Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОСТОЯНИЕ ОСНОВНЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ МЕТОДОВ
ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И ТРЕБОВАНИЯ К АППАРАТУРЕ 16"
Метод вызванной поляризации 16
Индуктивные методы 23
Метод сопротивлений 38
Основные требования к аппаратуре 41
2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НИЗКОЧАСТОТНОЙ АППАРАТУРЫ 43
2.1. Анализ и обоснование принципов измерения
фазовых параметров 43
Структурная схема аппаратуры 50
Разработка измерительной установки 56
Обоснование общего принципа построения фазометрического устройства 57
Оценка возможности уменьшения влияния стационарных и нестационарных импульсных
помех 66
2.3.3. Структурная схема измерительной установки
и принципы построения основных узлов .... 80
2.3.4. Разработка способа учета изменений фазо
вой характеристики измерительного канала $2.
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ АППАРАТУРЫ 100
3.1. Разработка способов измерения и учета фазо
вых характеристик источника поля Ю>
Стр.
Особенности применения аппаратуры при измерении электрической компоненты поля ИЗ
Разработка методики применения аппаратуры для измерения магнитной компоненты поля 128
Экспериментальное исследование возможности применения аппаратуры для комплексных электроразведочных работ с заземленным источником поля /46
4. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АППАРАТУРЫ 158
Площадная съемка в условиях индустриальных помех 158
Работы комплексом электроразведочных
методов №Я>
4.3. Поиски нефтегазовых месторождений .... 176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 183
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ П7
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Основные технические характерис
тики разработанных электроразве
дочных станций ряда ИНФАЗ Щ
ІА. —
Введение к работе
Одной из главных задач развития народного хозяйства является дальнейшее увеличение разведанных запасов рудного сырья и топливно-энергетических ресурсов. Важное место в комплексе геологоразведочных работ принадлежит геофизическим методам исследований, в том числе электроразведке, успешно применяемой при поисках многих типов месторождений полезных ископаемых.
Несмотря на известное многообразие модификаций электроразведки, в ней чётко выделяются три основных метода Д/: вызванной поляризации (ВП), сопротивлений и индуктивный. В соответствии с этим, основными параметрами геологических сред, изучаемыми на практике, являются: поляризуемость, кажущееся удельное сопротивление и постоянная времени %- М-<ґиі , где At и б* - магнитная проницаемость и удельная проводимость ; Q_ - множитель, пропорциональный эффективному сечению проводника. Данные параметры определяются с помощью как временных, так и частотных способов исследования электрических и магнитных полей, возбуждаемых в земле.
Одна из основных трудностей в производстве электроразведочных работ связана с мешающим влиянием электромагнитных полей, как естественного происхождения, так и создаваемых промышленными установками, линиями электропередач и электрифицированными железными дорогами. Индустриальные помехи быстро распространяются во все новые и новые районы.
В то же время постоянно растут требования к точности и чувствительности измерительной аппаратуры в электроразведке в связи с необходимостью увеличения глубинности исследований. Эту тенденцию можно проследить на примере развития одного из ведущих методов электроразведки - метода ВП. В рудной разведке теперь от этого метода требуется глубинность в несколько сотен мет -
ров, причем при наличии низкоомных покровных отложений. Современная импульсная аппаратура метода ВП уже с очень большим трудом справляется с этой задачей, хотя мощность генераторных устройств доведена до нескольких десятков киловатт, а используемые в источниках поля токи достигают сотен ампер. Еще более жесткие требования к методу ВП предъявляются при его использовании для поиска нефтегазовых залежей. Здесь требуемая глубинность - километры, а измеряемые при этом сигналы имеют величину всего несколько десятков микровольт.
В связи с изложенным, для метода ВП представлялось целесообразным использовать частотные способы измерений, позволяющие:
осуществлять концентрацию энергии источника поля на дискретных рабочих частотах с целью улучшения соотношения сигнал-помеха ;
выполнять частотную фильтрацию сигналов;
снижать шумы измерительного канала и улучшать порог чувствительности;
применять меньшие мощности генераторов для питания источников поля;
упрощать технологию полевых измерительных операций;
повышать производительность полевых работ.
