海底监视进入自治时代

由肖恩邓恩13 五月 2019
在挪威近海的Ormen Lange项目期间部署AMT。 (照片:Sonardyne)
在挪威近海的Ormen Lange项目期间部署AMT。 (照片:Sonardyne)

海底变形监测正在进入新的能力领域,因为自校准,自主部署和数据收集为延长油田寿命开辟了新的可能性。 Sonardyne勘探与监视全球业务经理Shaun Dunn解释道。

在最近的经济低迷时期,石油公司为维持生产而采取的措施之一是更多地关注现有油田的改进采油(IOR)计划,而不是探索新的边界。

积极管理现有水库以最大限度地恢复,无需开发新油田所需的大量前期资本投资,现在并且仍然是利用更少的资源和减少环境影响来获得更多产品的有利方式。然而,IOR带来了额外的风险,包括断层再活化和其他地质灾害,如海底裂缝,变形或沉降。由于产生海床并且压力水平下降,因此海床上的运动经常被预期在水库之上。每年几厘米的运动是非常典型的。随着生产区中的压力水平降低,储层岩石支撑岩石层或其上方的覆盖层的能力也降低,导致海底变形现象,例如逐渐增加的沉降盆。

虽然这种运动本身可能不会造成重大危害,但知道它有多少运动,朝哪个方向以及它发生的速度有助于操作员更多地了解水库的性能,以及如何更有效地操作它们。

随着时间的推移,横向和纵向测量海底运动的能力使地球物理学家能够将这些信息与其他生产数据融合,以推断流体流动,孔隙压力,储层压实等,然后调整其储层管理计划并相应地提高采收率。在钻井和生产活动期间,海底监测还可以帮助避免地质灾害,例如故障再激活和泥浆滑动。

德国研究船Sonne和Wave Glider无人水面舰艇(USV)用于从AMT收集数据。 USV现在还可以执行GPS声学测量。 (照片:Sonardyne)

什么在陆上工作,不在海外工作
然而,在过去,海外测量这些小动作并不容易。陆上,GPS定位,激光测距和卫星测高系统可用于确定陆地上物体的位置和距离,以厘米或甚至毫米为单位。这些技术不适用于海底。

传统上,测深声纳已被用于测量近海沉降,但其精度受到严重限制,特别是在深水中,并且所涉及的部署后勤阻碍了它们在检测需要长时间测量的缓慢下沉率方面的实际应用。便携式重力计还用于检测由例如水替换气体引起的密度变化。但是,这些传感器必须使用远程操作的水下航行器(ROV)在永久部署的海底纪念碑之间移动,并在每个位置进行重复的重力和压力测量。这是一个漫长的,人员,资产密集型,因此成本高昂的过程,通常只能以多年为间隔进行,这限制了数据的有用性。

在过去的十年中,由于壳牌研究地球物理学家Paul Hatchell博士和Stephen Bourne博士于2006年提出了一个更具成本效益的替代方案。他们意识到,由于海床变形导致垂直和水平位移,通过使用长期部署的海底仪器进行垂直和水平测量,可以实现更加连续的沉降监测方法。当时,由于我们在高精度仪器设计方面的悠久历史,因此无法获得合适的长寿命和高灵敏度监测设备,因此壳牌接近Sonardyne。

引入海底变形监测
与壳牌公司合作,我们开发了第一个海底变形监测系统,该系统于2007年部署在挪威大陆架上的壳牌Ormen Lange油田。该系统使用声学测距测量海底两个位置之间的水平距离,并使用垂直深度测量压力传感器。这些技术在水下调查中并不新鲜。事实上,Sonardyne已经为海上石油和天然气行业提供了这些技术超过四十年。然而,为了创建海底变形监测系统,需要进行许多创新。

为了测量水平位移,声波作为信号在我们的自动监测转发器(AMT)对之间传输,它们被数百米隔开,并确定这些信号的双向往返时间。还使用集成的声速传感器在本地和实时测量波速,从而可以非常精确地监视AMT对之间的距离。使用整体压力传感器测量垂直位移。通过比较多个AMT的结果,可以从结果中去除潮汐,水柱密度和气压变化的影响,仅留下相对海床深度变化。

