Способ дистанционного поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов
METHOD OF REMOTE SEARCHING INDICATOR SUBSTANCES OF OIL-GAS HYDROCARBONS

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска месторождений нефти и газа, а также для геоэкологического мониторинга с целью обнаружения утечек на нефте- и газопроводах.
Заявляемый способ применим как для исследования территорий, так и для исследования морских акваторий, ввиду этого в ряде случаев применена обобщающая формулировка - подстилающая поверхность (суша, акватория, дно акватории). Если нет специальных оговорок, термин «приземный слой атмосферы» распространяется и на слой атмосферы над водной поверхностью.
Дистанционные и, в частности, оптические методы химического анализа газовых сред являются весьма перспективными для поиска месторождений полезных ископаемых, они способны решать задачи, не доступные для классических методов поиска.
Из уровня техники известен способ дистанционного поиска новых месторождений нефти и газа [Патент на изобретение RU 2498358, опубл. 10.11.2013]. Способ основан на дистанционном оптическом газовом анализе с помощью лидара. В процессе газового анализа осуществляют сканирование исследуемой поверхности лазерным лучом, формируют спектральное изображение набора химических компонентов в приземном слое атмосферы и осуществляют пространственную селекцию спектрального изображения местности по заданным индикаторным веществам. Далее сопоставляют зарегистрированные газовые компоненты с составом эталонной смеси углеводородных компонентов, соответствующей географическому положению местности и месторождения, проводят картирование местности с пространственной дифференциацией по рельефу полученного спектрального изображения зондируемой местности и выделяют на карте спектрального изображения районы достоверного залегания углеводородов. К сожалению, в описании к патенту не раскрыты условия и параметры лазерного зондирования, однако сказано, что это одна из составляющих комплексного исследования, включающего также геологическую съемку и сейсмическую съемку. В описании к патенту указано на то, что описанная лазерная съемка является исследованием, предваряющим наземные исследования (сейсмические), или может быть использована для отбраковки ловушек, выявленных в результате сейсморазведочных работ.
Известен способ дистанционного количественного обнаружения утечек флюида в трубопроводе природного газа или нефти, описанный в патенте - RU 2362986, опубл. 27.07.2009, основанный на использовании двух и более лазеров разной длины волны, установленных на одной бортовой платформе. Также в патенте есть указание на то, что способ может использоваться для разведки нефти/газа и других природных ресурсов. Описанное в патенте лазерное сканирование реализовано по принципу дифференциального поглощения. Применение в системе сканирования нескольких лазеров усложняет зондирование подстилающей поверхности на наклонных трассах и в целом систему управления ими, приводит к длительному по времени процессу регистрации и распознавания обнаруженных веществ в количестве более одного, практически исключает проведение экспресс-анализа многокомпонентой среды. Для обнаружения даже небольшой группы индикаторных веществ требуются перенастройки в процессе измерений. Все это делает описанную в патенте RU2362986 технологию малоэффективной для поисков месторождений нефти и газа.
Аналогичная система с несколькими перенастраиваемыми лазерами описана в патенте RU 2411503, опубл. 10.02.2011. Длины волн генерации лазеров соответствуют линиям поглощения определяемых веществ. Таким образом, для обнаружения и количественной оценки нескольких индикаторных веществ при реализации описанного в патенте способа требуется соответствующее количество лазеров.
