способ прямого поиска локальных объектов на шельфе мирового океана и устройство для его осуществления в открытом море

Формула изобретения

1. Способ прямых поисков локальных объектов на шельфе Мирового океана, заключающийся в том, что в исследуемой среде возбуждают электромагнитное поле путем осесимметричного введения электрического тока в Землю с помощью питающих электродов, один из которых располагают в центральной части окружности радиусом R, образованной внешними питающими электродами, измеряют параметры становления электрической и магнитной составляющих поля по профилям, радиально расходящимся из центра окружности, и по результатам измерений судят о наличии или отсутствии объекта и строении и свойствах исследуемой среды, отличающийся тем, что величину радиуса R выбирают равной не менее одной четверти заданной глубины исследования, а максимальный рабочий ток, подводимый к каждому из внешних питающих электродов, устанавливают путем измерения площади соприкосновения поверхности электродов с морской водой, при этом сначала проводят измерения магнитной составляющей поля, а измерения электрической составляющей проводят при наличии магнитной составляющей поля, причем все измерения проводят на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величину 5R.

2. Устройство для прямых поисков локальных объектов на шельфе Мирового океана в открытом море, содержащее генератор тока, соединенный первым выходом с питающим электродом, расположенным в центре окружности, образованной внешними питающими электродами, которые подключены к второму выходу генератора тока с помощью соответствующих питающих линий, расположенных по радиусам этой окружности через равные заданные углы, не превышающие 60^o, регуляторы тока, каждый из которых включен в соответствующую питающую линию, измеритель магнитной составляющей, соединенный с датчиком магнитного поля, и измеритель электрического поля, соединенный с датчиком электрического поля, отличающееся тем, что каждый из питающих электродов совмещен с соответствующим буем, а питающие линии размещены внутри равных им по длине отрезков изолированного трос-кабеля, соединяющих механически корпус буя, совмещенного с центральным электродом, с корпусами буев, совмещенных с внешними электродами, при этом каждый буй, совмещенный с внешним электродом, механически соединен с двумя соседними буями отрезками непроводящего троса одинаковой длины и содержит электродвигатель, подключенный к источнику питания и связанный через вал с гребным винтом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источник питания является общим для всех электродвигателей и подключен к каждому из них с помощью двух проводов, размещенных в соответствующих отрезках трос-кабеля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к морской электроразведке и может быть использовано для прямых поисков геологических объектов на шельфе Мирового океана, как в районах, закрытых полярными льдами, так и в открытом море.

Известен способ морской электроразведки [1], при котором возбуждают переменное электрическое поле с помощью горизонтального электрического диполя и на каждой точке зондирования величину первого разноса выбирают равной двум толщам слоя морской воды, измеренным с помощью эхолота, а величину последнего разноса выбирают по выходу проводимости на асимптотическое значение.

Известный способ служит только для изучения осадочного чехла небольшой толщины (до 50 м) на небольших глубинах (до 30 м) и, в принципе, не способен обнаруживать расположенные на большой глубине протяженные локальные объекты, какими могут быть объекты типа "залежь", поскольку с увеличением разноса зондирования все возрастающую роль в сигнале-отклике начинает играть продольная проводимость морской воды. Кроме того, необходимость изменения разносов установки приводит к снижению производительности разведочных работ и увеличению их стоимости.

Приемопередающая установка в виде горизонтального диполя, реализующая вышеописанный способ, позволяет возбуждать электромагнитное поле, распространяющееся в основном в горизонтальных плоскостях, чем обусловлено нежелательное влияние продольной проводимости морской воды на результаты измерений.

