СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01V3/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для формирования изображения подповерхностных удельных сопротивлений.

Предшествующий уровень техники

Обычно разведка углеводородов использует различные геофизические способы для обнаружения присутствия углеводородов в естественных пустотах скальных пород (измеряемых как "пористость") или для картографирования структурных особенностей в исследуемом пласте, которые способны удерживать углеводороды.

Для того чтобы геофизическим способом картографировать пласт, содержащий углеводороды, последний должен обладать контрастом физического свойства, на который реагирует геофизический способ. Например, сейсмические волны отражаются от поверхностей раздела между типами скальных пород, которые имеют различный сейсмический импеданс (произведение скорости и плотности). Скорости сейсмических волн, распространяющихся в среде, зависят, главным образом, от упругой постоянной и плотности среды (например, скальных пород). Плотность среды в свою очередь зависит от пористости и содержания флюидов. Скорость сейсмической волны чувствительна к пористости, но не чувствительна к типу флюида в порах, хотя она чувствительна к присутствию газа.

Электропроводность (σ), или ее обратная величина, удельное сопротивление, (ρ), являются физическим свойством, которое может быть измерено электрическими или электромагнитными (ЭМ) способами. Удельное сопротивление скальной породы сильно зависит от удельного сопротивления флюида в порах и даже еще сильнее от пористости скальной породы. Обычно соляной раствор в осадочной породе бывает в высокой степени проводимым. Присутствие соляного раствора в массе породы придает породе проводимость. Углеводороды являются не электропроводными. Следовательно, когда присутствуют углеводороды, объемное удельное сопротивление скальных пород снижается. В общем случае, различные породы в заданном осадочном срезе имеют различные пористости, так что даже в отсутствие углеводородов может быть определена информация об осадочном срезе. Комбинация сейсмических данных и данных удельного сопротивления полезна в оценке содержания углеводородов.

Удельное сопротивление обычно измеряется с помощью источника постоянного тока, который инжектирует ток в землю, или с помощью изменяющихся во времени низкочастотных полей. Первые токи удовлетворяют уравнению Лапласа, а последние удовлетворяют уравнению диффузии. Описанные здесь электромагнитные способы могут использовать постоянный ток и/или поля диффузии.

Диффузия изменяющихся во времени электрических и магнитных полей в проводнике в своей основе является проявлением индукции. В ЭМ измерениях через пласт пропускают ток и затем измеряют падение напряжения, создаваемое током. Либо можно измерить магнитное поле, созданное индуцированным током. Протекание токов в пластах может быть вызвано посредством инжекции с использованием контактных электродов. Источник инжекции тока формирует отклик постоянного тока. Альтернативно, протекание токов в пластах может быть вызвано с использованием индуктивного источника посредством создания изменяющегося во времени магнитного поля, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) или напряжение в проводнике (например, земном пласте) согласно закону Фарадея. Индуцированная ЭДС или напряжение в свою очередь возбуждают вторичный ток (вихревой ток или ток Фарадея), величина которого зависит от проводимости проводника (например, земного пласта). Таким образом, измеряя величину индуцированного тока или обусловленных им вторичных магнитных полей, можно вывести проводимость земного пласта. Другие важные источники для индуцирования протекания токов в земном пласте представляют собой естественные электромагнитные поля. Настоящее изобретение относится к способам для использования указанных источников/полей для определения удельных сопротивлений в заданном геологическом срезе в пластах.

Для пояснения настоящего изобретения требуется описание уровня техники, к которой относится изобретение.

Сейсмический анализ

Как отмечалось выше, сейсмические способы можно использовать для разведки углеводородов, расположенных в земных пластах. Указанные способы включают излучение сейсмических волн в земные пласты и прием отраженных и/или дифрагированных сейсмических волн из земных пластов. Акустические волны отражаются от поверхностей раздела между различными типами скальных пород с различными несходными сейсмическими импедансами. Скорости отраженных или дифрагированных сейсмических волн зависят от плотностей скальных пород, которые отчасти обусловлены пористостями и содержанием флюидов скальных пород. Однако скорости отраженных или дифрагированных сейсмических волн нечувствительны к типу (например, вода или нефть) флюидов в порах, за исключением случая присутствия газа. Таким образом, сейсмические способы полезны для картографирования поверхностей раздела между различными типами скальных пород.

Фиг.1 изображает типичную схему проведения морской сейсморазведки. Сейсмическое судно (1) буксирует один или более кабелей (3) сейсмических источников над множеством кабелей (7) сейсмических приемников. Кабели (3) сейсмических источников имеют ряд источников (5) для формирования волн давления, а кабели (7) сейсмических приемников имеют ряд приемников для обнаружения отраженных или дифрагированных сейсмических волн. Сейсморазведка выполняется путем посылки волн давления вниз к морскому дну (11) и в подводные пласты. Затем сейсмические волны, которые отражаются или дифрагируют от подводных пластов, регистрируются приемниками (9), которые находятся в непосредственным контакте с морским дном (11). С каждой волной давления решетка приемников (9) на кабеле (7) сейсмических приемников регистрирует картину отражения и дифракции. Обычно при сейсморазведке выполняется несколько измерений картин отражения и дифракции. Затем указанные измерения используются для картографирования геологических пластов, имеющих слои породы и разломы, и т.д.

Системы сейсмических кабелей хорошо разработаны и содержат большинство необходимых технических средств для развертывания и позиционирования. Кроме того, разработаны твердые морские соединители, способные работать на больших глубинах в суровой морской среде, а также имеются современные сейсмические кабели больших длин (например, 6 км или длиннее). На сейсмических кабелях обычно закрепляется набор приемников, разнесенных на расстояние десятков или сотен метров. Таким образом, в сейсморазведке современный сейсмический кабель способен получать данные разведки в пределах обширной территории. Это свойство сейсмических кабелей может быть использовано для обеспечения других типов измерений (например, ЭМ измерений).

Удельное сопротивление по постоянному току

Основополагающая концепция в измерении удельного сопротивления пласта состоит в обеспечении протекания тока в пласте и затем измерении результирующих значений падения напряжения на разнесенных электродах и измерении магнитных полей, создаваемых током. Первые такие измерения, выполненные братьями Шлюмберже (1934), состояли в инжектировании тока между парой электродов в пласте и в измерении падения напряжения на другой паре. Эта основная концепция до сих пор широко используется в нефтяной промышленности, она известна как способ измерения удельного сопротивления по постоянному току (ПТ способ). В способе измерения удельного сопротивления по постоянному току глубина исследования пропорциональна суммарному разнесению электродов в решетке. Для глубин, превышающих несколько сотен метров, размер решетки становится неосуществимым на практике. Кроме того, во многих применениях обеспечение достаточного тока для большой решетки становится трудным и дорогостоящим.

ПТ способ измерения удельного сопротивления также может быть использован на дне океана, несмотря на присутствие высоко проводящего слоя (морской воды), расположенного над плоскостью измерения. Детектируемые значения падения напряжения в резистивном морском дне малы по сравнению с окружающей морской водой. Тем не менее, вследствие того, что удельное сопротивление морской воды является по существу постоянным, можно точно интерпретировать очень малые изменения в наблюдаемых значениях падения напряжения.

Некоторое затруднение в измерении удельного сопротивления по постоянному току возникает, когда субдно (например, ниже морского дна) является слоистым. В этом случае, для получения информации с больших глубин, необходимо увеличить разнесение между электродами на одной измерительной позиции. Это известно как расширенная решетка, и этот режим сейсморазведки известен в технике как эхо-локация. Если субдонная область является неоднородной, то для получения пространственного распределения удельного сопротивления расширенная решетка должна также перемещаться в поперечном направлении. Реализация такой решетки в материально-техническом отношении затруднительна вследствие того, что для каждого отдельного измерения необходимо перемешать кабели значительной длины.

Соответственно, для эффективного сбора максимального количества информации используется решетка, состоящая из двух относительно коротких диполей с длиной a, разнесенных на целое кратное (n) величины a (то есть na). Полный профиль измерений обычно состоит из набора отсчетов напряжения на последовательных расстояниях в одну сторону (то есть направо) от передатчика. Затем передатчик перемещают на одну длину диполя вправо и получают другой набор значений напряжения. Далее процесс повторяют для перекрытия исследуемой территории. Если позиции регистрации выборок расположены плотно, то данная диполь-дипольная решетка может обеспечить почти ″непрерывный″ охват вдоль исследуемого профиля.

