Способ и устройство для определения характеристик подводных или подземных резервуаров

Изобретение относится к геофизической разведке. Сущность: с помощью, по меньшей мере, одного передатчика передают изменяющееся во времени электромагнитное волновое поле на передаваемой частоте от 0.1 до 1 кГц к пластам, содержащим резервуар. С помощью, по меньшей мере, одного приемника проводят обнаружение поля ответной электромагнитной волны. Передатчик и/или приемник располагают на или вблизи морского дна или дна другого водоема. Проводят анализ влияний на характеристики обнаруженного поля, которые вызваны резервуаром, для определения на основе анализа содержания резервуара. Предпочтительным расстоянием l между передатчиком и приемником является l=2s=2λ, где s - расстояние между морским дном и резервуаром, λ - длина волны передачи через перекрывающие породы. Технический результат: высокая вероятность определения характеристик резервуара без бурения скважины. 3 с. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Данное изобретение относится к способу и устройству для определения характеристик подводных или подземных резервуаров. В частности, изобретение направлено на определение того, содержит ли резервуар, примерная геометрия и расположение которого известны, углеводороды или воду.

В настоящее время наиболее широко используемыми способами геологической разведки, в частности, в подводных условиях являются сейсмические способы. Эти сейсмические способы обеспечивают обнаружение структуры подземного пласта с определенной точностью. Однако, в то время как сейсмическая разведка позволяет обнаружить местоположение и форму потенциального резервуара, она не может раскрыть характеристики резервуара.

Для решения этой проблемы необходимо бурить скважину в резервуар. Однако стоимость бурения разведочной скважины составляет примерно 25 миллионов фунтов стерлингов, и поскольку вероятность успеха обычно составляет один к десяти, то это является очень дорогим делом.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания системы для определения с высокой вероятностью характеристик подземного резервуара без необходимости бурения скважины.

Согласно одному аспекту изобретения, создан способ определения характеристик подземного резервуара, приблизительные геометрия и местоположение которого известны, включающий: воздействие изменяющимся во времени электромагнитным полем на пласт, содержащий резервуар; обнаружение отраженных волн электромагнитного поля и анализ воздействия резервуара на характеристики обнаруженного поля с определением на основе анализа содержания резервуара.

Согласно другому аспекту изобретения, создано устройство для определения характеристик подземного резервуара, приблизительная геометрия и местоположение которого известны, которое включает: средство для воздействия изменяющимся во времени электромагнитным полем на пласт, содержащий резервуар; средство для обнаружения отраженных волн электромагнитного поля и средство для анализа воздействия резервуара на характеристики обнаруженного поля, что позволяет определять на основе анализа содержание резервуара.

Заявители данного изобретения исходили из того, что в то время как сейсмические свойства наполненного нефтью пласта и наполненного водой пласта не отличаются значительно друг от друга, их электромагнитное сопротивление/проницаемость являются различными. Таким образом, с помощью способа электромагнитной разведки можно использовать эти различия и значительно повысить вероятность прогнозирования характеристик резервуара. Это обеспечивает возможность чрезвычайно высокой экономии средств.

Технологию можно применять при разведке подземных резервуаров на суше, однако она особенно подходит для разведки подводных, в частности морских, подземных резервуаров. Воздействие полем осуществляют предпочтительно с использованием одного или более стационарных передатчиков, расположенных на поверхности земли, а обнаружение выполняют с помощью одного или более стационарных приемников, расположенных на поверхности земли. В предпочтительном варианте выполнения передатчик(и) и/или приемники расположены на дне моря или вблизи него или на дне какого-либо другого водного пространства. Предпочтительно иметь единственный передатчик и множество приемников, при этом передатчик(и) и приемники являются дипольными антеннами или катушками, хотя можно использовать другие виды передатчика/приемников. Кроме того, если желательна улучшенная направленность излучаемого поля, то можно использовать множество передатчиков с регулированием фазы.

