СПОСОБ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRICAL PROSPECTING METHOD AND DEVICE TO THIS END (VERSIONS)

Изобретение относится к области геофизических методов исследований, точнее к способам и устройствам для электроразведки, и может быть использовано для поиска месторождений руд цветных и благородных металлов, углеводородов, кимберлитовых трубок, источников пресных и термальных вод и других полезных ископаемых, а также для обнаружения в земле различных металлических объектов, изучения геологического строения участков земли, проведения мониторинга сейсмоопасных районов и решения других прикладных инженерных задач.
Геоэлектроразведка с использованием переменного тока является одним из наиболее распространенных и перспективных методов прогнозирования месторождений полезных ископаемых и оценки перспективности обнаруженных геофизических аномалий. Метод основан на возбуждении в толще горных пород электромагнитного поля, генерируемого гармоническим или импульсным током в генераторном контуре (ГК).
В частотных методах электроразведки чаще всего измеряется амплитуда электродвижущей силы (ЭДС) в приемном контуре (ПК) и разность фаз между измеренной ЭДС и током в генераторном контуре для набора выбранных частот тока возбуждения при заданном пространственном положении генераторного и приемного контуров.
В импульсных методах электроразведки, как правило, измеряются значения ЭДС в приемном контуре в зависимости от времени относительно момента начала (окончания) импульса тока в генераторном контуре, а также ток в ГК с целью нормирования результатов измерений. По результатам этих измерений оценивают кажущееся удельное сопротивление и параметры вызванной поляризации горных пород (Электроразведка. Справочник геофизика. Ред. А.Г.Тархов. М.: Недра, 1980, с.237; RU 2179325, 2002; RU 2253137, 2005; RU 2134893, 1999; RU 2045084, 1995; RU 2213982, 2003; RU 798666, 1996; RU 2231089, 2004). При этом, как правило, генерирование тока, возбуждающего электромагнитное поле в земле, и измерения ЭДС в ПК осуществляется в диапазонах частот от 0.0001 до 500000 Гц. В качестве генераторных и приемных контуров могут быть использованы многовитковые рамки, выполненные из электрических проводов, незаземленные петли или линии, заземленные с помощью стальных, медных или неполяризующихся электродов. Для снижения помех в состав применяемых устройств может быть включена аппаратура с частотными фильтрами.
Общим недостатком «частотных» методов электроразведки является невысокая точность прогноза, обусловленная значительным влиянием относительно хорошо проводящих поверхностных отложений и других геологических образований, маскирующих целевые объекты.
В настоящее время широкое распространение получил способ импульсной электроразведки - метод переходных процессов (метод становления поля и становления поля в ближней зоне). Он обладает более высокой разрешающей способностью по сравнению с методами, использующими гармонические поля на фиксированных частотах. Это связано с тем, что при импульсном возбуждении, электромагнитное поле содержит множество частотных составляющих. Поэтому оно в более высокой степени зависит от изменения размеров и электрических свойств геологических образований. С другой стороны, повышение разрешающей способности связано также и с тем, что переходный процесс, как правило, измеряется в паузах между импульсами, т.е. в отсутствии интенсивного первичного возбуждающего поля, что снижает влияние собственных помех, создаваемых генератором.
В частности, известен способ геоэлектроразведки (SU 140128, 1960), включающий возбуждение в незаземленной петле периодической последовательности прямоугольных импульсов тока с постоянной амплитудой и регистрацию значений ЭДС в той же петле в паузах между импульсами.
Устройство для осуществления этого способа содержит генератор однополярных или биполярных прямоугольных импульсов тока, нагруженный на незаземленную петлю. Приемным контуром электромагнитного поля служит либо сама генераторная петля, либо индукционная рамка, которая располагается на поверхности земли или в скважине. Приемный контур электромагнитного поля подключен через широкополосный усилитель к аналоговому синхронному фильтру, представляющему собой ключ, соединяющий на короткий промежуток времени выход широкополосного усилителя с конденсатором, к которому подключен милливольтметр постоянного тока. Этот конденсатор, образующий вместе с выходным сопротивлением усилителя RC-цепь, заряжается за время нескольких десятков или сотен реализаций до постоянного напряжения, равного "мгновенному" значению сигнала в регулируемый момент времени. В процессе зарядки конденсатора происходит усреднение помех, частоты которых отличаются от частоты следования импульсов тока в петле.
Разрешающая способность данного метода снижается за счет малого веса высокочастотных составляющих в спектре прямоугольных импульсов тока возбуждения, длительность которых, как правило, близка к длительности измеряемого переходного процесса. Кроме того, при генерировании прямоугольных импульсов тока в петле или индукционной рамке с относительно большой индуктивностью (большая петля или многовитковая рамка) искажается форма импульса тока в процессе его становления и возникают большие перенапряжения в нагрузке при выключении тока. Недостатком используемого устройства является относительно большая длительность измерений, связанная с регистрацией только одного значения сигнала за одну его реализацию.
Следует отметить, что для этой группы импульсных методов характерна недостаточная помехоустойчивость, обусловленная малой длительностью выборок сигнала. Вместе с тем, используемые в импульсных методах электроразведки широкополосные сигналы создают условия для большего влияния помех. Попытки использовать для повышения отношения сигнал/шум увеличение числа накоплений выборки сигнала или интенсивности импульсов тока приводили к значительному увеличению времени измерения либо к необходимости многократного увеличения мощности и габаритов генератора импульсов электромагнитного поля.
Для решения указанных проблем в электроразведке наиболее перспективно применение компьютерных технологий. Так, известно устройство метода переходных процессов (Buselli, G. and O'Neill, В. SIROTEM: a new portable instrument for multichannel transient electromagnetics. Bull. Aust. Soc. Explor. Geophys. 8, p. 82-87), которое включает описанные выше петлевые или рамочные антенны для возбуждения и приема поля, а также генераторное и измерительное устройства, которые управляются микропроцессором, а сигнал на выходе приемника после его усиления измеряется аналого-цифровым преобразователем и запоминается устройством памяти. Устройство позволяет увеличить производительность измерений, так как в нем регистрируется множество значений сигнала, описывающих весь переходный процесс за одну его реализацию.
