Способ морской геоэлектроразведки с фокусировкой электрического тока (варианты)

Изобретение относится к области геофизических исследований, а именно к способам морской геоэлектроразведки с использованием регулируемых искусственных источников электромагнитного поля. Сущность: возбуждают электромагнитное поле в исследуемой среде, посылая в нее по два одинаковых прямоугольных импульса тока: один - при прохождении зондирующей установки вдоль профиля исследований, а другой - при обратном. Профиль может быть в виде окружности или прямолинейный. Между импульсами тока в паузах на всем протяжении существования сигналов переходного процесса измеряют мгновенные значения первых и вторых разностей электрических потенциалов. Выделяют на всем протяжении каждой из пауз по два рядом расположенных по времени мгновенных значения первых и вторых разностей потенциалов, определяя разности их величин. Обеспечивают условие равенства нулю результирующей осевой разности электрических потенциалов вдоль профиля для исключения осевой компоненты плотности тока под точкой зондирования и определяют коэффициент фокусировки. Из значений перечисленных разностей с учетом коэффициента фокусировки рассчитывают три множества нормированных электрических параметров. С использованием полученных параметров решают обратную задачу на основе дифференциального уравнения математической физики для напряженности дипольного источника в электрохимически поляризующейся проводящей среде. Находят модель среды, наиболее близкую по геометрическому строению и электрическим параметрам к исследуемой. Строят временные разрезы этой модели по входящим в данное уравнение электрическим параметрам, таким как электропроводность элементов среды, коэффициент их вызванной поляризации и постоянная времени спада разности потенциалов вызванной поляризации. Технический результат: исключение плечевого эффекта при решении обратной задачи, возможность разделения параметров электропроводности и вызванной поляризации и определения постоянной времени спада разности потенциалов вызванной поляризации. 2 н.п. ф-лы. 5 ил.

 

Изобретение относится к области геофизических исследований, а более конкретно - к способам морской геоэлектроразведки с использованием регулируемых искусственных источников электромагнитного поля, и предназначено для поисков и оконтуривания нефтегазовых залежей на морском шельфе на основе раздельного определения и картирования свойственных каждому из элементов (горизонтов) толщи осадочных отложений горных пород следующих трех, необходимых для решения поставленной задачи, электрофизических параметров: удельной электропроводности, вызванной поляризации и постоянной времени спада разности потенциалов вызванной поляризации.

Известны способы геоэлектроразведки в том числе и морской с искусственным возбуждением исследуемой среды электрическим током (способы сопротивлений на постоянном и переменном токе), которые предназначены для определения только одного электрофизического параметра из перечисленных выше трех, а именно электрического сопротивления, что недостаточно для поисков и оконтуривания нефтегазовых залежей. Среди этих способов наиболее распространенным является импульсный способ на переменном низкочастотном токе - способ становления электрического поля.

По результатам полевых измерений данным способом вычисляется электрическое сопротивление ρ_τ с помощью универсальной формулы

где J - измеряемый скачок силы тока в дипольном электрическом источнике;

ΔU - измеряемое напряжение на концах приемных заземлений MN;

К - геометрический коэффициент зондирующей установки. (см. «Электроразведка», Справочник геофизика. Ред. А.Г.Тархов. М.: Недра, 1980, с.237 и с.422-406) [1].

При таком подходе, который применяется обычно при всех традиционных способах определения электрического сопротивления в геоэлектроразведке с регулируемым искусственным источником тока, получают лишь суммарные сведения о всех элементах строения исследуемой среды, в которой развивается поле, так как в ней распределение в пространстве измеряемого тока I источника ничем не контролируется, и информации об указанном распределении в реально существующих трехмернонеоднородных средах нет. Это означает, что нормирование измеряемого электрического параметра ΔU по силе тока питания I источника бессмысленно, так как ток I не несет никакой информации об исследуемой среде, а несет лишь сведения о мощности генератора тока и о сопротивлении заземления токового диполя.

Таким образом, способы сопротивлений не пригодны для поисков и оконтуривания нефтегазовых залежей, по крайней мере, по двум причинам: первая - регистрируется только один из необходимых для этой цели трех электрофизических параметров исследуемой среды; вторая - регистрируемый параметр для той же цели слишком грубый, так как в нем из-за отсутствия фокусировки электрического тока регистрируется сопротивление объема всех геологических объектов исследуемой среды, в которой развивается электрическое поле источника тока.

В морской геоэлектроразведке, в силу специфики измерений в движении, используются симметричная установка AMNB или дипольно-осевая ABMN.

Попытки поисков углеводородов осуществлялись, в частности, ГП «Солитон» и ГНПП «Севморгео» в Черном и Баренцевом морях. Проводилась лишь качественная интерпретация, строились графики сигналов, по которым и выделялись аномальные зоны, связанные, по мнению авторов этих работ, с залежами углеводородов. Иногда наблюдались аномалии в сигналах становления поля, которые в простых геологических условиях отображали наличие неглубоко залегающих газовых залежей, например, в акватории шельфа Черного моря. (А.А.Петров. Возможности метода становления электрического поля при поисках углеводородов в шельфовых зонах. Геофизика, № 5, 2000 г, ЕАГО. М., с.21) [2].

