ønskes. En hvilken som helst type geofon kan brukes til å tilveiebringe hendelsesdeteksjon, og den minst ene geofonen kan omfatte en elektrisk geofon, men i noen utførelsesformer kan geofonen omfatte en fiberoptisk geofon slik som en fibergeofon med Bragg-gitter. I noen utførelsesformer kan geofonen være en hvilken som enhet som detekterer en innfallende mekanisk forstyrrelse og som er mer følsom enn kanalen i DAA-sensoren. Geofonen vil for eksempel være imple-mentert som en del av avfølingskabelen som er blitt tilpasset å være mer følsom, for eksempel ved bruk av faststoff-på-faststoff-kobling, en fiberspole og/eller et treghetsorgan eller lignende.

Geofonen kan være en multikomponent-geofon, dvs. at den er i stand til å detektere/diskriminere innfallende bølger som ankommer fra forskjellige retninger. Den ene eller de flere geofonene kan være anordnet for ikke bare å tilveiebringe utløsning av DAA-sensoren, men kan også fremskaffe visse målinger som DAA-sensorene ikke lett kan levere. En gruppe med geofoner kan for eksempel være anordnet for å samle inn en rekke målinger, og én eller flere DAA-sensorer kan være anordnet på andre steder i området av interesse for å tilveiebringe større dekning.

Geofonene kan imidlertid være forholdsvis enkle enkelkomponent-geofoner som ikke er i stand til separat og bestemme en innfallsretning. Det vil være klart at enkeltkomponent-geofoner kan oppvise en preferanserespons på stimuli som kommer fra en bestemt retning. En fagkyndig vil forstå at avfølingsfiberen i DAA-sensoren også vil ha en tendens til å være mer følsom for signaler som forplanter seg aksialt, dvs. langsgående, langs fiberen (ettersom dette kan resultere i den største banelengde-variasjonen inne i fiberen) enn tverrgående signaler eller bredside-signaler. Geofonen kan derfor være anordnet slik at en retning med maksimal følsomhet for geofonen er hovedsakelig ortogonal til den for avfølings-fiberen (eller alternativt at retningene for minst følsomhet for geofonen og avføl-ingsfiberen er ortogonale). Eventuelle signaler som kommer inn fra en retning hvor avfølingsfiberen har maksimal følsomhet, kan detekteres ved å se på returene fra DAA-sensoren uten at det krever mye behandling, dvs. at DAA-sensoren for eksempel selv kan utløse avfølingen. Signaler som mottas fra retningen med minst følsomhet for DAA-sensoren, vil imidlertid bli detektert tydelig av geofonen som så kan utløse lagringen av data fra DAA-sensoren.

Geofonen (eller hver geofon) er fortrinnsvis utplassert på det samme stedet som en del av den avfølende første optiske fiberen. Dette må imidlertid ikke nød-vendigvis være tilfellet. Én eller flere geofoner kan være utplassert på ett sted i området av interesse, for eksempel i et første borehull, og minst én DAA-sensor anordnet med avfølingsfiberen på et annet sted, for eksempel i et annet borehull. Deteksjon av en hendelse av interesse ved hjelp av den ene eller de flere geo fonene kan brukes til å utløse datalagring for den tidsperioden som svarer til hendelsen av interesse for den minst ene DAA-sensoren.

Ved bruk av én eller flere fiberoptiske geofoner kan geofonen (eller hver geofon) være forbundet med en geofon-avspørringsenhet ved hjelp av en annen fiberoptisk fiber. Den ene (eller hver) geofon kan dermed være utformet som en del av eller forbundet med den andre optiske fiberen som forbinder geofonen eller geofonene med en geofon-avspørringsenhet. Geofon-avspørringsenheten kan avspørres med DAA-avspørringsenheten og kan fortrinnsvis dele komponenter slik som en optisk kilde og detektor. Alternativt kan geofon-avspørringsenheten utgjøre en separat enhet i DAA-avspørringsenheten. Den andre optiske fiberen kan være utplassert langs den samme banen som den første optiske fiberen.

I en utførelsesform er imidlertid den minst ene geofonen integrert i den første optiske fiberen. Den minst ene geofonen utgjør med andre ord en del av eller er forbundet med den første optiske fiberen. I denne utførelsesformen tjener den første optiske fiberen som både den avfølende optiske fiberen for DAA-sensoren og anordningen for avspørring av den minst ene geofonen. Dette har den fordel at bare en avfølende optisk fiber er nødvendig og bare den første optiske fiberen blir utplassert i området av interesse. En enkelt avspørringsenhet kan så brukes til å avspørre den første optiske fiberen for å tilveiebringe DAA-sensoren og også avspørre geofonen. Minst én geofon kan derfor være plassert mellom to seksjoner av den første optiske fiberen som blir avspurt for å tilveiebringe den distribuerte akustiske avfølingen.

