Метод частотного зондиро-вания с искусственным источником (ЧЗ)

Основы метода ЧЗ
Источники поля:
Заземленная линия AB (горизонтальный электрический диполь)
Незаземленная петля Q (вертикальный магнитный диполь)
Изучаются частотные зависимости:
компонент ЭМ поля (Ex, Ey, Hx, Hy, Hz)
отношений (Zxy = Ex / Hy, Zyx = Ey / Hx) – импедансная модификация метода ЧЗ (методика CSMT)
Изменение глубинности достигается за счет явления скин-эффекта

История метода ЧЗ
Основатели
А.П. Краев (автор метода)
А.Н. Тихонов (развитие теории)
Л.Л. Ваньян (практическое внедрение)
Предпосылки внедрения в нефтегазовую геофизику
Глубинность методов постоянного тока при наличии в осадочном чехле высокоомных экранов ограничена
Переменное электромагнитное поле беспрепятственно распространяется сквозь высокоомные среды
За рубежом развивалась импедансная модификация (CSMT)
M.A. Goldstein, D.W. Strangway (University of Toronto), 1971
K.L. Zonge (Zonge Inc.), 1977
M. Yamashita (Phoenix Geophysics Ltd.), 1984
Причина появления методики CSMT
Низкая амплитуда вариаций естественного (магнитотеллурического) поля при высоком уровне промышленных полей-помех

Понятия ближней и дальней зон
волновое число
Ближняя зона: |kr| << 1 (малые ω, σ, r)
Преобладает часть поля, распространяющаяся в проводящей среде с затуханием
Дальняя зона: |kr| >> 1 (большие ω, σ, r)
Преобладает часть поля, распространяющаяся в непроводящей среде без затухания

Нормальное поле ГЭД
В дальней зоне (|kr| >> 1)
В ближней зоне (|kr| << 1)

Выводы по нормальным полям
В БЗ (|kr| << 1) большинство компонент поля не зависят от ρ, и понижение частоты не приводит к увеличению глубинности
В ДЗ (|kr| >> 1) все компоненты поля зависят от ρ, а Z равен импедансу среды в поле плоской волны
В ДЗ при удалении от источника:
AB-Ex и AB-Hy убывают как 1/r3
AB-Hz, Q-Eϕ и Q-Hr убывают как 1/r4
Q-Hz убывает как 1/r5
В ДЗ:
Ex (Eϕ) и Hz пропорциональны ρ
Hy (Hr) и Z пропорциональны
В ДЗ по результатам измерения компонент можно определить сопротивление нижнего полупространства. Если оно является неоднородным, получим кажущееся сопротивление.

О глубинности исследований
Глубинность определяется двумя факторами
частотой
разносом
Толщина скин-слоя
Глубины недоступны (попадаем в БЗ)
В юго-западной части Московской синеклизы мощность осадочного чехла ~ 1 км, для его изучения необходимы разносы ~ 3 км и более

Способы возбуждения поля
Гальванический (точнее, смешанный) – линия АВ
Длина от ста метров до первых километров
Низкоомный провод
«Хорошие» заземления (буровой инструмент)
Индукционный – петля Q
Сторона петли – от ста метров до километра
При индукционном возбуждении поле быстро убывает при удалении источника

Датчики поля
Датчики электрического поля – линии MN
Длина ~ 50 - 500 метров
Можно использовать металлические электроды и легкий провод
Датчики магнитного поля – катушки, петли
Петля – для измерения Hz. Размер 100 x 100 м, 23 витка
Индукционные датчики (MTC-50, AMTC-30 и др.)

Типы установок
При использовании AB наиболее удобны:
Экваториальная (Ex, Hy и Hz максимальны и слабо зависят от азимутального угла)
Осевая (Ex и Hy максимальны и слабо зависят от азимутального угла, но Hz = 0)
При использовании Q:
Измеряют компоненты Eϕ, Hr и Hz (поскольку поле обладает цилиндрической симметрией)

Форма сигнала
Сигнал типа «меандр» (прямоугольные импульсы без паузы)
-1
-0.5
0
0.5
1
1
-
а
я
г
а
р
м
о
н
и
к
а
3
-
я
г
а
р
м
о
н
и
к
а
t
A

Генераторная аппаратура
UCS-02M (150 кВт, 300 А)
Phoenix TXU-30 (20 кВт, 40 А)
Phoenix T-200
(160 кВт, 160 А)
УГЭ-50 (100 кВт, 100 А)
Zonge GGT-30 (30 кВт, 45 А)

Измерительная аппаратура
Phoenix V8
Zonge GDP-32
Phoenix
MTU,
MTU-A
МЭРИ-24
AGE-xxl

Генераторная группа УГЭ-50
Форма сигнала:
Меандр (разнополярные импульсы без паузы)
Разнополярные импульсы с паузой
Частоты:
от 0.076 до 156 Гц (с шагом 2)
Сила тока:
до 100 А при нагрузке до 9 Ом
до 50 А при нагрузке до 20 Ом

Измеритель МЭРИ-24
В режиме «ЧЗ» определяет амплитуду сигнала на 1, 3 и 5 гармониках
Возможна запись временных рядов в ПЗУ
Частоты:
0.15 - 625 Гц
Параметры:
RВХ > 10 МОм
диапазон от -3 до +3 В
минимальный сигнал 1 мкВ

