АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И СПОСОБ МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
HARDWARE SYSTEM FOR MARINE ELECTRICAL EXPLORATION OF OIL-GAS FIELDS AND MARINE ELECTRICAL EXPLORATION METHOD

Заявляемая группа изобретений относится к области разведочной геофизики, в частности к электроразведке, и предназначена для прогнозирования залежей углеводородов при зондировании морского дна при глубинах моря более 500 м.
В настоящее время для морской разведки залежей углеводородов широко применяются различные методы, связанные с воздействием на морское дно импульсов электромагнитного поля, последующей регистрацией изменений электромагнитных параметров придонных пород и анализом полученных данных для обнаружения имеющихся аномалий и определения их природы.
4
Наиболее распространенным в настоящее время является способ морской электроразведки и используемый при этом комплекс оборудования (ИК), получивший условное наименование CSEM ((L.MacGregor, М.Sinha /Geophysical Prospecting, 2000, 48, 1091-1106; GB 2402745, 2003), который позволяет производить разведку на глубинах до 3 км. Сущность этого способа (L.MacGregor, М. Sinha /Geophysical Prospecting, 2000, 48, 1091-1106) состоит в том, что электромагнитные импульсы передаются с горизонтального диполя, а получаемая информация принимается помещенными предварительно на дно донными станциями. Полученные данные сопоставляются с аналогичными данными, полученными из сходного района, где отсутствуют залежи углеводородов, и на базе сопоставления делается вывод о перспективности района на углеводородные месторождения. Для получения указанных данных горизонтальный диполь с моментом около 10 Ам буксируется в районе донных станций на расстоянии примерно 50 м от морского дна. Диполь излучает непрерывный импульсный сигнал электромагнитного поля с частотой 0.25-4 Гц. Т.к. электрическое сопротивление морской воды ниже, чем морского дна, то сигнал в воде быстро затухает, в результате чего при измерении на расстоянии более 500 м от источника излучения донная станция принимает только сигналы, связанные с сопротивлением пород морского дна. В результате приемники донных станций регистрируют две ортогональные компоненты горизонтального электрического поля на расстояние до 15 км от источника. Изучение изменений в амплитуде и фазе полученного сигнала позволяет получить информацию об электрическом сопротивлении пород до глубин 5-7 км.
4
Используемый при этом комплекс оборудования (GB 2402745, 2003) состоит из судна, на котором расположен генератор, спускаемого аппарата (СА), связанного с генератором соединительным кабелем, и содержащего блок формирования прямоугольных импульсов, горизонтальным электрическим диполем длиной около 100 м с дипольным моментом около 10 Ам и донными станциями различного типа.
Недостатком технологии CSEM является возможность получения ограниченного объема информации о породах морского дна, в частности, невозможность при ее использовании получить данные о поляризуемости пород, что существенно снижает точность прогноза. Кроме того, данная технология обладает относительно невысокой производительностью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является разработанное ранее авторами устройство для морской электроразведки в движении судна (RU 2253881, 2007), состоящее из расположенных на судне блока формирования возбуждающего поля, включающего судовой генератор, коммутатор, формирующий двухполярные прямоугольные импульсы постоянного тока, генераторную установку и балластное устройство, блока измерения сигналов, включающего приемную многоэлектродную линию, резистивиметр, многоканальное измерительное устройство, судовой эхолот, приемо-индикатор Global Position System (GPS) и процессор для обработки сигналов.