С целью повышения эффективности поисковых съемок отмеченные достоинства частотных способов измерений имеет смысл реализовать для работ комплексом основных электроразведочных методов: ВП, индуктивного и сопротивлений. Для решения этой актуальной задачи необходимо обосновать оптимальный диапазон частот, согласующийся с требованиями различных модификаций низкочастотной электроразведки, определить целесообразность использования различных алгоритмов фазовых и амплитудных параметров электромагнитного поля, разработать принципы построения аппаратуры и мето-
дики ее применения.
Оптимизация измерительного канала с расширенными функциональными возможностями, очевидно, должна осуществляться с учетом диапазонов частот и измеряемых параметров сигналов, применяемых в методах. Рассматривая с этой точки зрения тенденции развития основных способов электроразведки, отметим следующее.
Измерения методом сопротивления долгое время осуществлялись на постоянном токе. Накоплен большой опыт в области истолкования материалов и интерпретации результатов наблюдений этим методом. Со средины 50-х годов широкое распространение получают способы измерений на переменном токе. Разрабатывается и выпускается аппаратура низкой частоты АНЧ-І (работающая на частоте 20 Гц), измеритель кажущихся сопротивлений ИКС-І, ИКС-50, ИКС-600 (рабочая частота 22,5 Гц) /2, З/. В последнее время наметилась тенденция к снижению частоты в несколько раз. Разработанная в отделении электроразведки НПО "Рудгеофизика" аппаратура АНЧ-3 измеряет амплитуду сигнала уже на частоте 4,88 Гц /47.
Наблюдения методом ВП на переменном токе осуществляются на частотах в диапазоне от сотых долей герца до первых десятков герц. Параметры ВП определяются двумя основными способами. В первом используются результаты амплитудных измерений. Приращение напряжения на измерительных электродах при переходе от одной частоты к другой, нормированное относительно напряжения одной из частот, принято называть частотно-поляризационным эффектом ВП
PFE= . AW— '
где cOj < iOz - круговые частоты: /t(u)j) и Sk(u)z) " кажУЩие-ся удельные сопротивления на этих частотах, соответственно.
Разновидностью амплитудных измерений параметра ВП является
предложенный геофизиками УВД АН GGGP метод частотной дисперсии, в котором определяется коэффициент частотной дисперсии (КЧД)
Аб7: „цп Am-Am
КЧД отличается от PFE множителем равным логарифму отношения частот. Если %ty « 10, то КЧД = PFH .
Во втором способе для изучения ВП измеряется сдвиг фазы напряжения на приемных электродах относительно фазы тока в питающей линии. Параметром поляризуемости является сдвиг фаз (ф) выраженный в градусах. Совместными работами ВНИИГеофизики и МГРИ /7, 8/ показана целесообразность определения двухчастотного фазового параметра ,л . ,п \
Твп.к - ш-и)і ;
где Ф и W - сдвиги фаз на частотах u)j и (jQ% соответственно. Фазовые измерения на двух частотах по сравнению с ашли/ тудными позволяют в большей степени подавить влияния индукционного происхождения, мешающие измерению поляризационного параметра, и повысить рабочие частоты, что обеспечивает увеличение производительности полевых работ.
Частотный диапазон в индуктивных методах электроразведки определяется проводимостью и размерами искомых геологических объектов. При поисках хорошо проводящих руд используются частоты от первых единиц герц до первых килогерц. При решении задач картирования диапазон частот расширяется до нескольких десятков килогерц/*2, 3, 10, II, 12, 13, 14, IbJ. В индуктивных методах изучаются следующие параметры магнитного поля: амплитуда, отношение амплитуд, сдвиг фаз относительно тока в источнике по-
ля и некоторые другие. Полевые измерения индуктивным методом осуществляются с помощью аппаратуры различных типов: ИМА, ЭПП, ДЭМП, ПЭЖ, АФИ, АСМИ, АЭММ и др. fSj.
