Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОИСКА УГЛЕВОДОРОДОВ НА ШЕЛЬФЕ СЕВЕРНЫХ МОРЕЙ

Изобретение относится к области сейсморазведки и может быть использовано для поиска углеводородов под морским дном, в том числе и в ледовых условиях на шельфе Северных морей.

В настоящее время разрабатываются способы сейсморазведки с применением невзрывных источников сейсмической энергии. Развитию такого способа посвящено настоящее изобретение. В качестве источников сейсмической энергии рассматриваются колебания морского дна от воздействия природных факторов - микросейсмы (см. Дозоров и др. «О связи низкочастотного шума в океане с сейсмическими колебаниями дна». // «Океанология», 1991, Том 31, №3, с.514-519).

Микросейсмы на частотах 0,3 Гц и ниже распространяются в виде поверхностных волн на расстояния в сотни и тысячи км от своих источников. Микросейсмы возникают при воздействии удаленных землетрясений, вследствие ветрового воздействия на поверхность океана и зыби, при прямом воздействии флуктуации атмосферного давления в окрестности крупных атмосферных вихрей на поверхность акваторий и территорию суши, а также по причине зарождения внутренних гравитационных волн в слоях океанических вод, особенно в районах с протяженным шельфом.

К числу аналогов изобретения относится патент РФ №2434250, «Способ регистрации сейсмических сигналов на акватории моря при поиске подводных залежей углеводородов», в котором с помощью сейсмических приемников, установленных на дне моря, производится регистрация и анализ микросейсмических волн, а суждение о наличии или отсутствии углеводородов выполняют для поперечных микросейсмических волн.

Недостатком данного изобретения является отсутствие информации о гидроакустическом поле в сейсмической волне, которая позволяет отстроиться от помех и выделить полезный сигнал, несущий информацию о наличии месторождений углеводородов.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является патент РФ №2386984, «Способ поиска углеводородов».

Сущность способа, изложенного в этом патенте, состоит в следующем.

Сейсмоприемники располагают на дне моря, производят спектрально-временной анализ зарегистрированных информационных сигналов на дискретных участках моря, расположенных на расстоянии 50-1000 м друг от друга, в диапазоне частот 0,1-20 Гц в течение времени измерения не менее 60 мин, удаляют участки с техногенными помехами. Анализируют сейсмические сигналы, однородные по мощности, определяют спектр дисперсий спектральных линий спектров мощности. О наличии залежи углеводородов судят по увеличению амплитуды спектральных линий в спектре дисперсии. Учитывают суточные вариации микросейсмического волнового поля с помощью стационарной сейсмической станции.

Недостатком данного изобретения является отсутствие информации о гидроакустическом поле в сейсмической волне, которая позволяет отстроиться от помех и качественнее выделить полезный сигнал, несущий информацию о наличии месторождений углеводородов. Одновременно возможно засасывание сейсмической станции в глубокие слои ила, что препятствует ее подъему.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение достоверности обнаружения залежей углеводородов при увеличении надежности подъема сейсмогидроакустической приемной системы.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что применяют сейсмогидроакустические приемные системы с нулевой плавучестью, которые размещают не на дне, а в водном слое над поверхностью дна. Сейсмогидроакустические приемные системы дают полную информацию о сейсмогидроакустическом поле в точке измерений. С их помощью производится прием сигналов для аппаратурного анализа амплитудных спектров всех составляющих колебательной скорости по трем осям координат X, Y, Z и гидроакустического давления P, что позволяет вычислить амплитудные спектры, а также активную и реактивную составляющие спектра мощности этих составляющих.

Техническим эффектом является увеличение точности определения расположения месторождений углеводородов, так как при распространении квазипоперечной волны, вызванной микросейсмами, наибольшие соотношения сигнал/помеха наблюдаются в водном слое вблизи дна. Нулевая плавучесть дополнительно увеличивает соотношение сигнал/шум. Введение канала гидроакустического давления позволяет более достоверно определять полезный сигнал. Одновременно увеличивается надежность съема приемников с илистого грунта в ряде районов Северных морей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе поиска углеводородов на шельфе Северных морей, включающем регистрацию сейсмических волн на исследуемом участке шельфа, проведение расчета спектрально-временных характеристик, анализ временных записей сигналов и их спектров на каждом измеряемом участке на наличие сейсмической помехи и исключение этих интервалов записей из дальнейшего рассмотрения, учитывают суточные вариации микросейсмического волнового поля, анализируют сейсмические сигналы, однородные по мощности, определяют спектр дисперсий спектральных линий и по увеличению амплитуды спектральных линий в спектре дисперсии судят о наличии залежи углеводородов, отличающийся тем, что, используют сейсмогидроакустические приемные системы с нулевой плавучестью и располагают их в водном слое над поверхностью дна, осуществляют регистрацию и анализ амплитудного спектра составляющих колебательной скорости по трем осям координат и гидроакустическое давление, при этом выделяют и анализируют активную и реактивную части спектра мощности микросейсмических волн, по которым затем определяют вертикальный разрез структуры морского дна в исследуемом районе, наличие и глубину залегания углеводородов.

