ES2220707T3 - Metodo y aparato para determinar la naturaleza de yacimientos subterraneos. - Google Patents

Abstract

Un método de ejecutar una prospección de los estratos subterráneos con el fin de localizar un yacimiento subterráneo (35) que contenga hidrocarburos, o bien para determinar la naturaleza de un yacimiento submarino o subterráneo (35), cuya geometría o emplazamiento aproximados ya son conocidos, lo cual comprende: aplicación de un campo electromagnético variable en el tiempo a los estratos subterráneos; detección de la respuesta del campo de ondas electromagnéticas; buscar en la respuesta del campo de ondas una componente que represente una onda refractada (43, 43C); y determinar la presencia y/o naturaleza de cualquier yacimiento (35) identificado basándose en la presencia o ausencia de una componente de onda refractada (43, 43C); en el cual la distancia entre el transmisor (37) y un receptor (38) está dada por la fórmula: 0, 5 l 10 ; en donde es la longitud de onda de la transmisión a través del terreno de recubrimiento (34) y en donde l es la distancia entre el transmisor (37) y el receptor (38).

Description

Método y aparato para determinar la naturaleza de yacimientos subterráneos.

La presente invención está relacionada con un método para determinar la naturaleza de yacimientos submarinos y subterráneos. La invención es adecuada particularmente para determinar si un yacimiento, cuya geometría aproximada y emplazamiento ya conocidos, contiene hidrocarburos o agua, aunque puede aplicarse también a la detección de yacimientos con características particulares.

Actualmente, las técnicas más ampliamente utilizadas para la prospección geológica, particularmente en las situaciones submarinas, son los métodos sísmicos. Estas técnicas sísmicas son capaces de revelar la estructura de los estratos subterráneos con cierta precisión. No obstante, mientras que una prospección sísmica puede revelar el emplazamiento y la forma de un yacimiento potencial, no puede revelar la naturaleza del yacimiento.

La solución por tanto es la perforación de un pozo de sondeo en el yacimiento. No obstante, los costos incluidos en la perforación de un pozo de exploración tienen a estar en el margen de \mathsterling25m y puesto que la tasa de éxito se encuentra en general aproximadamente en la proporción de 1 a 10, esto tiende ser un programa muy costoso.

Es por tanto un objeto de la invención el proporcionar un sistema para determinar, con una mayor certeza, la naturaleza de un yacimiento subterráneo sin necesidad de perforar un pozo de sondeo.

El documento WO-00/00850A expone un sistema para monitorizar la resistividad de los estratos próximos a un pozo de sondeo. Tanto la fuente del campo electromagnético (EM) y los receptores están localizados en el pozo de sondeo. El sistema está relacionado solamente con una situación próxima al pozo de sondeo y por tanto utiliza transmisiones de alta frecuencia.

De acuerdo con la invención, se proporciona un método de ejecutar una prospección de los estratos subterráneos con el fin de localizar un yacimiento subterráneo que contenga hidrocarburos, o bien para determinar la naturaleza de un yacimiento submarino o subterráneo, cuya geometría o emplazamiento aproximados ya son conocidos, lo cual comprende: aplicación de un campo electromagnético variable en el tiempo a los estratos subterráneos; detección de la respuesta del campo de ondas electromagnéticas; buscar en la respuesta del campo de ondas una componente que represente una onda refractada; y determinar la presencia y/o naturaleza de cualquier yacimiento identificado basándose en la presencia o ausencia de una componente de onda refractada; en el cual la distancia entre el transmisor y un receptor esté dada por la fórmula:

0,5 \ \lambda \leq l \leq 10 \ \lambda;

en donde \lambda es la longitud de onda de la transmisión a través del terreno de recubrimiento (34) y en donde l es la distancia entre el transmisor (37) y el receptor (38).

Dado que las distancias y la geometría del yacimiento serán conocidas a partir de prospecciones sísmicas previas, se seleccionarían unos valores óptimos de \lambda y de l.

