Способ высокоточных электромагнитных зондирований и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК G01V3/16 

Группа изобретений относится к геофизическим электроразведочным методам поисково-оценочных исследований с использованием контролируемого источника электромагнитного поля, предназначенных для решения широкого круга задач от поиска и разведки полезных ископаемых до инженерно-геологических и гидрогеологических исследований.

В методах становления поля, таких, например, как метод ЗСБ, электромагнитное поле возбуждается с помощью незаземленного петлевого источника, в который периодически поступают квази-П-образные импульсы тока с чередованием режимов «оп-time» (есть команда на включение тока в генераторном контуре) и «off-time» (есть команда на выключение тока в генераторном контуре). Регистрация сигналов компонент вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов осуществляется, как правило, системой приемных датчиков в период «off-time».

Существует проблема, связанная с измерениями ранних времен становления компонент вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов, которая связана с тем, что ток в генераторном контуре не может отключиться мгновенно, при этом длительность фронта выключения тока в зависимости от размера петлевого источника может меняться от десятков до сотен микросекунд, а кроме того, после окончания непосредственно фронта выключения тока в генераторной петле продолжает протекать так называемый «теневой ток», связанный с неполным размыканием генераторного контура силовыми ключами. Эти изменяющиеся во времени токи создают в измерительных датчиках дополнительный «паразитный» сигнал, который искажает значение сигналов от вихревых токов в изучаемой геологической среде, причем «паразитный» сигнал в информативном интервале времен может превышать «полезный» сигнал от среды в десятки и более раз, что ведет к потере информации о ранних временах становления поля. Наиболее распространенным способом минимизации указанного «паразитного» сигнала, как это указано, например, в описании патентов РФ №2383905 и №2454684, является пространственное разнесение катушек передатчика и приемника, недостатком такого расположения является существенное увеличение приемно-передающей конструкции в целом, в связи с этим снижается горизонтальная разрешающая способность системы и возникают сложности с ее механическим управлением.

В известной системе аэромагнитной съемки во временной области для решения вышеуказанной задачи предложено использование измерителя тока для измерения остаточных токов, циркулирующих в катушке передатчика во время интервала «off-time», благодаря чему обеспечивается минимизация искажений в системе, вызываемых этими остаточными токами при ответном сигнале с земли на импульс электромагнитного поля (патент РФ №2383905, патент РФ №2454684, G01V 3/165). В качестве измерителя тока предложено использовать трансформатор без сердечника и предварительный усилитель, соединенный с аналого-цифровым преобразователем. Трансформатор предпочтительно сконструирован в виде катушки Rogowski (катушка Роговского), характеризующейся широким динамическим и частотным диапазонами, высокой стабильностью и линейностью характеристики, легкостью калибровки. Первичная обмотка трансформатора соединена последовательно с катушкой передатчика таким образом, чтобы ток, протекающий по катушке, генерировал сигнал emf=M⋅dl/dt во вторичной обмотке трансформатора. Компьютер для обработки сигналов соединен с трансформатором, при этом дискретизированный сигнал с него аналогичен сигналу приемника и компьютер использует эти данные для дальнейшей коррекции сигнала приемника. Недостатком такого подхода является то, что в зарегистрированном приемником сигнале доля сигнала, обусловленного протеканием тока в генераторном контуре, может превышать долю «полезного» сигнала от среды в десятки, а на малых временах после выключения и в сотни раз, поэтому даже небольшая ошибка в измерении тока повлечет существенное изменение результата корректировки. Также необходимо отметить, что частотного диапазона катушки Роговского может оказаться недостаточно для точных измерений на малых временах, так как она по определению содержит достаточно большое число витков и, как следствие, имеет существенно большую индуктивность.

