СПОСОБ МОРСКОЙ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области геофизических исследований, а более конкретно к морским способам геоэлектроразведки с использованием искусственных (контролируемых) источников электромагнитного поля, и предназначено для поисков и оконтуривания геологических объектов, например углеводородных (УВ) залежей, имеющих аномалии электрофизических параметров, в том числе за счет вызванной поляризации (ВП) среды, связанной с частотной дисперсией ее электропроводности.

Актуальность разработки новых подходов в геофизических методах поиска УВ сырья в море велика, так как стоимость разведочного бурения на морском шельфе достигает десятков миллионов долларов США на бурение одной скважины. А «коэффициент подтверждаемости» наличия нефти или газа в исследуемом геологическом объекте из года в год остается низким, и в настоящее время этот коэффициент, например, не превышает 20% величину на оставшихся не разбуренными средних и малых сейсмических структурах в Северном море [1]. То есть продуктивной может оказаться только одна скважина из 5. Ясно, что проведение в море разведки скоплений углеводородов на основе только структурно-поисковых исследований экономически малоэффективно. Необходима дополнительная геофизическая информация о наличии в исследуемой ловушке скоплений УВ, чтобы снизить финансовые риски нефтедобывающих компаний при закладке, по крайней мере, разведочных скважин на морском шельфе. Такую информацию можно получать, применяя электромагнитные методы поиска залежей нефти и газа, так как электрофизические параметры (удельное электрическое сопротивление (удельная электропроводность), коэффициент вызванной поляризации (ВП) и постоянная времени спада потенциалов ВП) в области данных геологических объектов отличается от тех же параметров во вмещающей среде. Следовательно, аномалии электрофизических параметров в области нефтегазовых скоплений могут служить информационным признаком при производстве электроразведочных работ по поиску и оконтуриванию месторождений углеводородов на морском шельфе. Решив обратную задачу геоэлектроразведки, можно определить эти параметры.

Известно много способов морской геоэлектроразведки с использованием электромагнитного поля, искусственно возбуждаемого в исследуемой среде с помощью электрического диполя или двухэлектродной генераторной линии, пропуская через них прямоугольные импульсы тока. По способу приема полезных сигналов способы разведки отличаются тем, что в одном случае генераторная и приемная электродные линии, встроенные в кабельную косу, буксируются в водном слое над исследуемым объектом, в другом - приемные станции размещаются на морском дне по профилю исследования нефтегазового объекта, а генераторная линия буксируется в водной среде вдоль того же профиля, как правило, в непосредственной близости от дна.

Известен, в частности, способ морской электроразведки «Controlled source electromagnetic (CSEM) method» [2, 3], основанный на выявлении аномалий удельного электрического сопротивления среды в области известного месторождения углеводородов, путем воздействия на среду низкочастотным электромагнитным полем. При этом приемными устройствами служат дорогостоящие донные измерительные станции с взаимно перпендикулярно расположенными в пространстве двухэлектродными датчиками электрического поля. Измерительные станции (до 25 изделий) расставляются на морском дне вдоль профиля секущего исследуемый объект. А горизонтальную генераторную двухэлектродную линию, возбуждающую непрерывно импульсное электромагнитное поле в геологической среде с определенной частотой (обычно это частота, равная 0,25 Гц), буксируют судном в непосредственной близости от дна (~30÷50 м) вдоль этого профиля, далеко выходя за пределы изучаемой залежи: на (5÷15) километров. Обеспечение измерений полезных сигналов на таком отстоянии между генератором и приемником необходимо для реализации данного метода поиска УВ. Метод CSEM позволяет получить поисковые аномалии электрического сопротивления (до 10÷20%) только над крупномасштабными в пространстве, высококонтрастными по сопротивлению нефтегазовыми объектами (как правило, в 50 и более раз превышающими фоновые значения характеристик среды по данному параметру) [3]. Структур же меньших размеров по латерали, обнаруженных сейсмическими методами, потенциально содержащих УВ, но отличающихся от окружающих пород по электрическому сопротивлению, не более чем на порядок, в сотни раз больше по численности. Но разбуривать их без дополнительной проверки на наличие в них УВ очень рискованно. Кроме того, данный метод встречает очень большие трудности при поисках нефти и газа при относительно малых глубинах моря, примерно менее 150 м, в так называемой «транзитной» зоне перехода от суши к глубокому морю. Ибо здесь полезный сигнал от нефтегазовой залежи забивается мешающей электромагнитной волной, проникающей от значительно удаленного генератора к приемнику через воздушное полупространство. Но в «транзитной» зоне находится большое количество объектов, перспективных на наличие УВ, которые к тому же легче разбуривать, чем структуры на шельфе при глубинах моря более 150÷200 м.

В целом, этот метод технологически сложный и дорогостоящий, так как, помимо стоимости самих подвсплывающих измерительных станций и оплаты стоимости относительно длительного фрахта корабельного обеспечения, требуется достаточно сложная процедура размещения станций на дне и нахождения их после всплытия (по команде, после окончания измерений) в динамично меняющейся обстановке ветрового волнения моря. А также дальнейшая переустановка станций на следующем профиле исследования по площади прогнозируемого нефтегазового объекта, если это предусмотрено геологическим заданием.

Но принципиально важный недостаток данного метода состоит в том, что он предназначен для выявления в геологической среде только одного поискового признака присутствия УВ в исследуемом объекте, а именно аномалии удельного электрического сопротивления, чего явно недостаточно для более полного описания свойств геоэлектрической среды. Экспериментально и теоретически было установлено [4-7], что отдельным геологическим формациям, в том числе осадочным породам и нефтегазовым объектам, присуща низкочастотная дисперсия электропроводности, которая приводит к различной по интенсивности вызванной поляризации геологической среды во время воздействия на нее импульсным электромагнитным полем. Поэтому современные методы геоэлектроразведки должны, помимо определения аномалий удельного сопротивления, учитывать эффекты, связанные с вызванной поляризацией исследуемой геологической структуры.

K.S. Cole and R.H. Cole [7, с.23] предложили эмпирическую формулу, которая с хорошим приближением описывает данное явление для различных геоэлектрических ситуаций:

где σ(iω) - комплексная электропроводность элементов геологической среды с учетом низкочастотной дисперсии ее проводимости, приводящей к ВП геологических формаций;

iω - комплексная гармоническая частота возбуждения зондирующего поля;

σ₀ - удельная электропроводность среды на высоких частотах, на которых не проявляется эффект вызванной поляризации;

η - коэффициент вызванной поляризации;

τ - постоянная времени спада потенциалов ВП;

c - показатель степени, значение которого либо варьируют в пределах 0≤с≤1, либо принимают фиксированной величиной, равной 0,5. Такое упрощение с хорошим приближением справедливо для учета геоэлектрических характеристик среды при выполнении низкочастотной электроразведки залежей углеводородов. Поэтому эффективные методы электроразведки УВ должны базироваться на использовании в качестве поисковых признаков пространственные аномалии в геологической среде значений, по крайней мере, трех электрофизических параметров (σ, η, τ), представленных в формуле (1).

В патенте [8] была предпринята попытка учесть эффект ВП при производстве геоэлектроразведки в море на нефть и газ. В указанном патенте предусматривается использование осевых электрозондирующих установок, совмещенных в одной кабельной косе: так называемую, «дипольно-осевую» установку ABMN и «симметричную» AMNB, где АВ означают электроды генераторной линии, a MN - электроды измерительного датчика электрического поля. Сами же генераторная и приемные линии расположены соосно или коллиниарно (отсюда и отмеченное выше название такой установки). Для получения электроразведочной информации по данному патенту предусматривается использование одного из вариантов известного метода переходных процессов (так называемый метод «становления поля (СП)») [9]. Возбуждение электромагнитного поля в исследуемой среде осуществляется посредством пропускания через нее с помощью двухэлектродной генераторной линии прямоугольных импульсов тока с паузами после каждого из них (длительность паузы равна длительности импульса тока), и измерение первых пространственных разностей потенциалов электрического поля осуществляется с помощью двухэлектродных датчиков на разных расстояниях от источника поля. И хотя указанная работа направлена на разделение в переходном процессе эффектов, связанных с электропроводностью и вызванной поляризацией среды, однако, из текста патента не очевидно, что такое разделение корректно и эффективно возможно.

Электроразведка с использованием генераторно-приемной кабельной косы, буксируемой одним судном, что, в частности, предусмотрено рассматриваемым патентом [8], является наиболее дешевым и производительным способом поиска углеводородов на морском шельфе. Однако описанный в данном патенте способ обладает следующими существенными недостатками:

а) При использовании любой осевой электрозондирующей установки в полной мере сказывается экранирующее влияние со стороны высокопроводящего слоя морской воды. Токи возбуждения первичного электромагнитного поля, в основном, замыкаются через морскую среду и слабо проникают в менее проводящие донные породы. Как следствие, в море уменьшается сигнал электромагнитного отклика от относительно глубоко расположенной залежи УВ и соответственно ухудшается отношение полезный сигнал/помеха по сравнению с аналогичными наземными исследованиями нефтегазового объекта. При этом имеются в виду равные геоэлектрические характеристики осадочного чехла, вмещающего нефтегазовую залежь, и глубины залегания искомого объекта: относительно дневной поверхности на суше и относительно поверхности дна моря в морских условиях.

