Патент на изобретение №2354996

(54) СПОСОБ ПОИСКА ГАЗОГИДРАТОВ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к геофизическим методам поиска минерального сырья на дне моря и может быть использовано для поиска залежей газогидратов в приповерхностном слое. Согласно изобретению осуществляют излучение акустического сигнала в направлении морского дна, прием и обработку сигнала объемного обратного рассеяния звука, определение участков повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое морского дна и вычисление отношения К₁ интегральных уровней амплитуд сигнала объемного обратного рассеяния звука участков повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое морского дна. Наличие газогидратов фиксируют в случае, если полученное значение К₁ выше предварительно определенного порогового значения данного показателя. Способ поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна можно также осуществить излучением акустического сигнала в направлении морского дна, приемом и обработкой сигнала объемного обратного рассеяния звука, вычислением длительности К₂ сигнала объемного обратного рассеяния звука от морского дна и/или количества К₃ звукорассеивающих слоев в приповерхностном слое морского дна. Наличие газогидратов фиксируют, в случае, если полученные значения К₂ и/или К₃ ниже соответствующих величин предварительно определенных пороговых значений показателей. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и надежности обнаружения газогидратов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к геофизическим методам поиска минерального сырья на дне моря и может быть использовано для поиска залежей газогидратов в приповерхностном слое.

Газогидраты – это твердые соединения, образующиеся из углеводородов и воды при определенном давлении и температуре. В природе они встречаются главным образом в океанах и районах вечной мерзлоты. В океанах газогидраты в основном находятся на континентальных склонах в виде мощных слоев на глубинах порядка нескольких сотен метров ниже поверхности морского дна. Картирование месторождений газогидратов на морском дне является актуальной задачей, поскольку углеводороды в ближайшем будущем могут заменить в качестве сырья нефть, запасы которой на Земле ограничены.

Известен способ, позволяющий избежать бурения слишком большого числа скважин (п. РФ 2180448, опубл. 10.03.2003). Способ заключается в том, что на определенном расстоянии друг от друга (порядка нескольких километров) бурят две скважины и наличие газогидратов между скважинами определяют с помощью акустического метода, поместив в одной из скважин приемник, а в другой – излучатель. Недостатком метода является его дороговизна, связанная с необходимостью бурить скважины, и невозможность проведения подробного картирования газогидратов в приповерхностном слое морского дна.

Известен способ определения приповерхностных залежей газогидратов с помощью излучения и приема электромагнитных полей, основанный на том, что газогидраты имеют по сравнению с окружающими осадочными породами другие электромагнитные характеристики (п. США 7145341, опубл. 05.12.2006 г). Недостатком метода является необходимость размещения антенн непосредственно на морском дне, что делает данный метод также чрезвычайно затратным и длительным.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности, надежности и уменьшении стоимости способа поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна за счет использования характеристик сигнала ООРЗ не только от водной толщи, но и от морского дна.

Поставленная задача решается способом поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна, включающим излучение в направлении морского дна акустического сигнала, прием и обработку сигнала объемного обратного рассеяния звука от морского дна, определение участков повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое и вычисление отношения K₁ интегральных уровней амплитуд сигнала объемного обратного рассеяния звука участков повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое морского дна, причем наличие газогидратов фиксируют в случае, если полученное значение K₁ выше предварительно определенного порогового значения данного показателя.

Поставленная задача решается также способом поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна, включающим излучение в направлении морского дна акустического сигнала, прием и обработку сигнала объемного обратного рассеяния звука, вычисление длительности К₂ сигнала объемного обратного рассеяния звука и/или количества К₃ звукорассеивающих слоев в приповерхностном слое морского дна, причем наличие газогидратов фиксируют, в случае, если полученные значения К₂ и/или К₃ ниже соответствующих величин предварительно определенных пороговых значений показателей.

Заявляемый способ основан на том, что области залегания приповерхностных газогидратов по данным объемного обратного рассеяния высокочастотного звука по сравнению с соседними областями характеризуются:

повышенным уровнем приповерхностного рассеяния и более быстрым падением уровня сигнала ООРЗ с глубиной;

меньшим количеством звукорассеивающих слоев;

меньшей длительностью сигнала ООРЗ от морского дна.

Заявителем впервые экспериментально определены и теоретически обоснованы возможности определения газогидратов в приповерхностном слое морского дна с помощью определенных по характеристикам ООРЗ в приповерхностном слое морского дна показателей K₁, равного отношению интегральных уровней ООРЗ участков повышенного и пониженного рассеяния, К₂, равного длительности сигнала ООРЗ в приповерхностном слое морского дна, и К₃, равного количеству звукорассеивающих слоев в приповерхностном слое морского дна.

