СПОСОБ МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ В ДВИЖЕНИИ СУДНА
MARINE ELECTRICAL EXPLORATION METHOD AND DEVICE FOR ELECTRICAL EXPLORATION DURING MOVEMENT OF VESSEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Группа изобретений «Способ морской электроразведки и устройство для морской электроразведки в движении судна» относится к области разведочной геофизики, в частности к геоэлектроразведке методом вызванной поляризации. Используется при зондировании морского дна в шельфовой зоне в движении судна и предназначена для прогнозирования залежей углеводородов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно изобретение «Способ морской электроразведки», патент RU №2069375, в котором используют измерения, опирающиеся на регистрацию отношения второй разности потенциалов к первой. Способ позволяет увеличить чувствительность, но по изменениям характерных параметров графика: ординаты минимума, градиентов нисходящей и восходящей ветвей, а также по интерпретационным трансформациям измеряемого параметра судят о наличии аномальных зон поляризационного действия разреза. Однако способ не обладает достаточной разрешающей способностью в морских условиях.
Известен способ геоэлектроразведки, патент RU №1436675, в котором возбуждают электромагнитное поле, пропуская через исследуемую среду периодическую последовательность знакопеременных прямоугольных импульсов. Измеряют первый и второй осевые разности потенциалов на заданной частоте. Однако способ не дает возможности построения модели геоэлектрического профиля исследуемой залежи.
Существует способ электроразведки путем возбуждения импульсного электромагнитного поля (патент RU №2094829), в котором в паузах между импульсами тока регистрируют напряженность электромагнитного поля индукционной вызванной поляризации, определяя геоэлектрические неоднородности. Однако предложенное решение основано лишь на специфической форме визуализации данных, измеренных на одном разносе, и не использует никаких модельных представлений исследуемой среды.
Наиболее близким техническим решением для предложенного способа морской электроразведки в движении судна является способ, раскрытый в патенте «Устройство для морской электроразведки в движении судна и способ морской электроразведки» (патент RU №2253881). Известный способ заключается в том, что во время движения судна исследования выполняют путем возбуждения в среде двуполярных прямоугольных импульсов тока и одновременного измерения электрического поля на парах приемных электродов приемной многоканальной линии, строят геоэлектрические разрезы, делают заключение о наличии залежи углеводородов по выявленным аномалиям проводимости и параметров вызванной поляризации.
Однако указанный способ не позволяет производить морскую геоэлектроразведку с максимальной точностью при движении судна, из-за помех на приемных электродах, возникающих за счет меняющегося в движущейся среде потенциала от двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода при движении.
Известны измерительные устройства для определения расстояний, в которых используют секционные электроды, например по патенту RU №2221217, однако в нем решается иная техническая задача, а именно для проведения бокового каротажа скважин (БК), где используют зонды с различной длиной электродов с целью улучшения контакта.
Наиболее близким техническим решением для предложенного устройства морской электроразведки в движении судна является «Устройство для морской разведки в движении судна и способ морской электроразведки» (патент RU №2253881). В известном техническом решении устройство для морской электроразведки в движении судна состоит из блока формирования возбуждающего поля, включающего коммутатор, который формирует двухполярные прямоугольные импульсы постоянного тока на питающих электродах длительностью от 0.5 до 10 с и силой тока от 5 до 1000 А, со скважностью последовательности импульсов, задаваемых программным путем, генераторную установку, состоящую из двух кабельных линий, причем первая линия имеет длину не более 100 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом, размещенным на конце или вблизи конца, и вторая линия имеет длину от 500 до 1000 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом, размещенным на конце или вблизи от конца, обе линии размещены за кормой судна и выполнены из кабеля с положительной плавучестью более 5%, неизлучающее балластное устройство, размещенное за кормой судна и представляющее собой пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами, и блока измерения сигналов, включающего приемную многоэлектродную кабельную линию, размещенную за кормой судна и буксирующуюся на заданной глубине от поверхности воды, выполненную длиной около 2000 м из многожильного кабеля с плавучестью, близкой к нейтральной, связанную с многоканальным измерительным устройством и снабженную приемными электродами, размещенными на приемной многоэлектродной кабельной линии с шагом около 200 м, пространственно расположенными как в промежутке между излучающими электродами генераторной установки, так и за ней.
Однако с помощью конструкции данного устройства производят морскую геоэлектроразведку без учета помех на приемных электродах, возникающих за счет меняющегося в движущейся среде потенциала от двойного электрического слоя, при этом не достигается максимальной точности измерений разности потенциалов при движении судна, за счет устранения помех на приемных электродах, которые возникают в движущейся среде на границе электрод-вода при движении.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Требуется осуществить локализацию залежи углеводородов на основе изучения процессов становления электрического поля после возбуждения среды импульсами постоянного тока.
