CN100339724C - 利用受控源电磁场监测碳氢化合物储藏层的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在其间可能有碳氢化合物抽取的时间间隔内对海底之下的碳氢化合物储藏层(4)中的变化进行实时监测的系统。包括：电磁源组件(16)，用于发射多个第一电磁场。多个海底天线(30a-30d)分布在与所述碳氢化合物储藏层(4)对应的区域上方的海底(8)上。各天线(30a-30d)包括适于接收多个第二电磁场并生成与所述被检测到的场相应的信号的接收器电极阵列(30a-30d)。数据记录处理装置接收随时间变化的信号和与所述信号对应的数据。接收电极的不同组合与发射器天线结合使用以测量垂直、径向和/或方位场。场的发射和检测能够持续地或在抽取碳氢化合物的过程当中的时间阶段执行，以估计抽取的速率和效率。

Description

利用受控源电磁场监测碳氢化合物储藏层的系统和方法
                        相关申请
本申请要求在2002年12月10日提交的序号为60/432,467的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用被整体并入本文。
                        发明领域
本发明涉及在用于监测海底下面的碳氢化合物储藏层(hydrocarbonreservoir)的受控源电磁勘探中对海底电导率的测量，尤其涉及一种用于在抽取过程中监测海底下面的碳氢化合物储藏层的系统和方法。
                        发明背景
对海底之下的电阻率的测量已在诸如石油或天然气的碳氢化合物的勘探、储藏层评估以及开发中呈现出重要的作用。传统地，使用地震法来实现这些目的，但是结果可能是不明确的。已经开发出几种用于测绘海底下面的电阻率变化的电磁方法。例如，参见Constable(康斯特布尔)的第5,770,945号美国专利(大地电磁法)、Smka(森卡)的第6,522,146号美国专利(受控EM源)、MacGregor(马克乔治)和Sinha(新哈)的公开号为WO 03/048812的国际申请(受控EM源)以及Rees(瑞斯)的公开号为WO 01/57555的国际申请(受控EM源)。每个所述的专利文本的公开内容通过引用被并入本文。受控EM源(CSEM)方法在本领域是公知的，它几乎已经成为从非常浅到深的海水中测绘海底的电导率的常规方法，其可在5千米的水中实现多达30千米的海底穿透深度。这些方法在避免在不包含可从经济得到回收的数量的碳氢化合物的海底下面的结构中钻探试验井的费用方面提供了显著的经济上的节约。但是到目前为止，这些方法在碳氢化合物储藏层方面的应用都局限于对充满碳氢化合物的层的识别和测绘。
一旦定位和接触(tapped)到碳氢化合物储藏层，在天然气/石油抽取过程中监测碳氢化合物储藏层中的变化对于优化生产是重要的。一项现有技术包括钻出分立的监测井，它除了昂贵和耗时以外，还因为取样位置较少而不能提供储藏层几何形状的综合图像。另一技术包括在抽取井或“测井”中放置传感器，其中钻柱被收回，设备被插入以进行测量然后被收回，然后将钻柱重新放回。其它的现有方法包括重复或延时的地震勘探，也就是通常所说的四维地震建模。地震勘探包括使用气枪阵列以在表面产生大的地震脉冲，这些脉冲被岩石层和碳氢化合物储藏层之间的边界反射。地震法测量了海底下面的结构的声学特性，而升学特性与实际碳氢化合物含量的相关性要比电阻率差。另外，因为对于操作气枪或处于附近的人有危险，而且在脉冲附近的广泛区域中会损害或打扰海洋生物，所以持续和重复的地震勘探对于扩展的监测应用是不合需要和不切实际的。此外，井下地震勘探涉及到昂贵的井故障时间(down-time)。
因此，尚需能够经济地监测储藏层随时间变化的系统和方法，以用于在使监测技术对环境的损害最小化的情况下提高碳氢化合物从储藏层的收回。
                            发明内容
本发明的有益效果在于提供了一种无需使用昂贵矿井即可对大面积区域上方的储藏层结构进行持续或重复的测绘的方法。
本发明的另一个有益效果在于提供了一种用于生成储藏层几何形状的全面图像的方法。
本发明的另一个有益效果在于提供了一种改进的用于测量和监测海底下面的碳氢化合物储藏层的受控电磁发射器。
根据本发明，海底下面的碳氢化合物储藏层的电阻率的实时变化利用涉及受控电磁源的方法得到监测。在油和天然气被水代替时，被估计的储藏层电阻率出现变化。能够使用这种方法监测储藏层的深度和横向范围。这种监测允许矿井位置和抽取率被优化以实现储藏层的使用寿命中的全部抽取。
