способ разведки месторождений

Формула изобретения

1. Способ геофизической разведки месторождений в пределах предопределенного объема земли, имеющей подповерхностные структурные и стратиграфические особенности, способствующие созданию, миграции, накоплению или присутствию углеводородов, который включает использование, по меньшей мере, одного электрода источника и множество электродов приемника, указанный способ, содержащий следующие стадии:

а. выбор области геофизической разведки, по меньшей мере, над частью указанного предопределенного объема земли, в котором, по меньшей мере, часть области геофизической разведки включает морской лед;

b. определение положения на поверхности каждого из указанного, по меньшей мере, одного электрода источника;

с. определение положения на поверхности каждого из указанного множества электродов приемников;

d. выбор электрода из числа, по меньшей мере, одного указанного электрода источника и указанного множества электродов приемника, при этом указанный выбранный электрод имеет соответствующее положение на поверхности, при этом указанное положение находится на поверхности морского льда;

е. создание, по меньшей мере, одного отверстия в указанном выбранном положении на поверхности льда, в котором указанное отверстие проходит через морской лед до воды подо льдом;

f. опускание указанного выбранного электрода в отверстие до тех пор, пока указанный выбранный электрод не будет находиться в контакте с водой под указанным морским льдом;

g. добавление достаточного количества проводящей жидкости в отверстие, чтобы покрыть, по меньшей мере, часть указанного выбранного электрода;

h. удержание, по меньшей мере, части указанной проводящей жидкости до ее замерзания;

i. выполнение стадий (d)-(h), по меньшей мере, один раз;

j. размещение любого из указанных электродов источника или приемника, ранее не выбранного, вблизи электродов каждого источника или приемника, в пределах указанного положения на поверхности;

k. передачу электрического сигнала от указанного, по меньшей мере, одного электрода источника на указанное множество электродов приемника, в котором, по меньшей мере, часть указанного электрического сигнала проходит, по меньшей мере, через часть предопределенного объема земли, и

l. прием представлений указанного переданного электрического сигнала указанным множеством электродов приемника, чтобы получить 3-мерные геофизические данные для осуществления способа разведки месторождений в пределах указанного предопределенного объема земли.

2. Способ по п.1, в котором указанный выбранный электрод является электродом источника, и стадии (с)-(l) выполняются, по меньшей мере, дважды для двух различных электродов источника.

3. Способ по п.1, в котором указанный переданный электрический сигнал стадии (k) является сигналом CSEM.

4. Способ по п.1, в котором указанный выбранный электрод стадии (d) является электродом источника, и в котором стадия (f) содержит следующую стадию:

(fl) опускание указанного выбранного электрода в отверстие до тех пор, пока указанный выбранный электрод не вступит в контакт с водой под указанным морским льдом, благодаря чему указанный выбранный электрод при погружении в воду формирует вертикально расположенный дипольный электрод источника.

5. Способ геофизической разведки месторождений в предопределенном объеме земли, имеющей подповерхностные структурные и стратиграфические особенности, способствующие созданию, миграции, накоплению или присутствию углеводородов, в котором предусматривается, по меньшей мере, одна пара электродов горизонтально расположенного источника и множество пар электродов приемника, указанный способ, содержащий стадии:

а. выбор области геофизической разведки, по меньшей мере, над частью указанного предопределенного объема земли, в котором, по меньшей мере, часть области геофизической разведки включает морской лед;

b. определение положения на поверхности каждой из указанной, по меньшей мере, одной пары электродов горизонтального источника;

с. определение положения на поверхности каждой из указанного множества пар электродов приемника;

d. выбор пары электродов из числа указанной, по меньшей мере, пары электродов источника и указанного множества пар электродов приемника, при этом выбранная указанная пара электродов имеет выбранное положение на поверхности земли, в котором указанное выбранное положение на поверхности находится на морском льду;

е. создание, по меньшей мере, одного отверстия в морском льду вблизи указанного выбранного положения на поверхности, в котором указанное, по меньшей мере, одно отверстие проходит через морской лед до воды под ним;

f. опускание каждой из выбранных пар электродов, по меньшей мере, в одно отверстие до тех пор, пока выбранный электрод не войдет в контакт с водой под указанным морским льдом;

g. добавление достаточного количества проводящей жидкости в каждое отверстие, чтобы покрыть, по меньшей мере, часть указанных выбранных электродов;

h. удержание, по меньшей мере, части указанной проводящей жидкости до ее замерзания;

i. выполнение стадий (d)-(h), по меньшей мере, один раз;

j. размещение любой пары электродов горизонтального источника или электродов приемника, ранее не выбранных, вблизи горизонтального источника или приемника в пределах указанного положения на поверхности;

k. передачу электрического сигнала от указанного, по меньшей мере, одного электрода горизонтального источника на указанное множество электродов приемника, в котором, по меньшей мере, часть указанного электрического сигнала проходит, по меньшей мере, через часть указанного предопределенного объема земли; и

l. получение представлений указанного переданного электрического сигнала через указанное множество электродов приемника, чтобы получить 3-мерные геофизические данные для осуществления способа разведки месторождений в пределах указанного предопределенного объема земли.

6. Способ по п.5, в котором указанный переданный электрический сигнал стадии (k) является сигналом CSEM.

7. Способ геофизической разведки месторождений по п.5, в котором указанная пара электродов является парой электродов источника, и стадии (d)-(l) выполняются, по меньшей мере, дважды с двумя различными электродами источника.

8. Способ по п.5, в котором указанный переданный электрический сигнал стадии (k) является сигналом t-CSEM.