В более сложных геологических условиях аномалии в сигналах становления поля, полученных с использованием установок AMNB и ABMN, не обязательно связаны с прямым наличием в исследуемой среде залежей углеводородов.

Известен способ морской геоэлектроразведки, включающий возбуждение электромагнитного поля в толще исследуюмой среды, пропуская через нее прямоугольные импульсы тока с паузами после каждого из них, и измерение первых разностей электрических потенциалов на разных расстояниях от источника возбуждения. (В.А.Белаш. Способ морской геоэлектроразведки. Авт. св. СССР № 1122998 от 03.06.83. Бюл. № 41. 1984 г.) [3]. Существенным недостатком этого способа является отсутствие фокусировки электрического тока, исключающей горизонтальную компоненту плотности электрического тока j_x или j_y в точке зондирования, что не позволяет при решении обратной задачи использовать известное решение уравнения математической физики для одномерных сред с субгоризонтальными границами раздела для изучения всегда встречающихся в природе трехмернонеоднородных сред. По этой причине решение обратных задач для этого способа в трехмернонеоднородных средах является некорректным и разделение таких параметров исследуемой среды как электропроводность и вызванная поляризация сомнительно.

В предложенном способе решается задача обнаружения и оконтуривания нефтегазовых залежей на морском шельфе, в том числе и на больших глубинах моря. Технический результат заключается в обеспечении возможности разделения параметров электропроводности и вызванной поляризации, а также дополнительно дает возможность определения постоянной времени спада разности потенциалов вызванной поляризации - важного третьего наряду с двумя первыми параметра.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе морской геоэлектроразведки, при котором по серии профилей зондирования в виде окружностей возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды, пропуская через нее прямоугольные импульсы тока с паузами после каждого из них при помощи расположенного на окружности профиля дипольного электрического источника, причем в исследуемую среду посылают по два одинаковых прямоугольных импульса тока: один - при прохождении зондирующей установки по профилю в направлении по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки; и в каждой точке зондирования, находящейся сзади дипольного источника относительно буксирующего его плавсредства на угловом расстоянии 90° по окружности профиля, измеряют вдоль профиля в каждой паузе после выключения импульса тока на всем протяжении времени существования сигналов переходного процесса с постоянным интервалом времени мгновенные значения первых и вторых разностей электрических потенциалов;

из значений измеренных разностей электрических потенциалов рассчитывают три множества независимых от силы тока дипольного источника нормированных электрических параметров:

где к(t_i) - коэффициент фокусировки, полученный из уравнения

Δt - интервал времени между двумя ближайшими измеренными мгновенными значениями разностей электрических потенциалов на всем протяжении существования сигналов переходного процесса;

ΔU_y(t_i)_пр, ΔU_y(t_i)_обр, Δ²U_y(t_i)_пр, Δ²U_y(t_i)_обр - мгновенные значения первых и вторых разностей электрических потенциалов, измеренные в точке зондирования, находящейся относительно центра дипольного источника на угловом расстоянии 90° по окружности профиля, в паузах тока на всем протяжении существования сигналов переходного процесса через равные интервалы времени Δt при прохождении через эту точку зондирующей установки по часовой стрелке и против часовой стрелки;

ΔU_y(t_i, Δt)_пр, ΔU_y(t_i, Δt)_обр, Δ²U_y(t_i, Δt)_пр, Δ²U_y(t_i, Δt)_обр - разности значений между разделенными промежутками времени Δt двумя ближайшими мгновенными значениями первых и вторых разностей электрических потенциалов переходного процесса;

при этом проводят групповое зондирование в нескольких соседних точках на отдельных участках профиля на всем его протяжении и определенные для каждой группы точек нормированные электрические параметры суммируют между собой и получают следующие средние значения:

где n - количество точек зондирования в каждой из групп зондирования;

используя эти значения и дифференциальное уравнение математической физики для напряженности электрического поля дипольного источника в электрохимически поляризующейся проводящей среде

где ▿² - оператор Лапласа;

- напряженность электрического поля дипольного источника, выраженная в уравнении для случая гармонического изменения величины электрического поля по времени;

σ(iωσ₀ητ) - частотно-зависимая электропроводность элементов среды;

σ₀ - электропроводность элементов среды без учета влияния вызванной поляризации;

η - коэффициент их вызванной поляризации;

τ - постоянная времени спада разности потенциалов вызванной поляризации;

решают математическую обратную задачу, определяя присущие каждому элементу среды три электрофизических параметра: удельную электропроводность σ₀, вызванную поляризацию η и постоянную времени спада разности потенциалов вызванной поляризации τ, и строят три временных разреза по этим параметрам.

