Способ магнитотеллурической разведки

 

Использование: в геофизике, точнее к геоэлектроразведке магнитотеллургическими методами с использованием синхронных измерений компонент магнитотеллургического поля и предназначено для исследования горизонтально-неоднородных геоэлектрических разрезов при поисках нефти и газа. Сущность изобретения: синхронные измерения компонент магнитотеллургического поля выполняют в ограниченном целевом частотном диапазоне, соответствующем перспективному стратиграфическому или глубинному интервалу разреза. При обработке по импедансным и адмитансным оценкам по нескольким независимым решениям на каждой частоте получают магнитотеллургические параметры t и m, связывающие электрические и магнитные поля в полевой и базисной точках, оценивают их почастотные погрешности. Корректируют параметры по допустимым пороговым отклонениям от среднего, рассчитывают погрешности и сравнивают их для выборок без коррекции и с коррекцией. Фиксируют выборки с минимальными погрешностями параметров на каждой частоте. В дальнейших частотах используют только эти выборки. По текущим значениям магнитотеллургических параметров в выборках с минимальными их погрешностями рассчитывают текущие значения на каждой частоте параметров Z^a= t/m; Z^a,i= 0,5 t/(m-0,5) их средние значения и почастотные погрешности. По средним значениям строят частотные характеристики параметров t, m, Z^a, Z^a,i, ΔZ^a, а также их графики или карты на наиболее информативных частотах целевого диапазона. Получают также графики или карты интегральных характеристик параметров t^u, m^u на целевых частотах, представляющих произведение значений данного параметра на двух или нескольких периодах в каждой точке профиля (площади). По комплексу полученных параметров судят о наличии и распределении геоэлектрических неоднородностей в пределах изученного стратиграфического интервала разреза на площади, а по оценкам погрешностей параметров - о достоверности и точности их выявления.

Изобретение относится к геофизике, точнее к области геоэлектроразведки магнитотеллурическими (МГ) методами с использованием синхронных измерений компонент МГ поля и может быть использовано при изучении горизонтально неоднородных геоэлектрических разрезов (ГЭР) с целью поиска и разведки нефтяных и газовых месторождений. Известно несколько способов МГ разведки, базирующихся на оптимальных частотах (периодах). Понятие оптимальных частот или периодов, пришедшее из анализа поведения компонент МТ поля над горизонтально неоднородными ГЭР, включает диапазон частот или фиксированную частоту (период), на которых наблюдается максимальное проявление аномалий электрического и магнитного полей (совместно или раздельно) от известной неоднородности, и регистрацию и обработку вариаций в этих диапазонах периодов. Недостатками этих способов является то, что некоторые из них ориентированы лишь на избранные объекты (проводящие неоднородности), реализация других требует априорного знания параметров искомых неоднородностей, а также некоторых констант, определяемых для конкретных районов теоретическими соотношениями или моделированием. Все это значительно ограничивает применение данных способов, особенно в новых районах, где достоверные сведения о ГЭР ограничены. Наиболее универсальным способом, существенно снимающим указанные ограничения и недостатки и наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ синхронных МТЗ (КМТЗ), основанный на синхронных многочастотных (0,001-10 Гц) измерениях компонент МТ поля в базисном и полевых пунктах и получении частотных характеристик, связывающих электрические и магнитные поля в полевой и базисной точках. Основными недостатками данного способа являются недостаточная точность и разрешающая способность при решении ряда задач выявления и классификации горизонтальных неоднородностей (ГН) в сложных ГЭР, определяемые в основном методикой измерений и обработки сигналов, а также низкая производительность и высокая стоимость. Целью изобретения является повышение точности. Цель достигается тем, что измерения и обработку МТ вариаций выполняют в целевых диапазонах периодов, непосредственно связанных с исследуемым интервалом разреза, при обработке данных полевых измерений для получения значений компонент электрического t и магнитного m поля, импедансов в нормировании на полное Z и внутреннее Z магнитное поле и других характеристик используют специальную схему вычислений, а для интерпретации, кроме традиционных характеристик, используют новые информативные параметры - аномальный импеданс