9. Способ геофизической разведки месторождений по п.5, в котором указанное множество пар электродов приемника расположено, по меньшей мере, приблизительно вдоль линии поверхности.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к общим аспектам геофизической разведки месторождений углеводородов и, в частности, к способам для сбора и анализа данных электромагнитного зондирования с контролируемым источником (далее "CSEM") данных наземной разведки с конкретным упором на исследования полярных областей земли.

Предпосылки создания изобретения

В течение долгого времени использовались способы измерения подповерхностного электрического удельного сопротивления, чтобы отличить пласты породы, которые содержат углеводороды, от других пород, которые углеводородов не содержат. Например, удельное сопротивление с успехом использовалось много лет, чтобы определить продуктивные интервалы в пределах существующих буровых скважин. Однако позже было найдено целесообразным использовать поверхностную разведку, которая не требуют бурения скважин, чтобы обнаружить подповерхностные месторождения углеводородов. Таким образом, информация, собранная на поверхности, используется для определения подповерхностного распределения удельного сопротивления в подповерхностном слое, причем бесконтактным способом - ниже линии приемников, при этом удельное сопротивление является показателем присутствия или отсутствия таких месторождений. Способность обнаружить месторождения углеводородов от поверхности земли электромагнитным способом представляет большой интереса в целях быстрого обнаружения таких месторождений.

Вообще говоря, подповерхность имеет относительно немного контрастных границ удельного сопротивления. Однако породы, которые содержат углеводороды, имеют тенденцию демонстрировать значительный контраст удельного сопротивления по сравнению с породами, которые включают их, и, как следствие, основанные на удельном сопротивлении способы долго рассматривались как потенциальные прямые индикаторы углеводородов. Например, удельное сопротивление отложения, насыщенного углеводородами, может иметь порядок нескольких десятков Ом на метр или выше по сравнению с удельным сопротивлением лежащих сверху и снизу насыщаемых водой отложений, которые имеют удельное сопротивление порядка 2 Ом на метр или ниже. Таким образом, когда углеводороды присутствуют в подповерхностном пласте, основанные на удельном сопротивлении способы потенциально могут использоваться для их обнаружения, когда другие геофизические способы не могут быть применены. Как следствие, в настоящее время имеет место значительный интерес к использованию электромагнитного ("ЕМ") способа для определения местонахождения новых источников обнаружения углеводородов, контроля распределения углеводородов в пределах существующего месторождения (например, контроль месторождения в течение определенного времени) и т.д.

Хотя имеется ряд вариантов геофизической разведки, в целях быстрого обнаружения особенно интересна разведка, в которой используется "контролируемый источник" (т.е. контролируемый источник электромагнитных сигналов для измерений или "CSEM", как он именуется далее), в противоположность разведке, в которой используют естественный источник ("магнитотеллурическая разведка"). Геофизические исследования CSEM проводятся в морских и в сухопутных средах. В морской среде разведка, как правило, осуществляется с судна, перемещающая горизонтально расположенный электрический диполь вблизи морского дна выше ряда приемников, расположенных на морском дне. Источник подключен к электрическому генератору, который расположен на судне. Источник обычно программируется на формирование низкочастотного электромагнитного сигнала (или изменения другого программируемого параметра), регулируя напряжение, которое подается на электрический диполь.

В случае наземной разведки ряд источника и электродов приемника расположены на поверхности земли. В некоторых случаях электроды установлены на металлических стержнях с тем, чтобы они могли быть внедрены в землю, улучшая, таким образом, их контакт с грунтом. Специалистам в данной области техники известно, что местные условия проводимости очень важны для качества такого контакта.

Методики CSEM, описанные ниже, как известно, выдают прямые показания присутствия углеводородов, но с низкой разрешающей способностью. В отличие от этого метода методика сейсмической разведки месторождений выдают изображения более высокой разрешающей способности подповерхностных пластов, но обеспечивают только косвенные показатели присутствия углеводородов. Комбинация этих двух типов геофизической разведки может оказаться самым надежным способом разведки месторождений.

Хотя геофизические исследования CSEM могут иметь различный вид, электромагнитное зондирование может использовать источник сигнала в виде изменяющегося во времени электрического тока, который введен в подповерхностные слои через электроды или контактные линии с поверхности через заземленный дипольный источник. Электроды могут иметь либо в прямой контакт с поверхностью земли (например, при наземном каротаже) или буксироваться катером через слой воды (например, при морском зондировании). Такие заземленные диполи производят распространяющиеся электромагнитные поля, которые чувствительны к резистивным аномалиям в подповерхностном слое и, следовательно, могут быть связаны с наличием углеводородов. Альтернативно, источники могут быть токовыми контурами, которые индуктивно генерируют распространяющиеся электромагнитные поля; однако они чувствительны к аномалиям проводимости, а не к резистивным аномалиям и, следовательно, более полезны в контексте разведки минеральных месторождений и менее полезны при разведке нефтяных месторождений.

При обычном каротаже приемники CSEM расположены на поверхности земли, включая приемники, расположенные на океанском дне, которые измеряют электрические и/или магнитные поля, создаваемые источником. Эти измерения используются для оценки эффективного или кажущегося удельного сопротивления подповерхностной зоны ниже приемников согласно способам, хорошо известным специалистам в данной области техники. Отметим, что в зависимости от сигнального источника и применяемой схемы приемники могут быть расположены на расстояниях от нуля до 20 километров из источника. Как правило, для исследований в глубине земли требуются более длинные ответвления.

