Способ и система для измерения удельного сопротивления методом постоянного тока при неустановившемся режиме

011317 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к измерению удельного сопротивления методом постоянного тока при неустановившемся режиме. Дополнительно изобретение относится к системе и способу для оценивания отклика земли с использованием таких измерений удельного сопротивления методом постоянного тока при неустановившемся режиме для определения, например, углеводородных или водоносных формаций. Предшествующий уровень техники Пористые породы насыщены текучими средами, такими как вода, газ или нефть или их смеси. Протекание тока в грунте определяется удельными сопротивлениями таких пород, на которые влияют насыщающие текучие среды. Например, насыщенные солевым раствором пористые породы имеют значительно меньшее удельное сопротивление, чем те же породы, наполненные углеводородами. Таким образом,геофизической целью является определение наличия углеводородов путем измерения удельного сопротивления геологических формаций. Если испытания, использующие другие способы, например сейсмическую разведку, предполагают, что геологическая формация потенциально может нести углеводороды,то перед бурением важно иметь некоторые указания относительно того, действительно ли формация содержит углеводороды или она, в основном, содержит воду. Это может быть сделано с использованием электромагнитных способов, более конкретно электромагнитных способов во временной области. Около столетия методы постоянного тока используются на поверхности земли для определения подповерхностного распределения удельного сопротивления. Наиболее ранняя работа была написана братьями Шлюмберже и Винером (Wenner, F., 1912, A method for measuring earth resistivity. US Bureau ofStandards Bulletin, 12, 469-478.). Существует три основных метода исследования удельного сопротивления с использованием постоянного тока: вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), профилирование и построение изображения. В исследовании ВЭЗ размеры выбранной измерительной установки возрастают, в то время как центральная точка установки остается неподвижной. Поскольку установка расширяется, токи проникают глубже и результирующие кривые зондирования интерпретируются как изменения удельного сопротивления по глубине. В исследованиях профилированием для конкретной глубины исследования выбираются как тип установки, так и ее размеры. Установка перемещается по поверхности для определения горизонтальных изменений удельного сопротивления. Построение изображения, или способ томографии сопротивления грунта (ТСГ), комбинирует ВЭЗ и профилирование. В грунте на одинаковых расстояниях размещают большое количество электродов и соединяют их с помощью многожильного кабеля с измерителем удельного сопротивления. Система работает под управлением программного обеспечения, причем любые два электрода могут быть выбраны как токовые электроды и любые другие два электрода могут быть выбраны как потенциальные (разностно потенциальные) электроды. Получают значения удельного сопротивления в поперечном сечении под профилем, указывающие изменения как вдоль поверхности, так и по глубине. Измерения методом постоянного тока производятся введением постоянного тока между двумя электродами S1 и S2 источника и измерением напряжения между двумя электродами R1 и R2 приемника. Из тока I, вводимого на электродах источника, и напряжения V, измеренного на электродах приемника,по закону Ома получается значение кажущегося сопротивления землиRapp=V/I, Ом (1) Кажущееся значение подповерхностного удельного сопротивления app может быть получено из этого сопротивления какapp=kRapp, Омм (2) где k имеет размерность метров и является геометрическим коэффициентом, который зависит от расположения четырех электродов. С использованием этого кажущегося удельного сопротивления может быть определено истинное подповерхностное удельное сопротивление. Хороший обзор способов определения распределения истинного значения подповерхностного удельного сопротивления из значений кажущегося удельного сопротивления дан Локом М.Н., 1999 г., в Electrical imaging surveys for environmental andengineering studies (http://www.abem.com/ftp/Loke/2Dnotes.pdf). Существует несколько хорошо известных расположений четырех электродов для измерений методом постоянного тока, три из которых показаны на фиг. 1-3. На фиг. 1 показана установка Винера, на фиг. 2 показана установка Шлюмберже, и на фиг. 3 показана диполь-дипольная установка. Для каждой установки имеется отдельный коэффициент k, как дано ниже: Диполь-дипольная установка, показанная на фиг. 3, изменения вдоль поверхности определяет луч-1 011317 ше, чем изменения по глубине. Разность потенциалов, которая должна быть измерена между потенциальными электродами, затухает с кубической зависимостью от расстояния от токовых электродов. Это ограничивает применение конфигурации установки для практических целей для значений n6. Эдвардс(Edwards, L.S., 1977, A modified pseudosection for resistivity and IP. Geophysics, 42, 1020-1036) обсуждал представление псевдопрофилей для удельного сопротивления и вызванной поляризации (induced polarization,IP) применительно к диполь-дипольной