ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕОРАЗВЕДКИ
MEASUREMENT SYSTEM FOR CONDUCTING GEOEXPLORATION

Изобретение относится к геофизике, точнее к области геоэлектрической разведки магнитотеллурическими методами с использованием синхронных измерений электрических и магнитных компонент поля, а также сейсмического поля и может быть использовано при изучении горизонтально неоднородных геоэлектрических разрезов (ГЭР) с целью поиска и разведки нефтяных и газовых подводных месторождений.
Известно несколько способов магнитотеллурической разведки, базирующихся на оптимальных частотах (периодах) [1]. Понятие оптимальных частот или периодов, пришедшее из анализа поведения компонент магнитотеллурического поля над горизонтально неоднородными ГЭР, включает диапазон частот или фиксированную частоту (период), на которых наблюдается максимальное проявление аномалий электрического и магнитного полей (совместно или раздельно) от известной неоднородности, и регистрацию и обработку вариаций в этих диапазонах периодов. Недостатками этих способов и соответствующих им измерительных комплексов является то, что некоторые из них ориентированы лишь на избранные объекты (проводящие неоднородности), реализация других требует априорного знания параметров искомых неоднородностей, а также некоторых констант, определяемых для конкретных районов теоретическими соотношениями или моделированием. Все это значительно ограничивает применение данных способов и соответствующих им измерительных комплексов, особенно в новых районах, где достоверные сведения о ГЭР ограничены.
Известен также способ магнитотеллурической разведки, включающий синхронные измерения электрических и магнитных компонент поля, который основан на синхронных многочастотных (0,001-10 Гц) измерениях компонент магнитотеллурического поля в базисном и полевых пунктах и получении частотных характеристик, связывающих электрические и магнитные поля в полевой и базисной точках.
Основными недостатками данного способа и соответствующего ему измерительного комплекса являются сравнительно не высокая точность измерения, а также разрешающая способность при решении ряда задач, связанных с выявлением и классификацией горизонтальных неоднородностей в сложных ГЭР, из-за сложной методики измерений и обработки сигналов, а также низкая производительность и высокая стоимость выполнения разведки [2].
b1
b1
b2
bn
n-
Известен также способ геоэлектроразведки [3], который используется для поиска глубоко залегающих полезных ископаемых, методами переходных процессов и зондирования становлением поля, и его сущность заключается в том, что геологическую среду возбуждают импульсами электромагнитного поля, после каждого зондирования, сигнал переходного процесса вторичного электромагнитного поля принимают, фильтруют с помощью n фильтров, дискретно уменьшая верхнюю граничную частоту пропускания f  фильтров так, что f>f…>f, где n - не менее числа определяемых параметров, усиливают, в полученном после каждой фильтрации сигнале переходного процесса, регистрируют в цифровой форме максимальные значения сигнала переходного процесса, по которым судят о параметрах исследуемой среды.
Недостатком данного способа и соответствующего ему измерительного комплекса является низкая производительность и высокая стоимость выполнения исследовательских работ.
a
a,i
a
a,i
a
u
u
emin
emax
Известен также способ магнитотеллурической разведки [4], сущность которого заключается в том, что синхронные измерения компонент магнитотеллурического поля выполняют в ограниченном целевом частотном диапазоне, соответствующем перспективному стратиграфическому или глубинному интервалу разреза. При обработке по импедансным и адмитансным оценкам по нескольким независимым решениям на каждой частоте получают магнитотеллурические параметры t и m, связывающие электрические и магнитные поля в полевой и базисной точках, оценивают их почастотные погрешности. Корректируют параметры по допустимым пороговым отклонениям от среднего, рассчитывают погрешности и сравнивают их для выборок без коррекции и с коррекцией. Фиксируют выборки с минимальными погрешностями параметров на каждой частоте. В дальнейших частотах используют только эти выборки. По текущим значениям магнитотеллурических параметров в выборках с минимальными их погрешностями рассчитывают текущие значения на каждой частоте параметров Z=t/m; Z=0,5t/ (m-0,5), их средние значения и почастотные погрешности. По средним значениям строят частотные характеристики параметров t, m, 7, 7, ΔZ, а также их графики или карты на наиболее информативных частотах целевого диапазона. Получают также графики или карты интегральных характеристик параметров t, m на целевых частотах, представляющих произведение значений данного параметра на двух или нескольких периодах в каждой точке профиля (площади). По комплексу полученных параметров судят о наличии и распределении геоэлектрических неоднородностей в пределах изученного стратиграфического интервала разреза на площади, а по оценкам погрешностей параметров - о достоверности и точности их выявления. По комплексу имеющихся геологогеофизических данных оцениваются перспективные (подлежащие изучению) интервалы геологического разреза в пределах предполагаемой площади магнитотеллурических работ. По формуле рассчитывается целевой интервал (интервалы) периодов. При этом предельные значения глубин целевого интервала оцениваются по результатам бурения и сейсморазведки. По данным обработки электрокаротажа имеющихся скважин определяют предельные значения продольных сопротивлений ρ и ρ.
