DE602004004386T2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der beschaffenheit von unterwasserreservoirs - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der beschaffenheit von unterwasserreservoirs Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln und Bestimmen der Beschaffenheit von unterseeischen und unterirdischen Lagerstätten. Insbesondere ist die Erfindung zur Bestimmung geeignet, ob eine Lagerstätte Kohlenwasserstoffe oder Wasser enthält, und auch zur Ermittlung von Lagerstätten mit speziellen Charakteristiken.
  • Derzeit sind die am meisten verwendeten Techniken zur geologischen Überwachung insbesondere bei unterseeischen Bedingungen seismische Verfahren. Diese seismischen Techniken sind geeignet, die Struktur von unterirdischen Schichten mit einiger Genauigkeit aufzuzeigen. Allerdings, obgleich ein seismisches Verfahren die Lage und Form einer potentiellen Lagerstätte aufzeigen kann, kann es nicht die Beschaffenheit der Lagerstätte aufzeigen.
  • Die Lösung ist daher, ein Bohrloch in die Lagerstätte abzuteufen. Allerdings neigen die Kosten für das Bohren einer Erkundungsbohrung dazu im Bereich von £ 25 m zu liegen, und da die Erfolgsquote im Allgemeinen etwa bei 1 zu 10 ist, neigt dies dazu eine kostenintensive Tätigkeit zu sein.
  • Es ist daher Gegenstand der Erfindung, ein System zur Lokalisierung einer unterirdischen Lagerstätte und zur Bestimmung deren Beschaffenheit mit einer größeren Genauigkeit zu schaffen, ohne Notwendigkeit, ein Bohrloch abzuteufen.
  • Es wurde durch die vorliegenden Anmelder erkannt, dass obwohl sich die seismischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoff gefüllten Schichten und Wasser gefüllten Schichten nicht signifikant unterscheiden, ihre elektromagnetischen spezifischen Widerstände unterschiedlich sind. Daher können durch Verwendung eines elektromagnetischen Erkundungsverfahrens diese Unterschiede ausgenützt werden und die Erfolgsrate in der Vorhersage der Beschaffenheit einer Lagerstätte kann deutlich gesteigert werden.
  • Dementsprechend bildet ein Verfahren und eine Vorrichtung, das/die diese Prinzipien verkörpert, die Basis der gleichzeitig anhängigen britischen Patentanmeldung No.0002422.4 der vorliegenden Anmelder.
  • Dies stellt ein Verfahren zum Bestimmen der Beschaffenheit einer unterirdischen Lagerstelle zur Erwägung, deren ungefähre Geometrie und Lage bekannt sind, welches aufweist: Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feldes an die die Lagerstätte enthaltende Schicht; Ermittlung der elektromagnetischen Wellenfeldantwort; Suche in der elektromagnetischen Wellenfeldreaktion nach einer Komponente, die eine von einer Kohlenwasserstoffschicht refraktierte Welle repräsentiert; und Bestimmen des Gehaltes der Lagerstätte auf Grund des Vorhandenseins oder der Abwesenheit einer durch die Kohlenwasserstoffschicht refraktierten Wellenkomponente.
  • Es stellt auch ein Verfahren zum Suchen nach einer Kohlenwasserstoff enthaltenden unterirdischen Lagerstätte zur Erwägung, welches aufweist: Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feldes an die die Lagerstätte enthaltende Schicht; Suche in der elektromagnetischen Wellenfeldreaktion nach einer Komponente, die eine refraktierte Welle repräsentiert; und Bestimmen des Vorhandenseins und/oder der Beschaffenheit irgendeiner Lagerstätte basierend auf dem Vorhandensein oder der Abwesenheit einer Wellenkomponente, die durch eine Kohlenwasserstoffschicht refraktiert ist.
  • Es stellt ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Beschaffenheit einer unterirdischen Lagerstätte zur Erwägung, deren ungefähre Geometrie und Lage bekannt sind, oder zum Suchen nach einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Lagerstätte, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel zum Anlegen eines zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feldes an die die Lagerstätte enthaltende Schichten; Mittel zum Ermitteln der elektromagnetischen Wellenfeldantwort; und Mittel zum Suchen einer eine refraktierte Wellen repräsentierenden Komponente in der Wellenfeldantwort, um dadurch zu ermöglichen, das Vorhandensein und/oder die Beschaffenheit einer Lagerstätte zu bestimmen.
  • Eine refraktierte Welle verhält sich abhängig von der Beschaffenheit der Schicht, in welcher sie sich ausbreitet, unterschiedlich. Insbesondere sind die Ausbreitungsverluste in einer Kohlenwasserstoffschicht wesentlich geringer als in einer wasserhältigen Schicht, während die Verbreitungsgeschwindigkeit wesentlich höher ist. Daher kann, wenn ein EM-Feld angelegt wird, eine starke und rasch verbreitete refraktierte Welle ermittelt werden. Dies kann daher die Anwesenheit einer Lagerstätte oder, wenn ihre Anwesenheit bereits bekannt ist, ihre Beschaffenheit angeben.
