Способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01V3/10 

Изобретение относится к reoaneKfроразведке по .методу переходных процессов (МПП) и методу зондирования становлением поля в ближней зоне чЗСБ). Известен способ наземной геоэлек роразведки, предусматривающий регис рацию неустановившегося электромагБИТНОГО поля в ближней к источнику зоне в диапазоне времен от miM 4ir- oXi«H «A« v« 4 - °Sma) где 5у и - наименьшие значения проводимости и мощности горных пород, начиная с которых требуется лучить геологическую информацию об изучаемом разрезе l. Известен также способ скважинной геоэлектроразведки, в котором с целью повышения глубинности исследо ваний, регистрация переходного процесса производится в течение времен меньшего 0, SH, где - магнит ная проницаемость среды, S и Н продольная проводимость и мощность слоя среды между поверхностью сред и уровнем приемника l,2j. При реализации способа наземной геоэлектроразведки применяются элек роразведочные станции типов ЦЭС-П (в качестве регистрирующей) и ЭРС-6 (в качестве генераторной)3 , а в скважинной геоэлектроразведке применяется апг аратура МППУ-2- 4, ..В обоих способах за начало отсче.та времени регистрации прийимается момент выключения тока в источнике поля - генераторной петле или заземленной линии. При этом предполагается, что выключение тока происходит мгновенно, т.е. длительность среза тока tp пренебрежимо мала по сравнению с временами регистрации. В известных же устройствах, реализующих описанные способы, выключе-. ние тока происходит за конечное время, сравнимое с временами регистрации, что приводит к возникновению систематических ошибок измерения. При нефтепоисковых работах требу;ется изучать разрез,, начиная с первых сотен, метров, например, для типичных геоэлектрических условий Восточной Сибири (продольное сопротивление рС 50-100 ОМм) при глубине , 200 м, начальное время измерения крайне мало по способу .1 и составляет t jy,-,, Для достижения в этих условиях необходимой грубинности исследований (3-4 км) в качестве источника поля следует использовать квадратнУТо петлю (генераторный контур) со стороной 2 км при токе в петле 50 А. Реальные коммутаторы тока, используемые для выключения тока в петле, не позволяют получить для этих условий длительности среза менее нескольких сотен МКС. При длительности среза 0,3 МКС ошибка измерения ЭДС переход ного процесса на времени 0,5 мс превышает 100%, а на временах до 5-8 мс более 10%. появление этих ошибок, особенно существенных на ранних временах, отрицательно сказывается на точности определения параметров верхних, слоев исследуемого разреза. Для исправления систематических ошибок, вносимых инерционностью источника поля в способе, являющимся наиболее ближним к предлагаемому, включающем возбуждение неустановившегося электромагнитного поля выклю чением тока в источнике поля и изме рение неустановившегося электромагнитногр поля, вводят дополнительно сдвиг начала отсчета времени измерения в сторону запаздывания C5J. Если спад тока при выключении происходит по линейному закону, при нимают величину времени сдвига равной tj./2, где t,- - длительность среза, а для экспоненциального закона, равной постоянной времени экспоненты (Т) . Реализацию сдвига производя изменением оцифровки шкал времени измерительной аппаратуры. Указанный способ может быть реализован наиболее близким к предлагаемому устройством для геоэлектроразведки по методу переходных процессов, в частности серийно выпускаемой цифровой аппаратуры ДИКЛ-2,имеющей диапазон времен регистрации, позволяющий решать как рудные, так и структурные Задачи. Устройство состоит из генераторной части, которая содержит источник тока, через коммутатор и токовый шунт, подключенный к генераторному контуру (источнику поля) и синхрони затор, соединенный с коммутатором и регистрирующей части, содержащей бло времени, подключенный к блоку управ ления, одновременно соединенному с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), процессором и блоком индикации, ко входу которого через последо вательно соединенные усилитель, АЦП и процессор подключен приемный контур, причем синхронизатор генератор ной части соединен с блоком времени регистрирующей части функциональной зависимости, описывающей процесс выключения тока в источнике поля,, определяется типом используемого коммутатора тока, соотношением реактивных и активных со противлении источника поля (в т.ч. сопротивлением заземлений), а также, при прочих равных условиях, зависит от удельного сопротивления верхних горизонтовисследуемого разреза. В св.гзи с этим процесс выключения тока описывается комбинацией различного вида зависимостей. Аппроксимация реального процесса выключения тока линейной или экспоненциальной функцией в ряде случае может сказаться довольно грубой, что внесет определенную погрешность в измерения. , Цель изобретения - повыщение точности измерения, особенно ранних стадий.неустановившегося электромагнитного поля, при любом характере процесса выключения тока в источнике поля. Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, основанном на циклическомвозбуждении неустановившегося электромагнитщого поля выключением тока в источнике, и измерения этого подя с задержкой начала отсчета времени измерения относительного момента выключения тока, и определении по полученным результатам строения геологического разряда, измеряют .в Каждом цикле величину заряда, перенесенного выключаемым током за время выключения, и величину тока в источнике в момент времени, предшествующей его выключению, и устанавливают задержку начала отсчета времени измерения в каждом, цикле равной отношению этих величин в предудущем цикле. Тогда, эта задержка определяется какtc - Ct)at Т - величина постоянного тОка в источнике поля до его выключения; J(t) -текущее значение величины тока в процессе выключения ; . tg - длительность среза; l{t)dt - величиназаряда,перенесен . ного выключаемым током за , выключения. Данный способ может быть осуществлен устройством для геоэлектрораз&ед;ки методом переходных процессов,содержащих в генераторной части источник тока, через коммутатор и ТОКОВЁЛЙ шунт подключенный к генераторному контуру, и синхронизатор, соединенный с коммутатором, а в регистрирующей части - блок времени, подключенный к блоку управления, одновременно соединенному с АЦП, процессором и блоком индикации, ко входу которого последовательно соединенные усилитель, АЦП и процессор подключен приемный кон-:тур, а синхронизатор генераторной части соединен с блоком времени регистрируютей части, генераторная и регистрирующая части устройства соединены через вновь введенный блок сдвига начала отсчета времени измерения, входы которого соединены с токовым шунтом и синхронизатором генераторной части, а выход - со входом блока времени регистрирующей части.

