способ картирования коллектора углеводородов и устройство для осуществления этого способа

Формула изобретения

1. Способ морской электромагнитной разведки электрически резистивных целевых объектов, потенциально содержащих углеводороды, отличающийся тем, что включает определение электрических характеристик слоя, подлежащего изучению, при использовании магнитно-поперечных (ТМ) волн, формируемых посредством, по меньшей мере, одного источника (1113) электромагнитного поля, и регистрации ТМ-отклика, путем генерирования импульсов (81, 82) тока с резкими границами посредством, по меньшей мере, одного источника (1113) электромагнитного поля; переноса указанных импульсов (81, 82) на погруженную, по существу, вертикальную передающую антенну (1108) и передачи их в слои; приема откликов среды во временных интервалах между подачей последовательных импульсов тока, по меньшей мере, одним приемником (1109), снабженным, по меньшей мере, одной погруженной, по существу, вертикальной приемной антенной (1111); и измерения откликов слоев в зоне, в которой горизонтальное расстояние R между, по меньшей мере, одной передающей антенной (1108) и, по меньшей мере, одним приемником (1109) выбрано из условия R (t _а(t)/µ₀)^1/2, где t - временной интервал, измеряемый с момента отключения источника (1113) электромагнитного поля, µ₀=4 10^-7 Гн/м, а _a(t) - кажущееся удельное сопротивление подслоя, который в момент времени t демонстрирует тот же отклик, что и исследуемый разрез.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсы (81, 82) тока подают в последовательности, которая является некогерентной относительно присутствующего шума, а отклики, измеряемые, по меньшей мере, одним приемником (1109), накапливают для получения отношения сигнал/шум, достаточного для обнаружения целевого объекта.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть собранных данных переносят в центральный процессор и анализируют в реальном времени.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один источник (1113) электромагнитного поля и, по меньшей мере, один приемник (1109) являются стационарными на время регистрации данных, после чего их перемещают в другую точку в области, в которой производится разведка, для повторения в ней операций способа согласно п.1.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что два или более приемников (1109) одновременно и в различных точках области, в которой производится разведка, регистрируют вертикальную компоненту электромагнитного поля, индуцированную одним и тем же источником (1113) электромагнитного поля.

6. Устройство для морской электромагнитной разведки электрически резистивных целевых объектов, потенциально содержащих углеводороды, отличающееся тем, что содержит

по меньшей мере, один стационарный источник (1113) электромагнитного поля с погруженной, по существу, вертикальной передающей антенной (1108), действующей в качестве источника ТМ-волн;

по меньшей мере, один источник (121) мощности, обеспечивающий подачу электрической мощности, и генератор (122) управляемых импульсов, выполненный с возможностью подачи последовательности квадратных импульсов (81, 82) с длительностью 0,01-100 с, амплитудой 0,1-10000 А и резкими границами на передающие электроды (1108а, 1108b) источника (1113) электромагнитного поля;

по меньшей мере, один стационарный приемник (1109), снабженный, по меньшей мере, одной погруженной, по существу, вертикальной приемной антенной (1111), при этом приемник (1109) выполнен обеспечивающим возможность регистрировать вертикальное электромагнитное поле во временных интервалах между последовательными импульсами (81, 82) тока в зоне, в которой горизонтальное расстояние R между, по меньшей мере, одной передающей антенной (1108) и, по меньшей мере, одним приемником (1109) выбрано из условия R (t _a(t)/µ₀)^1/2, где t - временной интервал, измеряемый с момента отключения источника (1113) электромагнитного поля, µ₀=4 10^-7 Гн/м, a _a(t) - кажущееся удельное сопротивление подслоя, который в момент времени t демонстрирует тот же отклик, что и исследуемый разрез.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что, по существу, вертикальная передающая антенна (1108) выполнена с возможностью регистрировать вертикальное электромагнитное поле во временных интервалах между последовательными импульсами (81, 82) тока.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в непосредственной близости от верхнего и нижнего концевых участков (1111с, 1111d) приемной антенны (1111) установлены акустические датчики.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в непосредственной близости от верхнего и нижнего концевых участков (1111с, 1111d) приемной антенны (1111) установлены датчики давления.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один источник (1113) электромагнитного поля и, по меньшей мере, один приемник (1109) являются стационарными на время регистрации данных и выполнены с возможностью управляемого или автономного перемещения в другую точку области, в которой производится разведка.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один источник (1113) электромагнитного поля и/или, по меньшей мере, один приемник (1109) снабжены средствами (1105, 1112) переноса, по меньшей мере, выборки собранных данных в центральный процессор.

