Способ наземной разведки нефтяных месторождений посредством радиоволнового выявления аэроионных аномалий над залежами нефти
METHOD FOR GROUND-BASED EXPLORATION OF OIL DEPOSITS BY MEANS OF RADIO-WAVE DETECTION OF AIR ION ANOMALIES OVER OIL DEPOSITS

Предлагаемый способ относится к методам дистанционного радиоволнового обнаружения залежей нефти на суше. Цель изобретения - создание унифицированного безлюдного способа радиоволнового выявления трудноопределимых залежей нефти в сложных ландшафтно-геоморфологических условиях.
В условиях возрастающей сложности горно-геологической обстановки залегания углеводородных месторождений их эффективная дистанционная геологическая разведка должна обеспечиваться геофизическими и геохимическими способами поиска, которые базируются на современных физико-химических моделях процессов в залежах, вскрывающих внутренние взаимосвязи геологических процессов и физических полей. К настоящему времени накоплен значительный объем предложений по использованию электромагнитных волн для прямого поиска и исследования нефтяных месторождений.
Однако многочисленные способы электромагнитного исследования нефтяных залежей, построены на тех, необоснованных в рамках классической электродинамики, моделях распространения мегагерцовых и гигагерцовых радиоволн в породах земной коры, представляющих собой проводящую среду, но не среду диэлектрическую. Эти модели предполагают, что таким проникновением радиоволн в толщу пород обуславливается радиоволновой отклик нефтяной залежи, который может быть зарегистрирован аппаратурой на дневной поверхности. (Обзор таких моделей и способов, основанных на них, приведен в статье «Электродинамические методы поиска и оконтуривания углеводородных залежей» Д.В. Гололобов, П.М. Катлеров, Доклады БГУИР, №2, 2004).
Так известен способ геоэлектроразведки - авторское свидетельство СССР № 451032, кл. G01V 3/12, 1971. Способ включает излучение двумя источниками, расположенными симметрично приемнику, когерентных радиоволн с равными амплитудами, но противоположными фазами, и прием отраженных от неоднородностей среды радиоволн. Данный способ заявляет возможность отражения радиоволн от горизонтально-слоистых неоднородностей геологической среды, т.е. он предполагает проникновение радиоволн из диэлектрической среды приземной атмосферы в проводящую среду пород земной коры.
Такое же проникновение радиоволн вглубь земной коры предполагается в другом способе наземного радиоволнового зондирования (Томилин В.К., Лаптев М.М., Некрасов Э.М., Жариков А.А., Астафьев Г.П. Опыт применения наземного радиоволнового зондирования на золоторудном месторождении. //Геологическое изучение и использование недр. Информационный сборник, 1996, № 5, с. 40-43). В этом способе нем используется излучатель радиосигнала и приемник. Результаты измерений представляются в виде двумерной матрицы, которая визуализирует распределение в разрезе по горизонтали и вертикали радиоволновых и петрофизических параметров геологической среды. Т.е. опять заявляется возможность распространения электромагнитных волн в проводящей среде земной коры.
Эти и подобные им способы электроразведки исходят из теоретически необоснованного допущения о проникновении высокочастотных радиоволн внутрь земной коры на километровые глубины. Невзирая на то, что для среды вещества земной коры характерны свойства проводника, а не диэлектрика как у земной атмосферы.
В отличие от таких необоснованных моделей, допускающих возможность волнового сканирования углеводородных залежей с дневной поверхности, известно, что от находящихся в глубине месторождений твердых и жидких полезных ископаемых к дневной поверхности восходит поток подвижных частиц, несущих информацию об объекте. Например, в патенте США №4587847 и статье Malmquist'a и др. "Geogas prospecting - an ideal industrial application of PIXE" (Nuclear Instruments and Methods, B, 150 (1999), p. 484-490) этот поток называется геогазом, в статье Wang и др. "Nanoscale metals in Earthgas and mobile forms of metals in overburden…" (Journal of Geochemical Exploration, 58 (1997), p. 63-72) - земным газом, в патенте РФ №2097796 - струйной субвертикальной миграцией химических элементов, в патенте США №4573354 говорится о потоке летучих соединений, эманирующих от подземного источника. Существуют способы геохимических исследований, использующие это явление. Так, известен геохимический способ поисков углеводородов по патенту РФ №2097796 (МПК G01V 9/00, приор. 03.04.96 г.), в котором на изучаемой площади в каждой точке наблюдения производят отбор проб с различных горизонтов почвы и экстрагируют из них элементы-индикаторы углеводородов, связанные с органическими соединениями почвы, отбирают элементы в электроподвижных формах нахождения, определяют концентрации заранее установленных элементов-индикаторов в каждом из экстрактов и по совпадению зон с аномальными концентрациями элементов-индикаторов и элементов в электроподвижных формах нахождения устанавливают границы нефтегазоносных провинций, областей, месторождений или отдельных залежей. Этот способ трудоемок, так как требует отбора проб с различной глубины, установки специальных электродов для отбора проб элементов в электроподвижных формах и проведения большого количества химических анализов.
