Способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик11966637(31 М. Кп.з с присоединением заявки М 6 01 Ч 3/10 Государственный комитет ССС Р по делам изобретений и открытий(72) Авторыизобретения А.К,Захаркин, С.А.Пинтусов и В.Н.Шатохин 11 ЛТЕНТВ.14 технвжио ,Сибирское особое конструкторское бюро Научнр- МИБЛИОТЕКЛпроизводственного объединения "Нефтегеофизика"(54) СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ 4 ЕСТВЛЕНИЯИзобретение относится к геоэлектроразведке по ,методу переходных процессов (МПП) и методу зондирования становлением поля в ближней зонеЭСБ).Известен способ наземной геоэлектроразведки, предусматривающий регистрацию неустановившегося электромаг-; нитного поля в ближней к источнику зоне в диапазоне времен от м 1 И 4 к тО 5 ь 1 и"е 1 идолкд,74 10 5 есвНеох где 5 и Н- наименьшие зйачеИииния проводимости и мощности горных пород, начиная с которых требуется по лучить геологическую информацию об изучаемом разрезе 1.Известен также способ скважинной геоэлектроразведки, в котором с целью повышения глубинности исследований, регистрация переходного про- цесса производится в течение времени, меньшего 0,01,0 5 Н, где,О - магйитная проницаемость среды, 5 и Н продольная проводимость и мощность слоя среды между поверхностью среды и уровнем приемника 2.При реализации способа наземной геоэлектроразведки применяются электроразведочные станции типов ЦЭС"П (в качестве регистрирующей) и ЭРС(в качестве генераторной)3 ), а в скважинной геоэлектроразведке приме" няется аппаратура МППУ4).В обоих способах за начало отсче,та времени регистрации привимается момент выключения тока в источнике поля - генераторной петле или заземленной линии. При этом предполагается, что выключение тока происходит мгновенно, т. е. длительность среза тока т. пренебрежимо мала по сравнеснию с временами регистрации.В известных же устройствах, реализующих описанные способы, выключе-, ние тока происходит за конечное время, сравнимое с временами регистрации, что приводит к возникновению систематических ошибок измерения.При нефтепоисковых работах требу; ется изучать разрез начиная с первых сотен. метров, например, для типичных геоэлектрических условий Восточной Сибири (продольное сопротивление 9 с = 50-100 Ом м) при глубине Н = 200 м, начальное времясииизмерения крайне мало по способу 1) и составляет тсс 0,5 мс.Для достижения в этих условиях необходимой грубинности исследований (3-4 км) в качестве источника поляследует испольэовать квадратного петлю (генераторный контур) со стороной2 км при токе в петле 50 А, Реальныекоммутаторы тока, используемые длявыключения тока в петле, не позволяют получить для этих условий длительности среза менее нескольких сотен мкс. При длительности среза0,3 мкс ошибка измерения ЭДС переходного процесса на времени 0,5 мс превышает 100, а на временах до 5-8 мсболее 10.Появление этих ошибок, особенносущественных на ранних временах, отрицательно сказывается на точностиопределения параметров верхних. слоевисследуемого разреза.Для исправления систематическихошибок, вносимых инерционностью источника поля в способе, являющимсянаиболее ближним к предлагаемому,включающем возбуждение неустановившегося электромагнитного поля выключением тока в источнике поля и измерение неустановившегося электромагнитного поля, вводят дополнительносдвиг начала отсчета времени измерения в сторону запаздывания5 ").Если спад тока при выключениипроисходит по линейному закону, принимают величину времени сдвига равной с /2, где с - длительность среза, а для экспоненциального закона,равной постоянной времени экспоненты (Г). Реализацию сдвига производятизменением оцифровки шкал времениизмерительной аппаратуры.Укаэанный способ может быть реализован наиболее близким к предлагаемому устройством для геоэлектроразведки по методу переходных процессов, в частности серийно выпускаемой цифровой аппаратуры ЦИКЛ,имеющей диапазон времен регистрации,;ф позволяющий решать как рудные, так и структурные задачи.