Den fiberoptiske geofonen kan avspørres ved å bruke den samme avspørr-ingsstrålingen som brukes til DAA. Som en fagkyndig på området vil forstå, beror DAA på utsendelse av avspørringsstråling inn i den avfølende fiberen og analysere den tilbakespredte strålingen. Det tilbakespredte signalet blir vanligvis analysert i et antall analysegrupper som svarer til forskjellige tider etter utsendelse av avspørringsstrålingen, for å tilveiebringe de langsgående avfølingspartiene av fiberen. Ettersom posisjonen til geofonen (eller hver geofon) i den optiske fiberen vil være sendt, vil den forventede returtiden for det reflekterte signalet fra geofonen være kjente. Retursignalet som skyldes en geofon, kan dermed isoleres fra de intrinsikke spredningsstedene i den optiske fiberen som utgjør den distribuerte akustiske avfølingen. En liten del av den optiske fiberen som svarer til posisjonen for geofonen, behøver dermed ikke å utgjøre en del av den distribuerte akustiske sensoren. Alternativt kan den fiberoptiske geofonen avspørres ved å bruke en annen bølgelengde ved anvendelse av bølgelengde-multipleksing.

Det skal bemerkes at refleksjonssignaler fra geofonen typisk vil være mye mer intense enn det forholdsvis svake tilbakespredningssignalet som genereres fra resten av den optiske fiberen. Den detektoren som brukes til å detektere tilbakespredningssignalet bør derfor være følsomt nok til å frembringe for lite ytelse for DAA, men også være i stand til å detektere målesignalet fra den ene eller de flere geofonene på en korrekt måte. I en utførelsesform kan fremgangsmåten innebære å påføre dempning på tilbakespredningssignalet ved det tidspunktet som svarer til signalreturerfra geofonen, dermed kan en følsom detektor brukes og det intense signalet fra de geofonen dempes ved den korrekte tiden. Alternativt kan separate detektorer brukes ved forskjellige tider til å detektere de forskjellige signalreturene, eller følsomheten til detektoren kan varieres ved passende tider.

Som nevnt blir deteksjonen av en hendelse av interesse brukt til å utløse registrering av data fra antallet avfølgende partier i den distribuerte akustiske sensoren. Data fra hver av de longitudinale avfølingspartiene i den optiske fiberen kan derfor innledningsvis mellomlagres eller bufres. En viss datavarighet kan for eksempel bufres. Størrelsen på bufferlageret bør være stor nok til å registrere data for den tid som er nødvendig for å behandle i det minste utgangen fra én geofon. Bufferlageret kan også være stort nok til å tillate forskjellige ankomsttider for en innfallende seismisk bølge ved et avfølingsparti av fiberen i DAA-sensoren og geofonen. Hvis for eksempel et første avfølingsparti i DAA-sensoren er forholdsvis fjerntliggende fra en geofon, så kan en innfallende seismisk bølge ankomme ved det første avfølingspartiet ved en første tid og kan ankomme ved geofonen ved en annen, forskjellig tid som kan være før eller etter den første tiden avhengig av retningen av ankomsten. Ideelt blir de dataene som svarer til ankomsten av den innfallende seismiske bølgen ved alle påvirkede avfølingspartier i fiberen, registrert. Bufferlageret kan dermed være stort nok til å gi det seismiske signalet tid til å forplante seg til geofonen og for databehandlingen. Når den geofonen som brukes til å utløse datalagring, er plassert langt fra den avfølgende fiberen, kan størrelsen av bufferlageret og tidsvinduet for lagrede data, også være tilstrekkelig til å muliggjøre lagring av forskjellige ankomsttider for signalet av interesse ved geofonen og den avfølende fiberen.

I det tilfellet av ingen seismisk hendelse av interesse blir detektert, kan bufferlageret oppdateres kontinuerlig med nye data idet de eldste dataene i bufferlageret effektivt blir forkastet. Når imidlertid en seismisk hendelse av interesse blir detektert, kan innholdet i bufferlageret skrives inn i et permanent, dvs. ikke-transient datalager. Dette kan omfatte utmating av dataene til et eller annet egnet datalager. Utgangsdataene fra DAA-sensoren kan lagres så lenge hendelsen av interesse fortsetter pluss eventuelt et kort tidsrom etterpå for å gi tid for ankomstforskjeller (selv om den forsinkelsen som er iboende i behandlingen av geofon-signalet kan tilveiebringe tilstrekkelig tid etter hendelsen), eller deteksjonen av en hendelse kan ganske enkelt utløse lagring av en viss datamengde. Innholdet i bufferlageret fra før hendelsen av interesse og som ble detektert av geofonen, kan også lagres. I noen tilfeller kan det være ønskelig å analysere signaler mottatt før en betydelig seismisk hendelse kan være av interesse.