При этом требуется осуществить геоэлектроразведку залежи на основе изучения переходных процессов при становлении поля в среде после воздействия на поле импульсами постоянного тока. При этом изучаются кривые становления поля во время переходного процесса, которые после обработки представлены в форме модели среды, в том числе геоэлектрического разреза.
Так как при последующей обработке принимаемого сигнала тяжело повысить отношение сигнал-помеха, поскольку частотная область полезного сигнала и помехи совпадают, то необходимо устранить или уменьшить помехи, возникающие на приемных электродах за счет меняющегося в среде потенциала от двойного электрического поля, возникающего на границе электрод-вода и меняющегося под действием турбулентных потоков, возникающих при движении косы с электродами в воде.
Техническим результатом группы изобретений является повышение точности измерений при исследовании в процессе движения судна за счет уменьшения помех, возникающих в движущейся среде на границе электрод-вода при движении.
Поставленная задача достигается за счет того, что выполняют исследование геологической среды в движении судна вдоль профиля наблюдения путем возбуждения в среде периодических знакопеременных импульсов тока, для чего формируют двуполярные прямоугольные импульсы постоянного тока, длительность и скважность которых задается программным путем исходя из суммарной проводимости геологического разреза и предполагаемой глубины залежи, осуществляют одновременное измерение электрического поля на парах приемных электродов приемной многоканальной линий, как во время импульсов постоянного тока, так и в паузах между ними, для заданной в пространстве точки среды подбирают параметры слоистой проводящей и поляризующейся среды заданной точки профиля наблюдений таким образом, чтобы значения характеристик расчетного поля этой среды совпадали с величинами одновременных измерений на всех парах приемной многоканальной кабельной линии, полученных как во время импульсов постоянного тока, так и в паузах между ними, повторяют подбор параметров слоистой проводящей и поляризующейся среды геологического разреза для каждой заданной точки профиля наблюдения, делают заключение о наличии залежи углеводородов по выявленным аномалиям проводимости и параметров вызванной поляризации, при этом измерение электрического поля ведут на основе пространственного осреднения потенциала двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода при движении судна, на парах приемных секционных электродов приемной многоканальной линии. В частности, геоэлектрические параметры среды могут определять с учетом поправочного коэффициента, после чего делают заключение о наличии залежи углеводородов по выявленным аномалиям, отражающим уточненные параметры вызванной поляризации.
Для реализации заявленного способа предлагается устройство для морской электроразведки в движении судна, состоящее из блока формирования возбуждающего поля, включающего коммутатор, формирующий два разнополярных прямоугольных импульса постоянного тока на питающих электродах длительностью от 0.5 до 10 с и силой тока от 5 до 1000 А, со скважностью последовательности импульсов, задаваемой программным путем, судовой генератор, генераторную установку, состоящую из двух кабельных линий, причем первая линия имеет длину не более 100 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом, размещенным на конце или вблизи конца, и вторая линия имеет длину от 500 до 1000 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом, размещенным на конце или вблизи конца, обе линии размещены за кормой судна параллельно друг другу и выполнены из кабеля с положительной плавучестью 5-15%, излучающие электроды выполнены из токопроводящего материала, обеспечивающего их медленное разрушение при пропускании тока, неизлучающее балластное устройство, размещенное за кормой судна и представляющее собой пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами, и блока измерения сигналов, включающего приемную многоэлектродную кабельную линию, размещенную за кормой судна на заданной глубине от поверхности воды, выполненную длиной от 1000 до примерно 2000 м из многожильного кабеля с плавучестью, близкой к нейтральной, связанную с многоканальным измерительным устройством и снабженную приемными электродами, размещенными на приемной многоэлектродной кабельной линии с шагом от 100 до примерно 200 м, пространственно расположенными как в промежутке между излучающими электродами генераторной установки, так и за ними, резистивиметр, многоканальное измерительное устройство, судовой эхолот, приемоиндикатор Global Position System и процессор для обработки сигналов, при этом каждый из приемных электродов представляет собой секционный электрод, суммарная длина всех секций которого не превышает 5% от межэлектродного расстояния (разноса между парами приемных секционных электродов, представляющих собой либо группу приемных электродов, либо секционный электрод с эквипотенциальной поверхностью), элементы секционного электрода электрически связаны между собой с обеспечением сложения возникающих в них ЭДС, при этом они соединены с приемной многоэлектродной кабельной линией через общий вход/выход. В частности, секционные электроды могут быть выполнены из металлической проволоки с низким значением коэффициента поляризуемости. Устройство также может быть снабжено секционным электродом, выполненным в виде провода, размещенного на приемной линии, поверхность которого представляет эквипотенциальную поверхность, причем длина провода не должна превышать 10 м. Секционный электрод устройства может быть выполнен также в виде многовиткового гибкого проводника, размещенного на приемной многоэлектродной кабельной линии, при этом общая ширина намотки не должна превышать 10 м и каждый виток при этом представляет собой отдельный элемент электрода. В данном варианте исполнения длина провода намотки не ограничена, а ширина намотки, измеренная по крайним виткам, не должна превышать 10 м. Также секционный электрод может быть выполнен в виде группы из нескольких отдельных электродов, параллельно соединенных между собой, при этом каждый электрод является элементом секции, а вход/выход на приемную многоэлектродную кабельную линию осуществляют в одной точке секционного электрода. Общая ширина группы или длина всех секций приемного электрода не должна превышать 10 метров, т.к. должно выполняться условие 5-процентного соотношения габаритных размеров секционного электрода и расстояния (разноса) между парами секционных электродов.
