Частотні електромагнітні зондування

Польові вимірювання методом частотних зондувань являють собою вивчення залежность амплітуд і фаз електромагнітного поля електричного або магнітного диполя від частоти. Діапазон частот, в якому виконуються ці дослідження, визначається головним чином необхідною глибиною дослідження. При глибинних структурних дослідженнях, пов'язаних з пошуками нафтогазоносних структур, частоти змінюють від 10^-2 до 10² Гц. Якщо зондування виконують для вивчення верхньої частини розрізу в межах перших сотень метрів, що представляє особливий інтерес при вивченні рудних родовищ і в інженерній геології, діапазон частот істотно здвигають у бік високих частот (10¹-10⁴ Гц.)

Комплект апаратури для глибинних ЧЗ складається з генераторної групи і вимірювальної установки. Обидва вузли змонтовано на окремих автомашинах підвищеної прохідності.

Джерелом струму в генераторній групі служать два машинні генератори ПН-145 потужністю по 16,5 кВт кожен. При паралельному з'єднанні обидва генератори віддають в живлячу лінію струм 74А при напрузі 450 В. Опір живлячої лінії при цьому не повинен перевищувати 6 Ом.

Постійна напруга, що розвивається генераторами, комутується в імпульсно-періодичну за допомогою потужного тиратронного перемикача. Кожен подальший імпульс має полярність, зворотну по відношенню до попереднього. Таким чином, амплітуда імпульсно-періодичного струму, що посилається в землю, подвоюється в порівнянні з амплітудою струму, що знімається з генераторів.

 

Мал. 1. Взаємне розташування живлячого диполя і точок вимірювання при дипольно-екваторіальному частотному зондуванні.

 

Тіратронний ключ управляється задаючим генератором, що працює на 24 фіксованих частотах в діапазоні частот від 0,04 до 250 Гц.

В якості датчика магнітного поля в точці вимірювання використовується квадратна рамка із сторонами 100-200 м, що складається з 15-20 витків і розкладена на землі. Для вимірювання електричної складової поля застосовується приймальна лінія завдовжки 500-1000 м, заземлена на кінцях електродами, що не поляризуються.

Для посилення сигналу, що поступає з датчика, в комплекті вимірювальної установки передбачений підсилювач, забезпечений LС- і RС-фільтрами. Фільтри призначені для відбору у вимірювальний ланцюг першої гармоніки імпульсно-періодичного поля, що створюється живлячим диполем, а також для захисту вимірювального пристрою від різного роду перешкод (поля промислових електроустановок, грозові перешкоди і ін.). Посилена і відфільтрована напруга реєструється шлейфовими або катодним осцилографом. Спеціальний градуйований пристрій подає у вимірювальну лінію градуйовані сигнали відомої амплітуди. Для вимірювання фази електричного або магнітного поля з генераторної групи на вимірювальний пристрій передається по радіоканалу опорна фаза.

Глибинні ЗЧ зазвичай виконують в полі електричного диполя з дипольно-екваторіальними установками (точка вимірювання розташована в екваторіальній площині диполя), хоча не виключена можливість вимірювань з дипольно-осьовими установками.

Профілі, уздовж яких ведуть зондування, розташовують вхрест простягання структур, що вивчаються. Взаємне розташування живлячого диполя АВ і точок вимірювання q уздовж профілю при роботі екваторіальною установкою показане на мал. 1. При одному положенні живлячого диполя поле може вимірюватися в декількох точках. При цьому для екваторіальної установки кут , складений радіусом-вектором, проведеним від центру живлячого диполя в точку вимірювання, повинен бути не менше 70°. В цьому випадку установка практично може вважатися екваторіальною.

Вимірюють або компоненту електричного поля Е_х, паралельну осі живлячого диполя, або вертикальну компоненту магнітного поля В_z. Вимірювати Е_х технічно легше, ніж В_z, особливо на нижніх частотах робочого діапазону. Тому за відсутності в розрізі погано провідних порід, що залягають вище за опорний горизонт (екрануючі пласти), що вивчається, обмежуються вимірюваннями Е_х. За наявності в розрізі погано провідних екранів бажано вимірювати В_z, оскільки погано провідний пласт не перешкоджає проникненню магнітного поля на глибину. Іноді вимірюють обидві компоненти поля. На кожній частоті на осцилограмі записують вимірюване поле (э. д. з. у датчику) і градуйовану напругу в мілівольтах. Це дає можливість оцінити вимірюване поле також в мілівольтах.

За результатами вимірювань визначають позірний опір

,

а також

;

тут – э. д. з. у датчику електричного і магнітного полів в мкВ; I – сила струму в живлячому диполі в А; _роб – фаза э. д. з. у датчику; _оп – фаза опорного сигналу; К – коефіцієнт установки, що розраховується по формулах

, (1)

, (2)

де n – число витків в петлі; а – площу петлі в м²; r – відстань між центрами диполів в м; r_АВ і r_MN – розміри диполів в м.

За даними польових спостережень будують графіки позірного опору. При побудові цих графіків по осі ординат відкладають або фазу _ω, по осі абсцис – логарифм .

Графіки позірного опору є основним матеріалом, по якому виконують інтерпретацію результатів польових спостережень.

Для виконання неглибинних ЧЗ в діапазоні частот 101-104 Гц «серійно випускається спеціальна електророзвідувальна станція НЧЗ-64. Відмінною особливістю цієї станції є те, що в ній застосований генератор частоти, що коливається, що забезпечує живлення джерела поля струмом, частота якого плавно змінюється в заданому діапазоні. Це дає можливість безпосередньо визначати частотні характеристики досліджуваних компонент електромагнітного поля.

