KR100860583B1

KR100860583B1 - 가스수화물의 위치확인 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100860583B1
Application number: KR1020070044935A
Authority: KR
Inventors: 로버트 클레인버그; 자콥 비. 유. 할도르센
Original assignee: 슐럼버거 테크놀로지 비브이
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-09-26
Also published as: CN101071177B; US20070265782A1; KR20070110197A; JP4949923B2; JP2007304100A; CN102789002A; CN101071177A; CN102789002B; US9519072B2

Abstract

가스수화물이 수직 또는 부수직(subvertical) 암맥들로 축척될 수 있는 가능성을 설명하는 전자기 탐사 또는 탄성파 탐사를 사용하여 가스수화물 광상을 탐지 및/또는 특정하는 탐사 체계이다. 가스수화물 안정 영역의 존재, 가스수화물 안정 영역 아래에 풍부한 가스 공급원이 존재하는(존재했던) 지표 및 가스수화물 안정 영역으로 높은 흐름의 가스가 전달될 수 있다는 지표와 같은 지질학적 인자들이 탐사 전략의 부분으로 고려될 수 있다. 데이타는 수직 또는 부수직 암맥들의 존재를 탐지하기 위해 개조된 후퇴 수직 탄성파 탐사 기술과 같은 탄성파 기술 또는 전자기 탐사를 사용하여 수집될 수 있다. 일 예에서, 데이타 처리 및 수집 기술이 수화물 암맥들을 탐지하기 위하여 개조될 수 있으며, 수평 등방 지각 모델을 가정하지 않는다.

탄성파

Description

가스수화물의 위치확인 방법 및 장치{Methods and apparatus for locating gas hydrate}

본 발명의 다양한 구현예들 및 태양들이 수반되는 도면들을 참조하여 이하에서 상세히 설명될 것이다. 수반되는 도면들이 일정한 비율로 축소하여 도시되도록 의도된 것이 아님이 주지되어야 한다. 도면 부분에서, 여러가지 도면들에서 예시되는 동일하거나 거의 동일한 구성 요소들은 동일한 숫자로 표시된다. 명확함을 위하여, 각각의 도면에서 모든 구성 요소들에 라벨이 부착되지는 않을 수 있다. 도면 부분에서:

도 1은 해저 환경에서 메탄-수화물의 압력-온도 의존성을 보여주는 상평형도이다.

도 2는 극지 환경에서 가스수화물의 안정 영역을 정의하는 가스-수화물 상평형도이다.

도 3은 진폭 공백(amplitude blanking) 및 해저 모방 반사면(bottom simulating reflector)의 존재를 보여주는 탄성파 이미지(seismic image)이다.

도 4는 본 발명의 태양들에 따른 해양 가스수화물 광상(deposit)의 일 형태의 구조의 예시도이다.

도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 음파로 가스수화물의 암맥(dike)을 탐지 하기 위한 반사 구조(reflection geometry)의 예시도이다.

도 6은 본 발명의 태양들에 따른 병렬로 배치된 수화물 암맥에 의한 도파관(waveguide) 효과를 예시하는 도면이다.

도 7은 본 발명의 태양들에 따른 음파에 도파관으로 작용하는 수화물 암맥의 수장(chevron)의 일 예를 예시하는 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 수화물 암맥의 화상화를 위한 수집 구조의 예시도이다.

도 9a는 본 발명의 일 구현예에 사용될 수 있는 음원의 일 예로부터의 주파수 스펙트럼이다.

도 9b는 도 9a와 동일한 음원으로부터의 다른 주파수 스펙트럼이다.

도 10은 하나의 발신기 및 하나 이상의 동일선상의 수신기를 포함하는 통상적인 해양 전자기 탐사법의 도면이다.

도 11a는 본 발명의 일 구현예에 따른 발신기 안테나 및 수신기 안테나 사이의 방위각(azimuthal) 관계의 일 예를 예시하는 도면이다.

도 11b는 본 발명의 일 구현예에 따른 하나의 발신기 안테나 및 수신기 안테나 사이의 방사상(radial) 관계의 일 예를 예시하는 도면이다.

도 11c는 본 발명의 일 구현예에 따른 하나의 발신기 안테나 및 수신기 안테나 사이의 평행 관계의 일 예를 예시하는 도면이다.

도 11d는 본 발명의 일 구현예에 따른 하나의 발신기 안테나 및 수신기 안테나 사이의 수직 관계의 일 예를 예시하는 도면이다.

도 12는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전자기 탐사 시스템의 일 예시도이다.

본 발명은 가스수화물 광상 위치확인을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

가스수화물은 일종의 (격자와 같은)포접 화합물(clathrate)로서, 상기 화합물 내에서 통상적으로 상온 및 상압에서 기체 상태인 개개의 작은 분자들이 물 분자들의 고체 결정 매트릭스 내의 자리들을 차지한다. 천연가스 수화물 저장층(reservoir)에서 게스트(guest) 분자는 순수한 메탄이거나 천연 가스를 포함하는 화합물들의 혼합물이다. 가스수화물 광상(deposit)이 형성되기 위해서는, 가스 공급원가 요구된다. 메탄을 포함하는 천연 가스의 유출은 세계의 많은 부분에서 흔하다. 천연가스 수화물 광상은 육상 및 해양 환경 모두에서 발견된다. 육상 수화물은 극(arctic) 지역의 영구동토대(permafrost) 또는 그 지하에서 축척된다. 해양 가스 수화물은 적어도 약 500미터 수심에서 심해저(subseafloor) 침전물에 포집되어 발견될 수 있다.

가스수화물은 높은 압력 및 낮은 온도에서 형성된다. 심해저 퇴적물에서 가스수화물의 안정 영역은 도 1에 보여지는 바와 같이 (해저 가스수화물에 대한) 열수(hydrothermal) 기울기, 지열(geothermal) 기울기 및 포접 화합물 상경계(phase boundary)에 대한 온도 대비 깊이(압력)의 도면에 그려질 수 있다.

도 1을 참조하면, 해저 환경에서 메탄-수화물 안정성의 압력-온도 의존성을 보여주는 상평형도가 예시된다. 수직축에서, 압력이 수면 하의 깊이(미터로) 단위로 표시된다(이러환 변환은 정규 바다 및 기공 압력(pore pressure) 기울기 10MPa/km를 가정한다). 수평축은 섭씨 온도이다. 해저는 점선(100)으로 표시된다. 지열 기울기는 라인(104)으로 보여지고 수열 기울기는 라인(106)으로 보여진다. 수화물은 주어진 압력에서의 온도가 그 압력에서의 수화물 전이 온도보다 낮을 경우에 존재할 수 있다. 라인(102)은 온도 및 압력의 함수로서 수화물-가스 상경계를 예시한다. 온도 및 압력 조건이 이 라인 아래인 경우에, 메탄은 수화물 형태로 존재할 수 있다. 온도 및 압력 조건이 이 라인 위인 경우에, 메탄은 가스상으로 존재할 수 있다. 수화물 상경계의 위치는 주로 가스 조성의 함수이나, 기공 유체의 조성(예를 들어, 염의 존재), 기공 크기, 및 가능한 침전 광물에 의해서도 또한 조절된다. 예를 들어, 물에 소금을 첨가함으로써 라인(102)을 왼쪽으로 이동시키고, 이에 반해 이산화탄소, 황화수소 및 다른 탄화수소를 첨가하여 라인(102)를 오른쪽으로 이동시킬 수 있다.

수화물은 고체 지각의 지열 기울기 라인(104)가 상기 상 라인(102)을 가로지르는 등온선 위에서 안정적이며, 통상적으로 해저 아래 수백미터이다. 이것은 가스수화물 안정 영역(108)의 바닥이다. 가스수화물 안정 영역(108)의 상부 경계는 수열 기울기(106)와 수화물 상 경계(102)의 교차에 의해 보여질 수 있다. 수열(hydrothermal) 및 지열(geothermal) 기울기들은 위치 의존적이고, 지리적 위치 및 지질 구조적 환경에 따라 크게 달라질 수 있다. 천연가스 수화물은 물보다 덜 조밀하기 때문에, 가스수화물 안정 영역의 물 지역에서 발견되지 않는다. 이것은, 물에서 형성되는 어떠한 수화물도 수면으로 부상하여 분해하기 때문이다. 그렇지만, 이들은 심해저 침전에서 효율적으로 포집된다.

수화물은 또한 극 지역, 중첩되는 지역의 지표면 아래의 일정한 깊이 범위에서 안정하고 영구동토 안정 범위 아래에서 안정하다. 도 2는 육상 극지 환경에서 가스수화물 안정 영역(GHSZ)을 정의하는 가스-수화물 상평형도를 예시한다. 가스수화물은 국소 압력에서 온도가 가스수화물 전이온도 미만일 경우에(예를 들어, 가스와 수화물 형태 사이의 상 경계가 교차하는 지점에서의 온도) 존재한다. 가스-수화물 상 경계는 라인(110)으로 예시되며, 점선(112)는 지열 기울기를 예시하며, 라인(114)은 천연수-얼음 상 경계를 예시한다. 수직축에서, 압력은 100bar/km(10MPa/km)의 정규 기공 압력 기울기를 가정하고 지하 깊이로 변환된다. 육상 가스수화물 탐사 프로그램은 시베리아, 캐나다 극지 및 알래스카의 노스슬로프(north slope)와 같은 몇몇 지역에서 성공적이었다.

대륙연변부(continental margin) 및 내해(inland sea)에서의 가스수화물의 존재가 백 건이 넘게 보고되었고, 가스수화물이 심해 해양 환경에 널리 퍼져있다는 것이 제안되었다. 대부분의 경우에, 수화물 광상의 위치와 지역적 범위는 해저 모방 반사면(BSR)으로 불리는 가스수화물 존재의 특이한 탄성파 신호로부터 평가된다. BSR은 많은 탄성파 이미지에서 보여지며, 수백미터 아래에서 해저면에 평행하게 진행하며 가스수화물 안정 영역의 바닥과 근사적으로 일치한다. 세계 여러 부분에서 발견된 해저 모방 반사면의 탐사는 해저 가스수화물에 저장된 유기 탄소의 양이 매우 크다는 것을 시사하였다. 널리 인용된 평가는 가스수화물에는 전연가스, 석탄 및 석유를 포함하는 모든 재생가능 및 재생불가능한 화석 연료원보다 두배나 많은 양의 유기 탄소가 있음을 예측한다. 또한, 해양 가스수화물은 주로 연안 국가의 경제적 배타 수역 내이고 미국, 일본, 인도 및 기타 지역의 수요자들 근처인 대륙 경사면에서 발견되는 것으로 생각된다.

그렇지만, 해양 침전물에 저장된 가스수화물의 실제 양은 매우 불확실하다. 몇몇 주요 시추 작업이 있었으나(예를 들어, 남캘리포니아 및 오레곤 해저 지역에서), 한정된 깊이 범위에서만 몇몇의 상당히 높은 농도가 발견되었고, 가스수화물은 일반적으로 시추된 대부분의 위치에서 가수수화물 안정 영역 전체에 걸쳐 농도가 낮았다.

가스수화물의 탄성파 응답의 다른 특징은 가스수화물 안정 영역 내의 진폭 공백이다. "공백"은 예를 들어 도 3에 보여지는 바와 같이, 탄성파 이미지에서 낮은 진폭 반사를 가지는 깊이 구간을 말한다. 도 3을 참조하면, 낮은 진폭 반사를 가지는 영역(116)이 해저(100)와 해저 모방 반사면(118) 사이에서 보여질 수 있다. 탄성파 이미지에서 영역(116)의 모습은 진폭 공백으로 불린다. 공백을 설명하기 위하여 다양한 설명이 제시되었다. 광범위한 지지를 얻는 하나의 설명은 굳어지지 않은 침전물의 음파 속도를 증가시키는 수화물이 높은 다공성(예를 들어, 낮은 속도) 지층을 형성하기 쉽고 따라서 이웃하는 지층들과의 음파 콘트라스트(acoustic contrast)를 감소시킨다는 것이다. 공백은 또한 수화물 광상을 품고있는 해양 환경에서의 침전 층위(stratigraphy)의 붕괴에 의해 설명된다. 또 다른 설명은 프레 스넬(Fresnel)영역 내에서 수직적으로 이동된 반사면으로부터 파괴적 간섭이 탄성파 반사의 진폭을 감소시킨다는 것을 시사한다. 네 번째 설명은 공백이 더 깊은 단층과 연결될 수 있는 도관(conduit)을 통해 윗방향으로 이동하는 액체 및 가스의 존재에 기인한다는 것이다. 이러한 설명들의 어떠한 것도 타당하지만, 이들 중의 어는 것과 탐사 정책과의 관계를 확립하는 것은 어렵다는 것이 입증되었다.

많은 이론적인 연구가 해저 전자기 탐사의 원칙들을 기술하였다. 그렇지만,대부분의 경우에, 그러한 연구는 단지 깊이에 따라 전도도가 변화하는 일차원 지구 모델에 중점을 두고 있다. 전자기장 연구가 벤쿠버의 연안(offshore) 및 오레곤의 연안에서 실행되었고, 탄성파 및 시추 프로그램이 사전에 가스수화물이 존재함을 지시하였다. 그렇지만, 모든 수화물 탐사를 위한 데이타 처리는 수평적으로 성층된 지각을 가정하며, 여기서 전기 전도도는 각각의 수평층 내에서 등방성이다.

