способ геоэлектроразведки в условиях техногенной инфраструктуры

Формула изобретения

1. Способ геоэлектроразведки в условиях техногенной инфраструктуры, включающий возбуждение электромагнитного поля в геологической среде, синхронную регистрацию компонент электромагнитного поля приемными датчиками по базовой системе наблюдений, определение проводимости исследуемой геологической среды по измеренным компонентам электромагнитного поля, сопоставление измеренных и расчетных значений компонент электромагнитного поля с построением геоэлектрической модели исследуемой среды, отличающийся тем, что дополнительно выявляют находящиеся вблизи источников и приемных датчиков базовой системы наблюдений поверхностные и подземные токопроводящие техногенные промышленные и бытовые объекты, которые могут создать искажающее влияние на электромагнитное поле от поисковых объектов вблизи приемных датчиков, устанавливают их плановое геодезическое положение относительно фактического положения источников и приемников базовой системы наблюдений и электрофизические параметры, по установленным параметрам для всех приемных датчиков на исследуемой площади определяют значения компонент электромагнитного поля от каждого установленного техногенного объекта, для каждого из указанных приемных датчиков находят разностный электромагнитный сигнал между измеренным и рассчитанным электромагнитном сигналом от каждого техногенного объекта, проводят интерпретацию разностных сигналов для всей совокупности точек системы наблюдений, по результатам которой судят о строении и электрофизических параметрах исследуемой среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе выявления находящихся вблизи источников и приемных датчиков базовой системы наблюдений поверхностных и подземных токопроводящих техногенных промышленных и бытовых объектов, которые могут создать искажающее влияние на электромагнитное поле от поисковых объектов, вблизи горизонтальной проекции этих техногенных объектов на поверхности Земли проводят дополнительные электромагнитные зондирования, по результатам интерпретации которых определяют или уточняют геометрические и электрофизические параметры подземных и поверхностных техногенных объектов и их плановое положение.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромагнитным геофизическим методам поисково-оценочных исследований геоэлектрической среды с целью локализации поисковых объектов и литологического расчленения разреза при решении инженерно-геологических задач, прогнозирования потенциально-опасных техногенных объектов, поиска твердых полезных ископаемых, источников водоснабжения, локального прогноза нефтегазовых коллекторов и может быть использовано с целью определения электрофизических параметров объектов, с которыми пространственно связаны месторождения полезных ископаемых в условиях мешающих факторов техногенной инфраструктуры, построенной с применением металлоконструкций.

Известен способ геоэлектроразведки, при котором осуществляют выделение вектора сигнала становления электромагнитного поля от объекта поиска, перекрытого неоднородными экранирующими образованиями (а.с. СССР № 1760873, G01V 3/00). Известный способ основан на корректировке полного вектора электромагнитного поля путем вычитания из него составляющей, связанной с верхней частью разреза, и определения направления на эпицентр подэкранного поискового объекта. Для каждого фиксированного момента времени путем последовательного изменения ориентации горизонтального приемного датчика определяют направление, вдоль которого напряженность поля максимальна. Тогда горизонтальная компонента полного вектора характеризуется максимальной полученной напряженностью и выбранным направлением. По результатам измерений в нецентральных точках определяют распределение продольной проводимости экранирующих верхней части разреза. Затем для центральной точки моделируют горизонтальную компоненту нормального вектора , обусловленную экраном верхней части разреза, для всего зарегистрированного диапазона времен. Применяют физическое моделирование с использованием электрофизических моделей, а также математическое моделирование, основанное на расчете распределения вихревых токов в неоднородной проводящей пленке, отражающей особенности строения верхней части разреза. На следующем этапе вводят во всем диапазоне времен коррекцию горизонтальной компоненты полного вектора. Полученный в результате векторного вычитания разностный вектор расположен в плоскости измерений и отражает скорректированное направление на объект поиска, стабилизируясь с течением времени становления в направлении эпицентра рудного тела. Далее всю установку перемещают в направлении, совпадающем с наиболее стабильным направлением разностного вектора в информационной области времен, т.е. за пределами ранних времен. Перемещения с последующим циклом измерений и обработки повторяют до смены знака разностного вектора. О положении эпицентра рудного тела судят по положению пунктов зондирования, в пределах которых происходит смена знака разностного вектора.

