СПОСОБ КАРТИРОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРОВ УГЛЕВОДОРОДОВ НА МЕЛКОВОДЬЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF MAPPING HYDROCARBON RESERVOIRS ON SHALLOW WATER AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Область техники
Изобретение относится к способу и к устройству для картирования коллекторов углеводородов, расположенных под морским дном, и, более конкретно, к использованию поперечно-магнитных (transverse magnetic, TM) волн (ТМ-мод), генерируемых источником электромагнитного поля для регистрации ТМ-отклика, измеряемого одним или более погруженными в воду приемниками. При осуществлении изобретения используются, по существу, вертикально или горизонтально ориентированный погруженный в воду передатчик и один или группа, по существу, горизонтально или, соответственно, вертикально ориентированных приемников. Посредством указанного передатчика осуществляется генерирование импульсов электрического тока с резкими границами, а электромагнитное поле, генерируемое этими импульсами, измеряется погруженным (погруженными) в воду приемником (приемниками), во временных интервалах (паузах), когда подача тока на источник электромагнитного поля не производится. Расстояние между диполем источника электромагнитного поля и диполем приемника меньше, чем глубина целевого объекта.
Уровень техники
Сейсмические измерения обеспечивают надежную информацию о существовании, локализации и профиле геологических структур, содержащих углеводороды. Однако использования методов сейсмических измерений часто недостаточно для определения потенциальной ценности коллектора и даже часто вызывает трудности в различении воды и углеводородосодержащих флюидов в выявленных структурах. В связи с высокой стоимостью морского бурения разведочное бурение представляется не очень привлекательным без надежных результатов сейсмических измерений. Широкие возможности электромагнитных (ЭМ) измерений при определении удельного сопротивления содержимого коллектора стали важным фактором при анализах рисков, связанных с исследуемой областью.
Электромагнитные методы с управляемым источником (Controlled Source Electromagnetic Methods, CSEM-методы) широко используются в разведке морских месторождений углеводородов. Наиболее широко применяемые CSEM-системы содержат горизонтальный диполь передатчика, установленный на морском дне. Диполь запитывается сильным электрическим током. Горизонтальные электрические приемники устанавливаются на морском дне на различных расстояниях от передатчика. Некоторые модификации подобных систем описаны в патентах следующих заявителей: Srnka (1986), Ellingsrud et al. (2001-2005), Eidsmo et al. (2003), MacGregor et al. (2003), - а также в других публикациях, перечисленных в конце данного описания. В некоторых из этих систем магнитные измерения дополняются электрическими.
Передатчик морской CSEM-системы обычно генерирует либо гармонический ток, либо последовательность токовых импульсов. После записи такого тока электромагнитные (ЭМ) поля, сгенерированные гармоническим током, могут быть использованы для дальнейших интерпретаций. В отличие от этого поле, сгенерированное токовыми импульсами, подлежит преобразованию в частотную область. Так, в профилировании морского дна (SBL, Sea Bed Logging), которое в настоящее время является наиболее широко применяемым CSEM-методом, используется преобразование Фурье для перехода из временной в частотную область.
Современные морские CSEM-системы способны обнаруживать целевые области при условии, что расстояние по горизонтали между источником и приемником сигнала во много раз превышает глубину коллектора. Это условие гарантирует, что ЭМ поле будет распространяться от передатчика к приемнику через коренную породу, лежащую под осадочной структурой. С другой стороны, большое расстояние сделает измерения чувствительными к искажениям, если ЭМ поле распространяется через воздух. Как показано в работах Constable (2006) и Constable and Weiss (2006), влияние ЭМ поля, распространяющегося через воздух, делает обычную SBL-технологию нестабильной для разведки на мелководье. Другими словами, для глубин менее 300 м эта технология является ненадежной.
Данный недостаток наиболее популярных CSEM-систем отражает более фундаментальный фактор: поперечно-электрическая (ТЕ) составляющая поля вносит вклад в горизонтальную осевую (т.е. направленную вдоль оси диполя) составляющую электрического поля. Известно, что ТЕ-мода, в отличие от поперечно-магнитной (ТМ) моды, малочувствительна к резистивным целевым объектам.
