CN101622554A - 绘制浅水中的碳氢化合物储集层的方法以及在实践该方法时使用的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提议一种用于碳氢化合物储集层的海上电磁勘探的系统。所提议的系统特征在于对于含有碳氢化合物的目标的高敏感度和在浅水和深水中工作的能力。该系统包括发射机，其通过浸入水中的垂直或水平发射机电缆(7a、7b、8)来设置水(2)中的电流脉冲的发射机和连接到垂直或水平接收器电缆(10a、10b)上的电极(11)的记录系统(9)。发射机产生电流的尖锐终端脉冲的特殊序列，以这些脉冲之间的脉冲测量水中的电场。通过接收器电极的直线位于与发射机电缆(7a、7b)的终端相同的垂直平面中。以发射机电缆(7a、7b)和接收器电缆(10a、10b)之间的偏移来执行测量，该偏移小于从海床(3)测量出的碳氢化合物的目标储集层的深度。

Description

绘制浅水中的碳氢化合物储集层的方法以及在实践该方法时使用的装置
技术领域
本发明涉及用于绘制海底碳氢化合物储集层的方法和装置，更明确地，通过使用用于登记由一或多个浸入水中的接收器测量出的横向磁(TM)响应的TM模式电磁场源，通过使用基本上垂直或水平方向的发射机和一或多个基本上水平或分别垂直方向的接收器和通过在当电磁场源上的电流被关闭的时间间隔中在浸入水中的发射机中产生具有尖锐终端间歇电流脉冲，电磁场由浸入水中的接收器测量出的这些脉冲产生。电磁场源的偶极子和接收器的偶极子的偏移比到目标物体的深度小。
背景技术
地震测量提高关于含有碳氢化合物的地质结构的存在、位置和形状的可靠信息。然而，地震测量方法通常不足以确定储集层的位势值，且甚至在区别检测到的结构中的水与含碳氢化合物的液体方面具有困难。由于海洋状况中钻井的高成本，在没有可靠地震测量结果的情况下，勘探钻井非常不具吸引力。测量储集层内容的电阻率中电磁(EM)测量的良好能力已经变为勘探区域的风险分析的重要因素。
受控源电磁(CSEM)方法广泛用于海上碳氢化合物勘探。最普通的CSEM系统包括放置在海底的水平发射机偶极子。该偶极子被供应有强电流。水平电接收器安装在海底，具有到发射机不同的偏移。在Srnka(1986)、Ellingsrud等人(2001-2005)、Eidsmo等人(2003)、MacGregor等人(2003)的专利以及以下列出的其他公开案中描述这些系统的一些修改。在这些系统的一些中，磁测量由电测量完成。
海上CSEM系统的发射机通常产生谐波电流或一系列电流脉冲。在已经将此存储之后，可以将由谐波电流设置的电磁场用于进一步阐述。与此不同，由电流脉冲设置的场经历转换为频域。明确地，在当前最多使用的CSEM方法的海床记录(SBL)中使用从时间到频域的傅里叶变换。
假定信号源和接收器之间的水平距离(所谓的偏移)超出储集层的深度许多倍，那么本海上CSEM系统可以检测目标面积。此条件确保EM场将从发射机通过沉积结构下面的基岩传播到接收器。另外，因为EM场通过空气传播，所以大偏移将使得测量不易受到变形影响。根据康斯特布尔(2006)和康斯特布尔和外斯(2006)，通过空气传播的EM场的效应使得常规SBL技术不能用于浅水中的勘探，也就是说，常规SBL技术被认为是对于300米下的水深度而言不可靠。
最常用的CSEM系统的此缺点反映出更基本的问题，即，场的横向电(TE)模式有助于水平、成行电场的事实。已知与横向磁(TM)模式不同，TE模式对电阻目标非常敏感。
爱德华兹和Chave(1986)使用测量对水平、成行电偶极子-偶极子系统的踩踏暂时响应的CSEM配置。此配置稍后由爱德华兹(1997)应用以勘察气体水合物的沉淀。在勘察中，所要求的成行电场由侧面电场补充。侧面分量电阻目标较不敏感。因此，其可以用于背景横截面(Ellingsrud等人，2001-2005)的确定，且提高在成行测量中要求的异常横截面。在这些试验中，发射机与接收器的偏移在300至1300m的范围中变化。此系统展示比在常规频域中工作的SBL系统高的分辨率。但是使得不可以勘探在超出几百米的深度碳氢化合物储集层。
