Способ выполнения вертикальных электрических зондирований в геоэлектроразведке

ае с ОЮЗ ШЗМайЕЕЭМ ОПУБЛИ Н 2105(59 601 Ч ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕН с ИТЕТ СССРЙ И ОТНРЫТЮ ОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТВУ КОМ(71) Московскийордена Трудового Красного Знамени геологоразведочныйинститут им. Серго Орджоникидзе (53) 550,83(088, 8)(56) 1. Авторское свидетельство СССР И 802886, кл. 6 01 Ч 3/02, 1978.2. Авторское свидетельство СССР И 890330, кл. 6 01 Ч 3/08, 1980 (прототип),(5 Ц(57) спосОБ ВцполНения ВеРтикАльНЬВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ В .ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ., заключающийся в том, что на объекте исследований размещают питающую линию, соединенную с питающими электродами, расстояние АВ между которыми превышает трехкратную максимальную глубину ис" следования, пропускают через питаю" му питрод0,3 иченныстроен ПИСАНИЕ.на обьчаюсниженнелиненых зчерезиз циктающем,на раси не боле затродовну нечерез2-3 А нию ток.и измеряют в два цикла сигналы на выводах приемных , которые подключают к группе ых электродов, расПоложенных екте исследования, о т л ищ и й с я тем, что, с целью ия погреаностей, обусловленных йной поляризацией призлектродон, под действием пропускаемого них тока, располагают в одном лов измерений ближайаий к пиу электроду приемный электрод стоянии. не менее 0,005-0,01 АВлее 0,1-0,2 АВ, в другом цикглубляют один из питающих элекв исследуемый объект. на глуби- более 0,5-0,6 м, пропускают питающую линию ток не.более и располагают ближайщий к этотающему электроду приемный элекна расстоянии не менее 0,2- и не более 0,05 АВ и по полум параметрам судят о глубинном ии объекта исследований.Изобретение относится к технической Физике и может быть применено вгеоэлектроразведке при выполнениивертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) методами сопротивлений и вызванной поляризации (ВП).Известен способ выполнения вертикальных электрических зондированийв геоэлектроразведке, заключающийсяв том, что на объекте исследованийразмещают питающую линию, расстояние между концами которой превышаеттрехкратную глубину исследований, иодновременно измеряют сигнал междумножеством пар точек расположенныхсимметрично относительно центрапитающей линии, причем отношениямаксимального расстояния между точками измерений и длине питающейлинии выбирают близким к единице 1,1.Недостатком этого способа ВЭЗявляются высокие погрешности измерений, обусловленные нелинейнойвызванной поляризацией приэлектродных эон под действием пропускаемого через них тока,Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ выполнения вертикальных электрических зондирований вгеоэлектроразведке, заключающийсяв том, что на объекте исследованийразмещают питающую линию, соединенную с питающими электродами, расстояние ЕВ между которыми превышает трехкратную максимальную глубину исследований, пропускают через питающую линию ток и измеряютв два цикла ток и сигналы на выходахприемных линий, который подключаютк группе приемных электродов,расположенных на объекте исследований 21.Недостатком этого способа являются также высокие погрешностиизмерений, обусловленные нелинейной вызванной поляризацией приэлектродных зон под действием пропускаемого через них тока. Так какосновным признаком этого способа является измерение сигналов с приемных линий, подсоединенных к прием"ным электродам, расположенных вблизи питающих электродов, причемпредусматривается располагать ближайший к питающему электроду приемный электрод на расстоянии 0,0002 АВ,а самый удаленный - на расстоянии0,33 ЕВ, то на результаты измере 5 10 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 ний существенное влияние оказываетполе нейтральной вызванной поляризации, возникающее в приэлектродныхзонах при пропускании через них тока.Как показывают результаты экспериментальных исследований и расчетов, вызванная поляризация верхних слоев геоэлектрического разреза, слагающихприэлектродные зоны, довольно низкая ( коэФФициент поляризуемостиобычно не превышает 0,2-0,3 Ф) исигнал нелинейной вызванной поляризации может в несколько раз превышать полезные сигналы вызваннойполяризации в приэлектродных зонах.