Se ha observado mediante los presentes solicitantes que aunque las propiedades sísmicas de los estratos rellenados con petróleo y los estratos rellenados con agua no difieren significativamente, sus resistividades electromagnéticas (permisividades) si difieren realmente. Así pues, mediante la utilización del método de prospección electromagnética, estas diferencias pueden ser aprovechadas y pudiendo incrementar significativamente la tasa de éxitos en la predicción de la naturaleza de un yacimiento. Esto representa potencialmente un enorme ahorro en los costos.

La presente invención surge a partir de la observación del hecho de que cuando se aplica un campo eléctrico EM (electromagnético) a los estratos subterráneos que incluyan un yacimiento, además de una componente de onda directa y una componente de onda reflejada con respecto al yacimiento, la respuesta del campo de la onda detectada incluirá una componente de onda "refractada" del yacimiento. El yacimiento que contenga hidrocarburos está actuando de alguna forma como una guía de ondas. Para los fines de esta memoria técnica, no obstante, la onda se denominará como "onda refractada", independientemente del mecanismo en particular al cual pertenezca en particular.

Sea lo que pueda ser, la onda refractada se comporta de forma distinta, dependiendo de la naturaleza del estrato en el cual se está propagando. En particular, las pérdidas de propagación en el estrato de hidrocarburos son mucho menores que en el estrato con contenido de agua, mientras que la velocidad de propagación es mucho más alta. Así pues, cuando se encuentra presente un yacimiento de petróleo, y se aplica un campo electromagnético EM, puede detectarse una onda refractada fuerte y de rápida propagación. Por tanto, esto puede indicar la presencia del yacimiento o su naturaleza si ya es conocida su presencia. Por tanto, preferiblemente el método de acuerdo con la invención incluye además la etapa de analizar los efectos de cualquier componente de la onda refractada detectada que haya sido originada por el contenido del yacimiento basándose en el análisis.

Preferiblemente, el campo electromagnético aplicado está polarizado. Preferiblemente, la polarización es tal que pueda crearse mediante las antenas alineadas horizontalmente del transmisor y del receptor.

Si el desplazamiento entre el transmisor y el receptor es significativamente mayor de tres veces la profundidad del yacimiento con respecto al fondo del mar (es decir, el grosor del terreno del recubrimiento), se observará que la atenuación de la onda refractada será frecuentemente menor que la correspondiente a la onda directa y a la onda reflejada. La razón de esto es por el hecho de que el recorrido de la onda refractada será la distancia real desde el transmisor hasta el yacimiento, es decir, el grosor del terreno del recubrimiento, más el desplazamiento a lo largo del yacimiento, más la distancia desde el yacimiento hasta los receptores, es decir, una vez más el grosor del terreno de recubrimiento.

La polarización de la transmisión de la fuente determinará la cantidad de energía que se transmite en la capa con contenido de petróleo en la dirección del receptor. Una antena dipolo es por tanto el transmisor preferido, aunque puede utilizarse cualquier transmisor capaz de generar un campo polarizado apropiado. En general, es preferible adoptar un dipolo con una longitud efectiva grande. El dipolo transmisor puede ser por tanto de 100 a 1000 metros de longitud, y puede tener de 10 a 1000 metros preferiblemente polarizado transversalmente. La longitud optima del dipolo receptor está determinada por el grosor del terreno de recubrimiento.

La técnica es aplicable en la exploración de yacimientos subterráneos basados en tierra pero es especialmente aplicable para los de tipo submarino, en particular para yacimientos subterráneos por debajo del mar en particular. En una aplicación preferida, el transmisor(es) y/o el receptor(es) están situados en el fondo del mar o en el fondo de otra zona del agua. Convenientemente, existirá un único transmisor y un conjunto de receptores, en que los transmisores y los receptores serán antenas dipolos o bobinas, aunque pueden utilizarse otras formas de transmisor/receptor. El transmisor puede estar en un pozo de sondeo existente. Así mismo, en caso de que sea deseable una direccionabilidad mejorada del campo emitido, entonces podrán utilizarse una pluralidad de transmisores con ajuste de la fase.