Принципиальным недостатком известного способа является то, что он позволяет локализовать преимущественно наиболее контрастные по проводимости объекты. Однако если в среде присутствуют сразу несколько объектов с сопоставимыми размерами и глубиной залегания, то смена знака разностного вектора может произойти между этими объектами в стороне от их проекции на дневную поверхность.

Известен также способ геоэлектроразведки, обеспечивающий высокую достоверность геофизических работ за счет разделения влияния на результаты измерений боковых и глубинных неоднородностей на базе 3D-инверсии электроразведочных данных. Способ основан на подборе единой для всех точек измерения геоэлектрической модели с использованием конечноэлементного 3D-моделирования (патент РФ № 2411549, G01V 3/12). Известный способ геоэлектроразведки включает возбуждение электромагнитного поля в геологической среде, синхронную регистрацию компонент электромагнитного поля приемными датчиками, определение по результатам базовой системы наблюдений проводимости исследуемой геологической среды, сопоставление измеренных и расчетных значений компонент вторичного электромагнитного поля с построением геоэлектрической модели исследуемой среды. Способ предусматривает также проведение дополнительных измерений по результатам указанного сопоставления. При этом сопоставление измеренных и расчетных значений компонент вторичного электромагнитного поля с построением геоэлектрической модели исследуемой среды осуществляют путем составления 3D-модели, для которой выполняют 3D-расчет и вычисляют невязку относительно измеренных данных, исключая ложные аномалии проводимости и подбирая 3D-объекты с эпицентрами под точками базовой системы наблюдений, по полученной уточненной 3D-модели определяют расположение аномалий проводимости в целевых горизонтах. После чего по профилям, проходящим через центры указанных аномалий проводимости, проводят указанные дополнительные измерения. Далее определяют невязку по указанным дополнительным профилям для указанной уточненной 3D-модели, которую корректируют по уровню полученной невязки. В результате подтверждают или опровергают наличие аномалий проводимости в целевом горизонте. После чего определяют параметры всех выявленных аномалий проводимости, оценивают поперечный размер указанных аномалий проводимости и, в случае его значимого влияния на временах, соответствующих проявлению целевых объектов в точках базовой системы наблюдений и/или в точках дополнительной системы наблюдений, выполняют измерения по профилям, проходящим через центры этих аномалий проводимости. Используя данные полученной системы наблюдений, выполняют 3D-инверсию, по результатам которой получают окончательную геоэлектрическую 3D-модель исследуемой среды, по которой определяют геометрические параметры, проводимость и местоположение аномалий проводимости в целевом горизонте.

Известный способ за счет построения и использования процедур дополнительных измерений с выполнением 3D-инверсии позволяет отбраковать выявленные вдоль базовой системы наблюдений возможно ложные аномалии проводимости в целевых горизонтах. Это, в свою очередь, обеспечивает получение высокодостоверной геоэлектрической 3D-модели и высокую точность геофизического прогноза. Однако данная технология не сможет обеспечить достоверный геофизический прогноз при исследовании геологической среды в присутствии техногенных объектов, построенных с применением металлоконструкций или других хорошо проводящих электрический ток объектов. Например, таких как трубопроводы различного назначения, опоры линий электропередач, электрические кабели, емкости, эстакады, железобетонные конструкции, автотранспорт и др. Это приводит к ошибочной оценке вклада верхней части разреза, включающей указанные техногенные объекты, во всей информативной временной области проявления поисковых объектов и к недостоверному геофизическому прогнозу.

Задачей изобретения является повышение достоверности геофизического прогноза в присутствии на исследуемой территории техногенных объектов.

