СПОСОБ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ Российский патент 1998 года по МПК G01V11/00 

Изобретение относится к геофизической разведке и предназначено для излучения геологического строения сложнопостроенных районов, при поиске полезных ископаемых.

Известны способы сейсморазведки и электроразведки, используемые для изучения геологического строения.

Известен способ сейсморазведки, включающий возбуждение упругих волн, при котором в среде формируются упругие волны со сферической формой фронта волны с применением источников, осуществляющих одноразовое излучение коротких во времени импульсных сигналов или многоразовое последовательное излучение, например, вибраторами, серии импульсных сигналов с различной частотой во времени. Регулированием параметров этих систем обеспечивают требуемую интенсивность волнового поля и надежность выделения сигналов [1].

Известен способ электроразведки, включающий возбуждение в среде электрического поля источниками гальванического или индукционного типа, регулирование параметрами возбуждения электрического поля осуществляют путем изменения линейных размеров источников, силы тока и длительности излучения [2].

Однако эти известные способы имеют недостатки. В ряде районов, особенно сложнопостроенных, способы не обеспечивают полное решение геологических задач в связи со значительными ограничениями возможностей источников физических полей. К таким задачам относятся: излучение строения тонкослоистых сред, блоковых структур и тектонических нарушений, выклинивающихся горизонтов, определение положения зон локальных изменений литолого-физических особенностей среды и т.п. Одной из причин, ограничивающих возможности этих способов, является повышение зашумленности физических полей с увеличением мощности систем излучения, что снижает возможности решения более тонких, требующих большой точности задач.

Известен способ геофизической разведки, включающий одновременное возбуждение и регистрацию сейсмических электрических колебаний в дополнительном постоянном электрическом поле, создаваемом электродами, расположенными симметрично относительно центра расстановки сейсмоприемников, причем электрические колебания регистрируют приемными электродами, расположенными между питающими электродами [3, 4].

Недостатками этого способа являются ограниченная возможность повышения интенсивности физических процессов, возникающих в гетерогенных средах, а также глубинности исследований. Кроме того, регулирование электрических процессов в исследуемой геологической среде этим способом может быть осуществлено только изменением напряженности электрического поля и линейными размерами излучателей. Применение короткого во времени упругого поля, возбужденного при сейсмических исследованиях, не может обеспечить существенное влияние на гетерогенную среду, поэтому эффективность такого способа на больших глубинах и в сложных геологических условиях низка.

Наиболее близким к предлагаемому является способ геофизической разведки, включающий проведение сейсморазведки и электроразведки на смещенных профилях с применением интерференционных источников упругих волн и источников электрического поля, в котором профили ориентируют по простиранию и вкрест простирания структурных форм, перекрывающих разведуемые границы и вносящих наибольшие искажения в физические поля, создают вокруг этих структурных форм замкнутый полигон, совмещают источники упругих волн и электромагнитного поля, а диаграммы направленности излучающих систем ориентируют относительно искажающих структурных форм так, чтобы плоскости лучей были вертикальными [5].

Недостатком этого способа является недостаточная достоверность и надежность результатов, связанная с ограничением возможностей источников электрического и упругого полей.

Задачей изобретения является повышение эффективности, достоверности и разрешающей способности способа, за счет повышения интенсивности механоэлектрических процессов в исследуемой гетерогенной геологической среде.

Поставленная задача решается следующим образом.

