СПОСОБ МОНИТОРИНГА ЛОКАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЗОН ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА ВЧР Российский патент 2009 года по МПК G01V3/12 

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 естественного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). Оно может быть использовано для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (обводненные мульды, карстовые полости, оползневые участки, зоны шахтных подработок, повышенной трещиноватости, интервалы ослабленных пород и пр.). Данное изобретение специально может быть использовано при организации сети мониторинга для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических, техногенных процессов. 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 динамически активные зоны, как правило, являются индикаторами потенциальных источников аварий и катастроф, постоянный контроль в режиме реального времени за изменениями НДС оползневого массива, включающего, например, магистральные газопроводы, 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 в горных породах и определяют кинетику скрытого трещинообразования. Установлено, что изменения НДС ведут к изменениям давления поровой жидкости, режима фильтрации подземных вод, что также сопровождается появлением электрокинетического тока, а значит и магнитного поля. На поля НДС накладываются индуцированные в проводящих включениях поля, вызванные вариациями естественного поля Земли. Эти, как и другие природно-техногенные поля, приводят к непостоянству суммарных магнитных компонент (Hz, Hx, Hy) в пространстве и во времени (ось Z - вертикальна, оси X, Y - в горизонтальной плоскости, ортогональны оси Z). При этом под Hz, Hx, Hy понимают разницу между абсолютными значениями компонент на всех рядовых измеряемых i-тых точках поверхности и одной опорной.

Известен способ анализа геодинамических процессов, при котором размещают вариационные станции, синхронно регистрируют сигналы изменения импульсного электромагнитного поля во времени, по которым судят о геодинамическом процессе. В этом способе предварительно компенсируют сигналы от искусственных и естественных негеодинамических источников, регистрируют сигналы в полосе частот шириной ±5 кГц в диапазоне 15-50 кГц, осредняют при этом интенсивности сигналов в интервалах от единиц секунд до десятков минут с шагом квантования порядка времени осреднения, вычисляют автокорреляционную функцию разности сигналов вариационных станций, определяют ее трехмерную спектральную плотность мощности, по которой вычисляют энергию разности сигналов (авторское свидетельство СССР №10888508, G01V 3/00, опубл. 30.11.1982).

Ограничениями этого способа являются низкая точность, информативность и достоверность получаемых результатов, ограниченные эксплуатационные возможности. Для реализации этого способа необходимо передвигать одну из вариационных станций. Результаты между первым и последним измерениями получают через значительный отрезок времени.

Известен также 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 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.

В результате патентного поиска не было выявлено источников информации, в которых проводился бы постоянный мониторинг локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза без перемещения приемных устройств - радиоволновых индикаторов или без вращения антенн этих приемных устройств.

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных возможностей.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение точности, достоверности и информативности, расширение функциональных возможностей за счет определения в режиме реального времени локальных неоднородностей и геодинамических зон в области ВЧР и оценки их энергетики как по площади, так и по глубине.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата способ мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР включает одновременное измерение тремя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно-ортогональных компонент Hx, Hy, Hz напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами (магнитовариационными станциями) 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 Hx, Hy, Hz одновременно передают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Hx, Hy, Hz с приемных устройств и с опорной станции, вычисляют в устройстве обработки амплитудные магнитовариационные частотные параметры - Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, у)=Hz/Hy, 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, а по экстремумам W₁zx, W₂zy, S₁ и S₂ определяют локальные неоднородности и геодинамические зоны в области ВЧР под соответствующими приемопередающими устройствами.

Возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором целесообразно, чтобы в устройстве обработки дополнительно определяли ускорение α~1/с² изменения параметров W₁zx, W₂zy, S₁ и S₂ для оценки развития или затухания геодинамических зон ВЧР.

Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает схему расположения приемопередающих устройств и опорной станции для участка линейного трубопровода;

Фиг.2 - то же, что фиг.1, для исследуемой поверхности большой площади.

Способ реализуют следующим образом.

