DE60102595T2

DE60102595T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Natur eines unterirdischen Reservoirs

Info

Publication number: DE60102595T2
Application number: DE60102595T
Authority: DE
Inventors: Svein Ellingsrud; Terje Eidesmo; Magne Hans PEDERSEN; Tor Schaug-Pettersen
Original assignee: Statoil ASA
Current assignee: Electromagnetic Geoservices AS
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: AU7858001A; CA2417832C; BRPI0113208B8; MXPA03001367A; US20060091889A1; AU2007201981A1; CN1447924A; ATE263383T1; EG22885A; US20040027130A1; BR0113208A; AU2007201981B2; CN1246706C; US7202669B2; PT1309887E; WO2002014906A1; DK1309887T3; NO324897B1; AU2001278580B2; US7038456B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Natur von unterseeischen und unterirdischen Reservoiren. Die Erfindung ist im wesentlichen zur Bestimmung geeignet, ob ein Reservoir, dessen ungefähre Geometrie und Lage bekannt sind, Kohlenwasserstoffe oder Wasser enthält, obwohl es ebenfalls zum Erfassen von Reservoiren mit bestimmten Eigenschaften verwendet werden kann.
Gegenwärtig sind die am häufigsten genutzten Techniken zur geologischen Überwachung, insbesondere bei unterseeischen Gegebenheiten, seismische Verfahren. Diese seismischen Techniken sind in der Lage, die Struktur der unterseeischen Gebirgsschicht mit einiger Genauigkeit zu offenbaren. Allerdings kann eine seismische Überwachung zwar den Ort und die Gestalt eines potentiellen Reservoirs offenbaren, sie kann jedoch nicht die Natur des Reservoirs offenbaren.
Die Lösung dafür ist, ein Bohrloch in das Reservoir zu bohren. Allerdings streben die mit dem Bohren einer Untersuchungsbohrung verbundenen Kosten in einen Bereich von 25.000,- Britischen Pfund und da die Erfolgsrate im allgemeinen zwischen 1 und 10 liegt, ist dieses eine sehr kostenintensive Übung.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein System zur Bestimmung der Natur eines unterirdischen Reservoirs mit größerer Sicherheit ohne den Bedarf, ein Bohrloch abzusenken, zu ermöglichen.
Durch die jetzigen Anmelder wurde es begrüßt, daß sich die elektromagnetische Widerstandsfähigkeit (die Elektrizitätskonstanten) von ölgefüllten und wassergefüllten Gebirgsschichten unterscheiden, während sich deren seismische Eigenschaften nicht signifikant unterscheiden. Diese Unterschiede können daher durch Verwendung eines elektromagnetischen Überwachungsverfahrens erforscht und die Erfolgsrate in der Vorhersage der Natur eines Reservoirs bedeutend gesteigert werden. Dieses bedeutet möglicherweise enorme Kosteneinsparungen.
Ein diese Prinzipien verkörperndes Verfahren und eine Vorrichtung folgt auf Basis der anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB01/00419 der derzeitigen Anmelder.
Diese zieht ein Verfahren zur Bestimmung der Natur eines unterseeischen Reservoirs in Betracht, dessen ungefähre Geometrie und Ort bekannt sind, welches aufweist: Anwenden eines zeitlich variierenden elektromagnetischen Feldes auf die das Reservoir enthaltende Gebirgsschicht; Erfassen der elektromagnetischen Wellenfeldantwort; Suchen einer eine durch die Kohlenwasserstoffschicht gebeugte Welle repräsentierende Komponente in der Wellenfeldantwort und basierend auf dem Vorliegen oder der Abwesenheit einer durch die Kohlenwasserstoffschicht gebeugten Wellenkomponente Bestimmen des Inhaltes des Reservoirs.
Sie beinhaltet ebenfalls ein Verfahren zum Suchen eines Kohlenwasserstoff enthaltenden unterirdischen Reservoirs, welches aufweist: Anwenden eines zeitlich variierenden elektromagnetischen Feldes auf eine unterirdische Gebirgsschicht; Erfassen der elektromagnetischen Wellenfeldantwort; Suchen einer Komponente in der Wellenfeldantwort, welche eine gebeugte Welle repräsentiert und Bestimmen des Vorliegens und/oder der Natur eines beliebigen auf Basis des Vorliegens oder Nichtvorliegens einer durch die Kohlenwasserstoffschicht gebeugten Wellenkomponente identifizierten Reservoirs.
