СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СЕЙСМОВОЛН Российский патент 2000 года по МПК G01V1/02 

Изобретение относится к сейсморазведке и может найти применение при зондировании литосферы на нефть, газ, а также при противодействии гидроакустическим средствам.

Эффективная генерации сверхнизких сейсмических волн представляется сложной технической задачей: см., например, "Геофизические методы мониторинга природных сред", научный сборник АНСССР, М., 1991 г., институт общей физики, стр. 267-261.

Известен способ вибросейсморазведки в диапазоне десятков Гц, согласно которому для обеспечения синфазности излучения применяют группирование сейсмоисточников, режим которых определяется программой (см., например, патент США N 4.004.481, 1977 г., кл. G 01 V, 1/00 - аналог). Однако для управления группой вибраторов необходима система их синхронизации, причем ее использование не гарантирует точного управления суммарным волновым полем, т.к. в каждом случае нельзя учесть параметры грунтов, влияющих на параметры сейсмических волн. Известен способ введения зондирующего сигнала в грунт посредством вибрации массивной платформы, находящейся в контакте с грунтом в течение всего времени генерации колебаний (см., например, "Промышленные модули низкочастотного вибратора "Коноко" (LFV) в книге К.Уотерс "Отражательная сейсмология", перевод с англ. -М. : Мир, 1981 г., стр. 103-109, Система "Вибросейс" - аналог). Недостатками аналога являются:
- ограничения по частотному диапазону,
- сложность реализации системы механической фазовой компенсации между движением платформы и свип-генератором.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является способ возбуждения вещества путем воздействия на него слабым электромагнитным полем (см., например, "Методы создания инверсии населенностей", Рубиновый лазер, в книге Большая советская энциклопедия, т.14, изд-во Сов. энц. 1973 г., стр. 107 - ближайший аналог).

В способе ближайшего аналога:
- выбирают активную среду, кристаллы розового рубина (Al₂O₃) с примесью ионов хрома (Gr⁺),
- воздействуют на среду электромагнитным полем в области синего, зеленого света от газоразрядной лампы вспышки,
- выделяют собственное излучение рубина, используя объемный резонатор открытого типа.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- ограничения по частотному диапазону областью видимого или ИК-излучения;
- невозможность непосредственного использования способа для генерации волновых колебаний иного рода, чем электромагнитные волны.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении генерации инфранизких упругих волн релаксирующими породами, насыщенными углеводородами, путем накачки их механическими виброволнами.

Поставленная задача решается тем, что в способе генерации сейсмоволн, при котором выбирают вещество с примесными включениями составляющих, осуществляют накачку вещества внешним полем, выделяют собственное излучение вещества в объемном резонаторе, дополнительно создают подземное хранилище углеводородов, переводят углеводородное вещество избыточным давлением в напряженно-равновесное состояние, воздействуют на него внешним виброволновым полем в полосе аномально-диссипативного поглощения виброволн, регулируют генерируемую частоту изменением величины избыточного давления.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет реализовать такие новые свойства заявляемого решения, как:
- техническую скрытность при гидроакустическом противодействии;
- достоверность разведки куполов нефтегазовых месторождений при их резонансном облучении,
- возможность генерации синфазных упругих волн.

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого технического решения, и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Распространение упругих волн в твердых и жидких телах связано с диссипацией или поглощением их энергии на "внутреннее" трение. Газоносные формации, при определенных параметрах зондирующих сигналов, обнаруживают аномально высокие коэффициенты диссипации. Наблюдается корреляционная зависимость между аномальным поглощением виброволн и наличием нефти и газа на трассе их распространения (см. , например, К.Уотерс, "Отражательная сейсмология", перевод с англ. -М.: Мир, 1981 г., стр. 244).

