Спосіб прогнозування покладів газу на морському шельфі

Реферат: Винахід належить до галузі прогнозування на морському шельфу покладів газу (ПГ). Для підвищення достовірності прогнозування за даними космічного геомоніторингу виявляються аномалії температури поверхні моря та зміни градієнта температури приповерхневого шару води, які, при наявності ПГ, утворюються за рахунок виносу бульбашками газу холодних вод з дна моря, що дозволяє за результатами співставлення отриманих даних з аналогічними параметрами еталонних ділянок зробити висновок про наявність ПГ на досліджуваній акваторії, UA 108696 C2 (12) UA 108696 C2 з використанням інформативної ознаки ПГ - зміни градієнта температури приповерхневого шару води під впливом ПГ шляхом обчислення за даними багатоспектральних космічних зйомок значень величини випромінювання в двох спектральних діапазонах (дальньому та ближньому інфрачервоному), та ефективної глибини випромінювання для даних спектрів і на основі отриманих даних визначається градієнт випромінювання у приповерхневому шарі води, порівнюються результати обчислень з параметрами еталонних ділянок та виконується прогнозна оцінка присутності покладів газу, далі вводяться поправки у координати точок вимірювання градієнта, а рішення про наявність ПГ приймається спільно з рішенням на основі аномалій пониження температури. UA 108696 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області пошуків покладів газу (ПГ) на морському шельфі. На сьогодні шельф Чорного моря є для України одним з найважливіших джерел вуглеводнів. Відомо, що газ може надходити у водне середовище через розламні зони різних геологічних структур, утворюючи бульбашки, грифони й сипи (грязьові вулкани), що, природно, відображається на вільній водній поверхні, як температурні аномалії. Останні проявляються на космічних знімках (КЗ) в оптичному й радіоспектральних діапазонах. Для цього використовують КЗ теплого сезону року при більш стабільних гідрології і метеорологічних умовах. Для космічних дистанційних методів водна поверхня є тим природним інтегратором інформації, який дає змогу виявити процеси, що відбуваються в товщі води. Висока вартість глибокого буріння на шельфі обумовлює необхідність підвищення ефективності супутникових способів пошуку покладів газу. Відомі різні способи підвищення ефективності пошуку нафтогазоносних об'єктів на морському шельфі з використанням аерокосмічних зображень. У роботі [1] наведено результати математичного моделювання процесу підйому холодних придонних вод потоком бульбашок газу (газліфтинг), які спливають до поверхні моря і утворюють аномалії пониження температури (АПТ). Величина цих аномалій і можливість їх виявлення супутниковими методами залежить в першу чергу від ряду факторів, серед яких глибина моря і інтенсивність вивержень газу з дна моря. Зважаючи на досить низьку проникність осадових порід, які перекривають глибинні поклади вуглеводнів, обсяги міграції вуглеводнів невеликі. Відомий супутниковий метод виявлення малих за амплітудою АПТ, "Спосіб пошуку нафтогазоносних об'єктів на морському шельфі" (ПУ № 77811) [2], у якому обробляють ряди КЗ, зареєстрованих у різні періоди теплого сезону року. Важливим в цьому способі є врахування зміщення температурних аномалій відносно положення глибинних покладів газу за рахунок нахилу розламних зон, вздовж яких відбувається міграція вуглеводнів. Недоліками даного способу є завади (вітрові доріжки, тіні від хмар, теплові аномалії та ін.) для дешифрувальних ознак АПТ на космічних зображеннях морської поверхні, ці завади можна компенсувати ознаками від приповерхневого шару води. Відомий спосіб пошуку нафтогазоносних ділянок (аналог - United States Patent № 6,509,566) [3] на основі виявлення супутніх газів в атмосфері за допомогою лідара диференційного поглинання (встановлено на наземній або авіаційній платформі), який реєструє спектри поглинання супутніх газів в середньому інфрачервоному діапазоні 2-5 мкм, за яким обчислюються їх концентрації та оцінюється нафтогазоносність. Недоліками вказаного способу є часткове розчинення супутніх газів в морській воді в разі розташування нафтогазоносних ділянок на шельфі та невелика дальність вимірювань. Підвищення точності