DE4418904A1 - System zum Auffinden von Erdöl im Offshore-Bereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffinden von Erdöl im Offshore-Bereich und eine Sonde, die hierzu eingesetzt wird.

Es ist bekannt, das Vorhandensein von Erdöl im Off­ shore-Bereich durch direkte Beobachtung und anschlie­ ßende Analyse von Durchsickerungen von Erdöl durch den Meeresboden von Unterwasserfahrzeugen aus festzustel­ len. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es einen beträchtlichen Zeitaufwand erfordert, eine voll­ ständige Analyse der Proben der Ablagerungen bzw. Se­ dimente auf dem Meeresboden durchzuführen. Bei diesem Verfahren müssen auch im voraus Stellen festgelegt werden, an denen die Proben entnommen werden sollen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Auffinden von Erdöl in Ablagerungen auf dem Meeresbo­ den unterhalb des Meeresspiegels vorgesehen, welches das Positionieren eines im Wasser befindlichen Schif­ fes an einer ausgewählten Stelle über dem Meeresboden, das Einführen einer elektrisch isolierten Sonde in die Ablagerungen an der Stelle und das Aufzeichnen elek­ trischer Signale, welche von der Sonde ausgesendet werden, beinhaltet und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signale bezeichnend für das elektrochemische Po­ tential der Ablagerungen an der Stelle sind, und daß die Abfolge der Verfahrensschritte an einer Reihe an­ derer Stellen auf dem Meeresboden wiederholt wird, wo­ bei eine Echt-Zeit-Erfassung der Stelle auf einer Kar­ te vorgesehen ist, um Ablagerungen aufzufinden, aus denen Erdöl heraussickert.

Das Verfahren beruht auf Phänomenen, die sich aus dem bakteriellen Stoffwechsel von organischen Stoffen er­ geben, wobei verschiedene Klassen von Bakterien nach­ einander Ablagerungen im Meer von einem oxidierten in einen reduzierten Zustand umwandeln. Diese Prozesse können durch die Anhäufung oder Zerstörung einer Viel­ zahl von anorganischen Verbindungen überwacht werden, wobei die wichtigsten hiervon den elektrischen Zustand der Ablagerung bestimmen.

Ein normales, unterhalb des Meeresspiegels befindli­ ches Ablagerungssystem weist im allgemeinen einen obersten, oxidierten elektrochemischen Bereich mit ei­ nem positiven elektrischen Potential und einen tiefer­ liegenden, reduzierten Bereich mit einem negativen Po­ tential auf. Der reduzierte Bereich ist durch die bak­ terielle Erzeugung von Schwefelwasserstoff gekenn­ zeichnet. Das elektrische Ungleichgewicht wird durch den bakteriellen Stoffwechsel aufgrund der natürlichen Zufuhr von zersetzlichen organischen Stoffen und der damit einhergehenden Umwandlung von anorganischen Be­ standteilen, die im Meerwasser gelöst sind, aufrecht­ erhalten.

Es gibt vier Voraussetzungen für die Erzeugung von Schwefelwasserstoff:

• 1. das Vorhandensein von Sulfat-Ionen,
• 2. das Vorhandensein von Sulfat-reduzierenden Bakterien,
• 3. das Vorhandensein eines ausreichenden Vorrates an organischen Stoffen, und
• 4. das Fehlen von gelöstem Sauerstoff.

Die Anforderungen 1. und 2. sind im allgemeinen im Meerwasser gegeben; die Anforderung 4. schließlich wird in den Ablagerungen durch die Aktivität von Sau­ erstoff-verbrauchenden Bakterien herbeigeführt; die Anforderung 3. kann entweder durch organische Rück­ stände von kürzlich abgestorbenen Organismen oder durch die abnormale Zuführung von organischen Stoffen, wie beispielsweise das Durchsickern von Erdöl aus An­ sammlungen in der Tiefe, erfüllt werden. Es ist mög­ lich, am Beginn der Schwefelwasserstoff-Erzeugung durch das Erfassen der Tiefe auf Karten zwischen die­ sen unterschiedlichen Quellen zu unterscheiden.