б) В любой и применяемой здесь осевой электрозондирующей установке существует сильное влияние так называемых «боковых» или «геологических» помех при приеме электромагнитного отклика от нефтегазового объекта. Эти помехи вызываются паразитными электромагнитными сигналами, отраженными от горизонтальных геоэлектрических неоднородностей, случайным неизвестным образом распределенных в некоторой окрестности точки зондирования. Особенно интенсивные помехи такого рода связаны с отражениями от приповерхностных геоэлектрических неоднородностей (где возбуждающее первичное поле наиболее интенсивно), в том числе от неоднородностей в море, возникающих из-за переменной батиметрии в районе исследований.

в) Качество информации, получаемой при измерении датчиками электрического поля, разнесенными в пространстве на разное расстояние от генераторной линии неодинаково, что имеет место и в данном патенте. На датчиках будет различное отношение сигнал/помеха, так как напряженность зондирующего поля (Е_х) и соответственно электромагнитный отклик исследуемой среды убывают обратно пропорционально третьей степени разноса зондирующей установки: Е_х≈1/r³, здесь r - указанный разнос, то есть расстояние между центрами генераторной и приемных электродных линий. Поэтому возможность получения исходной электроразведочной информации заданной точности, а в итоге и производительность работ, будут определяться необходимостью обеспечения требуемого превышения сигнала над помехой, получаемого на самом удаленном датчике электрического поля.

Другая разновидность способа поиска залежей УВ в море с использованием донных приемных станций [10], но уже с учетом аномальных распределений в осадочном чехле трех указанных выше электрофизических параметров среды, предусматривает использование вертикального диполя, генерирующего знакопеременные импульсы электромагнитного поля, который во время проведения электроразведочных работ также буксируют над донными измерительными станциями. При этом налагаются следующие ограничительные условия: чтобы верхний конец диполя (генераторной линии) находился по вертикали не дальше 200 м от поверхности моря, а нижний - не более 100 м от морского дна, а оптимально - на расстоянии 20÷30 м. С помощью станций регистрируют изменение во времени вертикальной и горизонтальной компонентов электромагнитного поля как во время пропускания тока, так и в паузе при его отсутствии. Анализируя полученные данные, определяют удельное электрическое сопротивление среды и ее поляризационные характеристики и сопоставляют их с аналогичными параметрами среды из района, в котором заведомо нет искомых УВ.

Этот вариант имеет еще большие трудности, чем указанный способ CSEM, для использования его в «транзитной» зоне исследований, при глубинах моря менее 150÷200 м. Авторы сами сознают это и планируют использовать этот способ при глубинах моря не менее 1000 м. При этом стоит учесть, что кроме обычных технических сложностей, связанных с размещением на дне приемных станций (установка, подъем и переустановка их на новые точки зондирования), существует еще и необходимость строго обеспечивать во время зондирования вертикальное положение генераторной линии (учитывая существование морских течений) как при буксировке линии, так и во время свободного дрейфа судна.

Проблема разделения гальванических и поляризационных составляющих в общем переходном процессе есть насущная потребность, стоящая перед любым современным методом электромагнитного зондирования геологической среды, в частности, на нефть и газ, использующим низкочастотные переменные электромагнитные поля. Даже в тех случаях, когда ставится исследовательская задача определения распределения с глубиной только электропроводности, необходимо учитывать влияние фоновой поляризации геологических образований, ибо поляризация присуща в разной степени всем осадочным породам. Без учета этого влияния будут получаться искаженные в количественном отношении данные об электропроводности (сопротивлении) исследуемого объекта.

Попытки решения указанной проблемы неоднократно предпринимались в СССР, России и за рубежом. Однако наилучших результатов в этом отношении удалось достичь с использованием дифференциально-нормирующего метода электроразведки (ДНМЭ) [6, 7, 11, 12÷19]. Этот метод позволяет наиболее эффективно разделить области превалирования гальванических и поляризационных эффектов в переходном процессе в геологической среде после воздействия на нее импульсным электромагнитным полем. Наземный вариант ДНМЭ [7] и [11] предусматривает поочередное размещение на поверхности земли двухэлектродной генераторной линии симметрично с противоположных сторон (например, слева (пр.) и справа (обр.)) относительно одного или двух измерительных трехэлектродных эквидистантных датчиков электрического поля (триполей), средний электрод которых является общим и расположен в точке, к которой относят результаты зондирования. В рассматриваемом случае, при использовании двух триполей, один из них ориентируют в «осевом направлении» по координатной оси (X), по которой располагается генераторная линия, а другой - в «ортогональном направлении» по оси (Y), перпендикулярно генераторной линии. При указанных положениях генераторной линии относительно этих триполей через среду пропускают токовые импульсы с паузами между ними, равными длительности самого импульса. И с помощью указанных триполей измеряют дискретно по времени первые (ΔU_x,(y)(t_i)пр.;ΔU_x,(y)(t_i)обр.) и вторые (Δ²U_x,(y)(t_i)пр.;Δ²U_x,(y)(t_i)обр.) пространственные разности потенциалов электрического поля во время указанного поочередного пропускания импульса тока через среду и во время переходного процесса в среде, наблюдаемого в паузе между токовыми импульсами. Первые разности представляют собой разность потенциалов между крайними электродами измерительного триполя (пропорциональны горизонтальной компоненте напряженности электрического поля на участке измерений), а вторые - это разности двух разностей потенциалов между средним электродом соответствующего триполя и его крайними электродами (пропорциональны пространственному градиенту напряженности электрического поля на измерительной базе данного триполя). Измеренные в указанных осевом и в ортогональном направлениях первые и вторые пространственные разности потенциалов используют для составления дифференциально-нормированных электрических (ДНЭ)-параметров, представляющих собой в различных сочетаниях отношения второй пространственной разности потенциалов к первой или второй разности. Для каждого отдельного (слева или справа) расположения генераторной линии относительно указанного измерительного триполя/триполей составляются «односторонние» дифференциально-нормированные параметры, каждый из которых представляет собой отношение друг к другу различных комбинаций указанных потенциалов, измеренных при одном направлении зондирующего поля относительно участка измерений, например

Здесь t_i - дискретное время измерения (отсчетный момент) указанных пространственных разностей потенциалов на всем протяжении импульсов тока и пауз между ними, синхронизованное с моментом включения или выключения тока в генераторной линии.

Важно, что ДНЭ-параметры не зависят от величины тока в генераторном диполе. Этот первичный ток возбуждения электромагнитного поля в геологической среде никак не контролируется и неизвестным образом растекается по линии наименьшего сопротивления. Поэтому нормировка первой пространственной разности потенциалов на амплитуду тока в генераторном диполе, что производится в классическом методе сопротивлений, в частности в методе СП, позволяет получить только кажущееся сопротивление некоего объема геологических пород в области исследуемого объекта. Но с помощью такой обобщенной электроразведочной характеристики сложно картировать маломощные нефтегазовые структуры, да еще на фоне указанных геологических помех. Существует также серьезный проблемный вопрос: к какой точке пространства следует отнести результаты измерения «кажущегося» сопротивления среды, полученные данным методом.

Принципиально важно, что за счет операции нормировки (деления) друг на друга указанных пространственных разностей потенциалов сами ДНЭ-параметры становятся линейно независимыми (что является ключевым фактором при решении обратной задачи геоэлектрики с использованием этих параметров), хотя исходные разности потенциалов, представленные в числителе и знаменателе ДНЭ-параметров, являются линейно зависимыми временными функциями. Односторонние ДНЭ-параметры можно непосредственно использовать как картировочные параметры при проведении профильных электроразведочных работ в области нефтегазового объекта [7, 11], но они подвержены боковому влиянию - не защищены от действия геологических помех.

Этот недостаток в большой мере устраняется при использовании так называемых «двухсторонних» ДНЭ-параметров типа (3) [7, 17], получаемых суммированием с соответствующим знаком и весом «односторонних» ДНЭ-параметров.

Такое суммирование направлено на компенсацию горизонтальных токов, сохраняя «фокусировку тока» в вертикальном направлении под точкой зондирования, практически удваивая величину этого тока. Двухсторонние ДНЭ-параметры рассчитываются по измерениям на каждом отдельном исследуемом участке геологической среды (перекрываемом упомянутыми триполями) указанных пространственных разностей потенциалов при поочередном симметрично-встречном включении источников зондирующего поля с противоположных сторон относительно измерительных триполей. Именно такое включение источников поля и обеспечивает указанную фокусировку тока под средней точкой участка (точкой зондирования), совпадающей в пространстве с положением общего центрального электрода указанных измерительных триполей. При этом измерительные триполи сознательно размещаются в фокусной области вертикальных токов, зондирующих геологическую среду.