Deteksjon av en hendelse av interesse kan innebære behandling av signalet fra den minst ene geofonen for å detektere et seismisk signal over en viss terskelintensitet og/eller som har en spesiell karakteristikk. Behandlingen av geofon-signalene for å detektere seismiske bølger av interesse vil være velkjent for en fagkyndig på området. Når mer enn én geofon blir brukt, kan fremgangsmåten omfatte behandling av signalene fra hver geofon uavhengig, og/eller signalene fra mer enn én geofon kan analyseres sammen for å detektere hendelser av interesse.

Når det er bare en enkelt geofon, kan deteksjonen av en hendelse forårsake lagring av data fra alle kanalene i DAA-sensoren. Når to eller flere geofoner blir brukt uavhengig til å detektere hendelser av interesse, kan det i én utførelses-form bare være dataene fra de avfølingspartiene som er i nærheten av geofon som detekterer en hendelse av interesse, som blir registrert. Tenk for eksempel at den første optiske fiberen er forholdsvis lang og er anordnet i et hovedsakelig lineært arrangement med første og andre geofoner utplassert ved forskjellige posisjoner langs fiberlengden for effektivt å dele den første optiske fiberen i første, andre og tredje seksjoner. Hvis den første geofonen detekterer en hendelse av interesse, men den andre geofonen ikke gjør dette, kan det indikere at det seis miske signalet er blitt sterkt dempet ved det tidspunktet det når den andre geofonen. Dermed kas det antas at signalet også vil være sterkt dempet for avfølings-partiene av DAA-sensoren i den tredje seksjonen til fiberen, dvs. den delen av av-følingsfiberen som er enda lenger borte fra den første geofonen. Data fra avføl-ingspartiene av fiberen i de første og andre seksjonene kan dermed registreres, men data fra den tredje seksjonen blir forkastet.

Det skal imidlertid bemerkes at for noen signaler kan det seismiske signalet være dempet ved posisjonen til geofonen, men ikke ved andre posisjoner. Selv om signalet er dempet slik at pålitelige hendelsesdeteksjoner ikke er mulige ved hjelp av den andre geofonen, kan også senere signalbehandling av dataene fra den tredje seksjonen av fiberen (hvis de er registrert) tilveiebringe nyttig informasjon fra avfølingspartiene i den tredje seksjonen av fiberen informasjon fra de andre av-følingspartiene i fiberen, hvor det kan gjøres bruk av kunnskapen om at en hendelse av inntruffet og informasjon fra de andre avfølingspartiene kan gi nyttig innfor-masjon fra avfølingspartiene i den tredje seksjonen i fiberen. I noen utførelses-former kan dermed deteksjon av en hendelse av interesse fra en hvilken som helst geofon utløse registrering av data fra alle avfølingspartiene, dvs. kanalene, i DAA-sensoren.

Etter registrering kan dataene behandles ytterligere. Noe signalbehandling kan for eksempel utføres for å redusere ytterligere de langsiktede lagringsbehovene. Alternativt kan i tillegg data fra DAA-sensoren behandles for å utføre signalbehandling for å tilveiebringe hendelsesdeteksjon og/eller katagorisering basert på DAA-dataene. Det skal bemerkes at fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse muliggjør en anordning for å bestemme de delene av DAA-dataene som er av størst interesse for videre analyse. Selv der hvor lagringsbehovene ikke er noe spesielt tema, kan dermed fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse redusere den totale beregningsmessige arbeidsbyrden ved behandling av data fra en DAA-sensor for å analysere hendelser av interesse, sammenlignet med behandling av selve DAA-dataene for å detektere slike hendelser. Fremgangsmåten kan derfor muliggjøre hurtigere analyse av DAA-data uten å kreve betydelige beregningsmessige ressurser.

Generelt vedrører derfor foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for håndtering av data fra en distribuert akustisk sensor som omfatter bruk av data fra én eller flere geofoner til å identifisere relevante data fra en distribuert akustisk avføling for ytterligere analyse, hvor den ene eller de flere geofonene er samlokalisert med en optisk fiber brukt til avføling i den distribuerte akustiske sensoren. Fremgangsmåten ifølge dette aspektet ved oppfinnelsen gir alle de samme fordelene og kan brukes i alle de samme utførelsesformene som i det første aspektet ved oppfinnelsen.

