СПОСОБ МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MARINE ELECTRICAL EXPLORATION AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к морской электроразведке методом становления электромагнитного поля и может быть использовано для поиска локальных объектов под морским дном, в том числе и на шельфе Мирового океана, и в районах, закрытых полярными льдами.
Одной из основных проблем морской электроразведки является проблема экранирования геоэлектрического разреза толщей морской воды. Однако эта проблема тяжела именно при традиционном ТЕ-возбуждении электрического поля с помощью петли или линии АВ, которые обуславливают преимущественно горизонтальные токи. Для процесса установления поля КЭД (кругового электрического диполя) или ВЭЛ (вертикальной электрической линии) характерно, что процесс (как он отражается в отклике на дневной поверхности) всегда, на всех стадиях определяется вертикальной структурой разреза, а не суммарными характеристиками (суммарной продольной проводимостью).
Известен способ морской электроразведки согласно заявки на изобретение США US 2009219029, приоритет от 03.09.2009. Способ предназначен для разведки и обнаружения подземных углеводородных коллекторов и основан на возбуждении в исследуемой среде электромагнитного ТМ-поля. Способ заключается в возбуждении и измерении электромагнитного ТМ-поля, индуцированного в продуктивном пласте. Способ осуществляется с помощью источника электромагнитного поля, который в погруженном состоянии с помощью вертикальной антенны излучателя генерирует и инжектирует электрические импульсы тока с резкими фронтами. Электромагнитное поле, вызванное в исследуемой среде этими импульсами, измеряется, по крайней мере, одним приемником, снабженным преимущественно вертикальной приемной антенной, погруженной в воду, в промежутках, когда ток в излучающей антенне источника электромагнитного поля выключен. Расстояние между источником электромагнитного поля и, по крайней мере, одним приемником меньше, чем глубина целевого объекта.
Вертикально ориентированный источник электромагнитного поля или излучатель для возбуждения электромагнитного ТМ-поля содержит, по крайней мере, одну пару излучающих электродов 10, расположенных друг над другом, в которые подается большой ток от источника питания через изолированный кабель (питающую линию), при этом излучающие электроды позволяют току течь через окружающую морскую воду.
Излучатель генерирует импульсы электромагнитного поля с резкими фронтами через определенные интервалы, во время которых ток выключается, при этом излучаемый импульс имеет максимально короткое время нарастания от основного значения до требуемого максимального с максимальной стабильностью вблизи максимального значения, а затем максимально короткое время спада назад к базовому значению. Таким образом, обеспечивается опорный сигнал для приемника, импульсы излучателя формируют базу для обработки и интерпретации сигнала электромагнитного поля, являющегося откликом исследуемой среды на возбуждение. Приемник выполняет измерение сигнала электромагнитного поля (сигнала-отклика) в отсутствие первичного, т.е. возбуждающего поля.
Устройство для электромагнитной электроразведки содержит источник питания для всего устройства, управляемый генератор, генерирующий исходные электромагнитные импульсы, предназначенный для генерации периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью 0,01…100 секунд амплитудой 0,1…10000 А с резкими фронтами для подачи на излучающие электроды источника электромагнитного поля, и, по крайней мере, один приемник, располагаемый в индукционной зоне, снабженный, по крайней мере, одной парой электродов, расположенных друг над другом.
Однако применение данного способа в морской электроразведке связано с определенными трудностями. Излучатель (вертикальная антенна) подвержен влиянию морских течений, а колебания питающей линии или небольшой ее наклон резко сказываются на результатах измерений. Аналогично такому же влиянию будет подвержена и вертикальная приемная антенна. При небольшом наклоне излучателя появляется нормальное магнитное поле, а при колебании как излучателя, так и приемной линии на измеряемые сигналы будет накладываться паразитная модуляция. К недостаткам вертикальной линии следует отнести то, что она удалена от исследуемой среды - дна касается только один электрод, другой электрод находится на значительном удалении и при реальной работе «пробить» километровую толщу морской воды будет очень трудно. Что касается работ на шельфе, где глубина составляет 200-300 метров, эффективность вертикальной линии, т.е. достижимая глубина и площадь исследования морского дна будет незначительной вследствие малой длины вертикальной линии. Поскольку измерение отклика, возвращающегося от исследуемой структуры, осуществляется также с помощью вертикально ориентируемой приемной антенны, способ отличается низкой производительностью и эффективностью.
