СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
METHOD AND DEVICE FOR MARINE ELECTRICAL EXPLORATION OF OIL AND GAS FIELDS

Область техники
Заявляемая группа изобретений относится к области разведочной геофизики, в частности к способам осуществления геоэлектроразведки методом вызванной поляризации, и предназначена для прогнозирования залежей углеводородов в транзитной зоне шельфа при глубинах до 10 м.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время для морской разведки залежей углеводородов широко применяются различные методы, связанные с воздействием на морское дно импульсов электромагнитного поля, регистрацией изменений электромагнитных параметров придонных пород и анализом полученных данных для обнаружения имеющихся аномалий и определения их природы (RU 2236028, 2004; SU 1122998, 1984; SU 1798666, 1996; SU 1434385, 1988; US 4298840, 1981; US 4617518, 1986), которые осуществляют с помощью различных исследовательских комплексов аппаратуры и оборудования (ИК).
Так, известен комплекс для морской электроразведки на дрейфующей льдине, состоящий из возбуждающих и приемных установок, источника знакопеременных периодических импульсов тока и установки обработки данных. При использовании комплекса возбуждающую и приемные установки размещают вертикально подо льдом в неподвижном слое воды (RU 2069375, 1993). Подачу импульсов проводят источником знакопеременных периодических импульсов тока силой в несколько десятков ампер с помощью ЭРС 72 или иной установки, обработку данных с помощью цифровой электроразведочной станции типа ЦЭС. Профилирование разреза осуществляют с фиксированным расстоянием между точками возбуждения и приема сигналов после воздействия знакопеременным импульсом. Измеряют только вертикальную компоненту электрического поля. Однако данная технология не может быть использована при измерениях в движении судна, т.к. основывается на работе с неподвижным относительно льдины слоем воды, а также неработоспособна при работе на малых глубинах, где свободный дрейф льдины затруднен.
Известно устройство для измерения сопротивления морского дна (GB 2390904) с помощью вертикальных электрического и магнитного диполей, размещенных на буксируемом подводном аппарате, и комплекта донных станций. Однако это устройство принципиально неприменимо на мелководье из-за громоздкости установки. Кроме того, основывающийся на ее работе способ не обладает достаточной точностью, т.к. не в полной мере использует возможности изучения поляризационных характеристик пород морского дна.
Более универсальным и перспективным при разведке с помощью судов является метод вызванной поляризации (ВП) (RU 2236028; RU 2253881, SU 1798666; SU 1434385; US 4298840; US 4617518), позволяющий при построении профиля учитывать как проводимость, так и поляризуемость пород морского дна.
Известны способы и устройства (RU 2236028; RU 2253881), в которых среда возбуждается буксируемой за судном горизонтальной генераторной линией, а измерение первичных и вторичных сигналов осуществляется буксируемой приемной линией длиной от 500 до 1000 м. Данное устройство практически неприменимо в условиях мелководья, когда судно, на котором базируется установка, должно находиться на достаточном расстоянии от берега в зоне больших глубин. Кроме того, при использовании подобного способа возможности получения информации ограничены, т.к. предусматривают лишь два варианта: либо возбуждение среды на фиксированном симметричном относительно точки зондирования расстоянии, либо непосредственно в точке зондирования при двух измерительных установках. Так, в патенте RU 2236028 используют однополярные импульсы тока и генераторный диполь располагается по оси линии измерений.