Как отмечалось выше, в ПТ измерениях удельного сопротивления глубина исследования зависит от полного разнесения решетки. Информацию в поперечном направлении получают путем перемещения массива вдоль поверхности. Решетки с малым разнесением, перемещаемые с малыми приращениями, выявляют вариации удельного сопротивления близко к поверхности, в то время как решетки с большим разнесением, перемещаемые с большими приращениями, могут выявлять как приповерхностные, так и более глубоководные изменения. В идеале, чтобы генерировать полную ″картину″ подповерхностного пласта, нужно было бы получить полный набор данных для всех разнесений и всех поперечных положений. Однако фактический сбор данных и анализ для получения распределения удельного сопротивления ограничивается используемыми физическими принципами и практическими соображениями при выполнении измерений (например, разнесение и длина кабеля). Кроме того, при использовании дипольного передатчика плотность тока быстро убывает с расстоянием. Следовательно, может оказаться невозможным измерить возмущения, вызванные неоднородностью вне заданной глубины, вследствие фоновых шумов в приемнике. В идеале для того, чтобы восстановить трехмерное распределение удельного сопротивления грунта, нужно было бы иметь множество передатчиков и приемников, расположенных над поверхностью земли. Кроме исследований, для определения удельного сопротивления мелких глубин, такие решетки токовых и потенциальных электродов являются непрактичными (неэкономичными) на суше, но являются практичными и осуществимыми на морском дне, как описано выше.

Измерения наведенной поляризации (НП), которые тесно связаны с ПТ измерениями, могут быть полезными в скальных породах, содержащих глинозем или металлические минералы, вследствие того, что удельные сопротивления в указанных скальных породах являются комплексными и частотно-зависимыми. Эффект НП обычно наблюдается в случае источника, имеющего частоты в диапазоне 0,01-1000 Гц. Если данные удельного сопротивления получают на частотах в указанном диапазоне, при фоновых проводимостях и с использованием решеток, достаточно малых для того, чтобы эффектами фоновой индукции можно было пренебречь, то эффект НП в естественном залегании может быть определен из измерений, полученных решетками. Исследования НП были использованы в нефтеразведке для обнаружения вкрапленных пиритов, осажденных в некоторых пластах вследствие восстановления химической среды, созданной миграцией вверх метана из нижележащих нефтяных залежей. Измерения НП также могут быть использованы для исследования удельных сопротивлений дна океана. В таком случае используемые частоты должны быть очень низкими, чтобы избежать частотно-зависимых эффектов индукции из находящегося сверху океана. Однако вследствие того, что проводимость океана известна и постоянна, даже если частотно-зависимые эффекты индукции вносят вклад в данные измерения, то они могут быть удалены путем применения коррекции первого порядка.

Земной магнетизм

Метод с использованием земного магнетизма (магнитотеллурический (MT) метод) является методом низкочастотной электромагнитной индукции для определения распределения подповерхностного электрического удельного сопротивления с использованием измерений естественно возникающих магнитных и электрических полей на земле или на дне океана. МТ метод является идеальным дополнением к сейсмическим методам в тех областях, в которых трудно осуществить сейсмические методы. В частности, МТ метод является наиболее эффективным в геологических ситуациях, в которых сочетаются скальные породы, имеющие сильно отличающееся электрическое удельное сопротивление. Карбонаты, вулканические породы и соль - все они имеют большие контрасты электрического удельного сопротивления по сравнению с обычными осадочными породами. Следовательно, MT измерение является предпочтительным методом для исследования пластов этих скальных пород.

Вообще говоря, имеется два общеизвестных источника естественных электрических и магнитных полей, которые могут быть использованы в МТ измерениях. Один источник возникает в результате взаимодействий между ионосферой Земли и магнитосферой и потоком плазмы, испускаемым из солнца (известным как солнечный ветер). Второй источник является результатом электромагнитных волн, которые создаются в результате разрядов молний и распространяются в пространстве ионосферы Земли.

Изменение магнитных полей от этих естественных источников индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в земле по закону Фарадея. Индуцированная ЭДС, в свою очередь, возбуждает токи в земле; указанные токи называются теллурическими токами. Поверхностное электрическое поле E, возникающее в результате ЭДС или теллурических токов, может быть измерено как падение напряжения (ΔV) между двумя электродами, вставленными в землю на расстоянии L друг от друга. Тогда поверхностное электрическое поле определяется как E=ΔV/L.

Большое расстояние между естественными источниками электромагнитного излучения и поверхностью земли означает, что электромагнитные излучения достигают поверхности земли как плоские волны. Следовательно, можно предположить, что поверхность земли на большой площади однородно облучается одним и тем же электромагнитным полем, и если почва однородная, то измерения (E или H), выполненные в произвольном положении в пределах большой площади, должны обеспечить одинаковые результаты в отсутствие помех. Такие естественные поля могут являться шумом для ПТ способа или для способов с использованием управляемого источника ЭМ волн, как описано ниже. Таким образом, MT измерение на удаленной опорной позиции может быть использовано для коррекции вклада естественного поля в другие ЭМ измерения.

Как показано на фиг.2, когда падающие поля достигают поверхности земли, некоторые из этих полей передаются в пласт, а некоторые отражаются. Различные составляющие электрического (E) или магнитного (H) полей определяются как:

где и i - запись для комплексного числа=квадратному корню из (-1), ω - частота, измеряемая в радиан/сек, σ - удельная электропроводность в сименс/м, µ - магнитная проницаемость, ε - диэлектрическая проницаемость свободного пространства и z - поверхностный импеданс; E^incident, Н^incident - составляющие падающего электрического и магнитного поля, соответственно; E^reflected, Н^reflected - составляющие отраженного электрического и магнитного поля, соответственно; Е^transmitted, Н^transmitted - составляющие прошедшего электрического и магнитного поля, соответственно.

Анализ связанной с этим физики отражения показывает, что отношение измеренного магнитного поля к ортогональному электрическому полю на поверхности однородного полупространства с удельным сопротивлением (может быть выражено как:

где Z - поверхностный импеданс. Из уравнения (2) удельное сопротивление почвы ρ (или ρ_А в слоистом или неоднородном пласте) может быть получено в виде:

Другое важное свойство полей представляет коэффициент отражения на поверхности земли. Коэффициент отражения для электрического поля равен отношению амплитуды отраженного поля к амплитуде падающего электрического поля и может быть задан как:

Аналогично, коэффициент отражения для магнитного поля задается как:

Вследствие того, что частоты естественных электромагнитных излучений составляют менее 10⁵ Гц, k₀<<k₁ для всех земных пластов. Таким образом, R_E близок к -1, а R_H близок к+1. Вследствие того, что измеренное поле (электрическое или магнитное) на поверхности раздела равно сумме падающей, отраженной и прошедшей энергии, измеренное магнитное поле в основном удваивается, а электрическое поле уменьшается почти до нуля. Следовательно, измеряемое электрическое поле на поверхности земли чувствительно к изменениям удельного сопротивления почвы, тогда как измеряемое магнитное поле нечувствительно к удельному сопротивлению почвы. Ситуация изменяется на противоположную на морском дне вследствие присутствия высокопроводящей морской воды над менее проводящими отложениями ниже нее. На морском дне магнитное поле чувствительно к изменениям удельного сопротивления почвы, тогда как электрическое поле - нет.

Поля плоских волн на поверхности диффундируют в почву с амплитудами, затухающими экспоненциально с глубиной. Низкочастотные волны проникают более глубоко в почву, чем более высокочастотные волны; это эффект глубины проникновения поля. Глубина проникновения, δ, представляет собой глубину, на которой плоская волна затухает до значения 1/е от ее величины на поверхности. Глубина проникновения задается как:

где ρ - удельное сопротивление, а f - частота волн.

Уравнение (6) показывает, что глубина исследования зависит от частоты f - более низкие частоты дают большие глубины проникновения поля, а более высокие частоты дают меньшие глубины проникновения поля. Доступный спектр естественных полей имеет частоты в пределах от 10^-4 Гц до 10⁴ Гц. Указанные естественные поля могут давать глубины исследования от нескольких десятков метров до нескольких десятков километров в типичных геологических пластах. В слоистом полупространстве удельное сопротивление, полученное с использованием вышеприведенной формулы для ρ_А (см. уравнение (3)), приблизительно равно среднему удельному сопротивлению слоев до глубины проникновения поля.

Поверхностный импеданс Z, как показано в уравнении (2), представляет собой инвариантную функцию, определенную свойствами подповерхностных пластов. Вообще говоря, поверхностный импеданс Z представляет собой тензор, который соотносит горизонтальные ортогональные составляющие электрического поля E с теми же составляющими магнитного поля H:

В уравнении (7) каждый элемент (Z_ij) в тензоре импеданса Z соотносится с распределением подповерхностной проводимости. Следовательно, определение элементов тензора обеспечивает, например, проводимость подповерхностных структур в области исследования.