Способ осуществляют следующим образом.

Акустический сигнал, например, с помощью акустического преобразователя, эхолота или гидролокатора излучают в воду в направлении морского дна. Требуемые характеристики сигнала, а именно периодичность, длительность, частота заполнения, мощность и диаграмма направленности, определяемые необходимостью получения качественного отраженного от морского дна сигнала, выбираются стандартным образом в зависимости от расстояния между акустическим преобразователем и поверхностью дна, характеристик неоднородностей дна, уровнем шума. Частота акустического сигнала, наиболее эффективная для данного способа, лежит в высокочастотном акустическом диапазоне 3-100 кГц. Акустический сигнал при распространении рассеивается в обратном направлении от поверхности морского дна и от неоднородностей верхнего слоя донных осадков. Принятый акустическим преобразователем сигнал ООРЗ преобразуется в электрический сигнал и обрабатывается, отображаясь, например, в виде эхограммы на экране монитора компьютера. Далее по полученному сигналу ООРЗ в приповерхностном слое морского дна и по определенным ранее значениям участков повышенного и пониженного рассеяния определяют показатель K₁ в исследуемой области. Наличие газогидратов в приповерхностном слое морского дна определяют по превышению показателем K₁ порогового значения П₁.

Также по полученному сигналу ООРЗ в приповерхностном слое морского дна определяют показатели К₂ и К₃ в исследуемой области. Наличие газогидратов в приповерхностном слое морского дна фиксируют, если значения показателей К₂ и/или К₃ ниже аналогичных значений пороговых значений К₂ и К₃ соответственно.

Для осуществления способа поиска газогидратов с использованием показателя K₁ предварительно для исследуемого места во время калибровки стандартными статистическими методами определяют значения участков повышенного и пониженного рассеяния и пороговое значение П₁. Для этого в выбранном районе исследования любым приемлемым способом, например с помощью способа, взятого за прототип, определяют газогидратные области, расположенные в приповерхностном слое морского дна. Затем выполняют акустический разрез через указанные области и определяют значения участков повышенного и пониженного рассеяния и показатель K₁ на калибровочном разрезе.

Пороговые значения для исследуемого места П₂, П₃ определяют предварительно во время калибровки стандартными статистическими методами. Для этого в выбранном районе исследования любым приемлемым способом, например с помощью способа, взятого за прототип, определяют газогидратные области, расположенные в приповерхностном слое морского дна. Затем выполняют акустический разрез через указанные области и определяют К₂ и К₃ на калибровочном разрезе.

Далее, для определения порогов П₁-П₃ с целью уменьшения влияния случайных факторов производят скользящее осреднение К_i, где i=1÷3 на калибровочном разрезе по дистанции, которая существенно меньше характерного горизонтального размера областей газогидратов в приповерхностном слое морского дна. Далее по полученной осредненной величине любого из параметров К_i, где i=1÷3, определяют К_iГГ – среднее значение данного параметра К_i в областях газогидратов и К_iФ – среднее значение параметра К_i в фоновых областях (вне областей газогидратов).

Если генеральное среднее распределений К_i в фоновых областях и в областях газогидратов с заданной доверительной вероятностью _i находится в доверительных интервалах

(/К_iФ/±_iФ) и (/К_iГГ/±_iГГ),

тогда, в случае, если соблюдаются неравенства

(/К_iФ/-_iФ)<(/К_iГФ/+_iГГ), i=1;

и (/К_iФ/-_iФ)>(/К_iГФ/+_iГГ), i=2, 3,

то величины

К_iФ<К_iГГ, i=1

и К_iФ>К_iГГ, i=2, 3

с заданной вероятностью. В этом случае искомые величины порогов Пi выбираются из неравенства

(/К_iФ/-_iФ)<Пi<(/К_iГГ/+_iГГ), i=1 (для K₁)

и (/К_iФ/-_iФ)>Пi>(/К_iГГ/+_iГГ), г=2, 3 (для К₂ и К₃).

Описанным выше способом предварительно была произведена калибровка, определены К_i, где i=1÷3 на калибровочном разрезе, и были определены соответствующие значения порогов П₁=2, П₂=40 мс, П₃=2,5 и участки повышенного и пониженного приповерхностного рассеяния: 0-20 мс и 20-60 мс соответственно, в районе залегания газогидратов на шельфе о. Сахалин в Охотском море.

После определения соответствующих значений порогов П₁-П₃ выполняют гидроакустическую съемку во всем районе исследований.