В частности, известен (SU 1434385, 1988) комплекс, состоящий из раскладываемой на дне питающей линии, длина которой в 5-10 раз больше заданной глубины исследований, подключенного к ней генератора и датчиков измерений, подключенных к измерительной аппаратуре. После наладки аппаратуры и компенсации сигналов естественного поля и собственной поляризации электродов датчиков в линии возбуждают электрическое поле, пропуская импульсы тока, причем в конце каждого импульса через заданный интервал времени измеряют соответствующие сигналы вызванной поляризации и на основе полученных результатов производят моделирование разреза. Недостатком метода является низкая производительность метода, связанная с относительно небольшой областью измерения, определяемой длиной питающей линии
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой группе технических решений являлся исследовательский комплекс (RU 0048645, 2005), состоящий из судна, на котором размещен генератор и блок формирования возбуждающего поля (БФП), позволяющие генерировать импульсы в дискретном режиме, измерительная аппаратура и вспомогательные устройства. БФП связан с погруженными в воду вертикальным диполем с питающими электродами, нижний конец которого находится на расстоянии не более 100 м от дна моря. Для регистрации сигналов используют комплект донных станций (ДС), в качестве которых используются типовые электрические или магнитные донные станции с гибкими штангами, служащими для размещения приемных электродов. Станции располагают таким образом, чтобы не менее трех станций находились в области возможного месторождения, а часть станций находилась за его пределами. В качестве вспомогательных устройств в ИК входят, в частности, блок системы самовсплытия донных станций, балластное устройство, обеспечивающее рассеивание мощности генератора в промежутках между импульсами и представляющее собой пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами, аппаратура для определения места судна, глубины моря и т.п.
Способ измерения заключается в том, что при выходе судна в точку начала профиля перед постановкой донных станций производится синхронизация часов БФП и донных станций. Донные станции устанавливаются вдоль профиля измерений в заранее заданных точках таким образом, чтобы не менее трех станций находились в области возможного месторождения, а часть станций находилась за его пределами. После постановки станций судно выходит в точку, расположенную на расстоянии не менее глубины моря от начала профиля, генераторную линию опускают вертикально, чтобы нижний питающий электрод находился на расстоянии не более 100 м от дна, далее запускается БФП, который формирует двуполярные импульсы с паузами, оказывающие поляризующее действие на породы морского дна. В паузах к судовому генератору подключается неизлучающее балластное устройство, что снижает броски тока нагрузки. БРО осуществляет измерение тока в диполе с заданной программным путем дискретностью как во время импульса, так и в паузе между импульсами с фиксацией времени начала и конца каждого импульса. Донные станции осуществляют регистрацию сигнала с той же дискретностью, что и в БФП, как во время импульса, так и в паузе между импульсами. На базе полученных данных, характеризующих как проводимость, так и поляризуемость пород морского дна, строится профиль разреза, на базе которого делается заключение о наличии или отсутствии нефтегазовых месторождений.
Недостатком данного решения являлось практическая невозможность его применения в транзитной зоне шельфа в связи с необходимостью использования вертикальной генераторной линии длиной от нескольких десятков до нескольких сотен метров, что практически невозможно при глубинах до 10 м.
Технической задачей, решаемой авторами, являлось создание ИК и способа измерения для работы в транзитной зоне шельфа, позволяющего более точную и достоверную информацию о природе пород морского дна на основании как проводимости пород, так и их поляризационных характеристик.
Технический результат в отношении заявляемого способа состоит в том, что в качестве источника информации о состоянии пород используют данные как о проводимости пород, так и их поляризационные характеристики, в частности вычисляемые как непрерывное измерение первых и вторых разностей потенциалов электрического поля как во время пропускания тока, так и в паузе между ними в широкой пространственно-временной области. Для этого генераторную линию буксируют за судном по поверхности моря, возбуждение поля осуществляют знакопеременными импульсами прямоугольной формы, регистрируют развертку сигналов во времени с помощью многоканальных донных станций, снабженных приемными линиями (косами), имеющих не менее трех электродов, расположенных на расстоянии 50-500 м друг от друга, регистрируют временные ряды первых и вторых разностей потенциалов электрического поля между электродами как во время пропускания тока, так в паузе между импульсами, а при интерпретации информации используют информацию о поле как во время пропускания тока, так в паузе между импульсами в широкой пространственно-временной области и определяют не только сопротивление среды, но также ее поляризационные характеристики.