При этом блок сдвига начала отсчета времени измерения содержит фикса.-тор величины тока, через генератор линейногнарастаюцего напряжения подключенны к компаратору, к другому входу которого через фиксатор величины заряда подключен интегратор, управляющий вход которого соединен со схемой ИЛИ, один из входов которой соединен с фиксатором величины зарягда и первым одновибратором, а другой с генератором линейно-нарастающего напряжения и двумя одновибраторами, причем сигнальные входы интегратора и фиксатора величины тока объединены и являются одним из входов блока сдвига начала отсчета, управляющий вход фиксатора величины тока и вход второго одновибратора объединены и являются другим входом блока сдвига начала отсчета/ а выход компараторавыходом блока сдвига начала отсчета.

Устройство построено таким образом, что величина сдвига времени At вырабатывается в каждом цикле с использованием длительности среза предыдущего цикла, т.е. первый цикл (первое выключение тока) является по готовительным.

На фиг. 1 представлена структурна электрическая схема устройства; на фиг. 2, 3, 4 - примеры реализации блока управления, фиксатора величины тока и фиксатора величины заряда/ на фиг. 5 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства (цифры в кружках показывают номер блока, к которому относится диаграмма) .

Устройство содержит генераторную часть .1 и регистрирующую часть 2. Генераторная часть устройства содержит источник 3 тока, через коммутатор 4 тока и токовый шунт 5 соединенный с генераторным контуром 6. К управляющему входу коммутатора подключен синхронизатор 7.

Регистрирующая часть содержит блок 8 времени, через блок 9 управления соединенный со входами АПЦ 10, процессора 11 и блока 12 индикации к входу ЛЦП 10 через усилитель 13 подключен .датчик поля (приемный контур). 14, выход которого одновременно соединен со вторым входом блока управления.