Ввиду этого асиммитотические значе"ния поляризуемости верхних слоевоказываются существенно отличнымиот истинных значений поляризуемостиэтих слоев, что приводит к погрешностям определения мощности слоев,а также к неправильному определению строения изучаемого объекта,Цель изобретения - снижение погрешностей, обусловленных нелинейной пс.ляризацией приэлектродных зонпод действием пропускаемого черезних тока,Для достижения этой цели согласно способу выполнения вертикальныхэлектрических зондирований в геоэлектрораэведке, заключающемуся втом, что на объекте исследованийразмещают питающую линию, соединенную с питающими электродами, расстояние ЕВ между которыми превышаеттрехкратную максимальную глубину исследования, пропускают через питающую линию ток и измеряют в два цикла ток и сигналы на выводах приемных линий, которые подключают кгруппе приемных электродов, расположенных на объекте исследования,располагают в одном из циклов измерений ближайший к питающему электроду приемный электрод на расстоянии не менее 0,005-0,01 АВ и не более 0,1-0,2 ЕВ, в другом цикле заглубляют один из питающих электродовв исследуемый объект на глубину неболее 0,5-0,б и, пропускают черезпитающую линию ток не более 2-3 Аи располагают ближайший к этому питающему электроду приемный электрод на расстоянии не менее 0,20,3 м и не более 0,05 ЕВ, и по полуценным параметрам судят о глубинном строении объекта исследований.На чертеже изображены эксперимей3 10221тальные данные зондирований с применением предложенного 111 и известного 2 способов.Сущность способа заключается вследующем,5На объекте исследований в заданных точках, где требуется определитьглубинное строение участка, располагают заземленную питающую линию,расстояние АВ между заземлениямикоторой превышает трехкратную максимальную заданную глубину исследований. Если, например, необходимоизучить строение геологического разреза на глубину до 150 и, расстояние АВ выбирают не менее 500 м. Вбли"зи одного из заземлений А или В располагают генераторно-измерительныйблок, например стандартную генгруппу ЭРГГи многоканальную приемную электроразведочную станцию. Вертикальное электрическое зондирование выполняют в два цикла, очередность которых не играет роли для решения поставленной задачи. В первомцикле измерений, например, питающийэлектрод, вблизи которого расположен генераторно-измерительный блок,заглубляют в исследуемый объектна глубину не более 0,5-0,6 мф 30например на глубину 0,25 м, и располагают вблизи этого питающегоэлектрода первую группу приемныхэлектродов, состоящую из 9-13 электродов, преимущественно неполвризующихся. В качестве питающего электрода целесообразно использоватьметаллический, лучше медный, штырьрадиусом 1-2 см. Расстояние от питающего электрода до ближайшего кнему приемного электрода должнобыть не менее 0,2-0,3 м, напримерравное 0,25 м. Приемные электродырасполагают на расстоянии,м: 0,3;0,5; 0,6; 0,9) 1,Й; 2) 3; 4,5; 6;9 ( при АВ=500 м и использовании 4510-канальной измерительной станции).Измерения наиболее целесообразно выполнять по схеме потенциала, т,е.измерять потенциал каждого из приемных электродов, расположенных на 50расстояниях 0,25-6 м, относительнообщего наиболее удаленного приемного электрода, расположенного нарасстоянии 9 м от питающего электрода, В этом случае проще производится 55обработка результатов измерений, ав многоканальной станции не требуется принимать специальных мер для 05 4развязки каналов и борьбы с утечками между каналами и отдельнымиприемными линиями,Через питающую линию пропускаютимпульс тока, величина которого недолжна превышать 2-3 А. Во времяпропускания тока измеряют силу тока,пропускаемого через питающую линию, и сигналы на выходах всех приемныхлиний. По этим данным определяетсявеличина кажущегося удельного сопротивления для каждого из приемных элек тродов путем деления измеренной величины потенциала каждого приемного электрода на силу тока и умножения получаемого результата на коэффициент установки, определяющийся по . стандартным формулам по известным расстояниям от приемных до питающих электродов. После выключения тока измеряют сигналы вызванной гюля.- ризации на выходах всех приемных линий и по отношению этих сигналов к сигналам на выходе тех же приемных линий во время пропускания тока оп" ределяют коэффициент кажущейся поляризуемости для каждого из разносов. На этом один из циклов измерений заканчивается.