Развитие интерпретационных средств индуктивной импульсной электроразведки

Могилатов, Владимир Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Развитие интерпретационных средств индуктивной импульсной электроразведки
ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Развитие интерпретационных средств индуктивной импульсной электроразведки"

Р Г 5 ОД

На правах рукописи

МОГИЛАТОВ Владимир Сергеевич

РАЗВИТИЕ ИНТЕРПРЕТАЦИОННЫХ СРЕДСТВ ИНДУКТИВНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ

04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 1998

Работа выполнена в Институте геофизики Сибирского отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор технических наук М.И. Эпов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Б.С. Светов

доктор геолого-минералогических наук Н.О. Кожевников

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГиМС) Министерства природных ресурсов РФ

Защита состоится " и 998г. в 1 Очг.ч. на заседании

диссертационного совета Д 002.50.06 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, пр-т Ак. Коптюга, 3 Факс : (3832) 33-27-92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГМ СО РАН

Автореферат разослан о{р</

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук ^ Л Ю.А.Дашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследований

Объектом исследования являются физико-математические основы импульсных индуктивных электромагнитных зондирований и проблемы интерпретации данных зондирований применительно к задачам электроразведки и малоглубинной геоэлектрики.

Актуальность темы

Представляется актуальным исследование, направленное на оптимизацию существующих подходов к интерпретации данных индуктивных импульсных зондирований и, в еще большей мере, на создание нового, томографического способа интерпретации. В этом случае обеспечивается оперативная обработка больших массивов разнородной информации на основе линеаризованной постановки прямых и обратных трехмерных задач.

Цель работы

Развитие математических средств для эффективной интерпретации данных индуктивной импульсной электроразведки (индуктивных зондирований становлением, индуктивных ЗС).

Задачи исследований

1. Расширить числен но-алгоритмическую базу для основной прямой (одномерной) задачи индуктивных зондирований становлением за счет синтеза спектрального подхода и решения во временной области.

2. Создать алгоритмическую основу для оперативного расчета прямых задач индуктивных ЗС в осложненных геоэлектрических условиях (в том числе, для двух и трехмерных задач по распределению проводимости) на основе линеаризованной постановки.

3. Проанализировать трудности интерпретации площадных данных и предложить новый (томографический) подход, как средство оперативной трехмерной инверсии.

Методы исследований и фактический материал

Основной метод исследований - теоретический анализ краевых задач квазистационарной и нестационарной электродинамики. Аналитические методы решения краевых задач. Метод А.Н.Тихонова решения задачи становления поля. Сравнительный анализ результатов расчетов, полученных при различных подходах. Метод вторичных источников в задачах электродинамики. Привлечение аппроксимационных подходов, основанных на теории возмущений. Компьютерное математическое моделирование. Опробование на практическом материале.

В качестве фактического материала при работе над диссертацией использовались полевые материалы, результаты интерпретации и данные физического моделирования, полученные от сотрудника отдела электроразведки СНИИГГиМС А.К.Захаркина: данные 11 пикетов зондирований методом ЗСБ (Татария), использованные для опробования томографического подхода; результаты интерпретации 18 пикетов по работам методом МПП в Йемене; результаты интерпретации 14 пикетов по работам методом МПП в Красноярском крае; данные физического моделирования на металле, использованные для верификации программ PRAIS и MAG (2 кривые становления). Для верификации результатов математического моделирования привлекались расчеты, выполненные по апробированным программам (ЭРА, АЛЕКС — ИГФ СО РАН).

Основные защищаемые положения и научные результаты

1. Решение задачи становления электромагнитного поля непосредственно во временной области приводит к краевой проблеме третьего рода типа Штурма, которую можно рассматривать как самосопряженную задачу о собственных значениях, в связи с чем решение формируется в виде ряда Фурье в отличие от традиционного представления в виде интеграла Фурье.

2. Построение приближенных линеаризованных решений прямых задач индуктивных ЗС различной размерности связано с представлением областей возмущений геоэлектрических параметров дополнительными вторичными источниками.

3. Томографический подход к интерпретации данных индуктивных зондирований основан на линеаризованной постановке прямых и обратных задач для геоэлектрических сред, описанных как набор стандартных объемных элементов, и определяется как диффракционная томография в борновском приближении.