수평적으로, 측면으로 광범위한 축척을 가정하는 통상적인 탄성파 및 전자기적 수화물 탐사 프로그램이 대륙 경사면의 가스수화물의 상당한 축척량을 놓칠 수 있다는 것이 점차 명백해지고 있다. 본 발명의 구현예들에 따르면, 적어도 부분적으로 특정한 수화물 광상 축척 메카니즘을 기반으로 할 수 있는 탐사 체계를 포괄하는 방법과 시스템이 보여진다. 풍부한 수화물의 신뢰할 만한 지표로서 해저 모방 반사면의 실패와 탄성파 진폭 공백이 때때로 가스수화물 안정 영역과 일치하게 관찰된다는 점은 수화물이 수직 또는 부수직(subvertical) 암맥으로 축척되어 있을 수 있다는 모델과 부합한다. 다른 메카니즘들은 이하에서 설명하는 바와 같이 제 한된 인-시츄(in-situ) 유기탄소, 일단 수화물이 형성될 경우의 유리(free) 또는 용해된 기체에 대한 감소된 투과성, 및 다공성 저장 암석으로의 이동에 의한 수화물의 농축 불가능성에 기인하여 풍부한 수화물의 축척물을 생산할 것 같지 않다. 이 탐사 체계의 구현예들은 전통적인 지표들에 대한 한정된 의존을 넘어 탐사 전략을 확장하고 지질적 및 지반역학적(geomechanical) 이유를 포함할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 이하의 인자들이 고려될 수 있고, 결제적으로 상당한 양의 가스수화물을 발견할 확률을 증가시킬 수 있다.

1) 적절한 온도 및 압력 조건. 구체적으로, 상기에 검토한 바와 같이 가스수화물은 단지 가스수화물 안정 영역 내에서만 형성될 수 있다.

2) 풍부한 가스 공급원. 이하에서 검토되는 바와 같이, 유기질의 인-시츄 미생물학적 분해에 의해 유일하게 공급되는 저장층이 풍부한 수화물 광상을 생산하기에 충분한 메탄을 발생시킬 것 같지 않다. 그러므로, 다른 가스 공급원가 존재하는 지역에서 수화물을 찾는 것이 보다 적합할 것이다.

3) 가스수화물 안정 영역을 통과하는 단층(fault) 또는 단열(fracture)로서, 지질구조적 원인 또는 밑에 있는 가스 축척물로부터의 기공 압력에 의해 야기되는 것들이 상당한 수화물 광상과 관련되어 있을 수 있다. 이하에서 검토되는 바와 같이, 연속적인 또는 일시적인 가스 흐름이 일련의 평행 수화물 암맥들을 생성할 수 있다. 이러한 기하학적 배열은 수화물 광상을 탐지 및/또는 특정하는 시스템 또는 방법을 건조할 경우에 고려될 수 있다.

4) 침전물의 타입도 또한 수화물을 발견할 확률에 영향을 끼칠 수 있다. 구 체적으로, 결이 거친(coarse-grained) 다공성 침전물이 통상적인 석유 및 가스 저장층에서와 같이 수화물의 바람직한 저장층이 될 것이다.

본 발명의 구현예들은 이러한 요인들을 고려하고 해저 모방 반사면에 주로 의존하는 전통적인 탐사 프로그램보다 더욱 정확 및/또는 신뢰할 수 있는 수화물 저장층을 찾고 정량화하는 시스템 및 방법을 건조할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 수직 탄성파 탐사(vertical seismic profile)법을 사용하여 어떠한 지역에 때한 탄성파 데이타를 수집하는 단계, 및 상기 탄성파 데이타의 적어도 일부를 근거로 하나 이상의 수화물 암맥 층을 특정하는 단계를 포함하는 가스수화물 탐사 방법이 제공된다. 일 예에서, 하나 이상의 수화물 암맥 층을 특정하는 단계는 하나 이상의 암맥의 경사(dip) 및 주향(strike)을 평가하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 탄성파 데이타를 수집하는 단계는 지역내의 유정(well)에 하나 이상의 탄성파 수신기를 배치하는 단계, 하나 이상의 수화물 암맥 층에 입사하는 파동을 생성하기 위하여 유정으로부터 제 1 거리만큼 떨어진 제 1 위치에서 해저 탄성파 공급원를 활성화시키는 단계, 하나 이상의 수신기로 하나 이상의 수화물 암맥층으로부터 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계, 상기 유정으로부터 제 2 거리만큼 떨어진 제 2 위치로 해저 탄성파 공급원를 이동하는 단계, 및 상기 공급원를 활성화시키고 반사된 파동 에너지를 기록하는 것을 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 탄성파 데이타를 수집하는 단계는 지역내의 유정에 하나 이상의 탄성파 수신기를 배치하는 단계, 하나 이상의 수화물층에 입사하는 파동을 생성하기 위하여 유정으로부터 제 1 거리만큼 떨어진 제 1 위치에서 해 저 탄성파 공급원를 활성화시키는 단계, 하나 이상의 수신기로 하나 이상의 수화물 암맥층으로부터 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계, 소정의 공간적 샘플링 해상도를 얻기에 충분한 양만큼 상기 유정에서 수직적으로 하나 이상의 수신기를 이동하는 단계, 및 상기 공급원를 활성화시키고 반사된 파동 에너지를 기록하는 것을 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 수신기는 공급원를 활성화시키고 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계를 반복하기 전이나 그 후에 이동될 수 있다. 또한, 상기 방법은 그 지역에 대한 지질학적 정보를 수집하는 단계, 및 적어도 부분적으로 지질학적 정보를 바탕으로 그 지역의 상당한 수화물이 존재할 개연성을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 지질학적 정보를 수집하는 단계는 예를 들어, 가스수화물 안정영역의 위치를 확인하는 단계, 상기 가스수화물 안정 영역의 아래에 상당한 양의 가스 공급원의 존재를 결정하는 단계, 및 상기 가스수화물 안정 영역의 아래로부터 상기 가스수화물 안정 영역으로 확장하는 하나 이상의 단층(fault) 또는 단열(tracture)의 존재를 결정하는 단계의 어느 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.

또 다른 구현예에 따르면, 가스수화물의 탐지 방법은 전자기 탐사 기술을 사용하여 한 지역에 대한 데이타를 수집하는 단계, 및 적어도 부분적으로는 상기 데이타를 바탕으로 하나 이상의 수화물 암맥 층을 특정하는 단계를 포함할 수 있다. 일 예에서, 데이타를 수집하는 단계는 거시적인 심해저 전기적 이방성을 탐지하도록 개조된 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 한 지역의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 지점(site)을 포함하는 전자기 탐사를 수행하는 단계는 직교 쌍극자-쌍극자(dipole-dipole) 안테나 어레이를 포함하는 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 상기 지역의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 데이타를 수집하는 단계는 예를 들어, 상기 지역에서 수평 스트레스가 최대인 방향을 추정하는 단계, 제 1 데이타를 수집하기 위해 상기 최대 수평 스트레스 방향에 평행한 제 1 방향으로 상기 탐사 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계; 제 2 데이타를 수집하기 위하여 상기 제 1 방향에 수직하는 제 2 방향으로 상기 탐사 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계, 및 표면하(subsurface)에서 거시적인 전자기적 이방성의 증거를 탐지하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 데이타를 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 지역에 대한 지질학적 정보를 수집하는 단계, 및 적어도 부분적으로 지질학적 정보를 바탕으로 그 지역의 상당한 수화물이 존재할 개연성을 결정하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 지질학적 정보를 수집하는 단계는 예를 들어, 가스수화물 안정영역의 위치를 확인하는 단계, 상기 가스수화물 안정 영역의 아래에 상당한 양의 가스 공급원의 존재를 결정하는 단계, 및 상기 가스수화물 안정 영역의 아래로부터 상기 가스수화물 안정 영역으로 확장하는 하나 이상의 단층(fault) 또는 단열(fracture)의 존재를 결정하는 단계의 어느 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.

해양 가스수화물을 탐지하는 탐사 방법의 일 구현예는 수화물 암맥의 존재 가능성의 지질학적 지표를 바탕으로 탐사 지점을 선택하는 단계, 상기 탐사 지점에 대한 데이타를 수집하기 위해서 탄성파 탐사 기술 및 전자기 탐사 기술 중의 하나 이상을 사용하여 상기 탐사 지점을 탐사하는 단계, 및 수화물 암맥의 존재 가능성을 설명하는 지각 모델을 바탕으로 상기 데이타를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 탐사 지점을 선택하는 단계는 예를 들어, 가스수화물 안정 영역, 상기 가스 안정 영역 밑에 위치하는 가스 공급원, 및 상기 가스수화물 안정 영역으로 높은 가스 흐름(flux)을 전달할 수 있는 하나 이상의 채널의 존재에 대한 지질학적 지표를 바탕으로 탐사 지점을 선정하는 단계를 포함할 수 있다. 일 예에서, 탐사 지점을 탐사하는 단계는 후퇴 수직 탄성파 탐사(walk-away vertical seismic profile) 기술을 사용하여 상기 탐사 지점을 탐사하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 탄사 지점을 탐사하는 단계는 거시적인 해저의 전기적 이방성을 탐지하도록 개조된 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 탐사 지점의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 그러한 발신기 및 수신기는 예를 들어 직교 쌍극자-쌍극자 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 다르게는, 발신기 및 수신기 시스템은 2 이상의 발신기 안테나와 2 이상의 수신기 안테나을 포함하는 수평 전기 쌍극자 안테나 어레이를 포함할 수 있으며, 상기 안테나들은 가로지르는 전기적 쌍 및 가로지른 자기적 쌍을 포함하는 4 이상의 발신기-수신기 쌍을 제공하도록 배열된다. 또 다른 예에서, 상기 탐사지점을 탐사하는 단계는 해저에 근접한 탄성파 공급원를 활성화시키는 단계를 포함하며, 상기 탄성파 공급원은 스톤리(Stonley)파와 전단(shear)파를 발생하도록 개조된 것이며, 상기 데이타 처리 단계는 방위 이방성(azimuthal anisotropy)의 증거를 탐지하기 위하여 해저를 따라 반사된 스톤리(Stonley)파와 전단(shear)파를 분석하는 단계를 포함한다.

또 다른 구현예에 의하면, 해상 가스수화물 광상의 탐지 방법은 해저 모방 탐사면의 존재 이외에 상당한 가스수화물이 존재할 것 같은 지질학적 지표를 바탕으로 탐사될 지점을 선택하는 단계, 및 해저 수평 전도성 이방성의 증거를 얻기위하여 상기 지점의 전자기 탐사 및 탄성파 탐사 중에서 하나 이상을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 한 예에서, 상기 방법은 그 지점의 스트레스 텐서(stress tensor)를 결정하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 스트레스 텐서을 바탕으로 전자기 탐사를 수행하는 단계는 그 지점의 표면하에서 최대 수평 스트레스의 방향을 평가하는 단계, 첫 번째 데이타를 수집하기 위하여 최대 수평 스트레스의 방향에 평행한 첫 번째 방향으로 그 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계, 두 번째 데이타를 수집하기 위하여 첫 번째 방향에 수직인 두 번째 방향으로 그 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계, 및 상기 표면하에서 거시적인 전기적 이방성의 증거를 탐지하기 위하여 첫 번째 및 두 번째 데이타를 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 탄성파 탐사를 수행하는 단계는 후퇴 수직 탄성파 탐사 기술을 사용하여 상기 지점을 탐사하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 지점을 선택하는 단계는 해저 가스수화물 안정 영역의 존재, 및 상기 가스수화물 안정 영역 아래로부터 상기 가스수화물 안정 영역으로 확장하는 하나 이상의 단층 및 단열의 존재를 바탕으로 그 지점을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.

또 다른 구현예는, 해양 환경에서 가스수화물 암맥을 탐지하도록 개조된 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 탐사 지점으로부터 데이타를 수집하도록 구성된 탐사 장치, 및 가스수화물 암맥의 존재를 설명하는 지각 모델과 일치하도록 탐 사 지점으로부터 데이타를 분석하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 일 예에서, 탐사 장치는 예를 들어 발신기 및 수신기 직교-쌍극자(cross-dipole) 안테나 어레이와 같은 해저 수평 전도 이방성의 증거를 탐지하도록 구성된 전자기 탐사 시스템을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 탐사 장치는 해저에 근접하게 위치한 탄성파 공급원 및 하나 이상의 탄성파 수신기를 포함하는 탄성파 탐사 시스템을 포함할 수 있으며, 상기 데이타는 탄성파 반사 데이타이다. 예를 들어, 하나 이상의 수신기가 상기 탐사 지점 내에 배치된 시추공에 위치할 수 있고, 탄성파 탐사 시스템이 후퇴 수직 탄성파 탐사의 탐사를 수행하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 지각 모델이 일련의 평행한 가스수화물 암맥(dike)의 존재를 설명할 수 있으며, 상기 탄성파 탐사 시스템은 일련은 평행한 수화물 암맥들에서 하나 이상의 개별적인 수화물 암맥들의 폭과 일련의 평행한 수화물 암맥들에서 개별적인 암맥들 사이의 간격을 탐지하기에 충분한 해상도를 얻도록 선택된 주파수에서 작동하도록 구성될 수 있다.

