NO302785B1 - Fremgangsmåte for geofysiske undersökelser - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører geofyske undersøk-elser, og mer spesielt geofysiske undersøkelser i forbindelse med detektering av akustiske responser generert av et elektrisk felt.

Vanlige seismiske landbaserte undersøkelsesteknikker innbefatter bruken av en passende kilde for generering av seismisk energi, samt et sett av mottagere som er spredt langs eller nær bakkeoverflaten for detektering av even-tuelle seismiske signaler som skyldes den seismiske energi som reflekteres fra underjordiske geologiske grense-overganger. Disse signaler blir opptegnet som en funksjon av tid, og den etterfølgende behandling av disse signaler, det vil si seismiske data, har til hensikt å rekons-truere et passende bilde av underjordiske flater. Sagt på en enkel måte innebærer denne kjente prosess at seismisk energi får vandre ned inn i bakken, blir reflektert fra et spesielt geologisk lag (motstands-kontrast), og blir returnert til mottageren som en reflektert seismisk bøl-ge.

Den seismiske energi kan omfatte såkalte skjær-bølger (S-bølger) eller såkalte kompresjons-bølger (P-bølger). Skjær-bølger og kompresjons-bølger er forskjellige med hensyn til deres hastigheter, refleksjonsvinkler, vibra-sjonsretninger og til en viss grad den type informasjon som kan utledes fra deres respektive typer av seismiske data. Imidlertid er begge typer bølger beheftet med lignende dempninger på grunn av jordformasjoner, hvilket innebærer at jordformasjonene har en tendens til å dempe de høyere frekvenskomponenter og tillate at de lavere frekvenskomponenter passerer gjennom bakken forholdsvis udempet. Dette innebærer at for dypere formasjoner vil lavfrekvens-innholdet av den reflekterte seismiske energi inneholde informasjonen om de underliggende formasjoner under overflaten. På grunn av den lave frekvens hos den detekterte reflekterte seismiske energi vil imidlertid oppløsningen av den reflekterte seismiske energi være utilstrekkelig til å tillate detektering av meget tynne geologiske lag. Dersom impedans-kontrasten mellom til-støtende men distingte geologiske lag er meget liten, vil dessuten meget lite seismisk energi bli reflektert, og tydeligheten med hensyn til de geologiske lag kan da ikke skjeldnes fra de detekterte eller opptegnede seismiske data. Man anstrenger seg således fortsatt for å kunne fremskaffe passende avbildninger av lag under overflaten ved hjelp av geofysiske undersøkelsesteknikker forskjellige fra dem som alene knytter seg til seismiske under-søkelsesteknikker .

En ny teknikk hva angår geofysisk undersøkelse er omtalt i US 4.904.942 (A.H. Thompson) meddelt 27. februar 1990.

Denne publikasjon omhandler en fremgangsmåte for petrole-umsundersøkelse, innbefattende generering av et elektrisk felt i en fluidum-innholdenede porøs jordformasjon med en seismisk bølge. Mer spesielt vil den trykkgradient som har tilknytning til en seismisk bølge, bevirke at fluidum strømmer i porene av en porøs bergformasjon. Når fluidet inneholder ladede elementer, vil strømningen fremskaffe en forstyrrelse av elektriske dipollag, og således fremskaffe et elektrisk felt. Det resulterende elektriske felt vil bevege seg til overflaten av bakken, hvor det detekteres ved hjelp av elektromagnetiske følere.

Denne såkalte elektroseismiske undersøkelsesteknikk kan fremskaffe ytterligere informasjon om geologiske lag under overflaten, men vil være mest sensitiv hva angår fluidum-fylte lag med høy permeabiltet. Denne elektroseismiske teknikk er ikke følsom overfor leirskifer eller skiferaktig berg med lav permeabilitet. Således vil denne teknikk ikke være i stand til å bestemme hvorvidt eller ikke det detekterte, porøse undersøkte reservoarlag er omsluttet av et tetningslag med lav permeabilitet, eller hvilket lag med lag permeabilitet som utgjør kilden for pertroleumsfluidene, hvis noen i det hele tatt, i det undersøkte reservoarlag.

Dessuten er det publisert artikler som diskuterer teorien og bruken av elektrokinetiske effekter. Generelt omtaler disse artikler laboratorieapparater som er innrettet til å omforme elektrisk energi til akustisk eller elektromagnetisk energi. F.eks. er et av disse apparater et mikro-pipette-apparat som benytter et porøst materiale inneholdende fluidum, idet et påtrykt elektrisk felt bevirker at det porøse materiale utgyter en meget liten mengde av fluidet. Noen laboratorieinstrumenter finner begrenset anvendelse på grunn av deres lave virkningsgrad sammen-lignet med kjente høyttalere og pumper.

