способ геоэлектроразведки

Формула изобретения

Способ геоэлектроразведки, основанный на возбуждении и регистрации в среде неустановившегося электромагнитного поля с помощью установки, включающей источник поля и группу приемников поля, расположенных в ближней зоне источника на определенной площади, измерении минимального времени регистрации сигнала становления поля, перемещаемой вдоль профиля после выполнения измерения на заданной базе, обработке сигналов становления поля и суждение о строении исследуемого участка разреза, отличающийся тем, что минимальное время становления измеряют на стадиях, соответствующих однократным возмущениям электромагнитного поля, выявляют интервал времен, при котором влияние интервала глубин на однократное возмущение электромагнитного поля наибольшее, обработку осуществляют путем выделения разностных сигналов в выявленном интервале времен и построения пространственных годографов, по которым судят о границах раздела сред и величинах электропроводности, при этом размер площади расстановки приемников выбирают из условия Q_n 4X_nY_n, где X_n линейные размеры системы наблюдения по одной из осей установки, Y_n линейные размеры системы наблюдения по другой оси установки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромагнитным методом геофизических исследований земной коры и может быть использовано при глубинных зондированиях, при поисках и разведке месторождений нефти и газа.

Известен способ геоэлектроразведки, в котором возбуждают импульсное электромагнитное поле в горных породах и измеряют неустановившееся поле на исследуемом участке и в нормальном поле, а о строении исследуемого участка судят по разности зависимостей сигналов становления поля, полученных на исследуемом участке и в нормальном поле (а.с. СССР N 1393125, кл. C 01 J 3/08, 1983).

Недостатками этого способа являются слабая дифференциация разреза на отдельные слои, т. е. невозможность расчленения всего разреза на отдельные слои при зондировании мощных геологических толщ вследствие того, что в промежуточной зоне сигнал становления формируется полем, обусловленным лишь той частью разреза, которая имеет глубину, соизмеримую с разносом, а также выявление только региональных аномалий при зондировании мощных геологических толщ.

Известен также способ геоэлектрической разведки, в котором возбуждают электромагнитное поле на исследуемом участке, измеряют сигналы неустановившегося поля в точках наблюдения, расположенных на нескольких разносах от источника возбуждения поля, а также сигналы магнитотеллурического поля, которые используют для коррекции результатов измерения становления поля, получают зависимость сигналов становления поля от времени регистрации, по которой судят о строении изучаемого участка разреза (а.с. СССР N 111755, кл. C 01 J 3/08, 1983).

Недостатками этого способа являются слабая помехоустойчивость и, как следствие, невысокая точность определения параметров отдельных частей разреза, а также невысокая разрушающая способность по глубине. Разрешающая способность зондирований в дальней промежуточной и ближней зонах различаются. Это приводит к тому, что в случае изменения глубин залегания горизонтов или их проводимости в районе исследований указанные горизонты могут оказаться на разных участках профиля в разных условиях. Это снижает надежность выделения таких слоев разреза, что приводит к уменьшению разрешающей способности зондирования.

Наиболее близким к заявленному объекту является способ геоэлектроразведки, который состоит в том, что возбуждают электромагнитное поле в земле с помощью питающей линии, измеряют неустановившееся поле несколькими приемными рамками, расположенными на разных расстояниях от питающей линии (на разных разносах), полученные результаты интегрируют по-разному для каждого фиксированного времени регистрации, затем увеличивают диапазон разносов и снова находят интегральное значение поля для каждого из диапазонов, а геоэлектрические параметры определяют в каждом диапазоне разносов, при котором величина интегрального поля выходит на асимптотическое значение (а.с. СССР N 1075831, кл. C 01 J 3/12, 1989).

Недостатками этого способа являются невысокая точность результатов и разрешающая способность увеличивающейся осредненности геоэлектрических параметров в пределах выделяемых толщин из-за больших без интегрирования сигналов в пределах расстановок приемников поля.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе геоэлектроразведки пространственными системами, основанном на возбуждении и регистрации неустановившегося электромагнитного поля с помощью установки, включающей источник поля и группу приемников поля, расположенных в ближней зоне источника на определенной площади, перемещении источника поля и осуществлении многократных перекрытий систем наблюдения, обработке сигналов становления поля и суждении о строении излучаемого участка разреза, приемники располагают по площади, определяемой из соотношения:

Q_n 4X_n Y_n,

где X_n линейные размеры системы наблюдения по одной из осей установки;

Y_n линейные размеры системы наблюдения по другой оси установки,

а после обработки сигналов становления поля для каждой точки наблюдения определяют величину минимального времени (t_min) наибольшего влияния исследуемого геоэлектрического интервала; сокращая общее время регистрации сигналов и повышая глубинность зондирований, подвергают сигналы пространственно-временной фильтрации, строят пространственные годографы высокочастотных составляющих отражений от границ раздела и неоднородностей с последующим псевдоволновым анализом полученных данных и анализом кратных отражений.

