DE3941743C2

DE3941743C2 - Elektroseismisches Prospektieren

Info

Publication number: DE3941743C2
Application number: DE3941743A
Authority: DE
Inventors: Arthur Howard Thompson
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2009-12-19
Also published as: NL194133C; CA1322784C; DE3941743A1; CN1015837B; FR2640763A1; GB8928931D0; NL8902614A; GB2226886B; CN1043792A; US4904942A; AU4685489A; FR2640763B1; AU621967B2; NL194133B; SA90100268B1; MY104181A; NO895069D0; GB2226886A; NO895069L; NO300029B1

Description

Die Erfindung bezieht sich die Ermittlung elektroseismischer Daten und im besonderen auf die Ermittlung solcher Daten, die auf der Ab gabe und Aufnahme elektromagnetischer Wellen beruht.

Am häufigsten wird das seismische Prospektieren durchgeführt durch die Abgabe akustischer Wellen von einer oder mehreren akustischen Quellen, die sich an oder in der Nähe der Erdoberfläche befinden. Von diesen akustischen Wellen weiß man, daß sie an den Zwischenflächen oder Unregelmäßigkeiten der unterirdischen Formationen reflektiert werden, so daß sie zur Erdoberfläche zurückkehren und dort durch einen oder mehrere seismische oder akustische Detektoren aufgenommen werden, wobei es sich normalerweise um Geophone handelt. Es ist be kannt, daß einige der reflektierten Wellen sogenannte Schub wellen (S-Wellen) und andere der reflektierten Wellen sogenannte Druckwellen (P-Wellen) sind, die sich voneinander bezüglich ihrer jeweiligen Reflektionswinkel und der akustischen Vibrations richtungen der Partikel in den geschichteten Formationen unter scheiden, durch welche die Wellen hindurchlaufen. Kennzeichnender weise laufen beide Wellentypen grundsätzlich mit Schallge schwindigkeit und werden durch die Formationen, durch die sie hindurchlaufen, in der gleichen Welle gedämpft wie andere Schall wellen im gleichen Frequenzbereich, wobei ein niedriger Frequenz bereich eingesetzt wird für ein relativ tiefes Prospektieren, da es hinlänglich bekannt ist, daß die höheren Frequenzen in starkem Maße durch die Formationsmedien gedämpft werden.

Es sind über einen längeren Zeitraum Versuche gemacht worden, ein Schema für seismisches Prospektieren einzusetzen, bei welchem andere Phänomene als akustische Ermittlung mit Geophonen, wie sie soeben beschrieben worden sind, zum Einsatz kommen. So wurde beispielsweise bereits 1936 ein Verfahren in der US-PS 2,054,067 (L. W. Blau, et al. ) beschrieben, gemäß welchem eine Widerstands modulation in der Nähe der Erdoberfläche eingesetzt wird, die von einem seismischen Schlag herrührt, um ein aufnehmbares, elektromagnetisches Ansprechen zu erzeugen. Grundsätzlich sind die Formationen in der Nähe der Oberfläche in Schichten ange ordnet, die jeweils eine unterschiedliche Dichte besitzen. Ein seismischer Schlag würde bewirken, daß jede Schicht mit dem ihr eigenen Aufbau eine Modulation entsprechend ihrer Dichte erzeugt, d. h., entsprechend dem Zustand der Porosität. Somit ist das an einer bestimmten Stelle aufgenommene elektromagnetische Feld, das der Widerstandsmodulation innerhalb des Feldes proprotional ist, eine Anzeige, wie dick die jeweilige Schicht mit der unter schiedlichen Dichte an der speziellen Stelle ist. Die in der US-PS 2,054,067 beschriebene Technik wurde, wenn überhaupt, in keinem kommerziellen Rahmen eingesetzt, was wahrscheinlich daran lag, daß sie sich nur für geringe Tiefen in Oberflächennähe eignete und sich für größere Tiefen, in welchen das Hauptinter esse beim Öl-und Gasprojektieren liegt, nicht einsetzen ließ. Diese frühe Arbeit von Blau et al. war auf die Messung der seismisch induzierten Widerstandsmodulation der Formation ge richtet, wobei man einen elektrischen Strom durch die Erde schickte (oder eine Spannung anlegte) und dann die Modulation des Stromes (oder die Modulation der sich ergebenden Spannung) maß. Es leuchtet ein, daß sich dieses Verfahren grundsätzlich von dem Verfahren unterscheidet, das hier beschrieben wird, da keinerlei Spannung an die Formation oder die Erdoberfläche ange legt wird.

Ein anderes Verfahren, das eingesetzt worden ist, in bezug auf die Ermittlung bestimmter Mineralvorkommen, verwendet eine kontinuierliche seismische Wellenquelle, die eine Spannung in dem Vorkommen induziert, auf der Grundlage des piezoelektrischen Effektes. In diesem Fall verändert die seismische Welle eine piezoelektrische Formation, wie Quarz, die dann polarisiert wird und eine elektromagnetische Welle imitiert. Es sind keine Fluide miteinbezogen. Derartige Verfahren verwenden relativ hohe Fre quenzen und sind dementsprechend auf eine kurze Eindringtiefe begrenzt, während sie darüber hinaus nur auf die beschränkten Arten von Vorkommen einsetzbar sind, die das Charakteristikum eines piezoelektrischen Effektes zeigen.

