Способ морской электроразведки нефтегазовых месторождений и аппаратурный комплекс для его осуществления
Группа изобретений относится к геоэлектроразведке и предназначена для прогнозирования залежей углеводородов при зондировании морского дна при глубинах до 1500 м. Сущность изобретения: перед погружением сверяют часы, установленные на питающем диполе и на донных станциях. Диполь помещают вертикально так, чтобы его верхний конец находился на расстоянии не более 200 метров от поверхности моря, а нижний не более чем в 100 м от морского дна (оптимально 20-30 м от морского дна). Возбуждают диполь знакопеременными импульсами прямоугольной формы. С помощью донных станций регистрируют развертку горизонтальных и вертикальной компонент поля во времени в момент пропускания тока и при его отсутствии. При анализе сигналов учитывают изменение первичных и вторичных полей во времени и определяют данные, характеризующие сопротивление среды и ее поляризационные характеристики. Комплекс включает судно с генератором и блоком формирования возбуждающего поля, которые связаны кабелем с погруженным в воду вертикальным диполем с питающими электродами, блоком регистрации и обработки данных на борту судна. Комплекс включает также комплект донных станций, имеющих горизонтальные и вертикальный электроды и датчики магнитного поля. Диполь и донные станции снабжены часами с возможностью их синхронизации. Технический результат: возможность получения данных об удельном сопротивлении пород и их поляризуемости при разведке глубоководных районов и обеспечение более качественного прогноза. 2 н. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
Область техники
Заявляемая группа изобретений относится к области разведочной геофизики, в частности, к геоэлектроразведке, и предназначена для прогнозирования залежей углеводородов при зондировании морского дна при глубинах до 1500 м.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время для морской разведки залежей углеводородов широко применяются различные методы, связанные с воздействием на морское дно импульсов электромагнитного поля, последующей регистрацией изменений электромагнитных параметров придонных пород и анализом полученных данных для обнаружения имеющихся аномалий и определения их природы. Разведку осуществляют с помощью различных исследовательских комплексов аппаратуры и оборудования (ИК) (пат. РФ № 2236028, 2004; авт. св. СССР № 1122998, 1984; авт. св. СССР № 1798666, 1996; авт. св. СССР № 1434385, 1988; пат. США № 4298840, 1981; пат. США № 4617518, 1986).
Так, известен способ морской электроразведки на дрейфующей льдине с использованием исследовательского комплекса, состоящего из возбуждающих и приемных установок, источника знакопеременных периодических импульсов тока и установки обработки данных (RU 2069375, 1993). Способ заключается в том, что возбуждающую и приемные установки размещают вертикально подо льдом в слое воды. Подачу импульсов проводят источником знакопеременных периодических импульсов тока силой в несколько десятков ампер с помощью ЭРС 72 или иной установки, обработку данных с помощью цифровой электроразведочной станции типа ЦЭС. Профилирование разреза осуществляют с фиксированным расстоянием между точками возбуждения и приема сигналов после воздействия знакопеременным импульсом. Измеряют только вертикальную компоненту электрического поля. Однако данный способ не может быть использован при измерениях в движении судна, т.к. основывается на работе с неподвижным относительно льдины слоем воды. Кроме того, метод неработоспособен при работе на глубине более 200 м и не позволяет измерять параметры поляризации, что позволяет повысить точность и надежность прогноза.
Аналогичный вышеописанному является метод (авт. св. СССР № 150184, 1962), в котором используют вертикальные генераторную и приемную линии, размещенные на разных судах. При этом также измеряют только вертикальную компоненту электрического поля, что снижает надежность прогноза. Кроме того, на точность измерения влияют любые отклонения одной из линий от вертикали, что практически всегда наблюдается при реальном исследовании.
Известны методы, при которых для измерения используют горизонтальные генераторный и приемные диполи (заявка на патент РФ № 2003129550, 2004; пат. РФ № 909646, 1982). На основании проведенных исследований определяют удельное сопротивления пород морского дна и выдают прогноз на наличие залежей углеводородного сырья. Указанные методы разработаны для применения на глубинах не более 150 м и не позволяют выявлять глубоководные месторождения. Кроме того, использование для исследований однополярных генераторных импульсов существенно снижает точность прогноза, не позволяя снять поляризационные характеристики.
Более универсальными и перспективными при разведке с помощью судов являются методы, связанные с использованием для анализа данных как об удельном сопротивлении пород, так и об их поляризации под воздействием электромагнитного поля - метод вызванной поляризации, становления поля и т.п. (пат. РФ № 2236028, 2004; авт. св. СССР № 1122998, 1984; авт. св. СССР № 1798666, 1996; авт. св. СССР № 1434385, 1988; пат. США № 4298840, 1981; пат. США № 4617518, 1986).
