Система и способ разделения электромагнитного волнового поля

Изобретение относится к сбору и обработке электромагнитных данных при морской разведке. Сущность: прикладывают электромагнитное (ЭМ) волновое поле к пластам посредством передатчика, находящегося на морском дне или около него. Обнаруживают отклик ЭМ волнового поля посредством по крайней мере одного приемника, находящегося на морском дне или около него. Приемник содержит обнаруживающую пару, состоящую из средства для обнаружения электрического поля и средства для обнаружения магнитного поля. Обрабатывают обнаруженное ЭМ волновое поле, разделяя волновое поле с получением идущих вверх и идущих вниз компонент. При этом данные, полученные от одной из обнаруживающих пар, используют для разделения поля, обнаруженного другой из обнаруживающих пар. Идущая вниз компонента отображает отражения от поверхности моря. Идущая вверх компонента отображает отражения и преломления от подповерхностных пластов. Анализируют идущую вверх компоненту и исходя из этого делают вывод о характере пластов. 10 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сбору и обработке электромагнитных данных. В частности, изобретение относится к системе и способу разделения электромагнитного волнового поля.

Уровень техники

Морская электромагнитная разведка является важным средством определения местонахождения запасов углеводородов в открытом море и оперативного контроля добычи углеводородов при управлении разработкой коллекторов. Одна известная процедура морской электромагнитной разведки предусматривает использование источника электромагнитного поля и принимающих кабелей, описанных в принадлежащем Заявителю данной заявки документе WO 01/57555. Электромагнитная энергия, вырабатываемая источником, распространяется и вверх, в водяной столб, и вниз, в землю. Волны, распространяющиеся вниз, частично отражаются и преломляются подповерхностными слоями. Энергия отраженных и преломленных волн идет вверх из подповерхностных слоев и обнаруживается матрицей приемников. В частности, известно, что коллекторы, заполненные углеводородами, дают большую энергию преломленных волн, которая и представляет интерес при создании изображений углеводородов.

Вместе с тем, электромагнитная разведка осложняется волнами, принимаемыми матрицей приемников в форме идущих вниз отражений и преломлений после прохождения отражения и преломления на границе "воздух-вода" на поверхности. Граница "воздух-вода" является эффективным средством отражения и преломления, поэтому волны, проходящие вниз, трудно отличить от волн, идущих вверх от подповерхностных слоев. Энергия, идущая вниз, обусловлена и энергией, распространяющейся непосредственно от источника электромагнитного поля к границе "воздух-вода", и энергией, идущей от подповерхностных слоев к границе "воздух-вода".

Таким образом, отражения и преломления от поверхности моря являются серьезной проблемой. Если отражения и преломления от поверхности моря не ослабить должным образом, то они могут интерферировать и перекрываться с основными отражениями и преломлениями от подповерхностных слоев.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ обработки электромагнитного волнового поля, который минимизирует это затруднение.

В соответствии с изобретением, способ обработки электромагнитного (ЭМ) волнового поля предусматривает разделение (или разложение) волнового поля на идущую вверх и идущую вниз составные части с последующим анализом идущей вверх компоненты. Оптимальная обработка, анализ и интерпретация данных электромагнитного поля в идеальном случае требуют полной информации о волновом поле, чтобы можно было разделить это волновое поле на идущую вверх и идущую вниз составляющие.

В положении непосредственно над или под морским дном отражения и преломления от поверхности моря всегда представляют собой моды волн, идущих вниз. Вместе с тем, интересующие нас отражения и преломления от подповерхностных слоев представляют собой моды волн, идущих вверх. Разделение (или разложение) электромагнитного волнового поля на идущую вверх и идущую вниз составляющие непосредственно над или под морским дном обуславливает рассмотрение отражений и преломлений от поверхности моря как идущей вниз компоненты, а отражений и преломлений от подповерхностных слоев - как содержащиеся в идущей вверх компоненте.

Таким образом, дополнительная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ, который обеспечивает разделение (или разложение) электромагнитного волнового поля, зарегистрированного вдоль одной или нескольких матриц приемников, на идущую вверх и идущую вниз волновые компоненты.