Известна также система электромагнитной геофизической съемки во временной области для измерения В-поля, включающая катушку передатчика, компенсационную катушку, расположенную концентрично и копланарно относительно катушки передатчика, катушку приемника, расположенную концентрично и копланарно относительно компенсационной катушки (патент РФ №2557370, G01V 3/165, прототип для способа). Система содержит источник электрического тока, соединенный с катушкой передатчика и компенсационной катушкой. Катушка передатчика, компенсационная катушка и катушка приемника расположены друг относительно друга так, что в месте катушки приемника магнитное поле, созданное компенсационной катушкой, оказывает аннулирующее влияние на первичное поле, созданное катушкой передатчика. При этом компенсационная катушка имеет диаметр меньше диаметра катушки передатчика, катушка приемника имеет диаметр меньше диаметра компенсационной катушки. Магнитное поле в центре катушки передатчика и компенсационной катушки пропорционально электрическому току и количеству витков провода и обратно пропорционально габаритным размерам катушек, в результате чего формируется система, имеющая первичное магнитное поле, которое, если оно измерено в катушке приемника, является нулевым. Источник тока подает периодический сигнал близкой к прямоугольной формы в катушку передатчика и в компенсационную катушку. Сигнал имеет в каждом периоде положительный период включения и период отключения, за которыми следуют отрицательный период включения и период отключения. Компенсационная катушка оказывает влияние на уменьшение сигнала в катушке приемника в периоды включения и отключения сигнала в катушке передатчика, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум за счет усиления сигнала вторичного поля в катушке приемника. Недостатком данного технического решения является сложность обеспечения аннулирующего влияния компенсационной катушки на первичное магнитное поле, создаваемое катушкой передатчика в катушке приемника, так как эффективность компенсации зависит от стабильности геометрии всех трех катушек, что требует придания дополнительной жесткости конструкции в целом. Кроме того, на практике невозможно добиться полной компенсации, а остаточное влияние прямого поля может вносить существенные ошибки в зарегистрированный во времена протекания тока в катушке передатчика сигнал. Расположение приемной катушки внутри компенсационной катушки ограничивает ее размеры, что является ограничивающим фактором для достижения необходимой эффективной площади при заданных частотных характеристиках приемной антенны.

К недостаткам описанных выше известных технических решений следует отнести то, что в них решается задача измерения ответного сигнала в катушке приемника при непрерывной регистрации сигнала (как в периоды «off-time», так и в периоды «on-time») с некоей постоянной частотой дискретизации (например, 100-200 кГц), однако при этом не в полной мере решена задача малоглубинных (от единиц до десятков метров) исследований, которые требуют эффективных измерений на ранних временах становления поля, особенно в период фронта выключения тока в генераторной петле.

Известны устройства для геоэлектроразведки, предназначенные для индукционных электромагнитных зондирований верхней части разреза, например, как это описано в патенте РФ №47533, G01V 13/00, и в патенте РФ №2194294, G01V 13/00 (прототип для устройства). Сущность известных технических решений, состоит в том, что указанные устройства содержат генераторный и приемный контуры, расположенные на повторяющим их форму диэлектрическом каркасе. Диэлектрический каркас снабжен средствами для закрепления указанных контуров, буксировочных тросов и электрического кабеля, соединяющего указанные генераторный контур и приемный контур с генераторной и измерительной аппаратурой. Известные устройства обеспечивают проведение геоэлектроразведочных работ с высокой производительностью при высокой разрешающей способности и глубинности электромагнитных зондирований. Однако в данных устройствах не решена задача уменьшения влияния и учета в результатах измерений протекающего в генераторном контуре в режиме «off-time» остаточного тока.

Задачей группы изобретений является увеличение разрешающей способности и достоверности электроразведочного прогноза, преимущественно на небольших глубинах, упрощение технологии проведения съемки и увеличение производительности за счет уменьшения габаритов конструкции.

Техническим результатом изобретения является более эффективный, комплексный учет влияния зондирующего импульса тока во всем диапазоне времен его протекания на измерения вторично индуцированных в геологической среде полей, а также получение дополнительной информации на ранних временах становления поля за счет формирования специального фронта выключения тока в генераторном контуре.

Заявленный технический результат за счет того, что в способе высокоточных электромагнитных зондирований, который включает воздействие на геологическую среду источником электромагнитного поля путем формирования в генераторном контуре токовых последовательностей, содержащих периоды времени включения и выключения тока и синхронную регистрацию сигналов от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов в периоды выключения тока в генераторном контуре с помощью системы электромагнитной съемки, включающей генераторный контур и расположенные внутри него приемный контур и компенсационный контур, определение по измеренным компонентам электромагнитного поля геоэлектрических параметров среды, согласно изобретению возбуждение электромагнитного поля осуществляют последовательностью импульсов, фронт выключения которых сопровождается затухающим колебательным процессом, при этом синхронно осуществляют непрерывную регистрацию импульсов тока в генераторном контуре путем измерения его производной с использованием индуктивного датчика тока, расположенного в непосредственной близости от токоведущего провода генераторного контура таким образом, чтобы сигнал от вторично индуцированных в исследуемой среде вихревых токов был пренебрежительно мал по сравнению с сигналом, обусловленным током в генераторном контуре.