在第一个示例性的实施方案中，其中每一个都被连接于多个接收器电极的多个导电电缆被分布在海底上方碳氢化合物生产平台周围，以使得它们能够遍布碳氢化合物储藏层的区域。电磁(EM)发生器被设置于平台上，并经由单独的一组电缆连接到被设置于海底或接近海底的一个或多个发射电极对。在多个电极对被提供的情况下，可以同时或顺序地在发射电极对之间施加电流，所述发射电极对被设置用于产生垂直、径向和/或方位(azimuthal)电场。储藏层的深度还决定发射和接收器电极之间的距离，这是由于通常的规律是该距离至少应该是储藏层深度的三倍。发射频率由储藏层的深度和其上覆盖的沉积物的电导率来确定，对于1千米深度的储藏层典型地为0.25赫兹。发射电极能够水平地放置在海底或垂直地从所述平台悬挂。来自EM发射的穿过接收器电极的电场在生产平台被监测。来自接收器电极的信号放大能够使用水下放大器或设置于所述平台中的放大器来施加。
处于发射频率的电场的大小和位置确定了储藏层的范围和深度。径向电场模式对储藏层的横向维度最为敏感。通过在海底永久地安装发射器和接收器电极，所接收到的EM信号的振幅变化仅取决于储藏层的变化，而并不是依赖于在所述电极被移动时发生的其它的地理相对邻近(relative proximity)。
在本发明的第二个实施方案中，重复测量能够使用船牵引的在设置于海底的接收天线阵列中移动的受控源EM(CSEM)发射器来执行。该阵列能够被固定在遍布储藏层上方的适当位置，如在第一实施方案中的那样，或者多个海底数据记录器可被分布在储藏层上方的位置，其中，所述海底数据记录器可例如在第5,770,945号专利或在PCT US03/18522号共同未决的国际申请中公开的记录器，其被并入本文以作为参考。数据记录器单元可被与用来牵引上述发射器相同的船来部署，或事先用一个或多个不同的船来单独部署，或使用位于固定平台上的起重机(crane)或其它装置单独部署。储藏层的深度决定了发射器-接收器的距离。在这种情况下，被牵引的发射器和接收器之间的距离优选为储藏层深度的两倍。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于在其间可能有碳氢化合物抽取的时间间隔内对碳氢化合物储藏层进行实时监测的系统。所述系统包括：受控源电磁发射器，其包括至少一个发射天线以用于在所述间隔内的多个时机发射电磁能；多个海底天线，其分布在位于与所述储藏层对应的区域上方的海底上，其中各个海底天线包括接收器电极阵列，各个所述接收器电极在各个所述时机提供对来自所述发射器的能量产生响应的信号；至少一个数据记录处理器，用于在各个时机接收来自各个所述天线的信号，并且用于为各个时机存储与从所述天线接收的信号相关的至少一个参数，其中所述信号表征所述储藏层的阻抗；用于提供时钟的装置，用于将所存储的至少一个参数与时间相关联，其中所述至少一个参数随时间的变化与所述碳氢化合物储藏层中的变化相对应。各个海底天线包括多个电极，所述多个电极沿导电电缆以预定的距离布置。电磁源组件包括至少一个垂直场发射器，用于生成在所有接收器电极中被测量的垂直场。其它的发射器可被设置用于生成由所有的或选定的接收器电极测量的径向场和/或方位场。
所述发射器包括受控源发射器，其被设计用来通过发射器电缆在海底的水中生成最大可能的电流。因为信号在水中会迅速衰减，所以发射器电极阵列应该设置在接近海底的位置。在受控源被船牵引的应用中，将被牵引的电缆阵列构建成使其不能漂浮是重要的。电缆优选地不能太重以使得其可在海底被直接拖动以避免对电缆和/或电极的损坏，以及最小化对环境的影响，例如，损坏珊瑚结构或与碳氢化合物的生产相关的海底结构。为了实现这种平衡，用于深牵引的电缆的所需构造应该具有中和浮力(neutrally buoyant)。根据现有的技术，铜导体被封入填充有油的软管中，其中油的密度被选择为适于中和浮力。这样的电缆是重的和难于处理的，并会产生破裂从而使得油泄漏到水中，或使水进入到电缆中。在本发明的优选实施方案中，用于深牵引应用的改进型电缆包括标准的铝电源导体，通过将该铝电源导体封入密度小于每立方米一千公斤的热塑性弹性体(TPE)中而将其制成在海水中具有中和浮力。
本发明还提供了一种用于在其间可能出现有碳氢化合物抽取的时间间隔内对海底之下的碳氢化合物储藏层进行实时监测的方法。所述方法包括在位于与所述储藏层对应的区域上方的海底分布多个接收天线，其中各个天线包括接收器电极阵列；将至少一个电磁场发射器部署在所述储藏层上方的海底处或海底附近；在所述间隔的多个时机，从各个所述接收天线获取信号，所述信号响应来自所述发射器的能量，各个信号表征所述储藏层的阻抗；为各个所述时机存储与从所述天线接收的信号相关的至少一个参数；以及识别所述至少一个参数随时间的变化。测量碳氢化合物的抽取的灵敏度可通过选择频率和发射器-接收器距离范围来控制，以在抽取的过程当中在场强中产生十倍的变化。多处理器可被使用，并且数据可被联合以用于在较大区域上方进行测量。所述定时装置还被用于在多处理器之间进行同步以及用于叠加时间。该用于监测碳氢化合物储藏层的方法可在抽取和生产期间被用来估计抽取率。