12. Устройство по любому из пп.6-11, отличающееся тем, что на морском дне (1103), в одном или более местах, соответствующих геомагнитным вариациям, установлены датчики (141) для измерения трех компонент электрического поля и/или трех компонент магнитного поля.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к способу и устройству для картирования резервуаров (коллекторов) углеводородов, расположенных под морским дном, и, более конкретно, к использованию поперечно-магнитных (ТМ) волн (ТМ-мод), генерируемых источником электромагнитного поля для регистрации ТМ-отклика, измеряемого одним или более погруженных в воду приемниками. При осуществлении изобретения используется, по существу, вертикально ориентированный погруженный передатчик, генерирующий импульсы электрического тока с резкими границами, причем электромагнитное поле, генерируемое этими импульсами, измеряется погруженным и, по существу, вертикальным приемником во временных интервалах, когда подача тока на источник электромагнитного поля не производится. Расстояние между антенной источника электромагнитного поля и приемной антенной меньше, чем глубина целевого объекта.

Уровень техники

Сейсмология - это технология, широко применяемая для картирования областей, перспективных в отношении нефти. Сейсмические данные обеспечивают информацию о существовании, локализации и профиле углеводородной структуры, локализованной в осадочных породах.

Однако хотя сейсмическая съемка обеспечивает информацию о подобной структуре посредством измерения скорости упругих волн, чувствительной к механическим свойствам подповерхностных скальных пород, она дает мало данных о природе поровых флюидов, присутствующих в соответствующей структуре.

Публикации, характеризующие уровень техники, приведены в конце данного описания.

Для проверки присутствия углеводородов в форме нефти или газа производится бурение морских разведочных скважин. Однако связанные с этим расходы весьма высоки, причем нет гарантии, что в разведываемой структуре будут обнаружены углеводороды. В подобных ситуациях важная дополнительная информация о содержимом резервуара может быть получена с помощью электромагнитных (ЭМ) методов.

Типичную и простейшую геоэлектрическую модель оффшорной осадочной структуры, содержащей резервуар углеводородов, можно представить в виде обладающих электропроводностью полупространств с типичным значением удельного сопротивления, составляющим 1-2 Ом·м, тогда как удельное сопротивление инкапсулированного тонкого резистивного слоя (толщиной 10-100 м), содержащего нефть или газ, составляет 20-100 Ом·м. Типичная глубина залегания резистивного слоя составляет 500-5000 м. Над осадочными породами находится морская вода, сопротивление которой составляет 0,25-0,3 Ом·м, а также воздух, который является непроводящим. Более высокое удельное сопротивление резервуаров, содержащих углеводороды, используется во всех электромагнитных методах разведки на углеводороды в качестве главного индикатора присутствия нефти и газа.

Магнитотеллурическая (МТ) разведка - это хорошо известный метод, получивший широкое применение в наземных условиях в качестве одного из ЭМ-методов. Иногда МТ-метод используется и в морских приложениях. Данный метод основан на учете природных геомагнитных вариаций, возникающих в результате взаимодействия между солнечным ветром и основным геомагнитным полем.

Низкая чувствительность МТ-метода по отношению к резистивным углеводородным слоям объясняется свойствами МТ-поля. Магнитотеллурическое поле представляет собой плоскую волну, которая падает из атмосферы и распространяется вертикально сквозь Землю в форме поперечно-электрических полей (ТЕ-полей). Хорошо известно, что ТЕ-поле нечувствительно к тонкому горизонтальному резистивному слою, инкапсулированному в более электропроводной структуре (этот вопрос будет рассмотрен далее). Таким образом, МТ-метод имеет ограниченное применение для морской разведки на углеводороды с применением ЭМ-технологий.

В отличие от МТ-метода, методы на базе CSEM-метода (электромагнитного метода с управляемым источником - Controlled Source Electromagnetic Method) используют как ТЕ-поля (данный вариант иногда именуется индуктивным режимом), так и ТМ-поля (данный вариант иногда именуется гальваническим режимом). CSEM-методы наиболее часто используются в морской ЭМ-разведке, поскольку они более чувствительны к тонкому инкапсулированному резистивному слою. В зависимости от типов передатчика и приемника применяются различные варианты (конфигурации) CSEM-метода. Далее для обозначения источника и детектора электромагнитных полей будут использоваться термины "передатчик" и "приемник". Некоторые из известных вариантов CSEM-метода будут рассмотрены далее.

Наиболее широко применяемые CSEM-системы содержат передатчик в виде горизонтального кабеля, по которому проходит сильный электрический ток. Кабель находится на морском дне или вблизи него, а горизонтальные электрические приемники устанавливаются на морском дне или вблизи него на различных расстояниях от передатчика. Подобные системы могут постоянно находиться на морском дне в течение периода измерений или могут буксироваться за судном. В некоторых вариантах эти системы дополняются измерением магнитных компонент ЭМ-поля. Указанные системы используют передатчик, способный сформировать сильный переменный ток в подводном кабеле, и комплект приемников, осуществляющих измерения электромагнитных полей в частотной или временной области.

Самой важной характеристикой описанных систем является необходимость большого расстояния между передатчиком и приемниками, в 5-10 раз превышающего глубину целевого объекта, т.е. равного 5-10 км. Только при таком условии возможно подавление экранирующего эффекта морской воды и получение удовлетворительного сигнала.