Disse og andre begrensinger og ulemper relaterte til den kjente teknikk, blir imidlertid overvunnet ved den foreliggende oppfinnelse, og det fremskaffes forbedrede frem-gangsmåter for geologiske undersøkelser.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det frem-skaffet en fremgangsmåte for geofysisk undersøkelse av et forhåndsselektert område under overflaten, innbefattende i det minste en porøs underjordisk jordformasjon som inneholder minst et fluidum,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a) å generere et elektrisk felt med tilstrekkelig styrke til å trenge inn i det forhåndsselekterte underjordiske område, for således å konvertere det elektriske felt til en seismisk bølge, idet den seismiske bølge er et resultat av fluidumdipolbeveg-else hos fluidet i den porøse formasjon bevirket av det elektriske felt, og

b) å detektere den seismiske bølge med en seismisk

detektor.

Ved en foretrukken anvendelse, slik denne vil bli omtalt i det følgende, gjøres det bruk både av elektroosmotiske og akustiskelektriske koblingsteknikker.

Oppfinnelsen vil bli bedre forstått ved henvisning til de eksempler som er anskueliggjort på de vedføyde tegnings-figurer. Figur 1 er et forenklet vertikalt snittriss gjennom bakken, og viser en foretrukken form for apparat som benyttes ved geofyisk undersøkelse i henhold til en foretrukken måte for utøvelse av den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et utsnitt av et tverrsnitt gjennom en porøs formasjon som egner seg til generering av en seismisk bølge som reaksjon på en elektrisk feltstimulering i henhold til den foreliggende oppfinnelses lære. Figur 3 er et forenklet blokkdiagram som anskueliggjør hovedtrinnene som inngår i den nye geofysiske undersøkel-se som omtales her. Figurene 4-6 er forenklede skjematiske representasjoner av andre arrangementer av de komponenter som er vist på figur 1, og viser respektive måter for utførelse av den geofysiske undersøkelse. Figur 7 er en forenklet skjematisk representasjon av modifikasjonen i henhold til figur 4.

Slik det fremgår av figur 1, vil det herfra ses et forenklet arrangement av det apparat som anskueliggjør en foretrukken utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse. Mer spesielt vil det ses at det foreligger en antenne 110 som er passende plassert på eller nær overflat en av bakken, for generering av et elektrisk felt 111. Denne "antenne" er anskueliggjort på figur 1 som to me-tallelektroder 112, 114 delvis nedgravet i bakken. Det kan benyttes to eller flere slike elektroder, og elektrodene kan befinne seg over eller under vannspeilet (ikke vist). Når det benyttes to elektroder, kan elektrodene være anordnet på en avstand fra ca. 4.6 meter til ca. 7.620 m. Fortrinnsvis kan elektrodene befinne seg under det første vannspeil. Dessuten kan det som antenne benyttes en meget stor trådsløyfe (ikke vist) som er lagt på overflaten av bakken og fører en stor strøm, og på lignende måte kan det benyttes en eller flere store tråd-spoler (kkke vist) med eller uten magnetisk kjerne som antenne, idet den eller disse er nedgravet i bakken (fortrinnsvis under vannspeilet). En pulset likestrømskilde eller en vekselstrømskilde 116 kan være forbundet med antennen for generering av en strøm (ikke vist) i eller i nærheten av bakken, idet denne genererer det tilførte elektriske felt 111. Frekvensen for en slik kilde kan være fra ca. 1 milliHz til ca. 30 KHz. Det påtrykte elektriske felt 111 har tilknytning til et elektromagnetisk felt 111a som skyldes strømmen. Dette elektriske felt 111 vil spre seg ned i den underliggende bakke. Det skal forstås at denne elektromagnetiske bølge til forskjell fra en akustisk bølge vandrer med lysets hastighet i bakkegrunnen. Lysets hastighet i bakkegrunnen er mindre enn lyshastigheten i vakuum eller luft. Den elektromagnetiske bølge i bakkegrunnen vil typisk vandre ved en hastighet som er tilnærmet hundre ganger større enn gang-hastigheten for en akustisk bølge i det seismiske frekvensbånd på ca. 10 - 100 Hz.