4. Развитый математический аппарат, реализованный в интерактивном автоматизированном программном комплексе ПОДБОР, позволяет восстанавливать геоэлектрические параметры

слоистой среды и корректировать результаты при наличии латеральных нарушений.

Научная новизна работы

1. В рамках единого метода устанавливающихся пространственных гармоник получены решения прямой задачи становления для плоского распределения стороннего тока двумя способами (интеграл и ряд Фурье) как суперпозиции поперечно-электрического и поперечно-магнитного полей.

2. Получены описания процесса становления во временной области с учетом токов смещения для моделей с одной и двумя горизонтальными границами.

3. Предложен общий метод построения приближенных лине-аризованых решений для осложненных геоэлектрических условий (в частности, при латеральных изменениях проводимости) в окрестности более простой модели.

4. На основе линеаризованных решений предложен нетрадиционный, томографический подход к интерпретации данных индуктивных электромагнитных зондирований.

Практическая значимость работы

Результаты исследований, реализованные в комплексе ПОДБОР для интерпретации данных ЗСБ (МПП), нашли применение в 11 научно-исследовательских и прооизводственных организациях России и СНГ, а также в некоторых странах дальнего зарубежья. Интерпретация с применением комплекса ПОДБОР проводилась при разведке нефтяных месторождений, поиске рудопроявле-ний, решении гидрогеологических задач и поисках кимберлито-вых тел. В частности, следует отметить СНИИГГиМС, в котором комплекс ПОДБОР использовался для методических разработок и при проведении контрактных работ (например, в Австралии - на нефть, в Йемене - для гидрогеологических изысканий). Комплекс ПОДБОР использовался также в высших учебных заведениях для подготовки студентов-геофизиков.

Апробация работы и публикации

Основные результаты докладывались на семинарах по ЗСБ в НПО "Сибгео" (Новосибирск, 1984, 1987), на YIII Всесоюзной школе по электромагнитным зондированиям (Киев, 1987), на Международной геофизической конференции и выставке SEG-ЕАГО (С.Петербург, 1995), на Международной геофизической конференции "Неклассическая геоэлектрика" (Саратов, 1995), на Российской конференции "Теория и практика интерпретации данных электромагнитных геофизических методов" (Екатеринбург, 1996), на 59-ой конференции и выставке EAGE (Женева, 1997), на Международной геофизической конференции и выставке "Москва-97" (Москва, 1997).

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в девяти статьях.

Результаты, отраженные в диссертационной работе, получены автором в течение длительного времени. За это время автор работал в различных организациях, пользуясь весьма полезным сотрудничеством со многими известными специалистами. Автор выражает благодарность В.А. Белашу, Ю.М. Полонскому, В.В. Сочельникову (Геленджикское отделение ВНИИМоргео, позднее, НПО "Южморгео"), Б.И.Рабиновичу, А.К.Захаркину,

М.М.Гольдману, Г.М.Тригубовичу, Г.А.Исаеву , В.С.Моисееву,

В.В.Филатову, Н.Г.Полетаевой, Б.П.Балашову (СНИИГГиМС).

За время работы в Институте геофизики СО РАН выполнена значительная часть диссертационной работы. Исследования проводились в соответствии с планом НИР ОИГГиМ СО РАН (утвержденным 30.03.98) в рамках приоритетного направления 4.1.5 ("Проблемы нефти и газа") по теме "Взаимодействие с горными породами и распространение электромагнитного поля в геологической среде", а также по интеграционному проекту 97-22 СО РАН "Геотомография".

Автор выражает признательность М.И.Эпову, без постоянного внимания которого эта работа не была бы завершена, за многочисленные полезные обсуждения, консультации и помощь в организации материала.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 138 страниц машинописного текста, 23 рисунка. Библиография содержит 62 наименования.