                     附图简要描述
通过以下结合附随的附图对本发明优选实施方案进行的详细描述有助于对本发明的理解，附图中相同的标号表示相同的部件，并且其中：
图1是根据本发明的固定安装系统的图解侧面视图；
图2是根据本发明的固定安装系统的俯视图；
图3是根据本发明第二个实施方案所述的部署在海底各位置处的可移动记录器单元的示意性布局结构的图解俯视图；
图4是被牵引的EM发射器组件的图解视图；
图5是用于深度牵引的发射器的电缆的截面图；
图6a是用于测量的分层结构的一维模型；图6b是源-接收器距离范围与发射频率的灵敏度标绘图；以及
图7的标绘图示出了每偶极矩的电场随储藏层厚度的变化。
                    优选实施方案的详细描述
按照本发明，海底下面的碳氢化合物储藏层的电阻率的时变被监测以确定储藏层中的石油或天然气何时被水代替。涉及到受控电磁源的电磁法被采用。储藏层的厚度和横向范围都可由这一方法通过采取连续地或定时间隔的测量来监测，由此可以确定出抽取率。这种监测使得井的位置和抽取率被优化成可在储藏层的寿命期间实现全部抽取。
如本领域所公知，碳氢化合物储藏层可在湖泊、河流和海洋下被发现。因此，为了本文描述的目的，术语“海底(seafloor)”被用来通指其中可产生用于测量的足够程度的电导的水体的底部，而并不被局限为海洋底部。
在发射频率的电场的大小和位置被用于确定储藏层的范围和厚度。通过在海底上永久地安装发射和接收电极，接收到的EM信号的幅度的变化仅取决于储藏层中的变化，而不依赖于如果电极被移动将会发生的其它地质的相对邻近。图1和2表示按照本发明的系统的第一个示例性的实施方案，该系统以相对于平台2的固定关系被安装，平台2的例子如为用于通过钻6从海底下面的储藏层4抽取碳氢化合物而构造的钻探装置。
电磁场(EM)发射器10被置于平台2上，其电连接有一个或多个发射器天线12。发射器10包括受控源发射器，其被设计为通过发射器电缆在海底处的水中产生尽可能最大的电流。因为该信号在水中迅速衰减，所以发射器电极阵列优选地被定位于处在发射器-接收器所分开的受限距离范围内靠近海底。在提供多个电极对的情况下，可同时或顺序地在发射电极对之间供应电流，这些发射电极对被放置以产生垂直、径向和/或方位角(azimuthal)的电场。发射频率由储藏层的深度和覆盖在其上的沉积物的电导率来确定，对于1千米深的储藏层而言，其通常为0.25Hz。发射电极可水平放置在海底上或从平台垂直悬挂。
在如图1所示的实施例中，天线12a由电缆14a和发射器电极16A和16B的组合形成。在一个优选实施方案中，上述电极是银-氯化银电极，例如第5,770,945号专利中所描述的电极，但是，使用其它类型的电极对本领域技术人员而言是显而易见的。从平台2悬挂的天线12a产生由场线48指示的垂直电场。由电缆14b和发射器电极16C和16D的组合形成的天线12b被置于海底8上以产生由图2中的场线50指示的径向电场。作为在水的表面上方的平台的一种选择，可将该组件置于海底或靠近海底的适当密封的壳中。通过将发射和接收电极永久地安装在海底，接收的EM信号的幅度的变化仅取决于储藏层中的变化，而不依赖于如果电极被移动将会发生的其它地质的相对邻近。
接收器天线26的阵列被分布在海底8的周围以覆盖储藏层4的区域。接收器阵列连接到用于接收和放大天线信号以将其发射到数据记录处理器70的多通道放大器62。数据记录处理器70存储有通过天线收集的随时间变化的数据。(为了所要保护的发明的目的，除非上下文另有需要，术语“时间(time)”指的是日期或每天的时刻中的至少之一)。可被收纳在处理器壳内部(因此在该图中没有被单独示出)的计时装置向处理器提供定时信号，以用于在信号叠加和相位测定中使用的同步。该定时装置可为任何能够产生精确定时信号的装置，例如，可包括晶体振荡器、集成电路器件、GPS接收器或它们的某些组合。适当的定时装置的选择对本领域技术人员而言是显而易见的。
叠加时间被处理器记录作为对存储的信号数据的参考。放大器62和数据记录处理器70可被置于平台2上或者水的表面之下，它们被不透水的壳保护。仍然参考图1中示出的示例性的实施方案，天线26a包括电缆40和接收器电极30a-30d。每个接收器电极对(例如电极30a-30b和电极30c-30d)包括一个氯化银电极和一个金属电极。天线26a只是如图2所示的许多接收器天线中的一个，天线26a以轮辐状排列从平台2径向地延伸以在充分不同的方向上覆盖储藏层4(由虚线指示)，从而提供合理的储藏层范围的表示。在本示例的实施例中，接收器阵列26具有8个轮辐，具体地，为天线26a-26h。天线26b包括电缆41和接收器电极31a-31d，天线26c包括电缆42和接收器电极32a-d。天线26d包括电缆43和接收器电极33a-d。天线26e包括电缆44和接收器电极34a-d，天线26f包括电缆45和接收器电极35a-d。天线26g由电缆46和接收器电极36a-d组成，而天线26h包括电缆47和电极37a-d。通常，接收器天线的分布模式依赖于储藏层的形状和平台的位置。因此，所示的分布模式仅被看作示例性的。
