Способ магнитно-резонансной геологической разведки

 

Использование: в области электроразведки для магнитно-резонансной геологической разведки. Сущность изобретения: в залежи искомого минерала с помощью генераторной петли со стороной L возбуждают магнитный резонанс и измеряют его сигнал на поверхности Земли после прекращения подачи возбуждающего тока при его различных амплитудах. При этом сигнал магнитного резонанса измеряют вначале в центре генераторной петли, определяют глубину залегания верхней z₁ и нижней z₂ кромки верхнего пласта, содержащего искомый минерал, а затем проводят измерения в точках, лежащих на расстоянии r₀ от центра генераторной петли, которое определяют как r₀=0,6L + (z₁ + z₂)/2. По совокупности измерений определяют параметры нижележащих горизонтов, содержащих искомый минерал. 2 ил.

Настоящее изобретение относится к способам электроразведки, а более точно к способам магнитно-резонансной геологической разведки.

Известен способ магнитно-резонансной геологической разведки [1] при котором в исследуемой среде создают электромагнитное поле током, частота которого возбуждает магнитный резонанс в залежи искомого минерала, и после прекращения подачи тока над залежью искомого минерала детектируют затухающие колебания переменного магнитного поля, по которым судят о наличии искомого минерала в точке измерения.

Указанный способ позволяет получить информацию только о наличии искомого минерала в точках измерения и не позволяет получить данные о параметрах залежи искомого минерала в Земле, таких, как глубина залегания искомого минерала, толщина его слоя и концентрация минерала в залежи.

Известен способ магнитно-резонансной геологической разведки [2] заключающийся в том, что создают электромагнитное поле током, частота которого возбуждает магнитный резонанс в залежи искомого минерала в Земле, и измеряют сигнал магнитного резонанса на поверхности Земли после прекращения подачи тока, по которому судят о наличии искомого минерала в земле.

В указанном способе создают электромагнитное поле с помощью возбуждения импульсов переменного тока в расположенной на поверхности Земли проволочной петле и измеряют зависимость начальной амплитуды сигнала магнитного резонанса в той же петле от величины q, равной произведению амплитуды переменного тока на длительность импульса. После окончания измерений полученные данные обрабатывают, в результате получают параметры залежи искомого минерала.

Однако разрешающая способность указанного способа резко падает при наличии в разрезе нескольких слоев, содержащих искомый минерал. Фактически глубина, на которой достоверно определяются границы залегания минерала, в два-три раза меньше, чем глубина, с которой может быть измерен сигнал магнитного резонанса при обычном уровне шума. Причина этого заключается в том, что измеренные зависимости от q для глубоких слоев залегания минерала слабо разрешены на фоне расположенного на небольшой глубине слоя, сигнал от которого играет преобладающую роль в измеряемом поле (отличие сигналов часто фиксируется только в третьем знаке).

В основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа магнитно-резонансной геологической разведки, по которому сигнал магнитного резонанса измеряли бы таким образом, чтобы увеличить относительный эффект от глубокозалегающих слоев в измеряемом сигнале и тем самым увеличить предельную глубину достоверного определения границ залежи искомого минерала, что позволило бы в свою очередь увеличить разрешающую способность способа.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе магнитно-резонансной геологической разведки, при котором с помощью генераторной петли со стороной L создают электромагнитное поле током с частотой, возбуждающей магнитный резонанс в залежи искомого минерала в Земле, и после прекращения подачи тока при различных амплитудах возбуждающего тока измеряют сигнал магнитного резонанса на поверхности Земли, по которому судят о параметрах залежи искомого минерала в Земле, согласно изобретению сигнал магнитного резонанса сначала измеряют в центре генераторной петли и определяют глубину залегания верхней z₁ и нижней z₂ кромки верхнего пласта, содержащего искомый минерал, а затем проводят измерения в точках, лежащих на расстоянии r₀ от центра генераторной петли, которое определяют как .

По совокупности измерений определяют параметры нижележащих горизонтов, содержащих искомый минерал.

Сущность изобретения заключается в том, что параметры исследуемых горизонтов определяют, предварительно получив данные о параметрах верхнего минералсодержащего горизонта, а затем проводят измерения в точках, координаты которых выбираются таким образом, чтобы минимизировать влияние известной верхней части разреза.

