Способ обработки сигналов вторичного магнитного поля при геоэлектроразведке и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01V3/10 

Изобретение относится к электроразведке и может быть использовано при электрическом картировании геологических образований, а также при поисках и разведке рудных и нефтегазоносных месторождений, залегающих на глубинах до 1-1,5 км.

Известны способы обработки сигналов неустановившегося магнитного поля незаземленной петли после выключения тока, реализованные в устройствах для электроразведки методом переходных процессов, в которых на ряде времен после выключения тока в генераторной петле получают значения производной по времени от потока вторичного магнитного поля через приемную рамку путем стробирования и синхронного накопления, что существенно улучшает помехозащищенность измерений.

Однако при этом способе затруднено определение характерных элементов переходной характеристики становления поля

(переходов через нуль и экстремумов), что приводит к потере полезной информации.

Известен также способ геоэлектроразведки, заключающийся в изучении в паузе между импульсами тока в незаземленном контуре, возбуждающими магнитное поле, переходной характеристики вторичного неустановившегося поля, зависящей от электропроводности и размеров проводящих объектов в земле. Способ-прототип широко применяется в практике геолого-поисковых работ при изучении залежей электропроводных руд в высокоомных вмещающих породах.

Недостатком способа-прототипа является низкая эффективность при работах на участках со сложными условиями, где спектр полезного сигнала осложнен аномалиями-помехами, возникающими от присутствия в геоэлектрическом разрезе низкоомных вмещающих пород, зон разви J

fc

О

о со

тия углеграфитизированных образований, мощной толщи рыхлых отложений, невыдержанных по мощности и составу.

Известно также устройство для электроразведки, содержащее генератор, соединенный с датчиком поля, измерительную установку, усилитель, ключ, запоминающее устройство и индикатор, причем генератор соединен синхронизирующей линией с первым управляющим входом ключа. Выход нуль-органа соединен с вторым управляющим входом ключа, а первый управляющий вход ключа соединен также с вторым входом блока измерения интервалов времени. В этом устройстве сигнал электрической напряженности поля с приемной линии после усиления поступает на ключ, открываемый синхроимпульсом генератора в момент выключения токового импульса, Одновременно этот синхроимпульс через ключ запускает блок измерения интервалов времени. Сигнал магнитной составляющей с приемной рамки через усилитель поступает на нуль-орган (компаратор), в котором в момент перехода вторичного магнитного поля через нуль формируется сигнал, закрывающий ключи. Таким образом на выходе запоминающего устройства индикатором фиксируется напряженность электрического поля в момент перехода магнитной составляющей через нуль, а на другом индикаторе фиксируется интервал времени от момента выключения токового импульса до момента перехода вторичного магнитного поля через нуль.

Устройство-прототип повышает информативность измерений вызванной поляризации за счет привлечения дополнительных параметров, связанных с электрическими характеристиками разреза. Однако необходима жесткая синхронизация работы изме- рительного устройства относительно моментов выключения тока в питающей линии (петле). Особенно это важно при изучении больших площадей и при больших разносах между генераторной и приемной установками. Радиоканал, применяемый для передачи опорного сигнала, вносит трудноучитываемый временной сдвиг, приводящий к понижению точности измерений временного интервала.

Целью изобретения является повышение точности способа.

На фиг.1 изображена схема устройства для осуществления способа; на фиг.2 - эпюры, поясняющие способ и принцип работы устройства; на фиг.З - пример графика (кривой) для определения геометрического коэффициента установки; на фиг.4 - кривые

вторичного магнитного поля для нескольких точек наблюдений.

Устройство (фиг.1) для осуществления предлагаемого способа содержит датчик 1

5 поля, двухполупериодный фазочувствитель- ный выпрямитель 2 (ФЧВ), первый компаратор 3, элемент И 4, RS-триггер 5, инвертирующий дифференциатор 6, второй компаратор 7, элемент И 8, первый генера0 тор 9, элемент И 10, второй генератор 11, счетчик 12 времени, триггер 13, кодоуправ- ляемый делитель 14 частоты (КУДЧ), счетчик 15 импульсов, клемму 16 опорного сигнала, блок 17 накопления результата и блок 18

5 задания кода геометрического коэффициента установки. При этом выпрямитель 2 установлен между датчиком поля и соединенными входами первого компаратора 3 и инвертирующего дифференциатора 6,

0 подключенного выходом к входу второго компаратора 7. Выходы первого 3 и второго 7 компараторов подключены к вторым входам второго 4 и третьего 8 элементов И. RS-триггер 5 установлен между первым вхо5 дом первого элемента И 10 и выходами второго 4 и третьего 8 элементов И. Первый элемент И 10 вторым входом подключен к выходу первого генератора 9,,а выходом через КУДЧ 14 - к информационному входу

