Способ морской электроразведки
METHOD FOR MARINE ELECTRICAL EXPLORATION

Изобретение относится к морской электроразведке и может быть использовано для изучения строения осадочного чехла и структуры верхней части земной коры с целью прогноза месторождений полезных ископаемых акваторий арктических морей, покрытых льдом.
Для морской электроразведки залежей углеводородов широко применяются различные методы, связанные с воздействием на морское дно импульсов электромагнитного поля, с последующей регистрацией изменений электромагнитных параметров придонных пород и анализом полученных данных для обнаружения имеющихся аномалий и определения их природы. Разведку осуществляют с помощью различных исследовательских комплексов аппаратуры и оборудования. Известны, в частности, способ и устройство для морской электроразведки нефтегазовых месторождений, предназначенные для прогнозирования залежей углеводородов в транзитной зоне шельфа при глубинах до 10 м (патент РФ №2375728, G01V 3/06). Способ реализуется с помощью комплекта донных станций и судна с генератором и блоком формирования возбуждающего поля, связанным с погруженным в воду горизонтальным буксируемым диполем с питающими электродами. Электроразведочный комплекс включает в себя также неизлучающее балластное устройство, аппаратуру для считывания и записи информации с донных станций, регистрации места и времени генерации импульсов тока и инициализации донных станций. Донные станции оборудованы расположенными вдоль или поперек линии возбуждения «косами», каждая из которых содержит не менее трех измерительных электродов, размещенных на расстоянии 50-500 м друг от друга.
Известны способ и система для геологических исследований дна моря с измерением удельной проводимости дна моря при магнитотеллурических исследованиях или электромагнитных исследованиях с использованием управляемого источника (патент РФ №2323456, G01V 3/08). Данное техническое решение касается создания донной магнитотеллурической системы и способа, посредством которых измеряют вертикальные магнитотеллурические импедансы, а также вертикальные электрические поля, образующиеся в результате действия излучателя электромагнитного поля. Разведочные блоки размещают на различных местах на дне моря в пределах площади, представляющей интерес для моделирования структуры дна моря. Спустя заданный период времени, который может быть от нескольких часов до нескольких дней, блоки поднимают на поверхность. Период времени, в течение которого собирают данные, зависит от скорости сбора данных и объема памяти в блоке обработки данных. Накопленные данные передают в систему обработки для анализа и вывода данных.
Однако геофизические исследования с использованием донных станций, очевидно, не могут быть применены на территориях, перекрытых льдами. Следует отметить, что поиску месторождений в полярных областях Земли препятствует огромное число практических трудностей, связанных с низкими температурами. Наличие льда усугубляет ситуацию. В морских районах, покрытых льдом, при наличии крупных волн или других препятствий разведка может стать более трудной, дорогой или даже невозможной. Например, в покрытых льдом водах разведочное судно должно прокладывать дорогу во льдах и лавировать в водах, заполненных обломками ледяного поля. Даже наличие впереди идущего ледокола не позволяет эффективно проводить исследования, так как разбиваемые льдины могут повредить корпус геофизического судна или привести к обрыву возбуждающей или приемной установки. Кроме того, обломки ледяного поля на поверхности воды делают буксировку источника и буксируемых кос более трудной и предрасполагают к их повреждениям. Например, любые компоненты системы на поверхности воды могут наталкиваться на лед, затягиваться под лед и теряться. Кроме того, на поверхности любых кабелей или буксирных тросов, выпускаемых с судна, даже со слипов, может нарастать лед, потенциально повреждающий кабели или буксирные тросы. Более того, лед, затягиваемый под корпус и всплывающий позади судна, может сдвигать эти кабели и тросы.
Очевидно, что на таких территориях целесообразно использовать методы, в которых источники и приемники поля располагаются на поверхности льда.
Известен, в частности, способ геофизической разведки месторождений углеводородов, согласно которому на поверхности льда создают отверстия, проходящие через морской лед до воды (патент РФ №2410728, G01V 3/12). Электроды источника и приемника опускают в указанные отверстия до тех пор, пока электрод не будет находиться в контакте с водой под морским льдом. В отверстие добавляют достаточное количество проводящей жидкости, чтобы покрыть часть электрода. Проводящую жидкость оставляют в отверстии до ее замерзания. Данная технология хорошо закрепляет электрод, обеспечивает хороший контакт электродов с регистрирующими приборами. Способ обеспечивает осуществление морской геофизической разведки, при котором можно использовать обычную наземную технологию работ с управляемым источником: токовые контуры развертывают на льду, и сигналы, распространяющиеся по путям под поверхностью льда, принимаются другими токовыми контурами, расположенными на некотором расстоянии от источников. В данном случае морская разведка осуществляется без необходимости использования буксира, размещения приемников на дне и их последующего извлечения.