Кроме того, как будет показано далее, ни один из вариантов использования CSEM-метода не способен обеспечить разрешение, необходимое для обнаружения и исследования целевых зон, содержащих углеводороды, инкапсулированные на глубинах более 3000 м, или в случаях недостаточной толщины и недостаточно высокого удельного сопротивления слоя углеводородов. Данное ограничение является главным недостатком, присущим всем предыдущим изобретениям, основанным на CSEM-методе.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в устранении или ослаблении, по меньшей мере, одного из недостатков, присущего уровню техники.

Данная задача решена благодаря использованию признаков, раскрытых далее в описании и в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение обеспечивает реализацию новой системы с использованием способа и устройства для электромагнитной разведки с целью локализации резервуара, исследования его геометрии и определения, содержатся ли в нем углеводороды или вода. Способ по изобретению может использоваться и в случаях, когда соответствующая область и ее геометрия уже были определены по сейсмическим или иным данным.

Другие задачи, решаемые изобретением, состоят в регистрации резервуаров на глубинах, превышающих 3000 м, в повышении разрешения в результатах электромагнитного метода поиска целевых объектов, содержащих углеводороды, и в повышении эффективности разведки. Для решения названных задач предлагается использовать электромагнитные поля только в гальваническом режиме (в режиме ТМ-волн), который обладает максимальной чувствительностью по отношению к резистивным объектам, инкапсулированным в более электропроводном слое. Преимущества изобретения иллюстрируются приводимыми далее примерами.

В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается новый способ обнаружения резервуара и определения его природы. Способ по изобретению состоит в возбуждении и измерении электромагнитных полей только в виде поперечно-магнитных (ТМ) полей, возбуждаемых в слоях под морским дном, в обработке данных и в их анализе с целью определения электрических свойств разреза и удельного сопротивления слоя, содержащего резервуар, и тем самым определения природы этого резервуара. Более конкретно, предлагается способ электромагнитной разведки электрически резистивных целевых объектов, потенциально содержащих углеводороды. Способ по изобретению характеризуется тем, что включает определение электрических характеристик слоя, подлежащего изучению, при использовании магнитно-поперечных (ТМ) волн, формируемых посредством, по меньшей мере, одного источника электромагнитного поля, и регистрации ТМ-отклика, путем:

- генерирования импульсов тока с резкими границами посредством, по меньшей мере, одного источника электромагнитного поля;

- переноса указанных импульсов на погруженную, по существу, вертикальную передающую антенну и передачи их в слои;

- приема откликов среды во временных интервалах между подачей последовательных импульсов тока, по меньшей мере, одним приемником, установленным в зоне индукции и снабженным, по меньшей мере, одной погруженной, по существу, вертикальной приемной антенной; и

- измерения откликов слоев в зоне индукции, в которой горизонтальное расстояние R между, по меньшей мере, одной передающей антенной и, по меньшей мере, одним приемником выбрано из условия 0 R (t _a(t)/µ₀)^1/2, где t - временная задержка, измеряемая с момента отключения источника электромагнитного поля, µ₀=4 10^-7 Гн/м, a _a(t) - кажущееся удельное сопротивление подслоя, который в течение времени t демонстрирует такой же отклик, что и исследуемый разрез.

Таким образом, согласно изобретению предлагается использовать удлиненный, по существу, вертикально ориентированный источник электромагнитного поля (именуемый также передатчиком), чтобы возбуждать электромагнитные поля только в виде ТМ-волн, содержащий, по меньшей мере, пару расположенных друг над другом передающих электродов, на которые по изолированным кабелям подается сильный ток от источника мощности. Через эти электроды ток может распространяться в окружающую воду. Подобный передатчик возбуждает в горизонтально однородных стратифицированных структурах электромагнитные поля только в виде ТМ-волн.

Изобретением предусмотрено также использование одного или более погруженных, по существу, вертикально ориентированных удлиненных приемников, содержащих средства, способные регистрировать разность потенциалов на длине приемника для измерения вторичного поля в виде ТМ-волн. Приемник предпочтительно снабжен, по меньшей мере, одной парой приемных электродов, расположенных друг над другом. Чтобы повысить эффективность разведки, для проведения измерений (предпочтительно синхронных) предпочтительно используется несколько приемников.

Импульсы тока предпочтительно подают в последовательности, которая является некогерентной относительно присутствующего шума, а отклики, измеряемые, по меньшей мере, одним приемником, накапливают для получения отношения сигнал/шум, достаточного для обнаружения целевого объекта.

Дополнительное снижение шума, присутствующего в сигнале, может быть обеспечено обработкой, с привязкой во времени, геомагнитных данных и данных об импульсах тока, а также данных о давлении воды, собранных в непосредственной близости от приемной антенны и по меньшей мере, одного приемника, и сравнением указанных данных с указанными данными об импульсах тока. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, часть собранных данных переносят в центральный процессор и анализируют в реальном времени.

