Способ электромагнитной разведки источников углеводородного сырья на глубоком шельфе морских акваторий
METHOD OF ELECTROMAGNETIC PROSPECTING OF HYDROCARBON RAW MATERIAL SOURCES ON DEEP SHELF OF MARINE AQUATORIES

Изобретение относится к геофизическим методам разведки полезных ископаемых, а именно к морской электромагнитной разведке источников (залежей) углеводородного сырья, например нефти, газа, гидратов метана и т.д.
Известны способы электромагнитной разведки, в которых используют электромагнитные поля, искусственно создаваемые в толще водного слоя с помощью излучающих антенн, - способы электромагнитного зондирования (ЭМЗ), основанные либо на аномально низком затухании электромагнитных волн, проходящих через пространство донных осадков, занятое углеводородной залежью, либо на высокой, по сравнению с вмещающими породами, поляризуемости углеводородов.
Известен способ вызванной поляризации (ВП) (а.с. СССР №1434385), для реализации которого требуется установка на дне излучающей кабельной антенны, длина которой в 5-10 раз больше глубины исследований, с подключенным к ней генератором, и датчиками (электродами), подключенными к измерительной аппаратуре. После компенсации сигналов естественного поля и собственной поляризации электродов в излучающей кабельной антенне возбуждают электрическое поле путем подачи импульсов тока, причем в конце каждого импульса через заданный интервал времени измеряют соответствующие сигналы вызванной поляризации. На основе полученных результатов проводится моделирование разреза. Недостатком метода является громоздкость (длина излучающей антенны в 5-10 раз больше глубины исследований) и низкая производительность.
Известно большое количество способов ЭМЗ с целью определения залежей углеводородов, основанных на сравнении затухания электрического поля, созданного в придонном слое воды и прошедшего к приемным антеннам через слой донных осадков, не содержащих и потенциально содержащих (по результатам сейсмической разведки) залежи углеводородного сырья, например п. US №4617518; п. GB №2437225 и №2402745 А; п. RU №2252437. Они отличаются в основном типом устройств, с помощью которых возбуждается электрическое поле (горизонтальный или вертикальный диполь), а также типом и геометрией приемных антенн, которые устанавливаются на дне над предполагаемой залежью в направлении ее простирания, с охватом значительных участков дна за пределами границ предполагаемой залежи. Основными недостатками перечисленных способов ЭМЗ являются сложность реализации, связанная с использованием буксируемого судном управляемого источника электромагнитного поля, низкая производительность и высокая себестоимость работ.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является комплекс морской электроразведки с контролируемым источником поля (CSEM), позволяющий производить разведку углеводородных залежей в море на глубинах до 3 км в местах, содержащих ранее идентифицированные геологические структуры, пригодные для содержания углеводородов (п. GB №2402745).
Сущность данного способа состоит в формировании в придонной области исследуемой акватории искусственного электромагнитного поля с помощью буксируемой судном горизонтальной дипольной антенны, погруженной на глубину, близкую к глубине моря, и регистрации этого сформированного поля с помощью предварительно установленных на дне в выбранном направлении серии приемников. Формируемое дипольной антенной электромагнитное поле на частотах 0,25-40 Гц быстро затухает при удалении от антенны в водном слое и медленнее в осадках, проводимость которых в несколько раз меньше проводимости морской воды. В результате, начиная с расстояния приблизительно 500 м и более от излучающего диполя, приемники, предварительно установленные на дне, принимают электромагнитные колебания, пришедшие к ним по грунту донных осадков. Способ основан на том, что если внутри донных осадков на пути между излучающей электромагнитные колебания дипольной антенной и антеннами установленных на дне приемников находится углеводородная залежь, то в этой залежи затухание электромагнитах колебаний будет еще на порядок меньше, чем в донном грунте. В этом случае при последовательном перемещении всей системы в одном направлении прохождение района углеводородной залежи будет сопровождаться возрастанием, а затем спадом сигналов в приемных антеннах. Такое поведение сигнала, принятое несколькими приемниками, говорит о пересечении участка донных осадков, внутри которого находится область низкой электрической проводимости, которая трактуется как вероятная углеводородная залежь.
