способ поиска месторождения жидких углеводородов и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ поиска месторождения жидких углеводородов, заключающийся в том, что исходящие из земных недр сейсмические волны регистрируют и преобразуют в электрические сигналы, по характеру которых судят о наличии в недрах залежи нефти, отличающийся тем, что генерируемые под воздействием земных приливов нефтяным пластом сейсмические ультразвуковые волны, принятые корневой системой и переданные по капиллярам древесной растительности, регистрируют и преобразуют в радиосигналы, которые по радиочастотному каналу спутниковой связи направляют для обработки и интерпретации, при этом по параметрам радиосигналов во время максимумов и в отсутствие земных приливов прогнозируют наличие и характер площадного распространения нефтяной залежи и пространственное распределение в ней жидких углеводородов.

2. Устройство для реализации способа поиска месторождения жидких углеводородов, включающее преобразователь сейсмических колебаний в электрические сигналы, отличающееся тем, что пьезоэлектрический преобразователь ультразвуковых волн соединен с телеметрическим модулем, имеющим выход на излучатель радиосигналов, при этом чувствительный элемент пьезоэлектрического преобразователя установлен на срезе ствола дерева и непосредственно контактирует с его капиллярами.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые изобретения относятся к области сейсморазведки, а именно к способам и техническим средствам невзрывной или вибросейсмической разведки, и могут найти применение при поиске других жидких полезных ископаемых, например воды.

Известен ультразвуковой способ разведки угольных пластов [1]. Он заключается в том, что ультразвуковые колебания частотой 50 кГц, возбужденные в излучателе, через концентратор передаются в исследуемую горную породу в виде сферических продольных и круговых поверхностных волн. Достигая приемника, они возбуждают в нем колебания и в обмотке приемника наводится ЭДС. Интенсивность колебаний, достигших приемника при неизменном расстоянии между ним и излучателем, зависит от упругих характеристик и физического состояния среды. По величине электрического сигнала в приемнике судят об упругих свойствах горных пород, а следовательно, о наличии в недрах угольных пластов.

Устройство для реализации этого способа состоит из источника ультразвуковых волн частотой 50 кГц, концентратора, электромеханического преобразователя и приборов для регистрации параметров электрического тока [1]. В настоящее время для разведки угольных пластов используют ультразвуковые сейсмоскопы УЗЛ-2, ИПА-59, УЗС-2-60, ЛС-1, ЛС-2 и др.

Известен вибрационный способ сейсморазведки нефтегазовых месторождений [2, 3]. Способ состоит в том, что в скважине или на поверхности исследуемой нефтегазовой площади возбуждают упругие колебания частотой 10¹-510² Гц, т. е. сейсмические волны звукового диапазона. Длительность следования виброимпульсов составляет 8-10 с. На некотором удалении от источника колебаний располагают приемные устройства для регистрации отраженных и преломленных волн, приходящих из земных недр. Эти волны регистрируются и расшифровываются, на основании чего делается вывод о наличии в недрах нефтегазоносной залежи.

В комплект технических средств вибрационного способа сейсморазведки входит источник упругих колебаний, регистрирующая аппаратура, оснащенная синхронным накопителем и коррелятором сигналов, а также устройства для управления и контроля за работой технических средств. При этом скважинные источники колебаний представляют собой пневматические, механические или электродинамические устройства.

Вибрационная сейсморазведка успешно применяется для выявления нефтегазоносных структур на глубине до 2.5 км.

Недостатками существующих способов сейсморазведки нефтяных месторождений, в том числе и вибросейсмических способов, являются:

- трудность, а зачастую и невозможность использования в условиях таежно-болотистой местности, в особенности в теплое время года,

- сложность аппаратуры и громоздкость оборудования для проведения сейсморазведочных работ,

- сложность обработки и интерпретации результатов сейсмических исследований и в этой связи большая вероятность получения недостоверных данных о наличии в недрах нефтяной залежи и площадном ее распределении.