虽然一个发射器将通常被许多接收器所监测，但在本示例性的实施方案中，对于每个径向的接收器天线都有对应的用于产生待被接收器天线检测的径向EM场的发射器天线。这些发射器天线可被同步或顺序地激励。接收器天线的读数被取出以提供在与接收器天线的径向方向对应方向上的储藏层的径向范围的测量。如图2所示，当包括电极22A和22B的发射器天线12f通电时，从至少接收器天线26a(电极30a-d)取得读数以提供与天线的径向方向对应的径向场测量。由发射器天线产生的电场也将在其它接收器天线(有可能在阵列中的所有其它的接收器)处测量，只要在电极处有足够的信号强度。因此，例如，由发射器天线12f产生的电场将在接收器天线26a、26b、26c、26g和26h处被测量。当发射器天线12e(电极21A和21B)被激励，至少接收器天线26b检测到径向场。类似地，发射器天线12d和接收器天线26c、发射器天线12c和接收器天线26d、发射器天线12b和接收器天线26e、发射器天线12i和接收器天线26f、发射器天线12h和接收器天线26g以及发射器天线12g和接收器天线26h的组合可被用于测量它们在穿过储藏层4的各自的方向上的径向场。
虽然通常不能很好的反应电阻率的变化，但方位场(azimuthal field)作为用于提供背景电阻率的测量的控制信号是有用的。然后背景电阻率可从使用垂直和/或径向场得到的测量结果中减去，以提供背景校正的电阻率测量结果。不需要另外的发射器或接收器来测量方位场。作为替代，被用于径向测量的发射电极和接收电极的不同组合可被选取以产生和测量方位场。例如，参照图2，可产生穿过发射器电极20B和21B的由场线52指示的方位场，并且可使用接收器电极31b和32b对其进行检测，有效地产生连接两个不同的径向轮辐上的点的虚线或弧。通过径向场测量结果，这些电极组合可被同步或顺序地激励以测量穿过储藏层所有部分的方位场。例如，由发射器电极19B和20B产生的场可使用接收器电极32b和33b来测量，然后，由发射器电极18B和19B产生的场将使用接收器电极31b和32b来测量，等等。因此，使用相同的发射器和接收器天线阵列，储藏层的范围和横向均匀性可在背景电阻率被估计的情况下被估计。
可能需要执行大地电磁(MT)探测以确定对CSEM数据的修正。MT数据可提供对于沉积物电导率的基线测量或CSEM数据内的噪声消除。虽然CSEM方法在解决海底下面的结构中的电阻性特性方面非常有效，但大地电磁(MT)在解决导电性特性方面更好。MT方法使用自然发生的电磁场的测量来确定表面之下的岩石的电阻率或电导率。将两种技术结合的一些优点在于能得到增加的准确性和分辨率，特别是在例如玄武岩的浅的电阻性岩石的区域中。
在一个组合的应用中，可使用MT方法作为参考以用于从CSEM数据中消除噪声的目的。具体地，在CSEM数据中在约0.3Hz(确切的频率取决于水的深度)以下的最大的噪声源是MT信号。因为MT信号是空间均匀的，所以进行在监测阵列之外的磁场和/或电场的时间序列测量是可能的，然后使用这些测量结果来从监测测量结果中减去MT噪声。以不同设置(潜艇探测)对这一方法的应用报告了多达40dB的噪声降低。
在另一应用中，MT可被用于改进CSEM数据的解释(interpretation)。MT方法优先对海底下面的结构的导电部分敏感，在这种情况下，海底下面的结构是在储藏层上方和下方的沉积岩。因为MT方法对薄电阻性层几乎完全不敏感，所以，除非储藏层相对较厚和相对较浅，否则在MT数据中没有响应。这提供了一种机制来确保CSEM监测数据中的变化是由储藏层的耗尽而引起的，而不是由沉积物的电导率的变化而造成的。在储藏层上方对MT响应的重复测量可独立于CSEM监测阵列而用来监测沉积物电导率。包括被用在MT探测中的磁场感应传感器的记录器单元(例如在第5,770,945号专利中所描述的那样)可被用在EM和MT测量中。作为一种选择，可使用单独的检测系统。
对垂直场48的测量(其提供了对储藏层的电阻率的横向变化的估计，即，示出了边缘)通过天线阵列中的所有接收器电极来实现。例如，接收器天线26a的电极30a-30d可被用于估计在与天线26a下方的区域相对应的位置处的储藏层的厚度。类似地，来自其它接收器天线26b-26g的信号可被顺序地或以一个或多个组合的方式读取，以估计在与信号被检测的天线的位置对应的储藏层中的位置处的储藏层厚度。
