СПОСОБ СБОРА ДАННЫХ ПОСРЕДСТВОМ ТРЕХМЕРНОГО РЕГУЛЯРНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МАССИВА МАЛЫХ ЯЧЕЕК ИНТЕГРИРОВАНИЯ
METHOD OF COLLECTING DATA THROUGH THREE-DIMENSIONAL REGULAR ELECTROMAGNETIC ARRAY OF SMALL INTEGRATION CELLS

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу сбора данных посредством трехмерного регулярного электромагнитного массива малых ячеек интегрирования, который позволяет эффективно подавлять и устранять шумы за счет замкнутого электрического поля, а также позволяет устранять гальванический эффект путем двумерной фильтрации временных рядов.
Предпосылки к изобретению
В настоящее время магнитотеллурический способ широко применяется при разведке месторождений нефти и газа, руд, подземных запасов воды. До сих пор использовались одноточечный (линейный) и поперечный (двумерный) способы зондирования. Линейный способ сбора данных предусматривает следующие шаги для каждой из точек наблюдения:
x
у
х
у
х
у
х
у
z
1) устанавливают приемную станцию для непрерывного измерения четырех (E, E, H, H) или пяти (E, E, H, H, H) взаимно перпендикулярных компонент электромагнитного поля во времени;
2) камерально преобразованием Фурье над временными данными получают энергетический спектр каждой из компонент поля;
3) по энергетическому спектру оценивают тензор импеданса;
4) наконец, вычисляют кажущиеся сопротивления и разности фаз. Двумерный способ сбора данных отличается тем, что данные собирают вдоль некоторой линии, т.е. требуется разместить множество приемных станций для непрерывного измерения во времени двух (четырех, пяти) взаимно перпендикулярных компонент электромагнитного поля. Обрабатывают данные так же, как и для одноточечного зондирования.
Вышеописанные способы дают превосходные результаты применительно к простым подземным структурам, например линейным и плоским геологическим образованиям. Однако, в случае сложной объемной над- и подземной структуры они не отвечают предъявляемым требованиям ни по спектру решаемых геологических задач, ни по точности интерпретации. В частности, во-первых, сложно эффективно подавить и устранить гальванический эффект, поэтому он существенно влияет на результаты разведки, вплоть до порождения ложных структур. Во-вторых, сложно эффективно подавить шумы, которые отрицательно влияют на качество данных. Наконец, указанные способы не в состоянии справиться с проблемой, возникающей при постановке в сравнительно протяженный массив единственной магнитной станции. В этом случае расстояние между станцией и различными точками наблюдения меняется в широких пределах, что нежелательно на местности, где наблюдаются существенные изменения магнитного поля.
Краткое описание изобретения
В настоящем изобретении предлагается способ сбора данных посредством трехмерного регулярного электромагнитного массива малых ячеек интегрирования, который позволяет эффективно подавлять и устранять шумы за счет замкнутого электрического поля, а также позволяет устранять гальванический эффект путем двумерной фильтрации временных рядов, в результате чего можно резко повысить качество собираемых данных.
Подробнее, заявляемый способ предусматривает следующие шаги.
х
у
х
y
x
γ
z
z
у
(Шаг 1) Электроды выставляют в рабочей области в виде решетки из малых ячеек. В центре малой ячейки устанавливают станцию для измерения двух компонентов (E, E) электрического поля. Электроды для измерения компонентов электрического поля ставят L-образно в угловых точках решетки, Т-образно в краевых и крестообразно в серединных. Станцию для измерения двух (H, H) или трех (H, H, H) взаимно перпендикулярных компонентов магнитного поля устанавливают в центр минимальной ячейки. Направления H и H параллельны направлениям одноименных компонент электрического поля.
Для шага (1) способа измерения посредством решетки из малых ячеек каждая из них представляет собой модуль из 2×2, 3×3, 4×4 или 5×5 точек решетки. При этом модуль 2х2 называется минимальной ячейкой. Модуль 3×3 подразделяется на 4 минимальные ячейки, а модуль 4×4 - на 9 минимальных ячеек.
В угловых и краевых точках малой ячейки, а также в средних точках отрезков, соединяющих всякие две смежные точки наблюдения, расположены заземленные точки (М, N) приемных электродов, а также общих электродов смежных точек наблюдения. В центр ячейки электроды не устанавливаются.
Всякие две смежные точки наблюдения малой ячейки соединены общим электродом. Поскольку малая ячейка представляет собой замкнутый контур, сумма разностей потенциалов, регистрируемых измерительной станцией, в любой момент времени равна нулю.
