Geum.ru

«Становление электромагнитного поля над наклонными геоэлектрическими границами и поляризующимися средами»

Вид материалаДоклад

Содержание


Цель исследования
Научные задачи исследования
Подобный материал:
ДОКЛАД

Павлова Евгения Владимировича по диссертации «Становление электромагнитного поля над наклонными геоэлектрическими границами и поляризующимися средами» по специальности 25.00.10, «геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых» на соискание ученой степени кандидата технических наук.


Объектом исследования данной работы являются геологические среды, которым свойственна дисперсия удельного электрического сопротивления и сложная геометрия отдельных тел.

Методы зондирования становлением поля (ЗС) и вызванной поляризации (ВП) успешно развиваются на протяжении более 50-ти лет. К настоящему времени достаточно полно разработаны физико-математические основы этих методов, что позволяет решать широкий круг геологических задач. Однако остается ряд нерешенных теоретических и методических вопросов, ответы на которые будут способствовать более полной реализации возможностей этих методов. В частности, недостаточно учитывалось влияние эффектов вызванной поляризации и геометрии геоэлектрических границ на электромагнитный отклик.

Эффекты ВП однозначно диагностируются по полевым данным только при использовании совмещенной петлевой установки, когда наблюдаемые сигналы меняют знак. Во многих других случаях поляризационный процесс искажает наблюдаемый сигнал становления поля, однако смены знака при этом не происходит. В этом случае определение причины искажений вызывает наибольшие сложности, поскольку аналогичные явления могут возникать не только за счет поляризуемости горных пород, но и за счет неоднородностей геологической среды.

Имеются также вопросы в связи с так называемым сверхразрешением: часто по экспериментальным данным наземных электромагнитных зондирований выделяются объекты, которые не должны заметно влиять на результаты измерений из-за малого вклада в суммарную продольную проводимость геоэлектрического разреза.

Актуальность исследований определяется необходимостью разработки алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований с использованием трехмерного моделирования геоэлектрической среды, с учетом слабого наклона геоэлектрических границ и петрофизических характеристик горных пород.

Цель исследования - повышение достоверности и информативности электромагнитных методов путем разработки более совершенных алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований, в основе которых лежит одномерное моделирование с учетом частотной дисперсии и трехмерное моделирование геоэлектрической среды.

Научные задачи исследования

1. Определить влияние дисперсии удельного электрического сопротивления, расположения установки относительно поверхности наблюдения и наклона геоэлектрических границ на измеряемый сигнал в электромагнитных зондированиях. Установить качественные признаки наличия в геоэлектрическом разрезе слабонаклонных границ (по форме кривых зондирований и их трансформантам).

2. Оценить зависимость электромагнитного отклика геологического разреза от пористости горных пород через параметры поляризации и разработать алгоритм интерпретации для геоэлектрических моделей поляризующихся сред, которые содержат большое количество определяемых параметров.

В работе использовались идеи специалистов в области электромагнитных методов, внесших существенный вклад в развитие физико-математических основ метода зондирования становлением поля и метод ВП: Это такие исследователи как Л.Л. Ваньян, А.А. Кауфман, Г.М. Морозова, Б.С. Светов, А.А. Сидоров, Л.А. Табаровский, В.П. Губатенко, Ф.М. Каменецкий, В.В. Кормильцев. Метод возмущений для решения двух-, трехмерных прямых задач применяли: Г.Г. Обухов, А.А. Кауфман, Л.А. Табаровский, J.E. Mann, и др.

Теоретической основой решения поставленной задачи являются классические уравнения электродинамики Максвелла в квазистационарном приближении. Для моделирования электромагнитного отклика над горизонтально-слоистой поляризующейся средой использовалось решение прямой одномерной электродинамической задачи с учетом частотной дисперсии (ЧД) удельного электрического сопротивления по модели Cole-Cole (Антонов Е.Ю., 1993). Для трехмерного моделирования электромагнитного отклика геологического разреза использовалось решение прямой трехмерной электродинамической задачи (Антонов Е.Ю., 1989), в основе которой лежит метод возмущений.

В практике проведения электроразведочных полевых работ и первичной оценки экспериментального материала важно иметь простой инструмент для определения в рамках каких классов геоэлектрических моделей возможна корректная интерпретация измеренного электромагнитного отклика от среды.