Данный способ CSEM включает серию повторяющихся этапов, состоящих из установки на дне в выбранном направлении серии приемников электромагнитных колебаний; буксировку излучающей дипольной антенны в придонном слое воды в направлении линии приемников, с включением излучения на расстоянии около 500 м от крайнего приемника; перестановку приемников в новые точки измерения вдоль выбранного направления и вновь буксировку излучающей дипольной антенны и т.д. После завершения серии измерений амплитуды излучаемого дипольной антенной электрического поля производился расчет положения углеводородной залежи в донных осадках.
Основным недостатком описанного способа является необходимость многократно повторяющейся генерации искусственного электромагнитного поля в придонной области исследуемой акватории, для чего используют буксируемую судном дипольную излучающую антенну длиной 100 м и установленный на судне генератор, подающий в эту антенну ток около 100 А. Кроме того, способ является громоздким и низкопроизводительным из-за того, что большая часть рабочего времени судна тратится на перестановку донных приемных станций в новые точки измерений и буксировку излучающей антенны. Известный способ не позволяет с достаточной точностью определить фактическую глубину залегания углеводородной залежи, поскольку глубина залегания слоя является расчетной величиной.
Технической проблемой требующей решения, является разработка способа электромагнитной разведки источников углеводородного сырья без использования искусственного электромагнитного поля.
Техническим результатом - повышение точности определения максимальной глубины залегания углеводородной залежи при упрощении методики и схемы измерений.
Поставленная проблема решается предлагаемым способом электромагнитной разведки источников углеводородного сырья на морском шельфе, прилегающем к материковому склону, в местах аномально высокой концентрации метана в поровой воде донных осадков, и/или придонном слое воды, и/или в районах пузырькового выделения метана в водный слой, при котором осуществляют только последовательно повторяющиеся измерения электрического поля на частотах Шумановских резонансов 6-75 Гц вдоль изобат материкового склона на последовательно увеличивающихся глубинах ниже глубины перехода от шельфа к материковому склону, а глубина установки приемника электрического поля, глубже которой Шумановские резонансы не регистрируются, принимается равной максимальной глубине залегания источника углеводородного сырья.
Измерение электрического поля на частотах Шумановских резонансов 6-75 Гц вдоль изобат материкового склона может быть произведено как путем установки на изучаемом склоне как минимум одного автономного приемника электрического поля, так и с использованием опускаемых с корабля в придонную область или на дно приемных устройств в виде кабельных антенн, буксируемых или устанавливаемых на дне при работе судна-носителя в режиме дрейфа.
Способ основан на использовании частотной области спектра естественного электромагнитного поля Земли, которая относится к Шумановским резонансам (6-75 Гц) и ранее не использовалась в качестве природного источника электромагнитного поля ни в методах морского магнитотеллурического зондирования, ни в методах электромагнитного зондирования из-за малости амплитуд колебаний Шумановских резонансов (Брэйди Д. и др. Электромагнитное зондирование для поиска углеводородов. Нефтегазовое обозрение, весна 2009. Т. 21, N 1, с. 4 - 23. стр. 6; Constable S. Review paper: Instrumentation for marine magnetotelluric and controlled source electromagnetic sounding. Geophysical Prospecting, 2013, V.61 (Suppl. 1), P. 505-532). Шумановские резонансы - это постоянно существующие в пространстве между поверхностью Земли и ионосферой колебания электромагнитного поля, которые возбуждаются разрядами молний. Благодаря резонансным свойствам сферического волновода, которыми обладает пространство между поверхностью Земли и ионосферой, электромагнитные колебания сохраняются в этом пространстве продолжительное время на определенных частотах - Шумановских резонансах, три первых из которых имеют усредненные значения частот 7; 14 и 21 Гц, и могут изменяться в зависимости от состояния ионосферы, как правило, в пределах 1 Гц.
Согласно устоявшемуся мнению электромагнитные волны естественного электромагнитного поля Земли на частотах, превышающих 1 Гц, уже у земной поверхности имеют настолько малую амплитуду, что, пройдя через слой проводящей морской воды, глубиной более 100 м, испытывают дополнительное затухание в этом слое, которое не позволяет далее использовать волны этих частот для зондирования донных осадков. То есть после прохождения слоя морской воды амплитуды естественного электрического поля Земли на частотах, превышающих 1 Гц, при дальнейшем распространении по пути к углеводородной залежи в проводящих донных осадках, поры которых заполнены морской водой, уменьшаются ниже уровня собственных шумов регистрирующей аппаратуры.