해저 주변의 가스수화물에 포집된 탄화수소 가스의 총량이 거대할 수 있다는 것을 연구 결과가 제시한다. 만일 그렇다면, 이것은 화석 연료의 공급과 전지구적 기후 변화와 중요한 관계를 가진다. 또한, 가스수화물은 해저불안정성에 기여하는 하나의 인자로 제시되었으므로, 이들의 위치를 파악하고 정량화하는 것은 중요할 수 있다. 가스수화물은 대륙 경사면의 풍부한 것으로 예상되고, 매우 큰 해저 가스수화물 광상에 대한 광범위한 증거가 있다. 그러므로, 유망한 지역에서의 시추 작업이 가스수화물을 거의 찾지 못하였다는 것은 놀랍다. 현재까지 해양 가스수화물 탐사 프로그램의 실망스런 결과는 대륙 경사면에서의 가스수화물이 기대했던 것보다 훨씬 덜 풍부하거나, 통상적인 탐사 체계가 비효율적이었다는 것을 시사한다.

통상적으로, 해양 가스수화물 탐사의 전망은 탄성파 탐사에 의해 밝혀지며, 이론적으로 가장 신뢰할만한 수화물 존재의 척도는 해저 모방 반사면(BSR)으로 간주되었다. 그렇지만, 실제로, BSR은 자주 수화물 존재의 불충분한 척도인 것으로 여겨진다. 예를 들어, 남캘리포니아 Blake Ridge 연안의 시추 지점에서 강한 BSR에 시추된 유정에서 수화물이 건의 발견되지 않았으나, 이에 반해 BSR이 존재하지 않는 위치에 시추된 유정에서 수화물이 발견되었다. 또한, BSR이 통상적으로 가스수화물 안정 영역의 바닥에서 수화물의 축척에 의해 비교정 통과할 수 없게 된 침전물 아래에 포집된 유리 가스(free gas)의 축척에 의한 것으로 생각되나, 유리 가스는 BSR에서 흔히 적어도 유선 측정 도구에 의해 탐지할 수 있는 양으로는 발견되지 않는다. BSR의 중요성을 해석할 경우에, 두 가지 원칙이 유의되어야 한다. 첫째, 강한 탄성파 반사를 생성하기 위하여 가스는 거의 요구되지 않으며, 둘째 외관상 연속적인 반사면이 연속적인 가스-포화된 매질을 암시하지 않을 수 있다. 고해상도 연산은 전해상되에서 연속적으로 보여지는 강한 BSR이 실질적으로는 작은 불연속적인 광혈(pocket)에 의해 생성될 수 있다는 것을 보여주었다. 이러한 인자들은 가스수화물 존재의 척도로서 BSR의 외관상 부정확성에 기여할 수 있다.

현재 탐사 프로그램은 대륙 경사면에서 상당한 가스수화물의 축척물을 놓칠 수 있다. 본 발명의 태양들 및 구현예들에 따르면, 수화물 광상을 탐지하기 위한 전자기적 및/또는 탄성파 기술을 포함하는 수화물 광상 축척물의 모델을 바탕으로 하는 수화물 탐사 체계가 제공된다. 모델의 일 구현예에 따르면, 적어도 일부위 저장층에서, 가수수화물은 수직 또는 부수직(subvertical) 암맥의 배열에 축척될 수 있다. 여기에서 사용되는 "암맥(dike)"이라는 용어는 통상적으로 기존의 층들을 가로질러 수직적 또는 부수직적으로 다듬어진 평평한 형태인, 기존 암석들에 침투하는, 관입(intrusion)으로 정의되는 것으로 이해될 것이다. 상기 모델은 해저 모방 반사면이 풍부한 수화물의 허위 양성 지표가 될 수 있고, 그것의 부재가 잘못된 부정적인 지표가 될 수 있다는 것을 시사한다. 또한, 사기 모델은 이하에서 설명되는 바와 같이 가스수화물 안정 영역에서 관찰되는 진폭 공백과 일치한다. 그러한 수직 또는 부수직 수화물 암맥들은 통상적인 탄성파 수집 및 일반적으로 사용되는 처리 방법에 의해 높은 신뢰도로 탐지되지 않을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 태양들 및 구현예들은 수화물 형성의 이러한 모델을 고려할 수 있고, 현재 적용되는 것과 같은 탐사 지구물리학의 통상적인 기술들을 사용하여 위치를 파악하는 것이 어렵거나 불가능한 가스수화물 암맥들을 탐지할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 평행 수화물 암맥들의 배열을 발견하도록 개조된 많은 탄성파 기술들이 보여질 것이다. 다른 구현예에 따르면, 전자기(EM) 기술이 가스수화물 광상을 찾고 특정하기 위해 또한 사용될 수 있다. 가스수화물은 얼음과 유사하고, 따라서 절연체이다. 이것은 보통 소금물로 포화되고 전형적으로 1S/m 근방의 전도도를 가지는 해상 침전물들과 대조되는 군을 나타낸다. 이들의 강한 전도도 대비 및 해저 근처의 발생은 가스수화물을 해양 EM 탐사에 대한 거의 이상적 인 대상으로 만들 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일부 구현예들은 이하에서 설명되는 바와 같이 EM 탐사 방법 및 가스수화물 암맥들을 탐지하기 위해 개조된 시스템에 관한 것이다. 특히, 그러한 EM 방법은 아래에서 또한 설명되는 바와 같이 수화물 암맥의 존재 가능성을 설명하고 수평적으로 등방성인 지각을 가정하지 않는 지각 모델을 바탕으로 할 수 있는 데이타 처리를 포함할 수 있다.

본 발명이 그 적용을 이하의 기재에서 설명되거나 도면에서 예시되는 구성 요소들의 세부적인 건설 또는 배열에 한정되는 것은 아니다. 본발명은 다른 구현예들을 가능하게 하고, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있으며, 본 발명은 청구범위에서 구체적으로 인용하지 않으면 제시된 실시예들에 한정되지 않는다. 또한, 여기에 사용되는 술어 또는 용어는 기재를 위한 것으로서 한정으로 간주되어서는 안된다는 것이 이해되어야 한다. 여기에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "가지는(having)", "함유하는(containing)", 또는 "관련된(involving)" 및 이들의 변화된 형태는 그 후에 기재된 항목들을 포함하고 추가적인 항목 뿐만 아니라 이들의 등가물도 포함하는 것을 의미한다.

경제적인 관점에서, 이익을 낼 수 있는 잠재성을 가지는 가스수화물 광상을 그렇지 않은 것들로부터 구분하는 것이 가장 중요하다. 수화물로부터 가스를 유리시키는 것은 온도 증가, 압력 감소 또는 차단제 사용을 요구하나, 전체적인 자원이 아무리 많더라도 수화물의 농도가 낮으면 이들 중 아무것도 실질적일 수 없다. 덜 모호한 탐사 방법을 개발하기 위하여, 가스수화물이 형성되는 메카니즘을 이해하는 것이 중요할 것이다. 적절한 온도 및 압력 조건 하에서, 가스를 이용할 수 있는 가능성이 수화물 광상의 양과 분포를 조절하는 주요 인자가 될 것이며, 광상의 성질도 가스가 수화물 생산 지점에 어떻게 전달되는가에 달려있을 것이다. 가스는 세가지 중의 한 방법으로 가스수화물 안정영역에 제공될 수 있는데, 즉 가스수화물 안정 영역에서 가스의 국지적인 생성, 침전물에서 가스수화물 안정 영역으로의 기공 공간을 통한 가스의 이동, 및 단층 또는 단열를 통한 가스수화물 안정 영역으로의 가스의 이동에 의해서이다.

메탄의 국지적인 생성은 유기질의 미생물적인 분해에 의해서이다. 가스수화물 안정 영역에서 생물유래의 가스는 생성 즉시 수화물을 형성할 것이다. 석유는 가스와 달리, 가스수화물은 그 안정 영역 내에서 일단 형성되면, 상당한 농도를 얻을 수 있는 저장층으로 이동하지 않을 것이다. 그러므로, 외부적인 가스 공급원이 부재할 경우에, 가스수화물 농도는 그 자리에 유기 공급원 재료가 원래 존재하는지에 상관될 것이며, 그러한 광상에서 수화물의 최종 농도는 총 유기 탄소의 농도에의해 한정될 것이다. 수심 3000m 이하에서 해양 침전물의 몇몇 탐사는 최대 총 유기 탄소 농도가, 통상적으로 총 침전물의 중량 %로 표현되는데, 약 2%가 될 수 있으며, 평균 총 유기 탄소 농도는 약 0.55%가 될 수 있다는 것을 보여주었다. 이러한 총 유기 탄소의 단지 일부만이 메탄으로 전환되고, 따라서, 인시츄(in situ) 생물 유래의 메탄의 생성이 유일한 가스 공급원인 광상에서, 수화물 농도는 매우 낮을 것으로 예상되며, 예를 들어 총 침전물 부피의 기껏해야 몇 퍼센트이다. 그러한 생물 유래 광상이 공간적으로 광범위할지라도, 수화물의 낮은 농도 때문에 경제적으로 관심있을 것 같지 않다.

몇몇 곳에서, 가스 공급원이 가스수화물 안정 영역의 바닥 밑에 놓여질 수 있다. 상기 가스는 기공수(pore water)에 녹아있거나 기포에 유리될 수 있으며, 하나 이상의 공급원으로부터 유래될 수 있다. 예를 들어, 가스는 미생물의 활동(생물유래) 또는 심해 석유의 고온 열분해(cracking)(열유래)로부터 유래될 수 잇다. 가스는 또한 그 바닥을 통해 가스수화물 안정 영역을 빠져나가면서 이전에 존재하던 가스 수화물을 분해시키는 침전의 결과일 수 있다. 그러한, 가스는 침전 공극을 통해 위쪽으로 이동하여 가스수화물 안정 영역 안으로 이동할 수 있으며, 여기서 수화물을 형성한다. 그렇지만, 저장층을 통해 이동하면서 유동성이 유지되는 석유 또는 가스와 달리 가스수화물은 유동성이 없고 일단 형성되면 자유롭게 이동하지 않을 것이다. 또한, 아래로부터 위로 이동하는 용해된 가스로부터의 수화물의 축척은 기공 막힘 및 결과적으로 수력학적 투과성의 감소로 인하여 자기 제한적이 될 수 있다. 또한, 침전이 반드시 물의 흐름을 방해하는 것은 아니고 그럼에도 불구하고 모세관 효과에 의해 유리 가스가 위쪽으로 이동할 수 있다. 따라서, 만일 기공 공간을 통한 유리 가스의 전달이 가스가 가스수화물 안정 영역을 통해 이동할 수 있는 유일한 수단이라면, 개발할만한(예를 들어, 크고, 고농도의) 가스 수화물 광상은 만들어지지 않을 것이다.

상기에 설명한 바와 같이, 본 발명의 몇몇 구현 예에 따르면, 적어도 일부의 저장층에서 가스 수화물이 수직 또는 부수직(subvertical) 암맥으로서 형성되고, 암맥들은 최대 수평 스트레스의 방향과 평행할 수 있다는 것이 제안되었다. 복수의 암맥들이 평행하거나, 쉐브론(chevron) 구조에서 발달할 수 있으나, 예를 들어, 수화물 광상이 형성되는 침전의 성질에 따라 반드시 균일하게 이격되는 것은 아니다. 일 구현예에 따르면, 가스수화물 광상은 그 바닥 아래 영역으로부터 가스수화물 안정 영역으로 확장하는 단층 또는 단열와 관련될 수 있으며, 그 바닥에는 상당한 양의 유리 가스가 축척될 수 있다. 가스수화물 안정 영역 내의 그러한 단층 또는 단열의 내부에서 가스가 수화물로 변형되기 때문에, 채널을 천천히 채우고, 아래에 설명하는 바와 같이 수화물 암맥을 형성한다.

지각에서 단층은 어긋난(slippage) 영역 또는 평면이다. 단층은 탄성파 기록에서 라인들로 쉽게 알 수 있는데 이들을 가로질러 지층들이 불연속적이다. 가스수화물 영역 안으로 또는 영역을 통해 확장하는 연속적인 단층들은 가스수화물 안정 영역 전체에 가스를 분배하는 효율적인 경로일 수 있다. 그렇지만, 이러한 개념의 수용은 가스 상태의 메탄이 가스수화물 안정 영역 내에서 과량의 물과 열역학적 평형 상태로 존재할 수 없다는 정보에 의해 연기되었다. 그럼에도 불구하고, 해양 수화물의 축적물의 다수는 단층 시스템과 관련된 것으로 보이며, 상기 단층 시스템을 통해 용해되거나 가스 상태의 메탄이 위쪽으로 급속히 이동할 수 있다. 예를 들어, 수화물은 흑해(Black Sea), 북미 태평양 연안(Pacific coast of North America), 멕시코만(Gulf of Mexico) 및 기타 지역의 분출구(vent) 및 용출구(seep)과 관련된다. 심지어 비활동적 주변부에 위치한 블레이크 릿지(Blake Ridge) 광상의 경우에도, 해저 모방 반사면 아래로부터 해저까지 확장하는 단층과 관련된다. 이러한 단층은 가스 상태이고 따라서 주변 침전물과 열역학적 평형 상태에 있지 않은 메탄의 전달을 위한 효과적인 도관(conduit)를 형성할 수 있다.

