Способ электроразведки для изучения трехмерных геологических структур
METHOD OF ELECTRICAL EXPLORATION FOR THE STUDY OF THREE-DIMENSIONAL GEOLOGICAL STRUCTURES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к геоэлектроразведке и может быть использовано для проведения поисков геологических объектов, в частности залежей углеводородов, рудных и кимберлитовых тел методами становления электромагнитного поля, но также может быть использовано в частотном режиме.
Уровень техники
Известен способ электроразведки (SU №1062531 Способ геоэлектроразведки / Могилатов B.C.; опубл.23.12.83, Бюл. №47), при котором в Земле возбуждают электрическое поле путем осесимметричного введения электрического тока в Землю и измеряют параметры электрического поля по профилям, радиально расходящимся от точки введения осесимметричного электрического тока в Землю. При этом осесимметричное введение тока в Землю обеспечивается равномерным расположением наружных питающих электродов (заземлений) по окружности и присоединением их посредством радиальных линий к одному полюсу источника тока. Величина радиуса окружности определяется требуемой глубиной исследования. При этом внутренний питающий электрод заземляют в центре окружности, образованной наружными питающими электродами, и присоединяют к другому полюсу источника тока. Такой источник со времени опубликования способа называют круговым электрическим диполем (КЭД).
Измерения электрического поля проводят по профилям, являющимся продолжением радиусов окружности, образованной наружными электродами. В предлагаемом способе электрический сигнал вдоль радиального профиля обеспечивает высокую разрешающую способность выявлять объекты типа «залежь». На основе заявленного способа развит и применяется метод зондирований вертикальными токами (ЗВТ), показанный на фиг. 1.
Недостатком способа является требование равенства токов во всех линиях при одновременном вводе тока в Землю (осесимметричное введение тока в Землю), которое технически трудно осуществимо, особенно в импульсном режиме. Собственно, на сегодня соответствующее техническое решение реализовано всего в нескольких экземплярах.
Также предлагается измерять только радиальную электрическую составляющую, которая содержит суммарный отклик от неоднородности и от вмещающей толщи. В целом, способ сложен в реализации, что приводит к ограниченности его использования в геофизической практике и не реализует все свойства и преимущества переменного поля ТМ-поляризации, в частности, не позволяет эффективно, в отсутствии фонового поля, по измерениям магнитного поля прямым образом определять положение геологической неоднородности.
Наиболее близким к предлагаемому является способ морской электроразведки (SU №150184, Устройство для морской электроразведки / Назаренко О.В.; опубл. 1962), в котором в качестве источника предложено использовать вертикальную электрическую линию, помещаемую в морскую толщу от поверхности моря ко дну. Действительно, такой источник, в принципе, является идеально азимутально-изотропным сторонним током (поскольку весь сосредоточен на вертикальной оси), и, следовательно, реализует в любом режиме (постоянный, гармонический и импульсный ток) ТМ-поляризацию электромагнитного поля в Земле. Нет проблемы с осесимметричным введением тока в Землю по сравнению с КЭД, поскольку ток вводится только в одну линию (вертикальную).
При этом предлагается измерять вертикальную электрическую компоненту электромагнитного поля. Электрическая компонента (как и все компоненты ТМ-поляризованного поля внутри среды) обладает повышенной чувствительностью к горизонтально-слоистой структуре геоэлектрического разреза, и в этом состоит основное преимущество известного изобретения.
Однако известный способ обладает существенными недостатками, которые делают его практически малопригодным в реальных условиях. Длина вертикальной линии (а, значит, и мощность источника) зависит от глубины моря. Как известно, глубина моря на шельфе составляет максимально до 300-500 метров. Следовательно, и длина источника (вертикальной линии) не может превышать этой глубины. А работы ведутся и на меньших глубинах (несколько десятков) метров. Один важный недостаток состоит в необходимости строго контролировать вертикальность токовой линии, что весьма трудно осуществить в условиях морских течений и волнений. Возможность реализации ТМ-поляризованного поля весьма критична к геометрии. Известный способ можно применять и на Земле, помещая линии в необсаженные скважины. Однако применение данного способа в наземном варианте наталкивается на еще большие трудности. Далеко не всегда есть скважины в нужном месте и трудно найти строго вертикальные скважины.
Другой недостаток известного способа относится к измерительной части. Вертикальная электрическая компонента, которую предложено измерять в известном способе, действительно чувствительна к параметрам вмещающей толщи, но более интересным является выявление горизонтальной неоднородности в разрезе. В целом, использование в известном способе двух вертикальных линий (источник и приемник) делают измеряемые сигналы весьма неустойчивыми в морских условиях. Неустойчивость, недостоверность измеряемых сигналов практически разрушают высокую чувствительность и разрешающую способность способа, как принципиальной схемы.