В этой связи поставлена задача - используя природные факторы и научно-технические достижения, расширить территориально и по времени область применения сейсмического способа разведки нефтяных месторождений, усовершенствовать технологию и технические средства его проведения, упростить обработку и расшифровку данных сейсморазведочных работ и повысить достоверность результатов сейсмических исследований.

При выполнении поставленной задачи во внимание были приняты нижеприведенные известные физические эффекты, явления и свойства материального мира, краткая сущность которых изложена в порядке осуществления предложенных технических решений.

1. В конце XIX века итальянский исследователь Оддон наблюдал неизвестное ранее явление [4]. При деформации поверхностных слоев земной коры под воздействием землетрясения в капиллярных стеклянных сосудах, контактирующих с почвой, происходили значительные колебания уровня воды. При этом, чем сильнее был подземный удар, тем на большую высоту поднимался столбик жидкости в капилляре.

Отсюда можно сделать предположение, что колебания в недрах земной коры сопровождаются динамическим перемещением воды, а равным образом и других жидкостей, находящихся в слоях коры, по капиллярам, микротрещинам и зонам фильтрации, повсеместно распространенных в массивах горных пород.

2. В 1983 г. в СССР было зарегистрировано открытие "Явление глобально проявляющихся быстропротекающих пульсационных изменений в гидросфере [5]. Сущность открытия заключается в следующем. При воздействии на земную кору возмущающего импульса в слоях горных пород образуются поля напряжения. Эти поля напряжений при определенных условиях перерастают в особый вид полей деформаций, получивших название "гидрогеодеформационного поля" или ГГД - поля. Это новый вид геофизического поля, отражающий смену напряженно-деформированного состояния литосферных блоков в гидросфере. Элементарными ячейками ГГД - поля Земли являются короткоживущие структуры деформации, периодически возникающие и выражающиеся в массивах горных пород, охватывающие значительные участки пространства как по площади, так и по глубине литосферы. При этом области сжатия в массивах пород быстро замещаются областями расширения, т.е. ГГД - поле приобретает мерцательный характер. Колебания земных слоев литосферы сопровождаются изменением гидродинамических параметров пластов, что в свою очередь вызывает динамическое перемещение жидкости в слоях горные пород и между слоями.

Таким образом, под воздействием возмущающего импульса в пластах земной коры происходит не только деформация горных пород, но и динамические колебания жидкости, находящейся в этих пластах, и выражающиеся в перетоке жидкости в пластах и между пластами в динамическом режиме.

3. Такими возмущающими импульсами могут служить не только сейсмические удары, но и гравитационные силы, возникающие при гравитационном воздействии на Землю Луны и Солнца, и известными под названием "земные приливы" [4, 6, 7] . Явление земных приливов проявляется в том, что участки Земли, находящиеся в зоне гравитационного воздействия, испытывают силы притяжения к небесным светилам. Если участок притяжения находится в морях и океанах, то в некоторых их акваториях образуются приливные волны высотой до 18 м. Так как земная кора является твердым телом, обладающим значительными упругими свойствами, то деформация ее поверхности невелика (до 0.5 м) и проявляется в виде наклонов земной поверхности, измеряемых специальными гравиметрами или наклономерами. Однако на жидкости, находящиеся в пластах земной коры, силы гравитации земных приливов оказывают существенное влияние, вызывая их динамическое перемещение в пластах и между ними. При колебаниях земной коры верхние ее слои, представляющие дренажную систему, качественно выполняют роль гидравлической системы. В этой системе перемещение жидкости в динамическом режиме происходит по узким, сообщающимся между собой капиллярам, микротрещинам, плоскостям дизъюнктивных дислокаций, имеющих переменное поперечное сечение. Это усиливает динамический режим перетока жидкости. Так как площади нефтеносных структур достигают многих сотен км², то объемы перемещаемой пластовой жидкости могут измеряться сотнями тысяч и миллионами м³.