Однако данные выводы о недостаточной интенсивности электромагнитного поля Шумановских резонансов были построены на теоретических расчетах, в которых слой осадков, вмещающий углеводородную залежь, считался непроницаемым как для вещества самой залежи, например нефти, так и для выделяемого залежью газа - метана (Брэйди Д. и др. Электромагнитное зондирование для поиска углеводородов. Нефтегазовое обозрение, весна 2009. Т. 21, N 1, с. 4-23, с. 15). По этой причине в расчетах удельное сопротивление слоя осадков над залежью принималось равным удельному сопротивлению пород, слагающих донные осадки, поры которых заполнены хорошо проводящей морской водой. Это удельное сопротивление, как правило, входит в диапазон значений 1-10 Ом⋅м.
В то же время многочисленные измерения концентрации метана в верхнем слое донных осадков над разведанными месторождениями углеводородов показывают, что большинство осадочных пород в большей или меньшей мере являются проницаемыми для выделяемого углеводородной залежью метана. В случае высокой проницаемости слагающих дно пород или высокого пластового давления метана в залежи этот газ поднимается по порам пород донных осадков, растворяясь в поровой воде до насыщения, после чего начинает мигрировать к поверхности донных осадков в виде пузырьков, частично вытесняя из порового пространства воду или превращаясь в гидрат метана и увеличивая, таким образом, удельное сопротивление донных осадков. Внешним проявлением этого процесса являются метановые факелы, которые, например на северо-восточном шельфе о. Сахалин, пространственно совпадают с нефтеносными провинциями.
На основе ранее проведенных натурных измерений естественного электрического поля на материковом склоне Японского моря, результаты которых приведены в статье Бурова Б.А. и Дроги А.Н. «Шумановские резонансы в электрическом поле на больших глубинах в море», ДАН 1988, т. 305, №3, с. 571-573, представляем расчет удельного сопротивления, которым должны обладать газонасыщенные донные осадки для того, чтобы электрическое поле на частотах Шумановских резонансов имело достаточную амплитуду для его регистрации на глубине в осадках около 1900 м.
Схематический геоэлектрический разрез района измерений с указанием пространственного положения измерительных антенн представлен на фиг. 1.
Вышеупомянутые измерения были выполнены с помощью усилителей МДМ-типа, среднеквадратичное значение собственного шума которых на частоте 21 Гц не превышало 160 нВ/√Гц. Собственные шумы усилителей измерялись при подключении на их вход сопротивления 600 Ом, эквивалентного сопротивлению измерительной антенны с заводняющими хлорсеребряными электродами. При измерениях в море сигнал на вход усилителя поступал с кабельной антенны длиной 1000 м. Из перечисленных параметров измерительной аппаратуры следует, что для превышения собственного шума измерительного усилителя в 2 раза амплитуда сигнала на входе усилителя должна составлять 320 нВ в полосе 1 Гц. Тогда напряженность электрического поля, создаваемого источником сигнала в измерительной антенне, должна иметь амплитуду не менее 320 нВ/√Гц/1000 м=0,32 нВ/м√Гц.
Усредненные по времени суток максимальные значения амплитуд горизонтальных компонент электрического поля первых трех Шумановских резонансов у поверхности Земли согласно измерениям (Toledo-Redondo S. et al. Study of Schumann resonances based on magnetotelluric records from the western Mediterranean and Antarctica, Journal of geophysical research, vol 115, D22114) имеют значения 300 нВ/м√Гц. Таким образом, для того чтобы электрическое поле Шумановских резонансов могло быть зарегистрировано на глубине моря 2000 м с отношением сигнал/шум, равным 2, необходимо, чтобы затухание амплитуды колебаний на пути от поверхности моря до точки измерения на материковом склоне на глубине 2000 м (точка Р на фиг. 1) не превысило величину 300 нВ/мл√Гц/0,32 нВ/м√Гц=938.
