СПОСОБ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ УЧАСТКОВ АНОМАЛЬНОГО ВЫХОДА НА ПОВЕРХНОСТЬ ЛЕТУЧИХ ГАЗОВ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01V11/00 

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов из газохранилищ и нефтегазопроводов, при поиске и контроле эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, обнаружении зон активизации современных движений земной коры, глубинных геодеформационных процессов естественного и техногенного происхождения, при картировании с дневной поверхности объемов закачки и отбора флюида в геологическую среду.

Известен способ определения газортутных аномалий, включающий измерение концентрации радона и ртути на поверхности почвы и на высоте не менее 1 метра от поверхности Земли и суждение о наличии газортутных аномалий (см. а.с. СССР 1402999, кл. G 01 V 9/00, 1988).

Недостатком данного способа является низкая достоверность определения газортутных аномалий.

Известен способ геофизической разведки, включающий выбор точек в исследуемой области, отбор проб воздуха в приземном слое атмосферы, измерение физико-химических характеристик среды и определение статистически достоверных аномалий (см. патент РФ 1764436, кл. G 01 V 9/00, 1993).

Недостатком данного способа является низкая точность и достоверность разведки из-за усредняющего влияния турбулентного перемешивания приземного слоя атмосферы, доминирующего присутствия в пробе атмосферного воздуха, невозможности разделения вкладов глубинных и мелких субвертикальных потоков почвенного воздуха, что особенно важно при необходимости выделения зон газопроявлений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ поиска месторождений, включающий отбор проб из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории и определение в них концентрации компоненты летучего газа. (см. а.с. СССР 996974, кл. G 01 V 9/00, 1983).

Однако данный способ имеет низкую достоверность поиска, т. к. не позволяет разделить степень участия глубинного и мелкого субвертикальных потоков, что особенно важно при работах на аварийных газопроявлениях - грифонообразованиях над скоплениями углеводородов; более того, при необходимости достижения высокого разрешения, лишен оперативности, т.к. требует последующего лабораторного анализа отобранных проб газа.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения эффективности поиска. Техническим результатом является повышение точности и достоверности обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов, а также оперативность получения результата.

Технический результат достигается по первому варианту в способе геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов, включающем отбор проб из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории, определение в каждой выбранной точке напряженности атмосферного электрического поля, определение в отобранных пробах концентрации радона, выделение участков с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых, и вынесение суждения о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона.

О наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках судят при выполнении неравенства

где Е_э - экстремальное значение напряженности атмосферного электрического поля, В/м;
С_Rn.э - экстремальное значение концентрации радона, Бк/л;
Е_ср.фон - среднее значение фоновой напряженности атмосферного электрического поля, В/м;
С_Rn.фон - среднее значение фоновой концентрации радона, Бк/л;
δ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона, (В•л)/(м•Бк).

Отличительными признаками предлагаемого способа по первому варианту являются определение в каждой выбранной точке исследуемой территории напряженности атмосферного электрического поля (АЭП), определение в отобранных пробах концентрации радона, выделение участков с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых, и вынесение суждения о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона. Это позволяет повысить точность и достоверность обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов, являющихся между ними связующим звеном, - накопление радона в приповерхностных слоях грунта и атмосферы идет за счет его транспорта летучими газами; в приповерхностной атмосфере радон является единственным естественным ионизатором воздуха, т.е. основным элементом, определяющим напряженность атмосферного электрического поля. Введенные неравенства позволяют выделить участки измеренных параметров, где их значения отличны от фоновых, и вынести суждение о наличии аномального выхода летучих газов. Кроме того, совпадение участков экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона с участком экстремальных значений их отношений, заданных в неравенстве, повышает точность и достоверность определения участков с аномальным выходом летучих газов.

Технический результат достигается по второму варианту в способе геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов, включающем отбор проб из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории, определение в них концентрации, по меньшей мере, одной компоненты летучего газа, и радона, определение в каждой выбранной точке исследуемой территории напряженности атмосферного электрического поля, выделение участков с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых, и вынесение суждения о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля, концентрации радона и концентрации, по меньшей мере, одной компоненты летучего газа.

О наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках судят при выполнении неравенства

где Е_э - экстремальное значение напряженности атмосферного электрического поля, В/м;
С_Rn.э - экстремальное значение концентрации радона, Бк/л;
С_л.г.э - экстремальное значение концентрации компоненты летучего газа (газов), мГ/л;
Е_ср.фон - среднее значение фоновой напряженности атмосферного электрического поля, В/м,
С_Rn.фон - среднее значение фоновой концентрации радона, Бк/л;
С_л.г.фон - среднее значение фоновой концентрации компоненты летучего газа, мГ/л;
δ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона и фоновой концентрации компоненты летучего газа, (В•л)/[(м•Бк)•(мГ/л)].

Компоненты летучего газа выбирают из ряда: водород, азот, гелий, углекислый газ.

Отличительными признаками предлагаемого способа по второму варианту являются определение в каждой выбранной точке исследуемой территории напряженности атмосферного электрического поля (АЭП), определение в отобранных пробах концентраций по меньшей мере одной компоненты летучего газа и радона, выделение участков с результатами измеренных параметров отличными от фоновых и вынесение суждения о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля, концентрации радона и концентрации по меньшей мере одной компоненты летучего газа.

Это позволяет повысить точность и достоверность обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов: глубинный субвертикальный поток летучих газов обеспечивает накопление радона в приповерхностных слоях грунта и его вынос в приземную атмосферу, ионизация которой, а соответственно атмосферное электрическое поле, определяет транспортируемый в приземную атмосферу летучими газами радон.

При необходимости, возможно дальнейшее увеличение точности и достоверности выделения участков аномального выхода на поверхности летучих газов. Для этого необходимо использовать результатов измерений 2-х и более летучих газов.

Введенные неравенства с отношениями двух и трех параметров позволяют выделить участки, где их измеренные значения отличны от фоновых - точность и достоверность увеличивается за счет совпадения участков экстремальных значений отношений для двух и трех параметров. Более того, перепад амплитуд в точках с экстремальными и фоновыми значениями во введенных отношениях будет расти с ростом количества параметров, используемых в отношениях.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - изменения напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона (по первому варианту), на фиг.2 - изменения отношения напряженности атмосферного электрического поля к концентрации радона (по первому варианту), на фиг.3 - изменения напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона (по второму варианту), на фиг.4 - изменения напряженности атмосферного электрического поля и концентрации компоненты летучего газа водорода (по второму варианту), на фиг.5 - изменения отношения напряженности атмосферного электрического поля к концентрации радона (по второму варианту), на фиг.6 - изменения отношения напряженности атмосферного электрического поля к концентрации радона и к концентрации компоненты летучего газа - водорода (по второму варианту).

Предлагаемый по первому варианту способ геофизического обнаружения участков выхода на поверхность летучих газов осуществляется следующим образом.

Отбирают пробы из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории. Определяют в отобранных пробах концентрацию радона, а в каждой выбранной точке исследуемой территории определяют напряженность атмосферного электрического поля (АЭП). Выделяют участки с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых. Выносят суждение о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона. О наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках судят при выполнении неравенства

где Е_э - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
С_Rn.э - экстремальная концентрация радона, Бк/л;
Е_ср.фон - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
С_Rn.фон - средняя концентрация радона, Бк/л;
δ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона, (В•л)/(м•Бк).

Пример 1
Исследованию подвергалась территория над нефтяной залежью общей площадью ~ 18 км². На территории по линии общей протяженностью 2800 м выбирались 29 точек измерений с шагом 100 м.

В каждой выбранной точке исследуемой территории отбирались пробы почвенного воздуха из приповерхностного слоя из шурфов глубиной 0,6 м, в которых оперативно измерялась концентрация радона. Измерения выполнялись с использованием серийного радиометра РГА-01. Для уменьшения ошибки измерений, каждая проба анализировась 4 раза в рабочей камере измерительного инструмента.