  • Elektromagnetische Untersuchungstechniken sind an sich bekannt. Allerdings sind sie in der Praxis nicht weit verbreitet. Im Allgemeinen sind die interessierenden Lagerstätten 1 km oder mehr unterhalb des Meeresbodens. Um elektromagnetische Untersuchungen als eigenständige Technik unter diesen Umständen mit einem beachtlichen Grad an Auflösung einzusetzen, sind kurze Wellenlängen erforderlich. Unglücklicherweise leiden solch kurze Wellenlängen unter starker Abschwächung. Lange Wellenlängen ergeben keine adäquaten Lösungen.
  • WO 0214306 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Beschaffenheit von unterirdischen Lagerstätten unter Verwendung von EM-Wellenfeldern. Diese Technik kann in Verbindung mit seismischen Techniken verwendet werden.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verlässlichen Lokalisierung und Identifizierung unterseeischer Lagerstätten, insbesondere Kohlenwasserstofflagerstätten, zu schaffen, jedoch mit geringerem Kostenaufwand mit geringerem betrieblichen Aufwand.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erstellung eines Untersuchungsberichtes von unterirdischen Schichten vorgesehen, welches aufweist: Anordnen eines elektomagnetischen (EM) Feldtransmitters; Anordnen einer seismischen Quelle im Wesentlichen an der selben Stelle wie der EM-Feldtransmitter; Anordnen eines EM-Feldempfängers in einer vorbestimmten Versatzentfernung von dem Transmitter; Anordnen eines seismischen Empfängers im Wesentlichen an der selben Stelle wie der EM-Feldempfänger; Aufbringen eines EM-Feldes auf die Schichten unter Verwendung des EM-Feldtransmitters, Ermitteln der EM-Wellenfeld-Antwort unter Verwendung des EM-Feldempfängers; Aufbringen eines seismischen Ereignisses auf die Schichten unter Verwendung der seismischen Quelle im Wesentlichen an der selben Stelle, wie der EM-Feldtransmitter; Ermitteln der seismischen Antwort unter Verwendung des seismischen Empfängers im Wesentlichen an der selben Stelle wie der EM-Feldempfänger; Analysieren der EM-Wellenfeld-Antwort; Analysieren der seismischen Antwort und Abgleichen der zwei Antworten, um einen Bericht über die Anwesenheit und die Beschaffenheit der Schichten zu erstellen.
  • Bevorzugterweise enthält das Verfahren das Extrahieren und Verwenden von Phasen- und/oder Amplitudeninformationen aus den Antworten. Bevorzugterweise enthält das Verfahren das Identifizieren der abgelenkten Wellenkomponente der EM-Wellenfeld-Antwort, Identifizieren der refraktierten Wellenkomponente der seismischen Antwort, und Verwenden der zwei refraktierten Wellenkomponenten, um den Bericht zu erstellen. Bevorzugterweise werden Phasen- und/oder Amplitudeninformationen von zwei refraktierten Wellenkomponenten verwendet.
  • Vorzugsweise weist der EM-Feldtransmitter eine elektrische Dipolantenne und der EM-Feldempfänger eine elektrische Dipolantenne auf.
  • Während längere durch elektromagnetischen Techniken angewandte Wellenlängen keine zufriedenstellenden Informationen zur genauen Bestimmung der Grenzen der verschiedenen Schichten bereitstellen können, können sie verwendet werden, um die Beschaffenheit einer bestimmten identifizierten Formation zu bestimmen, wenn die Möglichkeiten der Beschaffenheit der Formation signifikant unterschiedliche elektromagnetischen Charakteristika aufweist. Die Auflösung ist nicht besonders wichtig und deshalb können Wellenlängen, die nicht unter überhöhter Abschwächung leiden, verwendet werden.
  • Seismische Untersuchungstechniken können allerdings verwendet werden, um die Grenzen der unteriridischen Schichten mit einiger Genauigkeit zu ermitteln, jedoch können sie die Beschaffenheit der lokalisierten Schichten nicht ohne weiteres identifizieren. Daher können durch Verwendung beider Techniken die Resultate kombiniert und die potentiellen Kohlenwasserstoffe tragenden Lagerstätten können mit größerer Sicherheit identifiziert werden.
  • Elektromagnetische und seismische Wellen gehorchen ähnlichen grundlegenden Wellengleichungen. So wird eine zeitharmonische Antwort auf eine in einem einheitlichen Untergrund (Deckgebirge) eingebettete Schicht von derselben grundlegenden Theorie in den zwei Fällen erhalten. Der Hauptunterschied liegt darin, dass im elektromagnetischen Fall eine komplexe Wellenanzahl existiert (konstante Verbreitung), was Anlass zu Abschwächung und Streuung gibt (das ist Pulsverzerrung in der Zeitdomäne).