В произвольной точке на поверхности земли тензор импеданса (Z) является однозначно определенным для данного конкретного местоположения. Полное описание распределения подповерхностного удельного сопротивления потребовало бы, чтобы импеданс измерялся по всей поверхности, что является непрактичным в материально-техническом и экономическом отношении. В качестве практичной альтернативы импедансы часто измеряют в позициях, выбранных таким образом, чтобы адекватным образом получать выборки изменяемого удельного сопротивления. К сожалению, указанный подход взятия дискретных выборок является неудовлетворительным, если ближайшая поверхность является в высокой степени неоднородной. Например, неоднородность на ближайшей поверхности могла бы привести к прерывистым электрическим полям, то есть конкретная позиция исследования (позиция взятия выборок) может иметь электрическое поле, смещенное вверх или вниз. Это приводит к статическим сдвигам, которые создают значительные проблемы в интерпретации MT данных. Таким образом, чтобы минимизировать упомянутую проблему, желательно достичь плотного охвата площади исследования в МТ измерениях. К сожалению, плотному охвату на суше часто препятствуют практические проблемы доступа, шумы линии электропитания, жилые массивы и т.д. Интерпретация МТ данных состоит в определении распределения удельного сопротивления в почве, позволяющего получить поверхностные импедансы, согласующиеся с наблюдаемыми импедансами.

МТ измерения обычно выполняются с помощью устройства, изображенного на фиг.2. Устройство по фиг.2 имеет две пары ортогональных электродов (или электрических датчиков) (13) и две пары ортогональных магнитных датчиков (15). Электроды (13) и магнитные датчики (15) измеряют электрические и магнитные поля, соответственно. Указанный тип MT системы обычно основан на акустическом позиционировании в глубоких водах и, таким образом, подвержен влиянию ошибок позиционирования. Кроме того, разнесение между каждой парой электродов (13) на противоположных концах стержня обычно составляет только несколько метров (например, 10 метров или меньше). Такое короткое разнесение обеспечивает короткую длину диполя, которая ограничивает достижимые отношения сигнал/шум (С/Ш), вследствие того, что достижимые отношения С/Ш пропорциональны длине измерительного диполя.

Способы управляемого источника

Электромагнитные способы с управляемым источником (ЭМУИ) обеспечивают практические и теоретические преимущества над ПТ способами измерения удельного сопротивления и МТ способами. Как следует из названия, источник полей в ЭМУИ способе представляет собой передатчик конечного размера, с помощью которого в пластах обеспечивают протекание известного тока посредством подходящего генератора или источника питания. Тот факт, что поле источника известно, отличает ЭМУИ способы от МТ. В МТ измерениях для определения удельного сопротивления почвы имеются только соотношения электрических и магнитных полей. Следовательно, только из одних электрических и магнитных полей можно определить лишь относительные вариации подповерхностной проводимости.

В ЭМУИ системах в качестве управляемого источника магнитного поля обычно используют круговой контур из провода, по которому передается изменяющийся во времени ток. Он создает изменяющееся во времени поле в окружающей среде. Изменяющееся во времени поле, в свою очередь, (по закону Фарадея) формирует ЭДС или напряжение, которые возбуждают токи в почве. Падения напряжения могут быть непосредственно измерены как в ПТ способах удельного сопротивления, так и в МТ способах. Однако обычно измеряются вторичные магнитные поля, создаваемые указанными токами. Затем удельное сопротивление выводится из величины вторичных магнитных полей.

Заземленный электрический диполь также является хорошим источником для электромагнитных (ЭМ) полей, если ток источника изменяется во времени. Токи, инжектированные в пласт таким электрическим диполем, имеют изменяющееся во времени поле, индуцирующее токи Фарадея, которые текут в пласте в дополнение к непосредственно инжектированному току. Преимущество указанного источника состоит в том, что при низких частотах он может использоваться для обычных измерений удельного сопротивления и НП измерений, а на более высоких частотах он может использоваться для ЭМ измерений. Добавленная изменчивость частоты в ЭМУИ способе может быть использована для уменьшения неоднозначности решений, полученных из ПТ измерений.

Тогда как управляемый источник часто описывается в терминах синусоидально изменяющегося поля, что упоминается как представление в частотной области, системы реального поля часто используют ступеньку или импульс поля, что упоминается как представление во временной области. ЭМ системы временной области имеют то преимущество, что вторичные поля измеряются после того, как первичное поле выключено. Если вторичные поля малы, то может оказаться технически затруднительным измерять их в частотной области из-за присутствия намного большего первичного поля. Почти все системы с управляемым источником в настоящее время функционируют во временной области.

Существует несколько теоретических и практических факторов для выбора между способами естественного поля и управляемого источника для любого заданного применения. Основополагающий факт состоит в том, что в неоднородном полупространстве отклик зависит от пространственного изменения падающего поля, а также от его частоты. В МТ падающие поля являются однородными полями с нулевым волновым числом. Хотя неоднородность в пласте может создавать более высокие волновые числа из естественных полей, указанное поле с волновым числом низкого порядка не может обеспечить такой охват, который обеспечивается управляемым источником. Как и в МТ, изменение по пространству в способах с управляемым источником описывается преобразованием Фурье пространственного описания поля.

Другая теоретическая разница между МТ и ЭМУИ способами состоит в том, что в каждом из них берутся отсчеты в различных объемах почвы. Например, в MT способе индуцированные токи представляют собой обширные листоподобные потоки, причем на амплитуды и фазы указанных индуцированных токов оказывают влияние крупномасштабные региональные геологические характеристики. В случае управляемых источников первичное или индуцированное вторичное поле спадает очень быстро при удалении от источника, как и индуцированные токи. Следовательно, измеряемые вторичные поля в ЭМУИ способе чувствительны к объему почвы масштабом того же порядка, что и масштабы конфигурации источник-приемник.

Простой пример обнаружения тонкого резистивного слоя иллюстрирует фундаментальные различия между системами MT и ЭМУИ. Можно показать, что в пределах слоистой почвы, индуцированные токи текут только в плоскостях, параллельных слоям. Резистивный слой подобен большому резистору, параллельному многим малым. Тонкий резистивный слой может создать трудную проблему для МТ измерений, так как он может снизить сигнал до величины, недоступной для обнаружения МТ способом, по мере увеличения удельного сопротивления слоя. В пределах слоя свободного пространства (то есть для бесконечного удельного сопротивления), не может быть обнаружено никакого отклика. Ситуация справедлива для всех чисто индуктивных источников.

Единственный источник, для которого это не справедливо, представляет собой горизонтальный электрический диполь. Как отмечено выше, источник в виде электрического диполя может создавать поля всех частот, включая нулевую частоту (т.е. поле постоянного тока). В пределе постоянного тока, токи в земле текут вертикально. Если присутствует резистивный слой, то токи не могут протекать глубже в срез. В пределе заполненного воздухом слоя (то есть бесконечного удельного сопротивления), ниже этого слоя ток не течет. По мере того как частота электрического диполя увеличивается, эффекты индукции усиливают влияние и обуславливают горизонтальное протекание тока и, в конечном счете, тонкий резистивный слой становится прозрачным. Таким образом, хотя тонкий резистивный слой может создавать проблему для измерений с использованием постоянного тока или низкочастотных источников (например, МТ), он по существу не создает проблем для измерений с использованием высокочастотных источников (например, ЭМУИ). Аналогично, явные различия между MT и ЭМУИ способами возникают между различными конфигурациями в неоднородной почве.

Вообще говоря, ЭМ системы, которые были разработаны до настоящего времени, предназначались прежде всего для эхолокации или профилирования, для определения местоположения дискретных проводников. Эти известные системы были разработаны для работы с использованием стационарного источника с перемещающимися приемниками, стационарных приемников и перемещающегося источника, фиксированной конфигурации передатчик-приемник, перемещаемой над поверхностью, или их комбинаций. Как электрические, так и магнитные поля могут обнаруживаться исходя из электрического или магнитного дипольных источников. Кроме того, можно определять конкретные составляющие поля относительно конкретного направления источника.