Для повышения разрешающей способности индуктивной электроразведки А.А.Кауфманом /П7> а затем Б.С.Световым /15/ обосновано применение двухчастотного параметра:
где и {j - частоты гармоник поля ( f^ ?fj )j
Зш Hi И Jm Hz - реактивные составляющие напряженности магнитного поля на соответствующей частоте.
В.Ф.Лаптев в 70-х годах теоретическими и экспериментальными работами показал, что в результате измерения такого параметра повышается геологическая эффективность метода.
А.В.Куликов [lb] предложил использовать в индуктивной электроразведке аналогичный двухчастотный фазовых параметр:
дфм - /г %л St %.z
ТН" Л'Si
где Фц j и Фу - сдвиги фаз на соответствующей частоте;
и теоретически обосновал его достоинства по сравнению с одночас-тотным фазовым параметром.
Из приведенного обзора видно, что, начиная с 50-х годов, в СССР разрабатывалось и выпускалось большое количество типов и моделей аппаратуры для низкочастотной электроразведки, особенно для индуктивного метода. Это затрудняло производство, внедрение и, в конечном счете, реализацию потенциальных возможностей низкочастотных методов. В наименьшей степени аппаратурой была обеспечена частотная модификация метода ВП, хотя и к 70-му году уже были известны и опробованы амплитудные и фазовые параметры вызванной поляризации.
В то же время, как следует из обзора, в основных поисковых методах исследований может использоваться практически одинаковый частотный диапазон от десятых долей герца до первых килогерц, а изучение реактивных параметров среды (отражающих ее поляризационные и индукционные свойства) может базироваться на измерении одних и тех же параметров сигналов, например, двухчастотного фазового параметра. Высказанные положения являлись предпосылкой для разработки аппаратуры, оптимизированной по частотному диапазону и измеряемым параметром для основных методов электроразведки.
В соответствии с изложенным была определена О СН О В Н А Я цель работы - повышение геологической и технологической эффективности низкочастотной электроразведки за счет оптимизации диапазона частот, измеряемых параметров и алгоритмов их определения.
Для достижения поставленной цели автору было необходимо исследовать оптимальный частотный диапазон и измеряемые параметры электромагнитного поля для реализации основных методов, разработать принципы измерений, доказать возможность построения и освоения производства аппаратуры, разработать методику ее применения, провести опробование в реальных условиях и показать их эффективность .
Учитывая отмеченное, были сформулированы основные задачи исследований по теме диссертации:
анализ состояния основных низкочастотных методов электроразведки, обоснование диапазона рабочих частот и измеряемых параметров для наблюдений по методам ВП, индуктивному и сопротивлений;
разработка единого принципа измерений многочастотных фа-
-ДО-
ЗО вых параметров электрического и магнитного поля, обеспечивающего необходимую точность измерений;
- разработка способов повышения точности фазовых наблюдений
в условиях влияния стационарных и нестационарных импульсных помех;
разработка способов наблюдения и учета изменений фазовых частотных характеристик приемника и источника поля;
разработка аппаратуры, методики и техники ее применения;
экспериментальная оценка информативности индуктивных методов ИНШАЗ и МІШ в полевых условиях;
опробование аппаратуры при повышенном уровне индустриальных электрических помех и при комплексных электроразведочных работах.
На первом этапе исследований проведены расчеты, изучены возможные варианты построения аппаратуры, выполнены лабораторные эксперименты, разработана аппаратура и проведены опытно-методические полевые исследования. На втором этапе работы сделаны
теоретические расчеты и разработана усовершенствованная аппара-
метолами тура, повышающая информативность и производительность pa6oTvBll
и индуктивным, проведены полевые эксперименты для разработки
и совершенствования техники и методики полевых наблюдений.
