RU2634488C1 - Method of remote searching indicator substances of oil-gas hydrocarbons - Google Patents

Method of remote searching indicator substances of oil-gas hydrocarbons Download PDF

Info

Publication number
RU2634488C1
RU2634488C1 RU2016143277A RU2016143277A RU2634488C1 RU 2634488 C1 RU2634488 C1 RU 2634488C1 RU 2016143277 A RU2016143277 A RU 2016143277A RU 2016143277 A RU2016143277 A RU 2016143277A RU 2634488 C1 RU2634488 C1 RU 2634488C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
indicator substances
laser
wavelengths
substances
oil
Prior art date
Application number
RU2016143277A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Михайлович ПРИЩЕПА
Александр Алексеевич Ильинский
Павел Александрович Моргунов
Александр Павлович Жевлаков
Сергей Васильевич Кащеев
Original Assignee
Акционерное общество "Всероссийский нефтяной научно-исследовательский геологоразведочный институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Всероссийский нефтяной научно-исследовательский геологоразведочный институт" filed Critical Акционерное общество "Всероссийский нефтяной научно-исследовательский геологоразведочный институт"
Priority to RU2016143277A priority Critical patent/RU2634488C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2634488C1 publication Critical patent/RU2634488C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/02Prospecting

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: surface to be examined is scanned by means of a solid-state laser (1) mounted on the carrier, radiating in one beam synchronously or with tuning on three discrete generation wavelengths in the infrared, visible and ultraviolet regions of the spectrum. The signals at anti-Stokes frequencies in Raman scattering are received and processed. According to the obtained measurements, the quantitative and qualitative composition of the specified indicator substances of hydrocarbon gases that are fixed according to their spectra incorporated into the database of the computer processing program, is selected and determined. The spectral image is differentiated from the specified indicator substances. The obtained and processed data are displayed in the form of maps of indicator substance halo distribution with allocation of spatial anomalous zones.
EFFECT: expanding the functionality, increasing the reliability of search.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска месторождений нефти и газа, а также для геоэкологического мониторинга с целью обнаружения утечек на нефте- и газопроводах.The invention relates to the field of geophysics and can be used to search for oil and gas fields, as well as for geoecological monitoring in order to detect leaks in oil and gas pipelines.

Заявляемый способ применим как для исследования территорий, так и для исследования морских акваторий, ввиду этого в ряде случаев применена обобщающая формулировка - подстилающая поверхность (суша, акватория, дно акватории). Если нет специальных оговорок, термин «приземный слой атмосферы» распространяется и на слой атмосферы над водной поверхностью.The inventive method is applicable both for the study of territories, and for the study of marine water areas, because of this, in some cases, a generalization is used - the underlying surface (land, water area, the bottom of the water area). Unless otherwise specified, the term “surface layer of the atmosphere” extends to the layer of the atmosphere above the water surface.

Дистанционные и, в частности, оптические методы химического анализа газовых сред являются весьма перспективными для поиска месторождений полезных ископаемых, они способны решать задачи, не доступные для классических методов поиска.Remote and, in particular, optical methods for chemical analysis of gaseous media are very promising for the search for mineral deposits, they are able to solve problems that are not available for classical search methods.

Из уровня техники известен способ дистанционного поиска новых месторождений нефти и газа [Патент на изобретение RU 2498358, опубл. 10.11.2013]. Способ основан на дистанционном оптическом газовом анализе с помощью лидара. В процессе газового анализа осуществляют сканирование исследуемой поверхности лазерным лучом, формируют спектральное изображение набора химических компонентов в приземном слое атмосферы и осуществляют пространственную селекцию спектрального изображения местности по заданным индикаторным веществам. Далее сопоставляют зарегистрированные газовые компоненты с составом эталонной смеси углеводородных компонентов, соответствующей географическому положению местности и месторождения, проводят картирование местности с пространственной дифференциацией по рельефу полученного спектрального изображения зондируемой местности и выделяют на карте спектрального изображения районы достоверного залегания углеводородов. К сожалению, в описании к патенту не раскрыты условия и параметры лазерного зондирования, однако сказано, что это одна из составляющих комплексного исследования, включающего также геологическую съемку и сейсмическую съемку. В описании к патенту указано на то, что описанная лазерная съемка является исследованием, предваряющим наземные исследования (сейсмические), или может быть использована для отбраковки ловушек, выявленных в результате сейсморазведочных работ.The prior art method for remote search for new oil and gas fields [Patent for the invention RU 2498358, publ. 11/10/2013]. The method is based on remote optical gas analysis using a lidar. In the process of gas analysis, a test surface is scanned with a laser beam, a spectral image of a set of chemical components in the surface layer of the atmosphere is formed, and spatial spectral image of the area is selected by specified indicator substances. Next, the registered gas components are compared with the composition of the reference mixture of hydrocarbon components corresponding to the geographical position of the terrain and the field, terrain mapping is performed with spatial differentiation according to the relief of the obtained spectral image of the probed terrain, and areas of reliable hydrocarbon occurrence are selected on the spectral image map. Unfortunately, the conditions and parameters of laser sensing are not disclosed in the patent description, however, it is said that this is one of the components of a comprehensive study, which also includes geological surveying and seismic surveying. In the description of the patent it is indicated that the described laser survey is a study prior to ground surveys (seismic), or can be used to reject traps identified as a result of seismic surveys.

