УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЛОКАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЗОН ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА ВЧР
DEVICE DESIGNED TO MONITOR LOCAL IRREGULARITIES AND GEODYNAMIC ZONES OF GEOLOGICAL SECTION TOP PART (GST)

Изобретение относится к геофизике, в частности к электромагнитным низкочастотным устройствам для изучения верхней части геологического разреза ВЧР, контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Оно может быть использовано для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (обводненные мульды, карстовые полости, оползневые участки, зоны шахтных подработок, повышенной трещиноватости, интервалы ослабленных пород и пр.). Данное изобретение специально может быть использовано при организации сети мониторинга для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических техногенных процессов. Результаты такого мониторинга находят практическое применение при объективной оценке и прогнозировании степени рисков, обеспечении безопасности эксплуатации ответственных газовых объектов и своевременном принятии управляющих решений.
Известно устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, входящее в состав устройства для поиска и определения границ тектонических нарушений при разработке угольных месторождений, содержащее приемную антенну, соединенную с визирной трубой и приемником радиоволн, установленные на штативе, при этом штатив снабжен токонепроводящей штангой, которая прикреплена к штативу с возможностью вращения в верхней ее части, приемная антенна закреплена в нижней части токонепроводящей штанги через карданный шарнир, образуя свободно подвешенный шарнирный маятник (Авторское свидетельство СССР №1721242, E21C 41/18, опубл. 23.03.1992).
Устройство также содержит передающую антенну, установленную на втором штативе, причем передающая и приемная антенны выполнены рамочными. В этом устройстве используется активный радиоволновый метод исследований, при котором для поиска тектонических нарушений и других геологических неоднородностей используют электромагнитную волну.
Ограничением этого устройства является большая трудоемкость его использования, особенно при больших площадях исследуемой поверхности, и практически это устройство сложно применять при мониторинге для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических техногенных процессов.
Наиболее близким является устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, содержащее две антенны, расположенные взаимно ортогонально, одна из которых ориентирована вертикально, и подсоединенные к приемному устройству (Патент РФ на изобретение №2328021, G01V 3/12, опубл. 10.02.2008).
Это устройство также входит в состав устройства для геофизических исследований радиоволновым методом. Антенны выполнены рамочными. Вертикально ориентированная антенна в этом устройстве выполняет функцию антенны пространственной ориентации (АПО) и не используется непосредственно при проведении геофизических исследований.
Применение этого устройства трудоемко, из-за применения рамочных антенн оно имеет большие габариты, устройство имеет низкие точность и достоверность получаемых результатов, поскольку измерения проводятся не синхронно, а в течение длительного времени одной антенной приемного устройства, ориентированной горизонтально, а приборы при проведении полевых исследований необходимо переносить на разные участки анализируемой ВЧР.
Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных возможностей.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение точности, достоверности и информативности, расширение функциональных возможностей за счет определения в режиме реального времени локальных неоднородностей и геодинамических зон в области ВЧР и оценки их энергетики.
0
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, содержащем две антенны, расположенные взаимно ортогонально, одна из которых ориентирована вертикально и подсоединенные к приемному устройству, согласно изобретению введены устройство обработки и третья антенна, подсоединенная к приемному устройству и расположенная ортогонально к упомянутым двум антеннам, а приемное устройство снабжено передатчиком, выход которого связан со входом устройства обработки и выполненным с возможностью передачи сигналов с данными о взаимно ортогональных компонентах Hx, Hy, Hz плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) на устройство обработки, а устройство обработки выполнено с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров - типперов Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, определения зависимости Wzx=F(Δf) и Wzy=F(Δf), где Δf - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz, от f до f и с возможностью интегрирования зависимостей Wzx и Wzy для получения их площади
соответственно.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы
- были введены карданный шарнир, штанга, средство вращения штанги, первая, вторая и третья антенны посредством вертикальной антенны подсоединены к карданному шарниру, который посредством штанги подсоединен к средству ее вращения;
- была введена теодолитная труба, установленная на средстве вращения штанги, причем теодолитная труба выполнена съемной;
- было введено средство для ориентирования вертикальной антенны по вертикали, которое выполнено в виде круглого уровня, подвешенного на продольной оси вертикальной антенны;
- была введена оболочка, выполненная радиопрозрачной и герметичной в форме сферы, а первая, вторая и третья антенны расположены в оболочке;
- первая, вторая и третья антенны были выполнены из ферритовых стержней с размещенными на них катушками.
Также дополнительно целесообразно, чтобы
- каждая из антенн была выполнена, по меньшей мере, из трех ферритовых стержней с размещенными на каждом из них катушками;
- был введен электростатический экран, расположенный вокруг катушек;
- в электростатическом экране был выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор.
Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает схематично предложенное устройство;
фиг.2 - то же, что фиг.1, функциональная схема, один из возможных вариантов;
фиг.3 - схематично приемо-передающее устройство, т.е. часть устройства, предназначенная для измерения взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz плотности потока ЕИЭМПЗ;
фиг.4 - схема расположения приемо-передающих устройств и опорной станции для участка трубопровода;
фиг.5 - то же, что фиг.1, для исследуемой поверхности большой площади.
Устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР (фиг.1) содержит две антенны 1 и 2, расположенные взаимно ортогонально. Одна из антенн, например 1, ориентирована вертикально. Антенны 1 и 2 подсоединены к приемному устройству 3.
Введены устройство 4 обработки и третья антенна 5, подсоединенная к приемному устройству 3 и расположенная ортогонально к упомянутым двум антеннам 1 и 2. Приемное устройство 3 снабжено передатчиком 6, выход которого связан со входом устройства 4 обработки и выполненным с возможностью передачи сигналов с данными о взаимно ортогональных компонентах Hx, Hy, Hz плотности потока ЕИЭМПЗ на устройство обработки 4.
Передатчик 6 может быть выполнен различным образом и связан с устройством 4 обработки, например, кабельной связью, радиосвязью, спутниковой связью и т.п. На фиг.2 показана одна из возможных функциональных схем обеспечения связи с устройством 4 обработки. Хотя существует множество общеизвестных схем передачи информации по различным каналам связи, различающихся между собой как схемотехническими решениями, так и способами передачи информации.
0
Устройство 4 обработки (фиг.1, 2) выполнено с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров - типперов Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, определения зависимости Wzx=F(Δf) и Wzy=F(Δf), где Δf - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz, от f до f и с возможностью интегрирования зависимостей Wzx и Wzy для получения их площади
и  соответственно.
Указанные вычисления устройство 4 осуществляет с помощью соответствующего программного обеспечения.
В заявленное устройство (фиг.3) могут быть введены карданный шарнир 7, штанга 8 (нетокопроводящая), средство 9 вращения штанги 8 (например, упорный подшипник). Первая, вторая и третья антенны 1, 2 и 5 соответственно посредством вертикальной антенны 1 подсоединены к карданному шарниру 7, который посредством штанги 8 подсоединен к средству 9 ее вращения. Средство 9 представляет собой подшипниковый узел.
Кроме того, введена теодолитная труба 10, установленная на средстве 9 вращения штанги 8, причем теодолитная труба 10 выполнена съемной.
Кроме того, целесообразно ввести средство 11 для ориентирования вертикальной антенны 1 по вертикали. Средство 11 может быть выполнено в виде круглого уровня, подвешенного на продольной оси вертикальной антенны 1.
Целесообразно ввести в устройство оболочку 12, выполненную радиопрозрачной и герметичной в форме сферы, при этом антенный узел - первая, вторая и третья антенны 1, 2, 5 расположены внутри оболочки 12.
Первая, вторая и третья антенны 1, 2, 5 целесообразно выполнить из ферритовых стержней 13 с размещенными на них катушками 14.
Каждая из антенн 1, 2, 5 выполнена, по меньшей мере, из трех ферритовых стержней с размещенными на каждом из них катушками 14 (фиг.3).
Кроме того, целесообразно ввести в устройство электростатический экран 15, расположенный вокруг катушек 14.
В электростатическом экране 15 может быть выполнен, по меньшей мере, один поперечный зазор 16.
На фиг.3 также показаны диэлектрический держатель 17 антенн 1, 2 и 5; винтовые оси 18 с грузами противовесами 19; наконечник 20 с винтом 21 для крепления антенного блока к карданному шарниру 7; части штатива 22; алидада 23 горизонтального круга теодолитной трубы 10; разъемный шлицевой узел 24 теодолитной трубы 10; кабель 25 связи; муфта влагозащитная 26, приемник 27 (в вариантах исполнения может отсутствовать), защитный бункер 28 (при использовании штатива 22 может отсутствовать).
Предложенное устройство работает следующим образом.
Осуществляют настройку приемо-передающего устройства А (фиг.3).
При профильной съемке штатив 22 располагают в заданной точке профили. При этом настраивают вертикальную антенну 1 строго по оси Z грузами противовесами 19 при помощи круглого уровня средства 11. Далее, вращая теодолитную трубу 10 вокруг вертикальной оси и наблюдая через нее визирную марку репера, установленного в конце профиля, а также используя алидаду 23 и штатные микровинты теодолита, добиваются точного совпадения центральной риски теодолитной трубы 10 с вертикальной риской марки репера, добиваясь точности визирования не хуже ±1' и, тем самым, через разъемный шлицевой узел 24 строго ориентируют в пространстве антенну 2, расположенную по оси X.
Для увеличения полосы рабочих частот (широкой полосы пропускания) каждая из антенн 1, 2, 5 выполнена, по меньшей мере, из трех ферритовых стержней с размещенными на каждом из них катушками 14. Электростатический экран 15 служит для дополнительного наведения плотности потока ЕИЭМПЗ на катушки 14. Выполнение поперечного зазора 16 в электростатическом экране 15 усиливает эффект наведения.