Также указанный техниеский результат достигается тем, что в способе морской геоэлектроразведки, при котором по оси прямолинейного профиля зондирования возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды, пропуская через нее прямоугольные импульсы тока с паузами после каждого из них при помощи дипольного электрического источника, причем в исследуемую среду посылают по два одинаковых прямоугольных импульса тока: один - при прямом прохождении зондирующей установки вдоль профиля, а другой - при обратном; и в каждой точке зондирования в каждой паузе после каждого импульса тока на всем протяжении времени существования сигналов переходного процесса с постоянным интервалом времени измеряют последовательность мгновенных значений первых и вторых осевых разностей электрических потенциалов;

из значений измеренных разностей электрических потенциалов рассчитывают три множества независимых от силы тока дипольного источника нормированных электрических параметров:

где к(t_i) - коэффициент фокусировки, полученный из уравнения ΔU_x(t_i)_пр-к(t_i)·ΔU_x(t_i)_обр=0

Δt - интервал времени между двумя ближайшими значениями разностей электрических потенциалов на всем протяжении существования сигналов переходного процесса;

ΔU_x(t_i)_пр, ΔU_x(t_i)_обр, Δ²U_x(t_i)_пр, Δ²U_x(t_i)_обр - мгновенные значения первых и вторых осевых разностей электрических потенциалов, измеренные в паузах тока на всем протяжении существования сигналов переходного процесса через равные интервалы времени Δt при движении зондирующей установки по прямолинейному профилю в прямом и обратном направлениях;

ΔU_x(t_i, Δt)_пр, ΔU_x(t_i, Δ_t)_обр, Δ²U_x(t_i, Δt)_пр, Δ²U_x(t_i, Δt)_обр - разности значений между разделенными промежутками времени Δt двумя ближайшими мгновенными значениями первых и вторых осевых разностей электрических потенциалов переходного процесса;

при этом проводят групповое зондирование в нескольких соседних точках на отдельных участках профиля на всем его протяжении и определенные для каждой группы точек нормированные электрические параметры суммируют между собой и получают следующие средние значения:

где n - количество точек зондирования в каждой из групп зондирования;

используя эти значения и дифференциальное уравнение математической физики для напряженности электрического поля дипольного источника в электрохимически поляризующейся проводящей среде

где ▿² - оператор Лапласа;

- напряженность электрического поля дипольного источника, выраженная в уравнении для случая гармонического изменения величины электрического поля по времени;

σ(iωσ₀ητ) - частотно-зависимая электропроводность элементов среды;

σ₀ - электропроводность элементов среды без учета влияния вызванной поляризации;

η - коэффициент их вызванной поляризации;

τ - постоянная времени спада разности потенциалов вызванной поляризации;

решают математическую обратную задачу, определяя присущие каждому элементу среды три электрофизических параметра: удельную электропроводность σ₀, вызванную поляризацию η и постоянную времени спада разности потенциалов вызванной поляризации τ, и строят три временных разреза по этим параметрам.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 дана блок-схема устройства для реализации первого варианта предложенного способа.

На фиг.2 дана схема профилирования по окружности для реализации первого варианта предложенного способа.

На фиг.2(а) показано движение зондирующей установки по профилю в виде окружности в направлении по часовой стрелке, а на фиг.2(б) - по этому же профилю против часовой стрелки.

На фиг.3 дана блок-схема устройства для реализации второго варианта предложенного способа.

На фиг.4 показана форма электрического поля в однородной среде с фокусировкой электрического тока.

На фиг.5 показаны формы одиночных импульсов в функции времени t: а) - форма одиночного прямоугольного импульса тока I в сети дипольного источника АВ; б) - форма импульсов первой и второй разностей электрических потенциалов.

Устройство (фиг.1) содержит погруженные в воду 1 питающие электроды 2 и 3 дипольного электрического источника (токового диполя АВ), подключаемые к генератору 4 прямоугольных токовых импульсов.

Устройство (фиг.1), исполненное с использованием двух измерительных датчиков для измерения первой и второй разностей электрических потенциалов.

Здесь 5-М₁, 6-N, 7-M₂ - электроды датчиков первой и второй разностей электрических потенциалов, расставленные по профилю в виде окружности через равные интервалы. Угловое расстояние между электродом N и центром дипольного источника АВ равно 90°. 8 - цифровой измеритель для измерения второй разности потенциалов электрического поля Δ²U между электродами M₁NM₂. 9 - цифровой измеритель для измерения первой разности потенциалов эктрического поля ΔU между электродами M₁M₂. 10 - компьютерный блок для обработки и регистрации сигналов цифровых измерителей 8 и 9.

