RU2160457C2

RU2160457C2 - Process of generation of seismic waves

Info

Publication number: RU2160457C2
Application number: RU98122833A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Давыдов; А.А. Щербаков; Ю.А. Кухаренко; О.Ю. Маковская; И.А. Мещерякова
Original assignee: Московский государственный университет леса
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-12-10

Abstract

FIELD: seismic prospecting, sounding of lithosphere for oil and gas, sonar countermeasures. SUBSTANCE: broadening and mutual overlapping of energy levels of microparticles of deposit take place under stressed state caused by high pressure as well as by presence of impurity inclusions. Action of weak external wave field on deposit in frequency band of anomalous dissipative absorption of energy of vibration waves leads to deviation of system from equilibrium state. Hydrocarbon deposit transfers to excited state under action of mechanical vibration which results in relaxation vibration of system as whole. Generated frequency is controlled by change of starting conditions of stressed- equilibrium state. EFFECT: enhanced authenticity of seismic prospecting, possibility of generation of cophasal elastic waves. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к сейсморазведке и может найти применение при зондировании литосферы на нефть, газ, а также при противодействии гидроакустическим средствам. The invention relates to seismic exploration and may find application in sensing the lithosphere for oil, gas, as well as in counteracting hydroacoustic means.

Эффективная генерации сверхнизких сейсмических волн представляется сложной технической задачей: см., например, "Геофизические методы мониторинга природных сред", научный сборник АНСССР, М., 1991 г., институт общей физики, стр. 267-261. Efficient generation of ultralow seismic waves seems to be a difficult technical task: see, for example, “Geophysical Methods for Monitoring Natural Environments”, ANSSSR Scientific Collection, Moscow, 1991, Institute of General Physics, pp. 267-261.

Известен способ вибросейсморазведки в диапазоне десятков Гц, согласно которому для обеспечения синфазности излучения применяют группирование сейсмоисточников, режим которых определяется программой (см., например, патент США N 4.004.481, 1977 г., кл. G 01 V, 1/00 - аналог). Однако для управления группой вибраторов необходима система их синхронизации, причем ее использование не гарантирует точного управления суммарным волновым полем, т.к. в каждом случае нельзя учесть параметры грунтов, влияющих на параметры сейсмических волн. Известен способ введения зондирующего сигнала в грунт посредством вибрации массивной платформы, находящейся в контакте с грунтом в течение всего времени генерации колебаний (см., например, "Промышленные модули низкочастотного вибратора "Коноко" (LFV) в книге К.Уотерс "Отражательная сейсмология", перевод с англ. -М. : Мир, 1981 г., стр. 103-109, Система "Вибросейс" - аналог). Недостатками аналога являются:
- ограничения по частотному диапазону,
- сложность реализации системы механической фазовой компенсации между движением платформы и свип-генератором.There is a known method of vibro-seismic exploration in the range of tens of Hz, according to which a grouping of seismic sources, the mode of which is determined by the program (see, for example, US patent N 4.004.481, 1977, class G 01 V, 1/00 - analogue ) However, to control a group of vibrators, a synchronization system is necessary, and its use does not guarantee accurate control of the total wave field, because in each case, soil parameters affecting the parameters of seismic waves cannot be taken into account. There is a method of introducing a sounding signal into the ground by vibration of a massive platform that is in contact with the ground during the entire generation of oscillations (see, for example, "Industrial modules of the low-frequency vibrator" Konoko "(LFV) in the book by K. Waters" Reflective seismology ", translation from English - M.: Mir, 1981, pp. 103-109, System "Vibroseis" - analogue). The disadvantages of the analogue are:
- restrictions on the frequency range,
- the complexity of the implementation of the mechanical phase compensation system between the movement of the platform and the sweep generator.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является способ возбуждения вещества путем воздействия на него слабым электромагнитным полем (см., например, "Методы создания инверсии населенностей", Рубиновый лазер, в книге Большая советская энциклопедия, т.14, изд-во Сов. энц. 1973 г., стр. 107 - ближайший аналог). The closest analogue in technical essence to the claimed one is the method of excitation of a substance by exposure to it with a weak electromagnetic field (see, for example, “Methods of creating population inversion”, Ruby laser, in the book Great Soviet Encyclopedia, vol. 14, ed. Sov. Enz . 1973, p. 107 - the closest analogue).