Расстояние между каждой из точек наблюдения в минимальной ячейке и магнитной станцией составляет 0,5L или 0,707L, где L - длина стороны минимальной ячейки.
(Шаг 2) Во время сеанса записи все измерительные станции синхронно и с одинаковыми настройками пишут временные ряды данных естественного электромагнитного поля.
Частота выборки задается сообразно исследуемому частотному диапазону. Для высоких частот задают высокую частоту выборки при сравнительно коротком сеансе, для средних - средние частоту выборки и длительность сеанса, а для низких частот - низкую частоту выборки при сравнительно продолжительном сеансе записи.
(Шаг 3) Записанные данные обрабатывают, чтобы устранить помехи и получить очищенные от помех данные.
Шумоподавляющая обработка представляет собой коррекцию по замкнутому контуру записанных данных для каждого момента времени и предусматривает следующие шаги:
1) определить невязку в каждом замкнутом контуре для каждой точки наблюдения в данном контуре;
2) произвести коррекцию в каждом малом контуре;
3) опознать пораженные помехами данные;
4) вычислить данные без помех на основании правила замкнутого контура для потенциального поля.
При подавлении шумов, если весь контур целиком в некоторый момент времени подвергается воздействию помех, а невязка превышает заданную максимальную величину, то данные для этого момента отбрасываются. Затем производят коррекцию для внешнего контура малой ячейки, после чего можно вычислить данные, очищенные от помех.
Данные наблюдений считаются очищенными от помех, когда невязка по любому контуру меньше наперед заданной максимально допустимой величины.
(Шаг 4) Для краевых и центральной точки, принимая записывающую точку в качестве центральной, к величине для данной точки прибавляют один и тот же компонент с двух смежных точек, чтобы вычислить среднее значение изменяющихся во времени характеристик электрического поля для всех точек наблюдения. Для угловых точек при вычислении среднего значения в качестве смежных берут одноименные компоненты электрического поля для двух точек, расположенных по стороне ячейки по направлению обхода. Полученные величины принимают в качестве новых значений компонент электрического поля.
Под двумя смежными точками понимаются две точки, лежащие на одной прямой по обе стороны отданной точки наблюдения.
Для угловой точки в качестве смежных берутся точки, лежащие на одной прямой по ту же сторону.
(Шаг 5) В результате обработки данных наблюдения на предшествующих этапах получают новые временные ряды данных, в которых устранены шумы и гальванический эффект. Эти данные обрабатывают традиционным способом для вычисления кажущихся сопротивлений и фазовых кривых.
Указанный традиционный способ, упомянутый на шаге (5), предусматривает вычисление энергетического спектра и тензора импеданса, чтобы получить кажущиеся сопротивления, фазовые кривые и другие вычисляемые данные для каждой точки. При этом компоненты магнитного поля относятся к тому же полю, которое наблюдается в центральной точке.
Далее традиционный способ из шага (5) предусматривает анализ энергетического спектра и оценку тензора импеданса для временных рядов, полученных с электродов, находящихся на различном расстоянии от данной точки наблюдения, чтобы вычислить кривые кажущегося сопротивления топологической последовательности для данной записывающей точки.
Наконец, традиционный способ на шаге (5) предусматривает построение кривых кажущегося сопротивления для разноудаленных относительно данной точки наблюдения электродов в логарифмическом масштабе по обеим осям и анализируют характер их расхождения, чтобы определить, поражены ли они воздействием гальванического эффекта. Кривая кажущегося сопротивления, снимаемая с самого дальнего электрода, в наименьшей степени подвержена гальваническому эффекту. Если все кривые совпадают с кривой для самого дальнего электрода, гальванический эффект отсутствует. Если кривые для ближних электродов смещены относительно кривой для самого дальнего электрода, гальванический эффект налицо. Как правило, сила гальванического эффекта пропорциональна разносу кривых.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 схематически показывает установку ячеек системы сбора данных согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 схематически показывает L-образную, Т-образную и крестообразную установку электродов согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 схематически показывает вычисление электрических полей в краевой и центральной точках для одного направления.
Фиг.4 схематически показывает вычисление электрических полей в угловой и краевой точках для одного направления.
Фиг.5 схематически показывает малую ячейку А размером 3х3 точки.
Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения
Ниже подробно описываются этапы заявляемого способа применительно к прилагаемым чертежам.
(Шаг 1): выставляют в рабочей области решетку измерительных электродов с малыми ячейками
Каждая малая ячейка представляет собой модуль 2×2, 3×3, 4×4 или 5×5 точек.