Проблема увеличения помехоустойчивости в этом устройстве решается путем компромисса между длительностью выборки, в которой интегрируется напряжение сигнала, и искажениями, которые вносит увеличение этой длительности. Чем больше длительность выборки, тем выше помехоустойчивость и тем хуже точность воспроизведения сигнала. Большинство современных измерительных систем метода переходных процессов используют общее свойство становления электромагнитного поля, заключающееся в том, что переходный процесс на ранних стадиях его регистрации меняется быстро и с течением времени скорость спада сигнала монотонно уменьшается. При этом длительность выборки выбирают самой короткой на ранних стадиях переходного процесса и последовательно увеличивают ее на более поздних стадиях этого процесса.
Известны способы электроразведки (Strack K-M. Exploration with deep transient electromagnetics, 1999, Elsevier, Amsterdam, p. 67-62), в которых с помощью цифровой обработки сигнала эффективно подавляются электромагнитные помехи, сосредоточенные в узких полосах частот (например, промышленные помехи на частоте 50 Гц и ее гармониках) и в узких временных интервалах (импульсные помехи, например, "атмосферики"). Для подавления помех с частотой 50 Гц и ее гармоник используются рекурсивные цифровые фильтры, а для исключения импульсных помех используются робастные методы обработки сигнала до накопления. Например, при обработке данных располагают все зарегистрированные в процессе накопления значения сигнала в порядке возрастания, от самого малого по амплитуде до самого большого. После этого отбрасывают одинаковое число значений (10-30%) с обеих сторон. Высокочастотные шумы (радиопомехи) убираются входными аналоговыми фильтрами, а низкочастотные помехи (естественные магнитотеллурические поля) подавляются при индукционном приеме.
В то же время широкополосные шумы (в том числе, собственные шумы аппаратуры) можно подавить лишь путем накопления сигнала или повышения мощности источника. Первое приводит к многократным потерям времени, а второе к многократному увеличению массы источников энергии. И то и другое значительно увеличивает трудозатраты и стоимость съемки.
Ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемой группе изобретений является способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления, базирующиеся на генерировании псевдослучайной биполярной последовательности (Pseudo Random Binary Sequence, PRBS) импульсов электромагнитного поля (Р.М.Duncan, A.Hwang, R.N.Edwards, R.С.Bailey and G.D.Garland. The development and application of a wide band electromagnetic sounding system using a pseudo-noise source. Geophysics, Vol., 45, NO.8 (August 1980); p.1276-1296). Способ включает возбуждение в заземленной линии биполярных импульсов тока, длительность которых соответствует псевдослучайной последовательности интервалов времени, а также измерение взаимной корреляционной функции (ВКФ) компоненты магнитного или электрического поля и формы биполярного тока. В этом способе достигаются существенное повышение отношения сигнал / широкополосный шум, а также повышение чувствительности к изменению размеров и электропроводности геологических образований за счет специальной формы тока возбуждения электромагнитного поля, которая также является весовой функцией фильтра и позволяет увеличить длительность весовой функции фильтра без ухудшения точности воспроизведения широкополосного сигнала.
Устройство для реализации указанного способа включает генератор электромагнитного поля и приемно-измерительное устройство (ПИУ). В состав генератора электромагнитного поля (ГЭМП) входят источник (генератор) постоянного тока (ГТ), коммутатор тока (КТ), управляемый генератором псевдослучайной последовательности биполярных прямоугольных импульсов (ГПБИ), и генераторный контур (ГК) в виде заземленной линии (длиной 20 км).
Приемно-измерительное устройство (ПИУ) содержит приемник магнитного поля (магнитометр) и генератор псевдослучайной последовательности биполярных прямоугольных импульсов (ГПБИ), связанные через систему фильтров частот и усилители с системой сбора данных на основе программного устройства, состоящего из коррелометра, к выходу которого подключен программно-управляемый калькулятор с магнитофоном.
Описанное устройство работает следующим образом. Управляемый генератором ГПБИ коммутатор тока образует из постоянного тока, вырабатываемого ГТ, псевдослучайную последовательность биполярных импульсов тока в заземленной линии. Магнитометр преобразует магнитное поле, возбуждаемое заземленной линией, в электрический сигнал. Это поле представляет собою сумму первичного поля импульсов тока в заземленной линии и вторичного поля, возбуждаемого этими импульсами в земле. Сигнал магнитного поля проходит последовательно через фильтры частоты, в которых ограничивается полоса частот пропускания сигнала частотами среза снизу и сверху, а также ослабляется сигнал, вызываемый промышленной помехой на частоте 60 Гц. При необходимости сигнал усиливается усилителем. Параллельно вырабатываемая генератором ГПБИ приемно-измерительного устройства псевдослучайная последовательность прямоугольных импульсов напряжения проходит через такие же фильтры и претерпевает искажения, аналогичные ранее описанным искажениям сигнала. Коррелометр в ПИУ измеряет ВКФ отфильтрованного сигнала от магнитометра и отфильтрованной псевдослучайной последовательности прямоугольных импульсов напряжения, и калькулятор вычисляет частотный спектр ВКФ. По спектру ВКФ находят одномерную зависимость кажущегося сопротивления от глубины, на основе анализа которой судят о строении геоэлектрического разреза.
Однако выходным параметром данного метода является частотная характеристика геоэлектрического разреза, которая значительно уступает по разрешающей способности его импульсной характеристике. Кроме того, для данного способа характерна низкая точность при зондировании геоэлектрического разреза в ближней зоне, которая обладает максимальной разрешающей способностью, поскольку измерения производятся на фоне первичного поля и помехи, вызываемые генератором импульсов тока, вносят ошибки, которые снижают чувствительность метода. На точность измерения оказывает негативное влияние также то, что реальные импульсы тока в петле отличаются от прямоугольных за счет искажений в петле, которая, как правило, обладает индуктивным сопротивлением, сравнимым с омическим. Кроме того, измерения на фоне первичного поля приводят к тому, что незначительные изменения в геометрии расположения источника и приемника электромагнитного поля могут привести к дополнительным ошибкам измерений, которые даже могут стать причиной появления ложных аномалий.