Известен наиболее близкий к предлагаемому способ прямого поиска локальных объектов на шельфе Мирового океана согласно патенту РФ №2116658, при котором в исследуемой среде возбуждают электромагнитное поле путем осесимметричного введения электрического тока в Землю с помощью питающих электродов, один из которых располагают в центральной части окружности радиусом R, образованной внешними питающими электродами, измеряют параметры становления электрической и магнитной составляющих поля по профилям, радиально расходящимся из центра окружности, и по результатам измерений судят о наличии или отсутствии локального объекта и о строении и свойствах исследуемой среды. При этом величину радиуса R выбирают равной не менее одной четверти заданной глубины исследований, а максимальный рабочий ток, подводимый к каждому из внешних питающих электродов, устанавливают путем изменения площади соприкосновения поверхности электродов с морской водой. Сначала проводят измерения магнитной составляющей поля, а измерения электрической составляющей поля проводят только при наличии магнитной составляющей поля, причем все измерения проводят на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величины 5R.
Известный способ реализуется с помощью устройства для прямых поисков локальных объектов на шельфе Мирового океана, которое содержит генератор тока, соединенный первым выходом с центральным питающим электродом, расположенным в центре окружности, образованной внешними питающими электродами, которые подключены к второму выходу генератора тока с помощью соответствующих питающих линий, расположенных по радиусам этой окружности через равные заданные углы, не превышающие 60°, регуляторы тока, каждый из которых включен в соответствующую питающую линию, измеритель магнитной составляющей, соединенный с датчиком магнитного поля, измеритель электрической составляющей, соединенный с датчиком электрического поля. Каждый из питающих электродов совмещен с соответствующим буем. Питающие линии размещены внутри равных им по длине отрезков изолированного трос-кабеля, соединяющих механически корпус буя, совмещенного с центральным электродом, с корпусами буев, совмещенных с внешними электродами. Каждый буй, совмещенный с внешним электродом, механически соединен с двумя соседними буями отрезками непроводящего троса равной длины и снабжен электродвигателем, подключенным к источнику питания и связанным через вал с гребным винтом.
Вышеупомянутые способ и устройство можно использовать для прямого поиска локальных объектов на шельфе Мирового океана, однако при этом существует ряд недостатков, которые резко сужают их область применения. Во-первых, питающие электроды удалены от геологической среды, и для того, чтобы силовые линии электромагнитного поля достигали морского дна, надо значительно увеличивать мощность питающего устройства и увеличивать длину питающих линий (длину лучей). Применение известного устройства возможно только на шельфе и на небольших глубинах исследования. Во-вторых, такое устройство подвержено колебаниям морских волн, что вызывает как изменение геометрических размеров установки, так и наведенную модуляцию в подводящих проводах. Очевидно, что эти недостатки обусловлены плоскостной структурой системы питающих электродов и подводящих проводов и размещением ее на поверхности воды в отдалении от исследуемой среды.
Решаемая задача - уменьшение влияния на результаты измерений эффекта экранирования геоэлектрического разреза толщей морской воды, а также уменьшение влияния колебаний воды на изменение геометрии системы, т.е. повышение стабильности характеристик возбуждаемого поля и расширение области применения.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе морской электроразведки, при котором в исследуемой среде возбуждают электромагнитное поле путем осесимметричного введения в исследуемую среду электрического тока с помощью системы питающих линий, подключенных к соответствующим питающим электродам, из которых один или несколько первых располагают в центральной части окружности радиусом R, на которой через равные расстояния расположены вторые питающие электроды, измеряют параметры становления электрической и магнитной составляющих поля и по результатам измерений судят о строении и свойствах исследуемой среды, предлагается введение тока в исследуемую среду осуществлять с помощью трехмерной системы электродов и питающих линий, при этом питающие электроды располагают на дне или вблизи дна, а питающие линии располагают как вдоль, так и симметрично относительно отрезка вертикальной оси, проходящей через центр окружности с радиусом R, на которой через равные расстояния расположены вторые питающие электроды, причем длина вышеупомянутого отрезка вертикальной оси соответствует глубине моря в исследуемой области, а радиус R равен или больше глубины моря в исследуемой области.
Возможно, что в способе морской электроразведки по меньшей мере одну питающую линию, подключенную к первому питающему электроду, располагают вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии, соединенная с соответствующим питающим электродом, проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит радиально на поверхности моря в пределах окружности радиусом R с центром в верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, при этом концы частей питающих линий, радиально расположенных на поверхности моря, объединены электрически и механически вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси.
Возможно также, что в способе морской электроразведки в случае, когда поверхность моря покрыта льдом, по меньшей мере, одну питающую линию, подключенную к первому питающему электроду, располагают вдоль отрезка вертикальной оси, размещая в отверстие во льду, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии, соединенная с соответствующим питающим электродом, проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит через соответствующие отверстия во льду и расположена радиально на поверхности льда в пределах окружности радиусом R с центром в верхней точке вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, при этом концы частей питающих линий, радиально расположенных на поверхности льда, объединены электрически и механически вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси.