Sie beinhaltet des weiteren eine Vorrichtung zur Bestimmung der Natur eines unterirdischen Reservoirs, dessen ungefähre Geometrie und Lage bekannt sind, oder zum Suchen nach einem Kohlenwasserstoff enthaltenden unterirdischen Reservoir, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel zur Anwendung eines zeitlich variierenden elektromagnetischen Feldes auf die das Reservoir enthaltende Gebirgsschicht; Mittel zum Erfassen der elektromagnetischen Wellenfeldantwort und Mittel zum Suchen einer Komponente in der Wellenfeldantwort, welche eine gebeugte Welle repräsentiert, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, das Vorliegen und/oder die Natur eines Reservoirs zu bestimmen.
Eine gebeugte Welle verhält sich abhängig von der Natur der Ablagerung, in der sie sich ausbreitet, unterschiedlich. Insbesondere sind die Ausbreitungsverluste in einer Kohlenwasserstoffablagerung viel geringer als in einer Wasser enthaltenden Ablagerung, während die Ausbreitungsgeschwindigkeit sehr viel höher ist. Daher kann eine starke und sich schnell ausbreitende gebeugte Welle festgestellt werden, wenn ein Öl enthaltendes Reservoir vorliegt und ein elektromagnetisches Feld angelegt wird. Dieses kann daher das Vorliegen des Reservoirs oder dessen Natur, falls das Vorliegen bereits bekannt ist, anzeigen.
Elektromagnetische Überwachungstechniken selbst sind bekannt (siehe beispielsweise die Patentveröffentlichungen US 2,077,707 , US 4,617,518 oder US 4,258,321 ). Allerdings werden sie in der Praxis nicht häufig genutzt. Im allgemeinen befinden sich die interessierenden Reservoire ungefähr 1 km oder mehr unterhalb des Meeresgrundes. Um eine elektromagnetische Überwachung als alleinige Technik unter diesen Bedingungen mit einem sinnvollen Grad an Auflösung auszuführen, sind kurze Wellenlängen notwendig. Unglücklicherweise unterliegen derartige kurze Wellenlängen einer sehr hohen Dämpfung. Lange Wellenlängen liefern keine geeignete Auflösung. Aus diesen Gründen werden seismische Techniken bevorzugt.
Allerdings können in elektromagnetischen Techniken verwendete längere Wellenlängen, obwohl sie keine ausreichende Information liefern, um eine genaue Anzeige der Grenzen der verschiedenen Gebirgsschichten zu ermöglichen, genutzt werden, um die Natur der einzelnen identifizierten Formationen zu bestimmen, falls die geologische Struktur bereits bekannt ist und die Möglichkeiten für die Natur dieser Formation signifikante unterschiedliche elektromagnetische Eigenschaften haben. Die Auflösung ist im einzelnen nicht wichtig und so können längere Wellenlängen, welche keiner außergewöhnlichen Dämpfung unterliegen, verwendet werden.
Der spezifische Widerstand von Seewasser beträgt ungefähr 0,3 Ωm und der des Obergesteins unterhalb des Seegrundes würde gewöhnlich zwischen 0,3 und 4 Ωm, beispielsweise ungefähr 2 Ωm, betragen. Allerdings beträgt der spezifische Widerstand eines Ölreservoirs ungefähr 20 bis 300 Ωm. Dieser große Unterschied kann durch Gebrauch der Techniken der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Normalerweise wird der spezifische Widerstand einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Formation 20 bis 300 mal größer sein als der einer Wasser enthaltenden Formation.
Aufgrund der unterschiedlichen elektromagnetischen Eigenschaften einer Gas/Öl enthaltenden Formation und einer Wasser enthaltenden Formation kann man eine Reflektion und Beugung des gesendeten Feldes an der Grenze der Gas/Öl enthaltenden Formation erwarten. Allerdings bedeutet die Ähnlichkeit zwischen den Eigenschaften des Deckgebirges und eines Wasser enthaltenden Reservoirs, daß wahrscheinlich keine Reflektion oder Beugung auftritt.