По меньшей мере, один источник электромагнитного поля и, по меньшей мере, один приемник предпочтительно являются стационарными на время регистрации данных, после чего их перемещают в другую точку в области, в которой производится разведка, для повторения в ней операций способа.

При этом решение продолжать измерения, изменить режим работы, изменить место измерений или извлечь одно или более средств генерирования сигналов (эти средства включают, в частности, указанные донные датчики, передающие электроды передающей антенны, а также приемники с приемными электродами приемной антенны) принимают по результатам оценки и/или полной или частичной интерпретации полученных данных.

Альтернативно, в процессе регистрации непрерывно перемещают, по меньшей мере, один источник электромагнитного поля и, по меньшей мере, один приемник по области, в которой производится разведка.

В любом из вариантов способа по изобретению два или более приемников одновременно и в различных точках области, в которой производится разведка, предпочтительно регистрируют вертикальную компоненту электромагнитного поля, индуцированную одним и тем же источником электромагнитного поля.

В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается устройство для электромагнитной разведки электрически резистивных целевых объектов, потенциально содержащих углеводороды, способное обнаружить резервуар и определить его природу. Устройство обеспечивает генерирование и измерение электромагнитных полей только в виде поперечно-магнитных (ТМ) полей, возбуждаемых в слоях под морским дном, с последующей обработкой данных с целью определения электрических свойств разреза и удельного сопротивления слоя, содержащего резервуар, и тем самым определения природы этого резервуара. Устройство по изобретению содержит:

погруженную, по существу, вертикальную передающую антенну, действующую в качестве источника ТМ-волн электромагнитного поля;

источник мощности, обеспечивающий подачу электрической мощности, и генератор управляемых импульсов, выполненный с возможностью подачи последовательности квадратных импульсов с длительностью 0,01-100 с, амплитудой 0,1-10000 А и резкими границами на передающие электроды источника электромагнитного поля;

по меньшей мере, один приемник, установленный в зоне индукции и снабженный, по меньшей мере, одной погруженной, по существу, вертикальной приемной антенной, при этом приемник выполнен с возможностью регистрировать вертикальное электромагнитное поле во временных интервалах между последовательными импульсами тока.

Передатчик генерирует импульсные электромагнитные поля с четко определенными временными границами и с временными интервалами, в которые подача мощности не производится. При этом формируемые передатчиком импульсы должны иметь максимально короткую длительность нарастания от исходного уровня до требуемого максимального значения, максимальную стабильность вблизи максимального уровня, а также, по возможности, максимально короткую длительность возвращения к исходному уровню. Благодаря этому обеспечивается опорный уровень для сигнала, принимаемого приемником, т.е. импульсы передатчика создают основу для обработки и интерпретации сигналов, поступающих от исследуемой структуры. Приемник осуществляет измерение индуцированного электромагнитного поля в отсутствие первичного поля.

В частности, передатчик может генерировать специальную последовательность квадратных импульсов для того, чтобы подавить внешний шум благодаря тому, что указанная последовательность является некогерентной относительно шума. Затем измеренные отклики суммируются и рассчитывается среднее значение.

По существу, вертикальная передающая антенна передатчика предпочтительно выполнена обеспечивающей возможность регистрировать вертикальное электромагнитное поле во временных интервалах между последовательными импульсами тока. При этом, по меньшей мере, один источник электромагнитного поля и, по меньшей мере, один приемник могут быть выполнены с возможностью управляемого или автономного перемещения во время проведения измерений, производимого непрерывно или последовательно.

В непосредственной близости от верхнего и нижнего концевых участков приемной антенны могут быть установлены акустические датчики и/или датчики давления (чтобы понизить уровень шума в CSEM-измерениях, обусловленного волнением на море). Кроме того, с целью понизить уровень МТ-шума в CSEM-измерениях, предпочтительно используются одна или более стационарных морских автономных донных станций, осуществляющих мониторинг вариаций магнитотеллурического поля на морском дне. Другими словами, в одном или более местах, соответствующих геомагнитным вариациям, могут быть установлены датчики для измерения трех компонент электрического поля и/или трех компонент магнитного поля.

По меньшей мере, один источник электромагнитного поля и/или, по меньшей мере, один приемник снабжены средствами переноса, по меньшей мере, выборки собранных данных в центральный процессор.

Изобретением предусмотрено также использование одного или более погруженных, по существу, вертикально ориентированных удлиненных приемников, содержащих средства, способные регистрировать разность потенциалов на длине приемника для измерения вторичного поля в виде ТМ-волн. Приемник предпочтительно снабжен, по меньшей мере, одной парой приемных электродов, расположенных друг над другом.

