СПОСОБ ГЕЛИЕВОЙ СЪЕМКИ НА АКВАТОРИЯХ
METHOD FOR HELIUM SURVEY ON WATER BODIES

Изобретение относится к одному из видов газогеохимических методов разведки полезных ископаемых - гелиевой съемке, и может быть применено для выявления перспективных нефтегазоносных объектов и зон улучшенной трещинной проницаемости геологического разреза в пределах акватории.
Известно, что индикатором структурных особенностей (трещиноватости, пористости и др.) пород, слагающих дно акватории, является гелий, который хорошо растворяется в воде, причем с повышением давления воды (на глубине акватории) растворимость гелия существенно возрастает в сравнении с содержанием в приповерхностном слое воды, а присутствие других газов (азот, метан и др.) в воде способствует повышению растворимости гелия в воде.
Для анализа структуры дна и поисков залежей полезных ископаемых на акваториях применяются, как правило, непрямые методы - сейсмические, гравиметрические и др. /например, WO 2009055918/, основанные на дифференцировании измеряемых физических характеристик придонных областей, а также методы геохимических исследований распространенности элементов - спутников углеводородов /SU 894657, RU 2226282, RU 2417387, US 4890486 и др/.
Газогеохимическая съемка предусматривает гидрозондирование акватории и пробоотбор воды из придонного слоя и из донных осадков с последующим изучением компонентного состава проб непосредственно на борту судна экспресс-методами /Ткаченко Г.Г. и др. Геохимические методы поисков нефти и газа на шельфе. В Сб. «Геология морей и океанов. Материалы ХVII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва, 12-16 ноября 2007 г.». Площадная газовая съемка при поиске углеводородов позволяет выявить аномалии газообразных и жидких углеводородов в среде, провести мониторинг акватории, картировать зоны активизиции геодинамических процессов или техногенных загрязнений.
Площадную газовую съемку на акватории производят зондированием водной толщи с использованием CTD-зонда с метановым датчиком, опробование донных осадков выполняют бокскорером, из которого отбирают поверхностные осадки и осадки в интервале 25-30 см, а придонную воду отбирают из бокскорера и батометром,
отобранные пробы подают на борт судна, дегазируют пробы осадков и воды и определяют концентрации газовых компонент проб /Ткаченко Г.Г. и др. Там же/. Недостатком известного способа является ограниченность функциональных возможностей в силу определения только содержания метана, что снижает информативность съемки.
Известен способ комплексного газогеохимического исследования акваторий с целью выявления перспективных нефтегазоносных областей и прямого поиска углеводородов, предусматривающий использование надводного плавучего средства для непрерывного профилирования акватории, буксируемого в придонном слое воды подводного аппарата, оснащенного анализаторами, отбор проб воды из придонных слоев акватории, выделение из пробы растворенных газов, разделение газов с использованием селективных мембран и измерение абсолютных содержаний растворенных в воде газов-индикаторов углеводородного сырья /www.inno-expert.ru/projects/. В качестве буксируемого подводного аппарата могут быть использованы телеуправляемые или привязные подводные аппараты, соединяемые с судном-буксировщиком через промежуточный заглубитель. Выбор типа подводного аппарата обычно определяется глубинами исследования и площадью обследуемой территории, так, телеуправляемый подводный аппарат способен совершать маневрирование на большой территории, в отличие от привязного подводного аппарата. В качестве анализатора газов может быть использована, в частности, система МАГМАСС (Морской анализатор газов МАСс-Спектрометрический), которая обеспечивает проведение газогеохимического анализа непосредственно в области забора пробы, а также передачу предварительно обработанных результатов анализа в по линии связи в бортовой комплекс обработки результатов для построения карт распределения искомых элементов и выявления аномалий. Масс-спектрометрический способ анализа газов позволяет выделить гелий в газовой фазе пробы воды, однако в целом данный способ исследований является не только весьма затратным из-за использования приборов в подводном исполнении, но и вносит погрешности в результаты измерений из-за возмущения среды самим фактом присутствия подводного аппарата в исследуемой области.
