Способ мониторинга и прогнозирования разрывных нарушений в верхней части геологического разреза



Способ мониторинга и прогнозирования разрывных нарушений в верхней части геологического разреза

 


Владельцы патента RU 2461848:

Задериголова Михаил Михайлович (RU)

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при электромагнитном зондировании верхней части геологического разреза. Согласно заявленному способу измеряют взаимно ортогональные горизонтальные магнитные и электрические компоненты Нх, Ну, Ех, Еу напряженности естественного электромагнитного поля Земли. Вычисляют в устройстве обработки величины импедансов Z1=Ex/Hy и Z2=Ey/Hx. По величинам импедансов определяют изменения во времени электрических сопротивлений ρк1(Z1,t) и ρк2(Z2,t), по резким скачкам которых, более чем в 5 раз превышающим ранее измеренные фоновые данные ρф1(Z1,t), ρф2(Z2,t), судят о готовящейся фазе разрывных нарушений в верхней части геологического разреза ВЧР в течение времени t от 1 до 15 суток. Технический результат: повышение точности и информативности получаемых геофизических данных. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к геофизике, в частности к электромагнитным низкочастотным методам изучения верхней части геологического разреза ВЧР, предназначенным для контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород на основе изучения вариаций электромагнитного радиоволнового поля Земли (РПЗ). Оно может быть использовано для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (тектонические разломы, обводненные мульды, карстовые полости, оползневые участки, зоны шахтных подработок, повышенной трещиноватости, интервалы ослабленных пород и пр.). Данное изобретение специально может быть использовано также при организации сети мониторинга для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизаций потенциально опасных геологических процессов (ОГП). Результаты такого мониторинга находят практическое применение для объективной оценки и прогнозирования степени рисков, обеспечения безопасности эксплуатации ответственных газовых объектов и своевременного принятия управляющих решений.

Поскольку геодинамически активные зоны, как правило, являются индикаторами потенциальных источников аварий и катастроф, постоянный контроль в режиме реального времени за изменениями НДС, например, оползневого массива, включающего магистральные газопроводы, основания фундаментов ответственных сооружений, является актуальной задачей.

В горных породах под действием механических напряжений возникают следующие друг за другом электромагнитные импульсы в широком спектре частот. Параметры импульсов зависят от эффективности дефектообразования и определяют кинетику скрытого трещинообразования движения флюидов. Установлено, что изменения НДС ведут к изменениям давления поровой жидкости, режима фильтрации подземных вод, что также сопровождается появлением электрокинетического тока, а значит и электромагнитного поля. На поля НДС накладываются индуцированные в проводящих включениях поля, вызванные вариациями радиоволнового поля Земли. Эти, как и другие природно-техногенные поля, приводят к непостоянству суммарных магнитных компонент (Hz, Нх, Ну) в пространстве и во времени (ось z - вертикальна, оси х, у - в горизонтальной плоскости, ортогональны оси z). При этом под Hz, Нх, Ну понимают разницу между абсолютными значениями компонент на всех рядовых измеряемых i-тых точках поверхности и одной опорной.

Известен способ обнаружения геодинамических зон в массиве горных пород, заключающийся в том, что с заданным периодом времени проводят изучение напряженно-деформированного состояния пород, при котором измеряют плотность потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли радиоволновым индикатором в точках наблюдения, расположенных в заданном направлении, с заданным шагом, в заданном диапазоне частот (Патент Украины №8085, G01V 3/08, опубл. 26.12.1995).

В этом способе по результатам измерений составляют графики значений плотности потока магнитной составляющей естественного импульсного электромагнитного поля Земли и по наличию закономерных изменений уровня сигнала судят о наличии аномальных зон в массиве горных пород. Наблюдения естественного импульсного электромагнитного поля Земли проводят повторно с периодом, равным времени релаксации напряжений в массиве горных пород. При этом измерение магнитной составляющей сигнала интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) ведут вдоль оси выработки в трех взаимно перпендикулярных направлениях: продольном, поперечном и вертикальном с шагом 1-5 м в диапазоне частот 150-200 кГц, а по положению аномальных зон на графиках судят о положении зон разгрузки или повышенного горного давления массива, обусловленных как природными, так и техногенными факторами. Измерения проводят одной антенной радиоволнового индикатора, которую поворачивают поочередно в три взаимно перпендикулярные положения.