Известен также способ геофизической разведки по патенту СССР №1764436 (МПК G01V 9/00, приор. 07.09.89 г.), в котором отбирают пробы воздуха из приземного слоя атмосферы, фильтруют аэрозольные частицы более 0,2 мкм, ионизируют попавшие в пробоотборник частицы энергетическим воздействием не более 14 эВ, меньшим минимального потенциала ионизации смеси атмосферных газов, измеряют полное количество ионизованных частиц, которое принимается в качестве физико-химической характеристики среды. Недостатком этого способа является то, что на величину ионизационного тока влияют многие факторы, например, влажность и наличие газовых компонентов, имеющих тот же потенциал ионизации, что и газообразные рудные компоненты.
В отличие от этого предлагается способ наземной разведки месторождений нефти посредством радиоволнового выявления аэроионных аномалий над залежами нефти.
В предлагаемом способе никакие допущения о проникновении высокочастотного электромагнитного излучения техногенной природы вглубь земной коры на километровые глубины и возможности с их помощью регистрации залегающих там геологических объектов не используются ввиду их необоснованности в рамках классической электродинамики.
Предлагаемый способ наземной разведки месторождений нефти посредством радиоволнового выявления аэроионных аномалий над залежами нефти основан на представлении о залежи нефти как о природной, активно функционирующей электрохимической системе.
Геодинамические процессы в залежи приводят к тому, что часть углеводородного субстрата залежи переходит в форму ионизированных молекул алканов и наночастиц металлов, присущих нефти, и выносится (со свободной капиллярной влагой, обеспечивающей испарение с дневной поверхности) в приземную атмосферу. В результате этих процессов в прилегающем атмосферном слое над залежью нефти формируется электрически активная аномальная концентрация ионов углеводородов, заряженных наночастиц и электронов, взаимодействующая с магнитным полем Земли. (Далее - аэроионная аномалия).
Геофизическая модель образования аэроионной аномалии полезных ископаемых описана в статьях: 1. «Поиск месторождений ПИ на основе выявления нанопылевых аномалий», А.Ф. Морозов, Е.Ф. Приходько, С.А. Володько// Региональная геология и металлогения. №48, 2011. С-Петербург Изд-во ВСЕГЕИ - С. 70-79; 2. «Концептуальная модель образования наложенных сорбционно-солевых и нанохимических ореолов» С.В. Соколов, Е.Ф. Приходько, А.Г. Марченко, С.А. Володько// Региональная геология и металлогения. №61, 2015. С-Петербург Изд-во ВСЕГЕИ - С. 111-114.
Аэроионная аномалия над залежью нефти имеет собственные волновые электромагнитные и электроакустические процессы, протекающие в ее объеме, а также несет объемный заряд.
Аэроионная аномалия обладает собственными частотами электромагнитного и электроакустического резонанса, на которых она способна поглощать приходящее извне техногенное электромагнитное излучение. Динамика плазмоподобной среды аномалии определяет проявление высокочастотной электропроводности в ней, что отражается на характеристиках радиопередающей аппаратуры, работающей в пределах специфической среды аномалии. Отклонения в функционировании радиоаппаратуры внутри аномалии могут служить поисковым признаком аэроионной аномалии и самой, ее порождающей нефтяной залежи.
В предлагаемом способе нефтяная залежь рассматривается, прежде всего, как открытая электрохимическая система, которая активно «окисляет содержащееся в ней топливо», вырабатывая при этом тепло и электричество, а также конечные и промежуточные продукты окисления алканов.
