СПОСОБ ПРЯМОГО ПОИСКА УГЛЕВОДОРОДОВ МЕТОДАМИ ГЕОЭЛЕКТРИКИ Российский патент 2020 года по МПК G01V3/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к геоэлектроразведке методами становления электромагнитного поля и может быть использовано для определения наличия углеводородов и оконтуривания залежи. Определение наличия или отсутствия углеводородов в выявленном сейсморазведкой объекте до сих пор является трудноразрешимой задачей.

Уровень техники

Известен способ электроразведки (Патент РФ №2454683 Устройство для прямого поиска геологических объектов / Балашов Б.П., Могилатов В.С, Паули А.И.), при котором в Земле возбуждают электрическое поле путем осесимметричного введения электрического тока в Землю и измеряют параметры электрического поля по профилям, радиально расходящимся от точки введения осесимметричного электрического тока в Землю. При этом осесимметричное введение тока в Землю обеспечивается равномерным расположением наружных питающих электродов (заземлений) по окружности и присоединением их посредством радиальных линий к одному полюсу источника тока. Величина радиуса окружности определяется требуемой глубиной исследования. При этом внутренний питающий электрод заземляют в центре окружности, образованной наружными питающими электродами, и присоединяют к другому полюсу источника тока. Такой источник со времени опубликования способа называют круговым электрическим диполем (КЭД).

Измерения электромагнитного отклика изучаемой среды поля проводят по площади вокруг источника на удалении до 7 радиусов КЭД. При этом, в зависимости от требуемой глубинности и размеров источника, исследуемая площадь может составлять до 400 кв. км. На основе известного способа развит и применяется метод зондирований вертикальными токами (ЗВТ).

Известен способ возбуждения электромагнитного поля в среде описанный в авторском свидетельстве СССР №150184 (SU №150184. Устройство для морской электроразведки. Автор Назаренко О.В.), при котором в Земле или в море возбуждают электромагнитное поле, используя вертикальную электрическую линию.

Также известен способ возбуждения электромагнитного поля в среде описанный в патенте Российской Федерации №2453872 электроразведки (№№2453872. Способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления. Авторы: Балашов Б.П., Могилатов В.С.), при котором в среде возбуждается электромагнитное поле с помощью встречной электрической линии. Встречная электрическая линия, представляет из себя расположенные на одной линии и включенные навстречу друг другу горизонтальные электрические линии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в патенте РФ №2454683 (Устройство для прямого поиска геологических объектов / Балашов Б.П., Могилатов В.С., Паули А.И.). В патенте описывается способ возбуждения поля ТМ-поляризации в среде. В патенте не описывается, какие компоненты электромагнитного поля необходимо измерять и как интерпретировать полученные сигналы.

Стандартный подход к интерпретации материалов в геоэлектрике проводимой с дневной поверхности модели среды учитывает только изменение изотропного удельного сопротивления. Как показал опыт применения геоэлектрики, по изменению удельного электрического сопротивления среды невозможно выявить месторождения углеводородов на глубинах в несколько километров в средах с удельным сопротивлением менее 50 Ом*м. Изобретение направлено на обеспечение такой возможности.

Методика, описываемая в данном изобретении, позволяет выявлять месторождения углеводородов по намагниченности среды и поляризуемости среды в электромагнитных полях ТМ-поляризации. Только такой подход в огромном количестве провинций позволяет выявлять и оконтуривать месторождения углеводородов наземными методами.

Сущность изобретения

В способе прямого поиска углеводородов методами геоэлектрики, включающем формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации, измерение электромагнитного переходного сигнала-отклика исследуемой среды и интерпретацию измерений, предлагается производить измерения магнитных и электрических компонент электромагнитного поля, строить карты распределенного параметра поляризации, определенного по электрическим компонентам, и карты измеренных сигналов магнитной компоненты, а в местах, где максимумы сигналов магнитной компоненты и параметра поляризации совпадают, определять наличие залежей углеводородов. Формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации может быть осуществлено с помощью кругового электрического диполя (КЭД), вертикальной линии или встречной электрической линии.