Z^a, аномальный нормированный импеданс Z^ai, дифференциальный импеданс Δ Z^a, интегральные характеристики теллурического t^u и магнитного m^u параметров в целевых диапазонах периодов. В предлагаемом способе измерения и обработку МТ вариаций производят в ограниченных целевых диапазонах периодов. Под целевыми периодами или диапазонами периодов (частот) понимаются интервалы периодов, относящиеся по принципу скин-эффекта к перспективным стратиграфическим (глубинным) интервалам геологического разреза, собственно с целью изучения которых имеет практический смысл применение МТ разведки. При этом измеряемые и получаемые в процессе обработки МТ параметры в целевом диапазоне периодов будут однозначно связаны с исследуемым (целевым) интервалом разреза и несут максимальную информацию о его геоэлектрических свойствах. Действительно, толщина h скин-слоя (глубина проникновения электромагнитного поля) h = λ/2π = /2π, (1) где λ - длина электромагнитной волны; Т - период вариаций; р_е - продольное электрическое сопротивление, зависит от периода колебаний МТ поля и продольного сопротивления пород. Отсюда при известной толщине скин-слоя (глубина интервала разреза, подлежащего исследованию) и значения р_e можно найти необходимый период колебаний: T = . (2) Анализируя выражение (2) на экстремумы, можно легко перейти к формуле, определяющей граничные значения периодов, т.е. целевой диапазон периодов: ≅ T^j_i ≅ ,, (3) где j - номер целевого диапазона периодов; Т_i - текущий период внутри целевого диапазона; h_{k min} - минимальная глубина кровли исследуемого комплекса пород в пределах площади; h_{n max} - максимальная глубина подошвы того же комплекса пород;
р_{e min} - минимальное продольное сопротивление вышележащих отложений до подошвы исследуемого участка пород;
р_{е max} - максимальное продольное сопротивление вышележащих отложений по кровли того же участка пород. Значения соответствующих параметров (h_{k min}, h_{n max}, p_{e min}, p_{e max}), необходимых для расчета целевого диапазона периодов, могут быть получены по данным сейсморазведки и глубокого бурения. Наиболее точно и достоверно значения p_е могут быть определены по результатам обработки данных стандартной электрометрии глубоких скважин. Цель достигается также тем, что при обработке данных, помимо традиционных параметров, получают новые информативные параметры - аномальный импеданс, аномальный нормированный импеданс, дифференциальный импеданс, интегральные характеристики теллурического и магнитного параметров, обладающие повышенной разрешающей способностью, использование которых при интерпретации повышает точность способа. В прототипе основным параметром является импеданс, нормированный на полное магнитное поле Z или на внутреннее Zⁱ, определяемый через импеданс в базисной (эталонной) точке и значения компонент электрического t и магнитного m тензоров в произвольной (полевой) точке, упрощено:
Z^п = Z^Б , (4)
Z^П,i = Z^Б , (5) где индексы П и Б обозначают соответственно полевую и базисную точки. При этом в КМТЗ обязательным и имеющим важное практическое значение имеет анализ частотных характеристик, графиков или карт компонент t и m с целью выяснения природы и характера искажений ГН, установления частотных и пространственных интервалов отсутствия искажений. Аномальный импеданс, рассчитываемый по формуле
Z^a = , (6) учитывает одновременно особенности поведения компонент t и m, однако физическая сущность и характер изменения его ранее не анализировались. Он в явном виде [см. выражение (4)] участвует в вычислении импеданса в полевых точках. Физический смысл его становится очевидным, если выражение (4) с учетом (6) представить в виде:
Z^П = Z^Б ˙ Z^a, (7) откуда
Z^a = Z^П/Z^B. (8)
Величина Z^Б в формуле (4), (7) представляет постоянный коэффициент (с точностью до периода), характеризующий импеданс горизонтально однородной среды в принятой модели (если базисная точка удовлетворяет этим условием) Z^а, представляя отношение ортогональных компонент электрического и магнитного тензоров (см. формулу (6)), также имеет физический смысл импеданса. С другой стороны, он представляет импеданс полевой точки, нормированный на импеданс базисной точки (см. формулу (8)), т.е. на горизонтально однородную среду. При этом импеданс произвольной точки в горизонтально неоднородном разрезе, нормированный на полное магнитное поле, подвержен искажающему действию ГН, расположенных как в окрестности данной точки (в основном избыточные заряды), так и в стороне от нее (в основном избыточные токи). Поэтому, согласно (8), Z^а, представляя относительный импеданс произвольный точки, приведенный к условиям горизонтально однородной среды, т.