Таким образомосновные режимы осуществления этого цикла следующие: питающий электрод должен быть заглублен в исследуемый объект на глубину не более 0,5-0,6 ипреимущественно на глубину 0,15-0,25 м),ближайший к этому питающему электроду приемный электрод должен располагаться на расстоянии не менее. 0,2-0,3 и и не более О,05 АВ, а ток через питающую линию должен быть не более 2-3 А. Если выбрать режим осуществления измерений в данном цикле, выходящим за рамки указанных выше пределов, то поставленная задача не сможет быть решена, Так, при увеличении глубины погружения питающего электрода в исследуемый объект свыше 0,5-0,6 м, становится недопустимо большой приэлектродная зона, в которой проявляются процессы нелинейной вызванной поляризации, а также может возникнуть не контролируемая погрешность, обуслов" ленная вводом тока через питающий электрод не только в первый, но и во второй слой изучаемого объекта . Это связано с тем, что, согласно известному и предлагаемому спосо" бам, приемные электроды необходимо располагать столь близко к питающему510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 электроду, что этот питающий электрод нельзя рассматривать как точечный, т.е. как электрод бесконечно малого размера, а нужно учитывать конкретные размеры питающего электрода, Этот учет, как показывают результаты исследований, может быть произведен только в том случае, если глубина погружения питающего электрода в исследуемый объект не превышает мощности первого исследуемого слоя. Как показывает опыт проведения инженерно-геологических изысканий, кровля второго слоя, который обязательно необходимо выделить при интерпретации результатов, залегает на глубине не более 0,5-0,6 м свыше.лежащий первый слой, как правило, является неоднородным, особенно в связи с изменением влажности почвенного слоя, поэтому он детально не расчленяется, а измеряются обобщенные, интегральные характеристики этого слоя.В результате опытов получены экспериментальные данные о зависимости .минимального расстояния от питающего электрода, на котором погрешность измерений, обусловленная влиянием нелинейной вызванной поляризации в приэлектродной зоне, не превышает 203, при изменении .глубины погружения питающего электрода в зем" лю (диаметр железного питающего электрода 2 см, сила тока, пропускаемого через питающий электрод, равна 2 Д), где и - глубина погружения электродарасстояние от питающего до ближайшего приемного электрода второй приемный электрод установлен на расстоянии 9 м от питающего электрода, длина питающей линии 500 м ):и, м Р,м0,1 0,050,2 0,100,3 0,170,5 0,350,7 0,831,0 2,15Как следует из этой зависимости, при увеличении глубины погружения электрода свыше 0,5 м резко увеличивается зона, в которой существенную роль играют процессы нелинейной вызванной поляризации, что объясняется также возникновением поля ВП из-за поляризации питающего электрода, который становится как бы заряженным "рудным телом",вокруг которого наблюдается интенсивное поле ВП, причем с увеличением глубины погружения электрода увеличивается поверхность, на которой происходят интенсивные электро- химические реакции, а поле ВП убывает все медленней по мере удаления от электрода.Минимальное расстояние в 0,2- 0,3 м, на котором устанавливается ближайший к питающему электроду приемный электрод, выбирается исходя из того, что глубинность исследований с данной установкой при малых расстояниях от питающего до приемного электрода близка к этому расстоянию. Так как минимальная мощность первого слоя, которую можно проследить хотя бы на расстоянии 5- 10 мм от питающего электрода, составляет 0,2-0,3 м, бесполезно уменьшать меньше этого значения рас. стояние между питающими и приемными электродами: в этом случае даже .при небольших смещениях положения питающего и приемного электродов ( например, на расстоянии 1 м при выполнении контрольного зондирования ) будут получены совершенно иные результаты, обусловленные резкой неоднородностью почвенного слоя мощностью 0,2-0,3 м.