[ «РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДИК ИНТЕРПРЕТАЦИИ В ЗОНДИРОВАНИЯХ МЕТОДОМ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОЭЛЕКТРИКИ СЛАБОКОНТРАСТНЫХ СРЕД ...»
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВНИИГИС»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
ЯХИНА ИРИНА АЙРАТОВНА
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДИК ИНТЕРПРЕТАЦИИ В
ЗОНДИРОВАНИЯХ МЕТОДОМ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ
ИЗУЧЕНИИ ГЕОЭЛЕКТРИКИ СЛАБОКОНТРАСТНЫХ СРЕД
Специальность: 25.00.10 – «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
Научный руководитель:
доктор геолого-минералогических наук, профессор Виноградов Альберт Михайлович Екатеринбург,
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….........Глава 1 ОБЗОР ВЫЯВЛЕННЫХ ТИПОВ НЕМОНОТОННЫХ
ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СОВМЕЩЕННЫМИ УСТАНОВКАМИ
В ПРАКТИКЕ РЕШЕНИЯ ПОИСКОВЫХ ЗАДАЧ1.1. Особая роль совмещенной установки при обнаружении аномальных переходных процессов ……………………………………………….. 1.2. Немонотонность переходных процессов как следствие сложной зависимости удельной электропроводности среды от временичастоты наведенного электромагнитного поля……………………... 1.3. Новые регистрируемые типы немонотонных переходных процессов совмещенными установками……………………………………......... Выводы…………………………………………………………….........
Глава 2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ
ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗМПП...............……………2.1. Динамические параметры сигнала в ЗМПП
2.2. Методика интерпретации данных ЗМПП способом «плавающей»
плоскости с помощью динамических параметров сигнала............... 2.3. Понятие глубинности. Расчет кажущейся глубины с помощью динамических параметров сигнала
Выводы……………………….………………………….……...............
Глава 3 ЧИСЛЕННЫЕ СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ НЕМОНОТОННЫХ
ПРОЦЕССОВ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ КОНТРАСТНОСТИ
ОСОБЫМИ ПРИЕМАМИ ИХ РЕГИСТРАЦИИ3.1. Многоразмерные зондирования ЗМПП как основа повышения разрешающей способности электромагнитной разведки
3.1.1. Обоснование выбора оптимального количества и размеров установок в ЗМПП для достижения необходимой глубинности
3.1.1 Геологические и геоэлектрические особенности разреза Ерыклинского участка Куакбашской площади Ромашкинского месторождения и условия применения ЗМПП……………………………………….. 3.1.2 Технология проведения многоразмерных зондирований ЗМПП на Ерыклинском участке
3.2 Численные оценки влияния вызванной поляризации на индукционные переходные процессы в ЗМПП
3.2.1 Особенности проявления вызванной поляризации при рудопоисковых работах на примере Ничатской площади
3.2.2 Особенности проявления вызванной поляризации при нефтепоисковых работах на примере Ерыклинского участка
3.2.3 Выделение индукционной и поляризационной составляющих переходного процесса, используя усовершенствованные алгоритмы приведения………… 3.2.4 Выделение поляризационных интервалов по немонотонности спада первой и второй производных сигналов
Выводы……………………………………………………………......... ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ………………………………... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность В настоящее время популярность электроразведочных методов растет. С новой усовершенствованной аппаратурой, теоретической базой и новыми эффективными технологиями измерений, электромагнитные исследования могут конкурировать по эффективности с сейсморазведкой, выходя, таким образом, на новый уровень в ряду высоких технологий. На сегодняшний день электроразведка способна решать задачи различного плана: картировочные, поисковые (руда, нефть, вода, битум и др.), экологические, инженерные. В ряду множества методов электроразведки можно выделить метод зондирований становлением поля (ЗС), разработанный А.Н. Тихоновым, С.М. Шейнманном зондирований становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), авторами которого являются В.А. Сидоров и В.В. Тикшаев (теоретическая основа разработана А.А. Кауфманом, Г.М. Морозовой). Основная задача метода – исследование процессов становления электромагнитного поля в среде и выявление основных закономерностей их изменения, связанных с ее геоэлектрикой.Сейчас речь все чаще идет о высокоразрешающих возможностях электроразведки. Благодаря использованию при работах ЗСБ и МПП совмещенной установки удается повысить детальность исследований. Высокой разрешенности данных методов способствует наличие индукционно вызванной поляризации (ВПИ) или низкочастотной дисперсии (НЧД) в полифазных породах, особенно с углеводородным насыщением. Благодаря наличию ВПИ проводимость.
При интерпретации методом «кажущейся продольной проводимости»
[18, 56] в варианте «плавающей плоскости» [49] возможно выявить «тонкие»
особенности строения разреза. Но расчет удельных сопротивлений (проводимостей) через величину продольной проводимости представляет на практике неоднозначную задачу, и поэтому возникают неоправданные, по отношению к реальным возможностям метода, погрешности в результатах интерпретации. В этой связи, поиск способов исключения данных погрешностей для возможности детального изучения разреза с выделением слабоконтрастных слоев является актуальной проблемой. Способ «плавающей плоскости» позволяет решать как структурные задачи в нефтяной геологии, гидрогеологии, так и поисковые в нефтяной и рудной геофизике. Этот подход позволил одинаково решать задачи ЗСБ и МПП, что и привело к созданию одной аббревиатуры для методов – ЗМПП.
Цель исследований – развитие и усовершенствование методики интерпретации данных ЗМПП с выделением малоконтрастных особенностей строения разреза в совмещенных установках с использованием «плавающих плоскостей».
Научные задачи исследования 1. Создать обобщенный алгоритм интерпретации данных ЗМПП (над электропроводящими полупространством, плоскостью, слоистым разрезом над изолятором) способом «плавающей плоскости» с помощью введения динамических параметров сигнала.
2. Показать возможность применения созданного интерпретационного алгоритма на моделях сред с различной сложностью, включая выявление тонких (малоконтрастных) особенностей строения разреза по результатам ЗМПП, тем самым, повысить эффективность метода при решении задач геоэлектрики. Реализовать разработки на практическом Защищаемые научные положения 1. С использованием модели «плавающей» проводящей плоскости и динамических параметров сигнала определена функция глубинности, которая позволяет оценить глубину проникновения вихревых токов в проводящей геологической среде под совмещенной установкой в каждый момент времени.
2. Предложенная методика обработки и интерпретации данных ЗМПП с совмещенными установками с использованием динамических параметров сигнала позволяет повысить точность оценки геоэлектрических параметров разреза за счет выделения слабоконтрастных по удельной электропроводности слоев.
3. Разработанный способ приведения результатов многоразмерных зондирований к одному размеру контура совмещенной установки расширяет временной диапазон при выявлении поляризационных эффектов над плоскослоистым нефтеносным разрезом.
Научная новизна 1. Разработаны и программно реализованы оригинальные алгоритмы интерпретации данных ЗМПП методом «кажущейся продольной проводимости» с использованием динамических параметров сигнала.
2. Определена функция глубинности для моделей однородного проводящего полупространства, проводящей плоскости и слоистого разреза над изолятором через динамические параметры сигнала с помощью «плавающей плоскости».
3. Показана практическая возможность выделения поляризационной и индукционной частей процесса становления поля на всем временном интервале измерений ЭДС по немонотонности спада первых и вторых производных сигнала.
4. Разработан алгоритм приведения результатов многоразмерных зондирований к одному размеру контура совмещенной установки по предложенным аналитическим формулам и на практическом материале показана его эффективность при выделении поляризационных процессов в регистрируемом сигнале во всем временном диапазоне измерений.
Практическая значимость результатов и реализация работы Созданные в работе методики и алгоритмы интерпретации индукционных переходных процессов в совмещенных квадратных установках с учетом ВПИ позволяют выделять малоконтрастные по удельной электропроводности слои или локальные неоднородности в разрезе. Тем самым, существенно повышается разрешающая способность метода ЗМПП при решении поисковых и структурных задач.
Описанная технология полевых работ (применительно к нефтепоисковым работам), средства обработки и интерпретации результатов по выделению поляризационных эффектов позволяют осуществлять их глубинную привязку к конкретному стратиграфическому горизонту.
Реализованная в работе методика интерпретации данных ЗМПП была применена на Ромашкинском нефтяном месторождении (республика Татарстан) при решении следующих геологических задач: проведение межскважинной корреляции с целью оконтуривания залежей углеводородов, прогнозная оценка характера нефтенасыщения.
Исследование в области развития теоретических основ интерпретации данных импульсной индуктивной электроразведки при решении структурнопоисковых задач было поддержано грантом для молодых ученых УрО РАН в 2011 году.
Разработанный способ геоэлектроразведки, заключающийся в возможности выявления поляризационных эффектов в микро-миллисекундном диапазоне времени, соответствующем электродинамическим процессам над нефтяными залежами, защищен патентом на изобретение.
Новые методы обработки и алгоритмы интерпретации опробованы на полевых материалах ЗМПП и геологических данных по ОАО НПП «Казаньгеофизика», ОАО «Татнефтегеофизика», НГДУ «Лениногорскнефть», ОАО «Татнефть»), по Иркутской области, Чукотскому автономному округу и другим регионам.
Личный вклад автора Теоретические и практические результаты, приведенные в работе, получены лично или при непосредственном участии автора.
Основной личный вклад заключается в исследовании и разработке оригинальных методик и алгоритмов интерпретации зондирований методом переходных процессов, в т. ч. применительно к решению нефтепоисковых задач. Лично автором были получены следующие результаты:
– исследованы, введены в методику интерпретации и функционально определены динамические параметры сигнала и их производные;
– произведены численные расчеты экстремальных точек динамических параметров;
– разработана методика интерпретации способом «плавающей плоскости» с учетом динамических параметров;
– реализовано использование динамических параметров в алгоритмах интерпретации для дифференциации малоконтрастных сред при решении обратных задач;
многоразмерных зондированиях;
– показана возможность выделения поляризационных процессов с помощью аналитических формул приведения;
– проведена апробация созданных оригинальных алгоритмов и методик интерпретации на экспериментальных данных (на базовых геоэлектрических моделях) и на практическом материале.
В основу диссертации положены материалы, полученные по результатам опытно-экспериментальных работ, проводившихся отделом электромагнитных Ромашкинского месторождения нефти в республике Татарстан. Автор работы лично участвовал в непосредственном сборе и анализе материалов полевых измерений, обработке геолого-геофизической информации, получении результатов, которые легли в основу диссертации, защите отчета по результатам выполненных работ.
В совместных публикациях [70, 71, 74, 76, 78, 79] автору принадлежит производство численных расчетов, формулировка основных выводов, подготовка материалов к публикации; в совместных работах [41, 77] автор непосредственно участвовал в сборе и анализе геолого-геофизических данных, построении структурных карт и разрезов; в работах [75, 83, 85] личное участие автора выражается в непосредственной постановке задачи, производстве численных расчетов, сборе и анализе практического материала.
