ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПОСОБ НА МЕЛКОВОДЬЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРАВЛЯЕМОГО ИСТОЧНИКА
ELECTROMAGNETIC METHOD ON SHALLOW WATER USING CONTROLLED SOURCE

Введение
Изобретение относится к геофизике. Более конкретно, изобретение относится к электромагнитной геофизике на море, предназначенной для обнаружения нефтеносных пластов пород в геологических слоях пород ниже морского дна.
Предпосылки создания изобретения
Слои пород ниже морского дна насыщены водой и содержат ионы, делающие породы электропроводными, которые вследствие этого имеют высокую удельную проводимость или низкое удельное сопротивление ρ, от 0,7 до 3 Ом·м. В этом описании заявитель будет использовать термин «удельное сопротивление», выраженное в единицах Ом·метр, сокращенно Ом·м. Углеводороды в виде нефти или газа вытесняют воду из поровых пространств таких нефтегазоносных слоев пород. Нефть не растворяет солей, и соответственно электрическая проводимость уменьшается, поэтому нефтегазоносные слои пород имеют высокое удельное сопротивление ρ, от 20 до 200 Ом·м, а в некоторых случаях имеют удельное сопротивление до 1000 Ом·м. Морская вода содержит много различных растворенных солей и обычно имеет удельное сопротивление около 0,3 Ом·м.
Изложение проблемы и уровень техники
Желательно находить нефтегазоносные слои пород. Можно исследовать геологические структуры посредством сейсмической разведки, например сейсмической разведки методом отраженных или преломленных волн, методом анализа изменения амплитуды с удалением и т.д., но нефтегазоносные участки слоя породы или геологической формации при сейсмическом анализе не всегда могут существенно отличаться от не содержащих нефти и газа участков той же самой формации или от других не содержащих нефти и газа формаций. В своей заявке №2003/0052685 на патент США и статье под названием “Remote detection of hydrocarbon filled layers using marine controlled source electromagnetic sounding”, EAGE 64th Conference & Exhibition, Florence, Italy, 27-30 May 2002, Eidesmo и соавторы описали электромагнитное исследование с помощью горизонтально расположенного электрического дипольного излучателя и электрических дипольных антенн в море над морским дном с сильно заглубленным углеводородным слоем. Дипольные антенны приемников представляют собой два набора горизонтальных ортогональных электродов. Eidesmo сравнивает результаты вычислений, полученные на основании двух моделей. Одна из моделей содержит углеводородный слой толщиной 100 м, имеющий удельное сопротивление 100 Ом·м и расположенный на 1000 м ниже морского дна, имеющего удельное сопротивление 1 Ом·м, при глубине моря 800 м. Другая модель не имеет углеводородного слоя. Углеводородный слой обеспечивает десятикратное повышение относительной амплитуды сигнала между продольным горизонтальным электрическим источником и поперечным горизонтальным электрическим источником при удалении от 4 до 6 км от источника. Углеводородный слой также обеспечивает значительную разность фаз между этими двумя ориентациями электрического излучателя. Это расхождение амплитуд является более значительным, чем то, которое можно ожидать в результате обычных вариаций удельного сопротивления в слоях пород над коллектором.
Кроме того, способ оказания электромагнитных геологических услуг описан в международной заявке WO2000/13046.
В патенте США №6628119 (Eidesmo et al.) под названием “Method and apparatus for determining the content of subterranean reservoirs” описан способ определения свойств подземного коллектора, положение и геометрия которого известны из предшествующего сейсмического картирования. Электромагнитное поле прикладывается излучателем и обнаруживается антеннами, которые также расположены на морском дне. Характеристики обнаруженных волн используются для определения, что содержит коллектор, воду или углеводороды.
В международной патентной заявке WO01/57555 охарактеризован способ определения характеристик подводного коллектора, геометрия которого приблизительно известна, и этот указанный способ содержит следующий этапы: приложение электромагнитного поля, изменяющегося во времени, к слоям, содержащим коллектор, обнаружение характеристики электромагнитного волнового поля, исследование в характеристике волнового поля составляющей, представляющей преломленную волну, и определение содержимого коллектора на основании наличия или отсутствия составляющей преломленной волны.
В международной патентной заявке WO00/54075 описано приблизительно вертикальное излучение электромагнитных волн для отражения от потенциального коллектора, и при этом поиск ограничен областью непосредственно над горизонтальной протяженностью коллектора. Используются излучающая вертикально параболическая антенна и приемники вблизи этой антенны, при этом все антенны находятся практически несколько выше коллектора.
В патенте США №4258321 (Neale) описаны вертикальная передающая антенна для избирательного излучения вертикально поляризованных сигналов или рамочная антенна и пара приемников, при этом один из них имеет вертикальную антенну, а другой снабжен рамочной антенной. Калибровочный сигнал излучается вдоль земной поверхности и принимается всеми приемниками, а разностный по амплитуде и фазе сигнал усиливается и регистрируется и позднее при анализе вычитается из измерительных сигналов на каждом приемнике.
В международной патентной заявке WO02/14906 от EMGS (Electromagnetic Geoservices ASA) описано исследование подводного коллектора путем осуществления излучения от электрических дипольных антенн, находящихся на одной линии с приемными антеннами, буксируемыми в море, приема волны первого типа, преломленной на коллекторе, и сравнения с волной второго типа, преломленной на том же самом коллекторе, и эти волны двух типов могут быть ортогональными, или одна из них может быть волной типа ТМ, а другая - волной типа ТЕ, и т.д.
Constable из Scripps Institution of Oceanography в документе “Peer Review”, Electromagnetic Geoservices, опубликованном в Интернете по адресу www.emgs.no, пишет, что «Выводы из модельной оценки являются такими, что если объект не слишком мал по сравнению с глубиной залегания его, а глубина моря является достаточной для подавления воздушной волны, то сигнатура управляемого источника, принадлежащая заполненному нефтью слою, может быть обнаружена, при этом образуются амплитуды в результате действия управляемого источника, которые имеют множитель, в 2-10 раз отличающийся от множителя для моделей без слоя. Сигналы находятся выше шумового порога, и экспериментальные параметры (частота, диапазон, антенна и мощность) являются практически возможными».