Известен способ гелиевой съемки на акватории /Яницкий И.Н. Гелиевая съемка. М.: «Недра», 1979/, предусматривающий забор дискретных проб воды на заданной глубине акватории с использованием всасывающего насоса, подачу пробы в пробозаборник, дегазацию пробы с отведением газовой фазы, выделение гелия из газовой фазы, количественное определение содержания гелия в пробе, определение пространственного распределения гелия по совокупности измерений в заданных точках профиля, по которому судят о нарушенной структуре литосферы. Способ характеризуется недостаточной точностью, т.к. содержание гелия определяют как избыточное относительно растворенного в воде газа /по методу Савченко/, но при локальном заборе проб воды в них может меняться концентрация газов, повышающих растворимость гелия (метан, азот).
Известен способ морских газогеохимических исследований, применяемый для обнаружения подводных залежей углеводородов, включающий профилирование акватории надводным плавучим средством, забор пробы морской воды с заданной глубины путем всасывания, подачу ее на сепарацию непрерывным потоком, отделение газовой фазы при пониженном давлении и слив дегазированной жидкости, подачу газовой фазы в газоанализатор, в качестве которого использован хроматограф, и в анализатор пробы - пламя-ионизационную камеру - для определения содержания углеводородов в пробе /US 3681028/. В случае обнаружения в некоторой области повышенных концентраций искомых газов проводят дополнительно анализ морского грунта в этой области на содержание углеводородов. Известный способ позволяет непрерывно проводить анализ проб морской воды также с определением содержания в ней гелия и обследовать большие площади акватории, получая результат в реальном времени, но необходимость дополнительного привлечения исследований грунта при интерпретации результатов увеличивает затраты времени, материалов и средств. При этом содержание компонент в газовой фазе пробы определяется хроматографом по небольшому объему газа, что снижает точность и надежность анализа.
Известный способ морских газогеохимических исследований, включающий профилирование акватории, забор пробы воды с заданной глубины путем всасывания, подачу пробы на сепарацию непрерывным потоком, отделение газовой фазы пробы с одновременным сливом дегазированной жидкости, подачу газовой фазы пробы в газоанализатор, выделение искомого газа из газовой фазы, измерение его концентрации в пробе и картирование исследуемого участка акватории по данным о концентрации искомого газа в пробах воды, выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого способа.
Задача изобретения состоит в повышении производительности картирования акватории (море, озеро, река) за счет применения гелиевой съемки, а также точности и надежности анализа проб придонной воды из акватории.
Задача решена тем, что в способе морских газогеохимических исследований, включающем профилирование акватории, забор пробы воды с заданной глубины путем всасывания, подачу ее на сепарацию непрерывным потоком, отделение газовой фазы пробы с одновременным сливом дегазированной жидкости, подачу газовой фазы пробы в газоанализатор, выделение искомого газа из газовой фазы пробы, измерение его концентрации в пробе и картирование исследуемого участка акватории по данным о концентрации искомого газа, в соответствии с изобретением, в качестве искомого газа используют гелий, в качестве газоанализатора используют гелиевый течеискатель мембранного типа, забор пробы воды проводят вблизи дна акватории с обеспечением контроля глубины забора пробы, измерение концентрации гелия проводят не менее чем двумя гелиевыми течеискателями поочередно в циклическом режиме, при этом длительность цикла измерений устанавливают из условия исключения влияния дрейфа гелиевого течеискателя на измерения, периодичность измерений в цикле устанавливают на основе данных о геологической структуре дна обследуемой акватории, а длительность каждого измерения в цикле выбирают превышающей промежуток времени регистрации фоновой концентрации гелия в воде, причем фоновую концентрацию гелия в воде определяют до начала профилирования акватории.
Кроме того, в качестве гелиевого течеискателя используют гелиевый течеискатель модели PHD-4 фирмы Varian.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, на которых представлены: фиг.1 - известная схема распределения концентрации гелия в различных средах (пластовые воды - кривая 1, жидкие углеводороды - кривая 2, свободный газ - кривая 3), фиг.2 - схема проведения гелиевой съемки на акватории, фиг.3 - карта акватории залива Ладожского озера с участком прилегающей суши и карта распределения гелия по данным гелиевой съемки на этой территории.
Технический результат изобретения состоит в повышении информативности анализа за счет использования в качестве поискового признака распределения содержания гелия в придонной воде и непрерывного измерения содержания гелия в пробах с перекрытием работы гелиевых течеискателей для исключения периодов «мертвого» времени в измерениях.