Технический результат изобретения - выделение и учет при геофизических исследованиях геологической среды влияния проводящих металлоконструкций и других хорошо проводящих электрический ток поверхностных и подземных техногенных объектов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе геоэлектроразведки в условиях техногенной инфраструктуры, включающем возбуждение электромагнитного поля в геологической среде, синхронную регистрацию компонент электромагнитного поля приемными датчиками по базовой системе наблюдений, определение проводимости исследуемой геологической среды по измеренным компонентам электромагнитного поля, сопоставление измеренных и расчетных значений компонент электромагнитного поля с построением геоэлектрической модели исследуемой среды, согласно изобретению, дополнительно выявляют находящиеся вблизи источников и приемных датчиков базовой системы наблюдений поверхностные и подземные токопроводящие техногенные промышленные и бытовые объекты, которые могут создать искажающее влияние на электромагнитное поле от поисковых объектов вблизи приемных датчиков, устанавливают их плановое геодезическое положение относительно фактического положения источников и приемных датчиков базовой системы наблюдений и электрофизические параметры, по установленным параметрам для всех приемных датчиков определяют значения компонент электромагнитного поля от каждого установленного техногенного объекта, для каждого из указанных приемных датчиков находят разностный электромагнитный сигнал между измеренным и рассчитанным электромагнитном сигналом от каждого техногенного объекта, проводят интерпретацию разностных сигналов для всей совокупности точек системы наблюдений, по результатам которой судят о строении и электрофизических параметрах исследуемой среды

Кроме того, при необходимости на этапе выявления находящиеся вблизи источников и приемных датчиков базовой системы наблюдений поверхностных и подземных токопроводящих техногенных промышленных и бытовых объектов, которые могут создать искажающее влияние на электромагнитное поле от поисковых объектов, вблизи горизонтальной проекции этих техногенных объектов на поверхность Земли, проводят дополнительные электромагнитные зондирования, по результатам интерпретации которых определяют или уточняют геометрические и электрофизические параметры подземных и поверхностных техногенных объектов и их плановое положение.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1-6 иллюстрируют реализацию способа в соответствии с приведенным ниже примером 1, где

фиг.1 - 3D-модель подповерхностного техногенного объекта (сварная водопроводная труба ГОСТ 10704-76) в среде в перспективе, базовая система наблюдений и разрез по линии АВ, совпадающей с базовой системой наблюдений;

фиг.2 - синтезированные графики значений электромагнитного поля Е _z ^трубы в точках зондирования, полученные по результатам расчета прямой 3D-задачи;

фиг.3 - графики значений электромагнитного поля E_z ^sum в точках зондирования, полученные при измерении методом М-ЗСБ;

фиг.4 - графики значений электромагнитного поля E_z ^трубы в точках, измеренного методом М-ЗСБ на исследуемой площади, Е_z ^трубы, рассчитанные с помощью 3D-моделирования для трубы, и разностный сигнал E_z между измеренным сигналом Е_z ^sum на исследуемой площади и рассчитанным для данной точки значением электромагнитного поля Е_z ^трубы трубы 10: а) - в т. 3, б) - в т. 4, в) - в т. 5, г) - в т. 6;

фиг.5 - геоэлектрический разрез вдоль профиля АВ, полученный при интерпретации измеренных данных E_z ^sum методом М-ЗСБ;

фиг.6 - геоэлектрический разрез вдоль профиля АВ, полученный при интерпретации данных разностного сигнала E_z= E_z ^sum-E_z ^трубы.

Фиг.7-11 иллюстрируют реализацию способа в соответствии с приведенным ниже примером 2, где

фиг.7 - поисковая 3D-модель в перспективе, базовая система наблюдений и разрез по линии АВ, совпадающей с базовой системой наблюдений;

фиг.8 - синтезированные графики значений электромагнитного поля E_z ^МТЛБ в точках зондирования, полученные по результатам расчета прямой 3D-задачи;

фиг.9 - графики значений электромагнитного поля E_z ^sum в точках зондирования, полученные при расчете прямой задачи методом М-ЗСБ для поисковой 3D-модели, изображенной на фиг.7;

фиг.10 - графики значений электромагнитного поля E_z ^sum в точках, рассчитанные по поисковой 3D-модели методом М-ЗСБ на исследуемой площади, E_z ^МТЛБ, рассчитанные с помощью 3D-моделирования для МТ-ЛБ, и разностный сигнал Е_z; между рассчитанным для поисковой 3D-модели сигналом E_z ^sum на исследуемой площади и рассчитанным для данной точки значением электромагнитного поля Е_z ^МТЛБ МТЛБ 20: а) - в т. 16, б) - в т. 17, в) - в т. 18) - в т. 19.