Расположение материалов в диссертации соответствует поставленным задачам в рамках четырех основных направлений:

- исследование различных решений основной прямой (одномерной) задачи индуктивных зондирований становлением с целью оптимизации численной реализации;

- развитие методики линейной аппроксимации и ее использование для построения приближенных линеаризованных решений прямых задач различной размерности в осложненных геоэлектрических условиях;

- построение томографического подхода к интерпретации данных индуктивных импульсных зондирований и опробование на тестовом материале;

- описание созданного интерактивного программного комплекса для автоматизированной интерпретации данных ЗСБ и МПП.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Теория установления электромагнитных полей в проводящей Земле наиболее определенно начала свое развитие с классических работ А.Н.Тихонова и С.М.Шейнмана, в которых определились основные способы решения прямой одномерной задачи установления.

В дальнейшем в развитии теории методов нестационарного и квазистационарного электромагнитного поля в геофизике принимало участие очень большое число специалистов, полное и справедливое перечисление которых должно бы быть результатом специального исследования. На автора и его работу в силу различных причин оказали непосредственное влияние, кроме уже упомянутых, работы O.A. Скугаревской, JI.JI. Ваньяна, П.П. Фролова, В.И. Дмитриева, B.C. Светова, В.К. Bhattacharyya, J.R. Wait.

Особо следует отметить исследователей, которые, внося большой вклад в теорию, проложили также путь к численной реализации решений прямых задач становления: JI.JI. Ваньян, Ä.A. Кауфман, Г.М. Морозова, JI.A. Табаровский, В.П. Соколов, М.И. Эпов, W.L.Anderson.

Наибольшее развитие и практическую значимость среди методов ЗС получил метод индуктивных импульсных зондирований в ближней зоне (ЗСБ). Определяющее значение в его утверждении имели усилия A.A. Кауфмана, Г.М. Морозовой, В.А. Сидорова, Б.И. Рабиновича, А.К. Захаркина.

Глава 1. К теории зондирований становлением

В главе 1 поставлена задача о становлении поля от распределенного переменного плоского стороннего тока, описанного как jcm(a;, у) • q(t) (в А/м), на дневной (или на любой другой) граничной поверхности (г = г,) Л^слойной среды (<т,- - проводимость,

fii - диэлектрическая и магнитная проницаемости г-го слоя, г — 0,1 ,...,N). Источник учитывается на i-ой границе (z ~ z:) как особые условия сопряжения для поля:

где [ ] означает скачок при переходе границы. Определяя преобразования Фурье

Ы,=г, = 3Сут{х,у) -q(t), [Hy)\z=zi = ~jcxm{x,y) -7(0,

[£*IU, = 0, [Ey\\z=zi = 0,

yiiz=z,

и выражая все компоненты через Нг. и Ег, нетрудно получить для образов в каждом г-ом однородном слое:

тт* - 77 2

СГ,- J ¿Л

я; = —я; = —

2сТ{

где Л = + 7?2) знаки (") и ('2) означают произ-

водные по времени и по координате г.

оо оо

Для X и V получаем краевые задачи "магнитного" и "электрического" типов:

В2Р ЯР Я2Р

дг2 ^ ' Э*

а) для функции X

ии, = о,

б) для функции V

\х'\ I - / -2А?(0, * = I

лил

X -V о,

у -> о, И

оо.

В работе рассмотрены те методики зондирований становлением, которые основаны на использовании только ТЕ-поляризованного (магнитного типа) поля. Это возможно либо при индуктивном возбуждении незаземленным (<Пу}сга = 0) замкнутым контуром с током, либо при возбуждении, например, электрической заземленной линией, но с регистрацией вертикальной магнитной компоненты (т.е. той части общего поля, которая возбуждается индуктивно). Это означает, что далее будут рассматриваться решение и свойства краевой задачи только для функции X.

Одномерная задача для X решается двумя способами, приводящими к интегралу Фурье и, при некоторых ограничениях, к

ряду Фурье. Таким образом, в рамках единого подхода получены два представления решения задачи об установлении поля. Первое фактически совпадает с известным решением в виде обратного преобразования Фурье решения в частотной области. Второе является развитием решения, предложенного А.Н.Тихоновым. В целом, подход автора к решению задачи установления связан с подходом к численной программной реализации этой задачи на базе синтеза этих двух представлений решения.

Решение А.Н.Тихонова и технология его получения известны далеко не так хорошо, как решение в частотной области, и здесь приведено его подробное построение для многослойной среды в рамках стандартной теории задачи Штурма. Это решение также проанализировано в некоторых особых случаях и рассмотрен алгоритм построения асимптотических выражений для поздней стадии становления.