Углеводородная залежь - объект высокой концентрации напряжений. По своему химическому составу естественные углеводороды ближе к полимерам, имеющим длинноцепочечное строение молекул. В напряженном состоянии, обусловленном высоким давлением, а также при наличии примесных включений, происходит уширение и взаимное перекрытие разрешенных энергетических уровней микрочастиц залежи. Это означает, что в спектрах излучения и поглощения энергии напряженных углеводородов, связанных условиями геологической среды месторождений, преобладают линии низкочастотных спектров. Воздействие на залежь слабого внешнего волнового поля, в полосе частот аномального диссипативного поглощения энергии виброволн, приводит к отклонению системы от равновесного состояния. Под воздействием механической вибрации углеводородная залежь переходит в возбужденное состояние, что приводит к релаксационным колебаниям системы в целом (см. , например, Большая Советская Энциклопедия, 1978 г., "Релаксация", т. 21, стр. 621-623).

Как и в полимерах, колебательные процессы, обусловленные длинноцепочечным строением вещества, носят надмолекулярный характер. Собственное излучение инфранизких волн углеводородной залежью зарегистрировано на десятках промышленных месторождениях, на различных глубинах залегания в диапазоне от 0,7 до 5,5 км при их зондировании серийными вибраторами типа CB-51/ /150, CB-10/100. При этом уровень собственного излучения превосходит уровень сейсмического фона более чем на порядок. Результаты экспериментальных измерений инфранизких волн различных залежей, полученных в ходе полевых геологоразведочных работ за период 1992...1997 гг., сведены в табл. 1 (см., например, Отчет по НИР N A-3/94, "O результатах опытно-методических работ" по разработке теоретических основ, аппаратуры, технологии применения программных средств обработки и методики интерпретации данных низкочастотной акустической разведки", Комитет по использованию недр Оренбургской обл., НПП "Анчар", г. Оренбург 1996 г.).

Полоса частот генерируемых колебаний зависит от пластикового давления. Чем выше пластовое давление, тем выше средняя температура равновесного состояния вещества и выше излучаемая частота. Диапазон генерируемых частот отечественных месторождений составляет от 2,1 до 4,5 Гц.

Для выявления скрытых закономерностей между микропоказателями квантовых переходов частиц вещества и макрохарактеристиками процесса генерации инфраволн использованы данные табл. 1 при условии, что в исходном состоянии система находилась в термодинамическом равновесии. Распределение частиц вещества по энергетическим уровням для равновесных термодинамических процессов подчиняется статистике Больцмана. Вероятность P(m, n.) перехода таких систем из равновесного в возбужденное состояние характеризуется функцией вида:

где T - среднее время жизни частицы в возбужденном состоянии;
D - эквивалентный дипольный момент взаимодействия поля с веществом;
Δω - эффективная ширина полосы взаимодействия поля с веществом Δω = ω_н-ω_г;
ω_н - частота внешнего виброполя накачки;
ω_г - собственная частота генерируемых колебаний залежью.

Как всякую резонансную систему, углеводородную залежь можно характеризовать временем установления τ_уст (затухания) колебаний. Процесс установления (затухания) колебаний иллюстрируется фиг. 1. Для резонансной системы справедливо соотношение:

Приравнивая время установления к времени релаксации, вычислено, что качество углеводородной залежи как резонансной системы составляет 6...15.

Поскольку время жизни частиц (T) в возбужденном состоянии является случайным, а вероятности квантовых переходов с нижнего уровня на верхний и обратно равны (R_m,n = P_n,m), то время релаксации УВ после отключения источника накачки следует принимать равным интервалу распределения этом случайной величины. Из фактически зарегистрированных данных (табл. 1), время релаксационных колебаний по различным месторождениям составляет 5-8 с. Релаксационные процессы подчиняются экспоненциальному закону распределения вероятностей:

Функция распределения W(t) времени жизни частиц в возбужденном состоянии представлена графиком фиг. 1. Из экспоненциальной зависимости W(t), с вероятностью близкой к единице (P = 0,995), следует, что среднее время жизни частиц в возбужденном состоянии составляет T∈ [0,55...0,95] с. Тогда расчетная эффективная полоса взаимодействия внешнего поля накачки с углеводородной залежью по всему исследованному классу отечественных месторождений составит на уровне 0,5 от max от 2 до 3,5 Гц, на уровне 0,1 от max 10...17,5 Гц. График функции взаимодействия P_m,n (T) для различных начальных условий напряженно-равновесного состояния иллюстрируется фиг. 2.