В ходе проведения измерений в блоке формирования возбуждающего поля коммутатор обеспечивает формирование на питающих электродах двухполярных прямоугольных импульсов тока длительностью от 0,5 до 10 сек и силой тока от 5 до 1000А, со скважностью последовательности импульсов, задаваемых программным путем. Генераторная установка состоит из двух кабельных линий, причем первая линия имеет длину не более 100 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом, размещенным на конце или вблизи конца, и вторая линия имеет длину от 500 до 1000 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом, размещенным на конце или вблизи от конца, обе линии размещены за кормой судна, например, параллельно друг другу и выполнены из кабеля с положительной плавучестью более 5-15%, неизлучающее балластное устройство размещено за кормой судна и представляет собой пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами, а в блоке измерения сигналов приемная многоэлектродная кабельная линия длиной около 2000 м, состоящая из пар приемных неполяризующихся электродов, размещена за кормой судна, параллельно кабельным линиям генераторной установки, буксируется на заданной глубине от поверхности воды, связана с многоканальным измерительным устройством и снабжена приемными электродами, размещенными на приемной многоэлектродной кабельной линии с шагом около 200 м, пространственно расположенными как в промежутке между излучающими электродами генераторной установки, так и за ней. При этом пары приемных электродов выполнены неполяризующимися для исключения влияния собственных процессов электродов на измеряемые устанавливающиеся электрические поля. Приемная линия фиксируется по глубине с помощью буев.
С помощью описанного выше устройства осуществляют способ морской электроразведки, в котором выполняют профилирование путем возбуждения в среде периодических знакопеременных импульсов тока во время движения судна, для чего формируют двуполярные прямоугольные импульсы постоянного тока, длительность и скважность которых задается программным путем исходя из оценочной суммарной проводимости геологического разреза и ожидаемой глубины залежи, осуществляют одновременное измерение электрического поля на парах приемных электродов (разносах) приемной многоканальной линии, как во время импульсов постоянного тока, так и в паузах между ними, для заданной в пространстве точки среды подбирают параметры слоистой проводящей и поляризующейся среды таким образом, чтобы значения характеристик расчетного поля этой среды совпадали с величинами одновременных измерений на всех разносах приемной многоканальной линии, полученных как во время импульсов постоянного тока, так и в паузах между ними, повторяют подбор параметров слоистой проводящей и поляризующейся среды для каждой заданной точки профиля наблюдений, строят геоэлектрические разрезы среды, делают заключение о наличии залежи углеводородов по выявленным аномалиям проводимости и параметров вызванной поляризации.
Недостатком данного способа и применяемого аппаратурного комплекса является его направленность на выявление преимущественно аномалий вызванной поляризации в верхней части разреза. Выявление аномалий сопротивления на глубине более 500 м, непосредственно связанных с залежами углеводородов затруднительно, поскольку на всех разносах приемной линии сигналы становления осложнены сигналами вызванной поляризации.
Задачей, решаемой авторами, являлась разработка комплекса аппаратуры и способа морской электроразведки с его использованием, позволяющих получить более надежный прогноз пород морского дна, а также снизить трудоемкость работ по снятию необходимых для этого параметров.
В основу предложенного изобретения была положена идея повышения объема информации за счет повышения длины основной приемной линии (ОПЛ) в несколько раз -до 8-15 км, что позволяет получать данные о состоянии пород морского дна на глубине до 4-5 км. Ранее в используемых аппаратурных комплексах подобное удлинение ОПЛ не применялось в связи с резким возрастанием уровня помех при удлинении ОПЛ более 2 км.
Технический результат достигается за счет использования в АК, содержащем блок формирования возбуждающего поля, включающего судовой генератор, коммутатор, генераторную установку, состоящую из кабельной линии с фиксированной длиной диполя, размещенной за кормой судна, выполненной из кабеля с положительной плавучестью, и снабженной излучающими электродами, и балластное устройство, размещенное за кормой судна и состоящее из пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами, блок измерения сигналов, включающий буксируемую за судном приемную многоэлектродную линию с приемными неполяризующимися электродами, размещенными на приемной многоэлектродной кабельной линии с шагом 50-500 м, буи для фиксации приемных линий, многоканальное измерительное устройство, судовой эхолот, установленный на судне, приемо-индикатор Global Position System (GPS) и процессор, причем АК содержит дополнительно телеметрические измерительные модули, способные производить оцифровку сигналов с пар приемных электродов по всем разносам секции, дополнительные приемо-индикаторы Global Position System, установленные на буях, причем основная приемная линия (ОПЛ) выполнена длиной 8-15 км, состоит из секций длиной 500-3000 м с расположенными на них парами неполяризующихся электродов, расстояние между которыми находится в диапазоне 50-500 метров, причем секции связаны с телеметрическими измерительными модулями и буксируемыми по поверхности буями, оснащенными приемниками GPS и радиомодемами для передачи информации о координатах приемной линии на борт судна.