Способ основан на следующих выявленных закономерностях распространения электромагнитного поля в земле.

Новая концепция основана на представлениях наблюдаемых нестационарных полей через интегралы от "псевдоволновых" процессов инициированных изменением тока в источнике поля /4,7 9/



где x, y горизонтальные координаты точки наблюдения электромагнитного поля;

z вертикальная координатная точка наблюдения;

t время регистрации сигнала;

параметр "псевдовремени";

G функция взаимосвязи нестационарных и псевдоволновых полей.

;



Вид

позволяет заключить о практической возможности замены бесконечного интервала интегрирования по [0,] конечным

(при условии, что функции не имеют за пределами этого интервала значений, значительно превышающих значения этих функций в пределах данного интеграла). Параметр аналог глубины исследования H. По методике Угаровой Н.П. описанной в работе (2)



где t_a время распространения сейсмических волн;

среднее сопротивление среды;

m магнитная проницаемость среды;

средняя скорость распространения упругих волн в среде;

a коэффициент взаимосвязи t_a и t_3СБ;

H_э,с глубины по данным электро- и сейсморазведки;

K коэффициент взаимосвязи H_э и t_3СБ.

где V^*_э средняя скорость распространения электромагнитных псевдоволн;

средняя электропроводность среды;

r разнос установки.

Функции представляют согласно теории В.Г.Романова, С. И.Кабанихина, изложенной в работах /4, 7, 8/, в общем виде суммы "регулярных" и сингулярных слагаемых.

Сингулярные слагаемые соответствуют в нашем случае "отражениям" от границы раздела сред, а также от локальных геоэлектрических неоднородностей (см. модифицированные формулы и функции Ваньяна Липской)



где Z волновые функции;

a b амплитуды проходящих и отраженных волн;

e^x экспоненциальные функции;

m параметр разложения сигнала по функциям Бесселя,

параметр преобразования Фурье для сигнала.

Регулярные несущие некоторые "фоновые" изменения. Представления и в виде интегралов позволяют поставить в соответствие наборам наборы значений (если интегралы заменить "суммами").

Из теории Ваньяна-Липской следует, что на начальных стадиях идут отражения пониженной кратности, затем многократные. Для двухслойной среды в ближней зоне











t_n h^2t₁; при t_{n 1}h²₁ получим ² 4n²; (n n_s)

(n_s 2)

Возможно построение пространственных годографов для горизонтальных геоэлектрических границ, а также и для геоэлектрических неоднородностей по принципу Ферма (наименьшего времени), а также по принципу Гюйгенса-Френеля. Анализ зависимости от времени t (и последовательности ) для наблюдаемых величин и связь их через интегралы (суммы).

На фиг.1 и фиг.2 изображены "отражения" волн от горизонтальных границ и "отражения" от локальных неоднородностей (близко к теории Electroflex).

Асимптоты S", т.е. области времени, когда для проводящего слоя отмечается выход сигнала на асимптоту S, наступают при суммировании ряда отражений от однократных до N^--кратных /1, 3, 5, 6/. "Обрыв" асимптотического ряда следует производить при





где A_i, B_i амплитуды кратных отражений от геоэлектрических границ;

_i значение "псевдовремени" , соответствующее отражению от границ.

Анализ вышеуказанных выражений показал, что в интервал в котором производится интегрирование "псевдоволн" с функцией G(t;), попадают "вперемежку" отражения разной кратности от различных границ раздела сред, что существенно понижает разрешающую способность. Несмотря на это, как показано выше, можно поставить в соответствие набору значений

Набор значений где соответствие осуществляется через ряды такого типа



где и т.д. Анализ позволяет приближенно восстановить H(₁) и спрогнозировать его влияние на момент t₂ через изменение "весовой" функции G(t₂;₁), чтобы в последующем определить и т.д.

Анализ "годографов" _i(t,x,y,z)_i(t, x, y, z), построенным по данным наборов для различных точек наблюдения, позволит определить , а затем __ .

Наибольшее значение вышеуказанные представления наблюденных полей через совокупность "размытых" псевдоволн имеют для построения пространственных систем наблюдения в ближней зоне, ориентированных на подавление волн от геологических помех. Размеры площади ², захватываемой системой наблюдений, сопряжены с размерами неоднородности a и одновременно с размерами области ближней зоны H_max, где H глубина исследования, так, что Ra; R H/2 H_max.