Aerobe Bakterien in den obersten Ablagerungen benutzen im Meerwasser gelösten Sauerstoff zum Aufnehmen von abgestorbenen organischen Stoffen. Ist der gelöste Sauerstoff verbraucht, werden die anaeroben, Sulfat­ reduzierenden Bakterien dominant und erhalten Sauer­ stoff aus den gelösten Sulfat-Ionen im Meerwasser, welche als Einlagerungsflüssigkeit vorliegen. Diese Bakterien spalten die Sulfat-Ionen auf, erhalten somit Sauerstoff für ihren Stoffwechsel und geben Schwefel in Form von Schwefelwasserstoff ab. Die Reaktion, die durch die Bakterien ausgelöst wird, kann, obwohl sie nicht die tatsächlichen Schritte darstellt, folgender­ maßen beschrieben werden:

2SO₄⁻⁻ + 2H₂O = 2H₂S + SO₂ + 4e⁻

Die Reaktion stellt die dominante elektrochemische Veränderung in dem Bereich dar, in dem die Sulfat­ reduzierenden Bakterien aktiv sind.

Obwohl Erdöl eindeutig natürlichen Ursprungs ist, ist es in Ablagerungen im Meer kaum vorhanden und stellt organischen Stoff abnormalen Ursprungs dar, wenn es aus großer Tiefe in die oberen Bereiche der Ablagerun­ gen durchsickert.

Ist die Abgaberate von organischen Stoffen abnormal erhöht, entstehen abnormale Bedingungen für die Ver­ teilung der bakteriellen Zoneneinteilung und der elek­ trischen Potentiale. Die Spitze des Sulfid-Bereiches wird künstlich in Richtung auf die Oberfläche der Ab­ lagerung verschoben. Der Abstand zu der Spitze des Sulfid-Bereiches kann durch das Ausführen elektrischer Messungen bestimmt werden. Zeigt dieser Abstand schnelle Veränderungen von Stelle zu Stelle, ist also uneinheitlich und/oder stellenweise abnormal seicht und/oder entwickelt eine ungleichmäßige Verteilung und/oder entwickelt bestimmte unerwünschte Eigenschaf­ ten oder andere Abweichungen von der regionalen, nor­ malen Gleichförmigkeit des Abstands, so ist das Vor­ handensein von Erdöl-Durchsickerungen äußerst wahr­ scheinlich, wenn ausgeschlossen werden kann, daß es sich um Abfälle von Menschen handelt.

Die Erfindung soll anschließend prinzipmäßig und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher be­ schrieben werden, wobei

Fig. 1 ein Diagramm zeigt, welches die Beziehung zwischen der Ablagerungsrate und der bakte­ riellen Reduktion von Sulfat-Ionen (SO₄⁻⁻) in Ablagerungen innerhalb eines großen Bereichs des Golfs von Mexiko darstellt (nach Shokes, Texas A University, 1976).

Fig. 2 ein Diagramm von Profilen zeigt, die progres­ sive Veränderungen ausgewählter Variablen in Ablagerungen unterhalb des Meeresspiegels darstellen (nach Fenchel und Riedel, 1970).

Fig. 3 schematisch und in einer Seitenansicht die Bestandteile eines erfindungsgemäßen Erdöl- Auffindungs-Systemes zeigt.

Fig. 4 schematisch die Bestandteile eines elektri­ schen Meßsystemes einer Sonde für die Verwen­ dung in dem Erdöl-Auffindungs-System nach der Fig. 3 zeigt.

Fig. 5 einen Längsschnitt des elektrischen Meßsyste­ mes der Fig. 3 zeigt.

Fig. 6 eine Ansicht der in der Fig. 3 dargestellten Sonde zeigt.

Fig. 7 einen Schnitt durch ein Röhrenglied der Sonde zeigt.

Fig. 8 einen vergrößerten Teilschnitt einer Elektro­ de eines Röhrenglieds der Sonde zeigt.

