АНАЛИЗ ПОВТОРНЫХ СЪЕМОК ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ
RESURVEY ANALYSIS BASED ON ELECTROMAGNETIC EXPLORATION DATA

Эта заявка на изобретение испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №60/797,560 с датой подачи 4 мая 2006 г.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится, в общем, к области техники геофизической разведки и, в частности, к способам электромагнитной разведки с управляемым источником, как правило, в морской среде, в которых управляемый электромагнитный передатчик буксируют над или размещают между приемниками, регистрирующими электромагнитное поле, которые расположены на морском дне, для задач разведки на залежи углеводородов, освоения этих месторождений и добычи углеводородов. В частности, в настоящем изобретении предложен способ определения разности между удельным электрическим сопротивлением подземного пласта-коллектора в начальный момент времени и его удельным электрическим сопротивлением в один или в большее количество более поздних моментов времени, и связывания этой разности с добычей углеводородов из пласта-коллектора в течение промежуточного периода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение направлено на решение проблемы определения трехмерного (3D) распределения углеводородных флюидов внутри подземного пласта-коллектора, который часто расположен под водным объектом, например под дном моря, в течение промежутка времени (или промежутков времени) добычи углеводородов из этого пласта-коллектора. Применение методов сейсморазведки для решения этой проблемы именуют методами повторных съемок или четырехмерными (4D) методами. Критичным моментом для экономичной добычи углеводородов (газа, газоконденсата и нефти) из пластов-коллекторов является наличие точных сведений о распределении нефтегазонасыщенности в пористых породах, образующих пласт-коллектор. По мере добычи углеводородов из пласта-коллектора происходит неравномерное уменьшение нефтегазонасыщенности и увеличение водонасыщенности внутри пласта-коллектора. Несмотря на то, что для четырехмерных (4D) применений были разработаны способы сейсмического контроля пластовых флюидов, такие способы являются дорогостоящими и часто являются неэффективными вследствие относительно низкой чувствительности сейсмического отклика к изменениям нефтегазонасыщенности. Утверждение о наличии такой низкой чувствительности особенно справедливо для нефтяных коллекторов, поскольку акустические свойства большинства видов нефти являются очень сходными с акустическими свойствами пластовых вод в пласте-коллекторе, и, следовательно, изменения нефтенасыщенности не отражаются в сейсмическом отклике.
В данной области техники известны и другие способы оценки свойств пластового флюида. Данные об удельном сопротивлении углеводородов и о нефтегазонасыщенности могут быть получены во время истощения коллектора скважинными методами (по каротажным диаграммам промысловых или скважинных геофизических исследований) в пределах нескольких метров ствола скважины. Однако способы скважинного каротажа являются неэффективными между скважинами, которые обычно расположены на расстоянии от сотен до тысяч метров друг от друга, что имеет место во многих месторождениях углеводородов, вследствие ограниченной глубины проникновения зондирующих сигналов в пласт-коллектор из скважинной каротажной аппаратуры, расположенной в скважине. Кроме того, эксплуатационные скважины обычно ограждены электропроводящей обсадной трубой, которая строго ограничивает использование способов электроразведки для контроля удельного сопротивления пластового флюида, поскольку пласт-коллектор экранирован от электроразведочного зондирующего сигнала обсадной трубой (за исключением очень низких частот).
Данные об удельном сопротивлении пластового флюида и о насыщенности пласта флюидами также могут быть получены во время истощения коллектора межскважинными методами с использованием сейсмической или электромагнитной энергии (см. публикацию Rector, W.J. (ed.), "Crosswell Methods: Special Issue", Geophysics 60, no.3 (1995)). Однако в межскважинных методах для измерений требуется одновременное использование, по меньшей мере, двух скважин, что является дорогостоящим, так как добыча из обеих скважин должна быть остановлена, и эксплуатационная насосно-компрессорная колонна должна быть удалена из скважин. Кроме того, межскважинные данные обеспечивают, в основном, двумерные измерения в общей вертикальной плоскости, соединяющей скважины, используемые для измерений. Большинство скважин в пластах-коллекторах на морском дне имеют отклонения от вертикали, что ограничивает величину общей вертикальной плоскости между парами скважин. Кроме того, межскважинные методы являются неэффективными между скважинами, которые обычно расположены на расстоянии от сотен до тысяч метров друг от друга, что имеет место во многих месторождениях углеводородов, вследствие ограниченной глубины проникновения зондирующих сигналов из скважинного источника. И подобно случаю односкважинного каротажа наличие электропроводящей обсадной трубы в эксплуатационных скважинах строго ограничивает способность использования межскважинных методов электроразведки для определения удельного сопротивления пластового флюида.
Другим способом, который обычно используют для оценки насыщенности флюидом между скважинами, является математическое моделирование потока пластового флюида. Однако моделирование пласта-коллектора неизбежно содержит в себе множество упрощений и предположений о свойствах пород между скважинами для обеспечения практической реализации математического моделирования даже на большом компьютере. Моделирование пласта-коллектора также требует непрерывной корректировки числовых параметров модели таким образом, чтобы они соответствовали данным скважинных измерений, так называемый подход с адаптацией параметров модели по фактическим геологопромысловым данным ("history matching"), и эти параметры могут не иметь простой связи с измеренными свойствами породы и флюида.
Результаты морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), например результаты, собранные с использованием способов, раскрытых в патенте США №4,617,518, выданном автору по фамилии Срнка (Srnka), в патенте США №6,603,313, ссылка на который была приведена выше, и в публикации патента США №2003/0050759, показали, что объемное удельное сопротивление флюидов в коллекторах углеводородов может быть определено дистанционно. В хорошем первом приближении данные морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), полученные с использованием источника в виде горизонтального электрического диполя (HED), являются чувствительными, в основном, к эффективному вертикальному удельному сопротивлению (объемное удельное сопротивление, умноженное на эффективную толщину по вертикали) подземного пласта-коллектора (см. публикацию Kaufman and Keller, Frequency and Transient Soundings, 300-313, Elsevier (1983)). Результаты морской разведки в Западной Африке (см. публикации Eidesmo, et al., First Break, 20, 144-152 (2002); Ellingsrud et al., The Leading Edge, 972-982 (2002)) подтвердили, что может быть определено удельное сопротивление подземных пластов, вызванное наличием углеводородов.
Известно, что удельное электрическое сопротивление земли может быть анизотропным. См., например, следующие публикации: Keller and Frischnecht, Electrical Methods in Geophysical Prospecting, 33-39, Pergamon (1966); Kaufmann and Keller, Frequency and Transient Soundings, 257-284, Elsevier, N.Y. (1983); Negi, et al., Anisotropy in Geoelectromagnetism, Elsevier, N.Y. (1989); и Zhdanov and Keller, The Geoelectrical Methods in Geophysical Exploration, 119-124, Elsevier, N.Y. (1994). В нескольких публикациях изложены идеи того, каким образом можно вычислить (смоделировать) анизотропные электрические оклики земли для различных управляемых источников. См., например, следующие публикации: Chlamtac and Abramovici, Geophysics 46, 904-915 (1981); Yin and Weidelt, Geophysics 64, 426-434 (1999); Yin and Maurer, Geophysics 66, 1405-1416 (2001). К тому же несколькими авторами (например, в публикациях Watson and Barker, Geophysics 64, 739-745 (1999); и Linde and Peterson, Geophysics 69, 909-916 (2004)) рассматривалась интерпретация азимутальной электрической анизотропии. Другими авторами (Jupp and Vozoff, Geophys. Prospecting 25, 460-470 (1977); Edwards et al., Geophysics 49, 566-576 (1984); и Christensen, Geophys. Prospecting 48, 1-9 (2000)) интерпретация анизотропии рассматривалась исходя из данных, полученных с использованием множества управляемых электромагнитных источников.
r
hc
В патенте США №6,739,165, выданном Стрэку (Strack), раскрыт способ контроля изменений удельного электрического сопротивления пласта-коллектора путем измерения изменений в данных об электрическом и магнитном поле на поверхности земли вследствие возбуждений, вызванных управляемыми гальваническими и индуктивными источниками и естественными магнитотеллурическими источниками, которое должны включать в себя измерение изменений удельного сопротивления, по меньшей мере, в одном стволе скважины, проходящей через пласт-коллектор. В патенте Стрэка (Strack) не раскрыто использование операции построения изображения или решения обратной задачи для составления карты распределения объемного удельного сопротивления ρ пласта-коллектора или нефтегазонасыщенности S и не рассмотрена электрическая анизотропия.