Устройство состоит из генераторной части, которая содержит источник тока, через коммутатор и токовый шунт, подключенный к генераторному контуру (источнику поля) и синхронизатор, соединенный с коммутаторам и , регистрирующей части, содержащей блок времени, подключенный к блоку управления, одновременно соединенному с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), процессором и блоком индикации, ко входу которого через последо, вательно соединенные усилитель, АЦП и процессор подключен приемный контур, причем синхронизатор генераторной части соединен с блоком времени регистрирующей части 6 ).Вид функциональной зависимости, описывающей процесс выключения тока в источнике поляопределяется типом используемого коммутатора тока, соотношением реактивных и активных со 5противлений источника поля (в т.ч. сопротивлением заземлений), а также, при прочих равных условиях, завИсит от удельного сопротивления верхних горизонтов исследуемого разреза. В связи с этим процесс выключения тока описывается комбинацией различного вида зависимостей. Аппроксимация реального процесса выключения тока линейной или экспоненциальной функцией в ряде случае может сказаться довольно грубой, что внесет определенную погрешность в измерения.Цель изобретения - повышение точности измерения, особенно ранних стадий,неустановившегося электромагнитного поля, при любом характере процесса Выключения тока в источнике поля.Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, основанном на циклическом возбуждении неустановившегося электромагнитного поля выключением тока в источни 40 50 ке, и измерения этого подя с задержкой начала отсчета времени измеренияотносительного момента выключениятока, и определении по полученнымрезультатам строения геологическогоразряда, измеряют.в каждом цикле величину заряда, перенесенного выключаемымтоком эа время выключения, и величину тока в источнике в момент времени,предшествующей его выключению, и ус-.танавливают задержку начала отсчетавремени измерения в каждом цикле рав ной отношению этих величин в предудущем цикле.Тогда эта задержка определяетсяИ)д 1аЯ,=где Г - величина постоянного токав источнике поля до еговыключения;)(й) в текущ значение величины 45 тока в процессе выключения,- длительвость среза,1дй - величиназаряда,перенесенного выключаемым током завремя выключения.Данный способ может быть осуществлен устройством для геоэлектроразведки методом переходных процессов,содержащих в генераторной части источник тока, через коммутатор и токовыйшунт подключенный к генераторномуконтуру, и синхронизатор, соединенныйс коммутатором, а в регистрирующейчасти - блок времени, подключенный кблоку управления, одновременно соеди ненному с АЦН, процессором и блокоминдикации, ко входу которого последовательно соединенные усилитель, АЦПи процессор подключен приемный кон:- тур, а синхронизатор генераторной 65 части соединен с блоком времени регистрирующей части генераторная и " мени измерения, входы которого соедирегистрируюцая части устройсТва сое- нены с токовым шунтом.и коммутаторомдинены через вновь введенный блок генераторной части, а выход - с бло.сдвига начала отсчета времени изморе- ком времени регистрирующей части.ния входы которого соединены с токо 5Блок 15 сдвига начала отсчета вклювым шунтом и синхронизатором генера- чает фиксатор 16 величины тока, черезторной части, а выход - со входом генератор 17 линейно-нарастающего наблока времени регистрирующей части, пряжения, подключенный к коммутаторуПри этом блок сдвига начала отсче, к другому входу которого подклюта времени измерения содержит фикса.