Технической задачей, решаемой автором, являлось создание способа электроразведки и устройства для его осуществления, обеспечивающие повышенную точность измерений и разрешающую способность при сохранении высокой устойчивости к широкополосному шуму без увеличения времени измерений и мощности источников поля.
Технический результат в отношении способа геоэлектроразведки заключается в использовании одного из следующих вариантов.
imp
period imp
min unipol
min unipol
period imp
Первый вариант заключается в том, что псевдослучайную последовательность биполярного тока, возбуждающую электромагнитное поле, периодически прерывают, образуя псевдослучайную биполярную последовательность пакетов периодических импульсов тока с длительностью импульсов тока Т и периодом импульсов тока T, который связан с минимальным интервалом униполярного тока (T) в псевдослучайной последовательности биполярного тока соотношением: T=n·T, где n≥1 - целое число. При этом величину взаимной корреляционной функции (ВКФ) компоненты (производной по времени) магнитного (электрического) поля и формы тока вычисляют
imp
period imp
imp
- либо при начальном сдвиге ΔТ между исходными функциями (временными рядами) ВКФ, соответствующем соотношению: Т≤ΔТ≤(T-Т), и по отсчетам указанной ВКФ с шагом, равным периоду импульсов тока, судят об импульсной реакции геоэлектрической среды и по ней о строении геоэлектрической среды в отсутствии первичного электромагнитного поля (без связанных с ним помех);
- либо без начального сдвига между исходными функциями ВКФ, и по отсчетам указанной ВКФ с шагом, равным периоду импульсов тока, судят об импульсной реакции геоэлектрической среды на фоне первичного магнитного поля, а по различию указанных импульсных реакций на фоне и при отсутствии и первичного магнитного поля выделяют геологические и иные объекты по их индуцированной намагниченности.
period imp
В ходе реализации способа величина T задается исходя из особенностей зоны измерения и возможностей используемого устройства.
period imp
period imp
period imp
Определенным недостатком этого варианта измерения является влияние на результаты измерений высокочастотных помех (радиопомех). Это объясняется тем, что спектр псевдослучайной последовательности пакетов периодических импульсов тока с периодом T обогащен дополнительными максимумами на частотах, кратных 1/T и поскольку указанная последовательность или форма тока является также весовой функцией при измерении ВКФ, то ее спектр есть частотная характеристика измерительного устройства и на частотах, кратных 1/T помехи попадают в измерительное устройство, что требует его оборудования дополнительными фильтрами низких частот.
В случае глубокого залегания целевых объектов при низком сопротивлении горных пород более удобен вариант рассматриваемого способа, который позволяет обойтись без дополнительных фильтров либо сильно ослабить требования, предъявляемые к крутизне частотных характеристик этих фильтров.
pack
min unipol
Технический результат в отношении этого варианта способа заключается в том, что псевдослучайную последовательность биполярного тока, возбуждающую электромагнитное поле, прерывают, образуя периодически повторяемые пакеты импульсов тока, распределенных равномерно по случайному закону на временном промежутке, занимаемом пакетом, причем длительность пакета T и период его повторения равен минимальному интервалу униполярного тока (T) в псевдослучайной последовательности биполярного тока, а полярность импульсов тока в пакете соответствует полярности этого тока.
imp
imp
imp
Равномерность распределения импульсов внутри пакета для образования необходимых рабочих пауз между импульсами тока достигается тем, что паузы между каждыми двумя соседними импульсами тока равномерно и случайно распределены на интервале Т в соответствии с неравенством: Т≤Т≤2Т, где Т - длительность импульса тока.
Величину взаимной корреляционной функции (ВКФ) компоненты магнитного (электрического) поля и формы тока вычисляют
imp
imp
pack
- либо при начальном сдвиге ΔТ между исходными функциями ВКФ, соответствующем соотношению: Т≤ΔТΔ1.5Т, и по отсчетам указанной ВКФ с шагом, равным T, судят об импульсной реакции геоэлектрической среды при отсутствии первичного электромагнитного поля;
pack
- либо без начального сдвига между исходными функциями ВКФ и по отсчетам указанной ВКФ с шагом, равным T, судят об импульсной реакции геоэлектрической среды на фоне первичного магнитного поля, а по различию указанных импульсных реакций на фоне и при отсутствии первичного магнитного поля выделяют геологические и иные объекты по их индуцированной намагниченности.
imp
При этом помехи с частотами, кратными 1/Т, подавляются при вычислении ВКФ, поскольку интегрируются со случайными фазами.
В основе заявляемых вариантов способа геолектроразведки лежит возможность проведения измерения вторичного поля при отсутствии первичного поля либо на его фоне, которая обеспечивается за счет того, что элементарные импульсы тока при вычислении ВКФ по данному способу совпадают с интервалами электромагнитного поля, синхронными либо с паузами между импульсами тока, либо с импульсами тока. Проведение измерений в отсутствии первичного поля позволяет добиться повышения точности измерений и дополнительного повышения отношения сигнал/шум и разрешающей способности за счет исключения влияния помех генератора. Измерение на фоне первичного поля в свою очередь позволяет получить дополнительную информацию об индукционной намагниченности изучаемых объектов.
Технический результат в отношении устройства для осуществления способа по первому варианту заключается в том, что в генераторе электромагнитного поля, в состав которого входят последовательно соединенные источник постоянного тока, вентильный (например, тиристорный) мост, управляемый генератором псевдослучайной последовательности интервалов времени, синхронизируемым стабилизированным генератором синхроимпульсов, и генераторный контур (петля, рамка, заземленная линия) с подключенным к нему датчиком тока, между источником постоянного тока и генераторным контуром дополнительно включен коммутатор тока, синхронизируемый стабилизированным генератором синхроимпульсов (СГСГ), а генератор псевдослучайной последовательности интервалов времени подключен к стабилизированному генератору синхроимпульсов СГСГ через делитель частоты; к датчику тока подключена управляемая стабилизированным генератором синхроимпульсов дополнительная система сбора данных; а в приемно-измерительном устройстве система сбора данных связана со стабилизированным генератором синхроимпульсов (СГСП), аналогичным устройству (СГСГ) в генераторе электромагнитного поля.