r
hc
В публикации международной заявки на патент № WO 2004/086090, авторами которой являются Джонстад и др. (Johnstad, et al.), раскрыт способ контроля удельного сопротивления пласта-коллектора, аналогичный способу Стрэка (Strack), но который содержит скважинный источник электромагнитного поля, созданного путем передачи энергии электрического поля со дна моря в пласт-коллектор через электропроводящую обсадную трубу, которой обсажен ствол скважины. Авторами не раскрыто использование построения трехмерных (3D) изображений или решения трехмерной (3D) обратной задачи для определения ρ или S, и не раскрыто, каким образом учитывать эффекты электрической анизотропии.
r
В публикации международной заявки на патент № WO 2004/053528 A1 (2004), автором которой является Констебль (Constable), рассмотрен способ контроля коллекторов углеводородов в реальном масштабе времени. Им предложено использование различных источников в виде вертикальных и горизонтальных электрических диполей и природных электромагнитных (например, магнитотеллурических) источников, по отдельности или в комбинациях, вместе с расположенными на морском дне антеннами, содержащими электрические и магнитные датчики в виде различных матриц датчиков, распределенных по области, содержащей коллектор углеводородов. Антенны, расположенные на морском дне, могут быть постоянно закреплены на морском дне или могут быть по отдельности установлены в надлежащее место несколько раз. Способ контроля изменений объемного удельного электрического сопротивления ρ пласта-коллектора во времени, предложенный Констеблем (Constable), состоит из следующих операций: измеряют электрический импеданс земли для каждой комбинации источник-приемник, используют две ортогональные горизонтальные составляющие и вертикальную составляющую электрического поля сигналов приемника, которые реагируют на энергию из передатчика, и составляют карту этих импедансов по всей площади пласта-коллектора. Для помощи в определении электрического фона (объем земли вне пласта-коллектора) могут использоваться магнитотеллурические данные, но это не является обязательным условием. Не раскрыто математическое решение обратной задачи или построение изображения сигналов приемника любой размерности и не раскрыт способ учета эффектов анизотропии.
Локом (Loke) (см. публикацию "Constrained Time-Lapse Resistivity Imaging Inversion", paper EEM-7, Proceedings of the SAGEEP Symposium, Denver, March 3-7, 2001) описано использование построения двумерного (2D) изображения на основе решения обратной задачи с ограничениями для измерения изменений удельного сопротивления подземного пласта с течением времени для применений в области охраны окружающей среды. Локом (Loke) раскрыто использование результата решения обратной задачи для удельного сопротивления, полученного во время первичной разведки, в качестве исходной модели для решения обратной задачи для удельного сопротивления, которое выполняют впоследствии, для уменьшения артефактов, появляющихся в упомянутом результате, которые могут быть внесены вследствие иных эффектов, чем изменения удельного сопротивления подземного пласта, например вследствие изменений в системе сбора данных. В этой публикации описание ограничено исследованиями удельного сопротивления по постоянному току и в ней в качестве примера использованы данные, полученные из береговой установки Веннера-Шлюмберже (Wenner-Schlumberger), этот способ разведки является хорошо известным для специалистов-практиков в данной области техники. Локом (Loke) не рассмотрены ни эффекты анизотропии, ни данные морских исследований, ни использование множества компонент данных, ни применения для углеводородов.
2
hc
2
Гаспериковой и др. (Gasperikova, et al.) (см. статью "A Feasibility Study of Geophysical Methods for Monitoring Geologic CO Sequestration", Extended Abstract RC 3.8, SEG Annual Meeting, Denver, Colorado, October, 2004) рассмотрено использование результатов береговых измерений электрического поля, связанных с возбуждением, созданным источником в виде заземленного горизонтального электрического диполя (HED), для измерения изменений водонасыщенности (или 1-S) в месторождении Шрейдер-Блафф (Schrader Bluff), расположенном в Арктической низменности полуострова Аляска, вследствие нагнетания CO, на основе трехмерного моделирования путем решения прямой задачи. Изменения в зависимости от времени моделируют путем дифференцирования результатов вычисления модели, полученной путем решения прямой задачи, в соответствующие моменты времени. В этой статье не описано, какая компонента (какие компоненты) электрического поля является оптимальной (являются оптимальными) для этого измерения, а также не рассмотрены какие-либо эффекты анизотропии.
x
Ховерстеном и др. (Hoversten, et al.) (см. публикацию "Direct Reservoir Parameter Estimation using Joint Inversion of Seismic AVO and marine CSEM Data", Extended Abstract RC 2.1, SEG Annual Meeting, Denver, Colorado, October, 2004)) раскрыт способ одновременного решения одномерной (в плоскослоистой среде) обратной задачи для данных сейсмического отражения и для данных о морском дне, полученных путем морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) (с источником в виде горизонтального электрического диполя (HED)). Данные электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) ограничены данными об электрическом поле вдоль профиля на линии перемещения источника (то есть компонентой E на линии перемещения источника, см. Фиг.1). Ховерстеном и др. (Hoversten, et al.) (2004) не описаны способы повторных съемок для контроля пласта-коллектора, и не описано то, каким образом следует учитывать электрическую анизотропию земли в решениях обратной задачи.
Следовательно, существует потребность в создании способа непосредственной оценки нефтегазонасыщенности на всем протяжении пласта-коллектора в трехмерном (3D) смысле путем дистанционных измерений и построения изображения физического параметра подземного пласта, который является высокочувствительным к этому насыщенности и способен обеспечивать повторение измерений/построения изображения и анализ данных по мере добычи пластовых флюидов. Такой способ должен обеспечивать учет анизотропии удельного сопротивления. Настоящее изобретение удовлетворяет эту потребность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном из вариантов осуществления изобретения предложен способ определения изменений содержания углеводородов в подземном пласте-коллекторе в зависимости от времени по данным электромагнитной разведки с управляемым источником, полученным из подземной области, содержащей пласт-коллектор, а упомянутый способ содержит следующие этапы, на которых:
(a) получают данные об электромагнитном поле, зарегистрированные во множестве мест расположения приемников на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника (относительно линии перемещения источника при геофизической съемке), из данных первичной геофизической съемки подземной области и соответствующие результаты геофизической съемки, полученные, по меньшей мере, при одной более поздней геофизической съемке той же самой области, проведенной, по существу, при тех же самых условиях, при этом упомянутые данные содержат компоненту поля, чувствительную, по меньшей мере, преимущественно, к вертикальному удельному сопротивлению, и компоненту поля, чувствительную, по меньшей мере, преимущественно, к горизонтальному удельному сопротивлению;
(b) для каждой геофизической съемки решают уравнения Максвелла для электромагнитного поля для горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления во множестве точек (x, y, z) в подземном пласте-коллекторе с использованием параметров, данные о которых собраны при геофизической съемке, и измеренных данных об электромагнитном поле; и
(c) сравнивают вычисленные результаты для удельного сопротивления между геофизическими съемками.
Значения насыщенности углеводородным флюидом могут быть вычислены из значений горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления с использованием закона Арчи (Archie) или иной зависимости, и сравнение результатов, представленных в виде изображений, для этого параметра между разделенными по времени геофизическими съемками обеспечивает основу для анализа изменений по мере добычи углеводородов из пласта-коллектора с течением времени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение и его преимущества станут лучше понятными со ссылкой на приведенное ниже подробное описание и на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
на Фиг.1 проиллюстрирована геометрическая конфигурация геофизической съемки, пригодная для варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используют оба типа источников: горизонтальные электрические источники и горизонтальные магнитные источники, в комбинации с множеством приемников, регистрирующих несколько компонент электромагнитного поля, которые расположены как на линии перемещения источника, так и вне линии перемещения источника;
на Фиг.2 проиллюстрирована геометрическая конфигурация геофизической съемки и модель удельного сопротивления подземного пласта для вычисления модели в качестве примера для проверки способа, предложенного в настоящем изобретении;
x
x
на Фиг.3A показана амплитуда E на линии перемещения источника, а на Фиг.3Б показана фаза E для источника в виде горизонтального электрического диполя (HED) и для изменения значений вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) с наличием и без наличия резистивного слоя в модели из Фиг.2;
x
z
на Фиг.4 проиллюстрировано смоделированное глубинное изображение вертикального удельного сопротивления модели подземного коллектора углеводородов, усредненного по толщине пласта-коллектора, которое получено путем решения трехмерной обратной задачи для компоненты E на линии перемещения источника и компоненты H вне линии перемещения источника по данным электромагнитной разведки морского дна, полученным в начальный момент времени при геометрической конфигурации геофизической съемки, показанной на Фиг.2;
x
z
на Фиг.5 проиллюстрировано смоделированное глубинное изображение вертикального удельного сопротивления модели подземного коллектора углеводородов, усредненного по толщине пласта-коллектора, которое получено путем решения трехмерной обратной задачи для компоненты E на линии перемещения источника и компоненты H вне линии перемещения источника по данным электромагнитной разведки морского дна, полученным в более позднее время с геометрической конфигурацией геофизической съемки, показанной на Фиг.2, при которой результаты измерений на морском дне получены в тех же самых местах с использованием тех же самых линий перемещения источника, что и в первый раз; и;
на Фиг.6 изображена схема последовательности операций, на которой показаны основные операции, выполняемые в одном из вариантов осуществления способа, предложенного в настоящем изобретении.