Поскольку источник излучения находится около приемников, электромагнитная энергия распространяется от источника на приемник через множество полей, и изменения по амплитуде и фазе этих полей обнаруживаются и регистрируются каждым из приемников. Для оценки структуры удельного сопротивления подповерхностной зоны при геофизических исследованиях используются различные алгоритмы обработки.

В некоторых конструкциях в качестве источника сигнала используются переменные токи, полярность которых полностью изменяется по выбранной частоте. Любую такую схему с непрерывным источником, действующим на одной или нескольких выбранных частотах (включая гармоники), можно назвать зондированием с контролируемым по частоте источником (f-CSEM). Методики электромагнитной разведки (f-CSEM) описаны, например, в источнике Sinha M.C. Patel, P.D., Unsworth, M.J., Owen, T.R.E. и MacCormack, M.G.R., 1990, Электромагнитная система каротажа с активным источником для морского использования, журнал Marine Geophysical Research, 12, 29-68, раскрытие которого включено здесь в качестве ссылки.

В морском контексте наиболее общие способы применения CSEM и методики частотного регулирования с использованием характеристик непрерывную источника, который работает на одной или нескольких дискретных частотах, раскрыты в патенте Синка (патент США 6.603.313, который включен здесь в качестве ссылки), который является хорошим примером среди нескольких других последних патентов и публикаций, где используются те же самые методики.

Еще одну методику контролируемого источника для электромагнитной разведки можно назвать переходной (временной) системой электромагнитного зондирования с контролируемым по времени источником, называемой далее системой "t-CSEM". В системе t-CSEM электрод используется, чтобы создать электрический ток тем же самым способом, который был обсужден выше в связи с системой f-CSEM, за исключением того, что источник является импульсным (выдает короткие импульсы тока) и не является непрерывным. Например, электрод можно зарядить, используя источник постоянного тока, который после некоторого времени отключается, вызывая резкое прекращение тока. Затем данные от приемников будут собираться в течение интервала времени, когда источник неактивен. Конечно, такая индикация данных при полном затухании напряжения прогрессирует за последующим исходным отключением. Отметим, что этот способ отличается от способа f-CSEM, при котором сбор данных от приемников происходит при активном источнике. Изменение по времени напряжений t-CSEM, которое наблюдается после отключения источника тока, используется, чтобы вывести характеристики удельного сопротивления из подповерхностной зоны. Методики t-CSEM описаны, например, в Strack K.M., 1992, Разведка месторождений с глубоким переходным электромагнитным процессом, Elsevier, 373 страницы (публикация 1999 года), раскрытие которой включено здесь в качестве ссылки. По большей части методики t-CSEM традиционно использовались при геофизических исследованиях земли (см. Эверетт М.Е., Бенавидес А. и Пиерс С.Н., 2005, Экспериментальное исследование электромагнитного отклика скрытой проводящей пластины в интервале времени, Геофизика 70(1) для применения в контексте разведки мест с неразорвавшимися боеприпасами).

На земле методики CSEM, в основном, хорошо себя зарекомендовали (см., например, учебник Strack K.M., Разведка месторождений с глубоким переходным электромагнитным процессом, Elsevier, 1999 г.). Однако наземному применению CSEM в области разведки углеводородов препятствовали, прежде всего, трудности в выполнении геофизической разведки, вызванные плохим контактом источников и приемников с грунтом. В самом общем смысле источники и приемники связаны с грунтом через электроды, которые проникают в грунт на глубину, насколько это реально возможно. Однако свойства грунта около электродов (например, меняющиеся условия почвы, насыщение водой и т.д.) особенно электроды источника влияют на связь с более глубокими подповерхностными слоями в результате чего, если контакт ненадежен, полученные данные были недостаточными и переменными, и подповерхностный сигнал не отражал реального состояния. В частности, сильный и переменный разброс полного электрического сопротивления (между приборами, соседним грунтом и глубокой подповерхностью) в значительной мере способствовал увеличению этих трудностей в сборе данных. (В отличие от этого при морском зондировании CSEM нет никаких проблем контакта со средой, так как источники и приемники находятся на глубине и равномерно соединены с океанским дном через морскую воду).

Из-за этой проблемы контакта с грунтом успехи наземной методики CSEM были весьма непостоянными, и они не были исторически доказаны как полезные для широкого применения для разведки на залежи углеводородов. Однако недавно были начаты попытки оказать коммерческие услуги в этом направлении; эти услуги были ограничены обычной разведкой нефтяных месторождений в умеренных и тропических широтах.

Разведке месторождений углеводородов в полярных областях земли препятствует огромное число практических трудностей, связанных с низкими температурами: люди и оборудование просто не приспособлены к работе в суровых условиях. В частности, на некотором расстоянии от берега плавающий паковый лед делает обычные сейсмические геофизические исследования месторождений неосуществимыми, и на суше условия поверхности резко ограничивают возможность применения обычных способов разведки месторождений. При этих условиях практически даже не попытались применить способы разведки месторождений методикой CSEM, которые, как оказалось, были ненадежны и в менее трудных условиях, не говоря уже о полярных широтах.

Прежде, как известно специалистам в геофизической разведке и искусстве интерпретации, была потребность в способе использования методик CSEM, чтобы получить изображение удельного сопротивления подповерхностной зоны, которая не страдает от ограничений известных систем. Соответственно, теперь должно быть доказано, как было доказано заявителями настоящего изобретения, что имелась и имеется уже в течение достаточного времени реальная потребность в способе геофизической разведки, который относится к этой области и решает вышеописанные проблемы.