На суше выбор системы и особенно выбор измеряемого поля и его направления зависят от физики отклика, а также от того, какие поля являются наиболее чувствительными к ожидаемому распределению подповерхностного удельного сопротивления. Наземный ЭМУИ способ включает задачу внедрения токопроводящих электродов и наличия высокомощных источников тока для возбуждения токов через контакт или заземляющее сопротивление. Для достижения высоких моментов с источником в виде вертикального магнитного диполя (ВМД) требуются большой поверхностный контур и высокий ток. Затраты на создание таких решеток передатчиков на земле оказываются неэкономичными.

Несмотря на эти трудности за последние годы были реализованы различные крупномасштабные низкочастотные системы с мегаваттными источниками питания для глубоких поисково-разведочных работ. Вследствие того, что шум в датчиках магнитного поля сопоставим с шумом естественного поля, единственно возможные точные измерения обеспечивает подавление естественных полей и использование усреднения узкополосного сигнала. В 70-х и 80-х годах в нефтяных поисково-разведочных работах использовались коммерческие системы, использующие в качестве источника большой заземленный электрический диполь. Однако интерпретация подповерхностных особенностей на основе многочисленных измерений с использованием одного большого источника часто приводит к неоднозначностям, которые делают способ бесполезным. Тем не менее, указанные системы доказывают, хотя дорогой ценой, важность широкого пространственного охвата как для передатчиков, так и для приемников.

На отклик ЭМУИ систем на дне океана критически влияет присутствие вышележащего проводящего слоя. Знания, полученные при использовании поверхностных ЭМУИ систем, оказываются неприменимыми, инвертированные граничные условия изменяют чувствительность полей на удельное сопротивление субдна, как и для MT измерений. Описание некоторых из указанных факторов в применении эхолокации приведено, например, в статье Chave, A.D. et al., ″Electrical Exploration Methods for the Seafloor,″ in Electromagnetic Methods in Applied Geophysics, (Nabighian, M.N. Ed.), 02: 931-966, Society of Experimental Geophysics. В этой статье отмечается, что источники в виде горизонтального электрического и горизонтального магнитного диполей (ГМД) являются наилучшими, когда дно является намного более резистивным, чем морская вода, и любой из вертикального магнитного диполя (горизонтальный контур) или горизонтального магнитного диполя является эффективным при малом контрасте с дном. В отличие от ситуации на суше, ГМД источник может создавать вертикальную составляющую тока, которая является чувствительной к резистивным слоям.

Главным фактором, учитываемым при проектировании морской ЭМУИ системы, является предполагаемая глубина поисково-разведочных работ и, следовательно, заданные разнесения и ширина полосы частот. Отклик почвы на любой индуктивный источник зависит от частоты источника. Таким образом, если для зондирования заданной глубины используются низкие частоты, то измеряемые вторичные поля будут очень малыми. Для получения полезных данных момент источника, т.е. произведение тока, числа витков и площади контура для магнитного ″диполя″, или произведение тока и длины для электрического диполя должны быть большими, а усреднение сигнала также должно быть большим.

В морских применениях некоторые из преимуществ способов с управляемым источником могут быть реализованы без ограничений наземных систем. Морские электромагнитные исследования, использующие буксируемый источник в виде электрического диполя, являются практичными из-за того, что мощный источник относительно прост в реализации и удобен при буксировке над дном для обеспечения широкого пространственного охвата. В условиях, когда вес не обусловливает серьезных ограничений, для использования ГМД систем также возможно построить длинный соленоидный магнитный диполь.

Интерпретация

Для всех описанных систем (измерения удельного сопротивления на ПТ, НП, МТ и ЭМУИ) интерпретация данных сейсморазведки состоит в определении распределения электропроводности, которое объясняет наблюдаемые данные. Различные системы по-разному реагируют на заданное распределение проводимости, поскольку каждая из этих систем использует различный источник, который в свою очередь создает различное вторичное поле и, следовательно, различный отклик. Вследствие того, что каждая из указанных систем формирует различные отклики на заданное распределение проводимости, объединение данных, полученных с этими различными системами, обеспечит более точное описание распределения проводимости.

Во всех описанных здесь системах отклики зависят от формы или пространственной конфигурации созданного поля. В случае индуктивных способов (MT и ЭМУИ) отклики зависят также от частоты источника, тогда как в случае ПТ способа отклики зависят от относительного положения и разнесения токопроводящих электродов. Идеально было бы измерять отклик во всех точках на дне океана, потому что конфигурация токов на морском дне определяет амплитуду и структуру электрических полей, измеряемых приемными электродами (данные). Повторные измерения с использованием различных источников дают лучшую информацию о распределении подповерхностной проводимости, потому что отклики изменяются при использовании различных конфигураций токов, формируемых различными источниками. Таким образом, различные измерения, использующие различные источники, подобны освещению подповерхностной области различными токами.

Однако на суше не практично непрерывно измерять электрическое поле (например, с большим количеством плотно скомпонованных точек получения дискретных отсчетов), а также не практично непрерывно перемещать передающие электроды, как было бы необходимо, если бы подповерхностная область ″освещалась″ всеми возможными конфигурациями инжектированных токов.

Вследствие трудностей в получении данных разведки с непрерывным охватом на суше способы уровня техники используют дискретные решетки, в которых электроды инжекции тока и измерения напряжения разнесены регулярным образом, обычно вдоль профиля. В таких решетках разнесение электродов упоминается как интервал дискретных отсчетов. Поскольку результаты таких измерений получают вдоль профиля, в интерпретации указанных данных обычно используют ограниченные модели подповерхностных проводимостей, в которых предполагается, что подповерхностные проводимости не изменяются в направлении, перпендикулярном линии профиля. Хотя для непрерывного охвата на суше не практично использовать электроды, упорядоченные в плотной компоновке в двухмерной сетке, такие конфигурации осуществимы с использованием описанных здесь морских систем.

В МТ способе поле источника является равномерным; оно не изменяется в пространстве горизонтали. По сравнению с откликами из систем с конечными источниками (ПТ и ЭМУИ), МТ отклик является простым. Единственной переменной в конфигурации решетки является плотность точек дискретных отсчетов для E и H измерений по поверхности (или на морском дне). На суше практически невозможно непрерывно получать дискретные отсчеты E и H по сетке, так как было бы необходимо восстановить полностью детали отклика и, следовательно, получить больше информации о распределении проводимости. С другой стороны, описанная здесь морская система может обеспечить восстановление данных до такой степени, которая до сих пор не была возможна.

ЭМУИ система способна многократно освещать подповерхность из множества положений источников. Кроме того, ЭМУИ система может генерировать индуктивные поля, а также поля постоянного тока. Обладая такими способностями, ЭМУИ система часто может обеспечить лучшую информацию, чем МТ. Преимущество ЭМУИ системы вытекает из того факта, что индуцированные токи переменного источника имеют отличающуюся пространственную конфигурацию, которая не может быть получена из полей ПТ и МТ.

В случае постоянного тока (нулевая частота) отклики зависят только от пространственных конфигураций полей. Наоборот, в случае переменного тока, используемого в индуктивных способах (например, МТ и ЭМУИ), отклики также зависят от частоты переменного тока.

Хотя каждый из указанных способов может обеспечивать информацию относительно подповерхностных проводимостей, желательно иметь способы, которые смогут обеспечить получение более надежной и подробной информации относительно подповерхностных проводимостей.

Сущность изобретения

В одном аспекте настоящее изобретение относится к кабелям, обеспечивающим формирование изображения подповерхностной проводимости, имеющим множество сенсорных модулей и гибкую среду, соединяющую множество сенсорных модулей. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости настоящего изобретения включает в себя множество сенсорных модулей, в котором множество сенсорных модулей являются гибкими и каждый элемент из множества сенсорных модулей разнесен от других на кабеле формирования изображения подповерхностной проводимости на выбранное расстояние; а также гибкую среду, соединяющую множество сенсорных модулей; при этом кабель формирования изображения подповерхностной проводимости является гибким и выполненным с возможностью наматывания на бобину.

В другом аспекте изобретение относится к гибким сенсорным модулям, предназначенным для формирования изображения подповерхностной проводимости. Гибкий сенсорный модуль, соответствующий изобретению, включает в себя гибкий корпус и, по меньшей мере, один датчик, выбранный из группы, состоящей из гибкого электрического датчика, гибкого магнитного датчика и гибкого сейсмического датчика, причем по меньшей мере один датчик заключен в гибкий корпус.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к гибким электрическим датчикам для формирования изображения подповерхностной проводимости. Гибкий электрический датчик изобретения включает в себя гибкий корпус, причем гибкий корпус является водопроницаемым; гибкий электрод, заключенный в гибкий корпус; и наполнитель, заключенный в гибкий корпус.