Телеметрические измерительные модули, как правило, связаны с секциями ОПЛ и буем с помощью оттяжек глубины, длина которых обеспечивает заданную глубину буксировки приемной линии, контролируемую датчиками давления, расположенными в модулях. Конструкция оттяжек глубины, особенно при буксировках с большим заглублением приемной линии, выполняется таким образом, чтобы обеспечить низкое гидродинамическое сопротивление. Для стабилизации секций приемной линии по глубине в промежутках между телеметрическими модулями могут дополнительно использоваться «кондепы», например, с гидростатическим управлением.
Секции ОПЛ, как правило, выполняются из плавающего кабеля с положительной плавучестью 3-5% и разрывным усилием не менее 40 кН.
Как правило, используемая в АК генераторная линия электроразведочной установки выполнена из кабеля положительной плавучести и содержит грузонесущую, например кевларовую, основу с разрывным усилием не менее 40 кН и изолированные жилы в виде витых пар и оптоволоконных жил для передачи электрического питания, команд и цифровой информации, начальная и дипольная части помимо указанного выше содержит слой, обеспечивающий плавучесть кабеля и концентрическую обмотку для передачи импульсов тока к электроду В. Генераторная линия, как правило, подразделяется на три части - начальную, дипольную и буферную, причем начальная часть генераторной линии имеет длину 50-100 метров, буферная часть имеет длину 10-50 метров, а дипольная часть имеет длину 500-1000 метров.
Начальная часть генераторной линии содержит дополнительную обмотку, концентричную первой для передачи импульсов тока к электроду А, причем обмотки токовых электродов могут быть разделены в начальной части линии гидроканалами, по которым при помощи насоса подается забортная вода для отвода излишков тепла от внутренней обмотки начальной части, а буферная часть через специальную муфту соединена с основной приемной линией,
Для удобства эксплуатации блок формирования импульсов тока, многоканальная набортная станция и лебедка с электроразведочной установкой могут быть размещены в контейнер-лаборатории на базе стандартного морского 20-ти футового контейнера.
Способ морской электроразведки, осуществляемый с помощью указанного АК, заключается в том, что судно буксирует в ходе движения судна по профилю измерений ОПЛ длиной 8-15 км на глубине 7-50 м, среду возбуждают разнополярными прямоугольными импульсами тока с паузой между ними или последовательностью таких импульсов разной длительности, измеряют сигналы на парах приемных электродов многоразносной приемной линии в диапазоне расстояний от первых сотен метров до конца линии длиной 8-15 км одновременно во временном и частотном диапазонах, как во время токовых импульсов, так и во время пауз между ними, полученные сигналы проходят первичную обработку в телеметрическими модулями, которые производят передачу полученных цифровых данных одновременно с данными о местоположении данного модуля в набортную многоканальную станции, где осуществляют одновременную инверсию данных во временном и частотном диапазонах по всем разносам для каждой точки наблюдения вдоль профиля исследований и определяют удельное сопротивление и параметры поляризуемости среды, по аномалиям которых судят о наличии залежи.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых приведены общая схема измерений и конструкции отдельных элементов изобретения.