Апробация работы Основные научные положения работы и результаты докладывались и обсуждались на международных конференциях и семинарах, таких как:
Международная научно-техническая конференция «Проблемы нефтегазового дела» (Уфа, 2006); IX, XI, XIII Уральская молодежная научная школа по геофизике «Современные проблемы геофизики» (Екатеринбург, 2008, 2010, гг.); Международная научно-практическая конференция «Ядерногеофизические полевые, скважинные и аналитические методы при решении задач поиска, разведки и разработки месторождений твердых полезных ископаемых» (Октябрьский, 2009 г.); Международная научно-практическая конференция «Казанская геологическая школа и её роль в развитии геологической науки в России» (Казань, 2009 г.); 37-я, 40-я сессии Международного семинара им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Москва, 2010, 2013 гг.); EAGE, Первая международная научнопрактическая конференция «ГЕОБАЙКАЛ-2010» (Иркутск, 2010 г.); VI Научные чтения им. Ю.П. Булашевича «Глубинное строение, геодинамика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей» (Екатеринбург, 2011 г.); Международная научно-практическая конференция «Аппаратурнометодические комплексы и технологии ГИС и ядерно-геофизические методы для исследования нефтегазовых и рудных скважин» (Октябрьский, 2012 г.);
Международная научно-практической конференция «Высоковязкие нефти и природные битумы: проблемы повышения эффективности разведки и разработки месторождений» (Казань, 2012 г.); III молодежная школа-семинар «Современная тектонофизика. Методы и результаты» (Москва, 2013 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 19 статей, в том числе 2 статьи – в ведущих научных рецензируемых журналах из перечня ВАК, получен патент РФ №2494419.
Объем и структура работы
Работа состоит из 3-х глав, введения, заключения, списка литературы.
Объем работы составляет 119 страниц, в том числе 41 рисунок.
Во введении описаны основные положения диссертационной работы (актуальность, цель, научные задачи, теоретическая и практическая значимость результатов), сформулированы защищаемые положения и научная новизна.
В первой главе приведен обзор выявленных типов аномальных переходных процессов в осесовмещенных установках. Природа появления таких процессов объяснена с позиции влияния индукционно вызванной поляризации и необходимости учета низкочастотной дисперсии удельной электропроводности горных пород при решении задач геоэлектрики. Приведены примеры регистрации сложных форм переходных процессов в практике решения поисковых и структурных задач.
Во второй главе описаны основные процедуры обработки и интерпретации данных ЗМПП. Усовершенствованы методика и алгоритмы интерпретации переходных процессов способом «плавающей плоскости» с помощью динамических параметров сигнала. Показана реализация таких уточненных алгоритмов на базовых геоэлектрических моделях.
В третьей главе исследуются методы повышения контрастности переходных процессов при выделении «тонких» особенностей строения разреза, которые отражаются в нарушении спада ЭДС. Приводятся способы изучения и выявления скрытого влияния вызванной поляризации на индукционные переходные процессы, связанные с немонотонностью спада переходного процесса и их численные оценки. На практическом материале (на примере Ромашкинского нефтяного месторождения в республике Татарстан) показана реализация методического комплекса обработки данных ЗМПП и алгоритмов приведения результатов многоразмерных зондирований к одному размеру контура совмещенной установки.
Благодарности Виноградову за поддержку автора в его научной позиции и неоценимую помощь в подборе фактического материала при написании данной работы.
всесторонний анализ работы и обсуждения, которые помогли улучшить содержательную часть диссертации.
Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам ИНГГ СО РАН – д.т.н. В.С. Могилатову, д.г.-м.н. Н.О. Кожевникову и д.ф.-м.н. Е.Ю. Антонову, поддержавшим данную работу и сделавшим важные и ценные замечания.
Автор благодарит д.г.-м.н. А.А. Редозубова, д.ф.-м.н. В.П. Губатенко, д.т.н.
Л.Е. Кнеллера, д.т.н. Ю.А. Гуторова за помощь и полезные консультации при обсуждении отдельных моментов диссертации.
За предоставление возможности практической реализации научных результатов автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории электромагнитных исследований ОАО НПП «ВНИИГИС».
Автор глубоко признателен своему отцу – к.т.н. А.М. Яхину, оказавшему большое влияние на формирование научных взглядов соискателя, за постоянное внимание и поддержку, а также неоценимую помощь в написании работы.
Глава 1 ОБЗОР ВЫЯВЛЕННЫХ ТИПОВ НЕМОНОТОННЫХ
ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СОВМЕЩЕННЫМИ УСТАНОВКАМИ В
ПРАКТИКЕ РЕШЕНИЯ ПОИСКОВЫХ ЗАДАЧ
Целью данного раздела является обобщение имеющихся сведений об аномальных переходных процессах, проявляющихся при исследованиях методами электроразведки, в частности, зондированиями становлением поля в ближней зоне (ЗСБ) и методом переходных процессов (МПП). В данной главе также приведены практические примеры полученных аномальных характеристик (немонотонных, отрицательных переходных процессов, с нарушением монотонности спада процесса производных сигнала) в совмещенных установках и рассмотрена некоторая взаимосвязь с природой этих явлений и со смежными областями знаний.В работе подробно представлены теоретические расчеты и практические материалы, касающиеся одного из типов немонотонных переходных процессов – это зарегистрированные монотонно спадающие переходные процессы, но имеющие нарушения в спаде (немонотонность) первой и второй производных.
Такие процессы в работе названы немонотонными, поскольку в них присутствует скрытое влияние индукционно вызванной поляризации не проявляющееся в явном виде.
Наиболее перспективной установкой для выявления аномальных сигналов является совмещенная установка (типа «петля в петле», квадратная приемная петля раскладывается вдоль генераторной) или однопетлевая (квадратная генераторная петля выполняет также функцию приемного контура). Процесс возбуждения поля в исследуемой среде вызывается включением-выключением тока в генераторной петле. Это поле вызывает в приемной петле ЭДС индукции. Если выполнить измерения в точке при различных значениях времени t, то можно построить зависимость ЭДС от времени. Такая зависимость называется переходной характеристикой среды или сигналом становления поля и ее график представляет кривую спада. Данный процесс является монотонным, при этом каждое последующее зарегистрированное значение ЭДС должно быть строго меньше предыдущего.
Физику процесса появления аномальных форм переходных процессов можно объяснить следующим образом. При протекании через среду вихревых токов среда поляризуется так же, как и при кондуктивном возбуждении поля. В результате в среде возникает ток вызванной поляризации, конфигурация которого аналогична, а направление противоположно вихревому току. Этот ток создает свое магнитное поле, которое, складываясь с магнитным полем вихревых токов, изменяет его величину, и следовательно, искажает результаты измерений. При малых временах t поле токов вызванной поляризации обычно мало по сравнению с полем токов индукционного происхождения, поэтому влияние вызванной поляризации незаметно. Но вследствие того, что токи ВП затухают намного медленнее токов индукции, при больших значениях времени t их влияние становится более значительным и при высокой поляризуемости может привести даже к появлению отрицательных значений импеданса или форм сигнала с нарушением монотонности спада (немонотонных). Более подробно о природе этого явления будет изложено ниже.
1.1. Особая роль совмещенной установки при обнаружении аномальных Развитие и расширение работ ЗСБ и МПП с совмещенными установками при прямых поисках рудных объектов подтвердили существование и выявили примеры регистрации отрицательных процессов, которые ранее рассматривались как технический брак. В 1966 году при поисках медноколчеданных месторождений на Южном Урале А.Н. Родионов и А.М.
Виноградов в процессе производственных исследований совмещенными петлями 300300м зарегистрировали переходные характеристики в виде кривых с переходами через ноль в область отрицательных значений ЭДС и с образованием экстремума в отрицательной области. По результатам этих полевых исследований вышла первая журнальная публикация [43] об аномальных переходных процессах. Авторы статьи, А.Н. Родионов и А.М.
Виноградов, связали отрицательные процессы с геологией участка и поставили задачу изучения природы этих процессов. В работе сделано предположение, что для участков с отрицательными процессами необходимо кроме чисто индукционного становления учитывать емкостные процессы, т.е. при решении уравнений Максвелла учитывать токи смещения. Аналогичные отрицательные месторождении.
Важную роль для изучения аномальных переходных характеристик сыграли исследования, выполненные под руководством В.А. Сидорова и ИГФЭ сотрудниками ВНИИГИС (А.М. Яхин, Б.В. Бучарский, В.А. Ключников, Ю.В.
Николаев, А.К. Ткаченко) в Якутии. В условиях моголетнемерзлых пород Якутии, начиная с 1977 года, методом ЗСБ выявлены процессы еще более сложных типов – с двойным изменением знака процесса и положительным спадом в конце, а также, положительные процессы со сменой знака производной сигнала [38, 39].
совмещенных контурах квадратной формы со сторонами L=200м вблизи кимберлитовых тел в Якутии. На кривой с индексом 3 пунктиром отмечена отрицательная часть процесса. Эта кривая имеет двойную смену знака. Для кривой с индексом 2 характерно изменение знака производной. Для сравнения приведена нормальная кривая без влияния поляризуемости среды. В сопоставлении с этой кривой на кривых с индексами 1 и 2 заметно, что, начиная с определенного времени, значения по кривым расходятся по уровню. Такое расхождение может существенно влиять на результаты ЗСБ.
установками выявила надежно зарегистрированные переходные процессы, имеющие переходы через нулевые значения и в последующем отрицательные спады.
Рис. 1.1. Аномальные кривые ЗСБ в совмещенных контурах вблизи месторождений алмазов Р.Б. Журавлева и И.Э. Гаврилова показали, что процессы с однократной сменой знака могут быть объяснены влиянием вызванной поляризации (ВП) изучаемых объектов [14]. Была поставлена принципиальная задача учета влияния поляризуемости горных пород на процесс становления поля. Позже В.П. Губатенко и В.В. Тикшаевым [10] было установлено, что над любой недиспергирующей средой переходные процессы в совмещенных установках должны иметь строго монотонный спад. Изменение знака процесса может быть вызвано только поляризуемостью среды. Таким образом, совмещенная установка сыграла особую роль при выявлении отрицательных переходных процессов.
1.2. Немонотонность переходных процессов как следствие сложной зависимости удельной электропроводности среды от времени-частоты Суть методов ЗСБ и МПП состоит в следующем: с помощью незаземленного квадратного контура возбуждается первичный импульс магнитного поля и в паузах между импульсами принимается изменяющееся во времени магнитное поле или его производная на тот же (однопетлевая установка) или другой контур (совмещенная установка). Выключение импульса магнитного поля приводит к возникновению в проводящей среде устанавливающегося во времени ЭДС индукции, возбуждающей затухающие вихревые токи. Скорость и интенсивность затухания этих токов зависит от проводящих свойств среды. После выключения импульса электрического поля в проводящих и поляризующихся породах возникают вторичные поля вызванной поляризации противоположного знака. Процессы, происходящие в элементарном объеме поляризующейся среды при включении постоянного электрического поля схожи с процессами, происходящими при зарядке аккумулятора. Зарядка – это накопление электрической энергии при прохождении тока за счет превращения ее в другой вид энергии (например, химическую), разрядка – процесс прохождения тока через внешнюю цепь противоположно току зарядки. Соответственно этой схеме – зарядке аккумулятора эквивалентен процесс прохождения тока при постоянном поляризующемся поле, разрядке – вторичный процесс, возникающий при выключении поляризующегося поля [72].