Ниже приведено описание настоящего изобретения применительно к предпочтительным вариантам его осуществления. Однако поскольку приведенное ниже подробное описание относится к конкретному варианту осуществления изобретения или к конкретному использованию настоящего изобретения, то подразумевают, что оно приведено исключительно в иллюстративных целях и его не следует истолковывать как ограничивающее объем патентных притязаний настоящего изобретения. Наоборот, подразумевают, что оно охватывает собой все альтернативные варианты, модификации и эквиваленты, не выходящие за пределы сущности и объема патентных притязаний настоящего изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предложен способ определения изменений значений вертикального удельного электрического сопротивления и горизонтального удельного электрического сопротивления в зависимости от времени в подземной области на морском дне, например в коллекторе углеводородов, вследствие изменений свойств пласта, например насыщенности породы поровым флюидом. Одной из причин таких изменений является намеренное извлечение или нагнетание флюидов, выполняемое при добыче углеводородов. Изобретение требует наличия данных электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), измеренных в начальный момент времени и в один или в большее количество моментов времени впоследствии, по меньшей мере, для одной компоненты электромагнитного поля на линии перемещения источника и, по меньшей мере, одной компоненты вне линии перемещения источника, при этом выбор конкретных компонент зависит от типа источника. В изобретении используют понимание того, что определенные компоненты электромагнитного поля чувствительны преобладающе или почти исключительно или к вертикальному удельному сопротивлению или к горизонтальному удельному сопротивлению, но не обоим, тогда как другие компоненты поля являются чувствительными к обоим удельным сопротивлениям. В изобретении также используют понимание того, что изменения насыщенности коллектора углеводородов флюидом приводят к изменениям как вертикального удельного сопротивления, так и горизонтального удельного сопротивления в пласте-коллекторе, так как пласты-коллекторы преимущественно содержат слоистую внутреннюю структуру и другие структуры и, следовательно, обычно проявляют вертикальную поперечную изотропию электрических свойств (EVTI). Поскольку значения толщины пласта-коллектора обычно малы по сравнению с глубиной залегания коллектора, то в этом изобретении понимают, что разрешающая способность по вертикали для вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) в пределах продуктивной части пласта-коллектора является существенно меньшей, чем толщина пласта-коллектора. Эта более низкая пространственная разрешающая способность в пределах пласта-коллектора является следствием того факта, что для проникновения на глубину залегания коллектора должны использоваться низкие частоты источника электромагнитного поля, как правило, менее 1 герца, вследствие хорошо известного скин-эффекта при проникновении электромагнитного поля на глубину. Из этого следует, что частоты, необходимые для обеспечения высокой пространственной разрешающей способности в более тонком пласте-коллекторе, обычно отсутствуют в дистанционно измеренных данных отклика пласта-коллектора, поскольку эти более высокие частоты проникают только лишь на глубину, намного меньшую, чем глубина залегания коллектора.
Недавние усовершенствования в области морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) обеспечивают теперь средство дистанционного определения удельного сопротивления подземного пласта-коллектора с использованием как итерационного моделирования путем решения прямой задачи, так и математического решения обратной задачи (см. публикацию Srnka, "Remote Reservoir Resistivity Mapping", Society of Exploration Geophysicists 75th Annual Meeting Extended Abstracts, Houston, November, 2005, paper SS 3.3). Кроме того, в публикации, автором которой является Срнка и др. (Srnka, et al.) ("Remote Reservoir Resistivity Mapping - Breakthrough Geophysics for the Upstream", Abstract 17284, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, May, 2005) показано, что величина ожидаемого отклика, полученного методом электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) из иного морского месторождения углеводородов в Западной Африке, близко совпадает с откликом, спрогнозированным исходя из реалистичной трехмерной компьютерной модели структуры электрических свойств земли с учетом наличия в пласте-коллекторе углеводородов, имеющих электрическое сопротивление.
ν
h
Данные морских электромагнитных разведок с управляемым источником, например данные, собранные с использованием способов, раскрытых в патенте США №6,603,313, выданном автору по фамилии Срнка (Srnka), и в публикации патента США №2003/0050759, опубликованной 13 марта 2003 г. (Срнка и др. (Srnka, et al.)), продемонстрировали, что удельное сопротивление в земле может сильно зависеть от направления протекания электрического тока, используемого для выполнения этих измерений. В частности, вертикальное удельное электрическое сопротивление ρ может быть намного (в два или более раз) большим, чем горизонтальное удельное электрическое сопротивление ρ, в особенности в тонкослойных породах, таких как, например, сланцы, и может изменяться по величине в зависимости от местоположения. Это явление специалисты в данной области техники называют анизотропией электрических свойств или более точно вертикальной поперечной изотропией электрических свойств (EVTI). Удельное электрическое сопротивление земли также может изменяться по азимуту (то есть по направлениям компаса), но оказывается, что для разведки на залежи углеводородов это влияние анизотропии обычно является намного менее важным (то есть намного меньшим по величине), чем вертикальная поперечная изотропия электрических свойств (EVTI) в осадочных бассейнах, представляющих интерес.
Наличие вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) искажает сигналы, принимаемые расположенными на морском дне приемниками, регистрирующими электромагнитное поле, которые используют при морской электромагнитной разведке с управляемым источником (CSEM), полученные с использованием управляемого источника в виде горизонтального электрического диполя (HED) или горизонтального магнитного диполя (HMD), относительно тех сигналов, которые были бы приняты при отсутствии вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI). Геометрическая конфигурация геофизической съемки, пригодная для настоящего изобретения, проиллюстрирована на чертеже Фиг.1. На этом чертеже показано исследовательское судно 1, буксирующее источник в виде горизонтального электрического диполя (HED), который обозначен номером позиции 2, и источник в виде горизонтального магнитного диполя (HMD), который обозначен номером позиции 3, над морским дном 4, на котором расположены приемники 6, расположенные на линии перемещения источника, и приемники 7, расположенные вне линии перемещения источника, в виде стационарной матрицы вокруг линии 5 буксировки источника. Это искажение влияет на интерпретацию аномалий удельного сопротивления, полученного способом морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), связанных с наличием углеводородов в пласте-коллекторе, например в пласте-коллекторе 8. Такие эффекты искажений появляются как в амплитуде, так и в фазах полей, измеренных на морском дне, и изменяются при изменении частоты. Эти искажения могут маскировать наличие углеводородов (ложные отрицательные результаты) или приводить к неправильным предположениям об их наличии (ложные положительные результаты). Такие искажения наблюдались в результатах многочисленных исследований способом электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM). Например, в публикации Томпкинса и др. (Tompkins et al.) (Effect of Vertical Anisotropy on Marine Active Source Electromagnetic Data and Inversions, EAGE 65th Annual Convention, Paris, France, abstract E025 (2004)) описано несколько примеров влияния вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) на данные морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), собранные для прикладных задач разведки на углеводороды, с использованием только лишь результатов измерения электрического поля (на морском дне). Эти эффекты включают в себя занижение истинной глубины подземных пластов, таких как, например, коллекторы углеводородов, и занижение их объемного удельного сопротивления в том случае, если пренебрегают вертикальной поперечной изотропией электрических свойств (EVTI).