Двухсторонние ДНЭ-параметры, в силу их лучшей защищенности от действия геологических помех, более успешно (по сравнению с односторонними параметрами) используются в электроразведке в качестве картируемых параметров. И по аномальному их значению по сравнению с параметрами вмещающей среды выносят суждение о наличии/отсутствии нефти или газа в исследуемой геологической формации [7, 21].

Исторически ДНМЭ развивался вначале как метод, в котором в результате электропрофилирования выявлялись, именно, аномалии ДНЭ-параметров над залежью УВ [7, 11]. Затем в работах [12÷14] начинается их использование для нахождения уже аномалий самих электрофизических параметров в области нефтегазового месторождения путем решения обратной задачи геоэлектрозондирования с использованием ДНЭ параметров и учетом явления ВП в геологической среде. При этом геоэлектрическая модель среды послойно задается указанным соотношением (1). При использовании ДНМЭ результаты каждого частного решения данной задачи относят к указанной точке зондирования. Точки зондирования объединяют в отработанный профиль зондирования и по нему строят временные (эквивалентно глубинные) геоэлектрические разрезы, дающие картину распределения по глубине искомых электрофизических параметров σ, η, τ. [21]. Местоположение нефтегазовой залежи определяется по зоне их аномальных значений относительно тех же параметров, свойственных вмещающим породам.

Известен способ геоэлектроразведки [15, 16], предназначенный для поисков углеводородов в море с использованием принципов ДНМЭ. Способ предполагает использование буксируемой прямыми галсами (только в одном направлении) генераторно-приемной косы, представляющей собой осевую электрозондирующую установку, включающую в себя генераторную двухэлектродную линию и многоэлектродную приемную линию. Измерительные электроды приемной линии объединяют таким образом, чтобы получались три перекрывающихся по профилю электрозондирования измерительных триполя. По мысли авторов это делается для обеспечения пространственного дифференцирования измеряемого электрического поля.

Данному способу морской электроразведки присущи два основных недостатка:

а) использование здесь осевой зондирующей установки ограничивает (как было отмечено выше) зону успешного поиска УВ на морском шельфе по трем указанным электрофизическим параметрам. Эта зона перекрывает глубины моря не более 50-70 м [17];

б) так как в этом патенте не предусмотрена фокусировка тока под точкой зондирования, то данный способ электроразведки не обладает помехоустойчивостью в отношении «бокового влияния» - геологических помех, в том числе связанных с переменной батиметрией в районе исследований. Для данного метода (так же как и для других методов без фокусировки тока) это важно, ибо в прибрежной части морского шельфа, где он применим, толщина слоя морской воды может значительно меняться от точки к точке по полигону исследования. А это приводит к существенному изменению суммарной продольной проводимости этого слоя в точках измерения, что и является дополнительным специфическим для моря видом геоэлектрических неоднородностей. Их влияние на принимаемый сигнал можно, но очень сложно учесть при расчетах и интерпретации данных зондирования в море.

Известен способ морской геоэлектроразведки [18] на основе ДНМЭ с использованием также осевой электрозондирующей установки, буксируемой по прямолинейным профилям. Генераторно-приемная коса здесь состоит из встроенных в нее двухэлектродной генераторной линии и двух разнесенных в пространстве (по длине косы) измерительных триполей, которые вместе с генераторной линией образуют две электрозондирующие установки с различными разносами. Относительно указанного способа следует отметить, что:

а) варианты по п.п.1-3 указанного способа работоспособны, но обладают плохой производительностью, так как для получения двухсторонних помехоустойчивых в отношении геологических помех ДНЭ-параметров приходится дважды отрабатывать в прямом и обратном направлениях один и тот же прямолинейный профиль зондирования в зоне предполагаемой залежи УВ. Это делается с тем, чтобы в каждой точке зондирования получить исходные измерения указанных первых и вторых разностей потенциалов при расположении генераторной линии с противоположных сторон от точки зондирования, что требуется по описанной выше технологии ДНМЭ;

б) варианты по п.п.4-6 [18] данного способа геоэлектроразведки лишены смысла: знак минус перед вторым слагаемым при расчете двусторонних ДНЭ-параметров приводит к вычитанию однотипных сигналов зондирования, полученных на одном и том же участке профиля при одностороннем расположении генераторной линии относительно измерительных триполей. При этом сигналы еще имеют разную интенсивность и несут различную глубинную геоэлектрическую информацию, так как они измеряются триполями, встроенными в генераторно-приемную косу на разных расстояниях от генераторной линии.

в) варианты по п.п.7-9 способа [18] не предусматривают использование «фокусировки тока» и получение двусторонних ДНЭ-параметров. Следовательно, данные варианты зондирования не помехоустойчивы относительно геологических помех.

Важным общим недостатком рассмотренных способов [15 и 16, 18 (варианты по п.п.1-3)], предусматривающих перемещение генераторно-приемной косы только по прямолинейному профилю, является то, что в них нет возможности использовать для зондирования ортогональную (E_y) компоненту поля. А зондирование, как показал еще в 1947 г. Шейнман С.М. [20], целесообразно осуществлять на основе измерения, именно ортогональной компоненты поля, в том случае, если в геоэлектрическом разрезе верхний слой является высокопроводящим (при морском зондировании как раз этот факт имеет место). В таких геоэлектрических условиях ортогональная компонента поля E_y менее подвержена экранирующему влиянию высокопроводящего слоя морской воды по сравнению с осевой компонентой (Е_х). И как следствие, в общем сигнале переходного процесса в E_y-компоненте поля, наблюдаемом в той или иной точке пространства, практически отсутствует (на порядок меньше) парциальный вклад от верхнего слоя морской воды по сравнению с E_x-компонентой. А это означает, что при использовании E_y-компоненты полезный сигнал может быть выделен при меньших временах наблюдения за кривой переходного процесса и, поэтому отношение сигнал/помеха в таком случае будет выше, то есть при прочих равных условиях исходную электроразведочную информацию можно получить лучшего качества.

На суше, наряду с E_x-компонентой, используется ортогональная E_y-компонента поля. Здесь и осевую, и ортогональную зондирующие установки технически не трудно реализовать [7, 11, 12, 14]. Но в море до недавнего времени было неизвестно каким образом осуществить буксируемую ортогональную электрозондирующую установку с большими межэлектродными измерительными базами приемных линий - датчиков электрического поля длиной в несколько сотен метров. Такие размеры линий необходимы для получения на выходе таких датчиков необходимой величины отношения сигнала к помехе, возникающей в датчике при его буксировке вводной среде.

Этот пробел был восполнен в известном способе морской геоэлектроразведки с фокусировкой электрического тока (вариант 1) [19]. В нем впервые предложено техническое решение, позволяющее реализовать ортогональную электрозондирующую установку в море при буксировке генераторно-приемной косы по круговому профилю.

Кроме того, здесь предложена «оптимальная фокусировка» зондирующего тока под «точкой» зондирования вертикально вниз, в земные породы при расчете «двухсторонних» ДНЭ-параметров - уравнения (4) путем сложения «односторонних» ДНЭ-параметров с весовым множителем k(t_i), определяемым из уравнения (5):

где t_i - дискретное, с шагом Δt, время измерения (отсчетный момент) указанных пространственных разностей потенциалов на всем протяжении импульсов тока и пауз между ними, синхронизованное с моментом включения или выключения тока в генераторной линии;

ΔU_y(t_i) - мгновенное значение первой ортогональной пространственной разности потенциалов;

Δ²U_y(t_i) - мгновенное значение второй ортогональной пространственной разности потенциалов;

ΔU_y(t_i, Δt)=ΔU_y(t_i,+Δt)-ΔU_y(t_i) - разности ближайших мгновенных значений первой ортогональной пространственной разности потенциалов, разделенных промежутком времени Δt;

Δ²U_y(t_i, Δt)=Δ²U_y(t_i+,Δt)-Δ²U_y(t_i) - разности ближайших мгновенных значений второй ортогональной пространственной разности потенциалов, разделенных промежутком времени Δt;

k(t_i) определяется из уравнения оптимальной фокусировки

Уместно, дополнительно к сказанному выше, разъяснить физические предпосылки, которые обеспечивают преимущества дифференциально-нормирующего метода геоэлектроразведки с оптимальной фокусировкой тока под точкой зондирования (ДНМЭ-ФТ) перед другими методами электроразведки.

