Phát hiện và ứng dụng viễn thám siêu phổ trong ngành dầu khí.

Các hydrocacbon nhẹ (chủ yếu là metan và etan) trong các mỏ dầu khí từ từ di chuyển lên bề mặt qua các vết nứt, lỗ rỗng hoặc vết nứt nhỏ, tạo thành các rò rỉ nhỏ. Mặc dù lượng rò rỉ mỗi lần cực kỳ nhỏ, nhưng sự tích tụ lâu dài sẽ tạo ra những bất thường có thể phát hiện được trên bề mặt. Các phương pháp cảm biến từ xa để phát hiện dầu khí được chia thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp.

Các hydrocarbon hấp phụ trên bề mặt đất hoặc đá thể hiện các đỉnh hấp thụ dao động kéo giãn liên kết CH đặc trưng xung quanh 1700 nm và 2300 nm. Các thí nghiệm trộn trong phòng thí nghiệm cho thấy các đặc điểm hấp thụ này vẫn có thể được ghi nhận bằng dữ liệu siêu phổ ngay cả khi hydrocarbon được trộn lẫn với ma trận khoáng chất (Scafutto et al., 2017). Tuy nhiên, tín hiệu bề mặt thực tế thường yếu và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu nền khí quyển, các điểm ảnh hỗn hợp và nhiễu nền khoáng chất.

① Biến đổi khoáng chấtSự rò rỉ các hydrocarbon khử làm thay đổi môi trường oxy hóa khử của đất, dẫn đến hiện tượng tẩy trắng lớp đất đỏ (chuyển hóa hematit thành goethit hoặc siderit), gia tăng các khoáng chất sét tự sinh (như kaolinit) và kết tủa cacbonat. Các khoáng chất này thể hiện đặc điểm hấp thụ đặc trưng trong dải bước sóng 2200 nm (Al-OH) và 2300–2500 nm (cacbonat).

②Căng thẳng thực vậtSự thiếu hụt oxy trong đất hoặc các chất độc hại dẫn đến giảm hàm lượng chất diệp lục trong cây, thay đổi cấu trúc lá, sự dịch chuyển màu xanh của vị trí rìa đỏ (REP) về phía bước sóng ngắn hơn, và các chỉ số thực vật bất thường như NDVI. Mô hình truyền bức xạ PROSPECT có thể mô phỏng phổ ứng suất này và được sử dụng cho phép đảo ngược (van der Meer et al., 2002; Huang et al., 2019).

Các cơ chế này cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc phát hiện siêu phổ. Đặc biệt, Freek van der Meer và cộng sự đã chỉ ra rằng quầng rò rỉ vi mô thường thể hiện sự phân bố hình vòng hoặc hình elip, với phần trung tâm có thể thể hiện tín hiệu yếu hơn do "sự tắc nghẽn".

Hình 1. Sự biến đổi bề mặt do rò rỉ vi mô từ các mỏ dầu khí.(Theo Chen và cộng sự, 2017)

Siêu phổ trên không(Ví dụ: AVIRIS, CASI/SASI, Probe-1): Độ phân giải không gian cao (mét), phù hợp cho việc điều tra chi tiết các khu vực trọng điểm, nhưng phạm vi phủ sóng hạn chế và chi phí cao.

Siêu phổ trên không gian：Hyperion(EO-1, đã ngừng hoạt động), GF-5 AHSI của Trung Quốc (Gaofen-5, khoảng 330 Hz, VNIR-SWIR),EnMAP(Đức), PRISMA (Ý), v.v. Thế hệ vệ tinh mới có chu kỳ quay trở lại ngắn và tiềm năng phủ sóng rộng lớn, tạo nền tảng cho các ứng dụng thường quy.

a. Tiền xử lýHiệu chuẩn bức xạ, hiệu chỉnh khí quyển (FLAASH, v.v.), loại bỏ nhiễu dải (dữ liệu GF-5 thường yêu cầu thiết bị chuyên dụng).IDLChương trình loại bỏ các sọc dọc và thực hiện hiệu chỉnh hình học.

b. Trích xuất dị thườngCác phương pháp khớp phổ (SAM, SFF), chỉ số phổ và phân tích thành phần chính (PCA), phân loại bằng máy học (cây quyết định CART, SVM, v.v.), phân tích ứng suất thực vật (mô hình rìa đỏ, mô hình PROSPECT).

c. Xử lý hậu kỳ và hợp nhấtPhân đoạn ngưỡng, nhị phân hóa và chồng lớp với dữ liệu địa chất/địa hóa; xác thực bằng máy quang phổ hiện trường hoặc xác thực bằng khoan. Trong trường hợp điển hình, PCA kết hợp với CART có thể tách hiệu quả tín hiệu hydrocarbon khỏi nhiễu nền (Mu et al., 2023).