На фиг.1 приведены фрагменты результатов моделирования поля, обусловленных эффектами магнитного резонанса под пластами, содержащими искомый минерал и залегающими на разных глубинах зависимости начальной амплитуды сигнала E₀ от координаты r точки измерения, индексы кривых соответствуют средней (z₁ + z₂)/2 глубине залегания пласта; на фиг.2 представлены зависимости относительной величины начальной амплитуды сигнала магнитного резонанса (E₀₁ + E₀₂)/E₀₂ для двух моделей среды от величины q = Iτ, где I амплитуда импульса тока, t длительность импульса тока, E₀₁ величина начальной амплитуды сигнала магнитного резонанса для первой модели среды, E₀₂ величина начальной амплитуды сигнала магнитного резонанса для второй модели среды. Кривая 1 иллюстрирует относительные результаты измерений в центре генераторной петли, кривая 2 относительные результаты измерений в точке, выбранной согласно изобретению.

Ниже приведен пример конкретной реализации способа для поиска воды.

Способ магнитно-резонансной геологической разведки согласно изобретению заключается в том, что с помощью генераторной петли со стороной L создают электромагнитное поле током, частота которого возбуждает магнитный резонанс в залежи искомого минерала (воды) в Земле. Затем измеряют сигнал магнитного резонанса E₀(q) на поверхности Земли после прекращения подачи тока в центре генераторной петли.

По полученным данным определяют параметры z₁, z₂, f(z) верхнего пласта, содержащего залежь искомого минерала, где z₁, z₂, глубины залегания верхней и нижней границы этого пласта, f(z) - содержание искомого минерала в пласте. (В случае, когда верхний пласт залегает на глубине, превышающей L/2, где L сторона генераторной петли, его параметры могут определяться неустойчиво. В этом случае проводят дополнительные измерения в точке, расположенной на расстоянии L от центра генераторной петли). Для этого решают известное уравнение (Пусеп А.Ю. Башурова В.С. Шохирев Н.В. Бурштейн А.И. Разработка математического обеспечения ЯМР-томографии подземных водоносных горизонтов. // Новосибирск: ИХКиГ СО АН СССР, 1991) где ; M₀= 1,92·10^-7 Дж/Тл м³ значение ядерной намагниченности для чистой воды при температуре T=283 K; ω = γB₀, где B индукция магнитного поля Земля, а γ гиромагнитное отношение, характерное для протонов; x, y, z текущие координаты; q = I₀τ, где I₀ амплитуда тока в возбуждающем импульсе, τ - длительность этого импульса; f(z) концентрация воды внутри слоя, залегающего между искомыми величинами z₁, z₂; b = [B-(B,n)n]/I₀, где n единичный вектор, задающий направление магнитного поля Земли, B вектор магнитной индукции линейно поляризованного радиочастотного поля в среде, создаваемого генераторной петлей.

Зная параметры верхнего пласта, можно найти r₀ расстояние (r²₀ = x²₀+y²₀, где x, y декартовы координаты относительно центра генераторной петли), на котором влияние этого горизонта минимально. Для этого решают уравнение

где
β₁ величина, характеризующая поле генераторной петли в точке (x, y);
g₁, g₂ величины, характеризующие воздействие элемента среды, расположенного в точке (x, y, z), на приемную петлю, центр которой находится в точке (x₀, y₀);
z₁, z₂ глубины залегания нижней и верхней границы пласта;
M₀= 1,92·10^-7 Дж/Тл м³ значение ядерной намагниченности для чистой воды при температуре T=293 K;
x, y, z текущие координаты;
ω = γB круговая частота прецессии протонов в магнитном поле Земли;
q = I₀τ, где I₀ амплитуда тока в возбуждающем импульсе, τ - длительность этого импульса;
f(z) концентрация воды внутри слоя;
w = γ·B, где B индукция магнитного поля Земли, а γ гиромагнитное отношение.

На основе математического моделирования поля, обусловленного эффектами магнитного резонанса над пластами, содержащими искомый минерал и залегающими на разных глубинах, было получено эмпирическое соотношение, дающее положение точки прехода через ноль r₀ графика начальной амплитуды сигнала в виде

В подтверждение этого на фиг.1 приведены фрагменты такого моделирования E₀(r) для генераторной петли со стороной L=100 м и пластов, залегающих на глубинах 25 м, 40 м, 65 м, 100 м.

