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21-24 de Outubro de 2007
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MODELAGEM DE DADOS DO MÉTODO MCSEM COM VARIAÇÃO NA
RESISTIVIDADE DA ÁGUA DO MAR
Edelson da Cruz Luz1 (UFPA), Cícero Roberto Texeira Regis2 (UFPA)
1
2
Rua Santa Tereza, 81. Santa Rita, Jacundá-PA. CEP: 68590-00, [email protected]
Rua dos Mundurucus, 3085, apto. 1001. Cremação, Belém-PA. CEP: 66040-270, [email protected]
O Marine Controlled Source ElectroMagnetic (MCSEM) é um método geofísico que tem sido empregado
para a detecção de camadas resistivas no sub-solo oceânico também conhecido como SeaBed Logging (SBL) e
tem se mostrado uma ferramenta promissora para a indústria do petróleo, já que a sísmica mostrou que não é
infalível. Geralmente em águas profundas os estratos geológicos são dominados por siltitos e folhelhos com
baixa resistividade, sendo que um reservatório de hidrocarbonetos apresenta uma resistividade de 10 a 100 vezes
maior do que as rochas encaixantes. O objetivo do MCSEM é identificar possíveis reservatórios de
hidrocarbonetos ou delinear a extensão de um reservatório já previamente detectado pela sísmica. O uso
integrado da sísmica com o MCSEM diminui o risco exploratório, podendo-se identificar com maior precisão os
pontos de possíveis reservatórios. Este método se baseia em um dipolo elétrico horizontal móvel e um conjunto
de receptores fixados no assoalho oceânico. Neste trabalho, é modelado levantamentos do método MCSEM
incluindo variações nos valores de resistividade da água do mar, aja visto que, em geral na literatura, toda a
camada de água da superfície até o solo marinho é considerada uniforme com um valor de resistividade de
0,3Ω.m . Tais variações podem resultar da influência de correntes marinhas, gradientes de temperatura ou de
qualquer fator que possa afetar a salinidade da água. Observamos que os dados do método são afetados de
maneira significativa por tais variações, mantendo em todos os modelos o mesmo substrato oceânico. Essa
influência resulta da variação crescente da resistividade com a profundidade do mar. Tanto a variação na
resistividade quanto na espessura da camada de água pode afetar os resultados do MCSEM de maneira
semelhante.
MCSEM, SeaBed Logging
1. INTRODUÇÃO
As sondagens com o MCSEM na detecção de camadas resistivas no subsolo oceânico, as quais estão
supostamente saturadas com hidrocarbonetos, são feitas por um dipolo elétrico horizontal (DEH) que é rebocado
por um barco, próximo do fundo do oceano, emitindo um campo elétrico de baixa freqüência que penetra no
subsolo e é parcialmente refletido nas interfaces das camadas sedimentares, trazendo informações que são
registradas por dipolos receptores como ilustrado na figura 1.
Figura 1: Ilustração da sondagem MCSEM. Figura adaptada de Weitemeyer, et al., 2006.
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Nos receptores que estão posicionados no solo oceânico ocorre a influência não só da onda eletromagnética
que vem do subsolo, mas também da onda que vem refletida da interface água-ar e da onda que vem diretamente
da fonte, sendo necessário levar em consideração as três ondas eletromagnéticas que chegam ao receptor. O
intérprete busca nos dados a influência de camadas de resistividade alta. Entretanto, quando à distância entre
fonte e receptor é grande, a onda que chega da interface entre água e ar passa a ter mais influência sobre os dados
do que aquela que chega da camada resistiva abaixo do substrato oceânico. Com a introdução das camadas de
água com diferentes resistividades a modelagem do MCSEM torna-se mais próxima da realidade, mostrando um
resultado significativo quando comparado com uma única camada de água.
2. REVISÃO DA LITERATURA
O MCSEM é uma fonte eletromagnética controlada aplicada na área marinha. Primeiramente era conhecido
como CSEM, sendo uma das principais ferramentas na exploração eletromagnética em terra. O CSEM é uma
integração entre os métodos galvânico e indutivo, bastante eficiente para detectar alvos resistivos em meios
condutivos, ao contrário dos métodos puramente de indução que são mais eficientes na detecção de alvos
condutivos em meios resistivos (Rijo 2006). Com essa característica, esse método apresenta uma vantagem
singular, visto que a fonte se encontra na água do mar, que tem uma alta condutividade.