- чен интегратор 19 через фиксатор 20тор величины тока, через генератор 10 величины заряда, Вход одновибраторалинейно-. нарастающего напряжения под объединен с управляющим входомключенный к компаратору, к другому фиксатора величины тока, является одвходу которого через Фиксатор величи- ним из входов блока сдвига началаны заряда подключен интегратор, уп- отсчета и соединен с управляющимраавляющий вход которого соединен со 15 входом коммутатора генераторной чассхемой ИЛИ, один иэ входов которой ти, а выход - соединен со входамисоединен с фиксатором велйчины заря; - генератора линейно-нарастающего наа и первым одновибратором, а другой пряжения одновибратора 22 и схемыдас генератором линейно-нарастающего ИЛИ 23, другой вхОд которой соеди ен ннапряжения и двумя одновибраторами, 2 О с упрацляющим входом фиксатора велипричем сигнальные входы интегратора чины заряда и выходом одновибратора.и фиксатора величины тока объединены Сигнальные входы Фиксатора величиныи являются одним из.входов блока тока и интегратора объединены и соесдвига начала отсчета, управляющий динены с токовым шунтом генераторнойвход Фиксатора величины тока и вход 25 части, а выход компаратора являетсявторого одновибратора объединены и выходом блока сдвига начала отсчетаявляются другим входом блока сдвига и соединен с блоком времени регистриначала отсчета, а выход компаратора - рующей части,выходом блока сдвига начала отсчета. Вариант возможной реализации бло.- Устройство построено таким обра- ЗО ка 9 управления (Фиг. 2) содержитэом, что величина сдвига времени ,ьс счетчик циклов, счетчик адреса, схевырабатывается в каждом цикле с ис- му выбора масштаба усилителя, схемупользованием длительности среза пре- запуска АЦП, схему управления режидыдущего цикла, т.е. первый цикл мом индикации и схему управления ре(первое выключение тока) является под- жимом работы процессора.готовительным. Фиксатор 16 величины тока и фиксаНа Фиг. 1 представлена структурная тор 20 величины заряда могут бытьэлектрическая схема устро ства,устройства на выполнены по схемам известных устройств выборки:.хранения (УВХ). Ваблока управления, фиксатора величины рианты схемной реализации этих блоеличины за ков приведены соответственно натока и фиксатора величины заряда, на фиг. 5 в . временные диаг- фиг. 3 и 4,Фиксатор 16 величины тока представ.амк поясняющие работу устройстваляет собой кС-цепочку с включенным(цифри ы в кружках показывают номерр аграм- последовательно ее входу ключом, Фикблока, к которому относится диаграм 45 сатор 20 величины заряда состоит изма).ную ВС-цепочки с включенным последоваустройство д рсо е жит генераторнуюл но ее входу ключом; к выходучасть .1 и регистр ру щуст и ющ ю часть 2. Ге- те ьВС-цепочки подключен повторитель наная часть устройства содержитнераторнаоснове операционного усилителя.источник 3 ток , ртока че ез коммутатори О Интегратор 19 и генератор 17 ли. -4 тока и токовый шунт 5 соединенныйным контуромур б. К управля- нейно;-нарастающего напряжения могутиметь одинаковое схемное решение, вющему входу укомм татора подключенкачестве которого можно использоватьсинхронизатор 7.известные схемы интеграторов со сброРегистрирующая часть содержит 55 сом по управляющему входу (т.е, сблок 8 времени, через блок 9 управле- установкой в "0").ния соединенный со входами АПЦ 10,е ю им обпроцессора и лока11 б 12 индикации к Устройство работает следующим о -входу АЦАЦП 10 через усилитель 13 под-. разом.кон- Оператор включает в рабочий режим,ключен датчикполя (приемный коно о нов еменно генераторную часть и локтур). 14, выход которого од рП и появлении в мо.т ым входом блока уп- начала отсчета. . ри поясоединен со вторым входмент времени с на выходе синхрониэаравления.и егист и ющая час- тора 7 логического сигнала "1"Фиг. 5) коммутатор 4 тока через то-.ти соединены между ссобой с помощью65 ковый шунт 5 включает ток в генераторблока 15 сдвига начала отсчета вре;ном контуре 6. Через заданный интервал времени в моментна выходесинхронизатора 7 появл;ется логический сигнал "0", по которому коммутатор 4 тока производит выключение токав генераторном контуре б. Отрицатель.