Недостатками этого способа являются: низкие точность и достоверность получаемых результатов, поскольку измерения проводятся не синхронно, а в течение длительного времени одной антенной в узком диапазоне частот. Этот способ малоэффективен для интерпретации полевых данных, поскольку основанием для суждения о положении проблемных зон служит анализ трех отдельных графиков, а не продукт их совместной обработки.

Наиболее близким является способ мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, включающий одновременное измерение двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент Нх, Ну напряженности естественного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом приемопередающие устройства устанавливают стационарно в зоне исследуемой поверхности ВЧР, а опорную станцию, идентичную приемопередающим устройствам, - вне зоны исследуемой поверхности, сигналы с данными о компонентах Нх, Ну одновременно передают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Нх, Ну с приемных устройств и с опорной станции (Патент РФ №2363965, G01V 3/12, опубл. 10.08.2009).

В этом способе дополнительно измеряют вертикальную компоненту Hz напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли. В устройстве обработки вычисляют амплитудные магнитовариационные частотные параметры - Wzx (х, у)=Hz/Hx и Wzy (х, у)=Hzу. Затем определяют зависимости W1zx=F1(f) и W2zy=F2(f) для каждого из приемопередающих устройств. Эти зависимости интегрируют, получая площади и для каждого из приемопередающих устройств, причем S1 и S2 являются обобщенными электрическими характеристиками ВЧР по глубине. По экстремумам W1zx, W2zy, S1 и S2 определяют локальные неоднородности и геодинамические зоны в области ВЧР под соответствующими приемопередающими устройствами.

Ограничениями этого способа являются невысокая точность, ограниченные эксплуатационные возможности, невозможность проведения прогноза появления разрывных нарушений в горных породах.

В результате патентного поиска не было выявлено источников информации, в которых проводился бы постоянный мониторинг локальных неоднородностей геодинамической природы верхней части геологического разреза с одновременным использованием магнитных и электрических компонент (ЕИЭМПЗ).

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных возможностей.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение точности, информативности, расширение функциональных возможностей не только за счет определения в режиме реального времени локальных неоднородностей геодинамической природы в области ВЧР, а также за счет обеспечения прогноза появления разрывных нарушений в горных породах на участках активизации ОГП.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза (ВЧР), включающем одновременное измерение двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент Нх, Ну напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом приемопередающие устройства устанавливают стационарно в зоне исследуемой поверхности ВЧР, а опорную станцию, идентичную приемопередающим устройствам, - вне зоны исследуемой поверхности, сигналы с данными о компонентах Нх, Ну одновременно передают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Нх, Ну с приемных устройств и с опорной станции, согласно изобретению дополнительно одновременно измеряют двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональные горизонтальные электрические компоненты Ех, Еу напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом антенны приемопередающих устройств и одной опорной станции, принимающие взаимно ортогональные горизонтальные электрические компоненты Ех, Еу напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли, ориентируют в одном направлении с антеннами, принимающими взаимно ортогональные горизонтальные магнитные компоненты Нх, Ну, в устройстве обработки компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Ех, Еу с приемных устройств и с опорной станции, вычисляют в устройстве обработки величины импедансов Z1=Ex/Hy и Z2=Ey/Hx в каждый момент времени t в интервале Δt, по величинам импедансов определяют изменения во времени электрических сопротивлений ρк1(Z1,t) и ρк2(Z2,t), по резким скачкам которых, более чем в 5 раз превышающим ранее измеренные фоновые данные ρф1(Z1,t), ρф2(Z2,t), судят о готовящейся фазе разрывных нарушений в верхней части геологического разреза ВЧР в течение времени от 1 до 15 суток.

Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:

- антенны, принимающие горизонтальные магнитные и электрические компоненты Нх и Ех, взаимно визировали в пространстве вдоль профиля исследований при геокартировании неоднородностей геодинамической природы, либо по осям преимущественной ориентировки тектонических элементов;

- измерения компонент Нх, НУ, Ех, Еу производили одними и теми же приемопередающими устройствами.

Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемую фиг.1.

Фиг.1 изображает схему расположения приемопередающих устройств с магнитными и электрическими антеннами и опорной станции для участка линейного трубопровода.

Способ реализуют следующим образом.