В публикации международной заявки на патент согласно PCT № WO 2006/135510, автором которой является Срнка (Srnka), изложена идея того, каким образом следует измерять и анализировать вертикальную поперечную изотропию электрических свойств (EVTI) при исследованиях способом морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM). Раскрытые в ней операции анализа содержат следующие операции: (1) измерение соответствующих данных об электрическом и магнитном поле на морском дне на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника, точная комбинация которых зависит от типа используемого управляемого электромагнитного источника (горизонтальный электрический диполь (HED) или горизонтальный магнитный диполь (HMD)); и (2) математическое решение обратной задачи на основании данных, полученных с морского дна, для структуры удельного электрического сопротивления подземного пласта с учетом влияния вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI), выполняемое на компьютере с использованием численного алгоритма.
Для использования этих принципов необходимо, чтобы источник, используемый для электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), создавал как вертикальные, так и горизонтальные токи. Это делают два типа источников для морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), а именно горизонтальный электрический диполь (HED) и горизонтальный магнитный диполь (HMD). В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения используют данные конкретных измерений электромагнитного поля, требуемые для каждого из источников этих двух типов, как изложено в публикации международной заявки на патент согласно PCT № WO 2006/135510. Все из следующих Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3A-Фиг.3B из данной заявки на изобретение воспроизведены из этой более ранней заявки на изобретение.
x
В некоторых случаях анизотропия удельного сопротивления в исследуемой подземной области, содержащей подземный пласт-коллектор, может быть очень малой (то есть вертикальная поперечная изотропия электрических свойств (EVTI) почти равна единице). Это может происходить в тех случаях, если пластом-коллектором является месторождение в очень однородном песчанике, и подземная область за пределами пласта-коллектора не содержит существенный объем отложений анизотропных сланцев. В этих немногих случаях отклики при электромагнитной разведке с управляемым источником (CSEM) будут приблизительно изотропными, что может быть легко определено путем анализа данных разведки, что является известным уровнем техники. В подобных случаях математическое решение обратной задачи данных может быть выполнено с использованием меньшего количества компонентов измеренных данных, которые являются чувствительными к удельному сопротивлению пласта-коллектора (например, только лишь компоненты E на линии перемещения источника) и с использованием изотропного алгоритма решения обратной задачи для более эффективного и экономичного построения изображения подземной области.
На Фиг.1 проиллюстрирована возможная геометрическая конфигурация сбора данных (геофизической съемки) для обычного случая анизотропного удельного сопротивления земли (то есть вертикальная поперечная изотропия электрических свойств (EVTI) >1). Судно 1 на поверхности моря или под ней буксирует источник 2 в виде горизонтального электрического диполя (HED) и/или источник 3 в виде горизонтального магнитного диполя (HMD) вблизи морского дна 4 вдоль линии 5 перемещения источника и производит передачу электрического тока с заданной формой колебаний, как это обычно делают (как правило, с источником в виде горизонтального электрического диполя (HED)) при электромагнитной разведке с управляемым источником (CSEM). В альтернативном варианте источник в виде горизонтального электрического диполя (HED) и/или в виде горизонтального магнитного диполя (HMD) может быть расположен стационарно вблизи от морского дна или в контакте с ним между каждой парой отдельных приемников 6, регистрирующих электромагнитное поле, которые расположены на линии наблюдения на морском дне вдоль линии 5, в то время когда происходит передача колебаний от источника. Выбор типа используемого источника: непрерывно буксируемого источника и/или стационарного источника зависит от множества рабочих условий разведки, но, главным образом, от наличия электромагнитных шумов. Шумы обоих типов: шумы, сгенерированные источником, и естественные шумы увеличиваются при уменьшении глубины моря, что делает более целесообразным использование стационарных источников на мелководье (обычно при глубине 150 метров или меньшей), вследствие чего для подавления случайных помех могут использоваться очень длительные времена суммирования (накопления) данных без потери резкости данных в поперечном направлении. Колебания, передаваемые от источника, могут состоять из множества колебаний надлежащей длительности, например, описанных в публикации международной заявки на патент согласно PCT № WO 2005/117326, или в более общем изложении в публикациях, ссылки на которые приведены выше. Приемники 7, расположенные вне линии перемещения источника, регистрируют отклик электромагнитного поля земли вследствие возбуждения источника, одновременно с измерением отклика приемниками 6, расположенными на линии перемещения источника. Линия перемещения источника, приемники, расположенные на линии перемещения источника, и приемники, расположенные вне линии перемещения источника, расположены на морском дне над теми подземными геологическими пластами 8 и вблизи тех подземных геологических пластов 8, которые были определены как потенциальные пласты-коллекторы углеводородов или иных ресурсов. Приемники, расположенные на морском дне, размещены на различных расстояниях от источника в виде горизонтального электрического диполя (HED) или в виде горизонтального магнитного диполя (HMD) с использованием либо равномерного либо неравномерного расстояния между приемниками (или обоих этих расстояний), которое определено из результатов предварительного моделирования ожидаемых откликов на морском дне, выполненного перед разведкой, или определяется рабочими ограничениями, которые являются хорошо понятными для специалистов-практиков в данной области техники. Расстояния между приемниками вдоль профиля и поперек профиля обычно составляют от 500 до 5000 метров.
При наличии данных электромагнитной разведки, полученных описанным выше способом при первой разведке, изложенных в публикации международной заявки на патент согласно PCT № WO 2006/135510, ссылка на которую приведена выше, позволяет определять значения удельного сопротивления земли, в том числе вертикальную поперечную изотропию электрических свойств (EVTI), в области, охваченной каждой комбинацией приемников, расположенных на линии перемещения источника, и приемников, расположенных вне линии перемещения источника, при геофизической съемке, с использованием одного или большего количества способов анализа и интерпретации данных. Величину, глубину и поперечные распределения любой имеющейся вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) определяют из результатов анализа откликов поля на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника на доступных частотах геофизической съемки; при этом самая высокая частота определяет вертикальную поперечную изотропию электрических свойств (EVTI) на самой малой глубине (от морского дна вниз до глубины, приблизительно равной глубине одного скин-слоя электромагнитного поля), а самая низкая частота обеспечивает получение данных о суммарном влиянии вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) от самых малых глубин до самой большой глубины эффективного проникновения (приблизительно равной половине длины волны диффузионного электромагнитного поля или глубине скин-слоя электромагнитного поля, умноженной на π). Это определение позволяет устранить влияние вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) данных электромагнитной разведки морского дна с управляемым источником (CSEM) или обеспечить ее учет в этих данных, вследствие чего может быть выполнено точное прогнозирование удельного сопротивления пласта-коллектора (то есть удельного сопротивления подземного пласта-коллектора, являющегося объектом исследований).
Когда данные геофизической съемки, схема которой изображена на Фиг.1, получают в один или в большее количество более поздних моментов времени для определения изменений удельного сопротивления подземного пласта в зависимости от времени, то в предпочтительном варианте геометрическая конфигурация геофизической съемки является, по существу, подобной той геометрической конфигурации, которая использовалась для геофизической съемки при первой геофизической съемке, для того чтобы измеренные данные представляли собой отклики электромагнитного поля земли для тех же самых подземных областей. На практике опыт проведения морских электромагнитных разведок с управляемым источником (CSEM) показывает, что места расположения приемников для геофизических съемок, проводимых впоследствии, должны находиться в пределах нескольких десятков метров от тех мест их расположения, которые использовались при первой геофизической съемке, для обеспечения высокой воспроизводимости измеренных данных. Точное допустимое расстояние между местами расположения приемников при первой геофизической съемке и при последующих повторных геофизических съемках зависит от электрических параметров подземной области и от частот источника, используемых для исследования структуры земли. Как правило, для частот зондирования, равных 0,25 герца, для пласта-коллектора, расположенного на глубине 1500 метров ниже морского дна, с фоновым горизонтальным удельным сопротивлением земли, равным 1,0 Ом·м, и при вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI)=2,0, допустимое расстояние является меньшим чем 100 метров.