- ный перепад напряжения на выходе синхронизатора 7 (из "1" в "0"), по времени совпадающий с началом процессавыключения тока в генераторном конту;ре и означающий, начало подготовительного цикла запускает одновибратор 21и на выходе схемы ИЛИ 23 появляетсялогический сигнал "1", включающий интегратор 19, который интегрирует напряжение поступающее на его сигнальный вход с шунта 5 в процессе выключения тока. Длительность импульса одновибратора 21 выбирается заведомобольшей длительности среза, и к концуэтого импульса на выходе интегратора 2 О19 напряжениепропорционально величине заряда О. = Г 1(й)дс, По заднемуФронту импульса одновибратора 21 вмоменТ временизапускается одновибратор 22, который через схему ИЛИ23 продолжает удерживать интегратор19 во включенном состоянии и включаетфиксатор 20 величины заряда в режимвыборки, По окончании действия импульса одновибратора 22 в момент времени 3 фиксатор 20 величины зарядапереводится в режим Фиксации (хранения) и поддерживает на одном входекомпаратора 18 напряжение, пропорциональное которое корректируется прикаждом цикле во время импульса, одновибратора 22. Одновременно, т.е, в момент времени 1: на выходе схемы ИЛИ23 устанавливается логический сигнал"0", по которому производится выключение интегратора 19 ,установка в "0")4 ОВ момент времени ср, по логическому сигналу "1" с выхода синхронйзато;ра 7, фиксатор 16 величины тока переводится в режим выборки, а в моментвремени с по логическому сигналу 45"0" с выхода синхронизатора 7 - пере;водится в режим хранения напряженияс токового шунта 5, предшествующегоначалу выключения тока (момент с 4 ),т.е, пропорционально. Это напряже Оние поступает на вход генератора 17линейно-нарастающего напряжения,который в течение импульса одновибратора 21 вырабатывает линейнонарастающее напряжение с крутизной, пропорциональной 1 р,которое поступает на другой вход компара-,тора 18. Последний до момента времени с имеет неустойчивое состояние,так как напряженйе, поступающее наоба его входа равны (,в данном случаенулю). С момента времени с до с,кампаратор имеет первое устойчивоесостояние, поскольку на одном входенапряжение равно нулю (выход фиксатора 20 величины заряда), а на дру.гом - положительно (выход генератора 17 линейно-нарастающего напряжения), С момента временикомпаратор имеет другое устойчивое состояние. В момент времени й заканчивается подго 3товительный цикл работы устройства, в результате которого на выходе Фиксатора 20 величины заряда имеется напряжение, пропорциональное О подготовительного цикла, а компаратор 18 находится в устойчивом состоянии.Далее включают регистрирующую часть устройства 2 в режим "Измерение". При появлении в момент временилогического сигнала "1" коммутатор 4 тока через токовый шунт 5 включает ток в генераторном контуре б. Через заданный интервал времены в момент с. на выходе синхронизатора 7 появляется логический сигнал "0", по которому коммутатор 4 тока производит выключение тока в генераторном контуре б. Отрицательный перепад напряжения на выходе синхронизатора 7 (из "1" в "0"), по времени совпадающий с началом процесса выключения тока (С ) и означающий начало первого цикла регистрации, запускает одновибратор 21, и на выходе схемы ИЛИ 23 появляется логический сигнал "1", включающий интегратор 19, который интегрирует напряжение, поступающее на его сигнальный вход с шунта 5, так что к концу действия импульса одновибратора 21 напряжение на выходе интегратора 19 равно О По заднему Фронту импульса одновибратора 21 в момент времени 6 запускается одновибратор 22, который через схему ИЛИ 23 продолжает удерживать интегратор 19 во включенном состоянии и включает фиксатор 20 величины заряда в режим выборки. По окончании действия импульса одновибратора 22 в момент с фиксатор 20 величины эаряда переводится в режим фиксации и поддерживает на одном входе компаратора 18 напряжение, пропорциональное Ос. Одновременно на выходе схемы ИЛИ 23 устанавливается логический сигнал "0", по которому производится выключение интегратора 19 (установка в "0")лВ момент времени 14 по логическому сигналу "1" с выхода синхронизатора7 фиксатор 16 величины тока переводится в режим выборки, а в момент, времени с по логическому сигналу "0" - в режим хранения напряжения с токового шунта 5, предшествующего началу выключения тока, т.