При этом указанный компенсационный контур расположен во внутреннем пространстве приемного контура, который в свою очередь расположен во внутреннем пространстве генераторного контура, при этом компенсационный контур соединен с генераторным последовательно так, что токи в обоих контурах имеют встречное направление, размер компенсационного контура устанавливают таким, чтобы суммарное электромагнитное поле, создаваемое в приемном контуре током выключения, протекающим в генераторном и компенсационном контурах, было нулевым.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что указанный индуктивный датчик тока, регистрирующий производную импульса тока в генераторном контуре, представляет собой пару идентичных катушек индуктивности, соединенных между собой встречно-последовательно и установленных на малом расстоянии от токоведущего провода в плоскости генераторного контура, причем одна из катушек располагается внутри генераторного контура, а вторая - снаружи.

Указанный технический результат достигается также тем, что указанный затухающий колебательный процесс в генераторном контуре, возникающий при отключении тока, является собственным колебательным процессом генераторного контура, зависящим от электрофизических параметров генераторного контура, геоэлектрической среды и выходных каскадов генераторных ключей и имеющим собственную частоту колебаний преимущественно от 100 кГц до 5000 кГц и коэффициент затухания преимущественно от 25 кГц до 5000 кГц.

При проведении интерпретации зарегистрированных сигналов согласно изобретению в применяемой математической модели учитывают параметры зондирующего импульса тока и электрофизические параметры приемной антенны путем представления результирующего сигнала в виде свертки переходной функции среды, импульса тока и импульсной характеристики приемной антенны.

Заявленный технический результат достигается также тем, что устройство для высокоточных электромагнитных зондирований, содержащее генераторный и приемный контуры, повторяющий форму генераторного контура диэлектрический каркас, снабженный средствами для закрепления указанного генераторного контура, буксировочных тросов и электрического кабеля, соединяющего указанные генераторный контур и приемный контур с генераторной и измерительной аппаратурой, согласно изобретению дополнительно содержит соединенный последовательно с генераторным контуром компенсационный контур, расположенный внутри указанного приемного контура, и регистрирующий производную импульса тока в генераторном контуре индуктивный датчик тока, расположенный вблизи генераторного контура, указанные приемный и компенсационный контуры установлены во внутреннем пространстве генераторного контура, компенсационный контур соединен с генераторным последовательно так, что токи в обоих контурах имеют встречное направление, а размер компенсационного контура установлен таким, что суммарное электромагнитное поле, создаваемое в приемном контуре током выключения, протекающим в генераторном и компенсационном контурах, было нулевым.

При этом прямоугольный импульс тока зондирующего сигнала в генераторном контуре характеризуется тем, что его задний фронт сопровождается затухающим колебательным процессом с частотой собственных колебаний ν и коэффициентом затухания γ, преимущественно ν=100-5000 кГц, γ=25-5000 кГц.

Кроме того, указанный диэлектрический каркас может быть выполнен в виде замкнутого надувного тора, дополнительно снабженного средствами для закрепления внутренних несущих балок с установленной на них диэлектрической подложкой с закрепленными на ней приемным и компенсационным контурами.

Заявленный технический результат достигается также тем, что указанный генераторный контур преимущественно закреплен на повторяющем его форму вытянутом в направлении движения несущем каркасе, установленном на вытянутых по направлению движения элементах - полозьях, выполненных надувными или из жесткого диэлектрического материала, при этом указанный диэлектрический каркас снабжен средствами для установки преимущественно в центральной части генераторного контура диэлектрической подложки с закрепленными на ней приемным и компенсационным контурами.

При проведении аэрогеофизических исследований указанный диэлектрический каркас выполнен из нескольких прямолинейных секций, образующих преимущественно многоугольник и имеющих средства буксировки, позволяющие буксировать его с помощью летательного аппарата, с расположенными на нем витками генераторной антенны, дополнительно снабженный центральной балкой, расположенной вдоль направления движения, с установленными на ней диэлектрическим каркасом приемной антенны, с расположенным на нем приемным контуром, во внутреннем пространстве которого установлен диэлектрический каркас компенсационного контура с расположенным на нем компенсационным контуром.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана схема измерений, иллюстрирующая способ согласно изобретению, где 1 - генераторный контур, 2 - приемный контур, 3 - компенсационный контур, 4 - индуктивный датчик тока, 5 - генератор тока, 6 - направление тока в генераторном и компенсационном контурах, 7 - измерительное оборудование.

На фиг. 2 показан «классический» импульс тока в системах зондирования становлением поля.

На фиг. 3 - импульс тока, фронт выключения которого сопровождается затухающим колебательным процессом, согласно изобретению.

На фиг. 4 показаны амплитуды спектров «классического» импульса тока и импульса, фронт выключения которого сопровождается затухающим колебательным процессом, согласно изобретению.