В способе геофизической разведки, включающем проведение электроразведки и сейсморазведки на совмещенных профилях непрерывным профилированием с применением источников электрического поля и интерференционных источников упругих волн, формируют систему инициирования и управления механо-электрическими процессами в гетерогенной геологической среде путем одновременного воздействия на среду источниками электрического поля и источниками упругих волн с интенсивностью превышающей естественный фон помех, для этого предварительно перед наблюдениями про профилям на различных участках площади экспериментально определяют оптимальные параметры системы инициирования, при которых механоэлектрические процессы обладают максимальной интенсивностью и надежности выделения электрических и упругих сигналов, определяют график изменения процесса релаксации среды во времени после одновременного выключения источников системы инициирования, по закономерностям изменения напряженности инициированного электрического поля по времени по графику определяют значение суммарного времени релаксации t_рел для выполнения наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой, при этой различия значений напряженности инициированного механоэлектрическими процессами электрического поля, зарегистрированные в момент выключения источников в системе инициирования и соответствующих экстремуму графика и значений суммарного времени релаксации t_рел выполнения наблюдений сейсморазведкой электроразведкой, не превышают заданной точности измерений, определяют оптимальные параметры источников для выполнения наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой с инициированными механо-электрическими процессами, затем выполняют наблюдения по профилям путем воздействия на среду инициирующей системой, по завершению цикла инициирования одновременно выключают источники электрического и упругого полей, на одном и том же интервале профиля, размещенном симметрично относительно центра в пределах системы инициирования, последовательно выполняют наблюдения вначале электроразведкой, а затем сейсморазведкой, при этом суммарное время наблюдений не превышает время релаксации t_рел, определенного по графику изменения релаксации среды, после завершения наблюдений сейсморазведкой систему инициирования перемещают на длину интервала выполнения наблюдений электроразведкой и цикл наблюдений повторяют.

Отличительными признаками в заявленном способе являются:
формирование специальной системы инициирования механо-электрических процессов в гетерогенной геологической среде путем одновременного воздействия на среду источниками электрического поля и упругих волн с параметрами позволяющими обеспечить максимальную остаточную интенсивность инициированных процессов, превышающих естественный фон помех, и необходимую длительность процесса релаксации исследуемой среды, после одновременного выключения источников в системе. Так как процессы существенно зависят от строения среды, то единственным средством определения оптимальных параметров источников являются экспериментальные полевые работы, при которых выполняются наблюдения с различными параметрами источников и путем анализа и сравнения результатов определяют оптимальные параметры. Так как система инициирования решает задачу возбуждения механо-электрических процессов с максимальной интенсивностью, то параметры источников могут отличаться от параметров аналогичных источников при профильных наблюдениях электроразведкой и сейсморазведкой, где решаются задачи трассирования границ;
предварительно перед наблюдениями по профилям на различных участках площади исследований экспериментально определяют оптимальные параметры системы инициирования, при которых механоэлектрические процессы обладают максимальной интенсивностью и надежностью выделения электрических и упругих сигналов;
определяют график изменения процесса релаксации среды во времени после одновременного выключения источников системы инициирования по закономерностям изменения напряженности инициирования электрического поля во времени, по графику определяют значение суммарного времени релаксации t_рел для выполнения последующих наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой, при этом различия напряженности инициированного механоэлектрическими процессами электрического поля, зарегистрированного в момент выключения источников в системе инициирования, соответствующие экстремуму, и значение суммарного времени t_рел выполнения наблюдения сейсморазведкой и электроразведкой, на графике релаксации среды не должны превышать заданной точности измерений;
по завершению цикла наблюдений сейсморазведкой систему инициирования перемещают на длину интервала выполнения наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой и цикл наблюдений повторяют. При такой системе наблюдений обеспечивается непрерывное прослеживание каждым методом сигналов вдоль профиля наблюдений в условиях выдержанности интенсивности инициирования процессов, возникающих в гетероегнной геологической среде, что позволяет излучить закономерности изменения механоэлектрических процессов, связанных с изменениями строения среды и определить причины этих изменений.

На фиг. 1 - схема расположения систем возбуждения физических полей. 1 - профиль наблюдения с нумерацией пикетов (0 - 15^o o), 2 - интервал профиля 1, на котором размещена система инициирования механоэлектрических процессов с центром 6^o o, 3 - положение интервалов, размещения системы возбуждения и регистрации электроразведки с центром 4 при последовательных наблюдениях на профиле 1 (3,1 - 3,5), 5 - положение интервалов профиля системы возбуждения и регистрации сейсморазведки с центром 6 при наблюдениях на профиле 1 (5,1 - 5,9).