На фиг.1 показана общая схема комплекса, где используются следующие обозначения: 1-контейнер-лаботатория, 2 - генераторная линия с токовыми электродами А и В, 3 - дополнительная приемная линия с неполяризующимися приемными электродами М и N, 4 - основная приемная линия, 5 - телеметрические измерительные модули, 6 - поддерживающий буй с GPS приемником и радиомодемом, 7 - приемные неполяризующиеся электроды, 8 - лебедка балластного устройства, 9 - неизлучающее балластное устройство, 10 - лебедка дополнительной приемной линии, 35 - технологический контейнер-лаборатория, 39 - судовой эхолот, 40 - судовой или автономный дизель-генератор.
На фиг.2а-2в изображены схема генераторной линии 2 и возможные конструкции ее частей, где
11-начальная часть, 12-дипольная часть, 13-буферная часть, 14-грузонесущий элемент, 15-гидроизоляция из диэлектрика, 16-витые пары и оптоволоконные жилы, 17 - гидроизоляция из диэлектрика, 18 - элемент, обеспечивающий плавучесть кабеля, например, пенополиэтилен, 19 - токовые жилы, присоединяющиеся к дальнему электроду В, 20-гидроизоляция из диэлектрика, 21 - гидроканалы, 22-токовые жилы, присоединяющиеся к электроду А, 23 - наружная гидроизоляция из диэлектрика.
На фиг.3 представлена блок-схема телеметрического измерительного модуля 5. Здесь 24 - управляющий процессор, 25-24-х или 32-х разрядный АЦП, 26 - передатчик цифровых сигналов, 27 - промежуточный усилитель цифровых сигналов, 28-приемник командных сигналов, 29 - датчик давления.
На фиг.4 изображен контейнер-лаборатория 1, в котором 30 - блок формирования импульсов тока, состоящий из трехфазного выпрямителя и генератора импульсов на базе IGBT, 31 - основная лебедка, на которой располагаются генераторная линия 2 и приемная линия 4, 32 - рабочее место оператора блока формирования импульсов тока с управляющим компьютером и контрольной аппаратурой, 33 - многоканальная набортная станция с количеством каналов не менее 16, 34 - рабочее место оператора набортной станции, 38 - индикатор системы GPS.
Фиг.5 иллюстрирует принципиальную конструкцию технологического контейнера-лаборатории 35, где 36 - вспомогательная лебедка, на которой располагаются дополнительные и запасные секции приемной линии, 37 - транспортно-лабораторный отсек, в котором на судно доставляется технологическое оборудование - лебедка дополнительной приемной линии с линией, лебедка балластного устройства, балластное устройство, буи с GPS, силовые кабели, линии связи, ЗИП и т.п. После установки оборудования на судне, отсек используется для размещения операторов контроля качества и первичной обработки информации.
На фиг.6 показаны относительные изменения сигнала при глубине воды 500 м, сигналы для тока 1А на трех частотах. Пунктир соответствует сигналам при отсутствии залежи, частоты: 1-0.0625 Гц, 2-0.1875 Гц, 3-0.3125 Гц.
На фиг.7а-7в показаны относительные изменения сигнала по отношению к разрезу без залежи, приведены для глубин моря, соответственно, 20 м, 100 м, 500 м.
На фиг.8 приведен план графиков относительных изменений сигналов становления поля для первых восьми разносов. Пунктирная линия соответствует разрезу без залежи и без вызванной поляризации, сплошная - разрез при наличии залежи, но без вызванной поляризации, и штрихпунктирная соответствует разрезу при наличии залежи и аномальной вызванной поляризации во втором слое модели.
В состав комплекса входят дизель-генератор 40, в качестве которого используется судовой миллиавтономный дизель-генератор, с которым связаны неизлучающее балластное устройство 9, к которому блок формирования импульсов тока подключается во время пауз и вспомогательные устройства (судовой эхолот 39, система GPS, лебедки 8 и 10 и т.д.). На борту судна установлены контейнер-лаборатория 1 и, при необходимости, технологический контейнер-лаборатория 35.