Известен также способ индукционной вызванной поляризации 3СБ - ИВП, зарегистрированный в практике морской электроразведки [2], при котором электрическое поле в проводящей среде в процессе становления после включения или выключения источника тока изменяется не резко, а плавно. Чем больше глубина залегания слоя, тем позже наступают изменения в сигнале становления. Возникновение дополнительного источника вызванной поляризации приводит к изменениям, которые вначале растут по абсолютной величине, а затем, по мере затухания дополнительного источника, убывают. Так возникает индукционная вызванная поляризация. Следовательно, чем больше глубина залегания поляризующего слоя, тем на более поздних временах будет проявляться этот слой в поле индукционной вызванной поляризации. Однако на поисковой стадии геофизических исследований метод может быть использован только как сугубо дополнительный к сейсморазведке, поскольку по результатам измерений 3СБ - ИВП нельзя однозначно сказать о наличии локальных неоднородностей, так как необходимо провести измерения по профилю, обработать большой объем данных на ЭВМ и построить геоэлектрический разрез, по которому можно сделать заключение. В районах шельфа, закрытых полярными льдами, проведение сейсморазведки практически исключается, так как в морских работах сейсмическая коса опускается на морское дно, и вопрос с постановкой поисковых работ остается открытым из-за отсутствия сейсмоданных. Кроме того, необходимость изменения разносов установи приводит к снижению производительности работ и увеличению их стоимости.

Для реализации вышеописанного способа ЗСБ - ИВП используется традиционная приемопередающая установка типа линия АВ - линия MN, которая позволяет возбуждать электромагнитное поле, распространяющееся в основном в горизонтальных плоскостях. Существенным недостатком такой установки является зависимость сигнала-отклика от суммарной продольной проводимости, в которой основную долю составляет проводимость слоя морской воды. Следовательно, полезные аномальные эффекты всегда относительно малы.

Известен наиболее близкий к предлагаемому способ зондирования вертикальными токами [3] , при котором в исследуемой среде возбуждают электромагнитное поле путем осесимметричного введения электрического тока в Землю с помощью кругового электрического диполя (КЭД), образованного питающими электродами, один из которых располагают в центральной части окружности, образованной другими питающими электродами, измеряют параметры становления электрической и магнитной составляющих поля по профилям, радиально расходящимся из центра окружности, и по результатам измерений судят о наличии или отсутствии локального объекта и о строении и свойствах исследуемой среды. Как следует из общих физических соображений, а также подтверждается математическим и физическим моделированием - нормальное (для любой горизонтально-слоистой среды) магнитное поле на дневной поверхности отсутствует, т. к. скомпенсировано за счет осесимметричного введения тока в Землю. Поэтому при любом нарушении горизонтальной однородности разреза возникает аномальное магнитное поле. Следовательно, способ позволяет проводить прямые поиски локальных объектов, т.к. любое нарушение горизонтально-слоистой структуры разреза отмечается уже одним фактом фиксации сигнала-отклика. Принципиальным отличием способа ЭВТ является зависимость поля КЭД от вертикальной структуры разреза на всех стадиях процесса становления, а не только от суммарной продольной проводимости, как это имеет место для традиционной установки линия АB - линия MN. Это создает предпосылки для использования способа в морской геоэлектроразведке.

Однако применение данного способа в морской геоэлектроразведке связано с определенными трудностями. Во-первых, существенное влияние на результаты измерений будет оказывать слой морской воды над поверхностью шельфа. В зависимости от расстояния до берега толщина слоя воды может достигать 300 м. Во-вторых, обеспечение осесимметричного введения тока в Землю затруднено из-за солености (минерализации) морской воды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для осуществления способа, описанное в той же статье, что и сам способ ЭВТ. Устройство содержит генератор тока, соединенный первым выходом с центральным питающим электродом, расположенным в центре окружности, образованной внешними питающими электродами, которые подключены к второму выходу генератора тока с помощью соответствующих питающих линий, расположенных по радиусам этой окружности через равные заданные углы, не превышающие 60^o. В каждой из питающих линий включен регулятор тока. Измеритель магнитной составляющей соединен с индукционным датчиком, а измеритель электрической составляющей соединен с датчиком электрического поля.

Данное устройство может быть использовано для проведения поисковых работ в районах шельфа, закрытых полярными льдами, однако, с его помощью невозможно проводить зондирования в открытом море, поскольку необходимо соблюдать строгую геометрию кругового электрического диполя. В случае же нарушения геометрии установки возникнет мощное нормальное магнитное поле.