  • Es gibt im Allgemeinen drei Beiträge zum resultierenden Signal, die mit der Verteilung entlang unterschiedlicher Wege zwischen der Quelle und dem Empfänger korrespondieren: das direkte Signal, das reflektierte Signal und das refraktierte Signal. Das refraktierte Signal wird durch eine Leckwellenart bewirkt, welches in der Schicht ausgelöst wird und es wird, in den Grenzen einer unbeschränkt dicken Schicht, in eine Lateralwelle oder Kopfwelle umgewandelt, welche entlang der oberen Trennfläche aber innerhalb der Schicht weitergeleitet wird.
  • Im elektromagnetischen Fall wird die refraktierte Welle nur dann stark erregt, wenn Transmitter und Empfänger-Dipolantennen in Reihe liegen. Auf Grund der Versatzdistanz werden sowohl die Phasenverzögerung als auch die exponentielle Abschwächung der Welle nur auf den Eigenschaften der Schicht beruhen, das ist die Schichtdicke und der Kontrast des spezifischen Widerstands relativ zu dem Deckgebirge. In diesem Fall ist die direkte Welle eher schwach und bei einem Deckgebirge mit geringem spezifischem Widerstand sind sowohl die direkte Welle als auch die reflektierte Welle bei stärkerer Versatzentfernung stark gedämpft. Mit paralleler oder breitseitiger Anordnung der Dipolantennen ist eine stärkere direkte und eine wesentlich schwächere refraktierte Welle vorhanden, so dass Beiträge hauptsächlich von den direkten und den reflektierten Wellen ersichtlich sind.
  • Sowohl die Phase als auch die Amplitude der refraktierten Welle ist von der Dicke und dem relativen spezifischen Widerstand der Schicht abhängig, und die de Abhängigkeiten werden durch einfache mathematische Formeln ausgedrückt, welche für quantitative Messungen verwendet werden können. Allerdings hat die Amplitude auch eine zusätzliche Versatzentfernungsabhängigkeit, die durch geometrische Wellenverteilung in der Schicht verursacht wird. Daher werden Phasenmessungen in Verbindung mit Amplitudenmessungen ein Maximum an Informationen über die Beschaffenheit der Schicht ergeben. Zusätzliche Informationen können durch Aufzeichnungen bei verschiedenen Frequenzen und Verwendung der bekannten Frequenzabhängigkeit der Phase und der Amplitude der refraktierten Welle erhalten werden.
  • Bei seismischen P Wellen ist die Situation generell ähnlich zu elektromagnetischen Wellen und Antennen in der Breitseitenkonfiguration: es sind hauptsächlich die direkten und reflektierten Wellen, die mitwirken. Dies ist generell der Fall, wenn die Schicht gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe enthält. Allerdings kann bei festem Schichtmaterial eine Umwandlung der Art an den Zwischenschichten (z.B. von P Wellen zu S Wellen und umgekehrt) auftreten, in welchem Fall beispielsweise P Wellen von einer seismischen Quelle eine S Welle in Leckwellenart in der Schicht auslösen kann. Diese Situation ist ähnlich der Auslösung von refraktierten Wellen bei in Reihe angeordneten Antennen im elektromagnetischen Fall; der Hauptunterschied ist, dass nun der Kontrast bei den seismischen Wellengeschwindigkeiten, eher als der Kontrast des spezifischen Widerstandes, die Phasenverzögerung (und verbundene Wegzeit) der gebeugten seismischen Welle bestimmt. Eine verlässlichere Bestimmung der Beschaffenheit des unterirdischen Vorratsraumes kann demnach durch Kombinieren der seismischen Antwort und der elektromagnetischen Antwort erreicht werden.
  • Wie bei elektromagnetischen Wellen werden weite Versatzentfernungen benötigt um gebeugte seismische Wellen aufzuzeichnen. Die beiden Techniken können daher in geeigneter Weise in einer gemeinsamen Untersuchung vereinigt werden, in welcher elektromagnetische und seismische Aufzeichnungen gleichzeitig ausgeführt werden. Wenn die elektromagnetischen Aufzeichnungsantennen mit dem Meeresboden in Kontakt sind können sie mit 4C seismischen Aufzeichnungssystemen kombiniert werden, die die Aufzeichnung sowohl der P als auch der S Wellen ermöglichen.
  • Bevorzugt sind die Empfangsantenne und der seismische Empfänger auf der gleichen Struktur befestigt, z.B. innerhalb von 5 bis 25 Sekunden zueinander, und das EM-Feld und das seismische Ereignis werden gleichzeitig aufgebracht. Alternativ dazu können das EM-Feld und das seismische Ereignis kurz nacheinander, z.B. 5 bis 25 Sekunden, aufgebracht werden.