визначення місцеположення газоносних об'єктів на морі у "Способі пошуку покладів газу на морі" (ПУ № 94322 прототип) [4] досягається шляхом використання спеціального спливаючого буя. Для вимірів зносу цього буя течіями його скидають з судна і занурюють на дно моря у заданій точці (положення точки задають за географічними координатами) району пошуку покладів газу, а потім дають команду на спливання. При пошуку покладів газу на морі проводять реєстрацію і передачу інформації про координати точки занурення буя на дно моря і в момент після його спливання на поверхню моря. Різницю в географічних координатах точки занурення буя на дно моря і точки його спливання використовують для обчислення і введення поправок у координати точок контуру АПТ на супутниковому зображенні. Недоліком способу пошуку покладів газу на морі [4] є те, що як інформативна ознака ПГ використовуються тільки температурні аномалії на водній поверхні, які створюються під впливом газових родовищ. Але у природних умовах поверхня моря і прилеглий до неї граничний шар атмосфери знаходяться в тісній тепловій і динамічній взаємодії, яка відбувається шляхом променевого і контактного перенесення тепла, а також випаровування. В результаті температура від поверхні води лінійно збільшується до глибин в кілька міліметрів, а потім монотонно падає до температури морських глибинних горизонтів [5]. Експериментально було продемонстровано, що поблизу вільної водної поверхні формується специфічний граничний шар з товщиною порядку декількох міліметрів, у якому локалізовані перепади температур у кілька градусів [6]. При цьому в більшості випадків температура поверхні виявляється менше температури шару води, який знаходиться нижче поверхневого. Така термічна структура границі поділу вода-атмосфера отримала назву температурного граничного шару або температурного скін-шару [7]. На фіг. 1 показано схему поверхневих температурних профілів по Хайслеру поблизу розділу вода-атмосфера, який змінюється в залежності від метеорологічних умов (криві 1-7). На фіг. 2 наведені результати лабораторних експериментальних досліджень мікроконвекції в 1 UA 108696 C2 5 10 15 20 25 30 35 приповерхньому шарі води з товщиною порядку 0,5 см (тіньова фотографія вертикального розрізу водного середовища), на якій представлена картина процесу утворення й розвитку холодного скін-шару поблизу поверхні поділу вода-повітря. Більш світлими тонами зображуються холодні області підвищеної щільності [8]. Тобто, на утворення на вільній водній поверхні температурних аномалій, крім бульбашок, впливає ще ряд факторів, а саме: фазові переходи - випаровування й конденсація, які пов'язані з метеорологічними умовами. Ці процеси значно ускладнюють опис динаміки виникнення під дією бульбашок температурних аномалій, які залежать від гідротермодинамічних параметрів двох середовищ. Крім того, особливо у теплий період року, на шляху підняття бульбашок знаходиться термоклин зі значним перепадом температур. При взаємодії бульбашок з термоклином виникають процеси, які, впливаючи на водну поверхню з холодним скін-шаром, утворюють аномалії з позитивним перепадом температур. Новизна способу, що пропонується, полягає в тому, що, з метою підвищення імовірності прогнозування і ефективності пошуку покладів газу шляхом вибору більш стійких гідрофізичних ознак ПГ, пропонується визначати зміни градієнта температури приповерхневого шару води на супутниковому зображенні та введення поправок у координати точок вимірювання градієнта, а рішення про наявність ПГ приймати спільно з рішенням на основі АПТ. Визначити градієнт температури в поверхневому шарі води можна, використовуючи оптичні методи, які дозволяють по тепловому випромінюванню вимірювати перепад температур використовуючи космічні знімки у каналах дальнього та ближнього інфрачервоного діапазону [9]. Вивчення механізму виникнення і розвитку градієнта температури приповерхневого шару води безпосередньо пов'язано з енергомасообміном океан-атмосфера. Як модель вибирається теплопровідна рідина, що описується законом Нав'є-Стокса. Складність математичного опису полягає в задаванні граничних умов, яким повинні задовольняти гідротермодинамічні параметри двох середовищ [10]. Для