Daher leitet eine elektrische Dipol-Sendeantenne auf oder nahe am Seegrund elektromagnetische Felder und Ströme in das Seewasser und die unter der Oberfläche liegende Gebirgsschicht. In dem Seewasser werden die elektromagnetischen Felder aufgrund der hohen Konduktivität der salzigen Umgebung stark gedämpft, wohingegen die unter der Oberfläche liegende Gebirgsschicht mit geringerer Konduktivität möglicherweise als eine Führung für die elektromagnetischen Felder dienen kann (weniger Dämpfung). Wenn die Frequenz niedrig genug ist (in der Größenordnung von 1 Hz), sind die elektromagnetischen Wellen in der Lage, tief in den Untergrund einzudringen und tiefliegende geologische Schichten mit einem höheren elektrischen spezifischen Widerstand als das Deckgebirge (beispielsweise ein mit Kohlenwasserstoff gefülltes Reservoir) werden die elektromagnetischen Wellen beeinflussen. Abhängig vom Winkel des Einfalls und dem Zustand der Polarisation kann eine auf eine Schicht mit hohem spezifischen Widerstand einfallende elektromagnetische Welle einen geleiteten Wellenmodus in der Schicht anregen. Der geleitete Modus breitet sich lateral entlang der Schicht aus und leitet Energie zurück zum Deckgebirge und zu Empfängern, welche auf dem Seegrund plaziert sind. Der Begriff „gebeugte" Welle in dieser Beschreibung soll als derartiger Wellenmodus verstanden werden.
Sowohl Theorie als auch Laborexperimente zeigen, daß der geleitete Modus nur für eine angeregte Welle mit querliegender magnetischer Polarisation (das Magnetfeld ist rechtwinklig zur Einfallsebene) und bei Einfallswinkeln nahe am Brewster-Winkel und dem kritischen Winkel (dem Winkel der Totalreflektion) angeregt wird. Für eine querliegende elektrische Polarisation (das elektrische Feld ist rechtwinklig zur Einfallsebene) wird der geleitete Modus nicht angeregt. Da der induzierte Strom proportional zum elektrischen Feld ist, wird der Strom parallel zu den Schichtgrenzen für die querliegende elektrische Polarisation sein, allerdings gibt es bei querliegender magnetischer Polarisation einen merklichen Strom durch die Schichtgrenzen.
Eine horizontale Dipolquelle auf dem Meeresgrund wird sowohl querliegende elektrische als auch querliegende magnetische Wellen erzeugen, allerdings ist es durch Variation der Orientierung der Empfängerantenne möglich, die Empfindlichkeit bezüglich beider Polarisationsarten zu variieren. Es kommt zum Vorschein, daß eine Ausrichtung in Reihe (die Quell- und Empfänger-Dipole befinden sich in einer Reihe) empfindlicher auf den querliegenden magnetischen Modus der Polarisation ist, wohingegen eine parallele Orientierung (Quell- und Empfänger-Dipole sind parallel) empfindlicher auf den querliegenden elektrischen Modus der Polarisation ist. Der querliegende magnetische Modus wird durch das Vorliegen von verschütteten Schichten hohen Widerstands beeinflußt, während der querliegende elektrische Modus nicht beeinflußt wird. Durch Messen mit den beiden Zusammenstellungen der Antennen und Untersuchen des Unterschiedes zwischen den beiden Meßsätzen ist es möglich, tief verschüttete Zonen hohen Widerstands, beispielsweise ein Kohlenwasserstoffreservoir, zu identifizieren.
Die US 4,258,321 betrifft eine geophysikalische Überwachung unter Nutzung von Radiowellen. Die relative Größe und Phase von von unterirdischen Formationen reflektierten Komponenten eines Radiofrequenzsignals werden an bestimmten Positionen entlang eines Überwachungspfades gemessen. Bei jeder Position werden Daten für die Ausrichtung von elektrischen und magnetischen Vektorfeldern aufgenommen.