  • In einem bevorzugten System werden die EM Wellenfeldantwort und/oder die seismische Antwort analysiert, um die entsprechende refraktierte Wellenkomponente zu identifizieren. Dann werden die beiden refraktierten Wellenkomponenten verwendet, um das Vorhandensein und die Beschaffenheit der Schichten zu bestimmen. Vorzugsweise enthält das System zusätzlich das Extrahieren und Verwenden von Phasen- und/oder Amplitudeninformation aus Antworten, insbesondere von Antworten refraktierter Wellen. Bevorzugt wird die reflektierte Welle bei der seismischen Antwort identifiziert und die reflektierte Wellenkomponente wird verwendet, um die unterirdischen Schichten zu identifizieren.
  • Zusätzlich kann das Verfahren die Anwendung eines magnetischen Empfängers am selben Ort wie die anderen Empfänger; Ermitteln einer magnetischen Feld Antwort; und Verwendung der magnetischen Feld Antwort in Kombination mit der EM Wellenfeldantwort und der seismischen Antwort enthalten. Wie beim elektrischen Feld ist die magnetische Feld Antwort sowohl durch die EM Übersendung als auch das magnetotellurische Signal, das als Hintergrundrauschen immer gegenwärtig ist, verursacht.
  • Der spezifische Widerstand von Meerwasser liegt bei etwa 0,3 ohm-m und jener des Deckgebirges unterhalb des Meeresbodens würde üblicherweise bei 0,5 bis 4 ohm-m, beispielsweise 2 ohm-m, liegen. Der spezifische Widerstand einer Kohlenwasserstofflagerstätte liegt jedoch voraussichtlich bei etwa 20–300 ohm-m. Typischerweise ist somit der spezifische Widerstand einer kohlenwasserstoffhältigen Formation 20 bis 300 mal größer als der einer wasserhältigen Formation. Die große Differenz kann unter Verwendung von EM Techniken ausgewertet werden.
  • Der elektrische spezifische Widerstand einer Kohlenwasserstofflagerstätte ist normalerweise weit höher als jener des ungebenden Materials (Deckgebirge). EM Wellen schwächen sich schneller ab und bewegen sich langsamer innerhalb eines Mediums mit niedrigem spezifischen Widerstand im Vergleich zu einem Medium mit hohem spezifischen Widerstand. Folglich wird eine Kohlenwasserstofflagerstätte EM Wellen weniger abschwächen im Vergleich zum Deckgebirge mit niedrigem spezifischem Widerstand. Weiters wird die Geschwindigkeit der EM Welle innerhalb der Lagerstätte höher sein.
  • So induziert eine elektrische Dipoltransmitterantenne am oder nahe dem Meeresboden EM Felder und Ströme in das Meerwasser und die Untergrundschichten Im Meerwasser werden die EM Felder auf Grund der hohen Leitfähigkeit in der salzhältigen Umgebung stark abgeschwächt, wogegen die Untergrundschichten mit geringerer Leitfähigkeit eine geringere Abschwächung verursachen. Wenn die Frequenz niedrig genug ist (in der Größenordnung von 1 Hz), ist die EM Energie in der Lage, tief in den Untergrund einzudringen, und tief vergrabene geologische Schichten mit höherem elektrischen spezifischen Widerstand als das Deckgebirge (wie z.B. eine mit Kohlenwasserstoffen gefüllte Lagerstätte) werden die EM Wellen beeinflussen. In Abhängigkeit vom Eindringwinkel und dem Stand der Polarisation kann ein Auftreffen einer EM Welle auf eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand eine geleitete (geführte) Wellenart in der Schicht auslösen. Die geleitete Art wird entlang der Schicht verbreitet und sickert Energie an das Deckgebirge und an am Meeresboden angeordnete Empfänger zurück. In der vorliegenden Anmeldung wird eine solche Wellenart als „refraktierte Welle" bezeichnet.