Таким образом, при осуществлении способа сигнал магнитного резонанса сначала измеряют в центре генераторной петли со стороной L и, решая уравнение (1), определяют положение верхнего горизонта, содержащего искомый минерал
глубины z₁, z₂ залегания его нижней и верхней кромки. Далее в соответствии с выражением (3) определяют расстояние r₀ от центра генераторной петли, на котором влияние верхнего пласта на результаты измерений минимальны, и проводят измерения сигнала магнитного резонанса в точке, расположенной на указанном расстоянии. При этом конкретное положение точки может выбираться исходя из местных условий, но целесообразно смещать измерительную петлю вдоль силовых линий магнитного поля Земли, то есть по направлению к северу или югу относительно генераторной петли. Для уменьшения влияния погрешностей можно проводить измерения в двух или трех точках, расположенных по разные стороны генераторной петли. О параметрах залежей искомого минерала в Земле судят по зависимости от q совокупности величин этого сигнала, измеренного в разных точках.

Эффективность патентуемого способа можно проиллюстрировать следующим образом.

Рассмотрим две модели среды, содержащие залежи искомого минерала, представляющие собой горизонтальные слои, размеры которых можно считать бесконечными. Модель 1 содержит три слоя, залегающие соответственно на глубинах 20-35 м, 50-60 м, 70-80 м. Модель 2 содержит два слоя: один на глубине 20-35 м и второй на глубине 50-67 м. Возбуждение сигнала I(t) магнитного резонанса осуществляют переменным током, протекающим по расположенной на поверхности Земли проволочной петле (в данном случае имеющей форму квадрата со стороной 100 м):
I(t) = I₀sinωt, 0<t<τ,
где I₀ амплитуда тока,
ω частота тока,
t текущее время,
t длительность импульсов тока.

Частота w тока выбирается из соотношения
w = γB,
где B магнитная индукция Земного поля.

В качестве примера длительность возбуждающего импульса t₁ была выбрана равной 50 мс, а амплитуда тока I₀ менялась в диапазоне от 50 A до 150 A.

Измерения проводят с помощью незаземленного контура (в данном случае имеющем форму квадрата со стороной 50 м).

Определив по измерениям в центре генераторной петли параметры верхнего горизонта, решив уравнение (1), с помощью соотношения (3) находят величину разноса, на котором должны проводится измерения с выносным контуром. В данном случае из соотношения (3) получаем r₀ 100 м.

На фиг. 2 показаны две кривые (1 и 2), отражающие зависимости относительных величин (E₀₁ E₀₂)/E₀₂ начальной амплитуды сигнала магнитного резонанса от параметра q. Здесь E₀₁ поле, обусловленное моделью 1, E₀₂ поле, обусловленное моделью 2. Кривая 1 соответствует измерениям в центре генераторной петли, кривая 2 измерениям в точке, расположенной на расстоянии 100 м от центра генераторной петли при тех же самых параметрах возбуждающего импульса.

Как видно из фиг.2, отличие двух рассматриваемых моделей гораздо лучше фиксируется при измерениях с помощью выносного контура, что позволяет повысить достоверность интерпретации совокупных данных.

Формула изобретения

Способ магнитно-резонансной геологической разведки, заключающийся в том, что с помощью генераторной петли со стороной L создают электромагнитное поле током с частотой, которая возбуждает магнитный резонанс в залежи искомого минерала в Земле и измеряют сигнал магнитного резонанса на поверхности Земли после прекращения подачи тока при различных амплитудах возбуждающего тока, по которому судят о параметрах залежи искомого минерала в Земле, отличающийся тем, что сигнал магнитного резонанса сначала измеряют в центре генераторной петли и определяют глубины Z₁, Z₂ залегания нижней и верхней кромки верхнего пласта, содержащего искомый минерал, а затем проводят измерения в точках, лежащих на расстоянии r₀ от центра генераторной петли, которое определяют как

и по совокупности измерений определяют параметры нижележащих горизонтов, содержащих искомый минерал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2