Einer der interessantesten Versuche zur Entwicklung eines alter nativen Verfahrens zum standard-seismischen, akustischen Ver fahren wird in der US-PS 2,354,659 (W. O. Bazhaw et al., 1. August 1944) beschrieben. Bei diesem Verfahren trifft ein nach unten gerichteter seismischer Schlag auf eine Fluidschicht in der unter irdischen Formation, die sich unterhalb einer Gasschicht be findet und bewirkt, daß das Fluid rasch ansteigt in die vermutlich poröse Gasschicht. Während des relativ langsamen Wiederab sinkens des Fluids (Öl oder Wasser) induziert diese langsame, abwärts gerichtete Fluidbewegung eine Spannungsänderung auf dem Weg zwischen zwei Elektroden, die in die Erdoberfläche inge bettet sind und an entsprechende elektronische Verstärker und Aufzeichnungsgeräte angeschlossen sind. Wenn keine Flüssigkeit anwesend ist, ergibt sich auch keine Spannungsänderung. Wenn eine Flüssigkeit anwesend ist, ergibt sich eine Spannungsänderung in Abhängigkeit von den jeweiligen Parame tern des Fluids und der Formation. Eine derartige Änderung kann gemessen wer den als Gleichspannung über eine annehmbare Zeitdauer, nachdem der Schlag erfolgt ist, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Obwohl sich dieses Verfahren von dem Verfahren nach Blau et al. unterscheidet, handelt es sich um eine Technik, die nur bei sehr geringen Tiefen einsetzbar ist und dementsprechend, wenn über haupt, nur von geringem kommerziellen Nutzen ist. Dies liegt daran, daß 1. sich die Gleichspannung nicht als eine elektromagnetische Welle fortpflanzt und dem entsprechend nur für geringe Tiefen einsetzbar ist und 2. sehr geringe Frequenzen (im wesentlichen Gleichstrom) sehr lange Wellenlängen besitzen, was zu einer sehr geringen Tiefenauflösung führt. Hieraus ergibt sich, daß im Gegensatz das hier beschriebene Verfahren den Frequenzcharakter einer seismischen Welle bei behält.

Die US-PS 3 392 327 befaßt sich mit der Erfassung einer horizontalen Zwischen schicht zwischen einem Salzvorkommen und der umgebenden unterirdischen Formation, indem man einen Detektor für elektromagnetische Energie in einem Bohrloch positioniert, welches in einem seitlichen Abstand von dem Salzvorkom men angeordnet ist. Die seismisch induzierte Bewegung der horizontalen Zwi schenschichten erzeugt eine horizontale mangetische Feldkomponente. Durch Anheben und Absenken des Detektors innerhalb des Bohrloches kann die Tiefe der Zwischenschicht bestimmt werden. Das Verfahren befaßt sich nicht mit der Erfassung der Anwesenheit zweier miteinander nicht mischbarer Fluide in einer porösen unterirdischen Formation oder der Anwesenheit eines Fluids in dem Po renraum einer hochpermeablen Formation.

Die US-PS 3 599 085 befaßt sich mit einem Bohrlochvermessungswerkzeug, wel ches elektrokinetische Potentiale in der Nachbarschaft des Bohrloches mißt. Die Kenntnis des elektrokinetischen Potentials kann die Voraussage der relativen und tatsächlichen Permeabilität der Funktion unterstützen. Die elektrokinetischen Po tentiale werden hier lediglich in unmittlbarer Nachbarschaft des Bohrloches ge messen. Ein Verfahren zum elektroseismischen Prospektieren liegt hier nicht vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektroseismischen Prospektieren zur Verfügung zu stellen, welches sich nicht nur für geringe Tiefen in Oberflächennähe eignet, sondern sich auch für große Tiefen einsetzen läßt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den Ansprüchen 1 oder 17 an gegebenen Merkmale.