Tại lưu vực Santa Barbara Ventura, California, Hoa Kỳ (van der Meer et al., 2002), sử dụng dữ liệu siêu phổ trên không Probe-1 (128 dải tần), kết hợp với SAM, khớp phổ tương quan chéo (CCSM), phân tách phổ và mô hình hóa rìa đỏ, phương pháp tích hợp dữ liệu thống kê (SDI) đã được sử dụng để xác định thành công các quầng rò rỉ vi mô với xác suất >0,8, phù hợp cao với các vị trí rò rỉ đã biết và dữ liệu địa chất dưới lòng đất. Các dị thường khoáng sản rõ rệt hơn ở những khu vực thảm thực vật thưa thớt.

Hình 2.Kết quả và giải thích(Van der Meer và cộng sự, 2002)

(A) Hình ảnh chồng lớp dữ liệu đầu dò tại các điểm rò rỉ (hình ảnh màu giả của 16, 9, 4);(B) Sơ đồ xác suất biến đổi khoáng chất SDI;(C) Bản đồ mức độ căng thẳng của thảm thực vật SDI; (D) Bản đồ địa chất;(E) Bản đồ xác suất khoáng sản SDI có chú thích.P>0,8 trong tất cả các đồ thị xác suất

•Mỏ dầu Xifeng (Khu vực phủ đất hoàng thổ)Chen et al. (2017) đã sử dụng dữ liệu siêu phổ trên không và phương pháp SFF để trích xuất các dị thường khoáng chất biến đổi do rò rỉ vi mô gây ra, xác định các khu vực mục tiêu thuận lợi, cung cấp một phương tiện hiệu quả cho việc thăm dò dầu khí ở khu vực Cao nguyên Hoàng Thổ.

Hình 3.Bản đồ biến đổi khoáng chất do rò rỉ vi lượng hydrocarbon gây ra.(Theo Chen và cộng sự, 2017)

Siderit, canxit, illit và cao lanh được thể hiện bằng các màu khác nhau. Các vòng tròn màu đỏ chỉ vị trí của các giếng khai thác. Các con số chỉ vị trí và số lượng của các điểm lấy mẫu tại hiện trường.

•Mỏ dầu Qingyang (Khu vực có thảm thực vật bao phủ)Dựa trên: Huang và cộng sự (2019)Mô hình PROSPECTCác phổ ứng suất thực vật mô phỏng đã được sử dụng để trích xuất thông tin rò rỉ vi mô từ dữ liệu siêu phổ trên không CASI/SASI. Kết quả trích xuất phù hợp tốt với vị trí các giếng dầu đã biết, chứng minh tính khả thi của việc phát hiện siêu phổ trong các khu vực có thảm thực vật.

Hình 4.Bản đồ kết quả khai thác mỏ dầu Thanh Dương.(Theo Huang và cộng sự, 2019) Bản đồ độ thấm vi mô của dầu khí được hiển thị bằng màu đỏ, và các vòng tròn màu xanh lá cây biểu thị vị trí của các giếng đang khai thác.

• Khu vực Karamay (phát hiện trực tiếp ở các vùng khô hạn)Mu và cộng sự (2023) là những người đầu tiên trực tiếp phát hiện sự rò rỉ hydrocarbon trên bề mặt ở khu vực Karamay bằng cách sử dụng dữ liệu siêu phổ vệ tinh GF-5. Thông qua quá trình xử lý cây phân loại PCA + CART nhắm mục tiêu vào đặc điểm hấp thụ ở 1730 nm và 2327 nm, tỷ lệ chính xác tại 37 điểm kiểm chứng thực địa đạt 86,5%, xác định thành công các điểm rò rỉ đã biết như Heiyoushan và các khu vực tràn dầu nhân tạo, đồng thời che chắn hiệu quả các nhiễu như đất sét. Nghiên cứu này cung cấp một minh chứng quan trọng cho việc ứng dụng dữ liệu GF-5 trong thăm dò dầu khí.

Hình 5.Kết quả phát hiện cuối cùng về rò rỉ hydrocarbon(Trích dẫn từ Mu et al., 2023)

(a) Kết quả phát hiện sau khi áp dụng phương pháp CART; (b) Hình ảnh màu giả của kết quả phát hiện, với các vùng màu xanh lam biểu thị sự rò rỉ dầu khí.

Ngoài ra, hình ảnh siêu phổ có thể được kết hợp với các phương pháp địa vật lý như điện từ tần số cực thấp (SLF) để phát hiện cộng tác (Qin et al., 2016), hoặc được sử dụng để trích xuất từ ​​các giàn khoan dầu khí ngoài khơi và giám sát môi trường ô nhiễm dầu.

Hình 6.Kết quả trích xuất khoáng chất bị biến đổi từ ảnh siêu phổ(Trích dẫn từ Qin và cộng sự, 2016)