В контейнере-лаборатории 1 размещаются блок формирования импульсов тока 30, состоящий из трехфазного выпрямителя и генератора импульсов на базе IGBT, основная лебедка 31, на которой располагаются генераторная линия 2 и приемная линия 4, рабочее место оператора блока формирования импульсов тока 32 с управляющим компьютером и контрольной аппаратурой, многоканальная набортная станция 33 с количеством каналов не менее 16, рабочее место оператора набортной станции 34, индикатор системы GPS 38.
В технологическом контейнере-лаборатории 35 располагаются вспомогательная лебедка 36, на которой располагаются дополнительные и запасные секции приемной линии, транспортно-лабораторный отсек 37, в котором на судно доставляется технологическое оборудование - лебедка дополнительной приемной линии с линией, лебедка балластного устройства, балластное устройство, буи с GPS, силовые кабели, линии связи, ЗИП и т.п. После установки оборудования на судне, отсек используется для размещения операторов контроля качества и первичной обработки информации.
К генератору 40 подключены буксируемые за судном генераторная линия 2 с токовыми электродами А и В, дополнительная приемная линия 3 с неполяризующимися приемными электродами М и N, основная приемная линия 4. На генераторной линии 2 установлены телеметрические измерительные модули 5, связанные с поддерживающими буями 6 с GPS приемником и радиомодемом, и приемные неполяризующиеся электроды 7.
Телеметрический измерительный модуль 5 содержит управляющий процессор 24, 24 или 32-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 25, передатчик цифровых сигналов 26, промежуточный усилитель цифровых сигналов 27, приемник командных сигналов 28, датчик давления 29. Корпус модуля 5, может оснащаться вакуум портом для вакуумирования внутреннего пространства, что обеспечивает проверку герметичности модуля и исключает появление влаги внутри модуля.
Генераторная линия состоит из начальной части 11, дипольной части 12 и буферной части. Она содержит витые пары и оптоволоконные жилы 16, 19 и 22, снабженные гидроизоляцией из диэлектрика 15, 17, 20 и 23, элемент, обеспечивающий плавучесть кабеля 18, например, пенополиэтилен, грузонесущий элемент 14, и 21-гидроканалы.
Приведенный принцип формирования аппаратурного комплекса позволяет проводить работы с неспециализированных судов и резко снижает требования к ним.
Работа комплекса осуществляется следующим образом. Судно выходит на линию профиля на расстоянии, превышающем длину электроразведочной установки производится ее выпуск. При большой длине линии спуск начинается с выпуска дополнительных секций приемной линии 4, расположенной на вспомогательной лебедке 36. По мере спуска приемной линии 4 она оснащается поддерживающими буями 6 и, если необходимо, «кондепами» (не показаны). После выпуска генераторной линии 2 или параллельно с ней осуществляется выпуск дополнительной приемной линии 3, информация с которой может передаваться на борт судна в аналоговом виде с оцифровкой непосредственно в многоканальной набортной станции 33 или цифровом виде через телеметрический цифровой модуль 5. После завершения выпуска электроразведочной установки токовые жилы 19 и 22 генераторной линии 2 подключаются к генератору импульсов тока блока формирования импульсов (БФИ) 30, соединенного с судовым или автономным дизель-генератором 40, а жилы 16 генераторной линии 2, дополнительная линия 3 и датчики измерения тока блока формирования импульсов - к многоканальной набортной станции 17. К генератору импульсов тока БФИ 30 также подсоединяется неизлучающее балластное устройство 9, на которое нагружается генератор 40. С помощью блока 30, подсоединенного к судовому или автономному дизель-генератору 40, в генераторной линии 2 формируются прямоугольные разно-полярные импульсы тока силой до 1000 А с паузой между ними или последовательности таких импульсов с переменной длительностью. Длительности импульсов и пауз задаются программным путем через компьютер РМО 32 и контролируются сигналом канала