Коэффициенты затухания электромагнитных колебаний с частотами трех первых Шумановских резонансов в морской воде с соленостью , в насыщенных влагой донных осадках и в донных осадках, в которых значительная часть пор заполнена газом, представлены в табл.1.
Хотя в результате синхронных измерений электрического поля на глубинах моря 500, 1000 и 2000 м на материковом склоне в районе исследований были зарегистрированы колебания электрического поля трех первых Шумановских резонансов (Буров Б.А., Дрога А.Н. Шумановские резонансы в электрическом поле на больших глубинах в море. ДАН 1988, Т. 305, №3, с. 571-573), наибольший интерес представляет регистрация третьего резонанса на частоте 21 Гц как наиболее высокочастотного колебания, испытывающего наибольшее затухание на 1 м пути распространения в проводящей среде. Для того чтобы колебания электрического поля третьего Шумановского резонанса в точке измерения на глубине моря 2000 м (точка Р на фиг. 1) были зарегистрированы, то есть превысили среднеквадратичное напряжение собственного шума измерительного усилителя, необходимо, чтобы донные осадки, через которые эти колебания должны пройти (по пути BP, Фиг. 1), имели большее удельное сопротивление, чем это допустимо для второго или первого резонансов. Следовательно, наиболее полно оценить изменение удельного сопротивления донных осадков, которое должно произойти при просачивании через них газа, в данном случае можно, анализируя затухание колебаний третьего Шумановского резонанса.
-2
16
-17
Итак, электромагнитные колебания Шумановских резонансов могли пройти с поверхности моря в точку измерений Р на материковом склоне либо через слой воды глубиной 2000 м, либо по пути АВР (фиг. 1), на котором отрезок АВ равен 125 м - это средняя глубина района, в котором зарегистрированы газовые факелы, a BP=8000 м - расстояние в толще газонасыщенных осадков между серединой этого района, определенной на поверхности дна, и точкой измерения Р. Используя коэффициент затухания в морской воде электромагнитных колебаний на частоте 21 Гц (табл. 1), получим, что при распространении вертикально вниз, сквозь слой воды глубиной 2000 м, электромагнитные колебания третьего Шумановского резонанса затухнут в ехр(1.8⋅10⋅2000)=ехр(36)=1,3⋅10 раз и их амплитуда составит 8⋅10 мкВ/м, что является нерегистрируемой величиной.
-2
-4
-7
При распространении по пути АВР на отрезке АВ затухание составит ехр(1,8⋅10⋅125)=ехр(2.25)=10 раз. Таким образом для регистрации третьего Шумановского резонанса с отношением сигнал/шум, равным 2, на пути BP=8000 м затухание не должно превысить 938/10 (93,8 раз). Отсюда по формуле α=(ln93,8)/8000=4,54/8000=5,7-10 определяется коэффициент затухания α, которому соответствует удельное сопротивление донных осадков ρ=255 Ом⋅м (удельное сопротивление ρ находится из формулы для расчета коэффициента затухания электромагнитных волн в хорошо проводящей среде:, в которой ω=2πf=6,28⋅21=131,88 1/с - круговая частота; μ=4π⋅10 Гн/м - магнитная проницаемость донных осадков.
Представленные оценки затухания электромагнитных колебаний третьего Шумановского резонанса (таблица 1) при распространении по наиболее вероятным путям проникновения в точку регистрации на глубине 2000 м на материковом склоне демонстрируют необходимый контраст между усредненным удельным электрическим сопротивлением морских донных осадков ρ=1-10 Ом⋅м (Брэйди Д. и др. Электромагнитное зондирование для поиска углеводородов. Нефтегазовое обозрение, весна 2009. Т. 21, N 1, с. 15) и удельным сопротивлением, которым должны обладать донные осадки (около 250 Ом), для того, чтобы объяснить результаты измерений электрического поля в море, приведенные ранее в статье Бурова Б.А. и Дроги А.Н. // ДАН 1988, Т. 305, №3, с. 571-573.