На профиле или участке исследований (фиг.1, 2) стационарно устанавливают приемопередающие устройства 1, измеряющие естественное электромагнитное поле Земли (ЕИЭМПЗ). Для простоты чтения на фиг.1 показана связь приемопередающих устройств 1 с устройством обработки 3 только для крайних магнитовариационных станций каждого ряда. Однотипную приемопередающим устройствам 1 опорную станцию(ии) 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 связаны с входами/выходами устройства обработки 3 кабелем, радиоканалом или спутниковой связью и т.п.

Поскольку магнитными датчиками приемопередающих устройств 1 являются три антенны с узконаправленной диаграммой направленности, форма которой резко зависит от анизотропии горных пород, антенну, расположенную по оси X, для всех приемо-передающих устройств 1 визируют в пространстве высокоточным геодезическим теодолитом (точность не больше 1 минуты строго в одном направлении). Это могут быть оси преимущественной ориентировки тектонических элементов, либо оси магистрального трубопровода. Любые другие методы визирования антенн при исследовании ВЧР полем электромагнитной эмиссии i-тых (глазомерный, с использованием компаса, буссоли и пр.), являются некорректными, поскольку погрешность визирования более 1° влечет за собой ошибку измерений до 50% и более.

Затем в заданное j-oe время с определенным интервалом на сети точек профиля или площади проводят мониторинг трех компонент магнитного поля Hx, Hy, Hz 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 Hx, Hy, Hz с опорной станции 2 для выделения полезных сигналов.

Устройство обработки 3 представляет собой сервер, который вычисляет по меньшей мере два относительных амплитудных магнитовариационных параметра - Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, которые находят из соотношения между вертикальной компонентой Hz магнитного поля и его горизонтальными компонентами Hx и Hy. Далее строят графики этих частотных параметров W₁zx=F₁(f) и W₂zy=F₂(f) поля, т.е. частотные характеристики разреза ВЧР в одной или i-тых точках. Они и являются параметрами для геоэлектрической интерпретации, т.к. вследствие скин-эффекта с уменьшением частоты увеличивается глубина изучаемой среды.

Устройством обработки 3 далее определяют площади S₁ и S₂, которые являются обобщенными по глубине геоэлектрическими характеристиками среды в i-ой точке. Наблюдения по профилям или по площади обеспечивают описание изменения геологической среды по горизонтали.

Таким образом, по изменению параметров Wizx и Wizy судят о локальных неоднородностях и геодинамических зонах, а по изменению параметров S₁ и S₂ судят о латеральной неоднородности. Это дает информацию о форме, свойствах, структуре, интенсивности и местонахождении локальных неоднородностей, геодинамических зон ВЧР.

При изучении этих параметров в разное время t ведется мониторинг среды, а по их приращениям по времени Δt можно оценить скорости изменения параметров F и S - ускорение α~1/с² (развитие-затухание геодинамического процесса), что существенно повышает надежность прогноза активизации опасных геологических процессов.

Для повышения достоверности результатов изучения ВЧР, полевые измерения и их интерпретацию производят одновременно с помощью установленного в устройстве обработки 3 программного обеспечения, обеспечивающего управление приемо-передающими 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.

Для изучения малоконтрастных геоэлектрических аномалий можно использовать статистический метод обработки данных, например, ранговую статистику Фридмана, при которой процедура обработки сводится к ранжированию числа импульсов ЕИЭМПЗ в строке окна анализа, включающего N профилей и m приемопередающих устройств 1 на каждом из них, суммированию полученных рангов по каждому столбцу и вычислению статистики Фридмана по формуле:

- сумма рангов для i-го пикета окна;

указывает на необходимость суммирования квадратов полученных сумм рангов по всем пикетам.

Эта величина имеет распределение Пирсона (хи-квадрат) при (m-1) степенях свободы, когда сигнал в выбранном для анализа окне отсутствует, что позволяет найти величину порога при решении задач обнаружения с заданной вероятностью неизвестного по форме сигнала на фоне некоррелированных помех. Гипотезу об излучении из очага магнитовариационного поля отвергают, если найденная величина не превышает величины порога. Использование ранговой статистики Фридмана позволяет повысить чувствительность за счет нелинейного накопления, выделяя слабые сигналы, например, геодинамического характера, а значит, увеличить тем самым и радиус их обнаружения.