Заявленное изобретение относится к геоэлектроразведке с контролируемыми источниками. В настоящее время новым направлением является использование в геоэлектроразведке источников ТМ-поляризованного электромагнитного поля. Предложенными, запатентованными и развивающимися источниками такого рода являются круговой электрический диполь и вертикальная линия. Вертикальную линию применяют только в море. На поверхности земли и водной поверхности можно использовать другой источник - круговой электрический диполь. Круговой электрический диполь - это 8 горизонтальных, заземленных по концам линий, один конец которых расположен в центре круга, а второй конец находится на окружности, при этом соблюдается условие, что все восемь линий находятся на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, и электрический ток, подаваемый в линии, одинаков в любой момент времени. Для работы кругового электрического диполя необходима специализированная аппаратура для создания одинакового тока во всех восьми электрических линиях. Эта аппаратура весьма дорога, сложна в изготовлении и выпускается в единичных экземплярах.
В заявленном техническом решении поочередно вводят ток в восемь электрических линий, используя обычные генераторы тока, широко применяемые в геоэлектрике
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является радикальное упрощение технической реализации источника ТМ-поляризованного электромагнитного поля, расширению его использования и, тем самым, существенное повышение эффективности электромагнитных зондирований Земли при выявлении слабых латеральных неоднородностей (например, типа «залежь нефти»).
Технический результат заявленного изобретения заключается в существенном повышении эффективности электромагнитных зондирований Земли при выявлении слабых латеральных неоднородностей (например, типа «залежь нефти»).
Заявленный технический результат достигается за счет способа электроразведки для изучения трехмерных геологических структур, включающего формирование источника электромагнитного поля, при котором располагают восемь горизонтальных радиальных заземленных линий, сходящихся к центру через равные угловые интервалы, с радиусом, соответствующим глубине исследований, и заземленных центральным электродом, подачу импульсного тока в каждую горизонтальную радиальную заземленную линию сформированного источника электромагнитного поля, выделение переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной поляризации и измерение электромагнитного переходного сигнала-отклика исследуемой среды, причем подают импульсный ток в горизонтальные радиальные заземленные линии поочередно, измеряют электромагнитный переходной сигнал-отклик исследуемой среды при поочередном возбуждении от подачи импульсного тока в каждую из линий, при этом фиксируют значение фактического тока горизонтальной радиальной заземленной линии, выделяют в отклике от исследуемой среды вклад переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации посредством суммирования нормированных на фактический ток откликов при возбуждении среды от каждой из восьми горизонтальных радиальных заземленных линий.
В частном случае реализации заявленного способа упомянутый источник электромагнитного поля располагают на поверхности или на дне моря.
В частном случае реализации заявленного способа упомянутый источник электромагнитного поля в с поочередным питанием каждой радиальной линии, располагают на дрейфующей льдине, а центральный и внешние электроды заземляют в морскую воду через отверстия во льду.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - метод зондирований вертикальными токами.
Фиг. 2 - модель среды.
Фиг. 3 - карта изолиний площадного сигнала для модели.
Фиг. 4 - пример переходного сигнала в площадном отображении на фиксированном (здесь 21 мкс) времени в полевых работах в Финляндии.
Фиг. 5 - пример трехмерной визуализации площадных переходных сигналов в полевых работах в Финляндии.
Раскрытие изобретения
Изобретение характеризует геоэлектроразведку с контролируемыми источниками с использованием в геоэлектроразведке источников ТМ-поляризованного электромагнитного поля, источником которого являются круговой электрический диполь.
Круговой электрический диполь (КЭД), как известно - это восемь горизонтальных заземленных линий, один конец которых расположен в центре круга, а второй конец находится на окружности, при этом соблюдается условие, что все восемь линий находятся на одинаковом угловом расстоянии друг от друга и в известном техническом решении электрический ток, подаваемый в линии, одинаков в любой момент времени.
В пределах участка работ располагают восемь горизонтальных заземленных линий, сходящихся к центру под углом 45 градусов, с радиусом (длиной линий), соответствующим глубине исследований. В пределах участка измеряют электромагнитное поле. Удаление измерителя от центра установки может составлять до 5 радиусов источника. Таким образом, при одном закрепленном источнике радиусом 1000 м оперативно исследуется площадь до 100 кв. км.
В заявленном техническом решении поочередно вводят в восемь электрических линий ток, при этом используют обычные генераторы тока широко применяемые в геоэлектрике.
Результаты восьми измерений электромагнитного поля при возбуждении от каждой электрической линии суммируют с нормировкой на значение тока в линии. Такая технология позволит оставить вклад только ТМ-поляризованного поля. Поочередное возбуждение радиальных линий позволяет использовать традиционную одноканальную силовую аппаратуру.