На фиг.2 дана схема профилирования по окружности для реализации первого варианта предложенного способа с использованием трехэлектродного датчика для измерения первой и второй разностей электрических потенциалов, размещенного на профиле в виде окружности 11 на угловом расстоянии 90° от дипольного электрического источника АВ. Измерение разностей потенциалов ΔU_y(t_i) и Δ²U_у(t_i) необходимо для морского зондирования при больших глубинах моря (250 м - 1000 м), так как эти разности в первом изотропном неполяризующимся слое (морская вода) в сигналах переходных процессов отсутствуют (М.С.Жданов. Электроразведка. М.: Недра, 1986 г., с.259) [4], что технически существенно увеличивает возможности проводить поиски и разведку углеводородов на глубоководном морском шельфе благодаря подавлению экранирующего влияния высокопроводящего слоя морской воды на результаты измерений.

На фиг.3 дана блок-схема устройства для осуществления второго варианта способа. Здесь 12 - прямолинейный профиль зондирования.

На фиг.4 показана форма электрического поля в однородной среде: а - форма распространения токовых линий при фокусировке тока при помощи поддержания равной нулю разности потенциалов б - формула электрического поля в пределах измерительных электродов M₁M₂ при сфокусированном токе при помощи токовых диполей B₁A₁ и А₂В₂; в - форма электрического поля в пределах измерительных электродов M₁M₂ при возбуждении исследуемой среды при помощи одного токового диполя B₁A₁ без фокусировки тока; г - форма электрического поля в пределах измерительных электродов M₁M₂ при возбуждении исследуемой среды при помощи одного токового диполя А₂В₂ без фокусировки тока.

На фиг.5(а) показана форма одиночного прямоугольного импульса тока I в цепи дипольного источника АВ в функции времени t. Здесь Т - период импульса тока.

На фиг.5(б) показана форма одного из импульсов ΔⁿU. Также показано одно из значений ΔⁿU(t_i, Δt) на одном из интервалов времени Δt в паузе тока.

Рассмотрим основы предложенного способа, его осуществление и новые возможности морской геоэлектроразведки.

В предложенном первом варианте способа морской геоэлектроразведки исключение искажающего влияния на результаты зондировании переменного по глубине и электрически высокопроводящего слоя морской воды осуществляется путем зондирования в заданной точке профиля в виде окружности двумя одиночными необходимой мощности прямоугольными импульсами тока: первый - при прохождении по дуге профиля зондирующей установки через точку зондирования в направлении по часовой стрелке, второй - в направлении против часовой стрелки. Профилирование по окружности позволяет измерять ортогональные разности электрических потенциалов, благодаря которым подавляется экранирующее влияние высокопроводящего слоя морской воды.

Предложенный второй вариант способа предназначен для зондирования по прямолинейным профилям на мелководном шельфе при глубинах моря до 250 м.

Известно, что электромагнитное поле в плохо проводящей физической среде распространяется по времени t согласно вытекающему из первого и второго уравнений Максвелла дифференциальному затухающему волновому уравнению математической физики для напряженности электрического поля, в том числе и в случае ее импульсного изменения,

где ▿² - оператор Лапласа;

Е - напряженность электрического поля, В/м.;

μ - магнитная проницаемость - величина постоянная для немагнитных сред, к числу которых относятся осадочные геологические породы, и равна 4π·10^-7 Гн/м;

σ₀ - электропроводность неполяризующейся среды, См/м;

ε - диэлектрическая проницаемость, Ф/м.

(В.А.Говорков. Электрические и магнитные поля. М., Госэнергоиздат, 1960, с.257-263) [5]. В случае высокопроводящей среды, к которой относятся осадочные отложения горных пород, в связи с тем, что δ_о численно многократно больше ε, второй член в правой части уравнения (2) мал по сравнению с первым, и его отбрасывают (Л.Л.Ваньян. Основы электромагнитных зондирований. М.: Недра, 1965, с.28-30) [6]. Физически это означает, что токами смещения в проводящих средах пренебрегают ввиду их малости по сравнению с токами проводимости. Тогда уравнение (2) принимает вид

Это уравнение в геоэлектроразведке имеет решение лишь для одномерных осесимметричных сред, в частности для сред с субгоризонтальными неограниченно простирающимися границами раздела.

При этом отметим, что в реальности геологическая среда всегда трехмернонеоднородна, так как в ней, во-первых, присутствуют приповерхностные локальные неоднородности, во-вторых, в целом геологическая среда вдоль профиля исследований постоянно меняет свои электрофизические параметры. Однако уравнение как было сказано выше (3) пока решено только для одномерных осесимметричных сред, в том числе для среды с субгоризонтальными плоскопараллельными границами раздела. Поэтому использование решения уравнения (3) в обратных задачах геоэлектроразведки для поисков и оконтуривания нефтегазовых залежей допустимо лишь в том случае, когда при полевых измерениях осуществляется фокусировка электрического тока источника электромагнитного поля, так как в этом случае под точкой N форма распространения поля двух источников АВ_пр и АВ_обр практически всегда одинаковая как в трехмернонеоднородной среде, так и в одномерной - с плоскопараллельными субгоризонтальными границами раздела.

В одномерной горизонтально-слоистой среде при равных токах в обоих токовых диполях

где ΔU(I_AB)_пр - разность потенциалов в точке измерения N от действия тока диполя АВ при прохождении его в прямом направлении.

