ARREGLO DE ELECTRODOS S I M I LAR A UNA R ED PARA M EDICIONES SU BMARINAS DE CAMPO ELÉCTRICO Y M AGN ÉTICO
ANTECEDENTES DE LA INV ENC IÓN Campo de la Invención La invención se relaciona generalmente con los sistemas de la exploración submarina. Más particularmente, la invención se relaciona con un sistema de medición electromagnético marino y un método del uso de lo mismo. Más particularmente aún, la invención se relaciona con un arreglo de electrodos similar a una red que se desplegarán a una localización en el fondo del mar en donde una porción de los electrodos se mantiene en el fondo del mar y una porción de los electrodos es boyante.
Antecedentes de la Técnica La exploración del hidrocarburo típicamente involucra varios métodos de prospección, incluyendo varios métodos geofísicos para delectar la presencia de hidrocarburos en el espacio vacío natural de la roca (medido como "porosidad") o para mapear las características estructurales que son capaces de interceptar hidrocarburos en una formación de interés. Para ser mapeada, la formación que contiene los hidrocarburos debe poseer una característica física contraste a lo cual el método geofísico responda. Por ejemplo, los métodos sísmicos involucran el emitir de ondas sísmicas en las formaciones de la tierra y recibiendo las ondas sísmicas reflejadas y/o difractadas de las formaciones de la tierra. Las ondas acústicas reflejan interfaces entre diferentes lipos de rocas con impedancias sísmicas disímiles. Las velocidades de las ondas sísm icas re flejadas o di fractadas dependen de las densidades de las rocas, que están en parte debido a las porosidades y a los contenidos de fluido de las rocas. Sin embargo, las velocidades de las ondas sísmicas reflejadas o difractadas tienen muy baja sensibilidad a los tipos de l íquido (e.g., agua o aceite) en los poros, a excepción de la presencia del gas. Así, los métodos sísmicos son úti les en el mapeo de los interfaces entre diversos tipos de rocas. Sin embargo, ciertas formaciones de la tierra no son conducentes a la exploración con métodos sísmicos. Las sales, los carbonatos, y otras formaciones particulares pueden dispersar energía sísmica cuando se propaga por allí debido a contrastes grandes e inhomogeneidades de la velocidad situados dentro de esas formaciones. En contraste, conductividad eléctrica (s), o su contrario, la resistividad (p), es una característica física que se puede medir con los varios métodos eléctricos o electromagnéticos (EM). Tales métodos incluyen, pero no se l imitan a, resistividad de la corriente directa (DC), resistividad inducida de la polarización ( I P), resistividad magnetotellunco (MT), y las mediciones de resistividad electromagnética con fuente controlada (CSEM). Sin importar el método empleado, la resistividad medida de una formación depende fuertemente de la resistividad del líquido del poro y de la porosidad de la roca. La salmuera típica en roca sedimentaria es altamente conductiva. La presencia de la salmuera en roca a granel hace la roca conducti va. Los hidrocarburos son, por comparación, eléctricamente no-conductivos. Por lo tanto, la conductividad eléctrica de una roca se reduce cuando los hidrocarburos están presentes. En general, rocas diversas en una dada sección sedimentaria tendrá diversas porosidades, así que aun en la ausencia de hidrocarburos, información sobre la sección sedimentaria puede ser determinada. Así, la combinación de los datos sísmicos y de la resisti vidad es útil en la determinación del contenido del hidrocarburo. Según lo mencionado anteriormente, una manera de la cual la resistividad de una formación puede ser medida es con el estímulo electromagnético con fuente controlada (CS EM). Así como el nombre implica, un transmisor controlado esti mula una corriente conocida que se hace para fluir en las formaciones que se medirán. A menudo, en sistemas de CS EM, un lazo circular de alambre cargando una corriente de tiempo-que- varía se uti liza como fuente controlada del campo magnético. Esto produce un campo magnético de tiempo-que-varía en los alrededores. El campo magnético de tiempo-que- varía en turno (según Faraday's Law) produce un voltaje que impulsa las corrientes en el subterráneo de la tierra. Esas corrientes producen voltajes que son detectados por los receptores electromagnéticos. Típicamente, en usos marinos de CSEM , un transmisor de alta energía es remolcado por una nave superficial y un arreglo de receptores basados en el fondo del mar mide los voltajes inducidos de tal modo. Las señales inducidas del voltaje de CSEM son delectadas por los electrodos incluidos en paquetes de sensores o por una cadena de electrodos conectados con un cable situado en el fondo del mar. Ejemplos de paquetes de receptores para detectar señales de CSEM, por ejemplo, se divulgan en Patente de los Estados Unidos, número de serie 5,770,945, asignada a Constable, y en Patente de los Estados Unidos, número de serie 6,842,006, asignada a Conti, et al . Electrodos en un cable se pueden espaciar una grande distancia aparte para aumentar la sensibilidad de las mediciones del campo eléctrico. Además, porque el arreglo de electrodos esta construido en un solo cable, el despliegue es más simple y requiere menos i nversión de capital. M ientras que lo del arte anterior, es decir, los paquetes de sensores y los cables de electrodos para mediciones de señales electromagnéticas en un ambiente marino, son simples y eficientes en costo, todavía hay una necesidad para otros arreglos de sensores que puedan proporcionar más convenientes mediciones de varias señales.