Такая «электрохимическая система» будет «работать», т.е. окислять топливо доступное ей топливо и вырабатывать электрический ток, потребляемый какой-то внешней нагрузкой. Для обеспечения «рабочего» режима окисления топлива системой, ток должен течь между подошвой нефтяной залежи и ее крышей (в обход нефтесодержащего слоя-коллектора), через внешнюю электрическую цепь, образованную содержащими залежь породами.
В этой модели нефтяная залежь является функционирующим химическим источником электропитания, включенным во внешнюю замкнутую цепь, который потребляет извне электролит (топливо) и окислитель (атмосферный кислород) и отдает выработанную электроэнергию и продукты окисления в окружающую залежь среду.
Такое функционирование полностью соответствует электрохимической системе, получившей название «топливный элемент». Принципиальная схема функционирования «топливного элемента» (на сегодняшний день уже получившего многократное техническое исполнение) приведена на фиг.1.
Обобщенные электрохимические представления модели «топливного элемента» Дж. Пирсона (Pirson S.J. New electric technique can locate gas and oil. //World oil. 1971. Vol. 172, №5, -p. 69-72. 1971) не вполне отвечают работоспособному «топливному элементу» в современном его понимании, и потому не будут использоваться в описании заявляемого способа.
Топливные элементы, которые способны превращать непосредственно в электричество химическую энергию таких широкодоступных и недорогих топлив, как пропан, природный газ, метиловый спирт, керосин или бензин, являются сегодня предметом интенсивного конструирования.
Работа топливных элементов этого типа основана на реакции окисления горючего на аноде и превращения в диоксид углерода и водород.
+
Вода выделяется на катоде топливного элемента. Протоны (Н) проходят через протонообменную мембрану от анода к катоду, на котором они реагируют с внешним кислородом и образуют воду. Высвободившиеся в реакциях окисления на аноде электроны проходят через внешнюю электрическую цепь от анода к катоду, выделяя энергию на внешней нагрузке.
Электрохимическая схема собственно нефтяной залежи, функционирующей по схеме «топливный элемент», представлена на Фиг. 2.
Соответствие между электрохимической системой «нефтяной залежи» и технической конструкцией «топливного элемента»:
2
В нефтяной залежи, представляемой как «топливный элемент», высокая температура анода (в подошве залежи), потребная для каталитического разложения молекул УВ на положительные ионы алканов и протоны Н, достигается на уровне подошвы залежи естественным образом, благодаря глубине залегания залежи; Необходимое давление обеспечивается высоким пластовым давлением.
Роль протонообменной мембраны, разделяющей анод от катода, которая необходима в любом «топливном элементе», играет сама толща нефтяного пласта.
Протонообменная мембрана «топливного элемента» должна пропускать через себя протоны от анода к катоду, но задерживать на этом пути электроны, которые должны остаться на аноде. В полном соответствии с этим, «нефтяной пласт» не пропускает сквозь себя электрический ток электронов между анодом и катодом, будучи диэлектриком. Эти электроны уйдут с анода в виде электрического тока через окружающие породы в обход пласта с нефтью. И вместе с этим пласт залежи, обладая системой субвертикально ориентированных капилляров, обеспечивает восходящий вынос ионизированных алканов от подошвы-анода к крыше-катоду. Этот вынос осуществляется сдвижением вверх капиллярной воды, идущей к поверхности, чтобы пополнить испаренную с поверхности влагу. Таким образом, восходящий ток от анода к катоду положительно ионизированных молекул углеводородов в «нефтяной залежи» имеет место, и тем самым обе функции протонообменной мембраны «топливного элемента» - каталитическая (на подошве залежи) и протонообменная (во всей толще пласта-коллектора) - электрохимической системой нефтяной залежи обеспечиваются.
Вынесенные из слоев нефтяной залежи ионы, попадая в приповерхностный слой породы (попадая в катод топливного элемента), включаются в процесс нейтрализации электронов, поступивших в «катод» в виде электрического тока через внешнюю цепь от анода. «Катод залежи» включает в себя твердую породную и газовую фазу атмосферы, - он представлен пограничным слоем, который отделяет компактное вещество крыши залежи от свободного атмосферного кислорода.