Нулевая плавучесть сейсмогидроакустических приемных систем совместно с подводными аппаратами позволяет создавать подводные аппараты (необитаемые или обитаемые), перемещающиеся в толще воды или зависающие над дном, и производить измерения в Северных морях под толщей льда.

Проведенными исследованиями установлено, что спектральные характеристики микросейсмического поля идентичны как в грунте морского дна, так и в придонном водном слое.

На Фиг.1 приведены спектры микросейсмического шума в диапазоне частот 0,1-0,4 Гц, записанные при расположении сейсмоприемника на берегу.

На Фиг.2 приведены спектры микросейсмического шума в диапазоне частот 0,01-1,0 Гц, записанные при расположении сейсмогидроакустической приемной системы вблизи дна подо льдом.

На Фиг.3 приведены спектры микросейсмического шума в диапазоне частот 0,1-0,4 Гц, записанные при расположении сейсмогидроакустической приемной системы вблизи дна.

На всех фигурах приведены спектры вертикального сейсмического канала.

Приведенные спектры записаны при испытаниях 21 марта 2012 г. с 13 ч 40 мин до 13 ч 45 мин в ледовых условиях в бухте Владимировская Ладожского озера на расстоянии примерно 0,5 м от дна. Спектры практически совпадают на фиг.1 и фиг.3, в то время как на фиг.2 то же приемное устройство, расположенное в придонном слое, при спектральном анализе в диапазоне частот 0,01-1 Гц имеет выбросы на частотах ниже 0,025 Гц, которые вызваны колебаниями ледового покрова.

Эти результаты подтверждают возможность сейсморазведки по анализу микросейсм в ледовых условиях, учитывая частотное отличие их спектра от спектра колебаний ледового покрова, а также то, что для сейсморазведки путем анализа микросейсмических колебаний можно использовать технологию сейсморазведки строения залежей морского дна по их спектральным характеристикам, записанным в придонном слое, что для ряда районов Северных морей с илистым грунтом является принципиальным для обеспечения подъема приемной системы.

Нами произведены измерения не только колебательной скорости, но и синхронно с ней гидроакустического давления.

Использование приемника гидроакустического давления в сейсмических измерениях является новым признаком изобретения. Также новым признаком является совместная регистрация и анализ амплитудных спектров Р и V, которые нами используются для получения спектров мощности Р² и V².

Ниже приводятся результаты измерений сигналов, вызванных промышленным взрывом в карьере за пределами водоема, удаленном от места измерений примерно на 60 км. Эти измерения выполнены в том же районе Ладожского озера в придонном слое глубиной 18 м. Частотный диапазон измерений выбран 1-10 Гц.

На фиг.4а приведены спектры мощности вертикальной составляющей колебательной скорости V_z, а на фиг.4б. - гидроакустического давления Р. На фиг.4в - активная, а на фиг.4г - реактивная части взаимного спектра мощности Р и V_z.

Использование активной и реактивной частей взаимного спектра мощности Р и V_z также является новым признаком. Его существенное значение раскроем ниже. Алгоритм и аппаратура для измерения взаимного спектра электрических сигналов приведено в книге: Новиков А.К.. Корреляционные измерения в корабельной акустике. Л., «.Судостроение», 1971., на стр.42, 49, 101 и 216. В ней не рассматриваются сейсмические измерения. В настоящее время для построения спектров и взаимного спектра используются компьютерные программы.

Микросейсмические волны (спектры их приведены на фиг.4а, 4б) скорее всего возбуждаются волной Рэлея, так как при большом удалении источника взрыва (на расстояние 60 км) все другие типы волн в водном слое малой высоты уже затухли. Остаются сомнения, может быть эти микросейсмы вызваны какой-либо помехой ближнего поля, например, от колебаний льда или воды от проплывающих вблизи морских (озерных) животных, а не волной Релея.

Из фиг.4в видно, что активная часть взаимного спектра мощности положительна. При выбранных нами полярностях приемников Р и V это говорит о приеме сигналов со стороны грунта, а не от поверхности, то есть от волны Рэлея, распространяющейся вдоль поверхности дна. Указание направления прихода волны (от дна) - это новый и существенный результат от использования активной и реактивной частей взаимного спектра мощности Р и V_z. Ранее он не приводился сейсмологами, так как для этого требуется применение сейсмогидроакустической станции с вертикальным каналом V_z и каналом Р.

Кроме того, в спектрах на фиг.4а и 4б видны максимально 2-3 спектральные линии. В то же время на фиг.4в и 4г при измерении взаимного спектра мощности хорошо видны 7-8 спектральных линий (максимумов), из чего следует, что при измерении взаимных спектров улучшается соотношение сигнал/помеха. Это также подтверждает сущесвенность этого признака заявки на изобретение, соответствующего цели изобретения: увеличение достоверности обнаружения отражающих слоев. Использование, кроме вертикального канала Z, горизонтальных каналов X, Y необходимо для классификации звуковых волн сигналов и помех.

Далее рассмотрим вопросы построения вертикальных разрезов выявленных отражений.