Во-первых, в данном методе исследуются геоэлектрические свойства среды с учетом эффектов вызванной поляризации, что обеспечивает наиболее полное исследование геологического объекта, перспективного на наличие в нем скоплений УВ. При этом обратная задача геоэлектрозондирования решается с использованием «двухсторонних» ДНЭ-параметров типа (4). Линейная независимость ДНЭ-параметров важна для получения корректного решения обратной задачи геоэлектрозондирования с учетом числа (согласно соотношению (1)) переменных электрофизических параметров среды, от которых зависит результат решения этой задачи. Действительно, при решении обратной задачи, как отмечалось выше, необходимо варьировать, по крайней мере, тремя параметрами среды (1): σ₀ - удельной электропроводностью (удельным сопротивлением ρ=1/σ₀), η - коэффициентом вызванной поляризации и τ - постоянной времени спада потенциалов ВП, зафиксировав c - показатель степени, например, значением 0,5. Следовательно, для устойчивого и корректного решения обратной задачи необходимо иметь не менее трех линейно независимых ДНЭ-параметров (под которые можно составить необходимое количество независимых уравнений), что в рамках рассматриваемого метода легко осуществляется.

Во-вторых, указанные двухсторонние ДНЭ-параметры с фокусировкой тока типа (4) обладают свойством пространственной селективности при измерении сигналов геоэлектрозондирования. Физический смысл данных параметров состоит в том, что они представляют собой значение интегральной (по длине измерительной базы триполя - расстояние между крайними электродами) плотности вертикальной составляющей тока возбуждения зондирующего поля, нормированное на величину горизонтального тока на том же участке измерения разностей потенциалов в среде, перекрываемом данным триполем [21]. То есть Δ²U_x(y)(t)/ΔU_x(y)(t)≈J_z/J_x(y). Здесь J_z - вертикальная компонента тока, направленная вниз, в земные породы, a J_{x(y) -} соответственно горизонтальные компоненты. Таким образом, дифференциально-нормированные параметры с «фокусировкой тока» под точкой зондирования не только количественно характеризуют переходные процессы в среде, но и по сути являются еще и пространственно-временными фильтрами, ослабляющими влияние геологических помех («боковое влияние»), порождаемых за счет геоэлектрической неоднородности среды, так как зондирование с вертикальной фокусирокой тока предполагает компенсацию горизонтальных токов на участке зондирования, которые и возбуждают рассматриваемые геологические помехи, обуславливают появление «бокового влияния». Как отмечалось выше, в море к такого рода помехам добавляются помехи, связанные с переменной батиметрией в окрестности «точки зондирования». Важно и то, что за счет пространственного дифференцирования, осуществляемого в рамках ДНМЭ, подавляются сигналы от квазиоднородных в пространстве электромагнитных помех (в том числе магнитотеллурических), существенно увеличивая тем самым отношение сигнал/помеха в числителе слагаемых (4) при расчетах ДНЭ-параметров.

В-третьих, разрешающая способность по расчленению геоэлектрического разреза и улучшение локальности зондирования при использовании ДНМЭ-ФТ возрастают в силу того, что здесь используется относительно узкий «пучок» вертикально сфокусированных токов (протяженность пучка по латерали - менее измерительной базы триполя). Токи такой ориентации наиболее эффективно поляризуют горизонтально протяженные нефтегазовые структуры.

В-четвертых, не менее значимо и то, что благодаря фокусировке тока (высокой локальности зондирования) практически можно пренебречь так называемым в электрокоротаже «плечевым эффектом» - дифракцией или обтеканием тока зондирования вокруг нефтегазовых объектов. И это обоснованно, так как у залежей УВ размеры по горизонтали, как правило, существенно превышают глубину их расположения в толще вмещающих пород. Кроме того, динамическая фокусировка тока, осуществляемая с учетом требования (формула (5)) для каждого дискретного времени измерения переходного процесса в исследуемой среде, физически означающая компенсацию горизонтальных составляющих токов зондирования под точкой измерения на этих временах, практически приводит к тому, что полученная эквивалентная (селективно выделенная) пространственная структура токов зондирования в реальной 3-мерной геоэлектрической среде будет мало отличаться от соответствующей структуры токов в одномерной, горизонтально однородной среде.

Поэтому применяя ДНМЭ-ФТ, можно успешно вести исследование реальных трехмерных геологических объектов в рамках использования одномерных горизонтально-слоистых моделей среды, для которых разработан эффективный (с относительно простым программным обеспечением) математический аппарат для решения прямой и обратной задачи геоэлектрики. И как следствие, при использовании технологии геоэлектроразведки ДНМЭ-ФТ не требуется больших вычислительных мощностей. Двух современных персональных компьютеров достаточно, чтобы проводить электроразведку месторождений УВ и осуществлять интерпретацию полученных данных в квазиреальном масштабе времени на борту исследовательского судна, что технологически целесообразно, так как позволяет, если необходимо, оперативно вводить коррекцию в режим зондирования на исследуемом объекте, не покидая его.

Наиболее близким к предложенному способу, который мы принимаем за прототип, является указанный выше способ морской геоэлектроразведки ([19] вариант 1), в котором зондирование с оптимальной фокусировкой тока ведется с использованием ортогональной зондирующей установки по серии круговых профилей. В данном способе морской геоэлектроразведки возбуждают электромагнитное поле в исследуемой среде путем пропускания через нее с помощью двухэлектродной генераторной линии, встроенной в буксируемую по круговым профилям кабельную генераторно-приемную косу, серии знакопеременных прямоугольных импульсов тока с паузами, равными по длительности указанным импульсам. Измеряют последовательно, дважды на одном и том же участке кругового профиля, мгновенные значения первой и второй пространственных разностей потенциалов поля на всем протяжении переходного процесса в среде с помощью одиночного трехэлектродного эквидистантного датчика электрического поля - триполя, встроенного в ту же косу так, чтобы угловое расстояние между центрами генераторного диполя и триполя составляло 90°. Указанные последовательные измерения производятся при противоположных положениях генераторной линии (встречных направлениях зондирующего поля) относительно данного участка во время прямого (скажем против часовой стрелки) и обратного движения косы по профилю. По результатам измерений указанных разностей потенциалов рассчитывают дважды множества из трех односторонних линейно независимых дифференциально-нормированных электрических параметров поля, каждый из которых представляет собой отношение друг к другу различных комбинаций указанных разностей потенциалов, измеренных при одном из противоположных направлений зондирующего поля. Затем, как указывалось выше, односторонние ДНЭ-параметры суммируют (равенства (4)) с учетом весового множителя, коэффициента фокусировки тока (уравнение (5)), обеспечивающего компенсацию горизонтальных токов в среде на участке кругового профиля, где проводятся указанные измерения, и таким образом получают три двухсторонних ДНЭ-параметра (уравнения (4)). Эти параметры используют для определения путем решения обратной задачи геоэлектрики, распределения по вертикальной координате значений электрофизических параметров исследуемой среды: удельного электрического сопротивления (удельной электропроводности), коэффициента вызванной поляризации и постоянной времени спада потенциалов ВП. Ранее упоминалось, что для устойчивого решения обратной задачи геоэлектрозондирования (методом подбора прямых задач) необходимое количество ДНЭ-параметров определяется числом варьируемых переменных в равенстве (1). В данном патенте послойно в среде варьируются только σ₀, η, τ при фиксированном значении показателя степени (c=0.5). Поэтому для устойчивого решения прямой задачи здесь достаточно использовать три двусторонних ДНЭ-параметра (4). Результаты решения обратной задачи относят к условной точке зондирования в середине участка измерения указанных разностей потенциалов. По указанным точкам, объединенным в линейный профиль зондирования, строят по вертикальной координате временные разрезы исследуемой среды по трем названным электрофизическим параметрам. И по аномальным по сравнению с вмещающей средой значениям найденных электрофизических параметров выносят суждение о наличии/отсутствии в области исследования искомого объекта, например залежи углеводородов.

Данный способ геоэлектроразведки имеет основной недостаток, состоящий в том, что для его реализации приходится отрабатывать один и тоже круговой профиль зондирования дважды: в прямом и обратном направлениях движения исследовательского судна. Это снижает производительность геоэлектроразведки, а также усложняет задачу автоматического управления движением исследовательского судна по одному и тому же круговому профилю в прямом и обратном направлениях в разное время, в условиях постоянно меняющегося состояния ветрового волнения моря. Сказанное относится и к управлению при смене движения судна по круговой орбите с одного направления на противоположное.

Настоящее предложение позволяет получение технического результата, заключающегося в повышении производительности, эффективности и надежности морских геоэлектроразведочных работ, т.е. получение большего объема геоэлектрической информации лучшего качества об исследуемом геологическом объекте, перспективном на содержание в нем нефти или газа, при меньших финансовых затратах.

