Способ магнитно-резонансной геологической разведки залежей воды и углеводородов

 

Использование: в области электроразведки для магнитно-резонансной геологической разведки залежей воды и углеводородов. Сущность изобретения: в залежи искомого минерала с помощью генераторной петли возбуждают магнитный резонанс и измеряют его сигнал на поверхности Земли после прекращения подачи возбуждающего тока при его различных амплитудах. При этом предварительно определяют проводимость среды, возбуждая в генераторной петле импульс с помощью включения и выключения тока и проводя измерения отклика среды на этот импульс. Сигнал магнитного резонанса измеряют вначале в центре генераторной петли, а затем проводят измерения в точке с координатами (x₀, y₀), которые определяют в зависимости от проводимости среды и желаемой глубины опоискования. По совокупности всех измерений определяют параметры горизонтов, содержащих воду или углеводороды. 5 ил.

Изобретение относится к способам электроразведки, а более точно к способам магнитно-резонансной геологической разведки, предназначенным для поисков залежей воды и углеводородов.

Известен способ магнитно-резонансной геологической разведки, при которой 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 [1] Указанный способ позволяет получать информацию только о наличии минерала в точках измерения и не позволяет получить данные о параметрах залежи искомого минерала в Земле, такие, как глубина залегания искомого минерала, толщина его слоя и концентрация минерала в залежи.

Известен способ магнитно-резонансной геологической разведки, 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 а параметрах залежи искомого минерала в земле [2] В указанном способе создают электромагнитное поле с помощью возбуждения импульсов переменного тока в расположенной на поверхности Земли проволочной петле и измеряют зависимость начальной амплитуды E₀ 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 возрастании глубины залегания искомого минерала. 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 данном уровне шума. Причина этого заключается в том, что измеренные зависимости от q для глубоких слоев залегания минерала слабо разрешены, особенно в случае, когда вмещающая среда является проводящей (отличие сигналов часто фиксируется только в третьем знаке).

Цель изобретения разработка способа магнитно-резонансной геологической разведки, по которому на основе знания проводимости вмещающей среды 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 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, согласно изобретению, предварительно возбуждают в генераторной петле импульс с помощью включения и выключения тока, проводят измерения отклика среды на этот импульс и определяют проводимость среды. Сигнал магнитного резонанса измеряют вначале в центре генераторной петли, а затем проводят измерения в точке с координатами (x₀,y₀, которые определяют в зависимости от проводимости среды и желаемой глубины опоискования. По совокупности всех измерений определяют параметры горизонтов, содержащих искомый минерал.

Сущность изобретения заключается в том, что параметры исследуемых горизонтов определяют, предварительно получив данные о проводимости среды, задаваясь конкретной геологической задачей (предполагаемыми параметрами искомых водоносных пластов и величиной проводимости) и проводя дополнительные измерения сигнала магнитного резонанса в точках, координаты которых выбираются таким образом, чтобы максимизировать разрешенность измеряемого сигнала магнитного резонанса для заданной модели.

На фиг.1 приведены результаты моделирования процесса измерения, по способу-прототипу, величины E₀(q) (зависимости начальной амплитуды E₀ ЭДС сигнала ЯМР от параметра q=I₀q = I_oτ, где I₀ -амплитуда тока возбуждающего импульса, τ -его длительность) над пластами, содержащими искомый минерал и залегающими на разных глубинах, для случая высокоомной вмещающей среды; на фиг.2 то же, для вмещающей среды, содержащей проводящий экран, при этом сплошная кривая соответствует пласту с глубиной залегания от 80 до 90 м, пунктирная кривая пласту с глубиной залегания от 90 до 100 м; на фиг.3 кривые, оценивающие разрешающую способность h(x) сигнала магнитного резонанса для двух выбранных моделей залегания водоносных горизонтов в зависимости от смещения (координаты x при y= 0) измерительной петли по профилю, кривая 1 в случае высокоомной вмещающей среды, кривая 2 - в случае среды с проводящим экраном; на фиг.4 результаты моделирования процесса измерения сигнала магнитного резонанса по патентуемому способу для высокоомной вмещающей среды, при этом сплошная кривая соответствует пласту с глубиной залегания от 80 до 90 м, пунктирная кривая пласту с глубиной залегания от 90 до 100 м; индексы пар кривых соответствуют положению центра измерительной петли относительно центра генераторной; на фиг. 5 то же, для вмещающей среды, содержащей экран.

Ниже приведен пример конкретной реализации способа для поиска воды, а именно, рассмотрена задача поиска водоносного горизонта мощностью 10 м, залегающего на глубину от 80 до 100 м.

Требуется найти оптимальную схему измерения, позволяющую отличить пласт, залегающий на глубине 80-90 м, от такого же пласта, залегающего на глубине 90-100 м.

Для этого рассмотрим четыре модели: в первой водоносный пласт с водонасыщенностью 20% залегает в высокоомной среде на глубине от 80 до 90 м, а во второй пласт с водонасыщенностью 27% залегает на глубине 90-100 м. Третья и четвертая модель аналогичны, соответственно, первой и второй, но в них водоносные горизонты перекрыты проводящим экраном, представленным пластом, залегающим в верхней части разреза на глубине 0-20 м и обладающим сопротивлением 10 Ом.

Для осуществления способа на исследуемой площади размещают генераторную петлю, имеющую, например, форму квадрата со стороной L=100 м.

