Способ индукционного вертикального зондирования

 

Изобретение относится к электроразведке и может быть использовано при изучении геоэлектрического строения Земли, область преимущественного применения - поиск геологических слоев и неоднородностей, перекрытых сверху проводящим слоем. Технический результат: повышение информативности и точности измерений. Сущность: возбуждают исследуемую среду переменным магнитным полем, создаваемым током, протекающим в соосных горизонтальных незаземленных, соединенных встречно-последовательно петлях. Задают отношение вертикальных составляющих магнитной индукции, создаваемых внешней и внутренней петлями в интервале от 1,0 до 1,1. Определяют на нижней частоте на дневной поверхности Земли вблизи центра петель точку минимального сигнала суммарной вертикальной составляющей магнитной индукции. Измеряют в ней реальную и мнимую компоненты этой составляющей на ряде частот. По виду частотной характеристики кажущегося сопротивления определяют параметры вертикального разреза. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к геоэлектроразведке и может быть использовано при изучении геоэлектрического строения Земли. Область преимущественного применения - поиск геологических слоев и неоднородностей, перекрытых сверху проводящим слоем.

Известен способ [1], в котором приемник и возбуждающий вертикальный магнитный диполь разносят на расстояние, превышающее две глубины залегающего изучаемого объекта. Основное достоинство этого способа состоит в высокой помехоустойчивости, что связано с работой на одной частоте в постоянном режиме. Однако этот способ имеет существенные недостатки:

1) при больших разносах значительное искажение в результаты измерений вносят аномальные поля от поверхностных горизонтальных неоднородностей;

2) неопределенность положения точки записи на профиле;

3) низкая эффективность способа при наличии проводящего слоя, лежащего выше изучаемого объекта.

Известен также способ [2] МПП (метод переходных процессов). Достоинство способа состоит в эффективности возбуждения и измерения аномального поля, поскольку максимальный аномальный сигнал получается при минимальном расстоянии до аномального объекта. Однако такой способ обладает недостаточной помехоустойчивостью, так как необходимо измерять широкий спектр частот.

Наиболее близким техническим решением является способ индукционного вертикального зондирования |3], взятый нами в качестве способа-прототипа, в котором используют двухпетлевую установку с измерением мнимой компоненты вертикальной составляющей измеряемого магнитного поля. В этом способе первичное магнитное поле создают двумя соосными незаземленными петлями (рамками), токи в которых противоположно направлены, а величины токов имеют такие значения, чтобы реальная компонента вертикальной составляющей магнитного поля (ReB_z) в центре рамок равнялась нулю.

Способ-прототип позволяет значительно уменьшить влияние на результаты измерений горизонтальных неоднородностей и верхних слоев среды. Однако способ-прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что необходимо поддерживать стабильность токов в петлях как по величине, так и по фазе. Например, изменение фазы тока в одной из петель даже на ±0,1° может привести к значительной погрешности кажущегося сопротивления ±5%. Таким образом, известный способ очень критичен к нестабильности токов в петлях.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности и информативности способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе индукционного вертикального зондирования, заключающемся в возбуждении исследуемой среды переменным магнитным полем, создаваемым током, протекающем в соосных горизонтальных петлях, и измерении внутри петель суммарной вертикальной составляющей магнитной индукции, дополнительно задают отношение вертикальных составляющих внешней и внутренней петель в интервале от 1,0 до 1,1, определяют на нижней частоте на дневной поверхности Земли вблизи центра петель точку минимального сигнала суммарной вертикальной составляющей магнитной индукции, измеряют в ней реальную и мнимую компоненты этой составляющей и по виду частотной характеристики кажущегося сопротивления определяют параметры вертикального разреза.

На фиг.1 дана структурная схема устройства, с помощью которого осуществляют предлагаемый способ. На фиг.2 представлен график x/R=ƒ(ΔR/R), x/R - относительное значение координаты минимальной величины суммарной вертикальной составляющей магнитного поля как функция от величины ΔR/R. На фиг.3 и 4 представлены результаты математического моделирования частотной характеристики кажущегося сопротивления над исследуемой средой.

