Seismische Wellen, die zur Untersuchung von Erdbeben verwendet werden, werden auch zur Erkundung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten im tiefen Untergrund verwendet.
Seismische Wellen - dasselbe Instrument zur Untersuchung von Erdbeben - werden häufig verwendet, um tief unter der Erdoberfläche nach Öl und Erdgas zu suchen. Diese Energiewellen bewegen sich durch die Erde, so wie sich Schallwellen durch die Luft bewegen. Bei der Öl- und Gasexploration werden seismische Wellen tief in die Erde geschickt und können dort zurückprallen. Geophysiker zeichnen die Wellen auf, um mehr über Öl- und Gasspeicher zu erfahren, die sich unter der Erdoberfläche befinden. Bob Hardage vom Bureau of Economic Geology der University of Texas ist ein Experte für den Einsatz dieser Technologie für die Öl- und Gasexploration. Er sprach mit Mike Brennan von EarthSky.
Zwei Vibroseis-Quellen bilden gemeinsam ein seismisches Quellenarray an einem CO2-Sequestrierungsort.
Wie werden heute Erdbeben-Technologien zum Auffinden von Öl und Gas eingesetzt?
Was wir für die Erforschung der Energieressourcen der Erde verwenden, heißt Reflexionsseismologie. Wenn Sie bei der Untersuchung von Erdbeben seismische Wellen verwenden, sind die Erdbeben die Energiequelle, dh die Quelle der Wellen. Bei der Verwendung der Reflexionsseismologie für die Öl- und Gasexploration müssen wir jedoch eine akzeptable Energiequelle auf der Erdoberfläche einsetzen und dann eine angemessene Anzahl von seismischen Sensoren auf der Erdoberfläche verteilen, die die reflektierten Wellen aufzeichnen zurück.
Sie werfen also seismische Wellen in die Erde, sie prallen zurück und dann haben Sie Sensoren auf der Erdoberfläche, die diese Reflexionen auffangen?
Ja. Genau das wird getan. Es werden verschiedene Energiequellen eingesetzt. Die gebräuchlichste, die an Land verwendet wird, heißt Vibroseis. Es handelt sich um sehr große, schwere Fahrzeuge mit einem Gewicht von 60.000 bis 70.000 Pfund. Sie bringen eine Grundplatte auf die Erde auf und verfügen über ein im Fahrzeug integriertes Hydrauliksystem, das diese Grundplatte über einen vorgegebenen Frequenzbereich in Schwingungen versetzt. Also die Vibroseis - so würden wir die nennen Quellstation - wird zur Energiequelle der seismischen Wellen.
Das an der Quellenstation erzeugte Wellenfeld strahlt von diesem Punkt weg als dreidimensionale Welle. Es geht runter und reflektiert zurück. Das reflektierte Wellenfeld von jeder Gesteinsgrenzfläche, das bei der Ausbreitung dieses abfallenden Wellenfelds auftritt, wird dann an der Erdoberfläche von Sensoren aufgezeichnet, die wir als Sensoren bezeichnen Geophone. Sie sind in bestimmten Geometrien auf der Oberfläche über dem interessierenden Bereich verteilt. Wir verwenden diese Sensorreaktionen, um das Innere der Erde abzubilden, an Orten, an denen wir ein sehr detailliertes Verständnis der Geologie erlangen möchten.
Wenn ein reflektiertes Wellenfeld an die Erdoberfläche zurückkehrt, wo sich ein Geophone befindet, bewegt sich der Fall des Geophons mit der Erdbewegung. Aber in diesem Fall ist diese Spule aus Kupferdraht aufgehängt. Am Gehäuse des Geophons ist ein Magnet angebracht. Wenn die Erde das Gehäuse bewegt und der Magnet am Gehäuse angebracht ist, bewegt sich dieser Magnet über diese Kupferdrähte und führt eine Spannung ab.