Отдельные операции обработки данных, примененные в предложенном в настоящем изобретении способе для данных об электрическом и магнитном поле на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника как при первой геофизической съемке, так и при одной или большем количестве геофизических съемок, выполняемых впоследствии, представляют собой стандартные процедуры, используемые специалистами-практиками в области морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) и описанные в известном уровне техники, в том числе в публикациях, на которые здесь приведены ссылки. Могут быть желательными несколько дополнительных операций для подготовки измеренных данных, собранных при первой геофизической съемке и при более поздних геофизических съемках, для математического решения обратной задачи, в зависимости от качества, пространственного охвата и других аспектов данных (операция 62 в схеме последовательности операций, показанной на Фиг.6). Эти дополнительные операции могут содержать: подавление шумов с использованием шумоподавления или фильтрации в области удалений приемника от источника, корректировку фазы для учета сдвигов массива данных вследствие ошибок привязки по времени, корректировку амплитуды для учета несоответствий между компонентами и результатами суммирования данных для создания эффективных апертур большего размера (см., например, публикацию патента США №2003/0050759 A1).
В статье, изданной Обществом специалистов по разведочной геофизике (SEG) в 2005 г., автором которой является Срнка (Srnka) и ссылка на которую приведена выше, раскрыто, что изображение картины распределения удельного сопротивления пласта-коллектора под морским дном может быть построено с использованием данных электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), введенных в алгоритм решения трехмерной (3D) обратной задачи на компьютере, в котором могут быть применены априорные ограничения, и определяют абсолютные величины удельного сопротивления подземного пласта. Томпсоном и др. (см. публикацию "Sensitivity to hydrocarbon targets using marine active source EM sounding: Diffusive EM imaging methods", EAGE Annual Meeting, Paris, June, 2004) продемонстрирован пример приближенного построения изображения по данным морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) с использованием двумерного (2D) компьютерного алгоритма, в котором выполняют оценку только лишь различий относительного удельного сопротивления между структурами электрических свойств земли, а не абсолютных значений удельного сопротивления, определяемых при использовании решения нелинейной обратной задачи. Караццоне и др. (Carazzone, et al.) (см. публикацию "Three dimensional imaging of marine CSEM data", Extended Abstract, EM 3.3, SEG Annual Meeting, Houston, Texas, November, 2005) продемонстрированы несколько примеров решения трехмерной нелинейной обратной задачи по данным морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM), в которых значения удельного сопротивления пласта-коллектора приблизительно совпадали с его значениями, измеренными посредством индукционного каротажа в пластах-коллекторах. Однако ни в одном из этих примеров решения обратной задачи не рассмотрен учет вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) в результатах и не рассмотрено построение изображений изменений удельного сопротивления пласта-коллектора в зависимости от времени.
Предложенные в этом изобретении способы решения обратной задачи для данных, полученных при каждой геофизической съемке, содержат четыре дополнительных подхода, раскрытых в публикации международной заявки на патент согласно PCT № WO 2006/135510, которые подытожены в приведенных ниже абзацах, но не ограничены этими подходами. На этапе 63 из схемы последовательности операций, показанной на Фиг.6, выбирают метод решения обратной задачи.
(1) (Этап 64) Итерационное одномерное (1D), двумерное (2D) и/или трехмерное (3D) моделирование путем решения прямой задачи на цифровой вычислительной машине с использованием алгоритмов для вычисления изотропных характеристик земли, которые являются хорошо известными для специалистов-практиков в данной области техники, в том числе тех алгоритмов, на которые здесь приведены ссылки, в которых реальные данные (амплитуды и/или фазы) сравнивают с откликами (амплитудами и/или фазами), полученными в результате моделирования, и после этого модель корректируют таким образом, чтобы смоделированные отклики соответствовали данным реальных полевых наблюдений. В этом способе изотропной интерпретации в том случае, если должны использоваться данные, полученные с использованием источника в виде горизонтального электрического диполя (HED), то отклики на линии перемещения источника моделируют с использованием вертикального удельного электрического сопротивления, а отклики вне линии перемещения источника моделируют с использованием горизонтального удельного сопротивления, и, наоборот, если должны использоваться данные, полученные с использованием источника в виде горизонтального магнитного диполя (HMD). (См. приведенную ниже Таблицу 1). Итерационные корректировки модели вертикального удельного сопротивления делают путем сравнения с измеренными данными той компоненты электромагнитного поля, которая предпочтительно является чувствительной только, но, по меньшей мере, преимущественно, к вертикальному удельному сопротивлению, и соответственно аналогичным образом это делают для модели горизонтального удельного сопротивления. В тех случаях, когда используют данные вне линии перемещения источника, то эти данные предпочтительно получены из приемников с выносом относительно источника точно в поперечном направлении (то есть расположенных на линии x=0 на Фиг.1). Следовательно, соотношение между результатами моделирования на линии перемещения источника и результатами моделирования вне линии перемещения источника (зависимость удельного сопротивления от глубины z и местоположения x, y) дает приближенную величину удельного сопротивления земли с учетом вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) как функции глубины и местоположения.
(2) (Этап 65) Итерационное одномерное (1D), двумерное (2D) и/или трехмерное (3D) моделирование путем решения прямой задачи на цифровой вычислительной машине с использованием алгоритмов для вычисления анизотропных характеристик земли с учетом вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI), которые являются хорошо известными для специалистов-практиков в данной области техники, в том числе описанных в статье Иня и Маурера (Yin and Maurer), ссылка на которую приведена выше, в которых реальные данные (амплитуды и/или фазы) сравнивают с откликами (амплитуды и/или фазы), (амплитудами и/или фазами), полученными в результате моделирования, и после этого модель корректируют таким образом, чтобы смоделированные отклики соответствовали данным реальных полевых наблюдений. В этом способе анизотропной интерпретации отклики на линии перемещения источника и отклики вне линии перемещения источника моделируют одновременно с использование оценок как вертикального удельного сопротивления, так и горизонтального удельного сопротивления. Следовательно, окончательное модельное решение содержит значения удельного сопротивления земли и значение (величину) вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) как функции обоих параметров: глубины и поперечного положения.
x
z
x
y
z
z
(3) (Этап 66) Автоматизированное математическое решение одномерной (1D), двумерной (2D) и/или трехмерной (3D) обратной задачи (построение изображения) на цифровой вычислительной машине с использованием изотропных алгоритмов вычисления удельного сопротивления, которые являются хорошо известными для специалистов-практиков в данной области техники (см., например, публикацию Newman et al., Three Dimensional Electromagnetics (Oristaglio and Spies, eds.) Soc. Expl. Geophysicists, Tulsa, 299-321 (1999)). В одном из вариантов осуществления этого способа решения изотропной обратной задачи компоненту E на линии перемещения источника и компоненту E на линии перемещения источника для источника в виде горизонтального электрического диполя (HED) (или компоненту H на линии перемещения источника и компоненту H вне линии перемещения источника для источника в виде горизонтального магнитного диполя (HMD)) и компоненту H вне линии перемещения источника для источника в виде горизонтального электрического диполя (HED) (или компоненту H на линии перемещения источника для источника в виде горизонтального магнитного диполя (HMD)) вводят по отдельности в программу решения обратной задачи, в которой затем используют численные алгоритмы оптимизации для вычисления таких отдельных решений для величины, глубины и поперечного распределения значений горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления, для которых отклики электромагнитного поля наилучшим образом соответствуют данным наблюдений, полученным с морского дна. Затем находят вертикальную поперечную изотропию электрических свойств (EVTI) путем последующего формирования отношения значений вертикального удельного сопротивления к горизонтальному удельному сопротивлению, полученных путем решения обратной задачи, на каждой глубине и в каждом местоположении. Как и в случае изотропного моделирования путем решения прямой задачи, ключевым моментом является то, что в одном решении обратной задачи используют те данные об электромагнитном поле, которые являются более чувствительными к вертикальному удельному сопротивлению, в то время как в другом решении обратной задачи используют те данные, которые являются более чувствительными к горизонтальному удельному сопротивлению.
(4) (Этап 67) Программы автоматизированного математического решения обратной задачи (построения изображения) на цифровой вычислительной машине с использованием анизотропных одномерных (1D) алгоритмов вычисления удельного сопротивления (см., например, статью Томпкинса и др. (Tompkins et al.), ссылка на которую приведена выше), и анизотропные расширения двумерных (2D) и трехмерных (3D) алгоритмов вычисления конечных разностей в частотной области и во временной области, разработанных ранее специалистами-практиками в данной области техники (см., например, следующие публикации: Weiss, et al., Geophysics 67, 1104-1114 (2002); и Weiss, et al., Geophysics 68, 922-930 (2003)). В этом способе решения анизотропной обратной задачи отклики на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника совместно вводят в программу решения обратной задачи, в которой затем используют численные алгоритмы оптимизации для вычисления таких решений для величины, глубины и поперечного распределения значений горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления, для которых отклики электромагнитного поля наилучшим образом соответствуют данным наблюдений, полученным с морского дна.