Прежде, чем перейти к описанию настоящего изобретения, следует отметить и помнить, что описание изобретения, которое следует ниже вместе с сопроводительными чертежами, не должно рассматриваться как ограничение изобретения приведенными примерами (или предпочтительными вариантами), описанными и показанными на чертежах. Понятно, что квалифицированные специалисты в данной области техники, к которым относится изобретение, будут в состоянии разработать и другие формы этого изобретения в пределах приложенной формулы изобретения.

Краткое содержание изобретения

Согласно предпочтительной цели настоящего изобретения оно представляет собой систему и способ сбора данных с помощью электромагнитного зондирования CSEM (и, частности, данных t-CSEM), которые обеспечивают эффективные геофизические исследования месторождений, оценку, разработку и наблюдение месторождений углеводородов в полярных областях, обеспечивая улучшенный контакт электродов с грунтом, в вечной мерзлоте, в воде подо льдом и, следовательно, непосредственно с землей. Как следствие, обеспечивается более высокое качество, передачи и получения данных, и с помощью предлагаемого здесь способа система CSEM становится выполнимой для использования при обнаружении углеводородов в полярных областях.

Согласно первому предпочтительному варианту настоящее изобретение основано на использовании электромагнитного зондирования с контролируемым по времени источником ("t-CSEM"), которое используется на льду или на земле в областях, покрытых льдом или снегом. С помощью этой технологии такое электромагнитное зондирование может быть выполнено, например, на замерзшей поверхности Северного Ледовитого океана, или зимой в лесах Сибири, или на полярном архипелаге Канады, открывая эти области (которые по определению являются трудными для сбора достоверных данных геофизической разведки любого типа) и для эффективной разведки месторождений углеводородов эксплуатации их ресурсов.

Создатели настоящего изобретения обнаружили, что, когда поверхность грунта насыщается водой и замерзает (как в случае геофизической разведки, проводимой на морском льду или в замерзшей тундре), приборы (источники и приемники) могут быть соединены более надежно на поверхности или под поверхностью, сверля или плавя отверстия во льду (или в замерзшей тундре) любым из многих способов и вставляя электроды в полученные отверстия. В случае плавающего льда отверстия должны предпочтительно быть просверлены через лед до воды подо льдом. Если исследование выполняется на земле, отверстия могут (но необязательно) быть заполнены материалом, чтобы задержать потерю воды из материала. После заполнения отверстий водой (замерзшей или нет, пресной или соленой водой и т.д.) и соединения подводных электродов с регистрирующими приборами, полученное соединение фактически является столь же хорошим, что и в случае морского электромагнитного зондирования с контролируемым по времени источником (t-CSEM), и данные наземного исследования, собранные таким образом, будут, вероятно, иметь равноценное качество. Лед, в основном, плохой проводник, но он имеет однородную структуру (при каротаже от точки к точке) с тем, чтобы его плохая проводимость могла бы быть несколько скомпенсирована выбором способа геофизической разведки (например, силой сигнала источника, установкой матрицы электродов, выбором материала электродов и т.д.).

После того как электроды источника установлены в нужном положении в своих отверстиях, через эти электроды в лед или другую поверхность вводится электрическая энергия. На электроды приемника поступит сигнал, прошедший по поверхностным и подповерхностным путям распространения, при этом электроды приемника внедрены в поверхность на определенном расстоянии от источника. Альтернативно, приемники могут иметь различную конструкцию, например рамка с током, прямой измеритель магнитных полей и индуктивный измеритель электрических полей.

Отметим, что этот подход впервые позволяет собирать высококачественные данные морской электромагнитной разведки путем использования несколько модифицированных наземных методик. Таким образом, одной целью настоящего изобретения является проведение электромагнитного зондирования с контролируемым источником CSEM на паковом льду, плавающем на воде (пресной или морской). Очевидно, что если погода более теплая, и лед растаял, то можно было бы использовать обычный или нетрадиционный способ морского зондирования (например, в основном, как показано на фигуре 5). Однако в полярных областях сезон открытой воды - очень короткий или отсутствует так, что применение этих обычных морских методик весьма ограничено. Однако когда масса воды (или, по меньшей мере, ее часть) замерзает, на полученной ледяной площадке может быть проведена геофизическая разведка типа наземного каротажа. В случае поверхностного морского льда отверстия для электродов могут быть легко пробурены через плавающий лед, достигая незамерзшей морской воды подо льдом (которая имеет превосходную проводимость), и, в целом, избежать проблем, связанных с плохой проводимостью льда. В этом случае морского зондирования данные анализируются средствами, описанными в других источниках, возможно включая специальные стадии, чтобы учитывать отражение волн от морского дна.

В другом отношении здесь предоставлен способ электромагнитной разведки месторождений в полярных областях, которые могут быть покрыты тундрой или болотами или поверхностями у широких рек, которые являются экологически хрупкими, особенно в течение теплых сезонов. Специалисты в данной области техники признают, что единственное практическое время, когда можно работать в таких областях с людьми и оборудованием, падает на холодные сезоны, когда поверхность закреплена льдом и снегом. В течение этого сезона сейсмическая разведка месторождений выполнима, но затруднена в материально-техническом отношении, потому что холодная погода вызывает выход из строя механических устройств (например, вибраторов) чаще, чем в более теплое время. Далее, получение хорошего контакта сейсмических приемников в грунте в это время проблематично. Кроме того, требования отбора сейсмических проб являются более строгими, чем требования выборки по электромагнитному способу (так как сейсмические волны более короткие, чем длина волны электромагнитного зондирования в обычной практике) так, что больше местоположений источника и местоположений приемника требуются для сейсмического зондирования, чем для зондирования CSEM. В соответствии с настоящим изобретением изобретение предоставляет способ электромагнитного зондирования CSEM, в основном, как описано выше, но в котором контакт с грунтом улучшен путем бурения скважин или отверстий в тундре или во льду, в которые затем помещаются электроды. Отметим, что с помощью настоящего изобретения система CSEM в таких средах может служить для идентификации области, которые, возможно, содержат углеводороды в подповерхностной зоне, позволяя обозначить конкретные области для последующей сейсмической разведки, которая является наиболее подходящей для получения сейсмических изображений этих месторождений с высоким разрешением.