Возможно еще, что в способе морской электроразведки, по меньшей мере, одну питающую линию, подключенную к первому питающему электроду, располагают вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что питающие линии проходят в воде под одинаковым наклоном к отрезку вертикальной оси и объединяются электрически и механически на поверхности моря вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси.
Кроме того, возможно, что, в способе морской электроразведки, по меньшей мере, одну, питающую линию, подключенную к первому питающему электроду, располагают вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что часть каждой вышеупомянутой питающей линии, соединенная с соответствующим питающим электродом, проходит по дну радиально в пределах окружности радиусом R, на которой расположены вторые питающие электроды, а другая часть проходит вдоль отрезка вертикальной оси, при этом концы частей питающих линий, проходящих вдоль отрезка вертикальной оси, объединены электрически и механически вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси.
Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве для морской электроразведки, содержащем генератор тока и систему питающих линий, подключенных к соответствующим питающим электродам, из которых один или несколько первых электродов располагают в центральной части окружности радиусом R, на которой через равные расстояния расположены вторые питающие электроды, при этом один или несколько объединенных электрически первых электродов соединены с первым выходом генератора тока, а концы питающих линий, подключенных ко вторым питающим электродам, электрически объединены и соединены со вторым выходом генератора тока, предлагается систему электродов и питающих линий выполнить трехмерной, при этом питающие электроды расположены на дне или вблизи дна, а питающие линии расположены как вдоль, так и симметрично относительно отрезка вертикальной оси, проходящей через центр окружности с радиусом R, на которой через равные расстояния расположены вторые питающие электроды, причем длина вышеупомянутого отрезка продольной оси соответствует глубине моря в исследуемой области, а радиус R равен или больше глубины моря в исследуемой области, при этом один или несколько первых питающих электродов, объединенных электрически, подключены к первому выходу генератора тока через соответствующие питающие линии, проходящие вдоль отрезка вертикальной оси.
При этом возможно, что в устройстве для морской электроразведки один или несколько первых питающих электродов, объединенных электрически, подключены к первому выходу генератора тока через соответствующие питающие линии, проходящие вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, расположены симметрично отрезку вертикальной оси и имеют перегиб так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит радиально на поверхности моря в пределах окружности радиусом R с центром в верхней точке вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, причем в месте перегиба вышеупомянутая питающая линия закреплена механически на управляемом буе, расположенном на окружности радиусом R с центром в верхней точке вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, а электрически объединенные концы питающих линий механически соединены с соответствующим управляемым буем, расположенным вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси.
Возможно также, что в устройстве для морской электроразведки один или несколько первых питающих электродов, объединенных электрически, подключены к первому выходу генератора тока через соответствующие питающие линии, проходящие вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, расположены симметрично отрезку вертикальной оси и имеют перегиб так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит радиально на поверхности моря, ограниченной окружностью радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, причем в месте перегиба каждая питающая линия закреплена механически на управляемом буе, расположенном на окружности с радиусом R, а электрически объединенные концы питающих линий, механически соединены с управляемым буем, расположенным в центральной части окружности с радиусом R вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, при этом каждый управляемый буй, расположенный на окружности радиусом R, соединяется с двумя соседними управляемыми буями отрезками непроводящего троса равной длины, а питающие линии, расположенные на поверхности моря, снабжены поплавками.
В случае когда поверхность моря покрыта льдом, возможно, что в устройстве для морской электроразведки один или несколько первых питающих электродов, объединенных электрически, подключены к первому выходу генератора тока через соответствующие питающие линии, проходящие вдоль отрезка вертикальной оси через отверстие во льду, расположенное в центральной части окружности радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, расположены симметрично отрезку вертикальной оси и имеют перегиб так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит радиально на покрытой льдом поверхности моря, ограниченной окружностью радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, причем в месте перегиба питающая линия закреплена механически в отверстии во льду, расположенном на окружности с радиусом R, а электрически объединенные концы питающих линий, механически закреплены в центральной части окружности с радиусом R вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси.
Кроме того, возможно, что в устройстве для морской электроразведки, по меньшей мере, одна питающая линия, подключенная к первому питающему электроду, расположена вдоль отрезка вертикальной оси с помощью управляемого буя, расположенного на поверхности моря в центральной части окружности радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, расположены симметрично отрезку вертикальной оси так, что питающие линии проходят в воде под одинаковым наклоном к отрезку вертикальной оси и заканчиваются на поверхности моря в верхней точке вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, где концы этих питающих линий механически соединены с управляемым буем, расположенным в центральной части окружности радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, так, чтобы одна или несколько питающих линий, подключенных к первым питающим электродам, располагались соосно внутри кольцевого полюса, объединяющего концы питающих линий, подключенных ко вторым питающим электродам, при этом кольцевой полюс соединен со вторым выходом генератора тока.
