Оптимизация параметров электромагнитных измерений при неустановившемся режиме

012773 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к области многоканальных электромагнитных измерений при неустановившемся режиме (Multi-Transient Electromagnetic Surveys, MTEM), используемых для определения отклика земли на электромагнитные импульсы, что позволяет обнаруживать углеводородсодержащие или водоносные формации. В частности, настоящее изобретение касается оптимизации параметров измерений типа MTEM. Предшествующий уровень техники Пористые породы насыщены текучими средами. Такими текучими средами могут быть вода, природный газ, нефть или их смеси. Протекание тока в земле определяется удельными сопротивлениями тех пород, на которые влияют текучие среды, насыщающие породу. Так, пористые породы, насыщенные солевым раствором, имеют гораздо меньшее удельное сопротивление, чем такие же породы, насыщенные углеводородами. Измерение удельного сопротивления геологических формаций позволяет выявлять наличие углеводородов. Это весьма полезно, т.к. в случаях, когда результаты, полученные другими способами, например с использованием сейсмической разведки, свидетельствуют о том, что геологическая формация может содержать углеводороды, измерения удельного сопротивления, проведенные до начала бурения, могут помочь определить, содержит ли данная формация углеводороды, или представляет собой преимущественно водоносный слой. Например, одним из известных способов разведки углеводородов является проведение электромагнитных измерений во временной области. Для электромагнитных исследований во временной области обычно используют передатчик и один или более приемников. Передатчик может представлять собой источник электрического поля, т.е. двухполюсник, или источник магнитного поля, например электрический ток в проволочном витке или наборе витков. Приемники могут представлять собой заземленные многополюсники, предназначенные для измерения разности потенциалов, или проволочные витки, или наборы витков, или магнетометры, используемые для измерения магнитных полей и/или их производных по времени. Передаваемый сигнал часто формируют путем изменения тока в виде ступеньки в источнике электрического или магнитного поля; однако для этой цели может быть использован любой неустановившийся сигнал, включая, например, псевдослучайную двоичную последовательность (PseudoRandom Binary Sequence, PRBS). PRBS представляет собой последовательность, в которой происходит переключение между двумя уровнями сигнала в псевдослучайные моменты времени, разделенные промежутками, кратными элементарному интервалу f. Частота переключений в сигнале PRBS равна fs = 1/t. Сигнал PRBS имеет широкую полосу частот, верхняя граница которой равна половине частоты fs переключений. В последние годы были проведены исследования новой перспективной технологии разведки на основе использования многоканальных неустановившихся электромагнитных сигналов. В статье Hydrocarbon detection and monitoring with a multichannel transient electromagnetic (MTEM) survey авторовWright, D., Ziolkowski, А. и Hobbs, В., (2002), The Leading Edge, 21, 852-864, описан способ многоканальных электромагнитных измерений при неустановившемся режиме. В данном случае используется источник, обычно ток между двумя заземленными электродами, и приемники, обычно измеряющие разность потенциалов между выстроенными по линии электродами. Данный способ также описан в патентном документе WO 03/023452. Сущность изобретения Многоканальная электромагнитная разведка при неустановившемся режиме обеспечивает получение геофизических данных, которые в некоторых отношениях сходны с данными, полученными способами сейсмического отражения и сейсмического преломления. Однако распространение электрических токов в грунте фундаментально отличается от распространения звуковых волн в том же грунте, в результате чего в корне отличается и отклик земли, особенно в том, что касается изменений формы сигнала отклика в зависимости от расстояния и удельного сопротивления покрывающей породы. Цель разведкиMTEM заключается в составлении карты изменений удельного сопротивления подземных пород. Возможность составления такой карты полностью зависит от качества выполняемых измерений. Настоящее изобретение это учитывает и предлагает систему контроля качества данных многоканальных электромагнитных измерений при неустановившемся режиме (MTEM), чтобы обеспечить высокое качество получаемых данных для последующей обработки и обратного преобразования с целью построения карты удельных сопротивлений подземных пород. В соответствии с первым аспектом изобретения предусмотрен способ оптимизации электромагнитной разведки, включающий