На профиле или участке исследований (фиг.1) стационарно устанавливают приемопередающие устройства 1, измеряющие электрическими Ех, Еу и магнитными Нх, Ну антеннами электромагнитное поле Земли. Однотипную приемопередающим устройствам 1 опорную станцию 2 размещают на участке, заведомо свободном от геодинамических, геоэлектрических неоднородностей, чем достигается компенсация влияния природных и техногенных помех. Входы/выходы приемопередающих устройств 1 могут быть связанны с входами-выходами устройства обработки 3 кабелем, радиоканалом или спутниковой связью и т.п.

В момент достижения напряженно-деформированного состояния критических значений, при которых в горных породах начинается процесс разрешения и лавинного трещинообразования, резко падает электрическое сопротивление ρк. Введя в процесс измерений электрические компоненты электромагнитного поля Земли - Ех и Еу, представляется возможным контролировать в режиме реального времени основные параметры магнитотеллурического поля - импедансы Z1=Ex/Hy, Z2=Ey/Hx, которые определяют электрическое сопротивление ρк.

Пользуясь моделью Тихонова-Каньяра

где

ω - частота колебаний магнитотеллурического поля в центральной точке продуктивного участка Δf частотного диапазона короткопериодных импульсных колебаний, где и проводится контроль основных параметров поля (1-200 кГц), a µ0 - магнитная проницаемость вакуума.

Как показали исследования, режимный контроль параметра ρк позволяет отслеживать все фазы изменения НДС горного массива - упругих деформаций, разрушения и релаксация, а по скачку ρк в 5-7 раз относительно фоновых значений с большой вероятностью (более 90%) можно судить о готовящихся разрывных необратимых нарушениях в течение времени от 1 до 15 суток. При этом, как это было выполнено в ближайшем аналоге, контролем вертикальной компоненты Hz можно пренебречь.

Полевой материал контроля ОГП представляет собой цифровую запись временных последовательностей электромагнитных сигналов Земли по четырем каналам - Нх, Ну, и Ех, Еу. Ось х соответствует либо направлению вдоль профиля исследований при геокартировании неоднородностей геодинамической природы, либо, при стационарном контроле, осям преимущественной ориентировки тектонических элементов.

Магнитными датчиками Нх, Ну приемопередающих устройств 1 опорной станции 2 являются две горизонтальные антенны с узконаправленной диаграммой направленности; электрическими датчиками компонент Ех, Еу служат две линейные, расположенные близко к поверхности земли, изолированные, ортогонально ориентированные антенны, заземленные на удаленных от приемопередающих станций 1 и опорной станции 2 концах. Таким образом, измерение компонент Нх, Ну, Ех, Еу можно производить одними и теми же приемопередающими устройствами 1. Целесообразно, чтобы антенны, принимающие горизонтальные магнитные и электрические компоненты Нх, Ну, Ех, Еу взаимно визировали в пространстве с помощью геодезических теодолитов вдоль профиля исследований при геокартировании неоднородностей геодинамической природы, либо по осям преимущественной ориентировки тектонических элементов.

В заданное j-тoe время с определенным интервалом на сети точек профиля или площади проводят мониторинг двух компонент магнитного поля Нх, Ну и двух компонент электрического поля Ех, Еу, как разности сигналов на рядовых i-тых точках приемопередающих устройств 1 и опорной станцией 2 в интервале f=1÷200 кГц. Компенсируют влияние модельных и инструментальных помех устройством обработки 3 с помощью измеренных Нх, Ну, Ех и Еу с опорной станции 2 для выделения сигналов, подлежащих обработке.

Устройство обработки 3 представляет собой сервер, который вычисляет два импеданса Z1=Ex/Hy, Z2=Ey/Hx по горизонтальным компонентам Нх, Ну и Ех, Еу. Далее строят графики этих частотных параметров Y1xy=F1(f) и Y2yx=F2(f) поля, т.е. частотные характеристики НДС в одной или i-тых точках, а также временные зависимости Z и ρк. Последние являются параметрами для прогнозной интерпретации, т.к. по изменению отношений напряженности электрической и магнитной составляющих поля Земли (импедансу) на разных частотах можно изучать изменение геоэлектрического разреза ВЧР в вертикальном направлении, а в функции от времени в одной точке - изменение НДС ВЧР.