Em geral, na literatura, toda a camada de água da superfície até o solo marinho é considerada uniforme com
um valor de resistividade de 0,3Ω.m, independente da modelagem ser 1D, 2,5D ou 3D (Chave, et al., 1991;
Eidesmo, et al., 2002; Constable e Weiss, 2006).
O MCSEM foi lançado recentemente, no mercado, pela companhia norueguesa ElectoMagneticGeoservices.
Desde 2000, mais de 200 levantamentos comerciais de MCSEM têm sido realizado no mundo inteiro (Rijo,
2006).
3. METODOLOGIA
O tratamento matemático utilizado apresenta os vetores campo elétrico E e magnético M como a soma dos
potenciais vetores A e F, devido a linearidade dos campos EM num meio sem fontes de alimentação, mostrando
que estas partes constituem os modos de polarização transversal elétrico (TE) e o transversal magnético (TM).
A modelagem do MCSEM consiste de um dipolo elétrico horizontal que emite sinal eletromagnético de baixa
freqüência (0,125 a 1,25 Hz), esse sinal se difunde através da água e no subsolo oceânico. O decaimento da
amplitude e da fase é controlado pelos efeitos do skin depth (profundidade pelicular).
O sinal emitido pelo dipolo elétrico se difunde através da água e no subsolo oceânico, se propagando por um
meio formado por camadas horizontais, cada uma homogênea e isotrópica, com valores de resistividade elétrica
diferentes.
O sinal refletido das camadas de rochas abaixo do solo oceânico e das camadas de água até a superfície é
captado por meio de receptores colocados no fundo do mar. Os dipolos elétricos receptores são posicionados em
uma linha que idealmente seria reta. Em nossa modelagem posicionamos o dipolo fonte com o eixo na mesma
direção da linha dos receptores (no que é chamado de arranjo radial, ou in-line) ou com o eixo perpendicular à
linha dos receptores (arranjo azimutal, ou broadside), como mostra a figura 2.
Figura 2: Geometria dos arranjos de receptores para uma
investigação com o método MCSEM.
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3.1 Equações Governantes
Na modelagem unidimensional desse novo método, é calculado numericamente integrais utilizando filtros
digitais lineares, precisando resolver integrais do tipo (Rijo, 2006;).
∞
∫ K(k )J (k r)dk
∫ K(k )J (k r)dk
0
∞
0
r
0
r
r
(1)
r
1
r
r
(2)
em que K(kr) é o núcleo da integral, que no caso desta modelagem, é formado por funções exponenciais
complexas cujos argumentos dependem das resistividades do modelo, da freqüência e da distância entre a fonte e
o receptor. Já são funções de Bessel J0 e J1, são utilizadas na transformada de Hankel.
Na modelagem ao invés da integral de convolução,
∞
e p F (e p ) = ∫ K(e -(p-s) )e s J1 (e s )ds
(3)
−∞
é utilizado a versão discreta da convolução onde,
N
rF (r) = ∑ K [e - ln r + (s1 + nΔs) ]wn
(4)
n =0
onde s1 é a primeira abscissa, Δs o incremento das abscissas, wn são os coeficientes do filtro e K é o núcleo
(kernel) da função. Sendo que na modelagem é utilizado quatro integrais de convolução, duas para J1 e duas para
J 0.
Na modelagem são utilizados valores de resistividade da água do mar variando com a profundidade. Mas não
existe nenhuma lei bem estabelecida para se determinar à resistividade da água do mar. No caso do alcance de
temperatura moderada (0o — 40oC), a variação da condutividade da água do mar com temperatura (0C), pode ser
dada pela equação (Shipley, et al., 1997):
σ = (2.8 + 0.1T )Ω −1 m −1
(5)
Assim sabendo-se que a variação na salinidade para o oceâno Atlântico abaixo da linha do equador, é em
média de 36%o nos primeiros 200m, passando a variar com a profundidade (34,2%o — 34,8%o) e que a
temperatura varia entre (20C — 280C), pode-se usar a equação 5 para se determinar a variação da condutividade
da água do mar com a profundidade. Levando-se em conta a salinidade nos primeiros 200m, utilizamos um dos
valores máximos de temperatura para a superfície da água do mar, para compensar assim a média geral dos
34,5%o da salinidade abaixo dos 200m de profundidade.