приповерхневої товщі води порядку 1 см рівняння теплового балансу q має вигляд: q  R  Q  i, де R - баланс довгохвильової радіації; Q - контактний теплообмін поверхні моря з атмосферою; i - витрати тепла на випаровування. У зв'язку з труднощами визначення шляхом розрахунків повного теплового потоку, на практиці використають метод безпосереднього його вимірювання за градієнтом температури: q  kdT / dZ, (1) де k - коефіцієнт теплопровідності приповерхнього шару води, dT - перепад температур, dZ - глибина відповідно перепаду температур, dT / dZ - градієнт температури приповерхневого шару води. Z Математична модель для обчислення глибини відповідно перепаду температур еф після ряду перетворень має вигляд [8]: 2  ( )(dm e / dZ )  e( ) Z еф  1 2 1 d ,  ( )(dm e / dZ )d 1 40 45 (2) ( ) - спектральний коефіцієнт випромінювання, me - енергетична світимість чорного де тіла, e( ) - спектральний коефіцієнт поглинання. Для розрахунку ефективної глибини випромінювання у випадку вузького спектрального Z інтервалу Г. Макалістером було виведено вираз для еф [11]. Zеф  1/ e( ), (3) Послідовно вимірюючи випромінювання води в різних спектральних діапазонах визначають Z еф температуру води на різних глибинах і обчислюючи значення , визначають градієнт температури, зміни якого використовують як інформативну ознаку наявності покладів газу на оточуючому фоні [9]. 2 UA 108696 C2 5 10 При пошуку нафтогазоносних об'єктів на морському шельфі, з використанням аерокосмічних зображень, температуру визначають за даними каналів КЗ. Наприклад, в космічному знімку Landsat 5 використовується дальній інфрачервоний канал (10.40-12.5 мкм), для якого існує стандартна процедура визначення температури поверхневого шару [12] та ближній інфрачервоний канал (2.09-2.35 мкм). В способі, що пропонується, використовується градієнт температури, який визначається за даними спектральних каналів КЗ. Керуючись практичною доцільністю, простіше замість обчислення градієнта температури використовувати значення даних, отриманих безпосередньо з космічних знімків, тобто значення випромінювання двох каналів КЗ приповерхневого шару Y, за якими обчислювати градієнт випромінювання q Y за формулою qY  dY / dZ eф 15 20 25 30 35 40 45 50 55 (4) Зміни градієнта температури приповерхневого шару води, при наявності ПГ, утворюються за рахунок виносу бульбашками газу холодних вод з дна моря, Це дозволяє використовувати інформативну ознаку ПГ - зміни градієнта температури приповерхневого шару шляхом обчислення за даними багатоспектральних космічних зйомок значень величини випромінювання в двох спектральних діапазонах (дальньому та ближньому інфрачервоному), та ефективної глибини випромінювання для даних спектрів. Спочатку на еталонних ділянках, які розташовані в межах покладів газу, визначається діапазон змін градієнта випромінювання у приповерхневому шарі води. На ділянках пошуку покладів газу визначається зміна градієнта випромінювання у приповерхневому шарі води, яка порівнюються з діапазоном еталонних ділянок та виконується прогнозна оцінка присутності покладів газу, далі вводяться поправки у координати точок вимірювання зміни градієнта, а рішення про наявність ПГ приймається спільно з рішенням на основі АПТ. Це буде враховано в подальшому описі дій. Запропонований спосіб реалізується такою послідовністю дій (фіг. 3): 1. Створення бази даних КЗ у дальньому та ближньому інфрачервоному діапазоні акваторії морського шельфу з ділянками, на дні яких є відомі ПГ(блок 1). 2. Виділення на КЗ ділянки (за її координатами), на якій є ПГ (блок 2). 3.Визначення для ділянки на КЗ величини випромінювання при поверхневого шару у дальньому та ближньому інфрачервоному діапазоні (блок 3). 4. Обчислення для ділянки на КЗ ефективної глибини випромінювання приповерхневого шару для спектрів у дальньому та ближньому інфрачервоному діапазоні за формулою 3 (блок 4). 5. Обчислення для ділянки на КЗ градієнтів випромінювання приповерхневого шару за формулою 4 (блок 5) та їх зміни. 6. Перевірка режиму: "Формування еталонів (ФЕ)» чи "пошук покладів (ПП)» (блок 6). Якщо "Формування еталонів", то перехід на блок 7, якщо "ПП" - перехід на блок 8. 7. Формування для еталонів (ділянок з наявними ПГ) діапазону змін градієнта випромінювання (блок 7). 