Таким образом, положительный технический результат, достигаемый заявленной группой изобретений, по сравнению с известными техническими решениями заключается в повышении качества проведения морской электроразведки в движении судна, в частности в более точном прогнозировании залежей углеводородов, за счет того, что предложенный способ и конструкция устройства для реализации этого способа позволяют уменьшить влияние помех, возникающих на приемных электродах и меняющихся под воздействием турбулентных потоков при движении судна, и тем самым получить более точные результаты измерений.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показано устройство для реализации способа морской электроразведки в движении судна и взаимное положение ее частей, а также схемами, подтверждающими осуществимость заявленного способа.
Фиг.1 - Общая схема измерений.
Фиг.2 - Пространственное расположение кабельных линий относительно судна.
Фиг.3 - Примеры схемы соединения электродов в группе к приемной линии:
Фиг.3а - секционный электрод в виде прикрепленного провода определенной длины;
Фиг.3б - секционный электрод в виде многовиткового электрода, прикрепленного к приемной линии;
Фиг.3в - секционный электрод в виде отдельных электродов с одним входом/выходом на приемную линию;
Фиг.3г - секционный электрод в виде отдельных электродов, соединенных между собой параллельно и подсоединенных через общую эквипотенциальную поверхность к приемной линии.
Фиг.4 - Сигнал с приемной линии, полученный с пространственным осреднением, где минимизируется влияние помех от двойных электрических слоев, после обработки по алгоритму сглаживания в скользящем окне для исключения высокочастотных промышленных помех.
Причем:
На Фиг.4а показан сигнал при использовании в секционном электроде 20 секций.
На Фиг.4б показан сигнал при использовании в секционном электроде 10 секций.
На Фиг.4в показан сигнал при использовании в секционном электроде 2 секций.
N
Фиг.5 - Графики S робастного аналога стандартного отклонения для трех серий измерений с пространственным осреднением: для а) 20-, б) 10- и в) 2-секционного электрода соответственно.
N
i·
Фиг.6 - Схема значений средних s (ордината центра окружности) и стандартного отклонения std (радиус окружности) для каждой из серий измерений (S), где N - общее количество секций секционных электродов в приемной линии.
N
i·
Фиг.7 - Схема помноженных на  значений s (ордината центра окружности) и стандартного отклонения std (радиус окружности) для каждой из серий измерений (S), где N - общее количество секций секционных электродов в приемной линии.
Фиг.8 - Осредненные амплитудные спектры для каждой серии измерений.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГРУППЫ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Заявленный способ морской электроразведки в движении судна реализуют следующим образом.
Профилирование выполняют с выпущенными за борт генераторной линией (1), приемной линией (2) и анодно-баластным устройством (3). В генераторной линии формируют двуполярные знакопеременные прямоугольные импульсы постоянного тока, длительность и скважность которых задается программным путем в диапазоне от 0.5 до 10 с исходя из суммарной проводимости геологического разреза и глубинности исследования, знакопеременных импульсов тока и измерением сигналов в приемной линии (2) как во время пропускания тока, так и в паузе между импульсами, осуществляют одновременное измерение электрического поля на парах приемных секционных электродов (4, 5) приемной многоканальной линии (2), с учетом пространственного осреднения потенциала двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода при движении судна, как во время импульсов постоянного тока, так и в паузах между импульсами постоянного тока, для заданной в пространстве точки среды (А), подбирают параметры модельной слоистой проводящей и поляризующейся среды таким образом, чтобы значения характеристик расчетного поля этой среды совпадали с величинами одновременных измерений на всех парах (разносах) (6) приемных секционных электродов (4, 5) приемной многоканальной линии (2), полученных как во время импульсов постоянного тока, так и в паузах между ними. Геоэлектрические параметры среды могут определять на основе непосредственно полученных разностей потенциалов секционных электродов (являющихся одновременно групповыми электродами, сгруппированными по нескольким секциям), кроме того, геологические параметры среды могут определять с учетом поправочного коэффициента, введенного для учета 5% допуска по величине ширины группового электрода (или длины провода в случае варианта исполнения в виде провода, прикрепленного к приемной линии) к величине разноса «L». Повторяют подбор параметров слоистой проводящей и поляризующейся среды для каждой заданной пространственной точки местонахождения судна над геологическим профилем, строят разрезы найденных параметров, делают заключение о наличии залежи углеводородов по выявленным аномалиям. При введении поправочного коэффициента выявленные аномалии отражают уточненные параметры вызванной поляризации. Необходимость уточнения вызвана использованием секционных электродов с габаритной шириной, близкой или больше величины, за которой электрод нельзя определить как «точечный», что привносит в измерения пространственную неопределенность. Аномальные зоны на графическом изображении фрагмента разреза по поляризуемости между пикетами соответствуют залежам УВ (залежи углеводородов).