Поэтому предпочтительно осуществлять разделение волнового поля, воспользовавшись уравнениями Максвелла

для электрического и магнитного полей соответственно в изотропной среде, где: x=(x₁, х₂, х₃) обозначает неподвижную систему координат, в которой положительным направлением оси глубины является направление вниз, а х₃=z; μ - магнитная проницаемость, ε - диэлектрическая проницаемость и σ - электрическая удельная проводимость, при этом μ=μ(z), ε=ε(z) и σ=σ(z); E - электрическое поле, а Н - магнитное поле.

Этот способ можно использовать на электромагнитных данных, зарегистрированных на ареальной сетке, или на данных, зарегистрированных вдоль профиля (линии), или на данных, зарегистрированных на одиночных принимающих станциях. Каждую зарегистрированную компоненту электромагнитного волнового поля следует должным образом калибровать перед применением способа разделения. Калибровка гарантирует, что компоненты электромагнитного поля будут как можно точнее удовлетворять уравнениям Максвелла. Уравнения (1) и (2) Максвелла предпочтительно преобразуют, воспользовавшись функцией преобразования Фурье относительно времени и горизонтальных пространственных координат.

Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать приближенный способ, который самоадаптируется к применению в случае зарегистрированных электромагнитных данных от отдельных принимающих станций (т.е. суммирование или интегрирование по принимающим станциям не требуется).

В предпочтительном варианте идущую вверх компоненту ЭМ волнового поля выводят с помощью следующих формул:

где U^(E1) - идущая вверх составная часть поля E₁, a E₁ - электрическое поле в первом горизонтальном направлении; U^(E2) - идущая вверх компонента поля E₂, а Е₂ - электрическое поле во втором горизонтальном направлении; H₁ и Н₂ - магнитные поля в первом и втором направлениях; С - скорость распространения волн и Е - комплексная диэлектрическая проницаемость.

Таким образом, с помощью уравнений Максвелла разработан новый способ разделения электромагнитного поля при разведке морских месторождений на идущую вверх и идущую вниз волновые составляющие. Эффекты поверхности раздела "воздух-вода" можно устранить или ослабить на этапе разделения на идущие вверх и вниз компоненты. Анализ дает выражения, в которых результаты фильтрации по величинам, обратным длинам волн (или по волновым числам), умножаются на электромагнитные данные, подвергнутые преобразованию Фурье в область величин, обратных длинам волн (или волновых чисел). После разделения волнового поля отфильтрованные данные подвергают обратному преобразованию Фурье в пространственную область для возможной дальнейшей обработки, анализа или интерпретации. В случае вертикально идущих плоских волн разделяющие фильтры не зависят от величин, обратных длинам волн: фильтры становятся просто масштабирующими устройствами. Тогда разделение волнового поля можно осуществлять непосредственно в пространственной области. В этом случае разделение на идущие вверх и вниз компоненты проводится для каждой принимающей станции в ходе электромагнитного эксперимента. Кроме того, эти масштабирующие устройства можно использовать для приближенного разделения электромагнитного волнового поля на идущую вверх и идущую вниз компоненты даже в случае не вертикально идущего электромагнитного волнового поля.

В случае разделения на идущие вверх и вниз компоненты непосредственно над морским дном разделяющие фильтры зависят от физических параметров воды. В случае разделения на идущие вверх и вниз компоненты непосредственно под морским дном разделяющим фильтрам нужна информация об оценке комплексной скорости волн и комплексной диэлектрической проницаемости (или удельного сопротивления, являющегося величиной, обратной такой проницаемости) материала морского дна.

Это изобретение также распространяется на способ определения характера пластов под морским дном, заключающийся в том, что прикладывают электромагнитное (ЭМ) волновое поле к пластам, обнаруживают отклик ЭМ волнового поля и обрабатывают это волновое поле так, как описано выше, при этом вывод о характере пластов делают, исходя из анализа идущей вверх компоненты обнаруженного отклика волнового поля.