Der grundsätzliche physikalische Vorgang, der für das elektroseismische Pro spektieren oder ESP gemäß der Erfindung erforderlich ist, liegt darin, daß seismi sche Energie umgesetzt werden kann in elektromagnetische Energie von merkli chem Wert. Obwohl es verschiedene mögliche theoretische Konversionsmecha nismen gibt, die das beobachtete Ereignis begründen können, wie die oben disku tierte Widerstandsmodulation, spontane Potentiale und Elektrokapillarität, wird der Mechanismus, der der Erfindung zugrundeliegt und sich für das hier beschriebene Verfahren eignet, am besten als "Strömungspotential" bezeichnet. Diese Art der Umsetzung seismischer in elektromagnetische Energie scheint die Theorie zu sein, die am wirkungsvollsten analysiert, was bei der Fluidbewegung eintritt, die in einer porösen, lithologischen Formation auftritt und die am stärksten in Er scheinung tritt, wenn mindestens zwei miteinander nicht misch bare Fluide, wie Öl und Wasser oder Gas und Wasser, vorhanden sind. Das Phänomen existiert auch in der Anwesenheit einer lithologischen Struktur hoher Permeabilität, wenn sich ein Porenfluid in der Struktur befindet. Grundsätzlich liegt, gemäß dieser Theorie, eine molekulare, chemische Bindungskraft zwischen dem Fluid und der porösen Oberfläche der festen Forma tion vor, wobei die Bindung gestört oder zerbrochen wird bei der raschen Bewegung des Fluids beim Kontakt durch eine akustische Wellenfront, wodurch in einer Dipolweise eine elektromagnetische Reaktion induziert wird. M. A. Biot beschrieb die Fluidbewegung, die einen seismischen Druckgradienten begleitet, in einer Schrift, die im Journal of the Acoustical Society of America in 1956 und 1962, Seite 168 bzw. Seite 1254, Band 34, veröffentlicht wurde. Andere, wie J. O. Bockris und A. K. N. Reddy, haben mit Strömungs potentialen experimentiert und berichten etwa 1973 über ihre Ergebnisse, wobei jedoch dieser Effekt bislang beim elektro seismischen Prospektieren nicht eingesetzt worden ist.

Ein Merkmal der Erfindung liegt dementsprechend darin, den "Strömungspotential"-Effekt beim elektroseismischen Prospektieren einzusetzen, um ein aufnehmbares elektromagnetisches Feld zu induzieren, das in der Lage ist, direkt die Anwesenheit zweier miteinander nicht mischbarer Fluide, wie Öl und Wasser oder Gas und Wasser, anzuzeigen, oder die Anwesenheit eines Fluids in einem Porenraum einer hochpermeablen Formation anzugeben.

Wie erwähnt, bezieht sich die Erfindung auf die Ermittlung elektroseismischer Daten und wird manchmal hier als elektro seismisches Prospektieren oder ESP bezeichnet. Elektroseis misches Prospektieren unterscheidet sich von dem Betrieb eines elektromagnetischen Geophons, das die Anwesenheit einer reflek tierten seismischen oder akustischen Welle an der Erdoberfläche aufnimmt. Obwohl elektromagnetische Geophone bereits vor 1950 zunächst untersucht worden sind, führte ihr Betrieb nicht zum elektroseismischen Prospektieren.

Ein wesensbestimmender Unterschied liegt zwischen ESP-Daten und seismischen Daten. Seismische Daten geben nur Struktur informationen wieder, die sich auf einen elastischen Kontrast zwischen zwei unterschiedlichen lithologischen Bereichen be ziehen. Es wird keine Information gegeben hinsichtlich welcher Art das Gestein ist, das sich dort befindet, oder was sich in dem Porenraum des Bereiches, der untersucht wird, befindet. Ander erseits arbeitet ESP nur dort, wo bewegliches, leitendes Wasser in dem Porenraum der zu untersuchenden Formation anwesend ist, oder eine Mischung aus Wasser und Kohlenwasserstoff. Hieraus wird dementsprechend deutlich, daß ESP nicht ein spezieller Fall der Seismologie ist, sondern etwas grundsätzlich anderes. Die Tatsache, daß ESP gegenüber dem Typ des Porenfluids empfindlich ist, zeigt seine Nützlichkeit.

Es ist dementsprechend ein weiteres Merkmal der Erfindung, in einer verbesserten Weise die Anwesenheit eines beweglichen, leitenden Wassers in dem Porenraum einer lithologischen Forma tion, die untersucht werden soll, zu ermitteln, oder die An wesenheit einer Mischung aus Wasser und einem Kohlenwasserstoff.

Die hier beschriebene Technik betrifft die elektroseismische Ermittlung der Anwesenheit zweier miteinander nicht mischbarer Fluide, die sich in einer porösen unterirdischen Formation be finden, oder die Anwesenheit eines Fluids in dem Porenraum einer hochpermeablen Formation. Bei dem Verfahren initiiert man einen seismischen Schlag, wie etwa durch eine Dynamitexplosion, ein Knacken oder ähnliches in einer herkömmlichen Weise durch eine oder mehr Quellen, die sich an oder in der Nähe der Erd oberfläche befinden. Alternativ kann die seismische Quelle sich entweder in einer geringen Tiefe oder auch tief (z. B. forma tionsdurchdringend) in einem Bohrloch befinden. Die erzeugte seismische oder akustische Wellenfront durchläuft die unter irdische Formation, bis sie auf die Anwesenheit der zuvor be schriebenen ermittelbaren Formationen trifft. Bei einer solchen Formation wird bzw. werden das Fluid oder die Fluide innerhalb der Gesteinsporen sich merklich bewegen, wodurch infolge des "Strömungspotential"-Effektes ein elektromagnetisches Ansprechen bewirkt oder induziert wird. Im Fall der zwei Fluide werden die Fluide mit merklichem Volumen rasch in bezug auf die poröse Ge steinsformation verschoben, wodurch augenblicklich ein über wiegend vertikaler Dipol in der leitenden Fluidkomponente, die der festen Oberfläche am nächsten liegt, erzeugt wird. Im Fall nur eines leitenden Fluids wird ein merkliches Volumen rasch in bezug auf die poröse Gesteinsformation verschoben und erzeugt ebenfalls einen augenblicklichen, überwiegend vertikalen Dipol, wobei das leitende Fluid an das feste Material angezogen wird. Die von diesem Dipol ausgehende elektromagnetische Strahlung stellt eine Welle dar, die die unterirdische Formation zurück zur Erdoberfläche mit Lichtgeschwindigkeit durchläuft, durch das lithologische Material zwischen dem Reflektionspunkt und dem Aufnahmepunkt.