En una configuración, se encuentran dispuestos un único transmisor y varios receptores con un único cable que están tendido en la posición requerida sobre el fondo del mar mediante una superficie o un buque submarino. Estos pueden desplazarse a otro emplazamiento. En una segunda configuración, varios receptores tienen posiciones fijas sobre el fondo marino. El transmisor puede ser desplazado a varios emplazamientos. En una tercera configuración, un transmisor puede posicionarse mediante un primer buque mientras que en un segundo buque se posiciona uno o más receptores. Esto añade flexibilidad en el posicionamiento de los transmisores y receptores. En una cuarta configuración, el transmisor puede estar en un pozo existente mientras que los receptores pueden constituir una matriz fija o pudiendo ser movible.

Se observará que la presente invención puede ser utilizada para determinar la posición, la extensión, la naturaleza y el volumen de un estrato en particular, y puede ser utilizada también para detectar cambios en estos parámetros a través de un periodo de tiempo.

Las técnicas de prospección electromagnética son conocidas en sí. No obstante, no se utilizan ampliamente en la práctica. En general, los yacimientos de interés son de aproximadamente 1 Km. o más por debajo del nivel del mar. Con el fin de llevar a cabo la prospección electromagnética como técnica autónoma en estas condiciones, con un grado razonable de resolución, son necesarias las longitudes de onda cortas. Desgraciadamente, dichas longitudes de onda cortas adolecen de una atenuación muy alta. Las longitudes de onda largas no proporcionan la resolución adecuada. Por estas razones, se prefieren las técnicas sísmicas.

No obstante, aunque las longitudes de onda más grandes aplicadas por las técnicas electromagnéticas no proporcionan una información suficiente para suministrar una indicación precisa de los límites de los distintos estratos, si se conoce ya la estructura geológica, pueden utilizarse para determinar la naturaleza de una formación identificada en particular, si las posibilidades de la naturaleza de dicha formación tienen características electromagnéticas significativamente distintas. La resolución no es particularmente importante, y pueden ser utilizadas longitudes de onda más largas que no adolezcan de una atenuación
excesiva.

La resistividad del agua marina es de aproximadamente 0,3 ohmios-m, y la del terreno de recubrimiento por debajo del fondo marino sería típicamente de 0,3 a 4 ohmios-m, por ejemplo aproximadamente 2 ohmios-m. No obstante, la resistividad de un yacimiento de petróleo es probable que sea aproximadamente 20-300 ohmios-m. Esta gran diferencia puede ser aprovechada utilizando las técnicas de la presente invención. Típicamente, la resistividad de una formación con contenido de hidrocarburos será de 20 a 300 veces mayor que la formación con contenido de agua.

Debido a las diferentes propiedades electromané-
ticas de una formación con contenido de gas/petróleo y una formación con contenido de agua, puede esperarse una reflexión y una refracción del campo transmitido en el límite de la formación con contenido de gas/petróleo. No obstante, la similaridad entre las propiedades del terreno de recubrimiento y un yacimiento conteniendo agua significa que es probable que no se produzcan reflexiones ni refracciones.

El campo transmitido puede ser por impulsos, no obstante, aunque se prefiere una onda continua coherente con frecuencias escalonadas. Pueden transmitirse durante un periodo significativo de tiempo, durante el cual el transmisor estará preferiblemente estacionario (aunque podría desplazarse lentamente), y con una transmisión estable. Así pues, el campo puede ser transmitido durante un periodo de tiempo de 3 segundos a 60 minutos, preferiblemente de 3 a 30 minutos, por ejemplo aproximadamente 20 minutos. Los receptores pueden estar configurados también para detectar la onda directa y la onda refractada desde el yacimiento, y el análisis puede incluir la extracción de los datos de fase y amplitud de la onda refractada, a partir de los datos correspondientes de la onda directa.

