JP4744055B2 - いくつかの振動地震源を同時に使用して地下ゾーンの地震監視を行うようになされた方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、いくつかの地震振動子を同時に使用することを含む、貯蔵所などの地下ゾーンの地震監視を行う方法および装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
地中で地震波を放出する衝撃地震源または地震振動子と、地表または井戸に配置され監視すべき構造に結合された地震ピックアップを有する受信装置とを有する地震システムにより、貯蔵所、すなわち、炭化水素貯蔵所またはガス貯蔵用の貯蔵所の建設時にその長期的な状態の変動を監視することが公知である。地震波を放出し、下層土の不連続性によって反射された地震波を受信し、地震震動図を記録し、貯蔵所を建設することによってその貯蔵所に起こる変化を比較によって判定することにより、所定の時間間隔で地震調査が行われる。
【０００３】
たとえば、ヨーロッパ特許第５９０１３７号（米国特許第５４６１５９４号）や、フランス特許第２５９３２９２号（米国特許第４７７５００９号）や、フランス特許第２７２８９７３号（米国特許第５７２４３１１号）や、フランス特許第２７７５３４９号に様々な長期地震監視システムが記載されている。
【０００４】
フランス特許第２７２８９７３号およびフランス特許第２７７５３４９号は、地下ゾーン、たとえば、炭化水素貯蔵所やガス貯蔵所の建設時にその地震監視を行うようになされたシステムについて特に説明している。図１から３に概略的に示すように、これらのシステムは、たとえば、地面に掘削された井戸３に沿って一定の間隔で配置された一連の地震ピックアップ４の各々で構成された地震アンテナ２のネットワークを有している。このネットワークは、図２に示すように規則的なネットワークでも、あるいは不規則なネットワークでもよい。ピックアップは、垂直に向けられた１方向地中聴音器または多軸地中聴音器（トライホン）および／またはハイドロホンでよい。各アンテナ２の近傍に地震源５が配置されている。本出願人の連名で出願されたフランス特許出願第９９／０４００１号に記載されたような圧電型振動子は、地震源として使用され、各アンテナ２のすぐ隣りに永久的に設置されるので有利である。
【０００５】
各地震源５によって生成された地震波は下向きに伝搬する（下降波９）。これらの入射波はまず、各井戸３内の受信機４によって記録される。ゾーン（地震界面）の不連続性によって反射された地震波は上向きに伝搬する。これらの上昇波１０も様々な受信機４によって記録される。したがって、上昇波と下降波は地震記象上で重ね合せられる。これらの地震波は通常、当業者に公知のＶＳＰ（垂直地震プロファイル）処理方法と同様な方法によって処理される。
【０００６】
調査されるゾーンから反射された地震波を受信する十分な時間間隔を各トリガ間に与えることによって、地震システムの様々な地震源を連続的に作動させることができる。放出されるパワーを増大させるには、同じ信号を放出するいくつかの地震源を使用して同時にトリガすることができる。
【０００７】
フランス特許第２５８９５８７号（米国特許第４７８０８５６号）も、１つの振動子によって地震波を放出するか、あるいは擬似ランダムコードに従ってコード化された振動信号によって制御されるいくつかの振動子により同時に地震波を放出することを含む。
【０００８】
（発明の概要）
本発明による方法では、地下構造の地震監視を行う動作を実行することができる。この方法は、
−複合振動信号１を形成するように直交信号を同時に放出し、かつ該直交信号によって制御される少なくとも２つの振動子を構造に結合することによって構造内で地震波を放出することと、
−地震波が放出されたことに応答して構造から反射された信号を受信することと、
−少なくとも１つの地震ピックアップによって受信された信号を記録することと、
−複合振動信号に対する振動子のそれぞれの寄与を判別し、各振動子を別々に作動させることによって得られる地震震動図と同等な地震震動図を再構成することを含む、記録された信号を処理することによって地震震動図を形成すること、とを含む。
【０００９】