Настоящее изобретение нацелено на разработку, не связанную прежним ограничением, выраженным как «если глубина моря является достаточной для подавления воздушной волны», процитированным выше. Изобретатели предложили проводить электромагнитные измерения, используя предпочтительно буксируемый излучатель и неподвижные приемники в море и измеряя электрическое поле на таком большом расстоянии, при котором полностью гарантируется, что воздушная волна является по существу преобладающей и что волны через породы и море являются в значительной степени ослабленными. Затем электрическое поле, измеренное при больших удалениях, пересчитывают обратно к небольшим удалениям и пересчитанное поле вычитают из результатов измерений. То, что остается, является скорректированным электрическим полем, в котором вклады от нефтегазоносных слоев с высоким сопротивлением должны проявляться более отчетливо.
1
2
1
2
В одной из международных патентных заявок Statoil, WO03/100467 (Амундсен), под названием “System and method for electromagnetic wavefield resolution” описан способ обработки характеристики электромагнитного волнового поля во время операции каротажа морского дна. Волновое поле разделяют на распространяющиеся вверх и вниз составляющие. Распространяющаяся вниз составляющая представляет отражения от поверхности моря, тогда как распространяющаяся вверх составляющая представляет отражения и преломления на подземных слоях. Затем распространяющуюся вверх составляющую подвергают анализу. В соответствии с Амундсеном, страница 2, строки 7-10, для оптимальной обработки, анализа и интерпретации электромагнитных данных в идеальном случае требуется полная информация о волновом поле, чтобы осуществлять разделение волнового поля на распространяющиеся вверх и вниз составляющие. На странице 3, строки 25-28, Амундсен описывает составляющие Е и Е как электрические поля в первом и втором горизонтальных направлениях, а Н и Н как магнитные поля в первом и втором направлениях. Кроме того, на странице 3, строки 8-9, Амундсен четко констатирует, что каждая зарегистрированная составляющая электромагнитного волнового поля должна быть соответствующим образом прокалибрована до использования методики разложения. Амундсен также описывает, что калибровка датчиков, чувствительных к полям Е и Н, может быть проведена в ближнем поле. Однако градиенты полей могут быть значительными в ближнем поле и могут превалировать составляющие, которые не могут быть легко проконтролированы. Предложенным способом предоставляется альтернативный способ калибровки приемников, см. ниже. В другой международной патентной заявке WO2005/096021 от Statoil под названием “Electromagnetic wavefield analysis” Амундсен описывает способ анализа электромагнитных волновых полей. Способ содержит этапы измерения электрических и магнитных полей с использованием по меньшей мере одного приемника, образования фильтров применительно к каждой из взаимно ортогональных составляющих для каждого из электрических и магнитных полей и применения фильтров к данным измерений для разложения волнового поля на распространяющиеся вверх и вниз составляющие.
Настоящее изобретение нацелено на использование, не связанное прежним ограничением, выраженным как «если глубина моря является достаточной для подавления воздушной волны», процитированным выше. Изобретатели предложили проводить электромагнитные измерения предпочтительно с помощью буксируемого излучателя и неподвижных приемников в море и измерять электрическое поле при таком большом удалении, что резонно полагать воздушную волну по существу преобладающей, а волны через породы и море в значительной степени ослабленными. Затем осуществляют пересчет электрического поля, измеренного при больших удалениях, и пересчитанное поле вычитают из результатов измерений. То, что остается, является скорректированным электрическим полем, в котором вклады от нефтегазоносных слоев с высоким сопротивлением должны проявляться более отчетливо. Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что для получения желаемого эффекта необходимы данные только одной составляющей поля, например продольного поля Е, в отличие от способов (Lasse) Амундсена, описанных в международной патентной заявке WO2005/096021, где в основном цитируемом пункте формулы изобретения описывается, что по меньшей мере две составляющие должны быть измерены, электрическая и магнитная составляющие поля: «Способ анализа электромагнитного волнового поля, и этот способ содержит этапы: измерение электрического и магнитного полей по меньшей мере одним приемником;…».
Кроме того, настоящее изобретение не зависит от правильной калибровочной постоянной датчика для абсолютного уровня (если только все датчики являются одинаковыми), поскольку «калибровку» проводят в течение измерений при больших удалениях. Как описано Амундсеном в международной патентной заявке WO03/100467, процитированной выше, правильная калибровочная постоянная для полей Е и Н является обусловленной.
Краткая сущность изобретения
3
2
L
0
L
0
L
0
2
Настоящим изобретением предоставляется решение некоторых из указанных выше проблем, и оно представляет собой способ обработки и анализа зарегистрированных результатов электромагнитных измерений R, выполненных на или в море 4 над морским дном 1 с пластами 3 породы, имеющими относительно низкое удельное сопротивление ρ, для обнаружения возможной нижележащей нефтегазоносной породы-коллектора 2, имеющей относительно высокое удельное сопротивление ρ, в котором низкочастотный электромагнитный излучатель 5 располагают в море 4 и излучают электромагнитное поле Р, распространяющееся в море (4), в породах 3, 2 и в воздухе 0 над морем; в котором электромагнитные датчики 6 располагают с заданными удалениями x в море 4 для измерения электромагнитного поля P(x) в то время, когда поле распространяется, отличающийся тем, что измеряют одну или несколько составляющих электромагнитного поля Р при большом удалении x от излучателя 5, где поле Р имеет свое происхождение по существу только в результате поля, распространяющегося как поле P через воздух 0; тем, что одну или несколько составляющих электромагнитного поля Р, измеренных при большом удалении x, вычисляют обратно, чтобы пересчитать поле Р(x) к одному или нескольким удалениям x, меньшим, чем большое удаление x; тем, что пересчитанное поле Р(x) вычитают из поля Р(x) для возможного выделения поля, которое имеет свое происхождение от аномалий удельного сопротивления в подстилающей породе, такой как возможная нефтегазоносная порода-коллектор 2, имеющая относительно высокое удельное сопротивление ρ.