ΔU(I_AB)_обр - разность потенциалов в точке измерения N от действия тока в диполя АВ при прохождении его в обратном направлении.

Из формулы (4) вытекает, что согласно закону Ома суммарная осевая составляющая плотности тока j_у для первого варианта способа или j_х для второго варианта способа в данной среде под указанной точкой N согласно принципу суперпозиции равна нулю.

Таким образом, под точкой измерения происходит фокусировка тока, приводящая к исключению там осевой составляющей плотности тока j.

Однако в реальности геологическая среда всегда трехмернонеоднородна и даже при равенстве токов и условие (4) не выполняется.

А именно, в трехмернонеоднородных средах ΔU(I_AB)_пр и ΔU(I_AB)_обр по своим модулям отличаются в к раз, то есть при прохождении установки в прямом направлении первая и вторая разности потенциалов будут, соответственно, равны ΔU(I_AB)_пр и Δ²U(I_AB)_пр, а при прохождении в обратном направлении - к·ΔU(I_AB)_обр и к·Δ²U(I_AB)_обр.

Для выполнения условия фокусировки тока в трехмернонеоднородной среде с целью исключения осевой компоненты плотности тока j под точкой измерения выражение (4) должно принять вид

Чтобы обеспечить исключение осевой компоненты плотности j под точкой измерения N в предложенном способе построены соответствующие формулы измеряемых электрических параметров, например,

где к(t_i) - коэффициент, полученный из уравнения

вытекающего из условия равенства нулю результирующей осевой разности потенциалов электрического поля вдоль оси профиля в пределах зоны измерительных электродов зондирующей установки.

Формула (6) независимо от величины токов I_АВпр и I_АВобр в любой трехмернонеоднородной среде в каждой точке пространства в направлении вертикальной координаты z под точкой измерения N в плоскости, перпендикулярной оси, проходящей через электроды M₁M₂ на всем протяжении времени переходных процессов обеспечивает равенство нулю зависящей от времени t осевой компоненты плотности тока j(t). Это происходит всегда независимо от того, меняется множитель к в процессе времени переходных процессов t или нет.

Благодаря этому при решении обратной задачи исключается плечевой эффект, т.е. электрическое поле в трехмернонеоднородной среде под точкой измерения N, описанное формулой (6) всегда практически совпадает с полем в одномерной горизонтально-слоистой среде с неограниченными границами раздела.

Это позволяет решать обратную задачу в точке измерения N для трехмернонеоднородной среды, используя известное теоретическое решение для одномерной среды с горизонтально-слоистыми границами раздела. Могут быть другие способы выравнивания потенциалов крайних измерительных электродов: создание групп токовых электродов, групп измерительных электродов и пр. Могут модифицироваться группы измерительных электродов, например, вместо трех - четыре. Можно вводить разнополярные источники с целью изменения глубины проникновения вертикальной плотности тока j_z(t) и определения вертикальной изменчивости пород. Можно менять размер установки. Однако независимо от модификации установки основой предлагаемого способа является равенство нулю результирующей первой разности потенциалов электрического поля на базе ее измерения, что позволяет исключить влияние осевой компоненты плотности тока j(t).

Отметим также, что уравнение (3) является уравнением распространения по времени электромагнитного поля в проводящей неполяризующейся среде, которое совпадает с известным в математической физике уравнением теплопроводности или диффузии и которое в геофизике в способах сопротивлений обычно используют для изучения распространения переменного электромагнитного поля вглубь толщи исследуемых геологических пород, при этом считают, что электропроводность σ₀ того или иного геологического горизонта является главным и практически единственным определяющим его электрические свойства параметром, обладает своим постоянным значением для каждого горизонта и не зависит от частоты возбуждения электромагнитного поля. Однако геологическим осадочным породам при их возбуждении применяемым в геофизике переменным низкочастотным электрическим током свойственна вызванная им поляризация η. Вызванная поляризация есть безразмерная величина, зависящая от электрохимической активности осадочных горных пород. Она определяется как отношение разностей потенциалов, измеренных на образце исследуемой породы после выключения импульсов тока через 0,5 сек (ΔU_ВП) и до выключения (ΔU). Это отношение обычно выражают в процентах

Вызванная поляризация осадочных геологических пород имеет уникальную среди физических параметров стабильность и практически не зависит от состава пород и их температуры. Она для ионопроводящих (осадочных) пород зависит от многих факторов: влажности и пористости, состава и концентрации раствора в порах породы, структуры и размера пор, содержания глинистых минералов и т.д. (В.А.Комаров. Электроразведка методом поляризации. Л.: Наука, 1980, с.392) [7]. И, самое главное, как показали широкие практические геоэлектрические исследования предложенным способом на геологических объектах, вызванная поляризация несет основную информацию о присутствии в геологической среде обладающих высокой степенью этой поляризации нефтегазовых залежей.