Чтобы улучшить разрешение и однозначность структуры разреза, на стадиях планирования, преобразования, обращения, анализа и интерпретации данных используется вся имеющаяся (доступная) геологическая и геофизическая информация. Другими словами, все стадии разведки, включая ее планирование, анализ данных, анализ влияния береговой линии, локального рельефа морского дна, неоднородности осадочных слоев и резервуаров, содержащих нефть и т.д., включают, в значительном объеме, моделирование в 1, 2, 2¹/ ₂ или в 3 измерениях. Более конкретно, согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ отображения слоев (в частности, слоя Т(х, у) и (х, у, z)) в 1, 2, 2¹/₂ или в 3 измерениях, который включает операцию комбинирования кажущегося удельного сопротивления с кажущейся глубиной в разрезе, рассчитанными для всех точек регистрации на базе измеренного вертикального электрического поля в зоне индукции, возбуждаемого вертикальным источником электромагнитного поля с использованием задержанного отклика в однородном полупространстве, вызванного сигналом передающей антенны вертикального источника электромагнитного поля.

Краткое описание чертежей

Основные идеи, положенные в основу изобретения, его преимущества и недостатки известных решений, используемых в морской электромагнитной разведке на углеводороды, станут ясны из дальнейшего описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 представлены полученные МТ-методом кривые кажущегося удельного сопротивления у поверхности моря для типичной модели слоев при наличии и отсутствии тонкого резистивного целевого слоя.

На фиг.2 показаны МТ-кривые для кажущегося удельного сопротивления у морского дна применительно к типичной модели слоев при наличии и при отсутствии тонкого резистивного целевого слоя.

На фиг.3 представлены МТ-кривые для фазы у поверхности моря применительно к типичной модели слоев при наличии и при отсутствии тонкого резистивного целевого слоя.

На фиг.4 показаны МТ-кривые для фазы у морского дна применительно к типичной модели слоев при наличии и при отсутствии тонкого резистивного целевого слоя.

На фиг.5 представлены схемы для типичных CSEM-систем, применяемых в морской ЭМ-разведке.

На фиг.6 показано разрешение для кривых напряжения применительно к системам PxEx(f)- и PxEx(t) в частотной (f=0,1 Гц) и временной областях.

На фиг.7 показано разрешение для кривых кажущегося удельного сопротивления для систем PxEx(f)- и PxEx(t) в частотной (f=0,1 Гц) и временной областях.

На фиг.8 представлена диаграмма волн, вызываемых импульсами тока, в различных точках системы.

На фиг.9 иллюстрируется разрешение кривых кажущегося удельного сопротивления применительно к системе по изобретению для электромагнитной оффшорной разведки.

На фиг.10 иллюстрируется разрешение кривых напряжения применительно к системе по изобретению для электромагнитной оффшорной разведки.

На фиг.11 схематично иллюстрируется положение передатчика и приемников в системе по изобретению для электромагнитной оффшорной разведки.

На фиг.12 представлена схематичная блок-схема источника питания.

На фиг.13 представлена схематичная блок-схема приемника.

На фиг.14 схематично, на виде сверху, показано взаимное расположение передатчика и приемников применительно к системе по изобретению для электромагнитной оффшорной разведки.

Осуществление изобретения

Хорошо известный метод магнитотеллурической (МТ) разведки широко используется в наземной электромагнитной разведке и реже в разведке оффшорных областей. Результаты МТ-разведки обычно представляются в форме кривых кажущегося удельного сопротивления ( _а) и фазы импеданса.

На фиг.1-4, иллюстрирующих разрешение МТ-метода, приведены кривые кажущегося удельного сопротивления и фазы импеданса применительно к двум базовым моделям слоев:

1) h₁=1 км, ₁=0,3 Ом·м, h₂=1 км, ₂=1 Ом·м, h₃=40 м, ₃=1 Ом·м, ₄=1 Ом·м;

2) h₁ =1 км, ₁=0,3 Ом·м, h₂=1 км, ₂=1 Ом·м, h₃=40 м, ₃=50 Ом·м, ₄=1 Ом·м.

Первая и вторая модели описывают разрезы без резистивного целевого слоя (так называемая "модель сравнения") и с тонким резистивным слоем (h₃=40 м, ₃=50 Ом·м) и с модулируемым углеводородным содержимым соответственно. Удельные сопротивления морской воды и осадочных пород принимаются равными 0,3 Ом·м и 1 Ом·м соответственно. Пунктирные и сплошные линии относятся к разрезам, не содержащим и содержащим углеводороды соответственно.

На фиг.1 и 3 приведены кривые кажущегося удельного сопротивления и фазы импеданса для поверхности моря применительно к описанным моделям. Как можно видеть, влияние углеводородного слоя настолько слабое (менее 1%), что его трудно детектировать при наличии фонового шума. Разрешение МТ-кривых может быть улучшено за счет проведения МТ-измерений на морском дне. На фиг.2 и 4 приведены кривые, представляющие кажущееся удельное сопротивление и фазу импеданса для тех же моделей, полученные на морском дне. Видно, что эти МТ-кривые более чувствительны к резистивному целевому объекту (влияние которого составляет порядка 3%), однако, их разрешение остается довольно низким. Кроме того, первичное ЭМ-поле в этом случае будет экранироваться электропроводной морской водой, так что точность при построении экспериментальных МТ-кривых на морском дне будет значительно ниже, чем на поверхности моря.