直交信号として、たとえば、基本成分およびそれぞれの調波における様々な周波数のシヌソイド信号、またはウェーブレット、ルジャンドル多項式などが使用される。
【００１０】
特に、放出される直交信号がシヌソイドである場合、振動子のそれぞれの寄与の判別が、たとえば、各振動子に加えられるパイロット信号の基本周波数での複合振動信号の振幅および位相を判定することによって行われる。
【００１１】
各振動子のそれぞれの寄与の判別は、たとえば、記録された信号をベル重み付け（またはテーパリング）係数で重み付けし、複合振動信号の振幅および位相を判定することを含む。
【００１２】
各振動子のそれぞれの寄与を判別するために、たとえば、それぞれが様々な重み付き信号に関連する複素スペクトルの線のフーリエ変換による選択が行われる。
【００１３】
様々な振動子に特定的に対応する地震震動図の再構成は、たとえば、それぞれが様々な重み付き信号に関連するスペクトル線に逆フーリエ変換を適用することによって行われる。
【００１４】
実施態様によれば、それぞれが様々な振動子に加えられる直交パイロット信号の周波数が、ある放出周波数帯域を掃引するように所定の時間間隔で周波数間隔ごとにシフトされる。
【００１５】
本発明による地下構造の地震監視を行うシステムは、少なくとも２つの地震振動子を有する構造内で地震振動を放出できるようにする手段と、直交信号を生成し、構造内で複合振動信号を生成するように直交信号をそれぞれ振動子に加える手段と、地震波が放出されたことに応答して構造から反射された信号を受信できるようにする手段と、受信手段によって受信された信号を記録する手段と、複合振動信号に対する各振動子のそれぞれの寄与の判別と、各振動子を別々に作動させることによって得られる地震震動図と同等な地震震動図の再構成とを実行するのに適した少なくとも１つのコンピュータを有する、地震震動図を形成するように記録された信号を処理する手段とを有している。
【００１６】
第１の実施態様によれば、このシステムは、互いに距離を置いて配置され、かつ構造に結合されており、各ユニットが、少なくとも１つの地震ピックアップ、地震振動子、および受信された信号を得て処理するようになされたローカル装置を有する少なくとも２つのローカルユニットと、直交振動パイロット信号を各振動子に加えるようになされた生成装置を有する、様々なユニットに接続された中央制御同期ユニットとを有している。
【００１７】
他の実施態様によれば、このシステムは、互いに距離を置いて配置され、かつ構造に結合されており、各ユニットが、少なくとも１つのピックアップおよび地震振動子を有する、少なくとも２つのローカルユニットと、有形リンク（たとえば、ケーブル）または無形リンク（無線）によって様々なローカルユニットに接続されており、様々な直交振動パイロット信号を形成するのに適した信号生成装置を有する中央制御同期ユニットと、様々なアンテナによって受信された信号を得て、様々な振動子の寄与に対応する地震震動図を再構成するようになされた手段とを有している。
【００１８】
受信手段は、たとえば、構造に掘削された井戸に沿って配置された、いくつかの地震ピックアップで構成され、記録手段に接続された少なくとも１つのアンテナを有している。
【００１９】
本発明による方法およびシステムの他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、非制限的な例についての以下の説明を読むことによって明らかになろう。
【００２０】
（詳細な説明）
したがって、この方法では、一連の地震ピックアップと、受信され記録された信号で形成された地震震動図上の各信号源の寄与を判別することができるように選択された様々な周波数の信号によって同時に作動させられる複数の振動子とを使用することによって、地下ゾーンにおける地震監視動作を実行することができる。これは、一般に、当業者に公知の直交関数と呼ばれる関数を表す《直交》信号によって様々な地震源を制御し、かつ以下の表記によって以下に説明するように、得られた地震震動図に対する様々な振動子の寄与を分離する逆フーリエ変換など公知の数値計算技法を使用することによって行われる。
・たたみ込み ＊・相関 ★・放出長 ｔ_s （秒）
・聴音周期 ｔ_e （秒）