Fig. 9 einen Schnitt durch eine Verbindungskupplung der Sonde zeigt.

Fig. 10 einen Schnitt durch das distale Stück der Sonde zeigt.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Diagramm dargestellt, welches die Regelmäßigkeit der Beziehung zwischen der Ablagerungsrate und der bakteriellen Reduktion von Sulfat-Ionen in Ablagerungen in einem großen Bereich des Golfs von Mexiko zeigt. Diese Beobachtungen sind unerläßlich für das Verständnis bzw. die Funktion der vorliegenden Erfindung, wie sie nachfolgend beschrie­ ben wird. Die bakterielle Sulfat-Reduktion führt zum Entstehen eines Sulfid-Bereiches und der Erzeugung von negativen elektrischen Potentialen in Ablagerungen un­ ter dem Meeresspiegel. Da die Ablagerungsraten über große Bereiche des Meeresbodens hinweg langsam und re­ gelmäßig variieren, müssen örtliche, seichte Vorkommen des Sulfid-Bereiches abnormale Zuführungen von bakte­ riellen Nährstoffen darstellen, die auf Kohlenwasser­ stoffe, wie Erdöl, schließen lassen.

Fig. 2 zeigt Profile von progressiven chemischen Ver­ änderungen in Ablagerungen unter dem Meeresspiegel be­ züglich des Abstandes bzw. der Tiefe innerhalb der Ab­ lagerung. Es sind insbesondere die Veränderungen des elektrochemischen Potentials aufgezeigt, welche durch die Kurve 11 dargestellt sind. Der oxidierte Bereich ist durch abfallende Niveaus der Sulfat-Ionen 19, des Sauerstoffgehaltes 21, der Eisen(III)-Ionen 23 und der Nitrat-Ionen 25 gekennzeichnet. Der anaerobe Sulfid- Bereich ist durch ansteigende Konzentrationen von Schwefelwasserstoff 27, Ammonium und Phosphat-Ionen 29, Eisen-Ionen 31 und Methan 33 gekennzeichnet. Me­ than wird im tiefsten Bereich erzeugt, wobei das in den darüberliegenden Bereichen erzeugte Kohlendioxid 35 verwendet wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 10 ist ein Schiff 10 dargestellt, welches im Meerwasser 12 über dem Meeresboden 14 schwimmt. Ein Ausleger 16, der mit einer Winde 22 und einem Stahlkabel 18 versehen und am Heck des Schiffes 10 angebracht ist, ermöglicht das Herabsenken einer länglichen Sonde 20 von Bord. Das Schiff 10 ist außerdem mit einem Navigationssystem 74, einer digitalen Tiefenberechnungseinrichtung 78 und einem Computer 24 versehen.

Die Sonde 20 weist vier Röhrenglieder 158, 160, 162 und 164 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff auf, wel­ che durch Kupplungen 166, 168, 170 und 172 aus Nylon miteinander verbunden sind, die wiederum durch eine Schraubverbindung mit den Röhrengliedern 158, 160, 162 und 164 verbunden sind. Ein isolierender Werkstoff er­ streckt sich durch die Gewinde der Röhrenglieder 158, 160, 162 und 164, um sicherzustellen, daß die Sonde nicht über ihre gesamte Länge elektrisch leitend ist, da die Leitfähigkeit die Messung der Differenzen der statischen Potentiale mittels der Elektroden 40, 42, 46, 48 der Sonde 20 beeinflussen würde. Das distale Stück 174 der Sonde 20 weist die geometrische Form ei­ nes Kegels auf, um somit das Einführen in den Meeres­ boden 14 zu erleichtern. Eine Scheibe 84 ist oberhalb der Röhrenglieder 158, 160, 162 und 164 der Sonde 20 vorgesehen, um das Einführen in die Ablagerung zu be­ grenzen, und Gewichte 86, 88, 90 und 92 sind neben der Scheibe 84 angebracht, um das Einführen der Sonde in den Meeresboden 14 während des freien Falls der Sonde 20 zu unterstützen.