Для синхронизации устройств СГСГ и СГСП, а также для определения географических координат генераторного и приемного контуров в устройство могут быть дополнительно включены глобальные системы позиционирования GPS.
Как правило, в качестве системы сбора данных в контурах применяют компьютерные устройства, например управляемый контроллером аналого-цифровой преобразователь с запоминающим устройством.
Технический результат в отношении устройства, обеспечивающего проведение электроразведки по второму варианту способа, заключается в том, что в генераторе электромагнитного поля, включающем последовательно соединенные источник постоянного тока, вентильный мост, управляемый генератором псевдослучайной последовательности интервалов времени, синхронизируемым стабилизированным генератором синхроимпульсов, и генераторный контур (петля, рамка, заземленная линия) с подключенным к нему датчиком тока, между источником постоянного тока и генераторным контуром дополнительно включен коммутатор тока, связанный с генератором периодически повторяемых пакетов случайно и равномерно распределенных во времени импульсов, который подключен к стабилизированному генератору синхроимпульсов СГСГ через делитель частоты, а генератор псевдослучайной последовательности интервалов времени подключен к стабилизированному генератору синхроимпульсов через дополнительный делитель частоты; к датчику тока подключена управляемая стабилизированным генератором синхроимпульсов СГСП дополнительная система сбора данных.
Для синхронизации устройств СГСГ и СГСП, а также для определения географических координат генераторного и приемного контуров в устройство могут быть дополнительно включены глобальные системы позиционирования GPS.
В вышеописанных вариантах устройств, при достаточно большой индуктивности петли (заземленной линии) и малой длительности прямоугольных импульсов тока в пакете, импульсы могут быть искажены и ослаблены настолько, что среднее значение тока в петле будет значительно ниже выбранного номинала. Для решения указанной проблемы в качестве коммутатора тока может быть использован дополнительный вентильный мост, в одной из диагоналей которого включен конденсатор с емкостью С, а в другой через замкнутые вентили основного вентильного моста включен генераторный контур, представляющий последовательно соединенную цепь из индуктивности L и сопротивления R, который образует вместе с указанным конденсатором колебательный контур с частотой колебаний
2
2
1/2
imp
f=1/2π(1/LC-R/4L)=1/2Т.
В результате в генераторном контуре возбуждаются пакеты униполярных полусинусоидальных импульсов тока (фиг.1в и 2б), причем при одинаковых энергетических затратах амплитуда этих импульсов в 2 раза больше, чем амплитуда униполярных импульсов тока PRBS.
Для лучшего понимания существа предлагаемых вариантов способов электроразведки рассмотрим, как изменятся соотношение сигнал/шум и разрешающая способность электроразведки при их осуществлении по заявляемому изобретению по сравнению с традиционным методом переходных процессов (МПП).
с
ху
Оценим отношение сигнал/шум для способа без прерывания тока, поскольку при одинаковых средних токах оно справедливо также для способов с прерыванием тока. В этом случае ток x(t), называемый также псевдослучайной последовательностью импульсов тока (биполярного тока), имеет форму, показанную на Фиг.1(а). Псевдослучайную последовательность импульсов тока (интервалов времени) можно получить с помощью системы последовательно соединенных счетчиков с логическим элементом ИЛИ НЕ в обратной связи, при подаче на ее вход прямоугольных импульсов напряжения от кварцевого генератора с периодом Т (1. Т.Р.Sifferlen and V.Varta-nian, Digital Electronics with Engineering Applications. Engle-wood Cliffs: Prentice Hall, 1970). Этот период является минимальным интервалом в псевдослучайной последовательности интервалов времени или минимальной длительностью униполярного тока. Псевдослучайную последовательность интервалов времени можно также вычислить теоретически и воссоздать с помощью генератора псевдослучайной последовательности импульсов напряжения с заданными длительностями. По определению взаимная корреляционная функция R(τ) для произвольных величин x(t) и y(t):
,
а
где Т - интервал интегрирования.
ху
Известно также (R.S.Simpson and R.С.Houts, Fundamentals of Analog and Digital Communication Systems. Boston:Allyn and Bacon, 1971), что функция взаимной корреляции R(τ) сигнала на выходе линейной системы y(t) и входного сигнала x(t) имеет вид:
xy
xx
y
R(τ)=R(τ)*h(τ),
у
хх
где h(τ) - импульсная реакция линейной системы, R(τ) автокорреляционная функция входного воздействия x(t), а звездочка * означает операцию свертки. В рассматриваемом случае в качестве линейной системы выступает земля как геоэлектрическая среда.
хх
xx
xx
хх
хх
0
0
Для предлагаемого способа геоэлектроразведки особое значение имеет вид автокорреляционной функции R(τ). Для псевдослучайной последовательности импульсов тока без прерывания и с указанным прерыванием автокорреляционная функция R(τ), показанная на Фиг.1 (г), имеет форму треугольной функции, близкой к δ - функции с максимумом при τ=0. Максимальное значение R(0) равно полной энергии входного воздействия. Вне этой максимальной треугольной формы функция R(τ) равна строго постоянной величине с малой отрицательной амплитудой. Для псевдослучайной последовательности биполярного тока без прерывания указанная форма R(τ) следует из теории (Т.Р.Sifferlen and V.Vartanian, Digital Electronics with Engineering Applications. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1970; R.S.Simpson and R.C.Houts, Fundamentals of Analog and Digital Communication Systems. Boston: Allyn and Bacon, 1971). Эта форма автокорреляционной функции сохраняется и при указанных прерываниях тока. Поскольку реальные результаты измерений имеют вид дискретных отсчетов, удобно представить рассматриваемые функции в виде отсчетов через одинаковые интервалы времени τ. Для широкополосного шума практически без ограничения требований к нему интервал времени между этими отсчетами удобно выбрать равным интервалу корреляции помехи τ:
,
n
где В(τ) - функция корреляции помехи n(t). Для широкополосного шума этот интервал может быть достаточно малым (10-100 мкс).
