Способ электроразведки с оптимизацией апертуры системы наблюдений
METHOD OF ELECTRICAL EXAMINATION WITH OPTIMIZATION OF THE OBSERVATION SYSTEM APERTURE

Изобретение относится к геофизическим методам поиска и разведки полезных ископаемых электроразведочными методами ЗСБ, МТЗ, ЧЗ в различных технических решениях и может быть использовано для поиска и разведки целевых объектов, имеющих электрофизический контраст с вмещающей геологической средой, с которыми пространственно связаны месторождения полезных ископаемых.
Известен способ 3D морской электроразведки нефтяных месторождений, включающий возбуждение электромагнитного поля, регистрацию сигналов электрического поля на приемных диполях, снятие полученной информации об изменениях электрического поля при возбуждении пород током генераторного диполя, моделирование профиля этих пород и составление прогноза о наличии месторождений (патент RU №2356070, G01V 3/08). Известный способ предусматривает перемещение генераторного диполя перпендикулярно профилю наблюдений через центр одного из разносов профиля наблюдений, близкого к центру исследуемой площади, формирование площадной системы профилей измерений. По каждому из профилей измерений проводят одномерную инверсию и строят объемную геоэлектрическую модель среды, по аномалиям которой судят о наличии или отсутствии залежей углеводородов. К недостаткам данного способа следует отнести то, что окончательную, объемную модель среды строят по результатам одномерной инверсии, которая не учитывает ограниченных размеров неоднородностей, что может приводить к существенному искажению их параметров (глубины расположения и проводимости). Кроме того, способ не учитывает влияние на результаты измерений боковых неоднородностей, что может привести к появлению в построенной геоэлектрической модели ложных аномалий проводимости или к отсутствию в ней существующих, значимых аномалий проводимости, и в конечном итоге - к неверному геофизическому прогнозу.
Известен также способ электромагнитной разведки, в котором осуществляют выделение вектора сигнала становления электромагнитного поля от объекта поиска, перекрытого неоднородными экранирующими образованиями (авторское свидетельство 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. В этом случае горизонтальная компонента полного вектора  характеризуется максимальной полученной напряженностью и выбранным направлением. По результатам измерений в нецентральных точках определяют распределение продольной проводимости экранирующей 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, то есть 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. Кроме того, использование физического моделирования и приближенных математических моделей затрудняет процесс интерпретации и не совсем точно оценивает вклад верхней части разреза во всей информативной временной области проявления поисковых объектов, что может привести к неточной локализации поискового объекта и недостоверности геофизического прогноза.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ геоэлектроразведки, включающий последовательный подбор апертуры системы наблюдений путем последовательности действий, направленных на учет неоднородностей («объектов - помех») вмещающей геологической среды. Способ осуществляют путем возбуждения электромагнитного поля в исследуемой геологической среде, синхронной регистрации компонент электромагнитного поля, определения по результатам измерений на базовой системе наблюдений значений проводимости исследуемой геологической среды. Далее сопоставляют измеренные и расчетные значения, осуществляют построение геоэлектрической модели исследуемой среды, проводят дополнительные измерения по результатам указанного сопоставления (патент РФ №2411549, G01V 3/08, прототип). При этом сопоставление измеренных и расчетных значений компонент вторичного электромагнитного поля 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. По результатам определяют невязку по дополнительным профилям для уточненной 3D-модели, которую корректируют по уровню полученной невязки, в результате чего подтверждают или опровергают наличие аномалий проводимости в целевом горизонте. Далее определяют параметры всех выявленных аномалий проводимости как с использованием данных базовой системы наблюдений, так и с использованием дополнительных измерений, оказывающих значимое влияние на временах проявления целевых объектов в точках базовой системы наблюдений или в точках дополнительных измерений. Оценивают поперечный размер выявленных аномалий проводимости. 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. Используя электромагнитные данные полученной системы наблюдений, которая включает базовую систему наблюдений и систему дополнительных профилей, выполняют 3D-инверсию, по результатам которой получают окончательную геоэлектрическую 3D-модель исследуемой среды. В результате определяют геометрические параметры, проводимость и местоположение аномалий проводимости в целевом горизонте.