为了处理接收器电缆和电极的多种组合，可为电缆的每个节点提供在该电缆上方被供应能源的前置放大器。放大的信号然后被发射到平台上的记录处理器70。为每个电缆对提供ADC通道，使得它们可被同时监测。然后，只有发射器将被切换以产生不同的电场。
在第二实施方案中，重复的探测可使用船牵引的在置于海底上的接收天线的阵列中移动的受控源EM发射器来执行。这一阵列可被固定于在储藏层上方延伸的适当位置(如第一实施方案所述)，或者多个海底数据记录器单元(例如在第5,770,945号专利中或者第PCT US03/18522号未决国际申请中公开的记录器单元，上述申请通过引用被并入本文)可被分布在储藏层上方的位置。数据记录器单元可被相同的用于牵引发射器的船只来部署，或者可以一个或多个不同船只或使用起重机或其它位于固定的平台上的结构被预先单独布置。
图3表示了部署在覆盖于碳氢化合物储藏层4上的海底上的位置处的记录器单元100的示例性的配置。虽然所示有12个单元，但是只要有对应于储藏层的足够的覆盖面积，就可使用更多或更少的单元以提供对其合理的横向范围的估计。只要有合理的储藏层区域的采样，记录器单元100的配置就不重要，这是因为发射器的牵引模式使得能够进行径向场测量。每个记录器单元100(图解地示出)具有至少两个处于正交关系的偶极子接收器天线102、104、用于接收和放大来自于天线电极的信号的信号放大器106以及其中信号被数字化并连同定时信号存储在存储器中的数据记录处理器108。作为一种选择，适当的电路可被封装在位于靠近接收电极的不透水的壳中，允许电场信号在偶极子位置能被放大和数字化，使得数字信号被发射到中央数据记录器。记录器单元的其它细节在上面引用的专利和国际申请中公开，这里不再赘述。(记录器单元的其它细节也被康斯特布尔(Constable)和考克斯(Cox)提供(“海洋受控源电磁探测2，PEGASUS实验”，J.Geophys.Res.，101，第5519到5530页，1996(″Marine controlled source electromagneticsounding 2.The PEGASUS experiment″，J.Geophys.Res.，101，pp.5519-5530，1996)，其通过引用被并入本文))。注意，垂直场可使用附加的垂直偶极子天线进行测量，如第PCT US03/18522号国际申请中所公开的那样。
重复的探测可使用被船200或其它船只牵引的海洋受控源电磁发射器202来实现，如图4所示。为了提供径向场测量，发射器以径向模式被在储藏层的上方牵引。发射器202与接收器之间的距离应该是储藏层深度的两倍或更多倍。因此，对于1千米的储藏层深度，接收器距离发射器应该至少为2千米。在一个示例性的实施方案中，发射器202由船上的功率调节器(其将船的三相电力转换为具有适当频率的干净的、可调节振幅的电力)提供动力来向深海牵引的发射器进行发射(60到400Hz-这一较高频率允许使用更有效和紧密的发射器)。作为一种选择，船上的电源可为具有被转换为靠近海底的被牵引的组件中的高频信号的信号的直流电源。频率控制应该精确和稳定，优选地使用GPS时基。功率调节器可为来自埃尔加电子公司(圣地亚哥，加利福尼亚)(Elgar Electronics Corporation(San Diego，California))的DMAC II系列供电系统或者类似物。逐步增压型电源变压器被用于将来自功率调节器的电压增加到深海牵引电缆所能承受的最大电压(通常为2000VAC)。绞盘和滑环组件被用于向牵引电缆210传递高压电。
如图4所示，发射器单元202包括机械牵引框架204以保持发射器电子设备206和发射天线208。如果发射单元被设置在平台上，则不需要牵引框架和电缆。对于被牵引的发射器，发射器电子设备206被容纳在可抵抗压力、防水的罩壳中。发射器天线208与天线电缆207以及电极209A和209B一起连接至电子设备的罩壳并被牵引在框架204后方。
发射器电子设备206包括逐步降低功率的变压器，用于将来自于深牵引电缆210的高电压功率转换为用于发射器202的低电压、高电流的功率。来自于功率变压器的输出利用可控硅整流器(SCR)电桥和控制电路被全波直流并转换至较低的发射频率(10赫兹至0.01赫兹)，如Constable and Cox(″Marine controlled source electromagnetic sounding 2.The PEGASUSexperiment″，J.Geophys.Res.，101，pp.5519-5530，1996(康斯特布尔和考克斯的“海洋受控源电磁水深测量2.PEGASUS实验”，J.地球物理学资源，101，第5519-5530页，1996))所述，或者利用功率二极管的全波整流桥转换至直流电，并且利用集成栅双极晶体管(IGBT)对产生的直流电流进行切换。