Патентуемое изобретение направлено на решение задачи осуществления прямых поисков геологических объектов на шельфе Мирового океана с помощью кругового электрического диполя.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе прямых поисков геологических объектов, при котором в исследуемой среде возбуждают электромагнитное поле путем осесимметричного введения электрического тока в Землю с помощью питающих электродов, один из которых располагают в центральной части окружности радиусом R, образованной внешними питающими электродами, измеряют параметры становления электрической и магнитной составляющих поля по профилям, радиально расходящимся из центра окружности, и по результатам измерений судят о наличии или отсутствии локального объекта и о строении и свойствах исследуемой среды, предлагается величину радиуса R выбирать равной не менее одной четверти заданной глубины исследований, а максимальный рабочий ток, подводимый к каждому из внешних питающих электродов, устанавливать путем изменения площади соприкосновения поверхности электродов с морской водой, при этом предлагается сначала проводить измерения магнитной составляющей поля, а измерения электрической составляющей поля проводить только при наличии магнитной составляющей поля, причем все измерения предлагаются проводить на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величины 5R.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для прямых поисков локальных объектов на шельфе Мирового океана в открытом море, содержащем генератор тока, соединенный первым выходом с центральным питающим электродом, расположенным в центре окружности, образованной внешними питающими электродами, которые подключены к второму выходу генератора тока с помощью соответствующих питающих линий, расположенных по радиусам этой окружности через равные заданные углы, не превышающие 60^o, регуляторы тока, каждый из которых включен в соответствующую питающую линию, измеритель магнитной составляющей, соединенный с датчиком магнитного поля, измеритель электрической составляющей, соединенный с датчиком электрического поля, предлагается каждый из питающих электродов совместить с соответствующим буем, а питающие линии разместить внутри равных им по длине отрезков изолированного трос-кабеля, соединяющих механически корпус буя, совмещенного с центральным электродом, с корпусами буев, совмещенных с внешними электродами, каждый буй, совмещенный с внешним электродом, предлагается механически соединить с двумя соседними буями отрезками непроводящего троса равной длины, и снабдить электродвигателем, подключенным к источнику питания и связанным через вал с гребным винтом. При этом источник питания может быть общим для всех электродвигателей и подключается к каждому из них с помощью двух проводов, размещенных в соответствующем отрезке трос-кабеля.

В патентуемом способе выбор радиуса установки с учетом глубины исследования и глубины до морского дна позволяет расширить сферу применения кругового электрического диполя и использовать его при геофизических исследованиях на шельфе Мирового океана, а изменение площади поверхности соприкосновения питающих электродов с морской водой дает возможность устанавливать оптимальный рабочий ток в питающих линиях при изменении показателей солености (минерализации) морской воды, что способствует снижению энергетических затрат. Измерение электрической составляющей поля только при наличии аномальных значений магнитной составляющей позволяет разделить поисковую и разведочную стадии обнаружения локальных объектов и исключить избыточность измерений, так как наличие магнитной составляющей поля однозначно свидетельствует о наличии локального объекта. Если же магнитная составляющая отсутствует, то это свидетельствует об отсутствии локального объекта, и тогда отпадает надобность в измерении электрической составляющей поля и, соответственно, последующей интерпретации с расчленением разреза. Кроме того, повышается производительность поисковых работ вследствие экономии времени и средств. Проведение измерений на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величины 5R, позволяет оптимизировать энергозатраты на проведение геофизических исследований.

В предлагаемом устройстве за счет того, что каждый из внешних электродов совмещен с буем, снабженным гребным винтом, связанным через вал с электромотором, а также соединен с двумя соседними буями отрезками непроводящего троса одинаковой длины и механически соединен с буем, совмещенным с центральным электродом с помощью отрезков трос-кабеля, в которых размещены питающие линии, обеспечивается осесимметричная геометрия установки при ее размещении в открытом море, а также удержание установки в заданной точке геофизических исследований, что обусловлено натяжением радиальных и периферийных отрезков троса во время работы гребных валов.

На фиг. 1 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - схема соединения буев, совмещенных с питающими электродами; на фиг. 3 - конструкция буя, совмещенного с внешним питающим электродом; на фиг. 4 - результаты моделирования.

Устройство, приведенное на фиг. 1, содержит генератор 1 тока, соединенный первым выходом с центральным питающим электродом 2, расположенным в центре окружности, образованной внешними питающими электродами 3, которые подключены к второму выходу генератора 1 тока с помощью соответствующих линий 4, расположенных по радиусам этой окружности через равные заданные углы не превышающие 60^o. В каждую из питающих линий 4 включен регулятор 5 тока. Измеритель 6 магнитной составляющей соединен с датчиком 7 магнитного поля, представляющим собой, например, индукционный датчик, а измеритель 8 электрической составляющей соединен с датчиком 9 электрического поля, представляющим собой приемную линию MN.