В другом отношении при каротаже, выполняемом на льду или на снегу, магнитная энергия вводится в лед через токовые контуры, находящиеся подо льдом, и принимается (по поверхностным и подповерхностным путям распространения) другими токовыми контурами, расположенными на определенном расстоянии от источников энергии. Этот вид геофизической разведки особенно полезен для обнаружения аномалий проводимости, а не резистивных аномалий (углеводороды). Однако настоящее изобретение может быть использовано для проведения такой обычной электромагнитной разведки наземного типа на поверхности плавающего льда во время холодной погоды. По сравнению с обычным электромагнитным морским зондированием CSEM (с источниками и приемниками около морского дна) описанное выше морское зондирование требует, чтобы электрический сигнал при электромагнитном зондировании от подповерхностной зоны дополнительно распространялся через слой воды дважды (вниз и вверх). Это означает, что настоящее изобретение будет более полезным на мелководье, чем в глубоких водах, хотя с достаточно сильными источниками и достаточно чувствительными приемниками глубины могут быть увеличены. Моделирование показало, что глубина моря порядка 100 метров не вызывает серьезных проблем.

При этом заявители настоящего изобретения обнаружили, что критической особенностью морской среды, которая делает обычное CSEM в этом отношении практичным, является прямой и равномерный контакт источников и приемников в среде (морская вода). Специалисты в области техники морского зондирования способом CSEM увидят, что глубокая вода (относительно целевой глубины) также важна для практического освоения f-CSEM, но что это ограничение не относится к t-CSEM. Как отмечено здесь, заявители настоящего изобретения пришли к выводу, что этот принцип связи может также быть реализован в полярных средах из-за наличия в таких средах льда и снега. Это является ключевым аспектом настоящего изобретения, т.е. реализация по предлагаемым здесь методикам предусматривает, что лед обеспечивает хороший контакт в полярных средах тем же образом, каким вода обеспечивает такой контакт в морской среде, обеспечивая, таким образом, сбор качественных данных CSEM. В частности, предлагаемые здесь методики обеспечивают сбор высококачественных данных CSEM, подходящих для разведки месторождений при значительных аномалиях удельного сопротивления месторождений углеводородов.

Хотя другие исследователи проводили геофизические исследования с помощью электромагнитного зондирования земли в областях с вечной мерзлотой (например, в заливе Прудхо для исследования вечной мерзлоты на глубинах до 300 метров и в Сибири, используя смещения до 2 км для анализа эффектов, вызванных поляризацией на глубинах до 2 км, связанных с месторождениями углеводородов, расположенных глубже), доказательством новизны настоящего изобретения является то, что эта практика, действующая в таких близко расположенных участках, не в состоянии предвосхитить настоящее изобретение.

Наконец, следует отметить и помнить, что когда здесь используются термины "Арктика", "полярные области" и т.д., эти термины должны быть поняты расширительно в том смысле, что предпочтительная среда для настоящего изобретения включает землю или области моря, покрытые льдом и снегом постоянно или временно, так же как области с замерзшей поверхностной почвой (например, вечная мерзлота), и, таким образом, также могут включать горные области, так же как области высокой широты. Из этого также вытекает что, поскольку лед обладает электрическим сопротивлением, раскрытые здесь среды наилучшим образом подходят там, где участки льда или пресной воды являются относительно тонкими, т.е. идеальная среда для применения настоящего изобретения - лед, плавающий на поверхности соленой воды (хотя как отмечено выше, другие "полярные" среды также применимы).

Приведенное выше краткое описание раскрывает изобретение в общих чертах, и все наиболее важные особенности изобретения раскрыты в более подробном описании, которое следует ниже, помогает лучше понять сущность настоящего изобретения, и заявители надеятся, что специалисты его полностью оценят. Настоящее изобретение не должно быть ограничено применением определенных деталей и узлов конструкции, описанных в описании или показанных на чертежах. Изобретение может быть реализовано и в других вариантах и может быть осуществлено различными другими способами, не перечисленными здесь. Наконец, следует подразумевать, что фразеология и терминология, используемая здесь с целью подробного описания, не должны расцениваться как ограничение, за исключением случаев, когда такие ограничения конкретно определены в описании изобретения.

Краткое описание чертежей

Другие цели и преимущества изобретения станут очевидными после чтения следующего подробного описания со ссылками на чертежи, на которых:

Фигура 1 - общая блок-схема системы по настоящему изобретению.

Фигура 2 представляет собой обычную схему электромагнитного зондирования, когда оно проводится на льду или на замерзшем дне.

Фигура 3 содержит схему электромагнитного зондирования, проводимого на льду или замерзшем грунте согласно настоящему изобретению.

Фигура 4 иллюстрирует предпочтительную операционную логику t-CSEM.

Фигура 5 - схематическое отображение ранее используемого подхода к проведению морского геофизической разведки путем электромагнитного зондирования.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Хотя настоящее изобретение может быть воплощено во многих различных формах, далее будут описаны и показаны на чертежах некоторые конкретные варианты изобретения. Следует, однако, понимать, что данное раскрытие должно считаться только примерным воплощением принципов изобретения и не предназначено ограничить это изобретение конкретными описанными вариантами или алгоритмами. В частности, хотя пример, в основном, дан в терминах устройства t-CSEM, квалифицированные специалисты в данной области знают, что при хорошем контакте электродов с грунтом могут также использоваться и методики f-CSEM.