机电的电缆210将功率从逐步升压的变压器传输至深牵引的发射器202。由于信号在水中快速地衰减，因此发射器天线208应定位在靠近海底处，因而，设置牵引的电缆阵列从而使其不会漂浮就十分重要。电缆并不很重由此其可被在海底上直接牵引以避免电缆和/或电极的损坏同时最小化对环境的影响(例如，对珊瑚结构或者用于碳氢化合物抽提的人造结构的损坏)也是优选的。为了实现这一平衡，深牵引电缆210的所需的结构应该具有中和浮力(neutrally buoyant)。根据现有的技术，铜导体被包在充满油的软管中，其中油的密度被选择为具有中和浮力(参见例如第4,634,804号美国专利)。这种电缆很难操纵并且常会破裂，从而使油释放到水中并且允许水进入电缆。在本发明的优选实施方案中，一种用于深牵引应用的改进的电缆包括金属能量导体，通过将其包裹在密度小于1000kg/m3的热塑弹性体(TPE)中可在海水中产生中和浮力。在优选实施方案中，选用了标准的铝导体，因为其重量较轻，然而也可使用其它金属，包括铜。图5示出了电缆210的一个示例性剖面图，其中标准铝导体212包裹在TPE 214中。
在接收器布局结构的第三个实施方案中，永久性的锚可被安装穿过储藏层区域上方海底的位置，例如在类似于图3所示的布局结构中。这些永久性的锚用于将多个可移动的接收器天线保持在合适的位置。可以在恰好在将牵引的发射器置入水中之前使用遥控运载体(ROV)将接收器天线重复地放置在锚的位置，如本领域技术人员已知的那样。在这一实施方案中，不需要将任何电子设备留在测量操作之间的地点。
对最佳发射频率的选择可最大化使用从远离发射器的电场得到的电阻率数据探测储藏层厚度的变化的能力。这一最佳频率由海水的深度、储藏层的深度、储藏层上方的沉积物的电阻率以及测量系统的噪声基数(floor)来决定。利用对具有图6a的分层结构的海底进行计算机建模可得到这一频率，图6a示出了在1千米的海水中具有1欧姆-米的沉积物的1千米深的储藏层的一维基础模型。(三维建模示出了如果发射器和接收器都位于储藏层上方，其将提供正确答案)。在时间分辨率(temporal resolution)和能被测量的最小信号之间存在折中。这与众所周知的光谱分析和信噪比原理有关。
一个固定的参数是放大器和电极系统的电压噪声基数，VNf。电压噪声基数的功率在0.1到10赫兹之间为约10-18V2/Hz。其接近电极系统的约翰逊噪声(热噪声)限制，并且虽然其可能有些增大，但是不太可能显著地变化。受控源电磁系统的噪声基数(Nf)的振幅，即能被测得的信噪比为1的最小信号，由以下公式给出：
N f = V Nf / Bw D m × L RA
其中Bw是测量的带宽(叠加时间或测量时间)，Dm是发射器的偶极矩(以安培-米的形式)，以及LRA是接收天线的长度。
Dm的典型值可以是104(在100米的天线中传输入100安培。注意，电流可以在小到10安培大到1000安培的范围内)。LRA的典型值对于固定的系统可以是100米，对于所部署的接收器可以是10米。噪声基数可以通过同时增加发射器和接收器天线的长度来改善，然而，空间分辨率将被降低。
对于根据第一实施方案的固定安装来说，在对时间分辨率和噪声基数的折中下，发射可以是连续的。通过一整天的叠加测量，得到3×10-18V/m/(Am)的噪声基数。经过一星期的测量其可被降低至1×10-18V/m/(Am)。通过对一年的测量进行求和，可得到接近10-19V/m/(Am)的噪声基数。这可能表示在实践中可以得到最小的测量。
对于使用如在第二实施方案中的所部署的接收器和船牵引发射器的重复勘测来说，在发射器的位置显著地改变之前几分钟的带宽是有可能的。使用两分钟和上述典型参数，可得到10-15V/m(Am)的噪声基数。
图6b是灰度像素标绘图(pixelplot)，其使用具有图6a所示的模型中的储藏层的水平、径向电场与用于完全耗尽的储藏层和基础模型的电场之比来显示灵敏度。图右侧的灰度指示(key)显示了噪声基数Nf的幅度。
图6b中的等高线以指数形式示出了储藏层所呈现的电场的量级。也就是说，-20是10-20V/m每偶极矩。首先，选择源-接收器的距离范围。其可以尽可能的大，但是受储藏层的大小和所需要的分辨率限制。在此，选择了5千米(由箭头“A”指示)。在这一范围内，最强的效应是在10赫兹处，其中由储藏层引起的信号比没有储藏层的信号大10,000倍(由图中的白色菱形所指示)。然而，有储藏层时信号的量级是10-19V/m/(Am)，没有储藏层时信号的量级是10-23V/m/(Am)，其可能太小而难以测量。然而，如果系统的噪声基数是10-16V/m/(Am)至10-19V/m(Am)，则3赫兹的频率是最佳的，当储藏层耗尽时会在信号中产生千倍的变化(由箭头“B”指示)。