DE2705129C3

DE2705129C3 - Seismisches Verfahren zur Kontrolle untertägiger Prozesse

Info

Publication number: DE2705129C3
Application number: DE19772705129
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr. Helbig; Guenter Dr. Pusch
Original assignee: Deutsche Texaco AG
Current assignee: Wintershall Dea Deutschland AG
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1977-02-08
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2705129B2; DE2705129A1; AT376810B; BR7800711A; JPS5399001A; CA1111542A; BE863732A; NL7801396A; ATA88378A; GB1588693A

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozeßkontrolle von Untertageprozessen, bei denen Veränderungen der Materialeigenschaften untertägiger Schichten in einem begrenzten Bereich auftreten. Das Verfahren ermöglicht es, die Begrenzung des veränderten Gebiets und Stärke der Verändertingen der Materialeigenschaften festzustellen.

Bei diesen Untertageprozessen handelt es sich insbesondere um Insitu-Verbrennungen und Vergasungsprozesse in Erdöl- und Kohlelagerstätten, Ölschiefer und Teersanden. Es sind auch das Auslaugen von Salzkavernen und bergmännische Operationen zu überwachen, die in der Prozeßzone nicht direkt verfolgt werden können.

Das Prinzip der Untertageverbrennung beruht auf der durch Wärmeerzeugung in der Lagerstätte herbeigeführten Veränderung der physikalischen Eigenschaften, beispielsweise einer Phasenumwandlung des Rohstoffs, um seine Fließfähigkeit zu verbessern oder zu ermöglichen.

Beispiele dieser Art sind die Erdölgewinnung mit Hilfe der Insitu-Verbrennung oder die Schwefelgewinnung nach dem Frashverfahren. Bei diesen Verfahren wird die Teilverbrennung an einer Stelle der Lagerstätte eingeleitet und mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen Gases aufrechterhalten.

Das Verfahren der Kohlevergasung ist besonders zur Gewinnung von Kohle unterhalb von etwa 1000 bis 1200 m geeignet, einer Tiefe, die praktisch die Grenze für den konventionellen bergmännischen Abbau darstellt. Nach diesem Verfahren wird in einem Kohleflöz eine Injektionsbohrung niedergebracht. Durch diese Bohrung wird ein Speisegas injiziert, das mit der Kohle im Fiöz in einer chemischen Reaktion, z. B. nicht vollständiger Verbrennung, reagiert. Das entstehende Prozeßgas dringt durch Klüfte, die gegebenenfalls beim Prozeß seiher noch vergrößert werden, nach außen zu einer Reihe Förderbohrungen, die z. B. auf einem Kreis um die Injektionsbohrung angeordnet sind. Die Reaktionsfront teilt das Kohleflöz in zwei Teile: einen inneren, etwa zylinderförmigen, in dem sich Injektionsgas und Prozeßgas befinden, und einen äußeren, der im wesentlichen aus dem unveränderten Flözmaterial besteht, das allerdings zerklüftet ist. In den Klüften befindet sich außerdem Prozeßgas, das zu den Förderbohrungen wandert.
Sowohl für Großversuche als auch für eine eventuelle technische Förderung ist es notwendig, die kritischen Prozeßparameter während des Vorgangs zu überwachen. Zu diesen Parametern gehören Druck und Temperatur im inneren Raum, insbesondere an der Reaktionsfront, und die Lage der Reaktionsfront. Die unzulängliche Lage und die hohen Temperaturen im Reaktionsraum lassen eine direkte Messung sehr schwierig erscheinen.

Es ist bekannt (DE-AS 10 61268), die Lage der Verbrennungsfront bei unterirdischer Erdölverbrennung dadurch zu bestimmen, daß man von der Bohrung aus, von der aus die Verbrennung in die Formation hinein fortschreitet, elektromagnetische Wellen im cm- oder mm-Bereich in Form von Impulsen aussendet und die an der Verbrennungsfront zurückgeworfenen Impulse in der gleichen oder einer ähnlicher. Bohrung auffängt und den zeitlichen Abstand zwischen der Aussendung eines Signalimpulses und der Aufnahme eines reflektierten Impulses und/oder die Intensität des reflektierten Impulses beobachtet. Dieses Verfahren beruht darauf, daß die Formation dann, wenn sie praktisch ölfrei ist, eine hohe Durchlässigkeit für die genannten kurzen elektromagnetischen Wellen aufweist, während sich hinter der Verbrennungsfront eine mit öl oder mit öl und Wasser hochgesättigte Formation befindet, so daß man eine ausreichende Reflexion an der Grenzzone zwischen den beiden Gebieten erhält.
Zur Erlangung von Informationen über Parameter