Известно, что земная кора разделена дизъюнктивами на множество больших и малых блоков (горсты, грабены, взбросы, сбросы, сдвиги и т.п.). При земных приливах между этими блоками и в самих блоках возникают мощные механические напряжения, достигающие иногда громадных значений и обуславливающие процессы подготовки и разрешения землетрясений. В общем же плане приливные силы закачивают в земную кору сейсмическую энергию, которая проявляется в виде знакопеременных напряжений кручения и изгиба в режиме "сжатие - растяжение". При этом образуются сейсмические волны, инициирующие и стимулирующие миграцию жидкости в дренажной толще земной коры в динамическом режиме.

Установлено, что в приливном воздействии на земную кору доминируют по мощности полусуточные волны. Изменение амплитуды этой волны связано, в основном, с двухнедельным и месячным периодами. Это означает, что приемлемая достоверность исследований земных приливов обеспечивается геофизическими измерениями в течение месяца при условии, что эти измерения производятся через 12 часов, т. е. 2 раза в сутки. Естественно, что 2 раза в сутки должно регистрироваться и отсутствие приливных волн.

Следовательно, земные приливы вызывают миграцию в земной коре гигантских масс жидкости. Перемещение жидкости происходит в ярко выраженном динамическом режиме, обусловленном волновыми сейсмическими процессами в массивах горных пород, а также неоднородностью дренажных каналов - капилляров, микротрещин и т.п.

4. Общеизвестно явление кавитации в жидкости [8]. Кавитация - это нарушение сплошности внутри движущейся жидкости, т.е. образование в капельной жидкости полостей (пузырьков, каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного уменьшения давления ниже критического значения.

Особый интерес представляет так называемая гидродинамическая кавитация, которая возникает вследствие резкого увеличения местных скоростей в потоке движущейся жидкости. Сокращение (захлопывание) кавитационных пузырьков и каверн происходит с большой скоростью и сопровождается мощным гидравлическим импульсом (гидроударом). Спектр сейсмических волн, сопровождающих кавитацию, находится в пределах 10³-10⁹ Гц, т.е. в звуковом и ультразвуковом диапазонах. Гидродинамическая кавитация сопровождается акустической кавитацией, которая в определенных условиях (при резонансе) усиливает амплитуду колебаний вследствие гидродинамической кавитации, однако самостоятельно не вызывает мощных кавитационных ударных волн.

Известно также, что дренажная система нефтяных пластов и пластов других жидких полезных ископаемых состоит из множества капилляров, микротрещин и других дренажных каналов. Основная их особенность - переменное поперечное сечение. При динамическом перемещении пластовой жидкости по этим каналам скорость ее движения, а следовательно, и давление будет дискретно изменяться. Так как пластовая жидкость нефтяной залежи обогащена газами метанового ряда и неуглеводородными газами в растворенном и капельном состоянии, представляющими собой кавитационные зародыши, перемещение этой жидкости в пластах и между пластами сопровождается кавитационными явлениями. Эти кавитационные процессы, как уже указывалось выше, являются источником образования ультразвуковых волн. Так как нефтеносные структуры, как правило, занимают большие площади от нескольких десятков до сотен км², то при перемещении огромных масс пластовой жидкости под воздействием возмущающих импульсов, например земных приливов, нефтеносный пласт представляет собой гигантский генератор ультразвуковых волн.

Известно также, что ультразвук распространяется в газах, жидкостях и в твердых телах в виде механических колебаний [1]. Ультразвуковые волны легко поддаются фокусировке, направленному излучению и особенно эффективно передаются по капиллярам, заполненным жидкостью. Энергетическая особенность ультразвука - возможность передачи ультразвуковыми лучами значительной механической энергии. По этой причине ультразвуковые волны по капиллярам, микротрещинам и другим дренажным каналам, а также по массиву горных пород могут успешно достигать поверхности Земли.

Итак, земные приливы, вызывающие гидродинамические процессы в нефтяных пластах, инициируют образование и стимулируют канализацию ультразвуковых волн от нефтяных пластов к поверхности Земли.