xx
ху
Далее будут использованы обозначения и формулы, приведенные в работе (Р.М.Duncan, A.Hwang, R.N.Edwards, R.С.Bailey and G.D.Garland, The development and application of a wide band electromagnetic sounding system using a pseudo-noise source, Geophysics, Vol., 45, N.8 (August 1980); p.1276-1296) для дискретных функций: тока I(i) вместо x(t), автокорреляционной функции A(j) вместо R(τ) и взаимной корреляционной функции C(j) вместо R(τ). Автокорреляционная функция в дискретной форме имеет вид:
,
0
где отсчеты i и j производятся через интервал τ.
j
0
Максимальное значение A=A при i=j, где
n
c
Число отсчетов тока I(i) -N- равно: N=m(2-1), где m - число отсчетов в минимальном интервале Т псевдослучайной последовательности импульсов тока, n - целое число, выбираемое в пределах от 3 до 17.
Измеряемую компоненту ВКФ электромагнитного поля и псевдослучайной последовательности импульсов тока можно записать в виде:
,
i
j
j
где V - напряжение на выходе приемного контура магнитного (электрического) поля. Это напряжение равно свертке импульсной реакции геоэлектрического разреза с током возбуждения I плюс помеха n;
j
При отсутствии помех n=0 и I=1 получим
.
i-k
0
Таким образом, в дискретном виде измеряемая величина есть также свертка импульсной реакции геоэлектрического разреза с автокорреляционной функцией A(j) токовой последовательности I(i), что и в аналоговом выражении (R.S.Simpson and R.С.Houts, Fundamentals of Analog and Digital Communication Systems. Boston:Allyn and Bacon, 1971). При всех значениях k≠i величина A постоянна и пренебрежимо мала. При k=i A=N. Таким образом, ВКФ:
.
i
Т.е. каждое значение h в ВКФ умножается на N, численно равное полной энергии псевдослучайной последовательности импульсов тока.
Шумовая составляющая при этом имеет вид:
, где псевдослучайная последовательность импульсов тока, с которой сворачивается шум n(i), играет роль весовой функции фильтра.
i
η
i
i
n
Если n - стационарная центрированная последовательность с некоррелируемыми значениями, то дисперсия D на выходе фильтра I при I=1 может быть выражена через дисперсию на входе фильтра D:
.
Отношение сигнал/шум рассматриваемого и ближайшего аналога способа при этом равно:
,
i
где h - значение импульсной характеристики разреза в момент i, а отношение сигнал/шум традиционного метода переходных процессов при прочих равных условиях:
,
i
где H - значение переходной характеристики разреза в момент i.
Отсюда выигрыш в отношении сигнал/шум (для гауссовых шумов) для предлагаемых вариантов способа (и ближайшего аналога способа при отсутствии шумов, создаваемых генератором) по сравнению с другими аналогами (традиционный метод переходных процессов):
1/2
Так как этот выигрыш при близких по величине значениях импульсной и переходной характеристик равен , этот результат можно сравнить с известным способом накопления сигнала. При определении каждого значения взаимной корреляционной функции отношение сигнал/шум увеличивается, как если бы сигнал накапливался N раз. Число накоплений обычно выбирается в пределах от 100 до 1000. Следовательно, по сравнению со способом накопления сигнала достигается экономия времени измерений в N раз (при N>100). Очевидно, что увеличение отношения сигнал/шум в N раз эквивалентно также увеличению мощности источника в N раз.
Вместе с тем, реальная форма псевдослучайной последовательности импульсов тока существенно отличается от идеальных прямоугольников на Фиг.1(а). Этот ток несет в себе нестабильные во времени помехи и шумы источника постоянного тока (генератора), существенно снижающие точность и реальную чувствительность измерений. Кроме того, незначительные изменения геометрии расположения источника и приемника электромагнитного поля могут иногда привести к появлению ложных аномалий. По этой причине традиционные методы импульсной электроразведки с целью повышения точности и реальной чувствительности практически всегда проводят измерения в паузах между импульсами.
Поэтому, чтобы избежать измерений на фоне первичного электромагнитного поля, возбуждаемого псевдослучайной последовательностью тока, приведенной на Фиг.1(а), ток периодически прерывают, образуя псевдослучайную последовательность пакетов периодических импульсов тока, период которых равен или в целое число раз меньше длительности минимального интервала униполярного тока в псевдослучайной последовательности биполярного тока (Фиг.1(а, б)). Автокорреляционная функция таких псевдослучайных последовательностей периодических импульсов тока также имеет форму, показанную на Фиг.1г, и обладает описанными выше свойствами. Выборка сигнала электромагнитного поля в паузах между импульсами тока имеет такую же форму, как и аналогичная выборка сигнала, произведенная при псевдослучайной последовательности с идеальными прямоугольными импульсами тока (Фиг.1а).
При определении взаимной корреляционной функции необходимо, чтобы шаг между отсчетами ВКФ был равен периоду элементарных импульсов тока, возникших при прерывании псевдослучайной последовательности импульсов тока, т.к. в этом случае элементарные импульсы тока в каждом значении ВКФ совпадают со значениями компоненты электромагнитного поля, синхронными либо с импульсами тока, либо с паузами между ними. Этим обеспечивается измерение вторичного поля на фоне первичного поля либо при его отсутствии, а последнее обеспечивает необходимое повышение точности измерений и дополнительное повышение отношения сигнал/шум и разрешающей способности за счет исключения влияния помех генератора. Измерение на фоне первичного поля в свою очередь позволяет получить дополнительную информацию об индукционной намагниченности изучаемых объектов.
Как правило, в традиционных импульсных методах геоэлектроразведки измеряется не импульсная реакция проводящей среды h(t), а ее реакция на ступенчатое воздействие H(t) (переходная характеристика). Импульсная реакция, поскольку она является производной по времени переходной характеристики, обладает большим разрешением. Именно по этой причине при обработке данных широко используются дифференциальные трансформации переходной характеристики. Дифференцирование переходной характеристики, связанное с операцией вычитания, серьезно ухудшает отношение сигнал/шум и точность получаемых оценок. В предлагаемых способах импульсная реакция среды, эквивалентная ее производной по времени, определяется без операции дифференцирования и при этом отношение сигнал/шум не только не ухудшается, но и многократно возрастает.