Электромагнитные технологии разведки сами по себе известны. Однако они не используются широко на практике. Обычно представляющие интерес резервуары расположены на уровне около 1 км или более ниже морского дна. Для выполнения электромагнитной разведки в этих условиях с любой приемлемой степенью разрешения необходимо использовать короткие волны. К сожалению, эти волны с короткой длиной подвергаются очень сильному затуханию. Волны с большей длиной не обеспечивают адекватного разрешения. По этой причине сейсмические технологии являются предпочтительными.

Однако, хотя волны с большей длиной, используемые в электромагнитной технологии, не могут обеспечивать достаточной информации для точного указания границ различных пластов, но если геологическая структура уже известна, то их можно использовать для определения характеристик конкретного идентифицированного пласта, если возможные составляющие этого пласта имеют значительно отличающиеся друг от друга электромагнитные характеристики. Разрешение не особенно важно, и поэтому можно использовать более длинные волны, которые не испытывают такого сильного затухания.

Удельное сопротивление морской воды составляет около 0,3 Ом·м, а удельное сопротивление перекрывающих пород под дном моря обычно составляет от 0,3 до 4 Ом·м, например около 2 Ом·м. Однако вероятное удельное сопротивление нефтяного резервуара равно около 50 Ом·м. Эту большую разницу можно использовать при использовании технологии данного изобретения. Обычно удельное сопротивление несущего углеводороды пласта в 20-400 раз больше, чем удельное сопротивление несущего воду пласта.

Благодаря различным электромагнитным свойствам газо-/нефтеносного пласта и водоносного пласта, можно ожидать отражения переданного поля на границе газо-/нефтеносного пласта. Однако схожесть между свойствами перекрывающих пород и резервуара, содержащего воду, означает, что вероятно отсутствие отражений.

Излучаемое поле может быть импульсным, однако предпочтительной является когерентная непрерывная волна со ступенчато изменяющейся частотой. Она может излучаться в течение значительного периода времени, во время которого передатчик предпочтительно неподвижен, а излучение стабильно. Таким образом, поле можно передавать в течение периода времени от 30 секунд до 60 минут, предпочтительно от 3 до 30 минут, например, в течение 20 минут. Приемники расположены предпочтительно с возможностью обнаружения прямой волны и отраженной от резервуара волны, и анализ включает вычитания данных о фазе и амплитуде отраженной волны из соответствующих данных прямой волны.

Прямая волна, которая проходит через морскую воду и поверхностные слои перекрывающих пород, достигает приемники первой и является намного более сильной, чем отраженные позже волны. Поэтому в альтернативной системе прямая волна может быть подавлена с использованием известных способов. Это означает, что используемые приемники не должны иметь такой большой динамический диапазон.

Длина волны излучения предпочтительно определяется формулой

0,1s≤λ≤10s,

где λ является длиной волны передачи через перекрывающие породы, и s равно расстоянию между морским дном и резервуаром. Более предпочтительно λ находится в диапазоне от 0,5s до 2s. Это достигается применением частоты передачи от 0,1 Гц до 1 кГц, предпочтительно от 1 до 50 Гц, например 20 Гц.

В предпочтительном режиме работы первую передачу выполняют на первой частоте и принимают в каждом из множества настроенных приемников, затем выполняют вторую передачу на второй частоте и принимают в том же самом множестве настроенных приемников. Это можно повторять несколько раз, хотя это можно выполнять и только один раз.

Анализ предпочтительно включает сравнение результатов выполненных измерений с результатами математической имитационной модели, основанной на известных свойствах резервуара и состояния перекрывающих пород.

Расстояние между передатчиком и приемником предпочтительно определяется формулой

0,5λ≤l≤10λ,

где λ является длиной волны передачи через перекрывающие породы, и l равно расстоянию между передатчиком и первым приемником.

При условии, что известны расстояние s и геометрические размеры резервуара из предыдущей сейсмической разведки, можно выбрать оптимальные λ и l.

При использовании дипольных антенн они могут иметь фиксированные размеры, однако предпочтительно иметь согласованные антенны, которые можно настраивать для оптимальной передачи и приема в зависимости от частоты передачи и ее длины волны через перекрывающие породы. Это можно обеспечить за счет изменения их эффективной длины с помощью дистанционно управляемых реле или с помощью электронных переключательных систем. Дополнительно к этому, задающая схема может быть настроена для увеличения ширины полосы.

