СПОСОБ ПОИСКА ГАЗОГИДРАТОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF SEARCHING FOR GAS HYDRATES (VERSIONS)

Изобретение относится к геофизическим методам поиска минерального сырья на дне моря и может быть использовано для поиска залежей газогидратов в приповерхностном слое.
Газогидраты - это твердые соединения, образующиеся из углеводородов и воды при определенном давлении и температуре. В природе они встречаются главным образом в океанах и районах вечной мерзлоты. В океанах газогидраты в основном находятся на континентальных склонах в виде мощных слоев на глубинах порядка нескольких сотен метров ниже поверхности морского дна. Картирование месторождений газогидратов на морском дне является актуальной задачей, поскольку углеводороды в ближайшем будущем могут заменить в качестве сырья нефть, запасы которой на Земле ограничены.
Особенно актуальным является выявление залежей газогидратов, расположенных вблизи поверхности морского дна на небольших (единицы и десятки метров) глубинах, поскольку добыча газогидратов в этом случае не будет связана с дорогостоящим бурением морского дна. Такие залежи, как правило, имеют горизонтальные размеры порядка километра. (Heeschen K.U., Tre'hu A.M., Collier R.W., Suess E., Render G. Distribution and height of methane bubble plumes on the Cascadia Margin characterized by acoustic imaging // Geophys. Res. Lett. 2003. V.30. N.12. P.1643; Zhang Y. Methane escape from gas hydrate systems in marine environment, and methane-driven oceanic eruptions // Geophysical research letters. 2003. V.30. N.7. P.511-514; Отчет о работах в 11А рейсе НИС М.Келдыш. Материалы по газогидратоносности Охотского моря. Л., 1988. С.125-174; Соловьев Б.А. Особенности газогидратпроявления в районе острова Парамушир (Охотское море). Материалы по газогидратоносности Охотского моря. Ленинград. 1988. С.126-174; Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты / Санкт-Петербург: ВНИИОкеангеология, 1998. 216 с.).
К одним из наиболее достоверных методов обнаружения месторождений газогидратов относится метод бурения осадочных пород с отбором керна. (А.Щебетов Месторождения газовых гидратов: ресурсы и возможные методы разработки // Технология ТЭК. 2006, апрель). К очевидным недостаткам этого метода можно отнести его дороговизну, связанную с необходимостью бурения в морском дне большого количества скважин (сетка скважин с расстоянием между ними порядка одного километра), что не позволяет с помощью данного метода производить исследование больших площадей.
Известен способ, позволяющий избежать бурения слишком большого числа скважин (п. РФ №2180448, опубл. 10.03.2003). Способ заключается в том, что на определенном расстоянии друг от друга (порядка нескольких километров) бурят две скважины и наличие газогидратов между скважинами определяют с помощью акустического метода, поместив в одной из скважин приемник, а в другой - излучатель. Недостатком метода является его дороговизна, связанная с необходимостью бурить скважины, и невозможность проведения подробного картирования газогидратов в приповерхностном слое морского дна.
Известен способ определения приповерхностных залежей газогидратов без бурения скважин по измерению гравитационного поля (Gravity signatures of gas hydrate (Shankar U., Thakur N.K., Khanna R. Gravity signature of gas hydrate // Current science. 2003. V.85. N.4. P.474-477). Способ основан на том, что газогидраты имеют более низкую плотность по сравнению с водой и, следовательно, гравитация в местах расположения приповерхностных газогидратов будет ниже фоновых значений гравитации в месте измерения. Недостатком данного способа является необходимость буксировки измерителя и контроля высоты расположения измерителя над дном, что требует выполнения определенных условий: наличие специальной лебедки, троса, движение судна с небольшой скоростью, и др. Это увеличивает и время измерений, и стоимость способа.
Известен способ определения приповерхностных залежей газогидратов с помощью излучения и приема электромагнитных полей, основанный на том, что газогидраты имеют по сравнению с окружающими осадочными породами другие электромагнитные характеристики (п. США №7145341, опубл. 05.12.2006 г). Недостатком метода является необходимость размещения антенн непосредственно на морском дне, что делает данный метод также чрезвычайно затратным и длительным.