В другом аспекте изобретение относится к гибким магнитным датчикам для формирования изображения подповерхностной проводимости. Гибкий магнитный датчик, соответствующий изобретению, включает в себя сердечник из магнитопроницаемого материала; множество катушек, намотанных вокруг сердечника; и гибкую оболочку, заключающую сердечник и множество катушек.

В другом аспекте изобретение относится к способу для определения подповерхностной проводимости. Способ, соответствующий изобретению, включает получение результатов опорных электрических и магнитных измерений, причем каждый из результатов опорных электрических и магнитных измерений содержит две ортогональные составляющие; получение результатов множества одновременных электрических и магнитных измерений, причем каждый из результатов множества одновременных электрических и магнитных измерений содержит составляющую того же самого направления, и определение распределения подповерхностной проводимости из результатов опорных электрических и магнитных измерений и из множества результатов однонаправленных электрических и магнитных измерений.

В другом аспекте изобретение относится к способу для определения изображений подповерхностной проводимости. Способ формирования изображения подповерхностной проводимости, соответствующий изобретению, включает получение результатов измерений постоянного тока во множестве местоположений в области исследований, получение первого набора результатов электрических и магнитных измерений из естественных электромагнитных полей во множестве местоположений; получение второго набора результатов электрических и магнитных измерений с использованием управляемых электрических и магнитных источников во множестве местоположений; и определение распределения подповерхностной проводимости из результатов измерений постоянного тока, из первого набора результатов электрических и магнитных измерений и из второго набора результатов электрических и магнитных измерений.

Другие аспекты и преимущества изобретения поясняются в следующем описании и приложенной формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется ниже на конкретных вариантах его воплощения со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 - морская сейсмическая измерительная система, известная из уровня техники,

фиг.2 - МТ измерительное устройство, известное из уровня техники,

фиг.3 - схема кабеля формирования изображения подповерхностной проводимости согласно одному из вариантов воплощения изобретения,

фиг.4 - сенсорный модуль согласно одному из вариантов воплощения изобретения,

фиг.5 - сенсорный модуль согласно другому варианту воплощения изобретения,

фиг.6А - гибкий электрический датчик согласно одному из вариантов воплощения изобретения,

фиг.6В - иллюстрация гибкости электрического датчика, показанного на фиг.6A,

фиг.7А - гибкий магнитный датчик согласно одному из вариантов воплощения изобретения,

фиг.7В - иллюстрация гибкости магнитного датчика, показанного на фиг.7A,

фиг.8 - система формирования изображения подповерхностной проводимости согласно одному из вариантов воплощения изобретения,

фиг.9 - схема формирования изображения подповерхностной проводимости с использованием кабелей для измерения электрических и магнитных полей в одном направлении.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Настоящее изобретение основано на теории и практике вышеописанных способов картографирования распределения электропроводности земных пластов. Настоящее изобретение относится к способам и устройствам, которые используют высокую степень пространственного охвата, чтобы обеспечить информацию о распределении удельного сопротивления. В частности, настоящее изобретение обеспечивает способы, которые могут использоваться в неоднородных пластах. В одном из вариантов воплощения настоящее изобретение обеспечивает измерительную систему, которая использует различные способы измерения удельного сопротивления в одной решетке датчиков для определения удельных сопротивлений земных пластов.

Пространственные конфигурации индуцирования токов или полей и вторичных полей в указанных способах могут быть описаны их пространственными Фурье преобразованиями. Соответственно, распределение подповерхностной проводимости может быть описано суперпозицией пространственных синусоид, известных как волновые числа, которые являются пространственными эквивалентами частот во временной области. С использованием концепции пространственного Фурье преобразования ясно, что максимальная информация о распределении подповерхностной проводимости может быть получена, когда источники обеспечивают как можно больше составляющих волновых чисел, а пространственные дискретные отсчеты откликов обеспечивают измерение как можно большего количества волновых чисел вторичных полей.

В указанном контексте можно понять, что комбинация систем ПТ, МТ (имеющих поле источника с нулевым волновым числом) и ЭМУИ может обеспечить диапазон волновых чисел, находящийся за пределами того, что может обеспечить каждая отдельная система. Математическая формулировка описанной здесь системы состоит в том, что дискретизация отсчетов с высокой плотностью обеспечивает возможность широкополосного восстановления волновых чисел вторичных полей, в то время как множественность типов источников с местоположениями одинаковой плотности обеспечивает беспрецедентные поля источников или волновые числа облучения.

Один из вариантов воплощения объединяет ПТ устройство измерения удельного сопротивления, магнитотеллурическое устройство (МТ) и устройство с управляемым источником (ЭМУИ) в одной измерительной системе/кабеле. Используя такую измерительную систему, можно одновременно получить множество результатов измерений (ПТ, ВП, МТ и ЭМУИ). Способы, соответствующие настоящему изобретению, обеспечивают получение данных от больших решеток приемников и, для ЭМУИ, решеток передатчиков.

Важно, что настоящее изобретение предпочтительным образом использует тот факт, что длинные кабели, например те, которые используются в морской сейсморазведке, могут буксироваться судами по поверхности над дном океана. При оснащении этих кабелей разнесенными электродами и подключенными магнитными датчиками они могут позиционироваться различными способами для обеспечения решеток по существу любого размера. В конкретном варианте воплощения кабель формирования изображения подповерхностной проводимости имеет сенсорные модули в разнесенных местоположениях, имеющие магнитные и/или электрические датчики. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости, соответствующий настоящему изобретению, может быть вытянут над широкой областью, чтобы обеспечить плотный и точный пространственный охват. Как только кабель туго натянулся и занял положение над земным пластом, можно определить точное местоположение каждого электрода электрического диполя или катушки магнитного датчика относительно других электродов или катушек на кабеле.

Кроме того, в указанные кабели могут быть встроены электроды или соленоиды, несущие переменный ток, чтобы обеспечить источники для исследования с управляемым источником. Для того чтобы обеспечить полный по частоте охват, ЭМУИ источники могут возбуждаться частотами в широком диапазоне, включая постоянный ток для электрических диполей. Чтобы достичь необходимой ширины полосы, ЭМУИ системы могут эксплуатироваться в переходном режиме (во временной области) или в частотном режиме (в частотной области). Решетки электрических диполей могут использоваться для измерения НП эффекта в субдонных породах.

Фиг.3 схематично иллюстрирует кабель формирования изображения подповерхностной проводимости согласно одному из вариантов воплощения. На фиг.3 кабель 18 формирования изображения подповерхностной проводимости включает сенсорные модули 21 в разнесенных друг от друга местоположениях, соединенные гибкой средой 23. В предпочтительных вариантах воплощения указанные кабели выполнены на основе сейсмических кабелей или подобных средств. Сейсмические кабели имеют большие длины (обычно 6 км или длиннее) и имеют множество сенсорных модулей на каждом кабеле. Расстояние между смежными сенсорными модулями 21 может находиться в диапазоне от десятков, например 30 метров, до сотен метров. Большие расстояния между сенсорными модулями обеспечивают возможность измерения электрических откликов при длине диполей, составляющей многие десятки или сотни метров. Использование длины диполя 100 метров обеспечило бы усиление отношения сигнал/шум в 10 или более раз по сравнению с обычным электрическим датчиком современных морских систем, показанным на фиг.2, который имеет длину диполя 10 метров или менее. Кроме того, как отмечалось выше, в некоторых вариантах воплощения кабель (18) формирования изображения подповерхностной проводимости также может включать источники электрического и/или магнитного поля, чтобы обеспечить одновременные ПТ, НП, MT и ЭМУИ измерения.

Сенсорный модуль 21 может включать в себя различные типы датчиков. Например, фиг.4 изображает сенсорный модуль 21, который включает электрический датчик 25 и магнитный датчик 27, заключенные во внешней трубе 29. Сенсорный модуль 21 также имеет проводники 31, проходящие через него. Проводники 31 передают через электрические соединения 33 сигналы, обнаруженные датчиками, на станцию обработки (не показана). Фиг.5 изображает другой вариант воплощения сенсорного модуля 21, который дополнительно включает в себя сейсмический датчик 28. С использованием такого датчика можно сейсмическую разведку совместить с индукционно-резистивными исследованиями.

Некоторые варианты воплощения изобретения включают использование гибкого сенсорного модуля 21, выполненного так, что кабель 18 формирования изображения подповерхностной проводимости, показанный на фиг.3, может быть намотан на бобину для обеспечения простоты развертывания. В этих вариантах воплощения внешняя труба 29 может быть сделана из различных гибких материалов типа полиэтилена. Аналогично, электрический датчик 25, магнитный датчик 27 и сейсмический датчик 28 также могут быть изготовлены из гибких материалов.