Preferiblemente, la longitud de onda de la transmisión está dada por la fórmula:

0,1 \ s \leq \lambda \leq 5 \ s;

en donde \lambda es la longitud de onda de la transmisión a través del terreno de recubrimiento y s es la distancia desde el fondo marino hasta el yacimiento. Más preferiblemente, \lambda tiene un valor de aproximadamente 0,5s a 2s. La frecuencia de transmisión puede ser de 0,01 Hz a 1 KHz, preferiblemente de 1 a 20 Hz, por ejemplo 5 Hz.

En un régimen preferido, la primera transmisión se efectúa en una primera frecuencia y recibida por cada receptor en una matriz sintonizada de los receptores, después se efectúa una segunda transmisión a una segunda frecuencia y siendo recibida por la misma matriz sintonizada de receptores, estando los receptores sintonizados para recibir su transmisión respectiva. Esto seria repetido probablemente varias veces más, aunque puede realizarse una sola vez.

Preferiblemente, el análisis incluye la comparación de los resultados de las medidas tomadas con los resultados de un modelo de simulación matemática basándose en las propiedades conocidas del yacimiento y de las condiciones del terreno de recubrimiento.

Preferiblemente, los medios de análisis están configurados para analizar la fase y la amplitud. Los datos pueden ser analizados utilizando técnicas en el dominio del tiempo y en el dominio de las frecuencias, y otras técnicas por impulsos de aumento de la precisión. Así pues, los datos pueden realizarse según datos sísmicos de simulación, de forma que puedan utilizarse las técnicas de post-procesamiento sísmico convencionales.

Si se considera un emplazamiento de interés, puede llevarse a cabo una operación de modelado matemático. Así pues, los distintos parámetros relevantes, tales como la profundidad y las resistividades esperadas de los distintos estratos conocidos en el terreno de recubrimiento pueden ser aplicados al modelo matemático, y los resultados esperados pueden ser calculados dependiendo de sí la formación en consideración tiene contenido de petróleo o agua. Los resultados pronosticados teóricamente pueden ser comparados entonces con los resultados reales obtenidos en el campo con el fin de determinar la naturaleza de la formación.

La presente invención se extiende también a un método de prospección de medidas subterráneas, el cual comprende: realizar una prospección sísmica para determinar la estructura geológica de una zona; y si dicha prospección revela la presencia de un yacimiento subterráneo, realizar subsiguientemente un método según lo expuesto anteriormente.

La invención puede ser llevada a cabo en la práctica según distintas formas y se describirán a continuación algunas realizaciones a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 es un diagrama esquemático de una técnica experimental de comprobación de los principios de la invención.

La figura 2 es una sección esquemática de un sistema de acuerdo con la invención.

La figura 1 muestra una plataforma de pruebas que comprende un depósito 11 lleno de agua de mar, y una capa de simulación con contenido de petróleo, en la forma de un diafragma 12 lleno con agua fresca. El diafragma 12 está suspendido por encima del fondo del depósito 11. Un transmisor 13 y un receptor 14 están montados sobre las columnas verticales respectivas 15, 16 suspendidas de una vigueta 17. Las columnas se encuentran con una separación constante L y el transmisor 13 y el receptor 14 son desplazables verticalmente hacia arriba y hacia abajo en sus columnas 15, 16.

Cuando el transmisor 13 y el receptor 14 se encuentran en la posición mostrada con líneas de trazo continuo, la sensibilidad del receptor se ajusta de forma que la atenuación en el agua marina sea tal que la onda directa 18 no pueda ser detectada. Claramente, la onda reflejada 19 sería atenuada tanto que no sería detectada, dada la gran distancia del recorrido a través del agua marina.

A continuación se hacen descender el transmisor 13 y el receptor 14 conjuntamente, y se efectúan transmisiones a intervalos. A una profundidad en particular indicada mediante líneas de trazos, el receptor 14' detecta una señal fuerte que sigue a una transmisión del transmisor 13'. Esta podría no ser una onda directa, ni tampoco una onda reflejada, debido a la atenuación por el agua marina. Se deduce entonces por tanto que el único recorrido de la onda se ha efectuado a través del diafragma 12. Esto se muestra como una onda refractada 21.

