устройство для мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза вчр

Формула изобретения

1. Устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, содержащее две антенны, расположенные взаимно ортогонально, одна из которых ориентирована вертикально, и подсоединенные к приемному устройству, отличающееся тем, что введены устройство обработки и третья антенна, подсоединенная к приемному устройству и расположенная ортогонально к упомянутым двум антеннам, а приемное устройство снабжено передатчиком, выход которого связан со входом устройства обработки, выполненным с возможностью передачи сигналов с данными о взаимно ортогональных компонентах Hx, Hy, Hz плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли на устройство обработки, а устройство обработки выполнено с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров - типперов Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, определения зависимости Wzx=F( f) и Wzy=F( f), где f - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz, от f₀ до f и с возможностью интегрирования зависимостей Wzx и Wzy для получения их площади и соответственно.

2. Устройство п.1, отличающееся тем, что введены карданный шарнир, штанга, средство вращения штанги, первая, вторая и третья антенны посредством вертикальной антенны подсоединены к карданному шарниру, который посредством штанги подсоединен к средству ее вращения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введена теодолитная труба, установленная на средстве вращения штанги, причем теодолитная труба выполнена съемной.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введено средство для ориентирования вертикальной антенны по вертикали, которое выполнено в виде круглого уровня, подвешенного на продольной оси вертикальной антенны.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введена оболочка, выполненная радиопрозрачной и герметичной в форме сферы, а первая, вторая и третья антенны расположены в оболочке.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая, вторая и третья антенны выполнены из ферритовых стержней с размещенными на них катушками.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что каждая из антенн выполнена, по меньшей мере, из трех ферритовых стержней, с размещенными на каждом из них катушками.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что введен электростатический экран, расположенный вокруг катушек.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в электростатическом экране выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизике, в частности к электромагнитным низкочастотным устройствам для изучения верхней части геологического разреза ВЧР, контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Оно может быть использовано для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (обводненные мульды, карстовые полости, оползневые участки, зоны шахтных подработок, повышенной трещиноватости, интервалы ослабленных пород и пр.). Данное изобретение специально может быть использовано при организации сети мониторинга для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических техногенных процессов. Результаты такого мониторинга находят практическое применение при объективной оценке и прогнозировании степени рисков, обеспечении безопасности эксплуатации ответственных газовых объектов и своевременном принятии управляющих решений.

Известно устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, входящее в состав устройства для поиска и определения границ тектонических нарушений при разработке угольных месторождений, содержащее приемную антенну, соединенную с визирной трубой и приемником радиоволн, установленные на штативе, при этом штатив снабжен токонепроводящей штангой, которая прикреплена к штативу с возможностью вращения в верхней ее части, приемная антенна закреплена в нижней части токонепроводящей штанги через карданный шарнир, образуя свободно подвешенный шарнирный маятник (Авторское свидетельство СССР № 1721242, E21C 41/18, опубл. 23.03.1992).

Устройство также содержит передающую антенну, установленную на втором штативе, причем передающая и приемная антенны выполнены рамочными. В этом устройстве используется активный радиоволновый метод исследований, при котором для поиска тектонических нарушений и других геологических неоднородностей используют электромагнитную волну.

Ограничением этого устройства является большая трудоемкость его использования, особенно при больших площадях исследуемой поверхности, и практически это устройство сложно применять при мониторинге для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических техногенных процессов.

Наиболее близким является устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, содержащее две антенны, расположенные взаимно ортогонально, одна из которых ориентирована вертикально, и подсоединенные к приемному устройству (Патент РФ на изобретение № 2328021, G01V 3/12, опубл. 10.02.2008).

Это устройство также входит в состав устройства для геофизических исследований радиоволновым методом. Антенны выполнены рамочными. Вертикально ориентированная антенна в этом устройстве выполняет функцию антенны пространственной ориентации (АПО) и не используется непосредственно при проведении геофизических исследований.

Применение этого устройства трудоемко, из-за применения рамочных антенн оно имеет большие габариты, устройство имеет низкие точность и достоверность получаемых результатов, поскольку измерения проводятся не синхронно, а в течение длительного времени одной антенной приемного устройства, ориентированной горизонтально, а приборы при проведении полевых исследований необходимо переносить на разные участки анализируемой ВЧР.