Шаг между точками наблюдения Dl выбирается, исходя из требования

l ^*/2,

где ^* длина "псевдоволны" в среде;

V^* средняя скорость распространения "псевдоволны";

^* "частота" колебаний "псевдоволны";

K^* волновое число,

для подавления "псевдоволн" от геологических помех (см. фиг. 3 и 4).

фазы псевдоволны;



Базы точек наблюдения l выбираются из соотношения l a неоднород. т.е. суммирование по большим базам соответствует выделению границ, горизонтов и крупных объектов на больших глубинах, суммирование по малым базам - выделению относительно мелких объектов.

Выбор параметров системы регистрации становления поля производится следующим образом.

Детальные измерения необходимо проводить одновременно в пределах сравнительно небольшой площади Q_n в ближней зоне источника поля. При этом с кратностью K осуществляют перекрытия системы наблюдения.

Регистрация становления поля ведется в широком временном диапазоне. Влияние определенной геоэлектрической границы на глубине H наиболее велико от начальных стадий (в форме "однократных отражений"), вплоть до



где d коэффициент взаимосвязи времени и расстояния;

R расстояние от точки истока поля до точки наблюдения;

S(H) продольная проводимость разреза до глубины H;

удельная электропроводность разреза.

Традиционные геоэлектрические модели, построенные по параметрам S_m(H) и sD = S_m/, используются в качестве предварительных для применения новых методик обработки данных /1, 2, 3/.

Использование в качестве данных начальных стадий становления поля позволяет существенно сократить общее время регистрации сигналов, а также заметно повысить глубинность зондирований с традиционными источниками электромагнитного поля, обеспечить локальность зондирований. Выделенные "начальные влияния" позволяют получить пространственные годографы геоэлектрических границ, прогнозируя и изучая которые, нетрудно определить соответствующие параметры изучаемой среды.

Величина Q_n определяется в данной методике, исходя из требования временного разграничения однократных и кратных отражений. Для отражений, пришедших в точку наблюдения q_i от границы на глубине H_j, временные интервалы после начала воздействия определяются удвоенным расстоянием R_ij и кратностью отражения l согласно формуле





Применим требования, чтобы для наиболее удаленной точки q_N однократные отражения от первой границы на глубине H₁ доходили заметно раньше, чем двукратные до точки q₁ (см. фиг. 5, 6). Тогда это условие будет соблюдено и для всех остальных границ среды. Пусть



Определив Q_n= 4x_N(max)y_N(max), получим Q_n= 24H²₁.. Например, при H₁=1 км величина Q_n составит 24 км².

Необходимо также учесть и разрешающую способность метода, чтобы однократные отражения от границы на глубине

H_j+1=H_j+H,

прошедшие в точку q₁, не опережали по времени аналогичные отражения от границы H_j, дошедшие до точки q_N, т.е.

t_Nj(1) t_1,j+1(1),



Из этого условия вытекает, что требование повышения разрешающей способности влечет за собой требование дополнительного ограничения площади Q_n согласно (12).

По данным измерений отдельных компонент поля в пределах площади Q_n после выделения влияний границ смены геоэлектрического разреза строятся и анализируются пространственные годографы, поведение которых в общем виде получено из (6)



Для изучения изменения электропроводности разреза по вертикали достаточно измерений одной из компонент электромагнитного поля. При выявлении и изучении электрических неоднородностей необходимо измерение хотя бы одной дополнительной компоненты поля.

В то же время для статистического осреднения данных по строению разреза и в целях устранения искажений, вносимых мелкими (особенно приповерхностными) неоднородностями, используются перекрытия системы наблюдения /1, 3/. Минимальная кратность перекрытий K может быть определена из условия:



Профильные и площадные измерения представлены соответственно на фиг. 7 и 8,

где L шаг перемещения установки зондирования;

L характерный размер площади исследования Q_n.

Определим величину L, исходя из требования, чтобы время зондирования сигналов, приходящих в данный пункт от удаленных источников, соотносилось со временем прихода их от ближайшего из них. Пусть t_1j время прихода от ближайшего, а t_Nj от наиболее удаленного источника. Тогда t_N= t_Nj(1)-t_1j(1) - время запаздывания. Используя формулу (7) зависимости t от расстояния R, проходимого сигнала, получим взаимосвязь отдельных величин



Исходя из технической целесообразности в случае слабо неоднородной геологической среды, минимальная кратность перекрытий будет равна K 2 в варианте широкого профиля и K 4 при площадных измерениях. В то же время формула (14) регулирует максимальную кратность перекрытий, которая, кроме того, ограничена энергетическими и техническими возможностями, хотя в условиях горизонтально-неоднородной среды необходимо повышение надежности данных за счет их статистического осреднения и повышения кратности.

Геоэлектрические параметры среды определяют следующим образом.