  • Der Abstand zwischen der EM Quelle und einem Empfänger wird als Versatzentfernung bezeichnet. Auf Grund der Tatsache, dass eine refraktierte Welle in einer kohlenwasserstoffhältigen Formation weniger abgeschwächt wird, als eine direkte Welle im Meerwasser (oder im Deckgebirge) wird es für jede H/-hältige Formation eine kritische Versatzentfernung geben, bei welcher die gebeugte Welle und die direkte Welle dieselbe Signalstärke haben. Dies kann typischerweise zwei bis dreimal größer sein als die kürzeste Entfernung von der Quelle oder dem Empfänger von der H/C-hältigen Formation. Daher, wenn die Versatzentfernung größer als die kritische Versatzentfernung ist, werden die radialen EM Wellen, die in die Lagerstätte refraktiert und durch diese geführt werden, einen Hauptbeitrag zum empfangenen Signal leisten. Das empfangene Signal wird eine größere Stärke aufweisen und früher ankommen (d.h. hat eine geringere Phaseverschiebung) im Vergleich zu dem Fall, dass dort keine HC Lagerstätte vorliegt. In vielen Fällen kann die in größerer Entfernung als die kritische Versatzentfernung aufgezeichnete Phasenänderung und/oder Größenänderung direkt für die Berechnung des spezifischen Lagerstättenwiderstandes verwendet werden. Weiters kann die Lagerstättentiefe von der kritischen Versatzentfernung und/oder des Anstieges einer Kurve beeinflusst werden, welche eine aufgezeichnete Signalphasenverschiebung oder eine aufgezeichnete Signalstärke as Funktion des Transmitter-Empfänger-Versatzes repräsentiert. Bei Versatzentfernungen größer als die kritische Versatzentfernung kann eine Änderung des Anstieges der Kurve, welche eine aufgezeichnete Signalphasenverschiebung oder eine aufgezeichnete Signalstärke als Funktion der Quelle-Empfänger-Versatzentfernung repräsentiert, eine Lagerstättengrenze andeutet.
  • Die Versatzentfernung kann durch Bewegen des Empfängers; oder des Transmitters und seismischen Quelle, oder sogar beider verändert werden. Alternativ dazu kann die Versatzentfernung durch Bewegen sowohl des Empfänger als auch der Transmitters und seismischer Quelle konstant gehalten werden.
  • Elektromagnetische und seismische Wellen gehorchen ähnlichen Grundgleichungen. Daher wird eine zeitharmonische Wellenantwort einer vergrabenen Schicht in einem gleichförmigen Hintergrund (Deckgebirge) in beiden Fällen von der gleichen Basistheorie erhalten. Der Hauptunterschied liegt darin, dass im elektromagnetischen Fall eine komplexe Wellenanzahl (Verbreitungskonstante) vorliegt, die Abschwächung und Ausbreitung (d.h. Pulsverzerrung in der Zeitdomäne) verursacht.
  • Wenn die Versatzentfernung zwischen EM Transmitter und EM Empfänger deutlich größer als die dreifache Tiefe der Lagerstätte vom Meeresboden (das ist die Dicke des Deckgebirges) ist, wird es erkennbar dass die Abschwächung der refraktierten Welle von der Lagerstätte oft geringer sein wird als jene der direkten Welle oder der reflektierten Welle. Die Ursache dafür ist die Tatsache, dass der Weg der refraktierten Welle tatsächlich die Entfernung vom Transmitter abwärts zur Lagerstätte, das ist die Dicke des Deckgebirges, plus dem Versatz entlang der Lagerstätte plus der Versatzentfernung von der Lagerstätte aufwärts zum Empfänger, das ist nochmals die Dicke des Deckgebirges, beträgt.
  • Wenn keine H/C Lagerstätte im Bereich von EM Transmitter und Empfänger vorhanden ist, wird die ermittelte Welle aus einer direkten Welle und möglicherweise einer reflektierten Welle bestehen. Sie wird daher stark abgeschwächt und die Phase wird sich bei steigender Versatzentfernung rasch ändern.
  • Wenn allerdings eine H/C Lagerstätte vorhanden ist, dann wird eine refraktierte Wellenkomponente in der Wellenantwort vorliegen und diese kann dominieren. Auf Grund der höheren Phasengeschwindigkeit (Wellengeschwindigkeit) in H/C gefüllten Schichten wird dies eine Wirkung auf die Phase der empfangenen Wellenantwort haben.
  • Als eine Funktion der Versatzentfernung zwischen Quelle und Empfänger wird sich die Phase der refraktierten Welle weitgehend linear und viel langsamer ändern als die Phasen der direkten und reflektierten Wellen und, da die letztgenannten Wellen mit steigender Versatzentfernung stärker abgeschwächt werden, wird der Übergang von rascher Phasenveränderung zu einer langsamen Phasenveränderung mit nahezu konstantem Anstieg die Gegenwart der H/C Lagerstätte anzeigen. Wenn die Kante der Lagerstätte überschritten wird, werden diese langsamen Phasenveränderungen in eine rasche Phasenveränderung und starke Abschwächung übergehen. Daher wird für große Versatzentfernungen ein Wechsel von einer langsamen linearen Phasenveränderung zu einer raschen oder umgekehrt die Grenzen einer H/C Lagerstätte anzeigen.
  • Wenn eine konstante Versatzentfernung zwischen Transmitter und Empfänger aufrechterhalten ist, wird während einer Änderung der Position von einem oder beiden die aufgezeichnete Phasenverschiebung konstant bleiben solange der spezifische Widerstand der Untergrundschichten unterhalb und zwischen Quelle und Empfänger konstant ist. Wenn ein Wechsel der Phasenverschiebung ermittelt wird während der Transmitter und/oder Empfänger in konstanter Versatzentfernung bewegt werden, deutet dies darauf hin, dass eines der Instrumente sich in der Nähe der Grenze einer H/C Lagerstätte befindet.