Сообразно количеству приборов в центр каждой минимальной ячейки (2×2) устанавливают измерительную станцию на два или три компонента магнитного поля. Ячейку 3×3 точки можно поделить на 4 минимальные ячейки, ячейку 4×4 точки - на 9 минимальных ячеек. Угловые и краевые точки магнитными измерительными станциями не оборудуются (см. фиг.1).
Электроды для измерения компонентов электрического поля выставляют по следующему правилу: L-образно в угловых точках, Т-образно в краевых точках и крестообразно в центральных точках (см. фиг.2). В угловых, краевых и средних точках отрезков, соединяющих всякие две смежные точки наблюдения, расположены заземленные точки (М, N) приемных электродов, а также общих электродов смежных точек наблюдения. В центр ячейки электроды не устанавливаются. Таким образом, всякие две смежные точки наблюдения малой ячейки соединены общим электродом. Поскольку малая ячейка представляет собой замкнутый контур, сумма разностей потенциалов, регистрируемых в ячейке измерительной станцией, в любой момент времени равна нулю.
х
γ
х
γ
z
х
γ
Для измерения двух (H, H) или трех (H, H, H) взаимно перпендикулярных компонент магнитного поля в центре минимальной ячейки устанавливают магнитную рейку, причем направления H и H параллельны направлениям одноименных компонент электрического поля. Расстояния между каждой из точек наблюдения в минимальной ячейке и магнитной станцией мало различаются и равны 0,5L или 0,707L, где L - длина стороны минимальной ячейки.
(Шаг 2): запись данных
Во время сеанса записи все измерительные станции синхронно и с одинаковыми настройками пишут временные ряды данных естественного электромагнитного поля, причем частоту выборки можно задавать трояко:
для высоких частот задают высокую частоту выборки при сравнительно коротком сеансе, для средних - средние частоту выборки и длительность сеанса, а для низких частот - низкую частоту выборки при сравнительно продолжительном сеансе записи.
(Шаг 3): камеральная обработка для устранения помех
Данные для каждого момента времени подвергают коррекции по замкнутому контуру, которая предусматривает следующие шаги:
1) определить невязку в каждом замкнутом контуре для соответствующей точки наблюдения;
2) произвести коррекцию в каждом малом контуре;
3) опознать пораженные помехами данные и вычислить данные без помех на основании правила замкнутого контура для потенциального поля. Если величина поправки меньше заданной величины допуска, считается, что помехи в данных отсутствуют. Если поправка превышает допуск, это означает, что помехи воздействуют на весь контур, поэтому данные для этого момента времени следует отбросить. После завершения учета поправок для всего контура малой решетки можно получить новый ряд данных.
(Шаг 4): обработка для устранения гальванического эффекта
Далее обрабатывают новые временные ряды, полученные в результате вышеописанной процедуры подавления шумов. Для краевых и центральной точки, где в качестве центральной используют записывающую точку, к величине для данной точки прибавляют одинаковый компонент с двух, трех или четырех смежных точек, чтобы вычислить среднее значение изменяющихся во времени характеристик электрического поля для всех точек наблюдения; для угловых точек при вычислении среднего значения в качестве смежных берут одноименные компоненты электрического поля для двух или трех точек, расположенных по направлению обхода ячейки; в качестве новых значений компонентов электрического поля принимают величины, полученные для самых дальних электродов. Такая обработка, фактически, имеет целью отфильтровать в пространственных координатах гальванический эффект на высоких частотах.
Для данных, снимаемых с электродов, расположенных на различных расстояниях от каждой из точек наблюдения, проводят анализ энергетического спектра и оценку тензора импеданса, чтобы вычислить последовательность топологий кривых кажущегося сопротивления для данной точки. Кривые кажущегося сопротивления для разноудаленных относительно данной точки наблюдения электродов строят в логарифмическом масштабе по обеим осям и анализируют характер их расхождения, чтобы определить дальность воздействия гальванического эффекта. Как правило, кривая кажущегося сопротивления, снимаемая с самого дальнего электрода, в наименьшей степени подвержена гальваническому эффекту. Если все кривые совпадают с кривой для самого дальнего электрода, гальванический эффект отсутствует. Если кривые для ближних электродов смещены относительно кривой для самого дальнего электрода, гальванический эффект налицо. Как правило, сила гальванического эффекта пропорциональна разносу кривых.
(Шаг 5): для новых временных рядов данных, полученных в результате вышеописанных шагов, вычисляют традиционным способом энергетический спектр и тензор импеданса для получения для каждой точки кажущегося сопротивления, фазовых кривых и других вычисляемых величин. При этом компоненты магнитного поля относятся к тому же полю, которое наблюдается в центральной точке. В вычисляемых результатах подавлены шумы и гальванический эффект, в результате чего существенно повышается качество электромагнитных данных, собираемых в областях, для которых характерны сильные помехи и гальванический эффект.