А также возможно, что в устройстве для морской электроразведки, по меньшей мере, одна, питающая линия, подключенная к первому питающему электроду, расположена вдоль отрезка вертикальной оси с помощью управляемого буя, расположенного на поверхности моря в центральной части окружности радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, расположены симметрично отрезку вертикальной оси так, что одна часть каждой такой линии проходит в воде вдоль отрезка продольной оси, а другая часть проходит радиально на дне моря в пределах окружности радиусом R, на которой расположены вторые питающие электроды, и заканчиваются на поверхности моря в верхней точке вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, где концы этих питающих линий механически соединены с управляемым буем, расположенным на поверхности моря в центральной части окружности радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, так, чтобы одна или несколько питающих линий, подключенных к первым питающим электродам, располагались соосно внутри кольцевого полюса, объединяющего концы питающих линий, подключенных ко вторым питающим электродам, при этом кольцевой полюс соединен со вторым выходом генератора тока.
В заявляемом способе введение тока в исследуемую среду с помощью трехмерной системы электродов и питающих линий, в которой питающие электроды располагают на дне или вблизи дна, а питающие линии располагают как вдоль, так и симметрично относительно отрезка вертикальной оси, проходящей через центр окружности с радиусом R, обеспечивает прямой контакт электродов с геологической средой и симметричность введения тока в исследуемую среду. Это увеличивает глубинность исследований. При этом выбор радиуса установки с учетом глубины до морского дна позволяет увеличить площадь опоискования. Это позволяет приблизить эффективность работы в море к работам на суше. Единственно, что необходимо при этом увеличивать рабочий ток и, следовательно, возрастут энергетические затраты, но они будут значительно меньше, чем в известных способах, поскольку в патентуемом способе при опускании электродов на морское дно часть электрода погрузится в морское дно или будет контактировать с ним, а через оставшуюся часть электродов силовые линии будут замыкаться по морской воде, но даже и в этом случае значительная часть силовых линий будет уходить под морское дно.
В первом варианте способа морской электроразведки трехмерная система электродов и питающих линий имеет цилиндрическую структуру, так как, по меньшей мере, одну питающую линию располагают вдоль отрезка вертикальной оси, а другие питающие линии располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что одна ее часть, соединенная с соответствующим вторым питающим электродом, проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая ее часть проходит радиально на поверхности моря в пределах окружности радиусом R с центром в верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, при этом концы частей питающих линий, радиально расположенных на поверхности моря, объединены электрически и механически вблизи верхней точки отрезка вертикальной оси. Этот вариант используется в открытом море. Заявленный технический результат достигается в данном случае не только за счет расположения питающих электродов на дне или вблизи него, но также тем, что подводящие провода, участвующие в возбуждения поля, самые длинные, они проходят как вертикально через всю водную толщу, так и радиально на поверхности моря. За счет такого расположения подводящих проводов с заземленными на дне питающими электродами и за счет большей, чем в других вариантах, длины подводящих проводов возбуждаемое поле имеет большую интенсивность, что, в итоге, приводит к увеличению принимаемого сигнала отклика исследуемой среды и, таким образом, позволяет уменьшить влияние водной толщи. Повышение плотности силовых линий поля в объеме, ограниченном подводящими проводами и питающими электродами, положительно скажется на повышении уровня сигнала-отклика. Достоинством этого варианта также является простота и высокая технологичность его реализации, а также возможность размещения электродов не только на дне, но и вблизи дна в случае сложности его рельефа, т.е. расширяется область применения способа.
Во втором варианте способа морской электроразведки трехмерная система электродов и питающих линий также имеет цилиндрическую структуру, так как, в случае когда поверхность моря покрыта льдом, по меньшей мере, одну питающую линию располагают вдоль отрезка вертикальной оси, размещая в отверстие во льду, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии, соединенная с соответствующим питающим электродом, проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит через соответствующее отверстие во льду и располагается радиально на поверхности льда в пределах окружности радиусом R с центром в верхней точке вышеупомянутого отрезка вертикальной оси, при этом концы частей питающих линий, радиально расположенных на поверхности льда, объединены электрически и механически вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси. Этот вариант специально предназначен для случая, когда поверхность моря покрыта льдом и обладает всеми достоинствами, описанными в первом варианте способа.