1
2
В качестве прототипа выбран способ авиационного зондирования атмосферы с целью разведки месторождений природного газа [Хабаров В.А. и Попов Д.В. Авиационное зондирование атмосферы с целью разведки месторождений природного газа - как перспективный метод автоматизированного поиска газовых месторождений в приземном слое. - Журнал "Технические науки - от теории к практике". - Выпуск №1 (38) / 2015, опубликована в сети Интернет: http://cyberleninka.ru/article/n/aviatsionnoe-zondirovanie-atmosfery-s-tselyu-razvedki-mestorozhdeniy-prirodnogo-gaza-kak-perspektivnyy-metod-avtomatizirovannogo#ixzz46AII4rW2]. Описанный в статье способ основан на лазерном зондировании слоя атмосферы с регистрацией излучения рассеянного отражения поверхностью. Способ реализуется с применением двух гелий-неоновых лазеров и оптической системы. Использование совпадения длины волны генерации лазеров вблизи 3,39 мкм с линией поглощения метана обосновывается тем, что в данной области отсутствует наложение спектров поглощения обычных атмосферных газов. В качестве источника излучения в передающем блоке используют два лазерных генератора с усилителями, настроенными на длины волн λ=3.3922 мкм и λ=3.3912 мкм выходные мощности, соответственно, 10 мВт и 5 мВт. Зондирование осуществляют последовательностью чередующихся квазипрямоугольных импульсов по двум длинам волн и отличающихся по амплитуде. Частота модуляций 3400 Гц. Часть излучения используется для синхронизации работы приемопередающего тракта.
1
2
Одна из указанных длин волн (λ) совпадает с резонансной длиной волны поглощения метана, а другая (λ), опорная, находится вне спектра его поглощения. Особое требование предъявляется к стабилизации длин волн зондирующего лазерного излучения в процессе зондирования и измерения. Сравнение двух сигналов после регистрации собранного приемным объективом излучения позволяет фиксировать лишь факт присутствия метана в зондируемом поле вдоль оптического пути. В статье это не отмечено, но для специалиста в данной области, очевидно, что одновременно с лазерными измерениями осуществляется картирование с применением спутниковой навигационной системы, но при этом не отображается распределение концентраций на поверхности. В то же время зондирование пространства осуществляют лишь по одной угловой координате (например, в случае с платформой летательного аппарата зондирование подстилающей поверхности осуществляется в надир), то есть без широкоугольного сканирования лазерным излучением. Основным недостатком прототипа является необходимость применения 2-х лазеров, а соответственно, применение сложной системы синхронизации. Кроме того, широкие полосы поглощения атмосферными парами воды и углекислым газом не позволяют обнаруживать компоненты, имеющие собственные полосы поглощения в этих же спектральных интервалах. Описанный в патенте способ пригоден для регистрации лишь тех веществ, линии поглощения которых совпадают с длинами волны зондирующего лазера. Существенный недостаток прототипа связан с невозможностью синхронной (одновременной) регистрации более одного газового компонента, что затрудняет анализ состава многокомпонентной среды.
-1
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств и создание нового способа дистанционного поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов, позволяющий при зондировании одним лазером одновременно регистрировать широкий набор газов и непосредственно измерять абсолютные значения концентраций химических веществ без изменения состава и режима аппаратуры. Достигаемый технический результат - получение спектрального портрета подстилающей поверхности путем идентификации массива химических веществ, регистрация и измерение предельно малых концентраций выявленных индикаторов углеводородных месторождений (до 10-20 млрд тяжелых углеводородов).
Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ дистанционного поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов основан на анализе состава среды над подстилающей поверхности и реализуется с использованием лазерного аппаратурного комплекса, установленного на борту носителя, например авианосителя. При анализе состава среды осуществляют сканирование исследуемой поверхности лазерным лучом, принимают и обрабатывают сигналы антистоксового комбинационного рассеяния, по полученным измерениям селектируют и определяют количественный и качественный состав заданных индикаторных веществ углеводородных газов, фиксируемых по их спектрам, которые заложены в базу данных компьютерной программы обработки, и проводят дифференцирование спектрального изображения по заданным индикаторным веществам. Полученные и обработанные данные отображаются в виде карт распространения ореолов индикаторных веществ с выделением пространственных аномальных зон. Для сканирования используют твердотельный лазер, излучающий в одном луче синхронно или с перестройкой на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
1
2
3
λ
1
2
3
λ1
λ2
λ3
В предпочтительной реализации сканирование подстилающей поверхности осуществляют в угловом поле от -10° до +10° одним лазерным лучом на длинах волн генерации: λ=1047 нм, λ=523.5 нм и λ=261.7 нм, - при расходимости луча 1.0-1.5 мрад в импульсно-периодическом режиме при длительности импульса 10 нс с частотой повторения импульсов 200 Гц и энергией излучения P для упомянутых длин волн λ, λ, λ генерации, соответственно, мДж: Р=150, Р=70 и Р=30.