подачу тока в двухполюсный токовый источник, прием сигнала одним или большим количеством двухполюсных приемников напряжения и запись принятых сигналов, отличающийся тем, что включает изменение одного или большего количества параметров сбора данных в зависимости от расстояния между источником и приемником. Настоящее изобретение основано на понимании того, что оптимальные параметры сбора данных в разведке MTEM могут значительно изменяться в зависимости от расстояния между источником и приемником. Данное обстоятельство ранее не учитывалось. Подобный учет обеспечивает возможность вы-1 012773 бора оптимальных параметров измерений в ситуациях, в которых ранее использовался только опыт и определенный элемент угадывания. Таким образом достигнуто значительное усовершенствование в данной области. В число изменяемых параметров сбора данных может входить по меньшей мере один из таких параметров, как частота fs переключения источника и частота fr выборки записывающей системы. Частотаfs переключения и частота fr выборки обратно пропорциональны квадрату расстояния между источником и приемником, в связи с чем изменение частоты переключения и/или частоты выборки может производиться обратно пропорционально квадрату расстояния между источником и приемником. Расстояние между электродами источника и расстояние между электродами приемника могут изменяться предпочтительно в зависимости от глубины залегания объекта разведки. В соответствии с другим аспектом изобретения предусмотрена система электромагнитной разведки,содержащая двухполюсный токовый источник, один или большее количество двухполюсных приемников напряжения и записывающую систему для записи принятых сигналов, отличающаяся тем, что один или большее количество параметров сбора данных, используемых источником, и/или одним приемником, или каждым из приемников, выбраны в зависимости от расстояния между источником и приемником. В число параметров сбора данных может входить по меньшей мере один из следующих: частота fs переключения источника и частота fr выборки записывающей системы. Частота fs переключения и частота fr выборки могут быть выбраны обратно пропорциональными квадрату расстояния между источником и приемником. Предпочтительно предусмотрено несколько приемников, а источник выполнен с возможностью создания тока нескольких различных частот, причем каждая из частот выбрана в зависимости от расстояния одного приемника до источника. Источник может создавать ток в ряде различных полос частот. В альтернативном варианте источник может содержать несколько различных источников, каждый из которых выполнен с возможностью создания тока в отдельной полосе частот. Токовый источник может содержать по меньшей мере один двухполюсный токовый источник. Один приемник напряжения или каждый из приемников напряжения может содержать по меньшей мере один двухполюсный приемник напряжения. Расстояние между электродами источника и расстояние между электродами приемника могут быть выбраны в зависимости от глубины залегания объекта разведки. Перечень чертежей Различные аспекты настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем описании примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг. 1 представлена блок-схема источника и приемников, используемых для измерений MTEM; на фиг. 2 - таблица параметров, влияющих на измерения MTEM; и на фиг. 3 - график зависимости амплитуды импульсного отклика земли от времени. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 представлена типичная конфигурация источника и приемников для измерений MTEM, в которой использован двухполюсный токовый источник с двумя электродами А и В и выстроенные в одну линию с источником приемники, измеряющие потенциал между парами электродов приемника, например электродами C и D. Для каждой пары электродов приемника предусмотрен соответствующий цифровой прибор, осуществляющий цифровую выборку и запись принимаемого сигнала. Между двумя электродами источника пропускают ток, который изменяется во времени, и каждый из приемников осуществляет его цифровое измерение и запись. Приемники обычно подключают к компьютеру, который может опрашивать приемники и загружать записанные данные. Подаваемый токовый сигнал может представлять собой простой ступенчатый сигнал в случае малой глубины объекта разведки или, что более вероятно, какую-либо другую функцию, например псевдослучайную двоичную последовательность(PRBS). Каждым из приемников производится измерение и запись изменяющегося во времени отклика напряжения земли. В процессе обработки данных производят деконволюцию (обратную свертку) измеренных напряжений относительно измеренного подаваемого токового сигнала с целью получения