На фиг. 5 - фиг. 6 представлены графики, соответственно иллюстрирующие сигналы от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов при возбуждении «классическим» импульсом тока и при возбуждении импульсом тока, фронт выключения которого сопровождается затухающим колебательным процессом.

Фиг. 7 иллюстрирует схему установки индуктивного датчика тока 4 в виде двух измерительных катушек, соединенных встречно-последовательно и расположенных в плоскости генераторного контура 1.

На фиг. 8 представлена эквивалентная схема приемной антенны 2.

На фиг. 9 представлены графики, иллюстрирующие пример расчета сигнала становления поля с учетом и без учета формы зондирующего импульса тока и импульсной характеристики приемной антенны 2.

На фиг. 10 представлен общий вид устройства для наземных электроразведочных работ способом согласно изобретению на базе круглой пневматической конструкции с буксировкой за транспортным средством, где 1 - генераторный контур, 2 - приемный контур, 3 - компенсационный контур, 4 - индуктивный датчик тока, 8 - диэлектрический надувной каркас, 9 - жесткие поперечные балки, 10 - диэлектрическая подложка для установки приемного контура 2 и компенсационного контура 3, 11 - буксировочные тросы, 12 - трос-кабель, 13 - буксировочное устройство с расположенным на нем измерительно-генераторным оборудованием, 14 - противовес для уравновешивания конструкции при движении.

На фиг. 11 показан общий вид устройства для наземной электроразведки на базе пластиковой конструкции (сани), буксируемой за транспортным средством, где 1 - генераторный контур, 2 - приемный контур, 3 - компенсационный контур, 4 - индуктивный датчик тока, 15 - диэлектрический вытянутый в направлении движения каркас, 10 - диэлектрическая подложка для установки приемного и компенсационного контуров 2 и 3 соответственно, 11 - буксировочные тросы, 12 - трос-кабель, 13 - буксировочное устройство с расположенным на нем измерительно-генераторным оборудованием, 16 - диэлектрические жесткие элементы - полозья, 17 - крепления для диэлектрической подложки 10.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, как это показано выше, что в большинстве существующих на сегодня методик измерений используются генераторные установки, формирующие импульсы тока, имеющие форму, близкую к прямоугольной (П-образную форму, фиг. 2), либо форму полусинусоиды. При этом длительность фронта выключения тока составляет от десятков до сотен микросекунд, что ведет к потере информации о ранних временах становления поля.

Для получения информации о распределении удельного электрического сопротивления в верхней части земной коры согласно изобретению геологическую среду возбуждают импульсным зондирующим сигналом П-образной формы, фронт выключения которого сопровождается затухающим колебательным процессом (фиг. 3), который может быть аппроксимирован функцией J=А⋅ехр(-γt)⋅cos(2πνt), где А - амплитуда импульса, ν - частота колебаний, γ - коэффициент затухания, значения частоты и коэффициента затухания которого зависят от параметров генераторной установки (индуктивность и сопротивление генераторного контура, величина шунтирующего сопротивления, емкость генераторных ключей). Для реализации такого вида сигнала можно использовать стандартные коммутаторы тока, подобрав номинал сопротивления, шунтирующего генераторный контур 1 таким образом, чтобы в нем возникал так называемый собственный колебательный процесс. Частота ν собственного колебательного процесса варьируется в зависимости от размеров генераторного контура 1 и количества витков. В этом случае в приемном контуре 2 на ранних временах также будет регистрироваться колебательный процесс, при этом при изменении сопротивления среды амплитуда и фаза измеренного на ранних временах колебательного процесса существенно изменяются, что позволяет проводить восстановление параметров изучаемой среды при дальнейшей интерпретации. Как установлено авторами, частота ν собственного колебательного процесса в генераторных контурах, используемых при малоглубинных электромагнитных исследованиях, имеющих размеры от нескольких десятков сантиметров до 250 метров, может составлять от 100 кГц до 5 МГц, а коэффициент затухания у, регулируемый величиной шунтирующего сопротивления, может изменяться в диапазоне от 25 кГц до 5 МГц.

В качестве поясняющего примера на фиг. 2 и 3 представлены графики, описывающие «классический» фронт выключения тока и фронт выключения тока, сопровождающегося затухающим колебательным процессом с параметрами ν=800 кГц, γ=750 кГц. На фиг. 4 показаны амплитуды спектров соответствующих импульсов, откуда видно, что на высоких частотах амплитуда спектра импульса с затухающим колебательным процессом существенно выше амплитуды спектра «классического» импульса, что и обусловливает наличие большего количества информации об изучаемой среде на ранних временах у такого импульса. На фиг. 5 и 6 представлены соответствующие приведенным на фиг. 3 и 4 импульсам сигналы от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов для нескольких моделей среды, в качестве которой рассмотрено полупространство с удельным сопротивлением 100, 500 и 1000 Ом⋅м. Как видно из приведенных графиков, на ранних временах вышеуказанные модели среды идентифицируются по сдвигу фаз при фронте выключения тока, сопровождающемся затухающим колебательным процессом, в то время как при «классическом» фронте выключения тока отклик от среды с сопротивлением 500 Ом⋅м практически невозможно отличить от отклика от среды с сопротивлением 1000 Ом⋅м.