・抽出間隔 ｔ_i （秒）
・初期周波数 ｆ_b （ヘルツ）
・最終周波数 ｆ_f （ヘルツ）
・基本周波数 ｆ_i＝１／ｔ_e （ヘルツ）
・線幅 ｆ_d （ヘルツ）
Ａ−直交関数 点Ｘ₁およびＸ₂（図６）に位置する２つの地震源Ｓ₁およびＳ₂により、１／ｆ₁および１／ｆ₂と比べて大きな値を有する持続時間ｔ_sにわたって放出される、それぞれの周波数ｆ₁およびｆ₂の２ユニットシヌソイド信号Ｐ₁およびＰ₂を検討する。
Ｐ₁ ＝ ｓｉｎ２πｆ₁ｔＰ₂ ＝ ｓｉｎ２πｆ₂ｔ 単独で地震波を放出した地震源Ｓ₁から受信点Ｒで受信される信号の記録される地震震動図はＴ₁＝Ａ₁ｓｉｎ（２πｆ₁ｔ−Φ₁）であり、この場合、Φ₁は位相遅れである。
【００２１】
同様に、単独で地震波を放出したＳ₂から同じ点Ｒで観測される地震震動図はＴ₂＝Ａ₂ｓｉｎ（２πｆ₂ｔ−Φ₂）であり、この場合、Φ₂も位相遅れである。
【００２２】
Ｓ₁とＳ₂が地震波を同時に放出した場合、地震波の伝達が線形であることは、Ｒで受信される地震波の地震震動図がＴ₁とＴ₂の和であることを意味する。
【００２３】
さらに、ｆ₁≠ｆ₂である場合、
Ｐ₂★Ｐ₁＝０ （Ａ）、
Ｔ★Ｐ₁＝Ｔ₁★Ｐ₁ （Ｂ）、および
Ｔ★Ｐ₂＝Ｔ₂★Ｐ₂ （Ｃ）である。
【００２４】
数式（Ａ）は信号Ｐ₁およびＰ₂の直交性を表し、数式（Ｂ）および（Ｃ）は、成分信号Ｔをその２つの成分に分離する可能性を表す。この特性は、理論的には、様々な周波数のシヌソイド、より厳密には直交信号を放出する任意の数の地震源に適用されるが、実際には、以下の現象のために地震源の数を制限する必要がある。
【００２５】
ａ）機械的地震源を用いた場合に無視できない歪み。地震源Ｓ₁は、歪みが周波数ｆ₁を放出する際、周波数２ｆ₁、３ｆ₁…ｎｆ₁も放出する。したがって、ｆ_iおよびｆ_jが地震源の配列における２つの地震源Ｓ_iおよびＳ_jのそれぞれの周波数である場合、ｆ_i≠ｆ_jであると共に、ｆ_i≠２ｆ_j、ｆ_i≠３ｆ_j…ｆ_i≠ｎｆ_jでなければならない。
【００２７】
ｃ）地震源の安定性と放出される周波数の精度に影響を与える、地震源の不完全さ。実際、この不完全さによって線幅が単純に増大するとみなすことができる。
【００２８】
最も簡単な直交関数は、様々な周波数のシヌソイドである。他の直交関数、たとえば、ルジャンドル多項式、ウェーブレット、乱数級数などに基づく関数を使用することもできる。
Ｂ−フーリエ変換の可逆性 周波数ｆ_i、振幅Ａ_i、および位相Φ_iのシヌソイドＴ_iを放出するのではなく、Ｎ個のシヌソイド｛ｆ_i、Ａ_i、Φ_i｝（１≦ｉ≦Ｎ）の和で構成された複合信号Ｐ_tを放出し、すべての周波数が、２つの限界周波数ｆ_bおよびｆ_f間に含まれるスペクトル帯に含まれる場合、点Ｒで観測される地震震動図Ｔ_tは、周波数ｆ_iでのフーリエ変換として、シヌソイドＴ_iの振幅および位相と等しい振幅Ａ_iおよび位相Φ_iを有する。したがって、周波数ｆ_bからｆ_fのすべてのシヌソイドを連続的に放出することにより、逆フーリエ変換によって地震震動図Ｔ_tを再構成することが可能である。
【００２９】
たとえば、すべての振幅Ａ_iが１に等しく、すべての位相Φ_iが０である場合、得られる信号Ｐ_tは、振動地震法で一般に使用される、［ｆ_b−ｆ_f］範囲（掃引）に含まれるすべり周波数信号を相関付けすることによって得られる信号に非常に近い。当業者に公知の離散フーリエ変換理論によれば、時間ｔ_e中に地震源Ｓ₁を聴音する必要がある場合、各シヌソイド間の周波数増分はΔｆ＝１／ｔ_eであり、必要なシヌソイドの数はＮ_f＝（ｆ_f−ｆ_b）ｔ_eである。
【００３０】
したがって、現場に設置されるＮ個の振動子は、様々な振動子によって同時に放出されるシヌソイドのそれぞれの周波数がすべて異なるという条件で、各地震源が任意の時点に上記のＮ_f個のシヌソイドのそれぞれによって連続的に励起されるような周波数を有する振動信号によって同時に励起することができる。したがって、様々な信号が同時に放出されたことに応答して、現場でピックアップによって受信された信号の分離は、適切な周波数のスペクトル線を選択することによって行われる。
【００３１】