Известен способ дистанционного количественного обнаружения утечек флюида в трубопроводе природного газа или нефти, описанный в патенте - RU 2362986, опубл. 27.07.2009, основанный на использовании двух и более лазеров разной длины волны, установленных на одной бортовой платформе. Также в патенте есть указание на то, что способ может использоваться для разведки нефти/газа и других природных ресурсов. Описанное в патенте лазерное сканирование реализовано по принципу дифференциального поглощения. Применение в системе сканирования нескольких лазеров усложняет зондирование подстилающей поверхности на наклонных трассах и в целом систему управления ими, приводит к длительному по времени процессу регистрации и распознавания обнаруженных веществ в количестве более одного, практически исключает проведение экспресс-анализа многокомпонентой среды. Для обнаружения даже небольшой группы индикаторных веществ требуются перенастройки в процессе измерений. Все это делает описанную в патенте RU2362986 технологию малоэффективной для поисков месторождений нефти и газа.A known method for the remote quantitative detection of fluid leaks in a pipeline of natural gas or oil, described in the patent - RU 2362986, publ. 07/27/2009, based on the use of two or more lasers of different wavelengths installed on one onboard platform. Also in the patent there is an indication that the method can be used for exploration of oil / gas and other natural resources. The laser scanning described in the patent is implemented according to the principle of differential absorption. The use of several lasers in the scanning system complicates the sensing of the underlying surface on inclined paths and, in general, the control system for them, leads to a time-consuming process of registration and recognition of detected substances in an amount of more than one, and virtually eliminates the express analysis of a multicomponent medium. To detect even a small group of indicator substances, reconfiguration is required during the measurement process. All this makes the technology described in patent RU2362986 ineffective for prospecting for oil and gas fields.

Аналогичная система с несколькими перенастраиваемыми лазерами описана в патенте RU 2411503, опубл. 10.02.2011. Длины волн генерации лазеров соответствуют линиям поглощения определяемых веществ. Таким образом, для обнаружения и количественной оценки нескольких индикаторных веществ при реализации описанного в патенте способа требуется соответствующее количество лазеров.A similar system with several tunable lasers is described in patent RU 2411503, publ. 02/10/2011. The laser wavelengths correspond to the absorption lines of the substances being determined. Thus, for the detection and quantification of several indicator substances when implementing the method described in the patent, an appropriate number of lasers is required.

В качестве прототипа выбран способ авиационного зондирования атмосферы с целью разведки месторождений природного газа [Хабаров В.А. и Попов Д.В. Авиационное зондирование атмосферы с целью разведки месторождений природного газа - как перспективный метод автоматизированного поиска газовых месторождений в приземном слое. - Журнал "Технические науки - от теории к практике". - Выпуск №1 (38) / 2015, опубликована в сети Интернет: http://cyberleninka.ru/article/n/aviatsionnoe-zondirovanie-atmosfery-s-tselyu-razvedki-mestorozhdeniy-prirodnogo-gaza-kak-perspektivnyy-metod-avtomatizirovannogo#ixzz46AII4rW2]. Описанный в статье способ основан на лазерном зондировании слоя атмосферы с регистрацией излучения рассеянного отражения поверхностью. Способ реализуется с применением двух гелий-неоновых лазеров и оптической системы. Использование совпадения длины волны генерации лазеров вблизи 3,39 мкм с линией поглощения метана обосновывается тем, что в данной области отсутствует наложение спектров поглощения обычных атмосферных газов. В качестве источника излучения в передающем блоке используют два лазерных генератора с усилителями, настроенными на длины волн λ1=3.3922 мкм и λ2=3.3912 мкм выходные мощности, соответственно, 10 мВт и 5 мВт. Зондирование осуществляют последовательностью чередующихся квазипрямоугольных импульсов по двум длинам волн и отличающихся по амплитуде. Частота модуляций 3400 Гц. Часть излучения используется для синхронизации работы приемопередающего тракта.As a prototype, the method of airborne sounding of the atmosphere for the purpose of exploration of natural gas fields [Khabarov V.A. and Popov D.V. Airborne sounding of the atmosphere for the purpose of exploring natural gas deposits is a promising method for the automated search for gas deposits in the surface layer. - The journal "Engineering - from theory to practice." - Issue No. 1 (38) / 2015, published on the Internet: http://cyberleninka.ru/article/n/aviatsionnoe-zondirovanie-atmosfery-s-tselyu-razvedki-mestorozhdeniy-prirodnogo-gaza-kak-perspektivnyy-metod -avtomatizirovannogo # ixzz46AII4rW2]. The method described in the article is based on laser sensing of an atmospheric layer with registration of scattered reflection radiation by the surface. The method is implemented using two helium-neon lasers and an optical system. The use of the coincidence of the laser generation wavelength near 3.39 μm with the methane absorption line is justified by the fact that in this region there is no overlap of the absorption spectra of ordinary atmospheric gases. As a radiation source in the transmitting unit, two laser generators with amplifiers tuned to wavelengths λ 1 = 3.3922 μm and λ 2 = 3.3912 μm use output powers of 10 mW and 5 mW, respectively. Sounding is carried out by a sequence of alternating quasi-rectangular pulses at two wavelengths and differing in amplitude. The modulation frequency is 3400 Hz. Part of the radiation is used to synchronize the operation of the transceiver path.