COMPENDIO DE LA INVENC IÓN Un aspecto de la invención se relaciona con los arreglos de electrodos para mediciones eléctricas y magnéticas en un ambiente marino. Un arreglo de electrodos para mediciones eléctricas y magnéticas en un ambiente marino de acuerdo con una encarnación de la invención incluye un primer sistema de electrodos conectados con un primer cable, en donde el primer sistema de electrodos y el primer cable están configurados para hundirse en un fondo del mar en el ambiente marino; un segundo sistema de electrodos conectados con un segundo cable, en donde el segundo sistema de electrodos y el segundo cable están conectados con el pri mer cable y con figurados para flotar en el ambiente marino tales que el segundo sistema de electrodos y el segundo cable mantienen una distancia del fondo del mar cuando el primer cable se sienta en el fondo del mar; y un paquete del instrumento conectado con el primer cable y el segundo cable, en donde el paquete del instrumento esta con figurado para recibi r las señales del voltaje medidas por el primer sistema de electrodos y el segundo sistema de electrodos. Otro aspecto de la invención se relaciona con un método para medir campos eléctricos y magnéticos en un ambiente marino. Un método de acuerdo con una encarnación de la invención incluye desplegando un arreglo de electrodos al fondo del mar, el arreglo incluyendo un primer sistema de electrodos mantenidos en el fondo del mar y un segundo sistema de electrodos boyantes sobre el fondo del mar a una distancia del primer sistema de electrodos; transmitiendo una energía electromagnética dentro del ambiente marino; y midiendo señales del voltaje usando un arreglo de electrodos. Otros aspectos y ventajas de la invención serán evidentes de la descripción siguiente y de las reivindicaciones añadidas.
BREVE DESCRI PCIÓN DE LOS D I BUJOS La figura 1 es un dibujo de una vista-en-perfi l de un arreglo de sensores magnéticos de acuerdo con una encarnación de la actual invención. La figura 2 es un dibujo de una vista-en-perfi l de un arreglo de sensores magnéticos de acuerdo con una alternativa encarnación de la actual invención. La figura 3 demuestra un método para medir campos eléctricos y/o magnéticos en un ambiente marino de acuerdo con una encarnación de la invención.
DESCRIPCIÓN DETA LLADA Encarnaciones de la invención se relacionan con un arreglo electromagnético de sensores que se desplegarán en un ambiente marino. El arreglo de sensores incluye preferiblemente una pluralidad de electrodos de voltaje-detección colocados en un arreglo simi lar a una red. Un paquete de instrumento recibe valores del voltaje de cada uno de los electrodos de los cuales los campos eléctricos y magnéticos pueden ser calculados. Los operadores pueden analizar estos datos electromagnéticos para determinar la presencia de hidrocarburos, o la presencia de formaciones de retención de hidrocarburos debajo del fondo del mar. Refiriendo inicialmente a la figura 1 , un arreglo de sensores electromagnéticos 100 de acuerdo con una encarnación de la actual invención esta demostrado. El arreglo 1 00 se demuestra desplegado sobre el fondo del mar 1 02 en una profundidad d debajo de la línea de flotación 104 y adyacente a una formación 1 06 que será investigada. El arreglo 1 00 incluye un paquete del instrumento 108, una primera cadena de los electrodos 1 1 0, y una segunda cadena de los electrodos 1 12. Primera y segunda cadenas 1 1 0, 1 1 2 preferiblemente incluyen pluralidades de los electrodos de sensores I 14 que son con figurados en pares para medir el voltaje como una función de la posición en el agua del mar.