В третьем варианте способа морской электроразведки трехмерная система электродов и питающих линий имеет конусообразную структуру так, как, по меньшей мере, одну питающую линию располагают вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что питающие линии проходят в воде под одинаковым наклоном к отрезку вертикальной оси и объединяются электрически и механически на поверхности моря вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси. Заявленный технический результат в этом случае достигается не только за счет расположения питающих электродов на дне, но также тем, что длина питающих линий, участвующих в возбуждении поля, хоть и короче, чем в двух первых вариантах, но длиннее, чем в донном варианте, поэтому возбуждаемое поле также усиливается за счет увеличения площади, охватываемой замкнутым через исследуемую среду витком питающей линии, что способствует повышению сигнала отклика от исследуемой среды и, таким образом, позволяет уменьшить влияние водной толщи. Кроме того, этот вариант наиболее экономичный, поскольку общая длина питающих линий наименьшая. Вариант также прост и технологичен, при этом геометрия подводящих линий стабильна и не изменяется в зависимости от волнения моря. Однако этот вариант нельзя применять в районах, закрытых полярными льдами.
Наиболее приближенным к осесимметричному введению тока в землю в условиях суши является четвертый вариант способа морской электроразведки, в котором трехмерная система электродов и питающих линий имеет донную структуру, так как, по меньшей мере, одну питающую линию, подключенную к первому питающему электроду, располагают вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии, подключенные ко вторым питающим электродам, располагают симметрично отрезку вертикальной оси так, что часть каждой вышеупомянутой питающей линии, соединенная с соответствующим питающим электродом, проходит по дну радиально в пределах окружности радиусом R, на которой расположены вторые питающие электроды, а другая часть проходит вдоль отрезка вертикальной оси, при этом концы частей питающих линий, проходящих вдоль отрезка вертикальной оси, объединены электрически и механически вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси. Однако этот способ невозможно применить в районах, закрытых полярными льдами. В донном варианте заявленный технический результат достигается тем, что те части питающих линий, которые не активны, т.е. не участвуют в возбуждении поля, так как токи, протекающие по этим проводам имеют противоположные направления и поля их скомпенсированы, имеют наименьшую (оптимальную) длину и расположены вдоль отрезка вертикальной оси. При этом радиально расположенные на дне части питающих проводов, участвующие в возбуждении поля, максимально приближены к исследуемой среде.
Во всех вариантах предлагаемого способа морской электроразведки и устройства для его осуществления обеспечивается осесимметричное введение тока в исследуемую среду, что позволяет избежать появления нормального магнитного поля или, во всяком случае, снизить влияние нормального электрического поля до минимума.
На фиг.1 приведена электрическая блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа морской электроразведки; на фиг.2 приведено устройство для морской электроразведки с трехмерной системой электродов и питающих линий, имеющей цилиндрическую структуру, используемую в районах, свободных от полярного льда, на фиг.3 приведено устройство для морской электроразведки с трехмерной системой электродов и питающих линий, имеющей цилиндрическую структуру, используемую в районах, закрытых полярными льдами, на фиг.4 приведено устройство для морской электроразведки с трехмерной системой электродов и питающих линий, имеющей конусообразную структуру, используемую в районах, свободных от полярного льда, на фиг.5 приведено устройство для морской электроразведки трехмерной системой электродов и питающих линий, имеющей донную структуру, используемую в районах, свободных от полярного льда, на фиг.6 - результат моделирования поиска объекта под морским дном с использованием способа - ближайшего аналога, на фиг.7 - результаты моделирования поиска объекта под морским дном предлагаемым способом морской электроразведки.
Устройство для морской электроразведки в любом из вариантов содержит размещенный на геофизическом судне генератор 1 тока, соединенный первым выходом с первым (или центральным) питающим электродом 2 через питающую линию 3. Центральный питающий электрод 2 расположен в центре окружности, образованной вторыми или внешними питающими электродами 4, которые подключены ко второму выходу генератора 1 тока с помощью соответствующих питающих линий 5, расположенных по радиусам этой окружности через равные заданные углы, не превышающие 60°, поскольку количество вторых питающих электродов не менее 6. Все концы питающих линий 5 соединены в круговой полюс. Измеритель 6 магнитной составляющей соединен с датчиком 7 магнитного поля, представляющим собой, например, индукционный датчик, а измеритель 8 электрической составляющей соединен с датчиком 9 электрического поля, представляющим собой приемную линию MN.
Приведенное на фиг.2 устройство для морской электроразведки с трехмерной системой электродов и питающих линий имеет цилиндрическую структуру и используется в районах, свободных от полярного льда. Устройство содержит генератор тока (на фиг.2 не показан), который расположен на геофизическом судне, один выход которого соединен с центральным питающим электродом 2, расположенным на дне, через питающую линию 3, и восемь внешних питающих электродов 4, расположенных на дне равномерно по окружности с радиусом R. Внешние электроды 4 подключены ко второму выходу генератоpa тока через питающие линии 5, которые расположены симметрично отрезку вертикальной оси, проходящей через центр окружности радиусом R, и имеют перегиб так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии 5 проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит радиально на поверхности моря в пределах окружности радиусом R с центром в верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси. В месте перегиба каждая питающая линия 5 закреплена механически на управляемом буе 11, расположенном на окружности радиусом R с центром в верхней точке вышеупомянутого отрезка вертикальной оси. Электрически объединенные концы питающих линий 5 механически соединены с соответствующим управляемым буем 10, расположенным вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси. Буй 10 и буи 11 соединены между собой радиально расположенными частями питающих линий 5, выполненных из трос-кабеля. Кроме того, для придания устойчивости конструкции каждый буй 11 соединен с двумя соседними буями равными отрезками непроводящего троса. Питающие линии 3, 5 выполнены, например, из однопроводного трос-кабеля. При этом трос-кабель питающей линии 3 имеет сечение как минимум в 8 раз больше, чем сечение трос-кабеля питающей линии 5, поскольку через него подается к центральному электроду 2 ток, равный сумме токов питающих линий 5.