Для данного способа электроразведки в движении судна существенным и отличительным от известных до сих пор из уровня техники способов является то, что измерения ведут на основе пространственного осреднения потенциала двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода при движении судна, на парах приемных секционных электродов приемной многоканальной линии. Для этого используют секционные электроды (см. Фиг.3а, б, в, г) приемной многоканальной линии (2). При этом секционные электроды представляют собой группу элементов (7), электрически соединенных между собой. Причем группа элементов должна в совокупности представлять собой приемный электрод, размеры которого не превышают 5% от расстояния «L» между разносами, т.е. парами секционных электродов (6), каждый из которых представляет группу элементов (7). Это является существенным, так как элементы группы в совокупности способны ослабить волны, приходящие к профилю наблюдений под различными углами относительно отраженных волн, падающих вертикально, то есть группа элементов секционного приемного электрода обладает известной селекцией. Так, в варианте измерения (Фиг.3а) на секционном электроде, представляющем собой провод длиной не более 10 м (с учетом, что расстояние между приемными секционными электродами, т.е. величина разноса, составляет от 1000 м и более), секциями приемного электрода является каждая точка электрода, представляющая собой геометрическое место точек эквипотенциальной поверхности. Таким образом, происходит интегрирование ЭДС в каждой секции электрода. В варианте измерения на секционном приемном электроде, выполненном в виде соединенных в цепь и электрически связанных электродов (Фиг.3в), интегрирование заменяется сложением на каждом из включенных в цепь элементов (7) секционных электродов. В варианте измерения на секционном приемном электроде, выполненном в виде многовиткового гибкого проводника (Фиг.3б), размещенного на приемной линии, происходит сложение ЭДС на каждом витке, представляющем элемент (7) секционного приемного электрода. В варианте измерения на секционном электроде, выполненном в виде нескольких электродов, параллельно соединенных между собой (Фиг.3г), происходит сложение ЭДС на каждом элементе (7) в виде отдельного электрода в группе, образующей секционный электрод.
Таким образом, за счет сложения ЭДС в группе достигается суммирование колебаний, дополнительно вызванных срывающимися струями воды на границе электрод-вода при движении судна. Без такого суммирования разница потенциалов между парами приемных электродов содержит ошибку измерения из-за измерения в движении судна. При наличии суммирования ЭДС, возникших в одной и той же точке измерения «А», но в разные моменты времени, в секционном электроде (за счет пространственного разноса элементов приемного электрода) происходит пространственное осреднение потенциала двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода при движении судна, на парах (6) приемных секционных электродов приемной многоканальной линии, что, в свою очередь, значительно повышает точность измерений за счет исключения ошибки от дополнительной ЭДС.
Данный эффект обусловлен тем, что дополнительные собственные колебания при измерении, приводящие к ошибке, являются низкочастотными колебаниями, причем погрешность измерений падает с увеличением числа секций приемных электродов. Поскольку каждая секция приемного электрода выступает в качестве генератора нормально распределенной помехи, то в этом случае точность измерений возрастает обратно пропорционально , где N - общее число секций приемных электродов приемной линии. Это подтверждает нормальный характер распределения помехи s и std, что показано на графике (Фиг.5).