Эдвардс и Чейв (Edwards and Chave, 1986) использовали CSEM-конфигурацию для измерений ступенчатого переходного отклика на сигнал, соответствующий горизонтальной осевой составляющей поля диполь-дипольной системы. Эта конфигурация была позднее использована Эдвардсом (Edwards, 1997) для разведки газогидратных залежей. В данном исследовании осевое электрическое поле дополнялось поперечным электрическим полем. Поперечный компонент менее чувствителен по отношению к резистивным целевым объектам. Следовательно, он может быть использован для определения фонового поперечного сечения (Ellingsrud et al., 2001-2005); при этом он увеличивает девиантное поперечное сечение, полученное при измерениях вдоль оси. В описанных исследованиях расстояние передатчик-приемник варьировалось в интервале 300-1300 м. Данная система имела более высокое разрешение, чем SBL-системы, работающие в традиционной частотной области. Однако она не позволяет проводить разведку углеводородных коллекторов на глубинах, превышающих несколько сотен метров.
Эдвардс и др. (Edwards et al., 1981, 1984, 1985) предложили способ морского магнитометрического электрического зондирования. Соответствующая система состоит из вертикального кабеля, который проходит от поверхности до морского дна и который запитывается переменным электрическим током. Магнитный датчик измеряет азимутальную компоненту магнитного поля у морского дна. Явное преимущество данного метода состоит в его надежности в отношении ТМ-составляющей электромагнитного поля. Недостатками соответствующей системы являются значительные расстояния до датчиков (что необходимо для получения достаточного уровня сигнала) и чувствительность к глубоким слоям подстилающих пород, а также регистрация ТЕ-составляющей, которая образует вместе с ТМ-составляющей отклик от исследуемой резистивной структуры и, в основном, представляет шум.
Самым распространенным недостатком всех описанных CSEM-методов является необходимость довольно значительных расстояний передатчик-приемник, обычно в 5-10 раз превосходящих глубину залегания целевого объекта.
Барсуков и др. (Barsukov et al., 2005) в патентном документе NO 20055168, принадлежащем заявителю настоящего изобретения, предложили конфигурацию TEMP-VEL, в которой используются вертикальные передающие и приемные линии для генерирования тока в морской воде и измерения электрического поля. Таким образом, данная конфигурация генерирует в слоистом пласте электромагнитное поле, содержащее только ТМ-составляющую. Соответственно, система измеряет только ТМ-составляющую ЭМ поля. Применительно к откликам во временной области конфигурация TEMP-VEL настраивается на измерения с временной задержкой. Горизонтальное расстояние между передатчиком и приемником существенно меньше глубины целевого объекта. Указанные характеристики системы обеспечивают максимальную чувствительность применительно к резистивным целевым объектам.
В отличие от SBL-систем, работающих в области частот, у конфигурации TEMP-VEL не происходит потери чувствительности при работе на малых глубинах. Тем не менее, нормальное использование данной системы на мелководье проблематично, поскольку вертикальная ориентация передающего и приемного кабелей не позволяет достичь значительных уровней измеряемых сигналов. Это обстоятельство ограничивает глубину, на которой может быть обнаружен целевой объект при использовании метода TEMP-VEL в условиях мелководья.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в устранении или уменьшении, по меньшей мере, одного из недостатков, присущих уровню техники.
Изобретение охватывает новые способ и устройство для электромагнитной разведки углеводородных коллекторов на малых и больших глубинах, включая исследование геометрии коллектора и водонасыщенность формаций, входящих в состав коллектора.
Согласно первому аспекту изобретения предлагается новый способ обнаружения коллектора и определения его свойств с использованием ТМ-моды электромагнитного поля, индуцированного в подводном пласте. Эта мода электрического поля очень чувствительна к резистивным целевым объектам, расположенным в осадочных морских отложениях. Если для создания тока в воде используется горизонтальный передающий кабель, электрические измерения осуществляют с использованием вертикального приемного кабеля или вертикальных приемных кабелей. Аналогично, если для создания тока используется вертикальный кабель, электрические измерения осуществляют с использованием горизонтального приемного кабеля или горизонтальных приемных кабелей. В обоих случаях завершения передающего кабеля и измерительные электроды будут находиться в одной вертикальной плоскости. Далее подобные конфигурации будут именоваться также "ортогональными".