Det påtrykte elektriske felt 111 støter på fluidumdipoler 120 som har tilknytning til i det minste et fluidum i et porøst jordformasjonslag. En del 118 av dette formasjonslag er anskueliggjort i et utspilt riss på figur 1. Dette påtrykte felt bevirker en endring i polarisasjonen av de dipolene 120 i porefluidet, noe som på sin side bevirker at fluidet strømmer eller genererer en trykkpuls 122. Det strømmende fluidum (eller puls) fremskaffer en tidsvari-erende trykkgradient, som deretter sprer seg inn i bakke-formasjonen (eller bergformasjonen). Trykkgradienten vil deretter spre seg gjennom bakkegrunnen, innbefattende til overflaten, og da som en seismisk bølge 124. Betegnelsen "seismisk bølge" blir her benyttet som omfattende enhver mekanisk bølge som brer seg under overflaten av bakken, og innbefatter, men er ikke begrenset til, P- og S-bølg-er. Denne seismiske bølge blir detektert av en passende seismisk detektor 126 som er plassert på eller i overflaten av bakken, samtidig som denne seismiske detektor kan omfatte et sett eller en gruppe av detektorer, idet slike detektorer kan være hydrofoner eller geofoner. Geofonene kan være enkelt-komponent eller multikomponent-geofoner, det vil si omfatte en eller flere følsomhetsakser, f.eks. vertikal på linje horisontalt, og tverrlinje-horisontalt.

De signaler som representerer detekteringen av den seismiske bølge, kan passende opptegnes ved hjelp av en vanlig seismisk feltopptegner (ikke vist), som vanligvis rommes i et opptegningskjøretøy 128. Disse signaler kan behandles i henhold til vanlige seismiske teknikker for utledning av informasjon relatert til gangtid, dybde og/eller hastighet, såvel som underjordisk litologi-informasjon. Fordi opptegningen, analysen samt fremvisning-en av slike data (før, under og/eller etter behandling) er velkjent innen denne tekniske genren, vil den ikke bli opptalt i detalj her. Selve formasjonen er porøs, slik dette fremgår tydeligere på figur 2. Dette innebærer at det forekommer faste bergpartier 201 som gjennomgående er forsynt med kanal-lignende porøse hulrom 202. Uttrykket porøs blir benyttet her for å omfatte bakkesubstans som inneholder volum eller porehulrom uten jord, og innbefatter, men er ikke begrenset til, konsoliderte, lite konsoliderte eller ukonsoliderte jordmaterialer. I fall det forekommer vannholdige eller polariserbare fluider, kan det formes en elektrokjemisk binding mellom det vannholdige eller polariserbare fluidum og de faste bergpartier 201 . Et slikt vannholdig eller polariserbart fluidum kan omfatte, men trenger ikke være begrenset til, vann, saltvann, hydrokarboner, petroleum, eller kombinasjon av disse. Denne elektrokjemiske binding er representert ved "+"-symbolet i fluidumdelen og "-"-symbolet i bergpartiet av formasjonen. Generelt har bergpartiet 201 en eksister-ende naturlig overflateladning. Denne elektrokjemiske binding kan resultere i en lokal porefluidum-dipol som bevirker et lokalt bakgrunns-forhåndseksisterende elektrisk felt. Det skal forstås at totalt sett vil det ikke eksistere noen netto dipol i ikke-forstyrret berg og de tilhørende fluider.

Fortegnet for det bakgrunns-forhåndseksisterende elektriske felt eller feltpolaritetsretningen er avhengig av overflateladningen på faststoffet og måten fluidet skil-ler ut nevnte ladning. I forbindelse med leirer vil ladningen typisk være som vist på figur 2. I karbonater vil imidlertid ladningen kunne være reversert, det vil si med "+"-ladningen på faststoffet.

Når det påtrykte elektriske felt 111 samvirker med formasjonen, slik dette er illustrert for et område av formasjonen, forekommer det en ladning i det bakenforliggende elektriske felt, som virker på den etablerte fluidumdipol 120 eller de ladninger som har tilknytning til nevnte dipol, hvilket bevirker fluidumbevegelse. Dette er illustrert ved hjelp av det påtrykte elektriske felt 111 fra den elektromagnetiske bølge 111a vist på figur 1 og figur 2. Selv om det påtrykte elektriske felt 111 kan være et "pulset" eller "vekselstrøms"-felt (det vil si resulterende fra en pulset likestrømskilde eller en vekselstrøms-kilde), så vil det påtrykte felt 111 som er vist på figur 1 og figur 2, utgjøre et statisk elektrisk felt på grunn av forenklet illustrasjonsformål. Dette påtrykte elektriske felt 111 har den virkning at det modifiserer de elektrokjemiske bindinger eller beveger ladningene (vist ved de små piler ovenfor og nedenfor "ladningene" i fluidet på figur 2), hvilket derved effektivt fremskaffer en trykkpuls hvor bindingene blir forstyrret eller brutt. Dette påtrykte elektriske felt 111 befinner seg i hele fluidumområdet og vil i første rekke påvirke ladningene hos dipolene 120 som ikke er ved eller i nærheten av fluidumoverflaten eller grensesjiktet hos berget. Således vil det genereres en porefluidum-trykkpuls fra den resulterende ladningsbevegelse, og denne resulterende trykkpuls blir overført til de faste bergdeler av formasjonen. På sin side vil trykkpulsen bli overført gjennom bergpar-tiene som en seismisk bølge 124. Et passende underjordisk formasjonslag kan således utgjøre en underjordisk kilde

av seismisk energi.