Устройство, приведенное на фиг.3, предназначено для работы в районах, закрытых полярными льдами, и содержит генератор тока 1, один выход которого подключен к центральному электроду 2 через питающую линию 3, а другой - к внешним питающим электродам 4 через питающие линии 5. Электроды 2 и 4 опущены на морское дно через отверстия во льду с помощью соответствующих питающих линий, выполненных из одножильного трос-кабеля, и закреплены в этих отверстиях. Первый или центральный питающий электрод подключен к первому выходу генератора тока через соответствующую питающую линию 3, проходящую вдоль отрезка вертикальной оси через отверстие во льду, расположенное в центральной части окружности радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси. Вторые или внешние питающие линии 5 подключены ко вторым питающим электродам 4, расположены симметрично отрезку вертикальной оси и имеют перегиб так, что одна часть каждой вышеупомянутой питающей линии 5 проходит в воде параллельно отрезку вертикальной оси, а другая часть проходит радиально на покрытой льдом поверхности моря, ограниченной окружностью радиусом R с центром в верхней точке отрезка вертикальной оси, причем в месте перегиба питающая линия 5 закреплена механически в отверстии во льду, расположенном на окружности с радиусом R, а электрически объединенные концы питающих линий 5, механически закреплены в центральной части окружности с радиусом R вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси. Концы питающих линий 5 объединены с помощью кольцевого полюса, который соединен со вторым выходом генератора тока.
На фиг.4 приведено устройство для морской электроразведки с трехмерной системой электродов и питающих линий, имеющей конусообразную структуру, используемую в районах, свободных от полярного льда. Устройство содержит генератор тока (на фиг.4 не показан), один выход которого подключен к центральному электроду 2 через питающую линию 3, расположенную вдоль отрезка вертикальной оси, а другой - к внешним питающим электродам 4 через питающие линии 5, расположенные симметрично под углом к отрезку отрезка вертикальной оси, проходящей через центр окружности радиусом R, на которой равномерно расположены питающие электроды 4. Концы питающих линий 5 объединенные с помощью кольцевого полюса и удерживаются на поверхности моря с помощью буя 10.
На фиг.5 приведено устройство для морской электроразведки трехмерной системой электродов и питающих линий, имеющей донную структуру, используемую в районах, свободных от полярного льда. Устройство содержит генератор тока, размещенный на (на фиг.5 не показан), один выход которого подключен к центральному электроду 2 через питающую линию 3, а другой - к внешним питающим электродам 4 через питающие линии 5, причем питающие линии 3 и 5 удерживаются на поверхности моря с помощью буя 10, а питающие электроды 4 соединены с буем 10 (трос-кабелями) питающими линиями 5. Питающая линия 3 располагается вдоль отрезка вертикальной оси, а питающие линии 5, подключенные к питающим электродам 4, располагаются симметрично отрезку вертикальной оси, проходящей через центр окружности радиусом R, образованной равномерно расположенными питающими электродами 4. При этом часть каждой вышеупомянутой питающей линии 5, соединенная с соответствующим питающим электродом 4, проходит по дну радиально в пределах окружности радиусом R, на которой расположены питающие электроды 4, а другая часть проходит вдоль отрезка вертикальной оси, при этом концы частей питающих линий 5, проходящих вдоль отрезка вертикальной оси, объединены электрически и механически вблизи верхней точки вышеупомянутого отрезка вертикальной оси.
Способ морской электроразведки осуществляется следующим образом.