Технический результат достигается тем, что зондирование исследуемой среды в море осуществляют при одностороннем движении генераторно-приемной косы по круговому профилю одновременно на двух участках профиля, попарно симметричных относительно диаметра указанного профиля, проходящего через центр генераторной линии. При этом измерение указанных пространственных разностей потенциалов осуществляется с помощью двух измерительных триполей, встроенных в косу в след за генераторной линией таким образом, чтобы в процессе кругового ее перемещения центры триполей располагались на профиле диаметрально противоположно, симметрично относительно центра генераторной линии (см. Фиг.1), при минимальном расстоянии по хорде между центром генераторной линии и средним электродом каждого триполя, соизмеримом с заданной глубиной зондирования. Напомним, что данное расстояние называется разносом электрозондирующей установки. Измерение указанных разностей потенциалов на каждом из парных участков на круговом профиле производят поочередно сначала одним из триполей пары, при условно прямом направлении зондирующего поля, и повторяют с помощью другого триполя пары во время его пребывания на том же участке, но при противоположном направлении поля. Используя полученные данные, рассчитывают по формулам (6), (7) односторонние ДНЭ-параметры поля (P_1(y)1, P_2(y)1, P_3(y)1), (P_1(y)2, P_2(y)2, P_3(y)2), соответственно, для каждого из парных участков измерения, средние точки которых являются условными точками зондирования.

Здесь t_i - дискретное, с шагом Δt, время измерения (отсчетный момент) указанных пространственных разностей потенциалов на всем протяжении импульсов тока и пауз между ними, синхронизованное с моментом включения или выключения тока в генераторной линии;

(1, 2) - нижние индексы при пространственных разностях потенциалов (ΔU_(y)) и (Δ²U_(y)) обозначают порядковый по ходу косы номер триполя в паре, с помощью которого производятся эти потенциалы;

(1, 2, 3,) - нижние индексы при ДНЭ-параметрах (Р) обозначают номер параметра и их количество соответствует числу искомых электрофизических параметров среды (σ₀, η, τ) в принятой модели (1) поляризующейся геоэлектрической среды. При этом показатель степени (c) фиксирован и его значение принято равным c=0,5;

ΔU_(y)1(t_i), ΔU_(y)2(t_i) - мгновенные значения первых пространственных разностей потенциалов в направлении оси Y в каждый дискретный момент времени отсчета t_i (полученные на каждом из указанных парных участков с помощью соответственно первого и второго триполей пары); напомним, что в принятой системе координат начало совпадает с центром генераторной линии, а ее ось X направлена по касательной к круговому профилю зондирования;

Δ²U_(y)1(t_i), Δ²U_(y)2(t_i) - мгновенные значения вторых пространственных разностей потенциалов в направлении оси Y в каждый дискретный момент времени отсчета t_i, полученные на каждом из указанных парных участков с помощью соответственно первого и второго триполей пары;

ΔU_(y)1(t_i,Δt)=ΔU_(y)1(t_i+Δt)-ΔU_(y)1(t_i) и ΔU_(y)2(t_i,Δt)=ΔU_(y)2(t_i+Δt)-ΔU_(y)2(t_i) - разности ближайших мгновенных значений первых пространственных разностей потенциалов, разделенных промежутками времени Δt, полученных на каждом из указанных парных участков среды с помощью соответственно первого и второго триполей пары;

Δ²U_(y)1(t_i,Δt)=Δ²U_(y)1(t_i+Δt)-Δ²U_(y)1(t_i) и Δ²U_(y)2(t_i,Δt)=Δ²U_(y)2(t_i+Δt)-Δ²U_(y)2(t_i) - разности ближайших мгновенных значений вторых пространственных разностей потенциалов, разделенных промежутками времени Δt, полученных на каждом из указанных парных участков с помощью соответственно первого и второго триполей пары.

Далее путем весового суммирования односторонних ДНЭ-параметров, полученных по измерениям на каждом участке с помощью разных триполей пары и рассчитанных по формулам (6), (7), получают два результирующих множества из трех двухсторонних ДНЭ-параметров, рассчитанных по формулам (8) отдельно для каждого парного участка зондирований

где, как указывалось выше, весовой множитель k(t_i) определяется из уравнения оптимальной фокусировки тока зондирования (9) в вертикальном направлении:

Получение двусторонних ДНЭ-параметров описанным способом возможно, так как измерение указанных разностей потенциалов на каждом из парных участков на круговом профиле производят поочередно, сначала одним из триполей пары, при одном направлении зондирующего поля, и повторяют с помощью другого триполя во время его пребывания на том же участке, но при противоположном направлении зондирующего поля. Противоположность направлений указанных полей обеспечивается тем, что генераторная линия 3 располагается при поочередных измерениях с противоположных сторон (см. Фиг.1а и Фиг.1в) относительно участков профиля, перекрываемых этими триполями.

Далее двухсторонние ДНЭ-параметры (8), рассчитанные отдельно для каждого парного участка профиля, закладывают дважды в решение обратной задачи геоэлектрозондирования с учетом априорно существующей геолого-геофизической информации, касающейся исследуемого объекта. Результаты двух отдельных решений обратной задачи относят соответственно к средним точкам участков среды, на которых с помощью пары триполей были получены первичные материалы зондирования (измеренные значения первых и вторых пространственных разностей потенциалов). В результате указанных решений находится послойное распределение по глубине, одновременно под двумя парными точками зондирования, трех электрофизических параметров: удельного электрического сопротивления (удельной электропроводности), коэффициента вызванной поляризации и постоянной времени спада потенциалов ВП. Одновременность получения результатов зондирования под двумя парными точками позволяет в отличие от прототипа вести последовательно (при переходе с одного кругового профиля на другой) площадные зондирования в области исследуемого геологического объекта, что увеличивает надежность полученных результатов. Условные точки зондирования геоэлектрической среды, сепарированные по принципу их симметрии относительно диаметра кругового профиля, проведенного через центр генераторной линии, и полученные на отдельных последовательных круговых профилях, объединяют в линейные профили, по которым стоят вертикальные временные разрезы, характеризующие распределение по глубине искомых трех электрофизических параметров. И по аномальным относительно вмещающей среды значениям указанных параметров выносят суждение о наличии/отсутствии в области исследования искомого объекта, например залежи углеводородов.

Для приемлемой плотности электроразведочной съемки при перемещении генераторно-приемной косы по круговым профилям зондирование производят с шагом 300÷500 м между центрами соседних круговых профилей. Этот шаг выбирается из практической целесообразности: с учетом того, что, как правило, скопление углеводородов наблюдается на глубинах ≥ 1000 м и залежь имеет многокилометровый размер по латерали, при отсутствии резких градиентов электрофизических свойств в горизонтальном направлении.

В предлагаемой конфигурации генераторно-приемной косы, при ее перемещении по круговому профилю, генераторная линия располагается в направлении оси X, а центральные электроды следующих по ходу косы измерительных трополей, как указывалось выше, должны оставаться на потивоположных концах диаметра кругового профиля, то есть эти два триполя располагаются симметрично относительно диаметра профиля, проведенного через центр генераторной линии, с сохранением углового расстояния между центром генераторной линии и центральным электродом ближнего к линии триполя в 90°, а соответствующее угловое расстояние для второго триполя должно равняться 270°. При этом указанные триполи симметричной пары оказываются расположенными в направлении координатной оси Y (см. Фиг.1). Следовательно, реализуются две ортогональные зондирующие установки с одинаковыми разносами, и оба триполя измеряют пространственные разности потенциалов в среде, создаваемые E_y компонентой зондирующего поля. Таким образом достигается желаемое техническое решение, так как для достижения максимальной помехоустойчивости электрозондирования в отношении экранирующего влияния высокопроводящего слоя морской воды необходимо вести измерение пространственных разностей потенциалов, а именно пропорциональных E_y компоненте поля.

Преимущество одновременного зондирования исследуемой среды на парных участках кругового профиля, с помощью двух триполей при односторонней буксировке косы по профилю, перед зондированием по круговым профилям в прототипе с использованием одного триполя заключается (как отмечалось выше) в увеличении производительности геоэлектрозондирования. Действительно, как указывалось выше, измерения, произведенные с помощью одного из триполей пары на каком-либо из участков кругового профиля, соответствуют положению генераторной линии с одной стороны этого участка, а измерения, произведенные на том же участке кругового профиля с помощью другого симметричного триполя пары, при угловом смещении косы на 180° (см. Фиг.1а и Фиг.1в), соответствуют положению генераторной линии с противоположной стороны этого участка. Это обеспечивает необходимое встречное включение зондирующего поля относительно указанных парных участков. То есть в данном случае достаточно одностороннего движения исследовательского судна по круговому профилю зондирования геологической среды, для того, чтобы получить исходную измерительную информацию, необходимую для расчета двусторонних ДНЭ-параметров на исследуемых участках профиля и тем самым получить возможность реализовать технологию ДНМЭ-ФТ с большей производительностью и надежностью полученных геоэлектроразведочных данных по сравнению с указанным прототипом.