biologischer Schichten sind grundsätzlich auch seismische Messungen bekannt. Dabei können entweder passive Messungen gemacht werden, d. h. es werden Geräusche, die bei der Verbrennung, beim Strömen des Gases oder beim Erweitern der Kluft; entstehen, abgehört. Oder es kann sich um aktive Messungen handeln, wobei eine seismische Welle an der Erdoberfläche erzeugt wird und Reflexionen an der Verbrennungsfront beobachtet werden. Passive seismische Messungen können theoretisch zur Bestimmung der räumlichen Lage der Geräuschquelle verwendet werden, wenn der Augenblick des Eintreffens ein und desselben Geräusches an mehreren Bohrungen festgestellt werden kann. Die Schwierigkeit liegt in der Zuordnung verschiedener Geräuscheinsätze in verschiedenen Bohrungen zueinander. Darüber hinausgehende Aussagen können sich nur auf die mittlere Stärke der Geräuschentwicklung beziehen. Aktive seismische Verfahren, z. B. entsprechend dem in der Erdölexploration zu hoher Vollkommenheit entwickelten seismischen Reflexio.-sverfahren, gestatien grundsätzlich die Bestimmung der räumlichen Lage einer Diskontinuität der Materialeigenschaft und unter günstigen Bedingungen Aussagen über die Art der Änderungen der Materialeigenschaften. Die große Entfernung des Verbrennungsraums von der Oberfläche sowie die Tatsache, daß die laterale Lage der Front der entscheidende Parameter ist, lassen eine einfache Übertragung von in der Erdölprospektion verwendeten Verfahren auf die Prozeßkontrolle von untertägigen Verfahren nicht zu: Die geometrischen Bedingungen erfordern, die Quelle der seismischen Welle und die Beobachtungspunkte für die seismische Welle im Niveau der geologischen Schicht auf eine oder mehrere Bohrungen zu verteilen. Diese Bindung schränkt sowohl die Art der Anregung seismischer Wellen als auch die Amplitude der anregenden Welle ein, da während der Messung die Integrität der Bohrung und der Lagerstätte gewährleistet bleiben muß. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß das von der Reaktionsfront begrenzte Gebiet bereits erfaßt werden muß, wenn seine Entfernung vom Ursprung wenige Meter beträgt. Da die geometrischen Abmessungen des veränderten Bereichs in der gleichen Größenordnung mit der mittleren Wellenlänge des gesendeten Signals sein müssen, erfordert das, daß Wellenlängen von der Größenordnung von vorzugsweise etwa 1—20 m verwendet werden. Eine weitere Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß das relativ kleine Objekt im wesentlichen die seismischen Wellen beugen und streuen und nur zu einem geringen Teil reflektieren wird. Das verwendete Aufnahmegerät muß also bereits sehr schwache Signale erfassen können.

Ein wesentliches Problem besteht deshalb darin, den Einfluß des zu untersuchenden Bereiches auf das registrierte Signal vom Einfluß aller anderen Faktoren möglichst weitgehend zu trennen, die das Signal auf den möglicherweise verschiedenen Wegen zum Empfänger beeinflussen. Dies geschieht z. B. dadurch, daß man stark gebündelte Signale in Richtung auf das zu untersuchende Objekt aussendet. Dabei kann nur das direkt zwischen Sender, zu untersuchendem Objekt und Empfänger liegende Gebiet störend auf die Messung einwirken. Dies ist bei Verfahren der Fall, wie sie z. B. in den Berg- und Hüttenmännischen Monatsheften, 1964, Heft 8, Seiten 266 — 267 oder in den ausgelegten Unterlagen der DE-Patentanmeldung D 5758 Vl/5a beschrieben sind. Bei diesen bekannten Verfahren werden jeweils in der geologischen Schicht, in der die Veränderungen erwartet werden, seitlich aufeinanderfolgende seismische Signale ausgesendet und in derselben geologischen Schicht an ein oder mehrerer, anderen Stellen oder der gleichen Stelle aufgenommen. -, Für eine gute Bündelung des ausgesandten Signals ist es erforderlich, daß dessen Wellenlänge von höchstens gleicher Größenordnung wie die Dimension dei Senders ist. Von Sendern in den üblichen Bohrlöchern können also gut gebündelte Signale praktisch nur mit