епропорционального 1 р . Это напряжение посту пает на вход генератора 17 линейно- нарастающего напряжения, который в течение импульса одновибратора 21 вырабатывает линейно.-нарастающее напряжение с крутизной, пропорциональной 1 р, которое поступает на другой(у, 4,8 1,8 0,9 б 0,7 0,2 0,1 0,3 вход компаратора. Во время действияимпульса одновибратора 21 компаратор18 сравнивает два напряжения - линейно-нарастающее напряжение с крутиз- /ной, пропорциональнойв текущем(в данном случае первом) цикле, и напряжение, пропорциональное Ос предыдущего (в данном случае подготовительного) цикла. После включения одновибратора 21 напряжение на входахкомпаратора 18 через интервал време.- 1 Они дс = 0 /р сравняются, и компара-,тор изменит свое состояние, По переднему фронту перепада напряжения компаратора 18, т.е, через время д с отначала процесса включения тока, запускается блок 8 времени регистрирующей части 2.Блок 8 времени вырабатывает меткивремени, распределение которых в выбранном в зависимости от решаемой 20задачи интервале времени регистрациизаранее известно,ЭДС, наведенная в приемном контуре14 при выключении тока в генераторномконтуре б, через усилитель 13 поступа ет на сигнальный вход ЛЦП 10. По каждой метке времени, поступающей навход блока 9 управления, последний запускает АЦП 10, на выходе которогопоявляется код числа, пропорционального значению напряжения на его входе.После отработки последней метки (последнего адреса) данного цикла блок 9управления устанавливает блок 8 времени в исходное состояние до запускаследующего цикла,Появляющиеся во время каждого цикла регистрации коды чисел на входепроцессора 11 обрабатываются последним по способу синхронного накопления, т.е. числа с одинаковыми номерами меток времени усредняются за заданное количество циклов.После завершения заданного количества циклов регистрации взаимодей.ствие блоков, в которых аналогично 45описанному в первом цикле работаустройства в режим "Измерение" прекращается и устройство переводитсяв режим "Индикация". Оператор с по- .мощью блока 12 индикации считывает 50усредненные результаты измерений длякаждого времени. Моменты времени,для которых получены значения величи ны напряжения в приемном контуре, совпадают с моментами времени, вырабатываемыми блоком 8 времени.Для оценки эффективности способа выполнены расчеты погрешностей измерения сигналов без сдвига начала отсчета и со сдвигом, определенным по данному способу (соответственно Ои 6). Процессы выключения описываются выражениямиа) линейный фронт1 где сс - длительность среза, б) косинусоидальный фронт где и - круговая частота,-- длительность среза",2 юв) экспоненциальный фронт(с) = ес 70Ьгде- характеристика скорости спа-да тока.Тогда время сдвига, определяемоепредлагаемым способом для линейногосдля косинусоидаль2 ссного фронта Ь с = - = - для экс 1 поненциального фронтас = - =7; .В табл. 1 и 2 приведены значения 6 иГ для соответствующих значений с/ср, полученных для сигнала на поверхности однородного полупространст ва (с удельным сопротивлением и мощностью 9 = б Ом .м, г = 50 м) при линейном и косинусоидальном характере среза тока. Длительность среза 1 мс.В табл. 3 приведены значенияби б для сигнала вида Ч(с) = 1 при экспоненциальном срезе тока с показателем ), принятом равным 9/с (т.е, для с/сф 4, где сф = 2,3)."10,4 Анализ полученных данных подтверждает, что способ,.