е. со снятием горизонтально однородного фона, характеризует, как и Z^a, горизонтально неоднородную (аномальную) часть МТ поля в данной точке, обусловленную действием ГН как в окрестности ее, так и на некотором удалении. Таким образом, аномальный импеданс Z^a, одновременно реагирующий на изменение t и m (совместное или дифференцированное), характеризует степень отличия ГЭР полевой точки от горизонтально однородной среды и содержит информацию о ГН в точке зондирования и боковых. Используя формулу (5), можно аналогично рассчитывать и анализировать параметр Z^a,i = (9) - аномальный нормированный импеданс. Повторяя аналогичные выкладки, легко показать, что
Z^a,i = Z^n,i/Z^Б, (10) т.е. также представляет импеданс, но нормированный на внутреннее магнитное поле и приведенный к условиям базисного пункта. Физический смысл его при этом сохраняется, но в отличие от Z^а, он характеризует не все аномальное поле, а лишь ту его часть, которая обусловлена ГН в точке зондирования. Это определяется отличиями импедансов, нормированных на полное и внутреннее магнитные поля. Таким образом, аномальный нормированный импеданс Z^а,i, также реагирующий на изменение электрического и магнитного полей, характеризует степень отличия ГЭР данной точки от горизонтально однородной среды и, следовательно, как и Z^n,i, повышает локальность и точность разведки, поскольку Z^n,i в значительной мере свободен от влияния боковых факторов. Очевидно также, что разностный параметр - дифференциальный импеданс
ΔZ^a = Z^a-Z^a,i = = (11) будет характеризовать вклад в МТ поле ГН, расположенных в стороне от точки зондирования, в его использование при интерпретации даст ценную геоэлектрическую информацию. При анализе графиков или карт компонент t и m на целевых периодах в реальных условиях приходится иметь дело со слабыми аномалиями (единицы, первые десятки процентов) на фоне соизмеримых погрешностей их вычисления при обработке (иногда до 20% и более). В таких условиях для повышения отношения сигнал/помеха предлагается использовать интегральные характеристики компонент t и m на целевых периодах. Сущность их сводится к пространственной фильтрации функции параметра на одной частоте фильтром, представляющим функцию координат того же параметра на соседней частоте или последовательно на нескольких ближайших частотах в пределах целевого диапазона. Физикогеологической основой такой трансформации является проявление ГН не на одной фиксированной частоте, а в некотором целевом интервале вследствие конечных размеров неоднородностей и зависимости аномальных полей гальванической и индукционной природы от частоты зондирования. На практике эта функция (интегральная характеристика параметра) представляет собой произведение значений этого параметра на двух или нескольких периодах в каждой точке профиля (площади):
t^u = t₁ⁱ t₂...t_n; mⁿ = m₁ ˙m₂...m_n , (12) где n - количество дискретных периодов внутри целевого диапазона, используемых в произведении. При этом эффект контрастирования аномалий достигается за счет особенностей вычисления t и m относительно базисной точки (относительно единицы), в которой они равны 1 во всем рабочем диапазоне частот. Благодаря этому в точках зондирования с ГЭР, близким к базисной точке, соответствующий параметр несущественно отличается от 1, а произведение n˙ t (или n˙m) также будет близким к 1 (в идеальном случае, когда t₁ = t₂ = ... t_n = 1, 1ⁿ = 1). А пpостранственные области заметных отклонений параметров от 1, свидетельствующие о проявлении ГН в данном целевом диапазоне частот, при умножении дадут наиболее контрастные (максимальные) аномалии на графиках или картах tⁿ и mⁿ. Таким образом, благодаря пространственно-частотной коррелированности полезного сигнала на целевых периодах (действие искомой неоднородности) при помощи t^u, m^uудается повысить амплитуду аномалий при одновременном сглаживании случайных некоррелированных погрешностей измерений и вычислений, обусловленных не геологическими факторами. Повышение точности способа достигается также снижением погрешностей вычисления основных величин - компонент электрических и магнитных параметров, импедансов при обработке посредством использования специальной схемы их вычисления, заложений в алгоритме сервисной программы вторичной обработки. При этом в качестве исходных данных используются почастотные выборки компонент t и m, полученные при первичной обработке по нескольким независимым решениям по