Максимальное расстояние 0,05 АВ, на котором в первом цикле измерений может располагаться первый электрод определяется,. с одной стороны, минимально допустимой мощностью верхнего слоя пород, кото 1 ый можно не исследовать при решении поставленной геологической задачи, и,с другой стороны возможностью правильной интерпретации графиков вертикального электрического зондирования, на которых отсутствует левая, асиммитотическая ветвь, определяющаяся параметрами верхнего слоя пород, Так, например, при картировании нефтеносных площадей методом ВП выделяются зоны с вкрапленностью пирита, образовавшегося в результате взаимодействия углеводородов, выделяющихся из нефте-газоносных залежей, с вышележащими породами. Эти зоны расположены на глубинах 50-100 и более метров; поэтому при зондированиях малые разносы могут быть не использованы. Однако при отсутствии левой ветви графиков ВЭЗ ВП, когда измерения выполняются сразу с большими разносами, резко увеличивается неоднозначность резуль40 50 татов интерпретации, т.е. не имеялевой ветви кривой-зондирования, можно подобрать два и более совершенноразличных разреза, под которыми бу-,дет получена одна и та же правая 5ветвь графиков ВЭЗ. Опыт интерпретации экспериментальных графиковВЭЗ ВП показывает, что даже при изучении только глубинных слоев разреза минимальный разнос АИ не долженбыть больше 0,05 АВ, иначе возможныбольшие погрешности определения характеристик этих глубинных слоев.Ограничение силы тока в 2-3 Апри измерениях в первом цикле обусловлено резким возрастанием погрешностей измерений, обусловленных процессами нелинейной поляризации в приэлектродных зонах при увеличении силы тока, пропускаемого через злек-20трод.В,результате опытов получены зависимости погрешностей измеренийВП при расположении приемного электрода на расстоянии 0,6.м от питающего электрода, заглубленного вземлю на 0,4 м ( в качестве истинного значения параметра ВП выбранозначение, полученное при измеренияхс силой тока, пропускаемого через 30тот же электрод, равной 0,05-0,1 А,па 1 О замерам),Сила тока, А . Погрешность0,1 1,50,25 1,3350,5 2,11,0 272,0 Ц,13,0 8,3Й,О 16,76,0 37,5Таким образом, при увеличениисилы тока сверх оговоренного выше взаданном диапазоне глубин исследования не может быть получена допустимая погрешность измерений, обусловленная процессаминелинейной поляризации в призлектродных зонах (неболее 10).После. окончания первого циклаизмерений приемные электроды удаляют от питающего электрода, причемнаиболее целесообразно ближайший питающему электроду приемный электродрасположить в той точке, в которойв первом цикле расположен самыйудаленный электрод, относительнокоторого производилось измерение потенциала остальных приемных элекР тродовв приведенном выше примере в 1 очке на расстоянии 9 м от питающего электрода). Следующие прием" ные электроды располагают на расстоянии 1 М, га, 3 О, й 5, 60, 9 О, 140, 200 и 250 м, причем в данном цнкле целесообразно измерять потенциалы каждого из приемных элек" тродов, расположенных на расстоянии 9-200 м относительно общего наиболее удаленного приемного электрода,. находящегося в центре питающей линии на расстоянии 250 м от .питающего электрода.Во втором цикле измерений питающий электрод заглубляют на 1-1,2 м или устанавливают второй электрод на расстоянии 0,5 м от первого, и че" рез питающую линию пропускают второй импульс тока, величина которого может достигать 10-20 А. Во время пропускания тока измеряют силу тока и сигналы на выходах всех приемных линий. По этим данным определяется величина .кажущегося удельного сопротивления для каждого из разносов путем деления величины потенциала каждого приемного электрода на силу тока и умножения на коэффициент установки, определяющийся по стандартным формулам по известным расстояниям от приемных до питающих электродов,После выключения тока измеряют сигналы вызванной поляризации на выходах приемных линий и по отноше" нию этих сигналов к сигналам на выходах также приемных линий во время пропускания тока определяют коэффициент кажущейся поляризационности для каждого из разносов..Во втором цикле измерений бли" жайший к питающему электроду приемный электрод должен располагаться на расстоянии не менее 0,005-0,01 АВ и не более 0,1-0,2 АВ. Иинимальное расстояние 0,005-0,01 АВ выбирается также исходя из возможности получения допустимой погрешности измерений, обусловленной нелинейной поляризацией в приэлектродных зонах, Так как во втором цикле приемные электроды удалены значительно дальше, чем в первом цикле, то для получения минимального допустимого измерения сигнала ВП этот сигнал должен быть не менее 0,3 мВ, а при гидрогеологических исследованиях 1 мВ , "ила тока должна быть в 5-10 раз больше и достигать 20 А.10 102210,) 1 ри такой силе тока, как показывают результаты экспериментальных работ, только за пределами эоны в 0,005- 0,01 АВ погрешности измерений, обусловленные нелинейной поляризацией приэлектродных зон, не превышают 10, т.