Рассмотрим спектры на фиг.4а и 4б. Из них видно, что в спектре колебательной скорости имеются частоты 4 Гц и 5,5 Гц, а в спектре сейсмоакустического давления частота 2,9 Гц. Спектральные составляющие колебательной скорости на частоте 4 Гц (основная частота) и 5,5 Гц связаны с отражением от более звукомягкой границы, то есть это слои наиболее перспективные для обнаружения углеводородов. Отражение на частоте 2,9 Гц в спектре акустического давления можно рассматривать как отражение от жесткого основания. Видимо он служит основанием для размещения на нем звукомягкого слоя. Изучение всех остальных отражений акустического давления от акустически жестких слоев можно отбросить, так как нет пар звукомягкого и звукожесткого слоев. Таким образом, использование приемника гидроакустического давления Р позволяет повысить достоверность обнаружения залежей углеводородов, так как позволяет разделить отражения сигналов, принимаемых приемниками Р и V.

Определив основные частоты спектральных составляющих колебательной скорости микросейсм fсп и зная тип волны - волны Релея, определяем глубину залегания отражающего слоя на частоте fсп. Сначала определяют длину волны λ по формуле λ=с/fсп, где с - скорость волны Рэлея в соответствии с патентом [Горбатиков А.В. Патент на изобретение RU 2271554 С1 от 25.03.2005 г.: «Способ сейсморазведки»] и статьей [Горбатиков А.В., Собисевич А.Л., Собисевич Л.Е. и др. Технология глубинного зондирования Земной коры с использованием естественного низкочастотного микросейсмического поля. «Природные и связанные с ними техногенные катастрофы». Том 1. «Сейсмические процессы и катастрофы». М., ИФЗ РАН, 2008 г.]. Она в первом приближении равна с=1700-2000 м/с. Далее в соответствии с указанной литературой определяют глубину залегания отражающей границы Н по формуле: H=0,5 λ, приняв скорость волны Рэлея с=1700 м/с.

Произведем расчет для основной частоты звукомягкого слоя 4,3 Гц:

длина волны λ=1700/4,3=380 м,

глубина залегания звукомягкого слоя Н=0,5*380 м=190 м.

Произведем расчет для частоты 2,9 Гц подстилающего жесткого слоя, соответствующего отражению от дна волны акустического давления Р:

длина волны λ=1700/2,9=590 м;

глубина залегания подстилающего звукожесткого слоя Н=0,5*590 м=295 м.

Таким образом, обнаружен на глубинах от 190 до 295 м звукомягкий слой под мелководной прибрежной частью Ладожского озера. Так как примерно в 40 км от места измерений в Ладожском озере имеются глубины 200 м, то, возможно, это подземный слой воды или подземное озеро, из которого во многих местах Карельского перешейка обеспечено снабжение питьевой водой из скважин на таких глубинах. Полученный результат подтверждает возможность поиска не только нефтегазовых месторождений, но и подземных водных запасов, весьма перспективных в зонах дефицита пресной воды.

Продолжая измерения в выбранном географическом направлении вплоть до исчезновения исследуемого отражения от этого звукомягкого слоя, можно найти границу исчезновения этого слоя. Повторяя эти измерения по параллельным курсам (удаленным на расстояние 0,5 длины волны на исследуемой частоте), находим контуры (границы) этого слоя, предположительно содержащего углеводороды или воду. Более точное заключение о залежах углеводородов или воды (обладающей близкими к нефти плотностью и скоростью звука) можно сделать при обследовании контуров всего района залежей и рассмотрении научных предположений об их природе.

Так же, как и при других вышеупомянутых пассивных способах исследования залежей углеводородов рекомендуется уточнение скорости звука приемниками, разнесенными на большое расстояние, а затем бурение пробной скважины.

Из фиг.4в (активная часть взаимного спектра) видно, что благодаря увеличению соотношения сигнал/помеха определяется большее число отражений от отражающих донных слоев, чем отдельно в спектрах Р и V. Благодаря этому можно определить все наиболее характерные частоты отражений: 1,2; 1,4; 2.1; 2,9; 3,4; 4,3; 5,6 Гц. Выполнение расчетов для этих спектральных составляющих волны Релея по приведенной формуле позволяет построить вертикальный разрез морского дна для всех отражающих границ Н. Рассчитанные глубины отражающих слоев (вертикальный разрез) следующие: 150; 190; 250; 300; 400; 600; 700 м.

Представленный способ направлен на увеличение достоверности разведки залежей углеводородов для промышленно используемых методов, приведенных выше источников, основанных на изучении частотных спектров микросейсм. Это подтверждает промышленную применимость предлагаемого изобретения.

Согласно 2-му пункту формулы заявки на изобретение сейсмогидроакустические приемные системы размещают в мобильной подводной станции (необитаемой или обитаемой), имеющей нулевую плавучесть. Использование подводных станций снижает помехи от кабелей связи с обеспечиваемым судном, то есть повышает достоверность измерений. Нулевая плавучесть обеспечивает надежность подъема станции.

Использование не менее трех сейсмогидроакустических приемных систем позволяет одну из них использовать при синхронных измерениях в качестве опорной станции, а две другие - в качестве перемещающихся станций.