En del av denne seismiske energi kan vandre oppover fra formasjonen (seismisk bølge 124) mot overflaten, hvor den kan detekteres av en seismisk detektor eller en gruppe av detektorer. Dersom det foreligger vanlige seismiske ref-leks jonsgrenser mellom formasjonen og overflaten, vil det selvsagt opptre seismiske refleksjoner som vil detekteres av detektorgruppen, også på en vanlig måte. Detekteringen av den resulterende underjordisk genererte seismiske bølge vil imidlertid finne sted når som helst et fluidum eksisterer i en porøs formasjon, fortrinnsvis av lav permeabilitet.

Når både detektorene og elektrodene er plassert ved overflaten av bakken, slik dette fremgår av figur 1, vil detektert seismisk respons indikere nærværet av et fluidum- inneholdende underjordisk lag. Ved analysering av den detekterte seismiske respons er det mulig å bestemme hvor mange slike lag som forefinnes samt dybden av slike lag. Det er mulig å "innstille" bølgelengden og/eller amplituden for det anvendte eller påtrykte elektriske felt for selektering av den dybde til hvilken feltet effektivt penetrerer bakken. Generelt vil elektriske felter med lengre bølgelengder og fra høyere strømmer bre seg dypere inn i bakken.

Amplitude- og frekvensinnholdet av den seismiske bølge som er generert ved et fluidum-inneholdende underjordisk lag, er forventet å være avhengig av frekvensen av det påtrykte elektriske felt, tykkelsen av laget, samt dybden av laget. Ved analyse av frekvensinnholdet av den detekterte seismiske bølge, vil det kunne bestemmes et mål for permeabiliteten av det lag som genererte den seismiske bølge.

Som angitt tidligere vil det elektriske felt kunne være det elektriske felt som har tilknytning til en elektromagnetisk bølge. Følgelig vil en pulset likestrømskilde eller en vekselstrømskilde passende kunne forbindes med en antenne eller elektroder for generering av det elektromagnetiske felt. Frekvensen for pulsene eller veksel-strømsfrekvensen for kilden kan justeres, og størrelsen av strømmen kan også justeres. I forbindelse med en veks-elstrømskilde kan frekvensen sveipes gjennom et område av frekvenser i analogi med sveipefrekvensene hos en seismisk vibrator. En vekselstrømskilde kan omfatte en sig-nalfunksjonsgenerator og en forsterker som tjener til å forsterke vekselstrømssignalet til et strøm- og spenn-ingsnivå som er nødvendig for generering av et felt av tilstrekkelig styrke for det underjordiske område som har interesse. En vekselstrømskilde kan også omfatte en mo-tordreven vekselstrømsgenerator med konstant hastighet eller variabel hastighet.

En pulset likestrømskilde kan omfatte en signalpulsgene-rator og en forsterker som er tilstrekkelig til å for sterke likestrømspulsen til et strøm- og spennningsnivå som er nødvendig for generering av et felt av tilstrekkelig styrke for det underjordiske område som er av interesse .

Frekvensområdet for en slik kilde kan være fra 1 milliHz til ca. 30 KHz, idet vanlig seismologi benytter et frek-vensområde fra ca. 1 Hz til ca. 100 Hz. Slik det er angitt tidligere, vil den frekvens som er selektert for kilden, kunne influeres av den ønskede penetreringsdybde for det elektriske felt, idet man for meget dype eller dype formasjoner kan benytte frekvenser ned til ca. 0,1 Hz.

En passende forsterker kan være av den type som typisk benyttes for forsterkning av signaler relatert til of-fentlige høyttalersystemer eller musikkforsterkning med høy effekt, f.eks. slike som finnes i teateret, idretts-plasser eller andre utendørs forsamlinger. Den type av elektroder som kan benyttes ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, omfatter dem som benyttes som en styringskilde for audiofrekvens magnetotellurisk eller elektromagnetisk undersøkelse eller utforskning. Ved bruk av to elektroder kan elektrodene være anordnet på en innbyrdes avstand fra 4.6 til ca. 7.620 m. Ved bruk av flere enn to elektroder kan den innbyrdes avstand mellom elektrodene skille seg fra dette område, men totallengden og/eller-bredden for elektrodegruppen bør ligge innenfor dette nevnte område. En gruppe av elektroder kan benyttes for generering av en spesiell type eller orientering av elektrisk felt. Mer spesielt kan gruppen være analog til en fiksert fasegruppe, og ved hjelp av passende juster-bare elektroniske forsinkelser kan det genereres et styr-bart elektrisk felt. Alternativt kan det genereres en plan bølge som brer seg nedover i grunnen.