ν
h
ν
h
ν
h
Изотропные подходы требуют двух отдельных прогонов на компьютере либо итерационной программы моделирования путем решения прямой задачи либо программы решения обратной задачи. Один прогон включает в себя данные, по меньшей мере, для одной компоненты электромагнитного поля, которая предпочтительно является чувствительной только, но, по меньшей мере, преимущественно, к горизонтальному удельному сопротивлению, а на выходе получают трехмерный массив данных о горизонтальном удельном сопротивлении. Другой прогон включает в себя данные, по меньшей мере, для одной компоненты электромагнитного поля, которая предпочтительно является чувствительной только, но, по меньшей мере, преимущественно, к вертикальному удельному сопротивлению, а на выходе получают трехмерный массив данных о вертикальном удельном сопротивлении. В анизотропных подходах все данные вводят в программу, которую выполняют за один прогон. Этими данными могут являться данные для тех компонент поля, которые являются чувствительными как к вертикальному удельному сопротивлению, так и к горизонтальному удельному сопротивлению; однако этот способ обеспечивает получение более надежных с математической точки зрения результатов в том случае, если данные содержат компоненту, которая является чувствительной только к вертикальному удельному сопротивлению, и другую компоненту, которая является чувствительной только к горизонтальному удельному сопротивлению. Таким образом, набор данных электромагнитной разведки, который является предпочтительным для одного подхода, является набором данных, который является предпочтительным для всех подходов (для источника заданного типа). В Таблице 1 приведена чувствительность к вертикальному удельному сопротивлению ρ и к горизонтальному удельному сопротивлению ρ, или к обоим из них для источников обоих типов: источника в виде горизонтального электрического диполя (HED) и источника в виде горизонтального магнитного диполя (HMD), и для местоположения приемника на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника. (Предпочтительными данными являются данные из местоположений вне линии перемещения с поперечным выносом относительно источника). Элементами Таблицы 1, представляющими наибольший интерес для настоящего изобретения, являются те, для которых данные зависят, по меньшей мере, преимущественно, либо от ρ либо от ρ. Из Таблицы 1 и из приведенного выше описания способа можно понять, что во всех предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения требуется измерение, по меньшей мере, одной компоненты электромагнитного поля на линии перемещения источника, и измерение, по меньшей мере, одной компоненты электромагнитного поля вне линии перемещения источника. Дополнительные данные обеспечивают ожидаемую пользу вследствие избыточности данных. В Таблице 1 чувствительность, обозначенная как чувствительность "только" к ρ или "только" к ρ, предполагает использование плоскослоистой модели земли, и следует понимать, что в реальных ситуациях такая чувствительность не будет столь же строгой. Следует понимать, что Таблица 1 применима для морских сред. Для применений на суше эта Таблица 1 претерпела бы значительные изменения.
Квалифицированный специалист-практик легко поймет, что все вышеупомянутые подходы вне зависимости о того, являются ли они изотропными или анизотропными, представляют ли они собой моделирование путем решения прямой задачи или моделирование путем решения обратной задачи, включают в себя решения уравнений Максвелла для электромагнитного поля численными методами на компьютере. Когда известны все параметры сбора данных от источника наряду со значениями удельного сопротивления фона (соленой воды и т.д.) и измеренные данные, по меньшей мере, для двух компонент электромагнитного поля, единственным неизвестным является удельное сопротивление объекта исследований и оно может быть вычислено.
Подходы, основанные на итерационном моделировании путем решения прямой задачи, как правило, реализованы посредством компьютера, но обычно требуют ручного управления. Интерпретатор данных обычно вводит известные или полученные в результате оценки параметры удельного сопротивления в исходную глубинную модель. Такая модель может содержать в числе других параметров глубину моря, удельное сопротивление воды и его градиент по вертикали, удельное сопротивление воздуха, и первое предположительное оценочное значение удельного сопротивления земли, полученное на основании априорных сведений (например, на основании каротажных диаграмм из аналогичной области), связанные с ним данные (например, значения скорости распространения сейсмических волн, преобразованные в удельное сопротивление посредством статистической зависимости) и параметры, основанные на общем практическом опыте применения данной технологии. Часто выбирают значение удельного сопротивления однородного фона. Основным влиянием исходной модели удельного сопротивления является ускорение или замедление сходимости. Затем программу моделирования выполняют на компьютере с использованием алгоритма, решающего уравнения Максвелла для выбранных входных значений, и в качестве результата получают синтезированные данные для конфигурации геофизической съемки, соответствующей реальным данным. Затем интерпретатор сравнивает синтезированные и реальные данные в нескольких местоположениях и на основании имеющихся сведений об ожидаемом отклике изменяет удельное сопротивление в модели таким образом, чтобы приблизить синтезированные данные к реальным данным. Этот процесс обычно повторяют несколько раз до тех пор, пока не будут удовлетворены критерии, установленные интерпретатором, то есть до тех пор, пока окончательные синтезированные данные модели зависимости удельного сопротивления от глубины не совпадут с реальными данными в пределах некоторых допустимых границ. Если этот процесс не сходится, то обычно это означает наличие сложного геологического строения, требующего исследования большего количества частот, расстояний между источником и приемником и компонент E или H, или означает, что измеренные данные почему-то искажены.
В подходах, основанных на решении обратной задачи, интерпретатор данных строит исходную глубинную модель удельного сопротивления с использованием известных значений (для морской воды, воздуха и т.д.) и исходного предположительного оценочного значения удельного сопротивления земли, которое часто считают однородным и отображающим область, определенного по опыту, по ближайшим значениям, как описано выше для подходов, основанных на моделировании путем решения прямой задачи. Затем реальные данные вводят в компьютерный алгоритм вместе с исходной моделью удельного сопротивления, и алгоритм осуществляет генерацию синтезированных данных путем решения уравнений Максвелла, что обычно выполняют посредством численных итерационных алгоритмов из известного уровня техники. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения в этом алгоритме используют математические методы, такие как, например, получение из производных градиентов разностей между реальными и синтезированными данными, для поиска в модели изменений, приводящих к минимизации несоответствия между реальными и синтезированными данными при следующей итерации процесса. Компьютерный алгоритм способен выполнять обработку намного более сложных данных и моделей, чем интерпретатор, управляемый человеком, и ему разрешено продолжать управление его внутренними итерационными процессами до тех пор, пока несоответствие между реальными и синтезированными данными не достигает некоторого заранее заданного малого значения. В этот момент считают, что произошла сходимость математического решения к оптимальному решению, соответствующему окончательной глубинной модели удельного сопротивления, которая наилучшим образом отображает реальную структуру удельного сопротивления земли, включающую в себя любые присутствующие углеводороды.
x
z
z
Пользователь настоящего изобретения может, например, выбрать (этап 63 на Фиг.6) вариант осуществления изобретения, в котором используют как итерационное моделирование, так и решение обратной задачи в частотной области, изложенное в приведенном здесь описании, но ограниченное анизотропными компьютерными программами и алгоритмами, для обеспечение перекрестной проверки результатов вычисления вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) (этап 68), а также для лучшего учета сведений о геологической структуре, имеющихся в интерпретаторе. Выбранные данные могли быть получены, например, с использованием управляемого источника в виде горизонтального электрического диполя (HED), который либо буксируют вблизи морского дна (предпочтительно на расстоянии от 25 до 50 метров от дна) либо помещают в стационарные местоположения на морском дне между последовательными парами приемников, расположенных на морском дне, вдоль линии перемещения источника. В этом случае необходимы только отклики E и E электрического поля на линии перемещения источника, измеренные одновременно только лишь с откликами H вне линии перемещения источника, при множестве удалений на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника, обычно составляющих от нуля (0) до 12000 метров на линии перемещения источника и от одного (1) метра до 8000 метров вне линии перемещения источника для силы (дипольного момента) горизонтального электрического диполя (HED), равной 300000 ампер на метр. Для специалистов-практиков в данной области техники понятно, что выбор удаленностей на линии перемещения источника и поперек линии перемещения источника (вне линии перемещения источника), то есть расстояний между источником и приемником для этих измерений отклика зависит от мощности источника и от частот, используемых при геофизической съемке, которые, в свою очередь, зависят от ожидаемых значений горизонтального удельного сопротивления и вертикального удельного сопротивления земли и от глубины залегания объекта (объектов) исследования, представляющего (представляющих) интерес.