На фиг. 2 приведена схема соединения буя 10, совмещенного с центральным электродом 2, и буев 11, совмещенных с внешними электродами 3. Отрезки 12 изолированного, например, трехпроводного, трос-кабеля, длина которых равна длине соответствующих питающих линий 4, соединяют буй 10 с буями 11, а одинаковые отрезки 13 непроводящего троса, длина которых равна 2Rcos 2, соединяют каждый из буев 11 с двумя соседними буями 11. Каждый из буев 11, конструкция которого представлена на фиг. 3, содержит электродвигатель 14, связанный с помощью вала 15 с гребным винтом 16. Электродвигатель 14, представляет собой, например, двигатель постоянного тока. Клеммы питания электродвигателя 14 подключаются к соответствующим полюсам источника 17 питания, который в данном случае является общим для всех электродвигателей 14 и представляет собой генератор постоянного тока или аккумуляторную батарею. Питающие электроды 2, 3 могут быть выполнены, например, в виде клемм, расположенных на корпусах буев 10, 11 соответственно.

Способ осуществляется следующим образом. При работах в районах шельфа, закрытых полярными льдами, способ осуществляется с помощью приведенного на фиг. 1 устройства, которое располагают на поверхности льда. При этом через отверстие во льду погружают в морскую воду центральный питающий электрод 2 в центре окружности, образованной равномерно заземленными в морскую воду через отверстия во льду питающими электродами 3. Величину радиуса R окружности выбирают равной не менее одной четверти от заданной глубины исследования. Площадь соприкосновения поверхности каждого из электродов 3 с морской водой определяют в зависимости от максимальной величины рабочего тока I_{p max} в питающей линии 4. Для этого перед началом работы с помощью омметра определяют сопротивление линии 4 между центральным электродом 2 и одним из внешних питающих электродов 3. Это сопротивление является суммой эквивалентного сопротивления R_экв регулятора 5 тока и сопротивления морской воды R_мв, которое определяется непосредственно сопротивлением морской воды и площадью соприкосновения поверхности электрода 3 с морской водой. Зная выходное напряжение U_r генератора 1 тока определяем значение тока I_p через регулятор 5 тока по формуле



Если I_p > I_p max, то площадь поверхности соприкосновения электродов с морской водой уменьшают, если I_p < I_p max, то площадь поверхности соприкосновения электродов 3 с морской водой увеличивают, вновь повторяют замеры сопротивления линии 4, рассчитывают значения тока I_p и сравнивают его с I_p max. Изменение площади поверхности соприкосновения продолжают до тех пор, пока значение I_p не станет равным I_p max. Таким образом добиваются максимального значения рабочего тока через регулятор 5 тока с тем, чтобы осуществить равномерную регулировку тока во всех линиях 4 установки. При этом нужно учесть, что через центральный электрод 2 протекает суммарный ток установки, а через внешние электроды 3 в n раз меньший, где n - число питающих линий 4. Питающих электродов 3 должно быть не менее 6, и они должны располагаться на окружности равномерно.

С помощью генератора 1 тока в линии 4 подают ток заданной амплитуды и длительности. Величина тока в каждой из линий 4 устанавливается регулятором 5 тока. После выключения тока проводят измерения магнитной составляющей поля H(t) на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величины 5R, по радиально расположенным профилям. Измерения магнитной составляющей поля можно проводить с помощью летательного аппарата. При этом измеритель 6 размещают непосредственно на летательном аппарате, а индукционный датчик 7 - в гондоле, которая соединена с летательным аппаратом с помощью трос-кабеля. При наличии измеренных значений магнитной составляющей поля, что свидетельствует о наличии локального объекта, производят более детальные измерения на предмет оконтуривания этого объекта, а затем переходят к измерению электрической составляющей поля. На исследуемой площади размещают измеритель 8, соединенный с датчиком 9. В питающие линии 4 подают ток заданной амплитуды и длительности. После выключения тока измеряют электрическую составляющую поля E(t) по профилям, радиально расходящимся из центра окружности, образованной установкой. По результатам измерений строят геоэлектрический разрез, по которому судят о характере и свойствах среды. В обоих случаях при измерении составляющих поля регистрация измеренных данных осуществляется с помощью переносного компьютера типа Laptop или Notebook.