Сущность изобретения основана на различном поглощении гелия нефтью, свободным газом и водой, пропорциональном растворимости гелия в этих средах.
Частота n встречаемости средних концентраций гелия C в пробах различных сред приведена на фиг.1 /А.Н.Воронов и др. Геология нефти и газа. Труды ВНИГРИ, август, 1982)/. Поэтому при непрерывной записи профиля концентрации гелия в пробе придонной воды будут разделены распределения, коррелирующие с залежами углеводородов, и также с тектонической нарушенностью покрывающих пород (приповерхностная зона осадочного чехла) или при их слабой эффективности по отношению к гелию (профиль концентрации гелия смещается в сторону увеличения концентрации по сравнению с концентрацией его в воде).
Способ осуществляют с помощью устройства (фиг.2), которое включает плавучее устройство (1) в виде самоходного или буксируемого судна, линию забора проб воды (2) с грузилом для обеспечения нужного расстояния точки забора пробы от дна акватории и фильтрами грубой и тонкой очистки пробы от примесей различного происхождения (взвесь, песок, детрит, водоросли и т.п.) и датчиком давления, укрепленным на конце погружного участка линии забора проб воды. На судне (1) размещены нагнетательный насос (3), для непрерывной подачи придонной воды в устройство дегазации и сепарации пробы (4), которую образуют несколько газожидкостных сепараторов, установленных параллельно и объединенных линией подачи придонной воды и слива дегазированной жидкости. Для обеспечения стабильных параметров газового потока (по температуре, давлению и расходу), подаваемого на анализаторы газового состава пробы (5), целесообразно установить несколько, например три, таких устройства. Газовая фаза пробы после отделения от жидкости поступает по газопроводам в анализатор газового состава пробы (5), образованный не менее чем двумя гелиевыми течеискателями мембранного типа, которые выделяют из газовой фазы гелий, проходящий через мембрану, вырабатывают сигнал, пропорциональный содержанию гелия в проходящем через прибор потоке газа, и не пропускают остальные компоненты газовой смеси. Гелиевые течеискатели подключены к устройству регистрации результатов анализа (6) в виде портативного компьютера, к которому подключены также система спутниковой навигации (7) (GPS-антенна типа BU-353 (система WGS84)) для привязки координат забора проб морской воды и цифровой мультиметр (8), регистрирующий сигналы датчика давления в точке забора пробы морской воды и с помощью встроенных программных средств преобразующий регистрируемую величину тока в глубину забора пробы. Компьютер (6) (может быть использован, например, ноутбук ASUS Eee PC701) имеет специальное программное обеспечение для записи в текстовый файл и архивации данных о содержании гелия в точке измерений, в ppm; времени наблюдений и географических координат, получаемых от GPS-антенны, подключенной к USB-порту, по сигналам спутника, а также для передачи данных в береговые службы.
Гелиевый течеискатель осуществляет процесс измерения содержания гелия в исследуемом газе, при этом два прибора производят измерения поочередно один за другим, что обеспечивает ликвидацию мертвых зон (периодов отсутствия наблюдений на профиле подводной съемки), исключает дрейф показаний одиночных приборов вследствие непрерывной работы. Переносной гелиевый течеискатель модели PHD-4 фирмы Varian (США) обеспечивает измерение концентрации газа гелия Не в пробе вплоть до минимального значения 2 ppm (2:1000000 частиц). В выбранной модели анализируемый газ по каналу подачи пробы поступает к мембранному насосу, пропускающему через кварцевую мембрану только атомы гелия в детектор гелия. Детектор в виде камеры с электродами подсоединен к высоковольтному элементу, обеспечивающему нужное для измерений напряжение на электродах и связанному через усилитель с микропроцессором, к которому также подключены мембранный насос и нагреватель отработанного газа, обеспечивающий его удаление. Управление микропроцессором производится с использованием экранной клавиатуры. Поступление атомов гелия в камеру детектора сопровождается появлением электрического сигнала, пропорционального парциальному давлению гелия, что регистрирует микропроцессор и преобразует сигнал в величину текущей концентрации гелия в пробе. Время отклика прибора - менее 2 с, максимальный дрейф сигнала - 10 ppm/10 мин, диапазон рабочих температур - от +5°С до +35°С, время непрерывной работы аккумуляторной батареи - 4 часа. Мембранный насос для выбранной модели гелиевого течеискателя имеет штатные средства обратной продувки для восстановления работоспособности после проведения измерений. Выбор данной модели гелиевого течеискателя обусловлен удобством эксплуатации - отобранные пробы анализируются непосредственно на месте, не накапливаются и не хранятся, в отличие от известных образцов гелиевых течеискателей масс-спектрометрического и манометрического типов, что повышает надежность анализа и снижает стоимость работ. Кроме того, при использовании данной модели гелиевого течеискателя возможна организация телеметрического канала связи между подключаемым к нему через цифровой вход/выход RS232 беспроводным модулем - Bluetooth-адаптером LM048 и Bluetooth - интерфейсным блоком компьютера (6).