Математический аппарат метода ЗС базируется обычно на решении уравнений Максвелла в квазистационарном приближении, в пренебрежении токами смещения. Для анализа возможностей метода в сверхраннем диапазоне здесь предлагаются полные решения для самых простых сред с одной и двумя плоскими границами. Впервые полное решение задачи установления для среды с одной границей предложил в 1959 году В.К.ВЬаиасЬагууа. Однако, вновь предлагаемое решение содержит дополнительные элементы (бесконечные особенности в моменты прихода волн), которые впервые пришлось объяснять и анализировать. При этом автором показано:

- известное представление полного решения в виде обратного преобразования Фурье решения в частотной области не реализуется численно для времен, где влияние токов смещения является определяющим или хотя бы измеримым;

- необходимы либо решения непосредственно во временной области, либо дальнейшие преобразования интеграла Фурье;

- решения для простых слоистых сред можно получить сведением преобразования Фурье к преобразованию Лапласа;

- полученные выражения во временной области легко алгорит-мизуются и позволяют создать быстрые программы;

- решение имеет ¿-особенности на временах прихода волн по воздуху и по Земле, которые связаны с модельными идеализаци-ями (точечный источник, мгновенное, скачкообразное изменение момента).

Глава 2. Аппроксимации и элементы инверсии

Одномерная кусочно-однородная среда - до сих пор основная, базовая интерпретационная модель в геоэлектрике, в особенности, в методах становления поля с контролируемым источником. В процессе интерпретации достаточно часто обнаруживается, что такая модель неадекватно описывает реальную среду, но любое ее усложнение наталкивается на трудности численной реализации. Однако, по мнению автора, не стоит спешить применять сугубо численные методы, в особенности, разностные. Представим отклик нормальной, базовой среды (ст0) на выключение тока в петле (/ - ток, r0,z0 - радиус и положение петли) в виде:

El(r,z,r0,z0,t) = I -€(r,z,r0,z0,t).

Пусть в кольцевой области S(r, z) действует линейный возмущающий фактор ¿[Е]. В этой области первое уравнение Максвелла имеет вид

rot Н = <t0(z) • Е + L[Е],

Представим поле как сумму нормального поля и аномальной части:

Н = Н° + h, Е = Е° + е.

Учитывая дополнительный сторонний ток, как невзаимодействующие между собой петли с переменным током, получим для полного поля:

Ev(r,z,r0iz0,t) = E°(r,z, r0,z0,t) +

S -oo

Это интегральное уравнение, но при малых возмущениях можно заменить под интегралом полное поле нормальным ("базовым"):

Ev(r,z,r0,z0,t) = E°(r,z,r0,z0,t) + t

,r0,z0,r)] -r^£{r,z,f,z,t - T)drdrdz.

S -oo

Это приближение есть линейная часть разложения решения интегрального уравнения в ряд Неймана, соответствующее борцовскому приближению в теории рассеяния. Представляя дополнительный сторонний ток в виде ¿[Е] = Aa(r,z) • Е или Z[E] =

Рис.1 Кривые кажущихся сопротивлений для слоистой модели. Сравнение точных и линеаризованных расчетов.

1Р томографинеская-оораоотка

1 I I I I ! \ \ 1 I Г

Обычная обработка

! Г 1" I I "Т"Г 1 { | I

Рис. 2 Томографическая и обычная обработка профильных данных ЗСБ.

-e-d'Ei/dt или L[E] = jKsn-'Edt, можно построить алгоритмы учета возмущений проводимости, квазистационарного вклада токов смещения или влияния вызванной поляризации во временной области. На этой основе в работе реализованы: линеаризованные решения с неоднородностями проводимости различной размерности (рис.1); приближенный учет токов смещения; интегральный метод определения производных поля по модельным параметрам; декомпозиция сигнала установления на парциальные вклады отдельных слоев элементов среды.