Інтерпретацію результатів частотних зондувань здійснюють шляхом аналізу графіків зондувань. Можлива, як і при зондуваннях на постійному струмі, якісна і кількісна інтерпретація. Прийоми кількісної інтерпретації засновані на застосуванні палеток теоретичних кривих ЧЗ. В зв'язку з цим слід розглянути деякі питання з теорії ЧЗ.

Головною задачею в теорії частотного зондування є розрахунок поля електричного або магнітного диполя, розташованого на поверхні горизонтально-шаруватого розрізу.

Схематично залежність компонент поля, вимірюваних при ЧЗ, від параметрів середовища і частоти поля можна представити в наступному вигляді:

Е_Х=Е_Х0F₁(k₁, k₂, k₃, …, k_n; h₁, h₂, h₃, … h_n-1; ; r), (3)

Вz = В_z0F₂(k₁, k₂, k₃, …, k_n; h₁, h₂, h₃, … h_n-1; ; r);

тут Е_х — компонентa електричного поля, паралельна осі диполя; В_z – вертикальна компонента магнітного поля; k_i і h_i – хвильові числа і потужності горизонтів, що складають розріз; – частота поля; r – відстань між диполем і точкою вимірювання; E_{λ0 і} B_z0 – електричне і магнітне поля електричного диполя, розташованого на поверхні однорідного напівпростору. В квазіпровіднику

, . (4)

З двох останніх виразів виходить, що питомий опір однорідного напівпростору може бути визначений по відомих струму в живлячому диполі і напрузі на вимірювальному диполі МN – ∆U_MN (при вимірюванні Е_х) або у вимірювальній рамці ∆U_Bz (при вимірюванні В_z):

чи . (5)

Вирази для коефіцієнтів К_Ex і К_Bz приведені вище. У разі неоднорідного середовища, зокрема горизонтально-шаруватого, розрахунки по формулах (5) дають значення деяких фіктивних параметрів, що мають сенс позірних опорів і позначаються ρ_ω

Теоретичні криві ρ_ω розраховуються відповідно до виразів (3) і (5) з використанням ЕОМ.

Теоретична амплітудна крива частотного зондування є графіком залежності | ρ_ω | /ρ₁ від λ₁/h₁, тобто від відношення довжини хвилі в першому шарі до його потужності. Приклади таких кривих приведені на мал. 2, а і б.

При довільних значеннях розносів частот і параметрів розрізу залежність від є складною і аналіз її вельми важкий.

Характер залежності ρ_ω від частоти поля істотно спрощується, якщо розноси установки для ЧЗ набагато перевищують глибину до опорного горизонту (дальня зона частотного зондування). В цьому випадку на кривій частотного зондування можна виділити дві частини. Перша з них відповідає такому діапазону частот, при якому довжина хвилі набагато менше розносу. Криві ЧЗ для цього випадку називаються хвильовими. Характер хвильових кривих ЧЗ багато в чому схожий з характером кривих МТЗ, що пояснюється тим, що в обох типах зондування спостережуване поле близьке до плоскої електромагнітної хвилі, що розповсюджується усередині розрізу у вертикальному напрямі.

Мал.2 Амплітудні криві частотного зондування над двуслойным розрізом з непровідною підставою.

а – для Е_х при r/h₁ = 5,6; б – для В_z при r/h₁ = 8.

 

Ліва асимптота амплітудних хвильових кривих ЧЗ співпадає з питомим опором верхнього горизонту, тобто при . Це пов'язано з тим, що глибина проникнення поля в області достатніх високих частот не перевищує потужність верхнього горизонту.

Якщо питомий опір опорного горизонту набагато більший, ніж середній питомий подовжній опір надопорной товщі, тобто , рівняння правої асимптоти кривих ЧЗ набуває наступний вигляд:

.

Сама асимптота в цьому випадку є прямою, нахиленою до осі абсцис під кутом 63° 25'.

При ρ_оп 0 рівняння правої асимптоти

.

У цих виразах Н – глибина до опорного горизонту; S – сумарна повздовжня провідність надопорной товщі; λ₁– довжина хвилі у верхньому горизонті; Т – період.

Якщо довжина хвилі значно перевищує глибину до опорного горизонту (але залишається набагато менше радіусу), то криві ЧЗ у відповідному діапазоні частот носять назву кривих S, оскільки в цьому випадку поле в точці спостереження визначається повздовжньою провідністю надопорной товщі, форма кривої S залежить від типу установки, що застосовується при зондуванні.

Прийоми інтерпретації кривих ЧЗ розроблені головним чином стосовно розрізів з практично непровідними опорними горизонтами і в припущенні, що вимірювання поля виконане в дальній зоні. Практично це означає, що рознос установки для ЧЗ повинен не менше чим в 5-7 разів перевищувати глибину до опорного горизонту.

На етапі якісної інтерпретації будують карти типів кривих ЧЗ, а також графіки максимальних або мінімальних (залежно від типу кривих) значень ρ_ω.

Сумарну повздовжню провідність надопорной товщі визначають по правій прямолінійній асимптоті кривої ЧЗ. Якщо цю асимптоту продовжити до перетину з одиничною віссю бланка, то абсциса точки перетину буде пов'язана з S таким чином:

.