В способе ближайшего аналога:
- выбирают активную среду, кристаллы розового рубина (Al₂O₃) с примесью ионов хрома (Gr⁺),
- воздействуют на среду электромагнитным полем в области синего, зеленого света от газоразрядной лампы вспышки,
- выделяют собственное излучение рубина, используя объемный резонатор открытого типа.In the closest analogue method:
- choose the active medium, crystals of pink ruby (Al ₂ O ₃ ) with an admixture of chromium ions (Gr ⁺ ),
- affect the environment by an electromagnetic field in the region of blue, green light from a gas discharge lamp of a flash,
- emit their own ruby radiation using an open type cavity resonator.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- ограничения по частотному диапазону областью видимого или ИК-излучения;
- невозможность непосредственного использования способа для генерации волновых колебаний иного рода, чем электромагнитные волны.The disadvantages of the closest analogue are:
- restrictions on the frequency range by the region of visible or infrared radiation;
- the inability to directly use the method to generate wave oscillations of a different kind than electromagnetic waves.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении генерации инфранизких упругих волн релаксирующими породами, насыщенными углеводородами, путем накачки их механическими виброволнами. The problem solved by the claimed method is to ensure the generation of infra-low elastic waves by relaxing rocks saturated with hydrocarbons by pumping them with mechanical vibrations.

Поставленная задача решается тем, что в способе генерации сейсмоволн, при котором выбирают вещество с примесными включениями составляющих, осуществляют накачку вещества внешним полем, выделяют собственное излучение вещества в объемном резонаторе, дополнительно создают подземное хранилище углеводородов, переводят углеводородное вещество избыточным давлением в напряженно-равновесное состояние, воздействуют на него внешним виброволновым полем в полосе аномально-диссипативного поглощения виброволн, регулируют генерируемую частоту изменением величины избыточного давления. The problem is solved in that in the method of generating seismic waves, in which a substance with impurity inclusions of the components is selected, the substance is pumped by an external field, the substance emits its own radiation in a volume resonator, an underground storage of hydrocarbons is additionally created, and the hydrocarbon substance is transferred by overpressure to a stress-equilibrium state act on it with an external vibrating microwave field in the band of abnormally dissipative absorption of vibration waves, regulate the generated frequency and change in overpressure.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет реализовать такие новые свойства заявляемого решения, как:
- техническую скрытность при гидроакустическом противодействии;
- достоверность разведки куполов нефтегазовых месторождений при их резонансном облучении,
- возможность генерации синфазных упругих волн.The listed set of essential features allows you to implement such new properties of the proposed solution, such as:
- technical secrecy during sonar counteraction;
- the reliability of the exploration of the domes of oil and gas fields during their resonant irradiation,
- the possibility of generating in-phase elastic waves.

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого технического решения, и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень". The analysis of known technical solutions in the studied and related fields allows us to conclude that there are no signs in them that coincide with the essential features of the proposed technical solution, and that the latter meets the criterion of "inventive step".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Распространение упругих волн в твердых и жидких телах связано с диссипацией или поглощением их энергии на "внутреннее" трение. Газоносные формации, при определенных параметрах зондирующих сигналов, обнаруживают аномально высокие коэффициенты диссипации. Наблюдается корреляционная зависимость между аномальным поглощением виброволн и наличием нефти и газа на трассе их распространения (см. , например, К.Уотерс, "Отражательная сейсмология", перевод с англ. -М.: Мир, 1981 г., стр. 244). The technical essence of the invention is as follows. The propagation of elastic waves in solids and liquids is associated with the dissipation or absorption of their energy by "internal" friction. Gas-bearing formations, with certain parameters of sounding signals, exhibit abnormally high dissipation coefficients. There is a correlation between the abnormal absorption of the vibrational waves and the presence of oil and gas along the path of their propagation (see, for example, K. Waters, Reflective Seismology, translated from English-M.: Mir, 1981, p. 244).