爱德华兹等人(1981，1984，1985)提出在海上磁电测探的方法(磁离岸电测探方法-MOSES)。该系统由从海表面延伸到海底的垂直电缆构成且被供应有交流电。磁传感器测量在海底的磁场的方位分量。MOSES的明显优点是其在电磁场的TM模式方面的可靠性。该系统的缺点在于提高充分信号电平和对基板深部的敏感性所必需的大的偏移尺寸，和与TM模式一起形成的场的TE模式的登记，其从大部分含有噪音的调查的电阻结构响应。
所描述的所有CSEM方法的最共同缺点在于使用相当大偏移的必要性，通常超过距离目标深度5至10的因数。
本申请案的专利公开案20055168号所代表的Barsukov等人(2005)提出特点在于垂直发射机和接收器行以用于设置海中的电流并测量电场的温度-速度(TEMP-VEL)配置。以此方式，TEMP-VEL配置在分层地层中产生仅由TM模式构成的电磁场。此外，系统仅测量电磁场的TM模式。如果中间时域响应，那么TEMP-VEL配置被设置用于晚时间测量。发射机与接收器的水平分离比目标的深度小得多。系统的这些特征提供相对于电阻目标的最大敏感度。
与频域类型的SBL系统不同，当在小的水深度使用时，TEMP-VEL配置不丢失其敏感性。另外，此系统在浅水中的正常使用是有问题的，因为发射机和接收器电缆的垂直方向不允许实现测量信号的重要电平。这个条件对于在什么深度可以通过在浅水中使用TEMP-VEL检测到目标造成限制。
本发明为了其目标补救或减少先前技术缺点中的至少一个。
通过在以下描述和随后的权利要求中详细说明的特征实现目标。
发明内容
本发明揭露用于碳氢化合物储集层的浅和深水电磁勘探的新颖方法和装置，包括储集层几何形状的研究和储集层中所包括的构成的水饱和度的确定。
根据本发明的第一方面，提高用于通过使用在海底地层中包括的电磁场的TM模式的储集层的确定和其性质的确定的新颖方法。此电场模式对位于沉积、海上基底中的电阻目标非常敏感。如果水平行用于设置水中的电流，那么通过使用垂直接收器电缆来执行电测量。以相同方式，如果垂直行用以设置电流，那么通过使用水平接收器电缆来执行电测量。在两种状况下，发射机电缆和测量电极的终端将保持在相同垂直平面中。以下，术语“正交设置”将用以描述此获取配置。
根据本发明的第二方面，用于确定储集层内容的装置呈现发射机和接收器电缆的按次序的正交配置，藉此产生TM场，或者产生两个模式(但是仅使用TM场的测量)。
根据本发明的第三方面，发射机产生并通过电缆传输一系列特征在于尖锐终端(背面前部)的电流脉冲。接收器测量与和连接发射机电缆的终端的直线正交的电场的分量相对应的电压差。在注入的电流脉冲之间的时间间隔执行测量。背面前部的陡度、脉冲振幅的稳定性和脉冲的持续时间确保测量响应的脉冲形式独立性。在与研究目标的深度相对应的测量时间间隔维持此独立性。
根据本发明的第四方面，当发射机和接收器电缆的中心之间的距离小于距离目标的深度时，在近区条件下执行测量。
根据本发明的第五方面，将满足以上给出的几何条件的躲过电接收器电缆用于同步数据获取，以增加勘测有效性。
附图中说明本发明的主要概念，其中根据本发明的新TEMP-OEL(瞬时电磁海上勘探-正交电线)配置同样与常规SBL频域和TEMP-VEL时域配置相比较。为深水(1000m厚的水层)和浅水(50m厚的水层)绘制所有这些配置的响应。在所有模型中，海水的电阻率等于0.32Ωm，而上面层和目标层下的半空间的电阻率为1Ωm。目标层的横向电阻是2000Ωm2，此与(例如)具有40Ωm的电阻率的50m厚的层相对应。
使用这些配置的每一个，已经使用位于海底下面不同深度的目标层来测试。通过不同曲线展示覆盖层的厚度1000、2000、3000、4000和5000m的计算出的响应。还展示了在无石油的情况下模型的响应，在此未呈现电阻层。
附图说明
以下图和其描述是优选实施例的实例，且不应不认为对本发明限制。
图1示出了基于作为偏移的功能的频域中的电压测量的常规CSEM测量(成行TxRx配置)的分辨率。这是大量用于海上碳氢化合物勘探(SBL和其他系统)的配置。图(a)示出了对于4秒周期的深水的模型的响应，图(b)与1秒周期的相同模型有关。以相同方式，图(c)和(d)示出了分别对应4秒和1秒周期的浅水的模型的响应。所有响应源由偶极子力矩和接收器偶极子的长度的乘积标准化。
图2示出了在对于根据Barsukov等人(2005)的TEMP-VEL系统断开电源之后作为时间函数的降低电压。对于(a)深和(b)浅水展示回应。偏移是300m。电压由外加电流标准化。