Таблица 1
№
N - общее количество электродов
91% данных
100% данных
91% данных
100% данных
s, мкВ
std, мкВ
s, мкВ
std, мкВ
<img file="00000003.tif" he="5" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="5" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="5" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="5" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
2
145.61
2.42
190.54
7.38
205.92
3.43
269.47
10.44
2
10
85.54
1.23
98.56
2.48
270.52
3.90
311.69
7.83
3
20
60.84
1.00
69.63
2.02
272.07
4.47
311.41
9.04
N
I
В Таблице 1 « Таблица серий значений робастного аналога стандартного отклонения - (S) для каждой i-й двухсекундной реализации в серии измерений» показано наряду с Фиг.4а, б, в, что с увеличением числа электродов закономерно уменьшается шум в линии и повышается устойчивость измерений. Из Табл. 1 и Фиг.6 видно, что существует доминирующая роль в измеренных данных нормально распределенного шума, что означает, что значения измерений не искажаются за счет использования секционного электрода, т.к. в случае 100% выборки для 10 и 20 электродов эти значения не просто статистически неразличимы, они численно совпадают до третьей значащей цифры. Данный результат измерений подтверждается и тем, что в случае главенствующей роли гармонической составляющей при измерении точность измерений уменьшалась бы только обратно пропорционально числу секций приемных электродов на одном из концов провода - N/2, а не обратно пропорционально . Таким образом, достигается пространственное осреднение потенциала двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода при движении судна, т.е. увеличение площади электрода приведет к усреднению данного эффекта, что стабилизирует разность потенциалов, фиксируемую между приемными электродами. Осреднение, в свою очередь, обеспечивает технический результат - повышение точности измерений при исследовании в процессе движения судна за счет уменьшения помех, возникающих в движущейся среде на границе электрод-вода при движении.
i
Достоверность полученных результатов измерений подтверждается тем, что заключение о наличии залежи углеводородов по выявленным аномалиям проводимости и параметров вызванной поляризации осуществляют без влияния высокочастотных шумов, вызванных внешней средой, например техногенными помехами или помехами от атмосферных явлений. Это подтверждается тем, что при расчете параметров среды используют алгоритм сглаживания в скользящем окне, длина которого была выбрана кратной двум периодам помехи с частотой 50 Гц, а значение в окне принималось равным M-оценке, найденной с помощью функции Хампеля. M-оценка обладает устойчивостью к резко выделяющимся наблюдениям, что называют также робастностью. Для того чтобы ее вычислить, применяют к исходной последовательности данных x (i=1, …, N) весовую ψ-функцию, которая позволяет уменьшить влияние резко выделяющихся наблюдений, содержащихся в хвостах распределения. M-оценка (m) является решением нелинейного уравнения:
в котором σ выполняет масштабирующую роль и находится через MAD (median absolute deviation):
i
i
σ=1.483MAD=1.483median|x-median(x)|.
N
Для того чтобы оценить доверительный интервал M-оценки, используют стандартное отклонение S:
.
N
Поскольку важным свойством ψ-функции является ее нечетность, то есть ψ(-x)=-ψ(x), когда ψ(x)=x, m превращается в среднее, а S становится среднеквадратическим отклонением, то в качестве ψ-функции на практике часто используется функция Хампеля:
1
2
3
Константам придают значения: C=1.2, C=3.5 и C=8.0.
N
i
После того как посредством применения функции Хампеля в скользящем окне был подавлен высокочастотный шум, для каждой i-й двухсекундной реализации было найдено значение (S)- робастного аналога стандартного отклонения (Фиг.5).
Таблица 2
№ серии измерений
Статистика
№ канала записи и разность потенциалов
1DU, мкВ
2D2U, мкВ
3DU, мкВ
4D2U, мкВ
1
среднее
194
104
166
65
станд. откл.
96
53
92
35
2
среднее
349
150
353
79
станд. откл.
239
87
297
48
Где
DU - пространственная разность потенциалов первого порядка;
D2U - пространственная разность потенциалов второго порядка.
Из Таблицы 2 «Результаты сравнения средних и стандартных отклонений массива стандартных отклонений, характеризующих стабильность измерений» видно, что распределения помехи s и std имеют нормальный характер.
Таким образом, достигается достоверность и надежность получения подавления помехи из-за наличия потенциала двойного электрического слоя, возникающего при движении судна, а следовательно, повышения точности измерения.
Для реализации данного способа измерения предложено устройство для морской электроразведки в движении судна, которое состоит из блока формирования возбуждающего поля (8), включающего судовой генератор (9), коммутатор (10), формирующий двухполярные прямоугольные импульсы постоянного тока, генераторную установку (9) и балластное устройство (3), и блока измерения сигналов (11), включающего приемную многоэлектродную линию (2), резистивиметр (12), многоканальное измерительное устройство (13), судовой эхолот (14), приемоиндикатор Global Position System (GPS) (15) и процессор для обработки сигналов (16). В блоке формирования возбуждающего поля (8) коммутатор (10) обеспечивает формирование двухполярных прямоугольных импульсов тока на питающих электродах (17, 18) длительностью от 0.5 до 10 с и силой тока от 5 до 1000 А, со скважностью последовательности импульсов, задаваемых программным путем. Генераторная установка - блок формирования возбуждения поля (8) - состоит из двух кабельных линий, причем первая линия имеет длину не более 100 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом (17), размещенным на конце или вблизи конца, и вторая линия имеет длину от 500 до 1000 м и снабжена хотя бы одним излучающим электродом (18), размещенным на конце или вблизи от конца, обе линии размещены за кормой судна, например, параллельно друг другу и выполнены из кабеля с положительной плавучестью более 5, например - 15%, излучающие электроды (17, 18) выполнены из токопроводящего материала, обеспечивающего их медленное разрушение при пропускании тока, неизлучающее балластное устройство (3) размещено за кормой судна и представляет собой пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами, а в блоке измерения сигналов (11) приемная многоэлектродная кабельная линия (2) размещена за кормой судна, например, параллельно кабельным линиям (электроды 17, 18) генераторной установки - блока формирования возбуждения поля (8), буксируется на заданной глубине от поверхности воды, выполнена длиной более 1000 м, например около 2000 м, из многожильного кабеля с плавучестью, близкой к нейтральной, связана с многоканальным измерительным устройством (13) и снабжена приемными секционными электродами (4, 5), размещенными на приемной многоэлектродной кабельной линии (2) с шагом от 100 м до 200 м, пространственно расположенными как в промежутке между излучающими электродами генераторной установки, так и за ней.