е. максимальной погрешности, допустимой существующими нормативными документами.Максимальное расстояние в 0,1- 10 0,2 АВ выбирается исходя из условия того, что приемные электроды в средней части АВ, на расстояниях более 0,Й АВ от питающих электродов (за исключением одного общего электрода, 15 относительно которого проводятся измерения потенциала остальных электродов) устанавливать не следует, ибо при дальнейшем увеличении этого расстояния глубинность исследований 20 не может быть увеличена, и никакой новой информации из результатовэтих измерений извлечь не .удастся.Если максимальное расстояние выбирать большим 0,2 АВ, то на участке 25 между точками, расположенными на расстояниях 0,2 АВ и О,ч АВ от питающего электрода, должны быть расположены все приемные электроды. Однако при изменении разноса в пределах данного участка расстояний глубиннос.ть исследований изменяетсясравнительно мало. Ввиду этого, как показывают теоретические расчеты и результаты полевых работ, для получения нормального графика ВЭЗ достаточно на этом участке использовать всего три приемных электрода, в то время как на участке от 0,01 АВ до 0,2 АВ для получения необходимой детальности исследований следует рас-. положить не менее восьми электродов. Следовательно, второе ограничение в выборе расстояния от питающего электрода до ближайшего приемного электрода во втором цикле измерений обусловлено необходимостью получений одинаковой детальности измерений при разных расстояниях от питающего до приемных электродов. Так как по50 результатам измерений во втором цикле измерен потенциал того электрода, который был общим электродом в первом цикле измерений, то в процессе отработки можно рассчитать потенциалы всех электродов, используемых для измерений в первом цикле, относительно потенциала электрода, расположенного в центре питающей линии(потенциал этого электрода, как из;вестно, при измерениях над горизонтально-слоистым разрезом равеннулю). В этом случае дальнейшая интерпретация результатов измеренийпроводится точно так же,как и прииспользовании известного способа:графики наблюдений сравниваются стеоретическими гррафиками потенциаль ных зондирований, рассчитанными длягеоэлектрических разрезов с заданными параметрами, добиваются ихсовпадения и таким образом получают данные о глубинном строенииизучаемого объекта.Технико-экономическая эффективность применения предложенного способа заключается в снижении погрешностей, обусловленных нелинейнойполяризацией приэлектродных зон под,действием проходящего через них тока. Благодаря этому можно использовать предлагаемый способ при изу"чении строения зоны аэрации и уровня грунтовых вод, Как показываютэкспериментальные полевые работы,известный способ неприемлем длярешения этих зад ч из-за высокогоуровня погрешностей, обусловленныхнелинейной поляризацией приэлектродных зонПри сравнении графиков ВЗЗ ВП,полученных с использованием известного 1 и предлагаемого2способов(см,чертеж) на малых разносах наблюдается существенное расхождениеэтих графиков, с хорошим совпадением их на больших разносах.В таблице приведены результатыколичественной интерпретации измерений с использованием известного и.предлагаемого способов, а также данные о строении участка по результатам бурения и отбора керна,Таким образом, результаты измерений с использованием предлагаемого способа позволяют очень точно определить параметры слоев эоны аэра ции, что невозможно получить при использовании известного способа. При расчете экономической эффективности в качестве объекта сравнения используется способ ВЭВ с установкой Веннера, по сравнению с которым предложенный способ позволяет повысить производительность труда в 2,5 раза,102210 12 Способ Известный Предлагаемый Поля ризу"емость,Ф Мощностьслоев,м те ет0,210,17 0,40,12 0,2 0,2 СуглинокСупесь васоленная 0,4 0,01 0,7 0 91 0,70 1,2 1 ф 3 1 8,9 8,4 8,2 0,42 0,4 1,36 4,0 4,0 4,1 13,0 12,0 1,49 13,0 47,0 1,42 1,42 47,0 8,2 8,2 50,0 50,0 1,0 1,0 Мощность Поляризуслоев,м емость,Ф ит е Результаты бурения Мощность Примечаниеслоев,м СупесьПескиГлинаСулесьИзвестнякПескиГлины с пиритомПески те е тт е е т е е е т и т и е е е е е ее и е