На фиг. 2 примеры графиков, иллюстрирующие режим инициирования механоэлектрических процессов в среде 8 пример изменения напряженности электрического поля ± U_эп системы инициирования во времени U_эп=f(t); 9 - пример напряженности электромагнитного поля после выключения источника U_эмп=f(t), 10 - график интенсивности и периодичности излучения упругого поля инициирующей системой механоэлектрических процессов во времени.

Фиг. 3. Пример графика релаксации среды во времени после выключения системы инициирования механоэлектрических процессов. U_мак - напряженность электрического поля, измеренная в момент выключения источников электрического поля и упругих волн системы инициирования; U_i - результаты замеров напряженности электрического поля через определенные интервалы времени в часах после выключения систем инициирования среды; t_рел - время релаксации среды, в пределах которого можно выполнять наблюдения с достаточной степенью точности раздельно электроразведкой и сейсморазведкой - изменение напряженности инициированного электрического поля не превышает заданной точности измерения сигналов.

Особенности способа. Способ базируется на использовании механоэлектрических процессов, возникающих в геологической гетерогенной среде при одновременном воздействии на нее электрическим и упругим полями.

В 1936 г. BlaunL. and StathemL. установили изменение силы тока, проходящего через землю, при наличии постоянной разности потенциалов между двумя электродами под воздействием упругого поля (сейсмоэлектрический эффект первого рода-J). В 1939 г. Ивановым А.Г. установлено, что при распространении упругих волн в поверхностных слоях регистрируется разность потенциалов между точками, расположенными на разных расстояниях от источника тока (сейсмоэлектрический эффект второго рода - Е). Был предложен способ геофизической разведки, основанный на использовании сейсмоэлектрического эффекта второго рода Е, включающий возбуждение упругих колебаний и регистрацию переменной разности электрических потенциалов. Однако из-за незначительных величин, возникающих при этом электрических потенциалов, соизмеримых с естественным электрическим полем, положительный результат не был получен [6]. Теоретическое обоснование природы этого эффекта дано Л.И. Френкелем [7]. В гетерогенных пористых средах с жидкими заполнителями на контакте твердых и жидких фаз образуется диффузный двойной электрический слой (Д.э.с.), являющийся пространственным распределением электрических зарядов (объемный заряд) на границе соприкосновения разных фаз (твердая и жидкая), приводящей к возникновению разности электрических потенциалов между фазами. Наиболее подвижной и наименее устойчивой является диффузная часть Д.э.с., расположенная в жидкой фазе. Состояние системы определяется термодинамическими параметрами среды (температура, давление, удельный объем или плотность), а ее энергия - химическим потенциалом. Экспериментально установлено, что с увеличением диффузной части Д.э.с. возрастает эффективность механоэлектрических процессов. Основным условием термодинамической системы является стремление ее к наиболее низкому из возможных электрических состояний. Применение дополнительной энергии (давление, температура, внешние физические поля и т.п.) к таким системам сопровождается их трансформацией, что вызывает вторичные эффекты в других полях. Д.э.с. становится электрически активным. В результате процесса диффузии устанавливается равновесное состояние всей системы применительно к новым условиям и она вновь становится электрически нейтральной. Электрические явления, наблюдаемые в двухфазных (чаще дисперсных) системах, возникают при движении одной фазы относительно другой под действием внешнего упругого поля и проявляются как разность потенциалов, перемещающихся с различной скоростью фаз в направлении распространения упругих колебаний. Экспериментально показано, что чем сильнее заряжена диффузная часть Д.э.с., тем выше величина электрокинетического потенциала, и тем эффективнее преобразования, связанные с воздействием упругого и электрического полей. Этот вывод имеет большое практическое значение при разработке методика работ - положительный эффект при использовании этих процессов может быть получен только при условии, что внешние физические поля, используемые при инициировании механоэлектрических процессов в среде, будут обладать мощностью, обеспечивающей возбуждение механоэлектрических процессов максимальной интенсивности в требуемом интервале глубин.