Переходные процессы в совмещенных установках достаточно хорошо теоретически изучены [2, 18, 30, 46, 55]. В среде с произвольной неоднородностью, учитывая только активную составляющую электропроводности, спад ЭДС (убывание ЭДС до нуля при t ) от времени происходит монотонно [9, 10], ни сигнал, ни его производные по времени не изменяют знака. В [15, 37] показано, что при учете вызванной поляризации над однородным полупространством должен наблюдаться процесс со сменой знака.
Регистрируемые немонотонные переходные процессы со сменой знака многие исследователи связали с низкочастотной дисперсией (НЧД) удельной электропроводности или вызванной поляризацией горных пород при индукционном возбуждении (ВПИ). Для объяснения необычных форм переходных процессов, полученных при полевых работах сотрудниками ОАО НПП ВНИИГИС, была создана приближенная теория индукционного влияния вызванной поляризации в произвольных средах с осевой симметрией [50, 53].
Эта теория позволяет объяснить форму всех основных типов аномальных процессов [36] слоистостью разреза и особыми соотношениями временных характеристик вызванной поляризации (ВП) и чисто индукционного становления.
Основой для изучения НЧД в электромагнитных исследованиях является феноменологическая теория ВП [26, 27, 29, и др.]. Она предусматривает возможность описания процесса ВП в уравнениях электродинамики небольшим количеством параметров, не рассматривая при этом всей сложности природы этого явления.
Природа ВП, НЧД горных пород разнообразна. Один из ее видов связан с электрической неоднородностью (гетерогенностью) изучаемой среды.
Формирование ВП происходит не только за счет гетерогенности среды, но и благодаря большой совокупности разнообразных электрофизических, в том числе электромагнитных, процессов, приводящих к разделению зарядов под действием приложенного электрического поля. Главную роль играют явления ионной диффузии и электрокинетические явления, к которым относятся электроосмос и фильтрация, являющиеся результатом взаимодействия приложенных к жидкой фазе электрических и механических сил. Углубленное изучение поляризуемости неоднородных пород [7] показало, что наличие углеводородного насыщения в них может приводить к их интенсивной поляризации с постоянными спада, сравнимыми со временем регистрации импедансов при ЗСБ. Такой класс поляризующихся объектов отнесен к электрофизическим. Одной из причин электрофизической дисперсии (зависимость электропроводности от частоты или поляризуемость среды) является гетерогенность среды, которая также характерна для пород, содержащих тонкие включения высокоомных прослоев, в т.ч. пленок нефти.
возникновению емкостных эффектов [7].
При наведении нестационарных внешних электромагнитных полей, например, ступенчатым выключением тока в генераторной катушке, процессы ВП, связанные с эпигенетическими изменениями пород электрохимической или электростатической природы, имеют относительно длительную релаксацию по сопротивлениями слагающих осадочный разрез (электродинамические процессы) горных пород. Включение в низкоомную среду несовершенных диэлектрических прослоек, как показано В.А. Сидоровым [52], может резко увеличить поляризуемость среды и время релаксации, а на низких частотах эффективная (кажущаяся) диэлектрическая проницаемость может достигать огромной величины, что и приводит к появлению аномальных осциллирующих форм переходных характеристик [36, 52]. Подобные явления в несовершенных слоистых конденсаторах (но при наличии внешней цепи для токов) изучены еще в XIX веке и известны как эффект Максвелла-Вагнера. В работе [11] этот эффект проанализирован для периодической слоистой среды (с периодом проводимостями 1, 2 и абсолютными диэлектрическими проницаемостями и 2. Путем усреднения электромагнитного поля по физически малому объему среды показано, что тангенциальные проводимость и диэлектрическая проницаемость не зависят от частоты, а нормальные – зависят, так что комплексная проводимость по нормалям к слоистости где эффективная проводимость слоистой среды на высоких частотах а эффективная проводимость на низких частотах эффективная диэлектрическая проницаемость на высоких частотах эффективная диэлектрическая проницаемость на низких частотах время релаксации где соответствующие эмпирическим законам временного спада ВП, не являются универсальными, но отражают основные закономерности ВП в природных геологических средах.
Большой вклад в развитие и изучение теории влияния поляризуемости на индукционные переходные процессы внесли Г.В. Астраханцев, И.З. Гаврилова, В.П. Губатенко, Р.Б. Журавлева, Г.А. Исаев, В.В. Кормильцев, Ф.М.
Каменецкий, С.С. Крылов, А.В. Куликов, А.Н. Мезенцев, Н.Г. Полетаева, А.А.
Рыжов, В.А. Сидоров, В.М. Тимофеев, С.М. Шейнманн, Е.А. Шемякин, А.М.
Яхин, T. Lee, H.F. Morrison, P. Weidelt, G.F. West.
Изучению явления НЧД в электромагнитных исследованиях посвящены также работы В.В. Агеева, Е.Ю. Антонова, И.А. Безрука, Е.С. Киселева, В.А.
Комарова, Н.О. Кожевникова, П.Ю. Легейдо, В.В. Сочельникова, Б.С. Светова, А.Ф. Постельникова, В.В. Филатова, J.R. Wait, J.W. Hohman, D.J. Marshall, G.
Klein, G.A. Neman и др. Исследование феномена высокого и сверхвысокого разрешения ЗСБ с учетом НЧД выполнили В.В. Агеев, В.В. Задорожная, А.Г.
Небрат, А.В. Сафонов, Б.С. Светов, В.В. Тикшаев и др.
Работа [14] позволила качественно и, в некоторых случаях количественно, объяснить возможность появления процессов, имеющих отрицательные спады в поздней стадии для модели однородно проводящего и поляризующегося опубликованные работы советских [16, 27, 29, 37, 61] и зарубежных авторов [93].
Важными для практики являются также другие простые модели. В работе [92] впервые рассматривается возможность смены знака переходного процесса в однопетлевом варианте метода переходных процессов для однородно проводящего и поляризующегося шара. В [61] рассмотрена модель – проводящая и поляризующаяся плоскость, показана возможность появления отрицательного спада в поздней стадии переходного процесса. Автору работы [92] удалось получить переходную характеристику с отрицательным спадом для модели проводящей и поляризующейся петли, при этом, проводимость описывалась с помощью простой модели релаксации известной под названием Cole-Cole (1941) в виде:
где (i ) – комплексная удельная электропроводность; – постоянная времени, определяющая продолжительность явления вызванной поляризации;
– параметр, характеризующий затухание (часто находящийся в диапазоне 0.1c 0.6); 0 – удельная электропроводность среды на самых низких частотах, т. е.
когда среда – чисто проводящая, 0 (1 ) ; 1, где – стационарная поляризуемость. Эта модель описывает широкий круг явлений ВП и получила широкое распространение. Если рассматривать относительно низкочастотную область этого явления, ее физическому смыслу больше соответствует его описание в терминах частотно-зависимой электропроводности (хотя математически можно получить его описание через частотно-зависимую диэлектрическую проницаемость).
На основе (1.3) или других подобных формул вещественную электропроводность в решении прямой задачи для той или иной модели разреза можно заменить комплексной, применить к этому результату обратное преобразование Фурье-Лапласа и получить таким образом решение для t области с учетом ВП или НЧД. Такой способ широко используется. С его помощью различными исследователями выполнено математическое моделирование влияния ВП на индукционные переходные процессы, в том числе для установки с совмещенными петлями. В большинстве случаев рассматривались однородное полупространство и горизонтально-слоистая среда, а также некоторые локальные объекты.
Результаты математического моделирования влияния ВП на индукционные переходные процессы рассмотрены в работах А.Н. Мезенцева [31 и др.].
Влияние вызванной поляризации на частотные и переходные характеристики исследуется в работе [28], принципиальной основой которой является учет вызванной поляризации в уравнениях электродинамики, т. е. теория Максвелла рассмотрена с учетом этих особенностей.
На основе описания процесса ВП с частотной дисперсией по Cole-Cole выполнены исследования по созданию алгоритмов и программ решения прямой задачи импульсных электромагнитных зондирований и исследования в области разработки программ инверсии данных индуктивных и гальванических зондирований для диспергирующих сред [3, 4 и др.].
Рассмотренные выше модели поляризующихся сред и форма комплексной удельной электропроводности описывают лишь небольшой объем реально встречающихся разрезов. Решения, получающиеся при следовании методике оценок по виду (i ), не позволяют отразить в формулах все влияющие параметры и, тем самым, существенно совершенствовать методику полевых работ. В практике работ легче получить полевыми измерениями функцию (t ) [45] по регистрируемым переходным характеристикам эквивалентную (i ) при решении задач. Поэтому использование (t ) в расчетах предпочтительнее.
Во временной области (t ) может быть представлена в виде [22, 72]:
где F (t ) – временная характеристика спада ВП после ступенчатого выключения установившегося значения поля; t – время после ступенчатого включения электропроводность поляризующейся среды, определяемая в установившемся режиме по (1.2).
Применение базовых зависимостей удельной электропроводности от частоты (теоретически известных как модель Cole-Cole, экспоненциальных и др.) не исчерпывает всех возможностей проявления ВПИ. Например, экспериментально определенные и опробованные формулы спада ВП А.А.
Рыжова и В.А. Комарова во временном режиме не являются простым следствием вышеуказанных математических моделей. Решение прямых задач на основе базовых зависимостей Cole-Cole приводит к появлению дополнительных постоянных, которые могут быть установлены только путем подбора (, c …), т. е. расширяется область неоднозначности при решении обратных задач, одни и те же сигналы могут соответствовать совершенно разным моделям среды. Например, возможна интерпретация сигналов от слоистых разрезов с влиянием ВПИ в определенном временном режиме затягивающегося спада. В этой связи, в данной работе сделан основной акцент на использование переходных характеристик ВП во временном режиме, которые можно получить непосредственно измерениями, чтобы в дальнейшем двойным дифференцированием определять переходную характеристику ВПИ.
Ввиду сказанного, представляется наиболее важным выделение, в первую очередь, сигналов ВПИ для реальных квадратных совмещенных контуров и дальнейшая их интерпретация совместно с электродинамическими процессами без ВП.
Переходные характеристики ВП ( F (t ) ) для поляризующихся сред получают использование теоретически рассчитанных F (t ) для конкретных моделей среды. На практике применимы различные аппроксимационные формулы, например, аппроксимационная формула В.А. Комарова [26]:
где g, h – временные параметры среды, причем g 1 1000 с, а h 103 1 с.
Существуют и другие формулы, хорошо описывающие временную зависимость ВП. Например, аппроксимационная формула А.А. Рыжова [44]:
где Q – временной параметр среды; erfc – дополнение интеграла вероятности.
поляризующейся среды, рассматривается как переходная реакция (t) на объеме для постоянного воздействия E определяется по формуле j (t ) (t ) E электропроводности от времени может быть представлена через временную функцию ВП в виде (1.4). Такое описание процессов ВП аналогично описанию процесса релаксации зарядов в несовершенном диэлектрике.
1.3. Новые регистрируемые типы немонотонных переходных На рис. 1.2 представлен один из зарегистрированных сложных типов немонотонных переходных процессов – «отрицательный» переходный процесс (Сабановский участок). Работы МПП проводились ИГФ УрО РАН (г.