Известен также способ морской электроразведки на дрейфующей льдине с использованием исследовательского комплекса, состоящего из возбуждающих и приемных установок, источника знакопеременных периодических импульсов тока и установки обработки данных (патент РФ №2069375, G01V 3/06, прототип). Способ заключается в том, что возбуждающую установку и приемные установки размещают вертикально подо льдом в слое воды. Подачу импульсов проводят источником знакопеременных периодических импульсов тока силой в несколько десятков ампер с помощью ЭРС 72 или иной установки, обработку данных с помощью цифровой электроразведочной станции типа ЦЭС. Профилирование разреза осуществляют с фиксированным расстоянием между точками возбуждения и приема сигналов после воздействия знакопеременным импульсом.
К недостаткам известных технических решений следует отнести проблемы, связанные с ограниченностью энергетического ресурса необходимых при работах с контролируемым источником генераторных установок, которые должны автономно размещаться на льдине. К тому же высокая проводимость морской воды, являющейся мощным экраном, существенно затрудняет изучение морского дна. Все это ограничивает глубинность геофизических исследований. Кроме того, в описанных методах измеряют только компоненты электрического поля, что также ограничивает возможности исследований.
Выходом из этой ситуации является переход от измерений с контролируемым источником к измерениям магнитотеллурических полей, обладающих существенными достоинствами, такими как:
- компактность приемной установки позволяет выполнять работы в сложных условиях;
- отсутствие необходимости в искусственном источнике электромагнитного поля за счет использования магнитотеллурических вариаций;
- относительно небольшой вес оборудования - около 15 кг для одной точки зондирования;
- отсутствие ограничений по глубинности исследований при любых вариациях проводимости осадочного чехла.
Работы, связанные с измерением данных МТЗ на поверхности льда, в принципе известны. Подобные измерения проводились, например, при исследовании Байкальской рифовой зоны (Ю.Ф. Мороз, Т.А. Мороз. Глубинный геоэлектрический разрез байкальского рифта // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2012, №2, выпуск №20). Однако эти данные касаются измерений на неподвижном льду, когда толщина его достигала 1-1.5 м. Кроме того, пресная вода Байкала (удельное электрическое сопротивление воды 200-300 Ом⋅м) не создавало серьезной помехи для изучения глубинной электропроводности впадины оз. Байкал.
Задачей изобретения является расширение арсенала технологий, предназначенных для морской электроразведки с устранением указанных выше недостатков аналогов, а именно повышение глубинности исследований и обеспечение достоверности информации, получаемой о геоэлектрическом разрезе на территориях, перекрытых льдом.
Техническим результатом изобретения является создание способа морской геофизической разведки путем измерения магнитотеллурического поля при работах в полярных областях на поверхности дрейфующего льда, позволяющего получать достоверную информацию о геологической структуре под морским дном, с обеспечением глубинности исследований до 10000 м.
При этом в качестве источника геофизической информации о свойствах пород могут быть использованы данные как стандартных измерений МТЗ, ориентированных на выделение разнопериодных колебаний (в том числе АМТЗ), так и данные, обусловленные вариациями типа магнитных бурь (вариации с резким изменением поля), а также вариациями типа суббурь и резких всплесков МТ поля, обусловленных дальними грозами.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе морской электроразведки, включающем регистрацию электромагнитных данных на поверхности дрейфующей льдины, направление дрейфа которой корреспондируется с проектным направлением заданного профиля наблюдений, проходящим над зоной исследования, получение информации о распределении удельного сопротивления пород, залегающих под морским дном, построение модели геоэлектрического разреза и составление прогноза о наличии месторождений полезных ископаемых (в том числе залежей УВ), согласно изобретению геофизические исследования осуществляют путем магнитотеллурического зондирования (МТЗ), для чего на указанной дрейфующей льдине располагают регистрирующую станцию данных МТЗ, при этом осуществляют измерения магнитотеллурического поля на каждой конкретной частоте, привязанные к соответствующей точке на профиле, координаты которой изменяются за счет дрейфа льдины, указанные координаты фиксируют при каждом измерении, осуществляют регистрацию данных МТЗ, АМТЗ и откликов на резкие изменения магнитотеллурического поля, по полученной совокупности данных восстанавливают распределение электрической проводимости геологической среды и делают прогноз о наличии или отсутствии искомых объектов, связанных с полезными ископаемыми в зоне проведения исследований.
При восстановлении распределения электрической проводимости геологической среды под морским дном вдоль нелинейного, за счет свободного перемещения льдины в пространстве, профиля измерений используют решение трехмерной задачи путем подбора модели геологической среды, удовлетворяющей всей совокупности полученных данных МТЗ.
Кроме того, в дополнение к измерениям данных МТЗ измеряют данные магнитовариационных зондирований (МВЗ).