Применение дифференциальной трансформанты позволяет определять, возможна ли обработка сигнала в рамках одномерных геоэлектрических моделей среды или необходимо использовать двух-, трехмерные модели сред.

При интерпретации кривых выделяются участки с постоянным градиентом, которые отождествляются с отдельными слоями разреза. По определению, кривая является монотонно возрастающей функцией по глубине.

На графике, сигнал в совмещенной петлевой установке практически нечувствителен к наклону границы. В установке Q-AB наблюдаются существенные искажения, обусловленные слабой негоризонтальностью границы пласта. Эти искажения носят качественный характер. Появление на кривых участков понижения продольной проводимости по глубине указывает на невозможность интерпретации измеренного сигнала в рамках горизонтально-слоистой среды. Результаты математического моделирования сигналов в индукционной (Q-Q) и индукционно-гальванической (Q-AB) установках показывают различную чувствительность этих типов установок к слабой латеральной неоднородности разреза. (См. слайд)

На графике хорошо видно, что небольшие углы наклона качественно изменяют кривые , на них появляется интервал глубин, на котором суммарная продольная проводимость уменьшается с глубиной. (См. слайд)

Рассмотрим результаты расчетов аномального сигнала. На графике приведены кривые сигнала для электрической и магнитной частей аномальной ЭДС в горизонтально-слоистой среде. В этом случае, аномальный сигнал формируется исключительно вихревыми токами, то есть содержит преимущественно магнитную моду. Сигнал, соответствующий электрической моде, пренебрежимо мал. При появлении наклона границы, вклады вихревой и гальванической составляющих аномального отклика, становятся сопоставимыми. Причем, на ранних временах магнитная и электрическая моды имеют разные знаки и компенсируют друг друга. На поздних временах, из-за смены знака вихревой составляющей, вклады электрической и магнитной мод в аномальный сигнал суммируются. Это обстоятельство приводит к появлению на кривых интегральной продольной проводимости участков понижения значений кажущейся проводимости, что является качественным признаком негоризонтальности границы пласта. (См. слайд)

Сравним влияние ЧД удельного электрического сопротивления и наклона границы на кривые . Берем три пятислойные модели: с поляризующимся слоем, без поляризованного объекта и со слабонаклонной границей четвертого слоя. Поляризуемость слоя не приводит к качественным изменениям поведения кривой . В этом случае только немного увеличивается суммарная продольная проводимость разреза. Слабый наклон границы, напротив, приводит к тому, что на кривой появляются участки, где кажущаяся продольная проводимость уменьшается, т. е. происходит качественное изменение кривой . Отсюда следует, что феномен высокоразрешающей электроразведки может быть связан с латеральной неоднородностью геоэлектрического разреза. (См. слайд)

Разработан алгоритм решения прямой задачи с учетом наклона установки петля-петля относительно дневной поверхности и реализован в виде программного модуля. Этот алгоритм позволяет проводить моделирование электромагнитного отклика и оценить влияние угла наклона установки на дифференциальную трансформанту . Рассмотрим четырехслойную модель горизонтально-слоистой среды: целевым объектом в этой геоэлектрической модели является 3-й слой, залегающий на непроводящем основании на глубине 20 м. Размеры генераторной и приемной петель 1010 м2. На графике видно, что малые изменения продольной проводимости водонасыщенного слоя приводят к относительно небольшим изменениям кажущейся продольной проводимости, которые не носят качественного характера. При увеличении угла наклона установки , кажущаяся глубина увеличивается, а кажущаяся продольная проводимость уменьшается, что объясняется уменьшением суммарной продольной проводимости разреза за счет изменения мощности непроводящей прослойки. Таким образом, изменение угла наклона установки  влияет на кажущуюся продольную проводимость на всем интервале кажущихся глубин.

Результаты интерпретации данных электромагнитных методов обычно представляются в виде распределения электрических свойств в геологическом разрезе. Однако для геологов распределения удельного электрического сопротивления недостаточно. Приходится эмпирическим путем находить связь между сопротивлением горных пород и такими характеристиками как пористость, вещественный и минеральный состав. Поэтому представляется исключительно важным увязывание данных лабораторных физических измерений на образцах горных пород с параметрами, используемыми в электроразведке для описания свойств геоэлектрических разрезов.