인장 단열(tensile fracture)는 지각에서 유체 경로의 입구로서, (단층의 경우에서와 같이) 상당한 어긋남과 반드시 관련될 필요는 없다. 단열는 침전물에서 기공 압력이 최소 형성 스트레스를 초과할 때 발생할 수 있다. 단열면은 이란적으로 최소 스트레스 방향에 수직이다. 강화되지 않은 침전물의 유리 가스 흐름이 너무 높지 않은 경우에, 인장 단열는 일시적이고 공간적으로 조밀할 수 있다. 가스가 직경이 그 두께보다 훨씬 큰 고립된 디스크(disk)로서 강화되지 않은 질퍽한 침전물을 통해 위쪽으로 이동하는 것이 제안되었다. 상기 디스크의 평면은 구조적인 스트레스가 없을 경우 수직 또는 부수직일 수 있다. 포집된 가스의 광혈에 도착하자마자, 이러한 디스크들은 그 가스를 광혈에 잃고 사라질 수 있다. 가스가 통상적인 탄화수소 저장층까지 위쪽으로 수 킬로미터를 이동하는 것으로 알려진 반면에, 가스의 그러한 얇은 이동하는 디스크는 가스수화물 안정 영역으로 들어간 직후에 고체 수화물을 형성할 수 있을 것으로 예상된다. 실제로, 메탄, 해수 및 침전물이 격렬하게 혼합된 해저 실험에서, 수화물이 수분 내에 형성되었다. 그러므로, 가스의 고립된 이동 디스크로부터 형성된 수화물 광상은 가스수화물 안정 영역의 바닥 근처에 집중될 것이다.

이와 반대로, 유리 가스의 흐름이 상당할 경우, 가스 도관(예를 들어, 단열)이 열린 채로 유지되고, 가스가 상기 가스수화물 안정 영역을 통해 상당한 거리까지 흐르는 것을 허용할 수 있다. 수화물은 표면의 단열 또는 단층에서 금속히 형성될 수 있고, 채널을 단단하게 만들고, 액체 상태의 물과 접촉하지 않고 채널을 통해 흐르는 것을 허용할 수 있다. 이러한 거동은 메탄이 충적된 진흙 실린더의 바닥에 주입되는 실험에서 관찰되며, Brewel 등에 의한 문헌("Deep ocean 랴디test of methane hydrate formation from a remotely poerated vehicle," Geology 25, 407-410 (1997))에 기재되었다. 이러한 실험에서, 상기 채널이 점차 고체 수화물로 채워지며, 상기 채널로부터 침전물이 가스 흐름에 의하여 완전히 치환되었다. 또한, 블랙 릿지에서 가스수화물 안정 영역에서 가스 이동 굴뚝(chimney)이 관찰되었다. 유리 기체가 이러한 수화물-경화 채널에 의해 액체 상태의 물로부터 분리될 수 있으며, 상기 채널(예를 들어, 단층 또는 단열)이 연속적이면, 가스수화물 안정 영역을 통해 상당한 거리를 이동할 수 있다.

지각에서, 단층은 최대 수평 스트레스 방향에 평행한 주향을 가지며, 평면일 것 같다. 쿨롱 이론에 따르면, 단층 또는 단열의 경사(dip)는 45도 +

/2, 여기서

는 수화물이 없는 해양 침전물의 마찰각이고 통상적으로 약 20도에 해당할 수 있다. 약 50 - 60 도의 경사각을 가지는 불연속성은 천뢰(shallow) 해양 침전물에서 통상적으로 관찰되며, 상기 형성 이론과 일치한다. 유리 가스 축척은 유리 가스 압력이 그 위에 놓여진 침전물의 세기를 초과할 경우 침전물에서 그 위에 단층을 유도할 수 있다. 수화물로 채워진 단층의 주향 및 경사는 마찰 각도 및 침전체(sediment body)에서 최대 수평 스트레스의 방향에 의해 각각 조절될 수 있다. 대칭에 의해, 이러한 수화물 암맥은 쉐브론(V-형태 구조)에 존재할 수 있다. 이와 반대로, 수화물이 채워진 인장 단열는 최소 스트레스 및 최대 수평 스트레스 방향에 의해 조절되는 독특한 경사 및 주향을 가질 수 있다. 그러한 단열는 쉐브론을 형성하지 않을 수 있다. 일단 도관이 수화물로 채워지면, 침전물의 가장 강한 지형(feature)이 될 수 있고, 다시 단열 또는 단층이 될 것 같지 않다. 대신에 유리 가스는, 이전에 자체-유도된 단열 또는 단층과 같이, 동일한(또는 거의 동일한) 경사 및 주향을 가지는 또 다른 경로를 찾을 것이다. 따라서, 일련의 평행인 수화물로 채워진 암맥들이 해양 환경에서 풍부한 가스 공급원 위의 가스 수화물 안정 영역에서 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 해수면(126) 아래의 가스수화물 안정 영역(108)에서 형성되는 일련의 평행 수화물 암맥들(120)의 일 예의 예시도가 보여진다. 상기에 설명한 바와 같이, 유리 가스 공급원은 가스수화물 안정 영역(108)의 바닥(124) 아래 지역(122)에 존재할 수 있다. 수화물 암맥 시스템은 일반적으로 지층상의 경계를 가로지를 수 있다. 그렇지만, 단층 또는 단열가 투과성 장벽 아래의 거친 모래층을 가로지는 경우에는 예외가 존재할 수 있다. 이러한 상황에서, 가스는 수평적으로 확산하여 국지적인 층위(stratigraphy)와 일치하는 수화물 지평층(horizon)을 생성할 수 있다. 또한, 수화물의 쉐브론은 단열 경사가 최대 수평 스트레스의 축에 대해 대칭일 경우에 위로 열려있을 수 있다. 물질과 에너지의 매우 높은 흐름은 평행 수화물 암맥 시스템의 형성을 방해할 수 있다는 것이 유의되어야 한다. 오히려, 해저를 뚫고 지나가 바다로 배출되는 것을 허용하도록, 가스 경로가 가스수화물 안정 영역을 통해 열린 상태로 남아있을 수 있다. 따라서, 가장 풍부하고 유용한 가스수화물 광상은 가스 흐름이 너무 높지도 낮지도 않으나, 상기에 설명한 바와 같이 암맥을 형성하는 가스수화물 안정 영역 안으로 가스를 잘 전달하기에 충 분히 높은 지역에서 발생할 수 있다.

통상적인 해양 탄성파 탐사는 수면 근처에서 예인된 수중 청음기의 발생원과 스트리머(streamer)를 사용한다. 이러한 조합은 수평 또는 준(near)-수평 음파의 이상(anomaly)을 탐지하는데 적합할 수 있고, 많은 수화물-축척 모델이 일차원적(예를 들어, 수화물 포화와 같은 저장층 특성들이 횡축에서의 변화가 없는 깊이의 함수이다)이기 때문에 수화물을 찾는데 적합한 것으로 일반적으로 간주되었다. 그렇지만, 종래의 해양 탄성파 탐사는 가파른 방향의 수화물 암맥의 존재하에서 사용될 경우에 중요한 한계를 가진다. 첫 번째로, 이하에서 또한 설명되는 바와 같이, 암맥들로부터 통상적인 수신기로 반사되어 되돌아오는 에너지가 작거나 없을 수 있다. 두 번째로, 속도에 있어서 커다란 측방향 변화가 종래의 탄성파 처리 알고리즘에 의해 인지되지 않는다. 세 번째로, 탄성파 파두에 대한 암맥의 측방향 범위에 따라, 그리고 이들이 쉐브론을 형성하는지에 따라, 수평 반사면이 왜곡되고 탄성파 탐사에서 쉽게 해석되지 않을 수 있다.

벌크 가스 수화물은 약 3800m/s의 압축성 음속, 약 1950m/s의 전단 음속, 및 약 920kg/㎥의 밀도를 가진다. 이에 반해, 강화되지 않거나 가볍게 강화된 고다공성 해양 침전물은 약2000m/s의 압축 속도, 약2000kg/㎥의 수포화(water-saturated) 밀도를 가진다. 만일 암맥들이 수화물에 의해 경화된 침전물로 이루어져 있다면, 압축 및 전단 속도에서 두 배나 되는 증가가 있으며, 이에 반해 밀도는 주변의 수포화된 침전물과 거의 동일하게 유지됨을 알 수 있다. 따라서, 그러한 암맥이 수포화 침전물에 대해 커다란 음파 임피던스 대조(acoustic impedance contrast)를 나타낼 수 있으며, 우수한 탐지성을 암시하는 적절한 방사선 경로 조합(이하에서 또한 설명되는 바와 같이)에 대해 강한 탄성파 반사를 생성할 수 있다. 이에 반해, 침전물이 배제된 순수(또는 거의 순수)한 수화물로 이루어진 암맥은 주변의 수포화 침전물에 대해 강한 속도 대조(예를 들어, 약3800m/s 대 2000m/s)를 나타낼 수 있으나, 커다란 음파 임피던스 대조를 나타낼 수는 없다. 이것은 순수한 수화물의 밀도가 수포화 침전물 밀도의 약 절반이기 때문이며, 따라서 주변의 수포화 침전물에 비해 수화물에서 음파 속도가 거의 두배로 증가하는 것을 보상한다. 결과적으로, 수직 입사에서 탄성파는 강하게 반사되지 않을 수 있으마, 더 큰 각도에서 입사하는 탄성파는 강하게 반사될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 탄성파 기술은 하나 이상의 가스수화물 암맥을 탐지하는데 사용될 수 있다. 수화물 암맥의 앞과 뒤로부터의 반사를 분해할 수 있기 위하여, 공급원의 파장(λ)은 암맥 두께의 4배 이상이 되어서는 안된다. 또는 달리 말해, 암맥의 두께는 근사적으로 탄성파 공급원의 작동 파장에서 1/4 파장과 같거나 더 커야할 것이다. 단순성을 위해, 이하의 설명은 암맥의 두께를 1m로 가정할 것이다. 그렇지만, 이 예는 단지 설명을 위한 것으로서 한정하려는 의도가 아님을 숙지하여야 한다. 암맥들은 다양한 두께를 가질 수 있으며 지름이 1m에 근접하거나 그렇지 않을 수 있다. 암맥 내에서 속도가 약 4000m/s인 경우에, 약 1kHz의 공급원 주파수는 상기 암맥이 약 1/4 파장의 두께를 가질 것을 의미한다. 심해저 침전물에서, 압축성 파동의 감쇠는 미터당, 킬로헤르츠당 약 0.01dB 과 0.2dB (dB/m/kHz) 사이에서 변화하고, 전단 파동의 감쇠는 약 1 과 100dB/m/kHz 사 이에서 변화한다. 따라서, 200m 전달된 1kHz 압축성 파동의 진폭은 근사적으로 2dB 내지 40dB 감소할 것이다. 그러한 진폭 반사는 이용 가능한 이용가능한 장치의 탐지 범위 내이고, 이러한 크기의 암맥의 탐지가 가능하다는 것을 나타낸다. 그렇지만, 탐지를 확인하기 위하여, 침전물 내에서 전달 거리를 최소로 유지하는 것이 중요할 것이다.

해양 탄성파 공급원은 통상적으로 물속에서 촉발되고 방출된 에너지는 해저면에서 압축성 파동 및 전단 파동으로 전환된다. 전송된 압축성 에너지는 해저 침전물에서 약1500m/s 로부터 약 2000m/s까지 전달 속도가 증가함으로써 촛점이 흐려지게 된다. 스넬의 법칙(Snell's law)은 오직 꼭대기의 각도가 90도인 원뿔 내에서 방사된 에너지만이 압축성 에너지로서 해저를 통과할 수 있음을 보여준다. 스넬의 법칙은 또한 수직에서 0 내지 30도 사이의 각도에서 공급원으로부터 전송된 에너지가 수직에서 0 내지 45도 사이의 각도에서 해저를 통해 전송될 것이며, 이에 반해 수직에서 30 내지 45도 사이의 각도에서 공급원으로부터 방사된 에너지는 나머지 입체각, 45로부터 90까지의 각도,에 걸쳐 심해저를 통해 확산될 것임을 암시한다. 45도를 초과하는 전달 각도의 경우에, 심해저에서 파동 에너지의 강한 감소가 있다. 그러므로, 해양 공급원은 보통 전방향성(omni-directional)이 아니라, 대신에 그들 에너지의 대부분을 "투과 원뿔"내에서 전송하도록 설계될 수 있다. 이 원뿔의 외부로 전송된 에너지는 물기둥 내에서 포집되고 신호 대역에서 노이즈의 원인이 될 수 있기 때문에 바람직하지 않을 것이다. 결과적으로, 해양 공급원으로부터 전송된 유용한 에너지는 통상적으로 입사각으로부터 45도 보다 상당히 작 은 각도에 집중될 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 음파로 수화물 암맥을 참지하기 위한 반사 구조의 일예의 예시도를 보여준다. 도 5에 보여지는 바와 같이, 수직으로부터 각도(α)로 전달되는 (공급원으로부터의) 방사선(13))이 수직으로부터 각도(β)로 잠겨있는 평면(130)에 도달할 경우에, 반사된 방사선(132)이 수직에 각도(γ=180°-(α+2β))로 되돌아올 것이다. 90°미만이라는 γ값은 방사선(132)이 해저에 반사되어 되돌아온다는 것을 의미한다. 그러므로, 탐지는 α>90°-2β를 요구한다. 상기에 설명한 바와 같이, 가스를 가스수화물 안정 영역으로 운반할 수 있는 단층 또는 단열의 경사는 통상적으로 45°+

/2이고, 여기서

는 수화물 부재시의 해양 침전물의 마찰각이고 통상적으로 약 20°일 것이다. 따라서, 가스수화물 암맥은 근사적으로 (수평으로부터의 각도가) 55°인 경사로 형성될 수 있으며, 여기서 β=35°이다. β=35°에서, γ+α=110°이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 암맥 평면에 상당한 에너지의 영향을 가하기 위해서는 입사각은 α<45°이어야 하며, 이것은 γ>65°를 암시한다. 그렇지만, γ 값이 더 커질수록, 반사 지점으로부터 더 멀리서 방사선(132)이 해저에서 나타날 것이다. 침전물을 통한 전달 거리가 더 길어진다는 것은 흡수 및 파동 필드(field)의 확산 모두에 기인하여 수신기에 도달하는 에너지가 더 작다는 것을 의미한다. 상기에 주목한 바와 같이, 신뢰할만한 탐지를 위해, 이상적으로는 침전물을 통한 전달 거리가 최소화되어야 한다. 쉽게 탐지할 수 있는 반사 파동은 γ<45°방향에서 전달될 수 있다. 따 라서, 통상적인 해양 또는 해저 탄성파 공급원 및 수신기의 경우에, 바람직한 입사각 및 반사각은 서로 배타적이어서, 수화물 암맥의 탐지를 어렵거나 불가능하게 만든다.