Генераторная и регистрирующая части соединены между собой с помощью блока 15 сдвига начала отсчета вре;мени измерения, входы которого соединены с токовым шунтом и коммутатором генераторной части, а выход - с времени регистрирующей части.

Блок 15 сдвига начала отсчета включает фиксатор 16 величины тока, через генератор 17 линейно-нарастающего напряжения, подключенный к коммутатору 18, к другому входу которого подключен интегратор 19 через фиксатор 20

0 величины заряда. Вход одновибратора 21 объединен с управляющим входом фиксатора величины тока, является одним из в.ходов блока сдвига начала отсчета и соединен с управляющим

5 входом коммутатора генераторной час- ,ти, а выход - соединен со входами генератора линейно-нарастающего напряжения одновибратора 22 и схемы ИЛИ 23, другой вход которой соединен с управляющим входом фиксатора вели0чины заряда и выходом одновибратора. Сигнальные входы фиксатора величины тока и интегратора объединены и соединены с токовым шунтом генераторной части, а вь.1ход компаратора, является

5 выходом блока сдвига начала отсчета и соединен с блоком времени регистрирующей части.

Вариант возможной реализации блогка 9 управления (фиг. 2) содержит

0 счетчик циклов, счетчик адреса, схе- му выбора масштаба усилителя, схему запуска ЛЦП, схему управления режимом индикации и схему управления ре-;(имом работы процессора.

5

Фиксатор 16 величины тока и фиксатор 20 величины заряда могут быть выполнены по схемам известных устройств вг.лборки;-хранения (УВХ) . Варианты схемной реализации этих бло0ков приведены соответственно на фиг. 3 и 4.

Фиксатор 16 величины ток5 представляет собой RС-цепочку с включенным i последовательно ее входу ключом. Фик5сатор 20 величины заряда состоит из RC-цепочки с включенным последовательно ее входу ключом; к выходу RC-цепочки подключен повторитель на основе операционного усилителя.

Интегратор 19 и генератор 17 лиг

0 нейно:-нарастающего напряжения могут иметь одинаковое схемное решение, в качестве которого можно использовать известные схемй интеграторов со сбросом по управляющему входу (т.е. с

5 установкой в О).

Устройство работает следующим образом.