Дополнительные выгодные детали изобретения будут определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение иллюстрируется сопровождающими чертежами, которые предназначены для пояснения, но не для ограничения изобретения, которое должно ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.
На чертежах:
2
фиг.1 - график амплитуды измеренного электромагнитного поля или «амплитудная характеристика», измеренная в В/А·м, вычисленная на основании моделей 1 и 2 слоев (показанных на фиг.13) для частоты 0,25 Гц; амплитудная характеристика вычислена при наличии и отсутствии углеводородов в коллекторе; пожалуйста, обратите внимание на то, что в случае мелководья наличие углеводородов приводит к отрицательному отклику на расстоянии от около 4 до около 5 км и около 9 км от источника;
фиг.2 - нормированная амплитудная характеристика (относительная характеристика в сравнении с водонаполненным коллектором); кривая для «больших глубин» обрезана ожидаемым минимальным уровнем шума для мелководья;
фиг.3 - кривые фазовой характеристики, вычисленные с помощью модели 1 (мелководье), 0,25 Гц;
фиг.4 - кривые фазовой характеристики, вычисленные с помощью модели 2, 0,25 Гц (большие глубины); «предел шума при удалении» показывает ожидаемое удаление при пределе шума в случае мелководья;
фиг.5 - нормированная фазовая характеристика (разность фаз с учетом модели фона);
фиг.6 - нормированная амплитудная характеристика на основании модели 1 для различных частот;
фиг.7 - нормированная фазовая характеристика на основании модели 1 для различных частот;
фиг.8 - кривые вычисленных амплитуд для трех различных ожидаемых значений удельного сопротивления геологических слоев 3 покрывающей толщи; удельные сопротивления показаны на графике; в остальном такие же параметры, как и в модели 1;
фиг.9 - фазовые кривые для трех различных значений удельного сопротивления геологических слоев 3 покрывающей толщи; в остальном использованы такие же параметры, как и в модели 1;
фиг.10 - вариация глубины погружения источника вдоль линии горизонтального каротажа дна из Грейн-исследования в 2003 г.; приемные станции, поверх которых проходит буксируемый источник, показаны как R1, R2, …, R16;
фиг.11 - изменения фазовых кривых в зависимости от небольших изменений (10 м) возвышений источников над морским дном;
фиг.12 - результаты моделирования (модель 1) источника, расположенного на 50 м выше морского дна и на поверхности моря (на 125 м выше морского дна), при наличии и отсутствии углеводородов;
фиг.13а - модели для вычисления синтетических данных; модель для мелководья при наличии и отсутствии углеводородсодержащего слоя и модель для больших глубин при наличии и отсутствии углеводородсодержащего слоя;
фиг.13b - приблизительная иллюстрация путей, по которым электрическая энергия может распространяться и, в частности, по которым при больших удалениях энергия будет распространяться по воздуху;
фиг.13с - иллюстрация судна, буксирующего электромагнитную антенну, например электрическую горизонтальную дипольную антенну, и приемников, расположенных вдоль морского дна;
фиг.14 - иллюстрация амплитуды, полученной в результате вычитания воздушной волны по синтетическим данным для мелководья с использованием модели 1;
фиг.15 - иллюстрация результатов вычитания воздушной волны по синтетическим данным для мелководья (модель 1); нормированная амплитуда в сравнении с нормированной амплитудой для случая больших глубин;
фиг.16 - иллюстрация результатов вычитания воздушной волны по синтетическим данным для мелководья (модель 1); нормированная фаза (разность фаз) в сравнении с нормированной фазой для случая больших глубин;
фиг.17 - иллюстрация результатов вычитания воздушной волны на приемнике R12 на месторождении Грейн - амплитуда;
фиг.18 - иллюстрация результатов вычитания воздушной волны на приемнике R12 на месторождении Грейн - фаза;
фиг.19 - иллюстрация результатов вычитания воздушной волны на приемнике R11 на месторождении Грейн - амплитуда;
фиг.20 - иллюстрация результатов вычитания воздушной волны на приемнике R11 на месторождении Грейн - амплитуда;
фиг.21 - иллюстрация результатов вычитания воздушной волны на приемниках R12 и R11 на месторождении Грейн в сравнении с градиентами в пределах участков в диапазоне удалений 5-10 км; для определения местоположений приемников R11 и R12, пожалуйста, см. фиг.10, на которой показаны глубина погружения источника и местоположения приемных станций;
фиг.22а - иллюстрация реальных данных измерений с месторождения Грейн; на графике показан кажущийся собственный импеданс Е/Н по результатам электромагнитных измерений, выполненных при передаче 0,25 Гц; пожалуйста, обратите внимание на то, что кривая уплощается при больших удалениях, то есть там, где преобладает воздушная волна; при этом расстоянии существует постоянное соотношение между Е и Н;
фиг.22b - иллюстрация данных измерений с месторождения Грейн, при этом кривые фаз показаны в зависимости от расстояния источник-приемник; разности фаз не приведены во взаимное соответствие, а являются плавающими;
фиг.22с - иллюстрация полученных моделированием разностей фаз из аналитических решений для случая разностей фаз применительно к продольной Е и поперечной Н составляющим, вычисленным для глубины моря 140 м, при этом антенна удерживалась на 50 м выше морского дна и излучала частоту 0,25 Гц; на графике показаны фазы, вычисленные по удельным сопротивлениям в покрывающей толще 0,5 Ом·м, 1,0 Ом·м и 1,5 Ом·м.
Описание изобретения и примеры данных моделирования и измерений
Операции применительно к этому изобретению сосредотачиваются на анализе различных аспектов использования способа согласно изобретению, каротажа морского дна на мелководье, и на проверке нового способа вычитания воздушной волны для подчеркивания отклика коллектора в таких условиях.