听起来很简单?不是。开发该系统已经付出了很多努力,因此它可以提供所需的海底深度所需的灵敏度和长期服务。这包括高性能声学信号,压力传感,低功率电子设备,防水耐压和耐腐蚀海洋外壳,电池技术和声学传感器设计的创新。我们还在一个称为环境零环境(AZA)的过程中添加了一个原位压力传感器校准,以解决压力传感器所经历的固有漂移,而无需将其恢复到表面。

这些系统经过现场验证。在Ormen Lange进行首次海上试验后,我们在2010年至2015年期间在同一地点进行了长期部署。在部署期间,部署了近220个AMT,实现了对现场进行了五年半的连续沉降监测,收集超过6亿的观测范围。该系统的版本已由英国北海,美国墨西哥湾和亚洲近海的运营商部署。

利用进入海洋自治
但是,我们并没有停滞不前。使用无人驾驶车辆,我们已经能够进一步采用该系统:我们可以使用GPS-Acoustic box-in(GPS-A)定位AMT的精确位置,然后使用无人水面舰艇(如Liquid)进行无线数据检索机器人技术的波浪滑翔机。使用无人系统可以节省成本,因为它们的运行成本通常比普通载人船舶低一到两个数量级。

结果是我们现在拥有完全自主的仪器;可以部署到海床,在没有任何直接干预的情况下保持10年或更长时间;对水平和垂直运动进行高精度测量;并且,使用远程无人无线数据收集功能,可以例行地将信息报告给坐在他或她的桌子上的用户。因此,它可用于全球最具挑战性和高灵敏度的沉降监测项目。

从左到右:AMT三脚架框架组件,安装在海底的AMT变体用于美国墨西哥湾的沉降监测,以及AMT及其框架在经过五年多的部署后恢复(图片:Sonardyne)

提高准确性,改善结果
工作不会停止。我们也在不断寻求提高海底沉降监测设备的精度。通过我们的工作来定期进行现场校准,以及选择和预先表征最佳压力传感器的研究计划,以及从地面无人机定位设备的位置,我们已经能够达到接近1厘米/年测量灵敏度。

这是令人兴奋的 - 它可以彻底改变海底沉降监测,因为它释放了一个全新的全球能力,用于监测缓慢下降的地区,包括深水油田,如巴西盐下和墨西哥湾的油田。

更重要的是,这项技术还提供了海洋科学家以前无法获得的数据,用于俯冲带和构造板块运动监测。直到最近,科学家几乎完全依赖于使用载人研究船进行海上观测。这意味着他们只有零星和有限的数据采集项目,这反过来意味着他们无法令人满意地模拟俯冲带。这些地区的海洋地壳淹没在更密集的大陆地壳下,并产生摩擦能量积聚,这通常与世界上最具破坏性的地震和海啸有关。现在,他们不仅能够获取这种沉降数据,而且,由于能够执行GPS声学信箱,我们可以精确定位每个AMT的绝对位置,以便这些数据可以与模型一起使用。这些数据以前对科学家来说是遥不可及的。

启用海啸和地震研究
除其他外,GEOMAR已在欧洲和南美的许多地方部署了Sonardyne的海底变形监测系统,以测量与构造板块运动相关的应变积累。对于沿智利海岸的纳斯卡 - 南美构造板块的一次部署,GEOMAR特别感兴趣的是水平应变的积累,可用于预测俯冲带可能发生大位移的时间。该系统在配置有较低频率声信号方面是独特的,该低频声信号在相当长的距离上容易传播,这是在已经部署了一些这些仪器的极端深度(大于5,000米)内进行有效无线通信所需的设置。

Scripps海洋研究所于2013 - 14年首次使用该技术,正在与美国地质调查局(USGS)合作,以更好地了解Cascadia俯冲带,以便更好地预测何时更可能发生重大事件。它正在使用Sonardyne的Fetch仪器(功能上相当于AMT,但具有更大的电池,可以部署长达10年)用于研究的海底组件。

该技术也是日本政府资助的京都大学,墨西哥国立自治大学和新西兰GNS科学合作的基础; “墨西哥太平洋沿岸大地震和海啸灾害减灾评估”。还提出了更重要的计划。

准确,易懂的洞察力
我们的海床变形监测系统为操作员和科学家提供了海底运动的厘米细节,帮助管理和最大化其资源,并以比以往任何时候都更加详细的方式监测潜艇板块构造运动,所有这些都只是成本的一小部分以前的方法。

Sonardyne AMT测量垂直和水平位移,以检测任何生产引起的海床变形。 (图片:Sonardyne)

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