При проведении разведки с помощью метода вызванной поляризации (пат. РФ № 2094829, 1993) регистрируют напряженность электромагнитного поля индукционной вызванной поляризации, представляющую собой разность между напряженностью полного поля и напряженностью поля, обусловленного процессом вызванной поляризации. По результатам анализа изменения данного параметра от времени судят о наличии геоэлектрических неоднородностей и их природе.
В типовой ИК, используемый для морской электроразведки, входит судно-носитель аппаратуры, снабженное эхолотом, буксируемые горизонтальный диполь с питающими электродами и приемные электроды. В комплект расположенной на судне аппаратуры входят блоки формирования импульсов, регистрации и анализа полученных данных и вспомогательные устройства, обеспечивающие привязку судна к точке исследований, фиксацию глубины моря и т.п. (пат. РФ № 1819354, 1990).
Недостатком известных способов, основывающихся на исследовании вызванной поляризации и применяемых ИК, являются их практическая непригодность для исследования шельфа при глубине моря более 300 м из-за исчезновения поляризующего воздействия на породы морского дна при использовании используемой техники в связи с экранирующей способностью морской воды.
Наиболее близким к заявляемой группе изобретений по технической сущности и достигаемому эффекту является комплекс морской электроразведки и используемый при этом ИК, получивший условное наименование CSEM ((L.MacGregor, М.Sinha / Geophysical Prospecting, 2000, 48, 1091-1106; Англ. пат № 2402745, 2003), который позволяет производить разведку на глубинах до 3 км.
Сущность данного способа (L.MacGregor, М.Sinha / Geophysical Prospecting, 2000, 48, 1091-1106) состоит в том, что электромагнитные импульсы, формирующие гармонические поля, передаются с горизонтального диполя, погруженного в воду на глубину, близкую к глубине моря в данном месте, а получаемая информация принимается помещенными предварительно на дно донными станциями. Полученные данные сопоставляются с аналогичными данными, полученными из сходного района, где отсутствуют залежи углеводородов и на базе сопоставления делается вывод о перспективности района на углеводородные месторождения.
Для получения указанных данных горизонтальный диполь с моментом около 104 Ам буксируется в районе донных станций на расстоянии примерно 50 м от морского дна. Диполь излучает непрерывный импульсный сигнал электромагнитного поля с частотой 0.25-4 Гц. Т.к. электрическое сопротивление морской воды ниже, чем морского дна, то сигнал в воде быстро затухает, в результате чего при измерении на расстоянии более 500 м от источника излучения донная станция принимает только сигналы, связанные с сопротивлением пород морского дна. В результате приемники донных станций регистрируют две ортогональные компоненты горизонтального электрического поля на расстояние до 15 км от источника. Изучение изменений в амплитуде и фазе полученного сигнала позволяет получить информацию об электрическом сопротивлении пород до глубин 5-7 км.
Используемый при этом ИК (Англ. пат № 2402745, 2003) состоит из судна, на котором расположен генератор, спускаемого аппарата (СА), содержащего блок формирования прямоугольных импульсов и связанного с генератором соединительным кабелем, по которому в СА поступает ток, горизонтальным электрическим диполем длиной около 100 м с дипольным моментом около 104 Ам и донными станциями различного типа.
Недостатками технологии CSEM является возможность получения только ограниченного объема информации о породах морского дна, в частности, невозможность при ее использовании получить данные о поляризационных характеристиках пород в связи с тем, что генерацию осуществляют в непрерывном режиме в виде непрерывного импульсного сигнала, что исключает измерение в паузах между импульсами, что существенно снижает точность прогноза. Кроме того, при использовании горизонтального диполя сложно фиксировать расстояние между диполем и дном по всей длине диполя, что затрудняет расчеты профилей дна.
Таким образом, ни одна из известных технологий не позволяет проводить исследования морского дна на больших глубинах методом электроразведки, позволяющие измерять одновременно как удельное сопротивление осадочных пород, так и параметры вызванной поляризации.
Задачей, стоявшей перед авторами, является разработка способа морской электроразведки и комплекса для ее осуществления, позволяющих при разведке больших глубин получать, наряду с данными об удельном сопротивлении пород, сведения об их поляризуемости, что позволяет повысить точность прогноза.