Сама регистрация данных может проводиться следующим образом. Излучаемое электромагнитное поле F является переменным полем, имеющим частоты в диапазоне от 0,01 до 200 Гц. Согласно предпочтительному осуществлению излучаемое электромагнитное поле F может содержать частоты в диапазоне от 0,1 до 1 Гц, например 0,25 Гц. Предпочтительно, чтобы измеряемой составляющей электромагнитного поля F было электрическое поле Е. Кроме того, измеряемой составляющей электромагнитного поля F может быть магнитное поле В.
Используемый излучатель 5 может содержать электроды 50а, 50b, расположенные с разнесением на морском дне так, что они образуют электрический дипольный излучатель 5, но он также может представлять собой излучатель магнитного поля. Излучатель 5 в этом описании представляет собой в основном горизонтальную излучающую антенну с электродами 50а, 50b, расположенными в основном на одной и той же глубине, предпочтительно буксируемыми позади судна, которое снабжает излучатель 5 электрической энергией. Как вариант может быть использован излучатель магнитного поля, и он может быть использован для образования поля, в основном соответствующего полю от электрического дипольного излучателя 5.
Предпочтительно располагать датчики или измерительные электроды 6 парами вдоль в основном прямой линии 7, вытянутой от излучателя 5. Главная ось в излучателе 5, то есть ось между электродами 50a, 50b, проходит в основном в той же самой вертикальной плоскости, что и линия 7, то есть измеряют продольное поле Е, иначе говоря, при этих исследованиях рассматривают и используют так называемую поперечную магнитную волну или TM-волну. В соответствии с вариантом способа согласно изобретению главная ось в излучателе 5, то есть ось между электродами 50a, 50b, расположена в основном в поперечном направлении вертикальной плоскости, проходящей на протяжении линии 7 с датчиками 6.
Излучатель 5 может быть расположен на меньшей глубине или на поверхности 4, или опущен к морскому дну 1, или может находиться на морском дне 1.
Согласно предпочтительному осуществлению изобретения исследования проводят в морском районе, в котором глубина морского дна 1 ниже поверхности 4 моря значительно меньше, чем глубина залегания нижележащей нефтеносной породы-коллектора 2 под морским дном 1.
Результаты анализа, который был проведен, показали, что необходимо рассматривать использование иных частот, а не тех, которые используют в настоящее время для больших глубин, и что использование нескольких частот, и прежде всего более низких частот, может содействовать получению дополнительной информации, которая может иметь решающее значение при дальнейшей работе по обработке и интерпретации данных. Эти результаты также показали, что, по всей вероятности, в случае мелководья можно осуществлять регистрацию данных, имея источник на или вблизи поверхности, и поэтому с предполагаемыми преимуществами в отношении повышенной стабильности и управления источником.
Способ, который предложен в этом изобретении для вычитания воздушной волны, был проверен по набору синтетических данных и также по набору реальных данных, полученных в результате геофизических исследований на месторождении Грейн (норвежский сектор Северного моря), так называемых Грейн-исследований, в 2003 г. Представляется, что способ согласно изобретению работает удовлетворительно, однако необходима более тщательная проверка для получения сведений о слабых и сильных сторонах способа. Заявитель считает, способ согласно изобретению можно улучшить путем более точного вычисления воздушной волны для вычитания, учитывая диаграмму излучения источника, применяемого при исследованиях, и удельное сопротивление геологической покрывающей толщи, то есть пород 3 между морским дном 1 и слоем 2, который может быть нефтеносным и поэтому имеющим высокое удельное сопротивление. Термин «покрывающая толща» будет использоваться в последующей части этого описания. Одно из основных преимуществ предложенного способа согласно изобретению заключаются в том, что требуется иметь не больше одной составляющей вектора (в данном случае используют продольное поле Е). Способ может быть улучшен путем включения дополнительных составляющих вектора и использования, например, информации о направлении распространения волны, которая может быть получена по векторному произведению полей Е и Н.
Обоснование
При желании распространить использование горизонтального каротажа дна на глубины усугубляющегося мелководья необходимо более детально рассмотреть влияние воздушных волн. Общее мнение заключается в том, что получение достаточного различия в электромагнитных откликах области до и внешней поверхности коллектора в большинстве случаев, кроме как при мелком расположении коллектора, зависит от ослабления вклада от воздушной волны. Как упоминалось выше, одно из условий электромагнитного каротажа пород в морском дне согласно Constable заключается в том, что воздушная волна подавляется в достаточной степени.
Основой для создания изобретения была попытка разработать последовательность действий для удаления воздушной волны с использованием разделения волнового поля, но оказалось, что это не обеспечивает желаемого эффекта в случае мелководья. Причина может быть в том, что заявитель начал с до некоторой степени упрощенной модели реальной среды, при этом для модели потребовался, среди прочего, абсолютный контроль калибровочных параметров для электрических и магнитных приемников, что на практике оказалось нетривиальным.
На основании этих опытов изобретатели предложили проверить альтернативный способ, в котором вместо базирования на абсолютной калибровке, для «калибровочных» и вычислительных атрибутов используются данные измерений, регистрируемые на протяжении большого диапазона удалений. С помощью предложенного способа согласно изобретению абсолютная калибровка становится излишней, поскольку локальные электрические и магнитные условия в среде приемников будут учитываться автоматически.
Цель заключается в попытке использования факта, заключающегося в том, что воздушная волна, которую желательно ослабить, распространяется через две очень однородные среды, воздух и воду, которые обе имеют достаточно точно известные и легко измеряемые значения удельной проводимости и диэлектрической проницаемости. Однако работа над этим проектом показала, что воздушная волна, регистрируемая при больших удалениях, содержит много энергии от подстилающей породы, близкой к источнику.