фиг.11 - геоэлектрический разрез вдоль профиля АВ, полученный при интерпретации методом М-ЗСБ данных E_z ^sum, рассчитанных для поисковой 3D-модели, и геоэлектрический разрез вдоль профиля АВ, полученный при интерпретации данных разностного сигнала E_z=E_z ^sum-E_z ^МТЛБ.

Способ согласно изобретению осуществляется в следующей последовательности операций.

1. Перед началом геофизических исследований в пределах исследуемой площади выявляют находящиеся в верхней части разреза, вблизи источников и приемников базовой системы наблюдений, поверхностные и подземные токопроводящие техногенные промышленные и бытовые объекты, собственное электромагнитное поле которых может оказать искажающее влияние на электромагнитное поле от поисковых объектов вблизи приемных датчиков. Устанавливают их плановое геодезическое положение относительно фактического положения источников и приемников базовой системы наблюдений и их электрофизические параметры (µ, ), с использованием непосредственных измерений и/или существующей исполнительной документации.

При необходимости на этапе выявления находящихся вблизи источников и приемников базовой системы наблюдений поверхностных и подземных токопроводящих техногенных промышленных и бытовых объектов, которые могут создать искажающее влияние на электромагнитное поле от поисковых объектов вблизи приемных датчиков, вблизи горизонтальной проекции этих техногенных объектов на поверхность Земли проводят дополнительные электромагнитные зондирования, по результатам интерпретации которых определяют или уточняют геометрические и электрофизические параметры подземных и поверхностных техногенных объектов и их плановое положение.

По установленным параметрам на базе 3D-моделирования с использованием разработанных специальных вычислительных программ определяют во всей актуальной временной области значения компонент собственного электромагнитного поля для каждого техногенного объекта, находящегося на исследуемой площади в зоне значимого влияния циркуляции вторичного ЭМ-поля, возникающего после зондирующего импульса тока в этих техногенных объектах, сигналы от которых сопоставимы с сигналами от исследуемой геологической среды. Задачи расчета электромагнитного поля от техногенных объектов являются нетривиальными, поскольку они осложнены присутствием в расчетной области сильно проводящих, очень тонких металлических объектов большого размера. При расчете электромагнитного поля от таких объектов в расчетной области появляется значительный скин-эффект, для учета которого требуется сильное сгущение конечноэлементных сеток к границам объектов. Также задачи, в расчетной области которых присутствуют техногенные объекты, имеют большую контрастность свойств материалов, в связи с чем имеют плохую сходимость невязки при расчете прямой задачи вычисления электромагнитного поля. Метод конечноэлементного моделирования электромагнитных полей, с помощью которого выполняется расчет электромагнитного поля от техногенных объектов в рассматриваемом способе, основан на совместном использовании векторного и скалярного потенциалов, где в качестве источника задается разрыв скалярного потенциала. Расчетная область разбивается на параллелепипеидальные конечные элементы, в области объектов задается векторный потенциал, а в области вне объектов задается скалярный потенциал. Используемая векторно-скалярная постановка, за счет применения скалярного потенциала в непроводящих областях и векторного потенциала в проводящих областях имеет хорошую сходимость невязки при расчете прямой задачи расчета электромагнитного поля и является оптимальной постановкой для расчета таких задач.

2. В исследуемой геологической среде возбуждают электромагнитное поле и системой приемных датчиков, размещаемых на ее поверхности по заданной системе наблюдений, осуществляют синхронную регистрацию компонент электромагнитного поля.

3. После измерения компонент электромагнитного поля системой датчиков на исследуемой площади для каждой точки измерений находят разностный сигнал между измеренным и соответствующим расчетным значением поля от техногенных объектов.

4. По полученным разностным сигналам с использованием известных математических трансформаций или инверсий судят о характеристиках исследуемой среды, влияние техногенных объектов в которых учтено.