Указанная задача решалась с использованием технологии, получившей условное наименование «VeSoTEM», основывающейся на установленном авторами теоретическом факте, что в определенных условиях при использовании вертикального диполя вместо горизонтального при испускании знакопеременных импульсов электромагнитного поля удается добиться возникновения поляризации пород морского дна, которая может быть зафиксирована при регистрации горизонтальных и вертикальных компонент электрического поля, и в результате получить дополнительную информацию о его природе.
Технический результат в отношении заявляемого способа состоит в том, перед погружением сверяют часы, установленные на генераторном устройстве и на донных станциях, диполь помещают вертикально так, чтобы его верхний конец находился на расстоянии не более 200 метров от поверхности моря, а нижний не более чем в 100 м от морского дна (оптимально 20-30 м от морского дна), возбуждение поля осуществляют разнополярными периодическими импульсами с паузами между ними, фиксируемыми во времени, с помощью донных станций, способных регистрировать горизонтальные и вертикальные компоненты электромагнитного поля, фиксируют горизонтальные и вертикальные компоненты поля во времени как в момент пропускания тока, так и при его отсутствии, а при анализе сигналов учитывают изменение не только первичных, но и вторичных полей во времени и определяют, наряду с данными, характеризующими сопротивление среды, ее поляризационные характеристики.
Оптимальные результаты достигаются в случае, когда длительность импульсов и пауз в зависимости от стоящих задач и особенностей используемой аппаратуры составляет от 0.5 до 16 с.
Технический результат в отношении устройства достигается за счет того, что исследовательский комплекс для морской электроразведки нефтегазовых месторождений, включающий в себя судно с генератором и блоком формирования возбуждающего поля, связанными кабелем с погруженными в воду диполем с питающими электродами, блоком регистрации и обработки данных на борту судна и вспомогательной аппаратурой, содержит диполь с питающими электродами, расположенный вертикально таким образом, что верхний конец диполя находится на расстоянии не более 200 м от поверхности моря, а нижний конец диполя находится на расстоянии не более 100 м от дна моря, блок формирования возбуждающего поля выполнен с возможностью формирования двуполярных импульсов тока с паузами между ними, а для регистрации сигналов используют комплект донных станций, имеющих горизонтальные и вертикальный электроды и датчики магнитного роля и обеспечивающих фиксацию развертки горизонтальных и вертикальной компонент поля как в момент пропускания тока, так и при его отсутствии, причем диполь и донные станции снабжены часами с возможностью их синхронизации.
Оптимально, чтобы кабель, используемый для питания электродов диполя, включал в себя фрагмент, соединяющий генератор и верхний генераторный электрод диполя, выполненный из коаксиального кабеля.
Блок формирования возбуждающего поля состоит из судового генератора, коммутатора, токосъемника, балластного устройства и устройства измерения тока, причем коммутатор связан с балластным устройством через токосъемник с диполем и через устройство измерения тока с блоком регистрации и обработки данных.
Использование вертикального диполя вместо горизонтального при испускании импульса электромагнитного поля в сочетании с донными станциями, имеющими горизонтальные приемные электроды, позволяет добиться возникновения поляризации пород морского дна, которая может быть зафиксирована при регистрации горизонтальных и вертикальной компонент электрического поля, и в результате получить дополнительную информацию о его природе. При этом применение коаксиального кабеля в линии питания электродов позволяет при изменении положения диполя относительно поверхности воды, вызванного необходимостью сохранения заданного расстояния до дна нижнего электрода при изменении глубины моря, предотвращать намагничивание барабана лебедки, тем самым гарантируя неизменность параметров исходящего сигнала.
В качестве вспомогательных устройств в ИК входят, в частности, блок системы самовсплытия донных станций, балластное устройство, обеспечивающее рассеивание мощности генератора в промежутках между импульсами и представляющее собой пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами, аппаратура для определения места судна, глубины моря и т.п.
В качестве донных станций используются типовые электрические или электромагнитные донные станции, имеющие горизонтальный и вертикальный приемные электроды, позволяющие производить регистрацию горизонтальной и вертикальной компонент электромагнитного поля с необходимой точностью. Станции располагают по традиционной схеме таким образом, чтобы не менее трех станций находились в области возможного месторождения, а часть станции находилась за его пределами. Использование нескольких донных станций позволяет дифференцировать отклик с различных глубин и на базе математического моделирования выявить аномалии удельного электрического сопротивления и параметров ВП и, в совокупности с данными других геофизических методов (например, сейсморазведки), сделать вывод о наличии в разрезе углеводородов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 - схема блока формирования возбуждающего поля, на фиг.2 приведена общая схема ИК, на фиг.3 и 4 приведены результаты расчета электрических полей, регистрируемых донными станциями при возбуждении среды ГЭД и ВЭД (сплошные линии модель с залежью и измененными породами, пунктир - фон), на фиг.5 проиллюстрировано изменение сигналов в том случае, если нижний электрод диполя отдаляется от дна.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - блок формирования возбуждающего поля (БФП), состоящий из судового генератора 2, коммутатора 3, генераторной линии 4, расположенной на лебедке 5 с токосъемником 6, балластного устройства 7, модуля измерения давления и мини-эхолота 8, процессора для обработки сигналов и управления 9, приемоиндикатора GPS 10, устройства измерения тока 11 и судового эхолота 12.