Результаты проведенного выше расчета показывают, что удельное сопротивление газонасыщенных донных осадков увеличивается как минимум в 25 раз по сравнению с удельным сопротивлением тех же донных осадков, поры которых не содержат пузырьков метана. В случае насыщения порового пространства донных осадков пузырьками газа интенсивности (амплитуд) колебаний естественного электрического поля на частотах трех первых Шумановских резонансов оказывается вполне достаточно для их регистрации после прохождения слоя осадков толщиной 1900 м. Этот эффект увеличения приблизительно в 25 раз удельного сопротивления донных осадков, поры которых заполнены пузырьками газа, приводит к достаточно малому затуханию с глубиной электрического поля Шумановских резонансов, что позволяет регистрировать их на глубинах не менее 1900 м в донных газонасыщенных осадках.
Однако важное значение для целей разведки углеводородного сырья имеет также и заполнение пор донного грунта именно свободным метаном, а не другим газом, поскольку все виды месторождений углеводородного сырья выделяют метан, и аномально высокие концентрации метана в поровой воде поверхностного слоя донных осадков, и/или придонном слое воды, и/или в местах пузырькового выделения газа в водный слой являются маркерами присутствия углеводородного сырья.
Именно такие аномально высокие концентрации метана в поровой воде поверхностного слоя донных осадков были обнаружены в 2011 г. в четырех из семи проб донного грунта, отобранного на глубинах 156-111 м в районе шельфа, прилегающем к району материкового склона, где проводились измерения электрического поля, использованные выше для оценки удельного сопротивления насыщенных газом донных осадков (таблица 2).
И в этом же районе шельфа в 2014-2015 гг. были зарегистрированы многочисленные выходы пузырькового метана из донных осадков в водный слой (метановые факелы) (Саломатин А.С., Юхновский В.А. Поиск и исследование зон пузырьковой разгрузки метана в заливе Петра Великого. Основные результаты научно-исследовательских работ за 2015 г. ФГБУ ТОЙ ДВО РАН. С. 21-22. Владивосток, 2016 г.).
Таким образом, выбор районов для электромагнитного зондирования на частотах Шумановских резонансов, как потенциально содержащих источники углеводородного сырья, по признакам аномально высокой концентрации метана в поровой воде донных осадков или придонном слое воды, с физической точки зрения означает выбор районов, с повышенным более чем на порядок удельным сопротивлением в слое осадков глубиной от поверхности до максимальной глубины залегания источника метана и площадью, равной площади наибольшего горизонтального сечения этого источника.
Предлагаемый способ электромагнитной разведки реализуется следующим образом.
Выбирается район шельфа глубиной более 100 м (глубокий шельф), который по результатам ранее проведенных газогеохимических и/или акустических исследований относится к районам с пузырьковым выделением метана из донных осадков в водный слой и/или к районам с аномально высокой концентрацией метана в поровой воде донных осадков и/или придонном слое воды, и на карту наносится контур выбранного района.
Регистрация электрического поля реализуется на соответствующей глубине на поверхности донных осадков области материкового склона, ближайшей к исследуемой области шельфа, при этом используется большая крутизна материкового склона на сравнительно малом горизонтальном расстоянии.
Определяется кратчайшее расстояние между линией контура выбранного района и изобатой, например 250 м, материкового склона. По азимуту этого кратчайшего расстояния на материковом склоне, начиная с глубины 250 м и с интервалом по глубине 100-200 м, устанавливаются автономные приемники электрического поля, выполненные на основе кабельных антенн, или аналогичные использованным в прототипе, работающие в диапазоне частот 5-75 Гц. Вместо автономных приемников возможно использование буксируемых судном приемников электрического поля, выполненных на основе кабельных антенн или опускаемых с судна на дно приемников, при проведении регистрации электрического поля на борту судна в режиме дрейфа.
После работы в течение времени, достаточного для записи колебаний Шумановских резонансов, приемники поднимаются на борт судна, с них считывается информация, и в случае, если сигналы Шумановских резонансов зафиксированы приемником, установленным на наибольшей глубине, приемники переставляются по направлению выбранного азимута на большие глубины с прежним интервалом глубин между соседними приемниками. Эта операция повторяется до тех пор, пока на самом глубоком приемнике в какой-либо серии измерений не будет зафиксировано отсутствие Шумановских резонансов.