På figur 3 er det anskueliggjort et forenklet blokkdia gram over de for tiden foretrukne fremgangsmåtetrinn for geofysisk undersøkelse i henhold til den foreliggende oppfinnelses lære. Mer spesielt kan det av denne figur ses at det første trinn 301 går ut på generering av et elektrisk felt. Dette elektriske felt kan genereres, slik det er sagt ovenfor, ved plassering av elektroder i eller på overflaten av bakken, og deretter føre en strøm gjennom disse elektroder fra en strøm- eller kraftkilde. Denne strøm fremskaffer en elektromagnetisk bølge, og den elektriske bølge som har tilknytning til denne elektromagnetiske bølge, utgjør det elektriske felt som penetrerer bakken under overflaten. Elektrodene bør fortrinnsvis delvis penetrere inn under overflaten av bakken, og mer hensiktsmessig bør de plasseres under det første vannspeil.

Det neste trinn 302 ved den nåværende foretrukne utførel-sesform for den foreliggende oppfinnelse, går ut på å omforme dette elektriske felt til seismisk energi via fluidumdipoler i et porøst underjordisk jordlag omfattende minst et fluidum. Slik det er angitt tidligere, kan dette fluidum omfatte hydrokarboner, vann, saltvann, andre petroleumsrelaterte fluider, eller en hvilken som helst blanding eller kombinasjon av nevnte fluider. Slik det også er angitt tidligere, vil det påtrykte elektriske felt støte på fluidumdipoler som har tilknytning til i det minste et fluidum i et porøst jordformasjonslag. Dette påtrykte elektriske felt bevirker en endring i polarisasjonen av fluidumdipolene og resulterer i en trykkpuls som på sin side resulterer i en seismisk bølge.

Det neste trinn 303 i den for tiden foretrukne fremgangsmåte ifølge den foreliggende oppfinnelse går ut på å detektere denne genererte seismiske energi. Denne seismiske energi kan passende detekteres ved plassering av en detektor eller en detektorgruppe på eller nær bakkeoverflaten. Denne detektor eller gruppe av detektorer kan omfatte hvilke som helst passende seismiske detektorer. Mer spesielt kan passende seismiske detektorer utgjøres av hydrofoner eller geofoner. Disse geofoner kan ha en sensitivitet som knytter seg til en eller flere akser. En slik detektor eller gruppe av detektorer mottar den seismiske energi som er blitt omformet fra det elektriske felt i et underjordisk porøst jordlag inneholdende minst ett fluidum. I forbindelse med denne foretrukne utførel-sesform for geofysisk undersøkelse skal det forstås at det apparat som er nødvendig for gjennomføring av fremgangsmåten, omfatter hovedsakelig antennen, elektrodene eller elektrodegruppen samt en strøm- eller effektkilde som kan omfatte en pulset likestrømskilde eller en vek-selstrømskilde, samt en passende seismisk detektor eller en gruppe av seismiske detektorer som er plassert på eller nær bakkeoverflaten. Det skal klart forstås at dette er den mest rasjonelle måte å utføre den foreliggende oppfinnelse på, når det ikke foreligger noen borehull som trenger gjennom bakken under overflaten, og en omtale av apparatet og fremgangsmåten når disse er modi-fisert ved forekomsten av borehull, vil finnes senere i denne beskrivelse.

En kort forklaring av hva man for tiden mener å være bakgrunnen for den foreliggende oppfinnelse innebærer følgende. Når en trykkgradient påtrykkes en porøs flui-dumfylt bergart, vil det kunne genereres et elektrisk felt. Denne resulterende kobling kan kalles akustoelekt-risk kobling eller et strømningspotensial. Når et elektrisk felt påtrykkes en porøs fluidum-fylt bergart, kan det genereres en trykkgradient. Denne kobling kan beteg-nes som elektroakustisk kobling eller en elektro-osmotisk virkning. Det kan benyttes en koblingskoeffisient for å relatere størrelsen eller graden av kobling for hver av disse to prosesser.

Den akustoelektriske koblingskoeffisient er for nåværende forventet å være mye større enn den elektroakustiske koefffisient for bergarter med høy permeabilitet, det vil si over noen få milli-Darcy (mD). Dette skyldes de forskjellige fluidum-porevolumer som kan reagere på eksita-sjonen. I det akustoelektriske tilfelle vil hele fluidum-volumet reagere på den påtrykte trykkgradient. I det elektroakustiske tilfelle vil bare det ladede fluidum i den umiddelbare nærhet av poreveggen reagere på et påtrykt elektrisk felt. Av denne grunn vil virkningsgraden ved genereringen av fluidumbevegelse utifrå et påtrykt elektrisk felt, ikke være den samme som virkningsgraden ved generering av en elektromagnetisk bølge fra strømmen-de fluidum bevirket utifrå en trykkbølge.