В уровне техники известны различные сейсмические датчики. Например, сейсмографы используются как в береговой сейсморазведке, так и в сейсморазведке морского дна в открытом море. Гидрофоны, в отличие от сейсмографов, обнаруживают изменения давления, а не перемещение. Сейсмометры записывают сейсмическую энергию в форме перемещения почвы и преобразуют ее в электрический импульс. Все указанные датчики могут использоваться с вариантами воплощения настоящего изобретения.

Фиг.6А изображает электрический датчик 25 согласно одному из вариантов воплощения изобретения, а на фиг.6 В иллюстрируется гибкость такого электрического датчика 25. Электрический датчик 25 включает в себя электрод 41, заключенный в корпус 43, выполненный из гибкого материала и заполненный гибким наполнителем 45. Корпус 43 является водопроницаемым. Например, корпус 43 может представлять собой цилиндрический перфорированный полимерный корпус, заполненный сжатым пенополиуретаном. Корпус 43 закрывается пробками 46, расположенными на торцах цилиндра. Электрод 41 может быть расположен в любом местоположении в пределах корпуса 43 и окружен наполнителем 45. Электрический проводник 47, который передает электрические сигналы, зарегистрированные электродом 41, может выходить из корпуса 43 в любом местоположении. Электрод 41 может представлять собой любой подходящий электрод, известный в уровне техники, например, электрод 41 может представлять собой электрод из серебра/хлорида серебра, погруженный в загущенный (желеобразный) 3-4% раствор KCl. В этом варианте воплощения гель удерживается внутри пористого материала. Хотя можно использовать пористую керамику, она поддается разрушению при ударе. В предпочтительных вариантах воплощения электрод 41 заключен в гибкие пористые материалы, типа полиэтилена высокой плотности с размером пор 40 микрон или тефлона с подходящей пористостью. Хотя фиг.6А и 6 В показывают приведенный для примера электрический датчик, специалистам должно быть понятно, что возможны другие альтернативные структуры. Например, корпус 43 может быть монолитной структурой без торцевых крышек, т.е. пробки 46 являются составными частями корпуса 43.

Фиг.7А изображает магнитный датчик 27 согласно возможному варианту воплощения изобретения, а фиг.7 В иллюстрирует гибкость главных компонентов такого магнитного датчика 27. Магнитный датчик 27 может содержать одну или более катушек 51, установленных на сердечнике 53. В альтернативных вариантах воплощения магнитный датчик 27 может содержать катушки 51 без сердечника. Сердечник 53 может содержать проницаемый гибкий материал, такой как магнитопроницаемый провод. Катушки 51 соединяются последовательно с проводником 55, который выходит из корпуса 59, заключающего катушки 51 и сердечник 53. Структура с множеством катушек 51 обеспечивает гибкость датчика, если сердечник 53 является гибким. С учетом того, что магнитный датчик 27 функционирует на морском дне под большим давлением, корпус 59 может быть скомпенсирован текучей средой 61 (например, маслом). Согласно варианту воплощения изобретения корпус представляет собой цилиндрический полимерный корпус 59, загерметизированный на своих торцах пробками 63. Альтернативно, пробки 63 могут являться составными частями корпуса (59).

Выше описаны примеры электрических датчиков 25 и магнитных датчиков 27, которые могут быть включены в кабель 18 формирования изображения подповерхностной проводимости согласно настоящему изобретению. Альтернативно, указанные кабели можно обеспечивать с портами или разъемами, в которые должны быть подсоединены магнитные или электрические датчики. Затем магнитные и электрические датчики могут быть прикреплены к кабелям перед или во время развертывания кабелей с буксирующего судна. Указанный альтернативный подход имеет преимущество единообразного изготовления кабелей, при этом различные датчики могут быть скомбинированы и настроены в зависимости от выполняемых типов разведки. Указанные датчики могут использоваться для выполнения ПТ измерений, НП измерений, MT измерений и/или ЭМУИ измерений. В зависимости от типов желательных измерений может быть предпочтительным комбинировать и настраивать различные типы датчиков в одном сенсорном модуле или одном кабеле. Специалистам должно быть понятно, что можно также использовать другие типы датчиков. Например, магнитный датчик 27 может содержать либо магниторезистивные датчики, которые включают схемы измерительного моста Уитстона, либо индукционные магнитометры. Кроме того, можно включать более одного типа магнитных датчиков 27 или более одного типа электрических датчиков 25 в один кабель 18 формирования изображения подповерхностной проводимости. Кроме того, сенсорный модуль 21 не обязательно должен включать множество датчиков. Возможны альтернативные конфигурации. Например, кабель 18 формирования изображения подповерхностной проводимости может иметь электрические датчики 25 и магнитные датчики 27, скомпонованные в альтернативном сенсорном модуле 21. В еще одной конфигурации сейсмические датчики могут быть обеспечены в стандартном сейсмическом кабеле, который развертывается рядом с кабелем 18 формирования изображения подповерхностной проводимости, имеющим электрические датчики 25 и магнитные датчики 27. Данная конкретная компоновка может обеспечивать те результаты, что и кабель, имеющий три датчика в одном кабеле или в одном сенсорном модуле (например, фиг.5).

Фиг.8 изображает систему формирования изображения подповерхностной проводимости согласно возможному варианту воплощения изобретения. Кабели 18 формирования изображения подповерхностной проводимости, согласно настоящему изобретению, укладываются рядом для сформирования решетки 71, которая охватывает область исследования на земном пласте 73. Кабели 18 формирования изображения подповерхностной проводимости могут покрывать дно океана или сушу или формировать переходную систему, переходя от суши к морскому дну, как показано на фиг.1. Хотя фиг.8 изображает множество кабелей 18 формирования изображения подповерхностной проводимости, для формирования требуемой решетки 71 можно использовать один кабель формирования изображения подповерхностной проводимости. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения изобретения один или более кабелей 18 формирования изображения подповерхностной проводимости могут располагаться в ортогональных направлениях, чтобы сформировать сетку для измерения электрических или магнитных полей в ортогональных направлениях (например, E_x, E_y, H_x и H_y).

С использованием кабелей 18 формирования изображения подповерхностной проводимости, согласно настоящему изобретению, можно выполнять по существу одновременно измерения множества типов (например, ПТ, ВП, MT и ЭМУИ). Имея результаты измерений множества типов, можно объединить их в одно обратное преобразование для получения изображения подповерхностной проводимости. Результаты множества измерений могут компенсировать недостатки индивидуальных измерений и, следовательно, повысить надежность получаемого решения. Кроме того, большие длины кабелей обеспечивают возможность максимального охвата области исследований для максимальной определенности структуры подповерхностного удельного сопротивления. Как указано выше, широкий охват важен для получения точного распределения подповерхностной проводимости.

Для МТ измерений распределение проводимости в почве может быть определено обратным преобразованием произведения пространственного преобразования наблюдаемого поля и функции волновых чисел в полупространстве и воздухе (или морской воде, в случае разведки морского дна). Имеются специальные соображения при использовании кабеля, соответствующего изобретению, в MT измерениях.

Как показано на фиг.2, известный MT детектор имеет пару ортогональных электрических датчиков 13 и пару ортогональных магнитных датчиков 15. В противоположность этому, все электрические датчики 25 и магнитные датчики 27 кабеля 18 формирования изображения подповерхностной проводимости, соответствующего настоящему изобретению, расположены вдоль направления кабеля. Таким образом, данные кабели формирования изображения подповерхностной проводимости могут измерять только одну составляющую (например, E_x или H_x) электрических или магнитных полей. Однако один или более из этих кабелей могут быть скомпонованы в ортогональных направлениях, чтобы обеспечить измерения ортогональных составляющих (например, E_x и E_y, или H_x и H_y). Даже если результаты измерений получают только в одном направлении (например, E_x или H_x), все равно можно из измерений получить распределение подповерхностной проводимости (см. ниже).

Тот факт, что любые составляющие поля распределены по областям исследования, можно использовать для получения распределения проводимости, что может быть показано из основной формулировки задачи индукции. Инвариантность МТ импеданса подразумевает равномерное поле источника, которое может быть представлено двумя ортогональными горизонтальными и независимыми магнитными полями. Все наблюдаемые поля могут быть выражены через линейную передаточную функцию:

где представляют собой два ортогональных горизонтальных независимых магнитных поля, представляющих равномерное поле источника, а и представляют наблюдаемые электрические поля и магнитные поля, соответственно, на n-ом местоположении в i-ом направлении.