Известен способ определения газогидратов с помощью методов сейсмоакустики, который традиционно используется для решения сейсмических задач, связанных с поиском и разведкой нефтяных и газовых месторождений или минеральных ресурсов, получения информации о структуре донных осадков толщиной до нескольких тысяч метров. Для реализации этого способа используются низкие частоты (Ewing I., Ewing M. Seismic-reflection measurements on the Atlantic Ocean basin in the Mediterranean Sea, on the Mid-Atlantic Ridge and in the Norwegian Sea.-Bull // Geol. Soc. Amer. 1959. V.70. P.291-318). В морских сейсмических исследованиях излучатель и один или несколько приемников акустических сигналов буксируются за судном. В качестве излучателей наиболее часто используют пневмопушки (частотный диапазон 5-300 Гц), работающие на энергии сжатого воздуха, и взрывные источники (1-1000 Гц), являющиеся наиболее эффективными с точки зрения мощности и ширины спектра (Вайхарт Г.Ф. Применение геофизических методов и оборудования в исследованиях морского дна / В кн. Акустика дна океана. Под ред. У.Купермана и Ф.Енсена. М.: Мир, 1984. С.46-58). Сейсмический метод позволяет легко определить нижнюю границу расположения газогидратов под поверхностью морского дна (Kvenvolden, К.A., Claypool G.E. Gas hydrate in oceanic sediment // S. Geol. Survey Open Files Report. 88-216. 1988. P.50; Andreassen К.П., Grants A. Seismic studies of a bottom simulating reflection related to gas hydrate beneath the continental margin Beaufort Sea // J. Geophys. Res. 1995. 100. P.12659-12673. Collett Т.S., Bird K. J. Gas hydrate surface simulating seismic reflector in the Prudhoe Bay-Kuparuk River region of northern Alaska // Annual Meeting AAPG, 1993, p.87), которая обычно располагается на глубинах в несколько сотен метров ниже поверхности морского дна. Данный метод позволяет обследовать большие площади морского дна. Недостатком метода являются большая область озвученного объема с высоким уровнем сигнала, оказывающим травмирующее действие на морских животных, необходимость буксировки приемно-излучающих устройств, низкое пространственное разрешение, связанное с большой длительностью импульса и низкими частотами звука, практическая невозможность определения приповерхностных газогидратов.
Наиболее близким к заявляемому является метод поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна по обнаружению в водной толще выделяющихся из областей газогидратов пузырьков газа (газовые факелы) (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газовые факелы Охотского моря // Сб. тр.13 сессии РАО. 2003. Т.4. С.145-148), которые, как хорошо известно, являются индикаторами наличия газогидратов в приповерхностном слое морского дна (Соловьев Б.А. Особенности газогидратпроявления в районе острова Парамушир (Охотское море). Материалы по газогидратоносности Охотского моря. Ленинград. 1988. С.126-174; Ginsburg G.D., Soloviev V.A., Cranston R.E., Lorenson T.D., Kvenvolden K.A. Gas hydrates from the continental slope, offshore Sakhalin Island, Okhotsk Sea // Geo-Marine Letters. 1993. V.13. P.41-48). Способ осуществляют следующим образом. Акустический сигнал излучают в направлении морского дна, например, с помощью эхолота или гидролокатора. Характеристики приемоизлучающей системы (периодичность, длительность, частота сигнала, мощность и диаграмма направленности) определяют стандартным образом в зависимости от расстояния между акустическим преобразователем и поверхностью дна. Принимают сигнал объемного обратного рассеяния звука (ООРЗ). Определяют амплитуду сигнала ООРЗ в водной толще, и по наличию характерной области повышенного звукорассеяния делают вывод о наличии выделяющихся пузырьков газа. Месторасположение источника повышенного звукорассеяния на поверхности морского дна, в случае, если поверхность дна находится ниже границы зоны стабильности газогидрата, указывает на область приповерхностных газогидратов (Ginsburg G.D., Soloviev V.A., Cranston R.E., Lorenson T.D., Kvenvolden K.A. Gas hydrates from the continental slope, offshore Sakhalin Island, Okhotsk Sea // Geo-Marine Letters. 1993. V.13. P.41-48). Данный способ имеет определенные недостатки. Во-первых, глубоководные газовые факелы имеют незначительные поперечные размеры (не превышающие десяти метров), что уменьшает вероятность обнаружения таких образований известным способом. Во-вторых, вид газового факела на эхограмме зависит от направления его пересечения судном и при пересечении газового факела под углом к направлению течения, он регистрируется не полностью, а в виде некоторой области, по форме, зачастую не отличающейся от рыбных стай. В-третьих, данный метод не позволяет регистрировать залежи газогидратов, из которых выделения газа в момент наблюдения прекратилось (так называемые газовые факелы в состоянии покоя).
Задача изобретения состоит в повышении эффективности, надежности и уменьшении стоимости способа поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна за счет использования характеристик сигнала ООРЗ не только от водной толщи, но и от морского дна.