図５は、この方法の様々な段階を概略的に示している。それぞれの周波数ａｆ₀、ｂｆ₀、ｃｆ₀、ｄｆ₀などの正弦パイロット信号１１は、現場に設置された様々な地震源５に同時に加えられ、係数ａ、ｂ、ｃ、ｄなどとして、これらの周波数が互いに異なると共に、それぞれの調波とも異なるような係数が選択される。これらの周波数は、基本周波数ｆ₀の全倍数である。
【００３２】
様々なアンテナ４のピックアップによって受信された地震波を記録することによって得られる地震震動図１２は、地震源５を順次励起することによって得られた地震震動図を線形に組み合わせたものである。
【００３３】
記録された信号は次に、テーパリング係数１３と呼ばれるベル重み付け係数を乗じてテーパ信号または重み付き信号１４を形成することによって重み付けされる。次に、テーパ信号のフーリエ変換の実部１５および虚部１６が算出される。各部は、互いに別々のインパルスから成っている。各地震源５について、次に、地震源から放出された周波数でのフーリエ変換の複素値を形成する実部１７および虚部１８のみが維持される。
【００３４】
プログラムされたすべての周波数を地震源が放出する際の様々な数１７および１８の組は、地震源に関連する地震震動図２１の実数１９および虚数２０を形成する。この地震震動図は逆フーリエ変換によって得られる。
【００３５】
この方法の実施形態の第１の例によれば、システムは、ケーブル（不図示）によって接続された各アンテナ２とローカル獲得処理装置６（図１、２）とを有する複数のローカルユニットＬＵを有し、様々な振動子は、たとえば、様々な振動子５に対して上記で定義された直交パイロット信号を生成するようになされた信号生成装置（不図示）を有する中央制御同期ユニット８に、ケーブルＣによって接続される。
【００３６】
他の実施形態（図４）によれば、様々な受信アンテナ２は、たとえば、様々な地震源５に対する複合信号を生成し、ピックアップ４によって受信された信号を得て記録すると共に、得られた信号を処理するタスクを行う中央制御同期ユニット８に、ケーブルＣによって接続される。
【００３７】
もちろん、ケーブルＣは一般に、任意の有形または無形のリンク（無線リンク、光ファイバなど）で置き換えることができる。
【００３８】
ローカル獲得処理装置６および／または中央制御同期ユニット８は、説明において定義された様々な振動子５の特定の寄与に対応する地震震動図を分離し再構成するようになされた処理を実行するようにプログラムされたＰＣなどのコンピュータを有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 いくつかの信号放出獲得ユニットを有する、地下構造を監視するシステムを概略的に示す図である。
【図２】 監視装置の地表での分布の例を示す図である。
【図３】 アンテナを形成するように配置された地震ピックアップを有する信号放出獲得ユニットを概略的に示す図である。
【図４】 地震信号獲得手段が中央ステーションに集中された図１の監視システムの変形形態を示す図である。
【図５】 この方法を実施するアルゴリズムの様々な段階を示す図である。
【図６】 ２つの放出点Ｘ１およびＸ２と共通の受信点との間の地震波の経路を概略的に示す図である。

Claims (12)

1. 地下構造（１）の地震監視を行う方法であって、前記構造内で地震波を放出することと、地震波が放出されたことに応答して前記構造から反射された信号を受信することと、少なくとも１つの地震ピックアップ（４）によって受信された信号を記録することと、記録された信号を処理することによって地震震動図を形成することとを含む、地下構造の地震監視を行う方法において、
   −複合振動信号を形成するように、基本成分およびそれぞれの調波における様々な周波数のシヌソイドで構成された直交信号を同時に放出し、かつ前記直交信号によって制御される少なくとも２つの振動子（５）を前記構造に結合することによって放出が行われることと、
   −処理は、前記複合振動信号に対する前記振動子のそれぞれの寄与を判別し、前記振動子を別々に作動させることによって得られる地震震動図と同等な地震震動図を再構成すること、
   を含むことを特徴とする、地下構造の地震監視を行う方法。