В этой главе использован также другой аппроксимационный подход к некоторому классу неодномерных задач индуктивной импульсной электроразведки. Аппроксимация состоит в замене латерально-неоднородной части разреза проводящей неоднородной плоскостью. Существует проблема влияния низкоомной неоднородной верхней части разреза (ВЧР), перекрывающей относительно плохопроводящую толщу. Такая ситуация весьма типична для значительной части территории Сибирской платформы, где геоэлектрический разрез может быть сведен к типам К Я, Н К Н либо К И К Н. При интерпретации данных зондирований, как площадных так и точечных, совершенно необходимо учитывать, что на интервалах больших времен кривых становления, по которым определяются параметры глубинного объекта, проявляют себя удаленные неоднородности ВЧР. Автором предложен алгоритм расчета устанавливающегося электромагнитного поля в присутствии горизонтальной плоской пленки с произвольным распределением продольной проводимости. Задача сводится к двухмерной задаче для устанавливающегося распределения вихревых токов. В результате создана весьма эффективная программа расчета переходного процесса, обусловленного неоднородной 5-пленкой (в пределах минуты на IBM PC 133МГц).

Глава 3. Об интерпретации данных индуктивной импульсной электроразведки

В главе 3, пользуясь собственными, программно реализованными математическими средствами, описанными в главах 1 и 2, автор смоделировал некоторые сложные ситуации, возникающие при интерпретации данных индуктивной импульсной электроразведки. Прежде всего, автор старался показать, что одномерный подход к интерпретации требует осторожного обращения в случае зондирований соосными петлями и мало применим при интерпретации данных зондирований разнесенными петлями и в случае применения всякого рода площадных систем.

Предостерегая от упрощенного подхода, автор отнюдь не ратует за формально строгое решение обратной трехмерной задачи на реальном полевом материале. Речь идет об оперативной, разумно упрощенной, но, по сути, все-таки трехмерной интерпретации площадных данных. Ее предлагается реализовать на основе томографического подхода с использованием линеаризованной постановки прямой и обратной задач.

Томографическая инверсия есть один из способов решения обратной задачи. Это утверждение сразу обращает нас к определению именно томографического подхода. Здесь есть внешняя сторона, состоящая в том, что от томографической инверсии ждут весьма оперативного результата в виде некоторых изображений среды (объемных или разрезов). Это достигается за счет известных упрощений. Для томографической инверсии характерно использование приближенного, обычно, линеаризованного решения прямой задачи. Такая постановка проблемы предусматривает привлечение эффективного аппарата линейной инверсии. Приближение (линеаризация) может сопровождаться и упрощениями модели физического процесса. Характерным для томографического подхода является также приближенное, но достаточно подробное и универсальное описание среды (или возмущения некоторого параметра среды), как совокупности стандартных, однородных внутри элементов. В работе определены следующие положения, на которых основывается подход:

- среда состоит из множества стандартных элементов;

- строится линеаризованное решение многомерной прямой задачи в окрестности простой (одномерной или даже однородной) референтной модели;

- инверсия заключается в обращении линейной системы, связывающей экспериментальные данные и возмущения геоэлектрических параметров относительно референтной среды;

- структура среды восстанавливается по полученному в результате инверсии пространственному распределению параметров (например, электропроводности).

Центральным пунктом в предлагаемом подходе является эффективное решение прямой задачи в линейном приближении. Совокупность экспериментальных наблюдений, полученных при различных условиях (время регистрации, положение источника, точка наблюдения) — соотносится с соответствующими

линеаризованными представлениями. В результате формируется линейная система для определения некоторой совокупности кусочно-постоянных невзаимодействующих между собой возму-

щений проводимости:

Е{и) = Eo{ti) + Io • ■ GAti)> » = j=l

где Ä" - количество стандартных элементов, на которое мы разбили среду, ÜJ0 - поле референтной среды, Дст;- - возмущение проводимости j-ой области по отношению к референтной среде, N - количество измерений, G;(i,) - коэффициенты линеаризованного представления прямой задачи, расчитываемые согласно приведенной выше (глава 2) формуле.

В этой главе исследуется работоспособность нового подхода на синтетических и экспериментальных данных при одномерной инверсии (рис.2). Трехмерная томографическая интерпретация не нуждается в каком-то особом матаппарате. Линеаризованное представление для аномального поля локального возмущения проводимости получено в главе 2. Однако эксперименты по трехмерной инверсии должны быть тщательно подготовлены в отношении стратегии и организации инверсионного процесса.