По сравнению с прототипом настоящее предложение позволяет более чем в два раза ускорить процесс геоэлектроразведки. Расчет простой: если в прототипе за два оборота судна (один - в прямом, другой - в обратном направлении), при трех пошаговых, по 90°, угловых смешениях из стартовой позиции генераторно-приемной косы (в сумме 270° на один оборот судна) можно с фокусировкой тока прозондировать четыре условные точки на круговом профиле, то в соответствии с предлагаемым способом, при том же пошаговом смещении косы, но только в одном направлении, с использованием пары указанных диаметрально противоположных триполей одновременно, с фокусировкой тока, также «зондируются» четыре условные точки на круговом профиле за те же неполных ¾ оборота судна. Покажем это.

Технология геоэлектрозондирования предлагаемым способом поясняется чертежом Фиг.1а÷г, где изображена временная развертка отдельных стадий предложенного «Способа морской геоэлектроразведки».

Процедура зондирования происходит с использованием буксируемой судном 1 генераторно-приемной косы 2, в которую встроены двухэлектродная генераторная линия 3 и указанная пара триполей 4 (M₁ O₁ N₁) и (M₂ O₂ N₂), где символами M, O, N обозначены электроды триполей. Нижние индексы (1, 2) при электродах обозначают порядковый номер (по ходу косы) триполя в паре, которому данные электроды принадлежат.

Такая схема расположения генераторной линии и триполей на круговом профиле зондирования обладает большими геоэлектроразведочными возможностями. Рассмотрим геометрическую динамику (с дискретным шагом 90° по круговому профилю) технологии зондирования ДНМЭ-ФТ с указанной выше парой триполей 4.

- Фиг.1а соответствует исходному положению косы 2 на круговом профиле, угол смещения (φ) по ходу ее буксировки равен нулю (φ-0). В этом положении с помощью обоих триполей 4, встроенных в косу симметрично относительно диаметра кругового профиля, проведенного через центр генераторной линии, а их центральные электроды размещаются на диаметрально противоположных позициях на круговом профиле, симметрично относительно центра генераторной линии, измеряется и регистрируется стартовая электроразведочная информация, по которой по формулам (6), (7) рассчитывают односторонние ДНЭ-параметры для обоих участков среды под указанными триполями 4. При этом генераторная линия 3 создает зондирующее поле для каждого из парных участков среды, условно, прямого направления.

- Фиг.1б соответствует положению косы 2 на профиле при угле ее смещения φ=90° относительно исходной позиции. Указанные триполи (M₁ O₁ N₁) и (M₂ O₂ N₂) из стартового положения сместятся в положение, в котором первый триполь сместится на исходное место генераторной линии 3, а второй триполь этой пары займет положенное ему место на круговом профиле диаметрально противоположное первому триполю. В этом положении данной парой триполей производятся первые измерения указанных разностей потенциалов на этих двух новых участках кругового профиля и производятся соответствующие расчеты односторонних ДНЭ-параметров для этих участков по формулам (6) и (7).

- Фиг.1в соответствует положению косы на профиле при угле ее смещения φ=180° относительно исходного состояния. В этом положении триполи (M₁ O₁ N₁) и (M₂ O₂ N₂) взаимно меняются местами на профиле по сравнению с исходным расположением этой пары, вследствие чего обеспечивается повторное измерение указанных пространственных разностей потенциалов на этих участках данными триполями и, что самое важное, при условно обратном направлении зондирующего поля, встречном по сравнению с направлением поля в стартовом положении генераторно-приемной косы. Встречная направленность указанных полей на двух указанных участках среды обеспечивается тем, что генераторная линия при данном угловом смешении косы перемещается из стартового положения на круговом профиле на диаметрально противоположное. Таким образом, обеспечивается получение исходных измерительных данных для расчета односторонних (формулы (6), (7))) и двусторонних (формулы (8)) ДНЭ-параметров для двух указанных участков среды при выполнении условия (9), чем обеспечивается зондирование с компенсацией горизонтальных токов на этих участках и фокусировкой зондирующего тока под средними точками обоих участков.

- Фиг.1г соответствует положению косы на профиле при угле смещения φ=270° относительно ее исходного состояния. В этом положении оба триполя (M₁ O₁ N₁) и (M₂ O₂ N₂) займут положения, противоположные тем, которые они занимали после поворота косы на 90°, обеспечив тем самым повторное измерение разностей потенциалов на этих участках при встречном направлении зондирующего поля по сравнению с направлением указанного поля существовавшим при смещении косы на 90°. Тем самым получается измерительная информация для расчета соответствующих односторонних и двусторонних ДНЭ-параметров и, как следствие, зондирование с фокусировкой тока на этих двух новых участках кругового профиля. Расчет повторных односторонних и двусторонних ДНЭ-параметров для каждого из этих участков производится также по формулам (6), (7) и (8), с учетом необходимого требования (9).

Следовательно, как отмечалось выше, при прочих равных условиях по сравнению с прототипом мы имеем увеличение производительноти труда при производстве геоэлектрозондирования в 2 раза (получение четырех точек зондирования с фокусировкой тока при односторонней буксировке генераторно-приемной косы по круговому профилю на 270°); и это без учета значительных затрат времени в прототипе на совершение плавной циркуляции (примерно того же радиуса, как у кругового профиля зондирования) исследовательского судна, что необходимо для смены буксировки генераторно-приемной косы с прямого направления на обратное.

При дальнейшем смещении косы по круговому профилю относительно исходного положения на угол φ=360° зондирующая установка очевидным образом возвращается к первоначальному (стартовому) пространственному положению, отображенному на Фиг.1а; и все операции, связанные с зондированием исследуемой среды на данном круговом профиле, могут быть повторены, если возникает потребность в улучшении полученного отношения полезный сигнал/помеха. Или, если этого не требуется, то буксирующее судно, после измерений при смещении косы на 270°, заходит на новый круговой профиль, отстоящий от предыдущего на шаг 300÷500 м в направлении вдоль /или вкрест исследуемой нефтегазовой структуры.

В случае необходимости улучшения отношения сигнал/помеха, что, как правило, бывает при недостаточной мощности бортового дизель-генератора, зондирование следует осуществлять при непрерывном возбуждении зондирующего поля с помощью знакопеременных импульсов тока, подаваемых в генераторную линию, с одновременным измерением и регистрацией указанных выше пространственных разностей потенциалов на исследуемых участках кругового профиля, в некоей окрестности каждой условной точки зондирования. И проводить последующее накопление полезных сигналов, измеренных при движении генераторно-приемной косы вдоль этой окрестности (разновидность пространственно-временного накопления, на Фиг.1 не показано), с использованием обычного осреднения или робастных алгоритмов оценивания параметров полезных сигналов, например, по «винзоризованному» среднему или по «выборочной медиане», в зависимости от типа электромагнитных помех, сопутствующих процессу зондирования. Результаты решения обратной задачи геоэлектрозондирования на основе полученных осредненных (накопленных) данных относят в таком случае к средней точке (условной точке зондирования) указанной «окрестности» измерения пространственных разностей потенциалов электрического поля в исследуемой среде.

В свете вышесказанного, очевидно, что преимущества рассматриваемой технологии геоэлектроразведки по сравнению с традиционными методами разведки с использованием осевых установок, буксируемых по прямым галсам, и ортогональной установки, представленной в прототипе, весьма значительны.

Кроме того, с использованием указанной технологии, по существу, ведется последовательно-одновременная площадная съемка электроразведочной информации, указанной парой симметричных триполей, встроенных в генераторно-приемную косу. А площадной принцип получения первичных данных зондирования более предпочтителен с точки зрения уменьшения пределов действия так называемого «принципа эквивалентности» геоэлектроразрезов при решении обратной задачи геоэлектрики.

Для реализации предлагаемого способа морской геоэлектроразведки ниже представляются структура и описание соответствующего аппаратурного исследовательского комплекса.

Прототипом ему может служить вариант комплекса для осуществления способа морского геоэлектрозондирования, описанный в [15].

В состав прототипа [15] входят исследовательское судно-буксир, автоматическая система удержания судна (АСУД) на заданном линейном профиле зондирования с использованием (GPS)-приемника, забортное оборудование в виде горизонтальной генераторно-приемной косы, в которую встроены двухэлектродная генераторная линия, подключенная к набортному источнику знакопеременных прямоугольных токовых импульсов с паузами, длительность которых равна длительности самих импульсов, многоэлектродная приемная линия для измерения указанных пространственных разностей потенциалов в исследуемой среде, а также набортное оборудование для дискретного по времени измерения и регистрации пространственных разностей потенциалов с помощью цифровых устройств и вычислительные средства, обеспечивающие предварительную обработку полученных данных, расчет односторонних ДНЭ-параметров по результатам измерений указанных разностей потенциалов, и решение обратной задачи геоэлектрозондирования с использованием этих параметров для определения искомых электрофизических параметров исследуемой среды, а также средства для построения профильных временных разрезов, отражающих искомое распределение по глубине указанных трех электрофизических параметров среды.