x
y
x
y
z
Существует альтернатива возможным вариантам, показанным в Таблице 1, для измерения компоненты поля, которая является чувствительной только к горизонтальному удельному сопротивлению, в виде электромагнитных измерений с пассивным источником. Измерение отклика электромагнитного поля в отсутствии управляемого человеком источника представляет собой известный способ, именуемый магнитотеллурической (МТ) съемкой. В опубликованной литературе раскрыто то, каким образом следует измерять удельное сопротивление земли под морским дном с использованием способа морской магнитотеллурической съемки с пассивным источником (MMT) (см. публикации Constable et al., Geophysics 63, 816-825 (1998); Hoversten et al., Geophysics 65, 1476-1488 (2000)). Источником энергии для магнитотеллурических методов являются естественные флуктуации окружающего магнитного поля Земли, в основном, вследствие флуктуаций в ионосфере и молний. Измерения способом морской магнитотеллурической съемки (MMT) обычно ограничены измерениями горизонтальных электрических и магнитных полей (E, E, H, H), хотя данные о вертикальном электрическом поле (E) иногда являются полезными для оценки изменчивостей геологических структур по простиранию (см. публикацию Zhdanov and Wan, "Three-dimensional marine magnetotellurics for petroleum exploration", SEG 2003 Annual Meeting Expanded Abstracts, 537-540 (2003)). Результаты анализа этих данных дают информацию, почти полностью ограниченную горизонтальным удельным сопротивлением.
Вычисление решения обратной задачи выполняют для данных первичной геофизической съемки (этап 61 из Фиг.6), и для данных, по меньшей мере, одной геофизической съемки, выполненной позже по времени (этап 72).
Математическое решение обратной задачи по данным морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) предоставляет средство для составления карты удельного сопротивление на глубине по данным относительно дешевых измерений, полученным дистанционно на морском дне или вблизи морского дна. Такая карта удельного сопротивления может быть затем использована для оценки нефтегазонасыщенности на всем протяжении породы-коллектора с использованием эмпирических зависимостей, связывающих удельное сопротивление с насыщенностью, таких как, например, закона Арчи (см. публикацию Archie, Trans. American Inst. Mech. Eng. 146, 54-62 (1942)). Для калибровки или улучшения решений обратной задачи могут использоваться оценки свойств породы и соленой воды, полученные по сейсмическим данным и данным о скважине, и иные средства, такие как, например, модели физических свойств породы.
Для специалистов-практиков в данной области техники хорошо известно, что удельное электрическое сопротивление является чувствительной мерой содержания жидкой фазы в пористых породах, таких как, например, подземные коллекторы углеводородов (см. публикацию Keller and Frischnecht, Electrical Methods in Geophysical Prospecting, 20-33, Pergamon (1966)). Изотропное объемное удельное электрическое сопротивление породы, смоченной водой, обычно описывается эмпирическим математическим отношением, известным как закон Арчи:
r
w
hc
hc
r0
0
hc0
r1
hc1
где ρ - объемное удельное сопротивление породы, ρ - удельное сопротивление соленой воды в породе, S - нефтегазонасыщенность, Φ - пористость, а m - эмпирический показатель степени, значение которого обычно является близким к m=2, и который отображает материнскую породу. Уравнение (1) моделирует быстрое уменьшение объемного удельного сопротивления пласта-коллектора при уменьшении нефтегазонасыщенности для заданной пористости породы и заданного удельного сопротивления соленой воды. По мере добычи из коллектора углеводородов пористость коллектора, по существу, остается постоянной, если только во время добычи по неосмотрительности не произойдет изменение породы-коллектора, например, вследствие диагенетических процессов, таких как, например, рост глинизации. Также могут происходить умышленные изменения пласта-коллектора вследствие химических процессов или процессов образования трещин под действием давления, используемых для интенсификации добычи. Информация об объемной плотности пласта может быть получена из данных сейсмической разведки методом отраженных волн для оценки таких изменений пористости впоследствии. Удельное сопротивление соленой воды в пласте-коллекторе, которая смачивает поверхности пор, также является приблизительно постоянным во время добычи углеводородов из большинства пластов-коллекторов, если в пласт-коллектор искусственно не нагнетают воду или некоторый растворимый в воде флюид для интенсификации добычи. Следовательно, если поровые пространства содержат, в основном, углеводородные флюиды и соленую воду, то локальные изменения объемного удельного сопротивления могут являться непосредственной мерой локальных изменений нефтегазонасыщенности S. Если локальное объемное удельное сопротивление равно ρ, а локальная нефтегазонасыщенность в начальный момент времени t равна S, локальное объемное удельное сопротивление равно ρ, и локальная нефтегазонасыщенность в более поздний момент времени равна S, то в результате подстановки этих величин в уравнение (1) получают следующее уравнение:
hc
2
hc
r
hc
Уравнение (2) обеспечивает простое средство оценки изменения S после того, как определены исходные свойства пласта-коллектора. Если в пласт-коллектор введен другой флюид, имеющий электрическое сопротивление, например диоксид углерода (CO), для интенсификации добычи или для связывания углерода, то нарушается прямая зависимость между S и ρ, и для оценки S необходимо использовать более сложный способ (см. публикацию Hoversten et al., "Pressure and fluid saturation prediction in a multi-component reservoir using combined seismic and electromagnetic imaging", Geophysics 68, 1580-1591 (2003)).
ПРИМЕРЫ
x
ν
h
ν
h
h
ν
h
Вместо данных реальной электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) такого типа и в такой комбинации, которые необходимы в этом изобретении, здесь для демонстрации откликов электромагнитного поля на морском дне, используемых в настоящем изобретении, используют численные расчеты с использованием одномерных (1D) методов, которые являются хорошо известными для специалистов-практиков в данной области техники. На Фиг.2 показана геометрическая конфигурация геофизической съемки и одномерная (1D) модель удельного сопротивления, используемая для этих модельных расчетов данных отклика, полученных путем электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM). Схема расположения оборудования является такой же самой, как и на Фиг.1 (и использованы те же самые номера позиций), за исключением того, что используют только лишь источник в виде горизонтального электрического диполя (HED). В этом примере для модели используют глубину моря, равную 3000 метров, и смоделированный коллектор углеводородов 8 толщиной 50 метров, вершина которого заглублена на 1000 метров ниже морского дна. На Фиг.3A и Фиг.3Б показаны вычисленные изменения значений амплитуды компоненты E электрического поля на морском дне на линии перемещения источника с нормированным источником в виде горизонтального электрического диполя (HED) (то есть отклики для единичного диполя длиной один метр с током, равным одному амперу) в вольтах на метр (В/м) (см. Фиг.3A) и абсолютные значения фазы (Фиг.3Б), вызванные вертикальной поперечной изотропией электрических свойств (EVTI) различной величины (отношение вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) ρ:ρ от 1:1 до 5:1, где ρ - вертикальное удельное сопротивление, а ρ - горизонтальное удельное сопротивление), соответствующие геометрии геофизической съемки и параметрам земли из Фиг.2 для частоты источника синусоидальных колебаний, равной 0,25 герц. Анизотропия обычно встречается в земле над и под слоем углеводородов и может присутствовать в слое углеводородов в том случае, если, например, пласт-коллектор является стратифицированным. Но если слой углеводородов имеет недостаточную толщину для его разрешения по данным электромагнитной разведки, то влияние вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) в нем не является достаточно большим для того, чтобы оно было заметным в этих данные моделирования, и, следовательно, для задач этого моделирования предполагают, что пласт-коллектор имеет изотропное удельное сопротивление. Горизонтальный электрический диполь (HED) ориентирован в направлении оси x (иногда его именуют источником XED). (В практике морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM) источник в виде горизонтального электрического диполя (HED), который, по существу, представляет собой длинный провод, обычно ориентирован в том направлении, к котором его буксируют, эта ориентация является той ориентацией, которую источник, естественно, стремиться приобрести при его буксировке тросом, присоединенным с одному его концу). Для этих вычислений значение горизонтального удельного сопротивления ρ установлено равным 1,0 Ом·м. Горизонтальной осью является расстояние x вдоль линии перемещения источника, измеренное в единицах расстояния от конкретного приемника, расположенного на линии перемещения источника, то есть от одного из приемников 6, расположенных на линии 5 буксировки источника (см. Фиг.1), до движущегося источника. Для специалистов-практиков в данной области техники понятно, что в этом иллюстративном примере с таким же самым успехом могут быть использованы другие значения входных параметров. Предполагают, что слой 8 пласта-коллектора имеет удельное сопротивление, равное 100 Ом·м (является электрически изотропным, вертикальная поперечная изотропия электрических свойств (EVTI)=1). Шесть кривых демонстрируют отклики приемника, расположенного на морском дне, для различных случаев наличия или отсутствия пласта-коллектора 8 и для различных значений вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) покрывающей породы и подстилающей породы. На Фиг.3A и Фиг.3Б вторая цифра в номере позиции обозначает величину вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) и наличие (WR) или отсутствие (NR) слоя пласта-коллектора в модели согласно следующим условным обозначениям: 1 обозначает EVTI=ρ/ρ=1, WR; 2 обозначает EVTI=2, WR; 3 обозначает EVTI=5, WR; 4 обозначает EVTI=1, NR; 5 обозначает EVTI=2, NR; и 6 обозначает EVTI=5, NR. Можно заметить, что по мере увеличения влияния вертикальной поперечной изотропии электрических свойств (EVTI) факт наличия или отсутствия слоя, являющегося объектом исследования, постепенно становится все менее и менее существенным, что иллюстрирует потребность в настоящем изобретении при определении изменений свойств пласта-коллектора.