В случае больших расстояний (удалений) источник-приемник, сравнимых с глубиной моря, например в диапазоне 10-15 км, не будет других сигналов, кроме как поступлений воздушной волны. На основании того, что только воздушная волна является измеряемой при таком диапазоне, заявитель полагает, что должна существовать возможность пересчета влияния воздушной волны к до некоторой степени меньшим удалениям, например 4-8 км, при которых также будет иметься отклик коллектора. Расчетная характеристика воздушной волны может быть использована позднее для вычитания или компенсации другого вида или «построения атрибутов» с тем, чтобы коллектор стал более видимым в данных.
Способы, основанные на принципе согласно изобретению, могут быть использованы для управления локальными вариациями сигнала («контакта с грунтом») приемника, поскольку можно выбирать использование одних и тех же физических приемников и групп приемников в двух категориях удалений (10-15 км и 4-8 км). Категории оптимальных удалений будут зависеть от модели и регистрируемых параметров, в частности от частоты, и должны рассматриваться в каждом конкретном случае путем анализа данных измерений и моделирования.
Одномерное моделирование
Для лучшего понимания вклада воздушных волн в данные в случае мелководья проведено одномерное моделирование. За основу модели принята упрощенная версия ситуации на месторождении Грейн.
Модель 1 задавалась в следующем виде.
Глубина моря: 130 м.
Удельное сопротивление покрывающей толщи: 1,5 Ом·м.
Удельное сопротивление коллектора: 50 Ом·м (0,8 Ом·м, если не является нефтеносным, то есть содержит воду).
Глубина коллектора (ниже морского дна): 1700 м.
Толщина коллектора: 80 м.
«Полупространство», то есть все в «полупространстве», ниже упомянутого выше: 2 Ом·м.
Модель 2 задавалась как эквивалентная модели 1 за исключением отличия, заключавшегося в том, что глубина моря задавалась равной 2000 м, а не 130 м, так что воздушный импульс не влиял на результаты (если излучатель и приемник находились на морском дне). Таким образом, имелась одна модель для мелководья и одна для больших глубин.
Сначала рассмотрим частоту 0,25 Гц, впоследствии для сравнения также будет проведено частичное моделирование на других частотах.
Отклик коллектора при наличии и отсутствии воздушной волны (мелководье и большие глубины)
На фигурах с 1 по 5 показаны результаты одномерного моделирования с использованием моделей 1 и 2 при наличии и отсутствии углеводородов для 0,25 Гц. Из фиг.1, на которой показана амплитуда в зависимости от удаления, видно, что модель 1 (мелководье) в целом обеспечивает более сильные сигналы, но с меньшим разделением между заполненными углеводородами и заполненными водой коллекторами. Также можно видеть, что отклик углеводородсодержащего коллектора, имеющийся в модели для случая мелководья, является противоположным по характеру (отрицательным) по сравнению с моделью для случая больших глубин, пожалуйста, обратите внимание на удаление от источника начиная от около 4,5 км. Это лучше изображено на нормированных графиках, показанных на фиг.2, где в случае мелководья кривая спадает ниже 1 после прохождения 4 км. На фиг.1 прерывистой линией показан ожидаемый уровень шума. Он основан на данных горизонтального каротажа дна на месторождении Грейн в 2003 г. Заявитель исследовал, при каком удалении шум начинает преобладать, и связал это преобладание с результатами модели для мелководья. С учетом того, что уровень шума в случае мелководья выше, чем в случае больших глубин, вследствие ослабленного эффекта экранирования по отношению к магнитотеллурическому шуму, так называемому MT-шуму, не может достигаться лучшее разделение, чем то, которое ограничивается линией шума даже в случае традиционного способа «идеального» разделения. Поэтому масштаб по вертикали на фигурах 2 и 4 задан таким, что кривые, проходящие ниже уровня шума, не видны.
На фигурах 3 и 4 показаны фазовые характеристики. Видно, что при наличии углеводородсодержащего слоя для фазы имеется такая же ситуация, как и для амплитуды, то есть противоположные характеристики в случаях моделей соответственно для больших глубин и мелководья. Кроме того, заметно, что при учете ожидаемого уровня шума фазовая характеристика в случае мелководья находится не намного ниже, чем в случае больших глубин.
Вариации отклика на различных частотах
Отклик изменяется с частотой. Это справедливо как в случае модели для мелководья, так и модели для больших глубин, тогда как в исходных данных эффект выражается до некоторой степени различным образом. В случае мелководья видимый отклик коллектора в исходных данных будет ослабляться на верхних частотах, хотя обычно он усиливается на нижних частотах. Вероятно, причина этого заключается в том, что содержание воздушных волн в «преломленных волнах» из субстратов уменьшается на верхних частотах, тогда как одновременно возрастает затухание «прямой волны» в субстратах.
На фигурах 6 и 7 показана характеристика для мелководья (модель 1) на трех различных частотах (0,1, 0,25 и 1 Гц).
Воздушная волна содержит информацию о субстратах
При изучении результатов моделирования можно видеть, что субстраты оказывают влияние на воздушную волну. Это означает, что энергия, которая сначала распространяется вниз в субстраты и затем повторно появляется на поверхности, проходит через водный слой и выходит в воздух с тем, чтобы затем быть зарегистрированной в виде части воздушной волны на удаленном на большое расстояние приемнике. Пожалуйста, обратите внимание на фиг.13b. Кроме того, энергия будет проходить по воздуху и входить в грунт. То, какая часть энергии принадлежит различным путям, зависит от модели удельного сопротивления, частоты, возвышения источника над морским дном, диаграммы излучения (сигнатуры источника) и глубины моря.