Tabela 1: variação da temperatura, condutividade e resistividade com a profundidade.
Profundidade (m)
Temperatura (oC)
Condutividade (S/m)
Resistividade (Ω.m)
0 – 200
28
5,6
0,178
200 – 400
17
4,5
0,222
400 – 800
8
3,6
0,277
> 800
4
3,2
0,312
4. RESULTADOS
Um aspecto notável do método MCSEM são os valores extremamente pequenos da amplitude dos campos
medidos, como podemos perceber nas curvas, mas que mostram uma diferença devido a presença de uma
camada resistiva, como mostra a figura 3. Onde as linhas tracejadas representam o semi-espaço (S.E), e as linhas
contínuas representam o modelo (M).
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Figura 3: amplitude radial e azimutal (a,b) e fase radial e azimutal (c,d) em função da distância fonte-receptor em
uma freqüência de 0,5 Hz. Calculado para diferentes valores de resistividade em uma única camada de água. É
mostrado o modelo radial e azimutal para o campo normalizado pelo semi-espaço em (e,f).
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Essa diferença também pode ser observada na fase como mostra a figura 3(c-d). Uma maneira de realçar a
anomalia, devido a camada resistiva é normalizar os valores de magnitude do campo gerado, pelos valores
gerados com o substrato homogêneo de resistividade igual ao background do modelo (semi-espaço ou S.E), em
nosso caso, 1,0Ω.m. O campo normalizado é mostrado nas figura 3(e-f).
Observa-se que existe uma grande diferença nas curvas quando se varia os valores de resistividade, levando
em conta que ainda não foi introduzido nenhuma outra camada de água, portanto é considerado no modelo uma
única camada de água com três valores de resistividade, como mostra a figura 3-g.
Pode-se comparar e analisar a magnitude do campo e a fase tendo como base a resistividade da água do mar
da tabela 1. Com a resistividade de 0,3Ω.m para uma única camada de água podemos verificar a vantagem de
introduzir as camadas de água com diferentes resistividades. Como mostra a figura 4.
Ocorre um decaimento na magnitude do campo e na fase quando é feita a modelagem do MCSEM usando
camadas de água com diferentes resistividades. Isso acontece devido a maioria das resistividades serem menores
que 0,3Ω.m, pois, devido a profundidade pelicular ser proporcional a resistividade do meio o qual a onda se
propaga, a onda que vem da interface água-ar passa a ter uma menor influência quando a água do mar é menos
resistiva.
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Figura 4: Magnitude do campo (a,b), da fase (c,d) para uma camada de água com resistividade de 0,3Ω.m e
espessura de 1000m e outra com quatro camadas de água de resistividade 0,178Ωm, 0,222Ωm, 0,277Ωm e
0,312Ωm como mostra o modelo (g). Campo radial e azimutal normalizado em (e,f).
Outro fator que pode influenciar na detecção de hidrocarbonetos é a variação na espessura das camadas de
água à qual o modelo é normalizado. Se for analisado apenas o campo elétrico normalizado, o efeito da presença
do hidrocarboneto, pode ser reduzida na anomalia observada, devido à diferença na espessura da camada de
água, provocando assim uma diferença nas curvas. Essa diferença pode ser observada quando pegamos o
primeiro modelo onde a resistividade da água é de 0,3Ω.m e variamos a espessura da camada de água de 1000m
para 800m e depois para 1200m, como mostra a figuras 5.
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Figura 5: Amplitude do campo (a,b), fase (c,d) e a normalização (e,f) radial e azimutal respectivamente, para
diferentes espessuras da camada de água com resistividade de 0,3Ωm.
Observa-se que com o aumento da camada de água de 1000m para 1200m, a onda que vem da interface águaar passa a ter uma menor influência realçando assim a camada com hidrocarbonetos. Quando diminuímos de
1000m para 800m, a onda que vem da interface água-ar passa a ter uma maior influência diminuindo assim o
efeito da anomalia.