Способ реализуется следующим образом.
Для съемки лицензионного участка используется самолетный или вертолетный лидар, оснащенный GPS-приемником, устройством определения ориентации авианосителя по углам крена, тангажа и рысканья и бортовым компьютером для регистрации и обработки информационных сигналов и навигационной информации, привязанных к единой шкале времени. Программное обеспечение содержит базу данных спектров индикаторных веществ (ИВ) проявлений нефтегазовых углеводородов (от 5 до 20 ИВ - этан, метан, пропан, бутан, другие газы из ряда алканов и их изомеры), а также атмосферного азота. Высота полета составляет от 100 до 5000 метров. Облет выбранного участка осуществляют по сетке профилей.
Реализацию способа иллюстрирует фигура, на которой представлена структурная схема аппаратного комплекса лазерного сканирования нефтегазовых месторождений.
На фигуре обозначено: 1 - твердотельный лазер, 2 - основное зеркало, 3 - вторичное зеркало в телеобъективе, вместе 2 и 3 - входной телескопический объектив, 4 - полихроматор, 5 - зеркало, 6 - оптический фильтр, 7 - полупрозрачная пластина, 8 - система зеркал, 9 - детектор, 10 - фотоприемное устройство (на базе ПЗС матрицы), 11 - сканирующее зеркало, 12 - программно-аппаратный модуль.
Излучение твердотельного лазера 1 на трех дискретных длинах волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазона спектра системой зеркал 8 совмещается с осью входного телескопического объектива 2, 3 приемного канала, попадает на сканирующее зеркало и направляется на зондируемую область подстилающей поверхности. Часть излучения лазера через полупрозрачную пластину 7 и зеркало 5 направляется на детектор 9, который служит для контроля мощности излучения лазера и выдает импульс синхронизации, запускающий программно-аппаратный модуль 12. Комбинационное рассеянное компонентами подстилающей поверхности излучение, фокусируется телескопическим объективом 2, 3 через фильтр 6 на входную щель полихроматора 4. Выделенные полихроматором 4 участки спектра, соответствующие антистоксовым компонентам комбинационного рассеяния, регистрируются фотоприемным устройством 10 и поступают в программно-аппаратный модуль 12. Результатом работы модуля 12 является идентификация индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов, расчет пространственного распределения концентрации веществ в аномальном облаке и хранение данных о геохимическом составе многокомпонентной среды в исследованной области.
1
2
3
λ
1
2
3
λ1
λ2
λ3
Для сканирования используют твердотельный лазер, излучающий в одном луче (вдоль одной оптической оси) синхронно или с перестройкой на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В предпочтительной реализации сканирование подстилающей поверхности осуществляют в угловом поле от -10° до +10° на лазерных длинах волн: λ=1047 нм, λ=523.5 нм и λ=261.7 нм, - при расходимости луча 1.0-1.5 мрад в импульсно-периодическом режиме при длительности импульса 10 нс с темпом следования импульсов 200 Гц и энергией излучения Р для упомянутых длин волн λ, λ, λ генерации, соответственно, мДж: Р=150, Р=70 и Р=30.
2
t
t
s
В лидарном аппаратном комплексе, работающем по методу комбинационного рассеяния, отношение мощности лидарного сигнала от любого индикаторного вещества к его концентрации пропорционально отношению мощности сигнала от атмосферного азота (N) к его концентрации соответственно. Измерив мощность сигнала от азота P, соответствующую известной концентрации N, а также мощность сигнала от исследуемого вещества P, определяют его концентрацию согласно формуле: .