Die vorliegende Erfindung ist aus dieser Realisation hervorgekommen und umfaßt Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und 2.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Natur eines unterirdischen Reservoirs ermöglicht, welches aufweist: Positionieren einer elektrischen Dipol-Sendeantenne, wobei deren Achse im allgemeinen horizontal ist, Positionieren einer elektrischen Dipol-Empfangsantenne in Reihe mit dem Sender, Anlegen eines elektromagnetischen Feldes an die das Reservoir enthaltende Gebirgsschicht unter Verwendung des Senders, Erfassen der elektromagnetischen Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers und Identifizieren einer Komponente in der Antwort, welche eine geleitete Welle aus dem Reservoir gemäß einem ersten Modus darstellt, Positionieren der elektrischen Dipol-Empfangsantenne parallel zum Sender, Anlegen eines elektromagnetischen Feldes an die Gebirgsschicht unter Verwendung des Senders, Erfassen der elektromagnetischen Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers und Identifizieren einer Komponente in der Antwort, welche eine geleitete Welle aus dem Reservoir gemäß einem zweiten Modus darstellt und Vergleichen der Antwort der geleiteten Welle des ersten Modus mit der Antwort der geleiteten Welle des zweiten Modus, um die Natur des Reservoirs zu bestimmen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Suchen nach einem kohlenwasserstoffhaltigen unterirdischen Reservoir vorgeschlagen, welches aufweist: Positionieren einer elektrischen Dipol-Sendeantenne, wobei deren Achse im allgemeinen horizontal ist, Positionieren einer elektrischen Dipol-Empfangsantenne in Reihe mit dem Sender, Anlegen eines elektromagnetischen Feldes an eine unterirdische Gebirgsschicht unter Verwendung des Senders, Erfassen der elektromagnetischen Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers, Suchen einer Komponente in der Antwort, welche eine durch eine Zone mit hoher Widerstandsfähigkeit hervorgerufene geleitete Welle gemäß einem ersten Modus darstellt, Positionieren der elektrischen Dipol-Empfängerantenne parallel zum Sender, Anlegen eines elektromagnetischen Feldes an die Gebirgsschicht unter Verwendung des Senders, Erfassen der elektromagnetischen Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers, Suchen einer Komponente in der Antwort, welche eine geleitete Welle gemäß einem zweiten Modus darstellt, Vergleichen der Antwort der geleiteten Welle des ersten Modus mit der Anwort der geleiteten Welle des zweiten Modus, um das Vorliegen und/oder die Natur einer etwaigen Zone mit hoher Widerstandsfähigkeit zu bestimmen.
Der erste Modus kann als ein querliegender elektromagnetischer Modus und der zweite Modus als ein querliegender elektrischer Modus betrachtet werden.
Daher werden gemäß der Erfindung Messungen mit dem Sender und dem Empfänger sowohl in Reihe als auch parallel genommen und die beiden Sätze der Messungen verglichen. Ein charakteristischer Unterschied der Werte zeigt eine Schicht mit hoher Widerstandsfähigkeit neben einer hoch leitenden Gebirgsschicht an. Hohe Widerstandsfähigkeit zeigt das Vorliegen von Kohlenwasserstoffen an und daher bedeutet dieser Unterschied der Werte eine direkte Anzeige für Kohlenwasserstoff. Die Technik kann in Verbindung mit konventionellen seismischen Techniken genutzt werden, um Reservoire von Kohlenwasserstoff zu identifizieren.
Vorzugsweise weist der Sender und/oder der Empfänger eine Reihe von Dipolantennen auf.
Die Technik ist auf die Erkundung landbasierter unterirdischer Reserevoirs anwendbar, ist jedoch vor allem anwendbar auf unter dem Wasser liegende, im wesentlichen unter dem Meer liegende unterirdische Reservoirs. Vorzugsweise wird das Feld durch Nutzen eines oder mehrerer Sender angelegt, welche auf der Oberfläche der Erde plaziert sind. Die Erfassung wird durch einen oder mehrere Empfänger durchgeführt, welche auf der Oberfläche der Erde plaziert sind. In einer bevorzugten Anwendung sind die Sender und/oder Empfänger an oder nahe dem Meeresgrund oder dem Grund einiger anderer Wassergebiete plaziert.
In einer bevorzugten Anordnung sind die Sender- und Empfängerantennen auf einem gewöhnlichen hinter einem Schiff geschleppten Kabel plaziert. Dieses wird zu einem festen Absatz oder einer Serie von festen Absätzen führen, wo mehrere Empfänger verwendet werden. Vorzugsweise sendet der Sender beide Modi und kann daher zwei Dipole aufweisen, welche nahe beieinander in rechten Winkeln angeordnet sind. Vorzugsweise weist jeder Empfänger zwei Dipole nahe beieinander in rechten Winkeln auf. Vorzugsweise sind ein Sendedipol und ein Empfangsdipol im rechten Winkel bezüglich der Richtung des Kabels angeordnet. Alternativ können der Sender und/oder die Empfänger jeweils eine einzelne Dipolantenne aufweisen, welche schief, beispielsweise in einem Winkel von 45° bezüglich der Richtung des Kabels angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird das gesendete Feld zerlegt.
Beim Gebrauch dieser Technik ist es möglich, vergleichbare Ergebnisse aus den beiden Modi zu erhalten, da das gleiche Signal und Versatz genutzt werden. Es ist nicht bedeutsam, wenn der Sender in der Frequenz oder Amplitude abtreibt. Des weiteren können Reservoirs in Echtzeit erfaßt werden. Daher wird dieses deutlich auf das Vorliegen eines Kohlenwasserstoff enthaltenden Reservoirs hinweisen, falls die Ergebnisse einen Unterschied in den beiden Modi zeigen, und es kann auf diese Weise eine genauere Studie sofort durchgeführt werden.