В течение нескольких десятилетий велась разработка систем, основанных на методах, включающих использование электромагнитных источников (CSEM-методов) для морских применений. Наиболее популярные системы, которые применимы для морской разведки, схематично иллюстрируются фиг.5 (см. Cheesman et al., 1987). Обозначения Тх и Rx соответствуют передатчику и приемнику. В каждой строке слева первая и вторая буквы характеризуют электрическое (Е) или магнитное (Н) поле, возбуждаемое передатчиком, а третья и четвертая буквы - электрическое (Е) или магнитное (Н) поле, измеряемое приемником. Иногда используется также вариант EzH , где z и соотносятся с вертикальным и азимутальным компонентами магнитного поля соответственно (см. Edwards et al., 1985). Однако такая система непригодна для разведки на больших глубинах. Подробный обзор CSEM-методов, а также МТ-методов приведен в Chave et al., 1991.

Фиг.6 и 7 иллюстрируют разрешение самой популярной схемы ЕхЕх для CSEM-метода в частотной и временной областях (см. Eidesmo et al., 2002; MacGregor et al., 2004; Johansen et al., 2005 и др.). Модели разрезов, использованные при вычислениях, соответствуют моделям 1 и 2, использованным при МТ-моделировании. Очевидно, что данный вариант CSEM-метода имеет существенно лучшее разрешение по сравнению с МТ-методом: 25% и 15% для частотной и временной областей соответственно. Однако, как можно видеть из фиг.6, измеренный сигнал является очень малым (он может составлять малые доли микровольта), когда ток в линии, используемой в передатчике, достигает 1000 А, а размер передающей антенны составляет несколько сотен метров. При столь малых сигналах шум, генерируемый естественными и искусственными источниками, вызывает серьезные проблемы при анализе и интерпретации данных разведки. Когда удельное сопротивление слоя углеводородов в поперечном направлении недостаточно высокое, существующие CSEM-методы либо не дают никаких результатов, либо дают неоднозначные или ошибочные результаты.

Новый способ согласно настоящему изобретению отличается от всех известных методов тем, что обладает повышенными чувствительностью и разрешением применительно к тонкому резистивному слою, обнаружение которого является четким указанием на присутствие целевых объектов, содержащих углеводороды. При этом данный способ в сочетании с предлагаемым устройством обеспечивает более высокую эффективность разведки.

Во-первых, согласно изобретению как для возбуждения первичного электромагнитного поля, генерируемого передатчиком, так и при измерениях посредством приемника используются только ТМ-волны. Данное условие обеспечивается использованием длинной погруженной и установленной, по существу, вертикально антенны источника электромагнитного поля (передающей антенны 1108), например в форме двух вертикальных пространственно разделенных передающих электродов (фиг.11) передатчика, расположенных друг над другом (далее данная антенна именуется также передающей линией). Передающие электроды подсоединены к источнику мощности посредством соответствующих кабелей, причем один из этих электродов действует как анод, а другой - как катод. На передающую антенну подаются квадратные импульсы для возбуждения ЭМ-полей в слоях. Данное условие обеспечивается также использованием длинной погруженной и установленной, по существу, вертикально приемной антенны (именуемой также приемной линией), например, в форме двух вертикальных пространственно разделенных приемных электродов, расположенных друг над другом с целью измерения посредством приемника возможных различий в вертикальных компонентах электрического поля в этих слоях. Напряженность поля, формируемого передатчиком, определяется амплитудой токовых импульсов (измеряемой в амперах) и расстоянием между электродами передатчика. В горизонтально однородном разрезе описанный источник будет возбуждать только ЭМ-поля с ТМ-волнами. ТЕ-волны, которые нечувствительны к тонким резистивным слоям в разрезах, полностью отсутствуют и не снижают уровень сигнала.

При этом импульсы тока, подаваемые на кабель передатчика, имеют форму, показанную на фиг.8 (график 81). Следует отметить, что форма реального сигнала (график 82) отличается от идеальной формы, соответствующей графику 81, вследствие технических ограничений реальной системы. Измерения во временной области посредством приемного кабеля выполняются только, когда подача тока к передатчику не производится. Такая схема обеспечивает измерение только ЭМ-поля, индуцируемого в слоях затухающими токами из фоновой области в отсутствие тока передатчика, т.е. когда полезный сигнал не маскируется первичным полем.

Далее, расстояние (смещение) R между передатчиком и приемником выбирается меньшим, чем глубина разведки, т.е. выполняется условие 0 R (t _a(t)/µ₀)^1/2. Выбор данного расстояния, известного, как "зона индукции", существенно улучшает характеристики способа, поскольку позволяет производить измерения передаточной функции при малых расстояниях, на которых сигнал достаточно велик, чтобы обеспечить приемлемое отношение сигнал/шум.

Для краткости способ и устройство согласно изобретению далее обозначаются, как "ИЭМП-ВЭЛ" (Импульсная Электромагнитная Морская Разведка с Вертикальными Электрическими Линиями).