Диаграмма излучения электрической антенны (в ближнем поле) может быть весьма сложной для расчета в условиях мелководья, особенно при изменяющихся электромагнитных свойствах субстратов. В настоящее время отсутствуют вычислительные программы, которыми эти проблемы решаются хорошо и в деталях. Однако можно получить упрощенное решение, используя программу одномерного моделирования для вычисления отклика по одному дипольному источнику. В этом проекте заявитель проверил на практике использование одномерной программы для нахождения амплитуды воздушного импульса при больших удалениях в зависимости от удельного сопротивления покрывающей толщи. Выбирались три различных удельных сопротивления покрывающей толщи: 0,3 Ом·м (соответствующее морской воде), 1,5 Ом·м («обычная» покрывающая толща) и 5 Ом·м («покрывающая толща с высоким удельным сопротивлением»). Другие параметры (глубина погружения источника и т.д.) совпадают с заданными для модели 1 (см. выше в перечне).
Результаты этих вычислений отображены на фиг.8, на которой показаны кривые амплитуд при трех различных удельных сопротивлениях для геологических слоев покрывающей толщи на нефтяном наносном слое, и фиг.9, на которой показано влияние на фазовые кривые соответственно изменяющихся удельных сопротивлений в геологических слоях покрывающей толщи. Воздушная волна преобладает, когда фазовая характеристика является плоской (кажущаяся скорость равна бесконечности), и из фиг.9 можно видеть, что воздушная волна начинает преобладать при различных удалениях для трех моделей. Такое изображение обусловлено тем, что вклад помехи от «прямой волны» сильнее и имеет более приоритетное значение при более высоких удельных сопротивлениях покрывающей толщи.
При изучении крайней правой области на чертежах (при удалении 20 км), где воздушная волна преобладает при всех моделях и где фазовые кривые являются плоскими, см. фиг.9, видно, что интенсивность сигнала является различной для трех случаев, см. фиг.8. На фигурах видно, что воздушная волна регистрируется как более сильная в случае, когда удельное сопротивление покрывающей толщи является высоким, чем в случае, когда оно является низким. Это означает, что «воздушная волна» содержит геологическую информацию, а не только состоит из энергии, распространяющейся прямо от источника к приемнику. Заявитель не будет анализировать эти проблемы в части того, какая часть этого усиления является результатом изменений в ближнем поле источника (импеданса источника и т.д.) или относящихся к приемникам или образована отражениями, преломлениями вдоль пути. Заявитель просто констатирует, что на амплитуду воздушной волны, регистрируемую на приемниках при больших удалениях, влияет удельное сопротивление субстратов. Она содержит по существу геологическую информацию, которая может быть обработана путем инверсии и интерпретации.
Влияние глубины погружения источника
Влияние вариаций глубины погружения источника на результаты измерений
Когда возвышение источника над морским дном и/или глубина погружения ниже поверхности моря изменяются, сигналы, принимаемые на приемниках при различных удалениях, также изменяются. Это относится к мелководью и большим глубинам, но эффект сильнее в случае мелководья, поскольку больше относительное изменение глубины погружения относительно поверхности моря. Это также относится к амплитудной и фазовой характеристикам, но относительно больше к фазовой характеристике. Этот эффект возрастает с повышением частоты.
На фиг. 10 показано, как на практике глубина погружения источника может изменяться вдоль линии приема. Данные взяты из результатов горизонтальных каротажных исследований дна на месторождении Грейн в 2003 г., и они свидетельствуют о том, что глубина погружения излучателя 5 изменялась от 75 м до 105 м.
Для дальнейшего исследования влияния изменяющейся глубины погружения источника заявитель провел простое моделирование на базе модели 1 (модели без углеводородов), описанной выше, в которой характеристика вычислялась для различных глубин погружения источника и частот. Результаты этих вычислений показаны на фиг.11 и свидетельствуют о сдвигах фаз, когда возвышение источника над морским дном изменялось от 40 до 60 м. В случае относительно больших изменений фазы многочастотные данные должны корректироваться, в частности, на повышенных частотах во время инверсии. Кроме того, в ситуациях, в которых просматриваются небольшие изменения в геологической подстилающей породе, в случае фазовых сдвигов, привносимых вследствие изменения возвышения источника вдоль линии приема, также следует осуществлять коррекцию на нижних частотах.
Новая возможность: источник может буксироваться на или вблизи поверхности
Для исследования влияния положения источника на отклик заявитель выполнил одномерное моделирование для случая источника, находившегося на 50 м выше морского дна, и источника, находившегося несколько ниже поверхности (на 125 м выше морского дна), при наличии и отсутствии углеводородов.
Результаты, показанные на фиг.12, свидетельствуют, что изменения амплитудной характеристики в зависимости от положения источника являются небольшими и что относительные отклики углеводородов (различия между откликами при наличии и отсутствии углеводородов) являются почти одинаковыми.
Это означает, что в случае модели для мелководья, такой как эта (модель 1 с источником на различных глубинах погружения), различия при буксировке источника вблизи дна или на поверхности являются небольшими. Это означает, что источник согласно предпочтительному осуществлению изобретения с тем же успехом может буксироваться непосредственно на или несколько ниже поверхности моря. Имеются значительные преимущества при буксировке таким способом. Если антенна источника соединена с плавучими элементами на поверхности, можно констатировать постоянную глубину погружения источника и постоянную горизонтальную ориентацию антенны на протяжении пути исследования. Кроме того, проще сохранять управление источником и обеспечивать более точную регистрацию азимута источника. В итоге, будут обеспечиваться улучшенное управление источником и повышенная стабильность источника. При буксировке на поверхности также можно управлять другими и более мощными источниками по сравнению с используемыми в настоящее время. Кроме того, можно использовать возможности, заключающиеся в том, что можно применять более короткие кабели питания и тем самым уменьшать потери энергии.
Моделирование показало, что если источник и/или приемники находятся ближе к поверхности моря, уровень сигналов может быть существенно повышен почти без больших различий в откликах коллекторов. Заявитель отмечает, что, например, в случае экстремально высоких фазовых характеристик различия между случаем углеводородсодержащей породы-коллектора и случаями водонаполненной породы-коллектора могут быть обнаружены на некоторых частотах, если источник и/или приемники расположены ближе к поверхности моря.