По предложенному алгоритму возможна обработка получаемых результатов измерений и на одном профиле. При этом числу профилей сети мониторинга N соответствует столько же циклов параллельных измерений вдоль одного профиля, выполненных через некоторые интервалы времени, что особо важно при изучении геодинамических процессов.

Выявление и оконтуривание локальных малоконтрастных и слабых геодинамических аномалий производят с учетом местоположения приемопередающих устройств 1 с аномальными значениями статистики Фридмана на сети мониторинга либо распределения скоростей изменений импульсов по трем координатам Hx, Hy, Hz на разных магнитовариационных станциях профиля.

Методика проведения мониторинга сводится к следующему.

В ходе проведения полевых работ получают данные:

1) графики F_i(f), характеризующие изменение удельного электрического сопротивления пород (ρ) или их продольной проводимости (s=h/ρ, где h - мощность слоя ВЧР с глубиной (чем больше частота, тем вследствие скин-эффекта меньше глубинность) в разных точках (i=1, 2, 3…);

2) графики F_i (fэкстр) по профилям или карты (по площади) в разных точках изучения разреза ВЧР (i=1, 2, 3 …) по экстремальным значениям (max, min) на графиках F_i(f);

3) графики и карты S₁ и S₂ по всем точкам (i=1, 2, 3 …)-S_i;

4) скорость изменения S_i при мониторинге (при работе на заданных интервалах времени (t) - часы, дни, месяцы, сезоны и др.

Горизонтально и пологозалегающие геоэлектрические разрезы, например, тело оползня берегового склона, вмещающего газопроводы, можно расчленять по графикам F_i(f), выделяя на них с разными ρ и s. Для этого используют методологию, известную в электроразведке методами аудио-магнитовариационных и частотных исследований.

Крутослоистые разрезы ВЧР, например зоны тектонических нарушений, сбросов, трещинноватости, обводнений и др., расчленяют на графиках и картах F и S экстремальных или одинаковых на всех точках (i=1, 2, 3…) значений F(fэкстр) или F(fconst), а также построенных по данным S₁ и S₂. Центры названных аномалий (локальные неоднородности и геодинамические зоны) будут залегать под экстремумами на графиках и картах, а их ширина и глубина соизмеримы с расстояниями на графиках и картах S₁ или S₂ между точками (профиля или карты), в которых S равен экстремуму и половине экстремума. Далее их полуколичественная интерпретация может проводиться по правилам, известным в электроразведке методами индукционного или радиоволнового профилирования.

Поскольку в заявленном способе трансформации измеренных параметров (Hx, Hy, Hz) 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 (Hx, Hy, Hz) техническими средствами с применением геофизических теодолитов, данный способ позволяет резко улучшить информативность мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон в верхней части геологического разреза.

Наиболее успешно заявленный способ мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР 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 контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических, техногенных процессов (оползневые участки подводных переходов, зоны горных подработок, обвалы и др.).

Изобретение относится к области геофизики, в частности к электромагнитным низкочастотным методам изучения верхней части геологического разреза. Сущность: одновременно измеряют тремя антеннами в диапазоне частот f=1-200 кГц взаимно-ортогональные компоненты Hx, Hy, Hz напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами и одной опорной станцией, работающими синхронно. 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 Hx, Hy, Hz одновременно предают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех. Вычисляют параметры W и S, по которым судят о наличии локальных геологических неоднородностей и геодинамических зон в области ВЧР. Технический результат: повышение достоверности, информативности, расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, включающий одновременное измерение тремя антеннами в диапазоне частот f=1-200 кГц взаимно ортогональных компонент Hx, Hy, Hz напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) 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 Hx, Hy, Hz одновременно передают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Hx, Hy, Hz с приемных устройств и с опорной станции, вычисляют в устройстве обработки амплитудные магнитовариационные частотные параметры - Wzx(x, y)=Hz/Hx и Wzy(x, y)=Hz/Hy, 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, а по экстремумам W₁zx, W₂zy, S₁ и S₂ определяют локальные неоднородности и геодинамические зоны в области ВЧР под соответствующими приемопередающими устройствами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в устройстве обработки дополнительно определяют ускорение α~1/с² изменения параметров W₁zx, W₂zy, S₁ и S₂ для оценки развития или затухания геодинамических зон ВЧР.