В пределах площади работ выбирается базисный пункт, ГЭР которого близок к горизонтально однородному. С целью проверки условия горизонтальной однородности среды и установления времени максимальной частоты вариаций выбранного частотного диапазона в базисном пункте выполняют многочастотные измерения магнитотеллурического поля в течение нескольких суток в полном режиме (Т=0,1-1000 с). Выполняют экспресс-обработку по методике одиночных зондирований и по результатам судят о соответствии ГЭР базисного пункта горизонтально однородному. В случае резкого несоответствия этих условий выбирается новый базисный пункт.
В режиме синхронной регистрации базисного и полевых пунктов выполняют измерения электрических и магнитных компонент магнитотеллурического поля в целевом диапазоне периодов.
Для получения информации о полном ГЭР, а также для выяснения положения целевого диапазона в общей структуре магнитотеллурического поля на данной площади и соотношения с оптимальными частотами при возможности некоторой корректировки целевого диапазона, в отдельных (узловых) точках площади (например, в объеме 5-10% от общего числа полевых точек) выполняют измерения в полном диапазоне частот (0.1-1000 с).
т
При обработке синхронных записей, используя алгоритмы, позволяющие получить на каждой частоте несколько независимых решений по импедансной и адмитансной оценкам, находят частотные характеристики, связывающие электрические и магнитные поля в полевых и базисном пунктах в целевом диапазоне периодов, а в узловых точках - в широком диапазоне периодов. Затем выполняют коррекцию исходных почастотных выборок t и m, рассчитывают и сравнивают погрешность параметров по всем выборкам и фиксируют выборки с минимальными погрешностями и соответствующими им текущими и средними значениями параметров. По этим средним значениям строят графики частотных характеристик t и m, графики по профилям и карты на фиксированных периодах внутри целевого диапазона. По текущим значениям t и m в почастотных выборках с минимальными погрешностями рассчитывают текущие значения соответствующих параметров по формулам, на каждой частоте, находят их средние значения и почастотные погрешности. По средним значениям параметров строят их частотные характеристики. Аналогично по текущим значениям импедансов и с учетом величины импеданса в базисном пункте получают кривые р и другие трансформации импеданса также в вариантах нормирования на полное и внутреннее магнитное поле и их погрешности. Выбирают наиболее информативные периоды в целевом диапазоне и строят графики по профилям или карты указанных информативных параметров на всю исследованную площадь. Для более надежного выявления слабых аномалий t и m рассчитываются по соответствующим формулам интегральные их характеристики и также строятся их графики или карты на всю площадь и для отдельных участков площади. По комплексу полученных данных с учетом погрешностей параметров и их доверительных интервалов (точности) построений судят о характере ГЭР в целом (по данным в узловых точках), а также о наличии, характере, размерах и глубине геоэлектрических неоднородностей в пределах целевого интервала геологического разреза с оценкой точности и достоверности их выявления.
Недостатком известного способа и соответствующего ему измерительного комплекса является то, что предельные значения глубин целевого интервала оцениваются по результатам бурения и сейсморазведки, т.е. достижение технического результата, заключающегося в повышении точности, обеспечивается при условии выполнения предварительного бурения скважин и сейсморазведки. Кроме того, известный способ отягощен многочисленными вычислениями.
Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей с одновременным снижением трудоемкости.