В предпочтительном варианте приложение ЭМ поля осуществляют посредством передатчика, находящегося на морском дне или около него, а отклик волнового поля обнаруживают посредством приемника, находящегося на морском дне или около него. ЭМ волновое поле предпочтительно передают на частоте между 0,01 и 20 Гц.

Передатчик и приемник предпочтительно выполнены в виде симметричных вибраторных антенн, хотя можно использовать передатчики и приемники других конфигураций. Приложение ЭМ поля предпочтительно осуществляют в течение времени, находящегося в диапазоне от 3 секунд до 60 минут.

Необходимые магнитные измерения можно проводить с использованием известных магнитотеллурических приборов. В альтернативном варианте, можно использовать встроенные измерительные приборы, которые регистрируют и магнитное, и электрическое поля.

Хотя в тексте этого описания упоминаются море и морское дно, должно быть понятно, что эти термины следует считать распространяющимися и на материковые водные системы, такие как озера, дельты рек и т.д.

Изобретение можно внедрить на практике различными путями, и теперь - в качестве примера, иллюстрирующего вывод формул идущей вверх компоненты волнового поля, - будет приведено описание одного подхода к разделению волнового поля.

Будет сделан обзор уравнений Максвелла. Затем будет показано, как можно разделить (или разложить) электромагнитное волновое поле на идущие вверх и идущие вниз волны.

Перечень наиболее часто употребляемых символов приведен в Приложении А.

Осуществление изобретения

Уравнения Максвелла

Сначала покажем, как можно преобразовать уравнения Максвелла в область частот и волновых чисел в горизонтальной плоскости. Пусть x=(x₁, х₂, x₃) обозначает неподвижную систему координат, в которой положительным направлением оси глубины является направление вниз. Для удобства обозначения воспользуемся также равенством х₃=z. Предположим, что на морском дне параметры материала - магнитная проницаемость μ и диэлектрическая проницаемость ε, а также удельная электрическая проводимость σ - не изменяются в поперечном направлении, так что

μ=μ(z); ε=ε(z); σ=σ(z).

Уравнения Максвелла для электрического и магнитного полей совместно с составляющими их соотношениями для изотропной среды имеют вид:

где Е - электрическое поле, а Н - магнитное поле. Введем преобразование Фурье относительно времени и горизонтальных пространственных координат:

имеющее обратное преобразование

Преобразование Фурье согласно уравнениям (1) и (2) дает:

где E₁=E₁(k₁, k₁, z, ω) - преобразованное электрическое поле и т.д. В уравнениях (5)-(8) введена комплексная диэлектрическая проницаемость

и

Матрично-векторное дифференциальное уравнение

Уравнения (5)-(8) можно записать в виде обычного матрично-векторного дифференциального уравнения

где волновой вектор b представляет собой вектор-столбец 4×1

а матрица А системы представляет собой матрицу 4×4, разбитую на четыре подматрицы 2×2, в числе которых диагональные матрицы являются нулевыми

Подматрицы А1 и А2 симметричны

Кроме того, подматрицы A₁ и А₂ являются функциями параметров уравнений Максвелла (значит - и функциями z) и p_i.

Разложение на идущие вверх и вниз волны

Для разложения электромагнитного поля на идущие вверх и вниз волны необходимо найти собственные значения и собственные векторы матрицы А системы для заданных волновых чисел и частот. Волновой вектор b можно разложить на идущие вверх и вниз волны следующим образом:

где U^T=[U₁, U₂] и D^T=[D₁, D₂], путем линейного преобразования получаем:

где L - матрица локальных собственных векторов матрицы А (т.е. каждый столбец матрицы L является собственным вектором). Поскольку L является матрицей собственных векторов матрицы А, то отсюда следует, что

A=LΛL^-1,

где Λ - диагональная матрица соответствующих собственных значений матрицы А:

Собственные значения матрицы А

Собственные значения матрицы А имеют вид

где

Матрица собственных векторов матрицы А

Матрица собственных векторов матрицы А может быть задана в виде

а обратная матрица имеет вид

Идущие вверх и идущие вниз волны

На основании уравнения (16) идущие вверх и идущие вниз волны задаются в виде:

то есть

Как показано ниже, U₁, D₁, U₂ и D₂ определены таким образом, что

Это обуславливает, что U₁ и D₁ представляют собой идущую вверх и идущую вниз составляющие поля H₁ соответственно, тогда как U₂ и D₂ представляют собой идущую вверх и идущую вниз составляющие поля Н₂ соответственно. Однако масштаб идущих вверх и идущих вниз волн не одинаков. Ниже будет показано, что идущие вверх и идущие вниз волны, охарактеризованные в уравнении (27), можно масштабировать таким образом, что их сумма даст идущую вверх и идущую вниз составляющие полей E₁ и Е₂. Идущие вверх составляющие полей H₁, H₂, E₁ и Е₂ не будут содержать идущие вниз отражения и преломления, обусловленные поверхностью моря. После разложения измеренного электромагнитного поля на идущее вверх и идущее вниз волновые поля, отражения и преломления, обусловленные поверхностью моря, будут принадлежать идущей вниз части этих полей. Идущее вверх и идущее вниз волновые поля подвергают обратному преобразованию Фурье в пространственную область, пользуясь уравнением (4).

Идущие вверх и идущие вниз составляющие полей Н₁ и H₂

Справедливость уравнения (28) легко подтвердить суммированием U₁ и D₁, а также U₂ и D₂, заданных уравнением (27). Следовательно, волновые поля U₁ и D₁ интерпретируются как идущая вверх и идущая вниз составляющие компоненты H₁ магнитного поля, тогда как волновые поля U₂ и D₂ интерпретируются как идущая вверх и идущая вниз составляющие компоненты Н₂ магнитного поля. Введем обозначения

так что

В частности, интерес представляют идущие вверх составляющие (см. уравнения (24) и (25))

Уравнения (32) и (33) являются наиболее общими формулами для разложения компонент магнитного поля, присутствующих в электромагнитном волновом поле, с получением идущих вверх волн. Эти схемы требуют распределения принимающих станций по некоторому ареалу на морском дне, чтобы можно было преобразовать электромагнитное волновое поле в область величин, обратных длинам волн. Схемы разложения, соответствующие уравнениям (32) и (33), справедливы для имеющей размерность 3D неоднородной модели Земли.

Особый случай: р₂=0

Когда электромагнитный эксперимент проводят на одиночном профиле, электромагнитные данные получаются лишь вдоль линии. Тогда компоненты H₁ и Н₂ магнитного поля можно должным образом разложить на идущие вверх и идущие вниз волны в предположении размерности 2,5D модели Земли (т.е. при отсутствии изменений параметров среды Земли в направлении поперек профиля). Без утраты общности рассуждений ориентируем систему координат таким образом, чтобы электромагнитное волновое поле распространялось в плоскости x₁, х₃ так, что р₂=0. Тогда подстановка q₂=c^-1, q=q₁ в уравнение (32) дает

Уравнение (34) показывает, что для удаления энергии идущих вниз отраженных и преломленных волн из магнитного поля H₁ необходимо объединить показания H₁ с масштабированными (отфильтрованными) показаниями электрического поля Е₂. Аналогично, идущая вверх компонента поля Н₂ имеет вид

Уравнения (34) и (35) являются строго справедливыми в предположении размерности 2,5D модели Земли. Однако в случае данных одиночного профиля, получаемых согласно имеющей размерность 3D модели Земли, уравнения (34) и (35) все же можно использовать при реализации приближенных способов ослабления идущей вниз энергии по компонентам H₁ и Н₂ магнитного поля.

Особый случай: p₁=p₂=0

Особый случай вертикально идущих электромагнитных плоских волн, когда p₁=p₂=0, так что q₁=q₂=q=c^-1, дает посредством подстановки в уравнения (32) и (33):

Даже несмотря на то, что уравнения (36) и (37) являются строго справедливыми только для вертикально идущих плоских волн, они - в качестве реализации способа разложения для получения компонент магнитного поля - также могут оказаться полезным приближением разложения волнового поля и для не вертикально идущих плоских волн, а также для полностью магнитных полей H₁ и Н₂. Отметим, что поскольку коэффициент масштабирования, применяемый к составляющим электрического поля, не зависит от величин, обратных длинам волн, уравнения (36) и (37) можно реализовать в пространственной области. В этом особом случае данные магнитных полей H₁ или Н₂, зарегистрированные на каждой принимающей станции, обрабатываются независимо.