예를 들어, 수화물 탐사 작업에 사용된 해연 예인 음향/지구물리 시스템(Deep Towed Acoustic/Geophysics System, DTAGS)은, 비록 상기 구조가 더 넓은 각도의 수집 개구(aperture)를 허용하지만, 일반적으로 수직으로부터 약 30°미만의 각도로 해저에 입사하는 음파를 탐지하도록 개조되어 있다. DTAGS는 심해저 목표에 대해 15Hz 와 650Hz 사이의 주파수에서 탄성파 측정을 하도록 설계되어 있다. 그렇지만, 수화물 암맥의 경사는 약 50°로부터 약 90°까지의 범위로 예상되고, 예인된 수신기에 기록되기에는 암맥으로부터 표면까지 반사되어 되돌아오는 에너지가 매우 작을 수 있어, 탐지를 할 수 있을 것 같지 않다

통상적인 대양 바닥 탄성파 탐사는 해수면 및 그 근처에서 예인되는 공급원과 해저 위에 또는 그 안에 위치하는 다성분(multi-component) 수신기를 사용한다. 대양 바닥 시스템이 해저 침전물의 더 많은 음향-탄성 특징들의 평가를 허용하지만, 상기 시스템의 수집 개구(acquisition aperture)는 해저근접(deep-towed) 시스템에 대해 상당히 증가하지 않는다. 이것은 대양 바닥 탐사 시스템에 적용하는 가파른 반사면으로부터의 반사를 기록하는데 동일한 한계를 의미한다.

상기에 설명한 개개의 수화물 암맥 탐지와 관련된 문제에 더하여, 복수개의 암맥들이 존재할 경우에 추가적인 문제가 일어날 수 있다. 예를 들어, 평면 수화물 반사면의 각도 분포가 무작위라면, 하향하는(down-going) 파두 코히런 스(coherence)를 파괴할 것이고, 따라서, 가스수화물 안정 영역 내부 및 이하 모두의 지층 경계로부터 반사의 간섭성를 파괴할 것이다. 이것은 저장층에 가파른 경사의 암맥과 수평 수화물-포화된 모래가 모두 존재할 경우에 발생할 수 있다.

침전물과 수화물 암맥들 사이의 가파르기(stiffness) 및 밀도의 차이에 의해, 일련의 평행 암맥이 스톤리(Stoneley)파 및 해저를 따라 반사되는 전단 파동을 분석하여 탐지될 수 있는 방위 이방성(azinuthal anisotropy)을 만들수 있다. 상기 암맥에 수직하게 전달되는 경우에 이러한 파동들이 더 작을 유효 파동을 가질 수 있음을 예상하여야 한다. 전단 및 스톤리 방위 이방성의 부재가 수화물 암맥의 존재에 대한 강한 부정적 지표일 수 있지만, 그러한 이방성은 다른 원인에 기인한 것일 수 있다. 또한, 스톤리와 반사된 전단 파동과 같은 표면파의 저주파수 특성, 따라서, 저해상도 특성 때문에, 개별적인 암맥들의 효과가 아니고 집합적인 효과만을 볼 수 있음이 이해되어야 한다.

또 다른 예에서, 일련의 평행 암맥들이 도파관(waveguide)으로 작용할 수 있다. 도 6을 참조하면, 평행 수화물 암맥들(120) 사이로 전달되는 유도된 방사선(134)의 구조의 예시도가 예시된다. 가스수화물 안정 영역을 통과하는 유도된 방사선(134)과 같은 파두(wavefront)는 이웃하는 암맥들(120)의 표면 사이에서 여러번 반사될 것이다. 상기 반사들에 의해, 하향하는 파두는 동일한 입사각을 가지는 유도되지 않은 파동들이 이동하는 것보다 더 많은 거리를 이동한 다음에 가스수화물 안정 영역 아래에서 나타날 수 있다.

유도된 파동에 대한 이동 거리의 증가를 평가하기 위하여, 도 6에 보여지는 바와 같은, 수직으로부터 각도(β) 만큼 기울어진 두개의 평형 암맥(120)과 각도(α)로 침전물에 입사하는 탄성파 파두를 고려한다. 유도된 방사선(134)이 상단 암맥의 하단면(136의 끝)으로부터 이동할 경우에, 도 6에 보여지는 바와 같이, 하단 암맥의 상단면으로부터 반사하고, 상단 암맥의 하단면으로 되돌아가서, 수직 거리 z를 진행하는 동안 거리 2s를 이동한다. 상기 거리 s는 이하의 식 1로부터 계산될 수 있고, 거리 z는 이하의 식 2로부터 계산될 수 있다:

(1)

(2)

유도된 복사선(134)이 수직 거리 D에 걸쳐 이동한 거리는, 동일한 수직 거리에 걸쳐 입사각이 동일한 유도되지 않은 복사선이 이동한 거리에 대해 다음과 같이 주어진다:

(3)

여기서, N은 유도된 복사선이 도파로의 상단면 경계로부터 반사된 횟수이다. N은 다음과 같이 주어진다:

(4)

그리고 나서, N을 식 (3)에 삽입하면, 유도된 복사선에 대한 이동 거리의 차이는 다음과 같이 주어진다:

(5)

수직 입사각(α=0)에서의 파동과 55°경사의 암맥(β=35°)의 경우에, Δ/D는 약 0.49이다. 따라서, 유도된 복사선은 유도되지 않은 복사선이 이동하는 거리만큼보다 약 1.5배 이동할 것이며, 부분적으로는 유도된 복사선이 암맥(120)에 의해 수평적으로 상쇄되기 때문일 것이다.

이동 거리 증가에 더하여, 도파로로서 작용하는 암맥은 또한 그들을 통해 전달되는 음파의 수직 속도도 감소시킬 것이다. 수직 거리(D)를 가로지르는 동안, 유도된 복사선(134)은 거리 2s(D/z)를 이동한다. 그러므로, 만일 침전물에서 유도되지 않은 파동 속도가 V_u로 주어진다면, 상기 유도된 파동 속도는 수직 성분은 다음과 같이 주어질 것이다:

(6)

수직 입사(α=0) 파동 및 55°경사(β=35°)암맥의 경우에, 유도된 파동 속도의 수직 성분은 근사적으로 유도되지 않은 파동 속도의 67%일 것이다. 이러한 결과(거리 및 속도 모두의 차이)는, 탄성파 파두의 측면 폭이 암맥사이의 거리보다 훨씬 크다면, 평행 수화물 암맥(120) 사이의 거리에 독립적이라는 것이 유의되어야 한다.

또한, 만일 탄성파 파두의 측면 폭이 암맥 배열의 측면 폭보다 더 작다면, 상기 파두는 암맥 내부 및 아래에서 코히런스를 유지할 것이고 층위 경계로부터 코히런스 반사를 제공할 것이다. 그렇지만, 파두가 암맥의 존재에 의해 변경되는 그 전달 시간과 곡률을 가질 수 있기 때문에, 더 깊은 반사와 관련된 2원 주행 시간(two-way transit time)이 증가할 수 있고, 반사는 그들의 실제 위치로부터 수평적으로 상쇄될 것이다. 좁은 범위의 전달 각도에 대해, 수화물 영역의 효과는 실질적으로 시간 지연이 될 것이며, 더 깊은 반사면의 이미지를 밀어내릴 것이다. 만일 암맥 배열이 탄성파 파두의 측면 폭보다 더 작다면, 유도된 파동 반사는 유도되지 않은 파동 반사에 의해 간섭받아, 깨어지거나 왜곡된 탄성파 영역을 야기할 것이다.

상기에 설명한 바와 같이, 수화물로 채워진 단구의 경사 및 주향이 침전체에서의 마찰각과 최대 수평 스트레스 방향에 의해 각각 조절될 수 있다. 대칭에 의해, 그러한 수화물로 채워진 단층은 도 7에 보여지는 바와 같은 암맥의 쉐브론을 형성할 수 있다. 평행 암맥의 각각의 그룹은 상기에 설명한 바와 같이 가스수화물 안정 영역의 내부 및 아래의 반사면으로 또는 반사면으로부터 에너지를 전달하는 도파관을 형성할 수 있다. 침전체는 가변적으로 조사되어, 수평적인 상쇄와 개별적인 반사면을 가로지르는 진폭 및 이동 시간의 변화를 야기할 수 있다. 이러한 효과들이 가끔씩 가스수화물 안정 영역과 일치하게 관찰되는 진폭 공백에 기여하는 것이 가능하다. 도한, 가스가 상기 암맥들의 루트(root)에 축척되더라도, 이러한 가스 주머니(pocket)가 탄성파 기록에서 반드시 해저 모방 반사면을 생성하지 않을 수 있다. 이에 반해, 광범위하게 퍼져있으나 농도가 묽은 수화물 광상, 인-시츄 생물 유래 활동에 의해 생산된 것과 같은 광상의 아래에서 포집된 작은 양의 가스는 강한 해저 모방 반사면을 잘 일으킬 수 있을 것이다. 해저 모방 반사면의 존재는 그러므로 상당한 수화물 축척에 대한 허위 양성, 및 허위 음성의 부재,가 될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 부드러운 해양 침전물에서 높은 대조, 수화물 암맥의 가파른 경사은 예를 들어, 수직 유정에서 수집되는 음향 반사 데이타를 사용하여 그들을 "옆(sideways)"에서 바라봄으로써 탐지될 수 있다. 그러한 데이타는 예를 들어 하나 이상의 해저 공급원을 가지는 후퇴 수직 탄성파 탐사(VSP) 기술을 사용하여 수집될 수 있다. 도 8을 참조하면, 수신기(138)들이 수직 유정(140)에 배치된 일 구현예의 일 예의 예시도가 예시된다. 해저(100)에 위치되어 있을 수 있는 하나 이상의 탄성파 공급원(142)이 탄성파를 생성할 수 있다. 일 예에서, 공급원(142)은 도 8에 보여지는 바와 같이, 암맥(120)으로부터 반사된 파동 에너지(예를 들어, 방사선(144))이 수신기(138)에 충돌할 수 있도록 위치되고 구성되어야 한다. 하나 이상의 발신기(도시되지 않음) 및 선택적으로 하나의 표시장치(도시되지 않음)가 수신기에 연결되어 수신된 신호를 처리하여 탄성파 이미지를 생성(그리고 선택적으로 표시)할 수 있다. 공급원이 시추공(140)으로부터 멀리 이동함에 따라, 암맥(120) 상에 조사된 지점이 암맥의 경사 아래로 이동할 수 있다. 그러므로, 수화물 암맥(120)의 경사 및 주향을 정의하기 위하여, 유정 지붕으로부터 서로 다른 지거(offset)에서 여러번의 발사를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 하나 이상의 구현예에서, 해저 공급원이 바람직한데 이는 방사선 경로가 표면 공급원으로부터 보다 더욱 제한될 수 있고, 따라서 다중경로로부터 더 적은 효과를 가질 수 있다는 점이 유의되어야 한다. 또한, 해저 공급원은 공급원에서 직접 전단 파동을 생성할 것이다. 그렇지만, 본 발명은 해저 공급원의 사용을 요구하지 않으며 많은 공급원 옵션이 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.

본 발명의 일 구현예는 고해상도 이미지화 능력을 포함할 수 있다. 일 예에서, 본 발명의 일 구현예에 따른 장치는 근사적으로 0.5 내지 1.0m 해상도에서 특징들을 해상(resolving)할 수 있다. 통상적으로 처리된 VSP는 근사적으로 10 내지 50Hz의 대역을 가질 수 있다. 육상 진동기, 고-Q 암석 및 전문화된 처리에 의해, 250Hz 까지 높은 대역이 얻어질 수 있다. 신호 주파수에서 서로 1/4 파장보다 더 떨어진 구조/특징을 해상하는 것이 가능하다는 것이 일반적으로 가정된다. 근사적으로 2000m/s의 수포화 침전 속도에서, 100Hz 압축성 파동의 파장은 근사적으로 20m이라는 것은 그러한 신호가 약 5m 떨어진 구조/특징을 해상하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 수화물 암맥의 간격은 이보다 더 작다. 그러므로, 개별적인 암맥들을 구별할 수 있는 고해상도 화상을 얻기 위해서는, 약 1kHz에서 상당한 에너지를 생성할 수 있는 공급원이 바람직하다. 상기와 같이 수포화된 침전물을 가정하면, 1kHz 신호는 약 0.5m 떨어진 구조/특징을 해상하는데 사용될 수 있다. 또한, 암맥 두께를 해상하는 것도 또한 바람직하다. 약 1m의 암맥 두께 및 수화물에서 약 4000m/s의 압축성 파동 속도를 가정하면, 이것은 또한 공급원으로부 터 1kHz 신호를 사용하여 얻어질 수 있다.