ОБЩЕЕ ОКРУЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фигуре 1 показано общее окружение, в котором, как правило, использовалось бы настоящее изобретение. Как первая стадия будет разработана система электромагнитного зондирования (стадия 110), в котором такая конструкция, как правило, включает спецификацию различных параметров геофизической разведки, чтобы определить цель и улучшить качество конечных геофизической разведки. Среди многих параметров, которые можно было бы рассмотреть в системе для геофизической разведки, отметим следующие:

- область поверхности, которая будет охвачена геофизической разведкой;

- время года, когда должна быть проведена такая разведка, включая температуру и покрытие поверхности льдом, так же как естественные электромагнитные помехи;

- будет ли геофизическая разведка проводиться на земле (включая лед), на море или в комбинации обеих сред;

- глубина цели;

- трехмерная структура цели (включая 2-мерный или 3-мерный наклон, если он есть;

- используется ли в конструкции "фланговая сейсмическая конфигурация" (например, как, в основном, показано на фигуре 2, в которой все активные приемники находятся на той же самой стороне источника) или "конфигурация расстановки по прямой" (т.е. как, в основном, показано на фигуре 5, в которой активные приемники размещены впереди и позади источника);

- максимальное смещение (т.е. расстояние от источника 210 до самого отдаленного активного приемника 220) и минимальное смещение (т.е. расстояние от источника 210 до самого близкого активного приемника 220);

- расстояние между соседними приемниками;

- вынос источника (т.е. разнесение от точки к точке, где "точка" означает "точку активации источника");

- отношение между точками источника и пунктами приемника (например, источники близко к приемникам, источники на полпути между приемниками и т.д.);

- частоты ожидаются в полученных данных;

- сила сигнала источников, чувствительность приемников и т.д.

Конечно, выбор параметров, таких как описано выше, является выбором конструкции, что вполне доступно обычному специалисту в данной области техники. Далее, эти специалисты понимают, что многие из предыдущих параметров взаимосвязаны (например, технические требования целевой глубины, в целом, определяют предпочтительное максимальное смещение).

Далее, оборудование (включая источник и электроды приемника, генераторы, регистрирующие приборы и т.д.) будет доставлено в рабочее поле, и электромагнитное зондирование 120, которое предпочтительно осуществляется, по крайней мере, приблизительно в соответствии с начальным проектом. Конечно, возможно потребуются некоторые местные изменения относительно начального плана геофизической разведки. Однако, вообще говоря, цель полевой бригады состоит в том, чтобы копировать параметры оригинальных технических данных геофизической разведки как можно более точно.

Как будет обсуждено более подробно ниже, одна цель процесса геофизической разведки, который отражает вклад изобретателей, включает методику, по которой источник и/или электроды приемника соединены со льдом или с грунтом. Короче говоря, в предпочтительном устройстве каждый электрод - будь то приемник или источник - размещен в отверстии, которое подготавливается с этой целью. После того как электрод помещен в это отверстие, перед сбором данных желательно заполнить отверстие токопроводящей жидкостью, например водой, улучшая, таким образом, соединение между электрическим компонентом и поверхностью земли. Могут использоваться электроды, выполненные из специальных материалов, например, из свинца, чтобы предотвратить коррозию (как это хорошо известно специалистам в данной области техники).

После подготовки источника и электродов приемника, как описано выше, данные предпочтительно собираются традиционным способом в зависимости от вида проводимой геофизической разведки. Предпочтительно разведка будет проводиться электромагнитным зондированием с контролируемым по времени источником (t-CSEM). Однако возможно, что будут использованы другие виды разведки с помощью электромагнитного зондирования.

Как правило, при геофизической разведке электромагнитным зондированием, источник включается в цепь, и напряжение (или эквивалентная физическая величина) будет затем измерено на каждом из электродов приемника. Отклик каждого приемника на сигнал источника будет предпочтительно записан в цифровой форме как функция времени и сохранен на магнитных или других носителях для транспортировки на центральное вычислительное средство, где данные будут обработаны, интерпретированы и обобщены с другими данными, принятыми таким же образом. В некоторых случаях определенный объем начальной обработки 130 будет применен к данным, которые в это время находятся в поле. Например, такая полевая обработка может быть сделана, чтобы проверить качество собираемых данных. В других примерах данные могут быть обработаны, чтобы видеть, отображаются ли целевые породы подповерхностной зоны должным образом. В любом случае, данные после полевой обработки, по меньшей мере, будут отнесены к определенным местоположениям на поверхности земли.

Хотя данные, которые собраны согласно настоящему изобретению, могут быть до некоторой степени обработаны в поле (стадия 130), в конечном счете, они будут, как правило, передаваться в центр обработки, где имеются более мощные вычислительные ресурсы 150 и алгоритмы 140. В вычислительном центре ряд процессов 140 может быть применен к данным, чтобы сделать их готовыми для использования при исследованиях. В некоторый момент обработанные следы данных будут, вероятно, сохранены только для примера на жестком диске, магнитной ленте, магнитооптическом диске, цифровом видеодиске или в других средствах памяти большой емкости.