На Фиг.4 и Фиг.5 изображены горизонтальные срезы из трехмерной карты глубин, которые, например, могут быть подготовлены (путем решения обратной задачи для данных, связанных с различными частотами) способом, указанным в описании на этапе 69 из Фиг.6. На Фиг.4 показан результат моделирования решения трехмерной анизотропной обратной задачи для данных на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника, сбор которых произведен в начальный момент времени с использованием геометрической конфигурации геофизической съемки из Фиг.2 над подземным коллектором углеводородов. Ни один из горизонтальных срезов, показанных на Фиг.4 и на Фиг.5, не был создан путем решения обратной задачи для реальных данных; они представляют собой просто иллюстрации, предназначенные для указания типов карт удельного сопротивления [69] и сравнений в зависимости от времени [73], которые могут выполняться с использованием способа, предложенного в настоящем изобретении. В отличие от случая простой модели с однородным слоем, который показан на Фиг.1 и Фиг.2, здесь нефтегазонасыщенность и значения толщины продуктивной зоны изменяются в пределах слоя пласта-коллектора вследствие его геологического строения и внутренних свойств, поэтому удельное сопротивление пласта-коллектора изменяется по горизонтали. Показаны места расположения смоделированных скважин 9 для добычи углеводородов. Контурами показаны значения вертикального удельного сопротивления, полученные путем решения обратной задачи, которые усреднены по общей толщине пласта-коллектора, равной 50 метрам (численные значения, выраженные в единицах Ом·м, указаны на справочной шкале градаций уровней серого), измеренные независимо по данным сейсмической разведки и данным о скважине. Среднее значение вертикального удельного сопротивления обычно является самым надежным параметром в решениях таких обратных задач. В хорошем первом приближении данные, собранные на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника, являются чувствительными, главным образом, к произведению вертикального удельного сопротивления на толщину на глубине залегания коллектора. В этом моделировании зона высокой проницаемости породы для жидкости обозначена пунктирной линией 41. Другие номера позиций обозначают те же самые элементы, что и на Фиг.1.
На Фиг.5 показано смоделированное решение трехмерной анизотропной обратной задачи по данным на линии перемещения источника и вне линии перемещения источника, собранным в более поздний момент времени, чем тот момент времени, который показан для результатов на Фиг.4, снова используя геометрическую конфигурацию геофизической съемки Фиг.2. В этом результате моделирования показано, что источник и приемники для геофизической съемки, выполненной в более поздний момент времени, расположены в точно тех же самых местах, что и для геофизической съемки в начальный момент времени. При практической реализации в решение обратной задачи для удельного сопротивления подземного пласта для более поздней геофизической съемки (более поздних геофизических съемок) могут быть внесены небольшие погрешности в том случае, если места расположения источника и приемника слишком удалены от тех мест их расположения, которые использовались при геофизической съемке в начальный момент времени, например, на расстояние свыше 100 метров.
Контуры, изображенные на Фиг.5, показывают значения вертикального удельного сопротивления, полученного путем решения обратной задачи, которые усреднены по толщине пласта-коллектора, равной 50 метрам, соответствующие данным измерений способом электромагнитной разведки морского дна с управляемым источником (CSEM), которые измерены в более поздний момент времени. В смоделированном результате среднее значение вертикального удельного сопротивления внутри смоделированного пласта-коллектора является существенно меньшим вблизи зоны высокой проницаемости породы для жидкости (то есть произошло уменьшение размеров более темных областей), как и ожидается в реальном пласте-коллекторе, поскольку среднее значение локального удельного сопротивления уменьшается вследствие вытеснения углеводородов, имеющих электрическое сопротивление. В зависимости от реальных значений пористости породы, проницаемости, начальной насыщенности флюидом реального пласта-коллектора и от темпа добычи углеводородов из двух скважин промежуток времени между первым изображением удельного сопротивления (Фиг.4) и вторым изображением удельного сопротивления, показанным на Фиг.5, обычно может составлять от 3 до 10 лет.
Из описания этого изобретения понятно, что сбор данных повторных геофизических съемок может производиться во множество моментов времени после первичной геофизической съемки в зависимости от ожидаемых темпов добычи, и что решения обратной задачи для удельного сопротивления получают соответствующим образом для одного или для большего количества более поздних моментов времени, а затем сравнивают их с решениями обратной задачи для начального момента времени или с решениями обратной задачи для удельного сопротивления для одного или для большего количества более поздних моментов времени, в которые производят упомянутые геофизические съемки.
hc1
hc2
hc
hc1
hc2
Кроме того, в варианте осуществления настоящего изобретения используют значения удельного сопротивления, полученные путем решения обратной задачи, в начальный момент времени 1 и, по меньшей мере, в один более поздний момент времени 2 для оценки (этап 70 из Фиг.6) средних значений нефтегазонасыщенности S и S в эти два момента времени, и для последующего составления карты (этап 71) и анализа (этап 73) изменений насыщенности ΔS=(S-S) в области пласта-коллектора в зависимости от времени. Преобразование из удельного сопротивления в насыщенность флюидом является хорошо известным для специалистов в данной области техники и может быть выполнено несколькими способами, описанными в известном уровне техники, в том числе с использованием эмпирических зависимостей, таких как, например, закон Арчи, с калибровкой по результатам измерений пористости коллектора и водонасыщенности, измеренных по каротажным диаграммам.
При практической реализации способа, предложенного в настоящем изобретении, для сбора, обработки, анализа и интерпретации данных могут использоваться способы, реализуемые как в частотной области, так и во временной области. Выбор между способами, реализуемыми во временной области, и способами, реализуемыми в частотной области, в значительной степени определяется эксплуатационными соображениями (например, глубиной моря), которые являются хорошо понятными для специалистов-практиков в данной области техники. Источники, аппаратура, устанавливаемая на морском дне, и датчики электрического и магнитного поля, необходимые для измерения данных, получаемых с морского дна, которые используют в этом изобретении, также являются хорошо известными для специалистов-практиков в области техники морской электромагнитной разведки с управляемым источником (CSEM). Эта аппаратура и датчики были изначально разработаны для морских магнитотеллурических съемок (см. публикацию Chave et al., "Electrical Exploration Methods for the Seafloor," Electromagnetic Methods in Applied Geophysics, 2, 931-966,. Society of Exploration Geophysicists, Tulsa (1991)).
Описанный выше пример применения приведен для иллюстрации конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако для специалиста в данной области техники очевидна возможность существования множества модификаций и изменений описанных здесь вариантов осуществления изобретения. Подразумевают, что все такие модификации и изменения не выходят за пределы объема патентных притязаний настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.