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных возможностей.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение точности, достоверности и информативности, расширение функциональных возможностей за счет определения в режиме реального времени локальных неоднородностей и геодинамических зон в области ВЧР и оценки их энергетики.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, содержащем две антенны, расположенные взаимно ортогонально, одна из которых ориентирована вертикально и подсоединенные к приемному устройству, согласно изобретению введены устройство обработки и третья антенна, подсоединенная к приемному устройству и расположенная ортогонально к упомянутым двум антеннам, а приемное устройство снабжено передатчиком, выход которого связан со входом устройства обработки и выполненным с возможностью передачи сигналов с данными о взаимно ортогональных компонентах Hx, Hy, Hz плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) на устройство обработки, а устройство обработки выполнено с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров - типперов Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, определения зависимости Wzx=F( f) и Wzy=F( f), где f - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz, от f₀ до f и с возможностью интегрирования зависимостей Wzx и Wzy для получения их площади

соответственно.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы

- были введены карданный шарнир, штанга, средство вращения штанги, первая, вторая и третья антенны посредством вертикальной антенны подсоединены к карданному шарниру, который посредством штанги подсоединен к средству ее вращения;

- была введена теодолитная труба, установленная на средстве вращения штанги, причем теодолитная труба выполнена съемной;

- было введено средство для ориентирования вертикальной антенны по вертикали, которое выполнено в виде круглого уровня, подвешенного на продольной оси вертикальной антенны;

- была введена оболочка, выполненная радиопрозрачной и герметичной в форме сферы, а первая, вторая и третья антенны расположены в оболочке;

- первая, вторая и третья антенны были выполнены из ферритовых стержней с размещенными на них катушками.

Также дополнительно целесообразно, чтобы

- каждая из антенн была выполнена, по меньшей мере, из трех ферритовых стержней с размещенными на каждом из них катушками;

- был введен электростатический экран, расположенный вокруг катушек;

- в электростатическом экране был выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор.

Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает схематично предложенное устройство;

фиг.2 - то же, что фиг.1, функциональная схема, один из возможных вариантов;

фиг.3 - схематично приемо-передающее устройство, т.е. часть устройства, предназначенная для измерения взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz плотности потока ЕИЭМПЗ;

фиг.4 - схема расположения приемо-передающих устройств и опорной станции для участка трубопровода;

фиг.5 - то же, что фиг.1, для исследуемой поверхности большой площади.

Устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР (фиг.1) содержит две антенны 1 и 2, расположенные взаимно ортогонально. Одна из антенн, например 1, ориентирована вертикально. Антенны 1 и 2 подсоединены к приемному устройству 3.

Введены устройство 4 обработки и третья антенна 5, подсоединенная к приемному устройству 3 и расположенная ортогонально к упомянутым двум антеннам 1 и 2. Приемное устройство 3 снабжено передатчиком 6, выход которого связан со входом устройства 4 обработки и выполненным с возможностью передачи сигналов с данными о взаимно ортогональных компонентах Hx, Hy, Hz плотности потока ЕИЭМПЗ на устройство обработки 4.

Передатчик 6 может быть выполнен различным образом и связан с устройством 4 обработки, например, кабельной связью, радиосвязью, спутниковой связью и т.п. На фиг.2 показана одна из возможных функциональных схем обеспечения связи с устройством 4 обработки. Хотя существует множество общеизвестных схем передачи информации по различным каналам связи, различающихся между собой как схемотехническими решениями, так и способами передачи информации.

Устройство 4 обработки (фиг.1, 2) выполнено с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров - типперов Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, определения зависимости Wzx=F( f) и Wzy=F( f), где f - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz, от f₀ до f и с возможностью интегрирования зависимостей Wzx и Wzy для получения их площади

и соответственно.

Указанные вычисления устройство 4 осуществляет с помощью соответствующего программного обеспечения.