图3示出了TEMP-OEL系统的两个替换配置。
图4示出了在已经切断了TEMP-OEL系统的电源之后作为时间函数的降低电压响应。对于(a)深和(b)浅水展示回应。偏移是300m。对于TzRx配置(与图3a所示的配置相对应)，电压由外加电流和接收器偶极子长度的乘积标准化；对于TxRz配置，响应由电源偶极子分量标准化。
图5示意性示出了电磁勘探系统的侧视图，其具有根据本发明的垂直发射机电缆和水平接收器电缆(与图3a中所示的配置相对应)。
图6示意性示出了电磁勘探系统的侧视图，其具有根据本发明的水平发射机电缆和垂直接收器电缆(与图3b中所示的配置相对应)。
具体实施方式
可以在浅水和深水中应用根据本发明提议的方法。其特征在于，相当于电阻目标的高敏感度和高分辨率。此外，新方法和新装置在勘探方面提供比使用垂直发射机和接收器电缆的TEMP-VEL系统大的有效性。
首先，实现两个可能配置中的一个的使用。在第一配置中，通过使用在分层媒介中仅产生TM电磁场的垂直电缆来施加电场。在此配置中，将水平、放射方向的电缆用于记录横截面响应。在第二配置中，将水平发射机电缆用于将电流施加到水中，而将垂直接收器用于测量与TM场相关联的电场的垂直分量。以此方式，因为提供对电阻目标的高敏感度，所以具有相互正交发射机和接收器电缆的系统测量结构中的TM模式响应。同时，即使在浅水中执行勘察，用于发送或接收信号的水平电缆的开发也提供必要的信号电平。
第二，在行上使用倾斜指示器以提供测量的必要精确度。
第三，发射机将顺序系列的电流脉冲施加在发射机电缆商，脉冲的背面前部陡峭。为了避免与电流脉冲(Wright，2005)的有缺陷形式相连的复杂化，新方法要求背面脉冲前部的陡度，脉冲持续时间和脉冲振幅的稳定性满足精确度说明，以获得与脉冲形式无关的勘察的目标深度相对应的响应。
第四，系统测量在切断发射机之后在地层中流动的衰减电流的电场。在时域中执行数据获取、数据处理和数据解释。
第五，发射机和接收器电缆的中心之间的水平距离满足近区的条件。此距离比从海底测量的目标深度小。
图3a中示出了新系统的可能配置中的一个。在此配置中，系统通过使用垂直发射机电缆Tz将电流施加到水中。此电源在分层媒介中产生TM电磁场。水平接收器电缆Rx在海底延伸。选择长度以提高可以用可靠方式测量并具有要求的精确度的信号电平。
图3b中示出了根据新系统的另一个可能配置。该系统使用水平发射机电缆Tx来设置水中的电流。使用垂直接收器电缆Rz来获取信号。此接收器测量与TM模式相关联的电场的Ez分量。在此配置中，通过相应长度的发射机电缆的开发提高必要的信号电平。两个配置提供对电阻目标的相同敏感度。
可以通过直接转换或通过与由适当厚度的海水层f和相应半空间构成的两层结构的响应相比较来将测量出的响应从电压变换为表面电阻率格式。
在根据本发明的装置中实现形成本文以上描述的TEMP-VEL方法的基础的概念。
图5示出了其中参考数字1表示在海底3上的水层2的水表面且具有在水表面1上浮动的船4的示意图。垂直发射机电缆7a由填充有水的发射机电极8来终止。
水平接收器电缆10a将接收器电极11连接到包括表面浮标9a和连接电缆10c的记录单元9。
电极8、11的定位和方向由倾斜传感器/发射机应答器12控制。
船4具备广播站6和天线5。记录单元9具备用于与船4的广播站6的信号通信的天线13。
图6示意性示出了替换配置的图，参考数字7b表示水平发射机电缆且10b表示垂直接收器电缆。
水平发射机电缆7b通过连接电缆7c连接到船4。
在两个配置中，测量电极将保持在与发射机电缆的终端相同的垂直平面中。
在TEMP-VEL的操作的主要模式中，船4、发射机7a、7b和接收器11a、11b固定在用于足以实现要求数据的指定品质的周期的其位置中。广播站6和天线5、13用于发射机7a、7b和接收器10a、10b之间的通信，尤其是用以在进行勘察的同时控制数据获取。这使得如果在测量中尚未获得满意的信号品质，那么能够重复测量。
倾斜传感器/发射机应答器12用于发射机和接收器电极8、11的位置的精确确定。
所获取的数据被处理、分析和转换为图式标绘，以用于电压/表面电阻率对时间和/深度和/或1D倒转。在必要时，可以执行变换为2、5D和3D倒转和这些的解释。