У всех трех источников - кругового электрического диполя, вертикальной электрической линии и встречной электрической линии общим является возбуждение в среде поля только или преимущественно ТМ-поляризации. На всей площади вокруг кругового электрического диполя и вертикальной электрической линии возбуждается электромагнитное поле только ТМ-поляризации. На прямой, на которой расположены лучи встречной электрической линии, возбуждается электромагнитное поле преимущественно ТМ-поляризации. Возбуждением электромагнитного поля только или преимущественно ТМ-поляризации в среде эти три источника отличаются от других источников, широко применяемых в электроразведке с искусственными источниками. Смотри фиг. 1.

Известно, что любое возбуждаемое в земле электромагнитное поле искусственными или природными источниками можно представить суперпозицией полей ТМ-поляризации и ТЕ-поляризации. Если в исследуемой среде возбуждать чистое электромагнитное поле ТМ-поляризации путем введения в землю электрического тока импульсной или гармонической формы, то над горизонтально-слоистой средой все три магнитных компоненты электромагнитного поля будут нулевые. С другой стороны, если поле над средой, в которой электромагнитное поле возбуждается только ТМ-поляризации, не нулевое, то это является свидетельством наличия в среде трехмерных неоднородностей по какому-то электродинамическому параметру. Смотри фиг. 1.

Экспериментально показано, что при возбуждении в среде электромагнитного поля ТМ-поляризации, над месторождениями углеводородов фиксируется аномальное магнитное поле. Если магнитное поле измеряется, значит, есть трехмерные неоднородности по электродинамическим параметрам. Расчеты трехмерных моделей показали, что неоднородность по удельному сопротивлению и по поляризации не может вызывать сигналы, фиксируемые над месторождениями углеводородов. Значит, над месторождениями углеводородов существует изменение других электродинамических параметров, возможно, намагниченности среды. Примеры ряда проведенных работ с использованием одного из источников электромагнитного поля ТМ-поляризации - кругового электрического диполя, приведены на фиг. 2. На фиг. 2 приведены аномальные сигналы измеренной магнитной компоненты ∂B_z/∂t над месторождениями углеводородов на различных временах. Удаление точек наблюдения от центра источника учитывается по формуле 1.

Экспериментально показано, что над месторождениями углеводородов фиксируются повышенные значения параметра вызванной поляризации среды. При проведении электроразведочных работ, больше всего изменение параметра поляризации оказывает влияние на измеряемые электрические сигналы при возбуждении в среде электромагнитного поля ТМ-поляризации.

В данном патенте предлагается способ выявления месторождений углеводородов при проведении электроразведочных работ. Электроразведочные работы проводятся с возбуждением в среде электромагнитного поля ТМ-поляризации. По измерению магнитных компонент на поверхности среды определяют электродинамический параметр, характерный для месторождений углеводородов. По измерению электрических компонент выявляют увеличение параметра поляризации. Места скопления углеводородов характеризуются сигналом над месторождением при измерении магнитных компонент электромагнитного поля и увеличением параметра поляризуемости, изменение которого проявляется при измерении электрических компонент электромагнитного поля. В патенте описывается как при возбуждении в среде электромагнитного поля ТМ-поляризации по измерениям магнитных и электрических компонент электромагнитного поля определить наличие углеводородов в среде.

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения объясняются с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - Токовые линии, возбуждаемые в среде классическим источником электромагнитного поля ТЕ-поляризации на рисунке 1а. Токовые линии, возбуждаемые в среде источником электромагнитного поля ТМ-поляризации - вертикальной электрической линией на рисунке 1б. Токовые линии, возбуждаемые в среде источником электромагнитного поля ТМ-поляризации - круговым электрическим диполем на рисунке 1в.

Фиг.2 - Сигналы магнитной компоненты электромагнитного поля ∂B_z/∂t при возбуждении среды круговым электрическим диполем, на различных участках, над месторождениями углеводородов. Фиг. 2а -участок Chico-Martinez, Калифорния. Т=31 мс. Фиг.2б - Шадкинское месторождение, Татарстан. Т=201 мс. Фиг.2в. - Шийское месторождение, Суенглинский участок, Татарстан. Т=201 мс. Фиг.2г - Шуганская залежь, Татарстан. Т=9 мс. Фиг.2д - Акбязовская залежь, Татарстан. Т=31 мс. Фиг.2е - Винокуровский участок, Татарстан. Т=43 мс.