Более конкретно, предлагается способ электромагнитной разведки электрически резистивных целевых объектов, потенциально содержащих углеводородные коллекторы, который включает следующие операции:
- определение электрических характеристик исследуемого слоя, используя ТМ-моду электромагнитного поля;
- подачу токовых импульсов, характеризующихся резким окончанием, в подводный вертикально или горизонтально ориентированный передающий кабель, завершающийся заполненными водой передающими электродами, и получение отклика среды в паузах между последовательными токовыми импульсами с использованием соответственно горизонтального или вертикального приемного кабеля, соединенного с приемными электродами, и
- измерение отклика пласта в ближней зоне, т.е. при расстоянии R по горизонтали между источником и приемником, которое удовлетворяет условию
,
0
α
-7
где t - время, истекшее после отключения передатчика, µ=4π·10 H/m, a ρ(t) - кажущееся удельное сопротивление подслоя для времени t.
При осуществлении измерений в условиях ближней зоны расстояние по горизонтали между центрами передающего и приемного кабелей меньше глубины залегания целевого объекта.
В предпочтительном варианте для синхронного сбора данных с целью повышения эффективности разведки используют группу приемных кабелей, а ориентацию передающего кабеля и передающих электродов контролируют посредством датчиков наклона. При этом все измерения производят с использованием движущихся или стационарных источников и движущихся или стационарных приемников.
Желательно также, чтобы токовые импульсы в составе конкретной последовательности были некогерентны с шумом. В этом варианте производят накопление отклика, измеряемого каждым приемником, для обеспечения требуемого, достаточно высокого отношения сигнал/шум.
Дополнительное подавление шума может быть обеспечено регистрацией давления воды и температуры в местах расположения приемников, тогда как решение продолжать измерения, изменить режим работы, изменить место измерений или извлечь один или более инструментов может быть принято по результатам оценки и/или полной или частичной интерпретации полученных данных.
При осуществлении способа согласно изобретению передатчик генерирует и передает через кабель последовательность токовых импульсов, характеризующихся резким окончанием (крутым задним фронтом). Приемник измеряет разность напряжений, которая соответствует компоненте электрического поля, ортогональной прямой линии, соединяющей завершения передающих кабелей. Измерение осуществляют в интервалах (паузах) между инжектируемыми токовыми импульсами. Крутизну заднего фронта, стабильность амплитуды и длительность импульса задают такими, чтобы обеспечить независимость измеряемого отклика от формы импульса. Эта независимость обеспечивается для интервалов, соответствующих глубине исследуемого целевого объекта.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается устройство для определения содержимого коллектора, использующее ортогональную конфигурацию передающего и приемного кабелей, чтобы обеспечить генерирование ТМ-моды или, альтернативно, генерировать обе моды, но проводить измерение только ТМ-моды.
Более конкретно, предлагается устройство для электромагнитной разведки электрически резистивных целевых объектов, потенциально содержащих углеводородные коллекторы, которое содержит:
- погруженный вертикально или горизонтально ориентированный передающий кабель, завершающийся заполненными водой передающими электродами и выполненный с возможностью функционирования в качестве передатчика электромагнитного поля;
- источник электрической мощности и преобразователь, выполненные с возможностью подачи на передающий кабель серии импульсов типа меандра, при этом индивидуальный импульс имеет длительность 0,01-50 с, амплитуду 100-5000 А и крутой задний фронт; и
- погруженный вертикально или горизонтально ориентированный приемный кабель, установленный в ближней зоне передатчика, соединенный с приемными электродами и выполненный с возможностью измерять электрическое поле в паузах между токовыми импульсами.
Согласно предпочтительному варианту устройство содержит приемные кабели для приема и одновременной регистрации компонент электрического поля в ближней зоне передатчика. Кроме того, в этом варианте устройство может дополнительно содержать:
- транспондеры и датчики наклона, установленные на концах передающего и приемных кабелей, и/или
- датчики давления и температуры, установленные на концах приемных кабелей, и/или
- средства для передачи в реальном времени, по меньшей мере, выборки собранных данных в центральный процессор.