В этом случае определяется приемник, установленный на наибольшей глубине, в котором зафиксирован хотя бы один Шумановский резонанс, и глубина, на которой был установлен этот приемник, принимается равной максимальной глубине источника углеводородного сырья. Если необходимо повысить точность определения максимальной глубины залегания углеводородной залежи по сравнению с первоначально выбранным интервалом расположения по глубине приемников электрического поля, то в этом случае выполняется дополнительный цикл измерений, в котором интервал глубин между максимальной глубиной обнаружения Шумановского резонанса и следующей глубиной установки приемника электрического поля разбивается на более мелкие интервалы глубин измерений, вплоть до значений, ограниченных точностью позиционирования по глубине используемых приемников.
Возможность практической реализации заявляемого способа электромагнитной разведки источников углеводородного сырья подтверждается экспериментом по измерению естественного электрического поля Земли, проведенном ранее [Буров Б.А., Дрога А.Н. Шумановские резонансы в электрическом поле на больших глубинах в море. ДАН 1988, Т. 305, №3, с. 571-573]. Этот эксперимент проводился в течение 1985-1986 гг. на материковом склоне Японского моря в 40 км от ближайшего берега. Схема постановки приборов в море представлена на Фиг. 2. Измерительные антенны 1 с заводняющими хлорсеребряными электродами были проложены по дну вдоль изобат материкового склона. С помощью кабеля 2 антенны подключались к малошумящим усилителям МДМ-типа, расположенным на морском дне на глубине 160 м. Выходные сигналы усилителей по кабелю 3 подводились к герметичным разъемам, укрепленным на рейдовой бочке 4. Регистрация сигналов проводилась на борту судна, пришвартованного к этой бочке. Питание на усилители подавалось по кабелю 3 с борта судна. Сигналы с выходов усилителей записывались на магнитную ленту с помощью магнитографа НО-62. Обработка сигналов на ЭВМ проводилась по стандартным программам спектрального анализа с использованием быстрого преобразования Фурье.
На Фиг. 3 представлены результаты обработки в виде нормированных оценок амплитудных спектров флуктуаций электрического поля на глубинах (а) - 500, (б) - 1000 и (в) - 2000 м. Все спектры относятся к одному временному интервалу. В представленных спектрах четко выделяются частоты Шумановских резонансов, хотя по общепринятым оценкам (например, Акиндинов В.В., Нарышкин В.И., Рязанцев A.M. Радиотехника и электроника, 1976, т. 21, с. 913-944) электрическое поле Шумановских резонансов не должно было регистрироваться на глубинах установки антенн. Физического объяснения результатов описанного выше эксперимента после его завершения не было. Понимание возможности проникновения колебаний Шумановских резонансов на глубину 2000 м в море на материковом склоне через породы шельфа и материкового склона, удельное сопротивление которых увеличилось из-за заполнения пор метаном, сформировалось после обнаружения в 2011 г. аномально высоких концентраций метана (табл. 2) в поровой воде поверхностного слоя донных осадков в районе шельфа, прилегающем к району, где измерялось электрическое поле. Последующее обнаружение большого количества метановых факелов в этом же районе (Саломатин А.С., Юхновский В.А. Поиск и исследование зон пузырьковой разгрузки метана в заливе Петра Великого. Основные результаты научно-исследовательских работ за 2015 г. ФГБУ ТОЙ ДВО РАН. С. 21-22. Владивосток. 2016 г.) послужило прямым экспериментальным подтверждением представленного выше физического объяснения результатов измерений электрического поля в море, на материковом склоне, на глубине 2000 м.
Таким образом, использование естественного электромагнитного поля Земли для морского электромагнитного зондирования на частотах Шумановских резонансов в шельфовых районах, потенциально содержащих источники углеводородного сырья по признакам аномально высокой концентрации метана в поровой воде донных осадков, или придонном слое воды, или в районах пузырькового выделения метана в водный слой позволяет повысить точность метода электромагнитного зондирования по определению глубины залегания источников углеводородного сырья, поскольку эта глубина определяется экспериментальным, а не расчетным путем, с возможностью задания необходимого интервала измерений электрического поля по глубине для достижения требуемой точности. Кроме этого способ позволяет значительно упростить и удешевить метод электромагнитного зондирования, поскольку в способе не используются искусственно создаваемые электромагнитные поля.