Тем самым обеспечивается средство для получения обычного отношения импеданса для наблюдаемых полей:

Данные уравнения могут быть переупорядочены таким образом, чтобы обеспечить соотношение между наблюдаемыми электрическими полями и наблюдаемыми магнитными полями:

Последнее уравнение показывает, как две составляющие могут быть соотнесены с любыми другими двумя составляющими посредством тензора, полученного аналогичным образом. Например, измерения магнитного поля в местоположении 1 и местоположении 2 могут быть коррелированны следующим образом:

Поля, представленные таким образом, не должны точно располагаться как ортогональные пары на регулярной сетке. Программа инверсии может найти распределение проводимости, которое удовлетворяет передаточным функциям, связывающим поля в множестве местоположений. Все, что требуется, - это то, чтобы поля привязывались к местоположению, которое имеет комплементарные поля: поля Е должны привязываться к полям H, или поля H должны привязываться к полям Е. Иначе модель может отражать только относительные изменения проводимости, а не абсолютные проводимости.

Например, ортогональные E поля (например, E_x и E_y) могут измеряться в одном местоположении (измерительной позиции) как опорные, а затем для получения распределения проводимостей используется сетка результатов измерений магнитного поля. Сетка результатов измерений магнитного поля может быть получена с использованием ортогональных детекторов в каждом местоположении. Альтернативно, указанные результаты измерения могут быть получены с использованием кабеля 18 формирования изображения подповерхностной проводимости настоящего изобретения, как показано на фиг.3. При использовании кабеля 18 формирования изображения подповерхностной проводимости согласно настоящему изобретению все магнитные датчики выстроены в том же направлении, что и кабель. Можно развертывать эти кабели в направлении x координаты, затем в направлении y координаты, чтобы получить ортогональные результаты измерений в множестве местоположений, не обязательно в том же самом месте для измерений направления x и y. Подобным способом огромная сетка ортогональных надлежащим образом разнесенных датчиков магнитного поля может быть сформирована одним судном, буксирующим длинный кабель с места на место на морском дне. Любые конкретные магнитные составляющие, например H_xi, связываются с опорными электрическими полями с помощью уравнения:

где Т представляют собой инвариантные передаточные функции, которые зависят только от геологической модели. Составляющие H_xi не должны измеряться в то же самое время, что и составляющие H_yi. Инверсия этого набора данных может потребовать нахождения распределения проводимости, которое дает значения T^HE, которые обеспечивают наилучшую аппроксимацию к данным.

Для основных применений, где дно океана может иметь неизвестную или сильно изменяющуюся проводимость, лучшая модель состоит во включении разнесенных электродов в кабеле и включении магнитных полей в опорное соотношение, чтобы можно было получить и T^HH, и T^HE передаточные функции. Функция T^HE соответствует обычной функции импеданса. Затем алгоритм инверсии должен найти модель проводимости, которая аппроксимирует обе передаточные функции одновременно, обеспечивая решение с более высоким разрешением, чем та, которая использует только один отдельный набор передаточных функций.

Даже если измеряется только одна составляющая (например, E_x или H_x), можно получить проводимость пласта из однонаправленных измерений, если имеется, по меньшей мере, один результат фиксированного электрического и магнитного опорного (опорное E-H) измерения.

Фиг.9 изображает схему определения проводимости с использованием результатов однонаправленных измерений электрических и магнитных полей E_x и H_x, а также результатов опорных Е-Н измерений. В данной конкретной конфигурации электрическое поле от источника (показанное как Т) проходит параллельно направлению кабеля (направление датчика). Данная конкретная конфигурация упоминается как ″TE режим″. Если источник магнитного поля используется параллельно направлению кабеля (направлению датчика), то это упоминается как ″TH режим″. Фильтры, используемые для пространственного преобразования наблюдаемых данных, различаются в зависимости от того, получаются ли данные в TE режиме или в TH режиме. Кроме того, для получения максимального разрешения, часто необходимо иметь множество поляризаций поля в TH режиме. Компоненты T_ij передаточной функции в тензоре, связывающем измеренные значения E и H однонаправленного измерения с измеренными опорными значениями E-H, полученными в опорном местоположении, представляют собой функции только распределения подповерхностной проводимости:

где E_x' и H_x' представляют собой электрические и магнитные поля, измеренные, соответственно, в x' направлении, а представляют собой опорные значения электрических и магнитных измерений в x или y направлении, соответственно. Процесс анализа для нахождения распределения проводимости пласта из результатов однонаправленных измерений (например, E_x′ и H_x′) может включать аппроксимацию модели проводимости, которая дает наилучшее приближение к значениям T_ij в вышеприведенных уравнениях.

В основных кодах 3-мерного моделирования, используемых для интерпретации данных измерения индукции, алгоритм инверсии может быть записан для нахождения наилучшего приближения к значениям T_ij или наилучшего приближения к значениям импеданса (E_i/H_j), которые используются в современных исследованиях МТ способом. Заметим, последнее возможно только в случае дискретизации отсчетов Е и Н полей с высокой плотностью по пространству. В противном случае могла бы иметь место недостаточная дискретизация отсчетов полей для определения значений T_ij достаточно хорошо для получения хорошей модели. Дискретизация отсчетов E и H полей с высокой плотностью оказывается возможной при использовании кабелей формирования изображения подповерхностной проводимости согласно настоящему изобретению.

Вышеупомянутое описание применимо как к MT, так и к ЭМУИ измерениям. Результаты MT и ЭМУИ измерений могут быть объединены в одну инверсию для получения распределения подповерхностной проводимости. Преимущество объединения двух указанных типов результатов измерений включает возможность использования MT для коррекции фоновых сигналов в результатах ЭМУИ измерений. Один из источников шумов во время ЭМУИ измерений возникает из магнитотеллурических полей. Знание магнитотеллурических полей в опорных местоположениях позволяет вычитать магнитотеллурические поля из измеренного электрического и магнитного поля, используя ЭМУИ способ. Более того, обработка сигнала обеспечивает возможность отделения сигналов MT от сигналов ЭМУИ, поскольку сигналы MT возникают случайным образом, а ЭМУИ поля могут быть синхронизированы по времени.

Источник электрического и магнитного поля для ЭМУИ способа согласно изобретению может представлять собой такой источник, который состоит из кабеля формирования изображения подповерхностной проводимости, с источниками электрического и магнитного полей. Например, в некоторых вариантах воплощения для того, чтобы излучать электрические и магнитные поля, кабель с источниками может развертываться близко, по меньшей мере, к одному из кабелей формирования изображения подповерхностной проводимости. Кабель с источниками может, например, перемещаться параллельно, по меньшей мере, к одному из кабелей формирования изображения подповерхностной проводимости, которые измеряют рассеянные электрические и магнитные поля.

В одном или нескольких вариантах воплощений настоящее изобретение выгодно в том, что увеличение расстояния между электрическими датчиками обеспечивает увеличение длин диполей и, следовательно, отношения сигнал/шум, так как С/Ш ЭМ приемника улучшается с увеличением длин диполей. Типичная длина диполя для известной морской MT системы составляет приблизительно 10 м. Преимущество использования систем сейсмических кабелей, включающих электрические и магнитные датчики для ЭМ измерений, состоит в том, что разнесение между ЭМ приемниками может быть порядка одной сотни метров. Длина диполя 100 метров обеспечила бы усиление С/Ш, равное 10, поскольку длина диполя в десять раз больше, чем длина диполя известного MT устройства. В других вариантах воплощения изобретение обеспечивает гибкие магнитные датчики, которые могут быть включены в кабель, который должен наматываться на бобину для простоты развертывания.

Преимущества изобретения также включают возможность одновременно сбора данных от измерений различных типов. Для компенсации недостатков одних измерений относительно других и обеспечения коррекции фона (например, удаление вклада MT измерений в ЭМУИ измерения) в одной инверсии могут использоваться различные типы измерений. Кроме того, изобретение обеспечивает способ получения распределения подповерхностной проводимости из однонаправленных измерений (например, только E_x и H_x). Указанный способ, объединенный с использованием кабеля формирования изображения подповерхностной проводимости, позволяет использовать длинный кабель на бобине для простоты развертывания и широкого и плотного охвата областей сейсморазведки. При широком и плотном охвате можно получить распределение проводимости пластов с высоким разрешением, в частности пластов с неоднородными распределениями проводимости.