Кроме того, в ИК входят акустический блок системы самовсплытия донных станций 13, комплект донных электромагнитных станций 14 и процессор обработки данных с донных станций 15.
Генераторная линия состоит из верхней части 18 с двумя концентрическими силовыми обмотками к внешней, из которых подсоединен верхний электрод 16, а к внутренней генераторный диполь 19 с нижнем питающим электродом 17.
Донные станции 14 снабжены горизонтальными приемными электродами 20, расположенными на выносных «удочках» 21, индукционными преобразователями магнитного поля 22, акустическими размыкателями 23 и грузами 24 для удержания станций на дне в процессе работ.
Лучший вариант осуществления изобретения
Представленный на чертежах ИК состоял из судна 1 с генератором 2, к которому последовательно подсоединены БФП 3, коммутатор 19, токосъемник 20 и генераторная линия 5, снабженная балластным устройством 11 в блоке с модулем измерения давления и эхолотом, а также комплект донных станций 13. Генераторная линия 5 с помощью лебедки 21 погружается в воду таким образом, чтобы нижний питающий электрод 7 находился на расстоянии 10-30 м, но не более 100 м от дна.
Исследовательский комплекс «VeSoTEM» работает следующим образом. При выходе судна 1 в точку начала профиля перед постановкой донных станций производится синхронизация часов генераторной линии 4 и донных станций 14 по эталонным сигналам (например, сигналу PPS системы GPS). Донные станции 14 устанавливаются вдоль профиля измерений в заданных точках таким образом, чтобы не менее трех станций находились в области возможного месторождения, а часть станций находилась за его пределами.
После постановки станций 14 судно выходит в точку, расположенную на расстоянии не менее глубины моря от начала профиля, генераторную линию 4 опускают вертикально, чтобы нижний питающий электрод 17 находился на расстоянии не более 100 м от дна, что контролируется по показанию мини-эхолота модуля 8. Далее запускается БФП 1, который формирует двуполярные импульсы с паузами, оказывающие поляризующее действие на породы морского дна. Длительность импульсов и пауз составляет от 0.5 до 16 с в зависимости от стоящих задач и особенностей используемой аппаратуры. В паузах к судовому генератору 2 подключается неизлучающее балластное устройство 7, что снижает броски тока нагрузки. Устройство измерения тока 11 осуществляет измерение тока в диполе 19 с заданной программным путем дискретностью как во время импульса, так и в паузе между импульсами с фиксацией времени начала и конца каждого импульса. В процессе формирования возбуждающего поля судно позиционируется в заданной точке по сигналам GPS в течение не менее 10 минут. При этом донные станции 14 осуществляют регистрацию сигнала с той же дискретностью, что и в БФП 1, как во время импульса, так и в паузе между импульсами.
Далее судно переходит в следующую заданную точку, где процесс повторяется. После прохождения всего профиля выключается БФП 1, генераторную линию 4 поднимают на борт и дается команда на блок системы самовсплытия донных станций 13 на последовательное всплытие донных станций 14. После подъема донных станций осуществляют измерение величины взаимного рассогласования часов донных станций и генераторной линии 4. Полученная невязка равномерно распределяется по всему периоду измерения. Измеренные в моменты токовых импульсов и пауз сигналы с донных станций 14 переписываются в процессор обработки данных с донных станций 15 для дальнейшей обработки и интерпретации.