Екатеринбург) в Челябинской области в 2006 году с целью геофизического обеспечения поисков медно-колчеданных руд в Александринском рудном районе.
На рис. 1.3 представлен немонотонный переходный процесс, зарегистрированный над осадочным карбонатным разрезом с включением гипса по данным ЗСБ. Данные работы проводились в 2009 году ОАО НПП «ВНИИГИС» (г. Октябрьский, республика Башкортостан) в Кунгурском районе Пермского края на предмет поиска и разведки месторождений горных пород, применяющихся при производстве строительных материалов. Отрицательные процессы отсутствуют, однако процесс имеет явные нарушения спада сигнала на поздних временах.
На рис. 1.4 приведен пример регистрации методом ЗМПП переходного процесса и его производные. Измерения проводились в Республике Татарстан ОАО НПП «ВНИИГИС» (г. Октябрьский, республика Башкортостан) на Ромашкинском месторожении нефти (Ерыклинский участок) [64, 84]. Явное проявление ВПИ в форме перехода к отрицательным процессам отсутствует, однако наблюдается нарушение монотонности в спаде производных, что указывает на влияние поляризуемости отдельных интервалов разреза [82].
На рис. 1.5 приведены результаты регистрации аномальных отрицательных сигналов в терригенных разрезах с естественным углеводородным (битумным) насыщением. Работы проводились ОАО НПП «ВНИИГИС» (г. Октябрьский, республика Башкортостан) в Казахстане на участке «Иманкара». Повышенный уровень абсолютных значений отрицательных сигналов отмечается в разрезах скважин с повышенной суммарной мощностью битумонасыщенных интервалов.
Z(t), B/A Рис. 1.2. Пример регистрации немонотонного «отрицательного» переходного процесса над рудным разрезом, Челябинская область, Сабановский участок (L=600 м) (Яхина И.А., 2012).
Z(t), В/А Рис. 1.3. Пример регистрации немонотонного переходного процесса над осадочным карбонатным Z''(t), (B/A)/c |Z'(t)|, (B/A)/c Z(t), В/А Рис. 1.4. Пример регистрации переходного процесса со скрытым влиянием ВПИ над нефтяным разрезом и его производные, республика Татарстан (L=1000 м) (Яхина И.А., 2008): 1 –первая производная сигнала, Z'(t); 2 –вторая производная сигнала, Z''(t); 3 – зарегистрированный сигнал Z(t).
Рис. 1.5. Пример регистрации аномальных (отрицательных) переходных процессов в терригенных разрезах с естественным углеводородным (битумным) насыщением, Казахстан Выводы Совмещенными установками при работах методом ЗСБ и МПП были надежно зарегистрированы аномальные переходные процессы следующих типов: отрицательные (спад в отрицательной области, спад в положительной области), осциллирующие, двойные переходы через ноль, немонотонный спад в положительной области, монотонный спад с изменением знака производной.
Все эти процессы, неинтерпретируемые в рамках классической теории электродинамики, связаны с индукционным влиянием вызванной поляризации (ВПИ) или поляризуемостью среды. Немонотонный спад ЭДС от времени является следствием явления низкочастотной дисперсии (НЧД), т.е.
зависимости удельной электропроводности от частоты наведенного электромагнитного поля.
Сложившийся способ изучения влияния поляризуемости среды на ИПП путем замены удельной электропроводности среды в частотной области на комплексную частотно-зависимую электропроводность позволил объяснить так называемые «отрицательные» процессы для однородных сред. Дальнейшее развитие этого способа показало наличие больших затруднений в его применении к изучению более сложных моделей сред (горизонтально-слоистый разрез, радиально-неоднородный разрез и т.д.), поэтому потребовалось создание новых способов оценки влияния поляризуемости на ИПП. Таким образом, появилась методика изучения закономерностей влияния вызванной поляризации на ИПП на основе приближенного теоретического рассмотрения этих процессов во временной области.
Глава 2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ
ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗМПП
Теоретической основой метода ЗМПП являются фундаментальные работы Л.Л. Ваньяна, Ф.М. Каменецкого, А.А. Кауфмана, Г.М. Морозовой, О.А.Скугаревской, В.А. Сидорова, А.Н. Тихонова, П.П. Фролова, Д.Н. Четаева, С.М. Шейнманна.
Современным исследованиям в области создания алгоритмов интерпретации данных ЗМПП, в том числе на основе инверсии данных многокомпонентных нестационарных зондирований, посвящены работы М.И.
Эпова, Е.Ю. Антонова, В.П. Соколова, Л.А. Табаровского и др.
В ЗМПП одним из основных способов интерпретации кривых зондирований является метод подбора, который заключается в последовательном изменении геоэлектрической модели разреза и расчете прямой задачи для нее до того момента, пока экспериментальная и теоретическая кривые не совпадут с требуемой точностью. Для обработки данных импульсной индуктивной электроразведки были разработаны и программно реализованы различные автоматизированные интерпретационные системы [34, 66].
Способ интерпретации путем пересчета кривых ЭДС от времени в кривые зависимости кажущейся продольной проводимости от кажущейся глубины был предложен В.А. Сидоровым совместно с В.А. Тикшаевым. Этот способ позволяет определять для плоскослоистого разреза продольную проводимость для каждого момента времени и определять соответствующую ей глубину.
геоэлектрических границ. Перестроение кривых (t ) или Z (t ) (значение ЭДС, нормированное на 1 Ампер) в зависимость S k ( H k ) фактически является экспериментальной кривой становления поля определить строение слоистого разреза. И для этого не обязательно сравнивать экспериментальные кривые с набором палеток (теоретических кривых) – так называемая, беспалеточная интерпретация.
Изучая становление поля в ближней зоне можно проследить изменение параметров разреза от отдельных горизонтов до суммарных, характеризующих весь разрез, если при интерпретации использовать «плавающую плоскость» (Sплоскость). Для плоскослоистого разреза в поздней стадии процесс становления поля до непроводящего основания можно заменить эквивалентной моделью плоскости с продольной проводимостью, равной суммарной продольной проводимости всего напластования.
Возможность применения в интерпретационном алгоритме модели «плавающей плоскости» основывается на работе П.П. Фролова [59], который показал, что над горизонтально-слоистыми разрезами с непроводящим основанием в поздней стадии становления поле асимптотически стремится к сигналу от проводящей плоскости с продольной проводимостью всего напластования. Модель «плавающая плоскость» – это упрощенный математический аппарат, позволяющий быстро и эффективно вести интерпретацию. Разрез от земной поверхности до глубины H заменяют более простой моделью – эквивалентной плоскостью, считая остальную часть разреза изолятором. Для такой модели рассчитывают кривую становления.
Переходный процесс регистрируется перемещением измерительного устройства (применяются квадратные приемно-генераторные установки) по профилю. В каждом пункте наблюдений фиксируется спад ЭДС от времени (переходный процесс). Измерения проводятся через очень малые (микромиллисекундные) интервалы времени после выключения питающего тока в генераторном контуре. Все измеренные значения ЭДС на различных временах (задержках) измерительной аппаратуры (в аппаратуре «Каскад-М»
используется 6 диапазонов с различными плотностями задержек времени) при дальнейшей интерпретации нормируют к силе тока; получаем значение ЭДС, приходящееся на 1 А в каждый момент времени t – Z(t).
Первичная обработка результатов измерений в виде Z i (t ) сводится к получению однозначного массива Z (t j ), где t j – массив строго возрастающих значений времени – задержек современной компьютеризированной аппаратуры типа «Каскад». Эта операция, называемая сглаживанием, проводится опытным геофизиком-интерпретатором при участии оператора, проводившего полевые измерения. На этом этапе устраняются аппаратурные погрешности, связанные с разными режимами измерений разных значений Z i, устраняются внешние помехи и т.д. Критерием получения реального массива Z (t j ) при сглаживании является возможность численной трансформации этих значений в кажущиеся интерпретационные параметры.
Очень важно точно восстановить сигнал индукционного становления, с которым связана дальнейшая интерпретация и корректная оценка параметров, характеризующих геоэлектрический разрез.
Огромный опыт обработки и интерпретации результатов ЗСБ показал, что наиболее полной разрешенности можно получить по трансформациям Z (t ) в кривые S k ( H k ) [7, 48, 50, 52, и др.].
Кажущаяся продольная проводимость S k в общем случае рассчитывается по формуле [18]:
где Z (t ), В/A – измеренные значения ЭДС в соответствующие моменты времени; функция F(k) рассчитывается, исходя из [75]:
вакууме; h, м – глубина залегания проводящей плоскости; S, См – продольная проводимость плоскости; t, с – время регистрации от момента выключения тока в питающем контуре; L, м – сторона квадратной приемно-генераторной петли.
Формула для расчета кажущейся глубины имеет вид [18]:
полупространства и над слоем ограниченной мощности (переслаиванием на изоляторе) и равный 0,67 и 0,75 соответственно.
где R – радиус круглой приемно-генераторной петли эквивалентный по площади квадратной петле со стороной L R.
Введение функции глубинности позволило приближенно, но оперативно решать обратные задачи применительно к ЗСБ [48], но отмеченная практической интерпретации коэффициент qгл корректируется по результатам каротажа удельных сопротивлений k и сравнивается S k ( H k ) по нему. Такой подход создает массу сложностей и неточностей (большие погрешности в определении кажущейся глубины), не связанных с истинными возможностями метода ЗМПП при выявлении «тонких» особенностей строения разреза.
Возможность решения прямых и обратных задач методом «кажущейся геоэлектрики в различных сложных средах позволяет выявлять самые малоконтрастные ее особенности по результатам ЗМПП.
Введение и использование динамических параметров сигнала, уточняющих и характеризующих кривую спада переходного процесса, является актуальным и перспективным для определения реальной разрешающей способности метода, поскольку существует «тесная взаимосвязь между формой переходного электромагнитного сигнала и геоэлектрической структурой среды» [13].
ближней зоне значительно облегчается при использовании их динамических параметров в виде [87]:
где k, u – вспомогательные интерпретационные безразмерные параметры; f(u) – функция, характеризующая спад переходного процесса над ОПП, Вводимые динамические параметры являются ограниченными по величине и являются показателями степени при характере спада соответствующих функций (например, n(t ) является показателем степени t сигнала становления Между параметрами по (2.3) и (2.4) имеется аналитическая связь [87]:
Уменьшение угла наклона (более крутой спад), т.е. повышение их увеличение сопротивления текущего слоя в разрезе. Но такой анализ неточен в силу того, что эти параметры многозначные (например, для ОПП на ранней стадии n(t ) имеет близкое значение и стремится при t 0 к -1, на поздней стадии при t стремится к -2,5), т. е. даже для ОПП имеются два преимущественных наклона. Такая же неоднозначность наблюдается и для проводящей плоскости, т. е.:
для однородного полупространства:
n(k) при t 0 на ранних стадиях стремится к «-1», на поздних стадиях при t к «-4»;
n(t) при t 0 на ранних стадиях стремится к «-1», на поздних стадиях при t к «-2,5»;
n(u) при t 0 на ранних стадиях стремится к «5», на поздних стадиях при для проводящей плоскости:
n(t) при t 0 на ранних стадиях стремится к «-1», на поздних стадиях при t к «-4».