Углеводородная залежь - объект высокой концентрации напряжений. По своему химическому составу естественные углеводороды ближе к полимерам, имеющим длинноцепочечное строение молекул. В напряженном состоянии, обусловленном высоким давлением, а также при наличии примесных включений, происходит уширение и взаимное перекрытие разрешенных энергетических уровней микрочастиц залежи. Это означает, что в спектрах излучения и поглощения энергии напряженных углеводородов, связанных условиями геологической среды месторождений, преобладают линии низкочастотных спектров. Воздействие на залежь слабого внешнего волнового поля, в полосе частот аномального диссипативного поглощения энергии виброволн, приводит к отклонению системы от равновесного состояния. Под воздействием механической вибрации углеводородная залежь переходит в возбужденное состояние, что приводит к релаксационным колебаниям системы в целом (см. , например, Большая Советская Энциклопедия, 1978 г., "Релаксация", т. 21, стр. 621-623). A hydrocarbon reservoir is an object of high stress concentration. In their chemical composition, natural hydrocarbons are closer to polymers having a long-chain molecular structure. In the stress state due to high pressure, as well as in the presence of impurity inclusions, broadening and mutual overlapping of the allowed energy levels of the microparticles of the deposit occur. This means that low-frequency spectral lines dominate in the emission and energy absorption spectra of stressed hydrocarbons associated with the conditions of the geological environment of deposits. The impact on the reservoir of a weak external wave field, in the frequency band of the abnormal dissipative absorption of vibrational energy, leads to a deviation of the system from the equilibrium state. Under the influence of mechanical vibration, the hydrocarbon deposit becomes excited, which leads to relaxation vibrations of the system as a whole (see, for example, Big Soviet Encyclopedia, 1978, Relaxation, vol. 21, p. 621-623).

Как и в полимерах, колебательные процессы, обусловленные длинноцепочечным строением вещества, носят надмолекулярный характер. Собственное излучение инфранизких волн углеводородной залежью зарегистрировано на десятках промышленных месторождениях, на различных глубинах залегания в диапазоне от 0,7 до 5,5 км при их зондировании серийными вибраторами типа CB-51/ /150, CB-10/100. При этом уровень собственного излучения превосходит уровень сейсмического фона более чем на порядок. Результаты экспериментальных измерений инфранизких волн различных залежей, полученных в ходе полевых геологоразведочных работ за период 1992...1997 гг., сведены в табл. 1 (см., например, Отчет по НИР N A-3/94, "O результатах опытно-методических работ" по разработке теоретических основ, аппаратуры, технологии применения программных средств обработки и методики интерпретации данных низкочастотной акустической разведки", Комитет по использованию недр Оренбургской обл., НПП "Анчар", г. Оренбург 1996 г.). As in polymers, the vibrational processes due to the long chain structure of the substance are supramolecular in nature. Own emission of infra-low waves by a hydrocarbon deposit was recorded at dozens of industrial fields, at various depths ranging from 0.7 to 5.5 km when they were probed with serial vibrators of the CB-51 / / 150, CB-10/100 type. In this case, the level of intrinsic radiation exceeds the level of seismic background by more than an order of magnitude. The results of experimental measurements of infra-low waves of various deposits obtained during field exploration for the period 1992 ... 1997, are summarized in table. 1 (see, for example, Research Report N A-3/94, "On the Results of Experimental and Methodological Work" on the Development of Theoretical Foundations, Equipment, Technology for Using Processing Software and Interpretation Methods for Low-Frequency Acoustic Intelligence Data ", Subsoil Use Committee Orenburg region, NPP "Anchar", Orenburg 1996).

Полоса частот генерируемых колебаний зависит от пластикового давления. Чем выше пластовое давление, тем выше средняя температура равновесного состояния вещества и выше излучаемая частота. Диапазон генерируемых частот отечественных месторождений составляет от 2,1 до 4,5 Гц. The frequency band of the generated oscillations depends on the plastic pressure. The higher the reservoir pressure, the higher the average temperature of the equilibrium state of the substance and the higher the emitted frequency. The frequency range of domestic fields is from 2.1 to 4.5 Hz.