Данное устройство может быть смонтировано следующим образом.
В отдельном помещении на судне располагают коммутатор (10), который подключается напрямую к судовому генератору (9) постоянного тока или через трехфазный выпрямитель к судовому генератору переменного тока. Коммутатор формирует двуполярные импульсы в генераторной линии (1), а также переключает судовой генератор на балластное устройство (5) для рассеивания мощности генератора в паузах между импульсами.
Описанная выше конструкция балластного устройства не создает внешнего электрического поля, поскольку представляет собой пары разнонаправленных электрических диполей с равными моментами.
Обе ветви с излучающими электродами (17, 18) генераторной линии (1) выполнены из плавающего кабеля с целью обеспечения минимального гидродинамического сопротивления при буксировке.
В отдельном помещении располагается многоканальное измерительное устройство (13), к которому подключаются буксируемая за судном многоразносная приемная линия (2), резистивиметр (12) и процессор обработки сигналов (16). В процессор обработки сигналов поступает также информация о глубине моря от судового эхолота (14) и плановом положении судна от системы спутниковой навигации GPS (15). В отдельных случаях в процессор обработки сигналов поступает также поправка, учитывающая «неточечность» секционного приемного электрода, связанная с его реальными габаритными размерами.
Многоканальное измерительное устройство (13) фиксирует величину напряжения поля в задаваемых парах приемных секционных электродов (4, 5) и резистивиметре (12) одновременно. Количество приемных неполяризующихся секционных электродов выбирают в зависимости от длины приемной линии и размещают с постоянным шагом от 100 до 200 м.
Резистивиметр буксируют в толще воды, что обеспечивает измерение ее проводимости.
Процессор обработки сигналов служит для предварительной обработки всех измеряемых сигналов, включая данные эхолота и GPS, а также с секционных приемных электродов в заданной точке в каждый момент времени. В процессоре обработки сигналов также фиксируют все измеряемые сигналы на жестком носителе и с его помощью осуществляют визуализацию в реальном времени для контроля за поступающей информацией. Кабельные линии генераторной установки могут быть выполнены из токопроводящего материала и изолированы от воды, а излучающие электроды генераторной установки могут быть выполнены, например, из графитопласта. Балластное устройство может быть выполнено из двух цилиндрических графитопластовых электродов, подключенных к положительному полюсу коммутатора и разделенных изолирующей вставкой из диэлектрика, и, по крайней мере, двух катодов, размещенных внутри изолирующей вставки симметрично к оси электродов соответственно на равном удалении от концов. Судовой генератор может быть выполнен в виде генератора постоянного тока или генератора переменного тока, снабженного выпрямителем. Внутри второй кабельной линии генераторной установки могут быть пропущены провода приемной многоэлектродной кабельной линии и приемная многоэлектродная кабельная линия может быть подключена к концу второй кабельной линии генераторной установки.
При этом секционные приемные электроды могут быть выполнены в виде нескольких вариантов конструкций. В качестве секционного электрода могут быть взяты отдельные электроды, электрически связанные между собой последовательно и представляющие собой секции (7), а показание ЭДС снимают в любой из точек эквипотенциальной поверхности, которая размещена на проводе (19), подсоединяющей секционный (групповой) электрод к приемной линии (2) (см. Фиг.3в) через вход/выход. В этом случае длина «l» складывается из длины отдельных секций приемного электрода и провода между ними. Второе исполнение секционного электрода представляет собой прямой провод, который электрически подсоединен через вход/выход к приемной линии (2), прикреплен к нему с помощью, например, скоб, на всей своей протяженности, которая не может превышать 10 м, или свободно болтается в воде. (см. Фиг.3а). При этом вся поверхность провода является эквипотенциальной поверхностью. Третьим вариантом исполнения секционного электрода может быть провод любой длины, который навит на кабель приемной линии с условием, что габаритная ширина «Н» всех витков, размещенных на кабеле, не превышает 10 м. При этом провод электрически соединен с приемной линией только с одной стороны через вход/выход. Поверхность всех витков - «а» - является эквипотенциальной поверхностью, а каждый отдельный виток является отдельной секцией (7) секционного электрода. Четвертым вариантом исполнения секционного электрода являются отдельные электроды (7), сгруппированные таким образом, что они все между собой электрически соединены параллельно, а эквипотенциальной поверхностью является провод (19), который электрически подключен к приемной линии через точку вход/выход.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для осуществления заявленного способа морской электроразведки в движении судна работает следующим образом.