2. ウェーブレット、またはルジャンドル多項式に基づく直交信号が放出される、請求項１に記載の、地下構造の地震監視を行う方法。
3. 前記振動子のそれぞれの寄与の判別は、前記振動子に加えられるパイロット信号の基本周波数での前記複合振動信号の振幅および位相を判定することによって行われる、請求項１または２に記載の、地下構造の地震監視を行う方法。
4. 前記振動子（５）のそれぞれの寄与の判別は、前記記録された信号をベル重み付け係数（１３）で重み付けし、前記複合振動信号の振幅および位相を判定することを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の、地下構造の地震監視を行う方法。
5. 前記振動子のそれぞれの寄与の判別は、それぞれが様々な重み付き信号に関連する複素スペクトルの線（１５〜１８）のフーリエ変換による選択を含む、請求項４に記載の、地下構造の地震監視を行う方法。
6. 様々な振動子に特定的に対応する前記地震震動図の再構成は、前記地震震動図を分離した後で、それぞれが様々な重み付き信号に関連するスペクトル線（１９、２０）に逆フーリエ変換を適用することによって行われる、請求項１から５のいずれか一項に記載の、地下構造の地震監視を行う方法。
7. それぞれが様々な振動子に加えられる直交パイロット信号の周波数は、ある放出周波数帯域［ｆ_b−ｆ_f］を掃引するように所定の時間間隔で周波数間隔ごとにシフトされる、請求項１から６のいずれか一項に記載の、地下構造の地震監視を行う方法。
8. 地下構造の地震監視を行うシステムであって、前記構造内で地震振動を放出できるようにする放出手段と、地震波が放出されたことに応答して前記構造から反射された信号を受信できるようにする信号受信手段と、該信号受信手段によって受信された信号を記録する記録手段と、地震震動図を形成するように記録された信号を処理する処理手段とを備える、地下構造の地震監視を行うシステムにおいて、
   −前記放出手段は、少なくとも２つの振動子（５）と、基本成分およびそれぞれの調波における様々な周波数のシヌソイド゛で構成された直交信号を生成し、前記構造において複合振動信号を生成するように前記直交信号をそれぞれ振動子（５）に加える手段（８）と、を備え、
   −前記処理手段は、前記複合振動信号に対する前記振動子のそれぞれの寄与を判別し、前記振動子を別々に作動させることによって得られる地震震動図と同等な地震震動図を再構成することを実行するのに適した少なくとも１つのコンピュータ（６）を備える、
   地下構造の地震監視を行うシステム。
9. 互いに距離を置いて配置され、かつ前記構造に結合されており、各ユニットが、少なくとも１つの地震ピックアップ（４）と地震振動子（５）と前記受信された信号を得て処理するようになされたローカル装置（６）とを有する複数のローカルユニット（ＬＵ）と、直交振動パイロット信号を振動子（５）に加えるのに適した信号生成装置を有する、様々な前記ローカルユニットに接続された中央制御同期ユニット（８）とを有する、請求項８に記載の、地下構造の地震監視を行うシステム。
10. 前記中央制御同期ユニット（８）は、有形リンクまたは電磁リンクによって様々な前記ローカルユニットに接続されている、請求項９に記載の、地下構造の地震監視を行うシステム。
11. 互いに距離を置いて配置され、かつ前記構造に結合されており、各ユニットが、少なくとも１つの地震ピックアップおよび地震振動子（５）を有する複数のローカルユニット（ＬＵ）と、前記直交振動パイロット信号を形成するのに適した信号生成装置を有する、様々な前記ローカルユニット（ＬＵ）に接続された中央制御同期ユニット（８）と、様々な前記アンテナによって受信された信号を得て、様々な前記振動子（５）の寄与に対応する地震震動図を再構成するようになされた手段とを有する、請求項９または１０に記載の、地下構造の地震監視を行うシステム。
12. 信号受信手段は、前記構造に掘削された井戸（３）に沿って配置された、いくつかの地震ピックアップ（４）で構成され、記録手段に接続された少なくとも１つのアンテナ（２）を有する、請求項１０または１１に記載の、地下構造の地震監視を行うシステム。

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