Одна из указанных длин волн (λ1) совпадает с резонансной длиной волны поглощения метана, а другая (λ2), опорная, находится вне спектра его поглощения. Особое требование предъявляется к стабилизации длин волн зондирующего лазерного излучения в процессе зондирования и измерения. Сравнение двух сигналов после регистрации собранного приемным объективом излучения позволяет фиксировать лишь факт присутствия метана в зондируемом поле вдоль оптического пути. В статье это не отмечено, но для специалиста в данной области, очевидно, что одновременно с лазерными измерениями осуществляется картирование с применением спутниковой навигационной системы, но при этом не отображается распределение концентраций на поверхности. В то же время зондирование пространства осуществляют лишь по одной угловой координате (например, в случае с платформой летательного аппарата зондирование подстилающей поверхности осуществляется в надир), то есть без широкоугольного сканирования лазерным излучением. Основным недостатком прототипа является необходимость применения 2-х лазеров, а соответственно, применение сложной системы синхронизации. Кроме того, широкие полосы поглощения атмосферными парами воды и углекислым газом не позволяют обнаруживать компоненты, имеющие собственные полосы поглощения в этих же спектральных интервалах. Описанный в патенте способ пригоден для регистрации лишь тех веществ, линии поглощения которых совпадают с длинами волны зондирующего лазера. Существенный недостаток прототипа связан с невозможностью синхронной (одновременной) регистрации более одного газового компонента, что затрудняет анализ состава многокомпонентной среды.One of the indicated wavelengths (λ 1 ) coincides with the resonance absorption wavelength of methane, and the other (λ 2 ), the reference one, is outside the spectrum of its absorption. A special requirement is to stabilize the wavelengths of the probe laser radiation during sensing and measurement. Comparison of two signals after recording the radiation collected by the receiving lens allows us to record only the fact of the presence of methane in the probed field along the optical path. This is not noted in the article, but for a specialist in this field, it is obvious that mapping with the use of a satellite navigation system is carried out simultaneously with laser measurements, but the distribution of concentrations on the surface is not displayed. At the same time, the sounding of the space is carried out only in one angular coordinate (for example, in the case of the aircraft platform, the underlying surface is probed in nadir), that is, without wide-angle scanning by laser radiation. The main disadvantage of the prototype is the need to use 2 lasers, and, accordingly, the use of a complex synchronization system. In addition, wide absorption bands by atmospheric water vapor and carbon dioxide do not allow the detection of components having intrinsic absorption bands in the same spectral ranges. The method described in the patent is suitable for recording only those substances whose absorption lines coincide with the wavelengths of the probe laser. A significant disadvantage of the prototype is associated with the impossibility of synchronous (simultaneous) registration of more than one gas component, which complicates the analysis of the composition of a multicomponent medium.

В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств и создание нового способа дистанционного поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов, позволяющий при зондировании одним лазером одновременно регистрировать широкий набор газов и непосредственно измерять абсолютные значения концентраций химических веществ без изменения состава и режима аппаратуры. Достигаемый технический результат - получение спектрального портрета подстилающей поверхности путем идентификации массива химических веществ, регистрация и измерение предельно малых концентраций выявленных индикаторов углеводородных месторождений (до 10-20 млрд-1 тяжелых углеводородов).The basis of the invention is the task of expanding the arsenal of tools and creating a new method for remote search for indicator substances of the manifestations of oil and gas hydrocarbons, which, when probing with one laser, can simultaneously register a wide range of gases and directly measure the absolute values of the concentrations of chemicals without changing the composition and mode of the equipment. Achievable technical result - obtaining a spectral portrait of the underlying surface by identifying an array of chemicals, recording and measuring extremely low concentrations of identified indicators of hydrocarbon deposits (up to 10-20 billion -1 heavy hydrocarbons).

Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ дистанционного поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов основан на анализе состава среды над подстилающей поверхности и реализуется с использованием лазерного аппаратурного комплекса, установленного на борту носителя, например авианосителя. При анализе состава среды осуществляют сканирование исследуемой поверхности лазерным лучом, принимают и обрабатывают сигналы антистоксового комбинационного рассеяния, по полученным измерениям селектируют и определяют количественный и качественный состав заданных индикаторных веществ углеводородных газов, фиксируемых по их спектрам, которые заложены в базу данных компьютерной программы обработки, и проводят дифференцирование спектрального изображения по заданным индикаторным веществам. Полученные и обработанные данные отображаются в виде карт распространения ореолов индикаторных веществ с выделением пространственных аномальных зон. Для сканирования используют твердотельный лазер, излучающий в одном луче синхронно или с перестройкой на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.The problem is solved in that the claimed method of remote search for indicator substances of the manifestations of oil and gas hydrocarbons is based on the analysis of the composition of the medium above the underlying surface and is implemented using a laser hardware complex installed on board the carrier, for example an aircraft carrier. When analyzing the composition of the medium, the surface under study is scanned with a laser beam, anti-Stokes Raman scattering signals are received and processed, and the quantitative and qualitative composition of the specified indicator substances of hydrocarbon gases recorded by their spectra, which are stored in the database of the computer processing program, is determined and determined by the obtained measurements, and differentiate the spectral image according to the specified indicator substances. The obtained and processed data are displayed in the form of maps of the distribution of halos of indicator substances with the allocation of spatial anomalous zones. For scanning, a solid-state laser is used, emitting in one beam synchronously or with tuning at three discrete wavelengths of generation in the infrared, visible and ultraviolet regions of the spectrum.