установке. Представлены теоретические и практические результаты для n6 и дана ссылка на идеальную установку с n=. Как показано на фиг. 5, глубина исследования d зависит от дипольных расстояний а и интервала между диполями na. В этом случае максимальная глубина исследования d, для которой может быть выведено удельное сопротивление земли, зависит от расположения и имеет значение порядка (n+2)а/5. На практике, поскольку амплитуда сигнала в приемнике уменьшается примерно как (na)-3, в то время как уровень шума не зависит от n и a, отношение сигнал/шум уменьшается как (na)-3. Уровень сигнала может быть увеличен путем увеличения тока, вводимого источником, и путем увеличения расстояния между диполями а. При уровнях тока, которые могут быть безопасно введены в грунт, n имеет значение обычно не более чем 6, и, следовательно,d1,6a (6) Другими словами, глубина исследования d меньше, чем помноженное на 1,6 расстояние между электродами источника или приемника. Увеличение а увеличивает глубину исследования, однако, снижает разрешение отражаемого распределения подповерхностного удельного сопротивления. При осуществлении измерений методом постоянного тока установлено, что электроды становятся поляризованными, если ток в течение длительного времени имеет такую же полярность и получается ложное измерение напряжения в земле между R1 и R2. Для преодоления этой проблемы используются две стратегии. Одна стратегия состоит в использовании неполяризующих электродов. Другой, более популярный, подход состоит в периодическом переключении полярности постоянного тока, в действительности, это дает переменный прямоугольный вводимый ток, или переменный ток. Все современное оборудование использует этот метод. В подходе с переменным током могут быть введены такие изменения, как переключение тока на нуль на определенный период, например, как показано на фиг. 4. В этом случае период Т между переключениями обычно имеет значения порядка 1 с. Зависимость, показанная здесь, повторяется каждые 4T. В периоды, когда между электродами S1 и S2 источника включается ток, производится оценка результирующего постоянного напряжения между R1 и R2. В действительности, напряжение между R1 и R2 в этот период в точности не является постоянным, поскольку сигналу необходимо некоторое время для достижения установившегося значения и имеется шум. Для компенсации шума используются различные методы усреднения. Следует отметить, что в этом контексте термины постоянный ток и удельное сопротивление, измеренное методом постоянного тока означают, по существу, низкую частоту, а не нулевую частоту. Это уже принято в отрасли геофизических исследований. Каждый раз, когда ток на электродах источника переключается, земля дает отклик и напряжение на электродах приемника меняется. Протекание тока в грунте определяется уравнением диффузии, и для достижения откликом установившегося состояния требуется время. Это хорошо известно, и оценка уровня постоянного тока измеряется во временном интервале, сдвинутом по направлению к окончанию периода, в котором ток включен. Например, измеритель удельного сопротивления Geopulse Tigre использует измерения напряжения, которые производятся в течение последней 4/5 периода включенного тока(инструкция пользователя, измеритель удельного сопротивления Geopulse, Campus International ProductsLimited, Concept House, 8 The Townsend Centre, Blackburn Road, Dunstable, Bedford, England LU5 5BQ). Таким образом, известно, что имеется отклик в неустановившемся режиме на переключение тока, однако, после определенного времени считается, что достигнут отклик в установившемся состоянии. При обычном подходе время ожидания достижения установившегося состояния устанавливается на основе опыта, хотя совершенно очевидно, что окончательное значение установившегося состояния никогда не будет достигнуто. Однако в практических целях для этой расстановки в рамках ограничений измерительных приборов и шума устойчивое состояние обычно достигается после примерно 0,1 с. В некоторых глубинных исследованиях с низким разрешением, когда масштаб установки увеличивается на порядок величины или около того, устойчивое состояние может быть достигнуто, для практических целей,только после нескольких секунд. Пример измеренного отклика напряжения на включенный ток с использованием диполь-дипольной расстановки показан на фиг. 6. Это называется переходной характеристикой. Первая часть отклика показывает начальный скачок напряжения, в этом частном случае за ним следует небольшое падение, за которым следует рост напряжения, который происходит при стремлении к установившемуся состоянию после примерно 0,1 с. На фиг. 7 показана производная во времени от переходной характеристики, показанной на фиг. 6. Это известно как импульсная характеристика. Начальный большой выброс импульсной характеристики соответствует начальному скачку переходной характеристики. За ним следует падение, рост в меньший пик и затем постепенное уменьшение амплитуды, впоследствии стремящейся к нулю с увеличением вре-2 011317 мени. Длительность импульсной характеристики бесконечна, точно так же, как бесконечна и длительность переходной характеристики. Однако амплитуда импульсной характеристики становится все меньше и меньше, ее становится все труднее и труднее измерять. Когда амплитуда слишком мала для измерения, это эффективно определяет длительность неустановившейся импульсной характеристики. Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является улучшение чувствительности измерений удельного сопротивления земли. Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ измерения изменений удельного сопротивления земли, включающий пропускание тока между двумя электродами источника,измерение неустановившегося тока в электродах источника, измерение результирующего неустановившегося напряжения между по меньшей мере одной парой электродов приемника, оценку одной или более функций обработки для применения к измеренному вводимому току, чтобы обеспечить ступенчатый профиль тока, и применение этой одной или более функций обработки к измеренному напряжению для обеспечения оценки переходной характеристики напряжения между приемниками, использование как ступенчатого тока, так и оцененной переходной характеристики напряжения для определения результирующего кажущегося сопротивления земли и использование кажущегося сопротивления земли для определения удельного сопротивления земли. Определение удельного сопротивления земли может быть осуществлено с использованием стандартных способов обратного преобразования удельного сопротивления методом постоянного тока. Функцией обработки может быть фильтр. Альтернативный подход состоит в использовании фильтра для преобразования измеренного тока в импульс и интегрирования результата для получения ступеньки тока. Применение этого же фильтра к измеренному напряжению и интегрирование результата даст переходную характеристику напряжения. Могут быть применены другие способы для получения того же результата. Важное значение имеет то, что способы обработки могут быть использованы для преобразования измеренных неустановившихся вводимого тока и напряжения отклика в ступеньку и переходную характеристику, соответственно, давая, тем самым, отклик по методу постоянного тока. Использование этой технологии улучшает чувствительность измерения удельного сопротивления методом постоянного тока до таких пределов, что значение n может быть увеличено, по меньшей мере,на порядок величины до значения около 80, что, следовательно, позволяет увеличить d до значения примерно 120 а. Таким образом, глубина исследования может быть увеличена более чем на порядок без снижения разрешения отражаемого распределения подповерхностного удельного сопротивления. В соответствии с настоящим изобретением как вводимый ток в источнике, так иизмеряемое напряжение в приемнике измеряются и записываются как зависимость от времени. Временные зависимости преобразуются в цифровые данные и обрабатываются в компьютере с использованием компьютерного программного обеспечения. Компьютерная обработка может включать в себя много операций, включая удаление искусственного шума, такого как формируемый промышленным напряжением в 50 или 60 Гц, и удаление отклика записывающей системы с помощью обращения свертки, как раскрыто в WO 03/023452 А 1. Вводимый ток может быть простой ступенькой, прямоугольным колебанием или даже сигналом модуляции с возвратом к нулю - часто известным как рабочий цикл - показанным на фиг. 4. Также это может быть, например, псевдослучайная бинарная последовательность единиц и нулей или единиц и минус единиц, которая может обеспечить вывод переходной характеристики земли между источником и приемником (и, следовательно, значения в установившемся состоянии). Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система для измерения изменений удельного сопротивления земли, содержащая источник для пропускания тока между двумя электродами источника, устройство измерения тока для измерения неустановившегося тока в электродах источника,устройство измерения напряжения для измерения результирующего неустановившегося напряжения между по меньшей мере одной парой электродов приемника, и процессор, выполненный с возможностью оценки одной или более функций обработки для применения к измеренному вводимому току, чтобы обеспечить ступенчатый профиль тока, с возможностью применения этой одной или более функций обработки к измеренному напряжению для обеспечения оценки переходной характеристики напряжения между приемниками, с возможностью использования как ступенчатого тока, так и оцененной переходной характеристики напряжения для определения результирующего кажущегося сопротивления земли и с возможностью использования кажущегося сопротивления земли для определения удельного сопротивления земли. Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается машиночитаемый носитель данных, на который записана компьютерная программа для определения изменений удельного сопротивления земли с использованием измерения вводимого тока между парой электродов источника и измерения результирующего неустановившегося напряжения между по меньшей мере одной парой электродов приемника,причем компьютерная программа имеет код или команды, при выполнении которых компьютер осуществляет оценку одной или более функций обработки для применения к измеренному вводимому току,чтобы обеспечить ступенчатый профиль тока, применение этой одной или более функций обработки к измеренному напряжению для обеспечения оценки переходной характеристики напряжения между при-3 011317 емниками, использование как ступенчатого тока, так и оцененной переходной характеристики напряжения для определения результирующего кажущегося сопротивления земли и использование кажущегося сопротивления земли для определения удельного сопротивления земли. Перечень фигур чертежей Далее только в качестве примера будут описаны различные аспекты изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, из которых на фиг. 8 показана блок-схема способа определения удельного сопротивления земли с использованием измерений методом постоянного тока; на фиг. 9 показан график измеренного вводимого тока после применения фильтра; на фиг. 10 показан график измеренного напряжения после применения того же фильтра, который был использован для получения результата на фиг. 9; на фиг. 11 показано схематичное представление системы, в которой одна пара электродов источника взаимодействует с множеством пар электродов приемника. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Для осуществления изобретения могут быть использованы расположения электродов источника/приемника, показанные на фиг. 3 и 5. Это требует измерения временной зависимости вводимого тока источника, которое может быть осуществлено измерителем тока, размещенным, в идеале, между электродами источника так, что может быть выполнено прямое измерение вводимого тока. Измеритель тока может быть любого соответствующего вида, например магнитометром. На фиг. 8 показан способ, в котором осуществлено изобретение. На первом шаге неустановившийся вводимый ток проходит между двумя электродами источника и измеряется между двумя электродами приемника. Измеренная зависимость вводимого тока может быть выражена как, скажем, I(t), где t - это время. Этот измеренный ток преобразуется в ступенчатую функцию, скажем, единичной амплитуды путем свертки с фильтром (t), как показано далее:I(t)(t)=H(t-t0) (7) где H(t) - ступенчатая функция и t0 - время ступеньки. Результат показан на фиг. 9. Измеренный отклик напряжения в приемнике равен, скажем, M(t). Отклик может быть свернут с тем же фильтром (t) для получения переходной характеристики X(t):M(t)(t)=X(t) (8) На фиг. 10 показан результат фильтрации измеренного напряжения для получения переходной характеристики. В принципе, как видно, достижение переходной характеристикой значения V установившегося состояния требует бесконечное количество времени и, таким образом, V, в действительности, не измеряется. Конечно, это также верно и для обычных так называемых измерений удельного сопротивления методом постоянного тока. Оценка конечного значения V может быть выполнена с помощью различных подходов, один из которых описан ниже. В результате может быть найдено постоянное напряжение V для вводимого тока 1 А и, таким образом, сопротивление землиRapp=V/1 Ом (9) Значение напряжения V в установившемся состоянии может быть оценено различными методами. Со ссылкой на фиг. 10, измеренное напряжение в следующие моменты времени tt1 описывается как где где t1 может меняться и уменьшается при удалении от источника. Значения V инаходятся подбором кривой, описанной выражением (9), к данным и минимизацией ошибки несовпадения. Это значение затем может быть использовано для определения сопротивления методом постоянного тока. Результирующее значение сопротивления, определенного методом постоянного тока для каждой пары источник-приемник, может быть заложено в программу двумерной или трехмерной инверсии удельного сопротивления, такую как RES2DINV и RES3DINV, как описано Локком (1999), для получения карты распределения подповерхностного удельного сопротивления. Другими вводимыми параметрами в программу должны быть координаты электродов. Для заданной пары источник-приемник измерения могут быть повторены много раз и усреднены(или накоплены), позволяя улучшить отношение сигнал/шум и уточнить оценку значения V. Для заданной пары электродов источника может быть предусмотрено множество пар электродов приемника и,таким образом, может быть проведено множество одновременных измерений напряжений, как показано на фиг. 11. В этом случае электроды источника разделены расстоянием а и каждая пара электродов приемника разделена расстоянием а. В этом примере n выбирается целым числом и его значение равно m,m+1, m+2, m+3 и т.д. Хотя показано расположение, в котором расстояние между электродами источника и каждой пары приемника одинаковы, следует понимать, что возможно множество отличных расположений. Точно также установка целиком может быть сдвинута в сторону, например, на расстояние а или на кратное число а для получения составного покрытия распределения подповерхностного распределения-4 011317 удельного сопротивления. Специалисту в данной области техники будет понятно, что возможны варианты раскрытых установок без отклонения от изобретения. Например, способ может быть применен на земле или на воде. В случае применения в море, электроды не обязательно должны быть на дне моря и могут не требовать стационарности. Вполне возможно, что электродная установка источника-приемника может буксироваться за судном, которое подает ток к источнику и записывает ток источника и напряжения приемника. Соответственно, вышеприведенное описание конкретного варианта осуществления дано только в качестве примера, а не в целях ограничения. Специалисту в данной области техники будет ясно, что могут быть сделаны незначительные модификации без изменений описанного процесса. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ измерения изменений удельного сопротивления земли, включающий пропускание неустановившегося тока между двумя электродами источника, измерение неустановившегося тока в электродах источника, измерение результирующего неустановившегося напряжения между по меньшей мере одной парой электродов приемника, оценку одной или более функций обработки для применения к измеренному вводимому току, чтобы обеспечить ступенчатый профиль тока, и применение этой одной или более функций обработки к измеренному напряжению для обеспечения оценки переходной характеристики напряжения между приемниками, использование как ступенчатого тока, так и оцененной переходной характеристики напряжения для определения результирующего кажущегося сопротивления земли, и использование кажущегося сопротивления земли для определения удельного сопротивления земли. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что применение оцененной функции обработки к измеренному напряжению включает свертку принятых напряжений с оцененной функцией обработки для определения соответствующих переходных характеристик. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что функция обработки является фильтром для преобразования измеренного вводимого тока в ступенчатый профиль. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что одна или более функций обработки содержат фильтр для преобразования измеренного тока в импульс и средства интегрирования результата для получения ступенчатого профиля ввода. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что включает удаление искусственного шума. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что включает оценку напряжения установившегося состояния из переходной характеристики. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что электроды источника и приемника расположены в морской среде. 8. Система для измерения изменений удельного сопротивления земли, содержащая источник для пропускания тока между двумя электродами источника, измерительное устройство для измерения неустановившегося тока в электродах источника, измерительное устройство для измерения результирующего неустановившегося напряжения между по меньшей мере одной парой электродов приемника и процессор, выполненный с возможностью оценки одной или более функций обработки для применения к измеренному вводимому току, чтобы обеспечить ступенчатый профиль тока, с возможностью применения этой одной или более функций обработки к измеренному напряжению для обеспечения оценки переходной характеристики напряжения между приемниками, с возможностью использования как ступенчатого тока, так и оцененной переходной характеристики напряжения для определения результирующего кажущегося сопротивления земли, и с возможностью использования кажущегося сопротивления земли для определения удельного сопротивления земли. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что процессор выполнен с возможностью применения оцененной функции обработки к измеренному напряжению путем свертки принятых напряжений с оцененной функцией обработки для определения соответствующих переходных характеристик. 10. Система по п.8 или 9, отличающаяся тем, что функция обработки является фильтром для преобразования измеренного вводимого тока в ступенчатый профиль. 11. Система по п.8, отличающаяся тем, что одна или более функций обработки содержат фильтр для преобразования измеренного тока в импульс и средства интегрирования результата для получения ступенчатого профиля ввода. 12. Система по любому из пп.8-11, отличающаяся тем, что процессор выполнен с возможностью удаления искусственного шума. 13. Система по любому из пп.8-12, отличающаяся тем, что процессор выполнен с возможностью оценки напряжения установившегося состояния из переходной характеристики. 14. Система по любому из пп.8-13, отличающаяся тем, что электроды источника и приемника расположены в морской среде. 15. Машиночитаемый носитель данных, на который записана компьютерная программа для определения изменений удельного сопротивления земли с использованием измерения вводимого тока между-5 011317 парой электродов источника и измерения результирующего неустановившегося напряжения между по меньшей мере одной парой электродов приемника, причем компьютерная программа имеет код или команды, при выполнении которых компьютер осуществляет оценку одной или более функций обработки для применения к измеренному вводимому току, чтобы обеспечить ступенчатый профиль тока, применение этой одной или более функций обработки к измеренному напряжению для обеспечения оценки переходной характеристики напряжения между приемниками, использование как ступенчатого тока, так и оцененной переходной характеристики напряжения для определения результирующего кажущегося сопротивления земли, и использование кажущегося сопротивления земли для определения удельного сопротивления земли.