При этом конкретное положение генераторной петли может выбираться исходя из местных условий, но целесообразно размещать генераторную петлю так, чтобы две ее стороны располагались вдоль силовых линий магнитного поля Земли, то есть по направлению с севера на юг, и так же вдоль силовых линий перемещать измерительную петлю при проведении дополнительных измерений.

Разместив генераторную петлю указанным образом, зафиксируют систему координат, поместив ее начало в центр генераторной петли, а ось абсцисс направив на север, считая, что ординаты всех рассматриваемых точек равны нулю и изменяется только координата x.

Далее в генераторной петле возбуждают импульс с помощью включения и выключения тока (известный метод зондирования становлением поля) и, проводя измерения отклика среды на этот импульс и интерпретируя измеренные значения поля, любым известным способом определяют параметры геоэлектрического разреза в точке, где планируется проводить поиск воды (определяется функция зависимости проводимости s(z) от глубины z). Затем с помощью генераторной петли создают в Земле поле импульсом тока (например, с длительностью t=50 мс и амплитудой I₀, меняющейся от 0 до 100 А), на частоте магнитного резонанса ядер искомого минерала (воды) в Земном магнитном поле и с помощью измерительной петли измеряют сигнал магнитного резонанса E₀(q) (q=I₀(q = I_oτ) на поверхности Земли после прекращения подачи тока в центре генераторной петле при различных значениях q.

Возбуждение сигнала 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) = I_osinωt, 0 < t < τ, где I₀ амплитуда тока; ω = γB частота тока; t текущее время: τ длительность импульсов тока; B магнитная индукция Земного поля; g гиромагнитное отношение, определенное для каждого вида минерала.

Затем проводят дополнительные измерения сигнала ЯМР в точке с координатами (x₀,y₀) (в данном случае, априори, y₀=0), положение которой определяется в зависимости от проводимости вмещающей среды и конкретной геологической задачи.

Для определения точки размещения выносной петли, с учетом проводимости s(z) вмещающей среды (полученной при интерпретации данных становления поля), вычисляют функцию h(x), характеризующую разрешающую способность метода, и определяют точку x₀, в которой h(x) достигает максимума.

В качестве меры разрешающей способности принят известный критерий, основанный на расчете коэффициента корреляции сигнала от разных моделей:
,
где E₁ сигнал, обусловленный первой моделью, E₂ -сигнал, обусловленный второй моделью, σ функция, характеризующая проводимость разреза. Функции E₁(s, q, x) и E₂(s, q, x) рассчитываются по известным формулам.

Затем устанавливают приемную петлю в точку с определенными таким образом координатами и проводят измерения сигнала ЯМР.

По полученным данным определяют параметры (глубину залегания, мощность, содержание воды) водоносных горизонтов с помощью решения известного уравнения:
,
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 границ 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 = I_oτ,, 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.

Отличие в решениях уравнения (2) для различных моделей и тем самым разрешающая способность метода определяются отличиями в его правой части, то есть в измеряемой функции E₀(s, q, x₀).

На фиг. 1-2 приведены результаты измерений в виде кривых E₀(q) для случая, когда положение измерительной петли совпадает с положением генераторной. При этом на фиг.1 сравниваются первая и вторая модели, а на фиг.2 третья и четвертая. Из чертежей видно, что соответствующие кривые близки по форме и величине, что практически не позволяет при интерпретации отличить указанные модели друг от друга.

На фиг. 3 показаны графики, характеризующие величину h(x) при попарном сравнении моделей 1-2 и 3-4, из которых видно, что положение точки x₀ на профиле, где достигается максимум разрешающей способности зависит от проводимости среды. Так для высокоомной среды величина x₀=125 м, а для среды с проводящим горизонтом x₀=75 м.

На фиг. 4-5 показаны кривые E₀(q) для рассмотрения моделей водоносных пластов, полученные в различных точках профиля. При этом были выбраны три точки: центральная (x₀=0) и две выносных (x₀=75 м и x₀=110 м). Разнос x₀=110 м был выбран на основе анализа графиков, приведенных на фиг.3, для случая, когда вмещаемая среда является высокоомной, а разнос x₀=75 м при условии наличия во вмещающей среде низкоомного экрана.

На фиг.4 приведены кривые E₀(q) для моделей высокоомной среды. Наиболее разрешенными являются кривые, полученные в точке с x₀=110 м. На фиг.5 приведены кривые E₀ для моделей среды, содержащей экран, и наиболее разрешенными являются кривые, полученные в точке с x₀=75 м.

Количественно степень разрешенности выражается формулой (1) и может быть определена с помощью графика, приведенного на фиг.3, но и на фиг.4-5 отчетливо видна целесообразность использования информации о геоэлектрическом разрезе при проведении измерений эффектов ЯМР, позволяющей повысить достоверность интерпретации.

Формула изобретения

Способ магнитно-резонансной геологической разведки залежей воды и углеводородов, заключающийся в том, что с помощью генераторной петли создают электромагнитное поле током с частотой, возбуждающей магнитный резонанс в залежи искомого минерала в Земле, 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 предварительно определяют проводимость среды, возбуждая в генераторной петле импульс с помощью включения и выключения тока и проводя измерения отклика среды на этот импульс, сигнал магнитного резонанса измеряют вначале в центре генераторной петли, а затем проводят измерения в точке с координатами (x₀, y₀), которые определяют в зависимости от проводимости среды и желаемой глубины опоискования, по совокупности измерений определяют параметры горизонтов, содержащих искомый минерал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5