I et annet aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en distribuert akustisk sensoranordning som omfatter: en fiberoptisk avspørringsenhet innrettet for, under bruk, å avspørre en første optisk fiber med avspørringsstråling og analysere stråling som er tilbakespredt inne i den første optiske fiberen, for å bestemme et målesignal for et antall diskrete, langsgående avfølingspartier i den optiske fiberen, og en prosessor som reagerer på et signal fra minst én geofon, hvor prosessoren er innrettet for å analysere signalet fra den minst ene geofonen for å detektere en hendelse av interesse, og når en hendelse av interesse er detektert, å mate ut data som svarer til målesignalene for antallet diskrete, langsgående avfølings-partier til et datalager.

Anordningen ifølge dette aspektet ved oppfinnelsen gir alle de samme fordelene og kan brukes i alle utførelsesformene som er diskutert ovenfor i forbindelse med fremgangsmåten. Den minst ene geofonen kan spesielt omfatte en fiberoptisk geofon slik som en fiber-geofon med Bragg-gitter.

I én utførelsesform kan anordningen være innrettet for, under bruk, å av-spørre en annen optisk fiber som er forbundet med den fiberoptiske geofonen. Den fiberoptiske avspørringsenheten kan omfatte en optisk kilde innrettet for å av-spørre både de første og andre optiske fibrene og kan omfatte en detektor innrettet for å detektere stråling som er tilbakespredt eller reflektert fra både de første og andre optiske fibrene.

I en annen utførelsesform er den minst ene geofonen integrert i den første optiske fiberen, og dermed kan den fiberoptiske avspørringsenheten omfatte en

optisk kilde innrettet for å avspørre den første optiske fiberen for å tilveiebringe en distribuert akustisk avføling og også avspørre den minst ene geofonen. Den fiberoptiske avspørringsenheten kan også omfatte en detektor innrettet for å detektere stråling som er tilbakespredt fra den første optiske fiberen og reflektert fra den fiberoptiske geofonen.

Anordningen kan derfor omfatte en første optisk fiber koblet til den fiberoptiske avspørringsenheten, hvor den første optiske fiberen omfatter minst én geofon.

Anordningen kan omfatte et bufferlager for bufring av data som svarer til målesignalene for antallet diskrete, langsgående avfølingspartier. Prosessoren kan være anordnet slik at når en seismisk hendelse av interesse blir detektert, blir innholdet i bufferlageret matet inn i et permanent datalager.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av et eksempel under henvisning til de etterfølgende tegningene, hvor: Figur 1 illustrerer en fiberoptisk distribuert akustisk sensor brukt til seismisk overvåking ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 2 illustrerer avspørringsenheten i den distribuerte akustiske sensoren mer detaljert; Figur 3 illustrerer en fiberoptisk distribuert akustisk sensor med en integrert fiberoptisk geofon ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 1 illustrerer en første utførelsesform av et seismisk overvåkings-arrangement ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

En avspørringsenhet 101 er fjernbart forbundet med en første optisk avføl-ingsfiber 102 for å tilveiebringe en distribuert akustisk sensor. I dette eksempelet er avfølingsfiberen 102 utplassert for å løpe langs lengden av en observasjons-brønn 103 for å tilveiebringe langsiktig overvåking av et reservoar i nærheten av den operative brønnen 104 som kan være en produksjonsbrønn eller en injek-sjonsbrønn. Andre arrangementer er imidlertid mulige, og fiberen kan i tillegg eller alternativt være i det minste delvis nedgravd nær overflaten av det området som skal overvåkes. Avfølingsfiberen 102 kan være mange kilometer lang og kan i dette eksempelet være minst så lang som dybden av observasjonsbrønnen som kan være minst 1,5 km lang. I denne utførelsesformen kan den seismiske fiberen være en standard, umodifisert optisk enkeltmodus-fiber som rutinemessig blir brukt i telekommunikasjonsanvendelser. Muligheten til å bruke en standard optisk fiber for å tilveiebringe avføling, betyr at en billig, lett tilgjengelig fiber kan brukes. I noen utførelsesformer kan imidlertid fiberen omfatte en fiber som er blitt fremstilt for å være spesielt følsom for innfallende vibrasjoner.

Under drift sender avspørringsenheten 101 elektromagnetisk avspørrings-stråling som for eksempel kan omfatte en rekke optiske pulser med et valgt frek-vensmønster, inn i avfølingsfiberen. De optiske pulsene kan ha et frekvensmøns-ter som beskrevet i GB-patentpublikasjon GB 2442745, hvis innhold herved i sin helhet inkorporeres ved referanse. Legg merke til at uttrykket "optisk" slik det brukes her, ikke er begrenset til det synlige spekteret, og optisk stråling innbefatter infrarød stråling og ultrafiolett stråling. Tilbakespredning resulterer i at en del av lyset som mates inn i fiberen, blir reflektert tilbake til avspørringsenheten hvor det blir detektert for å tilveiebringe et utgangssignal som er representativt for akustiske forstyrrelser i nærheten av fiberen. I én utførelsesform er detektoren innrettet for å detektere stråling som er blitt Rayleigh-tilbakespredt i fiberen, men andre typer distribuerte akustiske sensorer som benytter andre typer tilbakespredning er kjent.