Отметим, что термин «измерения на ранних временах становления поля» фактически означает измерения во времена, на которых на приемный контур 2 оказывает существенное влияние прямое поле, обусловленное протеканием затухающего тока в генераторном контуре 1, поэтому требуется его эффективная компенсация. Уменьшение влияния первичного ЭМ поля генераторного контура 1 в режиме «off-time» на результаты измерений обеспечивается путем компенсации влияния прямого поля на приемный контур 2, а также путем учета производной импульса тока, протекающего в генераторном контуре 1. Для этого дополнительным синхронным каналом регистрации производится измерение с использованием индуктивного датчика 4 производной тока, протекающего в генераторном контуре 1, вычисляется соответствующий этому току сигнал в приемной антенне 2 при отсутствии геологической среды. Полученный сигнал вычитается из рядовых измерений с коэффициентом, определяемым исходя из того, насколько точно выполнена компенсация прямого поля.

Компенсация влияния электромагнитного поля генераторного контура 1 на приемный контур в режиме «off-time» обеспечивается согласно изобретению использованием компенсационного контура 3, расположенного во внутреннем пространстве приемного контура 2, который в свою очередь расположен во внутреннем пространстве генераторного контура 1. При этом компенсационный контур 3 соединен с генераторным контуром 1 последовательно таким образом, что токи в указанных контурах имеют встречное направление (фиг.1). Размер компенсационного контура 3 подбирается таким, чтобы поле, создаваемое «теневыми токами» (токами в режиме «off-time») в генераторно-компенсационном контуре, оказывало нулевое воздействие на приемный контур 2. За счет того что компенсационный контур 3 расположен во внутреннем пространстве приемного контура 2, обеспечиваются следующие преимущества:

- приемный контур 2 и компенсационный контур 3 имеют сравнительно небольшие размеры и могут быть выполнены в едином корпусе, что повышает жесткость системы в целом и снижает уровень помех, обусловленных независимыми вибрациями приемного и компенсационного контуров;

- приемный контур 2 может быть выполнен достаточно больших размеров, но с меньшим числом витков, что позволит улучшить его частотные характеристики;

- за счет малого размера компенсационного контура 3 дипольный момент генераторной системы в целом уменьшается не столь значительно по сравнению с системой, у которой приемный контур 2 был бы расположен внутри компенсационного контура 3.

Измерение производной тока в генераторном контуре 1 осуществляется индуктивным датчиком тока 4, выполненным в виде пары идентичных катушек малого диаметра с небольшим количеством витков (фиг. 7), установленных в плоскости генераторного контура 1. Указанные катушки установлены так, что одна из них находится внутри генераторного контура 1, а вторая - снаружи и размещены на одинаково малом расстоянии от генераторного провода 1 так, чтобы регистрируемый отклик от среды, измеренный независимо каждой из катушек, был одинаковым. Указанные катушки соединены встречно-последовательно таким образом, чтобы сигнал, обусловленный протекающим в генераторном контуре током, в катушках был одного знака (фиг. 7). В этом случае в катушке, установленной внутри генераторного контура 1, наводится ЭДС, которую можно представить в виде ε_к1=ε_СП+ε_ГП, где ε_СП - сигнал от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов, ε_ГП - сигнал от тока в генераторном контуре 1. В катушке, установленной снаружи генераторного контура, наводится ЭДС ε_к2=ε_СП-ε_ГП. В результате регистрируемый сигнал в системе соединенных таким образом двух катушек будет равен удвоенному сигналу от тока в генераторном контуре 1: ε=ε_к1-ε_к2=2⋅ε_ГП. То есть сигнал, возбуждаемый в такой системе катушек вихревыми токами, протекающими в геологической среде, становится пренебрежительно малым по сравнению с сигналом, обусловленным током в генераторном контуре.

Использование в качестве датчиков тока катушек индуктивности малого диаметра с небольшим количеством витков по сравнению с катушкой Роговского является более предпочтительным, так как такие катушки обладают малой индуктивностью, что позволяет с высокой точностью регистрировать сигналы достаточно высокой частоты (десятки мегагерц).