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведена карта дрейфа дрейфующей станции Северный полюс - 37, СП - 37.
На фиг. 2 показан модельный геофизический разрез (типичный для шельфа Карского моря) вдоль профиля, представляющий собой многослойную среду, в которой на глубине 2000 м находится целевой объект, протяженность которого составляет 10 км, а мощность 35 м, обладающий повышенным удельным сопротивлением (1 Омм).
XY
На фиг. 3 показаны графики аномальных значений кажущегося удельного сопротивления ρ, вычисленные по х, у - составляющим измеряемого поля, показывающие, что целевой объект четко выделяется в разрезе.
На фиг. 4 показано реальное расположение точек измерения на конкретной частоте относительно середин участков профиля.
На фиг. 5 приведен геоэлектрический разрез, полученный в результате интерпретации модельных данных.
На фиг. 6 приведен пример резкого изменения электрического поля во время суббури.
На фиг. 7 показаны результаты моделирования магнитотеллурических данных для резкого изменения поля.
На фиг. 8 показаны результаты моделирования магнитотеллурических данных для прямого и изогнутого профилей измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что измерения осуществляют на дрейфующей льдине, что обуславливает появление новой модификации МТЗ с распределенными данными, в которой измерение на конкретной частоте привязано к своей точке на профиле измерений.
В стандартном методе МТЗ в качестве основных характеристик используется тензор импеданса [Z], определяемый из соотношений между горизонтальными компонентами электрического и магнитного полей
E
[Z]H
τ
τ
=, где
Е
Е
τ
τ
Ех,Еу
=(),
H
H
τ
τ
Нх,Ну
=()
ξ
η
При этом в каждой точке размещения датчиков измеряется зависимость компонент поля от частоты, . В данном случае, за счет дрейфа льдины, измерения на каждой частоте происходят в каждой отдельной точке профиля, то есть составляющие поля могут быть представлены в виде E  где (,) - координаты точки профиля, на которой проводится измерение на частоте ω.
Это приводит к новой пространственно-временной (пространственно-частотной) модификации задачи МТЗ, решение которой требует применения многомерного моделирования и инверсии и корректировки методики анализа полученных данных. В общем случае обратная задача электромагнитного зондирования, использующего магнитотеллурическое поле, заключается в определении электропроводности Земли по зависимости тензора импеданса от положения точки наблюдения и частоты вариаций МТ поля. Учитывая некорректность такой задачи, ее решение имеет смысл только в случае, когда, опираясь на априорную информацию о строении изучаемой среды, область поиска ограничивается и ищется приближенное решение обратной задачи внутри компактного множества правдоподобных моделей. Это и позволяет достаточно эффективно применять предлагаемый способ.
В качестве дополнения к методу МТЗ может быть использован метод магнитовариационного зондирования (МВЗ), на который не так сильно влияют приповерхностные неоднородности и позволяющий получать достаточно надежную информацию о погруженных геоэлектрических структурах. В этом методе основной характеристикой является вектор Визе-Паркинсона  (типпер), определяемый из связи вертикальной и тангенциальных компонент магнитного поля:
Hz
W
H
τ
=[]
Здесь, как и в случае МТЗ, имеют место особенности, связанные с тем, что измерения на каждой частоте происходят в отдельной точке профиля. В этом случае обратная задача заключается в определении электропроводности Земли по зависимости тензора импеданса и компонент типпера от положения точки наблюдения и частоты вариаций поля.
В точках, где имеет место резкое изменение поля, фиксируется переходный процесс, наличие которого позволяет решать отдельную обратную задачу зондирования, аналогичную известной обратной задаче зондирования МПП. Возможность использования таких измерений в магнитотеллурике показана в работе - «О магнитно-теллурическом методе переходных процессов (МТМПП) с резким изменением поля», М.М. Лаврентьев, М.Г. Ноппе, К.Г. Резницкая / Геофизические методы поисков и разведки месторождений рудных полезных ископаемых в Сибири. - Новосибирск, 1975. - С. 31-39.
При реализации способа приемные датчики МТЗ и связанную с приемными датчиками регистрирующую станцию МТЗ размещают на льдине, направление дрейфа которой примерно совпадает (корреспондирует) с направлением заданного профиля наблюдений, проходящего над зоной исследования, о которой необходимо получить геологическую информацию. Выбор льдины осуществляют после консультации с соответствующими службами. При этом, за счет свободного перемещения (дрейфа) льдины в пространстве, формируется соответствующий, отличный от линейного, профиль наблюдений МТЗ.
Общее представление о возможном реальном профиле измерений можно получить из фиг. 1, где приведена карта дрейфа дрейфующей станции Северный полюс - 37, СП - 37.
Общий дрейф станции за весь период работы составил 2076 километров. Средняя скорость дрейфа - 7,7 километра в сутки.