Хотя изобретение описано относительно ограниченного числа вариантов воплощения, специалистам должно быть ясно, что на основе вышеприведенного раскрытия можно разработать другие варианты воплощения, которые не выходят за рамки раскрытого здесь изобретения. Например, хотя кабель, соответствующий настоящему изобретению, описан как имеющий сенсорные модули, включающие электрические датчики, магнитные датчики и/или сейсмические датчики, специалистам должно быть понятно, что в кабель можно включить другие типы датчиков или холостых модулей (то есть без датчиков), не выходя за рамки изобретения. Таким образом, под термином "сенсорный модуль" здесь подразумевается только модуль, имеющий, по меньшей мере, один из вышеописанных датчиков; это не исключает присутствие в кабеле других сенсорных модулей (включая холостые модули). Более того, хотя для того, чтобы проиллюстрировать преимущества изобретения, настоящее описание использует морские исследования проводимости, специалистам должно быть понятно, что варианты воплощения настоящего изобретения также можно применять к наземным исследованиям проводимости. Еще в одном варианте воплощения длинный подводный кабель можно оснастить портами или разъемами, в которые можно вставлять магнитные или электрические датчики. Указанные датчики могут быть прикреплены к кабелям перед или во время развертывания кабеля с судна. Такой вариант воплощения имеет преимущество одинакового изготовления для всех или для любой конфигурации датчика. Соответственно, объем изобретения должен ограничиваться только формулой изобретения.

Изобретение относится к геофизике. Сущность: кабель для формирования изображения подповерхностной проводимости содержит множество сенсорных модулей. Сенсорные модули являются гибкими. Каждый из сенсорных модулей содержит гибкий кожух, содержащий множество датчиков различного вида. Множество датчиков включает в себя, по меньшей мере, электрический датчик или магнитный датчик. Каждый из модулей располагается в кабеле с разнесением от других на выбранное расстояние. Множество сенсорных модулей соединены гибкой средой. Кабель является гибким и выполнен с возможностью наматывания на бобину. Способ формирования изображений включает получение результатов измерений по постоянному току в множестве местоположений, получение первого набора результатов электрических и магнитных измерений с использованием естественных электромагнитных полей на множестве местоположений, получение второго набора результатов электрических и магнитных измерений с использованием управляемых электрических и магнитных источников в множестве местоположений, и определение распределения подповерхностной проводимости из результатов измерений по постоянному току и из первого набора и второго наборов результатов электрических и магнитных измерений. Технический результат: получение надежной и подробной информации о подповрехностной проводимости. 6 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости, содержащий
множество сенсорных модулей, в котором множество сенсорных модулей являются гибкими и каждый из множества сенсорных модулей разнесен от других в кабеле формирования изображения подповерхностной проводимости на выбранное расстояние, и причем каждый из сенсорных модулей содержит гибкий кожух, содержащий множество датчиков различного вида, причем множество датчиков различного вида включает в себя, по меньшей мере, электрический датчик или магнитный датчик; и гибкую среду, соединяющую множество сенсорных модулей, при этом кабель формирования изображения подповерхностной проводимости является гибким и адаптированным для обеспечения его наматывания на бобину.

2. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости по п.1, отличающийся тем, что выбранное расстояние составляет, по меньшей мере, 30 м.

3. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости по п.1, отличающийся тем, что каждый из множества сенсорных модулей содержит, по меньшей мере, два датчика различного вида, выбранные из группы, состоящей из электрического датчика, магнитного датчика и сейсмического датчика.

4. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости по п.3, отличающийся тем, что магнитный датчик содержит множество катушек.

5. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости по п.4, отличающийся тем, что магнитный датчик дополнительно содержит сердечник, содержащий магнитопроницаемый материал, причем множество катушек намотано вокруг сердечника.

6. Кабель формирования изображения подповерхностной проводимости по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один источник поля, выбранный из группы, состоящей из источника электрического поля и источника магнитного поля.

7. Система формирования изображения подповерхностной проводимости, содержащая,
по меньшей мере, один кабель формирования изображения подповерхностной проводимости, причем каждый из кабелей формирования изображения подповерхностной проводимости содержит множество гибких сенсорных модулей и
гибкую среду, соединяющую множество гибких сенсорных модулей, причем каждый из сенсорных модулей содержит гибкий кожух, содержащий, по меньшей мере, два датчика, выбранных из группы, состоящей из гибкого электрического датчика, гибкого магнитного датчика и гибкого сейсмического датчика.

8. Система формирования изображения подповерхностной проводимости по п.7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один кабель источников, содержащий, по меньшей мере, один источник, выбранный из группы, состоящей из источника электрического поля и источника магнитного поля.

9. Система формирования изображения подповерхностной проводимости по п.7, отличающаяся тем, что множество гибких сенсорных модулей разнесено друг от друга на кабеле формирования изображения подповерхностной проводимости на расстояние, по меньшей мере, 30 м.

10. Гибкий сенсорный модуль для формирования изображения подповерхностной проводимости, содержащий
гибкий кожух и,
по меньшей мере, два датчика, выбранные из группы, состоящей из гибкого электрического датчика, гибкого магнитного датчика и гибкого сейсмического датчика, в котором, по меньшей мере, два датчика заключены в гибкий кожух.

11. Способ формирования изображения подповерхностной проводимости, включающий получение результатов опорных электрических и магнитных измерений, причем каждый из опорных электрических и магнитных измерений содержит две ортогональные составляющие, причем опорные электрические и магнитные измерения получают с использованием множества сенсорных модулей, расположенных на кабеле, причем каждый из сенсорных модулей включает в себя электрический датчик и магнитный датчик;
получение множества результатов однонаправленных электрических и магнитных измерений, причем каждый из множества результатов однонаправленных электрических и магнитных измерений содержит составляющую того же самого направления, и определение распределения подповерхностной проводимости из результатов опорных электрических и магнитных измерений и из множества результатов однонаправленных электрических и магнитных измерений.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что определение включает корреляцию множества результатов однонаправленных электрических и магнитных измерений с результатами опорных электрических и магнитных измерений согласно следующим уравнениям:




при этом E_x′ и Н_х′ соответственно представляют собой каждый из множества результатов однонаправленных электрических и магнитных измерений, , , и представляют собой каждую из двух ортогональных составляющих результатов опорных электрических и магнитных измерений, а , , , , , , и представляют собой составляющие функции тензора импеданса.

13. Способ формирования изображения подповерхностной проводимости, включающий
получение первого набора результатов электрических и магнитных измерений в множестве местоположений в области исследования с использованием естественных электромагнитных полей, причем первый набор электрических и магнитных измерений получают с использованием множества сенсорных модулей, расположенных на кабеле, причем каждый из сенсорных модулей включает в себя электрический или магнитный датчик;
получение второго набора результатов электрических и магнитных измерений в множестве местоположений с использованием управляемых электрических и магнитных источников, и определение распределения подповерхностной проводимости из первых наборов результатов электрических и магнитных измерений и из вторых наборов результатов электрических и магнитных измерений.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что получение второго набора результатов электрических и магнитных измерений является синхронизированным по времени таким образом, что обнаруживаются вторичные электрические и магнитные поля, индуцированные управляемыми электрическими и магнитными источниками, в то время как первичные электрические и магнитные поля от управляемых электрических и магнитных источников по существу не обнаруживаются.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно включает получение результатов опорных электрических и магнитных измерений в опорном местоположении, с использованием естественных электромагнитных полей.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что определение распределения подповерхностной проводимости включает вычитание результатов опорных электрических и магнитных измерений из первого набора результатов электрических и магнитных измерений и из второго набора результатов электрических и магнитных измерений.

17. Способ формирования изображения подповерхностной проводимости, включающий
получение результатов измерений по постоянному току в множестве местоположений в области исследования,
получение первого набора результатов электрических и магнитных измерений с использованием естественных электромагнитных полей в множестве местоположений, причем первый набор результатов электрических и магнитных измерений получают с использованием множества сенсорных модулей, расположенных на кабеле, причем каждый из сенсорных модулей включает в себя электрический датчик и магнитный датчик;
получение второго набора результатов электрических и магнитных измерений с использованием управляемых электрических и магнитных источников на множестве местоположений и определение распределения подповерхностной проводимости из результатов измерений по постоянному току, из первого набора результатов электрических и магнитных измерений и из второго набора результатов электрических и магнитных измерений.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что дополнительно включает получение результатов опорных электрических и магнитных измерений с использованием естественных электромагнитных полей в опорном местоположении.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что определение распределения подповерхностной проводимости включает вычитание результатов опорных электрических и магнитных измерений из первого набора результатов электрических и магнитных измерений и из второго набора результатов электрических и магнитных измерений.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что дополнительно включает получение результатов сейсмических измерений в множестве местоположений.