При работах в открытом море с помощью приведенного на фиг.2 устройства, предварительно на карте морского участка задают местоположение (координаты) питающих электродов 2,4, которые определяют с помощью навигационного приемника GPS (например, Trimble Geo XH, ceries 2008, USA). При этом учитывают, что радиус R системы питающих электродов и питающих линий больше или равен глубине моря в месте проведения исследований. Затем геофизическое судно перемещается в точку с заданными координатами центрального электрода 2 и с помощью спускоподъемного устройства (на фигурах не показано) опускают на трос-кабеле 3 центральный электрод 2 в морскую воду. При достижении электродом 2 морского дна на воду выгружают плавающий буй 10 и крепят в центре его трос-кабель, из которого выполнена питающая линия 3. Затем геофизическое судно перемещается в точку с координатами любого из питающих электродов 4 и опускают его с помощью питающей линии 5, выполненной из трос-кабеля, на морское дно. При достижении морского дна выгружают плавающий буй 11 и крепят к нему трос-кабель питающей линии 5. Затем трос-кабель прокладывают радиально по поверхности моря от плавающего буя 11 до плавающего буя 10. Трос-кабель питающей линии 5 удерживается на поверхности моря с помощью поплавков (на фигурах не показано). Крепят трос-кабель питающей линии 5 электрода к плавающему бую 10. Проделывают подобную операцию со всеми питающими внешними электродами 4. Затем соединяют плавающие буи 11 внешних электродов между собой отрезками троса, каждый из которых равен расстоянию между двумя соседними электродами 4. На центральном плавающем буе 10 концы трос-кабелей питающих линий 5 соединяют по окружности, образуя круговой полюс. Через центр кругового полюса проходит питающая линия 3, конец которой соединен с одним из выходов генератора тока, а круговой полюс питания внешних электродов соединяют со вторым выходом генератора тока. От генератора тока ток заданной амплитуды и длительности поступает в питающие линии 3, 5. При этом нужно учесть, что через центральный питающий электрод 2 протекает суммарный ток, а через внешние электроды 4 протекает ток в n раз меньший, где n - число питающих линий 5, т.е. число электродов 4. Питающих электродов 4 должно быть не менее 6, и они должны располагаться на окружности с радиусом R равномерно. После выключения тока проводят измерения магнитной составляющей поля H(t) на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величины 5 R. Измерение магнитной составляющей поля проводится с помощью измерителя 7 и индукционного датчика 6, например, с помощью летательного аппарата, или индукционные датчики буксируются катером или небольшим судном. При наличии магнитной составляющей поля, что свидетельствует о наличии локального объекта, проводят более детальные измерения на предмет оконтуривания этого объекта, а на исследуемой площади проводят дополнительно измерения электрической составляющей поля E(t). Измеритель 8 располагают на катере или судне, датчик 9, представляющий собой линию MN, буксируется.
При электроразведочных геофизических исследованиях в районах, закрытых полярными льдами, способ реализуется с помощью приведенного на фиг.3 устройства. С помощью приемника GPS определяют заданные координаты электродов 2, 4. В соответствии с координатам на поверхности ледяного поля пробуривают центральное отверстие и отверстия, расположенные равномерно по окружности с радиусом R для спуска внешних питающих электродов 4. С помощью спускоподъемного устройства опускают на морское дно центральный питающий электрод 2 и внешние питающие электроды 4 с помощью прикрепленных к ним трос-кабелей питающих линий 5. При этом также учитывают, что радиус R окружности, по которой располагают внешние питающие электроды 4, равен или больше глубины моря в исследуемой области. Трос-кабели питающих линий 5 крепят на выходе из отверстий во льду и прокладывают радиально к центральному отверстию, где закреплен конец трос-кабеля питающей линии 3. Концы питающих линий 5 объединяются в круговой полюс, в центре которого проходит питающая линия 3. Конец трос-кабеля питающей линии 3 соединяют с одним из выходов генератора тока, а круговой полюс соединяют со вторым выходом генератора тока. С помощью генератора тока в линии подают импульсы тока заданной амплитуды и длительности. После выключения импульса тока проводят измерения магнитной составляющей поля H(t) на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величины 5 R, по заранее размеченной с помощью приемников GPS сети профилей. Измерения магнитной составляющей в условиях ледяного покрова проводят, например, с помощью снегохода или с помощью летательного аппарата. При этом измеритель и датчик буксируют на санях или измеритель размещают непосредственно на летательном аппарате, а индукционный датчик - в гондоле, которая соединена с летательным аппаратом с помощью трос-кабеля. При наличии измеренных значений магнитной составляющей поля, что свидетельствует о наличии локального объекта, производят более детальные измерения на предмет оконтуривания этого объекта. По результатам измерений строят геоэлектрический разрез, по которому судят о характере и свойствах среды. В обоих случаях при измерении составляющих поля регистрация измеренных данных осуществляется с помощью переносного компьютера.