Фиг. 3-Схема возбуждения и измерения электромагнитного поля при возбуждении электромагнитного поля в среде круговым электрическим диполем.

Фиг. 4 - Схема возбуждения и измерения электромагнитного поля при возбуждении электромагнитного поля в среде вертикальной электрической линией.

Фиг. 5 - Схема возбуждения и измерения электромагнитного поля при возбуждении электромагнитного поля в среде встречной электрической линией.

Фиг. 6 - Результаты измерений магнитной компоненты ∂B_z/∂t в виде изолиний сигнала на времени 55.7 мс при возбуждении электромагнитного поля круговым электрическим диполем.

Фиг. 7 - Параметр поляризации, полученный по результатам инверсии данных измерений электрических компонент при возбуждении электромагнитного поля встречными электрическими линиями.

Фиг. 8 - Площадные результаты работ измерений магнитной компоненты ∂B_z/∂t в виде изолиний сигнала на времени 32.2 мс при возбуждении электромагнитного поля круговым электрическим диполем ЗВТ-М и полоса изолиний параметра поляризации, отстроенная вдоль профиля измерения электрических компонент при возбуждении электромагнитного поля встречными электрическими линиями.

Раскрытие изобретения

Проведение геофизических работ разбивается на 3 этапа: подготовка источника (источников), проведение измерений магнитных и электрических полей, обработка (интерпретация) результатов измерений.

Первый этап - подготовка источников. Для возбуждения в среде поля ТМ-поляризации применяется один из трех способов:

1) На дневной поверхности устанавливается круговой электрический диполь, смотри фиг. 3. Исходя из площади исследований, глубинности объектов, уровня помех, параметров заземления, определяют размеры и количество лучевых отрезков 4 кругового электрического диполя и амплитуду импульсов тока генераторов 1. Размеры источника и сила тока влияет только на расстояние, на котором полезный сигнал превышает уровень помех. В соответствии с фиг. 3 производят расстановку кругового электрического диполя на местности. При этом заземляют питающий электрод 2 в центре окружности, образованной равномерно заземленными питающими электродами 3. Питающие электроды 3, количество которых должно быть не менее 6, подключают к одним концам лучевых отрезков 4 питающих линий, которые располагают по радиусам окружности через одинаковый угол. В каждый лучевой отрезок 4 включают генератор 1 тока. Вторые концы лучевых отрезков 4 соединяют между собой и подключают к одному из полюсов источника питания U. Другой полюс источника питания U соединяют с питающим электродом 2. На фиг. 4 изображено 6 лучевых отрезков 4 сплошной линией, это минимально необходимое количество линий. Количество линий может быть увеличено исходя из необходимости проведения тех или других работ. На фиг. 4 изображено 6 лучевых отрезков 4 пунктирной линией, т.е. если организовать еще 6 лучевых отрезков 4, то в круговом электрическом диполе будет 12 лучей.

2) На дневной поверхности или на некотором заглублении устанавливается одно заземление вертикальной линии 3 и строго вертикально под вышележащим заземлением устанавливается второе заземление 3 вертикальной линии, смотри фиг. 4. Второе заземление устанавливается либо в водоеме, либо в скважине, строго вертикально под первым заземлением. Размеры вертикальной линии определяются исходя из конкретной решаемой геофизической задачи, площади исследований, глубины зондирований, а также глубины водоема или глубины скважины. Размеры и сила тока в источнике влияет только на расстояние, на котором полезный сигнал превышает уровень помех. В вертикальную линию 4 включают генератор тока 1. Один конец вертикальной линии 4 подключают к одному из полюсов источника питания U. Другой полюс источника питания U соединяют с питающим электродом 3.