Поиски индикаторных веществ (ИВ) потенциального месторождения нефти проводились на площади 90 кв. км способом дистанционного поиска, основанном на анализе среды на подстилающей поверхности и были реализованы с использованием лазерного аппаратурного комплекса лидар, установленного на борту вертолета МИ-8. Поисковая съемка выполнялась по системе параллельных профилей, проложенных в субширотном направлении, протяженностью 10 км и расстоянием между профилями 500 м. Высота полетов на рабочих маршрутах определялась рельефом местности и составляла от 150 до 200 метров.
1
2
3
λ
1
2
3
λ1
λ2
λ3
Анализ состава многокомпонентной среды на подстилающей поверхностью осуществлялся сканированием лазерного луча на следующие ИВ УВГ: метан, этан, пропан и бутан, спектры которых внесены в базу программы аппаратурного комплекса лидар. Сканирование подстилающей поверхности осуществлялось в угловом поле от -10° до +10° одним лазерным лучом на длинах волн генерации: λ=1047 нм, λ=523.5 нм и λ=261.7 нм, - при расходимости луча 1.0-1.5 мрад в импульсно-периодическом режиме при длительности импульса 10 нс с частотой повторения импульсов 200 Гц и энергией излучения P для упомянутых длин волн λ, λ, λ генерации, соответственно, мДж: Р=150, Р=70 и Р=30. Для сканирования поисковой поверхности (площади поискового участка) использовался твердотельный лазер, излучающий в одном луче синхронно на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. По данным залета выбранного эталонного профиля за пределами территории поискового участка, средние содержания ИВ составили следующие значения для выбранных углеводородных газов: метан - 0,070%, этан - 0,037%, пропан - 0,052% и бутан - 0,020%. Принятые на рабочих маршрутах сигналы сканирования поисковой поверхности аппаратурой лидар обрабатывались на антистоксовых частотах комбинационного рассеяния. Полученные данные селектировались программой обработки материалов съемки с определением количественного и качественного состава заданных ИВ, фиксированных по их спектрам с одновременным спектральным дифференцированием. По результатам селективной обработки полученных данных состава и количества ИВ в автоматическом режиме строились карты ореолов распространения ИВ с выделением пространственных аномальных зон, превышающих данные эталонного профиля в 5 и более раз.
Антистоксов сдвиг частоты рассеянного излучения соответствует изменению колебательной энергии молекулы исследуемого углеводорода и не зависит от спектральной частоты возбуждающего излучения. Для определения абсолютной концентрации зарегистрированных веществ и ее пространственного распределения используется нормированная концентрация атмосферного азота, информация о которой заложена в программное обеспечение.
Высокая эффективность заявляемого способа проявляется и при дистанционном поиске проявлений нефтегазовых месторождений на акваториях, где засветка от флуоресценции органических загрязнений на водной поверхности и под водой существенно мощнее по сравнению с атмосферными компонентами, а метод дифференциального поглощения в гидросфере и вовсе не применим, т.к. инфракрасное излучение водой поглощается.