В качестве петрофизической модели, описывающей зависимость спектра удельного электрического сопротивления от пористости и водонасыщенности, использовались экспериментальные частотные характеристики образцов, которые связаны с моделью Cole-Cole такой функциональной зависимости. (См. слайд)

Измерения частотных спектров полного удельного электрического сопротивления пород проводилось в СНИИГГиМС, в диапазоне частот от 0.01 Гц до 1 МГц. Использовались серийные измерители импеданса ВМ 507, ВМ 538 и лабораторная установка (разработка СНИИГГиМСа).

Коллекция образцов терригенных осадочных пород из скважины № 3143 Тянской площади (Широтное Приобье) представлена в основном мелкозернистыми песчаниками.

Для определения параметров Cole-Cole по экспериментальным частотным характеристикам использовался минимизационный алгоритм, блок-схема которого изображена на слайде.

На графике показаны экспериментальные и синтетические частотные характеристики для образца 12с, видно, что среднее относительное расхождение не превышает 0.7% для минерализации 1 г/л.

Возьмем образцы 21с и 25 с пористостью 26.3% и 22.6%, соответственно. На графике приведены результаты подбора экспериментальной частотной характеристики по модели Cole-Cole для двух минерализаций раствора. Видно, что с увеличением пористости, удельное электрическое сопротивление уменьшается во всем частотном диапазоне. Действительно, чем больше пористость, тем большее количество флюида заполняет поры. Это приводит к увеличению интегральной проводимости и, соответственно, уменьшению удельного электрического сопротивления образца.

Выберем трехслойную модель с поляризующимся вторым слоем (установка, разнос равен 11 м, ток в генераторной линии 10 A). Значения параметров Cole-Cole для второго слоя соответствует параметрам поляризуемости для образцов 21с, 25 при минерализации 16 г/л. На графике показана зависимость электромагнитного отклика от пористости второго слоя. Видно, что амплитуда сигнала выше для пород с более высокой пористостью.

В настоящее время практическое применение получил дифференциально-нормированный метод электроразведки (ДНМЭ), основанный на измерении многокомпонентных дифференциальных пространственных и временных параметров электромагнитного поля.

При интерпретации данных ДНМЭ используются дифференциально-нормированные параметры (ДНП) dU, P1, Dfi. Параметры P1 и Dfi обладают повышенной чувствительностью к параметрам поляризации. Это обстоятельство позволяет получать хорошо дифференцированные по поляризационным параметрам разрезы.

Для сокращения времени, затраченного на инверсию, предложена многоступенчатая схема. В основе этой схемы лежит алгоритм минимизации Нелдера-Мида. Такой подход позволяет, последовательно используя алгоритм минимизации Нелдера-Мида для подбора однотипных параметров, получать распределение поляризационных параметров в геоэлектрическом разрезе.

Инверсия экспериментальных данных ДНМЭ. На графике представлены результаты инверсии данных, полученных на юге Сибирской платформы. Удалось провести инверсию с минимальным количеством поляризационных параметров для такого типа моделей сред.

На графиках хорошо, что среднеквадратичное расхождение для дифференциально-нормированных параметров и не превышает соответственно 4%, и 3%.

В заключение сформулирую защищаемые научные результаты.
  1. Доказано, что вклад гальванической моды в электромагнитный отклик существенно увеличивается при наличии в геологическом разрезе наклонных границ. На кривых кажущейся продольной проводимости (S(H)) появляются участки с понижением продольной проводимости по глубине для зондирующей установки «петля - электрическая линия». Сравнительный анализ синтетических электромагнитных откликов в среде со слабонаклонной границей пласта и с поляризующимся пластом показал, что небольшие углы наклона пластов находят отражение в качественных изменениях формы кривых S(H), в то время как даже сильно поляризованный пласт только завышает суммарную продольную проводимость разреза, не меняя форму кривых S(H).
  2. Сравнительный анализ электромагнитного отклика с различными значениями параметров поляризуемости горных пород показал, что при известной минерализации флюида, заполняющего поровое пространство, пористость горной породы влияет на уровень регистрируемого сигнала: на поздней стадии становления уровень регистрируемого сигнала тем выше, чем больше пористость горной породы, (по коллекции керна из скважины Тянской площади, Западная Сибирь).


Спасибо за внимание.


Соискатель Е.В. Павлов


Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор физико-математических наук Ю.А. Дашевский