κι Wellenlängen von höchstens einigen cm abgestrahlt werden, d. h. die Signale liegen im Ultraschallbereich. Solche hochfrequenten Signale werden jedoch stark gedämpft und haben daher nur eine sehr kurze Reichweite.

: -, Bei dieser bekannten Verfahrensweise muß man also einen Kompromiß suchen zwischen hochfrequenten Signalen, die eine kurze Reichweite aufweisen, sich jedoch gut bündeln lassen und daher zur Feststellung auch von schwächeren Änderungen der elastischen

_>ii Eigenschaften geeignet sind, und niederfrequenten Signalen, die eine größere Reichweite aufweisen, bei denen jedoch signifikante Änderungen der elastischen Eigenschaften im zu untersuchenden Bereich vorhanden sein müssen, damit sie sich neben den anderen

j) Störungen bemerkbar machen. Dies kann aber bei der im Zusammenhang mit einer in-situ Verbrennung auftretenden Änderung der elastischen Eigenschaften in der Verbrennungszone durch Rißbildung usw. nicht erwartet werden.

jo Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, das eine Kontrolle unterirdischer Prozesse unter Verwendung von seismischen Signalen im Meterbereich gestattet und gleichzei-

j5 tig eine möglichst weitgehende Unterdrückung von Störsignalen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

4(i Die Zeichnungen la und Ib erläutern das erfindüngsgemäße Verfahren beispielsweise, wobei Fig. la die Lagerstätte im horizontalen Schnitt und die Fig. Ib im vertikalen Schnitt wiedergibt.
Die Bezugszeichen stellen dar:

1 Zünd- und Einpreßbohrung

2 Bohrung, in der die Signale erzeugt werden

3 Förderbohrung

4 Bohrung, in der die Signale erfaßt werden

5 Gebiet veränderter Materialeigenschaften (Reaktionsraum)

6,7 Signallaufweg

8 Signalgeber

9 Signalempfänger "
10 geologische Schicht

Vorzugsweise bestehen die Signale aus einer Vielzahl von schwachen identischen Einzelsignalen, die nach dem Empfang gleichsinnig und synchron zur Erzeugung eines Summensignals überlagert werden. Es sind möglichst schwache Signale auszusenden, um die geologische Schicht 10 nicht zu verändern, d. h., die induzierte mechanische Spannung muß unterhalb der Belastungsgrenze des Gebirges bleiben.

Es wird daher abweichend von der bisherigen Praxis im S^;<ine der hier offenbarten Erfindung vorgeschlagen, ein Interferenzverfahren zu verwenden, bei dem das seismische Wellenfeld zunächst vor Zündung im Reaktionsraum 5 beobachtet wird und bei späteren

Messungen nach der Zündung im wesentlichen die Veränderungen des Wellenfeldes festgestellt werden. Es ist dabei nicht entscheidend, ob die Veränderungen gegenüber dem Zustand vor der Zündung oder gegenüber einem etwas zurückliegenden Zeitpunkt nach der Zündung festgestellt werden, jedoch ist zu erwarten, daß die Veränderungen gegenüber dem Zustand vor der Zündung größer und daher leichter festzustellen sind. Seismische Interferenzmessungen, d. h. der genaue Vergleich z. B. durch Überlagerung zweier seismischer Beobachtungen unter geringfügig veränderten Ausbreitungsbedingungen mit dem Ziel, diese Veränderungen zu bestimmen, sind bisher nicht bekannt. Eine derartige Interferenzmessung erfordert, daß die zu vergleichenden Wellen auf genau gleiche Weise erzeugt werden, da andernfalls Änderungen des Wellenfeldes nicht mehr einwandfrei Änderungen im Reaktionsraum 5 zugeordnet werden können. Es ist daher an die Quelle die weitere Forderung höchster Signalkonstanz zu stellen.