La primera cadena de electrodos 1 10 incluye una pluralidad de electrodos 1 14 (numerados A | hasta An+i ) y esta configurada preferiblemente para ser negativamente boyante tales que los electrodos de A] hasta A„+i descansan en el fondo del mar 1 02 bajo su propio peso. En contraste, la segunda cadena 1 1 2 incluye una pluralidad de electrodos 1 14 (numerados B i hasta Bn+ i ) que están positivamente boyante tales que electrodos B | hasta Bn+ i " flotan" sobre el fondo del mar 1 02 en una altura predeterminada h. Una pluralidad de miembros de tensión verticales 1 16 conecta la primera cadena 1 10 con la segunda cadena 1 1 2 tales que la altura predeterminada h para los electrodos B | hasta Bn+ i está substancialmente mantenida. Mientras que miembros de tensión verticales 1 1 6 se demuestran en figura 1 conectando electrodos B | hasta B„ n de la segunda cadena 1 12 directamente con los electrodos A i hasta An+i de la primera cadena 1 1 0, debe ser entendido que otros arreglos estructurales son posibles. Por ejemplo, los miembros de tensión verticales 1 1 6 pueden ser construidos ya sea para conectar los electrodos B | hasta Bn+ i directamente con el fondo del mar 1 02 o para conectar horizontales segmentos de cables 1 1 8, 1 20 conectando electrodos A , hasta A„+i y B j hasta Bn H , respectivamente, juntos. Además, la flotabi lidad de la segunda cadena 1 1 2 de electrodos B | hasta Bn+i es su ficiente poner los miembros 1 1 6 en tensión, pero no tanto en cuanto a prevenir la primera cadena 1 10 de electrodos A| hasta An+i de estar correctamente colocada en el fondo del mar 1 02. De una vez colocada en el fondo del mar 1 02 sobre la formación 1 06, el arreglo 1 00 se asemeja a una red vertical de pesca. El despliegue del arreglo 1 00 puede ser a través de cualquier número de métodos pero esta preferiblemente completado en una operación de remolque. En tal operación, el arreglo 100 se remolca detrás de un recipiente superficial (no demostrado) a una localización deseada sobre la formación 106. Ya que el arreglo 100 esté colocado en el fondo del mar, un paquete del instrumento 1 08 también se coloca en el fondo del mar para las mediciones. El paquete del instrumento 1 08 puede incluir un ancla despegable (no demostrada) para que eso mismo se mantenga en el fondo del mar 1 02. Además, el paquete del instrumento 1 08 puede incluir la flotación y un sistema acústico de lanzamiento que lo permita que sea fácilmente recuperado por un recipiente superficial usando señales acústicas. Vea, por ejemplo, Patente de los Estados Unidos, número de serie 5,770,945 asignada a Constable. La flotación y el sistema acústico de lanzamiento permiten la fácil recuperación del paquete del instrumento 108 a través de enviando una señal acústica que ordena el lanzamiento del paquete del i nstrumento 1 08 del ancla (o del peso) para permitir que el paquete del instrumento 1 08 flote a la superficie para la recuperación. Como método de despliegue alternativo, el paquete del i nstrumento 1 08 y el ancla despegable (si está presente) se pueden ensamblar con el arreglo 1 00 y remolcar por el recipiente superficial. Una vez que el paquete del instrumento 1 08 sea lanzado por el recipiente de remolque, puede dirigir (j unto con el ancla) al arreglo 1 00 abajo hasta que ambos el paquete del instrumento 1 08 y la primera cadena 1 1 0 (teniendo electrodos A i hasta A„+i ) estén colocados en el fondo del mar 1 02 en una pro fundidad d debajo de la superficie del agua 104. Si un control más preciso sobre el arreglo 1 00 es deseable, un alambre de guía despegable (no demostrado) puede extender del recipiente de remolque al paquete del instrumento 1 08. En la operación, los electrodos 1 14 del arreglo 100 pueden transmitir información al paquete del instrumento 1 08, así permitiendo la medición de campos eléctricos y magnéticos en el fondo del mar 102. Cada electrodo 1 14 esta configurado para detectar el voltaje V del agua de mar en la cual está situado. Los voltajes V para cada electrodo 1 1 4 se pueden medir concerniente a un solo electrodo de re ferencia (no demostrado) y se registran en el paquete del instrumento 1 08 como valores potenciales eléctricos (PA I , PB I , etc.) concerniente al solo electrodo de referencia. Por consiguiente, la di ferencia del voltaje entre el electrodo A | y el electrodo Ai en la primera cadena de electrodos 1 1 0 sería representada por VA I A2 = ?? ? - PA2 . Normalizando la di ferencia del voltaje con el dipolo, o distancia entre