На фиг.1 показан вариант осуществления настоящего изобретения.
11
12
13
21
2
23
31
32
33
11
31
13
33
x
y
(1) Выставляют в рабочей области электроды в виде измерительной решетки из малых ячеек 3×3 точки. Трехмерный электромагнитный регулярный массив образован 36 станциями для измерения компонентов электрического поля и 16 станциями для измерения компонентов магнитного поля. В измерительной решетке имеется 4 малые ячейки размером 3×3 точки каждая. Размеры решетки - 250×250 м. Узлы ячейки А (т.е. точки наблюдения) имеют номера А, A, A; A, А, А; А, А, А (см. фиг.5). Аналогично нумеруются узлы ячеек В, С и D. Узлы А, А, А и А представляют собой угловые точки, длины электродов для E и E составляют 125 м.
11
11
11
11
11
11
11
12
y
11
11
11
11
11
11
21
12
21
23
32
12
x
21
21
21
11
11
21
13
13
Например, для угловой точки А с L-образно выставленными электродами электрическими диполями будут ХМ-XN, причем ХМ расположен в точке А, a XN расположен в средней точке между А и A. Электрическими диполями Е будут YM-YN, где YM расположен в точке А, a YN - в средней точке между А и A. Аналогичным образом могут быть выставлены электроды в прочих точках. А, A, А и А представляют собой краевые точки с Т-образно выставленными электродами. Электрические диполи вдоль края имеют длину 250 м, а диполи, обращенные внутрь ячейки - 125 м. Например, для краевой точки А электрическими диполями для Е будут XM-XN, причем XM имеет общий электрод с диполем ХМ для точки А, a XN - с диполем XM для точки А.
22
x
y
x
22
22
22
21
22
22
22
23
у
22
22
22
22
22
22
22
32
22
х
y
Аналогичным образом могут быть выставлены электроды в прочих точках. А представляет собой центральную точку с крестообразно выставленными электродами. Длина электрических диполей для компонент E и E составляет 250 м. Электрическими диполями для Е будут XM-XN, причем ХМ представляет собой среднюю точку между А и А, a XN - среднюю точку между А и А. Для Е диполями будут YM-YN, причем YM представляет собой среднюю точку между A и А, а XN - среднюю точку между А и А, причем в средней точке А измеряют взаимно перпендикулярные компоненты Н и Н магнитного поля.
(2) Запись данных: во время сеанса записи все измерительные станции синхронно и с одинаковыми настройками пишут временные ряды данных естественного электромагнитного поля, причем частоту выборки можно задавать сообразно исследуемому диапазону частот. После того как выставлены малые ячейки А, В, С и D, задают следующим образом три частоты выборки: для высоких частот задают высокую частоту выборки, для средних - среднюю частоту выборки, а для низких частот - низкую частоту выборки. Все измерительные станции пишут временные ряды данных естественного электромагнитного поля одновременно.
(3) Записанные данные обрабатывают для устранения помех, чтобы получить очищенные данные. Для этого берут камерально временные ряды и корректируют данные таким образом, чтобы для каждого момента времени свести невязку по контуру для каждой малой ячейки к нулю.
11
12
22
21
11
11
11
12
12
12
12
22
22
22
22
21
21
21
21
11
11
х
x
x
y
X
X
Y
Y
Пусть ε - максимальная допустимая погрешность, и пусть сначала производится коррекция для замкнутого контура минимальной ячейки A-A-A-A-A. Имеем по контуру 8 разностей потенциалов, а именно суммируем разность V  для точки А в направлении Х direction, полуразность V  для точки A в направлении X, разность V  для точки A в направлении Y, полуразность V  для точки А в направлении Y, полуразность V  для точки А в направлении X, разность V  для точки A в направлении X, полуразность V  для точки A в направлении Y, разность V для точки А в направлении Y:
v
11
12
12
22
22
21
21
11
х
X
Y
Y
X
X
Y
Y
D=V +V +V +V +V +V +V +V
Если точность измерений высока, то |Dv|<±ε.
Однако для фактических записанных данных сумма едва ли окажется нулевой из-за различных помех. Поэтому требуется произвести коррекцию и распределить ошибку равномерно по каждой цепи.
Имеем:
11
0
11
X
X
V  =V +Dv/8,
12
0
12
X
X
V  =V +Dv/8,
21
0
21
X
X
V  =V +Dv/8,
22
0
22
X
X
V  =V +Dv/8,
11
0
11
Y
Y
V  =V +Dv/8,
12
0
12
Y
Y
V  =V +Dv/8,
21
0
21
Y
Y
V  =V +Dv/8,
22
0
22
Y
Y
V  =V +Dv/8.