Однако динамические параметры имеют единственные особые точки, характерные для всей кривой – точки перегиба (рис. 2.1, 2.2). Прямые расчеты показали, что точка перегиба для ОПП в линейном масштабе практически незаметна, однако явно выражена при логарифмическом масштабе по оси времени (рис. 2.3). В точках касания n(t ) и nh (t ) равны. Расчётами установлено, что это равенство сохраняется при любом времени, в том числе и в точке перегиба.
Рис. 2.1. Динамический параметр n(k) и его производная n'(k) Рис. 2.2. Динамический параметр n(t) от поверхностной проводящей плоскости Рис. 2.3. Динамические параметры (Яхина И.А., 2011): 1 – динамический параметр от поверхностной проводящей плоскости ns(t); 2 – динамический параметр от проводящей плоскости, расположенной на глубине nh(t); 3 – динамический параметр n(t) от однородного проводящего полупространства Дифференцируя выражение (2.4) находим производную параметра n(k ) в виде График этой зависимости приводится на рис. 2.4 и имеет единственный явно выраженный минимум. По расчетам значение экстремальной точки определяется однозначно при k 0.5.
На практике Z (t ) наиболее полно представляется в билогарифмическом связей между ними, в первую очередь для базовых моделей (однородное Функция 0 (рис. 2.4) на ранних и на поздних стадиях, следовательно, эта функция имеет единственный положительный максимум, при k 0. определяем, что функция (t ) имеет единственный максимум величиной 0, при u э 0,87, который и определяет положение точки перегиба ( t п ) n(t ) для ОПП и его единственное значение n(t п ) n(u э ) 1,65 f (u э ) 0,591622.
Графики n(k ), n(k ) пересекаются в одной точке и имеют близкие значения в точке экстремума k э 0.5.На ранних стадиях n(k э ) n(k э ) 1.74n(k ), n(k ) 1, на поздних стадиях функция n(k ) 4, n(k ) 0. В соответствии с (2.6) должна быть связь n(t ) и n(k ).
Рис. 2.4. Динамический параметр n(k) и его производная n'(k) (=40 Ом·м, L=1000 м): 1 – логарифмическая производная n(k) от ОПП; 2 – n'(k) от ОПП, 3 – n'(k) от поверхностной проводящей плоскости, 4 – логарифмическая производная n(k) от поверхностной проводящей плоскости; 5 – n(k) от ОПП Рис. 2.5. Обобщенная логарифмическая производная (t) от однородного проводящего 2.2. Методика интерпретации данных ЗМПП способом «плавающей»
плоскости с помощью динамических параметров сигнала Метод КПП базируется на расчёте сигнала становления поля Z (t ) через сигнал «плавающей» проводящей плоскости (ПП) [49]. При этом где Параметр k в формуле (2.8) рассчитывается как где м – сторона петли квадратной установки; t, с – время регистрации в м – расстояние от поверхности до проводящей плоскости; S k (t ), См – h(t ), продольная проводимость плоскости в момент времени t, расположенная на глубине h(t ) ; 4 10 -7, Гн/м – магнитная проницаемость вакуума.
расположенных на глубине и на поверхности:
Расчетный параметр k определяется также из решения уравнения: (t ) (k ), производная функции F (k ) (2.8) по параметру k.
Подставив (2.3) и (2.4) в (2.11), получим уравнение (t ) (k ) для расчёта параметра k для каждого времени t в виде:
С учетом (2.6) следует, что и можно составить универсальную формулу для решения прямой задачи, т. е.
для расчёта сигнала Z (t ) от проводящей плоскости на глубине через сигнал поверхностной плоскости Z s (t ) (рис. 2.6):
Здесь Z s (t ) – сигнал от проводящей плоскости с продольной проводимостью S k (t ) на нулевой глубине в соответствии с (2.7) и (2.12):
Подставляя в (2.15) зависимость (2.13), получаем в самом общем случае Следовательно, если задана S k (t ), то соответствующий сигнал Z (t ) может быть легко рассчитан, по (2.14) с учетом (2.8) и (2.10).
Таким образом, если расположить проводящую плоскость на определенной глубине h, то в момент времени t t0 сигнал от однородного проводящего полупространства точно совпадает по значению с сигналом от проводящей плоскости Z h (t ), которую можно назвать «предельной» (рис. 2.6). t – характерное время регистрации для предельной плоскости, определяемое характерными точками динамических параметров (рис. 2.7). Сигнал от определить его удельное сопротивление.
Z(t), В/А Рис. 2.6. Сигналы от однородного проводящего полупространства и проводящей плоскости (=50 Ом·м, L=1000 м, t0=340 мкс) (Яхина И.А., 2011): 1– сигнал Z(t) от однородного проводящего полупространства; 2 – сигнал от проводящей плоскости, расположенной на поверхности, Zs(t);3 – сигнал от предельной проводящей плоскости, расположенной на глубине h(t0), Zh(t).
Рис. 2.7. Определение t 0 при L=100 м, =40 Ом·м над ОПП (Яхин А.М., Яхина И.А., 2010): 1 –сигнал над ОПП; 2 – динамический параметр n(t) от ОПП; 3 – сигнал от проводящей плоскости; 4 – динамический параметр n(t) от проводящей плоскости.
Зная t 0, можно вычислить параметры проводящей плоскости – значение продольной проводимости проводящей плоскости на предельной глубине [70], которые в точности определяют верхний слой ОПП. Положение проводящей плоскости определяется через динамические параметры по формуле:
Функция (2.17) определяет точное положение ПП в полупространстве при любом t, продольная проводимость которой постоянна и рассчитывается также по формуле (2.16). В самом общем случае положение ПП для любого разреза устанавливается преимущественно динамическим параметром n(t ), но h(t ) отличается от H k (t ).
2.3. Понятие глубинности. Расчет кажущейся глубины с помощью Практическая ценность решения обратных задач с использованием продольной проводимости существенно повышается, если ввести понятие глубинности [18, 49] или кажущейся глубины, т. е. возможности такого определения положения плоскости H (t ) с продольной проводимостью S (t ), определяющей тот же сигнал, как по (2.7). В случае плоскослоистого разреза H (t ) эквивалентна соответствующей мощности слоя непосредственно под установкой в момент времени t с продольной проводимостью S k (t ). Очевидно, что решение может быть найдено в общем случае, если величина k (t ) не меняется и можно единственным образом представить его в виде где t H - характерное время для этой плоскости на глубине H (t ). Определим ее исходя из равенства т. е.
Кажущееся удельное сопротивление текущего напластования определяется в общем случае по формуле [18]:
Для введения функции глубинности в ОПП нет необходимости в специальных физических допущениях, достаточно удовлетворить условиям Интегрируя эти уравнения с учетом начальных условий, имеем функцию для расчета глубинности ОПП:
показано, что при k (t0 ) 0,5 глубина до ПП h(t 0 ) H (t 0 ). Таким образом, k (t0 ) можно представить в виде:
равной k s (t 0 ) 0,34128. Следовательно, характерное время для этой плоскости при любом S 0 определяется формулой т. е. иначе чем по (2.19). Поэтому, для получения более универсального возможность автоматического ее соответствия для ОПП. Уравнивая (2.18) и (2.9) получим связь между h(t ) и H (t ), что позволяет решать прямые задачи по известным S (H ), например, по каротажу, или синтезируя разные модели плоскослоистых сред. Для проводящей плоскости S (t0 ) S0, следовательно, только на глубине H (t0 ) H 0 получим удельное сопротивление, эквивалентное ОПП, в остальных случаях ПП будет зависеть от времени, это зависит от способа введения глубинности ориентированного на точное решение задач для ОПП. Поскольку 0 H (t ), то и 0 ПП (t ).
Удельное сопротивление ОПП определяется по формуле:
где t 0 – время регистрации данной плоскости, названной – «предельной», с S k (t 0 ), равной продольной проводимости слоя под установкой мощностью Результат интерпретации (рис. 2.8, 2.9, 2.10) с помощью «плавающей плоскости» позволяет получить однозначное решение обратной задачи глубинности по (2.21).
Рис. 2.8 Результаты интерпретации способом «плавающей плоскости» над ОПП (=40 Ом·м, L=1000 м) (Яхина И.А., 2011): 1 - точное решение; 2- приближенное решение по В.А. Сидорову.
Рис. 2.9. Результаты интерпретации способом «плавающей плоскости» над ОПП (=50 Ом·м, L=1000 м):
1- точное решение; 2- приближенное решение по В.А. Сидорову.
2,8854668 4,2408842 5,9863113 8,4232443 11,807921 16,479966 22,881856 31,577204 43,261797 58,754736 78,943729 104,63091 136,18691 173,11094 214,47408 260,67442 379,37627 459,31631 557,27523 676,25159 819,60636 Рис. 2.10. Результаты интерпретации способом «плавающей плоскости» над ОПП(=500 Ом·м, L=500 м):
На рис. 2.8-2.10 показана возможность точного решения (однозначного определения удельного сопротивления) методом «кажущейся продольной проводимости» над однородным проводящим полупространством. При этом анализируются сигналы становления в ближней зоне по формуле [20] в виде:
Решение обратной задачи – решение уравнения: (t ) (u) которое является кубическим уравнением, не зависящим от и S и решается однозначно относительно u.
Выражаем H (t ) по (2.19) и с учетом (2.23) получаем:
глубинности для ОПП:
Похожим образом можно выразить универсальную функцию глубинности через динамические параметры для любого момента времени. Значение функции глубинности позволяет оценить мощность пород под установкой затронутой вихревыми токами, сигналы от которых вносят основной вклад в регистрируемый сигнал, а также выявить в нем долю от текущего слоя.
Естественно, вводимая функция автоматически должна включать глубинность для ОПП [70, 87].
Производная (2.23) по t имеет вид:
С учетом (2.3), (2.5), (2.7) получаем:
где S (t ) выражаем по (2.7) и получаем функцию для расчета глубинности для произвольных горизонтально-слоистых сред Умножим и разделим уравнение на 2, получим В соответствии с (2.2) где u определяется как решение уравнений (2.25).
В этих формулах к и u являются решениями уравнений (t ) (k ) и (k ) (u).
Для поздних стадий становления (t, к, u0) зависимость между ними имеет вид При k (u 0, t ) для проводящей плоскости Коэффициент qгл не зависит от и при (t 0, u ) q гл 0. Точный вид этого сложно зависящего от k коэффициента для ОПП приведен на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Функция коэффициента глубинности для ОПП (Яхина И.А., 2011) Для оценки разрешающей способности метода ЗМПП совмещенными квадратными установками при решении задач геоэлектрики была проанализирована трехслойная модель среды [83]. Для расчета кажущегося сопротивления способом «плавающей плоскости» использовался альбом палеток кривых зондирований становлением поля в ближней зоне [2]. За основу принята трехслойная модель разреза типа «H» с проводящим основанием, подобранная в соответствие с реальным геофизическим разрезом Ерыклинского участка Ромашкинского нефтяного месторождения (глава 3). Указанный интервал включает нефтеперспективные отложения, начиная с середины среднего карбона (верейский ярус) и полностью нижний карбон (турнейский ярус).