Работы по теме диссертации связаны с планом исследований Казфилиала ВИРГ и завода "Казгеофизприбор" НПО "Рудгеофизика" и выполнены в рамках ряда НИР лаборатории электроразведки. Основная часть исследований, изложенных в разделах 1-3, выполнена лично соискателем, как непосредственным участником и ответственным исполнителем аппаратурных разделов научно-исследовательских тем. Изучение информативности фазовых параметров в методах ВП и ИНШАЗ выполнено автором совместно с сотрудниками
Казфилиала ВИРГ и ВНИИГеофизика. Опробование аппаратуры, техники и методики ее применения в полевых условиях проводилось сотрудниками Казфилиала ВИРГ, ВНИИГеофизики, завода "Казгеофизприбор" и производственных геофизических организаций Мингео КазССР. Во всех этих работах автор принимал личное участие. Работа над диссертацией выполнялась под научным руководством доктора технических наук И.А.Безрука.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
I. Повышение геологической эффективности и технологичности электроразведки комплексом методов вызванной поляризации, индуктивным и сопротивлений возможно с помощью применения одного для всех методов типа аппаратуры, обеспечивающей высокоточные измерения одно-, двух— и трехчастотных фазовых параметров электромагнитного поля и измерения его амплитудных параметров в диапазоне частот от сотых долей герца до килогерца.
. Измерения многочастотных фазовых параметров электромагнитного поля наиболее целесообразно выполнять весовым суммированием временных сдвигов между гармониками принимаемого полигармонического сигнала, осуществляемым непосредственно в измерительном устройстве импульсными цифровыми элементами.
3. Повышение производительности и точности полевых измерений фазовых параметров электромагнитного поля можно достигнуть следующими аппаратурными средствами и методическими приемами:
ослабление влияния нестационарных импульсных помех с помощью цифрового анализирующего устройства, сравнивающего каждый последующий результат измерений с несколькими предыдущими и автоматически оценивающего возможность использования измеряемых величин в устройстве осреднения;
периодическая калибровка всего измерительного канала сиг-
- 1k-
налами от внутреннего генератора, стабилизированного кварцевым резонатором;
- учет систематических изменений фазовых параметров тока источника поля путем дистанционного измерения их одним фазометром, принимающим опорные импульсы по радиоканалу.
4. Разработанная аппаратура и методика ее применения позволяет использовать прогрессивный способ проведения комплексных поисковых электроразведочных работ с единым для всех применяемых методов источником электромагнитного поля.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Доказана возможность оптимизации диапазона частот и измеряемых параметров электромагнитного поля при поисковых работах основными модификациями низкочастотной электроразведки.
Разработан способ определения многочастотных фазовых параметров электромагнитного поля на основе весового суммирования временных сдвигов между гармониками сигнала.
Разработан способ ослабления влияния нестационарных импульсных помех в фазометрическом канале с помощью последовательного сравнения измеряемых сдвигов фаз и исключения искаженных значений.
Экспериментальным путем показана близость информативности переходной характеристики и двухчастотного фазового параметра магнитного поля.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
I. Разработанные принципы построения аппаратуры послужили основой при создании ряда научно-методических макетов и образцов, технические характеристики которых обеспечили разработ -ку методики и техники полевых наблюдений комплекса параметров
-/3-
электромагнитного поля на различных типах месторождений. Это позволило составить технические задания на опытно-конструкторские работы по развитию ряда моделей аппаратуры одного типа: ИНШАЗ-ВП, ВП-Ф, ЭВА-203 и ЭВП-203, а также разработать методические рекомендации по ее применению при поисках рудных и нефтегазовых месторождений.
Результаты работы внедрены при выпуске электроразведочных станций на заводе "Казгеофизприбор". На I января 1983 года заводом выпущено 20 станций ИНФАЗ-ВП, 77 станций ВП-Ф, три станции . ЭВА-203. Аппаратура ИНШАЗ-ВП, ВП41> и методика ее применения внедрены в организациях Мингео СССР по всей территории Союза. ЭВА-203 внедряется в нефтегазоносных районах.
Внедрение разработанной аппаратуры и методики ее применения позволило выполнить поисковые электроразведочные работы на площадях с повышенным уровнем индустриальных электрических помех, повысить производительность площадных съемок, увеличить эффективность низкочастотной электроразведки в рудных и нефтяных районах.
Экономическая эффективность только от внедрения аппаратуры ВП-Ф и методики ее применения при съемке методом ВП в ЮКГГФЭ ПГО "Южказгеология" в 1983 г. составила 148,8 тыс.руб.