Недостатком известного способа геоэлектроразведки является достаточно высокая трудоемкость сопоставления измеренных и расчетных значений и построения объемной геоэлектрической модели исследуемой среды. Это обусловлено тем, что сопоставление измеренных и расчетных значений компонент вторичного электромагнитного поля осуществляют путем выполнения 3D-расчетов, вычисления невязки сопоставления, исключения ложных электрических аномалий и подбора 3D-объектов под точками базовой системы наблюдений. Все эти вычисления и принятие решений по адаптивной апертуре для трехмерной реконструкции требуется выполнять в полевых условиях.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии исследований, а также получения необходимого и достаточного количества данных для последующей трехмерной реконструкции геоэлектрической среды, повышение на этой основе достоверности геофизического прогноза и снижение затрат на проведение полевых работ и промежуточных интерпретационных расчетов, определения мерности среды за счет контроля за сублатеральным расширением области циркуляции вторичного вихревого электромагнитного поля.
Технический результат изобретения - выполнение реконструкции распределения электрической проводимости исследуемой среды с определением пространственного положения горизонтальной проекции области циркуляции максимума плотности тока при достижении максимумом плотности тока заданной глубины исследований, формирование на этой основе оптимальной апертуры системы наблюдений и проведение в ее пределах профильно-площадных измерений компонент ЭМ-поля.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе электроразведки с оптимизацией (формированием оптимальной) апертуры системы наблюдений, включающем возбуждение электромагнитного поля в геологической среде, синхронную регистрацию компонент электромагнитного поля приемными датчиками, определение проводимости исследуемой геологической среды по результатам базовой системы наблюдений и дополнительных измерений, получение геоэлектрической модели исследуемой среды, включающей целевые объекты, согласно изобретению, указанные дополнительные измерения компонент электромагнитного поля осуществляют в пределах апертуры наблюдений, которую формируют в виде полосы наблюдений, каждая точка границ которой по профилю (на площади наблюдений) удалена от точек базового профиля по нормали на расстояние, соответствующее латеральному положению максимума плотности тока на временах, соответствующих проектной глубине исследований. В установленных границах апертуры наблюдений проводят измерение компонент ЭМ-поля, по которым осуществляют геоэлектрическую реконструкцию геологической среды, относя полученный результат к проекции профиля базовой системы наблюдений.
1
При этом ширина указанной полосы наблюдений для измерения компонент ЭМ-поля в окрестности базового профиля может быть выбрана по расчетам в точке базового профиля с максимальной эффективной суммарной продольной электрической проводимостью S верхней части разреза.
1
2
Эффективная суммарная продольная электрическая проводимость S верхней части разреза определяется как интервальная суммарная продольная проводимость, полученная на временах, меньших времени существенного проявления сигнала от целевого объекта с суммарной продольной электрической проводимостью S.
Кроме того, преимущественно, измерения компонент ЭМ-поля выполняют по трем профилям, один из которых совпадает с положением базового профиля, а два других проходят по крайним границам установленной апертуры.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
1
2
На фиг. 1 приведена геоэлектрическая модель разреза с двумя геоэлектрическими маркерами (неоднородностями, целевыми слоями): в верхней части разреза с эффективной суммарной электрической проводимостью S и слой в целевом горизонте на глубине Н с эффективной суммарной электрической проводимостью S; 1 - генераторная петля, R - длина луча измерений.
2
На фиг. 2 демонстрируется процесс распространения максимума плотности тока во времени в разрезе с двумя геоэлектрическими маркерами (фиг. 1), R - длина луча измерений, Н - глубина исследований (глубина залегания пласта с суммарной проводимостью S), на примере одной из моделей геологической среды.
2
1
2
1
На фиг. 3 представлена зависимость соотношения S/S от соотношения R/H для модели с двумя геоэлектрическими маркерами (фиг. 1), установленная в ходе численных экспериментов, с вариациями значений S и S.
На фиг. 4 показана схема электроразведочных работ согласно изобретению с формированием оптимальной апертуры системы наблюдений для условий Восточной Сибири, где 1 - генераторная петля, 2 - базовый профиль, 3 - лучи измерений R, 4 - боковые объекты, 5 - граничные профили оптимальной апертуры системы наблюдений, 6 - целевой объект.
На фиг. 5 приведен пример лучевой системы измерений, где символами a-h обозначены лучи системы наблюдений (в левой части) и соответствующими им графики сигналов (в правой части), нормированные по лучу g, для которого влияние неоднородности в верхней части разреза минимально.
На фиг. 6 приведен график относительной аномалии боковой неоднородности в верхней части разреза, расположенной по направлению луча с.