5. При проведении электромагнитных зондирований в соответствии с технологией согласно способу-прототипу расчет компонент электромагнитного поля техногенных объектов осуществляют вначале для базовой системы наблюдений, а затем последовательно для каждой точки из проводимых дополнительных измерений. Находят разностное значение между измеренными и расчетными значениями компонент электромагнитного поля, связанного с техногенными объектами, находящимися в зоне действия электромагнитных зондирований, которое применяют при каждой последующей процедуре выявления аномалий проводимости.

Ниже приведены примеры реализации способа согласно изобретению.

Пример 1. Работы методом многоразностных зондирований становлением поля (М-ЗСБ) на заданной площади 1 на профиле АВ с системой наблюдений, как это показано на фиг.1.

Выявлено, что в районе площади 1, пересекая профиль АВ измерений между пунктами разведочного профиля L2 и L3, на глубине 3 м от поверхности земли, располагается, как показано на фиг.1, стальная сварная труба 10, с наружным диаметром 1020 мм, стенками толщиной 8 мм. Электрофизические параметры трубы: 10-µ=100, =1,4е-7 Ом. Плановое положение трубы на исследуемой площади также установлено.

Система наблюдений. В пунктах L1-L3 разведочного профиля АВ располагают квадратные 500 500 м генераторные петли 2, находящиеся друг от друга на расстоянии 4000 м. Ток в генераторной петле 100 А. Измерения осуществляют расположенными в области генераторных петель 2 группами приемных датчиков 3-9 с магнитными моментами М_из=10 ⁴ м², находящимися на расстоянии 500 метров друг от друга.

По указанным электрофизическим характеристикам техногенного объекта на базе 3D-моделирования рассчитывают значения компонент собственного электромагнитного поля для трубы 10, находящейся в грунте исследуемой площади. 1. Для каждого положения описанной выше приемно-генераторной системы получены значения сигналов E_z ^трубы, представленные на фиг.2, для соответствующих точек зондирования.

При проведении геофизических исследований на исследуемой площади 1 возбуждают электромагнитное поле и приемными датчиками 3-9, по описанной выше системе наблюдений, осуществляют синхронную регистрацию компонент электромагнитного поля E_z ^sum. Результатом являются экспериментальные временные графики измеренного сигнала от времени E_z ^sum. На фиг.3 представлены полученные экспериментальные зависимости E_z ^sum для пункта L2 (фиг.1) вблизи трубы 10. Для учета влияния трубы 10 из измеренного электромагнитного поля E_z ^sum вычитают собственное электромагнитное поле E_z ^sum трубы 10 для каждой точки 3-9 системы наблюдений.

На фиг.4 представлены графики E_z ^sum, измеренные методом М-ЗСБ на исследуемой площади 1, E_z ^трубы, рассчитанные с помощью 3D-моделирования для трубы 10, и разностный сигнал Е_z= E_z ^sum- E_z ^трубы между измеренным сигналом на исследуемой площади и рассчитанным для данной точки значением электромагнитного поля трубы 10 (для точек наблюдений 3-6).

Полученные значения компонент электромагнитного поля - разностный сигнал E_z ^sum-E_z ^трубы применяют для построения геоэлектрической модели исследуемой среды, а также для построения геоэлектрического разреза, как это сделано в данной реализации способа.

Для данного примера на фиг.5 представлен разрез вдоль профиля измерений, полученный по результатам ID-инверсии измеренных данных E_z ^sum. На фиг.5 видно, что в области залегания трубы 10 по результатам ID-инверсии определяется проводящая зона между 6000 м и 7500 м сопротивлением от 15 до 50 Ом. На фиг.6 представлен разрез вдоль профиля измерений, полученный по результатам ID-инверсии разностного сигнала E_z ^sum- E_z ^трубы. На фиг.6 видно, что при учтенном сигнале от трубы 10 по результатам ID-инверсии проводящая зона, изображенная на фиг.5, в районе между 6000 метров и 7500 метров отсутствует.

Пример 2.

Вариант расположения на заданной площади 11 рядом с профилем АВ транспортного средства МТ-ЛБ 20, как это показано на фиг.7.