Отметим, что универсальная ЭВМ 150, как правило, включает в дополнение к главному компьютеру рабочие станции и компьютеры, которые обеспечивают массовые параллельные вычисления, при которых вычислительная загрузка распределена между двумя или несколькими процессорами. Как показано на фигуре 1, в некоторых предпочтительных вариантах цифровая зона представляющей интерес модели 160 определяется пользователем и предоставлена как вводимая компьютерная программа для обработки данных. В случае трехмерных геофизических данных зона 160, представляющая интерес, как правило, включает данные по обработке протяженности в плане и толщины (которые могут быть переменными и могут измеряться по времени, глубине, частоте и т.д.) подповерхностного интервала. Точные средства, по которым создаются такие зоны, выбираются, оцифровываются, сохраняются в памяти и позднее считываются во время выполнения программы, что не имеет отношения к настоящему изобретению, и квалифицированные специалисты в данной области техники знают, что это может быть сделано самыми разными способами.

Алгоритмы, которые используются для обработки данных электромагнитной разведки, могут быть переданы на компьютер 150, например, используя дискету, магнитный диск, магнитную ленту, магнитооптический диск, оптический диск, CD-ROM, плату оперативной памяти, перепрограммируемую оперативную память, флэш-память, ППЗУ, или могут быть загружены из сети.

После предварительной обработки данные могут быть "отображены" (предпочтительно используя стадии, описанные в упомянутом выше патенте США 60/654,378). Альтернативно или дополнительно данные могут "инвертированы", чтобы получить оптимальные значения априорно определенной подповерхностной модели, можно использовать любое большое число алгоритмов инверсии.

Затем, после того как данные электромагнитной разведки были обработаны, как описано здесь, полученная информация, как правило, будет отображена либо на цветном мониторе с высокой разрешающей способностью 170, либо напечатана в виде документальной копии или карты 180. Геофизический интерпретатор использует отображенные изображения, чтобы помочь оператору в идентификации подповерхностной зоны, способствующей созданию, миграции или накоплению углеводородов.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ

В соответствии с первым предпочтительным вариантом настоящее изобретение направлено на применение нового варианта стандартной методики электромагнитного зондирования с контролируемым по времени источником ("t-CSEM") при разведке месторождений, оценке, разработке и анализе месторождений углеводородов. Более конкретно, настоящее изобретение разработано, чтобы обеспечить улучшенный контакт источника/приемника с грунтом в областях, которые прежде считались очень трудными для сбора данных. Согласно одной цели настоящего изобретения, оно предоставляет способ улучшенного контакта с грунтом при электромагнитном зондировании, которое включает размещение каждого источника и/или электрода приемника в отверстии, которое было пробурено (или растоплено во льду) на поверхности. Предпочтительно, чтобы отверстие было бы, по меньшей мере, частично заполнено токопроводящей жидкостью, такой как вода, улучшая, таким образом, контакт между электродом и поверхностью, в которую он внедрен. Согласно другому предпочтительному варианту предлагается способ для сбора данных электромагнитной разведки над массой воды, который включает время ожидания, пока холодная погода не приведет к замерзанию воды, и стадию проведения геофизической разведки подо льдом с помощью электродов, помещаемых в отверстия, просверленные во льду до слоя токопроводящей воды подо льдом.

Обратимся к фигуре 2, на которой показан известный способ сбора данных электромагнитной разведки подо льдом и в других областях, трудных для сбора данных. Известное устройство содержит источник 210 и приемник 220, электроды, которые вводятся в контакт с поверхностью, углубляя электроды в виде металлических штырей в грунт или в лед. В основном, как показано на этой фигуре, и, как известно специалистам в данной области техники, в зависимости от многих факторов электрический контакт между штырями и поверхностью может быть намного хуже, чем это было бы желательно. Такие факторы, как степень плотности, твердости и т.д. поверхности земли (например, льда на фигуре 2), глубина проникновения штырей в поверхность, содержание воды и ее состояние (например, жидкость или лед) и т.д. - все это может влиять на контакт источника 210 или приемника 220 с грунтом. Плохой контакт всегда означает, что энергия, переданная вниз от поверхности (идущая вниз энергия 230 и 240), будет рассеяна и/или поглощена, так же как и сигнал, (идущая вверх энергия 235 и 245), который будет считываться приемниками 220.

Обратимся к фигуре 3, на которой представлена схема предпочтительного варианта настоящего изобретения. Заявители настоящего изобретения обнаружили, что там, где поверхность грунта насыщается водой и замерзает (так как в случае геофизической разведки, проводимой на морском льду или в замерзшей тундре), приборы (источники и приемники) могут быть соединены с грунтом более надежно, высверливая или плавя отверстия во льду (или в замерзшей почве) любым из многих известных способов и вставляя электроды в полученные отверстия. В основном, как показано на фигуре 3, вместо того, чтобы размещать электроды 210 и 220 на поверхности, например, на поверхности льда, в этой поверхности сверлится или плавится отверстие 310. В предпочтительном устройстве глубина отверстия будет равна, по меньшей мере, 1 метру, хотя более глубокое отверстие, вероятно, привело бы к лучшим результатам (например, глубиной приблизительно 3 метра). Однако специалисты в данной области техники понимают, что эти параметры - только предложения, и что фактическая глубина, используемая при конкретных обстоятельствах, может существенно отличаться в зависимости от типа грунта, доступного оборудования (например, при наличии буровой установки может быть быстро сделана гораздо более глубокая скважина) и т.д. Конечно, если разведка проводится по паковому льду, его толщина может измеряться всего несколькими десятками футов (порядка 10-20 футов), и в этом случае буровая установка может пробурить скважину через весь лед за короткое время. При таких обстоятельствах электроды источника 210 и приемника 220 могут быть фактически установлены под нижней поверхностью льда, если это окажется желательным. В этом случае станет возможным создать вертикально расположенный дипольный источник подо льдом, в отличие от горизонтальных диполей, используемых в схеме, показанной на фигуре 5.