Глава 4. Комплекс ПОДБОР

Широкое распространение персональных компьютеров потребовало создания соответствующего математического обеспечения для интерпретации данных электромагнитных методов. К выдержавшим испытание временем и практикой можно отнести системы ЭРА (JI.A. Табаровский, М.И. Эпов, И.Н. Ельцов), и ПОДБОР (B.C. Могилатов, А.В.Злобинский) в России и TEMIX (Ch.H.Stoyer, W.L.Anderson) на Западе. Это объясняется большими усилиями разработчиков по созданию развитого графического интерфейса и удачным решением (в каждом случае своеобразным) проблемы быстродействия процедур решения базовых прямых задач.

Комплекс программ ПОДБОР для интерактивной интерпретации данных ЗСБ (МПП) на персональных ЭВМ типа IBM PC создан на основе представленных в работе алгоритмов (главы 1, 2). Основные вычислительные процедуры написаны В.С.Могилатовым. Некоторые вспомогательные процедуры, организацию функционального взаимодействия и графический интерфейс реализовал А.В.Злобинский. Соавторами отдельных компонент комплекса являются также А.К.Захаркин (система ПРОФИЛЬ), М.И.Эпов и Е.Ю.Антонов (программа FAST3D).

Комплекс ПОДБОР развивался постепенно с конца 80-х годов из несовершенного состояния. Его развитие стимулировалось требованиями высококвалифицированных пользователей - геофизиков (практиков и исследователей) из различных организаций. Следует отметить В.В. Лифшица, Г.М. Тригубовича, Г.А. Исаева, H.H. Тарло, В.М. Бубнова, М.М. Goldman (Израиль), а также специалистов компании CRA Exploration Pty Limited (Австралия) R. Smith, J. Paine, R. Lane. Но, безусловно, наибольшее значение имели постоянное внимание и использование опыта практических работ по ЗСБ А.К.Захаркина. Автор глубоко благодарен этим специалистам.

Комплекс ПОДБОР включает 4 самостоятельных программных объекта (ПОДБОР, ПРОФИЛЬ, СЛОЙ, FAST3D) в единообразных сервисных оболочках, с единой системой ввода-вывода, документирования (файлы и твердые копии, графика и таблицы, PCX-формат) и оперативной помощи пользователю:

1. ПОДБОР - система инверсии данных единичных зондирований на основе ручного и автоматического решения обратной задачи методом целенаправленного подбора в классе горизонтально-слоистых моделей.

2. ПРОФИЛЬ - система для разнообразных и регулируемых пользователем профильных представлений первичного материала, а также результатов инверсии.

3. СЛОИ - программа для весьма детального анализа процесса становления поля во многослойной среде с плоскопараллельными границами.

4. FAST3D - программа быстрого расчета влияния локальных нарушений однородности разреза на процесс становления. На процессоре 486 время расчета не превышает 10 мин.

На рис.3 представлена текущая итерация процесса определения параметров разреза в системе ПОДБОР. Полевая кривая становления получена в процессе работ на нефть и газ в бассейне McArthur (1991г., Австралия). Задача электроразведки заключалась в оценке пространственного распределения сопротивлений с целью увязки их с флюидонасыщением.

На рис.4 представлены результаты интерпретации данных МПП, полученных в гидрогеологических работах в Йемене на участке WARAZAN (1997г., исполнитель работ А.К. Захаркин,

.':1о»7..'.:'.

Слам'Иб.

■ •■ л-";.'. но < он«и >'■•;■''■■■'.:'■ •.н<«>

,•1'...•••■"•" ..•': да .о ...'...'.-; '.■Г .■ :аа .с

-•■■•".«'.'23

.■.: .■-•."■'.403 ■

•".л •'•..■"•••..". ьз .о •100

."..в".■.- доп.

.4,0о-..'...".'■•' юо

' .;»•'■ г-"'- : ••'.•'...'•-юн'

•"а; 16...':'.: ...'■"..:■ :1оо'.

' »,.1 ' " Ю.«| • ... ;.:■>■•' .106.

.10...- 1а.о.:"." :..•;.