5. CONCLUSÃO
O uso das camadas de água com suas distintas resistividades se faz necessário para que se possa maximizar a
presença da camada resistiva. Dessa forma a anomalia gerada pela presença do hidrocarboneto se torna visível. É
aconselhável a utilização do MCSEM nas áreas mais profundas, pois, se aumentamos a espessura da camada de
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água diminuímos a influência da onda que vem da interface água-ar realçando ainda mais a presença do
reservatório.
6. AGRADECIMENTOS
Este trabalho surgiu de uma sugestão do prof. Luiz Rijo, da UFPA. Agradecemos ao convênio UFPA/ANPPRH-06, pela bolsa de estudos que possibilitou este trabalho, ao prof. Luiz Rijo, Victor Souza e Marcos Welber
pelas discussões que tem enriquecido esta pesquisa em andamento.
7. REFERÊNCIAS
CHAVE, A. D.; CONSTABLE S. C; EDWARDS R. N. Electrical exploration methods for the seafloor. M.
Nabighian, ed., Electromagnetic Methods in Applied Geophysics, 2: SEG, 931-966. 1991.
CONSTABLE, S. C.; WEISS C. J. Mapping thin resistors and hydrocarbons with marine EM methods: Insights
from 1D modeling. Geophysics, Vol. 71, NO. 2 ; P. G43-G51, 11 Figs., 1 Table. April 2006.
EIDESMO, T.; ELLINGSRUD, S.; MACGREGOR, L. M.; CONSTABLE, S. C; SINHA, M.C.; JOHANSEN,
S.; KONG, F.N.; WESTERDAHL, H. Sea Bed Logging (SBL), a new method for remote and direct
identification of hydrocarbon filled layers in deepwater areas. News feature, vol 20.3: 144-152. 2002.
RIJO, L. Electrical geophysics (1D earth modeling ), in www.rijo.pro.br/pósgraduação.htm. 2006.
SHIPLEY, T.H.; OGAWA, Y.; BLUM, P.; BAHR, J.M. (Eds.); PIERRE, H. Relationship Between Porosity,
Electrical Conductivity, and Cation Exchange Capacity in BarbadosWedge Sediments. Proceedings of the
Ocean Drilling Program, Scientific Results, Vol. 156. 1997.
WEITEMEYER, K.; CONSTABLE, S. C.; KEY, K., 2006, Marine EM techniques for gashydrate detection and
hazard mitigation. Scripps Institution of ceanography. USA. May. 2006.
MODELING OF DATA OF METHOD MCSEM WITH VARIATION IN THE
RESISTIVITY OF THE WATER OF THE SEA
The Marine Controlled Source ElectroMagnetic (MCSEM) is a geophysical method that has been used for
the detention of resistive layers in the rocks under the oceanic floor also known as SeaBed Logging (SBL) and if
has shown a promising tool for the industry of the oil, since the seismic one showed that it is not infallible.
Generally in deep waters the geologic stratus are dominated by folhelhos siltitos and with low resistivity, being
that a reservoir of hydro-carbons presents a resistivity of 10 the 100 times bigger of the one than the
neighbouring rocks. The objective of the MCSEM is to identify possible reservoirs of hydro-carbons or to
delineate the extension of a reservoir already previously detected by the seismic one. The use integrated of the
seismic one with the MCSEM diminishes the exploration risk, being able itself to identify with bigger precision
the points of possible reservoirs. This method if bases on an electric doublet horizontal furniture and a set of
receivers settled in the oceanic wooden floor. In this work, it is shaped surveys of method MCSEM including
variations in the values of resistivity of the water of the sea, acts since, in general in literature, all the water layer
of the surface until the seafloor is considered uniform with a value of resistivity of 0,3 Ω.m. Such variations can
arise from the influence of marine currents, temperature gradients or any other source of influence on the water
salinity. We the same observe that the data of the method are affected in significant way for such variations,
keeping in all the models oceanic substratum. This influence results of the increasing variation of resistivity with
the depth of the sea. As much the variation in resistivity how much in the thickness of the water layer it can
affect the results of the MCSEM in similar form.
MCSEM, SeaBed Logging
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