An der Oberfläche spricht ein geeigneter Detektor auf das elektro magnetische Feld an. Geeignete Detektoren sind in erster Linie elektronische Detektoren, obwohl auch magnetische Sensoren zum Einsatz kommen können. Es hat sich gezeigt, daß der einfachste und empfindlichste Sensor die Form zweier stabförmiger Elektroden besitzt, die in einem Abstand von etwa 4,6 bis 610 m voneinander entfernt sind, wobei die Stäbe mit einer angemessenen Tiefe in die Erdoberfläche eingetrieben werden, so daß sie in die erste wasserführende Schicht unterhalb der Erdoberfläche eingebettet sind. Die tatsächliche Trennung hängt ab 1. von dem elektrischen Geräusch, das bei dem Elektrodenkontakt mit dem Boden erzeugt wird, 2. vom Umgebungsgeräusch, 3. von der Signalstärke und 4. von der Tiefe der interssierenden Formation. Das Feld induziert eine meß bare Potentialdifferenz oder Spannung, die aufnehmbar und ver stärkbar ist, wobei man sie eventuell in üblicher Weise auf zeichnen kann.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezug nahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei ist jedoch fest zuhalten, daß hier lediglich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, die nur beispielhaften Charakter besitzen und keinerlei Beschränkung der Erfindung bedeuten. Es fallen somit auch Abänderungen und Modifikationen noch in den Rahmen der Erfindung. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine typische Anordnung der Elemente zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine poröse Formation, die geeignet ist zur elektromagnetischen Erregung durch eine seismische Wellenform, gemäß der Erfindung, wobei gleichzeitig der "Strömungspotential"-Effekt dargestellt ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren be vorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher sich die Quelle in der Nähe des Bodens eines relativ flachen Bohrloches befindet,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Rohrwellenfront, die sich von einer Quelle durch das Bohrloch nach oben bewegt und die elektromagnetischen Reaktionen, die hiervon ausgehen,

Fig. 5 eine visuelle Repräsentation der aufgezeichneten elektromagnetischen Daten, die sich aus der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ergeben und

Fig. 6 ein vereinfachtes elektrisches Diagramm eines geeignetn elektromagnetischen Detektors, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine typische bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Eine Quelle 10 befindet sich an oder in der Nähe der Erdoberfläche, wobei sie auch innerhalb eines flachen Bohrloches 12 angeordnet sein kann. In einem Abstand von der Quelle sind Detektoren vorgesehen zur Aufnahme der seismischen Reflektionen. Diese umfassen eine Geophonanordnung mit Geophonen 14A-F zur Aufnahme der normalen akustischen Re flektionen, wie dies hinlänglich bekannt ist, sowie einem ge eigneten elektroseismischen Detektor 16, der hier noch voll ständiger beschrieben wird. Sowohl die Geophondetektoranordnung als auch der elektroseismische Detektor können mit einem Auf zeichnungsgerät in einem Aufzeichnungswagen 18 verbunden sein.

Bei der Quelle 10 kann es sich um eine einzige Dynamitquelle, einen akustischen "Knacker" oder eine kompliziertere Quelle handeln, je nachdem wie dies erwünscht ist. Grundsätzlich tritt jedoch nach der Aktivierung seismische oder akustische Energie als seismische Welle 20 aus durch die unterirdische Lithologie unterhalb der Quelle. Zur Erläuterung soll ausgeführt werden, daß in Fig. 1 ein Bereich der Formation existiert, in welchem eine Gasschicht in Kontakt mit einer Wasserschicht steht. Die Zwischenfläche zwischen diesen beiden Schichten ist in der Zeichnung durch die Bezugsziffer 22 angegeben. Die Formation, in welche diese miteinander unmischbaren Flüssigkeiten vorliegen, ist die Formation, die durch das erfindungsgemäße Verfahren meßbar ist. Ein Segment 24 dieser meßbaren Formation ist als Explosionsdarstellung wiedergegeben. Zur Verdeutlichung ist dieses Segment der Formation als dreidimensionaler Würfel dar gestellt.