Оператор включает в рабочий режим, генераторную часть 1 и блок 15 сдвига начала отсчета. При появлении в момент времени t, на выходе синхронизатора 7 логического сигнала 1 (фиг. 5) коммутатор 4 -тока через токовый шунт 5 включает ток в генераторном контуре 6, Через заданный интервал времени в момент t на выходе . синхронизатора 7 появляется логический сигнал О, по которому коммутатор 4 тока производит выключение ток в генераторном контуре 6. Отрицатель ный перепад напряжения на выходе син ронизатора 7 (из 1 в О), по времени совпадающий с процесса выключения тока в генераторном конту ре и означающий начало подготовитель ного цикла, запускает одновибратор 2 и на выходе схемы ИЛИ 23 появляется логический сигнал 1, включающий ин тегратор 19, который интегрирует напряжение поступающее на его сигнальный вход с шунта 5 в процессе выключения тока. Длительность импульса од новибратора 21 выбирается заведомо большей длительности среза, и к конц этого импульса на выходе интегратора 19 напряжение пропорционально величи не заряда U, f I (t)dt. По заднем фронту импульса одновибратора 21 в момент времени t запускается одновибратор 22, который через схему ИЛИ 23 продолжает удерживать интегратор 19 во включенном состоянии и включае фиксатор 20 величины заряда в режим выборки. По окончании действия импульса одновибратора 22 в момент вре мени t-j фиксатор 20 величины заряда переводится в режим фиксации (хранения) и поддерживает на одном входе компаратора 18 напряжение, пропорцио нальное Которое корректируется при каждом цикле-во время импульсу одновибратора 22. Одновременно, т.е. в м мент времени t-, на выходе схемы ИЛИ 23 устанавливается логический сигнал О, по которому производится выключение интегратора 19 (установка в 0 В момент времени t, по логическо му сигналу 1 с выхода синхронизато ра 7, фиксатор 16 тока пере водится в режим выборки, а в момент времени t по логическому сигналу О с выхода синхронизатора 7 - пере,водится в режим хранения напряжения с токового шунта 5, предшествующего началу выключения тока (момент t), т.е. пропорционально 1, . Это напряжение поступает на вход генератора 17 линейно-нарастающего напряжения,который в течение импульса одновибрато ра - 21 вырабатывает линейнонарастающее напряжение .с крутизной, пропорциональной l,,которое поступает на другой вход компарат тора 18. Последний до момента времени t имеет неустойчивое состояние, так как напряжение, поступающее на оба его входа равны Св данном случае нулю). С момента времени t до t компаратор имеет первое устойчивое состояние, поскольку на одном входе напряжение равно нулю (выход фиксатора 20 величины заряда), а на другом - положительно (выход генератора 17линейно-нарастающего напряжения), С момента времени t компаратор имеет другое устойчивое состояние, в момент времени t заканчивается подготовительный цикл работы устройства, в результате которого на выходе фиксатора 20 величины заряда имеется напряжение, пропорциональное 1). подготовительного цикла, а компаратор 18находится в устойчивом состоянии. Далее включают регистрирующую часть устройства 2 в режим Измерение. При появлении в момент времени t логического сигнала 1 коммутатор 4 тока через, токовый шунт 5 включает ток в генераторном контуре 6. Через заданный интервал времени в мс мент t;- на выходе синхронизатора 7 появляетсяЛогический сигнал О, по которому коммутатор 4 тока производит выключение тока в генераторном контуре 6. Отрицательный перепад напряжения на выходе синхронизатора 7 (из 1 в О), по времени совпадающий с началом процесса выключения тока (tg ) и означающий начало первого цикла регистрации, запускает однови.братор 21, и на выходе схемы ИЛИ 23 появляется логический сигнал 1, включающий интегратор 19, который интегрирует напряжение, поступающее на его сигнальный вход с шунта 5, так что к концу действия импульса одновибратора 21 напряжение на выходе интегратора 19 равно и. . По заднему фронту импульса одновибратора 21 в момент времени tg запускается одновибратор 22, который через схему ИЛИ 23 продолжает удерживать интегратор 19 во включенном состоянии и включает фиксатор 20 величины заряда в режим выборки. По окончании действия импульса одновибратора 22 в момент t фиксатор 20 величины заряда переводитсяв режим фиксации и поддерживает на одном входе компаратора 13 напряжение, .пропорциональное Uj,- Одновременно на выходе схемы ИЛИ 23 устанавливается логический сигнал О, по которому производится выключеЕ1ие интегратора 19 (установка в )л В момент времени t по логическому с выхода синхронизатора сигналу 7 фиксатор 16 величины тока перево дится в режим выборки, а в момент . времени tg- по логическому сигналу О - в режим хранения напряжения с токового шунта 5, предшествующего началу выключения тока, т.е. пропорционального 1(5 . Это напряжение поступает на вход генератора 17 линейнонарастающего напряжения, который в течение импульса одновибратора 21 вырабатывает линейно.-нарастающее напряжение с крутизной, пропорциональной If, , которое поступает на другой вход компаратора. Во время действия импульса одновибратора 21 компаратор 18 сравнивает два напряжения - линейно-нарастающее напряжение с крутиз- / ной, пропорциональной 1 в текущем (в данном случае первом) цикле, и siaпряжение, пропорциональное U, предыдущего (в данном случае подготовител зного) цикла. После включения одновибратора 21 напряжение на входах компаратора 18 через интервал време.ни At Ц; /о сравняются, и компаратор изменит свое состояние. По переднему фронту перепада напряжения компаратора 18, т.е. через время ut от начала процесса включения тока, запускается блок 8 времени регистрирующей части 2. Блок 8 времени вырабатывает метки времени, распределение которых в выбранном в зависимости от решаемой задачи интервале времени регистрации заранее известно. ЭДС, наведенная в приемном контуре 14 при выключении тока в генераторном контуре 6, через усилитель 13 поступа ет на сигнальный вход АЦП 10. По каждой метке времени, поступающей на вход блока 9 управления, последний за пускает АЦП 10, на выходе которого появляется код числа, пропорционального значению напряжения на его входе После отработки последней метки (последнего адреса) данного цикла блок 9 управления устанавливает блок 8 времени в исходное состояние до запуска следующего цикла. Появляющиеся во время каждого цикла регистрации коды чисел- на входе процессора 11 обрабатываются последним по способу синхронного накопления) т.е. числа с одинаковыми номерами меток времени усредняются за заданное количество циклов. . После завершения заданного количества циклов регистрации взаимодей.ствие блоков, в которых аналогично описанному в первом цикле работа устройства в режим.Измерение прекращается и устройство переводится в режим Индикация. Оператор с по- . мощью блока 12 индикации считывает усредненные результаты измерений для каждого времени. Моменты времени, для которых получены значения величи