Экспериментальными полевыми исследованиями, выполненными в СГЭ НВНИИГГ ( Озерков Э.Л., Хараз И.И, 1989 г), установлено, что при выполнении наблюдений электроразведкой с возбуждением упругого поля и сейсморазведкой с возбуждением электрического поля отмечается повышение интенсивности регистрируемых сигналов и снижение фона помех. Установлено, что после выключения источников внешних физических полей происходит релаксация среды, протекающая во времени значительно медленее, чем при ее инициировании. На материалах, зарегистрированных при одновременном воздействии на среду физическими полями, возросла надежность прослеживания физических границ, выделений тектонических нарушений и выклинивания горизонтов. Выполнен прогноз положения гетерогенных пород с жилками заполнителями, подтвержденный последующим бурением.

Способ реализуется следующим образом.

Основным требованием использования способа является инициирование в геологической среде механоэлектрических процессов с максимальной интенсивностью, существенно превышающей естественный фон помех, для обеспечения надежной регистрации процесса релаксации во времени. Для этого формируют систему инициирования механоэлектрических процессов в геологической среде путем одновременного воздействия на нее источниками электрического поля и упругих волн, и натурными экспериментами определяют оптимальные параметры этой системы. Вначале определяют параметры системы инициирования механоэлектрических процессов. Для этого эксперимента выполняют на нескольких участках исследуемого района с опробованием различных линейных размеров источников электрического поля и интерференционных источников упругих волн, различных значений напряженности и силы тока, количества источников и длительности воздействия физических полей на геологическую среду. С оптимальными параметрами системы инициирования изучают закономерность изменения процесса релаксации среды для получения суммарного значения времени выполнения наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой, при котором будет обеспечена надежность регистрации и выделения сигналов. После этого экспериментально определяют оптимальные параметры наблюдения электроразведкой и сейсморазведкой в конкретных геологических условиях с инициированными механоэлектрическими процессами источников электрического поля иинтерференционных источников упругих волн (2). Одновременно на профиле размещают системы наблюдения электроразведкой (3) и сейсморазведкой (5). Центры этих систем (4) и (6) совмещают с пикетом профиля, для которого должны быть получены данные исследований (7). В соответствии с экспериментально установленными оптимальными параметрами одновременно выполняют воздействия на среду источниками электрического поля и упругих волн. Примеры режимов излучения источников иллюстрируются графиками 8 и 10. По завершению полного цикла инициирования среды и выключения источников в системе инициирования, выполняют наблюдения на одном и том же интервале профиля электроразведкой (3) с последующим перемещением системы в пределах интервала (7), соответствующему центру интервала размещения системы с шагом, определенным технологией работ. На фиг. 1 в качестве примера показано 5 пунктов наблюдения (3.1 - 3.5). По завершению электроразведочных наблюдений выполняются сейсморазведочные наблюдения (5). На конкретном примере при этих работах выполнено 9 наблюдений (5.1 - 5.9). Суммарное время выполнения электроразведочных и сейсмических наблюдений не должно превышать времени t_рел. (кривая II), при котором изменение напряженности электрического поля после релаксации среды не превышает заданной точности измерения электрических сигналов.

По завершению цикла наблюдений систему инициирования перемещают по профилю на длину интервала выполнения наблюдений сейсморазведкой и электроразведкой (7) и цикл наблюдений повторяют. При такой системе наблюдений обеспечивается высокая технологичность и эффективность геологоразведочных работ.

Таким образом, особенностями рассматриваемого способа геофизической разведки является инициирование механоэлектрических процессов в гетерогенных геологических средах, заполненных флюидами, с наибольшей интенсивностью и устойчивостью во времени с тем, чтобы последующими геофизическими наблюдениями электро- и сейсморазведкой обеспечить надежность и достоверность выделения геофизических аномалий, возникающих в гетерогенных средах. Регулирование механоэлектрических процессов позволит повысить эффективность известных способов разведки, комплексную интерпретацию данных, полученных в сложнопостроенных средах, и прогнозировать положение гетерогенных пород в геологическом разрезе, основного объекта геофизической разведки.