импедансным и адмитансным оценкам, а также значения Z^Б, благодаря большей статистике определяемые с достаточной точностью (3-5%) при первичной обработке. Далее, кроме визуальной отбраковки отдельных значений параметров в почастотных выборках из-за больших расхождений между оценками, выполняется коррекция исходных выборок t и m по максимально допустимым (пороговым) отклонениям от среднего значения в выборке (А₁ и А₂ в процентах). Они задаются произвольно с учетом разброса расхождений между оценками. Затем рассчитываются абсолютные (среднеквадратические) и относительные погрешности вычислений параметров для всех трех выборок (до коррекции и с коррекцией по А₁ и А₂) по стандартным формулам (например для параметра t):
ε_t = ,, (13) где ε - абсолютная погрешность;
Δt_i = t_i-, где - математическое ожидание (среднее арифметическое параметра в выборке),
= t_i/n;
t_i - текущее значение параметра в выборке;
n - количество значений в выборке. Относительная погрешность
δ_t = ε_t/ ·100% .. (14)
Два пороговых уровня отклонений от среднего (с А₁ по выборке без коррекции и с А₂ по выборке с коррекцией по А₁) задаются потому, что, как видно из формулы (13), погрешность зависит также и от объема выборки n, поэтому предварительно трудно оценить оптимальный пороговый уровень отклонений. А ужесточение порогвых условий (например, 3-5%) без учета качества фактического материала может привести к резкому уменьшению n, и тогда ошибка по выборке с коррекцией А₂ может оказаться больше, чем по А₁, или без коррекции. Затем погрешности по всем трем выборкам сравниваются, фиксируются выборки с минимальными погрешностями (с их текущими и средними значениями), которые участвуют в дальнейших расчетах при вычислении импедансов, кажущихся сопротивлений и др. Расчет импедансов и их погрешностей выполняется не по средним значениям (как в прототипе), а по текущим значениям параметров в выборках с минимальными погрешностями по формулам
Z^П_ij = Z^Б (15)
= Z^П_ij /P·S (16)
= (17)
= / 100% (18) где i = 1,2,...,Р;
j = 1,2,...,S - количества значений параметров t и m соответственно в почастотных выборках с минимальными погрешностями;
t_i,m_j - текущие значения параметров в этих выборках;
Z_ijⁿ - текущие значения импеданса, вычисляемые по совокупности выборок t_i и m_j;
- среднее арифметическое в выборке;
ε_Zn - абсолютная среднеквадратическая погрешность импеданса;
δ_Zn - относительная погрешность импеданса. По аналогичной схеме через текущие значения t_i и m_j рассчитываются все другие параметры - Zⁿⁱ, Z^a, Z^a,i и др., а через полученные текущие значения импедансов Z_ijⁿ, Z_ijⁿⁱ, Z_ij^a и др. рассчитываются их трансформации - кажущееся сопротивление р_т, зависимости S_т = f(Н_т) и др., также вместе с их абсолютными и относительными погрешностями. В результате благодаря увеличению статиcтического объема выборки текущих значений импедансов на каждой частоте до величины Р х S погрешность их определения снижается на 5-7% и более по сравнению с традиционной схемой расчетов через одиночные средние значения и . Результаты экспериментальной апробации предлагаемых в заявляемом способе новых параметров и операций на фактических данных КМТЗ в условиях сложного горизонтально-неоднородного ГЭР Мусюршорской площади в ТПП показали высокую эффективность способа и существенное повышение точности МГ разведки. Сопоставительный анализ с прототипом позволяет заключить, что заявленный способ отличается от известного новыми операциями, а именно: определение целевых диапазонов периодов, измерения компонент МТ поля в этих ограниченных целевых диапазонах, определение и анализ частотных характеристик, графиков и карт новых параметров - аномального, аномального нормированного и дифференциального импедансов, интегральных характеристик электрического и магнитного полей в целевых диапазонах частот, расчет импедансов и их погрешностей через текущие значения компонентов t и m в почастотных выборках с минимальными погрешностями. Поэтому заявленный способ соответствует критерию "новизна". Физическая сущность и принципы определения оптимальных частотных диапазонов существенно отличны от известных для целевых диапазонов частот (периодов). В заявленном решении целевые интервалы частот, представляя по существу новое понятие, проявляют новое свойство, а именно отражают особенности ГЭР определенных, соответствующих им интервалов геологического разреза в любой его части, не совпадающее со свойствами оптимальных частотных диапазонов в ранее известных решениях и не равное их сумме. Использование в данном способе трансформаций взаимосвязанных электрических и магнитных компонент МТ поля - аномального, аномального нормированного, дифференциального импедансов, интегральных характеристик t и m в целевых диапазонах периодов, а также реализованной схемы коррекции исходных величин t и m и вычислений импедансов и других его трансформаций через текущие значения измеренных на каждой частоте компонент t и m, в известных решениях не обнаружено. Учитывая эти обстоятельства, а также то, что совокупность указанных отличительных признаков в заявленном техническом решении позволяет достичь цели изобретения, т.