При работах в открытом море необходимо не только удержать круговой электрический диполь на поверхности моря, но и строго соблюдать его геометрию. В противном случае, как указывалось выше, при нарушении геометрии кругового электрического диполя возникнет мощное нормальное магнитное поле. Для осуществления способа в открытом море используется устройство, приведенное на фиг. 1, 2. Расстановку устройства производят следующим образом. С геофизического судна выгружают на море буй 10, совмещенный с питающим электродом 2, и буй 11, совмещенные с внешними питающими электродами 3, соединяют их в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 2, отрезками 12 изолированного трехпроводного трос-кабеля и отрезками 13 непроводящего троса. Клеммы питания каждого электродвигателя 14 соединяют с первым и вторым проводами соответствующего отрезка 12 трехпроводного трос-кабеля, а третий провод отрезка 12, являющийся питающей линией 4, соединяют с клеммой, расположенной на корпусе буя 11 и являющейся питающим электродом 3. Свободные концы питающих линий 4 объединяют и подключают к одному из полюсов генератора 1 тока, другой полюс которого соединяют с клеммой, расположенной на корпусе буя 10 и являющийся питающим электродом 2, а свободные концы первых и вторых проводов отрезков 12 соединяют между собой параллельно и подключают с помощью кабеля к соответствующим полюсам источника 17 питания, который расположен на судне. С источника 17 питания подают питание на электродвигатели 14 буев 11. Электродвигатели 14 приводят в движение через валы 15 гребные винты 16, и буи 11 начинают радиально расходиться, поскольку внешние буи 11 соединены между собой равными отрезками 13 непроводящего троса, а с центральным буем 10 - равными отрезками 12 трос-кабеля. Для уменьшения мощности, потребляемой от источника 17, к отрезкам 12 трос-кабеля и к отрезкам 13 троса могут быть прикреплены поплавки. Движущая сила буев 11 должна превышать натяжение отрезков 12 трос-кабеля и отрезков 13 троса. Через некоторое время буи 11 займут свое положение относительно центрального буя 10 в соответствии с фиг. 2. С генератора 1 тока подается ток заданной амплитуды и длительности в линии 4. После выключения тока проводят измерения магнитной составляющей поля H(t) на площади, ограниченной окружностью, радиус которой не превышает величины 5R. Измерение магнитной составляющей проводится с помощью измерителя 6 и индукционного датчика 7, например, с помощью летательного аппарата. При наличии магнитной составляющей поля, что свидетельствует о наличии локального объекта, проводят более детальные измерения на предмет оконтуривания этого объекта, а на исследуемой площади проводят измерения электрической составляющей поля E(t). Измеритель 8 располагают на катере или судне, датчик 9, представляющий собой линию MN, буксируется.

Пример реализации предлагаемого способа приведен для модели исследуемой среды, представляющей собой геоэлектрический разрез, состоящий из слоя морской воды толщиной 100 м и удельным сопротивлением 0,1 Омм и слоя осадочных пород толщиной 1000 м с удельным сопротивлением 10 Омм, вмещающего рудное тело сечением 100х300 м с удельным сопротивлением 0,01 Омм. Протяженность рудного тела составляет 1000 м. Расстояние от рудного тела до центра питающей установки равно 1000 м. Для данной модели выбраны следующие параметры приемопитающей установки: эффективная площадь индукционного датчика составляет 200000 м, радиус установки равен 500 м, общий ток генератора составляет 100 A, число питающих линий равно восьми. По значениям сигналов становления магнитной составляющей, полученным путем математического моделирования с использованием стандартных методик, строят карту изолиний. На фиг. 4 приведена карта изолиний, где на горизонтальной и вертикальной осях обозначены расстояния в метрах, а на изолиниях приведены значения сигналов становления в милливольтах. Сгущения и разрежения изолиний отражают рельеф магнитного поля, наблюдаемого на исследуемой площади. Экстремумы рельефа показывают положения неоднородности и ее границы.