В предпочтительной реализации сканирование подстилающей поверхности осуществляют в угловом поле от -10° до +10° одним лазерным лучом на длинах волн генерации: λ1=1047 нм, λ2=523.5 нм и λ3=261.7 нм, - при расходимости луча 1.0-1.5 мрад в импульсно-периодическом режиме при длительности импульса 10 нс с частотой повторения импульсов 200 Гц и энергией излучения Pλ для упомянутых длин волн λ1, λ2, λ3 генерации, соответственно, мДж: Рλ1=150, Рλ2=70 и Рλ3=30.In a preferred implementation, the scanning of the underlying surface is carried out in an angular field from -10 ° to + 10 ° with a single laser beam at the generation wavelengths: λ 1 = 1047 nm, λ 2 = 523.5 nm and λ 3 = 261.7 nm, with a beam divergence of 1.0- 1.5 mrad in a pulse-periodic mode with a pulse duration of 10 ns with a pulse repetition rate of 200 Hz and a radiation energy P λ for the mentioned generation wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , respectively, mJ: P λ1 = 150, P λ2 = 70 and P λ3 = 30.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Для съемки лицензионного участка используется самолетный или вертолетный лидар, оснащенный GPS-приемником, устройством определения ориентации авианосителя по углам крена, тангажа и рысканья и бортовым компьютером для регистрации и обработки информационных сигналов и навигационной информации, привязанных к единой шкале времени. Программное обеспечение содержит базу данных спектров индикаторных веществ (ИВ) проявлений нефтегазовых углеводородов (от 5 до 20 ИВ - этан, метан, пропан, бутан, другие газы из ряда алканов и их изомеры), а также атмосферного азота. Высота полета составляет от 100 до 5000 метров. Облет выбранного участка осуществляют по сетке профилей.To capture the licensed area, an airplane or helicopter lidar is used, equipped with a GPS receiver, a device for determining the orientation of the aircraft carrier by the roll, pitch and yaw angles and an on-board computer for recording and processing information signals and navigation information linked to a single time scale. The software contains a database of spectra of indicator substances (VI) of manifestations of oil and gas hydrocarbons (from 5 to 20 VI - ethane, methane, propane, butane, other gases from a number of alkanes and their isomers), as well as atmospheric nitrogen. The flight altitude is from 100 to 5000 meters. Circling of the selected area is carried out on a grid of profiles.

Реализацию способа иллюстрирует фигура, на которой представлена структурная схема аппаратного комплекса лазерного сканирования нефтегазовых месторождений.The implementation of the method is illustrated by the figure, which shows a structural diagram of a hardware complex for laser scanning of oil and gas fields.

На фигуре обозначено: 1 - твердотельный лазер, 2 - основное зеркало, 3 - вторичное зеркало в телеобъективе, вместе 2 и 3 - входной телескопический объектив, 4 - полихроматор, 5 - зеркало, 6 - оптический фильтр, 7 - полупрозрачная пластина, 8 - система зеркал, 9 - детектор, 10 - фотоприемное устройство (на базе ПЗС матрицы), 11 - сканирующее зеркало, 12 - программно-аппаратный модуль.The figure indicates: 1 - a solid-state laser, 2 - a primary mirror, 3 - a secondary mirror in a telephoto lens, together 2 and 3 - an input telescopic lens, 4 - a polychromator, 5 - a mirror, 6 - an optical filter, 7 - a translucent plate, 8 - mirror system, 9 — detector, 10 — photodetector (based on a CCD), 11 — scanning mirror, 12 — firmware module.

Излучение твердотельного лазера 1 на трех дискретных длинах волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазона спектра системой зеркал 8 совмещается с осью входного телескопического объектива 2, 3 приемного канала, попадает на сканирующее зеркало и направляется на зондируемую область подстилающей поверхности. Часть излучения лазера через полупрозрачную пластину 7 и зеркало 5 направляется на детектор 9, который служит для контроля мощности излучения лазера и выдает импульс синхронизации, запускающий программно-аппаратный модуль 12. Комбинационное рассеянное компонентами подстилающей поверхности излучение, фокусируется телескопическим объективом 2, 3 через фильтр 6 на входную щель полихроматора 4. Выделенные полихроматором 4 участки спектра, соответствующие антистоксовым компонентам комбинационного рассеяния, регистрируются фотоприемным устройством 10 и поступают в программно-аппаратный модуль 12. Результатом работы модуля 12 является идентификация индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов, расчет пространственного распределения концентрации веществ в аномальном облаке и хранение данных о геохимическом составе многокомпонентной среды в исследованной области.The radiation of a solid-state laser 1 at three discrete wavelengths of the infrared, visible, and ultraviolet spectral ranges by a system of mirrors 8 is combined with the axis of the input telescopic objective 2, 3 of the receiving channel, hits a scanning mirror, and is directed to the probed area of the underlying surface. A part of the laser radiation is transmitted through a translucent plate 7 and a mirror 5 to the detector 9, which serves to control the laser radiation power and generates a synchronization pulse that starts the hardware-software module 12. The combination radiation scattered by the components of the underlying surface is focused by a telescopic lens 2, 3 through the filter 6 to the entrance slit of the polychromator 4. The spectral regions selected by the polychromator 4 corresponding to the anti-Stokes components of Raman scattering are recorded by a photodetector oystvom 10 and fed to the hardware and software module 12. The result of unit 12 is the identification of test substances manifestations petroleum hydrocarbons, calculation of the spatial distribution of the concentration of substances in the abnormal cloud and storage of data on the composition of a multicomponent geochemical environments in the investigated area.

Для сканирования используют твердотельный лазер, излучающий в одном луче (вдоль одной оптической оси) синхронно или с перестройкой на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В предпочтительной реализации сканирование подстилающей поверхности осуществляют в угловом поле от -10° до +10° на лазерных длинах волн: λ1=1047 нм, λ2=523.5 нм и λ3=261.7 нм, - при расходимости луча 1.0-1.5 мрад в импульсно-периодическом режиме при длительности импульса 10 нс с темпом следования импульсов 200 Гц и энергией излучения Рλ для упомянутых длин волн λ1, λ2, λ3 генерации, соответственно, мДж: Рλ1=150, Рλ2=70 и Рλ3=30.For scanning, a solid-state laser is used that emits in one beam (along one optical axis) synchronously or with tuning at three discrete generation wavelengths in the infrared, visible and ultraviolet regions of the spectrum. In a preferred implementation, the scanning of the underlying surface is carried out in an angular field from -10 ° to + 10 ° at laser wavelengths: λ 1 = 1047 nm, λ 2 = 523.5 nm and λ 3 = 261.7 nm, with a beam divergence of 1.0-1.5 mrad pulse-periodic mode with a pulse duration of 10 ns with a pulse repetition rate of 200 Hz and a radiation energy of P λ for the mentioned generation wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , respectively, mJ: P λ1 = 150, P λ2 = 70 and P λ3 = 30.