2
Технический результат в отношении заявляемого устройства состоит в создании комплекса, позволяющего регистрировать временные ряды первых и вторых разностей потенциалов электрического поля между электродами как во время пропускания тока, так в паузе между импульсами, что позволяет получить представление как о параметрах электрического сопротивления материалов морского дна, так и их поляризационных характеристиках. Это достигается тем, что в ИК, состоящем из транспортного средства (судна), на котором расположена аппаратура формирования дискретных двуполярных генераторных импульсов, неизлучающее балластное устройство, аппаратура для считывания и записи информации с донных станций, регистрации места и времени генерации импульсов тока и инициализации донных станций; буксируемой горизонтальной генераторной линии; многоканальных донных станций, снабженных приемными линиями (косами), имеющими не менее трех электродов, расположенных на расстоянии 50-500 м друг от друга, позволяющих регистрировать и сигналы становления поля ΔU и их пространственную производную ΔU и регистрировать измерение первых и вторых разностей потенциалов электрического поля как во время пропускания тока, так и в паузе между ними в широкой пространственно-временной области.
2
Анализ ΔU и ΔU позволяет более полно изучать пространственно-временную структуру поля, повышает достоверность определения всех параметров разреза. При этом появляется возможность одновременного формирования нескольких профилей наблюдения.
Косы располагаются параллельно или перпендикулярно линии возбуждения, по которой буксируется генераторный диполь (фиг.1 и 2). Конкретное расположение кос определяется конкретными особенностями участка измерений. Сочетание генератора дискретных импульсов, буксируемого горизонтального диполя и кос с регистрирующими электродами обеспечивает получение данных, содержащих информацию не только о сопротивлении глубинных пластов пород, но и об их поляризационных характеристиках, что позволяет получить более качественный прогноз о возможных ресурсах углеводородного сырья в исследуемой зоне.
В результате использования данной группы изобретений впервые появляется возможность составления прогноза на основе измерения параметров электромагнитных полей как во временной, так и в пространственной областях одновременно, что существенно повышает достоверность определения анализируемых параметров среды. Кроме того, использование неподвижных линий регистрации существенно сокращает помехи и повышает точность измерения по сравнению с приемными электродами, находящимися в движении.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 приведена общая схема исследовательского комплекса, в ходе которого судно движется параллельно косам.
На фиг.2 приведена общая схема работы исследовательского комплекса, в ходе которого судно движется перпендикулярно косам.
На фиг.3 приведена зависимость сигнала ΔU между электродами М и N от времени измерения для различных разносов для соосного расположения генерирующего электрода и линии расположения кос.
2
2
На фиг.4 приведена зависимость  отношения ΔU/ΔU, где ΔU - разность между сигналами, измеряемыми на парах электродов МО и ON, от времени измерения для различных разносов для соосного расположения генерирующего электрода и линии расположения кос.
На фиг.5 приведена зависимость сигнала ΔU между электродами М и N от времени измерения для различных разносов для ортогонального расположения генерирующего электрода и линии расположения кос.
2
2
На фиг.6 приведена зависимость отношения ΔU/ΔU, где ΔU - разность между сигналами, измеряемыми на парах электродов МО и ON, от времени измерения для различных разносов для ортогонального расположения генерирующего электрода и линии расположения кос.
На фиг.1 используются следующие обозначения:
1 - маломерное судно, на борту которого находится судовой генератор 2, блок формирования возбуждающего поля (БФП) 3 и блок регистрации и обработки данных (БРО) 4;
5 - буксируемая генераторная линия (диполь);
6 - балластное устройство;
7 - донные станции;
8 - приемная линия (коса) с приемными электродами 9.
На фиг.3-6 используют сплошные линии для расчета модели с залежью и измененными породами, пунктирной линией показан фон.
Измерения проводятся на глубинах от 0 до 10 м по системе профилей, которые могут располагаться как вдоль береговой линии, так и перпендикулярно ей.
Исследовательский комплекс работает следующим образом.
Перед началом работ с помощью вспомогательных маломерных судов вдоль профиля наблюдений (ПН) раскладываются приемные линии 8 таким образом, чтобы приемные электроды 9 размещались в определенных, заранее заданных точках профиля. Положение электродов 9 контролируется по данным приемоиндикаторов (ПИ) системы GPS. Коренные концы приемных линий 8 подсоединяются к донным станциям 7, которые перед постановкой на дно инициализируются и синхронизируются с часами БФП 3 по эталонным сигналам (например, сигналу PPS системы GPS). Донными станциями 7 с приемными линиями 8 могут оборудоваться один или одновременно несколько профилей. Часть станций с приемными линиями могут размещаться на нулевых глубинах (берегу).