Способ гелиевой съемки осуществляют следующим образом. Плавучее средство, например самоходное судно (1), подготавливают для проведения полевых работ. В кормовой части палубы судна (1) устанавливают стационарно электролебедку (10) с трособлочной системой, включающей бухту стального троса (9), на краю кормы крепят направляющий ролик (11) для выпуска стального троса. Собирают линию пробоотбора в составе: линия забора проб забортной воды (2) с грузилом (12), нагнетательный насос (3) центробежного типа, блок газожидкостных сепараторов (4), и подсоединяют ее к анализатору пробы забортной воды (5) - гелиевым течеискателям.
Перед началом работ производят градуировку датчика глубины забора пробы воды (13), определяя зависимость между глубиной погружения датчика и величиной постоянного тока, проходящего через измерительную схему цифрового мультиметра (8), причем градуировку производят в самой глубокой точке акватории на участке съемки.
Затем производят измерение фоновой концентрации гелия в воде в области проведения работ путем забора проб на различных глубинах от поверхности (в области выравнивания концентраций) и в разных точках акватории с использованием штатного оборудования. Пробу воды дегазируют, газовую фазу отводят в гелиевые течеискатели, которые производят измерение в каждой заданной точке акватории в промежуток времени от момента подачи газовой фазы на мембранный насос до момента установления устойчивого электрического сигнала, соответствующего текущей концентрации гелия в пробе. По серии измерений определяют усредненную величину фоновой концентрации гелия в воде в зоне картирования и промежуток времени, необходимый для регистрации величины фоновой концентрации гелия с использованием выбранного прибора. При этом количество измерений в серии (не менее 30) должно быть достаточным для минимизации дисперсии величины фоновой концентрации гелия.
После подготовительных операций в месте проведения работ с судна (1) при помощи электролебедки (10) на дно акватории на заданную глубину опускают армированный шланг линии забора пробы воды (2), дублированный стальным несущим тросом (9) и отягощенный грузилом (12). Грузило (12) выполнено наборным и обеспечивает погружение шланга линии забора пробы (2) на любую нужную глубину, так что грузило (12) касается дна и при перемещении судна (1) отслеживает профиль дна, не давая шлангу изменить глубину погружения и не вызывая заметного возмущения придонных слоев воды. Необходимость придонного забора пробы воды (изогипса может проходить на расстоянии около 1 м от дна) обусловлена высокими градиентами концентрации гелия и других газов в местах выхода флюидов через тектонические нарушения слоев дна акватории. Контроль глубины забора пробы проводят в реальном времени по показаниям датчика давления (12), передаваемым в компьютер (6) через цифровой мультиметр (8). Включают нагнетательный насос (3) и откачивают воздух в шланге с целью забора пробы в виде стационарного потока воды с заданной глубины акватории. При заборе пробы воды непрерывным потоком она очищается фильтрами грубой и тонкой очистки (перед нагнетательным насосом (3)). Непрерывный поток жидкости поступает на дегазацию в газожидкостные сепараторы (4), например, термовакуумного типа, в которых происходит распыление жидкости, отделение газовой фазы и подача ее в газоотводной канал для последующего анализа состава. Дегазированная вода поступает в линию слива и сбрасывается за борт, газовая фаза анализируется гелиевыми течеискателями (5). Эти приборы подключаются поочередно для исключения влияния дрейфа его показаний (для выбранной модели течеискателей дрейф составляет 10 ppm/10 мин) на результаты измерений. Каждый прибор проводит измерения циклами - не менее чем 30 измерений в каждом цикле - для обеспечения статистической достоверности результатов. Длительность каждого измерения в цикле выбирают одинаковой и превышающей промежуток времени регистрации фоновой концентрации гелия в воде с учетом времени отклика прибора (5) (не менее 2 с), что соответствует пропусканию одинаковых объемов жидкости через дегазатор (4) и дает адекватный объем газовой фазы пробы для анализа. В результате измеряемая концентрация гелия соответствует количеству частиц гелия в некотором квантованном объеме придонной воды вдоль трассы, определяемом мгновенным объемом забора пробы воды и скоростью движения судна. Промежуток времени между двумя последовательными измерениями в цикле устанавливают на основании предварительной и независимой информации о геологическом строении дна акватории, в случае сложной геологической структуры измерения могут проводиться достаточно часто, альтернативой является проведение измерений с заданными интервалами при уменьшении скорости движения судна по профилю.