3) На дневной поверхности устанавливается встречная электрическая линия. Обе питающих линии находятся на одной прямой. Исходя из площади исследований, глубинности объектов, уровня помех, параметров заземления, определяют размеры лучевых отрезков 4 встречной электрической линии и амплитуду импульсов тока генераторов 1. Размеры и сила тока в источнике влияет только на расстояние, на котором полезный сигнал превышает уровень помех. В соответствии с фиг. 5 производят расстановку устройства на местности. При этом заземляют питающий электрод 2 в центре встречной электрической линии. Питающие электроды 3 подключают к одним концам лучевых отрезков. В каждый лучевой отрезок 4 включают генератор тока 1. Вторые концы лучевых отрезков 4 соединяют между собой и подключают к одному из полюсов источника питания U. Другой полюс источника питания U соединяют с питающим электродом 2.

Второй этап - измерения сигналов. В одном из трех приведенных выше источников электромагнитного поля пропускают электрический ток. Ток в источнике должен изменяться, при изменении тока в источнике в среде начинаются переходные процессы, в это время на дневной поверхности измеряются изменения магнитного поля и изменения электрического поля. В сигналах зависимости магнитного и электрического полей от времени содержится информация об электродинамических параметрах среды. Импульсы тока в перечисленных выше источниках возбуждаются переменной формы - прямоугольные, треугольные, синусоидальные и т.д.

После начала изменения тока в генераторном комплексе, начинаются измерения компонент электромагнитного поля. Проводятся измерения магнитных и электрических компонент. Измерения проводятся по произвольной сетке вокруг источников при использовании в качестве источников кругового электрического диполя или вертикальной электрической линии. Измерения сигнала в каждой точке проводятся на всех временах, на которых сигнал превышает шумовые помехи. Места наблюдений определяются исходя из решаемой геофизической задачи, доступности точек наблюдения, уровня помех, удаления от источника поля. При использовании в качестве источника встречной электрической линии, измерения проводятся на той же прямой линии, где находится встречная электрическая линия.

Места наблюдений определяются исходя из решаемой геофизической задачи, доступности точек наблюдения, уровня помех, удаления от источника поля. Расстояние между точками наблюдений влияет на точность определения границ объекта и является компромиссом между желанием как можно точнее определить границы объекта и экономической целесообразностью.

Измерения магнитных компонент проводят с помощью измерителя 8, подключенного к датчику 9 или с помощью измерителя 6, подключенного к магнитометру 7. Измерения электрических компонент проводят с помощью измерителя 10, подключенного к измерительной линии 5, см. фиг. 3, 4, 5.

3-ий этап - обработка (интерпретация) результатов измерений, восстановление электродинамических параметров среды. Карты наблюденного магнитного сигнала строят по результатам измерений магнитного сигнала. При построении карт учитывается удаление точки наблюдения от центра источника. Для учета удаленности точек наблюдений сигналы домножаются на отношение расстояния между точкой наблюдения и центром источника к радиусу источника. Как вариант используется степень этого отношения, например, квадрат отношения, см. формулу 1.

Для визуализации площадных карт магнитных компонент ЗВТ мы используем следующую нормировку:

где ε_i - значении ЭДС, измеренное на i пикете,

r - расстояние между центром КЭД и точкой измерения,

d - диаметр КЭД,

n - нормировочная степень, изменяемая со временем (обычно от 1 до 3), но постоянная на данном времени для всей площади.

Измерения электрической компоненты укладываются в существующую теорию, широко применяемую в геоэлектрике. По измеренным электрическим компонентам электромагнитного поля восстанавливают параметр поляризации среды. Решается, так называемая, обратная задача. Для учета всех электродинамических параметров среды, используют формулы расчета электрического сигнала с учетом параметра поляризации по одной из формул расчета сигнала. При расчете сигнала учитывают параметры генераторной установки и измерительной системы, а также их взаимное расположение. Большинство формул учета поляризации являются взаимозависимыми, наиболее часто используемой является формула Cole-Cole, см. формулу 2. Учитывая поляризацию по этой формуле, чаще всего рассчитывается сигнал от поляризующейся среды.