Установлено, что корпус МТ-ЛБ сварен из катаных броневых листов толщиной 7-14 мм. Габаритные размеры 6450 2850 865 мм. Толщина брони 10 мм - лобовая броня; 7 мм - бортовая броня и кормовые листы; 5 мм - крыша; 3 мм - днище. Проводимость 3.6 10⁷ См, магнитная проницаемость -100.

Вмещающая среда представлена моделью, приведенной на фиг.7. На площади измерений 11 на разных глубинах залегают три проводящих объекта сопротивлениями 20 Ом, 5 Ом и 15 Ом (на глубине 100-150 м, на глубине 200-500 м и на глубине 900-1000 м).

Система наблюдений. В пунктах разведочного профиля L1- L5, изображенных на фиг.7, расположены квадратные 500 500 м генераторные петли 12, находящиеся друг от друга на расстоянии 1000 м. Ток в генераторной петле 12-100 А. Измерения осуществляют расположенными в области генераторных петель 12 группами приемных датчиков 13-19 с магнитными моментами М _из=10⁴ м², находящимися на расстоянии 200 метров друг от друга.

Транспортное средство МТ-ЛБ 20 располагается на площади 11 между пунктами профиля L3 и L4. Плановое положение МТ-ЛБ 20 на исследуемой площади установлено.

По указанным электрофизическим характеристикам техногенного объекта на базе 3D-моделирования рассчитаны значения компонент собственного электромагнитного поля для МТ-ЛБ 20. Для каждого положения приемно-генераторной системы (генераторных петель - 12, приемных датчиков 13-19 с магнитными моментами М=10⁴ м²) получены значения сигналов зависимости Еz ^МТЛБ в соответствующих точках зондирования, представленные на фиг.8.

При проведении геофизических исследований на исследуемой площади 11 возбуждают электромагнитное поле и приемными датчиками 13-19, по описанной выше системе наблюдений, осуществляют синхронную регистрацию компонент электромагнитного поля E_z ^sum. Результатом являются экспериментальные временные графики измеренного сигнала от времени E_z ^sum. На фиг.9 представлены полученные экспериментальные зависимости E_z ^sum для пункта L3 (фиг.7) вблизи МТ-ЛБ 20. Для учета влияния МТ-ЛБ 20 из измеренного электромагнитного поля E_z ^sum вычитают собственное электромагнитное поле E_Z ^МТЛБ МТ-ЛБ 20 для каждой точки 13-19 системы наблюдений. На фиг.10 представлены графики E_z ^sum в точке, измеренные методом М-ЗСБ на исследуемой площади, E_z ^МТЛБ, рассчитанные с помощью 3D-моделирования для МТ-ЛБ 20, и разностный сигнал E_z=E_z ^sum-E_z ^МТЛБ между измеренным сигналом на исследуемой площади и рассчитанным для данной точки значением электромагнитного поля МТ-ЛБ 20.

На фиг.11 представлен разрез вдоль профиля измерений, полученный по результатам ID-инверсии измеренных данных E_z ^sum (слева), и разрез вдоль профиля измерений, полученный по результатам ID-инверсии разностного сигнала E _z ^sum-E_z ^МТЛБ (справа). На фиг.11 видно, что в области МТ-ЛБ 20 по результатам ID-инверсии сигнала E_z ^sum (слева) определяется проводящая зона между 2000 м и 3000 м сопротивлением от 10 до 20 Ом, а по результатам ID-инверсии разностного сигнала E_z ^sum-E_z ^МТЛБ (справа), при учтенном сигнале от МТ-ЛБ 20, описанная ранее проводящая зона в районе между 2000 метров и 3000 метров отсутствует.

Аналогичным образом могут быть учтены все токопроводящие объекты, тем или иным образом пересекающие исследуемую площадь.

Таким образом, способ, согласно изобретению, включающий заявленную совокупность существенных признаков, за счет учета влияния техногенных объектов, находящихся на исследуемой территории, обеспечивает получение более достоверной геоэлектрической 3D-модели среды, высокую точность определения параметров имеющихся аномалий проводимости, что, в конечном итоге, повышает точность геофизического прогноза.