На фиг. 7 приведены а - фрагмент базового профиля с боковой приповерхностной неоднородностью, б - референтная среда и результат реконструкции среды (ложное искажение горизонтально-слоистой модели) по способу-прототипу с контролем невязки в точках наблюдений.
На фиг. 8 приведены графики: а - электромагнитный сигнал для 3D модели с боковым приповерхностным проводником, получаемый при реализации изобретения, б - демонстрирует отличие сигнала для 3D модели от сигнала для подобранной 1D модели для способа-прототипа, в процентном соотношении.
Способ электроразведки с оптимизацией апертуры системы наблюдений включает следующую последовательность операций. Конкретная реализация способа показана на примере картирования флюидонасыщенного нефтегазового коллектора для условий Восточной Сибири.
1
2
2
1
2
2
1
2
1
2
1. Для выбранных геоэлектрических условий (в данном примере, это условия Восточной Сибири) на основе изучения процесса распространения плотности тока устанавливают соотношения суммарных электрических проводимостей верхней части разреза с эффективной суммарной электрической проводимостью S и слоя в целевом горизонте с эффективной суммарной электрической проводимостью S и соответствующие им соотношения длины R луча электромагнитных измерений и глубины Н слоя с суммарной электрической проводимостью S. Для этого формируют набор геоэлектрических моделей с двумя проводящими горизонтами с различными значениями эффективных суммарных электрических проводимостей S и S, характерными для выбранных геоэлектрических условий (фиг. 1). При этом варьируется также и глубина Н до горизонта S. Эффективная суммарная продольная электрическая проводимость верхней части разреза S определяется как интервальная суммарная продольная проводимость, полученная на временах, меньше времени существенного проявления сигнала от целевого объекта с суммарной продольной электрической проводимости S. Кроме того, эффективная суммарная продольная электрическая проводимость верхней части разреза может определяется как суммарная продольная проводимость всего интервала глубины исследования S+S.
2. Для каждой модели с использованием методов численного моделирования получают распределение плотности тока в разрезе, как это показано на фиг. 2. Пунктирной линией отмечено положение в разрезе максимума плотности тока, достигшего целевого горизонта, и соответствующее удаление максимума тока по дневной поверхности, зафиксированные в данном случае на времени 14 ms.
3. Определяют значение R, соответствующее латеральному удалению максимума плотности тока на плоскости измерений (что и будет далее обозначаться как максимальная (оптимальная) длина луча R электромагнитных измерений) в тот момент, когда максимум плотности тока в разрезе достигает проектной глубины Н исследования, как показано на фиг. 2.
2
1
4. По всему набору моделей устанавливают зависимость между соотношением S/S и соотношением R/H.
2
1
5. Формируют диаграмму, отражающую зависимость S/S от R/H (фиг. 3), которую используют для формирования оптимальной апертуры системы наблюдений нижеследующим образом.
2
1
2
1
2
1
6. Для первого (исходного) положения генераторной петли 1 на базовом профиле 2 определяют соотношение S/S эффективной суммарной продольной электрической проводимости целевого объекта S и эффективной суммарной электрической проводимости верхней части разреза S. С помощью построенной диаграммы (фиг. 3) по соотношению S/S находят соответствующее значение R/H, из которого определяют значение длины R луча измерений 3, соответствующее максимуму плотности тока при достижении проектной глубины исследования Н.
2
1
7. По полученным значениям R (по диаграмме зависимости соотношения S/S от соотношения R/H, фиг. 3) формируют оптимальную апертуру 5 системы наблюдений для всего базового профиля 2 в виде профиля с шириной, равной 2R (фиг. 4), на каждом шаге положения генераторной петли 1.
1
1
8. При этом на каждой последующей точке профиля 2 базовой системы наблюдений проводят контроль проводимости верхней части разреза S' и сопоставляют с проводимостью S, полученной на предыдущей точке базового профиля 2.
1
1
2
1
9. При полученном значении S', отличном от S (что может быть следствием наличия боковых неоднородностей), корректируют по диаграмме зависимости соотношения S/S от соотношения R/H (фиг. 3) значение R для очередного положения системы наблюдений по базовому профилю и расширяют (корректируют) ширину апертуры.
Таким образом, в окрестности базового профиля реконструируют геоэлектрическую 3D модель среды на основе системы наблюдений в виде полосы, названной авторами апертурой системы наблюдений, ограниченной профилями 5, как это показано на фиг. 4. Выявлены изменения суммарной электрической проводимости верхней части разреза, связанные с наличием боковых объектов 4, изменением мощности верхней части разреза и изменением глубины Н залегания целевого объекта 6.