Det vises til fig. 2 hvor avspørringsenheten omfatter minst én laser 201 og minst én optisk modulator 202 for gjentatt å produsere minst to optiske pulser som er atskilt med en kjent optisk frekvensdifferanse. Avspørringsenheten omfatter også minst en fotodetektor 203 anordnet for å detektere stråling som er Rayleigh-tilbakespredt fra intrinsikke spredningssteder inne i fiberen 102.

Signalet fra fotodetektoren 203 blir samplet og behandlet av en prosessor 204. Prosessoren demodulerer hensiktsmessig det returnerte signalet, for eksempel basert på frekvensdifferansen mellom de optiske pulsene. Fasen til det tilbakespredte lyset fra forskjellige seksjoner av den optiske fiberen, kan derfor overvåkes. Alle endringer i den effektive banelengden fra en gitt seksjon av fiberen, slik som kan skyldes innfallende trykkbølger som forårsaker deformasjon av fiberen, kan derfor detekteres.

Formen for den optiske innmatingen og fremgangsmåten for deteksjon gjør det mulig å oppløse en enkelt kontinuerlig fiber rommessig i et antall diskrete, langsgående avfølingspartier. Det vil si at det akustiske signalet som avføles ved et avfølingsparti, kan tilveiebringes hovedsakelig uavhengig av det avfølte signalet ved et tilstøtende parti. En slik sensor kan anses som en fullstendig distribuert eller intrinsikk sensor ettersom den bruker den intrinsikke spredningsprosessen som er iboende i en optisk fiber, og distribuerer dermed avfølingsfunksjonen over hele den optiske fiberen. Den rommessige oppløsningen av avfølingspartiene på den optiske fiberen kan for eksempel være tilnærmet 10 m eller mindre, som for en kontinuerlig lengde av fiberen som er utplassert ned langs hele lengden av en 4 km brønn 103, tilveiebringer rundt 400 uavhengige akustiske kanaler utplassert langs hele lengden av brønnen, noe som kan tilveiebringe effektiv, samtidig overvåking av hele lengden av brønnhullet.

Det vises tilbake til fig. 1 hvor avspørringsenheten 101 derfor kan tilveiebringe langsiktig overvåking av eventuelle seismiske hendelser 105 som inntreffer i nærheten av reservoaret, og kan dermed tilveiebringe langsiktig overvåking av eventuelle endringer som inntreffer over tid. En seismisk hendelse som inntreffer i det området som overvåkes, vil skape seismiske bølger som vil forplante seg gjen-nom de omgivende bergartene og vil falle inn på avfølingsfiberen 102. De seismiske signalene vil forårsake banelengde-forandringer i de forskjellige seksjonene i den optiske fiberen som kan detekteres som fasemodifikasjoner som påvirker de forskjellige avfølingspartiene.

Bruk av en DAA-sensor gir en fordel i forhold til den konvensjonelle geofon-gruppen ettersom betydelig flere datakanaler kan oppnås til en forholdsvis lav pris. Antallet ytterligere datakanaler sammen med de forholdsvis høye datahastighetene for DAA betyr at betydelige mengder med data kan produseres av avspør-ringsenheten 101. Dataene fra langsiktig overvåking blir vanligvis lagret i et datalager 106 for senere analyse, og dermed kan brukes av DAA fortrinnsvis bety at en stor mengde data må lagres, noe som kanskje ikke er gunstig. Spesielt på fjerntliggende og forholdsvis aggressive miljøer.

I henhold til én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er derfor avspør-ringsenheten 101 også i kommunikasjon med geofoner 107. I det eksempelet som er vist på fig. 1, er to geofoner 107 utplassert langs banen til avfølingsfiberen 102. Geofonene 107 overvåker også eventuelle innfallende seismiske signaler. Signalene fra geofonene blir analysert, hensiktsmessig ved hjelp av prosessoren 204 i avspørringsenheten 101, for å detektere eventuelle seismiske hendelser 105 av interesse. En fagkyndig på området vil være oppmerksom på forskjellige måter som signalene fra geofonene 107 kan analyseres på for å detektere seismiske hendelser 105 av interesse. Hvis ingen seismiske hendelser av interesse blir detektert fra geofon-signalene, behøver de dataene som svarer til antallet avfølings-kanaler i den seismiske fiberen 102, ikke å bli lagret. Bare når en seismisk hendelse av interesse blir detektert, blir dataene lagret. Geofonene 107 blir brukt til å detektere hendelsene av interesse ettersom de individuelle geofonene vanligvis er mer følsomme enn et enkelt avfølingsparti i DAA-sensoren. En hendelse av interesse kan dermed lett detekteres ved hjelp av en forholdsvis enkel analyse av geofon-signalet, mens deteksjon av den samme hendelsen av interesse ved av bare dataene fra DAA-sensoren kan innebære kombinasjon av resultatene fra mange avfølingspartier på fiberen og kan innebære betydelig behandling.