pps системы GPS 38. Эти же сигналы pps передаются в телеметрические измерительные модули 5 в качестве меток времени. Модули 5 производят измерение сигналов на парах неполяризующихся электродов 7 соответствующих разносов секции, как во время импульсов тока, так и в паузах между ними, преобразуют сигналы в цифровую форму одновременно во временной и частотной областях и передают полученную информацию через последовательность промежуточных усилителей цифровых сигналов 27 в многоканальную станцию 17. Информация может передаваться прямо в процессе измерения или через буфер управляющего процессора 24. Вместе с информацией в станцию 17 передаются данные о коэффициентах усиления каналов и глубина буксировки приемной линии с датчиков давления 29. Частота дискретизации измерений, величины коэффициентов усиления каналов и алгоритм их изменения задаются в управляющих процессорах 24 модулей 5 программным путем и устанавливаются с помощью приемника командных сигналов 28. Поскольку все измерения синхронизируются высокоточным каналом pps, набортная станция 17 может осуществлять в частотной области измерение сдвига фаз между током и измеренным напряжением электрического поля на основной и первых гармониках. Кроме описанной информации, в станцию 17 передаются данные о глубине моря с судового эхолота 39.
Информация о положении электроразведочной установки с поддерживающих буев 6 может передаваться на борт судна через радиомодем с необходимым интервалом во время токового импульса, или после отработки всего профиля для исключения влияния радиопередатчика на измеряемые сигналы.
После отработки профиля судно переходит на следующий профиль без подъема электроразведочной установки.
Предложенный комплекс обеспечивает высокую производительность работ, поскольку измерения проводятся в движении судна на скорости 4-5 узлов.
Преимущество указанного устройства состоит в том, что при его использовании в движении судна осуществляются многоразносные измерения в диапазоне разносов до 8-15 км, обеспечивающие глубинность исследований 3-6 км, и существенно повышается достоверность геофизических данных.
Приведенный принцип формирования аппаратурного комплекса позволяет проводить работы с неспециализированных судов и резко снижает требования к ним.
Для демонстрации целесообразности применения приведем расчеты для "классического" морского разреза со слоем, имитирующим залежь:
№ слоя
Р
h
1
0.3
20-500
2
1
2000
3
50
100
4
1
∞
В расчетах параметры стримера: А 500 м В 250 м M1 250 м М2 250 м М3 500 м М4…М24 500 м М25, глубина линии -10 м
На фиг.6 показаны относительные изменения сигнала при глубине воды 500 м сигналы для тока 1А на трех частотах. Пунктир соответствует сигналам при отсутствии залежи, частоты: 1-0.0625 Гц, 2-0.1875 Гц, 3-0.3125 Гц.
Относительные изменения сигнала по отношению к разрезу без залежи приведены на фиг.7а-7в, для глубин моря, соответственно, 20 м, 100 м, 500 м. При любой из рассмотренных глубин моря плохопроводящий слой на глубине 2000 м под дном, символизирующий залежь, уверенно выделяется при измерениях рассматриваемой установкой.
На измерениях во временной области, особенно на малых разносах, существенным образом сказывается наличие аномалий вызванной поляризации, в первую очередь, в верхней части разреза. На фиг.8 приведен план графиков относительных изменений сигналов становления поля для первых восьми разносов. Пунктирная линия соответствует разрезу без залежи и без вызванной поляризации, сплошная - разрез при наличии залежи, но без вызванной поляризации и штрихпунктирная соответствует разрезу при наличии залежи и аномальной вызванной поляризации во втором слое модели. Параметры вызванной поляризации были заданы в соответствии с классической формулой Cole-Cole: поляризуемость η - 5%, постоянная времени τ=1 сек и показатель степени С=0.5.
На малых разносах влияние вызванной поляризации кардинальным образом изменяет характер становления поля, что позволяет использовать такие измерения для изучения поляризационных свойств разреза.