импульсного отклика земли. Впоследствии такие отклики инвертируют для получения изменений удельного сопротивления подземных пород. Качество обработки и инвертирования данных зависит от качества источника и измерений в приемнике. При обработке и инвертировании невозможно скорректировать данные низкого качества. Поэтому необходимо обеспечить достаточно высокое качество данных, собираемых в процессе полевых измерений. На практике решение этой задачи может быть существенно затруднено в связи с большим количеством параметров сбора данных, которые, в принципе, могут изменяться (см. таблицу, представленную на фиг. 2). Поэтому на практике необходимо обеспечить сохранение части параметров сбора данных, по существу, постоянными, а также тщательно контролировать изменения остальных параметров. Можно показать, что пиковое напряжение отклика земли связано с параметрами сбора данных следующим соотношением: Множитель r5 в знаменателе чрезвычайно затрудняет получение качественного сигнала при больших расстояниях между источником и приемником, особенно если удельное сопротивлениепокрывающих пород, т.е. среднее удельное сопротивление между поверхностью земли и объектом, мало. Было установлено, что для обеспечения возможности разрешения верха и низа объекта максимальное расстояние между источником и приемником должно приблизительно в четыре раза превышать глубину залегания объекта разведки, т.е. rmax= 4d. Например, в 40-канальной системе (Nbox = 40) могут быть использованы следующие параметры конфигурации: По мере увеличения глубины объекта увеличивается и максимальное расстояние, что, в соответствии с уравнением (1), приводит к резкому падению напряжения на приемнике. Это положение может быть до некоторой степени выправлено масштабированием величин xs и xr. Для конкретных изысканий данные параметры обычно поддерживают приблизительно постоянными, но при больших расстояниях может быть выгодно максимальное увеличение xs при условии, что согласно уравнению (5), xsr. Однако другие параметры, а именно сила тока, I, частота переключения источника, fs, частота выборки приемника, fr, число элементов выборки PRBS, NPRBS, длительность измерений, TLIST, число измеряемых элементов выборки, NLIST, число записанных элементов выборки за цикл, NT, и число записанных циклов в серии измерений, NCYC, могут быть варьируемы в большей степени. Настоящее изобретение основано на осознании того факта, что некоторые из данных параметров сбора данных могут быть изменены в зависимости от расстояния между источником и приемником. Ток I. Величина принимаемого сигнала прямо пропорциональна току I, приложенному к земле; следовательно, отношение сигнал/шум пропорционально значению I. Если отношение сигнал/шум представляет собой заметную проблему, особенно при больших расстояниях между источником и приемником, важно максимально увеличить ток источника в пределах, допускаемых приложенным напряжением. Этого достигают уменьшением контактного сопротивления между электродами источника и землей. Для этого могут быть применены различные хорошо известные способы, в том числе применение параллельных электродов, смачивание электродов водой или добавление бентонита. Частота переключения источника, fs. В случае наземных измерений импульсный отклик земли имеет форму, изображенную на фиг. 3, гдеt0 - момент возбуждения или момент начала сбора данных, a tpeak - время прихода пика импульсного отклика земли. В момент t0 импульс источника проходит вдоль поверхности земли со скоростью, близкой к скорости света, и практически моментально достигает приемников, что представляет собой воздушную волну. За этим следует рассеянный импульсный отклик земли. Принимаемый сигнал представляет собой свертку суммарного импульсного отклика - воздушной волны и импульсного отклика земли - с поданным сигналом. Из уравнения (1) видно, что амплитуда принимаемого сигнала обратно пропорциональна частоте fs переключения источника. Следовательно, отношение сигнал/шум может быть увеличено путем уменьшения частоты fs переключения тока источника. Это особенно важно при больших расстояниях между источником и приемником. При этом, однако, существует нижний предел значения fs: минимальное время между переключениями fs должно быть мало по сравнению с временем до прихода пика импульсного отклика земли Следовательно, лучше всего использовать наименьшую частоту fs переключения, которая при этом обеспечивает возможность разделения пика импульсного отклика земли и воздушной волны. Для оптимизации измерений в соответствии с настоящим изобретением было принято во внимание,что обычно невозможно получить хорошее разрешение и хорошее отношение сигнал/шум при любых расстояниях между