Средство анализа предпочтительно выполнено с возможностью анализа фазы и амплитуды.

При исследовании места, представляющего интерес, может быть выполнена операция математического моделирования. Таким образом, в математическую модель вводят различные релевантные параметры, такие как глубина и ожидаемые удельные сопротивления различных известных пластов в перекрывающих породах, и ожидаемые результаты вычисляют в зависимости от того, является ли исследуемый пласт нефтеносным или водоносным. Затем теоретически предсказанные результаты можно сравнивать с действительными результатами, полученными в реальных условиях, для определения характеристик пласта.

Данное изобретение распространяется также на способ подземной разведки пластов, который содержит: выполнение сейсмической разведки для определения геологической структуры региона и при обнаружении с помощью этой разведки наличия подземного резервуара последующее выполнение описанного выше способа.

Изобретение может быть осуществлено на практике различными путями, и ниже приводится в качестве примера описание некоторых вариантов выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором изображен схематичный разрез системы согласно изобретению.

На чертеже показан разрез региона, который перед этим был уже предметом сейсмической разведки. Геологическая структура известна и состоит из нескольких пластов, которые образуют перекрывающие породы 11 над слоем 12 резервуара и подстилающим пластом 13. Верхом перекрывающих пород является морское дно 14, над которым находится, естественно, морская вода 15.

Для определения того, является или нет слой 12 резервуара несущим углеводороды, выполняют способ электромагнитной разведки. Судно 16 укладывает на морское дно 14 кабель 17. Кабель 17 включает в себя электромагнитный передатчик 18 и несколько приемников в виде дипольных антенн, из которых показаны три антенны 21, 22, 23.

Толщина перекрывающих пород 11 известна и составляет 1000 м. Глубина воды составляет около 800 м, хотя это не имеет особого значения. В этих условиях расстояние l между передатчиком 18 и средней антенной 22 равно 2000 м, т.е. 2s. Расстояние между смежными антеннами составляет около 100 м. В целом длина кабеля 17 может составлять около 4000 м.

Когда кабель 17 расположен на морском дне 14, то включается передатчик 18 и передает электромагнитное поле в виде волны. Частота передачи находится в диапазоне от около 1 до 30 Гц, и выбирается специальная величина для создания в перекрывающих породах длины волны λ, которая приблизительно равна s, т.е. λ=1000 м. Передатчик 18 настроен на оптимальную передачу и антенны 21-23 настроены для приема излучений при λ=1000 м. Антенны 21-23 принимают прямую волну 24 от передатчика, а также соответствующие отраженные волны 25, 26, 27, которые отражаются от слоя 12 резервуара, если слой 12 несет углеводороды. Принятую прямую волну 24 и принятые отраженные волны 25-27 анализируют и сравнивают, например, с предшествующими результатами моделирования, основанного на сейсмических и типичных для перекрывающих пород электрических характеристиках, и на этой основе делается заключение о характеристиках слоя 12.

Обычно первоначально может быть выбрана частота 20 Гц. Это приводит к длине волны 400 м в морской воде и к длине волны 1000 м в перекрывающих породах. Длина волны в слое 12, несущем углеводороды, будет составлять около 5000 м. При этих условиях затухание составляет:

Прямая волна

Потери в антеннах - 40 дБ

Потери при распространении - 110 дБ

Отраженная волна

Потери в антеннах - 40 дБ

Потери при распространении - 150 дБ

Потери при отражении - 20 дБ

Таким образом, необходимый динамический диапазон приемной системы должен составлять 210 дБ-150 дБ=60 дБ. При соответствующем подавлении прямой волны этот диапазон значительно уменьшается и увеличивается разрешение отраженного сигнала.

Передачу выполняют в течение нескольких минут при постоянном уровне мощности, например, 10 кВт.