Поскольку пороговые значения П₁-П₃ определяются геологическими и термобарическими условиями данной местности, то они являются стабильными и не изменяются вплоть до резких изменений вышеуказанных условий. Поэтому определенные однажды для данной местности они могут быть использованы и в дальнейшем.

Натурные испытания способа были проведены в рейсе НИС “Академик М.А.Лаврентьев” в районе залегания газогидратов на шельфе о.Сахалин в Охотском море.

Конкретные рабочие характеристики излучения акустического сигнала определяются стандартным способом исходя из общих известных акустических закономерностей, а именно частота, длительность, мощность, период между излучениями определяются условиями измерений (расстоянием от преобразователя до дна, характеристиками неоднородностей дна, уровнем шума и др.). Например, в случае поиска газогидратов с поверхности моря при глубине моря 800 м, излучаемая частота акустических волн должна быть не выше 50 кГц, поскольку при использовании более высокой частоты из-за сильного поглощения до дна дойдет незначительная часть энергии. Заявителем использовались частоты: 12; 19,7 кГц. Период между излучениями определяется расстоянием от преобразователя до дна и длительностью сигнала обратного рассеяния от дна. Если период будет меньше суммы двойного времени распространения до дна и длительности сигнала объемного обратного рассеяния от дна, то последующие импульсы излучения могут наложиться на принятый сигнал и исказить его. В данном случае, при глубине моря 800 м, рекомендуемый период должен быть не ниже 1,5 с. Мощность акустического излучения также определяется глубиной дна, характеристиками неоднородностей в дне, величиной поглощения звука и уровнем шума. При низкой мощности и большом уровне шума сигнал ООРЗ может быть замаскирован шумами, что сделает невозможным определение его искомых характеристик. Длительность импульсов излучения должна быть не больше характерного расстояния между звукорассеивающими слоями в приповерхностном слое морского дна. В противном случае слои на эхограмме не будут разрешаться. Заявителем использовалась длительность 1 мс.

Наличие приповерхностных газогидратных областей фиксировалось по всем заявляемым показателям: и по превышению порогового значения П₁=2 для показателя К₁ и по показателю К₂, если он ниже порогового значения П₂=40 мс, и по показателю К₃, если он ниже величины порогового значения П₃=2,5. Определенные во время калибровки значения участков повышенного и пониженного рассеяния для вычисления показателя К₁ составили 0-20 мс и 20-60 мс соответственно.

На фиг.1 представлены полученные при медленном дрейфе судна на шельфе Охотского моря через область залегания газогидратов в приповерхностном слое морского дна: а – фрагмент эхограммы с участком дна, где C1, C2 и С3 – звукорассеивающие слои; б, в, г – осредненные значения показателей К₁, К₂, и К₃ соответственно; П₁, П₂ и П₃ – пороговые значения соответствующих показателей.

На фиг.2 представлены осредненные профили сигнала ООРЗ от морского дна, полученные при медленном дрейфе судна через область залегания газогидратов, в фоновой области (кривая 1) и в области залегания газогидратов (кривая 2).

На фиг.3 представлена эхограмма, полученная во время акустической съемки на разрезе через несколько областей залегания приповерхностных газогидратов и осредненные значения показателей К₁, К₂ и К₃; д – фрагмент эхограммы с участком дна; е – К₁; ж – К₂, з – К₃, где П₁, П₂ и П₃ – пороговые значения соответствующих показателей.

Видно, что непосредственно в области, над которой регистрируются газогидраты, обнаруженные ранее по рассеянию звука в морской толще, уровень приповерхностного сигнала ООРЗ на участке повышенного рассеяния (0-20 мс фиг.1, а) выше, чем в соседних фоновых областях, а уровень рассеяния от более глубоких слоев на участке пониженного рассеяния (20-60 мс, фиг.1, а). Кроме того, видно, что в данной области длительность сигнала ООРЗ от приповерхностного слоя морского дна и количество тонких звукорассеивающих слоев (С1 и С2) меньше, чем в фоновых областях (С1, С2, С3).

В области газогидратов значение K₁ увеличивается, а значения К₂, К₃ уменьшаются по сравнению с фоновыми значениями (фиг.1, б – г). Видно, что в области газогидратов значения К₁>П₁, К₂>П₂, К₃<П₃.