5. В 1961 г. в СССР было сделано открытие ультразвукового капиллярного эффекта [9]. Явление заключается в том, что под влиянием ультразвуковых волн капиллярный эффект в капиллярных каналах древесной и травянистой растительности резко возрастает, т. е. увеличиваются скорость и высота подъема жидкости. Это достигается за счет сжатия и разрежения стоячих ультразвуковых волн в капиллярах растений.

Следовательно, ультразвуковые волны не только хорошо канализируются по капиллярным каналам растений, но и нагнетают в них жидкость, тем самым обеспечивая лучшие условия прохождения механических колебаний. Это позволяет сделать вывод о возможности использования растений, например деревьев, в качестве приемника ультразвуковых волн из недр Земли и канала передачи их к преобразователю механических колебаний в электрические сигналы.

Действительно, корневая система некоторых пород деревьев, пронзенная миллионами капиллярных сосудов, занимает порою площадь в несколько сотен м² и уходит вглубь на десятки метров. Выполняя роль приемной антенны, корневая система улавливает и передает ультразвуковые волны в капиллярные каналы ствола, где они из-за значительной разницы общей площади корневой системы и ствола дерева фокусируются и концентрируются. Далее по стволу ультразвуковые колебания канализируются к его вершине, на которой можно закрепить преобразователь механических колебаний в электрические сигналы. При этом происходят дальнейшая фокусировка и концентрация ультразвуковых волн вследствие существенной разницы в площади поперечного сечения основания дерева и его вершины.

Таким образом, природные конструкции - деревья могут являться надежным средством для приема и передачи ультразвуковых волн, исходящих из недр Земли.

6. Общеизвестны пьезоэлектрические преобразователи механических величин (давление, ускорение, напряжение и т.п.) в электрические величины [10]. В основу их конструкции заложен пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектричество - это электрическая поляризация, возникающая при механическом напряжении в пьезоматериалах - природных и синтетических кристаллах, пьезокерамике и т.п.

Пьезоэлектрические преобразователи, на наш взгляд, являются безальтернативными с точки зрения использования их в предлагаемых технических решениях. Это объясняется следующими причинами:

- преобразователи обладают высокой механической жесткостью,

- они воспринимают ничтожные по величине механические деформации, имеют широкую частоту пропускания в диапазоне ультразвуковых волн от 210⁴ до 510⁵ Гц,

- обладают способностью "стекания" электрических зарядов с поверхности преобразователя и генерировать сигналы постоянного тока,

- имеют малые размеры и обеспечивают получение достоверных данных в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Вышеизложенное убедительно свидетельствует о практической возможности, технической и экономической целесообразности реализации предлагаемых технических решений, заявляемых нами в качестве изобретений.

Путь решения поставленной задачи, а соответственно и сущность изобретений заключается в следующем. Сейсмические волны ультразвукового диапазона, генерируемые в нефтяном пласте посредством кавитационных явлений в процессе динамического перемещения пластовой жидкости под воздействием сил гравитации и сейсмических колебаний, инициируемых полями напряжений и деформаций в массивах горных пород, возникающих при земных приливах, устремляются к земной поверхности. Эти ультразвуковые волны воспринимаются корневой системой древесной растительности, передаются по ее капиллярам и регистрируются датчиком пьезоэлектрического преобразователя. Выработанные преобразователем электрические сигналы известными методами преобразуют в радиосигналы, которые по частотному каналу спутниковой связи направляют для обработки и интерпретации. Регистрацию радиосигналов производят в моменты максимумов земных приливов и в их отсутствие. По параметрам радиосигналов прогнозируют наличие и площадное распространение нефтяной залежи, а также пространственное распределение в ней жидких углеводородов.

Устройство для реализации способа поиска месторождений жидких углеводородов представляет собой сейсмический приемопередатчик, состоящий из пьезоэлектрического преобразователя и телеметрического модуля, имеющего выход на излучатель радиосигналов. Пьезоэлектрический преобразователь устанавливается на срезе вершины или ствола дерева, причем его чувствительный элемент имеет непосредственный контакт с капиллярами древесины. Сейсмическими приемопередатчиками оснащаются деревья на расстоянии сотен и тысяч метров друг от друга.