  • Die Polarisation der Quellenabstrahlung wird bestimmen, wie viel Energie in die ölhältige Schicht in Richtung zum Empfänger abgestrahlt wird. Eine Dipolantenne ist daher der ausgewählte Transmitter. Im Allgemeinen ist es bevorzugt, einen Dipol anzunehmen, für welchen das Strommoment, das ist das Produkt aus dem Strom und der wirksamen Länge, groß ist. Der Transmitterdipol kann daher 100 bis 1000 Meter lang sein und kann in zwei verschiedene Richtungen gezogen sein, die orthogonal sein können. Die optimale Länge des Empfängerdipols wird durch das Strommoment des Quellendipols und der Dicke des Deckgebirges bestimmt.
  • Die erfindungsgemäße Technik kann zur Erforschung landbezogener unterirdische Lagerstätten anwendbar sein, ist jedoch insbesondere anwendbar auf unterseeische, insbesondere unter dem Meer befindliche, unterirdische Lagerstätten. Bevorzugt wird das EM Feld unter Verwendung von einem oder mehreren am Erdboden angeordneten Transmittern aufgebracht und die Ermittlung wird durch einen oder mehrere an der Erdoberfläche angeordnete Empfänger ausgeführt. In einer bevorzugten Anwendung sind die Transmitter und/oder Empfänger am oder nahe dem Meeresboden oder dem Boden eines anderen Wasserbereiches angeordnet.
  • Das ausgesandte EM Feld kann gepulst sein, jedoch ist eine kohärente kontinuierliche Welle, gegebenenfalls mit abgestuften Frequenzen, bevorzugt. Es kann für eine signifikante Zeitperiode ausgesandt werden, innerhalb welcher der Transmitter bevorzugt stationär (obgleich er langsam bewegt sein könnte) und die Trasmission stabil sein sollte. So kann das Feld für eine Zeitperiode von 3 Sekunden bis 60 Minuten, bevorzugt von 10 Sekunden bis 5 Minuten, beispielsweise etwa 1 Minute, ausgesandt werden. Die EM Empfänger können so angeordnet sein, dass sie eine direkte und eine reflektierte Welle sowie eine refraktierte Welle von der Lagerstätte ermitteln, und die Analyse kann die Unterscheidung der Phasen- und Amplitudendaten der refraktierten Welle von den korrespondierenden Daten der direkten Welle enthalten.
  • Bevorzugt sollte die Wellenlänge der Aussendung im Bereich sein 0,1 s ≤ λ ≤ 5 s;worin λ die Wellenlänge der Aussendung durch das Deckgebirge und s die Entfernung vom Meeresboden zur Lagerstätte ist. Insbesondere ist λ von 0,5 s bis 2 s. Die Aussendungsfrequenz kann von 0,01 Hz bis 1 kHz, bevorzugt von 0,1 bis 20 Hz, beispielsweise 1 Hz betragen.
  • Bevorzugt liegt die Entfernung zwischen dem Transmitter und einem Empfänger in dem Bereich 0,5 λ ≤ L ≤ 10 λ;worin λ die Wellenlänge der Aussendung durch das Deckgebirge hindurch und L die Entfernung zwischen Transmitter und dem ersten Empfänger ist.
  • Es ist erkennbar, dass die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, um die Position, die Ausdehnung, die Beschaffenheit und das Volumen einer bestimmten Schicht zu bestimmen, und sie kann auch verwendet werden, um Wechsel dieser Parameter über eine Zeitperiode zu ermitteln, z.B. durch Belassen der Empfänger (und möglicherweise auch des EM Feldtransmitters und der seismischen Quelle) an Ort und Stelle.
  • Die elektromagnetischen Signale sind empfindlich auf den spezifischen elektrischen Widerstand von unterirdischen Schichten und elektromagnetische Verfahren sind deshalb gut geeignet für die Auffindung von Schichten hohen spezifischen Widerstandes wie H/C Lagerstätten. Allerdings können Schichten ohne Kohlenwasserstoffe ebenfalls hohe spezifische elektrische Widerstände aufweisen, z.B. Schichten, die aus Salz, Basalt, Kalzitbänder, oder anderem dichten Gestein mit niedriger Porosität und geringem Wassergehalt bestehen. Schichten mit hohem spezifischem Widerstand dieser Art werden generell höhere seismische Geschwindigkeiten besitzen als das Deckgebirge mit niedrigem spezifischem Widerstand, wogegen H/C Lagerstätten mit hohem spezifischem Widerstand generell niedrigere seismische Geschwindigkeiten besitzen als das Deckgebirge mit niedrigem spezifischem Widerstand. Seismische Verfahren können daher verwendet werden, um H/C Lagerstätten mit hohem spezifischem Widerstand von anderen Schichten mit hohem spezifischem Widerstand zu unterscheiden.