При выходе судна в точку начала профиля, что определяется с помощью системы GPS (15), запускается процессор (16), управляющий работой коммутатора (10) и блока измерения сигналов (11).
Процессор выдает команду на начало формирования токового импульса, например, положительной полярности. После этого осуществляется регистрация данных резистивиметра (12), приемника GPS и эхолота (14).
Длительность импульсов может быть от 0.5 до 10 секунд в зависимости от характеристик среды и решаемых задач. В заданный момент времени до окончания импульса (например, за 1/8 длительности импульса) процессор (16), управляющий коммутатором (10), формирует синхроимпульс, поступающий в многоканальное измерительное устройство (13), которое начинает регистрацию с заданной дискретностью величины установившегося поля на всех разносах (парах секционных электродов 4, 5) приемной линии (2) и тока в генераторной установке (8) и генераторной линии (1). Синхроимпульс заканчивается одновременно с окончанием импульса тока в генераторной линии (1), что в приемной аппаратуре используется как сигнал для начала регистрации спада поля. После окончания импульса тока процессор (16) выдает команду на коммутатор (10) для переключения судового генератора (9) на балластное устройство (3), что необходимо для уменьшения бросков нагрузки на судовом генераторе.
Многоканальное измерительное устройство (13) начинает регистрировать с заданной дискретностью отсчеты разностей потенциалов устанавливающегося поля на парах секционных электродов (4, 5) в каждой конкретной точке «А» пространства в заданный момент времени на приемной линии (2).
По окончании паузы, длительность которой определяется программой работы процессора (16), происходит формирование токового импульса отрицательной полярности в соответствии с вышеописанным алгоритмом.
Формирование разнополярных импульсов с паузами между ними происходит на всем протяжении профиля.
Наличие в указанной конструкции секционных электродов позволяет осуществлять указанный способ электроразведки в движении судна, так как сгруппированные электроды за счет пространственного осреднения подавляют помеху, возникающую за счет осцилляции приемной линии и прикрепленных к ней электродов при ее движении за судном. Применение группирования сейсмоприемников в сейсморазведке позволяет суммировать колебания, соединив выходы сейсмоприемников так, чтобы происходило сложение возникающих в них ЭДС. Подобная группа сейсмоприемников способна ослаблять волны, приходящие к профилю наблюдений под различными углами относительно отраженных волн, падающих вертикально, т.е. она обладает определенной направленной селекцией (В.В.Знаменский. Полевая геофизика. М., Недра, 1980, 351 с. Стр.279-284).
Поскольку основные помехи на приемных электродах возникают за счет меняющегося в движущейся среде потенциала от двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода, то увеличение площади электрода приведет к усреднению данного эффекта, что стабилизирует разность потенциалов, фиксируемую между приемными электродами. Движение приемной линии в магнитном поле земли приводит к появлению в ней ЭДС, поскольку это движение неравномерно, то ЭДС меняется и должна вызывать изменение разности потенциалов на приемных электродах. Однако приемная линия сконструирована таким образом, что провода в кабеле имеют одну длину, следовательно, и возникающая ЭДС в этом случае будет одинакова и устранится при формировании разности потенциалов от двух электродов, подсоединенных к двум проводам одинаковой длины, находящихся в одном кабеле. А все рывки линии в конечном итоге будут приводить к изменению потенциала в двойном электрическом слое на границе электрод-вода.
При этом габаритная ширина секционного электрода (группы) не должна превышать 10 метров. Данный размер необходим для точности измерений, так как отношение ширины секционного электрода (10 метров) к расстоянию между секционными электродами (2000 метров) ≤5%, то его можно рассматривать как «точечный электрод».
Так, секционные электроды, выполненные в виде куска проволоки, навитой спирально, можно рассматривать как «точечный» электрод по отношению к разносу, при этом каждый виток навивки можно рассматривать в качестве самостоятельного элемента секционного электрода. В этом случае существенным является не длина навиваемого материала, а габаритная ширина всех витков. Чем тоньше проволока, тем больше получится витков на расстоянии 10 метров и, следовательно, количество элементов в секции, что приведет к наилучшему усреднению ЭДС, а следовательно, к более точному измерению.