Затем эту процедуру повторяют при другой частоте. Это приводит к другим длинам волн и требует соответствующей перенастройки антенной системы. При частоте, например, 5 Гц длина волны в морской воде будет 800 м, длина волны в перекрывающих породах около 2000 м. Длина волны в слое 12, если он несет углеводороды, будет 10 км. Затухание будет составлять:

Прямая волна

Потери в антеннах - 40 дБ

Потери при распространении - 55 дБ

Отраженная волна

Потери в антеннах - 40 дБ

Потери при распространении - 75 дБ

Потери при отражении - 30 дБ

В этом случае необходимый динамический диапазон приемной системы должен составлять 145 дБ-95 дБ=50 дБ.

В предпочтительном режиме работы частоту повышают ступенчато в диапазоне, например, от 5 до 20 Гц.

Затем всю процедуру можно повторять в других местах и при разных ориентациях. Можно видеть, что при повторении процедуры после периода добычи можно установить изменение в состоянии резервуара. Это может быть ценным при оценке положений в конкретном поле, где еще имеются углеводороды и где буровая скважина может быть истощена.

1. Способ определения характеристик подводного подземного резервуара, геометрия и местоположение которого известны, отличающийся тем, что с помощью, по меньшей мере, одного передатчика передают изменяющееся во времени электромагнитное волновое поле на передаваемой частоте от 0,1 до 1 Кгц к пластам, содержащим резервуар, с помощью, по меньшей мере, одного приемника проводят обнаружение поля ответной электромагнитной волны, причем передатчик и/или приемник располагают на или вблизи морского дна или дна другого водоема и проводят анализ влияний на характеристики обнаруженного поля, которые вызваны резервуаром, для определения на основе анализа содержания резервуара, при этом предпочтительным расстоянием l между передатчиком и приемником является l=2s=2λ, где s - расстояние между морским дном и резервуаром, λ - длина волны передачи через перекрывающие породы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют полем с использованием одного или более стационарных передатчиков, расположенных на морском дне или на дне другого водоема.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обнаружение выполняют с помощью одного или более стационарных приемников, расположенных на морском дне или дне другого водоема.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, электромагнитное волновое поле передают в течение периода времени от 30 с до 60 мин.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что время передачи составляет от 3 до 30 мин.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что приемники расположены с возможностью обнаружения прямой волны и волны, отраженной от резервуара, при этом анализ включает отделение данных фазы и амплитуды отраженной волны от соответствующих данных прямой волны.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что длина волны передачи задана формулой 0,1s≤λ≤10s.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние 1 между передатчиком и приемником определяется формулой 0,5λ≤1≤10λ.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что частота передачи составляет от 1 до 50 Гц.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую передачу выполняют на первой частоте и принимают в каждом из множества настроенных приемников, затем выполняют вторую передачу на второй частоте и принимают в том же самом множестве настроенных приемников, при этом приемники настраивают на прием соответствующих передач, а передатчик(и) также настроены на оптимальную передачу.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализ включает в себя сравнение результатов выполненных измерений с результатами математической имитационной модели, основанной на известных свойствах резервуара и состояния перекрывающих пород.

12. Способ по п.6, отличающийся тем, что прямая волна подавляется.

13. Способ определения характеристик подземных слоев, отличающийся проведением сейсмической разведки для определения геологической структуры региона и в случае обнаружения при разведке наличия подземного резервуара последующим осуществлением способа по любому из пп.1-12 для определения природы резервуара.

14. Устройство для определения природы подземного резервуара, приблизительные геометрия и местоположение которого известны, отличающееся тем, что имеется передатчик для воздействия изменяющимся во времени электромагнитным волновым полем с частотой от 0,1 Гц до 1 кГц на пласты, содержащие резервуар; приемник для обнаружения поля ответной электромагнитной волны, причем передатчик и/или приемник располагают на или вблизи морского дна или дна другого водоема, и средство для анализа воздействий на обнаруженное поле, которые вызваны резервуаром, и средство для определения содержания резервуара на основе этого анализа, при этом предпочтительным расстоянием l между передатчиком и приемником является l=2s=2λ, где s - расстояние между морским дном и резервуаром, λ - длина волны передачи через перекрывающие породы.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что приемник содержит множество приемников.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что передатчик и приемник включают дипольные антенны или катушки.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что содержит более одного передатчика.

18. Устройство по п.14, отличающееся тем, что средство для анализа выполнено с возможностью анализировать фазу и амплитуду.