Для выявления скрытых закономерностей между микропоказателями квантовых переходов частиц вещества и макрохарактеристиками процесса генерации инфраволн использованы данные табл. 1 при условии, что в исходном состоянии система находилась в термодинамическом равновесии. Распределение частиц вещества по энергетическим уровням для равновесных термодинамических процессов подчиняется статистике Больцмана. Вероятность P(m, n.) перехода таких систем из равновесного в возбужденное состояние характеризуется функцией вида:

где T - среднее время жизни частицы в возбужденном состоянии;
D - эквивалентный дипольный момент взаимодействия поля с веществом;
Δω - эффективная ширина полосы взаимодействия поля с веществом Δω = ω_н-ω_г;
ω_н - частота внешнего виброполя накачки;
ω_г - собственная частота генерируемых колебаний залежью.To reveal hidden patterns between the micro-indicators of quantum transitions of particles of a substance and the macro-characteristics of the process of generating infra-waves, the data in Table 1 were used. 1 provided that in the initial state the system was in thermodynamic equilibrium. The distribution of particles of matter by energy levels for equilibrium thermodynamic processes obeys Boltzmann statistics. The probability P (m, n.) Of the transition of such systems from the equilibrium to the excited state is characterized by a function of the form:

where T is the average lifetime of a particle in an excited state;
D is the equivalent dipole moment of field interaction with matter;
Δω is the effective width of the band of interaction of the field with the substance Δω = ω _n -ω _g ;
ω _n is the frequency of the external pump vibration field;
ω _g is the natural frequency of the generated oscillations by the reservoir.

Как всякую резонансную систему, углеводородную залежь можно характеризовать временем установления τ_уст (затухания) колебаний. Процесс установления (затухания) колебаний иллюстрируется фиг. 1. Для резонансной системы справедливо соотношение:

Приравнивая время установления к времени релаксации, вычислено, что качество углеводородной залежи как резонансной системы составляет 6...15.Like any resonant system, a hydrocarbon reservoir can be characterized by the time of establishment of τ _mouth (attenuation) of oscillations. The process of establishing (damping) the oscillations is illustrated in FIG. 1. For a resonant system, the relation:

Comparing the settling time to the relaxation time, it was calculated that the quality of the hydrocarbon deposit as a resonance system is 6 ... 15.

Поскольку время жизни частиц (T) в возбужденном состоянии является случайным, а вероятности квантовых переходов с нижнего уровня на верхний и обратно равны (R_m,n = P_n,m), то время релаксации УВ после отключения источника накачки следует принимать равным интервалу распределения этом случайной величины. Из фактически зарегистрированных данных (табл. 1), время релаксационных колебаний по различным месторождениям составляет 5-8 с. Релаксационные процессы подчиняются экспоненциальному закону распределения вероятностей:

Функция распределения W(t) времени жизни частиц в возбужденном состоянии представлена графиком фиг. 1. Из экспоненциальной зависимости W(t), с вероятностью близкой к единице (P = 0,995), следует, что среднее время жизни частиц в возбужденном состоянии составляет T∈ [0,55...0,95] с. Тогда расчетная эффективная полоса взаимодействия внешнего поля накачки с углеводородной залежью по всему исследованному классу отечественных месторождений составит на уровне 0,5 от max от 2 до 3,5 Гц, на уровне 0,1 от max 10...17,5 Гц. График функции взаимодействия P_m,n (T) для различных начальных условий напряженно-равновесного состояния иллюстрируется фиг. 2.Since the particle lifetime (T) in the excited state is random, and the probabilities of quantum transitions from the lower to the upper level and back are equal (R _{m, n} = P _{n, m} ), the relaxation time of the shock wave after switching off the pump source should be taken equal to the distribution interval this random variable. From the actually recorded data (Table 1), the relaxation time for various deposits is 5-8 s. Relaxation processes obey the exponential law of probability distribution:

The distribution function W (t) of the particle lifetime in the excited state is represented by the graph of FIG. 1. From the exponential dependence W (t), with a probability close to unity (P = 0.995), it follows that the average particle lifetime in the excited state is T∈ [0.55 ... 0.95] s. Then, the calculated effective interaction band of the external pumping field with the hydrocarbon reservoir throughout the studied class of domestic fields will be at the level of 0.5 from max from 2 to 3.5 Hz, at the level of 0.1 from max 10 ... 17.5 Hz. The graph of the interaction function P _{m, n} (T) for various initial conditions of the stress-equilibrium state is illustrated in FIG. 2.