В лидарном аппаратном комплексе, работающем по методу комбинационного рассеяния, отношение мощности лидарного сигнала от любого индикаторного вещества к его концентрации пропорционально отношению мощности сигнала от атмосферного азота (N2) к его концентрации соответственно. Измерив мощность сигнала от азота Pt, соответствующую известной концентрации Nt, а также мощность сигнала от исследуемого вещества Ps, определяют его концентрацию согласно формуле:

Figure 00000001
.In the lidar apparatus complex operating by the Raman scattering method, the ratio of the lidar signal power from any indicator substance to its concentration is proportional to the ratio of the signal power from atmospheric nitrogen (N 2 ) to its concentration, respectively. By measuring the signal power from nitrogen P t corresponding to the known concentration N t , as well as the signal power from the test substance P s , determine its concentration according to the formula:
Figure 00000001
.

Поиски индикаторных веществ (ИВ) потенциального месторождения нефти проводились на площади 90 кв. км способом дистанционного поиска, основанном на анализе среды на подстилающей поверхности и были реализованы с использованием лазерного аппаратурного комплекса лидар, установленного на борту вертолета МИ-8. Поисковая съемка выполнялась по системе параллельных профилей, проложенных в субширотном направлении, протяженностью 10 км и расстоянием между профилями 500 м. Высота полетов на рабочих маршрутах определялась рельефом местности и составляла от 150 до 200 метров.The search for indicator substances (VI) of a potential oil field was carried out on an area of 90 square meters. km using the remote search method based on the analysis of the medium on the underlying surface and were implemented using a laser instrument complex lidar mounted on board the MI-8 helicopter. Search survey was carried out according to a system of parallel profiles, laid in the sub-latitudinal direction, with a length of 10 km and a distance between profiles of 500 m. The altitude of flights on the working routes was determined by the terrain and ranged from 150 to 200 meters.

Анализ состава многокомпонентной среды на подстилающей поверхностью осуществлялся сканированием лазерного луча на следующие ИВ УВГ: метан, этан, пропан и бутан, спектры которых внесены в базу программы аппаратурного комплекса лидар. Сканирование подстилающей поверхности осуществлялось в угловом поле от -10° до +10° одним лазерным лучом на длинах волн генерации: λ1=1047 нм, λ2=523.5 нм и λ3=261.7 нм, - при расходимости луча 1.0-1.5 мрад в импульсно-периодическом режиме при длительности импульса 10 нс с частотой повторения импульсов 200 Гц и энергией излучения Pλ для упомянутых длин волн λ1, λ2, λ3 генерации, соответственно, мДж: Рλ1=150, Рλ2=70 и Рλ3=30. Для сканирования поисковой поверхности (площади поискового участка) использовался твердотельный лазер, излучающий в одном луче синхронно на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. По данным залета выбранного эталонного профиля за пределами территории поискового участка, средние содержания ИВ составили следующие значения для выбранных углеводородных газов: метан - 0,070%, этан - 0,037%, пропан - 0,052% и бутан - 0,020%. Принятые на рабочих маршрутах сигналы сканирования поисковой поверхности аппаратурой лидар обрабатывались на антистоксовых частотах комбинационного рассеяния. Полученные данные селектировались программой обработки материалов съемки с определением количественного и качественного состава заданных ИВ, фиксированных по их спектрам с одновременным спектральным дифференцированием. По результатам селективной обработки полученных данных состава и количества ИВ в автоматическом режиме строились карты ореолов распространения ИВ с выделением пространственных аномальных зон, превышающих данные эталонного профиля в 5 и более раз.The analysis of the composition of a multicomponent medium on the underlying surface was carried out by scanning the laser beam for the following IWG IW: methane, ethane, propane and butane, the spectra of which were included in the base of the lidar instrument complex program. The underlying surface was scanned in an angular field from -10 ° to + 10 ° with a single laser beam at the generation wavelengths: λ 1 = 1047 nm, λ 2 = 523.5 nm and λ 3 = 261.7 nm, with a beam divergence of 1.0-1.5 mrad pulse-periodic mode with a pulse duration of 10 ns with a pulse repetition rate of 200 Hz and radiation energy P λ for the mentioned generation wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , respectively, mJ: P λ1 = 150, P λ2 = 70 and P λ3 = 30. To scan the search surface (the area of the search section), a solid-state laser was used that emits in one beam synchronously at three discrete generation wavelengths in the infrared, visible and ultraviolet regions of the spectrum. According to the flight data of the selected reference profile outside the territory of the search section, the average VI content was as follows for the selected hydrocarbon gases: methane - 0.070%, ethane - 0.037%, propane - 0.052% and butane - 0.020%. Accepted on the working routes, scanning signals of the search surface by lidar equipment were processed at anti-Stokes Raman frequencies. The data obtained were selected by the program for processing survey materials with the determination of the quantitative and qualitative composition of the given IWs, fixed by their spectra with simultaneous spectral differentiation. Based on the results of the selective processing of the obtained data on the composition and amount of IW in the automatic mode, maps of the aureoles of IW propagation were constructed with the identification of spatial anomalous zones exceeding the data of the reference profile by 5 times or more.