가장 널리 사용되는 해양 탄성파 탐사 공급원은 공기총(airgun)이다. 그렇지만, 가스수화물이 발견될 수 있는 더 큰 수심에서는, 공기총의 총구가 열렸을 때 포집된 공기의 폭발성 팽창을 생성하기 위하여 요구되는 높은 압력 때문에 해저 근처에 공기총을 배치하는 것이 가능하지 않을 것이다. 본 발명의 일 구현예에서 사용될 수 있는 공급원의 일 예는 2005, 5, 11, 출원된 "Seismic Imaging and Tomogrphy Using Seabed Energy Source"라는 제목의 샌더스(Sanders) 등의 미국 특허 출원 11/127,014에 기재되어 있으며, 본원 발명에 참조로서 전체가 포함된다. 샌더스 공급원은 내파성 유리구(예를 들어, 주변 높은 수압에 의해 붕괴되는 것이 가능한 상압에서의 공기 챔버)를 사용하고 어떠한 수심에서도 효율적인 탄성파 공급원이 될 수 있다. 공기총 에너지 공급원은 깊이에 따라 점차 덜 효율적이 되는데, 이는 공기총 챔버의 고압 공기와 주변 수압 사이의 압력차가 감소하는데 기인한다. 이와 반대로, 내부적으로 상압인 유리구가 대양에 배치될 경우에, 압력차는 깊이에 따라 증가한다. 대양은 심해 유리구 내파 다음에 거의 무한대의 압력 저장고를 제공할 것이다. 결과적으로, 내파는 공기총의 폭발보다 더 빨리 진행될 것이며, 에너지 출력의 주파수가 더 높아지는 결과가 될 것이다. 샌더스 공급원은 1kHz 까지 및 그 이상에서 상당한 에너지 증가를 생성할 것이며, 상기에 설명한 바와 같이 그것을 고해상도 이미지화에 적합한 공급원으로 만들 것이다.

몇몇 환경에서 중요할 수 있는 또 다른 공급원 특성은 공급원 내폭 부호수(signature)의 재현성이다. 공급원의 재현성은 일련의 반복된 폭발에 대한 유사 성 스펙트럼에 의해 통상적으로 측정된다. 유사성 스펙트럼은 총 에너지에 대한 신호 에너지의 비를 측정한다. 도 9a 및 9b를 참조하면, 샌더스 공급원의 일 구현예로부터의 주파수 스펙트럼이 예시된다. 도 9a는 1.25초로부터 1.35초 까지의 결합된 신호 및 잡음 주파수 스펙트럼을 예시하고, 도 9b는 4.25초로부터 4.35초까지의 배경 잡음만을 보여준다. 이러한 스펙트럼은 샌더스 공급원이 1kHz 만큼 높은 주파수까지 확장될 수 있는 높은 값의 유사성을 가질 수 있고, 또한 이러한 공급원이 본 발명의 구현예를 위한 적절한 선택일 수 있음을 지적한다.

상기에 언급한 바와 같이, 본 발명의 구현예는 해저 침전체 내부로 시추된 수직 유정에 위치될 수 있는 수신기를 사용할 수 있다. 적절한 수신기의 일 예는 Schlumberger Versatile Seismic Imager(VSI)^TM를 포함할 수 있다. VSI^TM는 시추공에 배치되고 시추공 벽에 고정될 수 있는 다양한 갯수의 3성분 수진기(geophone)를 포함할 수 있다. 그렇지만, 본 발명이 VSI^TM 수신기를 사용하는데 한정되어서는 안되며 다른 수신기들도 사용될 수 있음이 인식되어야 한다. 1kHz까지의 주파수를 기록하기 위하여, 0.5ms 디지탈 샘플링이 사용될 수 있다. 그러므로, 일 구현예에 따르면, 표준 VSI^TM 수신기는 0.5ms에서 또는 사용되는 공급원의 주파수에 따라 다른 구간에서 디지탈적으로 샘플을 얻기 위해 개조될 수 있다. 또한, 수집된 탄성파 데이타의 처리는 가파른 경사의 수화물 암맥의 존재 가능성을 설명하는 지각 모델을 적용할 수 있고, 결과는 이러한 타입의 구조가 존재할 수 있다는 것을 유념하면서 해석될 수 있다.

일 구현예에서, 상기 VSI^TM 또는 다른 수신기가 공간적인 샘플링을 허용하기 위해 시추공을 따라 이동될 수 있다. 수신기는 바람직한 공간적 샘플링 해상도에 해당하는 간격에서 이동될 수 있다. 예를 들어, 만일 수신기가 15m 떨어진 수진기를 포함하고, 1m의 공간적 샘플링이 바람직하다면, 상기 수신기 배열은 적절한 간격에서 수신기 배열의 전체 개구를 포함하기 위하여 매 1m의 14번 스텝으로 이동될 수 있다. 각 스텝에서, 탄성파 공급원은 활성화되고 각 수신기의 수진기에서 파형이 기록될 것이다.

수화물 탐지를 위한 탄성파 기술에 더하여 또는 그 외에, 본 발명의 태양은 수화물 광상의 위치확인 및/또는 특정을 위하여 전자기 검출의 사용에 관한 것이다. 상기에 설명한 바와 같이, 가스수화물은 절연체이고 통상적으로 염수(salt water)로 포화된 해양 침전물과 강한 대조를 나타낼 수 있으며, 1S/m 근처의 전도도를 가질 수 있다. 또한, 수화물은 해저 근처에 축척될 수 있어, 그것을 해양 전자기 탐사의 좋은 후보로 만든다.

상기에 설명한 바와 같이, (예를 들어, 탄성파 또는 시추 프로그램으로부터) 수화물을 포함하는 것으로 이전에 탐지된 지역의 해양 전자기 탐사에 관한 일부 선행 기술 자료가 있다. 수화물 영역의 일부 전자기 탐사는 도 10에 보여지는 바와 같이 하나 이상의 동일 선상의("직렬") 수평 전기 쌍극자 수신기를 가진 수평 전기 쌍극자 발신기를 이용했다. 발신기(148) 및 수신기(150)은 선박(152)에 의해 해저를 따라 예인될 수 있다. 발신기(148)는 해수에 수평 전류를 만들고 해저(100) 아 래이서 그 쌍극자와 평행하다. 수신기(150)에 도달하는 2차 신호는, 그 쌍극자에 평행인 전류에 가장 민감한데, 그 주변의 전기 전도도에 의존한다. 다른 탐사는 쌍극자 발신기 및 다성분 수신기를 사용하였다. 물리적 특성의 측정은 직렬 구성과 유사하나, 동일 선상이 아닌(예를 들어, 현측) 쌍극자은 원칙적으로 해저 아래의 전도도의 이방성에 민감하다. 그렇지만, 모든 이전 수화물 탐사의 경우에 데이타 처리는 전기 전도도가 각각의 수평층 내에서 이방성인 수평적으로 층을 이루는 지각을 가정하였다. 그러한 처리는 수직 또는 부수직 수화물 암맥을 탐지하는데 적합하지 않다. 고립된 수직 도체에 대한 일부 제한된 연구가 있었지만, 이것은 금속 미네랄의 육상 채과에 적용되었는데, 그러한 연구는 해양저 환경에서 수직 및 부수직 저항성 암맥의 배열을 탐지하고 특정하는데 직접적으로 관련되어 있지 않다.

수화물이 없는 해양 침전물의 저항율, R_t(0), Archie의 법칙으로부터 평가될 수 있다:

(7)

여기서, Rw는 기공수의 저항율이고, φ는 형성 기공율, 및 a 및 m은 실험적으로 결정된 상수들로서, 통상적으로 a=1 및 m=2의 값을 가진다. 해양 침전물의 기공수는보통 낮응 저항율(예를 들어, 전도성이다)을 가지나, 이에 반해 수화물은 절연체이다. 기공 공간이 가스 수화물에 의해 부분적으로 충진되면, 저항율은 다 음과 같이 변화된다:

(8)

여기서 수화물 포화(기공 공간의 부피 분율)은 Sh, 상기 기공 공간의 물로 채워지는 균형을 가정하면, 일반적으로 n=2이다. 상기에 설명한 바와 같이, 수화물은 때때로, 예를 들어 단층 또는 단구에서, 암맥을 형성할 수 있으며, 여기서 모든(거의 모든) 침전물이 밖으로 밀려난다. 그러한 환경에서, 수화물 암맥은 완벽하게, 또는 거의 완벽하게 절연체이다. 또한, 만일 수화물 암맥을 통한 액체 물의 연속적인 경로가 있다면, 전도성 채널이 존재할 수 있다.

도 4를 다시 참조하면, 일련의 평행 수화물 암맥(120)을 포함하는 수화물 저장층의 일 예의 모식도가 예시된다. 이러한 수화물 암맥들은 보통의 해양 침전물에 비해 상당한 전기적 대조를 나타낼 수 있다. 만일 암맥이 전기를 전도할 연속적인 액체 경로 없이 고체 수화물로 이루어진다면(예를 들어, 상기에 설명된 바와 같이 몇몇 수화물로 채워진 단층 또는 단구일 경우에서와 같이), 저주파 전류의 흐름에 대한 완벽한(또는 거의 완벽한) 장벽을 나타낼 것이다. 만일 수화물이 침전물의 기공 공간에서 성장한다면, 그것의 포화는 1 미만일 것이며, 암맥의 저항율이 상기 식(8)로 주어질 것이다. 만일 수화물이 입자(grain)를 치환하지만, 전도 경로가 연속적으로 유지된다면, 저항율은 중간 값을 가질 것이다.

상기에 설명한 바와 같이, 현재까지 수화물 영역에서 착수된 전자기 탐사는 횡적으로 등방성인 지각을 가정하고 처리되었다. 가파른 경사의 수화물 암맥을 탐지하기 위하여, 해저 아래의 거시적 전도 비등방성에 민감한 다른 방법이 사용될 것이다. 일 구현예에서, 그러한 해저 전도 이방성을 설명하기 위해 특별히 설계된 수집 방법 및 처리 방법 모두가 적용될 것이다.

일 구현예에 따르면, 부드러운 해양 침전물에서의 가파른 경사 수화물 암맥은 이하의 과정에 의해 탐지될 것이다. 첫 번째, 그 지질 특성이 그 영역을 상당한 수화물이 축척 가능한 지점으로 만들 수 있을 것인지를 결정하기 위해 한 영역이 탐사될 수 있다. 일 예에서, 그러한 탐사는 해저 환경이 가스수화물 안정을 위한 온도 및 압력 조건을 만족하는지를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 탐사는 또한 풍부한 가스 공급원, 여기로부터 풍부한 수화물이 형성될 수 있다,이 존재하는 지를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 당해 기술에서 알려진 대로의 가스 유출 탐사를 이용하거나 (예를 들어, 당해 기술 분야의 전문가에게 알려진 표준 가스 탐사 기술을 사용하여) 가스 수화물 형성에 적합한 수심 아래의 커다란 가스 저장층의 위치 확인에 의해 성취될 수 있다. 또한, 일 예에서, 높은 가스 흐름이 깊은 가스 공급원으로부터 가스수화물 안정 영역으로 전달될 수 있는지를 결정하는 단계가 또한 포함될 수 있다. 이것은 예를 들어 해저에서 진흙 화산 또는 수화물 노두(outcorp)를 발견하는 가스 굴뚝의 직접적인 탄성파 탐사에 의해서나 단층 지역의 국지적인 지식을 통해 이루어질 수 있다. 선택적으로, 지역적인 스트레스 텐서를 결정하거나 평가하는 또 다른 단계도 포함될 수 있다. 지역적인 스트레스는 대부분 알려져 있고, 구조 및 지질구조적인 움직임으로부터 추론될 수 있 다. 또한, 해저 다성분 탄성파 데이타 또는 음향 도구가 형성 스트레스를 측정하는데 사용될 수 있다. 스트레스 텐서의 지식은 예를 들어 상기 지역에서 수화물 암맥의 경사을 평가하는데 사용될 수 있으며, 탄성파 또는 전자기 탐지 장치를 설정하는데 사용될 수 있다.