Параметры подобранной палеточной модели (исходя из условий h2/h1=0,5;
2/1=0,5; 3/1=1):
- сопротивления первого слоя 1 =70 Ом·м, мощность первого слоя h1= 800 м;
- сопротивление второго слоя 2=35 Ом·м, мощность второго слоя h2=400 м;
- сопротивление третьего слоя 3=70 Ом·м, мощность третьего слоя h3=.
По известным формулам рассчитаны и приведены Z(t) для =35 Ом·м и =70 Ом·м для установок L=1000, 500 м, а также соответствующие сигналы для эквивалентных по моменту дипольных установок, определенных по палеткам 1 / h1 из альбома А.А. Кауфмана и др. [2] (рис. 2.12). В верхней части рисунка приведены относительные превышения переходных процессов (t) для обеих эквивалентных дипольных установок над сигналами от однородного полупространства с =70 Ом·м в совмещенных петлях.
По кривым (t) оцениваются начальные времена tн, начиная с которых сигналы для совмещенных и дипольных установок совпадают в пределах принятой на практике 5% погрешности измерений. Соответственно для установки с L=500 м, tн =1,07 мс и для L=1000 м, tн =5,25 мс.
Z(t), В/А Рис. 2.12 Переходные процессы ЗМПП в совмещенных и дипольных установках (И.А. Яхина, А.М. Яхин, 2014): 1 – сигнал для дипольной установки, эквивалентной по моменту совмещенной установке L=500м, Zdip(t); 2 – сигнал для L=500м от однородного полупространства для =70 Омм, Zpp(t); 3 - сигнал для L=500м от однородного полупространства для =35 Омм, Zpp(t); 4 – относительное превышение модельного сигнала над сигналом от ОПП для =70 Омм, (t); 5 – сигнал для дипольной установки, эквивалентной по моменту совмещенной установке L=1000м, Zdip(t); 6 – сигнал для L=1000м от однородного полупространства для = Омм, Zpp(t); 7 – сигнал для L=1000м от однородного полупространства для =35 Омм, Zpp(t); 8 – относительное превышение модельного сигнала над сигналом от ОПП для =70 Омм, (t); 9 – полевой сигнал для совмещенной установки L=1000м; 10 – теоретический сигнал для L=1000м; 11 – теоретический сигнал для L=500м.
При практической обработке и интерпретации влияние слоя с большей проводимостью (=35 Ом·м) в геоэлектрическом разрезе типа «H» можно характеризовать как небольшое и отнести разрез к слабоконтрастному. В трансформации (t ) (рис. 2.13) кажущиеся значения весьма неопределенно оценивают истинные параметры геоэлектрического разреза и совершенно отсутствует непосредственная оценка геометрии плоскослоистого разреза. Для интерпретации (t ) требуются дополнительные палетки и использование методик разработанных А.А. Кауфманом, Б.И. Рабиновичем, Г.А. Исаевым и др.
непосредственно оценить геоэлектрику плоскослоистой среды. В работах [75, 78, 87] показано, что при определении H k по (2.2) qгл (рекомендованный В.А.
возрастающей функцией от k и при больших значениях асимптотически стремится к этим значениям в зависимости от геоэлектрики разреза. Для сравнения с (t ) диаграмма k (t ) приведена на рис. 2.13.
Использование динамических параметров n(t ), (t ) позволяет повысить точность расчета S k (t ), H k (t ) и, тем самым, k (t ), приблизив их к истинным значениям. На рис. 2.14 приведены результаты такой трансформации для L=1000 м в виде кривых S k ( H k ) и k ( H k ). Удельное сопротивление первого слоя определяется непосредственно на диаграмме k (t ) величиной в 70 Ом·м.
Контрастный локальный минимум приводит k(tmin)=35 Ом·м при tmin=16,08 мс.
Однако на более позднем времени tmax=42,80 мс возникает локальный максимум k=74 Ом·м, далее k (t ) плавно уменьшается до значений 66 Ом·м и затем возрастает, асимптотически приближаясь к 1=70 Ом·м. Границы раздела среды определяются по точкам перегиба кривой S k ( H k ), h1 – мощность первого слоя определяется величиной 796 м (t1=11,79 мс) (рис. 2.14), граница перехода к третьему бесконечному слою определилась на глубине 1200 м (t2=32,74 мс).
k, Ом·м, Ом·м Рис. 2.13 Палеточные кривые для трехслойной модели среды в сопоставлении с рассчитанными значениями к по трансформациям Sk(Hk) (И.А. Яхина, А.М. Яхин, 2014): 1 – палеточные значения для дипольной установки, эквивалентной по моменту совмещенной установке L=500м; 2 – рассчитанные значения k; 3 – величина =70 Ом·м; 4 – величина =35 Ом·м; 5 - палеточные значения для дипольной установки, эквивалентной по моменту совмещенной установке L=1000м.
, Ом·м Sk, См Рис. 2.14 Определение геоэлектрических границ по трансформациям кажущейся продольной проводимости от кажущейся глубины (L=1000 м): 1 – Sk(Hk), 2 – k(Hk) Таким образом, правильное определение H k определяет точность оценки k. На рис. 2.15 приведены примеры определения геоэлектрических границ, отрицательным минимумом и положительным максимумом (экстремумам) (t ).
Определяя (t ), можно оценить число напластований, даже не рассчитывая характерные точки перегиба по n(t ) и множество экстремумов по (t ), которые поляризуемости k. При использовании описанных динамических параметров существенно повышается информативность регистрируемого сигнала при оценки истинной разрешающей способности метода.
(t), n(t) k(t) Рис. 2.15 Определение геоэлектрических параметров трехслойной модели среды по динамическим параметрам сигнала: 1 - логарифмическая производная (t); 2 – k(t); 3 – динамический параметр n(t) от трехслойной модели; 4 – динамический параметр n(t) от ОПП.
Таким образом, методику обработки данных ЗМПП путем пересчета кривых зависимости ЭДС от времени Z (t ) в кривые зависимости кажущейся приведенного выше алгоритма интерпретации, можно представить обобщением в виде блоков расчетов вспомогательных и основных параметров, определяющих геоэлектрическое строение разреза (рис. 2.16). Рассчитываются вспомогательные параметры и функции, которые в дальнейшем используются при расчете геоэлектрических параметров разреза – продольной проводимости, мощности, а также соответствующей электропроводности или сопротивления слоя. За счет использования в алгоритме интерпретации новых дополнительных параметров (динамических) значительно повышается точность интерпретации и разрешающая способность ЗМПП.
Методический комплекс обработки данных ЗМПП, включающий усовершенствованный алгоритм интерпретации с использованием динамических параметров реализован в программном комплексе Microsoft Excel с помощью подпрограммных функций, созданных в Visual Basic. Данный алгоритм также реализован в виде программы экспрессной обработки данных ЗМПП при использовании языка программирования C++.
С помощью предложенного методического комплекса была решена следующая геологическая задача: проведение межскважинной корреляции с целью оконтуривания залежей углеводородов и оценка перспективности нефтенасыщения на Ерыклинском участке Ромашкинского месторождения. По результатам численных трансформаций построены графики зависимостей кажущейся продольной проводимости от абсолютных отметок глубин и комплексные геоэлектрические разрезы (графический материал приведен в главе 3).
Процедура сглаживания Сглаживание: устранение аппаратурных помех, устранение ошибок регистрации сигнала Получение однозначного массива (Z, t) строго возрастающих времен задержек аппаратуры Рис. 2.16 Блок-схема методического комплекса обработки данных ЗМПП.
Выводы Реализованный в данной работе методический комплекс обработки и интерпретации данных ЗМПП основывается на расчете сигнала становления поля от однородного проводящего полупространства через сигнал проводящей плоскости, расположенной на предельной глубине с использованием динамических параметров сигнала. Эти параметры, а также их производные и логарифмические производные имеют характерные точки – экстремумы и точки перегиба, определяющие взаимосвязь между базовыми геоэлектрическими моделями сред. Таким образом, получено точное решение обратной задачи для модели ОПП через модель «плавающей плоскости». Для произвольного плоскослоистого разреза такое решение сводится к тому, чтобы задавать глубину проводящей плоскости, которая бы точно определяла удельное сопротивление и мощность верхнего слоя полупространства в заданный момент времени. То есть любой плоскослоистый разрез можно заменить набором полупространств, ввести функцию для расчета глубины до проводящей плоскости таким образом, чтобы она в автоматическом режиме определяла глубинность для полупространства.
По результатам второй главы можно сформулировать первое и второе защищаемые положения:
– с использованием модели «плавающей» проводящей плоскости и динамических параметров сигнала определена функция глубинности, которая позволяет оценить глубину проникновения вихревых токов в проводящей геологической среде под совмещенной установкой в каждый момент времени, – предложенная методика обработки и интерпретации данных ЗМПП с совмещенными установками с использованием динамических параметров сигнала позволяет повысить точность оценки геоэлектрических параметров разреза за счет выделения слабоконтрастных по удельной электропроводности слоев.
НЕМОНОТОННЫХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ
КОНТРАСТНОСТИ ОСОБЫМИ ПРИЕМАМИ ИХ РЕГИСТРАЦИИ
основанные на возбуждении вихревых токов импульсными полями и на измерении вторичных полей в паузах между возбуждающими импульсами.Главное достоинство этих методов – измерение вторичных полей от вихревых токов в изучаемых объектах на нулевом фоне, в отсутствии сильного возбуждающего (первичного) поля. Это облегчает изучение вторичного поля (отклика), а значит, и параметров интересующих нас объектов.
В зондированиях становлением поля в дальней зоне (ЗСД) не всегда существовала необходимость изучения не только локальных проводников, но и сложной вмещающей среды. Также появилась необходимость расширить возможности методов становления поля применительно к нефтегазопоисковым работам. Поэтому были теоретически обоснованы, разработаны и внедрены зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ) В.А. Сидоровым, В.В. Тикшаевым, Г.Г. Обуховым, А.А. Кауфманом, Г.М. Морозовой и др.
Меньшая зависимость зондирований в ближней зоне совмещенными установками от искажающего влияния наклона пластов и повышенная чувствительность отклика по разрезу позволила интерпретировать и относительно слабые особенности регистрируемых кривых и выделять большее число слоев, чем в дальней зоне.
Нефтепоисковая электромагнитная разведка при индуктивном возбуждении поля развивается за счет увеличения разрешающей способности зондирований [8, 12, 33, 42, 52, 64 и др.]. Широкое применение наземной электроразведки с учетом ВП в Западной Сибири (группа Моисеева В.С., СНИИГГиМС г.
нефтепоисковых работ.
обеспечиваемых поисковым и разведочным бурением на основе результатов опережающих их сейсморазведочных работ, заставляет искать дополнительные эффективные геофизические методы и развивать альтернативную теорию фактов дополнительной подпитки нефтяных месторождений, согласно которой приток углеводородов осуществляется по нефтеподводящим каналам из резервуара, находящегося в глубинах мантии. Это подтверждается данными сверхглубокого бурения, глубинными сейсмическими исследованиями и достаточно длительными (свыше 50 лет) сроками эксплуатации некоторых месторождений, например Ромашкинского месторождения нефти в Республике Татарстан. В процессе разработки данного месторождения было извлечено значительно больше нефти, чем находилось на балансе и добыча продолжается.