Die Formation selbst ist porös, wie dies in Fig. 2 deutlicher dargestellt ist. Das bedeutet, daß ein fester Gesteinsbereich 23 mit kanalförmigen Porenräumen 25 durchsetzt ist. Da Gas und Wasser sich nicht mischen, setzt sich das Wasser ab und füllt die Räume 25 unterhalb der Zwischenfläche 22 aus, während das Gas die Räume 25 oberhalb dieser Linie ausfüllt. Wo Wasser vorliegt, besteht eine elektrochemische Bindung zwischen dem Wasser, dem schwereren der Gas- und Wasserfluide und den festen Gesteinsbereichen 23. Dies ist durch die "+"-Symbole in dem Fluidbereich und den "-"-Symbolen in den festen Bereichen der Formation angegeben.

Das Zeichen des elektrischen Feldes oder die Polaritätsrichtung des Feldes hängt von der Oberflächenladung des festen Materials ab und in welcher Weise das Fluid die Ladung aufnimmt. Bei ton förmigem Material ist die Ladung typischerweise so, wie sie in Fig. 2 wiedergegeben ist. Bei Carbonaten kann jedoch die Ladung umgekehrt sein, d. h., die "+"-Ladung befindet sich am festen Material.

Wenn eine akustische, seismische Welle 20 auf die Formation in dem dargestellten Bereich der Formation auftrifft, baut sich ein Druckgradient auf in der Tiefe P₁ und der Tiefe P₂, der das Wasser nach unten drückt, an der Wasseroberfläche beginnt und im wesentlichen in senkrechter Richtung durch das Fluid nach unten läuft, so daß das Fluid nach unten bewegt wird. Dies ist dargestellt durch die fließenden Porenfluidpfeile 26, die in Fig. 1 gezeigt sind. Es wird deutlich, daß diese Abwärtsbewegung den Effekt der Trennung der elektrochemischen Bindungen besitzt, wodurch effektiv ein im wesentlichen vertikal ausgerichteter Dipol aufgebaut wird, dort, wo die Bindungen gestört oder zer brochen sind. Dieser Dipol befindet sich nicht nur dem Bereich in der Nähe der Wasseroberfläche oder Zwischenfläche 22, sondern durch die gesamte Tiefe der Formation, wo die dargestellte Lithologie existiert. Somit wird ein vertikales, elektrisches Feld 28 in einer aufwärtigen, vertikalen Richtung an dem Auf schlagpunkt induziert mit einer Kraft oder Stärke von merk lichem Wert. Die Polarität dieses Feldes ist negativ-zu-positiv in progressiv aufwärtiger Richtung im Beispiel der Fig. 1.

Wie oben erläutert wurde, verschiebt normalerweise die erste Ankunft der seismischen Welle das Fluid nach unten. Wie jedoch nachfolgend noch in bezug auf das Beispiel in Fig. 4 beschrieben werden wird, kann die erste Ankunft auch einer Aufwärtsbewegung entsprechen. Außerdem gibt nach der ersten Ankunft das Fluid wieder nach und bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung. Im allgemeinen bewegt sich jedoch das Fluid in die Richtung des Druckgradienten, was im Gegensatz zur Lehre der US-PS 2,354,659 (Bazhaw) steht.

Es leuchtet ein, daß ein elektrisches Feld 28 erzeugt wird, wenn die Poren oberhalb der Linie 22 entweder mit einem Gas gefüllt sind oder wenn diese Poren frei sind von entweder einem Gas oder einer Flüssigkeit. Wenn es zwei Flüssigkeiten gibt, wie Öl und Wasser, ist das Ausmaß der Abwärtsbewegung der beiden Fluide ähnlich, wobei jedoch nur die Bewegung der leitenden Flüssigkeit ein elektrisches Feld erzeugt, so daß an der Linie, an welcher die beiden Fluid zusammentreffen, eine Diskontinuität des elektrischen Feldes eintritt.

Das elektrische Feld 28 erzeugt eine entsprechende elektro magnetische Welle 30, die von dem soeben beschriebenen Aufschlag bereich wegläuft. Eine elektrische Welle läuft, im Gegensatz zu einer reflektierten, akustischen Welle, mit Lichtge schwindigkeit in bezug auf die existierende lithologische Formation. Wenn natürlich dort eine herkömmliche seismische Reflektionsgrenze vorliegt, treten akustische Reflektionen ein und werden durch die Geophonanordnung aufgenommen, wie dies in einer herkömmlichen Weise der Fall ist. Die Aufnahme der elektro magnetischen Welle tritt jedoch immer dann ein, wenn das Fluid in einer porösen Formation hoher Permeabilität vorliegt, oder wenn es dort zwei miteinander nicht mischbare Fluide in der Formation gibt.

Wenn zwei Fluide anwesend sind, bewegen sich beide Fluide mit inetwa der gleichen Geschwindigkeit. Die Bedeutung der beiden Fluide ist etwas hintergründig, und man hat bislang noch nicht diesen Effekt erkannt, wobei der wissenschaftliche Fortschritt erst hier beschrieben werden kann. Wenn es eine Grenze zwischen zwei Fluiden gibt (z. B. ein Gas/Wasser-Kontakt), ist die Grenze eine Ebene, an welcher seismische Energie reflektiert wird, und Teile dieser Energie werden in Fluidbewegung umgesetzt. Das ESP- Signal ist groß, infolge dieser seismischen Energieumsetzung.