источником и приемником путем использования лишь одной частоты fs переключения. Обычно бывает необходимо изменять fs вместе с расстоянием. Поэтому в конфигурации для измерений MTEM по фиг. 1 частоты fs переключения, вообще говоря, могут быть разными для каждой пары-3 012773 источник/приемник. В случае морской разведки воздушная волна имеет форму, отличающуюся от резкого импульса,наблюдаемого в наземных измерениях. Ее форма зависит от толщины слоя воды, глубин расположения источника и приемника под поверхностью воды, а также расстояния между ними. В принципе, данные морских измерений можно считать теми же, что и в случае наземных измерений, где импульсная воздушная волна, наблюдаемая в наземных измерениях, заменена на волну с большей длительностью, которая накладывается на импульсный отклик земли. Частота выборки приемника, fr. При любых значениях расстояния между источником и приемником данные в идеальном варианте должны соответствовать двум условиям: (1) пик импульсного отклика земли должен быть отделен от воздушной волны, что необходимо для разрешения формаций неглубокого залегания, и (2) длина импульсного отклика TLIST - t0 должна превышать время до пика tpeak - t0 более чем в четыре раза, т. е. TLIST t04(tpeak-t0). Это необходимо для инвертирования данных, используемого для разрешения объекта. В полупространстве, которое в данном случае представляет собой пространство под поверхностью земли, время до пика увеличивается пропорционально квадрату расстояния r от источника до приемника(в м) и обратно пропорционально удельному сопротивлению(в Омм) Константа k имеет в системе СИ значение 410-8. При малых расстояниях между источником и приемником, например, равных rmin, и больших удельных сопротивленияхданное время мало, и требуется высокая частота выборки приемника. При больших расстояниях между источником и приемником,например, равных rmax, импульс имеет гораздо большую длину, и частота выборки приемника может быть меньшей. При больших расстояниях сигнал слабый, и частота fs переключения источника должна быть настолько мала, насколько возможно. Нет смысла в использовании завышенной частоты выборки принимаемых данных, однако выборка принимаемых данных должна быть достаточной, так что частота fr выборки приемника должна быть равна или превышать частоту переключения источника: В идеальном варианте fr = fs, однако на практике такое соотношение может быть недостижимым в связи с ограничениями, налагаемыми электроникой приемника. В таком случае удобно использовать значения fr, кратные значению fs где m - целое число. Число элементов выборки PRBS, NPRBS. Число элементов выборки PRBS в источнике равно NPRBS = 2n-1, где n называют порядком PRBS. При достаточно низкой частоте fs переключения источника выигрыш при обработке амплитуды сигнала после деконволюции почти равен NPRBS и много больше, чем Для получения адекватных данных с минимальными затратами используют одну длинную последовательность PRBS и делают всего одну запись данных. Длительность измерений, TLIST, и число измеряемых элементов выборки, NLIST. После деконволюции восстановленный импульсный отклик должен быть достаточно длинным, т.е. как указано выше, восстанавливаемая длина импульсного отклика должна более чем в четыре раза превышать время до пика. Длительность измерений и число измеряемых элементов выборки определяют следующим образом: Число записанных элементов выборки за цикл, NT. Если частота выборки приемника равна частоте переключения источника (т.е. если fr = fs), то суммарное число записанных элементов выборки равно сумме числа элементов выборки PRBS и числу измеряемых элементов выборки Если частота выборки приемника не равна частоте переключения источника (т.е. fr = mfs), то суммарное число элементов выборки больше Число записанных циклов в серии измерений, NCYC. Если объем памяти записывающей системы слишком мал, получение необходимого отношения сигнал/шум в одном цикле PRBS, т.е. с одной записью числа NT измерений на канал, может быть невозможно. В таком случае записывают серию из NCYC циклов, при этом полученные для каждого канала ответ-4 012773 ные сигналы суммируют или накладывают для увеличения отношения сигнал/шум перед деконволюцией. Отношение сигнал/шум увеличивается пропорционально Очевидно, наиболее эффективным является максимизация NPRBS и минимизация NCYC. ЭТО возможно только при наличии в записывающих устройствах достаточного объема памяти. Практические соображения. Из вышеизложенного очевидно, что отношение наибольшего расстояния rmax между источником и приемником к наименьшему расстоянию rmin приблизительно равно 10. Поскольку как частота fs переключения, так и частота fr выборки могут