Es ist ein sehr einfaches kleines Gerät, aber Geophone sind mittlerweile extrem empfindlich. Um Ihnen einen Eindruck von der Empfindlichkeit zu geben, müssen wir die seismische Aufzeichnung stoppen, wenn der Wind etwa 20 Meilen pro Stunde oder mehr erreicht. Der Grund ist, dass der Wind das Gras schüttelt und das Signal beeinflusst. Es baut nur Hintergrundgeräusche in den Geophonen auf, was unerwünscht ist.
Ein kleines Insekt, auch eine Ameise, kann über die Oberseite eines Geophons kriechen und in diesem Geophon Geräusche verursachen. Sie sind also wirklich extrem empfindliche Geräte.
Seismischer Sensor im Einsatz.
Werden andere seismische Technologien eingesetzt?
Ja. Ich habe noch nicht über seismische Offshore-Arbeiten gesprochen, und es werden wirklich mehr seismische Daten vor der Küste erfasst als an Land. Offshore wird eine andere Technologie eingesetzt. Aufgrund der berechtigten Umweltbedenken für Meerestiere - hauptsächlich Wale, Delfine und dergleichen - sind Luftgewehre die einzige vor der Küste verwendete seismische Quelle.
Dies sind Geräte, die hinter Schiffen gezogen werden. Die Luftgewehranordnungen erzeugen, wenn sie komprimierte Energie abgeben, eine starke Druckwelle. Die Druckwelle wandert durch die Wassersäule, dringt dann in die Schichten des Meeresbodens ein und breitet sich nach unten aus, um die Geologie zu beleuchten. Die reflektierten Wellenfelder kehren dann zurück und wandern durch die Wassersäule zu Hydrophonkabeln, die vom selben Schiff oder von einem separaten Begleitschiff gezogen werden.
Diese gezogenen Hydrophonkabel werden jetzt auch extrem groß. Sie können bis zu 15 Kilometer lang sein. Und in einigen der modernen Schiffe könnten sich vielleicht 20 dieser Kabel nebeneinander über eine Entfernung von etwa einem Kilometer seitlich ausbreiten. Die Vielzahl der im Wasser befindlichen Sensoren ist also etwas umwerfend.
Wiederum digitalisieren diese Hydrophone, die dieses reflektierte Wellenfeld aufzeichnen, die bevorstehenden seismischen Reflexionsereignisse in sehr kleinen Zeitabständen - ein oder zwei Millisekunden - für lange Zeiträume von mehreren Sekunden. Sie erhalten also sehr tiefe Daten. In Bezug auf die Menge der verarbeiteten Daten ist dies ein Wunderwerk der digitalen Aufzeichnungstechnologie.
Komplette Erdbebenerfassungsstation in einem geothermischen Gebiet. Ein einziges Superphone empfängt das Reflexionssignal, das vom Modul mit der Bezeichnung GSR 4 digitalisiert und gespeichert wird.
Wie hat sich diese Technologie verändert?
Es stellte sich heraus, dass die Öl- und Gasindustrie im Laufe der Zeit einer der größten Treiber für die Entwicklung der digitalen Aufzeichnungstechnologie war.
Als ich Ende der 1960er Jahre in das Geschäft einstieg, wechselte die Öl- und Gasindustrie von der analogen Datenerfassung zur digitalen Datenerfassung. Die ersten digitalen Systeme waren sehr begrenzt in Datenkanalkapazität. Wenn ich den Begriff benutze DatenkanäleIch meine, wie viele seismische Sensoren aufgezeichnet werden. Wenn Sie beispielsweise 50 Datenkanäle aufzeichnen, erhalten Sie Antworten von 50 Geophonen. In einigen der frühen Systeme waren wir nur begeistert, dass wir 48 Datenkanäle oder 96 Datenkanäle aufzeichnen konnten.
Die Empfängerantenne, die wir auf der Erdoberfläche erstellen konnten, war in ihrer Größe und Konfiguration recht begrenzt. Während der gesamten 1970er Jahre gab es den Drang, bessere, größere und schnellere Datenerfassungssysteme zu entwickeln. Das passiert übrigens noch heute.