Установлено (W.H.Pelton, S.H.Ward, P.G.Hallof, W.R.Sill and P.H.Nelson. Mineral discrimination and removal of inductive coupling with multi-frequency JP, Geophysics 43, 1978, c.588-603) [8], что электропроводность осадочных горных пород не постоянна, а зависит от вызванной поляризации и от частоты возбуждения электрического поля по предложенной, в частности, K.S.Cole и R.H.Cole в форме гармоничного его изменения по времени эмпирической формуле

в которой эта электропроводность зависит от ω, σ₀, η и τ,

где η - вызванная поляризация пород, безразмерная величина, обычно выражающаяся в процентах;

τ - постоянная времени, определяющая скорость спада разности потенциалов, связанной с вызванной поляризацией, сек;

ω - гармоничная частота электрического возбуждения, Гц;

с - безразмерный показатель степени, который хотя и не является физическим параметром горных пород, но от него зависит σ(iωσ₀ητ).

Вызванная поляризация η на низких частотах электрического возбуждения, в отличие от диэлектрической проницаемости ε, численно не столь мала по сравнению с электропроводностью σ₀ для осадочных геологических пород, измеренной, например, при токах высоких частот (ω→∞), когда, как это видно из формулы (8), вызванная поляризация не проявляется. Следовательно, вызванной поляризацией при изучении с целью поисков и оконтуривания нефтегазовых залежей геоэлектрических параметров осадочных геологических пород на низкочастотном переменном токе уже пренебрегать нельзя. Известно (Электроразведка. Справочник геофизика. Ред. В.К.Хмелевский и др. М.: Недра, 1989, Книга вторая, с.99-102) [9], что для тех или иных осадочных геологических пород через 0,5 сек после выключения импульса возбуждающего тока величина вызванной поляризацией разности потенциалов, несмотря на ее интенсивный спад, еще сохраняет уровни, численные значения которых составляют от 0,2% до 10% от численных значений разностей потенциалов прямого поля, связанных с электропроводностью σ₀, измеренной, как отмечалось выше, при токах высоких частот, когда вызванная поляризация не проявляется. Чтобы сохранить по форме формулу (8), тепловое уравнение (3) запишем для случая гармонического изменения величины электромагнитного поля по времени, имея ввиду, что

и учитывая то, что

и

Тогда уравнение (3) для проводящей неполяризующейся среды с учетом преобразования (9) примет вид

Но поскольку электропроводность осадочных горных пород непостоянна, а зависит от вызванной поляризации и от частоты возбуждения по формуле (8), то уравнение (11) с учетом этой формулы приобретает уже четыре определяющих свойства поляризующейся среды параметра σ₀, η, τ и с вместо одного σ₀ и для случая гармоничного изменения величины электромагнитного поля по времени принимает вид

а в общем виде с учетом (8) -

Замена нечастотно-зависимой электропроводности Сто, которая присутствует в уравнении (11), на частотно-зависимую σ(iω), присутствующую в уравнении (13), математически корректна и теоретически доказана в (А.К.Куликов, Е.А.Шемякин. Электроразведка фазовым методом вызванной поляризации. М.: Недра, 1978 г., с.24-26) [10] и (Дж. Р.Уайт. Гео-электро-магнетизм. М.: Недра, 1987 г., с.61-62) [11].

Для предложенного способа задача обнаружения нефтегазовых залежей в исследуемой толще горных пород как математическая обратная задача решается согласно уравнению (13) в функции времени, и как следствие этого, в функции, зависящей от времени глубины проникновения электромагнитного поля, по трем независимым друг от друга параметрам среды: электропроводности σ₀; вызванной поляризации η; постоянной времени τ спада разности электрических потенциалов вызванной поляризации; и по четвертому, не являющемуся параметром среды, показателю степени с, вытекающему из эмпирической формулы (8).

Эта задача, как обратная математическая задача, решается для предложенного первого варианта способа путем использования всего массива определяемых этим способом, по крайней мере, трех независимых от силы тока источников нормированных электрических параметров

в паузах тока в моменты времени t_i(0≤i≤n), равные t₀, t₀+Δt, t₀+2Δt, t₀+3Δt и т.д. до t₀+nΔt, т.е. до конца времени существования сигналов переходного процесса и дифференциального уравнения математической физики (13) для напряженности электрического поля дипольного источника в электрохимически поляризующейся проводящей среде, в частности, например, одним из методов решения обратной математической задачи - методом подбора (А.В.Тихонов, В.Я.Арсенин. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979, с.37-43) [12]. При этом для уменьшения количества вариантов подбора используют имеющиеся данные о модели исследуемой геологической среды, например данные бурения опорных или параметрических скважин, которые, как правило, с редким шагом разбурены повсеместно, или данные сейсморазведки, если последняя в районе исследования уже проводилась. В случае отсутствия каких либо априорных данных о геологическом разрезе что, как правило, при поисковых исследованиях встречается наиболее часто, обратная задача также решается, но с увеличенным количеством вариантов подбора.