Wenn es zwei Fluide in der gleichen Porenstruktur gibt (beispiels weise Tropfen von Öl in Wasser oder Gasblasen in Wasser), führt jede Fluidbewegung zu einem großen elektrischen Feld, da die Störung durch die Tropfen- oder Blasenform zum elektrischen Feld beiträgt. Dies ist der "Elektrokapillar"-Effekt, der vorher er wähnt wurde. Ähnlich wie das Strömungspotential ist der Elektro kapillar-Effekt in der Elektrochemie seit vielen Jahren bekannt, aber seine Bedeutung für ESP ist bislang nicht erkannt worden.

In Fig. 3 ist eine alternative Anordnung der Quelle 10 dargestellt, wobei sie sich in einem Bohrloch befindet, in einem Abstand in der Nähe des Bodens einer 152,4 m Bohrung. Diese Stelle befindet sich unterhalb der Gas/Wasserlinie 22. Ein Geophon 14, das in der Nähe der Öffnung des Bohrloches an der Erdoberfläche angeordnet ist, nimmt die akustische Welle auf, die durch die Aktivierung der Quelle gebildet wurde. Die akustische Welle, die sich durch das Bohrloch nach oben bewegt, wird als "Rohr"-Welle bezeichnet. Die akustische Welle, die auf den Bereich, der durch die Linie 20 definiert ist, auftrifft, bewirkt eine elektromagnetische Reaktion, wie sie zuvor beschrieben wurde und durch einen geeigneten De tektor 16 aufgenommen werden kann.

Wie in einer vollständigeren Weise in Fig. 4 wiedergegeben ist, können mehrere Zustände in dem Bohrloch und in der Lithologie in der Nähe des Bohrloches vorliegen, die zu einer elektromagneti schen Reaktion führen und in der Weise aufnehmbar sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Eine elektrische Reaktion in graphi scher Aufzeichnung, die sich aus den Effekten der in Fig. 4 darge stellten Anordnung ergibt, ist in Fig. 5 wiedergegeben. An der Stelle 50 geht man davon aus, daß dort eine wässrige, salzhaltige Flüssigkeit in einer Formation hoher Permeabilität vorliegt. Der Impakt des akustischen Druckes von der seismischen Quelle 50 führt zu einer nach außen gerichteten Fluidbewegung in diesem Punkt, der sich auf eine aufnehmbare, elektromagneti sche Reaktion überträgt.

An der Linie 52 befindet sich ein Gaslager, das in gleicher Weise durch den Impakt der akustischen P-Welle erregt wird. Auch hier ergibt sich eine Reaktion einer elektromagnetischen Welle, die an der Oberfläche aufnehmbar ist.

Im Punkt 54 wird die Fluidoberfläche in dem Bohrloch von der Rohrwelle erreicht und erzeugt wieder eine nach außen gerichtete Reaktion in die Formation, die zu einer elektromagnetischen Reaktion an den Linien 56 und 58 führt, in ähnlicher Weise wie an der Linie 22, wo die beiden miteinander nicht mischbaren Fluide aufeinandertreffen. Durch die Überwachung sowohl der akustischen Wellen als auch der elektromagnetischen Wellen ist es möglich, zu bestimmen, was an jedem Niveau eingetreten ist. Man sollte sich erinnern, daß die akustischen Wellen mit Schall geschwindigkeit und die elektromagnetischen Wellen mit Lichtge schwindigkeit sich fortpflanzen, wodurch es leicht erkennbar ist, wenn es eine elektromagnetische Reaktion an einer akusti schen Wellenfront gibt. Dementsprechend ist die elektromagnetische Aufnahme der Quelle an der Bohrlochöffnung durch eine senkrechte Linie 51 in Fig. 5 dargestellt, wobei die Linie vertikal ausge richtet ist, da sich die elektromagnetische Welle durch das Bohrloch hinauf mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die Linie 53 in Fig. 5 gibt die elektromagnetische Reaktion auf das ESP- Signal wieder, das erzeugt wird, wenn eine akustische Rohrwelle sich durch das Bohrloch abwärts bewegt, auf den Bohrlochboden auftrifft und zu einer Abwärtsströmung des Fluids in der Formation führt.

Die elektromagnetischen Reaktionen auf die Fluidoberfläche 54 ist durch die Linie 55 wiedergegeben; auf die Formation 56 durch die Linie 57; auf die Formation 58 durch die Linie 59 und auf die Gaslagerlinie 52 durch die Linie 61 in Fig. 5. In dem Versuchsbeispiel, das der in Fig. 5 wiedergegebenen Re aktion zurundeliegt, war die seismische Quelle in dem Bohrloch ein Plastiksprengstoff von 19 g Gewicht. Die typische Signal reaktion der Fig. 5 bewirkte eine Spannung von mehreren Zehner einheiten von Mikrovolt über die Antenne, die 4,6 m lang war.