La distancia recorrida a través del agua marina es relativamente corta y aunque la onda se haya desplazado en parte a través del agua fresca en el diafragma 12, la atenuación fue considerablemente inferior a la que podría haber tenido lugar a través de la misma distancia en el agua marina. Así pues, la atenuación total fue inferior para la onda directa 18, y detectándose la onda refractada 21.

En la figura 2 se muestra un ejemplo más práctico. La superficie del mar se muestra en 31, en donde el mar 32 se extiende hacia abajo hasta el fondo oceánico 33. Existe un terreno de recubrimiento 34, una capa de soporte del petróleo 35 y una capa inferior 36. Esta estructura es ya conocida a partir de una prospección sísmica, pero no se conoce la naturaleza de las capas. Se muestra un transmisor esquemáticamente en 38 sobre el suelo oceánico 33 y un receptor de forma similar en 38. Se encuentran separados entre sí con un desplazamiento 39.

El transmisor 37 es de la forma de una antena dipolo, la cual está configurada para transmitir una onda electromagnética polarizada de forma tal que la componente radial E se encuentra generalmente a lo largo de la línea hasta el receptor. Esto da lugar a que la onda directa 41 se propague en el agua del mar a lo largo de la superficie del terreno de recubrimiento y una onda reflejada 42a y 42b que avance a través del terreno de recubrimiento 34, colisionando en la superficie superior de la capa de contenido de petróleo 35 y siendo reflejada. Se indican las partes que son recibidas por el receptor 35.

La onda transmitida da lugar también a una onda refractada 43. Esta está compuesta por una parte descendente 43a que desciende a través del terreno de recubrimiento 34, una parte refractada 43b que se desplaza a lo largo de la capa 35, y una parte ascendente 43c que se propaga de vuelta a través del terreno de recubrimiento 34. Puesto que la parte refractada 43b se desplaza mucho más rápidamente a través de la capa de soporte del petróleo 35, y con mucha menos atenuación, la onda refractada 43 será detectada primeramente por el detector 38 y a un nivel de señal relativamente alto, en comparación con la onda directa 41 y la onda reflejada 42a, 42b.

La onda refractada 43 está particularmente adaptada para determinar los límites de un yacimiento de petróleo, por ejemplo, la capa 35, si su profundidad por debajo del suelo del fondo marino 33 es ya conocida. Esto es debido al hecho de que la parte descendente 43a de la onda refractada 43 entra en su mayor parte en la capa 35 con el ángulo crítico, el cual es aproximadamente de 10º para la roca de soporte del petróleo. Para ángulos mayores de aproximadamente 15º, tiene lugar la reflexión total en la superficie de la capa 35.

Así pues, mediante la adopción de distintas posiciones para el receptor 38, pueden determinarse los límites del yacimiento de petróleo, mediante al ausencia de una parte de onda refractada emergente 43c con precisión.

Esta técnica es también apropiada en sí en la forma conveniente para monitorizar los cambios de un yacimiento, a través de un periodo de tiempo. La ausencia de una onda refractada detectada significará que el límite del yacimiento de petróleo se ha desplazado y que se ha agotado el contenido de petróleo.

En el esquema general de pruebas mostrado en la figura 2, el fondo marino es de 1000 m de grosor, y tiene una resistividad de 2 ohmios-m. La capa de hidrocarburos tiene aproximadamente 50-100 metros de grosor, y tiene una resistividad de 50-100 ohmios-m.

Si se seleccionan los siguientes parámetros: distancia entre la antena del transmisor Tr y la antena del receptor Re = 4000 metros; Frecuencia = 1,25 Hz; longitudes efectivas de la antena del transmisor y de la antena del receptor L_{T} y L_{R} = 500 metros (longitud física de la antena = 1000 metros). Corriente del transmisor 200 A.

En consecuencia, la señal recibida (onda directa) será aproximadamente de 5 \muV. Para f = 2,5 Hz, el voltaje recibido llegará a ser de 0,5 \muV.