Устройство 3 определяет величины электрических сопротивлений ρк1(Z1,t) и ρк2(Z2,t), по скачкам которых, в 5-7 раз превышающим фоновые значения ρф1(Z1,t), ρф2(Z2,t) судят о готовящейся фазе разрывных необратимых нарушений в течение времени от 1 до 15 суток. Интервал временного прогноза зависит от строения верхней части геологического разреза (песок, глина, скальные породы и т.п.).

Для повышения достоверности результатов изучения ВЧР прогнозирования готовящихся разрывных нарушений горных пород полевые измерения и их интерпретацию производят одновременно с помощью установленного в устройстве обработки 3 программного обеспечения, позволяющего проводить управление приемопередающими устройствами 1, опорными станциями 2, сбор, передачу информации по радиоканалам GSM или спутниковой связи, хранение информации, ее обработку и отображение на дисплее сервера в режиме реального времени.

Интерпретация получаемых результатов может проводиться по правилам, известным в электроразведке, методами индукционного, радиоволнового профилирования, магнитотеллурического зондирования.

Поскольку в заявленном способе трансформации измеренных параметров Нх, Ну и Ех, Еу являются нормированными опорными значениями этих параметров, синхронными и относительными, то их теория дает новые подходы к интерпретациям как по характерным точкам, так и с помощью персональных компьютеров. Для этого необходимо экспериментальные графики сравнить с теоретическими для априорно известных моделей геологических сред. Используя комплексную геолого-геофизическую дополнительную информацию о районе работ и высокоточные измерения компонент (Нх. Ну, Ех, Еу) техническими средствами с применением геодезических теодолитов, данный способ позволяет резко улучшить информативность мониторинга локальных неоднородностей, геодинамических зон и прогнозировать готовящиеся разрывные нарушения горных пород в верхней части геологического разреза.

Наиболее успешно заявленный способ мониторинга и прогнозирования разрывных нарушений в верхней части геологического разреза промышленно применим для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (карстовые полости, старые горные выработки, подвалы, подкопы, керамические трубы, обводненные мульды и пр.) и для оперативного стационарного контроля НДС и прогнозирования готовящихся разрывных нарушений в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических, техногенных процессов (оползневые участки подводных переходов, зоны горных подработок, обвалы и др.).

1. Способ мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, включающий одновременное измерение двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент Нх, Ну напряженности естественного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом приемопередающие устройства устанавливают стационарно в зоне исследуемой поверхности ВЧР, а опорную станцию, идентичную приемопередающим устройствам, - вне зоны исследуемой поверхности, сигналы с данными о компонентах Нх, Ну одновременно передают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Нх, Ну с приемных устройств и с опорной станции, отличающийся тем, что дополнительно одновременно измеряют двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональные горизонтальные электрические компоненты Ех, Еу напряженности естественного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом антенны премопередающих устройств и одной опорной станции, принимающие взаимно ортогональные горизонтальные электрические компоненты Ех, Еу напряженности естественного электромагнитного поля Земли, ориентируют в одном направлении с антеннами, принимающими взаимно ортогональные горизонтальные магнитные компоненты Нх, Ну, в устройстве обработки компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Ех, Еу с приемных устройств и с опорной станции, вычисляют в устройстве обработки величины импедансов Z1=Ex/Hy и Z2=Ey/Hx в каждый момент времени t во временном интервале Δt, по величинам импедансов определяют изменения во времени электрических сопротивлений ρк1(Z1,t) и ρк2(Z2,t), по резким скачкам которых, более чем в 5 раз превышающим ранее измеренные фоновые данные ρф1(Z1,t), ρф2(Z2,1), судят о готовящейся фазе разрывных нарушений в верхней части геологического разреза ВЧР в течение времени t от 1 до 15 суток.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что антенны, принимающие горизонтальные магнитные и электрические компоненты Нх и Ех, взаимно визируют в пространстве вдоль профиля исследований при геокартировании неоднородностей геодинамической природы, либо по осям преимущественной ориентировки тектонических элементов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение компонент Нх, Ну, Ех, Еу производят одними и теми же приемопередающими устройствами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в конденсированных средах.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к устройствам, предназначенным для обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для морской электромагнитной разведки углеводородных коллекторов. .

Изобретение относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использовано при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в подповерхностном слое земной поверхности.