Отличительной чертой предложенного комплекса является то, что забортное оборудование комплекса для измерения первых и вторых пространственных разностей потенциалов в исследуемой среде содержит пару трехэлектродных эквидистантных измерительных датчиков электрического поля - триполей, встроенных в генераторно-приемную косу таким образом, чтобы во время ее перемещения по круговому профилю триполи располагались симметрично относительно диаметра кругового профиля, проходящего через центр генераторной линии, а их центры располагались на круговом профиле диаметрально противоположно, симметрично относительно центра генераторной линии (см. Фиг.1, 2), при минимальном расстоянии по хорде между центром генераторной линии и средним электродом каждого триполя, соизмеримом с заданной глубиной зондирования. А указанная коса снабжена концевым обтекаемой формы буем 5 со встроенной в него персональной системой определения его координат в пространстве (например, «GPS»/«ГЛОНАСС»-приемник), служащих исходными данными для расчета текущих координат расположения указанных триполей на круговом профиле зондирования в процессе перемещения косы в водной среде в заглубленном положении. Для более точного определения координат каждого измерительного триполя во время зондирования каждый триполь может быть снабжен дополнительно персональным буем 6 с индивидуальным «GPS»/«ГЛОНАСС»-приемником.

На Фиг.2 представлена блок-схема измерения первой и второй пространственных разностей потенциалов, содержащая, помимо указанных триполей 4, соответствующие усилители 7, 8, регистраторы переходных процессов 9 и персональный компьютер 10.

Полная блок-схема Исследовательского комплекса для осуществления предложенного способа геоэлектроразведки представлена на Фиг.3. Блок-схема включает в себя судно-буксир 1 с набортным оборудованием в виде усилителей первой пространственной разности потенциалов 7 и усилителей второй пространственной разности потенциалов 8, регистраторов переходных процессов 9 (количество усилителей 7, 8 и регистраторов 9 равно количеству измерительных триполей), персонального компьютера 10, компьютера 11, средств представления геоэлектрической информации 12, источника управляемых токовых импульсов, включающего дизель-генератор 13, согласующий трансформатор 14, выпрямитель 15, коммутатор-формирователь зондирующих импульсов 16, и автоматической системы управления движением судна (АСУД) 18, связанной с рулем судна 19; в состав забортного оборудования входят (см. Фиг.1, 3) буксируемая по круговому профилю (например, против часовой стрелки) генераторно-приемная коса 2, со встроенными в нее генераторной линией 3, измерительными триполями 4, концевым буем 5 и индивидуальными для двух триполей буями 6 с приемниками «GPS»/«ГЛАНАСС». В состав забортного оборудования входит также балластное сопротивление 17.

В генераторно-приемную косу 2, изготовленную из многожильного коаксиального кабеля в полиэтиленовой изоляции и имеющую при погружении в морскую воду регулируемую плавучесть, встроены:

а) генераторная линия 3 (см. Фиг.1, 2), имеющая контакт на морскую воду с помощью электродов, расположенных в точках А и В. Длина базы (расстояние между указанными электродами) в зависимости от геологической задачи, электропроводности исследуемой среды и целевой глубины зондирования осадочного чехла выбирается в пределах от нескольких сотен метров до 1000 м. Электроды А и В генераторной линии 3 выполняются из износостойкого при работе в морской воде проводящего материала, например графитопласта или заменяемого (расходного из-за износа в процессе эксплуатации) медного проводника. Генераторная линия 3 изготавливается из мощного коаксиального кабеля, медная экранная оболочка которого имеет малое расчетное значение погонного электрического сопротивления (например, 0,25 Ом/км) и используется для подвода электрического тока к дальнему электроду В генераторной линии. Ближний электрод А данной линии располагается на удалении около 50 м от кормы судна и ток от генератора зондирующих импульсов подводится к нему по отдельному низкоомному отрезку электрического проводника (не показано);

б) триполи 4 (M₁ O₁ N₁) и (M₂ O₂ N₂) встроенные в косу 2 так, чтобы во время их перемещения по круговому профилю они располагались симметрично относительно диаметра кругового профиля, проходящего через центр O генераторной линии 3, а их центральные электроды O₁ и O₂ располагались на профиле диаметрально противоположно, симметрично относительно центра генераторной линии при минимальном расстоянии по хорде, между центром генераторной линии и средним электродом каждого триполя, соизмеримом с заданной глубиной зондирования (глубиной залегания искомого, например, нефтегазового объекта). Диапазон практически применяемых длин одного плеча эквидистантного триполя 4 (MO и NO) лежит в пределах 100÷300 м.

Указанные конструктивные требования являются определяющими для расчета необходимых линейных размеров генераторно-приемной косы 2. Измерения, получаемые с использованием данной пары триполей, являются наиболее помехозащищенными, а значит и информативными, так как в данном случае указанные пространственные разности потенциалов измеряются в ортогональном относительно генераторной линии 3 направлении. Важно, что ортогональные разности потенциалов, пропорциональные E_y-компоненте электромагнитного поля, как отмечалось выше, менее подвержены влиянию экранирующих свойств верхнего высокопроводящего слоя морской воды при искомом зондировании геологических формаций морского дна.

в) концевой обтекаемой формы буй 5 со встроенной независимой системой определения его координат («GPS» или «ГЛОНАСС»-приемники), служащих исходными данными для расчета координат расположения указанных триполей 4 на круговом профиле зондирования при оптимальном для наблюдаемого волнения моря заглублении косы 2. Заглубление необходимо для того, чтобы уменьшить воздействие на измерительные триполи гидромагнитных помех, порождаемых ветровым волнением морской среды;

г) при необходимости каждый из триполей 4 может быть снабжен индивидуальным буем 6 (см. Фиг.2), (на блок-схеме, Фиг.3, эти буи изображены в виде структурного блока 6, электрически связанным с набортным персональным компьютером 10).

В состав источника управляемых токовых импульсов входят последовательно соединенные дизель-генератор переменного тока 13 (мощностью от 100 кВт до 300 кВт, в морском исполнении), согласующий трансформатор 14, выпрямитель 15 и коммутатор-формирователь зондирующих импульсов 16 (который может быть выполнен, например, на основе мощных управляемых транзисторов, способных пропускать импульсные токи в 1000А). Функция последнего (в том числе) - обеспечивать во время паузы между рабочими импульсами тока переключение генератора зондирующих импульсов с генераторной линии 3 на балластное сопротивление 17, что необходимо для того, чтобы во время паузы резко не менялся режим нагрузки на дизель-генератор. Это техническое требование необходимо для безопасной его эксплуатации.

Диапазон изменения периодов повторения зондирующих импульсов лежит в пределах от 0,0625 с до 64 с (соответственно, максимальная длительность зондирующего импульса равна 16 с) с возможностью дискретного изменения периода с шагом, кратным числу 2. Для нефтегазового поиска обычно используются импульсы с длительностью от 2 с до 10 с. Требуемая мощность (Р_д) дизель-генератора 13 зависит от величины сопротивления (R_г) генераторной линии 3 (куда входит сопротивление кабеля и переходное сопротивление электродов А и В генераторной линии 3 на морскую воду) и необходимой величины амплитуды тока зондирования (I_г), пропускаемого через генераторную линию 3. Максимальное значение амплитуды тока при работе от бортовых электрических дизель-генераторов обычно не превышает 1000А, а минимально достижимое значение R_г составляет величину 0,2÷0,4 Ом. При мощности Р_д=100 кВт и R_г=0.2 Ом возможно получение I_г=500÷600А. Таким образом, экранирующая оболочка коаксиального кабеля (по которой зондирующий ток подводится к дальнему электроду генераторной линии В) для предлагаемого комплекса должна иметь такое расчетное сечение, чтобы ее сопротивление в сумме с переходным сопротивлением на морскую среду электродов А и В генераторной линии 3 составляло величину не более вышеуказанных 0,2÷0,4 Ом.

Сигнальные проводники в полиэтиленовой изоляции, соединяющие измерительные триполи 4 и набортные усилители пространственных разностей потенциалов 7, 8, и забортные буи 5, 6 с персональным компьютером 10 проходят единым жгутом сначала внутри изолированной от морской среды экранирующей оболочки из меди, служащей проводником импульсного электрического тока к дальнему от корабля электроду В генераторной линии 3. Затем продолжаются в виде жгута в едином изолированном шланге с необходимыми выводами проводников в местах подключения электродов измерительных триполей 4 и выходов буев 5, 6. (не показано).