Антистоксов сдвиг частоты рассеянного излучения соответствует изменению колебательной энергии молекулы исследуемого углеводорода и не зависит от спектральной частоты возбуждающего излучения. Для определения абсолютной концентрации зарегистрированных веществ и ее пространственного распределения используется нормированная концентрация атмосферного азота, информация о которой заложена в программное обеспечение.The anti-Stokes frequency shift of the scattered radiation corresponds to a change in the vibrational energy of the studied hydrocarbon molecule and does not depend on the spectral frequency of the exciting radiation. To determine the absolute concentration of registered substances and its spatial distribution, a normalized concentration of atmospheric nitrogen is used, information about which is included in the software.

Высокая эффективность заявляемого способа проявляется и при дистанционном поиске проявлений нефтегазовых месторождений на акваториях, где засветка от флуоресценции органических загрязнений на водной поверхности и под водой существенно мощнее по сравнению с атмосферными компонентами, а метод дифференциального поглощения в гидросфере и вовсе не применим, т.к. инфракрасное излучение водой поглощается.The high efficiency of the proposed method is also manifested in the remote search for manifestations of oil and gas deposits in water areas, where the exposure from fluorescence of organic pollutants on the water surface and under water is significantly more powerful than atmospheric components, and the differential absorption method in the hydrosphere is not applicable at all, because infrared radiation is absorbed by water.

Поиск индикаторных веществ в акваториях осуществляется аналогично тому, как описано выше. При поисках индикаторных веществ на акваториях лазерный аппаратурный комплекс лидар может быть установлен на различные типы носителей для работы над водной поверхностью (аэро), на поверхности воды (любые плавсредства) и под водой (к примеру буксировка подводной капсулы на трос к катеру) около дна. Поиски ИВ на акватории прибрежных арктических зон шельфа, при глубинах от 20 до 50 метров, выполняются с использованием морского катера и установленного на его борту аппаратурного комплекса лидар. Лазерное сканирование поверхности участка акватории общей площадью 50 кв. км проводится по системе параллельных профилей, протяженностью пять километров каждый, с расстоянием между профилями 500 метров, ориентированных в субмеридианальном направлении. Методика выполнения съемочных работ по поисках ИВ на участке акватории и параметры аппаратурных настроек и программа обработки поступающей информации были аналогичны поискам ИВ на суше, описанными в подробном примере. Целью поисковых съемочных работ по поискам ИВ УВГ на экспериментальном участке акватории были поиски месторождений нефти и газа, по результатам которых выявлено две площадные аномалии ореолов рассеяния ИВ - метана, этилена и пропана над поверхностью акватории поискового участка. Аномальные концентрации выявленных ореолов ИВ превысили в семь и более раз фоновые значения ИВ на остальной площади поискового участка. При интерпретации полученных материалов сканирования поисковой площади акватории на содержание ИВ УВГ лазерным методом обязательно учитывается следующее:The search for indicator substances in water areas is carried out similarly as described above. When searching for indicator substances in water areas, the laser lidar complex can be installed on various types of media to work on the water surface (aero), on the surface of the water (any watercraft) and under water (for example, towing an underwater capsule on a cable to the boat) near the bottom. The search for IW in the waters of the coastal Arctic zones of the shelf, at depths of 20 to 50 meters, is carried out using a sea boat and the lidar equipment complex installed on its board. Laser scanning of the surface area of the water area with a total area of 50 square meters. km is carried out according to a system of parallel profiles, each five kilometers long, with a distance between the profiles of 500 meters oriented in the submeridian direction. The methodology for performing survey work on searching for IW in the water area and the parameters of the hardware settings and the program for processing incoming information were similar to the searches for IW on land, described in a detailed example. The purpose of the search surveys to search for OHM IH in the experimental section of the water area was to search for oil and gas deposits, the results of which revealed two areal anomalies of the dispersion halos of the VI - methane, ethylene and propane above the surface of the water area of the search section. The abnormal concentrations of the identified halos of the IW exceeded seven or more times the background values of the IW in the rest of the search area. When interpreting the materials obtained by scanning the search area of the water area for the content of IW UVG using the laser method, the following must be taken into account:

- факт уменьшения концентраций смеси УВГ в морской среде с глубиной, в т.ч. и метана;- the fact of a decrease in the concentration of the water-gas mixture in the marine environment with depth, incl. and methane;

- накопление в придонном слое и создание аномалий УВ газов, мигрирующих от залежей нефти и газа в воду при благоприятных условиях;- accumulation in the bottom layer and the creation of anomalies of hydrocarbon gases migrating from oil and gas deposits into water under favorable conditions;

- давление, соленость, температура;- pressure, salinity, temperature;

- встречающиеся участки придонного льда арктических морей и повышенные концентрации УВГ связанные с ними могут объясняться наличием в них газов в кристаллогидратном состоянии.- occurring sections of near-bottom ice in the Arctic seas and increased concentrations of hydrocarbon associated with them can be explained by the presence of gases in them in a crystalline hydrate state.