Заявляемые изобретения иллюстрируется следующими чертежами.
На Фиг.1 показаны формы тока в генераторном контуре для ближайшего аналога и предлагаемых способов, а также их автокорреляционная функция, где: а - биполярный ток на псевдослучайной последовательности временных интервалов (псевдослучайная последовательность биполярного тока PRBS); б - псевдослучайная последовательность пакетов периодических прямоугольных импульсов тока; в - псевдослучайная последовательность пакетов периодических полусинусоидальных импульсов тока; г - автокорреляционная функция псевдослучайных последовательностей: биполярного тока (а) и пакетов импульсов тока (б и в).
На Фиг.2 показаны пакеты случайных равномерно распределенных импульсов тока (длительность пакетов равна минимальной длительности униполярного тока), где а - пакет прямоугольных импульсов тока в генераторном контуре, б - пакет полусинусоидальных импульсов тока в генераторном контуре.
На Фиг.3 показано устройство для реализации способа геоэлектроразведки с пакетами периодических импульсов тока по варианту 1 способа, где а - схема генератора электромагнитного поля; б - схема генератора импульсов управления; в - схема приемно-измерительного устройства.
На Фиг.4 показано устройство для реализации способа геоэлектроразведки с пакетами случайных равномерно распределенных во времени импульсов тока по варианту 2 способа электроразведки, где а - схема генератора электромагнитного поля; б - схема генератора импульсов управления; в - схема приемно-измерительного устройства.
imp
На Фиг.5 показана функциональная схема коммутатора тока, используемая в генераторных устройствах, схемы которых приведены на Фиг.3 и 4, когда добротность Q=2π/ТL/R генераторного колебательного контура достаточно велика (например, Q≥5).
На Фиг.3-5 использованы следующие обозначения:
1. генератор электромагнитного поля (ГЭМП),
2. приемно-измерительное устройство (ПИУ),
3. источник постоянного тока (ИПТ),
4. коммутатор тока (КТ),
5. вентильный мост (ВМ),
6. генераторный контур (ГК),
7. датчик тока (ДТ),
8. система сбора данных ГЭМП (ССДГ),
9. глобальная система позиционирования ГЭМП (GPS),
10. генератор импульсов управления (ГИУ),
11. стабилизированный генератор синхроимпульсов ГЭМП (СГСГ),
12. делитель частоты (ДЧ),
13. генератор псевдослучайной последовательности интервалов времени (ГПСП),
14. преобразователь магнитного или электрического поля в электрический сигнал (ПМП),
15. согласующий усилитель (СУ)
16. система сбора данных ПИУ (ССДП),
17. стабилизированный генератор синхроимпульсов ПИУ (СГСП),
18. глобальная система позиционирования ПИУ (GPS),
19. дополнительный делитель частоты (ДЧ),
20. генератор периодически повторяемых пакетов случайных равномерно распределенных во времени импульсов (ГППП),
21. вентильный мост коммутатора тока.
Устройство для реализации способа по варианту 1 (фиг.3) состоит из генератора электромагнитного поля 1 и приемно-измерительного устройства 2.
В генератор электромагнитного поля 1 (Фиг.3а) входят последовательно соединенные источник постоянного тока 3, коммутатор тока 4, вентильный мост 5 и генераторный контур 6 (петля, индукционная рамка, заземленная линия). Последовательно с генераторным контуром включен датчик тока 7, например прецизионный резистор с пренебрежимо малым сопротивлением, к которому подключена система сбора данных 8, например управляемые контроллером аналого-цифровой преобразователь и устройство постоянной памяти. Коммутатор тока 4, вентильный мост 5 и система GPS 9 подключены к генератору импульсов управления 10, который (Фиг.3б) содержит последовательно соединенные стабилизированный генератор синхроимпульсов 11, делитель частоты 12 и генератор псевдослучайной последовательности интервалов времени 13. При этом СГСГ 11 управляет работой КТ 4 и ССДГ 8 и синхронизируется системой GPS 9, а ГПСП 13 управляет работой ВМ 5.
Приемно-измерительное устройство 2 (Фиг.3в) включает последовательно соединенные преобразователь магнитного поля в электрический сигнал 14, согласующий усилитель 15, систему сбора данных, ССДП 16. Последняя управляется стабилизированным генератором синхроимпульсов, СГСП 17 (идентичным СГСГ 11), который синхронизируется системой GPS 18, идентичной GPS 9, в ГЭМП 1.
imp
period imp
period imp
с
Устройство по варианту 1 работает следующим образом: Коммутатор тока 4, подключенный к ИПТ 3 и управляемый СГСГ 11 (при замкнутых ключах одной из диагоналей вентильного моста 5), образует в генераторном контуре 6 униполярные периодические импульсы тока длительностью Т и периодом T. Вентильный мост 5, управляемый генератором псевдослучайной последовательности интервалов времени 13, меняет полярность этих импульсов по закону псевдослучайной последовательности биполярного тока (фиг.1а). В результате в петле ГК 6 образуются пакеты с периодическими импульсами тока, показанные на фиг.1б. Делителем частоты 12 устанавливают число периодов T импульсов тока в минимальном интервале Т униполярного тока в псевдослучайной последовательности биполярного тока. Минимальное число импульсов тока в указанном интервале - 1. Система сбора данных 8, синхронизируемая генератором 11, регистрирует форму импульсов тока в петле, которые поступают с датчика тока 7.
Магнитное (электрическое) поле преобразуется в электрический сигнал преобразователем 14 (измерительная петля, индукционная рамка, заземленная линия). Сигнал усиливается усилителем 15 и регистрируется и обрабатывается системой сбора данных 16, синхронизируемой генератором 17. В частности, здесь (в ССДП 16) производится статистическая обработка сигнала, практически исключающая импульсные помехи, и фильтрация сигнала для существенного ослабления помех с частотой 50 Гц и их гармоник. Высокие частоты вне выбранного диапазона ослабляются входным аналоговым фильтром низких частот (не показанным на фиг.3). При переносе данных из ССДГ 8 в ССДП 16 последняя производит вычисление ВКФ по указанным выше правилам.