如果系统的噪声基数是10-15V/m/(Am)至10-16V/m/(Am)，则1赫兹的频率将在场强中产生10倍的变化(由箭头“C”指示)。图6b中的虚线包括了在图中示出的10倍和更高的变化，其覆盖了用于图6a的模型的0.1赫兹到约20赫兹的近似的频率范围。通常，考虑到信号的量级和噪声基数，对于典型的沉积物电导率和储藏层深度来说，优选的频率范围将在0.1-1.0赫兹左右。(Flosadóttir和康斯特布尔提供了对于灵敏度的更详尽的讨论(″Marine controlled sourceelectromagnetic sounding 1.Modeling and experimental design″，J.Geophys.Res.，101，pp.5507-5517，1996(海洋受控源电磁测量1.建模和实验设计，J.地球物理学资源，101，第5507-5517页，1996))，其被合并于此作为参考。)。
在电场中产生因子为10或更大的改变的任何范围和频率的结合对于所提出的方法来说都将是有用的。如果环境电阻率中的其它变化不是问题的话，较小的改变可能也是有用的。
储藏层的耗尽对所测量的电场的影响是可以预测/模拟的。参照图7中所示的实施例，对于4.6千米的范围和1赫兹的发射频率，径向的水平电场被相对于储藏层的厚度测绘。正如图中所示的，电场的变化几乎与储藏层的体积成线性关系，并且由此电场中1％的分辨率对应储藏层厚度中1％的分辨率。
沉积物电阻率的改变也将产生径向电场中的改变。然而，沉积物电阻率不太可能有足够的改变以在电场中产生量级上的改变。此外，过负荷的电阻率的改变也将产生方位角的水平电场中的改变，如图7中的虚线所示。可以看到方位角电场对储藏层体积的敏感度小得多。
用于监测海底下面的碳氢化合物储藏层的方法包括将接收器天线阵列设置在海底以覆盖对应于海底下面的储藏层位置和大小的区域。接收器阵列可被永久地固定或者可使用多个数据记录器单元或连接至永久锚的接收器天线而可移除地放置。使用牵引发射器的平台上或船上的任一固定装置将电磁场发射器设置在位于或接近于位于储藏层上的海底。平台可以位于水面上或者在海底上。发射器被启动以产生利用接收器阵列中的一个或多个天线探测的第一电磁场。通过连续启动多个发射器可探测整个储藏层，这些发射器可用于产生垂直场、径向场或方位场。探测信号对应于受到在对应于接收天线的地点的位置的储藏层电阻率的控制的第一电磁场。由接收天线产生的信号被放大，并且对应于该信号的数据被使用数据记录处理器记录。数据记录处理器被同步化以用于信号的叠加和相位的测量。记录的数据被处理以用于海底下方电磁参数的实时监测，其中电磁参数相应于储藏层的电阻率中的改变以用于确定储藏层的横向范围、均匀性和深度中的一个或多个。多个处理器可以被使用并且数据被结合以用于大的区域上的测量。在抽取和生产期间可以使用这种监测碳氢化合物储藏层的方法来评估提取率。
根据本文的教导，本领域的技术人员可以容易地得出本发明的其它实施方案和修改。因此，当结合以上说明书和附图考虑时，本发明仅由所附权利要求所限定，所述权利要求包括了所有此类其它实施方案和修改。
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Claims (29)

1.一种用于在其间可能有碳氢化合物抽取的时间间隔内对海底之下的碳氢化合物储藏层中的变化进行实时监测的系统，包括：
受控源电磁发射器，其包括至少一个发射天线，所述发射天线用于在所述间隔内的多个时机发射电磁能；
多个海底天线，其分布在位于与所述储藏层对应的区域上方的海底上，其中各个海底天线包括接收器电极阵列，各个所述接收器电极在各个所述时机提供对来自所述发射器的能量产生响应的信号；
至少一个数据记录处理器，用于在各个时机接收来自各个所述天线的信号，并且用于为各个时机存储与从所述天线接收的信号相关的至少一个参数，其中所述信号表征所述储藏层的阻抗；
用于提供时钟的装置，其将所存储的至少一个参数与时间相关联；其中，
所述至少一个参数随时间的变化与所述碳氢化合物储藏层中的变化相对应。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个发射天线以选定的频率发射电磁能，以在当所述储藏层耗尽时在场强中产生十倍或更大的变化。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述频率处在0.1赫兹到1.0赫兹的范围之内。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个发射天线和所述多个海底天线中的一个之间的距离范围是结合所述频率选择的。