Идущие вверх и идущие вниз составляющие полей Е₁ и Е₂

Путем надлежащего масштабирования идущих вверх и идущих вниз волн U₁, U₂, D₁ и D₂ можно найти идущие вверх и идущие вниз составляющие полей E₁ и Е₂. Масштабирование следует выбирать так, чтобы получить

с

Вводя

обнаруживаем, что уравнение (38) удовлетворяется и что

Вводя

обнаруживаем, что уравнение (39) удовлетворяется и что

Уравнения (45) и (47) являются наиболее общими формулами для разложения компонент электрического поля, присутствующих в электромагнитном волновом поле, с получением идущих вверх волн. Эти схемы требуют распределения принимающих станций по некоторому ареалу на морском дне, чтобы можно было преобразовать электромагнитное волновое поле в область величин, обратных длинам волн. Схемы разложения, соответствующие уравнениям (45) и (47), справедливы для имеющей размерность 3D неоднородной модели Земли.

Особый случай: р₂=0

Когда электромагнитный эксперимент проводят на одиночном профиле, электромагнитные данные получаются лишь вдоль линии. Тогда компоненты E₁ и Е₂ электрического поля можно должным образом разложить на идущие вверх и идущие вниз волны в предположении размерности 2,5D модели Земли (т.е. при отсутствии изменений параметров среды Земли в направлении поперек профиля). Без утраты общности рассуждений ориентируем систему координат таким образом, чтобы электромагнитное волновое поле распространялось в плоскости x₁, x₃ так, что р₂=0. Тогда подстановка q₂=c^-1, q=q₁ в уравнение (45) дает

Уравнение (48) показывает, что для удаления энергии идущих вниз отраженных и преломленных волн из электрического поля E₁ необходимо объединить показания E₂ с масштабированными (отфильтрованными) показаниями магнитного поля H₂. Аналогично, идущая вверх компонента поля Е₂ имеет вид

Уравнения (48) и (49) являются строго справедливыми в предположении 2,5D модели Земли. Однако в случае данных одиночного профиля, получаемых согласно 3D модели Земли, уравнения (48) и (49) все же можно использовать при реализации приближенных способов ослабления идущей вниз энергии по компонентам E₁ и E₂ магнитного поля.

Особый случай: p₁=p₂=0

Особый случай вертикально идущих электромагнитных плоских волн, когда p₁=p₂=0, так что q₁=q₂=q=c^-1, дает посредством подстановки в уравнения (45) и (47):

Даже несмотря на то, что уравнения (50) и (51) являются строго справедливыми только для вертикально идущих плоских волн, они - в качестве реализации способа разложения для получения составляющих магнитного поля - также могут оказаться полезным приближением разложения волнового поля и для не вертикально идущих плоских волн, а также для полностью электрических полей E₁ и E₂. Отметим, что поскольку коэффициент масштабирования, применяемый к составляющим магнитного поля, не зависит от величин, обратных длинам волн, уравнение (50) можно реализовать в пространственной области. В этом особом случае электрические данные E₁ или Е₂, зарегистрированные на каждой принимающей станции, обрабатываются независимо.

Приложение А

А: матрица системы

b: волновой вектор, содержащий электромагнитные поля

ω: волновой вектор, содержащий идущие вверх и идущие вниз волны

L: матрица собственных векторов матрицы А

В: плотность магнитного потока

Н: магнитное поле; H=(H₁, H₂, Н₃)

D: поле электрического смещения

Е: электрическое поле; E=(E₁, Е₂, Е₃)