Новый способ вычитания воздушной волны
При выполнении моделирования, представленного в этом описании выше, заявитель обнаружил, что воздушная волна в значительной степени влияет на регистрацию данных на мелководье. В случае больших удалений воздушная волна является полностью преобладающей. Поэтому является желательным уменьшение такого влияния ее с тем, чтобы отклики субстратов и особенно некоторых геологических формаций в данных были относительно усиленными. Ниже представлен способ, целью которого является как раз этот эффект усиления откликов субстратов по сравнению с воздушной волной.
Принцип способа
Основные положения способа имеют следующие компоненты:
- в случае больших расстояний источник-приемник (сравнимых с глубиной моря) нет других сигналов, кроме вступления воздушной волны;
- на основании того, что воздушную волну можно измерять на этом интервале, в соответствии с изобретением предложен способ пересчета влияния воздушной волны к меньшим удалениям по сравнению с большими расстояниями источник-приемник. Кроме того, в случае меньших удалений будет иметься отклик коллектора с высоким сопротивлением;
- расчетную характеристику воздушной волны вычитают из измеренного сигнала с тем, чтобы усилить воздействие от коллектора с высоким удельным сопротивлением.
Последовательность действий по вычитанию воздушной волны может быть описана следующим образом:
- оценивают форму сигнала воздушной волны, например, путем моделирования, и эта модель является упрощенной моделью фона (воздуха, моря, геологической покрывающей толщи), например только воздуха и морской воды. Этот способ вычисления формы воздушного импульса является упрощенным и может быть улучшен, например, путем использования более детализированной модели для геологической покрывающей толщи. В модели источник и приемники расположены на одном и том же уровне ниже поверхности моря, в котором данные измерений должны регистрироваться. В процессе моделирования используют источник подходящего вида, например горизонтальный диполь, имеющий заданную длину, и приемник подходящего вида;
- абсолютный уровень воздушной волны находят на основании данных измерений. Выбирают одно или несколько мест выноса («дальностей выноса»), где на основании данных измерений можно обнаружить, что имеется только воздушная волна (то есть фазовый градиент равен нулю). Уровень воздушной волны приравнивают к измеренному в этом опорном месте или в этих опорных местах (если используют несколько);
- таким образом, уровень и форму амплитуды и фазу воздушной волны получают в зависимости от удаления, и ее воздействие можно вычесть из данных измерений.
Математические вычисления выполняют в комплексной плоскости.
Таким образом, способ отделения воздушной волны базируется на «калибровке» данных, основанных на фактических регистрациях при больших удалениях. Таким способом только частично учитывается, что воздушная волна находится под влиянием покрывающей толщи. Геологическая покрывающая толща вызывает возрастание уровня воздушной волны при больших удалениях по сравнению с уровнем воздушной волны, вычисленным с использованием модели суша-море, и это возрастание учитывают путем перемещения вверх первоначально вычисленного уровня воздушной волны. Кроме того, есть надежда, что вычисления с использованием такого способа не будут особенно чувствительными к небольшим и отдельным ошибкам калибровки между измерительными приборами и к воздействию изменений локальных геологических и топологических ошибок, привязанных к отдельным приемникам. Дополнительной проверкой способа с использованием реальных данных будет показано, насколько способ является робастным при применении.
Проверка способа с использованием синтетических данных
Ниже описывается проверка способа с использованием синтетических данных. Вместо использования полевых данных осуществляли вычисление данных измерений, используя электромагнитное моделирование.
В остальном способ такой же, как и в случае реальных данных.
Способ осуществляют в следующей последовательности:
- вычисление синтетических данных измерений с использованием модели удельного сопротивления: в этом случае используют модель 1, представленную выше как упрощенная модель для месторождения Грейн;
- выполнение последовательности действий по вычитанию воздушной волны (рассмотренному выше);
- сравнение результатов с результатами моделирования по модели 2 для «случая больших глубин» (соответствующей модели 1, но при глубине моря 20 км);
- вычисление осуществляют для двух различных случаев: при наличии и отсутствии углеводородов на уровне коллектора. Кроме того, в этом случае можно сравнивать нормированные значения.
Модели, использованные для вычисления «синтетических данных измерений», показаны на фиг.13а. Результаты проверок показаны на фигурах 14, 15 и 16.
Из результатов видно, что способ находится в удовлетворительном соответствии с этими моделями. Способом обеспечивается усиление амплитуды результата для углеводородов за пределами расстояния около 4 км от источника до уровня, который является более высоким, чем в случае больших глубин. Фазовая характеристика после вычитания воздушной волны приблизительно такая же, как и в случае больших глубин.
Проверка способа по реальным данным измерений из месторождения Грейн
Заявитель дополнительно проверял способ согласно изобретению по данным от двух приемников, использовавшихся при Грейн-исследовании в 2003 г., приемников R11 и R12, расположенных по обеим сторонам коллектора, пожалуйста, обратите внимание на фиг.10, при этом эти две станции были расположены по обеим сторонам относительно местоположения коллектора. Результаты вычислений показаны на фигурах 17-20.
Если после вычитания воздушной волны очень точно сравнивать градиенты амплитуд при больших положительных удалениях, то можно видеть, что R11 на стороне положительного удаления имеет более низкий абсолютный градиент, чем R12. При детальном сравнении градиентов в случае отрицательных удалений эффект является противоположным, пожалуйста, обратите внимание на фиг.21. Это может указывать на то, что коллектор является видимым в данных.
Комментарии к проверке по собранным данным в результате Грейн-исследования
- Результаты этого примера свидетельствуют о правильном направлении, но желательно иметь результаты измерений из нефтяного месторождения при относительно небольших глубинах моря с лучшими условиями удельной проводимости, чем на месторождении Грейн. Ранее выполненные одномерные инверсии данных из месторождения Грейн показали, что профиль удельного сопротивления является значительно менее подходящим для обнаружения, чем модель, использованная при проверке по синтетическим данным. На месторождении Грейн отмечено более высокое и изменяющееся удельное сопротивление в покрывающей толще и высокое удельное сопротивление несколько ниже уровня коллектора (обнаруженное при использовании первоначальных примеров инверсии).
