الكشف عن النفط والغاز باستخدام الاستشعار عن بعد فائق الطيف وتطبيقاته

تتسرب الهيدروكربونات الخفيفة (وخاصة الميثان والإيثان) الموجودة في مكامن النفط والغاز ببطء إلى السطح عبر الشقوق والمسامات أو الشقوق الدقيقة، مُشكّلةً تسريبات دقيقة. ورغم أن كمية كل تسريب ضئيلة للغاية، إلا أن تراكمها على المدى الطويل يُنتج ظواهر غير طبيعية قابلة للكشف على السطح. وتنقسم طرق الاستشعار عن بُعد للكشف عن النفط والغاز إلى فئتين: مباشرة وغير مباشرة.

تُظهر الهيدروكربونات الممتصة على سطح التربة أو الصخور قمم امتصاص مميزة لاهتزازات تمدد رابطة CH عند حوالي 1700 نانومتر و2300 نانومتر. تُشير تجارب الخلط المخبرية إلى إمكانية رصد هذه الخصائص الامتصاصية بواسطة بيانات التحليل الطيفي الفائق حتى عند اختلاط الهيدروكربونات مع المصفوفة المعدنية (سكافوتو وآخرون، 2017). مع ذلك، غالبًا ما تكون الإشارات السطحية الفعلية ضعيفة وتتأثر بسهولة بالتداخلات الجوية، والبكسلات المختلطة، والخلفية المعدنية.

① التغير المعدنييؤدي تسرب الهيدروكربونات المختزلة إلى تغيير بيئة الأكسدة والاختزال في التربة، مما ينتج عنه تبييض الطبقات الحمراء (تحول الهيماتيت إلى جوثيت أو سيديريت)، وزيادة في معادن الطين الذاتية التكوين (مثل الكاولينيت)، وترسيب الكربونات. وتُظهر هذه المعادن خصائص امتصاص مميزة في نطاقي الطول الموجي 2200 نانومتر (Al-OH) و2300-2500 نانومتر (الكربونات).

②إجهاد الغطاء النباتييؤدي نقص الأكسجين في التربة أو وجود مواد سامة إلى انخفاض محتوى الكلوروفيل في النبات، وتغيرات في بنية الأوراق، وانزياح حافة الامتصاص نحو الأطوال الموجية الأقصر، واضطراب مؤشرات الغطاء النباتي مثل مؤشر NDVI. ويمكن لنموذج نقل الإشعاع PROSPECT محاكاة طيف الإجهاد هذا واستخدامه في عملية الانعكاس (van der Meer et al., 2002; Huang et al., 2019).

توفر هذه الآليات أساسًا نظريًا متينًا للكشف الطيفي الفائق. والجدير بالذكر أن فريك فان دير مير وآخرون أشاروا إلى أن هالات التسرب الدقيق غالبًا ما تُظهر توزيعًا حلقيًا أو بيضاويًا، مع احتمال أن يُظهر المركز إشارة أضعف بسبب "الانسداد".

الشكل 1. التغيرات السطحية الناتجة عن التسربات الدقيقة من خزانات النفط والغاز(من تشين وآخرون، 2017)

التصوير الطيفي الفائق المحمول جوا(على سبيل المثال، AVIRIS، CASI/SASI، Probe-1): دقة مكانية عالية (مستوى المتر)، مناسبة للتحقيق التفصيلي في المناطق الرئيسية، ولكن بتغطية محدودة وتكلفة عالية.

التصوير الطيفي الفائق المنقول فضائياً":"هايبريون(EO-1، متقاعد)، جهاز GF-5 AHSI الصيني (Gaofen-5، حوالي 330 هرتز، VNIR-SWIR)،خريطة الطاقة(ألمانيا)، بريزما (إيطاليا)، إلخ. يتميز الجيل الجديد من الأقمار الصناعية بدورة إعادة زيارة قصيرة وإمكانات تغطية كبيرة، مما يمهد الطريق للتطبيقات الروتينية.

أ. المعالجة المسبقةالمعايرة الإشعاعية، والتصحيح الجوي (FLAASH، وما إلى ذلك)، وإزالة الضوضاء الشريطية (غالباً ما تتطلب بيانات GF-5 معدات متخصصة).IDLيقوم البرنامج بإزالة الخطوط العمودية وإجراء تصحيح النظر.

ب. استخراج الشذوذأساليب المطابقة الطيفية (SAM، SFF)، والمؤشر الطيفي وتحليل المكونات الرئيسية (PCA)، وتصنيف التعلم الآلي (شجرة قرار CART، SVM، إلخ)، وتحليل إجهاد الغطاء النباتي (نمذجة الحافة الحمراء، نموذج PROSPECT).

ج. المعالجة اللاحقة والدمجتجزئة العتبة، والتحويل إلى صور ثنائية، والتراكب مع البيانات الجيولوجية/الكيميائية الجيولوجية؛ التحقق من صحة مطياف الحقل أو التحقق من صحة الحفر. في حالة نموذجية، يمكن لتقنية تحليل المكونات الرئيسية (PCA) المقترنة بخوارزمية شجرة التصنيف والانحدار (CART) فصل إشارات الهيدروكربونات عن التداخل الخلفي بشكل فعال (Mu et al., 2023).