Eine weitere Voraussetzung für erfolgreiche Anwendung aktiver seismischer Verfahren ist die Abwesenheit von Störgeräuschen. Die Geräusche, die bei der Besprechung der passiven seismischen Verfahren erwähnt wurden, sind aber immer vorhanden und wurden eine Veränderung des Wellenfeldes vortäuschen. An das Verfahren ist also weiter die Bedingung zu stellen, daß das Verhältnis von Nutzsignal zu den Störsignalen weitgehend verbessert werden kann. Zur Erfüllung der oben angegebenen Forderungen wird ein repetetives Signal geringer Amplitude vorgeschlagen. Im Prinzip lassen sich die Forderungen mit jedem repetetiven Signal erfüllen, wenn man beliebig viele, vorzugsweise etwa 100—1000 Einzclbeobachtungcn »stapelt«, da dabei die Geräusche wegen ihrer statistischen Erscheinungsformen nur mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der Stapelungen zunehmen, während die Stärke des Nutzsignals proportional zur Anzahl der Stapelungen zunimmt.

Die bevorzugte Lösung des Problems erfolgt mit einem Vibrator 8. der einen sogenannten »Sweep« erzeugt. Ein Sweep ist ein Signal, das der Gleichung

S(I) = a(i) -sin (./(I))
mit Amplitudenfunktion

ad) = 0 für .'<(,, t > I₂:
ί/(ί) > 0 Tür r, < ι < I₂

Phasenfunktion

gehorcht. Es entspricht einem zeitlich begrenzten Sinuswellenzug a(t)sin ωί, allerdings ist an die Stelle des Ausdrucks ωί die Phasenfunktion φ(ί) getreten. Als »instantane Frequenz« bezeichnet man den Differentialquotienten dtpldt. Aus der Bedingung ά²φ1άί²φθ folgt, daß die instantane Frequenz eines Sweeps eine starke monotone Funktion ist, das heißt eine Funktion, die entweder ständig zunimmt oder ständig abnimmt, aber niemals — auch nicht für zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Zeitpunkte — den gleichen Wert beibehält. Bei der bevorzugten technischen Lösung

ändert sich die instantane Frequenz zwischen etwi 100 Hz und etwa 1200 Hz in einem Zeitraum von etwa '. bis 10 Sekunden. Aus dem Sweep entsteht durcr Autokorrelation die Aulokorrelationsfunklion

Sd-i)dt.

die symmetrisch ist und ein ausgeprägtes Maximum fü! r = 0 besitzt. Störende Nebcnmaxima lassen sich durcl· geeignete Wahl der Amplitudenfunktion a(t) und dei Phasenfunktion q(t) minimieren. Da die im Sweef enthaltene Energie dem Integral

'j

j (Γ di < (f max ■ (I₂ - f,)

proportional ist und a max durch die Belastbarkeit dei Bohrung 2 bzw. des durchörterten Gesteins begrenzt ist ist es günstiger, diese Minimierung durch Wahl von q>(t allein vorzunehmen und für ä(i)iu< :< (22 einer möglichst nahe bei a max liegenden konstanten Wert zi wählen.

in und /22 sind Zeitpunkte im Intervall i\, 0. derart, daf

'11 - Ί

'2 - '2 '2 - I

Das beobachtete Signal ist die Überlagerung vor

Γ) Sweep-Signalen, die auf verschiedenen Wegen (unc daher zeitlich verschoben) zum Empfänger gelangt sind Durch Kreuzkorrelation des beobachteten und gesta pelten Signals mit dem ausgesandten Sweep wird ir bekannter Weise jedes einem distinkten Laufweg (einei

4(i bestimmten Eintreffzeit) entsprechende Sweep-Signa zur Autokorrelationsfunktion des Sweep kontrahiert, se daß nach der Kreuzkorrelalion ein Signal erhalten wird das man auch hätte erhalten können, wenn man einer Impuls von der Form der Autokorrelationsfunktior

4-, ausgesendet hätte.