Результаты исследований, разработки и опыт эксплуатации ряда выше перечисленных моделей аппаратуры позволил обосновать введение низкочастотного измерителя ЭВП-203 в состав агрегатив-ного комплекса электроразведочной техники (АКЭТ), выпуск которого с 1984 г. обеспечит работы основными методами низкочастотной электроразведки.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты работы докладывались на УП, УШ, IX Всесоюзных научно-технических геофизических конференциях ( в 1972, 1976 и
-/4-
1980 г.г.); на Республиканской конференции "Критерии и методика поисков скрытых колчеданных месторождений на Урале" (РСЙЮР, г.Уфа, 1979 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы поисков и оценки минерально-сырьевых ресурсов" (г.Москва, 1980 г.): В 1975 г. аппаратура ИНФАЗ-ВП демонстрировалась на ВДНХ СССР и удостоена серебряной медали и диплома 2-й степени. В 1977 г. аппаратура ВЫ? демонстрировалась на ВДНХ СССР и удостоена бронзовой медали и диплома 3-й степени.
ПУБЛИКАЦИИ
Основные положения диссертации опубликованы в девяти печатных работах.
ОБЪЕМ РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения; содержит 195 страниц, в том числе текст - на 146 страницах, рисунки - на 40 страницах, таблицы - на 2 страницах, список литературы - на 7 страницах.
Большое внимание работе диссертанта всегда уделял кандидат геолого-минералогических наук В.2>.Сарбаш. Автор глубоко признателен ему за организационную помощь в работе, консультации и обсуждение ряда положений диссертации.
За всестороннюю поддержку и помощь в выполнении исследований автор благодарит кандидатов геолого-минералогических наук В.И.Лемеца, Г.В.Орлова (Казахский филиал ВИРГ) и кандидата технических наук Е.А.Шемякина (ВНИИГеофизика), а так же инженеров -конструкторов П..Федосеева, Ю.А.Лихоманова и В.А.Лихачева (завод "Казгеофизприбор").
На первом этапе исследований неоценимую помощь в изучении вариантов построения инфранизкочастотной аппаратуры оказали доктор технических наук Л.З.Бобровников, кандидаты технических наук В.А.Попов и Ю.В.Аладинский (МГРИ).
Автор глубоко благодарен научному руководителю доктору технических наук И.А.Безруку и кандидату технических наук А.В.Куликову (ВНИИГеофизика) за внимание, научные консультации и советы.
Ю.С.Набоко
младшие научные сот-
На разных этапах в исследованиях принимали активное участие сотрудники лаборатории электроразведки КазВИРГа кандидаты геолого-минералогических наук Б.И.Геннадиник и Ю.С.Евдокимов; старший научный сотрудник
рудники Т.Л.Мицкевич и П.В.Кузьмин, инженеры: И.Ш.Абдулин, Ю.Н. Мишин, ст.техник Л.В.Жигаленок, а также работники (КБ завода "Казгеофизприбор" инженеры-конструкторы: А.П.Бобров, В.П.Шевченко, В.А.Солнцев, В.А.Мариненко, И.Е.Ли, Ю.С.Старюк, А.М.Бухвостов, В.А.Пельке, Э.Д.Слизинов, Р.С.Касимов, Н.Н.Зернова, Н.М. Лихачева, ст.техник Г.В.Шишкин; экономист Л.Ф.Ефимова и другие, которым автор искренне признателен.
Улучшению диссертационной работы способствовали критические замечания, сделанные кандидатом геолого-минералогических наук Л.А.Певзнером, просмотревшим рукопись.
Автор пользуется случаем выразить искреннюю признательность руководителям: Казахского филиала ВИРГ - Л.П.Жоголеву, В.А. Кличникову и Л.А.Певзнеру; завода "Казгеофизприбор" » И.К.Кравцову, Б.М.Апакееву и Ю.В.Брулеву за помощь в постановке и организации разработок, в освоении производства и во внедрении разработанных электроразведочных станций.
Похожие диссертации на Разработка методики и аппаратуры для измерения фазовых и амплитудных параметров электромагнитного поля при комплексных электроразведочных работах