Изменяя начальные условия напряженно-равновесного состояния: давление в хранилище, состав компонентов (нефть, газ, конденсат), минерализацию вещества, регулируют собственную частоту генерируемых колебаний.

Пример реализации.

Заявляемый способ может быть реализован на базе средства по схеме фиг. 3. Устройство, реализующее способ, содержит подземное хранилище (объемный резонатор) 1 с закаченным в него углеводородным веществом 2 через скважину 3 под давлением турбонасосного агрегата 4 от продуктопровода 5. Вибровозбуждение вещества осуществляется от серийного поверхностного вибратора 6 типа CB-5/150. В качестве средства регулирования давления в хранилище 1 путем закачки или откачки углеводородного вещества и с одновременным контролем величины создаваемого давления используют промышленные установки типа турбонасосных агрегатов 4, выполненных по схеме (см., например, "Космонавтика", энциклопедия под редакцией В.П.Глушко, Сов. энц., М., 1965 г., Турбонасосный агрегат, стр. 409-410). Энергия собственных упругих колебаний, возникающих в хранилище, как в объемном резонаторе открытого типа, через стенки хранилища передается прилегающим породам 7 и распространяется от источника (хранилища) по сферическому закону. Производительность акустического источника определяется площадью излучающей сферы и скоростью колебаний. Таким образом, излучаемая мощность связана с массой возбужденного вещества и площадью поверхности хранилища. Для повышения эффективности накачки целесообразно использовать виброисточник, помещаемый непосредственно в вещество хранилища. В качестве виброисточников накачки могут быть применены резинокордорвые оболочки, заполненные жидкостью, газом, находящиеся под пульсирующим давлением (см., например, "Резинокордовые оболочки", в книге "Геофизические методы мониторинга природных сред", АН СССР, научный сборник, М., 1991 г., стр. 296 - 297).

При резонансном возбуждении и качестве углеводородного вещества Q = 10.. . 16 расчетное значение амплитуды генерируемых волн превосходит амплитуду виброволн накачки более чем на порядок.

Использование: сейсморазведка, при зондировании литосферы на нефть, газ, а также при противодействии гидроакустическим средствам. Сущность изобретения: в напряженном состоянии, обусловленном высоким давлением, а также при наличии примесных включений происходит уширение и взаимное перекрытие разрешенных энергетических уровней микрочастиц залежи. Воздействие на залежь слабого внешнего волнового поля, в полосе частот аномального диссипативного поглощения энергии виброволн, приводит к отклонению системы от равновесного состояния. Под воздействием механической вибрации углеводородная залежь переходит в возбужденное состояние, что приводит к релаксационным колебаниям системы в целом. Генерируемую частоту регулируют изменением начальных условий напряженно-равновесного состояния. Технический результат - повышение достоверности сейсморазведки, возможность генерации синфазных упругих волн. 1 табл., 3 ил.

Способ генерации сейсмоволн, при котором выбирают вещество с примесными включениями составляющих, осуществляют накачку вещества внешним полем, выделяют собственные излучения вещества в объемном резонаторе, отличающийся тем, что в качестве объемного резонатора и вещества создают подземное хранилище углеводородов, перед накачкой внешним полем углеводородное вещество переводят избыточным давлением в напряженно-равновесное состояние, воздействуют на него внешним виброволновым полем в полосе аномально-диссипативного поглощения виброволн, при этом генерируемую частоту регулируют изменением величины избыточного давления.