Далее сущность изобретений поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - схема передачи геосейсмических ультразвуковых волн к пьезоэлектрическому преобразователю и трансляции радиосигналов на спутник связи,

- на фиг. 2 - блок-схема сейсмического приемопередатчика,

- на фиг. 3 и 4 - схемы установки пьезоэлектрического преобразователя на срезе дерева,

- на фиг. 5 - блок-схема телеметрического модуля.

Периодический волнообразный процесс образования и исчезновения в земной коре приливных волн сопровождается гидродинамическими колебаниями пластовой жидкости в нефтяном пласте 1 под воздействием сейсмических колебаний массива горных пород 2, возникающих при взаимодействии полей напряжения и деформаций между блоками и в блоках земной коры (фиг. 1). Эти гидродинамические колебания предопределяют динамический характер перемещения пластовой жидкости вследствие гравитационных сил притяжения Луны и Солнца. Динамическое движение жидкости по капиллярам, микротрещинам и другим дренажным каналам, имеющим переменное поперечное сечение, инициирует явление кавитации, которое сопровождается образованием ультразвуковых колебаний, т.е. сейсмических волн ультразвукового диапазона. Эти сейсмические ультразвуковые волны (УЗВ) 3 по массиву горных пород 2 и дренажным каналам в нем устремляются к земной поверхности, улавливаются корневой системой 4 и по капиллярам корней и ствола 5 дерева передаются к срезу, на котором установлен пьезоэлектрический преобразователь 6. В пьезоэлектрическом преобразователе 6 под воздействием механических ультразвуковых колебаний вырабатываются электрические сигналы в виде импульсов постоянного тока, которые поступают в телеметрический модуль 7. В телеметрическом модуле 7 сигналы достоянного тока преобразуются в электромагнитные сигналы радиочастоты, т.е. радиосигналы (PC).

К настоящему времени разработано несколько методов получения радиочастотных электромагнитных волн. В данном случае использован метод, заключающийся в том, что импульсный постоянный ток при необходимости сглаживают от пульсаций и подвергают широтно-импульсной, амплитудной и частотной модуляциям. Полученные радиосигналы посредством излучателя 8 по радиочастотному каналу через спутник связи 9 передают в центр обработки геофизических данных. Регистрацию радиосигналов производят в течение не менее месяца 4 раза в сутки через 6 часов, т. е. синхронно с земными приливами и во время отсутствия таковых (во время полного исчезновения приливной волны). По параметрам радиосигналов (мощность, амплитуда, длительность) в моменты максимумов земной приливной волны и в отсутствие земных приливов прогнозируют наличие нефтяной залежи, площадное ее распространение, а также мощность нефтяного пласта.

Следует отметить, что за время канализации по корням и стволу дерева ультразвуковые геосейсмические волны подвергаются фокусировке и концентрации вследствие существенной разницы в площади поперечного сечения корневой системы, основания ствола и вершины дерева, что способствует увеличению мощности ультразвукового излучения, воспринимаемого пьезоэлектрическим преобразователем.

Устройство для реализации способа поиска месторождения жидких углеводородов представляет собой сейсмический приемопередатчик (фиг. 2), состоящий из пьезоэлектрического преобразователя 6, телеметрического модуля 7 и излучателя радиосигналов 8.

Пьезоэлектрический преобразователь 6 состоит из одного или нескольких пьезоэлементов 10 трубчатой или иной формы, изготовленных из пьезокерамики (титаната бария, смеси циркония с титанатом свинца и др.), либо из пьезокристаллов, например сернистого кадмия (фиг. 3, 4). Материал пьезоэлементов должен обладать широкой полосой частоты пропускания в пределах от 210⁴ до 3-510⁵ Гц. Пьезоэлементы 10 одними концами непосредственно примыкают к срезу 11 вершины или ствола дерева 5. В последнем случае в стволе просверливают отверстие 12. Это обеспечивает плотный механический контакт пьезоэлементов 10 с капиллярами 13 древесины. Пьезоэлементы вмонтированы в корпус 14 пьезоэлектрического преобразователя, посредством которого он закрепляется на срезе вершины или ствола дерева.