Поставленная задача решается за счет того, что измерительный комплекс для проведения георазведки, состоящий из базисной и полевой станций с техническими средствами измерения вариаций компонент электрического и магнитного полей, дополнительно содержит еще одну базисную станцию, причем средства регистрации сейсмических сигналов установлены на базисных станциях и полевой станции, на которой также установлены средства измерения вариаций компонент электрического и магнитного полей, при этом полевая станция снабжена движительной установкой и модулем навигации и управления движением.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4).
Фиг.1. Схема размещения базисных и полевой станций. На схеме позициями обозначены: 1 - водная поверхность, 2 - гидросфера, 3 - морское дно, 4 - границы разлома, отражающие горизонт зоны газогидратов, 5 - граница зоны образования газогидратов, 6, 7 - базисные станции, 8 - полевая станция.
Фиг.2. Конструкция полевой станции. Полевая станция 8 состоит из корпуса 9, движителя 10, антенны 11 гидроакустического канала связи, антенны 12 спутникового канала связи, сейсмометра 13, модуля навигации и управления 14, вертикальных туннельных движителей 15, горизонтальных туннельных движителей 16, телескопического устройства 17.
Фиг.3. Блок-схема устройства для регистрации сигналов. Блок-схема устройства для регистрации сигналов включает: гравиметр 18, магнитометр 19, сейсмометр 13, пенетрометр 20, установленный на телескопическом устройстве 17, модем 21 гидроакустического канала связи, модем 22 спутникового канала связи, блок управления и контроля 23.
Фиг.4. Блок-схема модуля навигации и управления. Модуль навигации и управления 14 включает курсоуказатель 24, измеритель скорости 25 движения относительно дна, гидролокатор 26 бокового обзора, акустический профилограф 27, спутниковый приемоиндикатор 28 типа «Eagle View», промерный эхолот 29, навигационный компьютер 30, устройство ввода-вывода информации 31, блок автоматического управления движением 32 полевой станции 8.
Сейсмометр 13 включает вертикальный или три ортогональных геофонов, гидрофон, 24-битный аналого-цифровой преобразователь, точные часы, накопитель большой емкости, с частотой оцифровки до 200 Гц.
Магнитометр 19 представляет собой трехкомпонентный магнитометр для глубоководных исследований, аналогами которого являются магнитометры типа S-100 (ф. Narod Geophysics, Канада), типа SFSM (США) или типа МКМ-01 (Россия), построенный на цезиевых датчиках, и не требующих пространственной ориентации. Аналогом гравиметра 18 является гравиметр типа BGM-3, обеспечивающий выполнение точных измерений при больших помехах.
Модуль навигации и управления 14 предназначен для управления движением полевой станции 8 в гидросфере, удерживания ее на заданных курсах и горизонтах глубин, и при постановке на грунт, а также для контроля функционирования измерительных датчиков и аппаратных средств полевой станции 8.
Гидролокатор 26 бокового обзора предназначен для выполнения глубоководной съемки морского дна с максимальным диапазоном обхвата 1250 м. Аналогом является гидролокатор бокового обзора типа S1S 3000.
Промерный эхолот 29 представляет собой двухчастотный промерный эхолот типа «Bathy-1000» с диапазоном измеряемых глубин в диапазоне 0,5-6000 м, оснащенный блоком классификации грунта типа «ISAN-5» и анализатором плотности слоев грунта. Акустический профилограф 27 обеспечивает определение физико-акустических характеристик разрешаемых слоев донных осадков, таких как коэффициент отражения, коэффициент акустической восприимчивости, коэффициент шероховатости, коэффициент поглощения, плотности.
Курсоуказатель 24 представляет собой гироазимутгоризонткомпас типа ГАГК -1.
Измеритель скорости 18 движения относительно дна построен на базе гидроакустического лага типа ЛА-52.
Блок автоматического управления движением 32 представляет собой комплект датчиков и регуляторов для преобразования и трансляции сигналов на исполнительные механизмы движителей 10, 15 и 16 с модуля навигации и управления 14.
Горизонтальные туннельные движители 16 и вертикальные туннельные движители 15 служат для управляемости полевой станцией 8 при неподвижном состоянии и при нулевой скорости движения.