является универсальным для определения величины сдвига, обеспечивая возможность автоматического выбора момента начала отсчета времени измерения при произвольном характере Фронта выключе-. ния тока и позволяет в десятки раз снизить погрешности измерения, а устройство - реализовать данный способ надежнО и просто. При этом для одинаковых величин погрешностей требования к длительности фронта могут быть снижены в 6-8 раз, что особенно важно для устройств геоэлектрораз едки, в которых времена измерения переходного процесса нестационарного электромагнитного поля соизмеримы с длительностью среза возбуж- З 5 дающего тока. Расчетные и модельные исследования, показывают, что при работе методом МПП для получения необходимой информации следует регистрировать процесс с времен 10;30 мкс, 40 при этом для получения достаточно точных результатов измерений длитель- . ность среза при Формировании прямо.угольных импульсов тока должна быть менее 2 мкс. Получение столь малых 45 времен среза весьма сложная задача, и применение данного изобретения,при котором можно значительно уменьшить требования к его величине при заданной точности регистрации, приобретает особо важное значение. Формула изобретения 551. Способ геоэлектроразведки,основанный на циклическом возбуждении не- установившегося электромагнитного поля выключением тока в источнике, измерения этого поля с задержкой начала отсчета времени измерения относительномомента выключения тока и определении по полученным результатам строения геологического разряда, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности иэмере ния, в каждом цикле измеряют величину заряда, перенесенного выключаемымтоком за время выключения, и величину тока в источнике в момент времени,предшествующий,его выключению, и устанавливают задержку начала отсчетавремени измерения в каждом циклеравной отношению этих величин в предыдущем цикле,2, Устройство для геоэлектроразведки методом переходных процессов,содержащее в генераторной части источник тока, через коммутатор и токовый шунт подключенный к генераторному контуру, и синхронизатор, соединенный с коммутатором, а в регистрирующей части - блок времени, подключенный к блоку управления, одновременно соединенному с АЦП, процессором и блоком индикации, ко входу которого через последовательно соединенные усилительАЦП и процессорподключен приемный контур, причемсинхронизатор генераторной части соединен с блоком времени регистрирующей части, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что,.с целью повышения точности измерений, генераторная и регистрирующая части устройства соединенычерез вновь введенный блок сдвиганачала отсчета времени измерения,.входы которого соедйнены с токовымшунтом и синхронизатором генераторной части, а выход. - со входом блока времени регистрирующей части.3. Устройство по и. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок сдвига начала отсчета времени измерениясодержит Фиксатор величины тока,через генератор линейно-нарастающего напряжения подключенный к компаратору, к другому входу которого через фиксатор величины заряда подключен интегратор, управляющий вход которого соединен со схемой ИЛИ, одиниз входов которой соединен с Фиксатором величины заряда и первым одновибратором, а другой - с генераторомлинейно-нарастающего напряжения идвумя одновибраторами, причем сигнальные входы интегратора и фиксатора величины тока объединены М являются одним иэ входов блока сдвига начала отсчета, управляющий входфиксатора величины тока и вход второго одновибратора объединены и являются другим входом блока сдвига начала отсчета, а выход компараторавыходом блока сдвига начала отсчета,Источники. информации,принятые во внимание при экспертизе 1 О1. Авторское свидетельство СССРР 234544, кл, С 01 Ч 3(10, 1967,2. Авторское свидетельство СССР396654, кл. С 01 М 3/10, 1971. 3. Вольвовский Б.С. КунинН.Я., Терехин Е.Н. Справочник по полевой еофизике, М., "Недра", 1977, с,148- 150.4. Руководство по методу переходных процессов в рудной геофизике, Под.ред, Ф.М. Качепецкого. Л., "Недра", 1976, с. 64. 5. Сб. "Геофизическая аппаратура",Л., "Недра", 1978, Р 65, с. 57-62(прототип),б. Зондирование становлением поляв ближней зоне, М., "Недра" 1976966637 фиф цви, Фраме Англо. Фюем висцваар Ьвею юмраюфПИ Закаэ .7 ВЗО/64 Тираж 717 ПодписиФилиал ППП "Патентф, г.Уагород, ул.Проектная,4