Ein derartiges System würde im allgemeinen eine einzelne Sendequelle und mehrere Empfänger, typischerweise mehr als 10, nutzen. Die unterschiedlichen Versätze würden zur Erfassung von Reservoiren in unterschiedlichen Tiefen geeignet sein.
Die Empfänger können an einem einzelnen Kabel oder an einer Reihe von parallelen Kabeln aufgereiht sein. Es kann ebenfalls einige Sender geben.
In der Praxis würde das Schiff normalerweise anhalten und dem Kabel ermöglichen, vor dem Senden abzusinken. Vor einem Fortbewegen an eine andere Stelle würde es eine Sendung bei einigen verschiedenen Frequenzen geben. Die Technik ist im wesentlichen geeignet zum Erfassen einer Kante und es ist eine einfache Sache, eine geeignete Schärfe auszuwählen. Allerdings sollte die Widerstandsfähigkeit der oberen Schichten, falls die Überwachung in einem unbestimmten Gebiet ausgeführt wird, beispielsweise mittels MT-Verfahren oder durch eine Umkehr nach einer Reflektionsstudie kartiert werden.
Falls der Versatz zwischen dem Sender und dem Empfänger bedeutend größer ist als die dreifache Tiefe des Reservoirs vom Meeresgrund aus (beispielsweise die Stärke des Deckgebirges), ist es begrüßenswert, daß die Dämpfung der gebeugten Welle oftmals geringer sein wird als die der direkten Welle und der reflektierten Welle. Der Grund dafür ist die Tatsache, daß die Bahn der gebeugten Welle effektiv von dem Sender unten in dem Reservoir beabstandet sein wird, beispielsweise um die Stärke des Deckgebirges zuzüglich des Versatzes entlang des Reservoirs, zuzüglich des Abstandes von dem Reservoir bis zu den Empfängern, beispielsweise wiederum um die Stärke des Deckgebirges.
Die Polarisation der Sendequelle wird bestimmen, wieviel Energie in die Öl enthaltende Schicht in die Richtung des Empfängers gesendet wird. Daher wird eine Dipolantenne als Sender ausgewählt. Im allgemeinen eignet sich vorzugsweise ein Dipol mit einer großen effektiven Länge. Der Sendedipol kann daher 100 bis 1000 m lang sein und in zwei orthogonalen Richtungen geschleppt werden. Die optimale Länge des Empfängerdipols wird durch die Stärke des Deckgebirges bestimmt.
Das ausgesendete Feld kann gepulst sein, allerdings wird eine kohärente kontinuierliche Welle mit einer abgestuften Frequenz bevorzugt. Diese kann für eine signifikante Zeitdauer gesendet werden, während welcher der Sender vorzugsweise stationär (obwohl er ebenfalls langsam bewegt werden kann) und die Sendung stabil sein sollte. Daher kann das Feld für eine Zeitdauer von 3 Sekunden bis 60 Minuten, vorzugsweise von 3 bis 30 Minuten, beispielsweise für ungefähr 20 Minuten gesendet werden. Die Empfänger können ebenfalls dazu vorgesehen sein, eine direkte Welle und eine von dem Reservoir gebeugte Welle zu erfassen. Die Analyse kann ein Herausziehen von Daten der Phase und der Amplitude aus der gebeugten Welle aus entsprechenden Daten von der direkten Welle beinhalten.
Vorzugsweise sollte die Wellenlänge der Sendung in dem Bereich 0,1 s ≤ λ ≤ 5 s sein, wobei λ für die Wellenlänge der Sendung durch das Deckgebirge und s für den Abstand von dem Meeresgrund zum Reservoir steht. Vorzugsweise liegt λ ungefähr zwischen 0,5 s und 2 s. Die Sendefrequenz kann zwischen 0,01 Hz bis 1 kHz, vorzugsweise von 1 bis 20 Hz, beispielsweise 5 Hz sein.
Vorzugsweise sollte der Abstand zwischen dem Sender und einem Empfänger in dem Bereich von 0,5 λ ≤ L ≤ 10 λ sein, wobei λ für die Wellenlänge der Sendung durch das Deckgebirge und L für den Abstand zwischen dem Sender und dem ersten Empfänger steht.
Es wird begrüßt werden, daß die vorliegende Erfindung genutzt werden kann, um die Lage, die Größe, die Natur und das Volumen einer einzelnen Gesteinsschicht zu bestimmen und ebenfalls genutzt werden kann, um Änderungen bezüglich dieser Parameter über eine Zeitdauer zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Aufnehmen von unterirdischen Messungen, welches das Durchführen einer seismischen Messung aufweist, um die geologische Struktur einer Region zu bestimmen, und, falls diese Messung die Gegenwart eines unterirdischen Reservoirs offenbart, anschließendes Durchführen eines Verfahrens wie zuvor beschrieben.