Измерительно-вычислительная система (ИБС) предлагаемого исследовательского комплекса содержит подключенные к выходу каждого триполя 4 (см. Фиг.2, 3) усилители 7 первой пространственной разности потенциалов (ΔU(t_i)) в исследуемой среде и усилители 8 второй пространственной разности потенциалов (Δ²U(t_i)), набортные регистраторы переходных процессов 9 (по числу триполей в косе), представляющие собой 24-разрядные вольтметры, с помощью которых производится регистрация результатов измерений произведенных с помощью триполей 4 и усилителей 7 и 8, а также первичная обработка зарегистрированных данных и запись полученной в цифровом виде информации на промежуточную память.

Кроме того, ИВС содержит, по меньшей мере, два компьютера 10 и 11 (см. Фиг.3). На вход первого персонального компьютера 10 подключены выходы указанных регистраторов 9, с которых в этот компьютер 10, последовательно, в мультиплексерном режиме считывается предварительно запомненная цифровая информация для архивирования экспериментальных данных, дополнительной обработки зарегистрированных пространственных разностей потенциалов электрического поля и расчета соответствующих множеств ДНЭ-параметров. Дополнительная обработка измеренных сигналов делается для улучшения отношения сигнал/помеха (например, накопление сигнала методом «винзуризированного среднего» или по «выборочной медиане»). В данном случае имеются в виду помехи, порождаемые естественными магнитосферно-ионосферными или грозовыми источниками электромагнитного поля, а также помехи вибрационной и гидромагнитной природы, возникающие во время движения косы 2 в водной среде.

По исходным данным, полученным от «GPS»/«ГЛОНАСС»-приемника (в варианте оборудования комплекса с одним концевым буем 5), расчетным путем определяются с помощью указанного компьютера 10 текущие координаты положения триполей 4 в пространстве в процессе круговых перемещений косы в водной среде, в заглубленном положении.

Буксировка исследовательским судном генераторно-приемной косы по круговому профилю зондирования с заданным диаметром профиля обеспечивается автоматической системой управления движением судна (АСУД) 18, связанной с рулем судна 19.

Конфигурация косы 2 с одиночным концевым буем 5 используется при проведении электроразведочных работ по круговым орбитам в местах морского шельфа, где нет сильных течений, при скорости буксировки косы, равной примерно 5÷7 узлов. Отметим, что при скорости 5÷7 узлов обтекание косы морской водой становится заведомо турбулентным. При этом из-за сильного сопротивления водной среды поперечному движению косы последняя будет повторять траекторию движения исследовательского судна.

При относительно сильных течениях морской воды в зоне проведения электроразведочных работ круговой профиль зондирования будет частично деформироваться, поэтому для лучшего контроля положения измерительных триполей 4 в пространстве, в генераторно-приемную косу 2, к каждому триполю 4, встраиваются дополнительные индивидуальные буи 6 со своими «GPS»/«ГЛОНАСС»-приемниками. Либо в таком районе не проводится электроразведка по круговым профилям. На Фиг.2, 3 указанные индивидуальные буи обозначены цифрой 6, и информация о более точном определении местоположения триполей 4 в пространстве от указанных приемников передается в персональный компьютер 10. Допустимо возможное соотношение скорости буксировки косы 2 и течения в районе работ определяются экспериментально во время опытно-методических работ.

Компьютер 11 предназначен для решения обратной задачи геоэлектрозондирования на основе использования двусторонних ДНЭ-параметров, рассчитанных с помощью персонального компьютера 10, и может входить в набортное оборудование предлагаемого комплекса или быть частью стационарного берегового измерительно-вычислительного комплекса. Передача цифровой информации из персонального компьютера 10 в компьютер 11 осуществляется известным стандартным способом: по проводной связи, когда компьютеры находятся в одной судовой лабораторной комнате, либо с использованием вспомогательных съемных цифровых дисков.

Результаты каждого частного решения обратной задачи геоэлектроразведки относят к условной точке зондирования (середина участка среды, на котором производились измерения). Условные точки зондирования геоэлектрической среды, сепарированные по принципу их симметрии относительно диаметра кругового профиля, проведенного через центр генераторной линии, и полученные на отдельных последовательных круговых профилях объединяют в линейные профили, секущие исследуемый геологический объект, и по этим профилям строятся временные (эквивалентно глубинные) геоэлектрические разрезы среды по указанным электрофизическим параметрам (σ, η, τ). Предложенные «Способ геоэлектрозондирования» с использованием дифференциально-нормирующего метода электроразведки с фокусировкой тока - ДНМЭ-ФТ и «Исследовательский комплекс для его осуществления» позволяют реализовать технический результат: значительно расширить возможности геоэлектроразведки на морском шельфе - повысить производительность (не менее чем в 2 раза по сравнению с ближайшим аналогом), эффективность и надежность электроразведочных работ при меньших финансовых затратах и тем самым получить значительный экономический эффект.

Предлагаемое изобретение соответствует условию промышленной применимости, так как дифференциально-нормирующий метод геоэлектроразведки, заложенный в основу изобретения, давно применяется на практике и наиболее полно описан в «Методическом пособии» [7]. А набортное и забортное оборудование «Исследовательского комплекса для осуществления предложенного способа геоэлектроразведки», представленное на блок-схеме Фиг.3, имеет практически реализованные и используемые для морской электроразведки аналоги, описанные в работе [15]. Концевой буй 5 и индивидуальные буи 6 являются стандартно выпускаемыми устройствами.

Список использованных источников

1. ″Upstream boom likely to frustrate North Sea investment opportunities″, First Break, 25. January, 2007, p.p.21-24 (публикация консалтинговой компании: ″Established UK oil and gas consultancy Hannon Westwood″).

2. Johansen S.E., Amundsen H.E.F., Rosten T. et al. Subsurface hydrocarbons detected by electromagnetic sounding. First Break, 23 March, 2005, p.p.31-36.

3. MacGregor L., Andreis D., Tomlinson J. and Barker N. Controlled - source electromagnetic imaging on Nuggets-1 reservoir. The Leading Edge, August 2006. p.p.984-992.

4. Комаров В.А. Электроразведка методом поляризации. -Л.: Наука, 1980, с.6.

5. Агеев В.В., Светов Б.С. Влияние поляризации горных пород на результаты электромагнитных зондирований. Физика Земли, 1999, №1, с.19-27.

6. Авторское свидетельство SU (11) 1701046 (13) A3 (Заявка от 12.02.1990).

7. Легейдо П.Ю., Мандельбаум М.М., Рыхлинский Н.И. Дифференциально-нормированные методы геоэлектроразведки. Методическое пособие: Изд. Роскомнедра, ГГП Иркутскгеофизика, Иркутск, 1996, - 144 с.

8. В.А. Белаш. Способ морской геоэлектроразведки. Авт. св. СССР №1122998 от 03.06.1983 г., Бюл. №41, 1984 г.

9. Л.Л. Ваньян. Основы электромагнитных зондирований. -М.: «Недра», 1965, стр.28-30.

10. Патент RU №2324956 от 15.06.2006 г.

11. Рыхлинский Н.И., Бубнов В.П., Кашик А.С. Дифференциально-нормированный метод электроразведки для обнаружения и оконтуривания залежей углеводородов. Препринт: Центральная геофизическая экспедиция, ВНИИ организации, управления и экономики нефтегазовой промышленности. М. 1991 г. - 20 с.

12. Патент RU №2235347 от 11.08.2003 г.

13. Патент RU №2219568 от 20.12.2003 г.

14. Патент RU №2279106 от 22.03.2005 г.

15. Богданов Г.А., Кобзарев Г.Ю., Делил С.В. и др. Опыт применения и геологические результаты работ дифференциальным нормированным методом электроразведки на российской акватории Каспийского моря, Геофизика, 2004, №5, с.38-41.

16. Патент RU №2301431, от 24.03.2005 г.

17. Труды 8 Международной конференции и Выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ-RAO/CIS OFFSHORE, 11-13 сентября 2007 г., Санкт-Петербург, статья: Велихов Е.П., Лисин А.С., Рыхлинский Н.И. О разрешающей способности метода переходных процессов с фокусировкой электрического тока при поисках скоплений углеводородов в глубоководных зонах морского шельфа.

18. Патент RU №2236028, от 07.10.2003 г.

19. Патент RU №2284555, от 01.06 2005 г., вариант №1.

20. Шейнман С.М., Об установлении электромагнитных полей в земле: Прикладная геофизика, 1947, выпуск 3.

21. Davydycheva S., Rykhlinski, К., and P.Legeido., 2006, Electrical-prospecting method for hydrocarbon search using the induced-polarization effect. - Geophysics, Vol.71, N0.4, p.p.G179-G189.

22. Менухов В.В. Сверхемкие электрохимические конденсаторы. - М., «Электронные компоненты», 2000, №5, с.59-62.