Сравнение MTU и МЭРИ-24
Преимущества MTU:
Много каналов
Широкий динамический диапазон
Высокая чувствительность
Автономная работа, углубленная обработка
Преимущества МЭРИ-24:
Настройка коэффициента усиления
Настройка фильтров (на рабочую частоту)
Настройка частоты оцифровки
Сразу виден результат (при измерении)

Обработка данных ЧЗ
Задача: получение кривых кажущегося сопротивления, а также фазовых кривых
Обработка данных МЭРИ-24
Обработка временных рядов выполнена в процессе измерения, в камеральных условиях строятся кривые
Обработка данных MTU
Обработка временных рядов на отдельном компьютере с помощью специального программного обеспечения

Обработка данных МЭРИ-24
В процессе измерений:
Выполняется калибровка и учитывается ее результат
Определяются амплитуды гармоник путем разложения сигнала в ряд Фурье на отрезке длиной T
Осуществляется медианное осреднение накопленных результатов для N периодов
Результаты записываются в память и/или на бланк
В камеральных условиях
Пересчет полученных значений разностей потенциалов и ЭДС в кажущиеся сопротивления, построение кривых

Обработка данных MTU: процедуры
Подавление низкочастотной составляющей сигнала
Вычитание составляющей, частота которой существенно меньше рабочей частоты генератора
Спектральный анализ
Расчет комплексных амплитуд компонент поля путем разложения сигнала на отрезке длиной T в ряд Фурье
Робастное осреднение
Осреднение результатов обработки по всем отрезкам длиной T
Учет ЧХ аппаратуры
Вводится поправка за частотную характеристику каналов измерителя и датчиков
Построение амплитудных и фазовых кривых
При обработке ЧЗ рассчитываются кажущиеся сопротивления и относительные фазовые параметры
При обработке CSMT рассчитываются скалярные импедансы, а при использовании двух источников – компоненты тензора импеданса

Об определении Zij
Скалярные импедансы
Компоненты тензора импеданса
A
B
A
B1
B2

Обработка данных MTU
Программное обеспечение:
FSIP-Pro – обработка в режиме ЧЗ
CSMT-Pro – обработка в режиме импедансного ЧЗ (CSMT)
Последовательность работы:
Загрузка временных рядов, задание параметров регистрации
Просмотр временных рядов
Выбор параметров обработки, запуск процесса обработки
Просмотр частотных зависимостей, сохранение результатов

Обработка данных MTU
… регистрации
… просмотра
… обработки
Выбор параметров…

Обработка данных MTU
… временных рядов
… ЧХ аппаратуры
… результатов обработки
Просмотр…

Кривые ЧЗ (примеры)

Закономерности кривых ρk
Кривые ρk, постро-енные по компонен-там Ex и Hz. Шифр кривых – разнос (км)

Закономерности кривых ρk

Определение обобщенных параметров S и H
S – суммарная продольная проводимость до кровли высокоомного слоя
H - глубина до проводящего слоя
S
H

Интерпретация данных ЧЗ
Строится такая модель среды, которая:
Обеспечивает совпадение модельной и наблюденной кривых в пределах точности наблюдения
Согласуется с априорной геолого-геофизической информацией
Программа EM1D позволяет:
Рассчитывать кривые ЧЗ (источник – АВ или Q, компонента – Ex, Hy, Hz, Ex/Hy или Hz/Hy) для горизонтально-слоистой модели среды
Подбирать наблюденные амплитудные и фазовые кривые
Учитывать поляризуемость среды и длину линии AB

Интерпретация данных ЧЗ
Работа с програм-мой MSU_EM1D…
… подбор кривых ρk и Δϕ, построенных по компоненте Hz поля AB
… подбор кривой ρk, построен-ной по компоненте Hy поля AB

Интерпретация данных ЧЗ
Информация об анизотропии
Магнитные компоненты поля наиболее чувствительны к продольному сопротивлению слоев
Компонента Ex поля АВ чувствительна как к продольному, так и к поперечному сопротивлению
Проблема с «точкой записи»
Разносы велики, и если разрез горизонтально неоднороден, то неясно, к какой точке относить результаты измерений
Ситуация улучшается при переходе от отдельных компонент к импедансу – влияние неоднородностей вблизи источника становится меньше

Искажения кривых ЧЗ в горизонтально-неоднородных средах

Искажения кривых ЧЗ в горизонтально-неоднородных средах

Искажения кривых ЧЗ в горизонтально-неоднородных средах

Искажения кривых ЧЗ в горизонтально-неоднородных средах

Сравнение с МТЗ
Недостатки ЧЗ
Низкая мобильность, большая стоимость работ
Ограничена глубинность исследований
Сложная структура поля
Преимущества ЧЗ
За счет использования мощного искусственного источника повышается точность наблюдений
Использование двух компонент поля дает информацию о высокоомных слоях и об анизотропии
Область применения ЧЗ
Метод ЧЗ может применяться в комплексе с МТЗ на участках с высоким уровнем помех и для получения дополнительной информации о разрезе

ЧЗ в Александровке

Метод ЧЗ на студенческой практике:
размотка линий MN для регистрации Ex

Метод ЧЗ на студенческой практике:
раскладка петли для регистрации Hz

Метод ЧЗ на студенческой практике:
установка датчиков Феникс

Метод ЧЗ на студенческой практике:
измерения с аппаратурой МЭРИ