2
Основные принципы настоящего изобретения проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, на которых новая конфигурация TEMP-OEL (Transient Electromagnetic Marine Prospect - Orthogonal Electric Lines), т.е. конфигурация для электромагнитной морской разведки с ортогональными электрическими линиями, сравнивается с обычной SBL-конфигурацией для частотной области и с конфигурацией TEMP-VEL для временной области. Отклики для всех трех конфигураций построены для моделей, соответствующих большой глубине (толщине слоя воды 1000 м) и мелководью (толщине слоя воды 50 м). Во всех моделях удельное сопротивление морской воды составляет 0,32 Ом·м, а удельное сопротивление вышележащего слоя и полупространства над целевым объектом равно 1 Ом·м. Сопротивление целевого слоя в поперечном направлении равно 2000 Ом·м, что соответствует, например, слою с толщиной 50 м и с удельным сопротивлением 40 Ом·м.
Было проведено тестирование каждой конфигурации для слоев, соответствующих целевому объекту, расположенных на различных глубинах под морским дном. Приведенные кривые соответствуют откликам, рассчитанным для толщин вышележащего слоя, равных 1000, 2000, 3000, 4000 и 5000 м. Представлен также отклик для модели без нефти (соответствующей отсутствию резистивного слоя).
Краткое описание чертежей
На прилагаемых чертежах и в нижеследующем описании приведены примеры предпочтительных вариантов изобретения, не ограничивающих его объем.
На фиг.1 показано разрешение для обычных CSEM-измерений (в конфигурации вдоль оси диполя, TxRx), основанных на измерениях напряжения в частотной области как функции расстояния. Такая конфигурация широко применяется в морской разведке углеводородов (в том числе в SBL-системах). На графике 1а показан отклик для модели глубоководных условий за период 4 с. График 1b относится к той же модели, но для периода 1 с. Графики 1 с и 1d иллюстрируют отклики для модели мелководья за периоды соответственно 4 с и 1 с. Все отклики нормализованы относительно произведения дипольного момента источника и длины диполя приемника.
На фиг.2 показаны падающие отклики (напряжения) как функции времени, прошедшего после выключения источника для системы TEMP-VEL, описанной Барсуковым и др. (Barsukov et al., 2005). Отклики показаны для большой глубины (а) и для мелководья (b). Расстояние равно 300 м. Напряжение нормализовано относительно подаваемого тока.
На фиг.3 показаны две альтернативные конфигурации системы TEMP-OEL.
На фиг.4 показаны падающие отклики (напряжения) как функции времени, прошедшего после выключения источника, в новой системе TEMP-OEL. Отклики показаны для большой глубины (а) и для мелководья (b). Расстояние равно 300 м. Для конфигурации TzRx (представленной на фиг.3а) отклик нормализован относительно произведения подаваемого тока на длину диполя приемника; для конфигурации TxRz отклик нормализован относительно дипольного момента источника.
На фиг.5 схематично, на виде сбоку показана система электромагнитной разведки согласно изобретению с вертикальным передающим кабелем и с горизонтальным приемным кабелем (соответствующая конфигурации по фиг.3а).
На фиг.6 схематично, на виде сбоку показана система электромагнитной разведки согласно изобретению с горизонтальным передающим кабелем и с вертикальным приемным кабелем (соответствующая конфигурации по фиг.3b).
Осуществление изобретения
Способ согласно изобретению может применяться в условиях как малой, так и большой глубин воды. Он характеризуется высокой чувствительностью и высоким разрешением в отношении резистивных целевых объектов. Кроме того, новые способ и устройство обеспечивают более высокую эффективность, чем известная система TEMP-VEL, использующая вертикальные передающий и приемный кабели.
Во-первых, обеспечивается возможность использования любой из двух альтернативных конфигураций. В первой конфигурации поле формируется вертикальным кабелем, создающим только ТМ-моду электромагнитного поля в стратифицированной среде. В этой конфигурации для регистрации в поперечном сечении применяется горизонтальный, радиально ориентированный кабель. Во второй конфигурации для генерирования поля в воде используется горизонтальный передающий кабель, тогда как для регистрации вертикальной компоненты электрического поля, ассоциированного с ТМ-модой, применяется вертикальный приемный кабель. Выполненная таким образом система с взаимно ортогональными передающим и приемным кабелями измеряет отклик структуры для ТМ-моды с обеспечением высокой чувствительности к резистивным целевым объектам. При этом применение горизонтального кабеля для посылки или приема сигналов обеспечивает необходимый уровень сигнала, даже если разведка проводится на мелководье.