Изобретение относится к мониторингу природных сред и предназначено для определения состояния ионосферы. .

Изобретение относится к радиотехническим комплексам сверхнизких и крайне низких частот и может быть использовано для передачи сигналов на глубокопогруженные и удаленные объекты.

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования земных недр. .

Изобретение относится к области поисково-спасательных работ и может быть использовано для поиска засыпанных биообъектов при землетрясениях, снежных лавинах или горных обвалах.

Изобретение относится к геофизическим измерениям, выполняемым в море (4) над морским дном (1) с пластами (3) породы, имеющими относительно низкое удельное сопротивление, для обнаружения возможной нижележащей нефтегазоносной породы-коллектора (2), имеющей относительно высокое удельное сопротивление

Изобретение относится к геоэлектроразведке с использованием электромагнитного поля изменяющейся частоты и может быть применено при выполнении различного рода поисковых и инженерно-геологических исследований

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в конденсированных средах

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в области сейсмологии и геоэлектричества и может быть использовано для прогнозирования землетрясений

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для зондирования многолетнемерзлых пород с целью изучения их строения и свойств

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для исследования подповерхностных структур

Использование: для детектирования электромагнитного излучения. Сущность: заключается в том, что быстродействующая и миниатюрная система детектирования, в частности, электромагнитного излучения в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах содержит полупроводниковую структуру, имеющую двумерный слой носителей заряда или квазидвумерный слой носителей заряда с включенным одним дефектом или многочисленными дефектами, по меньшей мере первый и второй контакты для слоя носителей заряда и устройство для измерения фотоэлектродвижущей силы между первым и вторым контактами. Работа системы согласно различным осуществлениям основана на резонансном возбуждении плазменных волн в полупроводниковой структуре. Технический результат: обеспечение возможности детектирования электромагнитного излучения в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах посредством быстродействующей и миниатюрной системы детектирования. 2 н. и 34 з.п. ф-лы, 32 ил.

Использование: изобретение относится к области техники, занимающейся подповерхностной радиолокацией объектов. Сущность изобретения заключается в зондировании среды сверхнизкочастотными гармоническими электромагнитными колебаниями. При этом производят периодическое переключение антенны с генератора на приемник таким образом, что в моменты подключения генератора приемник отключен, а в моменты отключения генератора антенна соединена с приемником. Частота генератора равна единицам, десяткам, сотням или тысячам Гц. Частота коммутации в десять и более раз превышает частоту генератора и кратна ей. Периодическое включение, отключение генератора и приемника приводит к излучению разрывных колебаний и приему отраженных от зондируемого объекта колебаний в моменты времени, когда нет излучения. Принятый сигнал отфильтровывается на частоте генератора и восстанавливается его гармоническая часть, далее сравнивается по фазе с исходным сигналом генератора. Разность фаз содержит информацию о расстоянии до объекта. Технический результат: обеспечение глубины зондирования в сотни и тысячи метров, возможность применения одной антенны для излучения и приема зондирующих сигналов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска засыпанных биообъектов или их останков. Заявлен способ обнаружения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков и устройство для его осуществления. Устройство содержит сканирующий блок и приемопередатчик. Сканирующий блок содержит задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, циркулятор 3, приемопередающую антенну 4, вибраторную антенну 4.1, рамочную антенну 4.2, усилители 5 и 29 высокой частоты, фазовые детекторы 6 и 37, компьютер 7, гетеродин 8, смесители 9 и 11, усилитель 10 первой промежуточной частоты, усилитель 12 второй промежуточной частоты, коррелятор 19, перемножитель 20, фильтр 21 нижних частот, усилитель 22, блок 23 регулируемой задержки, индикатор 24 дальности, редуктор 25, платформу 26, указатель 27 угла, сумматор 28, амплитудные детекторы 30 и 31, блок 32 деления, пороговый блок 33, ключи 34 и 35, дифференциатор 36, блок 38 управления диаграммой направленности, блок 39 формирования управляющего напряжения, мотор 40. Приемопередающий блок содержит пьезокристалл 13, микрополосковую антенну 14, электроды 15, шины 16 и 17, набор отражателей 18. Технический результат - повышение точности определения местонахождения засыпанных биообъектов или их останков. 2 н.п.ф-лы, 10 ил.
Наверх