С использованием разработанного устройства провели исследование трещиноватости пород в акватории одной из бухт Ладожского озера по данным подводной гелиевой съемки (с выходом на сушу для дополнительного контроля результатов анализа). Гелиевую съемку выполнили по сети профилей с движущегося судна, скорость движения которого не превышала 3 км/час во избежание подъема пробоотборной линии с грузом к поверхности водоема, и контролировалась по данным GPS-антенны. Расстояние между профилями было обусловлено геологической изученностью района и его размерами и составляло 200 м. Предварительно определили фоновую концентрацию гелия в воде залива (как описано выше), которая составила 3,2 ppm, время регистрации 2,5 с. Количество измерений в каждом цикле установили равным 30, интервал между измерениями 3 с. Глубина исследования не превысила 220 м, что было обусловлено совокупностью параметров - длина пробоотборной линии, вес груза, мощность лебедки и т.п. Забор проб воды производили в непрерывном режиме с глубины не более 1 м от дна (грузило при этом скользило по дну), в условиях пренебрежения горизонтальными подводными течениями и сносом пузырьков газа. При обработке полевых данных производили пересчет координат судна, записываемых GPS-антенной, в координаты точек отбора проб. При таких условиях исследований произвели регистрацию содержания гелия в придонных слоях акватории залива вдоль заданных трасс и путем интерполяции величин содержания гелия в точках соседних трасс построили карту распределения концентрации гелия в придонном слое исследуемой акватории (на фиг.3 представлена карта распределения придонной концентрации гелия в превышении над фоновыми значениями). Карта гелиевой съемки залива показала области повышенного содержания гелия в пробах в направлении северо-восток - юго-запад в акватории. Области повышенной концентрации гелия на суше, в береговой зоне Ладожского озера, были выявлены ранее, совместный анализ результатов наземных и подводных исследований позволил однозначно интерпретировать результат в аспекте единства геологической структуры данного района. Кроме того, полученная карта распределения гелия в придонных областях акватории выявила локальные области, в которых содержание гелия многократно превысило фоновые значения, что было интерпретировано как наличие зон повышенной трещиноватости пород, слагающих дно Ладожского озера.
При производстве работ профили гелиевой съемки могут отрабатываться по профилям сейсморазведочных и других геофизических работ для их корреляции. При выявлении аномалий сеть профилей сгущают в 2-4 раза, при этом ориентировочные сроки выполнения гелиевой подводной съемки на плошади порядка 100 кв. км при расстоянии между профилями 100 м, скорости движения судна 3 км/час (с учетом подготовительных работ, полевых наблюдений, обработки и интерпретации результатов) составляет около 800 часов. В случае больших глубин акватории или сложной структуры дна возможно вести забор воды на некотором определенном расстоянии от дна (изогипса) при наличии градиента концентрации гелия, при этом расстояние оконечности шланга подачи пробы от дна может поддерживаться известными образом, например регулированием его плавучести за счет присоединения балластных цистерн. В полевых условиях устройство подтвердило свою эффективность и может быть рекомендовано к использованию при исследовании геологических структур и поиске углеводородов на морском шельфе, морях, озерах и реках.