Die in Fig. 5 wiedergegebenen Linien sind hilfreich bei der Interpretation, da ihre Steigung ein Maß für die seismische Geschwindigkeit ist. Wie in der Figur angegeben ist, sind die Linien 53, 55, 57 und 59 den Rohrwellen in dem Bohrloch zuge ordnet. Es ist hinlänglich bekannt, daß Rohrwellen in einer Formation, wie in dem dargestellten Beispiel, eine Geschwindig keit von 1372 m/Sek. besitzen. Im Gegensatz dazu entspricht die Linie 61 der seismischen Fortpflanzung in der Formation, die das Bohrloch umgibt, wobei bekannt ist, daß die charakteristische Druckwellengeschwindigkeit 1738 m/Sek. ausmacht. Die Linie 61 besitzt eine Neigung von 1738 m/Sek.

In Fig. 6 ist eine einfache Anordnung zur elektromagnetischen Aufnahme wiedergegeben. Man stellt fest, daß ein Detektor leicht hergestellt werden kann durch in einem Abstand voneinander ange ordnete Stahlrohrelektroden 60 und 62, die vorzugsweise in eine Tiefe eingetrieben werden, daß sie den Wasserspiegel erreichen. Andere Metallrohre, wie etwa aus Kupfer oder Blei können ebenfalls eingesetzt werden. In den Zeichnungen wird davon ausgegangen, daß sich der Wasserspiegel bei 4,6 m befindet, so daß Elektroden mit einer Länge von 6,1 m adäquat sind. Eine Aufnahme ist jedoch auch mit Elektroden möglich, die nicht bis zum Wasserspiegel eingetrieben sind. Die beiden Elektroden befinden sich typischer weise in einem Abstand von 4,6 bis 610 m voneinander. Die beiden Elektroden sind miteinander verbunden, wahlweise in Reihe mit einer Batterie über die Primärwicklung 64 eines Trans formators. Eine hieran angekoppelte Sekundärwicklung 66 ist über geeignete Kerbfilter 68 zur Entfernung streuender Aufnahme frequenzen an einen Verstärker 70 angeschlossen. Wenn eine Netz leitung in der Nähe ist, ist beispielsweise ein Kerbfilter bei 60 Hz erstrebenswert. Der Verstärker kann mit einer Anzeige 71, einem Aufzeichnungscomputer 72 oder ähnlichem verbunden sein, wie dies erwünscht ist. Diese Ausrüstung befindet sich normaler weise in einem in der Nähe angeordneten Wagen oder einem Unter stellraum.

Claims

1. Verfahren zum elektroseismischen Prospektieren unterirdischer Fluide mit tels des Nachweises zweier miteinander nicht mischbarer Flüssigkeiten, die in einer unterirdischen Formation vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß man einen seismischen Impakt an einer vorbestimmten Stelle derart erzeugt, daß die hiervon ausgehende akustische Wellenfront auf einen Be reich poröser, unterirdischer Formation auftrifft, in welcher sich mindestens zwei miteinander nicht mischbare Fluide in einem gemeinsamen Porenraum befinden, und hier ein elektromagnetisches Signal von dieser Region er zeugt, das von diesem Bereich mit Lichtgeschwindigkeit ausgeht, und
das elektromagnetische Signal aufnimmt als Indikation der Existenz wahr scheinlich vorhandener Kohlenstoffwasserstofflagerungen in der Nähe die ses Bereiches.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher die beiden miteinander nicht mischbaren Fluide im wesentlichen voneinander getrennt sind, derart, daß der flachere Bereich des Porenraumes hauptsächlich mit Gas gefüllt und der tiefere Be reich des Porenraumes hauptsächlich mit dem wässrigen Fluid gefüllt ist, wobei der Ursprung des elektromagnetischen Signals in dem Kontaktbe reich zwischen dem flacheren fluidgefüllten Teil und dem tieferen Teil des Porenraumes liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher die beiden miteinander nicht mischbaren Fluide im wesentlichen getrennt sind, derart, daß der flachere Teil des Po renraumes hauptsächlich mit Kohlenwasserstoff-Fluid gefüllt und der tiefere Bereich des Porenraumes hauptsächlich mit einem wässrigen Fluid gefüllt ist, wobei der Ursprung des elektromagnetischen Signals der Kontaktbe reich zwischen dem flacheren fluidgefüllten Bereich und dem tieferen fluid gefüllten Bereich des Porenraumes ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher ein drittes Fluid bei den beiden miteinander nicht mischbaren Fluiden vorhanden ist, wobei das dritte Fluid mit einem der beiden nicht miteinander mischbaren Fluide mischbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der seismische Impakt an oder nahe der Erdoberfläche initiiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der seismische Impakt innerhalb des Bohrloches initiiert wird und von der Innenseite des Bohrloches dieses im wesentlichen unterhalb der Erdoberfläche durch dringt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der seismische Impakt an einer Stelle auf der Innenseite des Bohrloches initiiert wird und den Bereich einer porösen unterirdischen Formation durchdringt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher die miteinander nicht mischbaren Fluide ein Gas und eine Flüssigkeit umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher die miteinander nicht mischbaren Fluide eine wässrige Komponente und eine im wesentlichen aus Kohlenwasser stoff bestehende Komponente umfassen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Fre quenz des seismischen Impaktes in einem Bereich, der im wesentlichen zwischen 1 und 500 Hz liegt, einsetzt und die Frequenz des elektromagne tischen Signals in einem in etwa vergleichbaren Bereich zwischen 1 und 500 Hz liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Fre quenz des seismischen Impaktes, die im Bereich von angenähert zwischen 1 und 100 Hz liegt, einsetzt und die Frequenz des elektromagnetischen Si gnals in einem in etwa vergleichbaren Bereich zwischen 1 und 100 Hz liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal magnetisch aufgenommen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal elektrisch aufgenommen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal unter Einsatz zweier Elektroden, die in die Erdoberfläche eingebettet sind, aufgenommen wird, wobei eine Spannung zwischen den Elektroden aufgenommen wird, während die elektromagnetische Signal wellenfront auf die Elektroden auftritt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden bis zu einer Tiefe eingebettet werden, die den ersten Wasserspiegel durch dringt, der unterhalb der Erdoberfläche existiert.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal unter Einsatz zweier Elektroden, die sich im Abstand von einander in unterschiedlichen Tiefen in einem Bohrloch befinden, aufge nommen wird, wobei jede Elektrode die lithologische Formation der Erde, angrenzend an das Bohrloch, durchdringt.