Фиг.9 (на которой представлено кажущееся удельное сопротивление) и фиг.10 (на которой представлено напряжение) иллюстрируют разрешение способа ИЭМП-ВЭЛ применительно к вышеописанной модели, которая не содержит резистивного слоя углеводородов (кривая 96). Расчеты выполнены для различных глубин залегания резистивного слоя углеводородов, равных 1, 2, 3, 4, 5 и км (кривые 91, 92, 93, 94, 95 и 96 соответственно). Расстояние R для всех кривых равно 500 м. Напряжение U(n), показанное на фиг.10, было нормализовано по длине обоих электродов в расчете на длину 1 м и силу тока 1 А.

Можно видеть, что положение левой ветви 90 указанных кривых определяется толщиной слоя и удельным сопротивлением морской воды, а также длиной и геометрией кабеля, по которому подается ток. Целевой объект разрешается даже на глубине 5000 м.

Проблема заключается в том, как организовать измерения в условиях слабого сигнала, т.е. в ситуациях, когда целевой объект расположен на большой глубине и имеет невысокое удельное сопротивление. В ИЭМР-ВЭЛ существуют четыре параметра, которые можно использовать для повышения амплитуды сигнала: длина передающей линии, амплитуда тока передатчика, длина приемной линии и расстояние R. В реальных ситуациях подбор указанных параметров позволит обеспечить уровень сигнала в интервале от сотен нановольт до десятков микровольт.

Измеренный сигнал затем преобразуется с применением различных методов, которые будут рассмотрены далее, в удельное сопротивление как функцию глубины.

Описанный выше способ ИЭМР-ВЭЛ осуществляется с помощью устройства ИЭМР-ВЭЛ.

На фиг.11 схематично представлено сечение слоя морской воды 1102. Поверхность воды и дно обозначены соответственно как 1101 и 1103. Судно 1104 снабжено источником 1113 электромагнитного поля, который именуется также передатчиком. Один или более приемников 1109 установлены на заданном расстоянии (заданных расстояниях) от судна 1104.

В процессе измерений судно 1104 и приемник (приемники) 1109 занимают стационарные положения на период времени, необходимый для сбора данных с качеством, обеспечивающим получение требуемого отношения сигнал/шум. При получении подтверждения того, что качество данных приемлемо для дальнейшей обработки, судно 1104 изменяет свое положение вместе с набором приемников 1109. Описанная процедура соответствует первичной разведке.

В отдельных случаях, когда разведка производится вдоль профилей и нет необходимости в накоплении данных (например, если глубина слоя углеводородов достаточно мала), способ по изобретению может быть модифицирован, т.е. он может включать медленное движение судна 1104 с передатчиком 1113 и с буксируемыми за ним приемниками 1109.

Судно 1104 оснащено коммуникационной антенной 1105 для целей связи, а также источником 121 мощности (генератором) - см. фиг.12. Сильный ток, генерируемый источником 121 мощности, течет по кабелям 1107 и передающим электродам 1108а, 1108b, которые находятся на различных глубинах в морской воде 1102 и формируют передающую антенну 1108. Момент Pz мощности передатчика 1113 равен L _тr×I, где L_тr - вертикальное расстояние между передающими электродами 1108а, 1108b, а I - сила тока. Чем больше Pz, тем лучше, поскольку данный момент оказывает очень большое влияние на уровень регистрируемого сигнала.

Важным фактором является также конструкция приемников 1109. Вертикальная компонента электромагнитных полей, индуцируемых в слоях током, подаваемым на передатчик 1113, измеряется одной или более, по существу, вертикальной приемной антенной (вертикальными приемными антеннами) 1111 приемника, которая (каждая из которых) образована, по меньшей мере, одной парой приемных электродов 1111а, 1111b, подключенных к приемнику 1109 кабелями 1110 (фиг.13). Вертикальные расстояния между приемными электродами 1111а, 1111b далее обозначаются, как L_Rc. Полезный сигнал Vz равен L_Rc×Ez, где Ez - электрическая компонента принятого сигнала в направлении z. Уровень измеренного сигнала пропорционален L⁴, если передающая и приемная линии имеют одинаковые длины L, равные глубине моря. Таким образом, общие условия реализации системы ИЭМР-ВЭЛ весьма благоприятны для случая, когда резервуар находится на большой глубине, а значения L_Tr и L_Rc составляют 500-1000 м при I=1-5 кА.

Для точного определения положений электродов 1108а, 1108b, 1111а, 1111b они снабжены установленными в непосредственной близости от верхнего и нижнего концевых участков 1111с, 1111d приемной антенны 1111 акустическими датчиками, а также датчиками давления (не изображены). Очевидно, не представляется возможным установить передающие и приемные электроды 1108а, 1108b и 1111а, 1111b соответственно абсолютно вертикально друг над другом. Кроме того, судно 1104 во время измерений слегка перемещается под действием ветра и течений. В связи с этим, регистрируются действительные положения передающих электродов 1108а, 1108b и рассчитываются данные, необходимые для коррекции, которые учитываются при обработке и интерпретации результатов измерений. Данные от датчиков давлений используются для того, чтобы понизить уровень ЭМ-шумов, обусловленных волнением на поверхности моря.