Одновременно по линейному профилю, соединяющему все выбранные точки исследуемой территории, измерялась напряженность атмосферного электрического поля. Измерения выполнялись с использованием датчика "Поле-2", установленного на автотранспортное средство. Для повышения достоверности результатов измерений напряженность атмосферного электрического поля в каждой выбранной точке исследуемой территории усреднялась по результатам четырех последовательных измерений. Усредненные результаты измерений двух параметров представлены на фиг.1.

Из анализа изменений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона фиг.1, данные на участке точек измерений 3-8 были признаны отличными от фоновых. Выделенный участок может охватывать один или несколько точек с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых. В случае охвата участком нескольких точек, определяют среднее значение измеренных параметров.

Средние значения параметров Е_э=113,3 В/м, С_Rn.э=3.7 Бк/л, их отношение Е_э/С_Rn.э=31,8 (В•л)/(м•Бк) были признаны экстремальными.

Данные измерений на участках 1-2 и 9-29 были признаны фоновыми. Среднее фоновое значение параметров Е_фон=231,4 В/м, С_Rn.фон=2.8 Бк/л, их отношение Е_фон/С_Rn.фон= 83.8 (В•л)/(м•Бк), среднеквадратичное отклонение отношения δ= 10,5 (В•л)/(м•Бк). (В•л)/(м•Бк), что больше (В•л)/(м•Бк).

На выделенном участке имеет место аномальный выход на поверхность летучих газов. Его причина - субвертикальный шлейф газов над нефтяной залежью.

Предлагаемый по второму варианту способ геофизического обнаружения участков выхода на поверхность летучих газов осуществляется следующим образом.

Отбирают пробы из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории и определяют в них концентрации по меньшей мере одной компоненты летучего газа и концентрацию радона. В каждой выбранной точке исследуемой территории определяют напряженность атмосферного электрического поля. Выделяют участки с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых. Выносят суждение о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля, концентрации радона и концентрации по меньшей мере одной компоненты летучего газа. О наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках судят при выполнении неравенства

где E_э - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
С_Rn.э - экстремальная концентрация радона, Бк/л;
С_л.г.э - экстремальная концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;
Е_ср.фон - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
С_Rn.фон - средняя фоновая концентрация радона, Бк/л;
С_л.г.фон - средняя фоновая концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;
δ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона и фоновой концентрации компоненты летучего газа, (В•л)/[(м•Бк)•(мГ/л)].

Компоненты летучего газа выбирают из ряда: водород, азот, гелий, углекислый газ.

Пример 2
Исследованию подвергалась территория подземного хранилища газа общей площадью ~25 км². На территории по линии общей протяженностью 1300 м выбирались 27 точек измерений с шагом 50 м.

В каждой выбранной точке исследуемой территории отбирались пробы почвенного воздуха из приповерхностного слоя из шурфов глубиной 0.6 м, которые последовательно закачивались в рабочие камеры датчиков радона и водорода. Концентрация радона в пробе измерялась с использованием серийного радиометра РГА-01. Для уменьшения ошибки измерений, каждая проба анализировась 4 раза в рабочей камере измерительного инструмента. Концентрация компоненты летучего газа - водорода измерялась прибором ВСГ-01; для уравнивания ошибок измерений концентраций радона и водорода прибором ВСГ-01 анализировались 2 пробы.

По линейному профилю, соединяющему все выбранные точки исследуемой территории измерялась напряженность атмосферного электрического поля. Измерения выполнялись с использованием датчика "Поле-2", установленного на автотранспортное средство. Для повышения достоверности результатов измерений напряженность атмосферного электрического поля на каждой точке измерений рассчитывалась по результатам четырех последовательных наблюдений.

Усредненные результаты измерений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона на 27 точках измерений представлены на фиг. 3; усредненные результаты измерений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации водорода - на фиг.4.

Из анализа вариаций напряженности атмосферного электрического поля, объемной концентрации радона и водорода - фиг.3, 4, - данные на участке точек измерений 19-21 были признаны экстремальными. Экстремальные значения объемной концентрации водорода наблюдались на точках измерения 18-20.