В заявленное устройство (фиг.3) могут быть введены карданный шарнир 7, штанга 8 (нетокопроводящая), средство 9 вращения штанги 8 (например, упорный подшипник). Первая, вторая и третья антенны 1, 2 и 5 соответственно посредством вертикальной антенны 1 подсоединены к карданному шарниру 7, который посредством штанги 8 подсоединен к средству 9 ее вращения. Средство 9 представляет собой подшипниковый узел.

Кроме того, введена теодолитная труба 10, установленная на средстве 9 вращения штанги 8, причем теодолитная труба 10 выполнена съемной.

Кроме того, целесообразно ввести средство 11 для ориентирования вертикальной антенны 1 по вертикали. Средство 11 может быть выполнено в виде круглого уровня, подвешенного на продольной оси вертикальной антенны 1.

Целесообразно ввести в устройство оболочку 12, выполненную радиопрозрачной и герметичной в форме сферы, при этом антенный узел - первая, вторая и третья антенны 1, 2, 5 расположены внутри оболочки 12.

Первая, вторая и третья антенны 1, 2, 5 целесообразно выполнить из ферритовых стержней 13 с размещенными на них катушками 14.

Каждая из антенн 1, 2, 5 выполнена, по меньшей мере, из трех ферритовых стержней с размещенными на каждом из них катушками 14 (фиг.3).

Кроме того, целесообразно ввести в устройство электростатический экран 15, расположенный вокруг катушек 14.

В электростатическом экране 15 может быть выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор 16.

На фиг.3 также показаны диэлектрический держатель 17 антенн 1, 2 и 5; винтовые оси 18 с грузами противовесами 19; наконечник 20 с винтом 21 для крепления антенного блока к карданному шарниру 7; части штатива 22; алидада 23 горизонтального круга теодолитной трубы 10; разъемный шлицевой узел 24 теодолитной трубы 10; кабель 25 связи; муфта влагозащитная 26, приемник 27 (в вариантах исполнения может отсутствовать), защитный бункер 28 (при использовании штатива 22 может отсутствовать).

Предложенное устройство работает следующим образом.

Осуществляют настройку приемо-передающего устройства А (фиг.3).

При профильной съемке штатив 22 располагают в заданной точке профили. При этом настраивают вертикальную антенну 1 строго по оси Z грузами противовесами 19 при помощи круглого уровня средства 11. Далее, вращая теодолитную трубу 10 вокруг вертикальной оси и наблюдая через нее визирную марку репера, установленного в конце профиля, а также используя алидаду 23 и штатные микровинты теодолита, добиваются точного совпадения центральной риски теодолитной трубы 10 с вертикальной риской марки репера, добиваясь точности визирования не хуже ±1' и, тем самым, через разъемный шлицевой узел 24 строго ориентируют в пространстве антенну 2, расположенную по оси X.

Для увеличения полосы рабочих частот (широкой полосы пропускания) каждая из антенн 1, 2, 5 выполнена, по меньшей мере, из трех ферритовых стержней с размещенными на каждом из них катушками 14. Электростатический экран 15 служит для дополнительного наведения плотности потока ЕИЭМПЗ на катушки 14. Выполнение поперечного зазора 16 в электростатическом экране 15 усиливает эффект наведения.

После настройки всего приемо-передающего устройства А (фиг.3) приступают к измерениям. Усилители (фиг.2) усиливают сигналы, снимаемые с катушек 14 антенн 1, 2 и 5, которые поступают на фильтры, выполненные перестраиваемыми для сканирования всего заданного диапазона частот, например от 1 до 200 кГц, которые поступают на передатчики для переадресации сигналов на устройство 4 обработки. Эти сигналы через приемо-передающее устройство и коммутатор устройства 4 поступают на аналого-цифровой преобразователь, где преобразуются в цифровой вид. Контроллер служит для управления работой периферийного оборудования. Обработка сигналов для нахождения указанных величин математических выражений осуществляется компьютером (ноутбуком).

Кроме того, устройство 4 обработки может вырабатывать управляющие сигналы, которые из компьютера через контроллер поступают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), а далее через коммутатор и приемо-передающее устройство устройства 4 передаются на приемник (фиг.2) приемо-передающего устройства А и через него на блок управления, который управляет перестройкой фильтров и функционированием передатчиков для наведенных на катушки 14 антенн 1, 2, 5 сигналов. Возможно использование различных функциональных схем приемо-передающего устройства А и устройства 4, которые определяются используемыми каналами связи и методами обработки.