Устройство (фиг.1) содержит фазочувствительный вольтметр 1, датчик 2, внешнюю петлю 3, состоящую из двух витков радиусом r_внеш=2R, внутреннюю петлю 4, r_внутр=R+ΔR, генератор 5, канал передачи опорного сигнала 6. Например, в качестве канала 6 может быть использован или радиоканал, или двухпроводная линия, поэтому он изображен штриховой линией.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Первичное магнитное поле создают на самой нижней частоте F_н используемого диапазона частот током J, протекающим в соосных соединенных встречно-последовательно петлях (фиг.1). Внешняя петля 3 (фиг.1) имеет два витка радиусом r₁=2R, а внутренняя петля 4 (фиг.1) - один виток радиусом r₂=R+ΔR, причем ΔR>0. Величину ΔR выбирают из условия 1<B/B_z2<1,1, что соответствует 0<ΔR/R<0,1, где В_z1 и В_z2 - вертикальные составляющие магнитной индукции, создаваемые током во внешней и внутренней петлях. В качестве источника тока используют генератор 5. Датчик поля 2 помещают в центр петель и измеряют величину модуля суммарной В_z=В_z1-В_z2 вертикальной составляющей магнитной индукции. Перемещают датчик 2 по горизонтали вдоль оси x (фиг.1) и определяют точку на оси x, в которой модуль сигнала минимален. Такая точка существует, т.к. обязательно есть точка на оси x, в которой модули В_z1 ≈ В_z2 и противоположно направлены, о чем свидетельствует график x/R=ƒ(ΔR/R), представленный на фиг.2. Положение этой точки минимума определяется только размерами, формой и взаимным положением во внешней и внутренней петлях (фиг.1) и не зависит от эквивалентной проводимости Земли. В точке минимума измеряют ReB_z(F) и JmB_z(F) суммарной магнитной индукции вертикальной составляющей как на самой нижней частоте F_н, так и на всех остальных частотах используемого диапазона частот. По измеренным ReB_z(F) и JmB_z(F) определяют частотные характеристики ρ_k(F). Следует заметить, что за исключением самой нижней частоты величина ReB_z зависит только от параметров среды.

В качестве доказательства возможности практического применения установки рассмотрим результаты математического моделирования для трех- и пятислойных разрезов. Рассмотрим трехслойный разрез, содержащий наносы, хорошо проводящий слой и высокоомный фундамент (h₁=10 м, ρ₁=100 Ом·м; h₂=10 м, ρ₂=10 Ом·м; ρ₃=10³ Oм·м).

На фиг.3 представлены кривые ρ_k для реальной (1) и мнимой (2) компонент вертикальной составляющей магнитного поля. На кривой (1) хорошо виден минимум, в то время как на кривой (2) минимум отсутствует. Наличие минимума на кривой (1) является следствием того, что в разрезе имеется проводящий слой.

Рассмотрим кривые ρ_k (фиг.4) для пятислойного разреза с параметрами h₁=10 м, ρ₁=50 Ом·м, h₂=2 м; ρ₂=5 Ом·м; h₃=20 м, ρ₃=200 Ом·м; h₄=3 м, ρ₄=10 Ом·м, ρ₅=10³ Ом·м. Кривая (1) для реальной компоненты имеет два минимума в отличие от кривой (2), что свидетельствует (как и в случае трехслойного разреза) о том, что реальная компонента является более информативной по сравнению с мнимой компонентой вертикальной составляющей магнитного поля.

Преимущества предлагаемого способа состоят в следующем:

1. Предложенная процедура компенсации первичного поля позволяет уменьшить его почти до уровня шумов (в эксперименте на 92 дБ), что существенно больше по сравнению с прототипом, где соответствующий показатель равен примерно 40 дБ. Исключение первичного поля позволяет получить частотную зависимость величины ReB_z, что невозможно получить в других методах.

2. Глубокая компенсация первичного поля неизбежно приводит к увеличению точности измерений обеих компонент поля.

3. Предлагаемый способ позволяет получить качественную информацию о модели разреза (наличие минимумов на кривых ρ_k свидетельствует о присутствии в разрезе проводящих слоев).

Таким образом, предлагаемый способ обладает достоинствами способа-прототипа и имеет существенные преимущества по сравнению с ним.

Источники информации

1. Матвеев Б.К. Электроразведка, М.: Наука, 1990 г., с.368.

2. Электроразведка. Справочник геофизика. Кн.I, М.: Недра, 1989, с.438.

3. Патент RU 2156987, кл. G 01 V 3/08, БИ 27, 2000 г. (прототип)

Формула изобретения

Способ индукционного вертикального зондирования, заключающийся в возбуждении исследуемой среды переменным магнитным полем, создаваемым током, протекающим в соосных горизонтальных незаземленных соединенных встречно последовательно петлях, и измерении внутри петель суммарной вертикальной составляющей магнитной индукции, отличающийся тем, что в нем задают отношение вертикальных составляющих магнитной индукции, создаваемых внешней и внутренней петлями в интервале от 1,0 до 1,1, определяют на нижней частоте на дневной поверхности Земли вблизи центра петель точку минимального сигнала суммарной вертикальной составляющей магнитной индукции и измеряют в ней реальную и мнимую компоненты этой составляющей на ряде частот, и по виду частотной характеристики кажущегося сопротивления определяют параметры вертикального разреза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4