Geofonen 107 kan være en hvilken som helst konvensjonell geofon, men ettersom geofon-signalet bare behøver å bli brukt til deteksjon av hendelser av interesse, kan en forholdsvis enkel geofon brukes, og en enkeltkomponent-geofon kan være akseptabel. Geofonene kan følgelig være forholdsvis enkle og dermed billige geofoner. I det eksempelet som er vist på fig. 1, er geofonene 107 fiberoptiske geofoner og blir avspurt ved hjelp av en avspørringsenhet 101 via en annen optisk fiber 108. Som en fagkyndig på området vil være oppmerksom på, er forskjellige fiberoptiske geofoner slik som geofoner basert på fiberoptiske Bragg-gitre kjent. Slike geofoner blir avspurt med stråling og reflektert/tilbakespredt stråling med en karakteristikk, slik som en frekvensforskyvning som avhenger av den deformasjonen som påføres geofonen.

Det vises til fig. 2, hvor forskjellige komponenter i avspørringsenheten 101 derfor kan deles for å tilveiebringe DAA-sensoren som bruker den optiske fiberen 102, og signalene fra geofonene 107 som bruker den optiske fiberen 108. Laseren 201 og modulatoren 202 kan følgelig generere avspørringsstråling for DAA-avfølingsfiberen 102 og også avspørringsstrålingen for den optiske fiberen 108 som er forbundet med geofonen 107. Detektoren 203 kan likeledes detektere stråling tilbakespredt/reflektert fra begge de optiske fibrene. Den forskjellige avspørringsstrålingen kan være tidsdelt eller bølgelengdedelt multiplekset ved hjelp av en multiplekser/demultiplekser 205. Prosessoren 204 behøver da ikke bare å utlede målesignaler for DAA-sensoren, men kan også behandle signalene fra geofonene for å detektere seismiske hendelser av interesse.

Når en seismisk hendelse av interesse blir detektert, kan de dataene som svarer til de flere avfølingspartiene på DAA-sensoren mates ut til datalageret 106 for lagring og/eller nærmere analyse. Ettersom behandlingen av signalene fra geofonene 107 kan ta litt tid og ettersom tiden for ankomst av den seismiske bølgen ved en geofon 107 kan være etter tidspunktet for ankomst av den samme seismiske bølgen ved et avfølingsparti på avfølingsfiberen 102, kan derfor utmatingen av DAA-dataene fra prosessoren 204 lagres midlertidig i databuffer-lageret 206. Størrelsen på databuffer-lageret 206 kan være stor nok til å lagre en tilstrekkelig datamengde fra alle kanalene til å gi tid forbehandling og for den verst tenke-lige ankomsttidsdifferensen, dvs. hvis det seismiske signalet i det verste tilfellet kan ankomme ved et avfølingsparti ved en tid x før ankomst ved en geofon og behandlingstiden for geofonsignalene tar en tid y, lagrer buffere data for en periode som i det minste er lik x + y.

Bufferlageret kan være av skiftlager-typen slik at etter hvert som nye data innføres i lagret, føres de eldste dataene ut fra lageret. I det normale hendelses-forløpet, hvis ingen seismiske hendelser av interesse er blitt detektert, blir data matet ut fra prosessoren til bufferlageret, men ingen data blir matet ut fra bufferlageret. Over tid blir de eldste dataene effektivt forkastet. Hvis imidlertid en seismisk hendelse av interesse blir detektert, blir utmatingen fra bufferlageret matet til datalageret 106. En forutbestemt datamengde, for eksempel svarende til en fast-satt datavarighet, kan lagres, eller innskrivingen til datalageret kan fortsette så lenge en hendelse av interesse blir detektert og en kort tid deretter.

Den utførelsesformen som er beskrevet under henvisning til fig. 1, benytter en separat geofongruppe 107, 108 og en DAA-avfølingsfiber 102. I en annen utførelsesform som er illustrert på fig. 3, kan ene optiske fiberen brukes til å tilveiebringe både DAA-avfølingsfiberen og én eller flere geofoner.

US-patent 7965909 hvis innhold herved inkorporeres ved referanse, beskriver et fiberoptisk overvåkingssystem som omfatter en rekke fiberoptiske punktsensorer slik som geofoner, med suksessive punktsensorer som er forbundet med distribuerte fiberoptiske sensorer. Denne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse benytter et lignende arrangement for å forsyne en DAA-sensor med en integrert fiberoptisk geofon.