Однако зондирование акваторий лазерным излучением в указанных трех диапазонах спектра весьма специфично в связи с различием глубины проникновения света с разной длиной волны в морской воде. В морской воде при переходе от красного света к синему глубина проникновения видимого света растет от 11 до 160 м. Ультрафиолетовые лучи проникают в воду еще глубже, максимум до 500-1000 м. Лучи с длиной волны 1.047 мкм отражаются от водной поверхности, т.к. в воду не проникают из-за поглощения [Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М., Морская вода: Справочное руководство. - М.: Наука, 1979. - Данные о поглощении света и ультрафиолета в чистой морской воде]. ИК длина волны (1.047 мкм) используется для лишь углеводородных газов, выходящих из толщи воды.However, the sounding of water areas by laser radiation in these three spectral ranges is very specific due to the difference in the penetration depth of light with different wavelengths in sea water. In seawater, when moving from red to blue, the penetration depth of visible light grows from 11 to 160 m. Ultraviolet rays penetrate water even deeper, up to a maximum of 500-1000 m. Rays with a wavelength of 1.047 μm are reflected from the water surface, because . do not penetrate into water due to absorption [Popov NI, Fedorov KN, Orlov VM, Sea water: A reference guide. - M .: Nauka, 1979. - Data on the absorption of light and ultraviolet radiation in pure sea water]. IR wavelength (1.047 μm) is used only for hydrocarbon gases leaving the water column.

Одни и те же индикаторные газы могут давать различные спектральные отклики в атмосферных условиях и будучи растворенными в гидросфере. При зондировании гидросферы в качестве реперной частоты обычно выбирают спектральный отклик комбинационного рассеяния молекулы воды, для которой значение стоксова (антистоксова) сдвига является справочным.The same indicator gases can give different spectral responses under atmospheric conditions and when dissolved in the hydrosphere. When probing the hydrosphere, the spectral response of the Raman scattering of a water molecule, for which the value of the Stokes (anti-Stokes) shift is a reference, is usually chosen as the reference frequency.

Измеряя соотношение стоксовых сигналов в трех частотных октавах, можно получать информацию о проявлениях индикаторных веществ на различной глубине относительно водной поверхности. От каждой из трех длин волн, на которых зондируют исследуемую среду, будут возникать серии стоксовых и антистокосовых сдвигов (и соответствующих длин волн). Таким образом, для каждой лазерной длины волны получают октаву спектральных длин волн (частот) для различных веществ многокомпонентной среды.By measuring the ratio of Stokes signals in three frequency octaves, you can get information about the manifestations of indicator substances at different depths relative to the water surface. From each of the three wavelengths at which the test medium is probed, a series of Stokes and anti-Stokes shifts (and corresponding wavelengths) will occur. Thus, for each laser wavelength, an octave of spectral wavelengths (frequencies) is obtained for various substances of a multicomponent medium.

В то же время при зондировании акватории, очевидно, перестройка длины волны может заключаться в перекрытии длины волны 1.047 мкм на выходе из лазера из-за поглощения водой ИК-излучения.At the same time, when probing the water area, it is obvious that the wavelength tuning can consist in overlapping the wavelength of 1.047 μm at the laser exit due to the absorption of infrared radiation by water.

Регистрация антистоксовых частот комбинационного рассеяния обеспечивает высокую помехоустойчивость лидарного аппаратного комплекса, поскольку позволяет защитить приемный канал от влияния флуоресценции веществ под действием того же зондирующего лазерного излучения.Registration of anti-Stokes Raman frequencies ensures high noise immunity of the lidar hardware complex, since it allows protecting the receiving channel from the influence of fluorescence of substances under the influence of the same probing laser radiation.

Одновременное зондирование подстилающей поверхности (или акватории) на длинах волн в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра позволяет регистрировать спектральные отображения в трех частотных октавах, существенно увеличить массив обнаруженных веществ многокомпонентной среды, повысить достоверность состава и полученных пространственных распределений концентраций индикаторных веществ углеводородных проявлений, расширить диапазон геологоразведочных работ в различных климатических и погодных условиях, регистрировать спектральные отображения эхо-сигналов уже в трех октавах длинных волн. Кроме того, синхронность зондирования на трех длинах волн в указанных диапазонах спектра позволяет нивелировать влияние погодных изменений во времени на результаты работы лазерного аппаратного комплекса.Simultaneous sounding of the underlying surface (or water area) at wavelengths in the infrared, visible and ultraviolet ranges of the spectrum allows recording spectral displays in three frequency octaves, significantly increasing the array of detected substances in a multicomponent medium, increasing the reliability of the composition and spatial distributions of concentrations of indicator substances of hydrocarbon manifestations, and expanding range of exploration in various climatic and weather conditions, register to simulate spectral displays of echo signals already in three octaves of long waves. In addition, the synchronization of sounding at three wavelengths in the indicated spectral ranges makes it possible to level the effect of weather changes in time on the results of the operation of the laser hardware complex.

Claims (2)