Cuando la capa de hidrocarburos tenga una anchura suficientemente grande, puede esperarse que la onda refractada será más fuerte que la onda directa.

Claims (17)

1. Un método de ejecutar una prospección de los estratos subterráneos con el fin de localizar un yacimiento subterráneo (35) que contenga hidrocarburos, o bien para determinar la naturaleza de un yacimiento submarino o subterráneo (35), cuya geometría o emplazamiento aproximados ya son conocidos, lo cual comprende: aplicación de un campo electromagnético variable en el tiempo a los estratos subterráneos; detección de la respuesta del campo de ondas electromagnéticas; buscar en la respuesta del campo de ondas una componente que represente una onda refractada (43, 43C); y determinar la presencia y/o naturaleza de cualquier yacimiento (35) identificado basándose en la presencia o ausencia de una componente de onda refractada (43, 43C); en el cual la distancia entre el transmisor (37) y un receptor (38) está dada por la fórmula:

0,5 \ \lambda \leq l \leq 10 \ \lambda;

en donde \lambda es la longitud de onda de la transmisión a través del terreno de recubrimiento (34) y en donde l es la distancia entre el transmisor (37) y el receptor (38).

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque tiene la etapa adicional de analizar los efectos de cualquier componente de la onda refractada detectada (43C) que hayan sido provocados por el yacimiento (35) con el fin de determinar además el contenido del yacimiento (35) basándose en el análisis.

3. El método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el campo electromagnético aplicado está polarizado.

4. Un método según la reivindicación 3, caracterizado porque la polarización es tal que la componente E del campo está creada por un dipolo horizontal en la dirección hacia el receptor.

5. Un método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el campo se aplica utilizando uno o más transmisores estacionarios (37).

6. Un método según la reivindicación 5, caracterizado porque un transmisor estacionario (37) se encuentra en un pozo de sondeo existente.

7. Un método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque la detección se lleva a cabo por uno o más receptores estacionarios (38).

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque el transmisor (37) y/o los receptores (38) están situados sobre el fondo marino (33) o próximamente al mismo, o en fondo de otra zona de agua, o en la superficie de la tierra.

9. Un método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el campo se transmite durante un periodo de tiempo de 3 segundos a 60 minutos.

10. Un método según la reivindicación 9, caracterizado porque el tiempo de transmisión es de 3 minutos a 30 minutos.

11. Un método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque la longitud de onda de la transmisión está dada por la fórmula:

0,1 \ s \leq \lambda \leq 10 \ s;

en donde \lambda es la longitud de onda de la transmisión a través del terreno de recubrimiento y s es la distancia desde el fondo marino (33) hasta el yacimiento (35).

12. Un método según cualquier reivindicación anterior, en el que la frecuencia de transmisión es de 0,01 Hz a 1 KHz.

13. Un método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque la frecuencia de transmisión es de 1 a 20 Hz.

14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, caracterizado porque se efectúa una primera transmisión a una primera frecuencia, y siendo recibida por cada receptor en una matriz sintonizada de receptores, efectuándose a continuación una segunda transmisión a una segunda frecuencia y siendo recibida por la misma matriz sintonizada de receptores, estando los receptores sintonizados para recibir sus transmisiones respectivas.

15. Un método según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque además incluye la etapa de comparar los resultados de las medidas tomadas con los resultados de un modelo de simulación matemático basándose en las conocidas propiedades de las condiciones del yacimiento y del terreno de recubrimiento.

16. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado por la supresión de la onda directa (41), reduciendo por tanto el rango dinámico necesario de los receptores (38) e incrementando la resolución de la onda refractada (43, 43C).

17. Un método de prospección de medidas subterráneas, el cual comprende: ejecución de una prospección sísmica para determinar la estructura geológica de una zona; y en donde dicha prospección revela la presencia de un yacimiento subterráneo (35), ejecutando subsiguientemente un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 para determinar la naturaleza del yacimiento (35).