Figur 3 viser derfor et lignende arrangement som på fig. 1, hvor tilsvarende elementer er gitt tilsvarende henvisningstall. I dette arrangementet er imidlertid en avspørringsenhet 301 forbundet med en enkelt optisk fiber 302 som innbefatter en integrert fiberoptisk geofon 307. Dette betyr ikke at konvensjonelle telekommuni-kasjonsfibre ikke kan brukes, og en optisk fiber med et fiberoptisk Bragg-gitter er nødvendig, men bare én optisk fiber må utplasseres i området av interesse, og geofonen vil uunngåelig være samlokalisert med DAA-avfølingsfiberen. Avspør-ringsenheten 301 kan effektivt ha de samme komponentene og kan operere på samme måte som beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 2.

Som nevnt ovenfor, ettersom geofonen ganske enkelt kan brukes til å utløse datalagring og/eller analyse av data fra DAA-sensoren, kan forholdsvis enkle geofoner brukes. Geofonene kan dermed implementeres som deler av avfølingsfiberen som oppviser forsterket følsomhet. En fagkyndig på området vil være oppmerksom på et antall måter å forbedre følsomheten til avfølingsfiberen på i visse områder, for eksempel ved å kveile fiberen, ved å bruke faststoff-på-faststoff-kobling og/eller treghetsorganer. Inneslutning av slike deler med fremhevet følsomhet øker prisen på avfølingsfiberen, men bare forholdsvis få slike deler med fremhevet følsomhet er nødvendig, og fiberen kan fremdeles være billigere enn en geofon-gruppe.

Det skal selvfølgelig bemerkes at i noen utførelsesformer kan geofoner av god kvalitet anvendes for å innhente akustiske/seismiske data mens DAA-sensoren tilveiebringer ytterligere informasjon. Én eller flere geofoner kan for eksempel være anordnet i en første posisjon for å innhente data, og én eller flere DAA-sensorer kan være utplassert i andre områder for å innhente signaler. Forut-satt at geofonene og DAA-avfølingsfiberen er i den samme generelle posisjon av interesse, kan geofonen fremdeles brukes til å utløse datainnsamling fra DAA-sensoren.

Figur 3 illustrerer for eksempel at brønnhullet 104 kan være forsynt med en avfølingsfiber 308 som er forbundet med en avspørringsenhet/styringsenhet 309. Geofonen 307 (som kan være en selvstendig geofon som ikke er integrert med eller plassert sammen med avfølingsfiberen 302) kan brukes til å detektere akustiske signaler av interesse. Deteksjon av en hendelse av interesse kan så signaliseres til avspørringsenheten/styringsenheten 309 som så lagrer de løpende data i bufferlageret som beskrevet ovenfor. I dette eksempelet bør størrelsen av bufferlageret og den datamengden som lagres, være tilstrekkelig til å sørge for den maksimalt forventede differanse i ankomsttider for de akustiske/seismiske signalene ved de forskjellige posisjonene.

Claims (32)

1. Fremgangsmåte for seismisk overvåkning, omfattende: å avspørre en første optisk fiber som er utplassert i et område av interesse for å tilveiebringe en distribuert akustisk sensor som består av et antall langsgående avfølingspartier av fiberen; å overvåke minst én geofon utplassert i området av interesse; å analysere signalet fra den minst ene geofonen for å detektere en hendelse av interesse; og å registrere data fra den distribuerte akustiske sensoren som er innsamlet under hendelsen av interesse.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den minst ene geofonen er utplassert på samme sted som i det minste en del av avfølingsfiberen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvor den minst ene geofonen omfatter én enkeltkomponent-geofon.

4. Fremgangsmåte ifølge noen av de foregående krav, hvor den minst ene geofonen omfatter en elektrisk geofon.

5. Fremgangsmåte ifølge noen av kravene 1 til 3, hvor den minst ene geofonen omfatter en fiberoptisk geofon.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvor den fiberoptiske geofonen omfatter en fiberoptisk geofon med Bragg-gitter.

7. Fremgangsmåte ifølge noen av kravene 5 til 6, omfattende avspørring av den minst ene fiberoptiske geofonen via en annen optisk fiber.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, omfattende bruk av en delt avspørringsenhet for å avspørre den første optiske fiberen og den andre optiske fiberen.

9. Fremgangsmåte ifølge noen av kravene 7 eller 8, hvor den andre optiske fiberen er utplassert langs den samme banen som den første optiske fiberen.

10. Fremgangsmåte ifølge noen av de foregående krav, hvor den minst ene geofonen er utplassert på samme sted som en del av den første optiske fiberen.