При секционном электроде, выполненном в виде провода, существенным для более точного измерения является длина самого провода, а его толщина не имеет существенного значения. Например, это может быть и провод, и надетая сверху приемной лини металлическая труба из свинца. При этом в секционном электроде в виде простого куска проволоки секции по величине стремятся к точке, т.е. простое сложение превращается в интегрирование по эквипотенциальной поверхности данной проволоки. Увеличение количества элементов в секции приводит к усреднению влияния помех, возникающих за счет меняющегося в движущейся среде потенциала от двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода, и к стабилизации разности потенциалов, фиксируемых между приемными секционными электродами, что, в свою очередь, повышает точность результатов измерения.
При этом следует отметить, что увеличение габаритных размеров секционного электрода, а также уменьшение его секций приводят к увеличению значения погрешности измерения. Одновременно, при увеличении толщины секций секционного приемного электрода, при движении значительно более толстых элементов секции возникает большая сила сопротивления этих элементов с водой, которая также влияет на точность измерений. Наилучшая точность измерений достигается тогда, когда габаритный размер всех секций приемного электрода значительно больше толщины каждого элемента. Данное положение подтверждено при проведении опытных исследований в Иркутском водохранилище и в Баренцевом море.
Еще одним вариантом исполнения секционного электрода может быть конструкция, состоящая из нескольких отдельных электродов, параллельно или последовательно соединенных между собой, при этом каждый электрод является элементом секционного электрода.
При этом секционные электроды могут быть выполнены из металлической проволоки с низким значением коэффициента поляризуемости.
Таким образом, достигается технический результат - получение более точных данных измерений разности потенциалов и осуществление детального построения геологического разреза вдоль профиля наблюдений, для более надежного определения наличия залежей углеводорода. Известные способы или устройства не могли обеспечить предлагаемой точности в движении судна. Повышение точности достигается за счет устранения или уменьшения влияния помех, возникающих за счет меняющегося в движущейся среде потенциала от двойного электрического слоя, возникающего на границе электрод-вода.
На Иркутском водохранилище было совершено экспериментальное плавание, во время которого были проведены три серии измерений: по двадцать, по десять и по одному приемному электроду. Свернутые в трубку вокруг провода листы свинца (длина трубки - 20 см) использовались как электроды, к каждому из которых с помощью веревок был прикреплен пенопластовый поплавок. С помощью 24-разрядного АЦП ΔU между двумя группами электродов записывалась на жесткий диск ноутбука. Измерения производились в том же режиме, что и при полевых измерениях: две секунды запись, затем следующие две секунды пауза. Для получения статистически значимого результата для каждой из трех серий измерений было записано более 500 реализаций.
Данные расчетов приведены в таблицах 1 и 2, из которых видно, что с увеличением числа секций (элементов) секционных приемных электродов закономерно уменьшается шум в линии и повышается устойчивость измерений.
Эксперимент убедительно показал, что группирование электродов дает положительный эффект, который возрастает пропорционально квадратному корню из общего числа электродов.
На Баренцевом море были проведены аналогичные опытные работы с целью выяснения эффективности применения длинных приемных электродов в морской воде, характеризующейся низким электрическим сопротивлением.
За оборудованным судном со скоростью около 7 км/ч в притопленном положении транспортировалась специально изготовленная приемная линия. Скорость ветра составляла 5 м/с, волнение - 0.5 балла.
Измерения проводились одновременно, к измерительным каналам 1 и 2 были подключены электроды из свинцовой проволоки в 0.5 м, а 3 и 4 - длиной 10 м. 1 и 2 каналы измеряли пространственную разность потенциалов первого порядка (DU), а 2 и 4 - пространственную разность потенциалов второго порядка (D2U). Было сделано 2 серии измерений: 150 и 740 временных реализации по 4 с с паузой через 4 с. Для каждой временной реализации измеренного сигнала рассчитывались показатели точности. Результаты представлены на Фиг.8.
Приведенные данные показывают, что увеличение длины электрода для DU вызывает незначительное уменьшение помехи, в то время как для D2U помеха уменьшается в 1.5-2 раза. Такое подавление помехи для D2U является значительным, поскольку переходный процесс на второй пространственной разности потенциалов имеет многократно более низкую амплитуду, чем на первой разности. Однако следует учитывать, что при увеличении длины секционного приемного электрода более 5% от разноса появляется пространственная неопределенность при измерении и построении графического изображения разреза по поляризуемости. В связи с этим при габаритных размерах секционного электрода, близкого или превышающего 5% от разноса между парами секционных электродов, эту неопределенность можно учесть, введя поправочный коэффициент.
Приемные линии, изготовленные с использованием секционных электродов, позволили производить качественные измерения при работах морским методом электроразведки в Баренцевом, Азовском и Каспийском морях, а также в пресноводных бассейнах Обской и Тазовской губ.