En mer detaljert forklaring av hva man for tiden mener å være grunnlaget for den foreliggende oppfinnelse er som følger. Man har i detalj og i flere år studert fenomen-relaterte modeller for de elektrokinetiske virkninger hos fluider i porøse materialer. Mer spesielt omtaler en rapport av John L. Andersen og Wei-Hu Koh disse modeller (Journal of Colloid and Interface Science, 59, 149

[1977]). Grunnligningene som forbinder strømmer og felter utgjøres av Onsager-ligningene. For fluidumstrøm og elektriske strømmer i rette rør vil relasjonene kunne uttryk-kes som følger:

idet Q = volumstrøm [m<3>/sek], A = poreareale [m<2>], SL = porelengde [m],

k = permeabilitet [m<2>] = r<2>/8 for rør (noter at en

1m2=10<15>mD), n.<=>absolutt viskositet [kg/m/sek] A p = trykkforskjell over prøvestykke [N/m<2>] a = elektro-osmot-

isk koeffisient eller elektro-osmotisk mobilitet [m<2>/v - sek], A V = spenningsdifferanse over prøvestykket [V],

og oQ= saltvannskonduktivitet [(Q -m)~<1>].

Den elektroakustiske koeffisient oppnås ved at man setter fluidumstrømmen i ligning 1 lik null, hvilket gir

For typiske verdier av vann i sylindriske (radius på ti mikrometer) rør av kvarts vil dette resultere i:

Det vil således ses at for rette rør av kvarts med radius 10 mikrometer vil det kreve ca. 10<4>volt å generere et trykk på én atmosfære. For mindre kapillarer og større overflateladninger vil produktet av disse variable være betydelig høyere, hvilket innebærer at denne koeffisient kan være mindre enn 10 volt pr. bar. Denne mindre verdi på 10 volt pr. bar innebærer at en håndterbar akustisk trykkgradient kan genereres ved rimelige spenninger. På lignende måte vil f.eks. en Berea-sandsten med en permeabilitet på 300 mD og typiske verdier for vann ha en elektroakustisk koblingskoeffisient av størrelsesorden 10<3>volt pr. bar. Imidlertid, for bergarter med porestruktu-rer med permeabiliteter av størrelsesorden 3 x 10-<3>mD vil den elektroakustiske koeffisient være tilnærmet 0.3 volt pr. bar.

For bergarter med lav eller meget lav permeabilitet vil således 0.3 volt kunne generere et trykk på en atmosfære. Dette trykk som genereres i et porefluidum, kan effektivt kobles til bergartmatrisen for å fremskaffelse av en kilde for seismisk energi. Problemet med kobling eller omforming av fluidumtrykk-variasjoner til en akustisk bølge er omtalt i "Radiation from a Point Source and Scattering Theory in a Fluid Saturated Porous Solid", A.N. Norris (Journal of Acoustic Society of America 77 (6), 2012 [1985]). I denne artikkel blir det diskutert to typer pulskilder: 1) en punktbelastningsforskyvning som påtrykkes bare på faststoffkomponenten, og 2) en punktbelastningsforskyvning som påtrykkes fluidet. Begge disse kilder genererer P-bølger og S-bølger. I forbindelse med frekvenser som har interesse ved seismisk undersøkelse, vil forholdet mellom fluidum og faststoff-forskyvning for en kompresjonsbølge være tilnærmet 1, hvilket innebærer at den samme P-bølge blir generert når belastningen (try-kkvariasjonen) påtrykkes fluidet, som når belastningen påtrykkes faststoffet. Generelt vil det samme resultat være gjeldende for S-bølgen.

Når den elektroakustiske koblingskoeffisient er stor, vil det således bli en effektiv generering av fremadskridende seismiske bølger. Spesielt vil omformingen fra en lokal trykkvariasjon i fluidet til en fremadskridende seismisk bølge ikke innebære noen ytterligere avhengighet av permeabilitet. Bergarter med lav permeabilitet kan således forventes å utgjøre gode kilder for denne elektroakustiske omforming.

Laboratorietester bekrefter at det induserte trykk som fremskaffes ved en elektromagnetisk bølge i bakken, kan estimeres utifrå de tidligere omtalte ligninger. Ved bruk av disse ligninger vil den forventede akustiske respons fra en underjordisk jordformasjon (stimulert av et påtrykt elektrisk felt) kunne sammenlignes med vanlige seismiske refleksjonsamplituder. I forbindelse med en spesiell modell ble det benyttet en antenne på 100 meters lengde sammen med en vekselstrøm på 100 ampere og frekvenser i det seismiske frekvensbånd (10 - 100 Hz). Det forventede trykk som ble generert ved en formasjon ned til en dybde på 1000 m for den elektromagnetisk induserte trykkgradient og for det trykk som ble indusert ved avfy-ring av en dynamittladning på

454 g, ble funnet å være av samme størrelsesorden.