изменяться пропорционально квадрату расстояния, данные частоты от наименьшего до наибольшего расстояния изменяются приблизительно на два порядка. В конфигурации по фиг. 1 единственный используемый источник не может одновременно переключаться с разными частотами, хотя одновременные измерение и запись данных всеми приемниками возможны. Вместо этого для выполнения вышеописанных условий для каждого положения источника следует использовать набор частот переключения, причем каждая из частот переключения источника выбирается применительно к определенной группе приемников в соответствии с расстояниями между источником и приемниками. В примере с единственным источником, проиллюстрированном на фиг. 1, это означает,что источник обычно передает сигналы в различных полосах частот, определяемых частотой переключения, а приемники/записывающие системы записывают сигналы с соответствующей частотой выборки. Данные рассортировывают согласно расстоянию между источником и приемником и обрабатывают с использованием сигнала источника из соответствующей полосы частот. В альтернативном варианте может быть использовано несколько источников с непересекающимися полосами частот. В таком случае сигналы могут передаваться одновременно. Однако при этом необходимо предусмотреть такую конфигурацию приемника/записывающей системы, которая обеспечивала бы возможность разделения различных полос частот. В любом случае, записывающая система должна быть достаточно гибкой для обеспечения возможности работы с набором полос частот, задаваемыми данными MTEM. Специалисту в данной области должно быть очевидно, что возможны вариации вышеописанных выполнений, не выходящие за рамки настоящего изобретения. Очевидно, могут быть предусмотрены альтернативные конфигурации. Соответственно, вышеприведенное описание частного варианта осуществления изобретения не накладывает каких-либо ограничений и приведено только в качестве примера. Специалисту в данной области будет ясно, что незначительные модификации могут быть внесены без существенных изменений вышеописанных принципов работы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ оптимизации электромагнитной разведки, состоящий в том, что подают ток в токовый источник, принимают сигнал одним или большим количеством приемников напряжения и записывают принятые сигналы, отличающийся тем, что дополнительно изменяют по меньшей мере один параметр из таких параметров, как частота переключения тока и частота выборки при записи в зависимости от расстояния между источником и приемником. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту переключения и/или частоту выборки изменяют обратно пропорционально квадрату расстояния между источником и приемником. 3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что изменяют расстояние между электродами источника и расстояние между электродами приемника. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что расстояние изменяют пропорционально глубине залегания объекта разведки и/или расстоянию между источником и приемником. 5. Система электромагнитной разведки, содержащая токовый источник и один или большее количество приемников напряжения для приема сигналов и записи принятых сигналов, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью выбора по меньшей мере одного из следующих параметров: частота переключения токового источника и частота выборки одного или большего количества приемников напряжения, таким образом, что по меньшей мере один из указанных параметров выбран в зависимости от расстояния между источником и приемником. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что частота переключения и/или частота выборки выбраны обратно пропорциональными квадрату расстояния между источником и приемником. 7. Система по п.5 или 6, отличающаяся тем, что расстояние между электродами источника и расстояние между электродами приемника выбрано в зависимости от глубины залегания объекта разведки и/или расстояния между источником и приемником. 8. Система по любому из пп.5-7, отличающаяся тем, что предусмотрено несколько приемников, а источник выполнен с возможностью создания тока в нескольких различных полосах частот, причем каждая из полос частот выбрана в зависимости от расстояния одного из приемников до источника. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что источник содержит несколько различных источников,каждый из которых выполнен с возможностью создания тока в отдельной полосе частот. 10. Система по любому из пп.5-9, отличающаяся тем, что токовый источник содержит по меньшей-5 012773 мере один двухполюсный источник тока, а один или каждый из приемников содержит по меньшей мере один двухполюсный приемник напряжения.