Связь между судном 1104 и всеми приемниками 1109 осуществляется посредством коммуникационных антенн 1105, 1112 и коммуникационных блоков, описываемых далее.

На фиг.12 представлена блок-схема передатчика 1113. Генератор 121 мощности генерирует переменный ток, который преобразуется генератором 122 импульсов в последовательность квадратных импульсов тока, подобных изображенным на фиг.8. Длительности интервалов протекания тока и его отсутствия составляют 0,01-100 с.

В реальных условиях последовательности импульсов задаются контроллером 123 таким образом, чтобы подавить шумы. Отсутствие когерентности между импульсами и шумом устанавливается в фазе ожидания, когда ток через передатчик не подается. Контроллер 123 передатчика управляет генератором 121 мощности, генератором 122 импульсов, подачей импульсов на передающие электроды 1108а, 1108b, калибровкой системы и процессом сбора данных. Он также осуществляет управление системой в целом в реальном времени и выполняет другие функции. Кабели 1107 завершаются передающими электродами 1108а, 1108b, которые способны передавать импульсы тока морской воде и сохранять стабильное положение при погружении их в воду 1102.

Основным методом проведения разведки по способу ИЭМР-ВЭЛ является "стационарная регистрация", когда судно 1104 и приемники 1109 находятся в стационарных положениях на время, необходимое для получения результатов измерений требуемого качества. Коммуникационный блок 124 обеспечивает связь между передатчиком 1113 и всеми приемниками 1109 через коммуникационную антенну 1105, т.е. участвует в процессе сбора данных в течение всего процесса разведки.

Периодически в процессе регистрации осуществляется калибровка системы. Время от времени оператор по результатам проверки данных определяет (с небольшой временной задержкой) левую ветвь 90 кривой кажущегося удельного сопротивления и сравнивает ее с теоретическим расчетным откликом для используемой реальной геометрии системы ИЭМР-ВЭЛ и электропроводности морской воды, которую он затем сравнивает с реальным значением этой электропроводности, определенной в реальных условиях с учетом температуры, солености и давления.

На фиг.13 приведена блок-схема приемника 1109, показанного на фиг.11. Индуцированное электрическое поле измеряется приемными антеннами, образованными приемными кабелями 1110, которые завершаются неполяризованными приемными электродами 1111a, 1111b. После усиления посредством малошумящего усилителя 132 сигнал преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 133 и передается с помощью блока 134 управления приемником, коммуникационного блока 136 и коммуникационной антенны 1112 на судно 1104 для полной обработки и последующего анализа.

Блок 134 управления приемником модифицирует схему сбора данных в соответствии с командами от судна 1104, на котором находится главный центр управления процессом разведки. Сигналы могут передаваться также на наземный центр управления, где могут приниматься соответствующие решения.

Стратегия полевых исследований разрабатывается на основе информации об области, в которой должна производиться разведка, собранной на основе геологических и геофизических данных. Проводится моделирование электромагнитной ситуации в 1, 2, 2 ¹/₂ или в 3 измерениях с последующей оценкой ожидаемых сигналов от системы ИЭМР-ВЭЛ. С учетом этих сигналов и требуемого разрешения в вертикальном и горизонтальном направлениях разрабатываются оптимальные схемы размещения установки и проведения измерений.

Одна из возможных схем измерений представлена на фиг.14. Вся область, подлежащая разведке, разбита на участки. Судно 1104, несущее передатчик 1113, устанавливается неподвижно в центре каждого участка. Комплекты приемников 1109 развертываются вокруг судна 1004 на расстоянии, удовлетворяющем условию зоны индукции. Кроме того, в этой же области размещается независимая сеть магнитотеллурических станций 141. Эти станции используются для снижения уровня любых шумов, обусловленных геомагнитными вариациями. Длительность измерений на каждом участке определяется многими факторами, включающими характеристики участка, силу тока, глубину океана, длину передающей и приемной антенн 1108, 1111, шумами и т.д. В процессе измерений осуществляется синхронное или асинхронное накопление данных. После оценки качества данных судно 1104 и все комплекты приемников 1109 размещаются в другом месте.

После проведения предварительной обработки и анализа собранные данные преобразуются в профили напряжения или в зависимости кажущегося удельного сопротивления от времени или глубины в форме градиентов по разрезу. Альтернативно, данные преобразуются в зависимости удельного сопротивления от глубины в форме стратифицированных структур. В тех случаях, когда влияния на структуру электромагнитного поля со стороны неоднородностей в поперечном направлении не являются существенными, инверсия осуществляется в рамках одномерных моделей. В остальных случаях инверсия и интерпретация данных осуществляются с использованием моделей в 2, 2¹/₂ или 3 измерениях.