0 счетчика 15 импульсов. Выход счетчика 15 импульсов подсоединен к информационному входу блока 17 накопления результата. Выход счетчика 12 времени соединен со счетным входом триггера 13 с первыми вхо5 дами второго 4 и третьего 8 элементов И и с установочными входами КУДЧ 14, счетчика 15 импульсов и выходом управления блока 17 накопления результата. Вход управления ФЧВ 2 соединен с выходом триггера 13, а

0 установочные входы счетчика 12 времени и триггера 13 - с клеммой 16 опорного сигнала, а вход управления КУДЧ 14 - с выходом блока 18 задания геометрического коэффициента установки. Второй генератор 11 под5 ключей к информационному входу счетчика 12 времени.

На фиг.2 обозначено; 19 - эпюра тока в возбуждающей петле; 20 -эпюра сигнала на выходе датчика 1 поля; 21 - эпюра сигнала

0 на выходе счетчика 12 времени; 22 - эпюра сигнала на выходе триггера 13; 23 - эпюра сигнала на выходе ФЧВ 2; 24 - эпюра сигнала на выходе первого компаратора 3; 25 - эпюра сигнала на выходе инвертирующего

5 дифференциатора 6; 26 - эпюра сигнала на выходе второго компаратора 7; 27 - эпюра сигнала на выходе второго элемента И 4; 28 - эпюра сигнала на выходе третьего элемента И 8; 29 - эпюра сигнала на выходе RSтриггера 5; 30 - эпюра сигнала на выходе

первого элемента И 10; 31 - эпюра выходного кода счетчика 15 импульсов; 32 - эпюра импульсов на клемме 16 опорного сигнала.

Как показано на фиг.З, кривая 33 зависимости обратной величины геометрического коэффициента установки K(x,y,z), где x,y,z - координаты точек наблюдений, позволяет определить величину этого коэффициента при использовании в качестве источника поля квадратной петли с длиной стороны 21 по профилю, проходящему через центр петли () для точек, удаленных от центра петли на относительное расстояние x/l.

Как показано на фиг.4, кривые 34-43 вторичного магнитного поля позволяют определить временной интервал At между моментами перехода этих кривых через нуль и их экстремальных значений. Кривые 34-43 рассчитаны для точек наблюдения, расположенных вдоль профиля, приходящего через центр петли () на высоте ,5l при относительных удалениях от центра петли на (кривая 34), ,95l (кривая 35), ,3 (кривая 360, ,6 (кривая 37), (кривая 38), (кривая 39), (кривая 40), (кривая 41), (кривая 42) и (кривая 43).

В предлагаемом способе магнитное поле в горных породах возбуждают током прямоугольной формы с паузой (эпюра 19, фиг.2), пропускаемым через квадратную петлю. Вторичное магнитное поле во время паузы тока в петле имеет точке перехода через нуль и экстремальные значения (эпюра 20). Как показали расчеты, интервалы времени между моментами перехода через нуль и моментами экстремумов вторичного магнитного поля определяются выражением

At 7эфф K(x,y,z) /и о I2, где 7эфф - эффективная электропроводность горных пород;

ju о 4 ж магнитная постоянная, Гн/м;

I - половина стороны петли (масштабная единица);

K(x,y,z) - геометрический коэффициент установки, учитывающий положение датчика в пространстве относительно центра питающей петли.

Поэтому в предлагаемом способе измеряют эти интервалы времени:

аэфф K(x,y,z) /г о -I2, где К1 - коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи) измерителя временных интервалов.

Задавая коэффициент K(x,y,z) juc- I2 кратным 10Р, где р - целое число, получим, что замеренный интервал

времени At численно равен эффективной электропроводности горных пород.

Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.

При пропускании разнополярного тока прямоугольной формы (эпюра 19) в питающей незаземленной петле (не показана) в пункте наблюдения вторичное магнитное

поле (эпюра 20) из-за влияния горных пород отличается от прямоугольной формы. С датчика 1 снимается электрический сигнал (эпюра 20), пропорциональный магнитному полю в пункте наблюдения. Этот электрический сигнал поступает на вход двухполупе- риодногофазочувствительного

выпрямителя (ФЧВ) 2. На управляющий вход ФЧВ 2 подается выходное напряжение (эпюра 22) с триггера 13, которое через каждые полпериода Т/2 изменяется с потенциала О на потенциал 1 и наоборот. При сигнале 1 на входе управления ФЧВ 2 работает как повторитель, а при сигнале О - как инвертор. В результате в ФЧВ 2 осуществляется умножение сигнала датчика 1 на периодическую функцию знака частоты п /Т, т.е. осуществляется фазочувст- вительное выпрямление входного сигнала ФЧВ 2. Выходной сигнал ФЧВ 2 (эпюра 23)