Denne modell demonstrerer således at den elektromagnetisk induserte seismiske bølgeamplitude kan være av samme størrelsesorden som amplituden hos en vanlig seismisk refleksjon fra den samme formasjon. Videre er den elektroakustiske virkning forventet til å være frekvensavhen-gig

(for frekvenser som har interesse i forbindelse med seismisk undersøkelse) i en ikke-homogen bergart eller en bergart med en fordeling av porestørrelser. Den induserte trykkgradient er proporsjonal med frekvensen for det påtrykte elektriske felt. Således vil den resulterende seismiske bølge som genereres av det elektriske felt, ha en tilstrekkelig høy frekvens (opptil til ca. to ganger den for det elektriske felt), for derved å forbedre opp-løsningen av tynne geologiske lag.

Det vil således kunne ses at ved en annen utførelsesform skaffer den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for geofysisk undersøkelse ved generering av en elektrisk bølge, omforming av denne elektriske bølge til en seismisk bølge i et fluidum-inneholdende porøst underjordisk geologisk lag og ved detektering av den således genererte seismiske bølge. Videre vil den elektriske bølge kunne assosieres med en elektromagnetisk bølge og kan genereres ved hjelp av en passende strøm som føres gjennom bakken.

Slik det fremgår av figur 4 er det her vist en alternativ plassering av elektrodene 412, 414 for generering av et elektrisk felt 111, relatert til de seismiske detektorer 426. På figur 4 er elektrodene 412, 414 plassert i en brønnboring 420 som trenger gjennom bakken under overflaten. Selv om det er vist to elektroder, kan det benyttes mer enn to elektroder. Selv om de to elektroder er vist med den ene nær toppen av brønnborehullet og den andre nær bunnen av brønnborehullet, så kan dessuten elektrodene plasseres i nærheten av hverandre, og de kan plasseres ved en hvilken som helst dybde i borehullet. Figur 4 viser også den seismiske detektorgruppe 426 lagt ut langs overflaten av bakken. Det fremgår tydelig at posisjonene av elektrodene (i borehullet) og gruppen (på bakkeoverflaten) kan byttes innbyrdes, slik at gruppen kan befinne seg i borehullet og elektrodene på eller nær bakkeoverflaten.

På figur 5 er det vist at både den seismiske detektorgruppe 526 og elektrodene 512, 514 er plassert i ett eneste borehull 520. Det fremgår klart at de relative lokasjoner av gruppen og elektrodene kan byttes innbyrdes. Videre kan elektrodene og gruppen fysisk overlappe hverandre enten delvis eller fullstendig. Også her vil et hvilket som helst antall av elektroder kunne benyttes. Fortrinnsvis kan elektrodene og gruppen utgjøre en del av et eneste brønnloggeverktøy (ikke vist) som kan benyttes på vanlig måte for logging av fluidum-inneholdende porøse lag som er gjennomtrengt av borehullet, under bruk av elektroakustisk effekt ifølge den foreliggende oppfinnelse .

Det skal forstås at fordi frekvensen av den seismiske bølge som genereres, kan befinne seg i samme frekvensom-råde som ved vanlige seismiske undersøkelsesteknikker, så vil den informasjon som oppnås ved brønnloggingen med denne fremgangsmåte, innebære en forenklet tilpasning eller "tilknytning" til seismiske tverrsnitt enn vanlig brønnloggeinformasjon, idet de seismiske tverrsnitt kan oppnås før, under eller etter boringen av det borehull

som er blitt logget.

Pa lignende måte viser figur 6 posisjoneringen av elektrodene 612, 614 i ett borehull 620 og den seismiske detektorgruppe 626 i et tilstøtende borehull 630. Også her og i henhold til den foreliggende oppfinnelses lære kan det benyttes en flerhet av elektroder, og/eller deres respektive og/eller totale plasseringer kan varieres i borehullet.

Det vil således ses at en ytterligere utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse skaffer en fremgangsmåte for utførelse av kryss-borehull-tomografi. Mer spesielt vil det ses at denne utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse utnytter det elektriske felt til generering av en seismisk bølge i nærheten av et borehull, som deretter kan utnyttes til generering av bilder ved passende behandling av de tomografiske data som mottas av detektorer i et andre nærliggende borehull. Behandlingen av de tomografiske data for fremskaffelse av informasjon om de underjordiske materialer som befinner seg mellom borehul-lene, er konvensjonell og velkjent innenfor teknikkens stilling, og følgelig vil den ikke bli omtalt her.