При использовании устройства, приведенного на фиг.4, способ морской электроразведки осуществляется следующим образом. Аналогично описанному выше геофизическое судно перемещают в точку с координатами центрального электрода 2. С помощью спускоподъемного устройства опускают на дно моря центральный электрод 2, крепят трос-кабель 3 питающей линии к бую 11 и соединяют проводную линию трос-кабеля питающей линии 3 с первым выходом генератора тока. Затем геофизическое судно перемещают в точку с координатами любого из внешних питающих электродов 4 и с помощью спускоподъемного устройства опускают внешний питающий электрод 4 на морское дно. К бую 10 крепят трос-кабель питающей линии 5 под наклоном к отрезку вертикальной оси, проходящей через центр окружности, на которой размещены питающие электроды 4, и равный по длине диагонали прямоугольного треугольника со сторонами, равными радиусу R окружности, по которой размещены питающие электроды 4, и длине трос-кабеля питающей линии 3, равной глубине моря в точке исследования. Аналогично к бую 10 крепятся все трос-кабели 5 внешних питающих электродов 4. Концы проводных линий трос-кабелей питающих линий 5 объединяют электрически в круговой полюс, который соединяют со вторым выходом генератора тока. От генератора тока подают в питающие линии 3,5 импульсы тока заданной амплитуды и длительности. Затем проводят измерения магнитной и электрической компонент поля. После измерения компонент поля по всей исследуемой площади строят контур локального объекта, если объект был обнаружен, и вертикальные геоэлектрические разрезы по измеренным профилям. Во всех случаях регистрация измеренных данных осуществляется с помощью переносного компьютера.
При электроразведочных исследованиях с применением устройства, приведенного на фиг.5, способ реализуется следующим образом. С помощью приемников GPS определяют заданные координаты центрального питающего электрода 2 и внешних питающих электродов 4. Геофизическое судно перемещают в точку с заданными координатами питающего электрода 2. С помощью спускоподъемного устройства опускают центральный электрод 2 на морское дно, а трос-кабель питающей линии 3 крепят на поверхности моря к центральному бую 10. Затем геофизическое судно перемещают в точку с координатами любого внешнего электрода 4. Опускают внешний электрод 4 в морскую воду с помощью спускоподъемного устройства. При достижении морского дна соответствующим питающим электродом 4 геофизическое судно возвращается в точку погружения центрального питающего электрода 2, при этом трос-кабель питающей линии 5 опускают в воду так, чтобы он располагался на дне радиально. От центрального буя 10 трос-кабель питающей линии 5 опускают в воду до тех пор, пока его длина не будет равна сумме расстояния от внешнего питающего электрода 4 до центрального питающего электрода 2 и расстояния по вертикали от поверхности воды до дна, равного длине трос-кабеля питающей линии 3. Крепят трос-кабель питающей линии 5 к центральному бую 10. Затем проделывают описанную выше операцию до тех пор, пока трос-кабели всех питающих линий 5 не будут закреплены на буе 10. Концы одножильных проводных линий трос-кабелей питающих линий 5 объединяют в круговой полюс источника питания вокруг центральной питающей линии 3, которую соединяют с первым выходом генератора тока, а круговой полюс проводных линий трос-кабелей питающих линий 5 подключают ко второму выходу генератора тока. От генератора тока подают в питающие линии 5 импульсы тока заданной амплитуды и длительности. Аналогично описываемому выше проводят измерения магнитной и электрических компонент поля.
Пример реализации предлагаемого способа приведен для модели исследуемой среды, представляющей собой геоэлектрический разрез, состоящий из слоя морской воды толщиной 100 м и удельным сопротивлением 10 Ом·м и слоя осадочных пород толщиной 1000 м с удельным сопротивлением 10 Ом·м, вмещающего локальный объект 100×300 м с удельным сопротивлением 200 Ом·м. Протяженность локального объекта составляет 1000 м. Расстояние от локального объекта до центра питающей установки равно 1000 м. Для данной модели выбраны следующие параметры приемо-передающей установки: эффективная площадь индукционного датчика составляет 200000 м, радиус R равен 500 м, общий ток генератора составляет 100 А, число питающих линий равно восьми. По значениям сигналов становления магнитной составляющей, полученным путем математического моделирования с использованием стандартных методик, строят карту изолиний. Для случая ближайшего аналога, когда питающие электроды расположены на поверхности моря, на фиг.6 приведена карта изолиний, где на горизонтальной и вертикальной осях обозначены расстояния в метрах, а на изолиниях приведены значения сигналов становления в милливольтах. На фиг.7 приведена карта изолиний для случая, когда питающие электроды расположены на дне моря. Сгущения и разрежения изолиний отражают рельеф магнитного поля, наблюдаемого на исследуемой площади. Экстремумы рельефа показывают положения неоднородности и ее границы. Во втором случае уровень сигнала от локального объекта превышает уровень сигнала для первого случая на 2 порядка.
Таким образом, достигается уменьшение влияния на результаты измерений эффекта экранирования геоэлектрического разреза толщей морской воды, а также уменьшение влияние колебаний воды на изменение геометрии системы, т.е. повышение стабильности характеристик возбуждаемого поля и расширение области применения.