5.如权利要求1所述的系统，其中，各个海底天线包括多个电极，所述多个电极沿着导电电缆以预定距离设置。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个海底天线以固定阵列的形式安装在海底上。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个海底天线包括可移除地部署在海底上的多个接收器。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述电磁发射器被固定在相对于所述储藏层和所述多个海底天线的适当位置处。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述电磁发射器被安装在平台上，所述平台被被构建用于从所述储藏层抽取碳氢化合物。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述平台设置在水的上方。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述平台设置于所述海底，并且所述电磁发射器被装入防水和耐压的罩壳中。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述电磁发射器由位于与储藏层相对应的区域上方的船来牵引。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述电磁发射器由具有中和浮力的电缆牵引，所述电缆包括被封入密度小于每立方米一千公斤的热塑弹性体之中的导体。
14.如权利要求1所述的系统，其中，所述电磁能包括垂直场，并且各个所述多个海底天线提供对所述垂直场做出响应的信号。
15.如权利要求1所述的系统，其中，所述电磁能包括径向场，所述接收器电极阵列包括横跨所述储藏层以径向的方向设置的接收器电极对，所述接收器电极对测量所述径向场，并提供对所述径向场做出响应的信号。
16.如权利要求1所述的系统，其中，所述电磁能包括方位场，所述接收器电极阵列包括与一对半径之间的直线或弧线相对应的一对接收器电极，所述一对接收器电极检测所述方位场并提供对所述方位场做出响应的信号。
17.如权利要求1所述的系统，还包括：
磁场感应传感器，用于执行大地电磁测量以产生用来对从所述多个海底天线获得的数据进行校正的信号。
18.一种用于在抽取期间的时间间隔内对海底之下的碳氢化合物储藏层中的变化进行实时监测的方法，包括：
(a)在位于与所述储藏层对应的区域上方的海底上分布多个接收器天线，其中，各个天线包括接收器电极阵列；
(b)在所述储藏层上方的海底处或海底附近部署至少一个电磁场发射器；
(c)在所述间隔内的多个时机从各个所述接收器天线获取对来自所述发射器的能量做出响应的信号，各个信号表征出所述储藏层的阻抗；
(d)为各个所述时机存储与从所述天线接收到的信号相关的至少一个参数；以及
(e)识别所述至少一个参数随时间的变化。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述发射器以选定的频率发射能量，以当所述储藏层被耗尽时在所获得的信号的场强中产生十倍或更大的变化。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述频率处在0.1赫兹到1.0赫兹的范围之内。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述发射器与所述多个接收器天线中的一个之间的距离范围是结合所述频率选择的。
22.如权利要求18所述的方法，其中，各个接收器天线包括多个电极，所述多个电极沿着导电电缆以预定的距离设置。
23.如权利要求18所述的方法，其中，所述多个接收器天线以固定阵列的形式安装在海底上。
24.如权利要求18所述的方法，其中，所述多个接收器天线包括可移除地部署在海底上的多个接收器。
25.如权利要求18所述的方法，其中，所述电磁场发射器被固定在相对于所述储藏层和所述多个接收器天线的适当位置处。
26.如权利要求25所述的方法，还包括在被构建用于从所述储藏层抽取碳氢化合物的平台上安装所述电磁场发射器。
27.如权利要求18所述的方法，还包括利用船只在对应于所述储藏层的区域上方部署和牵引所述电磁场发射器。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述电磁场发射器由具有中和浮力的电缆牵引，所述电缆包括被封入密度小于每立方米一千公斤的热塑弹性体中的导体。
29.如权利要求18所述的方法，还包括：
执行大地电磁测量；
应用所述大地电磁测量的测量结果来校正至少一个被存储的参数。
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