После настройки всего приемо-передающего устройства А (фиг.3) приступают к измерениям. Усилители (фиг.2) усиливают сигналы, снимаемые с катушек 14 антенн 1, 2 и 5, которые поступают на фильтры, выполненные перестраиваемыми для сканирования всего заданного диапазона частот, например от 1 до 200 кГц, которые поступают на передатчики для переадресации сигналов на устройство 4 обработки. Эти сигналы через приемо-передающее устройство и коммутатор устройства 4 поступают на аналого-цифровой преобразователь, где преобразуются в цифровой вид. Контроллер служит для управления работой периферийного оборудования. Обработка сигналов для нахождения указанных величин математических выражений осуществляется компьютером (ноутбуком).
Кроме того, устройство 4 обработки может вырабатывать управляющие сигналы, которые из компьютера через контроллер поступают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), а далее через коммутатор и приемо-передающее устройство устройства 4 передаются на приемник (фиг.2) приемо-передающего устройства А и через него на блок управления, который управляет перестройкой фильтров и функционированием передатчиков для наведенных на катушки 14 антенн 1, 2, 5 сигналов. Возможно использование различных функциональных схем приемо-передающего устройства А и устройства 4, которые определяются используемыми каналами связи и методами обработки.
На практике устройство работает следующим образом.
На профиле или участке исследований (фиг.4, 5) стационарно устанавливают приемо-передающие устройства А, измеряющие поля электромагнитной эмиссии геодинамической природы ЕИЭМПЗ. Для простоты чтения чертежа на фиг.5 показана связь приемо-передающих устройств А с устройством 4 обработки только для крайних магнитовариационных станций каждого ряда. Однотипную приемо-передающим устройствам А опорную станцию(ии) Б размещают на участке поверхности, заведомо свободной от геодинамических геоэлектрических неоднородностей для компенсации влияния модельных и инструментальных помех, нормирования результатов измерения устройством 4 обработки. Как уже отмечалось, входы/выходы приемо-передающих устройств А могут быть связаны с входами/выходами устройства 4 обработки. кабелем, радиоканалом или спутниковой связью и т.п.
Поскольку магнитными датчиками приемо-передающих устройств А являются три антенны с узконаправленной диаграммой направленности, форма которой резко зависит от анизотропии горных пород, антенну, расположенную по оси X, для всех приемо-передающих устройств А визируют в пространстве теодолитной трубой 10 с точностью не хуже 1 минуты строго в одном направлении, например по осям преимущественной ориентировки тектонических элементов, либо вдоль оси магистрального трубопровода. Любые другие методы визирования антенн при исследовании ВЧР полем электромагнитной эмиссии (глазомерный, с использованием компаса, буссоли и пр.) являются некорректными, поскольку погрешность визирования более 1° влечет за собой ошибку измерений до 50% и более.
Затем, в j-й момент времени на сети точек i-го профиля или мониторинга, где установлены приемо-передающие устройства А, проводят синхронные, одновременные измерения трех компонент магнитного поля Hx, Hy, Hz приемо-передающими устройствами А и опорной станцией Б в интервале регистрируемых частот Δf=1÷200 кГц. Компенсируют влияние модельных и инструментальных помех устройством 4 обработки с помощью измеренных Hx, Hy, Hz с опорной станции Б для выделения полезных сигналов.
Устройство 4 обработки представляет собой сервер, который вычисляет два основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметра-типпера Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, векторы Визе-Паркинсона, которые находят из соотношения между вертикальной компонентой Hz магнитного поля и его горизонтальными компонентами Hx и Hy. Далее строят графики частотных параметров-типперов Wzx=F(Δf) и Wzy=F(Δf) поля, связывающие спектры его различных компонент в одной и той же или различных точках и являющиеся в частотной области в качестве первичных данных, подлежащих интерпретации.
1
2
1
2
Устройство 4 обработки далее определяет путем интегрирования в спектре частот от 1 до 200 кГц комплексные величины - площади S и S, которые являются частотными характеристиками геоэлектрических условий в i-й точке для j-го момента времени и обеспечивают полное описание геологической среды, ее слоистой структуры и аномальных зон. По поведению типперов Wzx и Wzy и комплексных параметров S и S судят о формах, свойствах, структуре, интенсивности и местонахождении локальных неоднородностей, геодинамических зон ВЧР.
2
При изучении геодинамических зон ВЧР на основании графиков частотных зависимостей типперов Wzx и Wzy строят карты изолиний для j-х моментов времени и по времени запаздывания Δt изменений амплитуд сигналов от разных i-х точек сети мониторинга по отношению к сигналам опорных станции вычисляют скорости изменений типперов - ускорение α~1/с (развитие-затухание геодинамического процесса), что существенно повышает надежность прогноза активизации опасных геологических процессов.
Для повышения достоверности результатов изучения ВЧР полевые измерения и их интерпретацию производят одновременно с помощью установленного в устройстве 4 обработки программного обеспечения, обеспечивающего управление приемо-передающими устройствами А, опорными станциями Б сбор, передачу информации по радиоканалам GSM или спутниковой связи, хранение информации, ее обработку и отображение на дисплее сервера в режиме реального времени.
Наиболее успешно заявленное устройство для мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР промышленно применимо для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей и для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических техногенных процессов.