подается на входы первого компаратора 3 и инвертирующего дифференциатора 6. В первом компараторе формируются короткие положительные импульсы (эпюра 24) в моменты перехода напряжения через нуль

от отрицательных значений к положительным, а с выхода инвертирующего дифферен- циатора 6 напряжение (эпюра 25), пропорциональное отрицательной величине первой производной входного сигнала,

поступает на вход второго компаратора 7. Во втором компараторе 7 формируются короткие положительные импульсы в моменты перехода через нуль выходного напряжения инвертирующего дифференциатора 6 с отрицательных значений к положительным, как и в первом компараторе 3. Импульсы в моменты времени ti+i T/2 (эпюра 24) и t2+i Т/2, где ,1,2,3,..., соответствуют нулевым и экстремальным значениям изучаемого

вторичного магнитного поля.

Второй генератор 11 формирует прямоугольные импульсы с частотой следования fi. Частота fi выбирается из следующего условия . Выходные импульсы второго генератора 11 поступают на информационный вход счетчика 12 времени, в котором осуществляется пересчет этих импульсов. В результате счетчик 12 времени формирует в интервалы времени пауз тока

в петле положительные импульсы длительностью TI T/4-2 Аг(эпюра 21) и периодом следования, равным половине периода Т. Интервал времени Аг (эпюра 21) выбирается из следующих условий

Агзад Агмин А Тмин, , где

АТ.МИН - минимальный интервал времени между моментом перехода через нуль вторичного магнитного поля и моментами выключения тока в незаземленной петле,

Ат3ад максимальная задержка импульсов, передаваемых по радиоканалу, относительно моментов выключения тока в петле. Для начальной временной привязки импульсов на выходе счетчика 12 времени (эпюра 21) и триггера 13 (эпюра 22) относительно моментов выключения тока в петле, на установочные входы счетчика 12 и триггера 13 поступают раз за период Т опорные импульсы с клеммы 16 опорного сигнала (эпюра 32). Опорные импульсы передаются с генераторной установки (незаземленной петли) по радиоканалу (не показан), При поступлении импульса с клеммы 16 опорного сигнала счетчик 12 времени и триггер 13 устанавливаются в нулевое состояние. В результате на выходе счетчика 12 времени формируются в интервалы пауз тока импульсы длительностью, примерно равной длительности паузы тока в петле. В результате операций логического умножения, выполняемых вторым 4 и третьим 8 элементами И, импульсы с выходов первого 3 и второго 7 компараторов поступают на входы RS-триггера 5 в интервалы времени изучения вторичного магнитного поля (интервалы времени пауз тока в незаземленной петле). В результате RS-триггер 5 формирует импульсы длительностью Ati, равной интервалам времени между моментами перехода через нуль вторичного магнитного поля и моментами его экстремальных значений, ,1,2,3,... (эпюра 29). Выходные импульсы длительностью поступают на один из входов первого элемента И 10. В результате операции логического умножения, выполняемой первый элементом И 10, на вход КУДЧ 14 (эпюра 30) поступают пачки импульсов длительностью

Ati и частотой заполнения fc, вырабатываемой первым генератором 9. Перед поступлением пачки импульсов КУДЧ 14 и счетчик 15 импульсов сбрасываются в нулевое состояние положительным перепадом выходных импульсов счетчика 12 времени. В результате за интервал времени Ati в счетчике 15 импульсов будет накоплено количество импульсов NI: Ni(fc/Mi) Ati,

где fc - частота следования импульсов первого генератора 9;

MI - коэффициент деления КУДЧ 14. Коэффициент деления КУДЧ 14 задается кодом, поступающим на вход управления с блока 18 задания кода геометрического коэффициента установки.

Соответствующим подбором fc и Mi задают величину

0 NHfc/Mi) AHK(x,y,z)fc аэфф ЮР аэфф ,

где р - целое число, т.е. количество импульсов NI будет численно равно эффективной электропроводности 7эфф горных пород

5 Для оценки сгэфф в абсолютных единицах достаточно установить децимальную (разрядную) точку в соответствующий разряд. Отрицательными перепадами импульсов счетчика 12 времени (эпюра 21) коды NJ пе0 реписываются в блок 17 накопления результата для дальнейшей обработки при интерпретации полученных материалов.

Для обоснования предлагаемого способа проводилось моделирование на ЭВМ пу5 Тем численных расчетов сигнала магнитной составляющей вторичного поля незаземленной петли после выключения тока. На фиг.4 приведены результаты таких расчетов для квадратной петли размером 21 21, где I 0 масштабная единица, равная полудлине стороны петли, расположенной на поверхности однородного полупространства электропроводности о. Высота плоскости наблюдений ,5l.