В процессе функционирования по схеме «топливный элемент» нефтяная залежь вырабатывает не только электричество, но также выделяет в прилежащую атмосферу конечные и промежуточные продукты процесса окисления топлива и нейтрализации свободных электрических зарядов.
Из этих продуктов над залежью образуется аэрозольная аномалия, содержащая аномальную концентрацию вынесенных в приземную атмосферу ионов молекул УВ и электронов.
Схема аэрозольной аномалии приведена на Фиг. 3.
В отношении своего субстрата, аэроионная аномалия над нефтяной залежью представляет собой колонну атмосферных газов, насыщенную свободными носителями зарядов обоих знаков, поступающих из залежи.
В подошве аэроионной аномалии накапливается избыток отрицательных зарядов на электронах, вынесенных в прилежащий слой атмосферы за счет аккумуляции их в катодном слое залежи.
n
2n+2
В верхних слоях аэроионной аномалии превалирует концентрация положительно ионизированных молекул алканов СН.
Такая аэрозольная аномалия над нефтяной залежью образует динамически устойчивое плазмоподобное аэрозольное образование, благодаря волновым процессам взаимодействия свободных носителей заряда обоих знаков с магнитным полем Земли.
А именно, свободные носители зарядов в аэроионной аномалии участвуют в циклотронных и электроакустических колебательных процессах на основе электрического взаимодействия их с друг другом и с магнитным полем Земли:
- циклотронное взаимодействие носителей элементарных зарядов с силовыми линиями магнитного поля Земли в пределах аномалии (спиральное навивание траектории носителя заряда на магнитную силовую линию под воздействием сил Лоренца);
- ленгмюровские электроакустические коллективные колебания разнозаряженных носителей зарядов в аномалии относительно друг друга.
Благодаря этому аэроионная аномалия над залежью нефти представляет собой плазмоподобный объект, с волновыми электромагнитными и электроакустическими колебаниями, протекающими в его объеме, а также имеет объемный заряд.
Аэроионная аномалия имеет собственные электромагнитные и электроакустические резонансы. На частоте этих резонансов она способна поглощать приходящее извне электромагнитное излучение, образуя радиотень. Аномалия также способна воздействовать на излучение, распространяющееся в пределах аномалии, благодаря изменению диэлектрических свойств своей аэроионной плазмоподобной среды. Вклад ионов в изменение высокочастотной проводимости в такой магнитоактивной аэроионной аномалии, может сопоставим с циклотронным вкладом электронов аномалии. И проводящие свойства плазмоподобной среды в аэроионной аномалии зависят не только от столкновительных движений ее ионов и наночастиц, но и от магнитного поля Земли.
Вследствие этого плазмоподобная среда аномалии порождает проявление кластерной высокочастотной электропроводности в ней, что будет отражаться на характеристиках радиопередающей аппаратуры, излучающей внутри аномалии.
Такое изменение работы радиоаппаратуры в пределах аномалии может служить поисковым дискриминатором нефтяной залежи. В частности, возникающая высокочастотная проводимость способна изменять интегральные характеристики направленных излучающих антенн в пределах аномалии.
Электромагнитные характеристики аэроионной аномалии не определяются напрямую индивидуальными особенностями нефтяной залежи, ее породившей - плазмоподобная аэроионная аномалия электрически не зависит от своей нефтяной залежи.
Во-первых, аэроионная аномалия над нефтяной залежью возникает как ион-электронный побочный продукт функционирования электрохимической системы залежи по схеме «топливный элемент». Простое испарение нейтральных неионизированных молекул углеводородов из залежи в приземную атмосферу не создаст основы для возникновения аэроионной аномалии. Субстратом аэроионной аномалии может стать лишь аэрозоль из ионов и электронов, генерируемых в результате работы залежи как «топливного элемента».
Во-вторых, свои полевые свойства аэроионная аномалия приобретает только благодаря взаимодействию этого побочного аэрозольного продукта с магнитным полем Земли.
Такой многоэтапный механизм возникновения электромагнитных свойств аэроионной аномалии, как и свойств ее плазмоподобной среды, определяет существенную независимость аномалии от своей нефтяной залежи. Характеристики аэроионной аномалии мало связаны с геологическими особенностями нефтяной залежи. Связь между ними можно усмотреть лишь в наследовании аномалией субстратного состава залежи, да в единстве их местоположения в географических координатах.