1
1
Поставленная задача решается способом поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна, включающим излучение в направлении морского дна акустического сигнала, прием и обработку сигнала объемного обратного рассеяния звука от морского дна, определение участков повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое и вычисление отношения K интегральных уровней амплитуд сигнала объемного обратного рассеяния звука участков повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое морского дна, причем наличие газогидратов фиксируют в случае, если полученное значение K выше предварительно определенного порогового значения данного показателя.
2
3
2
3
Поставленная задача решается также способом поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна, включающим излучение в направлении морского дна акустического сигнала, прием и обработку сигнала объемного обратного рассеяния звука, вычисление длительности К сигнала объемного обратного рассеяния звука и/или количества К звукорассеивающих слоев в приповерхностном слое морского дна, причем наличие газогидратов фиксируют, в случае, если полученные значения К и/или К ниже соответствующих величин предварительно определенных пороговых значений показателей.
Заявляемый способ основан на том, что области залегания приповерхностных газогидратов по данным объемного обратного рассеяния высокочастотного звука по сравнению с соседними областями характеризуются:
повышенным уровнем приповерхностного рассеяния и более быстрым падением уровня сигнала ООРЗ с глубиной;
меньшим количеством звукорассеивающих слоев;
меньшей длительностью сигнала ООРЗ от морского дна.
1
2
3
Заявителем впервые экспериментально определены и теоретически обоснованы возможности определения газогидратов в приповерхностном слое морского дна с помощью определенных по характеристикам ООРЗ в приповерхностном слое морского дна показателей K, равного отношению интегральных уровней ООРЗ участков повышенного и пониженного рассеяния, К, равного длительности сигнала ООРЗ в приповерхностном слое морского дна, и К, равного количеству звукорассеивающих слоев в приповерхностном слое морского дна.
Способ осуществляют следующим образом.
1
1
1
Акустический сигнал, например, с помощью акустического преобразователя, эхолота или гидролокатора излучают в воду в направлении морского дна. Требуемые характеристики сигнала, а именно периодичность, длительность, частота заполнения, мощность и диаграмма направленности, определяемые необходимостью получения качественного отраженного от морского дна сигнала, выбираются стандартным образом в зависимости от расстояния между акустическим преобразователем и поверхностью дна, характеристик неоднородностей дна, уровнем шума. Частота акустического сигнала, наиболее эффективная для данного способа, лежит в высокочастотном акустическом диапазоне 3-100 кГц. Акустический сигнал при распространении рассеивается в обратном направлении от поверхности морского дна и от неоднородностей верхнего слоя донных осадков. Принятый акустическим преобразователем сигнал ООРЗ преобразуется в электрический сигнал и обрабатывается, отображаясь, например, в виде эхограммы на экране монитора компьютера. Далее по полученному сигналу ООРЗ в приповерхностном слое морского дна и по определенным ранее значениям участков повышенного и пониженного рассеяния определяют показатель K в исследуемой области. Наличие газогидратов в приповерхностном слое морского дна определяют по превышению показателем K порогового значения П.
2
3
2
3
2
3
Также по полученному сигналу ООРЗ в приповерхностном слое морского дна определяют показатели К и К в исследуемой области. Наличие газогидратов в приповерхностном слое морского дна фиксируют, если значения показателей К и/или К ниже аналогичных значений пороговых значений К и К соответственно.
1
1
1
Для осуществления способа поиска газогидратов с использованием показателя K предварительно для исследуемого места во время калибровки стандартными статистическими методами определяют значения участков повышенного и пониженного рассеяния и пороговое значение П. Для этого в выбранном районе исследования любым приемлемым способом, например с помощью способа, взятого за прототип, определяют газогидратные области, расположенные в приповерхностном слое морского дна. Затем выполняют акустический разрез через указанные области и определяют значения участков повышенного и пониженного рассеяния и показатель K на калибровочном разрезе.
2
3
2
3
Пороговые значения для исследуемого места П, П определяют предварительно во время калибровки стандартными статистическими методами. Для этого в выбранном районе исследования любым приемлемым способом, например с помощью способа, взятого за прототип, определяют газогидратные области, расположенные в приповерхностном слое морского дна. Затем выполняют акустический разрез через указанные области и определяют К и К на калибровочном разрезе.