с
Устройство для осуществления способа по варианту 2 (фиг.4) содержит генератор электромагнитного поля 1 и приемно-измерительное устройство 2. В ГЭМП 1 (фиг.4а) входят последовательно соединенные источник постоянного тока 3, коммутатор тока 4, вентильный мост 5 и генераторный контур 6 (петля, индукционная рамка, заземленная линия). Последовательно с генераторным контуром включен датчик тока 7, к которому подключена система сбора данных 8. Коммутатор тока 4 подключен к СГСГ 11 из ГИУ 10 через дополнительный делитель частоты 19 и генератор периодически повторяемых пакетов случайных, равномерно распределенных на интервале Т импульсов 20 (фиг.4б). Вентильный мост 5 непосредственно подключен к генератору псевдослучайной последовательности интервалов времени 13 из ГИУ 10 и управляется им. КТ 4 управляется непосредственно ГППП 20. Глобальная система позиционирования GPS 9 синхронизирует стабилизированный генератор синхроимпульсов СГСГ 11.
Приемно-измерительное устройство 2 (Фиг.4в) содержит последовательно соединенные преобразователь магнитного поля в электрический сигнал 14, согласующий усилитель 15, систему сбора данных, ССДП 16. Последняя управляется стабилизированным генератором синхроимпульсов СГСП 17, идентичным СГСГ 11, который синхронизируется системой GPS 18, идентичной системе 9.
с
imp
с
с
Устройство по варианту 2 работает следующим образом: Коммутатор тока 4, подключенный к ИПТ 3 и управляемый генератором периодически повторяемых пакетов случайных, равномерно распределенных на интервале Т импульсов напряжения 11 (при замкнутых ключах одной из диагоналей инверторного моста 21), образует в генераторном контуре 6 униполярные периодически повторяемые пакеты случайных, равномерно распределенных внутри пакета импульсов тока длительностью Т. Вентильный мост 5, управляемый генератором псевдослучайной последовательности импульсов напряжения 11, меняет полярность пакетов импульсов по закону псевдослучайной последовательности биполярного тока (Фиг.1а). В результате в петле ГК 6 образуются периодически повторяемые пакеты с импульсами тока, одинаково случайно и равномерно распределенными внутри каждого пакета (длительностью Т) (Фиг.1б), полярность которых соответствует полярности исходной псевдослучайной последовательности биполярного тока. Делителем частоты 12 устанавливают длительность пакета импульсов тока (длительность минимального интервала Т униполярного тока в псевдослучайной последовательности биполярного тока). Система сбора данных ССДГ 8, синхронизируемая генератором 11, регистрирует форму импульсов тока в петле, которые поступают с датчика тока 7.
Магнитное или электрическое поле преобразуется в электрический сигнал преобразователем 14 (измерительная петля, индукционная рамка, заземленная линия). Сигнал усиливается усилителем 15 и регистрируется и обрабатывается ССДП 16, синхронизируемой дополнительным синфазным стабилизированным генератором синхроимпульсов 17. В частности, здесь производится статистическая обработка сигнала, практически исключающая импульсные помехи, и фильтрация сигнала для ослабления помех с частотой 50 Гц и их гармоник. При переносе данных из ССДГ 8 в ССДП 16 последняя производит вычисление ВКФ по указанным выше правилам.
imp
Высокочастотные помехи с частотами, кратными 1/Т, зафиксированные в процессе измерений, эффективно подавляются при вычислении ВКФ, поскольку интегрируются со случайными фазами.
Каждому фиксированному положению генераторного контура и ПМП 14 соответствует набор значений ВКФ, аппроксимирующий импульсную реакцию геоэлектрической среды. По ансамблю ВКФ судят о строении геоэлектрического разреза. Пространственно-временные аномалии ВКФ позволяют выделять в этом разрезе электрические неоднородности, связанные с залежами УВ и твердых полезных ископаемых.
2
2
1/2
imp
При достаточно большой индуктивности источника электромагнитного поля и малой длительности прямоугольных импульсов тока в пакете импульсы могут быть искажены и ослаблены настолько, что среднее значение тока в петле будет значительно ниже выбранного номинала. Чтобы избежать этого, в качестве коммутатора тока 4 предлагается использовать дополнительный вентильный мост 21 (фиг.5), в одной из диагоналей которого включен конденсатор С, а в другой диагонали через вентильный мост 5 включен генераторный контур 6 с индуктивностью L и сопротивлением R (петля или многовитковая рамка). При замыкании вентилей одной из пар плеч моста 21 и одной из пар плеч моста 5 элементы L, R и С образуют колебательный контур с частотой колебаний f=1/2π(1/LC-R/4L)=1/2Т. Указанный вариант усовершенствованного коммутатора представляет собой добротный RLC-контур, элементы которого соединяются с источником постоянного тока 3 с помощью ключей двух мостов 21 и 5 таким образом, как если бы это был последовательный RLC-контур, питаемый биполярными импульсами напряжения с частотой генератора СГСГ 11. Это возможно вследствие того, что все переключения в нем производятся в моменты времени, когда ток в контуре равен нулю. В результате в петле ГК 6 возбуждаются пакеты униполярных полусинусоидальных импульсов тока, показанные на фиг.1в или 2б. При одинаковых энергетических затратах амплитуда этих импульсов в 2 раза больше, чем амплитуда униполярных импульсов тока PRBS.
Практическая применимость способа иллюстрируется следующими примерами.
2
Пример 1. Поиск алмазных трубок. Объектом поисков являлись кимберлитовые трубки с площадью сечения ≥10000 кв.м. Работы проводились в районе с относительно высокими сопротивлениями горных пород, при ожидаемой глубине залегания целевых объектов в пределах первых сотен метров. Поэтому было необходимо изучать импульсную реакцию геоэлектрического разреза, начиная с самых ранних ее стадий. В связи с этим использовался способ по варианту 1 и соответствующее устройство. На земной поверхности раскладывался генераторный контур - петля 200×200 м из медного изолированного геофизического провода ГПМП с сечением меди 6 мм, сопротивлением 2.4 Ом и индуктивностью 1.6 мГ. В качестве источника постоянного тока использовалась батарея аккумуляторов 24 В, емкостью 17 А × час.