  • Eine Unterscheidung zwischen H/C Lagerstätten und anderen Schichten mit hohem spezifischem Widerstand können auf Basis der vorhandenen seismischen Reflexionsdaten der betreffenden Bodenuntersuchung vorgenommen werden. Allerdings wird eine verlässlichere Unterscheidung durch die seismischen Refraktionsdaten erzielt werden, die mit großen Versatzentfernungen zwischen der seismischen Quelle und dem seismischen Empfänger aufgezeichnet werden. Dies kann bevorzugt in Kombination mit dem Sammeln der elektromagnetischen Daten erfolgen.
  • Elektromagnetische Empfangsantennen, die am Meeresboden angeordnet sind, werden bevorzugt mit seismischen Empfängern kombiniert, die ebenfalls in Kontakt mit dem Meeresboden sind. Das bedeutet, dass nur eine Untersuchung erforderlich sein wird, um sowohl die elektromagnetischen als auch die seismischen Daten aufzuzeichnen, und es wird möglich sein, eine volle 4-Komponenten (drei Komponenten des Bewegungsvektors zusätzlich zum Druck)-4C-Seismikaufzeichnung sowohl der P als auch der S-Wellenkomponente des refraktierten seismischen Signals auszuführen.
  • Es ist erkennbar, dass die Abwesenheit von jeglicher refraktierter Wellenkomponente in sowohl der EM Wellenantwort als auch der seismischen Antwort anzeigt, dass keine Formationen mit einem differierenden spezifischen Widerstand oder unterschiedlichen akustischen Eigenschaften vorhanden ist. Die Anwesenheit von einer gebeugten Wellenkomponente in sowohl der EM Feldantwort als auch der seismischen Antwort wird die Anwesenheit einer Formation mit hohem spezifischen Widerstand und hoher akustischer Geschwindigkeit (niedrige Porosität) anzeigen, was z.B. auf einen Basalt- oder Salzdom hinweist. Die Gegenwart von einer refraktierten EM Wellenkomponente und die Abwesenheit von refraktierten seismischen Wellenkomponenten werden einen hohen spezifischen Widerstand zusammen mit einen niedrigen akustischen Geschwindigkeit und damit niedriger Porosität anzeigen, was eine H/C (Kohlenwasserstoff) Lagerstätte in möglicherweise einer porösen Gesteinsformation wie Sandstein andeuten würde.
  • So ist für große Versatzentfernungen eine Schicht mit hohem spezifischen Widerstand mit Kohlenwasserstoffen durch die Anwesenheit einer refraktierten elektromagnetischen Welle ohne refraktierte seismische Welle gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu ist eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand ohne Kohlenwasserstoffe durch die Anwesenheit von sowohl refraktierten elektromagnetischen Wellen als auch refraktierten seismischen Wellen gekennzeichnet. Durch Aufzeichnung beider Wellentypen in der gleichen Untersuchung ist es möglich, eine verlässlichere Identifikation von H/C Lagerstätten zu erhalten.
  • Die seismische Ausrüstung einschließlich der Quelle und des Empfängers können sowohl in der Ausbildung als auch in der Verwendung konventionell sein.
  • Die Erfindung ermöglicht dem Anwender den Aufwand und die Kosten einer 3D Untersuchung zu vermeiden, u. zw. durch Ausführen was einer ursprünglichen 2D seismischen Untersuchung entspricht und dann Ausführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung in Bezug auf Bereiche, die durch die ursprüngliche Untersuchung von potentiellem Interesse sind.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf eine Empfängereinheit, welche aufweist: eine Trägerstruktur; eine auf der Trägerstruktur angebrachte elektrische Dipolempfangsantenne; einen seismischen auf der Trägerstruktur angebrachten Dreiachsenempfänger; eine auf der Trägerstruktur angebrachte Geophoneinheit; ein auf der Trägerstruktur angebrachtes Hydrophon; und eine Ankereinheit, die vorgesehen ist, um die Trägerstruktur am Meeresboden anzubringen.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Untersuchung von unterseeischen Schichten, wie es vorstehend in Bezug auf die Erstellung eines Untersuchungsberichtes beschrieben ist, und auch auf den Untersuchungsbericht, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erstellt ist.