После завершения расстановки донных станций маломерное судно 1 выходит в начальную точку профиля возбуждения (ПВ), направление которого может совпадать с направлением ПН или быть ортогональным.
Возбуждение осуществляется генераторной линией 5, буксируемой маломерным носителем 1. Перед буксировкой на основе генератора 2 запускается БФП 3, который формирует разнополярные импульсы прямоугольной формы с задаваемой длительностью и скважностью, оказывающие поляризующее действие на породы шельфа. Длительность импульсов и пауз в зависимости от стоящих задач и особенностей используемой аппаратуры составляет от 0.5 до 16 сек. В паузах к судовому генератору 2, как правило, подключается неизлучающее балластное устройство 6, что снижает броски нагрузки судового генератора.
БРО 4 осуществляет измерение тока в диполе 5 с заданной программным путем дискретностью как во время импульса, так и в паузе между импульсами с фиксацией времени начала и конца каждого импульса. При этом донные станции 7 регистрируют временные ряды с данными как о разностях потенциалов между электродами, так и вторые разности, являющиеся аналогом пространственной производной поля. По завершении ПВ осуществляется подъем приемных линий и донных станций на борт судна, информация с донных станций перезаписывается в БРО 4 для дальнейшей обработки и весь цикл работ повторяется.
Полученные результаты обрабатывают, причем при интерпретации используется информация о поле как во время пропускания тока, так и в паузе между импульсами. Из измеренных донными станциями 7 сигналов посредством моделирования извлекается информация об изменении параметров как сопротивления, так и параметров вызванной поляризации с глубиной залегания пород.
Для оценки перспективности способа проводилось математическое моделирование. В частности, решалась задача при следующих исходных данных: глубина моря 5 м, длина горизонтального электрического диполя (ГЭД) с центром О', буксируемого по поверхности 500 м, сила тока 100 А. Измерительная коса состоит из трех электродов М 400 м, О 400 м, N, О - центр установки. Модель среды, имитирующая морское месторождение углеводородов, используемая для теоретических расчетов, состоит из 5-ти слоев. Параметры каждого слоя модели задавались согласно формуле Cole-Cole:
,
ω
где ρ - удельное электрическое сопротивление на частоте ω, η - поляризуемость, τ - постоянная времени и с - показатель степени, j - номер слоя. Параметры слоев приведены в таблице.
Номер слоя
Параметры
ρ, Омм
η, %
τ, сек
с
h (мощность, м)
1
0.3
0
-
-
5
2
1
0.5
0.1
0.5
100
3
1
5
1
0.5
1900
4
50
0
-
-
100
5
1
0.5
0.1
0.5
100
Теоретические расчеты проводятся для двух вариантов измерения - в первом случае генераторная линия и профиль с донными станциями сосны, расстояния OO'=500, 1000 и 1500 м. Во втором случае ГЭД перемещается вдоль профиля, перпендикулярного линии MON, пересекающего ее на расстоянии 1000 м, расстояния между точкой пересечения и центром О' равны 250, 500, 1000 м.
2
2
Рассчитывались следующие величины: сигналы ΔU между электродами М и N и отношение ΔU/ΔU, где ΔU - разность между сигналами, измеряемыми на парах электродов МО и ON. Результаты приведены на фиг.3 и 4 для соосного расположения ГЭД и измерительной линии и на фиг.5 и 6 для ортогональной установки. Сплошные линии - модель с залежью и измененными породами, пунктир - фон. Как видно из приведенных данных при изменении дистанции, аномальная зона проявляется в сигналах по-разному. Использование широкой пространственно-временной области дает возможность восстановления разреза как по сопротивлению, так и по параметрам поляризации.
Приведенные выше результаты показывают возможность получения комплекса характеристик пород при использовании заявляемого ИК и его перспективность для разведки месторождений углеводородов в условиях транзитной зоны с целью осуществлять более качественный прогноз на их наличие под морским дном в районе поиска
Использование заявляемой технологии, в совокупности с данными других геофизических методов, позволяет повысить надежность определения наличия в разрезе углеводородного сырья и тем самым повысить коэффициент успешности разведочного бурения.