е. повысить точность способа, можно заключить, что данное решение соответствует критерию "существенные отличия". Пример конкретного выполнения. По комплексу имеющихся геологогеофизических данных оцениваются перспективные (подлежащие изучению) интервалы геологического разреза в пределах предполагаемой площади МТ работ. По формуле (3) рассчитывается целевой интервал (интервалы) периодов. При этом предельные значения глубин целевого интервала оцениваются по результатам бурения и сейсморазведки. По данным обработки электрокаротажа имеющихся скважин определяют предельные значения продольных сопротивлений р_{е min} и р_еmax. В пределах площади работ выбирается базисный пункт, ГЭР которого близок к горизонтально однородному. С целью проверки условия горизонтальной однородности среды и установления времени максимальной частоты вариаций выбранного частотного диапазона в базисном пункте выполняют многочастотные измерения МТ поля в течение нескольких суток в полном режиме (Т = 0,1 - 1000 с). Выполняют экспресс-обработку по методике одиночных зондирований и по результатам судят о соответствии ГЭР базисного пункта горизонтально однородному. В случае резкого несоответствия этих условий выбирается новый базисный пункт. Разбивается сеть полевых наблюдений, обеспечивающая планируемую детальность и учитывающая ориентировку и размеры предполагаемых ГН. В режиме синхронной регистрации базисного и полевых пунктов выполняют измерения электрических и магнитных компонент МТ поля в целевом диапазоне периодов. Для получения информации о полном ГЭР, а также для выяснения положения целевого диапазона в общей структуре МТ поля на данной площади и соотношения с оптимальными частотами при возможности некоторой корректировки целевого диапазона, в отдельных (узловых) точках площади (например, в объеме 5-10% от общего числа полевых точек) выполняют измерения в полном диапазоне частот (0,1-1000 с). При обработке синхронных записей, используя алгоритмы, позволяющие получить на каждой частоте несколько независимых решений по импедансной и адмитансной оценкам, находят частотные характеристики, связывающие электрические и магнитные поля в полевых и базисном пунктах в целевом диапазоне периодов, а в узловых точках - в широком диапазоне периодов. Затем выполняют коррекцию исходных почастотных выборок t и m, рассчитывают и сравнивают погрешность параметров по всем выборкам и фиксируют выборки с минимальными погрешностями и соответствующими им текущими и средними значениями параметров. По этим средним значениям строят графики частотных характеристик t и m, графики по профилям и карты на фиксированных периодах внутри целевого диапазона. По текущим значениям t и m в почастотных выборках с минимальными погрешностями рассчитывают текущие значения соответствующих параметров по формулам (4), (5), (6), (9), (11) на каждой частоте, находят их средние значения и почастотные погрешности. По средним значениям параметров строят их частотные характеристики. Аналогично по текущим значениям импедансов и с учетом величины импеданса в базисном пункте получают кривые р_т и другие трансформации импеданса также в вариантах нормирования на полное и внутреннее магнитное поле и их погрешности. Выбирают наиболее информативные периоды в целевом диапазоне и строят графики по профилям или карты указанных информативных параметров на всю исследованную площадь. Для более надежного выявления слабых аномалий t и m рассчитываются по формулах (12) интегральные их характеристики и также строятся их графики или карты на всю площадь и для отдельных участков площади. По комплексу полученных данных с учетом погрешностей параметров и их доверительных интервалов (точности) построений судят о характере ГЭР в целом (по данным в узловых точках), а также о наличии, характере, размерах и глубине геоэлектрических неоднородностей в пределах целевого интервала геологического разреза с оценкой точности и достоверности их выявления.