Возможная причина появления на эхограммах таких характерных областей связана с тем, что в приповерхностном слое осадков содержится большое количество пузырьков газа, образующихся как при разложении имеющихся газогидратов, так и в процессе миграции газа из более глубоких слоев осадков к поверхностным слоям. Наличие большого количества пузырьков приводит к более сильному поглощению и рассеянию звука. В результате в областях газогидратов сигнал ООРЗ от приповерхностного слоя осадков (участок повышенного приповерхностного рассеяния) увеличивается, а из более глубоких слоев (участок пониженного приповерхностного рассеяния) уменьшается. Для этих же областей длительность ООРЗ от морского дна и количество звукорассеивающих слоев в области с газогидратами меньше, чем в соседних фоновых областях.

На фиг.2 видно, что профили сигналов ООРЗ в фоновой области (кривая 1) и области с газогидратами (кривая 2) пересекаются в точке 20 мс. В слое осадков от поверхности дна до глубины, определяемой точкой пересечения профилей, уровень сигнала ООРЗ в области залегания газогидратов выше, чем в соседних областях, а в более глубоководном слое осадков, расположенном ниже места пересечения профилей – ниже. Также из фиг.2 видно, что длительность (K₂) сигнала ООРЗ в области газогидратов (кривая 2) меньше (не превышает 30 мс), чем в соседних областях (кривая 1), в которой длительность (К₂) превышает 50 мс. Видно также, что количество (К₃) тонких звукорассеивающих слоев, которые на осредненных профилях отображаются в виде локальных максимумов, в области газогидратов (кривая 2) также меньше (К₃ равно двум), чем в соседних областях (кривая 1), где выделяются четыре слоя (К₃ равно двум).

На фиг.3, д приведена эхограмма при пересечении судном нескольких областей газогидратов. Над некоторыми областями газогидратов выделяются пузырьки газа, которые на эхограмме регистрируются в виде характерных областей повышенного рассеяния в виде газовых факелов. На фиг.3, е-з приведены соответствующие значения осредненных показателей K₁-К₃. Стрелками на фиг.3, е-з обозначены области дна, в которых по данным показателям регистрируются газогидраты. Большинству стрелок на фиг.3, е-з соответствуют газовые факелы на фиг.3, д. Но есть две области (стрелки А и Б на фиг.3, д) без газовых факелов на фиг.3, д. Однако в данных областях показатель K₁ выше П₁, а показатели К₂ и К₃ ниже соответствующих П₂ и П₃, что свидетельствует о наличии в них приповерхностных газогидратов, что было впоследствии подтверждено с помощью пробоотборных прямоточных грунтовых трубок.

Таким образом, каждый из предлагаемых заявителем показателей K₁, К₂, К₃ позволяет определять как те области газогидратов, над которыми выделяются пузырьки газа и которые могут быть обнаружены также по способу-прототипу, так и области газогидратов, над которыми пузырьки газа не выделяются и которые невозможно определить другими методами.

Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенного способа, в том числе использование показателей K₁, К₂, К₃, определенных по характеристикам сигнала ООРЗ от морского дна, позволяет получить заявляемый технический результат: повышение эффективности и надежности обнаружения газогидратов в приповерхностном слое морского дна. Поскольку геометрические размеры областей газогидратов в приповерхностном слое морского дна составляют около километра, что существенно превышает поперечные размеры глубоководного газового факела (менее 10 м), то для обнаружения газогидратов заявленным способом потребуется выполнить более редкую сетку галсов, что удешевит работу по поиску газогидратов.

Формула изобретения

1. Способ поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна, включающий излучение в направлении морского дна акустического сигнала, прием и обработку сигнала объемного обратного рассеяния звука, отличающийся тем, что дополнительно обрабатывают сигнал объемного обратного рассеяния звука от морского дна, определяют участки повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое и вычисляют отношение К₁ интегральных уровней амплитуд сигнала объемного обратного рассеяния звука участков повышенного и пониженного рассеяния в приповерхностном слое морского дна и фиксируют наличие газогидратов в случае, если полученное значение К₁ выше предварительно определенного порогового значения данного показателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют акустический сигнал в диапазоне частот 3-100 кГц.

3. Способ поиска газогидратов в приповерхностном слое морского дна, включающий излучение в направлении морского дна акустического сигнала, прием и обработку сигнала объемного обратного рассеяния звука, отличающийся тем, что дополнительно обрабатывают сигнал объемного обратного рассеяния звука от морского дна и вычисляют длительность К₂ сигнала объемного обратного рассеяния звука и/или количество К₃ звукорассеивающих слоев в приповерхностном слое морского дна, а наличие газогидратов фиксируют, в случае, если полученные значения К₂ и/или К₃ ниже соответствующих величин предварительно определенных пороговых значений показателей.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют акустический сигнал в диапазоне частот 3-100 кГц.

РИСУНКИ