На практике устройство работает следующим образом.

На профиле или участке исследований (фиг.4, 5) стационарно устанавливают приемо-передающие устройства А, измеряющие поля электромагнитной эмиссии геодинамической природы ЕИЭМПЗ. Для простоты чтения чертежа на фиг.5 показана связь приемо-передающих устройств А с устройством 4 обработки только для крайних магнитовариационных станций каждого ряда. Однотипную приемо-передающим устройствам А опорную станцию(ии) Б размещают на участке поверхности, заведомо свободной от геодинамических геоэлектрических неоднородностей для компенсации влияния модельных и инструментальных помех, нормирования результатов измерения устройством 4 обработки. Как уже отмечалось, входы/выходы приемо-передающих устройств А могут быть связаны с входами/выходами устройства 4 обработки. кабелем, радиоканалом или спутниковой связью и т.п.

Поскольку магнитными датчиками приемо-передающих устройств А являются три антенны с узконаправленной диаграммой направленности, форма которой резко зависит от анизотропии горных пород, антенну, расположенную по оси X, для всех приемо-передающих устройств А визируют в пространстве теодолитной трубой 10 с точностью не хуже 1 минуты строго в одном направлении, например по осям преимущественной ориентировки тектонических элементов, либо вдоль оси магистрального трубопровода. Любые другие методы визирования антенн при исследовании ВЧР полем электромагнитной эмиссии (глазомерный, с использованием компаса, буссоли и пр.) являются некорректными, поскольку погрешность визирования более 1° влечет за собой ошибку измерений до 50% и более.

Затем, в j-й момент времени на сети точек i-го профиля или мониторинга, где установлены приемо-передающие устройства А, проводят синхронные, одновременные измерения трех компонент магнитного поля Hx, Hy, Hz приемо-передающими устройствами А и опорной станцией Б в интервале регистрируемых частот f=1÷200 кГц. Компенсируют влияние модельных и инструментальных помех устройством 4 обработки с помощью измеренных Hx, Hy, Hz с опорной станции Б для выделения полезных сигналов.

Устройство 4 обработки представляет собой сервер, который вычисляет два основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметра-типпера Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, векторы Визе-Паркинсона, которые находят из соотношения между вертикальной компонентой Hz магнитного поля и его горизонтальными компонентами Hx и Hy. Далее строят графики частотных параметров-типперов Wzx=F( f) и Wzy=F( f) поля, связывающие спектры его различных компонент в одной и той же или различных точках и являющиеся в частотной области в качестве первичных данных, подлежащих интерпретации.

Устройство 4 обработки далее определяет путем интегрирования в спектре частот от 1 до 200 кГц комплексные величины - площади S₁ и S₂, которые являются частотными характеристиками геоэлектрических условий в i-й точке для j-го момента времени и обеспечивают полное описание геологической среды, ее слоистой структуры и аномальных зон. По поведению типперов Wzx и Wzy и комплексных параметров S₁ и S₂ судят о формах, свойствах, структуре, интенсивности и местонахождении локальных неоднородностей, геодинамических зон ВЧР.

При изучении геодинамических зон ВЧР на основании графиков частотных зависимостей типперов Wzx и Wzy строят карты изолиний для j-х моментов времени и по времени запаздывания t изменений амплитуд сигналов от разных i-х точек сети мониторинга по отношению к сигналам опорных станции вычисляют скорости изменений типперов - ускорение ~1/с² (развитие-затухание геодинамического процесса), что существенно повышает надежность прогноза активизации опасных геологических процессов.

Для повышения достоверности результатов изучения ВЧР полевые измерения и их интерпретацию производят одновременно с помощью установленного в устройстве 4 обработки программного обеспечения, обеспечивающего управление приемо-передающими устройствами А, опорными станциями Б сбор, передачу информации по радиоканалам GSM или спутниковой связи, хранение информации, ее обработку и отображение на дисплее сервера в режиме реального времени.

Наиболее успешно заявленное устройство для мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР промышленно применимо для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей и для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических техногенных процессов.