В конечном результате решением обратной задачи получают модель среды, наиболее близкую к реальной по геометрическому строению и по значениям параметров σ₀, η и τ для каждого ее элемента и, как следствие этого, разделяют эти три параметра. И, наконец, строят три временных разреза σ₀, η и τ: по вертикальной координате - в функции времени переходного процесса в паузе тока, функционально связанного с глубиной проникновения поля, а следовательно, и с глубиной залегания каждого из горизонтов, найденной в результате решения обратной задачи модели среды; по горизонтальной координате - в функции расстояния между точками зондирования на поверхности моря по заданному профилю; а значения, входящих в уравнение (13) электрофизических параметров σ₀, η и τ, представляют по прилагаемой для каждого разреза цифровой шкале в цветном изображении по цветовой гамме.

При наличии каких-либо помех проводят последовательно групповое зондирование в нескольких соседних точках на отдельных участках профиля на всем его продолжении. Определенные в каждой группе точек зондирования нормированные электрические параметры суммируют между собой и получают следующие средние значения:

где n - количество точек зондирования в каждой из групп зондирования; и используют эти суммы при решении обратной задачи.

Обратная математическая задача для второго варианта способа решается путем использования всего массива трех независимых от силы тока источников нормированных электрических параметров.

или в присутствии каких-либо электрических помех используют суммированные нормированные параметры

Исследованиями предложенным способом на нефтегазовых месторождениях установлено, что в присутствии нефтяной или газовой залежи независимо от типа ловушки и ее геометрической формы все три параметра (удельная электропроводность σ₀, вызванная поляризация η и постоянная времени τ) в пределах контура залежи приобретают вид, отображающий аномалию в глубине разреза, там, где находится эта залежь, в том числе на глубоководном морском шельфе.

Пример конкретного выполнения

На фиг.1 и фиг.3 представлены блок-схемы аппаратуры для реализации предложенных обоих вариантов способа. На блок-схемах показан помещенный в воду 1 токовый диполь АВ (2 и 3), питаемый генератором 4 прямоугольных импульсов тока. Устройство выполнено с использованием двух измерительных датчиков M₁M₂ (5 и 7) и M₁NM₂ (5, 6 и 7) для измерения первой и второй разностей электрических потенциалов. Измеренные разности усиливают усилителями 8 и 9 и обрабатываются обрабатывающим и регистрирующим блоком 10 для получения численных значений по формулам (14), (15), (16) и (17). Устройства по первому и второму способам не отличаются друг от друга. Отличаются лишь варианты способа проведения зондировании. Первым вариантом проводятся зондирования по профилям в виде окружности 11 (фиг.2), который предназначен для исследований при больших глубинах моря (250 м - 1000 м). Вторым вариантом - по прямолинейным профилям 12 (фиг.3), который предназначен для исследований на мелководном шельфе при его глубинах до 250 м.

Индексы пр. и обр. в формулах (14), (15), (16) и (17) обозначают то, что измерение электрических параметров в каждой точке зондирования осуществляется при движении зондирующей установки по профилю в прямом и обратном направлениях.

Предложенный способ реализован в виде комплекса питающей, измерительной и обрабатывающей аппаратуры. Исследованиями предложенным способом на нефтегазовых месторождениях морского шельфа установлено, что в присутствии нефтяной или газовой залежи независимо от типа ловушки и ее геометрической формы все три параметра σ₀, η и τ в пределах контура залежи приобретают вид, отображающий аномалию в глубине разреза там, где находится эта залежь. Способ дает существенный экономический эффект в деле поиска и разведки скоплений углеводородов.

1. Способ морской геоэлектроразведки, при котором по серии профилей зондирования в виде окружностей возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды, пропуская через нее прямоугольные импульсы тока с паузами после каждого из них при помощи расположенного на окружности профиля дипольного электрического источника, причем в исследуемую среду посылают по два одинаковых прямоугольных импульса тока: один - при прохождении зондирующей установки по профилю в направлении по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки, и в каждой точке зондирования, находящейся сзади дипольного источника относительно буксирующего его плавсредства на угловом расстоянии 90° по окружности профиля, измеряют вдоль профиля в каждой паузе после выключения импульса тока на всем протяжении времени существования сигналов переходного процесса с постоянным интервалом времени мгновенные значения первых и вторых разностей электрических потенциалов, при этом обеспечивают условие равенства нулю результирующей осевой разности электрических потенциалов вдоль профиля для исключения осевой компоненты плотности тока под точкой зондирования и определяют коэффициент фокусировки к(t_i) из уравнения

из значений измеренных разностей электрических потенциалов рассчитывают три множества независимых от силы тока дипольного источника нормированных электрических параметров

где Δt - интервал времени между двумя ближайшими измеренными мгновенными значениями разностей электрических потенциалов на всем протяжении существования сигналов переходного процесса;