17. Verfahren zum elektroseismischen Prospektieren mittels des Nachweises eines Gesteinskörpers hoher Permeabilität, der sich unterhalb der Erdober fläche befindet und eine im wesentlichen wässrige Phase in dem Poren raum des Gesteins einschließt, dadurch gekennzeichnet,
daß man einen seismischen Impakt an einer vorbestimmten Stelle derart erzeugt, daß die hiervon ausgehende akustische Wellenfront auf einen Ge steinskörper hoher Permeabilität auftrifft, der ein Porenfluid enthält, mit ei ner im wesentlichen wässrigen Phase in dem Porenraum des Gesteins und ein elektromagnetisches Signal von dem Körper erzeugt, das von diesem mit Lichtgeschwindigkeit ausgeht, und
das elektromagnetische Signal als Anzeige der Existenz eines Kohlenwas serstoffvorkommens in der Nähe des Gesteins hoher Pemeabilität auf nimmt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der seismische Impakt an oder nahe der Erdoberfläche erzeugt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der seismische Impakt innerhalb des Bohrloches initiiert wird und von der Innenseite des Bohrloches dieses im wesentlichen unterhalb der Erdoberfläche durch dringt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der seismische Impakt an einer Stelle innerhalb des Bohrloches initiiert wird und von der Innenseite des Bohrloches den Bereich der porösen unterirdischen Forma tion durchdringt.

21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher das Porenfluid im wesentlichen salz haltiges Wasser ist.

22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher das Porenfluid im wesentlichen salz haltiges Wasser mit einem geringen Anteil einer gelösten Gaskomponente ist.

23. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher das Porenfluid im wesentlichen salz haltiges Wasser ist mit einem geringen Anteil einer gelösten Kohlenwasser stoff-Flüssigkeitskomponente.

24. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Fre quenz des seismischen Impaktes, die in einem Bereich zwischen 1 und 500 Hz liegt, einsetzt und die Frequenz des elektromagnetischen Signals in ei nem in etwa vergleichbaren Bereich zwischen 1 und 500 Hz liegt.

25. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Fre quenz des seismischen Impaktes, die in einem Bereich von in etwa zwi schen 1 und 100 Hz liegt, einsetzt und die Frequenz des elektromagneti schen Signals in einem in etwa vergleichbaren Bereich zwischen 1 und 100 Hz liegt.

26. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal magnetisch aufgenommen wird.

27. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal elektrisch aufgenommen wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal elektrisch aufgenommen wird, unter Verwendung zweier Elektroden, die in die Erdoberfläche eingebettet sind, wobei eine Spannung zwischen den beiden Elektroden aufgenommen wird, während die elektro magnetische Signalwellenfront auf die jeweiligen Elektroden auftrifft.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden bis zu einer Tiefe eingebettet werden, die den ersten Wasserspiegel durch dringt, der unter der Erdoberfläche existiert.

30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroma gnetische Signal unter Einsatz zweier Elektroden aufgenommen wird, die im Abstand voneinander in unterschiedlichen Tiefen eines Bohrloches an geordnet sind, wobei jede Elektrode die lithologische Formation der Erde, angrenzend an das Bohrloch, durchdringt.

31. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher das Gestein hoher Permeabilität eine hydraulische Permeabilität aufweist, die größer als 0,1 Millidarcy ist.

32. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man es auf eine Formation anwendet, in welcher das Gestein hoher Permeabilität eine hydraulische Permeabilität aufweist, die größer als 100 Millidarcy ist.