Ожидаемая длительность переходного процесса не превышала 250 мс. С помощью устройств, входящих в ГЭМП, в петле возбуждалась псевдослучайная последовательность пакетов полусинусоидальных импульсов тока амплитудой около 8 А, длительностью 100 мкс, периодом 200 мкс. Длительность всей последовательности импульсов тока была Т=254 мс в соответствии с соотношением:
N
c
c
Т=(2-1)×Т при N=7 и минимальной длительности пакета Т=2 мс.
Синхронно с процессом возбуждения пакетов импульсов тока система сбора данных регистрировала средние значения сигнала датчика тока через каждые 10 мкс. В результате 25400 значений тока в петле сохранялись в памяти.
Напряжение на выходе преобразователя магнитного поля (индукционная рамка) в окрестности генераторной петли менялось со временем в соответствии с изменением во времени псевдослучайной последовательности пакетов импульсов тока и переходного процесса, представляющего сумму реакций геоэлектрической среды на каждый импульс этой последовательности. Средние значения указанного сигнала на выходе согласующего усилителя регистрировались через каждые 10 мкс на протяжении всего переходного процесса в течение 254 мс с помощью 24-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, входящего в ССДП приемно-измерительного устройства. Полученные в результате 25400 отсчетов записывались в память ССДП.
Данные измерения тока возбуждения передавались в приемно-измерительное устройство с помощью стандартных средств связи, или, например, путем переноса информации, записанной в устройство флэш-памяти ССД генератора ЭМ поля, в систему сбора данных приемно-измерительного устройства. После чего в компьютере ПЭМП вычислялась ВКФ двух упомянутых выше временных рядов с шагом, равным 10 мкс, и начальными сдвигами 100 мкс и 0 мкс и нормировалась на квадрат амплитуды тока. При интерпретации данных из полной совокупности значений ВКФ использовались выборки значений с шагом 200 мкс, начальным сдвигом 100 мкс (выборка 1) и нулевым начальным сдвигом (выборка 2).
Выборка 1 из ВКФ характеризовала импульсную реакцию геоэлектрического разреза в отсутствии первичного ЭМ поля и помех генератора этого поля. Кимберлитовые трубки часто характеризуются повышенной трещиноватостью и пропитаны хорошо проводящими солевыми растворами. Они выделяются по выборке 1 ВКФ как зоны повышенной проводимости.
Выборка 2 из ВКФ характеризовала импульсную реакцию геоэлектрического разреза на фоне первичного ЭМ поля при повышенной чувствительности к индуцированной намагниченности горных пород, характерной для кимберлитовых трубок. По выборке 2 ВКФ эти объекты могут быть выделены не только как проводящие зоны, но и как зоны с повышенной индуцированной намагниченностью горных пород.
По сопоставлению двух указанных выборок делалось заключение об индуцированной намагниченности выделяемых аномальных объектов без влияния электропроводности, что важно также для выделения кимберлитовых трубок.
c
2
Пример 2. Поиски нефтяных залежей. Работы проводились в районе с низкими сопротивлениями горных пород, при ожидаемой глубине залегания целевых объектов в пределах 3-х километров. Поэтому было необходимо изучать импульсную реакцию геоэлектрического разреза в течение нескольких сотен секунд. В этих условиях минимальная длительность пакета T была выбрана равной 1 с. В связи с этим использовался способ по варианту 2 и соответствующее устройство. На земной поверхности раскладывалась петля 800×800 м из медного изолированного геофизического провода ГПМП с сечением меди 6 мм, сопротивлением 9.6 Ом и индуктивностью около 8 мГ. Эта петля служила источником и приемником ЭМ поля. В качестве источника постоянного тока использовалась батарея аккумуляторов 48 В, емкостью 17 А × час.
c
С помощью устройств, входящих в ГЭМП, в петле возбуждалась периодическая последовательность пакетов случайно и равномерно распределенных на каждом из последовательных интервалов T полусинусоидальных импульсов тока амплитудой около 4 А, длительностью 10 мс, полярность которых менялась по закону псевдослучайной последовательности интервалов времени. Длительность всей последовательности импульсов тока была Т=1023 с в соответствии с соотношением:
N
c
c
Т=(2-1)×Т при N=10 и минимальной длительности пакета Т=1с. Синхронно с процессом возбуждения пакетов импульсов тока система сбора данных ССДГ регистрировала средние значения сигнала датчика тока через каждые 2 мс. В результате 511500 значений тока в петле сохранялись в памяти.
Напряжение на выходе преобразователя магнитного поля (магнитометр) в окрестности генераторной петли менялось со временем в соответствии с изменением во времени указанной последовательности пакетов импульсов тока и переходного процесса, представляющего сумму реакций геоэлектрической среды на каждый импульс этой последовательности. Средние значения указанного сигнала на выходе согласующего усилителя регистрировались через каждые 2 мс на протяжении всего переходного процесса в течение 1023 с с помощью 24-разрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, входящего в ССДП приемно-измерительного устройства. Полученные в результате 511500 отсчетов записывались в память ССДП.
Данные измерения тока возбуждения передавались в измерительное устройство с помощью стандартных средств связи. После чего в компьютере приемно-измерительного устройства ПИУ вычислялась ВКФ двух упомянутых выше временных рядов с шагом, равным 2 мс, и начальным сдвигом 10 мс и нормировалась на квадрат амплитуды тока. При интерпретации данных из полной совокупности значений ВКФ использовалась выборка из 1023 значений с шагом 1.0 с.
Выборка из ВКФ характеризовала импульсную реакцию геоэлектрического разреза в отсутствии первичного ЭМ поля и помех генератора этого поля. Нефтяные залежи выделялись по увеличению сопротивления в средней части геоэлектрического разреза, которое отмечается при насыщении пласта нефтью, при этом подавлялись с частотами ≥50 Гц.