Die Erfindung kann in der Praxis auf verschiedenen Wegen ausgeführt werden und wird nun in den folgenden Ausführungsformen und reduzierten Maßstabsuntersuchungen und Simulationen dargestellt werden. In den beigefügten Zeichnungen zeigt
1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Testtank,
2 eine Aufsicht auf den Tank aus 1,
3 eine Aufsicht auf die in dem Tank aus 1 genutzte Antenne,
4 eine Seitenansicht auf die Antenne aus 3,
5 und 6 entsprechend eine schematische Aufsicht und Seitenansicht des für eine Messung aufgesetzten Testtanks,
7 eine Kurve, welche berechnete und gemessene Werte für das ausgesendete elektrische Feld für ein gegebene Frequenz in dem Modellexperiment zeigt,
8 eine Kurve, welche berechnete Werte für das elektrische Feld in einem realistischen Modell der Erde zeigt,
9 eine schematische, seitliche Ansicht einer Kabelausführung, welche durch ein Schiff geschleppt wird,
10 eine Aufsicht entsprechend 9 und
11 u. 12 der 10 gleichende Ansicht, welche zwei alternative Anordnungen zeigen.
Der in 1 und 2 dargestellte Tank 11 weist eine geschlossene Umhüllung auf, welche 9 m lang, 6 m breit und 8 m tief ist. Der Tank 11 ist mit Seewasser 12 gefüllt. Ein Diaphragma 13, welches mit Frischwasser 14 gefüllt ist, ist in dem Tank plaziert. Das Diaphragma 13 ist 7,5 m lang, 4,25 m breit und 0,25 m stark und kann an jeder beliebigen gewünschten Höhe in einer horizontalen Orientierung innerhalb des Tanks 11 plaziert werden.
Die Konduktivität des Seewassers 12 wurde auf einen Wert von 5,3 S/m bei 14° C und die Konduktivität des Frischwassers auf einen Wert von 0,013 S/m gemessen. Das Verhältnis der beiden Konduktivitäten liegt daher sehr nahe bei 400.
Die kritische Frequenz f_c eines leitenden Mediums, beispielsweise die Frequenz, bei welcher der Versatzstrom gleich dem Leitstrom ist, ist durch die Formel
gegeben, wobei ε_r die relative Dielektrizitätskonstante des Mediums und σ die Konduktivität in S/m ist. Für Wasser beträgt ε_r = 80 bei den interessierenden Frequenzen und Temperaturen. Für die beiden Konduktivitätswerte σ = 5,2 S/m und σ = 0,013 S/m, sind f_c = 1,2 GHz und entsprechend 3 Mhz. Da in den Experimenten die höchste Frequenz 0,83 MHz beträgt, ist es eine genaue Näherung, den Versatzstrom sogar für das frische Wasser zu vernachlässigen.
Für ein nichtmagnetisches leitendes Medium ist die Fortplanzungskonstante γ durch die Formeln
gegeben.
Die Wellenlänge λ, welche durch den Abstand, in welchem die Phase um 2π wechselt, definiert ist, ist durch die Formel
gegeben, wobei λ in m, f in MHz und σ in S/m vorliegen. Die Hauttiefe, die Entfernung, in welcher die Amplitude sich um 1/e verringert, ist auf die Wellenlänge durch die Formel
bezogen.
Für die Extreme des Frequenzbereiches, für das Seewasser mit σ = 5,2 S/m beträgt
und für das Frischwasser mit σ = 0,013 S/m
Die 3 und 4 zeigen zwei identische elektrische Dipolantennen, die wie gezeigt als Sender und Empfänger genutzt werden.
Jede Antenne 15 umfaßt zwei quadratische Messingplatten 16, welche 15 cm im Quadrat sind und auf einem Kunstharzträger 17 befestigt sind. Jede Platte 16 ist mit einem Co-Axialkabel 18 verbunden, welches durch ein in rechten Winkeln zur Platte 16 befestigtes Kunstharzrohr 19 zu einer Symmetrieschaltung läuft, welche die Impedanz der Antenne 15 von ungefähr 2 Ω in Seewasser auf ungefähr 50 Ω transformiert.