Известен ряд конструкций телеметрических модулей, посредством которых электрические сигналы различного вида и разной формы преобразуются в радиочастотные электромагнитные волны, т.е. радиосигналы. Для реализации предложенного способа поиска месторождения жидких углеводородов выбрано телеметрическое устройство, состоящее из следующих последовательно соединенных блоков (фиг. 5): сглаживающего фильтра 15, широтно-импульсного модулятора 16, амплитудного модулятора 17 и частотного модулятора 18, имеющего выход на излучатель радиосигналов 8. Все блоки и элементы телеметрического модуля выполняются по известным схемам и изготавливаются из стандартных электронных приборов и микросхем. Телеметрический модуль закрепляется на стволе дерева или устанавливается в непосредственной близости от него.

В качестве излучателя радиосигналов 8 может служить параболическая антенна или направленная антенна иной конструкции. Излучатель закрепляется на стволе дерева либо устанавливается вблизи него.

Сейсмическими приемопередатчиками оснащаются деревья на расстоянии друг от друга в несколько сотен и тысяч метров в зависимости от площади нефтеносных структур и масштаба геофизических исследований.

Сейсмический приемопередатчик работает следующим образом. Ультразвуковые колебания, поступающие по капиллярам 13 дерева, возбуждают в пьезоэлементах 10 электрические заряды, которые в виде импульсных сигналов постоянного тока стекают с их поверхности на сглаживающий фильтр 15 и далее на широтно-импульсный модулятор 16, где они преобразуются в электромагнитные волны низкой частоты, т. е. в сигналы переменного электрического тока. Далее, сигналы переменного тока следуют в амплитудный модулятор 17, где они усиливаются по амплитуде и направляются в частотный модулятор 18. В частотном модуляторе вырабатываются электромагнитные сигналы радиочастоты, т. е. радиосигналы, которые поступают в излучатель 8 для дальнейшей канализации по радиочастотному каналу спутниковое связи.

Таким образом, предлагаемые технические решения:

- расширяют область сейсмических методов разведки (за счет возможности применения в таежно-болотистой местности, в летнее время года),

- совершенствуют технические средства и технологию ведения сейсморазведки (благодаря отказу от транспортных средств, дизель-генератора, возбудителя сейсмических волн, передвижной измерительной сейсмостанции и т.д.),

- упрощают обработку и интерпретацию результатов сейсмических исследований и повышают достоверность полученных данных (за счет использования сейсмических ультразвуковых волн, непосредственно генерируемых нефтяным пластом, большей длительности процесса регистрации сейсмического излучения),

- в конечном итоге снижают стоимость геолого-разведочных работ.

Источники информации

1. Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М.: Знание, 1986.

2. Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки. М. : ОАО "Издательство "Недра", 1998.

3. Корягин В. В. Сейсморазведка нефтегазоперспективных структур малого размера. М.: Недра, 1993.

4. Земные приливы. Киев: Наукова думка, 1966.

5. Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Часть 1. М.: МГУ, 1988, стр. 141. Диплом N 273 на открытие "Явление глобально проявляющихся быстропротекающих пульсационных изменений в гидросфере (гидрогеологический эффект Вартаняна - Куликова)" с приоритетом от 20.06.1981.

6. Актуальные проблемы геодинамики. Сборник статей. М.: Наука, 1991.

7. Земные приливы и внутреннее строение Земли. Сборник статей. М.: Наука, 1967.

8. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1977.

9. Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Часть 1. М.: МГУ, 1988, стр. 465. Диплом N 109 на открытие "Ультразвуковой капиллярный эффект" с приоритетом от 31.05.61.

10. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия, 1970.