Diese Technologie ist in anderen Frequenzbereichen etwa in der Reflexionsseismik und der Radartechnik bekannt. Neuartig ist die Anwendung zur Lokation vor Veränderungen der Materialeigenschaften während dei

-,H Meßzeit durch Interferenzmessung.

Die empfangenen Signale werden vorzugsweise ir bekannter Weise in digitale Form gewandelt und ir einem Onsite-Computer gespeichert, gestapelt unc schließlich mit dem ebenfalls in digitaler Forrr gespeicherten ausgesendeten Signal kreuzkorreliert.

Die Laufzeit vom Signalgeber 8 über die Prozeßzone bis zum Empfänger 9 hängt ab von der Länge der Laufwege 6, 7 und der seismischen Geschwindigkeit aul dieser Strecke. Die Größe der zu erwartenden Veränderung im Wellenfeld hängt — neben den geometrischen Bedingungen wie Größe und Begrenzung des veränderten Gebiets 5 und der Wellenlänge des ausgesendeten Signals — von der Größe der Änderung der Materialeigenschaften im Prozeßbereich und von der Steilheit der Änderung im Prozeßbereich ab. Es ist möglich, aus der Größe der im Wellenfeld auftretenden Störung Schlüsse auf eine Änderung des Produktes von Dichte und Ausbreitungsgeschwindig-

keit elastischer Wellen zu ziehen. Da dieses Produkt von den übrigen Prozeßparametern, insbesondere Druck und Temperatur, abhängt, ergibt sich hier eine Möglichkeit, nicht nur den Ort oder die Änderung dieser Prozeßparameter festzustellen.

Bei größerer Mächtigkeit der geologischen Schicht besteht die Möglichkeit, zwei Empfänger in verschiedenen Tiefen innerhalb der geologischen Schicht anzuordnen und damit das Ausmaß vertikaler Veränderungen zu erfassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Seismisches Verfahren zur Kontrolle untertägiger Prozesse, bei denen Veränderungen der Materialeigenschaften untertägiger Schichten in einem begrenzten Raum auftreten, insbesondere von in-situ Verbrennungen, Vergasungen in Kohle- und Erdöllagerstätten, zur Feststellung des Ortes und der Größe der Veränderungen der Materialeigenschaften der untertägigen Schichten, wobei jeweils in der geologischen Schicht, in der die Veränderungen erwartet werden, exakt reproduzierbare, zeitlich aufeinanderfolgende seismische Signale ausgesendet werden und in derselben geologischen Schicht an ein oder mehreren anderen Stellen oder der gleichen Stelle aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß Signale, die jeweils mit einem bezogen auf das Fortschreiten des untertägigen Prozesses signifikanten Zeitunterschied ausgesendet und registriert worden sind, mit umgekehrtem Vorzeichen überlagert und die so erzeugten Differenzsignale nach Größe und Laufzeit gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal zur Differenzbildung herangezogen wird, das vor Beginn des untertägigen Prozesses registriert wurde.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Signale mit signifikantem Zeitunterschied Summensignale mit umgekehrtem Vorzeichen überlagert werden, welche durch nach dem Empfang erfolgte, gleichsinnige und synchrone Überlagerung von mindestens zwei Einzelsignalen mit einem bezogen auf das Fortschreiten des untertägigen Prozesses nicht signifikanten Zeitunterschied erhalten wurden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalquelle ein Bohrlochvibrator eingesetzt wird, der Einzelsignale aussendet, die im wesentlichen sinusförmig sind und eine innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums zwischen einer oberen und einer unteren Frequenz sich stark monoton ändernde instantane Frequenz aufweisen, und daß entweder die aufgenommenen Signale vor der zur Erzeugung eines Summensignals führenden Überlagerung oder das Summensignal selbst nach der Überlagerung mit dem ausgesendeten Signal kreuzkorreliert werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auszusendenden Signale als digitale Zeitreihen vorliegen, die vor der Aussendung in die Analogform umgewandelt werden, und daß die aufgenommenen Signale unmittelbar nach, dem Empfang wieder !r> die digitale Form zurückverwandelt werden.