In den 1970er Jahren gab es auch mehrere Erdbebenunternehmen, aber ein Unternehmen dominierte das Geschäft. Sie waren dem Microsoft ihrer Zeit in diesem Beruf sehr ähnlich. Sie hießen GSI - Geophysical Services, Inc. - und gehörten zu den ersten Entwicklern digitaler seismischer Aufzeichnungstechnologien. Wir befinden uns wieder in dem Zeitrahmen, in dem die Festkörperelektronik auf den Markt kam. GSI entschied, dass es sein eigenes internes Unternehmen aufbauen oder gründen musste, um die für seismische Rekorder erforderlichen Festkörpergeräte zu bauen. Sie gründeten die neue Firma und nannten sie Texas Instruments. Wie Sie wissen, ist Texas Instruments heute in der digitalen Industrie führend. Es ist dominant. In der Zwischenzeit ist GSI, der Erdbebenbeauftragte, von der Bildfläche verschwunden, was niemand jemals gedacht hätte.
Ich versuche, ein Bild über die Öl- und Gasindustrie zu zeichnen. Es war der Motor für eine enorme Entwicklung in der digitalen Industrie, mit der heute jeder lebt - die Mobiltelefone, die jeder nutzt, und alles andere.
Zeichnung einer seismischen Marineoperation. Jedes rote Quadrat, das vom Schiff gezogen wird, besteht aus einer Reihe von Luftgewehren.
Was ist das Wichtigste, was die Leute über Erdbeben-Technologien wissen müssen, die bei der Öl- und Gasexploration eingesetzt werden?
Nun, eine Schlüsselsache bei der Erdbebentechnologie für Öl und Gas ist, dass andere Industrien gleichermaßen von diesen Fortschritten in der Reflexionsseismologie profitieren werden. Ein Vorteil wäre die Geothermie, eine erneuerbare Energie, an der wir alle jetzt sehr interessiert sind.
Eine weitere starke und unschätzbare Anwendung der Reflexionsseismologie, die uns zu einigen Umweltproblemen verleitet, ist das weltweit aufkommende Bewusstsein für den Ernst der CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre. Es gibt eine Bewegung, künstliches CO2 einzufangen und dort zu binden, wo es die Umwelt nicht belastet. Diese Abscheidung von CO2 hängt in hohem Maße von der Technologie der seismischen Reflexion ab. Der Grund ist folgender: Die Öl- und Gasindustrie möchte Erdbeben-Technologie, damit sie die Geologie verstehen und Öl und Gas fördern kann. Aber diejenigen, die CO2 binden wollen, benötigen genau die gleichen Informationen. Es spielt keine Rolle, in welche Richtung Sie die Flüssigkeiten bewegen, aus dem Gesteinssystem entnehmen oder in das Gesteinssystem einbringen. Sie benötigen dieselbe Technologie, mit der Sie entscheiden können, was Sie tun müssen, um sicher und effizient mit dem Gestein umzugehen flüssige Bewegung.
In unserer Forschungsgruppe wenden wir seismische Technologien auf Öl- und Gasprobleme an, die Unternehmen dabei helfen, Öl und Gas effizienter aus Lagerstätten zu fördern. Wir arbeiten aber auch intensiv daran, die gleiche Technologie für geothermische Anwendungen und für CO2-Sequestrierungsanwendungen einzusetzen.
Daher sind die Verwendungsmöglichkeiten der seismischen Reflexionstechnologien recht breit. Die Technologie wird auf absehbare Zeit weiterhin von der Öl- und Gasgemeinschaft dominiert. Aber wer hätte vor 10 Jahren gedacht, dass die Technologie der seismischen Reflexion eine so wichtige Rolle bei der CO2-Sequestrierung spielen würde, wissen Sie? Wir werden sehen, was die Zukunft bringt!
Schauen Sie sich dieses Video über die Verwendung der Erdbebentechnologie für die Öl- und Gasförderung an.