Зарегистрированную производную тока, протекающего в генераторной петле 1, используют не только для компенсации воздействия прямого поля, но и при интерпретации полученных сигналов. Для этого при проведении интерпретации полученных сигналов зарегистрированный и оцифрованный электромагнитный сигнал V представляют в виде двух сверток:

первая из которых описывает отклик среды F на импульс тока G и представляется в виде интеграла Дюамеля

где ƒ_h - переходная функция среды, которая является откликом исследуемой среды на единичный воздействующий сигнал, G' - зарегистрированная описанным выше способом производная зондирующего импульса тока.

Вторая свертка описывает реакцию приемной антенны 2, имеющей импульсную характеристику Н на принимаемый сигнал. Для вычисления импульсной характеристики Н приемной антенны 2 приемная антенна 2 может быть представлена в виде фильтра, описываемого линейной электрической цепью (фиг. 8). Для схемы такого вида передаточная функция в частотной области имеет вид:

где G=R_SH/R_P, Т₁=L/R_P, Т₂=CR_SH.

Таким образом, зная электрофизические параметры приемной антенны (емкость С, индуктивность L, сопротивление провода R_P и сопротивление шунта R_SH), можно учесть искажения, вносимые в измеренный сигнал катушкой приемной антенны 2.

На фиг. 9 представлены практическая кривая, полученная при тестовых измерениях следующей установкой: генератор - 100×100 м, приемник расположен в центре генераторной петли и имеет характеристики: L=5.2 мГн, С=10 пФ, R_p=25 Ом, R_SH=1.5 кОм, а также теоретические кривые, рассчитанные с учетом и без учета влияния на измеряемый сигнал зондирующего импульса тока и параметров приемной антенны. Все теоретические кривые рассчитаны для среды, представленной в таблице 1. В таблице 2 приведены результаты подбора слоистой среды, выполненного с учетом параметров зондирующего импульса тока, но без учета влияния на принимаемый сигнал параметров приемной антенной 2. Как видно из представленных данных (таблица 1 и таблица 2) и графиков (фиг. 9), как импульс зондирующего тока, так и электрофизические параметры приемной антенны существенно влияют на принимаемый сигнал и искажают его на ранних временах. Отсутствие их учета в модели приводит к существенным ошибкам при интерпретации.

Способ высокоточных электромагнитных зондирований согласно изобретению может быть реализован как при проведении наземных электроразведочных работ, так и при проведении аэрогеофизических исследований (не показано).

На фиг. 10 и фиг. 11 в качестве конкретных примеров показаны устройства для наземных электроразведочных работ, реализующие способ согласно изобретению.

Устройство (фиг. 10) содержит генераторный контур 1, приемный контур 2, соединенный последовательно с генераторным контуром 1 компенсационный контур 3, расположенный внутри приемного контура 2. Генераторный контур 1 закреплен на диэлектрическом надувном каркасе 8. Вблизи провода генераторного контура 1 закреплен индуктивный датчик тока 4. В центральной части надувного каркаса 8 на жестких поперечных балках 9 установлена диэлектрическая подложка 10, на которой закреплены приемный контур 2 и компенсационный контур 3. Надувной каркас 8 снабжен также соответствующими средствами для закрепления генераторного контура 1, буксировочных тросов 11 и трос-кабеля 12. С помощью буксировочных тросов 11 и трос-кабеля 12 устройство присоединяют к буксировочному устройству 13, на котором расположено генераторно-измерительное оборудование.

Трос-кабель 12 соединяет генераторный контур 1, приемный контур 2 и индуктивный датчик тока 4 с генераторной и измерительной аппаратурой.

Устройство, показанное на фиг. 11 аналогично по основным конструктивным элементам описанному выше устройству (фиг. 10), но преимущественно предназначено для проведения электроразведочных работ в движении по просекам или дорогам ограниченной ширины, что и обусловило выполнение его в виде вытянутой по направлению движения конструкции, где 1 - генераторный контур, 2 - приемный контур, 3 - компенсационный контур, 4 - индуктивный датчик тока, 15 - диэлектрический вытянутый в направлении движения каркас, 10 - диэлектрическая подложка для установки приемного 2 и компенсационного 3 контуров, 11 - буксировочные тросы, 12 - трос-кабель, 13 - буксировочное устройство, с расположенным на нем измерительно-генераторным оборудованием, 16 - диэлектрические жесткие элементы - полозья, 17 - крепления для диэлектрической подложки 10.

Проведение электроразведочных работ при реализации изобретения, например при проведении наземных исследований, включает следующую последовательность операций.