Источники информации
1. Сейсморазведка, справочник геофизика под редакцией Гурвича И.И., Номоконова В.П. / М.: Гостоптехиздат, 1963.

2. Электроразведка, справочник геофизика, под редакцией Тархова А.Г. / М.: Гостоптехиздат, 1963.

3. Авторское свидетельство N 1045190. Способ геофизической разведки. G 01 Y 3/08 Y 1/00, Б.И. N 36, 1983 г.

4. Лящук Д.Н., Синяк В.В. Экспериментальные исследования электросейсмического эффекта при наблюдениях в скважине. Кн. "Геофизическая диагностика нефтегазоносных и угленосных разрезов". - Киев: Наукова думка, 1989, с. 151 - 152.

5. Авторское свидетельство N 1448319 "Способ геофизической разведки" МКИ G 01 V 1/00 - Б.И. N 48, 1988 г.

6. Кондрашов С. Н. Пьезоэлектрический метод разведки. - М.: "Недра", 1980, с. 127 - 143.

7. Френкель Я.И. К теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве. Изв. АН СССР. Серия географическая и геофизическая. Том VIII, N 4.1944, с. 133 - 150.

Использование: для повышения достоверности и разрешающей способности способа при проведении электроразведки и сейсморазведки на совмещенных профилях непрерывным профилированием с применением источников электрического поля и интерференционных источников упругих волн. Сущность изобретения: формируют систему инициирования механоэлектрических процессов в гетерогенной геологической среде путем одновременного воздействия на нее источниками электрического поля и упругих волн с интенсивностью, превышающей естественный фон помех, для этого вначале определяют параметры системы, при которых интенсивность процессов в среде максимальна, по закономерности изменения напряженности электрического поля после выключения источников в системе определяют суммарное время для выполнения наблюдений сейсморазведкой и электроразведкой и определяют параметры этих систем наблюдений на профилях с инициированными процессами, выполняют наблюдения по профилям, вначале воздействуют на среду системой инициирования, а затем на этом же интервале профиля проводят последовательно наблюдения вначале электроразведкой, а затем сейсморазведкой, после этого систему перемещают на интервал выполнения работ электроразведкой и цикл повторяют. 3 ил.

Способ геофизической разведки, включающий проведение электроразведки и сейсморазведки на совмещенных профилях непрерывным профилированием с применением источников электрического поля и интерференционных источников упругих волн, отличающийся тем, что формируют систему инициирования и управления механоэлектрическими процессами в гетерогенной геологической среде путем одновременного воздействия на среду источниками электрического поля и источниками упругих волн с интенсивностью, превышающей естественный фон помех, для этого предварительно перед наблюдениями по профилям на различных участках площади экспериментально определяют оптимальные параметры системы инициирования, при которых механоэлектрические процессы обладают максимальной интенсивностью и надежностью выделения электрических и упругих сигналов, определяют график изменения процесса релаксации среды во времени после одновременного выключения источников системы инициирования, по закономерностям изменения напряженности инициированного электрического поля определяют значение суммарного времени релаксации t_рел для выполнения наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой, при этом различия значений напряженности инициированного механоэлектрическими процессами электрического поля, зарегистрированные в момент выключения источников в системе и соответствующих экстремуму графика, и значений суммарного времени релаксации t_рел выполнения наблюдений сейсморазведкой и электроразведкой, не превышают заданной точности измерений, определяют оптимальные параметры источников для выполнения наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой с инициированными механоэлектрическими процессами, затем выполняют наблюдения по профилям путем воздействия на среду инициирующей системой, по завершению цикла инициирования одновременно выключают источники электрического и упругого полей, на одном и том же интервале профиля, размещенном симметрично относительно центра в пределах системы инициирования, последовательно выполняют наблюдения электроразведкой, а затем сейсморазведкой, при этом суммарное время наблюдений не превышает время релаксации t_рел, определенного по графику изменения релаксации среды, после завершения наблюдений сейсморазведкой систему инициирования перемещают на длину интервала выполнения наблюдений электроразведкой и сейсморазведкой и цикл наблюдений повторяют.