Затем, в основном, как показано на фигуре 3, электроды источника 210 и приемника 220 будут помещены в отверстия 310, подготовленные для этой цели. После размещения электродов в отверстиях последние будут залиты жидкостью, например водой. Предпочтительно жидкости будет достаточно, чтобы покрыть, по меньшей мере, токопроводящую часть электрода.

В некоторых предпочтительных вариантах воду или другую жидкость оставляют в отверстии 310 до замерзания, если это будет возможно при текущей температуре. Этого, в принципе, не требуется, но могло бы оказаться полезным при некоторых обстоятельствах.

В случае, когда используется вода, есть вполне очевидный выбор: пресная вода или соленая вода. Вообще говоря, соленая вода будет, в основном, предпочтительней по ее превосходным свойствам электропроводности (по сравнению с пресной водой). Однако поскольку соленая вода является более агрессивной по сравнению пресной водой, хорошая проводимость соленой воды должна соотноситься с возможностью сокращения срока службы электрода (или другого компонента).

Безусловно, одним прямым последствием заполнения отверстия жидкостью/водой является то, что контакт между электродом и окружающей породой будет значительно улучшен. Кроме того, если отверстие 310, в которое вставляется электрод, расплавлено во льду, образовавшаяся при замерзании вода закрепляет электрод и полностью интегрируется в окружающий лед.

Отметим, что отверстия могут (или не могут) быть снабжены опалубкой из плотного материала для устранения потери воды из отверстия. Такая опалубка может быть особенно желательной, когда разведка проводится на земле и, например, там, где ближайшая поверхность является относительно неплотной (например, суглинок, валунная глина, песок и т.д.). В таком варианте предпочтительно опалубка должна быть, по меньшей мере, в достаточной мере водонепроницаемой и в достаточной мере токопроводящей, чтобы способствовать прохождению сигнала от электрода или через электрод.

После заполнения отверстий с водой (замерзшей или нет, пресноводной или соленой и т.д.) или другой жидкостью и контакт электродов с регистрирующими приборами должен быть фактически столь же хорошим, как это имеет место в случае морского электромагнитного зондирования с контролируемым по времени источником (t-CSEM).

После того как электроды помещены в отверстия, электрическая энергия будет введена в них и, далее, в подповерхностный слой. Как, в основном, показано на фигуре 3, будет получен обратный сигнал (через подповерхностные пути распространения сигнала) в электродах, размещенных на определенном расстоянии от источника. Предполагается, что полученные данные, будут затем обработаны с учетом отражения сигнала от нижнего слоя массы воды.

Предпочтительно настоящий способ использует данные электромагнитной разведки, которые получены по методикам электромагнитного зондирования с контролируемым источником (CSEM) (и, в частности, данные электромагнитного зондирования с контролируемым по времени источником (t-CSEM)). Специалисты в данной области техники понимают, что многие другие способы получения данных электромагнитной разведки могут извлечь выгоду из улучшенного контакта, предоставляемого в соответствии с настоящим изобретением.

Согласно еще цели настоящего изобретения оно обеспечивает способ осуществления морской магнитной геофизической разведки, при которой используется обычная наземная технология. В предпочтительном варианте геофизическая разведка поверхности проводится после замерзания массы воды. В частности, токовые контуры развертываются на льду, и сигналы, распространяющиеся по путям под поверхностью льда, принимаются другими токовыми контурами, расположенными на определенном расстоянии от источников. Как уже было отмечено выше, основная идея состоит в том, чтобы проводить морскую разведку без необходимости использования буксира, размещения, извлечения приемников на дне и их последующего извлечения и т.д. Вместо этого осуществляется обычная магнитная разведка наземного типа на поверхности льда во время холодной погоды после того, как поверхность массы воды замерзнет.

Заключение

В заключение отметим, что настоящий изобретательский подход впервые позволяет собрать качественные данные морской электромагнитной разведки, используя усовершенствованные наземные методики на замерзшей поверхности воды. Далее, раскрытые здесь способы позволяют получить качественные данные на берегу, на поверхностях, которые традиционно имеют такой плохой контакт с электродами, что серьезно страдает качество сигнала.

Следует отметить, что, хотя настоящее изобретение хорошо удовлетворяет требованиям электромагнитного зондирования с контролируемым источником CSEM в Арктике, эти же самые способы могут также с успехом применяться в областях с более умеренным климатом. Таким образом, настоящее изобретение лучше всего подходит для разведки, оценки, разработки и подтверждения месторождений углеводородов при контактных измерениях поверхности, покрытой льдом или снегом, включая вечную мерзлоту, которые простирается на поверхности или под поверхностью. В дальнейшем изобретение может быть использовано, например, для исследования паковых льдов Арктики, под которыми могут находиться ресурсы углеводородов. Также следует отметить, что когда в описании и формуле настоящего изобретения используется термин "поверхность земли", этот термин нужно понимать расширительно в том смысле, что он включает и землю, и морскую среду, покрытую льдом. Кроме того, термин "морской лед", как он используется здесь, относится ко льду, который сформировался из массы воды, является ли эта масса воды внутренней или океанической, соленой или пресной.

Хотя изобретение было описано и показано на чертежах в отношении определенных предпочтительных вариантов, специалистам понятно, что могут быть сделаны различные изменения и дальнейшие модификации предложенных здесь устройств, не выходя из духа и объема изобретения, которое определяется приведенной ниже формулой изобретения.