Поиск индикаторных веществ в акваториях осуществляется аналогично тому, как описано выше. При поисках индикаторных веществ на акваториях лазерный аппаратурный комплекс лидар может быть установлен на различные типы носителей для работы над водной поверхностью (аэро), на поверхности воды (любые плавсредства) и под водой (к примеру буксировка подводной капсулы на трос к катеру) около дна. Поиски ИВ на акватории прибрежных арктических зон шельфа, при глубинах от 20 до 50 метров, выполняются с использованием морского катера и установленного на его борту аппаратурного комплекса лидар. Лазерное сканирование поверхности участка акватории общей площадью 50 кв. км проводится по системе параллельных профилей, протяженностью пять километров каждый, с расстоянием между профилями 500 метров, ориентированных в субмеридианальном направлении. Методика выполнения съемочных работ по поисках ИВ на участке акватории и параметры аппаратурных настроек и программа обработки поступающей информации были аналогичны поискам ИВ на суше, описанными в подробном примере. Целью поисковых съемочных работ по поискам ИВ УВГ на экспериментальном участке акватории были поиски месторождений нефти и газа, по результатам которых выявлено две площадные аномалии ореолов рассеяния ИВ - метана, этилена и пропана над поверхностью акватории поискового участка. Аномальные концентрации выявленных ореолов ИВ превысили в семь и более раз фоновые значения ИВ на остальной площади поискового участка. При интерпретации полученных материалов сканирования поисковой площади акватории на содержание ИВ УВГ лазерным методом обязательно учитывается следующее:
- факт уменьшения концентраций смеси УВГ в морской среде с глубиной, в т.ч. и метана;
- накопление в придонном слое и создание аномалий УВ газов, мигрирующих от залежей нефти и газа в воду при благоприятных условиях;
- давление, соленость, температура;
- встречающиеся участки придонного льда арктических морей и повышенные концентрации УВГ связанные с ними могут объясняться наличием в них газов в кристаллогидратном состоянии.
Однако зондирование акваторий лазерным излучением в указанных трех диапазонах спектра весьма специфично в связи с различием глубины проникновения света с разной длиной волны в морской воде. В морской воде при переходе от красного света к синему глубина проникновения видимого света растет от 11 до 160 м. Ультрафиолетовые лучи проникают в воду еще глубже, максимум до 500-1000 м. Лучи с длиной волны 1.047 мкм отражаются от водной поверхности, т.к. в воду не проникают из-за поглощения [Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М., Морская вода: Справочное руководство. - М.: Наука, 1979. - Данные о поглощении света и ультрафиолета в чистой морской воде]. ИК длина волны (1.047 мкм) используется для лишь углеводородных газов, выходящих из толщи воды.
Одни и те же индикаторные газы могут давать различные спектральные отклики в атмосферных условиях и будучи растворенными в гидросфере. При зондировании гидросферы в качестве реперной частоты обычно выбирают спектральный отклик комбинационного рассеяния молекулы воды, для которой значение стоксова (антистоксова) сдвига является справочным.
Измеряя соотношение стоксовых сигналов в трех частотных октавах, можно получать информацию о проявлениях индикаторных веществ на различной глубине относительно водной поверхности. От каждой из трех длин волн, на которых зондируют исследуемую среду, будут возникать серии стоксовых и антистокосовых сдвигов (и соответствующих длин волн). Таким образом, для каждой лазерной длины волны получают октаву спектральных длин волн (частот) для различных веществ многокомпонентной среды.
В то же время при зондировании акватории, очевидно, перестройка длины волны может заключаться в перекрытии длины волны 1.047 мкм на выходе из лазера из-за поглощения водой ИК-излучения.
Регистрация антистоксовых частот комбинационного рассеяния обеспечивает высокую помехоустойчивость лидарного аппаратного комплекса, поскольку позволяет защитить приемный канал от влияния флуоресценции веществ под действием того же зондирующего лазерного излучения.
Одновременное зондирование подстилающей поверхности (или акватории) на длинах волн в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра позволяет регистрировать спектральные отображения в трех частотных октавах, существенно увеличить массив обнаруженных веществ многокомпонентной среды, повысить достоверность состава и полученных пространственных распределений концентраций индикаторных веществ углеводородных проявлений, расширить диапазон геологоразведочных работ в различных климатических и погодных условиях, регистрировать спектральные отображения эхо-сигналов уже в трех октавах длинных волн. Кроме того, синхронность зондирования на трех длинах волн в указанных диапазонах спектра позволяет нивелировать влияние погодных изменений во времени на результаты работы лазерного аппаратного комплекса.