5 После выключения тока в петле в горных породах индуцируется токовая петля, которая с течением времени диффундирует в среде, причем скорость этой диффузии зависит от электропроводности горных пород.

® При этом на расстояниях от центра петли, больших 1,31, т.е. вне петли сигнал вторичного магнитного поля имеет переход через нуль в момент времени t0, достигает экстремальных значений в момент времени text, a

5 затем монотонно убывает с ростом х/1. Разность моментов времени At to-text может служить мерой электропроводности среды. Отложенное по оси абсцисс на фиг.4 приведенное время t является сложной функцией

0

от координат источника и приемника поля

(аналог геометрического коэффициента установки в электроразведке) и электропроводности среды. Геометрический коэффициент установки может быть опреде- 5 лен либо путем непосредственного расчета на основе данных типопривязки, либо, например, , ,5 при помощи палетки, подобной той, что приведена на фиг.З (кривая 33). Таким образом, измеренные интервалы

времени между моментами нулевых и экстремальных значений вторичного магнитного поля связаны с электропроводностью полупространства простым соотношением:

сг (x,y,z) -ро I2 Для реальных геологических сред а приобретает характер эффективной электропроводности толщи горных пород, используемой при геологическом картировании. При этом существенно, что не требуется жесткой временной увязки работы измерительного устройства с моментом выключения токового импульса, так как измерения интервалов времени в этом случае являются относительными, а также снимается целый ряд ограничений геоэлектрического характера, что значительно расширяет область применения предлагаемого способа, а возможность проведения аэроизмерений приводит к повышению производительности работ. Формула изобретения 1. Способ обработки сигналов вторичного магнитного поля при геоэлектроразведке, в котором выделяют для каждой точки наблюдений моменты экстремума и перехода через нуль сигнала вторичного поля магнитной индукции в паузах между импульсами тока, пропускаемыми через незаземленную квадратную пеглю с длиной стороны 21, и определяют величину электропроводности среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, измеряют временной интервал At между моментами перехода через нуль и моментами экстремума сигнала вторичного поля магнитной индукции, а о величине эффективной электропроводности 7эфф среды судят, исходя из соотношения

СГэфф

At

К ( х, у, 7. ) /и. о

2

где K(x,y,z) - геометрический коэффициент установки;

(x,y,z) - координаты точек наблюдений;

10 -магнитная постоянная, Гн/м.

2. Устройство для обработки сигналов вторичного магнитного поля при геоэлектроразведке, содержащее датчик поля, клемму опорного сигнала, первый компаратор и счетчик импульсов, присоединенный выходом к информационному входу блока накопления, первый элемент И, соединенный

первым входом с выходом первого генератора, отличающийся тем, что, с целью повыше. точности измерений, в него дополнительно введены двухполупериодный фазочувстеительный выпрямитель, инвертирующий дифференциатор, второй и третий элементы И, RS-триггер, кодоуг.мЕляемый делитель частоты, триггер, блок задания кода геометрического коэффициента установки, второй генератор,

второй компаратор и счетчик времени, подключенный информационным входом к выходу второго генератора, установочным входом - х клемме опорного сигнала, а выходом - к установочным входам кодоуправляемого делителя частоты, счетчика импульсов и к управляющему входу блока накопления результата, к первым входам второго и третьего элементов И и к счетному входу триггера, подключенного установочным входом к клемме опорного сигнала, а выходов - к управляющему входу двухполу- периодного фазочувствительного выпрямителя, подсоединенного информационным входом к датчику, а выходом - к входам

первого компаратора и инвертирующего дифференциатора, выход которого соединен с входом второго компаратора, подключенного зь,хсдом к первому входу первого элемента И, а вторым входом - к выходу

второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора, причем информационный вход счетчика импульсов через кодоуправляемый делитель частоты подсоединен к выходу первого элемента И, а блок задания кода геометрического коэффициента установки подключен к входу управления кодоуправляемого делителя частоты.

2

/.

Использование: при электрическом картировании геологических образований, а также поисках и разведке рудных месторождений. Сущность: в принятом из земли в паузах между импульсами тока, пропускаемого через петлю, сигнале вторичного магнитного поля выделяют моменты перехода через нуль и моменты экстремума этого сигнала, измеряют временной интервал между этими моментами, по величине которого судят об электропроводности среды. 2 н.э.п. ф-лы, 4 ил.

6

7

12

/6

2fl

/ V

f)tItГJ

,i,i

у Ч/т Ji/

r& i

I I II I t

±j

ut0 29att

iiimir

71/

8

H

9 1W

j

-иип

/J

15

18

Фиг. /

Z

tf

,r,f

ZL

г/г

I I II I t

tfVZ

it,

X

ilimn

t,

г/к(,У,г)

01/0.4