11. Fremgangsmåte ifølge noen av kravene 1 til 6, hvor den minst ene geofonen er integrert i den første optiske fiberen.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, hvor avspørringen av den første optiske fiberen for å tilveiebringe en distribuert akustisk sensor, også omfatter avspørring av den minst ene fiberoptiske geofonen.

13. Fremgangsmåte ifølge noen av de foregående krav, omfattende å innledningsvis bufferlagre data fra hvert av de langsgående avfølingspartiene av den første optiske fiberen.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, omfattende å bufferlagre en forutbestemt varighet for data.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13 eller 14, hvor, i det tilfelle at ingen seismisk hendelse av interesse blir detektert, bufferlageret blir kontinuerlig oppdatert med nye data mens de eldste dataene i bufferlageret blir forkastet.

16. Fremgangsmåte ifølge noen av kravene 13 til 15, hvor, når en seismisk hendelse av interesse blir detektert, innholdet i bufferlageret blir skrevet inn i et permanent datalager.

17. Fremgangsmåte ifølge noen av de foregående krav, hvor deteksjon av en hendelse av interesse omfatter behandling av signalet fra den minst ene geofonen for å detektere et seismisk signal over en viss terskelintensitet, og/eller som har en spesiell karakteristikk.

18. Fremgangsmåte ifølge noen av de foregående krav, hvor to eller flere geofoner blir brukt uavhengig til å detektere hendelser av interesser, og bare dataene fra disse avfølingspartiene av fiberen i nærheten av geofonen som detekterer en hendelse av interesse, blir registrert.

19. Fremgangsmåte ifølge noen av de foregående krav, videre omfattende behandling av de lagrede dataene for å redusere datalagringsbehovene og/eller for å tilveiebringe hendelsesdeteksjon og/eller kategorisering.

20. Fremgangsmåte for håndtering av data fra en distribuert akustisk sensor som omfatter bruk av data fra én eller flere geofoner for å identifisere relevante data en distribuert akustisk avføling for nærmere analyse, hvor den ene eller de flere geofonene er samlokalisert med en optisk fiber som brukes til avføling i den distribuerte akustiske sensoren.

21. Distribuert akustisk sensoranordning, omfattende: en fiberoptisk avspørringsenhet innrettet for, under bruk, å avspørre en første optisk fiber med avspørringsstråling, og å analysere stråling tilbakespredt innenfra den første optiske fiberen for å bestemme et målesignal for et antall diskrete, langsgående avfølingspartier av den første optiske fiberen, og en prosessor som reagerer på et signal fra den minst ene geofonen, hvor prosessoren er innrettet for å analysere signalet fra den minst ene geofonen for å detektere en hendelse av interesse, og når en hendelse av interesse blir detektert, å mate ut data som svarer til de nevnte målesignalene for antallet diskrete, langsgående avfølingspartier, til et datalager.

22. Anordning ifølge krav 21, hvor den minst ene geofonen omfatter en fiberoptisk geofon.

23. Anordning ifølge krav 22, hvor den fiberoptiske geofonen omfatter en fiberoptisk geofon med Bragg-gitter.

24. Anordning ifølge noen av kravene 22 eller 23, hvor anordningen er innrettet for, under bruk, å avspørre en annen optisk fiber som er forbundet med den fiberoptiske geofonen.

25. Anordning ifølge krav 24, hvor den fiberoptiske avspørringsenheten omfatter en optisk kilde innrettet for å avspørre både de første og de andre optiske fibrene.

26. Anordning ifølge krav 24 eller 25, hvor den fiberoptiske avspørringsenheten omfatter en detektor innrettet for å detektere stråling som er tilbakespredt eller reflektert fra både de første og de andre optiske fibrene.

27. Anordning ifølge noen av kravene 22 eller 23, hvor den minst ene geofonen er integrert i den første optiske fiberen.

28. Anordning ifølge krav 27, hvor den fiberoptiske avspørringsenheten omfatter en optisk kilde innrettet for å avspørre både den første optiske fiberen for å tilveiebringe distribuert akustisk avføling, og å avspørre den minst ene geofonen.

29. Anordning ifølge krav 27 eller 28, hvor den fiberoptiske avspørringsenheten omfatter en detektor innrettet for å detektere stråling som er tilbakespredt fra den første optiske fiberen og reflektert fra den fiberoptiske geofonen.

30. Anordning ifølge noen av kravene 27 til 29, omfattende en første optisk fiber koblet til den fiberoptiske avspørringsenheten, hvor den første optiske fiberen omfatter minst én geofon.

31. Anordning ifølge noen av kravene 21 til 30, omfattende et bufferlager for bufring av data som svarer til målesignalene for antallet diskrete, langsgående avfølingspartier.

32. Anordning ifølge krav 31, hvor prosessoren er innrettet slik at når en seismisk hendelse av interesse blir detektert, blir innholdet i bufferlageret matet inn i et permanent datalager.