Формула изобретения

СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ, при котором выполняют многочастотные синхронные измерения электрических и магнитных компонент магнитотеллурического поля в широком диапазоне периодов Т = 0,1...1000 с в базисном и полевых пунктах, расположенных по площади работ, получают теллурическое t и магнитные m коэффициенты на каждом периоде по импедансным и адмитансным оценкам по нескольким независимым решениям, связывающие электрические и магнитные поля в полевой и базисной точках, строят по ним частотные характеристики, карты, карты графиков на отдельных периодах, а также импедансные кривые и кривые кажущегося сопротивления в вариантах нормирования на полное и внутреннее магнитные поля, судят о геоэлектрическом разрезе по комплексу полученных данных, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измерения электрических и магнитных компонент выполняют в заданных целевых диапазонах периодов T^j_i , где j - номер целевого диапазона периодов, а T_i - текущий период внутри целевого диапазона, для получения частотных характеристик компонент электрического t и магнитного m параметров формируют их почастотные выборки, по которым получают средние почастотные значения параметров и их почастотные погрешности, выполняют коррекцию почастотных выборок параметров по одному или двум допустимым пороговым отклонениям от среднего, задаваемых в процентах с учетом среднего разброса значений параметров в выборках и процента расхождений между импедансной и адмитансной оценками, по которым формируют скорректированные почастотные выборки параметров, находят их средние значения и погрешности, сравнивают почастотные погрешности определения параметров по всем полученным выборкам, фиксируют почастотные выборки параметров с минимальными погрешностями, определяют эти погрешности, а также соответствующие им текущие и средние значения, частотные характеристики параметров получают по средним значениям из почастотных выборок, характеризующихся минимальными погрешностями, по текущим значениям электрических t и магнитных m коэффициентов в почастотных выборках с минимальными погрешностями получают текущие почастотные значения соответствующих информативных параметров импеданса в нормировании на полное и внутреннее магнитное поле, аномального импеданса, аномального нормированного импеданса и дифференциального импеданса, а полученные значения используют для определения средних почастотных значений, по которым строят частотные характеристики, карты, графики указанных параметров, при этом для определения аномального импеданса Z^a_т , аномального нормированного импеданса Z^a_т^,i и дифференциального импеданса ΔZ^a_т используют соотношения



карты и карты графиков интегральных характеристик теллурического и магнитных параметров t^u и m^u строят на основе соотношений

где индексы 1,2,...,n обозначают соответствие фиксированному периоду;
n - число периодов,
а диапазоны периодов T^j_i определяют, используя соотношение

где j - номер целевого диапазона периодов;
T_i - текущий период внутри целевого диапазона;
h_kmin - минимальная глубина кровли исследуемого участка пород;
h_nmax - максимальная глубина подошвы исследуемого участка;
P_lmin - минимальное продольное сопротивление вышележащих отложений до подошвы исследуемого участка;
P_lmax - максимальное продольное сопротивление вышележащих отложений до кровли исследуемого участка.