Пенетрометр 20 представляет собой зонд, установленный на телескопическом устройстве, и предназначен для выполнения морской грунтовой съемки при нахождении полевой станции 8 на морском дне. Аналогом пенетрометра 20 является пенетрометр типа «СРТ Fugro» с глубиной проникновения зонда в грунт до 20 м.
По результатам морской грунтовой съемки на основании моделирования определяется пространственно-временное распределение средней по глубине концентрации взвеси и толщины слоя осадков на морском дне, а также гранулометрический состав грунта.
Съемка параметров гравитационного и магнитного полей Земли в районе исследований выполняется с замыканием съемочного галса на базисный пункт, на котором посредством высокоточных средств измерения, баллистического гравиметра и прецизионного магнитометра определяют опорные значения ускорения силы тяжести и вектора индукции геомагнитного поля. Съемка выполняется по замкнутым маршрутам с замыканием на базисный пункт и вычислением искомых значений ускорения силы тяжести и модуля вектора магнитной индукции в данной точке как суммы приращений измеренного параметра к предыдущему значению, начиная с базисного пункта.
измi
Искомые значения ускорения силы тяжести g в пунктах, расположенных вдоль съемочного галса, вычисляются по формулам:
где
i=1, 2,…, n - порядковый номер расчетных значений выбранных ускорений силы тяжести в пунктах, расположенных на съемочном галсе;
o
o
gA, gB - эталонные значения ускорения силы тяжести опорных пунктов А и В соответственно;
k, n - число выбранных значений ускорения силы тяжести на отрезке съемочного галса, ограниченного опорными пунктами А или В и местом измерения на галсе и опорными пунктами А и В соответственно;
g - значение ускорения силы тяжести в пунктах, расположенных на съемочном галсе.
иск
Искомые значения напряженности магнитного поля Земли Н в пунктах, расположенных вдоль съемочного галса, вычисляются по формулам: k
где i=1, 2,…n - порядковый номер расчетных значений выбранных величин напряженности магнитного поля Земли в пунктах, расположенных на съемочном галсе;
о
о
HА, HВ - эталонные значения напряженности магнитного поля Земли опорных пунктов А и В;
k, n - число выбранных значений напряженности магнитного поля Земли на отрезке съемочного галса, ограниченного пунктами А или В и местом измерения на галсе и опорными пунктами А и В соответственно;
i
H - значение напряженности магнитного поля Земли в пунктах, расположенных на съемочном галсе.
a
ai
a
u
u
Измерения и обработку магнитотеллурических вариаций выполняют в целевых диапазонах периодов, непосредственно связанных с исследуемым интервалом разреза, при обработке данных полевых измерений для получения значений компонент электрического t и магнитного m полей, импедансов в нормировании на полное Z и внутреннее Z магнитное поле и других характеристик используют специальную схему вычислений, а для интерпретации, кроме традиционных характеристик, при этом используются такие информативные параметры, как аномальный импеданс Z, аномальный нормированный импеданс Z, дифференциальный импеданс Z, интегральные характеристики теллурического t и магнитного m параметров в целевых диапазонах периодов.
Способ реализуется следующим образом.
На расстоянии не более 4 км по обоим сторонам от внешних границ разлома, в районе морских исследований, с целью выявления границы газогидратной залежи и границ питающего ее разлома, в точках с известными координатами, устанавливают базисные станции 6 и 7, оснащенные техническими средствами измерения магнитотеллурических вариаций (магнитометр, гравиметр) и сейсмических сигналов в диапазоне 0,01-20 Гц (сейсмографы, оснащенные датчиками слабых и сильных движений дна), а также гидроакустическим каналом связи.
Запускают в гидросферу в районе исследований полевую станцию 8, оснащенную средствами измерения магнитотеллурических вариаций, колебаний сейсмического происхождения, определения местоположения полевой станции 8 относительно морского дна и базисных станций 6 и 7, средствами управления движением и средствами регистрации акустических сигналов для восстановления рельефа морского дна.
Измерения магнитотеллурических вариаций, посредством полевой станции 8, выполняют путем круговой поляризации вдоль отражающего горизонта зоны газогидратов с пересечением границ геологического разлома в перпендикулярном направлении по отношению к каждой базисной станции 6 и 7 в прямом и обратном направлениях, последовательно по нескольким прямолинейным направлениям на каждую базисную станцию.