Заявленный способ электроразведки для изучения трехмерных геологических структур включает этапы, на которых:
измеряют электромагнитный переходной сигнал-отклик исследуемой среды при поочередном возбуждении от подачи импульсного тока в каждую из линий, образующих конфигурацию кругового электрического диполя с радиусом R, соответствующим глубине исследования, и при этом фиксируют значение фактического тока в линии, что существенно облегчает техническую реализацию и позволяет работать с обычной одноканальной силовой аппаратурой;
выделяют в отклике от исследуемой среды вклад переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации посредством суммирования нормированных на фактический ток откликов при возбуждении среды от каждой из 8 радиальных линий.
Преимущества заявленного способа в поочередном использовании разных линий:
1) при такой работе нет необходимости выравнивать токи в лучах в режиме реального времени, можно использовать существующую аппаратуру для поочередной подачи импульсов в каждую линию;
2) это дает возможность существенно увеличить точность измерений, т.к. нет необходимости выравнивать токи в восьми лучах, что сложно и ненадежно, а нужно только измерять ток во время каждого импульса и нормировать измеренные сигналы на ток, поданный в линию;
3) измерения, полученные таким образом, можно одновременно использовать для принципиально разных методов - с использованием ТМ-поляризованного поля и с традиционными данными, полученными от горизонтальных разноориентированных линий. Такой подход позволит существенно повысить достоверность результатов геофизических работ.
В варианте реализации предлагаемый источник электромагнитного или располагают на поверхности или на дне моря.
В варианте реализации предлагаемый источник электромагнитного поля в виде КЭД с поочередным питанием каждой радиальной линии, располагают на дрейфующей льдине и центральный и внешние электроды заземляют в морскую воду через отверстия во льду.
Эффективность предлагаемого способа связана с доказанной эффективностью применения ТМ-поляризованного поля в виде нового метода электроразведки -зондирований вертикальными токами (ЗВТ).
Можно показать эффективность предлагаемого способа электромагнитного зондирования Земли средствами трехмерного математического моделирования.
На фиг. 2 показана сформированная нами теоретическая модель среды, которая представляет собой тело (сопротивление 1 Ом⋅м) в форме буквы «Н» во вмещающей среде с сопротивлением 20 Ом⋅м на глубине 400 м. Результат расчета отклика среды представлен на фиг. 3 в виде карты изолиний площадного сигнала на времени 9.7 мс. В площадном изображении измеряемого сигнала от радиального тока мы отчетливо видим контур неоднородности (букву «Н»).
Заявленное техническое решение существенно облегчает техническую реализацию, позволяя применять обычную, традиционную аппаратуру, вместо сложной, и, фактически, уникальной аппаратуры для одновременного питания радиальных линий кругового электрического диполя (КЭД) равными токами.
На фиг. 4 и фиг. 5, показаны результаты полевых исследований по определению рудного тела (литиевый пегматит) посредством зондирований вертикальными токами (ЗВТ) (Каустинен, Западная Финляндия, 2009 г. Результаты опубликованы в работе Злобинский А.В., Квашнин К.А., Могилатов B.C. Электроразведка методом ЗВТ. Рудные работы в Финляндии // Геофизика. - 2010. - N 6. - С. 53-57).
На фиг. 4 показан площадной сигнал на фиксированном времени (21 мкс) переходного процесса от источника в виде радиального стороннего тока (т.е. КЭД).
На фиг. 5 трехмерная визуализация площадных переходных сигналов. Практически, рудное тело мы увидели прямо в полевых сигналах.
Конкретный пример реализации заявленного способа. При работах в Финляндии источником электромагнитного тока являлся круговой электрический диполь (КЭД), реализованный 8-ю радиальными линиями. Радиус КЭД был 200 м (длина каждой линии). Одно общее заземление всех линий устраивалось в центре КЭД, а остальные 8 заземлений располагались на окружности КЭД. Ток во всех 8-ми линиях был одинаков.
Общий ток в КЭД составил 4.48 А. Измерения производились стандартной электроразведочной аппаратурой для измерения переходных процессов. На каждом пикете посредством индуктивного датчика измерялся переходной сигнал от поперечно-магнитного поля, возбуждаемого установкой КЭД. По мере выполнения работ строятся площадные рельефы (срезы) сигнала на фиксированных временах. Поскольку сигнал поперечно-магнитного поля непосредственно связан с неоднородностью, рельеф сигнала прямо указывает на неоднородность в плане (рис. 4, время 21 мкс). На каждом пикете мы имеем переходную кривую, следовательно, мы имеем куб данных и можем сделать трехмерную визуализацию, которая четко описывает форму и положение рудного тела (рис. 5). Такие площадные и трехмерные изображения являются, собственно, результатом работ. Желательно также подкрепить этот результат прямым математическим трехмерным моделированием, что было сделано в данных работах.