Вывод: Для задач региональной разведки техника обнаружения и исследования аэроионных аномалий может быть единообразной, независимо от геологической уникальности нефтяной залежи, продуцировавшей аномалию. Это определяет универсальность предлагаемого способа региональной разведки нефти посредством радиоволнового выявления аэроионных аномалий над залежами нефти.
В качестве способа определения интегральных характеристик в пределах аэроионной аномалии используется «метод трансформации диаграммы направленности антенны» (Пат. №3426 РБ. Способ геоэлектроразведки углеводородных залежей /Д.В. Гололобов, В.Ф. Янушкевич. №970349; заявл. 18.05.89), основанный на измерении ДН антенных излучателей.
В пределах аэроионной аномалии, эффект трансформации диаграммы направленности излучающей антенны (далее, ДН-антенны) проявляется в изменении формы лепестков ДН-антенны, а также в изменении угла направления максимума излучения антенны за счет явления высокочастной проводимости, возникающей в среде аэроионной аномалии.
Построение горизонтальной ДН излучающей антенны с целью оценки аэроионной среды на высокочастотную электропроводность в диапазоне частот 120±15 МГц включает в себя:
1) в исследуемой точке исследуемой площади размещается генерирующая сигнал аппаратура с направленной излучающей антенной «полуволновой вибратор» (далее - генерирующий комплекс или ГК); антенна ориентируется в направлении на Север; в наземном центре управления (далее ЦУП) фиксируются DJPS координаты антенны и рассчитывается окружность тестирования с центром в точке излучающей антенны и радиусом 20 м; во время перемещения ГК в следующую точку сети опробования, навигационная аппаратура ГК обеспечивает требуемую точность позиционирования;
2) аппаратура с принимающей антенной (далее - измерительный комплекс или ИК) во время измерений напряженности электрического поля для построения ДН излучающей антенны всегда должна находиться на расчетной окружности тестирования; первоначальная позиция ИК в точке пересечения окружности с лучом направления на Север, проведенным из центра окружности;
3) ИК из точки своего позиционирования на окружности передает в ЦУП свои DJPS координаты и результаты замера уровня напряженности электрической составляющей волны, излучаемой ГК; ИК получает из ЦУП координаты следующей точки замера, отстоящей от предыдущей точки измерения на 10° дуговых градусов, после чего ИК перемещается в эту точку;
4) во время перемещения ИК в следующую точку окружности, навигационная аппаратура ИК обеспечивает требуемую точность позиционирования ИК;
5) после чего действия ИК, пп. 3) и 4) повторяются, пока не будет пройдена вся окружность тестирования ДН излучающей антенны;
6) ЦУП строит ДН для излучающей антенны, размещенной в исследуемой точке, используя замеры и их координаты от ИК, на основании ДН ЦУП классифицирует исследуемую точку на вхождение в аэроионную аномалию, после чего перемещает ГК в следующую точку сети опробования площади.
Для площадной съемки в масштабе 1:200000 на наличие аэроионных аномалий необходимая плотность опробования составит не менее 16 опробований на один кв. км.
Ввиду существенного размера сетей опробования перспективных на углеводороды площадей, а также объема замеров напряженности поля в каждой точке сети опробования, предлагаемый способ исходит из обязательного базирования зондирующей радиоаппаратуры ГК и ИК на беспилотной авиационной системе (БАС), состоящей из двух беспилотных квадрокоптеров с навигационной аппаратурой и наземного мобильного ЦУП с оператором.
Действия пункта 1) выполняются одним квадрокоптером, несущим аппаратуру ГК, который по командам ЦУП перемещается между узлами опорной сети, совершая в них посадку.
Действия пунктов 2) ÷ 5) выполняются другим квадрокоптером, несущем аппаратуру ИК, который совершает облет ГК по круговой траектории, задаваемой ЦУП, замеряя через каждые 10 дуговых градусов напряженность электрической составляющей излучения ГК.
Технический результат: создание унифицированного безлюдного способа радиоволнового выявления трудноопределимых залежей нефти в сложных ландшафтно-геоморфологических условиях и технического решения реализации этого способа на основе беспилотных авиационных систем.