Во-вторых, чтобы обеспечить требуемую точность измерений, на линиях (кабелях) установлены индикаторы наклона.
В-третьих, передатчик формирует в передающем кабеле последовательность токовых импульсов с крутым задним фронтом. Чтобы избежать трудностей, связанных с неидеальной формой токовых импульсов (Wright, 2005), новый способ требует, чтобы крутизна заднего фронта импульса, его длительность и стабильность амплитуды соответствовали жестким требованиям, при выполнении которых отклик, соответствующий глубине, на которую проводится разведка целевого объекта, является независимым от формы импульса.
В-четвертых, система измеряет поля, соответствующие затухающему току, текущему в слое после отключения передатчика. Сбор, обработка и интерпретация данных производятся во временной области.
В-пятых, расстояние по горизонтали между центрами передающего и приемного кабелей удовлетворяет условию ближней зоны. Это расстояние меньше глубины залегания целевого объекта, измеряемой от морского дна.
Одна из возможных конфигураций новой системы показана на фиг.3а. В этой конфигурации система подает электрический ток в воду посредством вертикального передающего кабеля Tz. Такой источник создает в стратифицированной среде электромагнитное ТМ-поле. Горизонтальный приемный кабель Rx протянут по морскому дну. Его длина выбрана такой, чтобы обеспечить уровень сигнала, который можно измерить надежным образом и с требуемой точностью.
Другая возможная конфигурация согласно изобретению показана на фиг.3b. Система создает электрический ток в воде, используя горизонтальный передающий кабель Тх. Для приема сигнала используется вертикальный приемный кабель Rz. Такой приемник измеряет компоненту Ez электрического поля, ассоциированную с ТМ-полем. В данной конфигурации требуемый уровень сигнала обеспечивается применением передающего кабеля соответствующей длины. Обе конфигурации обеспечивают одинаковую чувствительность к резистивным целевым объектам.
Измеренные отклики могут быть преобразованы из напряжения в формат кажущегося удельного сопротивления путем прямого преобразования или сравнением с откликом для двухслойной структуры, состоящей из слоя морской воды достаточной толщины и соответствующего полупространства.
Описанные выше принципы, положенные в основу способа TEMP-OEL, реализованы в устройстве согласно изобретению.
Вариант устройства схематично изображен на фиг.5. Здесь через 1 обозначена поверхность слоя 2 воды над морским дном 3. На поверхности 1 воды находится судно 4. Вертикальный передающий кабель 7а завершается заполненными водой передающими электродами 8.
Горизонтальный приемный кабель 10а соединяет приемные электроды 11 с регистрирующим модулем 9, содержащим поверхностный буй 9а и соединительный кабель 10с.
Положение и ориентация электродов 8, 11 контролируются датчиками наклона/транспондерами 12.
Судно 4 снабжено радиостанцией 6 и антенной 5. Регистрирующий модуль 9 снабжен антенной 13 для передачи сигнала на радиостанцию 6 судна 4.
На фиг.6 схематично представлена альтернативная конфигурация, использующая горизонтальный передающий кабель 7b и вертикальные приемные кабели 10b.
Горизонтальный передающий кабель 7b связан с судном 4 посредством соединительного кабеля 7с.
В обеих конфигурациях приемные электроды должны находиться в той же вертикальной плоскости, что и завершения (электроды) передающего кабеля.
В основном режиме работы системы TEMP-OEL судно 4, передающие кабели (передатчики) 7а, 7b и приемные электроды (приемники) 11 должны быть зафиксированы в выбранных положениях на период, достаточный для достижения заданного качества получаемых данных. Радиостанция 6 и антенны 5, 13 служат для осуществления связи между передатчиками 7а, 7b и приемниками 10а, 10b, в том числе для управления сбором данных в процессе разведки. Такое выполнение позволяет повторить измерения в том случае, когда удовлетворительное качество сигнала не было достигнуто.
Датчики наклона/транспондеры 12 используются для точного определения положений передающих и приемных электродов 8, 11.
Полученные данные обрабатывают, анализируют и преобразуют в графики зависимости напряжения/кажущегося удельного сопротивления от времени и глубины и/или инверсии в одном измерении. В случае необходимости может быть выполнено преобразование с инверсией в 2½ или в 3 измерениях с соответствующей интерпретацией выполненного преобразования.