- Необходимо предварительно обрабатывать данные для удаления шума до осуществления отделения воздушной волны и впоследствии с повышенным вниманием выбирать опорную точку для «полного вклада воздушной волны».
- В процесс отделения воздушной волны этого вида можно включать дополнительные компоненты, например магнитные данные, и также включать данные P=E×H о направлении, где Р является вектором Пойнтинга в плоскости направления распространения энергии, что позволяет осуществлять специфическую калибровку локальности.
- В способе предполагается, что диаграмма излучения антенны известна или может быть измерена. До сих пор предполагалось, что источник является унитарным диполем (это также применимо к одномерной инверсии). Надо полагать, что это не случай данных измерений из месторождения Грейн, где в данных наблюдалась асимметрия, и, вероятно, в этой области достигнут большой прогресс.
- Следует отметить, что для способа требуются качественные данные при больших удалениях. Данные из месторождения Грейн находятся на пределе необходимого качества, при этом многие являются достаточно качественными, в некоторых имеется слишком большой шум.
- Фазовые вычисления являются чувствительными к глубине погружения источника относительно поверхности моря. Глубина погружения источника при Грейн-исследовании изменялась, среди прочего, отчасти вследствие прохождения мимо морских сооружений, и этим можно объяснить, почему в фазовых данных из месторождения Грейн не обнаруживалась однородность на этой стадии обработки. Независимо от этого может быть выгодно буксировать источник на поверхности.
Калибровка приемников
На фиг.22а показаны результаты реальных измерений, полученные при Грейн-исследовании. Кривая отражает так называемый кажущийся собственный импеданс Е/Н для случая электромагнитных измерений, выполненных с использованием излучения 0,25 Гц. Можно ясно видеть, что кривая уплощается при больших удалениях, при которых преобладает воздушная волна. На этом расстоянии также существует очевидное соотношение между Е и Н. Вариантом способу Амундсена может быть использование этого постоянного соотношения между Е и Н при больших расстояниях. Калибровка относительной фазы между полями Е и Н, в которых воздушные волны преобладают и в которых фаза выравнивается, может быть осуществлена, как известно, так, чтобы разность фаз между двумя кривыми в случае нормальных удельных сопротивлений была постоянной, обычно равной 4°, почти не зависящей от положенной в основу геологической модели. Из фиг.22с видно, что эта разность, вычисленная из модели, подтверждается, см., пожалуйста, ниже. Амплитуды отношения Е/Н сигналов также будут постоянными там, где воздушная волна преобладает, но на постоянную будет оказывать влияние удельное сопротивление в субстратах. Однако если иметь калиброванную фазу, с помощью анализа фазовых данных для небольших удалений можно вычислять приближенный профиль удельного сопротивления и использовать его для больших удалений, чтобы также осуществлять калибровку амплитуд.
Кроме того, на фиг.22b представлены данные измерений, полученные при Грейн-исследовании, где показаны кривые фазы в зависимости от расстояния источник-приемник. В данном случае разности фаз не показаны в точном взаимоотношении, а приведены случайные разности фаз для значительных удалений, однако известно, что разность фаз должна быть около 45° при больших удалениях, и поэтому будет иметься разность фаз, калиброванная для приемника при прохождении источника над приемником.
На фиг.22с показаны полученные моделированием разности фаз для аналитических решений, относящихся к разностям фаз для продольной Е и поперечной Н составляющим, вычисленные для глубины моря 150 м, при наличии антенны, расположенной на 50 м выше морского дна, и для излученной частоты 0,25 Гц. Кривыми показаны фазы для 0,5 Ом·м, 1,0 Ом·м и 1,5 Ом·м. В данном случае фазы даны в радианах. Необходимо представлять себе, что все вычисленные разности фаз между удельным сопротивлением 0,5 Ом·м морского дна и вычисленными Ey и Hx удельным сопротивлением 1,0 Ом·м и вычисленными Ey и Hx и удельным сопротивлением 3 Ом·м и вычисленными Ey и Hx точно равны π/4 при больших удалениях, то есть 45°.
Заключение
Представляется, что способ согласно изобретению, предназначенный для вычитания воздушной волны, работает удовлетворительным образом, но, возможно, необходимо выполнить дополнительные проверки на реальных полевых данных для более детального выяснения сильных и слабых сторон. Способ может быть усовершенствован и улучшен в нескольких аспектах, среди прочего, путем вычисления воздушной волны с повышенной точностью для обеспечения лучшего вычитания с учетом диаграммы излучения применяемого источника (а не теоретического источника), который применяют при исследованиях, и удельного сопротивления покрывающей толщи. Хотя одно из основных преимуществ предложенного способа заключается в том, что необходимо иметь не более одной составляющей вектора (в данном случае проверяемого по продольным полям Е), необходимо смотреть дальше и исследовать, можно ли улучшить способ путем включения большего количества составляющих вектора.
В числе преимуществ каротажа морского дна на мелководье имеются следующие:
- в большинстве случаев способ позволяет иметь более высокий уровень сигнала, при этом больше энергии в целом распространяется в субстраты;
- способ позволяет стабилизировать источник и облегчает измерения ориентации источника при буксировке источника на или вблизи поверхности моря. Один возможный недостаток способа заключается в опасности повышения в некоторой степени магнитотеллурического, то есть создаваемого в атмосфере, электромагнитного шума;
- способом также прокладывается путь к новым возможностям путем использования более мощных источников, имеющих улучшенное управление положением, поскольку способ позволяет буксировать источник на или вблизи поверхности, где можно видеть и закреплять буи, соединяемые с источниками и элементами антенны;
- способ обеспечивает возможность использования дополнительной информации, являющейся следствием вертикально распространяющихся волн при больших удалениях, для калибровки измерительных приборов и/или нахождения профиля удельного сопротивления путем инверсии.