J: плотность тока

x=(x₁, x₂, х₃): декартовы координаты

U^(E ₁ ⁾: идущая вверх компонента поля E₁; E₁=U^(E ₁ ⁾+D^(Е ₁ ⁾

D^(E ₁ ⁾: идущая вниз компонента поля E₁

U^(E ₂ ⁾: идущая вверх компонента поля Е₂; Е₂=U^(E ₂ ⁾+D^(E ₂ ⁾

D^(E ₂ ⁾: идущая вниз компонента поля Е₂

U^(H ₁ ⁾: идущая вверх компонента поля H₁; H₁=U^(H ₁ ⁾+D^(Н ₁ ⁾

D^(H ₁ ⁾: идущая вниз компонента поля H₁

U^(H ₂ ⁾: идущая вверх компонента поля Н₂; H₂=U^(H ₂ ⁾+D^(H ₂ ⁾

D^(H ₂ ⁾: идущая вниз компонента поля Н₂

с: скорость распространения волн; c=(με)^-1/2

k: волновое число; k=ω/c

k₁: горизонтальное волновое число, сопряженное с x₁

k₂: горизонтальное волновое число, сопряженное с х₂

p₁: величина, обратная длине волны в горизонтальной плоскости; р₁=k₁/ω

р₂: величина, обратная длине волны в горизонтальной плоскости; p₂=k₂/ω

p: p²=p₁ ²+p₂ ²

q: величина, обратная длине волны в вертикальной плоскости;

q₁: q₁ ²-с^-2-p₁ ²

q₂: q₂ ²=c^-2-p₂ ²

z: z=x₃

ρ_v: объемная плотность электрического заряда

ρ: удельное сопротивление; величина, обратная удельному сопротивлению, является удельной проводимостью

ε: диэлектрическая проницаемость

∈: комплексная диэлектрическая проницаемость; ∈=ε[1+(iσ/ωε)]

μ: магнитная проницаемость

σ: электрическая удельная проводимость; величина, обратная удельной проводимости, является удельным сопротивлением

λ: собственный вектор

ω: круговая частота

∂_t: частная производная по времени; ∂_t=∂/∂t

∂₁: пространственная частная производная; ∂₁=∂/∂x₁

∂₂: пространственная частная производная; ∂₂=∂/∂х₂

∂₃: пространственная частная производная; ∂₃=∂/∂х₃

1. Способ определения характера пластов под дном моря, предусматривающий приложение электромагнитного (ЭМ) волнового поля к пластам посредством передатчика, находящегося на морском дне или около него и обнаружение отклика ЭМ волнового поля посредством по крайней мере одного приемника, находящегося на морском дне или около него, отличающийся тем, что приемник содержит обнаруживающую пару, состоящую из средства для обнаружения электрического поля и средства для обнаружения магнитного поля, и способ включает этап, на котором обрабатывают обнаруженное ЭМ волновое поле, разделяя волновое поле с получением идущих вверх и идущих вниз компонент, при этом данные, полученные от одной из обнаруживающих пар, используют для разделения поля, обнаруженного другой из обнаруживающих пар, после чего анализируют идущую вверх компоненту и, исходя из этого, делают вывод о характере пластов.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что ЭМ волновое поле передают на частоте между 0,01 и 20 Гц.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что передатчик выполнен в виде симметричной вибраторной антенны.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что обнаруживающая пара заключена в едином блоке.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что волновое поле обнаруживают с помощью совокупности приемников, расположенных на протяжении некоторой области морского дна.

6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что приемники расположены в линию.

7. Способ по п.5, характеризующийся тем, что используют данные из матрицы приемников для разделения волнового поля.

8. Способ по п.5, характеризующийся тем, что данные из каждого приемника используют независимо для разделения волнового поля.

9. Способ по любому из пп.5-8, характеризующийся тем, что единственный или каждый из приемников перемещают в другое место, оставляя передатчик неподвижным, и прикладывают, обнаруживают и обрабатывают дополнительное ЭМ волновое поле.

10. Способ по п.1, характеризующийся тем, что волновое поле разделяют в предположении 2,5D модели, при которой изменения параметров среды в направлении поперек профиля отсутствуют.

11. Способ по п.1, характеризующийся тем, что разделение и анализ осуществляют в предположении, что имеются вертикально идущие плоские волны.