Таблица 1 ны напряжения в приемном контуре, совпадают с моментами времени, вырабатываемыми блоком 8 времени. Для оценки эффективности способа выполнены расчеты погрешностей измерения сигналов без сдвига начала отсчета и со сдвигом, определенным по данному способу (соответственно (Т и бг.) Процессы выключения описываются выражениями а) линейный фронт 1 () О t :с t 1 (t) Оt 7 где tj; - длительность среза; б) косинусоидальный фронт I ( t ) cos (jUt О e t l(t) О - круговая частота, - длительность 2uu в) экспоненциальный фронт Kt) e- I t О где p - характеристика скорости спада тока. Тогда время .сдвига, определяемое предлагаемым способом для линейного t фронта & t -- , длякосинусоидаль21 2t, ного фронта At -- -- для эксоненциального фронта д t :- гг . в табл . 1 и 2 приведены значения Л, иСГ для соответствующих значений t/tc, полученных для сигнала на поверхности однородного полупространства (с удельным сопротивлением и мощностью р 6 Ом-.м, г 50 м) при линейном и косинусоидальном характере среза тока. .Длительность среза 1 мс. В табл. 3 приведены значёнияО и бо.для сигнала вида v(t) при экспоненциальном срезе тока с показателем Р , принятом равным 9/t (т.е. для t /1 ф ci . где t ф 2 , 3tr) .

Таблица 2

Анализ полученных данных подтверждает, что способ,является универсальным для определения величины сдвига, обеспечивая возможность автоматического выбора момента начала отсчета времени измерения при произвольном характере фронта выключения тока и позволяет в десятки раз снизить погрешности измерения, а устройство - реализовать данный способ надежно и просто. При этом дпя одинаковых величин погрешностей требования к длительности фронта мо;гут быть снижены в 6-8 раз, что особенно важно для устройств геоэлектрораз1зедки, в которых времена измерения переходного процесса нестационарного электромагнитного поля соизмеримы с длительностью среза возбуждающего тока. Расчетные и модельные ц ;следования, показывают, что при работе методом МПП для получения необходимой информации следует регистрировать процесс с времен 10-30 мкс, при этом для получения достаточно точных результатов измерений длительность среза при- формировании прямо:угольных импульсов тока должна быть менее 2 мкс. Получение столь малых времен среза весьма сложная задача, и применение данного изобретения,при котором можно значительно уменьшить требования к его величине при заданной точности регистрации, приобретает особо важное значение.

Формула изобретения

ния, в каждом цикле измеряют величину заряда, перенесенного выключаемым током за время выключения, и величину тока в источнике в момент времени предаествующий его выключению, и устанавливают за цержку начала отсчета времени измерения в каждом цикле равной отношению этих величин в предыдущем цикле.

Источники, информации, принятые во внимание при экспертизе

Под.ред. Ф.М. Качепецкого. Л., Недра, 1976, с. 64.

6. Зондирование становлением поля в ближней зоне, М., Недра, 1976 (прототип),