في حوض سانتا باربرا فينتورا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية (فان دير مير وآخرون، 2002)، وباستخدام بيانات طيفية فائقة الدقة محمولة جواً من القمر الصناعي Probe-1 (128 نطاقًا)، بالإضافة إلى تقنيات SAM، ومطابقة الطيف بالارتباط المتقاطع (CCSM)، وفصل الأطياف، ونمذجة الحافة الحمراء، استُخدمت طريقة التكامل الإحصائي للبيانات (SDI) بنجاح لتحديد هالات التسرب الدقيق باحتمالية تزيد عن 0.8، والتي تطابقت بشكل كبير مع مواقع التسرب المعروفة والبيانات الجيولوجية تحت السطحية. وكانت الشذوذات المعدنية أكثر وضوحًا في المناطق قليلة الغطاء النباتي.

الشكل 2.النتائج والتفسيرات(فان دير مير وآخرون، 2002)

(أ) تراكب بيانات المسبار عند نقاط التسرب (صور ملونة زائفة لـ 16، 9، 4)؛(ب) مخطط احتمالية تغير المعادن في SDI؛(ج) خريطة إجهاد الغطاء النباتي SDI؛ (د) الخريطة الجيولوجية؛(هـ) خريطة احتمالية المعادن SDI المشروحة.P>0.8 في جميع الرسوم البيانية الاحتمالية

•حقل شيفنغ النفطي (منطقة مغطاة بالتربة اللوسية)استخدم تشين وآخرون (2017) بيانات طيفية فائقة محمولة جواً وطريقة SFF لاستخراج شذوذات المعادن المتغيرة الناتجة عن التسرب الدقيق، وتحديد المناطق المستهدفة المواتية، مما يوفر وسيلة فعالة لاستكشاف النفط والغاز في منطقة هضبة اللوس.

الشكل 3.خريطة المعادن المتغيرة الناتجة عن التسرب الدقيق للهيدروكربونات(من تشين وآخرون، 2017)

تظهر معادن السديريت والكالسيت والإيليت والكاولين بألوان مختلفة. تشير الدوائر الحمراء إلى مواقع آبار الإنتاج. وتشير الأرقام إلى مواقع وكميات نقاط أخذ العينات الميدانية.

•حقل تشينغيانغ النفطي (المنطقة المغطاة بالنباتات)استنادًا إلى: هوانغ وآخرون (2019)نموذج PROSPECTمن خلال محاكاة أطياف إجهاد النبات، تم استخلاص معلومات التسربات الدقيقة من بيانات التصوير الطيفي الفائق المحمول جواً باستخدام نظامي CASI/SASI. وتطابقت نتائج الاستخلاص بشكل جيد مع مواقع آبار النفط المعروفة، مما يدل على جدوى الكشف الطيفي الفائق في المناطق النباتية.

الشكل 4.خريطة نتائج استخراج النفط من حقل تشينغيانغ النفطي(من هوانغ وآخرون، 2019) يتم عرض خريطة النفاذية الدقيقة للنفط والغاز باللون الأحمر، وتشير الدوائر الخضراء إلى مواقع الآبار المنتجة.

• منطقة كاراماي (الكشف المباشر في المناطق القاحلة)كان مو وآخرون (2023) أول من رصد تسرب الهيدروكربونات السطحية مباشرةً في منطقة كاراماي باستخدام بيانات طيفية فائقة الدقة من القمر الصناعي GF-5. ومن خلال معالجة شجرة التصنيف باستخدام تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وخوارزمية CART، مع التركيز على خصائص الامتصاص عند 1730 نانومتر و2327 نانومتر، بلغت دقة البيانات في 37 نقطة تحقق ميدانية 86.5%، حيث نجحوا في تحديد نقاط التسرب المعروفة مثل هييوشان ومناطق التسرب النفطي الاصطناعي، مع إخفاء التداخلات بفعالية، مثل الطين. تُقدم هذه الدراسة دليلاً هاماً على أهمية استخدام بيانات GF-5 في استكشاف النفط والغاز.

الشكل 5.النتائج النهائية للكشف عن تسرب الهيدروكربونات(مقتبس من مو وآخرون، 2023)

(أ) نتائج الكشف بعد استخدام طريقة CART؛ (ب) صورة ملونة زائفة لنتائج الكشف، مع مناطق زرقاء تشير إلى تسربات النفط والغاز.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج التصوير الطيفي الفائق مع الطرق الجيوفيزيائية مثل الكهرومغناطيسية ذات التردد المنخفض للغاية (SLF) للكشف التعاوني (Qin et al.، 2016)، أو استخدامه للاستخراج من منصات النفط والغاز البحرية ومراقبة بيئات التلوث النفطي.

الشكل 6.نتائج استخلاص المعادن المتغيرة من الصور الطيفية الفائقة(مقتبس من تشين وآخرون، 2016)