В приведенном примере (фиг. 4) в начале базового профиля 1 ширина апертуры наблюдений изменяется в пределах (1.5-1.9) Н, где Н - глубина залегания целевого горизонта. Колебания связаны с наличием приповерхностных неоднородностей 4. Затем происходит расширение полосы до (2.2-2.6)Н, при этом увеличена глубина Н залегания целевого объекта 6 и мощность верхней части разреза, в которой также присутствуют приповерхностные неоднородности 4.
1
2
1
Контроль точности при реконструкции среды по технологии с оптимизацией апертуры системы наблюдений может проводиться следующим образом (фиг. 5). На некотором положении базовой системы наблюдений 2 располагают несколько лучей измерений. Лучи направляют по базовому профилю (в обе стороны), по нормали в текущей точке базового профиля (с каждой стороны), и дополнительно каждый из четырех получившихся секторов делится лучом измерения пополам, то есть получают восемь лучей измерения (a-h), исходящих из выбранной точки базового профиля 2. Длина каждого луча измерения должна быть больше 2Н, где Н - глубина исследования. По полученным измерениям реконструируют 3D модель среды. Поскольку подобная лучевая система измерений для выбранной точки является избыточной, реконструкция среды будет наиболее точной. Это позволит выполнить контроль точности реконструкции среды, выполняемой по способу согласно изобретению. Кроме того, по реконструированной с применением лучевой системы измерений 3D-модели можно оценить суммарную продольную электрическую проводимость S верхней части разреза, скорректировать соотношение суммарной электрической проводимости S целевого объекта и суммарной электрической проводимости S, верхней части разреза и, таким образом, скорректировать значение ширины апертуры системы наблюдений при дальнейших измерениях. Измерения по лучевой системе наблюдений целесообразно проводить периодически для контроля реконструкции среды, частота контролирующих точек зависит от характера исследуемой среды. Особенно данная процедура контроля актуальна при сильно неоднородной по электрической проводимости верхней части разреза.
На фиг. 5 (слева) приведен пример лучевой системы наблюдений (лучи обозначены от а до h) для случая с боковой неоднородностью в верхней части разреза (объект-помеха показан в плане) и электромагнитные сигналы (справа), нормированные на измерения по лучу, для которого влияние боковой неоднородности будет наименьшим. В данном случае это луч g. На фиг. 5 справа показаны нормированные сигналы по лучам a-f, h. Уровень относительной аномалии от боковой приповерхностной неоднородности 4 показан на фиг. 6.
1
1
2
Апертуру системы наблюдений можно также установить только на базе максимальной, эффективной суммарной продольной электрической проводимости S верхней части разреза, определенной для соответствующей точки базового профиля 2. В этом случае измерения компонент электромагнитного поля будут проводиться в зоне апертуры с постоянной и максимальной шириной вдоль базового профиля 2. Эффективную суммарную продольную электрическую проводимость S верхней части разреза также можно определить как интервальную суммарную продольную проводимость, полученную на временах до существенного проявления сигнала от целевого объекта с суммарной продольной электрической проводимостью S.
На участке базового профиля 2 (фиг. 7, а) реконструкция среды была выполнена в соответствии с технологией по способу-прототипу, связанному с контролем невязки в точках наблюдений (патент РФ №2411549). С использованием данного метода при наличии бокового приповерхностного проводящего объекта 4 в верхней части разреза среда была реконструирована с искажением в области верхней части разреза. На фиг. 7,б результат реконструкции среды показан в сравнении с референтной средой. На фиг. 8,а показан электромагнитный сигнал, соответствующий 3D модели с боковым объектом-проводником. На фиг. 8,б показано отличие этого сигнала от сигнала для подобранной по нему 1D модели, не превышающее 5%. Это демонстрирует, что использование технологии, связанной с контролем невязки в точках наблюдений, может привести к недостаточно корректной реконструкции среды, обусловленной не учетом боковых неоднородностей в верхней части разреза.
Таким образом, способ, согласно изобретению, за счет новой технологии, реконструкции распределения электрической проводимости исследуемой среды с формированием апертуры системы наблюдений, обеспечивается высокая достоверность геофизического прогноза и снижение на этой основе затрат на проведение полевых работ, в частности при существенно объемно-неоднородных по электрической проводимости средах.