los dos electrodos, el componente horizontal del campo eléctrico (?? i A2) en la región entre los electrodos A i y A2 puede ser calculado. Semejantemente, si la di ferencia del voltaje entre el electrodo A i de la primera cadena 1 1 0 y el electrodo B | de la segunda cadena 1 1 2, representado por VA l li, = PA I - PB 1 , se mide y normalizado a distancia (suponiendo que la distancia entre los electrodos A i y B i es conocida), el componente vertical del campo eléctrico (?? i B i ) puede ser calculado. Además, el componente horizontal del campo eléctrico entre dos electrodos de la segunda cadena 1 1 2 (e.g., Em o2 para B | y para B2) puede ser calculado. Por lo tanto, con la disposición del arreglo electromagnético 1 00 demostrado en la figura 1 , los componentes del campo eléctrico en dos planos horizontales y LUÍ plano vertical pueden ser calculados. Usando los paquetes de sensor del arte anterior o diseños de cable de sensor, los componentes del campo eléctrico se pueden calcular solamente en un solo plano. Además, el arreglo electromagnético 100 de acuerdo con una encarnación de la actual invención permite para la calculación de campos magnéticos además de los campos eléctricos descritos arriba. La relación entre los campos eléctricos y magnéticos es definida por Faraday's Law:
donde E representa el campo eléctrico del vector, B el campo magnético del vector, co es la frecuencia radial en la cual se está haciendo la medición, e / es ^(- 1 ) . El símbolo V x representa el operador del enrollamiento, a quien para el arreglo en la figura 1 se reduce como: dE dE — ->- = -i(oB¥ , (Eq. 2) dx dz donde la dirección de x está paralela a las cadenas de electrodos horizontales, la dirección de z esta positivamente hacia abajo, y la dirección de y es normal al plano del dibujo en la figura 1 (i.e., fuera de la página). Los derivados parciales se pueden aprox imar, por ejemplo dentro del primer segmento de la red del electrodo, como:
dE_ E_ E dE,. E - E and * 1 * H1 , (Eq. 3) dx ?? dz A?
donde ?? y ?? representan las distancias entre los electrodos correspondientes. Además, de la discusión arriba, los componentes horizontales y verticales del campo eléctrico se presentan como:
EXJ I A 1 = ^A . E = > ETC. (EQ. 4) ?? Az Substituyendo estas expresiones en la ecuación ( 1 ) (i.e., Faraday's Law) arriba rinde la expresión para el campo magnético en términos de los voltajes y de las separaciones del electrodo:
coAxAz
donde By| 2 está el campo magnético en la dirección de y medido por electrodos A| , A2, B i , y B2. Debe ser entendido por un experto en el arte que varios otros campos magnéticos se pueden calcular por seleccionando cuatro (o más) diversos electrodos 1 14 para hacer la medición. Además, porque los valores de ?? y ?? están en el denominador de la relación, debe ser entendido que por lo menos dos electrodos 1 1 4 de la primera cadena 1 1 0 y dos electrodos de la segunda cadena 1 1 2 se deben uti lizar en la calculación. Si no, la calculación puede fallar por la división por cero. Además, las distancias entre los electrodos 1 14 en la dirección del eje de x (i.e., longitudes de segmentos de cables 1 1 8, 1 20) y en la dirección del eje de z (i.e., longitud de los miembros verticales de la tensión, 1 1 6) pueden ser variados a permitir para una ampl ia gama de mediciones del campo eléctrico y magnético. Además, la frecuencia ? puede ser variada para cambiar la sensibi lidad de la medición. Una ventaja adicional del arreglo de sensores 100 sobre los cables de electrodo de una sola cadena del arte anterior es el uso de mediciones a partir de la segunda cadena 1 12 del arreglo 100 para ajustar valores medidos por la primera cadena 1 10. En ciertas situaciones, particularmente las en las cuales las mediciones de EM se hagan en agua baja, el interfaz de agua del mar y el aire en la superficie 1 04 pueden degradar la sensibilidad en respuestas medidas del depósito 106. El interfaz de aire-agua puede afectar la sensibilidad y la respuesta del sistema electromagnético; particularmente, cuando la profundidad del agua d es menos que la distancia entre el fondo del mar 102 y el depósito 106. Con el arreglo 100, la cadena superior 1 1 2 de electrodos es más sensible al interfaz de aire-agua que la cadena más baja 1 10. Por lo tanto, las mediciones obtenidas por los electrodos superiores se pueden uti lizar para distinguir y para normalizar las señales detectadas por los electrodos más bajos para reducir interferencia del interfaz de aire-agua.