1
3
i
i
iГГ
i
iФ
i
Далее, для определения порогов П-П с целью уменьшения влияния случайных факторов производят скользящее осреднение К, где i=1÷3 на калибровочном разрезе по дистанции, которая существенно меньше характерного горизонтального размера областей газогидратов в приповерхностном слое морского дна. Далее по полученной осредненной величине любого из параметров К, где i=1÷3, определяют К - среднее значение данного параметра К в областях газогидратов и К - среднее значение параметра К в фоновых областях (вне областей газогидратов).
i
i
Если генеральное среднее распределений К в фоновых областях и в областях газогидратов с заданной доверительной вероятностью ε находится в доверительных интервалах
iФ
iФ
iГГ
iГГ
(/К/±ε) и (/К/±ε),
тогда, в случае, если соблюдаются неравенства
iФ
iФ
iГФ
iГГ
(/К/-ε)<(/К/+ε), i=1;
iФ
iФ
iГФ
iГГ
и (/К/-ε)>(/К/+ε), i=2, 3,
то величины
iФ
iГГ
К<К, i=1
iФ
iГГ
и К>К, i=2, 3
с заданной вероятностью. В этом случае искомые величины порогов Пi выбираются из неравенства
iФ
iФ
iГГ
iГГ
1
(/К/-ε)<Пi<(/К/+ε), i=1 (для K)
iФ
iФ
iГГ
iГГ
2
3
и (/К/-ε)>Пi>(/К/+ε), г=2, 3 (для К и К).
i
1
2
3
Описанным выше способом предварительно была произведена калибровка, определены К, где i=1÷3 на калибровочном разрезе, и были определены соответствующие значения порогов П=2, П=40 мс, П=2,5 и участки повышенного и пониженного приповерхностного рассеяния: 0-20 мс и 20-60 мс соответственно, в районе залегания газогидратов на шельфе о. Сахалин в Охотском море.
1
3
После определения соответствующих значений порогов П-П выполняют гидроакустическую съемку во всем районе исследований.
1
3
Поскольку пороговые значения П-П определяются геологическими и термобарическими условиями данной местности, то они являются стабильными и не изменяются вплоть до резких изменений вышеуказанных условий. Поэтому определенные однажды для данной местности они могут быть использованы и в дальнейшем.
Натурные испытания способа были проведены в рейсе НИС "Академик М.А.Лаврентьев" в районе залегания газогидратов на шельфе о.Сахалин в Охотском море.
Конкретные рабочие характеристики излучения акустического сигнала определяются стандартным способом исходя из общих известных акустических закономерностей, а именно частота, длительность, мощность, период между излучениями определяются условиями измерений (расстоянием от преобразователя до дна, характеристиками неоднородностей дна, уровнем шума и др.). Например, в случае поиска газогидратов с поверхности моря при глубине моря 800 м, излучаемая частота акустических волн должна быть не выше 50 кГц, поскольку при использовании более высокой частоты из-за сильного поглощения до дна дойдет незначительная часть энергии. Заявителем использовались частоты: 12; 19,7 кГц. Период между излучениями определяется расстоянием от преобразователя до дна и длительностью сигнала обратного рассеяния от дна. Если период будет меньше суммы двойного времени распространения до дна и длительности сигнала объемного обратного рассеяния от дна, то последующие импульсы излучения могут наложиться на принятый сигнал и исказить его. В данном случае, при глубине моря 800 м, рекомендуемый период должен быть не ниже 1,5 с. Мощность акустического излучения также определяется глубиной дна, характеристиками неоднородностей в дне, величиной поглощения звука и уровнем шума. При низкой мощности и большом уровне шума сигнал ООРЗ может быть замаскирован шумами, что сделает невозможным определение его искомых характеристик. Длительность импульсов излучения должна быть не больше характерного расстояния между звукорассеивающими слоями в приповерхностном слое морского дна. В противном случае слои на эхограмме не будут разрешаться. Заявителем использовалась длительность 1 мс.
1
1
2
2
3
3
1
Наличие приповерхностных газогидратных областей фиксировалось по всем заявляемым показателям: и по превышению порогового значения П=2 для показателя К и по показателю К, если он ниже порогового значения П=40 мс, и по показателю К, если он ниже величины порогового значения П=2,5. Определенные во время калибровки значения участков повышенного и пониженного рассеяния для вычисления показателя К составили 0-20 мс и 20-60 мс соответственно.
1
2
3
1
2
3
На фиг.1 представлены полученные при медленном дрейфе судна на шельфе Охотского моря через область залегания газогидратов в приповерхностном слое морского дна: а - фрагмент эхограммы с участком дна, где C1, C2 и С3 - звукорассеивающие слои; б, в, г - осредненные значения показателей К, К, и К соответственно; П, П и П - пороговые значения соответствующих показателей.
На фиг.2 представлены осредненные профили сигнала ООРЗ от морского дна, полученные при медленном дрейфе судна через область залегания газогидратов, в фоновой области (кривая 1) и в области залегания газогидратов (кривая 2).