1. Способ дистанционного поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов, характеризующийся тем, что основан на анализе состава среды над подстилающей поверхностью и реализуется с использованием лазерного аппаратурного комплекса, установленного на борту носителя, при анализе состава многокомпонентной среды осуществляют сканирование исследуемой поверхности лазерным лучом, принимают и обрабатывают сигналы на антистоксовых частотах комбинационного рассеяния, по полученным измерениям селектируют и определяют количественный и качественный состав заданных индикаторных веществ углеводородных газов, фиксируемых по их спектрам, заложенным в базу данных компьютерной программы обработки, проводят дифференцирование спектрального изображения по заданным индикаторным веществам, полученные и обработанные данные отображают в виде карт распространения ореолов индикаторных веществ с выделением пространственных аномальных зон, при этом для сканирования используют твердотельный лазер, излучающий в одном луче синхронно или с перестройкой на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.1. The method of remote search for indicator substances of the manifestations of oil and gas hydrocarbons, characterized in that it is based on the analysis of the composition of the medium above the underlying surface and is implemented using a laser hardware complex installed on board the carrier, when analyzing the composition of a multicomponent medium, the surface under study is scanned with a laser beam, and process the signals at anti-Stokes Raman frequencies, select and determine if the received measurements the natural and qualitative composition of the specified indicator substances of hydrocarbon gases recorded by their spectra stored in the database of the computer program for processing, the spectral image is differentiated by the specified indicator substances, the obtained and processed data are displayed in the form of distribution maps of halos of indicator substances with the allocation of spatial anomalous zones, in this case, a solid-state laser is used for scanning, emitting in one beam synchronously or with three discrete tuning 's lasing wavelength in the infrared, visible, and ultraviolet regions of the spectrum. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сканирование подстилающей поверхности осуществляют в угловом поле от -10° до +10° одним лазерным лучом на длинах волн генерации: λ1=1047 нм, λ2=523.5 нм и λ3=261.7 нм при расходимости луча 1.0-1.5 мрад в импульсно-периодическом режиме при длительности импульса 10 нс с частотой повторения импульсов 200 Гц и энергией излучения Pλ, мДж, для упомянутых длин волн λ1, λ2, λ3 генерации соответственно: Pλ1=150, Pλ2=70 и Pλ3=30.2. The method according to claim 1, characterized in that the scanning of the underlying surface is carried out in an angular field from -10 ° to + 10 ° with a single laser beam at the generation wavelengths: λ 1 = 1047 nm, λ 2 = 523.5 nm and λ 3 = 261.7 nm with a beam divergence of 1.0-1.5 mrad in a pulse-periodic mode with a pulse duration of 10 ns with a pulse repetition rate of 200 Hz and radiation energy P λ , mJ, for the mentioned generation wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3, respectively: P λ1 = 150, P λ2 = 70 and P λ3 = 30.
RU2016143277A 2016-11-02 2016-11-02 Method of remote searching indicator substances of oil-gas hydrocarbons RU2634488C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016143277A RU2634488C1 (en) 2016-11-02 2016-11-02 Method of remote searching indicator substances of oil-gas hydrocarbons

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016143277A RU2634488C1 (en) 2016-11-02 2016-11-02 Method of remote searching indicator substances of oil-gas hydrocarbons

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2634488C1 true RU2634488C1 (en) 2017-10-31

Family

ID=60263622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016143277A RU2634488C1 (en) 2016-11-02 2016-11-02 Method of remote searching indicator substances of oil-gas hydrocarbons

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2634488C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498358C1 (en) * 2012-05-10 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова" Method for remote searching of new oil and gas deposits
RU155916U1 (en) * 2014-12-16 2015-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") LIDAR COMPLEX SCATTERING COMPLEX FOR UNDERWATER SEARCH FOR HYDROCARBONS

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498358C1 (en) * 2012-05-10 2013-11-10 Открытое акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова" Method for remote searching of new oil and gas deposits
RU155916U1 (en) * 2014-12-16 2015-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") LIDAR COMPLEX SCATTERING COMPLEX FOR UNDERWATER SEARCH FOR HYDROCARBONS

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.А. Хабаров, Д.В. Попов. Авиационное зондирование атмосферы с целью разведки месторождений природного газа - как перспективный метод автоматизированного поиска газовых месторождений в приземном слое / Сборник статей по материалам XLII междунар. науч.-практ. конф. "Технические науки - от теории к практике", N1(38), г. Новосибирск: Изд. "СибАК", 2015, стр. 59-64. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2875913C (en) Methods for determining material and/or subsurface composition
RU2362986C2 (en) System and procedure for remote quantitative detection of fluid leaks in pipeline of natural gas or oil
DK2909598T3 (en) METHODS OF GAS LEAK DETECTION AND LOCATION IN POPULAR AREAS USING HORIZONTAL ANALYSIS
RU2014123721A (en) EXPLORATION METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING HYDROCARBONS
Collister et al. Remote sensing of optical characteristics and particle distributions of the upper ocean using shipboard lidar
NL8105428A (en) METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING HYDROCARBONS UNDERWATER
JPH04299236A (en) Remote sensing apparatus
US11604302B2 (en) Method for determining material and/or subsurface temperatures
RU2424538C1 (en) Method of searching for mineral deposits using submarine geophysical vessel
Liu et al. A review on the methane emission detection during offshore natural gas hydrate production
RU2634488C1 (en) Method of remote searching indicator substances of oil-gas hydrocarbons
Grishkanich et al. Laser remote spectroscopy for geological exploration of hydrocarbons deposits
Zhevlakov et al. Hydrocarbon halo-laser spectroscopy for oil exploration needs
Zhevlakov et al. CARS technique for geological exploration of hydrocarbons deposits
RU2513630C1 (en) Method of geochemical prospecting for geoecological monitoring of offshore oil-and-gas-bearing zones
Zhevlakov et al. Raman hyperspectral technologies for remote probing of hydrocarbon geochemical fields
Grishkanich et al. Lidar for monitoring methane hydrate in the arctic permafrost
Pershin et al. Transparent material thickness measurements by Raman scattering
Zhevlakov et al. Remote laser spectroscopy of oil and gas deposits
Grishkanich et al. Lidar for monitoring methane emission in Siberian permafrost
MXPA05014233A (en) Aerial leak detector.
RU155916U1 (en) LIDAR COMPLEX SCATTERING COMPLEX FOR UNDERWATER SEARCH FOR HYDROCARBONS
RU2134433C1 (en) Method detecting internal waves of hydrodynamic underwater disturbances
Zhevlakov et al. Monitoring and localization hydrocarbon and sulfur oxides emissions by SRS-lidar
Carswell et al. Lidar imagery–from simple snapshots to mobile 3D panoramas

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201103