Refiriendo ahora a la figura 2, una encarnación alternativa de un arreglo del sensor 200 de acuerdo con otra encarnación de la actual i nvención se demuestra. El arreglo del sensor 200 es similar en la construcción al arreglo del sensor 1 00 de la figura 1 , excepto que arreglo 200 contiene cadenas adicionales (e.g., 21 2C hasta 21 2M) arriba de la segunda cadena 21 2B de los electrodos 2 1 4. Así como con el arreglo 100 de la figura 1 , un paquete del instrumento 208 y una primera cadena 2 1 0A de los electrodos 214 se fijan en el fondo del mar 202 en una profundidad d debajo de la superficie del agua 204. Los electrodos 2 14 de la figura 2 se marcan en el arreglo de dos dimensiones 200 que extiende de A | a M„+i , donde n+ 1 es un número entero que representa el índice de los pasados electrodos 2 14 en la dirección positiva del eje de x y M representa la cadena de pasados electrodos 214 en la dirección negativa del eje de z. M ientras que el arreglo 200 es representado en el figura 2 como un arreglo rectangular teniendo dimensiones n+ 1 (número de electrodos en la cadena horizontal) por m (número de cadenas horizontales), debe ser entendido que cualquier variedad de geometrías y tamaños para el arreglo 200 puede ser desplegada sin desviar del ámbito de la actual i nvención. El arreglo 200 se construye tal que la cadena 21 2B está a una altura hi sobre el fondo del mar 202, la cadena 212C está a una altura h2 sobre el fondo del mar 202, y la cadena 2 1 2M está a una altura hm_i sobre el fondo del mar 202. M iembros verticales de tensión 2 16 preferiblemente conectan las cadenas 210A, 2 1 2B, 21 2C,...,2 12M juntas para mantener las alturas h | , I12 , . . . , hm-i en el arreglo 200. Como con el arreglo 1 00 de la figura 1 , segmentos de cables horizontales 2 1 8, 220, etc. de cables 2 I 0A, 2 1 2B, 2 1 2C,...,2 1 2M conectan los electrodos adyacentes 214 en la dirección del eje de x . Aunque las longitudes de segmentos de cables y el espaciamiento vertical entre las cadenas se demuestran ser más o menos iguales, la invención no es así de limitada y cada una de esas longitudes puede variar una de la otra. Usando el arreglo 200 de la figura 2, un número de componentes horizontales (plano x-y) del campo eléctrico y un número de componentes del campo eléctrico y magnético en el plano x-z (i.e., el plano del arreglo 200) pueden ser medidos. Además, el arreglo 200 también puede ser construido como arreglo tridimensional tales que las cadenas adicionales de los electrodos 214 en el plano .v-z, compensan en la dirección-v del arreglo 200 están incluidas también. Usando un arreglo tan tridimensional, las mediciones del campo magnético y eléctrico en varios planos adicionales pueden ser hechas. Teniendo adicionales planos de investigación electromagnética puede proporcionar mejores evaluaciones de la formación 206. Algunas encarnaciones de la invención se relacionan con mediciones de campos eléctricos y magnéticos en un ambiente marino usando un arreglo del electrodo descrito arriba. La figura 3 demuestra un método de acuerdo con una encarnación de la invención. Según lo demostrado en figura 3, un método 30 incluye primero desplegando un arreglo del electrodo en un fondo del mar (paso 32). El arreglo del electrodo puede tener cualquiera de las configuraciones descritas arriba. La energía electromagnética, que puede ser de una fuente controlada, se transmite al ambiente marino para inducir flujo de la corriente en la formación submarina (paso 34). Las señales retornadas a los electrodos se detectan y se registran, por ejemplo usando el paquete del instrumento descrito arriba o alternativamente usando un dispositivo en un recipiente (paso 36). Las señales detectadas pueden ser preprocesadas, por ejemplo, para reducir o para quitar interferencia del interfaz de aire-agua según lo descrito arriba (paso 38). Las señales medidas o preprocesadas entonces se utilizan para calcular los campos eléctricos y/o magnéticos (paso 39). Mientras que la invención se ha descrito con respecto a un número limitado de encarnaciones, los expertos en la materia, teniendo beneficio de este descubrimiento, apreciarán que otras encarnaciones puedan ser concebidas que no desvían del ámbito de la invención según lo divulgado adjunto. Por consiguiente, el ámbito de la invención debe ser limitada solamente por las reivindicaciones añadidas.