Широкое распространение получил феноменологический подход к описанию вызванной поляризации (ВП) в виде модели Cole-Cole:

где η, τ и с- поляризационные параметры среды,

η - параметр поляризации,

τ - временная константа поляризации,

с - степенная константа,

ρ(ω) ^_ удельное сопротивление среды на частоте ω,

ρ₀ - удельное сопротивление среды на постоянном токе.

После расчета сигнала для электрической компоненты, вычисленную кривую сравнивают с измеренным сигналом. Подбирают такое значение параметра поляризации, при котором результаты расчета меньше всего отличаются от наблюденной кривой. Подобранный параметр поляризации считается соответствующим реальному параметру. Это и есть решение так называемой обратной задачи.

После обработки магнитных сигналов и электрических сигналов строят карты распределенного параметра поляризации, определенного по электрическим компонентам, и карты измеренных сигналов магнитной компоненты. В местах, где максимумы сигналов магнитной компоненты и поляризационного параметра совпадают, и находятся залежи углеводородов.

Пример реализации заявленного способа.

Примером практического применения предлагаемого способа могут служить работы, проведенные с участием и по методике авторов в республике Татарстан.

Целью работ была оценка наличия углеводородов в выявленной сейсморазведкой положительной структуре, и оконтуривание нефтяной залежи, если углеводороды будут выявлены. Работы проводились недалеко от известного нефтяного месторождения, мы воспользовались этим обстоятельством для сравнения сигналов над нефтяным месторождением и над изучаемым сейсмоподнятием.

Были проведены работы следующими методами:

Метод Зондирований вертикальными токами, источник электромагнитного поля - круговой электрический диполь. В источнике пропускались периодические токовые прямоугольные импульсы. Измерения проводились магнитной компоненты ∂B_z/∂t с разной сеткой наблюдений. Были построены карты сигналов на различных временах измерений от 10 мс до 100 мс. При проведении данных работ мы применяли зондирующую установку, стабилизаторы тока GTE-10c, сетевой блок питания, блок управления и девять блоков балластных резисторов. Измерительные комплекты состояли из измерителей для измерения магнитной компоненты и датчиков для фиксации магнитной компоненты ∂B_z/∂t.

Метод Зондирований встречными линиями, источники электромагнитного поля - встречные электрические линии. В источниках пропускались периодические токовые прямоугольные импульсы. Измерения проводились электрической компоненты вдоль прямой, на которой располагались встречные электрические линии с шагом между точками измерений в 375 метров. При проведении данных работ мы применяли зондирующую установку, стабилизаторы тока GTE-10c, сетевой блок питания, блок управления и девять блоков балластных резисторов. Измерительные комплекты состояли из измерителей для измерения электрической компоненты и измерительной линии.

На фиг. 6 отражены результаты измерений магнитной компоненты ∂B_z/∂t в виде изолиний сигнала на времени 55.7 мс. Электромагнитное поле возбуждалось круговым электрическим диполем, для возбуждения использовались переменные прямоугольные импульсы. Крупными кругами обозначены пикеты профиля, в которых проводились измерения электрической компоненты при возбуждении электромагнитного поля встречными электрическими линиями. Расстояние между точками измерений 375 м. Известное нефтяное месторождение находится южнее нефтепровода - обозначенного прямой линией, проходящей через скважину 141. В зону измерений попали 4 скважины и одна буровая. Скважины 1, 2, 3 с дебитом более 20 куб. метров в сутки, и скважина 4 с дебитом 2 куб. метра в сутки, сейсмическое поднятие и лицензионный участок находились северо-восточнее кругового электрического диполя. На лицензионном участке сетка измерений магнитной компоненты ∂B_z/∂t при работе от кругового электрического диполя была 150×300 м. Над известной нефтяной залежью сетка измерений магнитной компоненты ∂B_z/∂t при работе от кругового электрического диполя была в 10 раз реже примерно - 500×700 м. На фиг. 6 схематично изображены сразу несколько генераторов. Две из пяти встречных электрических линии, изображены прерывистой линией.