Eine Elektrode 46 der Sonde 20 ist in Fig. 8 darge­ stellt. Die Elektrode 46 ist mit dem Röhrenglied 164 über nicht-leitende Schrauben 182, 186 und Dichtungen 184, 188, welche aus Teflon (eingetragenes Warenzei­ chen) hergestellt sind und zwischen dem Röhrenglied 164 und der Elektrode 46 vorgesehen sind, verbunden. Die Leitung 60 ist als Kabel mit einem Leiter 190 aus­ geführt, welcher mittels einer Schweißnaht 192 an die Elektrode 46 angeschweißt ist, und die Elektrode 46 weist einen Hohlraum 180 auf, welcher mit Epoxyharz ausgefüllt ist.

Im Betrieb wird die Sonde 20 auf eine Tiefe von ca. sechs Meter über dem Meeresboden 14 herab- und dann losgelassen, so daß sie sich im freien Fall in die Ablagerung auf dem Meeresboden 14 bohren kann.

Elektrochemische Messungen in der Ablagerung werden ausgelöst durch die Bedienung einer Tastatur des Com­ puters 24, woraufhin ein Trigger- bzw. Auslöse-Signal von dem Computer 24 durch die Leitung 26 zu einem er­ sten akustischen Modem 28 und anschließend durch die Leitung 30 zu dem Wandler 32 gesendet wird, in welchem das elektrische Signal in akustische Daten umgewandelt und durch das Wasser zu einem zweiten akustischen Mo­ dem 34, welches in der Sonde 20 angeordnet ist, über­ tragen wird. Eine erneute Umwandlung des Trigger- bzw. Auslöse-Signals, von akustisch in digital, wird an­ schließend in dem zweiten Modem 34 vorgenommen, und der Mikroprozessor des Elektrometers 36 sowie der Scanner 50 werden aktiviert.

Die Aufgabe des Scanners 50 ist es, nacheinander die Elektroden 40, 42, 44, 46 und 48 abzufragen, welche über die Leitungen 54, 56, 58, 60 und 62 mit dem Elek­ trometer 36 verbunden sind. Die Frequenz und die Dauer dieser Verbindung können von dem Computer 24 auf dem Schiff 10 gesteuert und verändert werden. Der Scanner 50 ermöglicht die Messung des Potentials jeder einzel­ nen Elektrode 40, 42, 44, 46 und 48 bezüglich des Po­ tentials einer Referenz-Elektrode 52 aus Platin, wel­ che auf einer Außenfläche 154 des Gehäuses des elek­ trischen Meßsystemes 82 der Sonde 20 angebracht ist, wobei die Referenz-Elektrode das Potential von Meer­ wasser aufweist.

Das elektrische Meßsystem 82 ist in Fig. 5 genauer dargestellt und enthält ein Elektrometer 36 mit einer hohen Eingangsimpedanz und einem JFET-Vorverstärker 100, einen Operationsverstärker 102, einen Analog-/Di­ gital-Konverter 108, eine präzise Referenz-Spannungs­ quelle 112, einen Mikroprozessor 116 und ein digitales Interface bzw. Anschlußstück 120 zur Erleichterung der Automatisierung des Sammelns von Meßwerten. Die Ein­ stellungen des Elektrometers bezüglich Meßbereich, Funktion (Messung von Strom, Widerstand oder Span­ nung), Überprüfung der Nullstellung, Speicherung/Über­ tragung von Daten können durch Bedienung der Tastatur des Computers 24 ausgewählt werden, woraufhin ein Sig­ nal von dem Computer 24 durch das digitale Interface bzw. Anschlußstück 120 zum Funktionswähler 124 gelei­ tet wird. Die Energieversorgung des elektrischen Meß­ systemes 82 ist durch eine Batterie 66 vorgesehen.