Изменяя начальные условия напряженно-равновесного состояния: давление в хранилище, состав компонентов (нефть, газ, конденсат), минерализацию вещества, регулируют собственную частоту генерируемых колебаний. Changing the initial conditions of the stress-equilibrium state: the pressure in the storage, the composition of the components (oil, gas, condensate), the mineralization of the substance, regulate the natural frequency of the generated oscillations.

Пример реализации. Implementation example.

Заявляемый способ может быть реализован на базе средства по схеме фиг. 3. Устройство, реализующее способ, содержит подземное хранилище (объемный резонатор) 1 с закаченным в него углеводородным веществом 2 через скважину 3 под давлением турбонасосного агрегата 4 от продуктопровода 5. Вибровозбуждение вещества осуществляется от серийного поверхностного вибратора 6 типа CB-5/150. В качестве средства регулирования давления в хранилище 1 путем закачки или откачки углеводородного вещества и с одновременным контролем величины создаваемого давления используют промышленные установки типа турбонасосных агрегатов 4, выполненных по схеме (см., например, "Космонавтика", энциклопедия под редакцией В.П.Глушко, Сов. энц., М., 1965 г., Турбонасосный агрегат, стр. 409-410). Энергия собственных упругих колебаний, возникающих в хранилище, как в объемном резонаторе открытого типа, через стенки хранилища передается прилегающим породам 7 и распространяется от источника (хранилища) по сферическому закону. Производительность акустического источника определяется площадью излучающей сферы и скоростью колебаний. Таким образом, излучаемая мощность связана с массой возбужденного вещества и площадью поверхности хранилища. Для повышения эффективности накачки целесообразно использовать виброисточник, помещаемый непосредственно в вещество хранилища. В качестве виброисточников накачки могут быть применены резинокордорвые оболочки, заполненные жидкостью, газом, находящиеся под пульсирующим давлением (см., например, "Резинокордовые оболочки", в книге "Геофизические методы мониторинга природных сред", АН СССР, научный сборник, М., 1991 г., стр. 296 - 297). The inventive method can be implemented on the basis of the means according to the scheme of FIG. 3. The device that implements the method contains an underground storage (volume resonator) 1 with hydrocarbon substance 2 injected into it through a well 3 under the pressure of a turbopump unit 4 from a product pipeline 5. The substance is excited from a serial surface vibrator 6 of type CB-5/150. As a means of regulating the pressure in storage 1 by pumping or pumping out a hydrocarbon substance and simultaneously controlling the magnitude of the generated pressure, industrial plants are used, such as turbopump units 4, made according to the scheme (see, for example, Cosmonautics, encyclopedia edited by V.P. Glushko , Sov. Enz., M., 1965, Turbopump assembly, pp. 409-410). The energy of natural elastic vibrations arising in the storage, as in an open type cavity resonator, is transmitted to adjacent rocks 7 through the storage walls and propagates from the source (storage) according to the spherical law. The performance of an acoustic source is determined by the area of the emitting sphere and the oscillation speed. Thus, the radiated power is related to the mass of the excited substance and the surface area of the storage. To increase the pumping efficiency, it is advisable to use a vibration source placed directly in the storage substance. As vibro-sources of pumping, rubber-cord-shaped shells filled with liquid, gas, and pulsating pressures can be used (see, for example, “Rubber-cord shells,” in the book “Geophysical Methods for Monitoring Environmental Media”, USSR Academy of Sciences, scientific collection, M., 1991 g., pp. 296 - 297).

При резонансном возбуждении и качестве углеводородного вещества Q = 10.. . 16 расчетное значение амплитуды генерируемых волн превосходит амплитуду виброволн накачки более чем на порядок. With resonant excitation and the quality of a hydrocarbon substance, Q = 10 ... 16, the calculated value of the amplitude of the generated waves exceeds the amplitude of the pumping waves by more than an order of magnitude.

Claims

A method for generating seismic waves, in which a substance with impurity inclusions of components is selected, the substance is pumped by an external field, the radiation of the substance is extracted in a volume resonator, characterized in that an underground storage of hydrocarbons is created as a volume resonator and a substance, before transferring the external field, the hydrocarbon substance is transferred excess pressure in the stress-equilibrium state, they are affected by an external vibrating microwave field in the band of abnormally dissipative vibration absorption EMA, wherein the generated frequency is controlled by changing the excess pressure.