På figur 7 vil det ses en modifikasjon av komponentene ifølge figur 4. Mer spesielt vil det ses et foret borehull 720 istedetfor et ikke-foret borehull 420, hvilket innebærer at borehullet omfatter foring (eller rør) 750 som strekker seg til en viss dybde av borehullet. Denne foring 750 kan benyttes som en antenne for utbredelse av et elektrisk felt i bakken under overflaten. Foringen benyttes som en første elektrode 712, og en andre elektrode 714 befinner seg et stykke (opptil 1.6 km eller mer) fra borehullet. Foringen og den andre elektrode 714 er passende forbundet med en kraftkilde 716, slik det er angitt tidligere. Figur 7 viser også en detektorgruppe 724.

På lignende måte kan komponentene vist på figurene 5 og 6 modifiseres for bruk i et fåret borehull. Det innebærer at en elektrode i figurene kan utgjøre foringen, mens den andre elektrode kan befinne seg i borehullet eller ved bakkens overflate. Det skal imidlertid forstås at arran-gementet av komponenter utlagt på figurene 4-6, kan fremdeles benyttes selv om borehullet er foret, og uten at man bruken foringen som en elektrode, og for disse tilfeller må elektrodene plasseres i ikke-forede partier av borehullet.

Videre vil de teknikker som er omtalt her, kunne forbindes med teknikkene ifølge US 4.904.942, hvor det, som beskrevet tidligere, benyttes akustoelektriske virkninger. De akustoelektriske teknikker fremskaffer detektering av flere porøse formasjoner, det vil si dem med høy permeabilitet som kan utgjøre olje- og gassreservoarer. Teknikkene som er beskrevet her, når de benyttes for undersøkelse av de samme underjordiske områder, ville kunne fremskaffe detektering av kappen med lav permeabilitet eller den forseglende bergart på toppen av de lovende reservoarformasjoner, samt et estimat av toppberga-rtens permeabilitet. Hverken det lovende reservoar eller toppbergarten, som lett kan detekteres ved kombinasjon av de to teknikker, kan detekteres ved konvensjonelle seismiske undersøkelsesteknikker. Mer spesielt vil en direkte indikasjon av permeabilitet (som ikke er tilgjengelig fra konvensjonelle seismiske data, være tilgjengelig fra denne kombinasjon av de to teknikker. Således vil kombi-nasjonen av de to teknikker resultere i informasjon som ikke på annen måte kan avledes uten å bore et borehull. På lignende måte kan de to teknikker kunne anvendes for logging av et borehull.

Claims (10)

1 . Fremgangsmåte for geofysisk undersøkelse av et forhåndsselektert område under overflaten, innbefattende i det minste en porøs underjordisk jordformasjon som inneholder minst et fluidum, karakterisert vedfølgende trinn: a) å generere et elektrisk felt med tilstrekkelig styrke til å trenge inn i det forhåndsselekterte underjordiske område, for således å konvertere det elektriske felt til en seismisk bølge, idet den seismiske bølge er et resultat av fluidumdipolbeveg-else hos fluidet i den porøse formasjon bevirket av det elektriske felt, og b) å detektere den seismiske bølge med en seismisk detektor.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedde trinn å generere et elektrisk felt og å detektere den seismiske bølge, begge utføres ved eller eller nær overflaten av bakken.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 3,karakterisert vedat de trinn å generere et elektrisk felt og detektere den seismiske bølge utfø-res ved eller nær overflaten av bakken, mens de andre av de nevnte trinn utføres i et borehull som strekker seg nedover i bakken.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat de trinn som går ut på å generere et elektrisk felt og å detektere den seismiske bølge begge utføres i et borehull som strekker seg fra overflaten av bakken inn i et forhåndsbestemt underjordisk område.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat det trinn som går ut på å generere et elektrisk felt utføres i et første borehull som trenger seg inn i bakken, og at det trinn som går ut på å detektere den seismiske bølge, utføres i et andre borehull som strekker seg inn i bakken, og at det forhåndsselekterte underjordiske område er plassert hovedsakelig mellom det første og andre borehull.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav,karakterisert vedat det trinn som går ut på å generere et elektrisk felt omfatter aktivering av en pulset likestrøms- eller en vekselstrøms-kraftkilde forbundet med en antenne for fremskaffelse av et elektrisk felt via antennen.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6,karakterisert vedat antennen omfatter minst to av metall tildannede elektroder som er plassert i det minste delvis i bakken.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, eller kravene 3, 4 eller 5, karakterisert vedat fremgangsmåten ytterligere omfatter å plassere minst en av metallelek-trodene i borehullet for generering av det elektriske felt.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 7 eller 8,karakterisert vedat en av metallelek-trodene omfatter borehullsforing i borehullet for generering av det elektriske felt.

10. Fremgangsmåte som angitt som angitt i et av de foregående krav, karakterisert vedat fremgangsmåten ytterligere omfatter det trinn å opptegne de signaler som detekteres av den seismiske detektor.