Der Meßaufbau ist in den 5 und 6 dargestellt. Ein automatischer Netzwerkanalyser (ANA) mißt die Sendung zwischen den Antennen 15 als eine Funktion des Abstandes (offset) und der Frequenz. Die in 5 dargestellte Anordnung zeigt die Antennen 15 in der parallelen Orientierung. Die In-Reihe-Orientierung wird durch Rotieren beider Antennen um 90° in der horizontalen Ebene erreicht.
Die Ergebnisse der Messungen sind in 7 zusammen mit den entsprechenden theoretischen Ergebnissen dargestellt. Die Messungen stimmen gut mit den theoretischen Ergebnissen überein und die Figur enthält zwei Sätze von Kurven, einen mit parallelen Antennen und einen mit in Reihe geschalteten Antennen. Die theoretischen Ergebnisse werden für infinitesimale Dipolantennen berechnet. Die Orientierung der Antennen und die Frequenzen werden in den Figuren dargestellt.
Die Parameter des Experimentes sind bezüglich möglichen praktischen Situationen maßstäblich dargestellt. Um einen Eindruck von Größenordnungen der Größe zu geben: Falls die Frequenz um einen Faktor von 40000 und die Konduktivität um einen Faktor von 10 maßstäblich verkleinert wird, werden die Dimensionen um einen Faktor von 632 vergrößert und der experimentelle Aufbau würde einer Schicht mit niedriger Konduktivität von einer Stärke von 150 m und einer Konduktivität von 0,0013 S/m unter einem Deckgebirge einer Stärke von 300 m und einer Konduktivität von 0,52 S/m entsprechen. Der entsprechende Frequenzbereich würde zwischen 0,75 Hz bis 20 Hz liegen und die Länge der Antenne ungefähr 300 m betragen. Das Verfahren mittels des querliegenden elektrischen und querliegenden magnetischen Modus wurde durch Computersimulationen auf einem einfachen horizontal geschichteten Modell der Erde mit elektrischen Parameterwerten für typische Tiefwasseroberflächensedimente berechnet. Das Modell weist eine unendlich isolierende Luftschicht, eine 1150 m starke Wasserschicht von 0,3125 Ωm, ein 950 m starkes Deckgebirge von 1 Ωm, einen 150 m starken Reservoirbereich von 50 Ωm und ein unendliches Untergebirge von 1 Ωm auf. 8 zeigt die Amplitudenantwort |E| (elektrisches Feld) als eine Funktion des Empfängerversatzes verursacht durch ein 1 Hz-Signal. Sowohl Antworten aus dem querliegenden magnetischen Modus (durchgezogene Linie mit x) als auch aus dem querliegenden elektrischen Modus (gestrichelt mit +) sind dargestellt. Die Amplituden für den querliegenden magnetischen Modus sind ungefähr 10 mal größer bei einem Versatz von 5 km. Als ein Bezug ist die Antwort eines homogenen Halbraums von 1 Ωm für beide Zusammenstellungen dargestellt (entsprechend einer Antwort von einem mit Wasser gefüllten Reservoir oder außerhalb des Reservoirgebiets). Der querliegende elektrische Modus weist die größte Abweichung von seinem Halbraum auf, beispielsweise ist dieser Modus empfindlicher auf eine Kohlenwasserstoffschicht.
Die 9 und 10 zeigen ein Schiff 31, welches ein Kabel (oder Ausläufer) 32 gerade oberhalb des Meeresgrundes 33 schleppt. Das Kabel 32 trägt eine Sendedipolantenne 34 und mehrere Empfängerdipole 35, von denen nur vier dargestellt sind. Die Tiefe des Wassers kann in einer Größenordnung von 1000 m sein, der Versatz zwischen dem Sender 34 und dem nächsten Empfänger 35 ungefähr 2000 m sein und die Empfänger können ungefähr 100 m von einander beabstandet sein. Der Sender 34 wird von dem Schiff 31 über das Kabel 32 gesteuert und die durch die Empfänger 35 erfaßten Antworten werden wiederum über das Kabel 32 in Echtzeit zum Schiff 31 zurückübertragen.
10 zeigt eine Anordnung, in welcher das Schiff 31 drei Kabel 41, 42, 43 schleppt, von denen jedes eine Reihe von Empfängern 45, 46, 47 trägt. Der Abstand der drei Kabel 41, 42, 43 wird mittels eines Auslegers 44 erhalten.
In der in 11 dargestellten Anordnung hat der Sender 48 die Form von zwei Dipolantennen, eine parallel zum Kabel 42 und eine in einem rechten Winkel.