상기에 언급된 단계들이 상기에 주어진 순서대로 실행될 필요는 없으며, 탐사가 이 예에 기재된 것들과 다른 기술들을 적용할 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 지역 탐사의 목적은 풍부하고 농축된 가스수화물을 발견할 확률을 증가시킬 수 있는 지질적 및 지반역학적 특징들을 수화물 탐사 방법안에 포함시키는 것이다. 따라서, 탐사는 이 목적을 달성하기 위하여 다양한 단계들 및 기술들을 적용할 수 있다. 일단 한 영역이 수화물 탐사를 위한 후보로서 확인되면, 그 영역 내에서 수화물 광상을 탐지 및/또는 특정하는데 사용하기 위하여 탄성파 또는 전자기 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기에 기재된 것과 같은 수직 탄성파 화상 처리가 실시될 수 있다. 다르게는, 또는 추가적으로, 이하에서 설명되는 하나 이상의 전자기 방법이 적용될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 전자기 발신기 및 수신기의 조합 시스템이 확인된 관심 지역에 걸쳐 예인될 수 있다. 일 예에서, 발신기 및 수신기 시스템은 첫 번째로 최대 수평 스트레스 방향에 평행한 방향으로 예인될 수 있다. 일단 이 방향에서의 탐사가 완결되면, 발신기 및 수신기 시스템은 최대 수평 스트레스에 직각으로 예인될 수 있다. 운항 시스템이 상기 탐사 동안 발신기 및 수신기의 위치를 결정하는데 사용될 수 있다. 각 방향에서 상기 탐사로부터 수집된 데이타는 그리고 나서 해저의 거시적인 전기적 이방성의 증거를 탐지하기 위하여 비교되고 처리될 수 있다. 데이타의 어떠한 처리도, 수평 이방성 지각을 가정하는 통상적인 처리와 달리 가능한 수평 이방성, 특히 가능한 저항성 암맥의 존재를 설명하는 지각 모델을 바탕으로 할 수 있다. 평행 및 직각 탐사가 실행되는 순서는 임의적이고 본 발명은 평행 방향 탐사가 먼저 완결되는 경우에 한정되지 않는다. 또한, 전체적인 탐사는 일련의 경로(pass)에서 수행될수 있고 상기 경로는 어떠한 편리한 순서대로라도 행해질 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예를 들어, 발신기 및 수신기 시스템은 먼저 한 방향으로(예를 들어, 수평 또는 수직 방향) 모든 경로에 대해 예인될 수 있거나, 방향들간에 하나의 경로로부터 다른 경로로 교체할 수 있다. 또한, 스트레스 텐서의 선험적인 지식은 최대 수평 스트레스의 방향을 평가하는데 도움이 될 수 있음이 주목되어야 한다.

일 구현예에서, 상기에 기재된 과정은 예를 들어 직렬 쌍극자-쌍극자 발신기 및 수신기의 쌍 또는 배열을 사용하여 실행될 수 있다. 다양한 전자기 안테나는 본 발명의 원칙에 따라 해저 탐사에 유용할 수 있고, 본 발명은 어떠한 종류의 안테나에도 한정되지 않는다. 안테나의 일부 예들은 수직 전기적 쌍극자(VED), 수평 전기적 쌍극자(HED), 수직 자기적 쌍극자(VMD), 및 수평 자기적 쌍극자(HMD)를 포함하는 안테나의 몇몇 예들이 사용될 수 있다. 각각의 이러한 안테나 타입, 또는 이들의 조합은 해저 전자기 시스템에서 발신기 및/또는 수신기로 사용될 수 있다. 또한, 서로에 대한 안테나의 방향이 변화될 수 있다. 예를 들어, 발신기 및 수신기 HED의 축은 동일선상일 필요가 없고 더욱이 평행일 필요가 없다. 도 11a-d를 참조하면, 본 발명의 일 구현예들에 따라 사용될 수 있는 안테나 구성들의 몇가지 예들이 예시된다. 도 11a는 발신기 안테나(154) 및 수신기 안테나(156) 사이의 방위각 구성을 예시한다. 도 11b는 방사상 구성을 예시한다. 도 11c는 평형 구성을 예시한다. 도 11d는 수직 구성을 예시한다. 전기 및/또는 자기장의 서로 다른 편극에 민감한 발신기 및 수신기 쌍이 이하에서 또한 설명되는 바와 같이 해저에서 전도성 이방성을 검출하는데 특히 유용할 수 있다.

또 다른 구현에에 따르면, 이방성에 본질적으로 민감한 발신기 및 수신기의 조합을 사용하는 전자기 탐사 기술이 수행될 수 있다. 일 예에서, 이 기술은 상기에 기술된 두 경로를 사용하는 것에 비해 관심 지역에 걸쳐 하나의 경로를 사용할 수 있으며, 상기 두 경로는 최대 수평 스트레스 방향에 평행한 한 경로 및 수직인 다른 경로이고, 표면하 이방성을 탐지하기 위해 두 경로로부터의 데이타를 비교한다. 전도성 이방성에 민감할 수 있는 많은 발신기-수신기 조합이 있다. 일 예는 직교 쌍극자-쌍극자 배열이며, 여기서 발신기는 예를 들어 HED이고 수신기는 서로 90도 방향인 한 쌍의 HED 일 수 있다. 일 구현예에서, 수신기 쌍은 해저위에 위치될 수 있고, 쌍극자 발신기는 예를 들어 항해 방향을 따라 발신기 안테나의 편극으로 수신기 위로 예인된다. 일 예에서, 서로 수직인 방향으로 그 지역에서 두 경로를 만드는 것은 해저 이방성의 평가에 더 나은 제약을 제공할 수 있다.

전자기 특징들은 주파수 영역 또는 시간 영역에서 측정될 수 있다. 첫 번째 경우에, 위상 이동 및 감소가 하나의 주파수에서 또는 주파수의 함수로서 측정될 수 있다. 두 번째 경우에, 펄스 또는 스텝의 발사와 그것의 수신 사이에 시간 지 연이 감소와 함께 측정될 수 있다. 원칙적으로, 이러한 접근들은 푸리에 변환에 의해 연결되어 있으나, 실제 어느 하나 또는 다른 것이 더 우수한 것으로 증명될 수 있다. 해수 및 해저를 통한 평행 전달에서 본질적인 다중경로 효과는 시간 영역 정보가 흔히 해석하기 더 쉬울 수 있다는 것을 시사하고, 해저 전자기 탐사에 관한 선행 기술의 몇몇 이론적인 문헌들도 시간 영역 접근을 선호한다. 그렇지만, 주파수 영역 기술도 예를 들어, 심해 환경에서 탄화수소를 함유한 형성물의 전도도를 결정하기 위한 상업적인 저주파 인공 공급원 전자기 탐사(CSEM)에서 또한 사용되어 왔다. 해저 SCEM 구현은 통상적으로 1Hz 또는 그 이하에서 작동하는 공급원및 전자기 확산식을 반전하여(inverting) 해저 아래 수킬로미터까지 내려가는 지도 형성 전도도를 사용하였다. 가스수화물과 관련된 깊이의 연구에서는, CSEM 기술이 사용될 수 있으나, 실질적으로 더 높은 주파수에서 작동하는 공급원을 적용할 수 있다. 웨이블릿(wavelet) 분석과 같은 시간 영역 처리 및 주파수 영역 처리 모두를 사용하는 혼성 기술도 또한 수신된 전자기 신호에서 이용할 수 있는 더 많은 정보를 획득하는데 유용할 수 있다.

변화하는 편극을 가진 안테나를 사용하는데 더하여, 일 구현예에서, 발신기와 수신기 사이의 거리가 변화할 수 있으며, 공간적으로 분포된 발신기 및/또는수신기의 배열이 또한 사용될 수 있다. 그러한 발신기 및/또는 수신기의 배열은 정적일 수 있으며, 배열 범위보다 더 큰 면적을 탐사하기 위하여 하나 이상의 안테나가 이동할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 전자기(EM) 발신기-수신기 시스템은 상대적으로 긴 파 장을 가지는 저주파 신호를 사용하도록 개조될 수 있다. 육상 탐사에는 유용하지 않은 것으로 밝혀진 EM 발신기-수신기 조합이 그럼에도 불구하고 바닷속 적용에는 유용할 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 이것은 저주파 EM 신호가 공기중으로 가장 빠르게, 토양 및 해양 침전물을 통해 더 느리게, 그리고 해수를 통해 가장 느리게 전달되기 때문이다. 육상 탐사에서, 공기 신호는 가장 먼저 도착하고, 나중에 땅을 통해 전달된 더 약한 신호가 이어진다. 따라서, 육지 기반 탐사 지구물리에 가장 관심이 큰 신호는 상대적으로 추출하기 어려울 수 있다. 그렇지만, 해저에서는 해수를 통해 전달되는 신호가 도착하는 것보다 더 빨리 도착하는 침전물을 통해 전달되는 바람직한 신호에 의해 상황이 반전된다. 따라서, 적어도 일부의 구현예에서, 해저 특징을 측량하기 위하여 저주파 EM을 사용하는 것이 바람직할 것이다.

일 예에서, 공급원 주파수는 침전물의 전자기적 침투 깊이에 의해 적어도 부분적으로 지배될 수 있다. 침투 깊이는 다음 식으로 주어진다:

(9)

여기서, δ는 침투 깊이, f는 주파수, σ는 해저 전도도, 이것은 약 1S/m의 통상적인 값을 가질 수 있고, μ는 침전물의 전기적 투과율, 이것은 보통 근사적으로 4π×10^-7H/m의 값을 가질 수 있다. 일반적으로, 발신기와 수신기 사이의 간격(d)을 약 5 침투 깊이(d<5δ) 이하로 한정하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 일부 구현예들에서, 침전물 내부로의 탐사 깊이는 발신기와 수신기 사이의 간격에 의 존할 수 있다. 일반적인 경험칙은 탐사 깊이가 발신기와 수신기 사이의 간격의 근사적으로 1/2일 것으로 여겨진다. 이러한 파라미터들은 발신기-수신기 간격 및 작동 주파수 모두를 선택하는데 사용될 수 있다.

상기에 설명한 바와 같이, 수화물 암맥 상단의 말단은 수화물을 함유하는 단층 또는 단구의 범위와 해저 부근의 지질화학에 의해 지배되는 해저 아래의 거리를 종결시킬 수 있다. 상기 암맥 하단의 말단은 통상적으로 해저 아래 약 1km 미만인 가스수화물 안정 영역의 바닥의 깊이보다 더 깊지 않을 것이다. 이러한 지식은 따라서 발신기-수신기 간격 설정을 유도할 것이다. 또한, 식 (9)에서 침투 깊이로서 d<5δ의 조건을 사용할 경우에, 유용한 주파수의 추정은 다음과 같이 주어질 수 있다:

(10)

예를 들어, 소망하는 약 100m의 발신기-수신기 간격을 가정하면, 식(10)은 약 633Hz의 작동 주파수를 제시한다. 그렇지만, 발신기와 수신기 사이의 허용 가능한 침투 깊이의 값은 예를 들어 발신기의 세기, 수신기의 감도, 해저에 대한 배열의 구조, 해저 위의 배열의 거리, 등을 포함하는 많은 요인들에 의존할 수 있다. 그러므로, 상기 계산은 일부 주요 지배적인 주파수를 예시하는 것이며 한정하려는 의도가 아니다.

또 다른 구현예에 따르면, 발신기와 수신기 사이의 거리 및/또는 각각의 발신기와 수신기에 존재하는 안테나 요소의 갯수도 또한 적어도 부분적으로 소망하는 탐지 형태를 바탕으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 만일 안테나 배열이 암맥 간격에 비해 더 작다면, 개별 암맥을 이미지화하는 것이 가능하다. 만일 안테나 배열이 암맥 간격에 비해 더 크다면, 상기 배열은 전기적 이방성을 검출하지만 개별적인 암맥을 이미지화할 수 없을 것이다. 두 가지 시나리오 모두 유용할 수 있고, 일 구현예에서, 두 가지 모두 변화하는 요소 간격을 가지는 단일 안테나 배열로 이루어질 수 있다. 상기에 주목한 바와 같이, 안테나 간격 및 편극의 많은 구성들이 유용하며, 서로 다른 방식으로 심해저의 전기적 이방성을 탐지하기 위하여 서로 다른 구현예에 사용될 수 있다. 모든 구현예에 공통이며 수직 또는 부수직 수화물 암맥의 탐지에 특히 중요할 수 있는 하나의 특징은, 통상적인 시스템과 달리, 수형(횡단) 등방성 전도도 및 층위가 가정되지 않는다.

도 12를 참조하면, 일련의 평행, 경사 수화물 암맥들을 탐지하기 위하여 사용될 수 있는 발신기-수신기 구성의 일 예가 예시되어 있다. 이 예에서, 암맥(120)들 사이의 간격이 이들을 검출하기 위하여 사용되는 HED 안테나의 길이에 비해 상대적으로 작다는 것이 가정될 수 있다. 이 경우에, 전도도 σ를 가지는 매질에 작용하는 전기장 E 는 다음과 같은 전류를 생산할 것이다:

J=σE (11)

절연성 암맥 근처의 전류는 암맥 표면에 평행하려는 경향이 있으며, 전류의 크기는 이 표면상에서의 전기장의 프로젝션에 비례한다. 이 전류는 전도도 이방성에 대한 정보를 보유하는 2차 전기장을 생성한다. 이러한 2차 전기장은 수신기에 의해 탐지될 수 있다.

이러한 개념을 구현한 일 예인 해저에서 내려다 보는 평면도(top view)가 도 12에 보여진다. 수화물 암맥들(120)은 해저를 가로지르지 않을 수 있으나, 설명과 명확하게 하기 위한 목적으로 여기에 예시된다. HED 안테나의 배열은 도식적으로 점선 박스(158) 내부에 보여진다. 일 구현예에 따르면, 발신기 T1 및 T2가 교대로 활성화될 수 있고, 수신기 R1 및 R2가 두 발신기로부터 신호를 받을 수 있다. 결과적인 네 개의 데이타 세트는 T1R1, T1R2, T2R1 및 T2R2로 명명된다. 가로지르는 전기적(TE)쌍 T1 및 R1은 운동 방향(160)에 수직인 공통의 축을 가질 수 있다. 가로지르는 자기적(TM)쌍 T2 및 R2는 운동 방향(160)에 평행인 공통의 축을 가질 수 있다. T1R2 및 T2R1 조합은 직교 쌍극자(TX1 및 TX2, 각각)쌍이다. 도 12에 보여지는 바와 같이, 운동 방향은 암맥들(120)의 주향에 대해 각도 α를 만들 수 있다.