1
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг.3 представлена эхограмма, полученная во время акустической съемки на разрезе через несколько областей залегания приповерхностных газогидратов и осредненные значения показателей К, К и К; д - фрагмент эхограммы с участком дна; е - К; ж - К, з - К, где П, П и П - пороговые значения соответствующих показателей.
Видно, что непосредственно в области, над которой регистрируются газогидраты, обнаруженные ранее по рассеянию звука в морской толще, уровень приповерхностного сигнала ООРЗ на участке повышенного рассеяния (0-20 мс фиг.1, а) выше, чем в соседних фоновых областях, а уровень рассеяния от более глубоких слоев на участке пониженного рассеяния (20-60 мс, фиг.1, а). Кроме того, видно, что в данной области длительность сигнала ООРЗ от приповерхностного слоя морского дна и количество тонких звукорассеивающих слоев (С1 и С2) меньше, чем в фоновых областях (С1, С2, С3).
1
2
3
1
1
2
2
3
3
В области газогидратов значение K увеличивается, а значения К, К уменьшаются по сравнению с фоновыми значениями (фиг.1, б - г). Видно, что в области газогидратов значения К>П, К>П, К<П.
Возможная причина появления на эхограммах таких характерных областей связана с тем, что в приповерхностном слое осадков содержится большое количество пузырьков газа, образующихся как при разложении имеющихся газогидратов, так и в процессе миграции газа из более глубоких слоев осадков к поверхностным слоям. Наличие большого количества пузырьков приводит к более сильному поглощению и рассеянию звука. В результате в областях газогидратов сигнал ООРЗ от приповерхностного слоя осадков (участок повышенного приповерхностного рассеяния) увеличивается, а из более глубоких слоев (участок пониженного приповерхностного рассеяния) уменьшается. Для этих же областей длительность ООРЗ от морского дна и количество звукорассеивающих слоев в области с газогидратами меньше, чем в соседних фоновых областях.
2
2
3
3
3
На фиг.2 видно, что профили сигналов ООРЗ в фоновой области (кривая 1) и области с газогидратами (кривая 2) пересекаются в точке 20 мс. В слое осадков от поверхности дна до глубины, определяемой точкой пересечения профилей, уровень сигнала ООРЗ в области залегания газогидратов выше, чем в соседних областях, а в более глубоководном слое осадков, расположенном ниже места пересечения профилей - ниже. Также из фиг.2 видно, что длительность (K) сигнала ООРЗ в области газогидратов (кривая 2) меньше (не превышает 30 мс), чем в соседних областях (кривая 1), в которой длительность (К) превышает 50 мс. Видно также, что количество (К) тонких звукорассеивающих слоев, которые на осредненных профилях отображаются в виде локальных максимумов, в области газогидратов (кривая 2) также меньше (К равно двум), чем в соседних областях (кривая 1), где выделяются четыре слоя (К равно двум).
1
3
1
1
2
3
2
3
На фиг.3, д приведена эхограмма при пересечении судном нескольких областей газогидратов. Над некоторыми областями газогидратов выделяются пузырьки газа, которые на эхограмме регистрируются в виде характерных областей повышенного рассеяния в виде газовых факелов. На фиг.3, е-з приведены соответствующие значения осредненных показателей K-К. Стрелками на фиг.3, е-з обозначены области дна, в которых по данным показателям регистрируются газогидраты. Большинству стрелок на фиг.3, е-з соответствуют газовые факелы на фиг.3, д. Но есть две области (стрелки А и Б на фиг.3, д) без газовых факелов на фиг.3, д. Однако в данных областях показатель K выше П, а показатели К и К ниже соответствующих П и П, что свидетельствует о наличии в них приповерхностных газогидратов, что было впоследствии подтверждено с помощью пробоотборных прямоточных грунтовых трубок.
1
2
3
Таким образом, каждый из предлагаемых заявителем показателей K, К, К позволяет определять как те области газогидратов, над которыми выделяются пузырьки газа и которые могут быть обнаружены также по способу-прототипу, так и области газогидратов, над которыми пузырьки газа не выделяются и которые невозможно определить другими методами.
1
2
3
Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенного способа, в том числе использование показателей K, К, К, определенных по характеристикам сигнала ООРЗ от морского дна, позволяет получить заявляемый технический результат: повышение эффективности и надежности обнаружения газогидратов в приповерхностном слое морского дна. Поскольку геометрические размеры областей газогидратов в приповерхностном слое морского дна составляют около километра, что существенно превышает поперечные размеры глубоководного газового факела (менее 10 м), то для обнаружения газогидратов заявленным способом потребуется выполнить более редкую сетку галсов, что удешевит работу по поиску газогидратов.