文献列表
美国专利
Figure G2007800438103D00081
其他专利公开
Figure G2007800438103D00082
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Claims (14)

1.一种潜在含有碳氢化合物储集层的电阻性目标的电磁勘探的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-使用电场的TM模式来确定将被研究的地层的电特征；
-在浸在水中的垂直或水平方向电缆(7a、7b)中传输特征在于尖锐终端的间歇电流脉冲，且通过使用水平或分别使用垂直接收器电缆(10a、10b)在连续电流脉冲之间的暂停期间获取媒介响应；以及
-测量在所述近区中的所述地层响应，也就是说，具有满足条件的水平电源接收器偏移，其中t是在切断所述发射机之后的时间流逝，μC＝4π·10-7H/m，且ρα(t)是对于所述时间流逝t的底层的表面电阻率。
2.根据权利要求1所述的电磁勘探的方法，其特征在于使用多个接收器(10a、10b)。
3.根据权利要求1和2所述的电磁勘探的方法，其特征在于所述发射机电缆(7a、7b)和发射机电极(8)的方向由倾斜传感器(12)控制。
4.根据权利要求1、2和3所述的电磁勘探的方法，其特征在于以移动或固定电源(7a、7b、8)和移动或固定接收器(10a、10b、11)来执行所有测量。
5.根据权利要求1、2、3和4所述的电磁勘探的方法，其特征在于沿特殊顺序的电流脉冲与所述噪音不连贯，且在每个接收器测量出的所述响应按次序堆叠，藉此提供足以用于所述目的的信噪比。
6.根据权利要求1、2、3、4和5所述的电磁勘探的方法，其特征在于通过在所述接收器位置的水压和温度的记录来实现所述噪音的进一步抑制。
7.一种用于形成3D地层说明的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-绘制在来自由垂直或水平电流源(7a、7b)感生的测量出的近区电场的所有测量位置确定的所述表面电阻率对深度横截面，表面电阻率通过使用在由海水层(2)和底层同质半空间构成的两层结构中的所述计算出的响应来估计。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述3D成像的所述结果用于所研究的所述区域的预备3D模型的编辑、3D直接问题的解决和所述3D模型的随后校正，这些将满足所述要求的实验数据。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其特征在于在估计和/或完全或部分解释所述获取的数据之后进行对于所述数据获取的连续的决定、操作模式的改变、位置的改变或所述仪器的所有或一些的恢复。
10.一种用于潜在含有碳氢化合物储集层的电阻性目标的电磁勘探的装置，其特征在于所述装置包括：
-浸入水中的垂直(7a)或水平(7b)定向的电缆，其被排列成用作电磁场的发射机；
-电源和转换器，其被排列成向所述发射机电缆(7a、7b)供应系列的曲折型脉冲，独立脉冲的持续时间在0.01至50秒的范围中、100至5000A的振幅且具有陡峭背面前部；以及
-浸入水中的垂直(10a)或水平(10b)定向的电缆，其安装在所述发射机(7a、7b)的所述近区中且被排列成测量在所述电流脉冲之间的暂停期间的所述电场。
11.根据权利要求10和11所述的装置，其特征在于其还包括用于接收并同时记录在所述发射机的所述近区内的所述电场的分量的接收器电缆(10、10b)。
12.根据权利要求10和11所述的装置，其特征在于此外存在位于所述发射机和接收器电缆(7a、7b、10a、10b)的末端上的发射机应答器和倾斜传感器(12)。
13.根据权利要求10、11和12所述的装置，其特征在于此外存在位于所述接收器电缆(10a、10b)的所述末端上的压力传感器和温度传感器。
14.根据权利要求10、11、12和13所述的装置，其特征在于其包括用于将所述获取的数据的至少一个选择实时传输到中央处理单元的构件(5、6、13)。
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