Одной из проблем, возникающих при измерениях на поверхности льда, является измерение электрических составляющих поля. Такие измерения целесообразно осуществлять с помощью специальных устройств заземления для морской и речной электроразведки, например, согласно патенту РФ №113026. В качестве станции МТЗ может быть использована, например, пятиканальная станция MTU-5A производства фирмы "Феникс" (Канада). При каждом измерении МТ-поля фиксируют координаты точки, в которой измерение проведено. Полученную совокупность электромагнитных данных анализируют с выделением разнопериодных колебаний и резких изменений магнитотеллурического поля.
Совокупность профильных данных, получаемых при реализации изобретения, позволяет найти распределение удельного электрического сопротивления пород, залегающих под морским дном, вдоль проходимого профиля, что обеспечивается решением обратной трехмерной задачи МТЗ путем подбора модели геологической среды, удовлетворяющей всей совокупности данных МТЗ на данном профиле.
В качестве примера, иллюстрирующего реализацию способа, на фиг. 2 показан модельный разрез (типичный для шельфа Карского моря) вдоль профиля, представляющий собой многослойную среду, в которой на глубине 2000 м находится целевой объект, протяженность которого составляет 10 км, мощность 35 м, обладающий повышенным удельным сопротивлением (1 Омм).
На профиле с равным шагом располагают 140 точек АМТЗ. Зондирования АМТЗ осуществляют в течение 25 минут (70 метров дрейфа льдины, которые в первом приближении будем считать сосредоточенными в центральной точке). Кроме того, за сутки проводят три зондирования МТЗ. То есть проводят одно зондирование на протяжении 1333 м движения по профилю. На каждом таком отрезке профиля осуществляют измерения на двадцати различных частотах, характерных для обычных МТЗ, распределенных в случайном порядке.
Результаты моделирования приведены на фиг. 3, где показаны графики аномальных значений кажущегося удельного сопротивления рху, вычисленные по х, у - составляющим измеряемого поля, показывающие, что целевой объект четко выделяется в разрезе. Выделенные точки на графиках соответствуют серединам участков профиля, на протяжении которых осуществлялось измерение кривой зондирования МТЗ, соответствующей заданному набору частот. Реальное расположение точек измерения на частоте 0.0093 Гц в сравнении с положением середин участков профиля показано на фиг. 4. Аномалии четко фиксируют положение целевого объекта на профиле.
Результаты интерпретации модельных данных в виде разреза удельного сопротивления приведены на фиг. 5, где фиксируется аномальная зона, соответствующая положению целевого объекта.
В отдельных точках профиля возможно возникновение резкого изменения магнитотеллурического поля, как это показано на фиг. 6, что создает возможность фиксации и анализа возникающего переходного процесса.
На фиг. 7 демонстрируются результаты моделирования магнитотеллурических данных для резкого изменения поля. Приведены кривые кажущейся продольной проводимости S(t) для случая расположения точки с резким изменением поля над целевым объектом, точка А, и на удалении 10 км., точка В, а также показан график аномальных значений S(t) в центральной точке А. Из графика (фиг 6) видно, что наличие целевого объекта достаточно существенно влияет на поведение МТ поля. Кроме того, широкополосные временные кривые зондирования, получаемые при таких измерениях, позволяют уточнить параметры референтного разреза, что очень важно для выделения целевого объекта.
На фиг. 8 демонстрируются результаты моделирования магнитотеллурических данных для прямого А и нелинейного (изогнутого) В профилей (фиг. 8а), пересекающих целевой объект в плане (в плоскости XY). При этом целевой объект сначала был задан бесконечно протяженным по оси Y, а затем ограниченным с удалением его поперечной границы от профиля на 20 км. Сравнение результатов моделирования магнитотеллурических данных проводилось по краю целевого объекта (по направлению оси X) и в его центре (точки 1 и 2, фиг. 8а). Результаты моделирования для ограниченного объекта (в процентах относительно данных, полученных для бесконечно протяженного объекта) показаны для точек 1 и 2 на фиг. 8б и фиг. 8в, соответственно. Видно, что изогнутый профиль в данном случае более чувствителен к геометрии целевого объекта, следовательно, это позволит точнее восстановить параметры целевого объекта при 3D-инверсии. Влияние поперечной границы объекта проявляется ближе к краю объекта (точка 1), тогда как в центре объекта (точка 2) отличия от результатов с протяженным объектом находятся на уровне вычислительной погрешности около 1.5%.
В целом, техническое решение, охарактеризованное совокупностью существенных признаков, включенных в формулу изобретения, обеспечивает достижение заявленного технического результата, а именно получение достоверной информации о геологической структуре под морским дном путем измерения магнитотеллурического поля на поверхности дрейфующего льда с обеспечением глубинности исследований до 10000 м.