В результате проведения коррекции всех временных рядов получают исправленные ряды для первого контура. Аналогичным образом проводят коррекцию для других контуров в данной малой ячейке. Если вычисленная сумма слишком велика, т.е. превышает е - максимально допустимую потенциальную невязку по контуру (что свидетельствует о воздействии сильных помех в данный момент времени), то устанавливают, на какую цепь главным образом приходится помеха, а затем используют значения для других цепей того же контура, чтобы вычислить значение для той цепи, которая обусловила большую разность потенциалов. Если данные для всех цепей в замкнутом контуре заметно разнятся, следует вовсе отбросить запись для данного момента времени.
х
Коррекцию других замкнутых контуров производят поочередно, причем поправки для общих границ и узлов можно вычислять совместно. Например, электрическое поле Е для центральной точки представляет собой сумму первоначально записанной величины и всех значений поправок для всех замкнутых контуров. Наконец, для контроля действенности коррекции вычисляют невязку для внешнего контура малой ячейки. В результате коррекции получают новый набор временных рядов. Кажущиеся сопротивления и фазовые кривые для каждой точки, полученные вычислением энергетического спектра электромагнитного поля и тензора импеданса для каждой точки наблюдения, можно сравнить с исходными кривыми.
х
12
11
12
13
(4) Для краевых и центральной точки записывающую точку используют как центральную, к величине для данной точки прибавляют одинаковый компонент с двух смежных точек, чтобы вычислить среднее значение изменяющихся во времени характеристик электрического поля для всех точек наблюдения. В результате коррекции получают новые временные ряды данных. Например, для данных электрического поля Е для точки A по трем точкам А, A и A вычисляют среднее значение электрического поля
х
11
12
13
12-3
Е =(Е+Е+Е)/3
12
x
22
21
22
23
и принимают его в качестве величины электрического поля для точки A. Для электрического поля Е для центральной точки А по трем точкам A, A и А вычисляют среднее значение
x
21
22
23
22-3
E =(E+E+E)/3
22
и принимают его в качестве значения электрического поля для точки A.
11
Для угловых точек при вычислении среднего значения в качестве смежных берут одноименные компоненты электрического поля для точек, расположенных по направлению обхода ячейки. Например, для электрического поля Еx для угловой точки A вычисляют среднюю величину
11-12
11
12
Ех=(3Е+E)/4
11
12
по точкам A, Aили
x
11
12
13
11-13
Е =(4Е+E+E)/6
11
12
13
11
по точкам А, А, А и принимают одну из них в качестве значения электрического поля для точки A и так далее.
Таким образом, можно вычислить новые значения компонентов электрического поля для каждой точки наблюдения для электродов, расположенных на различном расстоянии от точки. Значения, рассчитанные для самых дальних электродов, можно принять в качестве новых значений наблюдаемой характеристики электрического поля.
11
Чтобы установить величину гальванического эффекта в конкретной точке, можно вычислить вышеупомянутым способом энергетический спектр и последовательность топологий кажущегося сопротивления и фазовых кривых для данной точки. Строят в логарифмическом масштабе по обеим осям кривые кажущегося сопротивления для электродов, находящихся на различных расстояниях от той же точки наблюдения. Например, строят три кривые кажущегося сопротивления для точки А, чтобы установить характер их расхождения. Если все три кривые совпадают, гальванический эффект отсутствует. Если же кривые для ближних электродов оказываются значительно выше или ниже кривых для дальних электродов, налицо гальванический эффект.
(5) Обработка новых временных рядов традиционным способом. В этих рядах подавлены шумы и гальванический эффект в результате шумоподавляющей коррекции во времени и фильтрации в пространстве, что позволяет получать новые срезы кажущихся сопротивлений и фазовые кривые с повышенной точностью и надежностью.
Промышленная применимость
Кажущиеся сопротивления, фазовые кривые для каждой точки и другие результаты можно получить путем вычисления энергетического спектра и оценки тензора импеданса, проводимых традиционным способом над данными, полученными согласно настоящему изобретении. При этом компоненты магнитного поля для каждой точки наблюдения в минимальной ячейке относятся к тому же полю, которое наблюдается в центральной точке. Настоящее изобретение позволяет подавить шумы и гальванический эффект, в результате чего существенно повышается качество электромагнитных данных, собираемых в областях, для которых характерны сильные помехи и гальванический эффект. Настоящее изобретение можно широко применять при сборе электромагнитных данных в самых разнообразных условиях как на суше, так и на море.