Claims (27)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines Untersuchungsberichts über unterirdische Schichten, welches aufweist: Anordnen eines elektromagnetischen (EM) Feldtransmitters; Anordnen einer seismischen Quelle im Wesentlichen an der selben Stelle wie der EM-Feldtransmitter; Anordnen eines EM-Feldempfängers in einer vorbestimmten versetzen Entfernung von dem Transmitter; Anordnen eines seismischen Empfängers im Wesentlichen an der selben Stelle wie der EM-Feldempfänger; Aufbringen eines EM-Feldes auf die Schichten unter Verwendung des EM-Feldtransmitters, Detektieren der EM-Wellenfeld-Antwort unter Verwendung des EM-Feldempfängers; Aufbringen eines seismischen Ereignisses auf die Schichten unter Verwendung der seismischen Quelle im Wesentlichen an der selben Stelle, wie der EM-Feldtransmitter; Detektieren der seismischen Antwort unter Verwendung des seismischen Empfängers im Wesentlichen an der selben Stelle wie der EM-Feldempfänger; Analysieren der EM-Wellenfeld-Antwort; Analysieren der seismischen Antwort und Abgleichen der zwei Antworten, um einen Bericht über die Anwesenheit und die Beschaffenheit der Schichten zu erstellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Extrahieren und Verwenden von Phasen- und/oder Amplitudeninformation von den Antworten.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Identifizieren der abgelenkten Wellenkomponente der EM-Wellenfeld-Antwort, Identifizieren der abgelenkten Wellenkomponente der seismischen Antwort, und Verwenden der zwei abgelenkten Wellenkomponenten, um den Bericht zu erstellen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen- und/oder Amplitudeninformation von den zwei abgelenkten Wellenkomponenten verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der EM-Feldtransmitter, die seismischen Quelle und die zwei Empfänger sich alle in der selben Ebene befinden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der EM-Feldtransmitter eine elektrische Dipolantenne aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der EM-Feldempfänger eine elektrische Dipolantenne aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der EM-Feldempfänger und der seismische Empfänger auf der selben Struktur montiert sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das EM-Feld und das seismische Ereignis gleichzeitig aufgebracht werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das EM-Feld und das seismische Ereignis in knapper Abfolge, beispielsweise 5 bis 25 Sekunden, aufgebracht werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Wellenkomponente der seismischen Antwort identifiziert wird, und die reflektierte Wellenkomponente verwendet wird, um unterirdische Schichten zu identifizieren.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: zusätzlich Anordnen eines magnetischen Empfängers im Wesentlichen an der selben Stelle wie der EM-Feldempfänger; Detektieren einer magnetischen Feldantwort; und Verwenden der magnetischen Feldantwort in Kombination mit der EM-Wellenfeld-Antwort und der seismischen Antwort.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wiederholen des Verfahrens mit dem EM-Feldtransmitter und der seismischen Quelle, und/oder dem EM-Feldempfänger und dem seismischen Empfänger an unterschiedlichen Stellen für eine Vielzahl von EM-Transmissionen und seismischen Ereignissen.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit unterschiedlichem Abständen wiederholt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Einsatz und die Verwendung einer Vielzahl von EM-Feldempfängern und/oder einer Vielzahl von seismischen Empfängern.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die EM-Feldempfänger und die seismischen Empfänger an einem Kabel montiert sind.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der EM-Feldtransmitter und/oder die seismische Quelle und/oder der EM-Empfänger und/oder der seismische Empfänger auf dem oder nahe dem Meeresboden oder dem Grund eines anderen Wassergebietes angeordnet sind.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Quelle an der oder nahe der Oberfläche des Wassergebietes angeordnet ist.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des EM-Felds über die Übermittlungsperiode kontinuierlich variiert wird.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das EM-Feldes für eine Zeitdauer von 3 Sekunden bis 60 Minuten übermittelt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei Übermittlungszeit von 10 Sekunden bis 5 Minuten reicht.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Transmission durch die Formel 0,1 s ≤ λ ≤ 10 sgegeben ist; wobei λ die Wellenlänge der Übermittlung durch das Deckgestein ist, und s die Entfernung vom Meeresboden zur Lagerstätte ist.
  23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung zwischen dem EM-Feldtransmitter und dem EM-Feldempfänger durch die Formel: 0,5 λ ≤ L ≤ 10 λgegeben ist; wobei λ die Wellenlänge der Übermittlung durch das Deckgestein ist, und L die Entfernung zwischen dem Transmitter und dem Empfänger ist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionsfrequenz im Bereich von 0,01 Hz bis 1 kHz ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionsfrequenz im Bereich von 0,1 bis 20 Hz ist.
  26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der seismische Empfänger eine komplette seismische Aufzeichnung der Ablaufkomponenten aufzeichnet, welche drei Verlagerungsvektor-Komponenten und eine Druckkomponente aufweist.
  27. Vorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Empfängereinheit enthält, mit: einer Tragestruktur; einer auf die Tragestruktur montierten elektrischen Dipol-Empfangsantenne; einem auf die Tragestruktur montierten dreiachsigen seismischen Empfänger; einer auf die Tragestruktur montierten Geophoneinheit; einem auf die Tragestruktur montierten Hydrophon; und einem Anker, der ausgebildet ist, um die Tragestruktur am Meeresboden zu befestigen.
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