1. Устройство (например, фиг. 11) в собранном виде располагают на исследуемой площади.

2. От генераторного оборудования в генераторный контур 1, соединенный последовательно с компенсационным контуром 3, подают возбуждающий сигнал в виде близких к прямоугольной форме импульсов тока, задний фронт которых сопровождается затухающим колебательным процессом (фиг. 3), например, с собственной частотой колебаний ν=800 кГц и коэффициентом затухания γ=750 кГц. Указанным зондирующим сигналом возбуждают исследуемую геологическую среду 3. Приемный контур 2 осуществляет прием сигналов компонент электромагнитного поля от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов. Принятый ответный сигнал регистрируется соответствующим измерительным оборудованием 7 (условно показано на фиг. 1). Воздействие прямого поля на приемный контур 2 аннулировано либо понижено в достаточное число раз (обычно не менее чем в 100 раз) за счет использования соединенного последовательно с генераторным контуром 1 компенсационного контура 3, расположенного внутри приемного контура 2.

4. С помощью индуктивного датчика тока 4 дополнительным каналом регистрации осуществляют синхронную регистрацию производной тока зондирующего импульса в генераторном контуре 1 во всем диапазоне времен протекания импульса тока в генераторном контуре, в том числе на временах включения зондирующего импульса и на временах, на которых регистрируют компоненты сигналов становления поля от исследуемой геологической среды в приемном контуре 2.

5. Зарегистрированную с помощью индуктивного датчика тока 4 производную тока используют для численной компенсации остаточного прямого поля, зарегистрированного приемным контуром 2. Зарегистрированную производную тока используют также в дальнейшей обработке и интерпретации полученных сигналов.

6. При обработке и интерпретации сигналов, зарегистрированных приемной антенной 2, учитывают воздействие зондирующего импульса тока на среду и электрофизические параметры приемной антенны 2, проводя свертку теоретического отклика среды, соответствующего мгновенному выключению тока, с зондирующим импульсом тока и передаточной функцией приемной антенны (формулы 1-3) либо проводя деконволюцию (развертку) зарегистрированных сигналов.

В целом техническое решение согласно группе изобретений обеспечивает уменьшение ошибки в определении обобщенной морфологии поискового объекта и увеличение точности определения его электропроводности за счет повышения точности измерения зондирующего импульса тока и учета влияния зондирующего импульса тока и электрофизических параметров приемного контура на измерения вторично индуцированных в геологической среде полей, а также за счет получения дополнительной информации на ранних временах становления поля, используя специально сформированный фронт выключения тока в генераторном контуре.

Группа изобретений относится к геофизическим электроразведочным методам поисково-оценочных исследований с использованием контролируемого источника электромагнитного поля. Технический результат: учет влияния зондирующего импульса тока на измерения вторично индуцированных в геологической среде полей, а также получение дополнительной информации на ранних временах становления поля за счет формирования специального фронта выключения тока в генераторном контуре. Сущность: возбуждение электромагнитного поля осуществляют последовательностью импульсов, фронт выключения которых сопровождается затухающим колебательным процессом. При этом синхронно осуществляют непрерывную регистрацию импульса тока в генераторном контуре путем измерения его производной с использованием индуктивного датчика, расположенного в непосредственной близости от токоведущего провода генераторного контура так, что наводимый в них сигнал от вторично индуцированных в исследуемой среде вихревых токов пренебрежительно мал по сравнению с сигналом, обусловленным током в генераторном контуре. Затухающий колебательный процесс в генераторном контуре, возникающий при отключении тока, является собственным колебательным процессом генераторного контура и преимущественно имеет собственную частоту колебаний от 100 кГц до 5000 кГц и коэффициент затухания преимущественно от 25 кГц до 5000 кГц. Устройство содержит соединенный последовательно с генераторным контуром компенсационный контур, расположенный внутри приемного контура, и индуктивный датчик тока, расположенный вблизи указанного генераторного контура. Компенсационный контур соединен с генераторным контуром последовательно так, что протекающие в них токи имеют встречное направление. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 11 ил.