Скважины 1, 2, 3 с дебитом более 20 куб. метров в сутки находятся в зоне уверенного большого положительного сигнала, скважина 4 с дебитом 2 куб. метра в сутки находится в зоне малого положительного сигнала. Лицензионный участок (обследуемое сейсмоподнятие) попал в зону отрицательного сигнала, что свидетельствует об отсутствии углеводородов. Так как сеть наблюдений над известной нефтяной залежью была слишком редкая, то карта южнее нефтепровода получилась недостаточно полная (фиг. 8).

На фиг. 7 построен вдоль профиля параметр поляризации, полученный по результатам решения обратной задачи для электрической компоненты от встречной электрической линии. На фиг. 7 внизу схематично изображены расположения скважин 1, 2, 3, 4. Фиг. 8 показывает, что данные для электрической компоненты от встречной электрической линии согласуются с данными измерений магнитной компоненты ∂B_z/∂t от кругового электрического диполя и с априорными данными. На севере, там, где находится изучаемый объект, параметр поляризации мал, что свидетельствует об отсутствии углеводородов. Напротив, на юге, там, где находится известное нефтяное месторождение, параметр поляризации большой, что свидетельствует о наличии углеводородов. Объяснить измеренные электрические сигналы от встречной электрической линии изменением удельного сопротивления среды невозможно, так как сигнал при работе идентичными встречными электрическими линиями изменяется в 10 раз, что, конечно, невозможно объяснить изменением проводимости.

На фиг. 8 совмещены площадные результаты работ измерений магнитной компоненты ∂B_z/∂t от кругового электрического диполя на времени 32.2 мс и полоса изолиний параметра поляризации, отстроенная вдоль профиля измерения от встречных электрических линий. Этот рисунок демонстрирует, что граница залежи, полученная по двум измерениям - измерениям магнитной компоненты ∂B_z/∂t при работе от кругового электрического диполя и измерениям электрической компоненты от встречной электрической линии хорошо совпадают при проведении этих работ.

Таким образом, предлагаемый способ прямого поиска залежей нефти позволяет по наличию поляризующего объекта сделать заключение о наличии нефти в сейсмоподнятии, а по измерениям магнитной компоненты ∂B_z/∂t при работе от кругового электрического диполя оконтурить объект и сделать окончательное заключение о перспективности объекта поиска и выдать рекомендации для разведочного бурения.

Изобретение относится к геоэлектроразведке методами становления электромагнитного поля и может быть использовано для определения наличия углеводородов и оконтуривания залежи. Технический результат: возможность выявления месторождений углеводородов на глубинах в несколько километров в средах с удельным сопротивлением менее 50 Ом⋅м. Сущность изобретения: формируют переменное электромагнитное поле поперечно-магнитной (ТМ) поляризации. Измеряют магнитные и электрические компоненты электромагнитного поля. Строят карты распределенного параметра поляризации, определенного по электрическим компонентам, и карты измеренных сигналов магнитной компоненты. В местах, где максимумы сигналов магнитной компоненты и параметра поляризации совпадают, определяют наличие залежей углеводородов. Формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации может быть осуществлено с помощью кругового электрического диполя (КЭД), вертикальной линии или встречной электрической линии. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ прямого поиска углеводородов методами геоэлектрики, включающий формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации, измерение электромагнитного переходного сигнала-отклика исследуемой среды и интерпретацию измерений, отличающийся тем, что измеряют магнитные и электрические компоненты электромагнитного поля и строят карты распределенного параметра поляризации, определенного по электрическим компонентам, и карты измеренных сигналов магнитной компоненты, а в местах, где максимумы сигналов магнитной компоненты и параметра поляризации совпадают, определяют наличие залежей углеводородов.

2. Способ прямого поиска углеводородов методами геоэлектрики по п. 1, отличающийся тем, что формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации осуществляют с помощью кругового электрического диполя (КЭД).

3. Способ прямого поиска углеводородов методами геоэлектрики по п. 1, отличающийся тем, что формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации осуществляют с помощью вертикальной линии.

4. Способ прямого поиска углеводородов методами геоэлектрики по п. 1, отличающийся тем, что формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации осуществляют с помощью встречной электрической линии.