Прогноз обнаружения и локализации каналов аккумуляции и миграции углеводородов необходимо строить на показаниях геофизических методов наиболее чувствительных к динамическим процессам. Определять положение таких каналов следует на участках кристаллического фундамента, приуроченных к зонам суперпозиции (наложения) максимальной динамики аномальных параметров электрических и сейсмических геофизических полей.
Такие оценки возможны по результатам измерений в режиме непрерывного мониторинга участков кристаллического фундамента наиболее подверженных тектоническим процессам (рифтовых зонах и их пересечениях).
Электроразведочные работы выделяются в ряду множества технологий и имеют реальные физические основы для обнаружения залежей углеводородов.
По результатам глубинных (до 2,2 км.) зондирований импульсными электроразведочными методами (в варианте ЗМПП) [64, 84] и бурения новых разведочных скважин, вскрывших кровлю фундамента в юго-восточной Татарии и западной Башкирии удалось по новому представить рельеф дна широтной «каньонообразной» долины К.Р. Тимергазина [41, 77] и оценить роль и возможность участия долины в транзите углеводородов из глубинных толщ.
В работе [41] делается вывод о том, что рельеф (рис. 3.1) представляется как поверхность горста пород фундамента, полость дна долины рассматривается как континентальная рифтовая структура в плане с разломно-блоковой тектоникой. На рис. 3.1 картирован Субхангуловский выступ, в осадочной части разреза над ним не обнаружено заметных скоплений нефти, но близость к долине-рифту, наличие его выделяющей разломной тектоники, указывает на необходимость как исследования структурно-вещественного комплекса этого блока, так и проведения опережающей электроразведки для прямого поиска нефти в кристаллическом фундаменте.
3.1. Многоразмерные зондирования ЗМПП как основа повышения разрешающей способности электромагнитной разведки Совмещенные и осесовмещенные установки ЗСБ и МПП широко применяются при поисках рудных объектов, поисках нефти и газа, картировании водоносных горизонтов и т. д., т. е. охватывают весь спектр поисковых и структурных задач. Поэтому решение задачи учета влияния ВПИ в осесимметричных установках имеет очень большое значение, так как от правильной регистрации индукционного становления зависит правильность интерпретации и, в конечном счете, решение поисковых и структурных задач.
Кроме того при заметном влиянии ВПИ, появляется возможность в переходном режиме изучать поляризационные свойства среды, что является весьма эффективным способом, так как позволяет исследовать изучаемый параметр в любое время года.
Численные способы исправления искажений полевых кривых, впервые примененные В.А. Сидоровым для интерпретации замеченных им совместно с А.Д. Скурихиным отрицательных процессов, способствовали пониманию отрицательного спада как аддитивного слагаемого к индукционному процессу.
Регистрируемые сигналы при ЗСБ совмещенными установками могут рассматриваться в виде суммы сигналов [50]:
Рис. 3.1. Сопоставление структурных карт кровли кристаллического фундамента с кровлей репера К4 по Серафимовско-Балтаевскому валу (Муслимов Р.Х. и др., 2009;Яхин А.М., Шакиров М.З., Яхина И.А., 2009).
Z спи t – сигналы индукционного становления в среде с эффективной где сигналов.
полупространства [72] поляризационных эффектов, в первую очередь, от размера контура.
В отличие от поздних стадий ЭДС становления, где Z спи ~ 0 2, зависимость от для ВПИ слабее. Поэтому следует ожидать, что относительная роль ВПИ возрастает с уменьшением проводимости среды. Другое важное различие – разная зависимость Z впи (t ) и Z спи (t ) от размеров контуров. При небольших размерах приемных контуров, включая, в частности, и совмещенные, с небольшой погрешностью ЭДС, ВПИ имеет кубическую зависимость от радиуса генераторной петли, тогда как СПИ пропорциональна его четвертой степени. Поэтому в этих случаях увеличивая размеры генераторной петли, можно ослабить относительное влияние сигнала ВПИ по сравнению с ЭДС становления. В зависимости от постоянной временного спада ВП асимптоты поля ВПИ имеют вид ~ t 2 t 2.5, т. е. характер временного спада ВПИ не очень сильно отличается от поздней стадии становления над неполяризующимся полупространством. Поэтому влияние вызванной поляризации может просто снижать уровень сигнала, не изменяя качественную картину становления в положительной части процесса. В зависимости от интенсивности влияния ВПИ на поздних стадиях, возможно также появление только отрицательного процесса.
С одной стороны, ВП осложняет интерпретацию результатов наблюдений; с другой стороны, аномальные кривые содержат в себе информацию о поляризационных свойствах разреза. Поэтому возник вопрос о необходимости разделения индукционного и поляризационного эффектов. Когда индукционные токи и токи ВП, вызванные ими, не взаимодействуют или почти не взаимодействуют между собой, такое разделение, как было показано в работах В.А. Сидорова и А.М. Яхина [53], Ф.М. Каменецкого и В.М.
Тимофеева [24], всегда возможно путем проведения т. н. многоразмерных зондирований.
Под разрешающей способностью геофизического метода понимают его способность к определению параметров отдельных частей разреза. При этом ее определяют разрешаемым значением соответствующего параметра: мощности слоя, его физической характеристики, удаления слоя, угла наклона и др. При электромагнитной разведке измеряемая величина (составляющая поля, разность потенциалов, электродвижущая сила – ЭДС) зависит от многих исследуемых параметров: расстояния до объекта, времени или частоты изменения поля, удельных сопротивлений и мощностей слоев в разрезе, их отношений и т.д. В частности, имеется в виду разрешающая способность электромагнитного зондирования по отношению к мощности интересующего слоя – величине минимальной его мощности при заданных электрических характеристиках выше- и нижележащих толщ, при которой этот слой выделяется по кривой зондирования отдельно от выше- и нижележащих слоев. Также повышению разрешающей способности способствует наличие поляризующихся слоев в разрезе даже при их небольшой мощности.
3.1.1. Обоснование выбора оптимального количества и размеров установок в ЗМПП для достижения необходимой глубинности Зондирования методом переходных процессов проводятся установками с размерами меньшими требуемой глубины (или мощности изучаемой слоистой толщи) исследования. Возможность зондирования в этом случае позволяет повысить детальность исследований, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.
Выбор размера петель зависит от того, на какую глубину необходимо изучить разрез и какие границы подлежат детальному исследованию. Практика работ ЗМПП совмещенными установками показывает [51, 54], что информация о разрезе, имеющаяся на кривых ЗМПП в измеряемом диапазоне времен петлями меньших размеров, полностью содержится в результатах измерений, проведенных петлями больших размеров, при этом из-за ограничений в аппаратуре бывает искажено начало процесса. То есть для каждого размера петли существует, в конечном счете, своя разрешающая способность, определяющая максимальную и минимальную глубины, которые можно изучить петлей данного размера [56]. Если петли отличаются размерами не очень сильно, практически можно считать, что изучаемый интервал времен в маленькой петле полностью содержится в изучаемом интервале времени большей петли. При сильном увеличении размера контура установки увеличивается и та начальная глубина исследований, с которой по поздней стадии возможно определение строения и геоэлектрических параметров разреза. При этом, вышележащий разрез до этой начальной глубины способами интерпретации ЗМПП можно будет охарактеризовать только приближенными значениям, поскольку на соответствующих ему стадиях процесса становления поля (ранней стадии), используемые закономерности ближней зоны уже не будут соблюдаться. Закономерности перехода от ранней (волновой) стадии к поздней стадии пока слабо изучены и не используются для послойной интерпретации. Таким образом, если часть разреза не попадает в рабочий интервал глубин, его строение детально не будет изучено. Если же эту часть разреза тоже необходимо изучить, то можно повторить зондирования с уменьшенным в несколько раз размером установки – примерно во столько же раз уменьшается начальная и максимальная глубины исследования [49].
Последовательные измерения с центром в одной точке совмещенными установками увеличивающихся размеров получило в работе [39] название – многоразмерные зондирования (МРЗ). Первые многоразмерные зондирования в проводиться с 1980 г.
Вследствие уменьшения относительного влияния ВПИ с увеличением соответствующих индукционному становлению, необходимо проводить измерения большими размерами. К этому выводу пришли и авторы работы [61] по результатам анализа численных расчетов: «…При сильном увеличении a проявление влияния отодвигается в область больших времен и может быть замаскировано в определенном режиме наблюдений». Таким образом, при достаточно большом радиусе установки влияние ВПИ можно довести до уровня ошибки регистрации переходных процессов ЗСБ. Этот переходный процесс, для рассматриваемого временного диапазона, можно интерпретировать обычными методами [46, 54].
В общем случае выбор размера контура совмещенной установки будет определяться следующими критериями: выбранным диапазоном временных задержек геофизической аппаратуры, достаточным для детального изучения необходимого зондируемого интервала глубин; способа обработки и интерпретации полученных данных.
3.1.2. Геологические и геоэлектрические особенности разреза Ерыклинского участка Куакбашской площади Ромашкинского Ерыклинский участок находится в пределах Куакбашской площади Ромашкинского нефтяного месторождения, которое является крупнейшим месторождением платформенного типа Волго-Уральской провинции, территориально приуроченного к юго-восточной части Республики Татарстан.
месторождение представляет собой асимметричное поднятие широтного простирания с относительно слабой расчлененностью. В тектоническом представляющего собой крупное поднятие изометричной формы размером около 100100 км, ограниченное с запада Алтунино-Шунакским, с востока – Уральским прогибами и структурными уступами – Сакловским на севере и Бугульминским на юге. Нефтеносность установлена в 22 горизонтах девона и карбона, из которых промышленные притоки получены из 18 горизонтов.
Наиболее значимыми по величине запасов являются нефти терригенного девона (пашийский и кыновский горизонты) и терригенных отложений нижнего карбона. Основное промышленное значение в карбонатных отложениях девона и карбона имеют залежи верхнетурнейского подъяруса нижнего карбона и верей-башкирские отложения среднего карбона.
На месторождении выделяется 21 площадь самостоятельной разработки.
Исследуемая Куакбашская площадь находится на юго-западном углу месторождения. Работы проводились над локальным Ерыклинским выступом фундамента.
Наиболее продуктивным можно считать визейско- верхнекаменноугольный нефтегазоносный комплекс (рис. 3.2). Он выделяется в интервале разреза от кровли тульско-бобриковского горизонта (Набс.= -854 м по скв.2) визейского яруса нижнего карбона до кровли верхнего карбона и развит повсеместно на описываемой территории. Литологически комплекс представлен карбонатными породами - известняками и доломитами, пористыми, кавернозными и трещиноватыми. Лишь верейский горизонт (Набс.=-504 м по скв.2) на значительной территории сложен терригенно-карбонатными образованиями.
Пласты-коллекторы в разрезе комплекса встречены в окском надгоризонте (Набс.= -650 -850 м по скв.1) и серпуховском (Набс.= -550 -650 м по скв.2) ярусе нижнего карбона, в башкирском ярусе (Набс.= -554 м по скв.2), верейском, каширском, подольском и мячковском горизонтах среднего карбона и в гжельском ярусе верхнего карбона.