Переход к отношениям Е_фон/С_Rn.фон и Е_фон/(С_Rn.фон С_H.фон) - фиг.5 и 6, - позволяет однозначно отнести аномальный участок к точкам измерений 19-20. Фоновые отношения равны Е_фон/С_Rn.фон=24,1+/-8,5 (В•л)/(м•Бк) и Е_фон/(С_Rn.фон С_Н.фон)= 3,6+/-2,1 (В•л)/(м•Бк %); экстремальные отношения Е_э/С_Rn.э=79,8 (В•л)/(м•Бк) и Е_э /(С_Rn.э С_Н.э)= 19,9 (В•л)/(м•Бк %). (В•л)/(м•Бк), что меньше экстремального значения отношения (В•л)/(м•Бк). (В•л)/[(м• Бк)•(мГ/л)], что меньше экстремального значения отношения (В•л)/[(м•Бк)•(мГ/л)].

На выделенном участке имеет место аномальный выход на поверхность летучих газов. Его причина - мелкий субвертикальный поток метана и гомологов по зоне повышенной трещиноватости в межпокрышечной области подземного хранилища газа.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и достоверность геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов. Использование в комплексе наблюдений такого параметра, как напряженность атмосферного электрического поля, измерения которого производятся с движущегося транспортного средства - скорость движения до 20-30 км/час и зависит только от дорожного покрытия, - резко повышает производительность работ. Напряженность атмосферного электрического поля эффективно использовать в первую очередь, как рекогносцировочный параметр, что позволяет сузить область подлежащих исследованию площадей.

Регистрация результатов измерений напряженности атмосферного электрического поля ведется непрерывно, что исключает возможность пропуска участка аномального выхода на поверхность летучих газов. Непосредственная запись сигнала на ПЭВМ, даже при последующем ручном введении в нее данных измерения газовых параметров, позволяет иметь окончательный результат оперативно, на месте проведения полевых работ. Получение окончательного результата в режиме реального времени повышает эффективность использования комплекса, особенно при работах в аварийных ситуациях - при спонтанных газопроявлениях (грифонах) на территориях подземных хранилищ газа и месторождениях, утечках на газопроводах и т.д.

В комплексе атмосферно-электрических и газовых наблюдений для геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов используется аппаратурный парк только серийного отечественного производства. Мобильность и автономность - все измерительные инструменты имеют аккумуляторное питание, в том числе и от бортовой сети автомобиля, - гарантирует быструю переброску комплекса по объекту исследований, бесперебойную эксплуатацию даже в труднодоступных районах.

Использование: при поиске и контроле эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, обнаружении зон активизации современных движений земной коры, глубинных геодеформационных процессов естественного и техногенного происхождения, при картировании с дневной поверхности объемов закачки и отбора флюида в геологическую среду. Сущность: по первому варианту отбирают пробы из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории. Определяют в отобранных пробах концентрацию радона, а в каждой выбранной точке исследуемой территории определяют напряженность атмосферного электрического поля (АЭП). Выделяют участки с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых. Выносят суждение о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона. По второму варианту отбирают пробы из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории и определяют в них концентрации по меньшей мере одной компоненты летучего газа и концентрацию радона. Выносят суждение о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля, концентрации радона и концентрации по меньшей мере одной компоненты летучего газа. Технический результат: повышение эффективности поиска. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов, включающий отбор проб из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории и определение концентрации, отличающийся тем, что в каждой выбранной точке исследуемой территории определяют напряженность атмосферного электрического поля, а в отобранных пробах определяют концентрацию радона, выделяют участки с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых, и выносят суждение о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках судят при выполнении неравенства

где Е_э - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

C_Rn.э - экстремальная концентрация радона, Бк/л;

Е_ср.фон - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

C_Rn.фон - средняя фоновая концентрация радона, Бк/л;

δ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона, (В л)/(м Бк).

или

где Е_э - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

С_Rn.э - экстремальная концентрация радона, Бк/л;

С_л.г.э - экстремальная концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;

Е_ср.фон - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

С_Rn.фон - средняя фоновая концентрация радона, Бк/л;

С_л.г.фон - средняя фоновая концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;

δ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона и фоновой концентрации компоненты летучего газа, В л/м Бк мГ/л;