An jeder Stelle, an der durch ein einmaliges Einführen der Sonde in den Meeresboden eine Messung durchgeführt wird, erhält man eine Meßreihe, die bezeichnend für das Durchsickern von Erdöl ist, wobei die Meßwerte mittels der akustischen Modems 32 und 34 an den Com­ puter 24 übertragen werden und auf der Festplatte des Computers 24 zusammen mit logistischen Informationen, wie Daten über die geographische Position aus dem Na­ vigationssystem 74 des Forschungsschiffs 10, abgespei­ chert werden.

Die Sonde 20 wird dann mittels des Auslegers 16 und der Winde 22 aus der Ablagerung auf dem Meeresboden 14 herausgezogen, das Schiff 10 wird an einer anderen Stelle in Position gebracht und die beschriebenen Ver­ fahrensschritte werden wiederholt.

Es ist offensichtlich, daß es mit der vorliegenden Er­ findung möglich ist, schnell Informationen zu erhal­ ten, die bezeichnend für mögliche bzw. wahrscheinliche Erdölvorkommen sind, wobei keine Notwendigkeit für La­ boranalysen von Ablagerungsproben besteht.

Es ist ebenfalls offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung zum Auffinden von Vorkommen von organischen Abfällen, welche von Menschen stammen, sowie Vorkommen von Abwasserschlamm oder anderen organischen Stoffen, die aus einem Bohrloch oder einer Pipeline auslaufen, verwendet werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zum Auffinden von Erdöl in Ablagerungen bzw. Sedimenten auf dem Meeresboden unterhalb der Meeresoberfläche, welches das Positionieren eines im Wasser befindlichen Schiffes an einer ausge­ wählten Stelle über dem Meeresboden, das Einführen einer elektrisch isolierten Sonde in die Ablage­ rungen an der Stelle und das Aufzeichnen elektri­ scher Signale, welche von der Sonde ausgesendet werden, beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale bezeichnend für das elektrochemische Potential der Ablagerungen (14) an der Stelle sind, und daß die Abfolge der Verfahrensschritte an einer Reihe anderer Stellen auf dem Meeresboden wiederholt wird, wobei eine Echt-Zeit-Erfassung der Stelle auf einer Karte vorgesehen ist, um Ab­ lagerungen (14) aufzufinden, aus denen Erdöl her­ aussickert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (20) an einer Vielzahl von Stellen ein­ geführt wird, welche in einem Gitter bzw. Netz an­ geordnet sind, um die Tiefe bis zur Spitze eines Sulfid-Bereiches innerhalb der Ablagerung auf ei­ ner Karte festhalten zu können.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein negatives elektrisches Potential verwendet wird, um die Tiefe innerhalb der Ablagerung (14) festzustellen, an welcher sich die Spitze eines Sulfid-Bereiches befindet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler (32), ein akustisches Modem (28), wel­ ches mit dem Wandler (32) verbunden ist, ein Com­ puter (24), der mit dem akustischen Modem (28) verbunden ist, ein Navigationssystem (74), welches mit dem Computer (24) verbunden ist, und eine di­ gitale Tiefenberechnungseinrichtung (78), welche mit dem Computer (24) verbunden ist, vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (20) ein Elektrometer (36) beinhaltet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (20) einen Scanner (50) beinhaltet, wel­ cher mit dem Elektrometer (36) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (20) eine Vielzahl von räumlich vonein­ ander getrennten Elektroden (40, 42, 44, 46, 48) und ein Elektrometer (36) mit einer Referenz-Elektrode (52) beinhaltet, welche benachbart zu bzw. neben dem Elektrometer (34) angeordnet ist, um eine Mes­ sung der Differenzen der elektrischen Potentiale zu ermöglichen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (40, 42, 44, 46, 48) nacheinander abge­ fragt werden, um elektrische Spannungswerte zu er­ halten.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (20) sowohl eine längliche zylindrische Röhre, deren eines Endstück (174) konisch ausge­ führt ist, als auch Gewichte (86, 88, 90, 92) um­ faßt, die an dem Ende der Röhre angebracht sind, welches von dem konischen Endstück (174) entfernt vorgesehen ist.