Для оценки перспективности способа проводилось математическое моделирование. Глубина моря 1000 м, длина горизонтального электрического диполя (ГЭП), буксируемого в 50 м от дна 500 м и вертикального диполя (ВЭД) 1000 м. Модель среды, имитирующая морское месторождение углеводородов, используемая для теоретических расчетов, состоит из 5-ти слоев. Параметры каждого слоя модели задавались согласно формуле Cole-Cole:
где ρω - удельное электрическое сопротивление на частоте ω, η - поляризуемость, τ - постоянная времени и с - показатель степени, j - номер слоя. Параметры слоев приведены в таблице.
| Номер слоя | Параметры | ||||
| ρ, Омм | η, % | τ, с | с | h (мощность, м) | |
| 1 | 0.3 | 0 | - | - | 1000 |
| 2 | 1 | 0.5 | 0.1 | 0.5 | 100 |
| 3 | 1 | 5 | 1 | 0.5 | 1900 |
| 4 | 50 | 0 | - | - | 100 |
| 5 | 1 | 0.5 | 0.1 | 0.5 | 100 |
На фиг.3 и 4 приведены результаты расчета электрических полей, регистрируемых донными станциями при возбуждении среды ГЭД и ВЭД (сплошные линии модель с залежью и измененными породами, пунктир - фон).
Как видно из приведенных данных, при измерении горизонтальных компонент, электрического поля при использовании ГЭД при данной глубине моря отличия в сигналах при наличии углеводородов и их отсутствии практически не существует, в то время как при использовании ВЭД отличия в поздней стадии процесса становления (t>0.5 с) весьма существенны и могут быть зарегистрированы посредством донных станций.
На фиг.5 проиллюстрировано изменение сигналов в том случае, если нижний электрод диполя отдаляется от дна (t=1 с). Из приведенного графика следует, что при удалении нижнего электрода от дна сигналы меняются весьма значительно и поэтому следует удерживать его на расстоянии не более чем 100 м.
Приведенные выше результаты показали возможность получения поляризационных характеристик пород при использовании заявляемого исследовательского комплекса и его перспективность для разведки месторождений углеводородов в глубоководных районах с целью осуществлять более качественный прогноз на наличие углеводородов под морским дном в районе поиска.
Промышленная применимость
Приведенные выше результаты показали возможность получения поляризационных характеристик пород при использовании заявляемого исследовательского комплекса и его перспективность для разведки месторождений углеводородов в глубоководных районах с целью осуществлять более качественный прогноз на их наличие под морским дном в районе поиска
Использование заявляемой технологи, в совокупности с данными других геофизических методов, позволяет повысить надежность определения наличия в разрезе УВ и тем самым повысить коэффициент успешности разведочного бурения.
1. Способ морской электроразведки нефтегазовых месторождений, включающий в себя размещение донных станций в зоне исследования, возбуждение электромагнитного поля с помощью диполя, помещенного в зону расположения станций, регистрацию сигналов принимающими электродами донных станций, снятие со станций полученной информации об электрическом сопротивлении пород морского дна, моделирование профиля этих пород и составление прогноза о наличии месторождений углеводородов, отличающийся тем, что перед погружением сверяют часы, установленные на диполе и на донных станциях, диполь помещают вертикально так, чтобы его верхний конец находился на расстоянии не более 200 м от поверхности моря, а нижний не более чем в 100 м от морского дна, возбуждение поля осуществляют разнополярными периодическими импульсами с паузами между ними, фиксируемыми во времени, с помощью донных станций, способных регистрировать горизонтальные и вертикальную компоненты электромагнитного поля, фиксируют развертку горизонтальных и вертикальной компонент поля во времени как в момент пропускания тока, так и при его отсутствии, а при анализе сигналов учитывают изменение не только первичных, но и вторичных полей во времени и определяют, наряду с данными, характеризующими сопротивление среды, ее поляризационные характеристики.
2. Исследовательский комплекс для морской электроразведки нефтегазовых месторождений, включающий в себя судно с генератором и блоком формирования возбуждающего поля, связанными кабелем с погруженными в воду диполем с питающими электродами, блоком регистрации и обработки данных на борту судна и вспомогательной аппаратурой, отличающийся тем, что диполь с питающими электродами расположен вертикально таким образом, что верхний конец диполя находится на расстоянии не более 200 м от поверхности моря, а нижний конец диполя находится на расстоянии не более 100 м от дна моря, блок формирования возбуждающего поля выполнен с возможностью формирования двуполярных импульсов тока с паузами между ними, а для регистрации сигналов используют комплект донных станций, имеющих горизонтальные и вертикальный электроды и датчики магнитного поля и обеспечивающих фиксацию развертки горизонтальных и вертикальной компонент поля как в момент пропускания тока, так и при его отсутствии, причем диполь и донные станции снабжены часами с возможностью их синхронизации.
3. Исследовательский комплекс по п.2, отличающийся тем, что кабель, используемый для питания электродов диполя, включает в себя фрагмент, соединяющий генератор и верхний питательный электрод диполя, выполненный из коаксиального кабеля.