При этом выполняют синхронное зондирование подстилающей поверхности акустическими сигналами с последующей регистрацией сейсмических волн, обработку зарегистрированных электромагнитных и сейсмических сигналов выполняют путем сравнения исследуемых характеристик геологического разлома по зарегистрированным сигналам магнитотеллурического поля и сейсмического поля.
При постановке полевой станции на дно, посредством пенетрометра 20, установленным на телескопическом устройстве, выполняют морскую грунтовую съемку, путем проникновения пенетрометра в грунт до 20 м.
еmin
еmах
По комплексу имеющихся геолого-геофизических данных оцениваются перспективные интервалы геологического разреза. При этом устанавливают целевой интервал (интервалы) периодов. При этом предельные значения глубин целевого интервала оцениваются по синхронным результатам регистрации магнитотеллурических вариаций и сейсмических колебаний. Определяют предельные значения продольных сопротивлений ρ и ρ.
В пределах площади работ выбирается базисный пункт, ГЭР которого близок к горизонтально однородному. С целью проверки условия горизонтальной однородности среды и установления времени максимальной частоты вариаций выбранного частотного диапазона в базисном пункте выполняют многочастотные измерения МТ поля в течение нескольких суток в полном режиме (Т=0,1-1000 с). Выполняют экспресс-обработку по методике одиночных зондирований и по результатам судят о соответствии ГЭР базисного пункта горизонтально однородному. В случае резкого несоответствия этих условий выбирается новый базисный пункт. Разбивается сеть полевых наблюдений, обеспечивающая планируемую детальность и учитывающая ориентировку и размеры предполагаемых ГН.
В режиме синхронной регистрации базисного и полевых пунктов выполняют измерения электрических и магнитных компонент МТ поля в целевом диапазоне периодов. Для получения информации о полном ГЭР, а также для выяснения положения целевого диапазона в общей структуре МТ поля на данной площади и соотношения с оптимальными частотами при возможности некоторой корректировки целевого диапазона, в отдельных (узловых) точках площади (например, в объеме 5-10% от общего числа полевых точек) выполняют измерения в полном диапазоне частот (0,1-1000 с).
т
При обработке синхронных записей, используя алгоритмы, позволяющие получить на каждой частоте несколько независимых решений по импедансной и адмитансной оценкам, находят частотные характеристики, связывающие электрические и магнитные поля в полевых и базисном пунктах в целевом диапазоне периодов, а в узловых точках - в широком диапазоне периодов. Затем выполняют коррекцию исходных почастотных выборок t и m, рассчитывают и сравнивают погрешность параметров по всем выборкам и фиксируют выборки с минимальными погрешностями и соответствующими им текущими и средними значениями параметров. По этим средним значениям строят графики частотных характеристик t и m, графики по профилям и карты на фиксированных периодах внутри целевого диапазона. По текущим значениям t и m в почастотных выборках с минимальными погрешностями рассчитывают текущие значения соответствующих параметров на каждой частоте, находят их средние значения и почастотные погрешности. По средним значениям параметров строят их частотные характеристики. Аналогично по текущим значениям импедансов и с учетом величины импеданса в базисном пункте получают кривые р и другие трансформации импеданса также в вариантах нормирования на полное и внутреннее магнитное поле и их погрешности. Выбирают наиболее информативные периоды в целевом диапазоне и строят графики по профилям или карты указанных информативных параметров на всю исследованную площадь. Для более надежного выявления слабых аномалий t и m рассчитываются интегральные их характеристики и также строятся их графики или карты на всю площадь и для отдельных участков площади.
По комплексу полученных данных с учетом погрешностей параметров и их доверительных интервалов (точности) построений судят о характере ГЭР в целом (по данным в узловых точках), а также о наличии, характере, размерах и глубине геоэлектрических неоднородностей в пределах целевого интервала геологического разреза с оценкой точности и достоверности их выявления.
Источники информации
1. Обухов Г.Г. Магнитотеллурическая разведка в нефтеперспективных районах СССР. M., Недра, 1983, с.16-17.
2. Инструкция по электроразведке. Л., Недра, 1984, с.57, 66.
3. Авторское свидетельство СССР №1770776.
4. Патент РФ №1777449.