8.В блоці 8 порівняння отриманих значень зміни градієнта випромінювання приповерхневого шару пошукових ділянок з блока 5 з параметрами еталонних ділянок нафтогазоперспективної акваторії з блока 7, в разі знаходження отриманої зміни градієнта в діапазоні змін еталона на пошуковій ділянці перехід на блок 10, в іншому випадку перехід на блок 9. 9. В блоці 9 прийняття рішення про наявність покладів газу (НПГ). 10. В блоці 10 прийняття рішення про відсутність покладів газу (ВПГ). 11.Виділення на КЗ ділянок, на яких планується пошук ПГ (блок 11). Спосіб прогнозування ПГ на морському шельфі на основі визначення змін градієнта температури приповерхневого шару води під впливом покладів газу шляхом визначення величини випромінювання в дальньому та ближньому інфрачервоному спектральному діапазоні космічних знімків дозволяє підвищити імовірність прогнозування і ефективність пошуку ПГ. Джерела інформації: 1. Воробьев А.И., Костюченко Ю.В., Лялько В.И., Перерва В.М., Семенова С.Г. Комплексирование аєрокосмических и геофизических методов при прогнозе нефтегазоносности северо-западного шельфа Черного моря. Космічна наука і технологія, 2002. Т.8. № 2/3. С. 149166. 2. Воробйов А.І., Лялько В.І., Попов М.О. Спосіб пошуку нафтогазоносних об'єктів на морському шельфі. Патент України на винахід № 77811. Бюлетень № 1 від 15.01.2007 р. 3 UA 108696 C2 5 10 15 20 3. Wamsley P.R., Weimer C.S., Nelson L.D., O'Brien M.J. Oil and gas exploration system and method for detecting trace amounts of hydrocarbon gases in the atmosphere / United States Patent No 6,509,566.- January 21, 2003.-13 p. 4. Воробйов А.І., Лялько B.I. Спосіб пошуку покладів газу на морі. Патент України на винахід № 94322. Бюлетень № 8 від 26.04.2011 р. 5. Никифорович Є.І., Федоровський О.Д. Гідротермодинаміка приповерхневого шару рідини // Вісн. АН УРСР.-1984. - № 11. С 15-21. 6. Куфтарков Ю.М., Нелепо Б.А., Феоровский А.Д. О холодном температурном скин-слое океана // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана.-1978,-14, №1,-С. 88-93. 7. Куфтарков Ю.М., Нелепо Б.А., Феоровский А.Д. О температуре скин-слоя океана // Докл. АН СССР.-1978.-238, №2,- С. 296-299. 8. А.Д. Федоровский, Е.И. Нікіфорович, Н.А. Приходько. Процеси переносу в системах газрідина. Київ, Наукова думка, 1988. с. 255. 9. Федоровский А.Д. Оптические методы в гидромеханике. Киев "Наукова думка", 1984. с. 175. 10. Тимофеев М.П. Теплообмін між водною поверхнею й атмосферою. Труди ГГО, вип. 206, 1967. 11. McAlister E.D. Measurement of total heat flow from the sea surface. -Appl. Opt.,1964,№56p.l88-201. 12. Chander, Gyanesh and Markham, Brian. Revised Landsat-5 TM Radiometric Calibration. TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING. November, 2003, Vol. 41, 11. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Спосіб прогнозування покладів газу (ПГ) на морському шельфі, у якому за даними космічного геомоніторингу виявляють аномалії пониження температури поверхні моря, які, при наявності ПГ, утворюються за рахунок виносу бульбашками газу холодних вод з дна моря, що дозволяє за результатами співставлення отриманих даних з аналогічними параметрами еталонних ділянок зробити висновок про наявність покладів газу на досліджуваній акваторії, який відрізняється тим, що як додаткову інформативну ознаку ПГ і оточуючого фону використовують зміни градієнта температури приповерхневого шару води під впливом ПГ шляхом обчислення за даними багатоспектральних космічних зйомок значень величини теплового випромінювання акваторії морського шельфу в дальньому та ближньому інфрачервоному спектральних діапазонах, далі обчислюють ефективну глибину випромінювання для даних спектрів і на основі отриманих даних визначають градієнт випромінювання у приповерхневому шарі води, порівнюють результати обчислень з параметрами еталонних ділянок, роблять прогнозну оцінку присутності покладів газу та вводять поправки у координати точок вимірювання градієнта, а остаточне рішення про наявність ПГ приймають на основі зміни градієнта температури приповерхневого шару води та аномалій пониження температури. 4 UA 108696 C2 5 UA 108696 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6