ΔU_y(t_i)_пр, ΔU_y(t_i)_обр, Δ²U_y(t_i)_пр, Δ²U_y(t_i)_обр - мгновенные значения первых и вторых разностей электрических потенциалов, измеренные в точке зондирования, находящейся относительно центра дипольного источника на угловом расстоянии 90° по окружности профиля, в паузах тока на всем протяжении существования сигналов переходного процесса через равные интервалы времени Δt при прохождении через эту точку зондирующей установки по часовой стрелке и против часовой стрелки;

ΔU_y(t_i, Δt)_пр, ΔU_y(t_i, Δt)_обр, Δ²U_y(t_i, Δt)_пр, Δ²U_y(t_i, Δt)_обр - разности значений между разделенными промежутками времени Δt двумя ближайшими мгновенными значениями первых и вторых разностей электрических потенциалов переходного процесса,

при этом проводят групповое зондирование в нескольких соседних точках на отдельных участках профиля на всем его протяжении и определенные для каждой группы точек нормированные электрические параметры суммируют между собой и получают следующие средние значения:

где n - количество точек зондирования в каждой из групп зондирования;

используя эти значения и дифференциальное уравнение математической физики для напряженности электрического поля дипольного источника в электрохимически поляризующейся проводящей среде

где ▿² - оператор Лапласа;

- напряженность электрического поля дипольного источника, выраженная в уравнении для случая гармонического изменения величины электрического поля по времени;

σ(iωσ₀ητ) - частотнозависимая электропроводность элементов среды;

σ₀ - электропроводность элементов среды без учета влияния вызванной поляризации;

η - коэффициент их вызванной поляризации;

τ - постоянная времени спада разности потенциалов вызванной поляризации,

решают математическую обратную задачу, определяя присущие каждому элементу среды три электрофизических параметра: удельную электропроводность σ₀, вызванную поляризацию η и постоянную времени спада разности потенциалов вызванной поляризации τ, и строят три временных разреза по этим параметрам.

2. Способ морской геоэлектроразведки, при котором по оси прямолинейного профиля зондирования возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды, пропуская через нее прямоугольные импульсы тока с паузами после каждого из них при помощи дипольного электрического источника, причем в исследуемую среду посылают по два одинаковых прямоугольных импульса тока: один - при прямом прохождении зондирующей установки вдоль профиля, а другой при обратном, и в каждой точке зондирования в каждой паузе после каждого импульса тока на всем протяжении времени существования сигналов переходного процесса с постоянным интервалом времени измеряют последовательность мгновенных значений первых и вторых осевых разностей электрических потенциалов, при этом обеспечивают условие равенства нулю результирующей осевой разности электрических потенциалов вдоль профиля для исключения осевой компоненты плотности тока под точкой зондирования и определяют коэффициент фокусировки к(t_i) из уравнения

ΔU_x(t_i)_пр-к(t_i)·ΔU_x(t_i)_обр=0,

из значений измеренных разностей электрических потенциалов рассчитывают три множества независимых от силы тока дипольного источника нормированных электрических параметров

где Δt - интервал времени между двумя ближайшими значениями разностей электрических потенциалов на всем протяжении существования сигналов переходного процесса;

ΔU_x(t_i)_пр, ΔU_x(t_i)_обр, Δ²U_x(t_i)_пр, Δ²U_x(t_i)_обр - мгновенные значения первых и вторых осевых разностей электрических потенциалов, измеренные в паузах тока на всем протяжении существования сигналов переходного процесса через равные интервалы времени Δt при движении зондирующей установки по прямолинейному профилю в прямом и обратном направлениях;

ΔU_x(t_i, Δt)_пр, ΔU_x(t_i, Δ_t)_обр, Δ²U_x(t_i, Δt)_пр, Δ²U_x(t_i, Δt)_обр - разности значений между разделенными промежутками времени Δt двумя ближайшими мгновенными значениями первых и вторых осевых разностей электрических потенциалов переходного процесса,

при этом проводят групповое зондирование в нескольких соседних точках на отдельных участках профиля на всем его протяжении и определенные для каждой группы точек нормированные электрические параметры суммируют между собой и получают следующие средние значения:

где n - количество точек зондирования в каждой из групп зондирования,

используя эти значения и дифференциальное уравнение математической физики для напряженности электрического поля дипольного источника в электрохимически поляризующейся проводящей среде

где ▿² - оператор Лапласа;

- напряженность электрического поля дипольного источника, выраженная в уравнении для случая гармонического изменения величины электрического поля по времени;

σ(iωσ₀ητ) - частотнозависимая электропроводность элементов среды;

σ₀ - электропроводность элементов среды без учета влияния вызванной поляризации;

η - коэффициент их вызванной поляризации;

τ - постоянная времени спада разности потенциалов вызванной поляризации,

решают математическую обратную задачу, определяя присущие каждому элементу среды три электрофизических параметра: удельную электропроводность σ₀, вызванную поляризацию η и постоянную времени спада разности потенциалов вызванной поляризации τ, и строят три временных разреза по этим параметрам.