Die in 12 dargestellte Anordnung ist ähnlich der in 11, allerdings ist in diesem Fall der Sender 51 eine einzelne Dipolantenne, welche in einem Winkel von 45° zum Kabel 42 angeordnet ist.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Natur eines unterirdischen Reservoirs, welches Verfahren das Positionieren einer elektrischen Dipol-Sendeantenne (34), wobei deren Achse im Allgemeinen horizontal ist, das Positionieren einer elektrischen Dipol-Empfangsantenne (35) in Reihe mit dem Sender (34), das Anlegen eines elektromagnetischen (EM) Feldes an die das Reservoir enthaltenden Schichten unter Verwendung des Senders, und das Erfassen der EM-Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Antwort eine Komponente identifiziert wird, welche eine geleitete Welle aus dem Reservoir gemäß einem ersten Modus darstellt; dass eine elektrische Dipol-Empfangsantenne (35) parallel zum Sender positioniert wird; dass ein EM-Feld an die Schichten unter Verwendung des Senders angelegt wird; dass die EM-Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers erfasst und eine Komponente in der Antwort identifiziert wird, welche eine geleitete Welle aus dem Reservoir gemäß einem zweiten Modus darstellt; und dass die Antwort der geleiteten Welle des ersten Modus mit der Antwort der geleiteten Welle des zweiten Modus verglichen wird, um die Natur des Reservoirs zu bestimmen.
Verfahren zum Suchen nach einem kohlenwasserstoffhältigen unterirdischen Reservoir, welches das Positionieren einer elektrischen Dipol-Sendeantenne (34), wobei deren Achse im Allgemeinen horizontal ist, das Positionieren einer elektrischen Dipol-Empfangsantenne (35) in Reihe mit dem Sender, Anlegen eines EM-Feldes an unterirdische Schichten unter Verwendung des Senders und Erfassen der EM-Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Antwort eine Komponente gesucht wird, welche eine durch eine Zone mit hoher Widerstandsfähigkeit hervorgerufene geleitete Welle gemäß einem ersten Modus darstellt; eine elektrische Dipol-Empfängerantenne (35) parallel zum Sender positioniert wird; ein EM-Feld an die Schichten unter Verwendung des Senders angelegt wird; die EM-Wellenfeldantwort unter Verwendung des Empfängers erfasst wird; eine Komponente in der Antwort gesucht wird, welche eine geleitete Welle gemäß einem zweiten Modus darstellt; und die Antwort der geleiteten Welle des ersten Modus mit der Antwort der geleiteten Welle des zweiten Modus verglichen wird, um die Gegenwart und/oder Natur einer etwaigen Zone mit hoher Widerstandsfähigkeit zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Modus ein TM-Polarisierungsmodus und/oder der zweite Modus ein TE-Polarisierungsmodus ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (34) und/oder der Empfänger (35) eine Anordnung von Dipol-Antennen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und/oder Empfänger (34, 35) auf dem Meeresboden (33) oder nahe beim Meeresboden (33) oder dem Boden eines anderen Wassergebietes angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sender (34) und die Empfänger (35) an einem gemeinsamen Kabel (32) befinden, das so angeordnet ist, dass es hinter einem Schiff (31) gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (51) und/oder Empfänger jeweils zwei Dipol-Antennen (34, 3S) aufweisen, die zueinander in rechten Winkeln angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des EM-Feldes über die Sendezeit hinweg kontinuierlich verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld über einen Zeitraum von 3 Sekunden bis 60 Minuten, vorzugsweise von 3 bis 30 Minuten gesendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendewellenlänge durch die Formel 0,1 s ≤ λ ≤ 10s gegeben ist, wobei λ die Sendewellenlänge durch die Überlast hindurch und s die Entfernung vom Meeresboden (33) zum Reservoir ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung zwischen dem Sender und einem Empfänger durch die Formel 0,5 λ ≤ L ≤ 10λ gegeben ist, wobei λ die Sendewellenlänge durch die Überlast hindurch und L der Abstand zwischen dem Sender (34) und dem Empfänger (35) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz von 0,01 Hz bis 1 kHz, vorzugsweise von 1 bis 20 Hz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es das Unterdrücken der direkten Wellen- und/oder aller anderen Wellenbeiträge einschließt, welche die Messungen stören könnten, wodurch die erforderliche dynamische Bandbreite des Empfängers (35) reduziert und die Auflösung der geleiteten Welle erhöht wird.
Verfahren zum Aufnehmen von unterirdischen Messungen, welches das Durchführen einer seismischen Messung aufweist, um die geologische Struktur einer Region zu bestimmen, und, falls diese Messung die Gegenwart eines unterirdischen Reservoirs offenbart, anschließendes Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.