1. Способ высокоточных электромагнитных зондирований, включающий воздействие на геологическую среду источником электромагнитного поля путем формирования в генераторном контуре токовых последовательностей, содержащих периоды времени включения и выключения тока и синхронную регистрацию сигналов от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов в периоды выключения тока в генераторном контуре с помощью системы электромагнитной съемки, включающей генераторный контур и расположенные внутри него приемный контур и компенсационный контур, определение по измеренным компонентам электромагнитного поля геоэлектрических параметров среды, отличающийся тем, что возбуждение электромагнитного поля осуществляют последовательностью импульсов, фронт выключения которых сопровождается затухающим колебательным процессом, при этом синхронно осуществляют непрерывную регистрацию импульсов тока в генераторном контуре путем измерения его производной с использованием индуктивного датчика тока, расположенного в непосредственной близости от токоведущего провода генераторного контура таким образом, чтобы сигнал от вторично индуцированных в исследуемой среде вихревых токов был пренебрежительно мал по сравнению с сигналом, обусловленным током в генераторном контуре.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный компенсационный контур расположен во внутреннем пространстве приемного контура, который в свою очередь расположен во внутреннем пространстве генераторного контура, при этом компенсационный контур соединен с генераторным последовательно так, что токи в обоих контурах имеют встречное направление, при этом размер компенсационного контура устанавливают таким, чтобы суммарное электромагнитное поле, создаваемое в приемном контуре током выключения, протекающим в генераторном и компенсационном контурах, было нулевым.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный индуктивный датчик тока, регистрирующий производную импульса тока в генераторном контуре, представляет собой пару идентичных катушек индуктивности, соединенных между собой встречно-последовательно и установленных на малом расстоянии от токоведущего провода в плоскости генераторного контура, причем одна из указанных катушек расположена внутри генераторного контура, а вторая - снаружи.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный затухающий колебательный процесс в генераторном контуре, возникающий при отключении тока, является собственным колебательным процессом генераторного контура, зависящим от электрофизических параметров генераторного контура, геоэлектрической среды и выходных каскадов генераторных ключей и имеющим собственную частоту колебаний преимущественно от 100 кГц до 5 МГц и коэффициент затухания преимущественно от 25 кГц до 5 МГц.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при проведении интерпретации зарегистрированных сигналов в применяемой математической модели учитывают параметры зондирующего импульса тока и электрофизические параметры приемной антенны путем представления результирующего сигнала в виде свертки переходной функции среды, импульса тока и импульсной характеристики приемной антенны.

6. Устройство для осуществления высокоточных электромагнитных зондирований, содержащее генераторный и приемный контуры, повторяющий форму генераторного контура диэлектрический каркас, снабженный средствами для закрепления указанного генераторного контура, буксировочных тросов и электрического кабеля, соединяющего указанные генераторный контур и приемный контур с генераторной и измерительной аппаратурой, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит соединенный последовательно с генераторным контуром компенсационный контур, расположенный внутри указанного приемного контура, и регистрирующий производную импульса тока в генераторном контуре индуктивный датчик тока, расположенный вблизи генераторного контура, указанные приемный и компенсационный контуры установлены во внутреннем пространстве генераторного контура, компенсационный контур соединен с генераторным последовательно так, что токи в обоих контурах имеют встречное направление, а размер компенсационного контура установлен таким, что суммарное электромагнитное поле, создаваемое в приемном контуре током выключения, протекающим в генераторном и компенсационном контурах, было нулевым.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что прямоугольный импульс тока зондирующего сигнала в генераторном контуре характеризуется тем, что его задний фронт сопровождается затухающим колебательным процессом с частотой собственных колебаний ν и коэффициентом затухания γ, преимущественно ν=100-5000 кГц, γ=25-5000 кГц

8. Устройство по пп. 6-7, отличающееся тем, что указанный диэлектрический каркас выполнен в виде замкнутого надувного тора, дополнительно снабженного средствами для закрепления внутренних несущих балок с установленной на них диэлектрической подложкой с закрепленными на ней приемным и компенсационным контурами.

9. Устройство по пп. 6-7, отличающееся тем, что указанный генераторный контур закреплен на повторяющем его форму вытянутом в направлении движения несущем каркасе, установленном на вытянутых по направлению движения элементах - полозьях, выполненных надувными или из жесткого диэлектрического материала, при этом указанный диэлектрический каркас снабжен средствами для установки преимущественно в центральной части генераторного контура диэлектрической подложки с закрепленными на ней приемным и компенсационным контурами.

10. Устройство по пп. 6-7, отличающееся тем, что при проведении аэрогеофизических исследований указанный диэлектрический каркас выполнен из нескольких прямолинейных секций, образующих преимущественно многоугольник и имеющих средства буксировки, позволяющие буксировать его с помощью летательного аппарата, с расположенными на нем витками генераторной антенны, дополнительно снабженный центральной балкой, расположенной вдоль направления движения, с установленными на ней диэлектрическим каркасом приемной антенны с расположенным на нем приемным контуром, во внутреннем пространстве которого установлен диэлектрический каркас компенсационного контура с расположенным на нем компенсационным контурами.