일 구현예에서, 하나의 라인 또는 라인 세트가 TE 편극으로 수집될 수 있고, 또 다른 라인 또는 라인 세트가 TM 편극으로 수집될 수 있다. 전도 이방성의 크기 및 방향은 TE 응답 대 TM 응답을 도시함으로써 결정될 수 있다. 이방성이 상당하다면, 지배적인 전도도의 방향α는 아래 식으로부터 발견될 수 있다:

(12)

또 다른 구현예에서, 하나의 격자(grid)가 탐사될 수 있고(즉, 모든 네개의 발신기-수신기 쌍으로부터 여러 라인의 데이타가 수집될 수 있다), 결과 데이타는 네 개의 이미지, 즉 하나의 TE 이미지, 하나의 TM 이미지 및 두개의 TX 이미지로부터의 표면하(subsurface) 산란 포텐셜을 위해 반전(invert)될 수 있다.

요약하면, 적어도 부분적으로 특정 수화물 축척 모델을 기반으로 한 가스수화물 탐사 체계가 기술되었다. 구체적으로, 가스수화물이 수직 또는 부수직 암맥들을 형성할 수 있으며, 이들의 수향이 최대 수평 스트레스에 평행하고 이들의 경사가 수화물이 없을 경우의 마찰각 또는 저장층 최소 수평 스트레스 방향에 의해 조절된다. 복수개의 암맥들은 평형 또는 쉐브론을 형성할 수 있으나, 동일하게 이격되지 않을 수 있다. 평행 암맥들은 불균일하게 이격되어 있는 경우에도, 상기에 설명한 바와 같이 통상적인 탄성파 탐사 결과를 왜곡할 수 있는 도파관으로서의 역할을 할 수 있다. 또한, 통상적인 EM 탐사는 데이타 처리를 위해 해저에서 등방 수평 전도도를 가정하나, 이것은 그러한 암맥 층의 존재하에서는 EM 신호를 적절하게 해석하는 것을 어렵거나 불가능하게 만들 수 있다. 본 발명의 구현예들은 탄성파 및/또는 전자기 탐사 기술에 관한 것으로서, 이러한 기술들은 가스수화물 암맥의 탐사를 할 수 있고, 상업적으로 유용한 수화물 광상을 발견할 확률을 향상시키기 위한 지질적 및 지반역학적 논거를 또한 고려할 수 있다. 일 예는 상기에 설명한 바와 같은 암맥을 이미지화할 수 있는 해저 후퇴 수직 탄성파 탐사 방법을 포함한다. 또 다른 예는 상기에 설명한 바와 같이 표면하 수평 이방성을 탐지하기 위해 개조된 해저 EM 탐사 기술을 포함한다. 이러한 기술들은 해양 가스수화물 축척을 탐지 및/또는 정량화하기 위해 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

본 발명의 여러가지 태양들 및 구현예들이 이와 같이 기술되었으나, 이들의 변형 및/또는 개선은 당해 기술 분야의 전문가들에게 자명할 것이며 본 명세서의 부분이 될 것이다. 본 발명은 여기에 기재된 구체적인 예들로 한정하려는 의도가 아니로 본 발명의 원칙들은 매우 다양한 응용에 사용될 수 있다. 상기 설명은 그러므로 단지 예로서이며 당해 기술 분야의 전문가에게 자명한 어떠한 변형 및 개선도 포함한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이의 균등물의 적절한 구성으로부터 결정되어야 한다.

Claims

가스수화물 탐지 방법으로서,

수직 탄성파 탐사(vertical seismic profile) 기술을 사용하여 한 지역에 대한 탄성파 데이타를 수집하는 단계; 및

상기 탄성파 데이타를 근거로 수화물 암맥 층을 특정하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 수화물 암맥 층을 특정하는 상기 단계가 암맥의 경사(dip) 및 주향(strike)을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 탄성파 데이타를 수집하는 단계가

상기 지역 내의 유정(well)에 탄성파 수신기를 배치하는 단계;

수화물 층에 입사하는 파동을 생성하기 위하여 유정으로부터 제 1 거리만큼 떨어진 제 1 위치에서 해저 탄성파 공급원를 활성화시키는 단계;

수신기로 수화물 암맥 층으로부터 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계;

상기 유정으로부터 제 2 거리만큼 떨어진 제 2 위치로 해저 탄성파 공급원를 이동하는 단계; 및

상기 공급원를 활성화시키는 단계 및 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 탄성파 데이타를 수집하는 단계가

상기 지역 내의 유정에 탄성파 수신기를 배치하는 단계;

하나 이상의 수화물 암맥층에 입사하는 파동을 생성하기 위하여 유정으로부터 제 1 거리만큼 떨어진 제 1 위치에서 해저 탄성파 공급원를 활성화시키는 단계;

수신기로 수화물 암맥층으로부터 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계;

공간적 샘플링 해상도를 얻기에 충분한 양만큼 상기 유정에서 수직적으로 수신기를 이동하는 단계; 및

상기 공급원를 활성화시키는 단계 및 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 탄성파 데이타를 수집하는 단계가

상기 유정으로부터 제 2 거리만큼 떨어진 제 2 위치로 해저 탄성파 공급원를 이동하는 단계; 및

상기 공급원을 활성화시키는 단계 및 반사된 파동 에너지를 기록하는 단계를 다시 반복하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 5 항에 있어서, 수신기를 이동하는 단계가 상기 해저 탄성파 공급원을 이동하는 단계 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 지역에 대한 지질학적 정보를 수집하는 단계; 및

적어도 부분적으로 지질학적 정보를 바탕으로 상기 지역의 상당한 수화물이 존재할 개연성을 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 지질학적 정보를 수집하는 단계가 가스수화물 안정 영역의 위치를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 지질학적 정보를 수집하는 단계가 상기 가스수화물 안정 영역의 아래의 상당한 양의 가스 공급원의 존재를 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 지질학적 정보를 수집하는 단계가 상기 가스수화물 안정 영역의 아래로부터 상기 가스수화물 안정 영역으로 확장하는 단층(fault) 또는 단열(tracture)의 존재를 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
가스수화물 탐지 방법으로서,

전자기 탐사 기술을 사용하여 한 지역에 대한 데이타를 수집하는 단계; 및

적어도 부분적으로는 상기 데이타를 바탕으로 수화물 암맥 층을 특정하는 단계를 포함하는 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 데이타를 수집하는 단계가

거시적인 심해저(subseafloor) 전기적 이방성을 탐지하도록 개조된 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 상기 지역의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐사 방법.
제 12 항에 있어서, 탐사 지점(site)을 포함하는 전자기 탐사를 수행하는 단계가 직교 쌍극자-쌍극자(dipole-dipole) 안테나 어레이를 포함하는 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 상기 지역의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐사 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 데이타를 수집하는 단계가

상기 지역에서 수평 스트레스가 최대인 방향을 추정하는 단계;

제 1 데이타를 수집하기 위해 상기 최대 수평 스트레스 방향에 평행한 제 1 방향으로 상기 탐사 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계;

제 2 데이타를 수집하기 위하여 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 상기 탐사 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계; 및

표면하(subsurface)에서 거시적인 전기적 이방성의 증거를 탐지하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 데이타를 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 지역에 대한 지질학적 정보를 수집하는 단계; 및

적어도 부분적으로 지질학적 정보를 바탕으로 상기 지역에 상당한 수화물이 존재할 개연성을 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 지질학적 정보를 수집하는 단계가 가스수화물 안정영역의 위치를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 지질학적 정보를 수집하는 단계가 상기 가스수화물 안정 영역의 아래에 상당한 양의 가스 공급원의 존재를 결정하는 단계를 추가적으 로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 지질학적 정보를 수집하는 단계가 상기 가스수화물 안정 영역의 아래로부터 상기 가스수화물 안정 영역으로 확장하는 단층(fault) 또는 단열(fracture)의 존재를 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐지 방법.
해양 가스수화물을 탐지하는 탐사 방법으로서,

수화물 암맥의 존재 가능성의 지질학적 지표를 바탕으로 탐사 지점을 선택하는 단계;

상기 탐사 지점에 대한 데이타를 수집하기 위해서 탄성파 탐사 기술 및 전자기 탐사 기술을 사용하여 상기 탐사 지점을 탐사하는 단계; 및

수화물 암맥의 존재 가능성을 설명하는 지각 모델을 바탕으로 상기 데이타를 처리하는 단계를 포함하는 가스수화물 탐사 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 탐사 지점을 선택하는 단계가

가스수화물 안정 영역, 상기 가스 안정 영역 밑에 위치하는 가스 공급원, 및 상기 가스수화물 안정 영역으로 높은 가스 흐름(flux)을 전달할 수 있는 채널의 존재에 대한 지질학적 지표를 바탕으로 탐사 지점을 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐사 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 탐사 지점을 탐사하는 단계가 후퇴 수직 탄성파 탐사(walk-away vertical seismic profile) 기술을 사용하여 상기 탐사 지점을 탐사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐사 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 탐사 지점을 탐사하는 단계가 거시적인 심해저(subseafloor)의 전기적 이방성을 탐지하도록 개조된 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 상기 탐사 지점의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐사 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 탄사 지점을 탐사하는 단계가 직교 쌍극자-쌍극자 안테나 어레이를 포함하는 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 상기 탐사 지점의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐사 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 탐사 지점을 탐사하는 단계가 발신기 및 수신기 시스템을 사용하여 상기 탐사 지점의 전자기 탐사를 수행하는 단계를 포함하며;

상기 발신기 및 수신기 시스템이 2 이상의 발신기 안테나와 2 이상의 수신기 안테나를 포함하는 수평 전기 쌍극자 안테나 어레이를 포함하고,

상기 안테나들이 가로지르는 전기적 쌍 및 가로지르는 자기적 쌍을 포함하는 4 이상의 발신기-수신기 쌍을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로하는 가스수화물 탐사 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 탐사지점을 탐사하는 단계가

해저에 근접한 탄성파 공급원를 활성화시키는 단계를 포함하며,

상기 탄성파 공급원이 스톤리(Stonley)파와 전단(shear)파를 발생하도록 개조된 것이며, 상기 데이타 처리 단계는 방위 이방성(azimuthal anisotropy)의 증거를 탐지하기 위하여 해저를 따라 반사된 스톤리(Stonley)파와 전단(shear)파를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 탐사 방법.
해양 가스수화물 광상의 탐지 방법으로서,

해저 모방 탐사면의 존재 이외에 상당한 가스수화물이 존재할 것 같은 지질학적 지표를 바탕으로 탐사될 지점을 선택하는 단계; 및

해저 수평 전도성 이방성의 증거를 얻기위하여 상기 지점의 전자기 탐사 및 탄성파 탐사를 수행하는 단계를 포함하는 가스수화물 광상의 탐지 방법.
제 26 항에 있어서, 상기 지점의 스트레스 텐서(stress tensor)를 결정하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 광상의 탐지 방법.
제 27 항에 있어서, 상기 전자기 탐사를 수행하는 단계가

상기 스트레스 텐서를 바탕으로, 상기 지점의 표면하에서 최대 수평 스트레스의 방향을 평가하는 단계;

제 1 데이타를 수집하기 위하여 상기 최대 수평 스트레스의 방향에 평행한 제 1 방향으로 상기 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계;

제 2 데이타를 수집하기 위하여 상기 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 상기 지점 위로 발신기-수신기 시스템을 예인하는 단계; 및

상기 표면하에서 거시적인 전기적 이방성의 증거를 탐지하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 데이타를 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 광상의 탐지 방법.
제 26 항에 있어서, 상기 탄성파 탐사를 수행하는 단계가 후퇴 수직 탄성파 탐사 기술을 사용하여 상기 지점을 탐사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 광상의 탐지 방법.
제 26 항에 있어서, 상기 지점을 선택하는 단계가 해저 가스수화물 안정 영역의 존재, 및 상기 가스수화물 안정 영역 아래로부터 상기 가스수화물 안정 영역으로 확장하는 단층 및 단열의 존재를 바탕으로 그 지점을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스수화물 광상의 탐지 방법.
해양 환경에서 가스수화물 암맥을 탐지하도록 개조된 시스템으로서,

탐사 지점으로부터 데이타를 수집하도록 구성된 탐사 장치; 및

가스수화물 암맥의 존재를 설명하는 지각 모델과 일치하도록 탐사 지점으로부터 데이타를 분석하도록 구성된 프로세서를 포함하는 시스템.
제 31 항에 있어서, 상기 탐사 장치가 해저 수평 전도 이방성의 증거를 탐지하도록 구성된 전자기 탐사 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 32 항에 있어서, 상기 전자기 탐사 시스템이 직교-쌍극자(cross-dipole)발신기 및 수신기 안테나의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 31 항에 있어서, 상기 탐사 장치가 해저에 근접하게 위치한 탄성파 공급원 및 탄성파 수신기를 포함하는 탄성파 탐사 시스템을 포함하며, 상기 데이타는 탄성파 반사 데이타인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 34 항에 있어서, 상기 수신기가 상기 탐사 지점 내에 배치된 시추공에 위치하고, 상기 탄성파 탐사 시스템이 후퇴 수직 탄성파 탐사(walk-away vertical seismic profile)의 탐사를 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제 34 항에 있어서, 상기 지각 모델이 일련의 평행한 가스수화물 암맥의 존재를 설명할 수 있으며, 상기 탄성파 탐사 시스템은 일련의 평행한 수화물 암맥들에서 개별적인 수화물 암맥들의 폭과 일련의 평행한 수화물 암맥들에서 개별적인 암맥들 사이의 간격을 탐지하기에 충분한 해상도를 얻도록 선택된 주파수에서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.