Размер площади, на которой проводят наблюдения от одиночного источника электромагнитного поля, рассчитывается как Q_n=4X_n Y_n, причем согласно формуле (11) и последующему ограничению для регистрации "кратных" воздействий Q_n8 H²₁, где H₁ первая уверенно выделяемая граница в геоэлектрическом разрезе. Например, при H₁ 1000 м величина Q_n8 10⁶ м².

Расстанавливают приемники по системе профилей с шагом l ^*/2 (см. фиг. 3, 4), где ^* длина "псевдоволны" в среде. Например, при ^* 100 м величина Dl 50 м и т.д.

Располагают в линейном варианте не менее двух источников поля (заземленных линий или незаземленных рамок) с двукратным перекрытием общей части площади Q_n (см. фиг. 6, 7). Например, для пространственных систем наблюдения 4 источника (см. фиг. 8). Пропускают электрический ток, одинаковый по величине (например, 100А).

Регистрируют в пунктах наблюдения производные вертикальной компоненты вектора магнитной индукции B_z/t (см. фиг. 1, 2, 5, 6). При двукратном перекрытии систем наблюдения в пределах площади (Q_n/2)410⁶ м² при равномерной сети наблюдения с шагом l 100 м может быть расположено до 400 приемников.

Для каждой точки наблюдения определяют интервалы наибольшего влияния исследуемых глубинных геоэлектрических интервалов [H_j, H_j+1] причем где расстояние R_j от точек источника поля до точки наблюдения и среднее сопротивление разряда до глубины H_j определяют динамику начальной (высокочастотной) части возмущения электромагнитного поля, пришедшего от исследуемого материала, а продольная проводимость S(H_j+1) динамику конечной (низкочастотной) части поля.

Последовательно учитывая параметры вышележащих толщ разреза и используя представление электромагнитного поля в виде суммы последовательных воздействий (см. формулы (1-4, 1-10), выделяют разностные сигналы _i, соответствующие возмущениям от геоэлектрических границ разреза.

Характер представлений (7-10) и результаты математических расчетов показывают, что, например, первый член суммы (10) описывает электромагнитное поле в среде с сопротивлением ₁ соответствующей самому верхнему слою разреза. Вычитая из наблюденного сигнала это выражение, получают нарастающее влияние следующего (второго) члена данной суммы и т.д. Выделенные разностные сигналы _i позволяют строить и анализировать соответствующие им линейные и пространственные годографы возмущений электромагнитного поля.

Использование формул (16, 17) позволяет определить с помощью этих годографов сначала глубину залегания кровли, а на следующем этапе и подошвы появляющихся в разрезе горизонтов. Характер отклонений разностных сигналов _i от нуля таков, что он пропорционален особенно соотношению электропроводностей контактирующих слоев, что позволяет по начальному характеру _i и его амплитуде определить _j+1, решив уравнение (10) для момента t_j+1 при параметрах верхней части разреза, определенных в моменты t₁,t_j} Поскольку величина t_min приблизительно в 10 раз меньше, чем t_max, это означает, что информация о строении геоэлектрического разреза может быть получена значительно раньше, чем с применением традиционных трансформаций и S_m, или же, наоборот, для одинаковых значений времени при продолжительном подходе будет достигнута значительно большая глубинность. Кроме того, при этом обеспечивается повышение разрешающей способности, поскольку сигнал De_i определяется конкретным изменением электропроводности на данной границе, а традиционные параметры или S_m носят осредненный (интегральный) характер.

На фиг. 1 представлен состав электромагнитного поля, регистрируемого на поверхности слоистой среды в виде совокупности "кратных" отражений его возмущений, излученных заземленной линией и принятых группой приемных рамок; на фиг. 2 показан прием излученных заземленной линией начальных возмущений электромагнитного поля, отраженных от геоэлектрической неоднородности и принятых группой приемных рамок; на фиг. 3, 4 показан принцип выбора расстояния между точками наблюдения электромагнитного поля при нахождении неоднородности вблизи поверхностей наблюдений (фиг. 3) или на некоторой глубине под ней; на фиг. 5 проиллюстрированы принципы выбора размеров площади наблюдений для разделения "однократных" и "многократных" отражений возмущений электромагнитного поля для обоснования разрешающей способности зондирования; на фиг.6 показана подобранная оптимальная площадь наблюдений сигналов электромагнитного поля от одиночной заземленной линии; на фиг.7 даны принципы линейного, а на фиг. 8 пространственного размещения заземленных линий для осуществления n-кратных перекрытий систем наблюдения.

Использование данного способа геоэлектроразведки дает возможность производить высокоразрешающие работы пространственными системами, а также повысить надежность информации и обеспечить точность измерений путем пространственно-временной фильтрации сигналов и перехода на их регистрацию в области начальных стадий. 2