Рис. 3.2. Литолого-стратиграфические колонки по скважинам 1, 2 в сопоставлении с результатами каротажа сопротивлений КС (по материалам НГДУ «Лениногорскнефть»).
Окский надгоризонт сложен известняками с прослоями доломитов.
Известняки органогенные и пелитоморфные, иногда перекристаллизованные, пористо-кавернозные и трещиноватые. Отложения окского горизонта изучены слабо, и судить о закономерностях распространения коллекторов трудно.
Мощность пласта 13-17 м. Коллекторские свойства его не изучены.
Верейский горизонт в пределах исследуемого района сложен терригенными породами. Толщина горизонта колеблется от 38 м (скв. 1) до 47 м (скв. 2). В основном представлен аргиллитами, алевролитами с тонкими пропластками песчаников. Песчаники полевошпатово-кварцевые, мелко- и среднезернистые.
Верейская залежь в пределах самого эксплуатационного объекта (скв.1) приурочена к подошвенной части одноименного горизонта, представлена, в основном, алевролитами с 3-мя тонкими прослойками песчаников с мощностью до 2 м.
В районе поисково-разведочной скважины 2 к северо-востоку от неё примерно до 1,5 км по данным электроразведки выявляются высокоомные пропластки, предположительно поляризующиеся. Слагают эти пропластки кровельную часть горизонта. По данным электрокаротажа (скв.2) они также наблюдаются, толщина верхнего пропластка 2 м – песчаники, вероятно, водоносные. Толщина нижнего порядка 7 м – песчаники алевритистые в нижней части отделяются друг от друга небольшой глинистой перемычкой тоже водоносные.
Суммарные значения Sк(Hк) имеют относительно невысокий уровень для осадочной толщи и составляют приблизительно 54 См по данным каротажа сопротивлений на глубине 2100 м. (к> 40 Ом·м) для восточной части профиля и 34 См для юго-западной части. В терминах электроразведки – разрез высокоомный.
интересующих интервалов каширского, верейского, башкирского горизонтов (средний карбон, московский ярус на глубине 700 850 м по скв.1) и алексинского, тульско-бобриковского, кизел-череповецкого горизонтов визейского и турнейского ярусов нижнего карбона (глубина ~ 1100 1200 м или Н абс. ~ -900 м по скв.1).
непосредственно на кристаллическом фундаменте. Известные горизонты (нижнефранские) различаются по кривой Sк(Hк) в верхнедевонских интервалах.
Геологической задачей является ''оконтуривание'' залежи в нижней части среднего и верхнего карбона (верейский горизонт, башкирский и серпуховский ярусы) и оценка поляризуемости перспективных на нефтенасыщенность горизонтов нижнего карбона и верхнего девона.
3.1.3. Технология проведения многоразмерных зондирований ЗМПП на Наличие углеводородов в разрезе приводит к появлению поляризационных процессов, проявляющихся в регистрируемых сигналах [5, 10, 49, 53 и др.].
Наиболее надежно их наличие может быть установлено в совмещенных установках. Одним из способов выделения поляризационных процессов является проведение многоразмерных зондирований (МРЗ), т. е. зондирований с установками разных размеров в одной точке [58]. В этом случае по результатам МРЗ возможны численные оценки различных параметров поляризационных процессов. Поэтому для полного выполнения геологического задания необходимо проведение хотя бы опорных МРЗ на особо важных точках.
горизонтальной неоднородности среды без влияния ВПИ описаны автором ЗСБ в работе [49]. Отмечается, что «детальность улучшается с переходом в область более ранних стадий становления, достигая предельно возможной при t < S·h».
В условиях зондируемого разреза от скв. 2 (S1 = 12 Cм – 823 (h1)) до скв. (S2 = 16 Cм – 938 (h2)) t1 < 1.24 · 10-2 с = 12.4, t2 < 1.88 · 10-2 с = 18.8 мс. Таким образом, прогнозируется хорошая детальность в расчленении разреза при зондированиях с глубиностью более 850м при надёжной регистрации ЭДС от времени до 18 20 мс.
Измерения проводились незаземленными квадратными совмещенными петлями (установками) со сторонами L=200м, 250м, 500м, 1000м. Генераторные и приемные петли выложены из провода ГПМП с сопротивлением – 3. Ом/км. Ток в генераторном контуре не менее 3А. Съемки выполнялись вдоль одного профиля с началом от скважины 1 в юго-западном направлении. Общая длина профиля составила 4 км, шаг съемки по профилю 250 м (рис. 3.3). Для интерпретации использовались геологические данные по бурению и каротажу к с 2-х опорных скважин в начале и конце профиля.
Для измерений использовалась аппаратура «Каскад» (разработка ОАО НПП «ВНИИГИС»), предназначенная для изучения геоэлектрического строения разреза при индукционных зондированиях становлением электромагнитного поля, технические параметры и характеристики которой приведены на рис. 3.4.
Решением прямой и обратной задачи на базе модели плоскослоистого разреза установлено, что модификации аппаратуры типа «Каскад» с учащённой плотностью задержек решают задачу геоэлектрического расчленения разреза с достаточной для практики точностью вплоть до кристаллического фундамента с шагом по глубине 10 20 м.
Профильная съемка проводилась установками ЗСБ с L=500 м (всего зондирований) и с L=1000 м (всего 4 зондирования). Для определения геоэлектрики разреза до глубины 400 м в пределах эксплуатируемой части залежи проведены 2 зондирования с L=200 м и L=250 м (см. рис. 3.3).
Осложняющими зондирования эффектами являются наличие, например, обводнённые зоны. В этих случаях приходится увеличивать размер установки и тем самым преодолевать эту трудность. Наличие техногенных помех, преимущественно от ЛЭП, приводит к повышению искажённости ЭДС от времени и может маскировать процессы нарушения монотонности спада, связанные с поляризуемостью определённых интервалов.
Рис. 3.3. Схема-карта полевых электроразведочных работ ЗМПП (Яхина И.А., 2011) Максимальная амплитуда коммутируемого напряжения в генераторной петле, В Рис. 3.4. Технические характеристики аппаратуры «Каскад-М»
Для разработки геоэлектрической модели использовались зондирования с L=200 м и L=250 м совместно с каротажными материалами КС по скважинам и 2 в виде кривых кажущейся продольной проводимости без влияния ВП для всего участка работ (рис. 3.5).
По рис. 3.5. наглядно видно, что по изолиниям Sк отмечается латеральноградиентная среда. В то же время наличие изолиний к указывает, что геологическая модель разреза прогнозируется близкой к плоскослоистой среде (моноклинальное с северо-востока на юго-запад падение пластов) и меняется распределение вдоль пластов. Поэтому, базовой геоэлектрической моделью была выбрана плоскослоистая среда с горизонтальными неоднородностями по проводимости. Поскольку каротаж проводился с глубины 300 м, и верхний 300метровый интервал каротажом не охвачен, то продольная проводимость от 0 до забоя скважины определяется по зондированиям с установками 200 и 250 м (пикет-1 и пикет 0 соответственно на рис. 3.3) и результатам каротажа. Тем самым получено распределение продольной проводимости от нулевой глубины вплоть до верхней части фундамента. Этот синтезированный массив кажущейся продольной проводимости от кажущейся глубины используется для решения прямой задачи для метода ЗМПП, т.е. для оценки сигнала от времени без влияния ВПИ на всю зондируемую глубину.
Рис. 3.5. Корреляционный геоэлектрический разрез по геолого-геофизическим 3.2. Численные оценки влияния вызванной поляризации на 3.2.1. Особенности проявления вызванной поляризации при рудопоисковых работах на примере Ничатской площади регистрируются сложные переходные процессы, связанные с влиянием вызванной поляризации (ВП) среды. Приближенные подходы к изучению этого явления [69 и др.] позволили изучить относительно поздние стадии становления поля, между тем влияние ВП сказывается на переходном сигнале с самого начала регистрации.
поляризующейся среды в самом общем случае [26 и др.] можно рассматривать как переходную реакцию (t ) на ступенчатое включение единичного поляризующего электрического поля бесконечной длительности. Время t отсчитывается с момента включения поля. Рассматривая напряженность электрического поля E (t ) в индукционных переходных процессах в качестве поляризующего, плотность тока в среде для сложного воздействия можно записать с помощью интеграла Дюамеля [72] в форме Проявление вызванной поляризации описывается как частотно зависимая электропроводность элемента среды, которая во временной области представляется зависящей от времени (t). Наиболее используемая при теоретических расчетах и на практике является формула где 0 – удельная электропроводность среды на поздних стадиях становления поля; F (t ) – характеристика временного спада ВП.
где – стационарная поляризуемость где – постоянная временного спада; erfc – дополнение интеграла ошибок Переходные процессы в квазистационарном приближении рассчитываются через вектор-потенциалы этих токов по известной формуле [57]:
Здесь =0=410-7 Гн/м; r радиус вектор точки измерения в выбранной системе координат; r1 - радиус-вектор элемента объема dv среды.
При этом электрические и магнитные поля при индукционном возбуждении рассчитываются по формулам [57]:
Подставляя (3.2) в (3.3) и меняя порядок интегрирования, получаем Рассматривая внутренний интеграл где 0 – удельная электропроводность среды при t (для постоянного тока), как поле среды с таковой электропроводностью, формулу (3.4) можно записать в виде Дифференцируя интеграл, зависящий от параметра t получаем:
Для самого общего случая во временной области по формулам (3.3) и (3.5) имеем:
В неполяризующейся среде в соответствии с (3.5), (3.6) получаем:
В ранней стадии становления поля A0 (r, t ) стремится к постоянной, поэтому Это позволяет сделать вывод о повышении уровня положительного сигнала в обстоятельства при практической интерпретации результатов ЗМПП.
позволяют эффективно выделять потенциально рудоносные структуры. Однако их перспективность зависит от множества сопутствующих факторов, в частности от геоморфологического строения аномалиеобразующего объекта.
экранирующего проводящего слоя. Методика обработки сигнала ЭДС позволяет определить геометрические границы подобных структур.
Измерения проведены аппаратурой «Каскад-2м», по методике ЗМПП соосной установкой. Предварительный электрический разрез участка профиля представлен на рис. 3.6.
графитизированными сланцами, перспективными на урановое оруденение.
Вмещающие породы – граниты протерозойского возраста. Над объектом регистрируется значительное понижение естественного поля.
Рис. 3.6. Первичный геоэлектрический разрез по результатам ЗМПП (Епископосов К.С., 2008) На рис. 3.7 приведен пример полевых измерений и сглаженный сигнал.
логарифмическом масштабе по Z (t ) и равномерном по t начало кривой (6, интерполируется) прямой линией – это говорит об экспоненциальном характере процессов в самой ранней стадии становления поля при зондировании.
Аналогично поведение кривой Z (t ) и в поздней стадии (~7001400 мкс), но оно менее выражено из-за отсутствия результатов измерений с 1400 мкс, однако трансформация Z (t ) в параметр кажущейся постоянной спада к(t) от времени (рис. 3.8) указывает на её стремление к постоянному значению и при t> мкс.
Рис. 3.7. Пример регистрации полевого сигнала и его обработки:
«