Сг.г.Л С г. ьжл ' ;

ФмнооУ.

иг«»" '•'■■:

Сг.г. В

Ьож&мовк»

•'.••»ио'.: .•.;•..•.•..'

Л го* : .'.'.'500 Вп' кй.

Ллфа -1 Зсв-ипп-хнпп Ц- ■■ ■' .Счиг.'.'р-■' К»»ип»а»

* '

ПЛ1-; сд*1.»

/гТПГ'.

Сол;*.'.

о.:

' 31.«:'. 0.141

.-.за .«-•.

^мн 7 «За« I «оп!/Кя. Дата .У.. -14 /ОТ »'.

Про»-;'.'.- -П«Э1->Э -

ты'гю*.у'..'•' •'-;-иа»0"

Finuf.Fa3in.CM-.F3 ЭДС ГЬ Г»а.» 3,оч>тГ9 Счет РЮ Лат СI Ви*

Рис.3 Обработка полевой кривой в системе ПОДБОР (Австралия).

Рис.4 Представление разреза в системе ПРОФИЛЬ (Йемен).

СНИИГГиМС). Построенный в системе ПРОФИЛЬ разрез отражает толщу вулканитов, слагающих склон палеовулкана, расположенного в правой части изображенного профиля. Четко прослеживается система наклонных слоев, представленных чередованием относительно высокоомных и низкоомных пород. Высокоомные слои - плотные вулканиты преимущественно базальтового состава, низкоомные - туфового.

Комплекс ПОДБОР нашел применение при работах в России, Украине, Казахстане, Австралии, Франции, Израиле, Йемене. Может применяться для интерпретации данных электроразведки ЗСБ (МПП) в морском, скважинном и аэровариантах. Комплекс ПОДБОР имеет самостоятельное значение, но в контексте работы описание этого матобеспечения приведено, как пример прямого практического использования представленных теоретических разработок.

Описание комплекса ПОДБОР помещено в сети Internet по адресу: "http://lab6408.geophysics.uiggm.nsc.ru", где можно взять демонстрационные версии и где помещен действующий демонстрационный элемент в виде Active Form.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общим результатом работы является развитие и создание на различных уровнях от теоретического до программного новых интерпретационных математических средств импульсной индуктивной электроразведки. Практически все теоретические разработки, приведенные в работе, реализованы численно. Таким образом, достоверность результатов проведенных исследований основана на сравнении результатов численного моделирования либо с результатами, полученными самим автором с использованием других подходов (например, применялось сравнение расчетов процесса становления частотным способом и с использованием решения А.Н.Тихонова), либо с результатами, полученными другими исследователями и другими методами (математическими и физическими). Достоверность построенного математического аппарата подтверждается также многолетним практическим использованием программного комплекса ПОДБОР.

Конкретные результаты состоят в следующем:

1. Получено обобщающее (интеграл и ряд Фурье) решение задачи о становлении поля, возбуждаемого контролируемым источником в горизонтально-слоистой среде. Предлагаемая постановка и способ решения обобщают многолетние наработки в этой области и приводят математический аппарат ЗС к компактному и единообразному виду.

В целом, подход автора к решению задачи установления связан с подходом к численной программной реализации этой задачи на базе синтеза двух алгоритмов. Автор настоятельно рекомендует развивать именно этот путь оптимизации численных процедур для основной прямой задачи импульсных ЗС.

В этой работе сделан лишь первый шаг для получения обобщенного представления решения задачи становления, вкючающе-го, как частные случаи, представления в виде интеграла Фурье и ряда Фурье. Было бы интересно также получить представление в виде ряда из представления решения в виде интеграла.

2. Получены выражения во временной области для поля становления с учетом токов смещения в среде с одной и двумя плоскими границами. Эти решения могут быть полезны для некоторого предварительного геофизического анализа, могут использоваться для тестирования расчетов по более общим алгоритмам (сеточным и интегральным), а также послужить основой или составной частью общего алгоритма для горизонтально-слоистой среды. Полученные решения показывают, что задача эта много сложнее, чем аналогичная задача в квазистационарном приближении. Основная причина заключается в смене типа уравнения. Эта ситуация меньше влияет при расчетах сеточными методами. Следует ожидать, что некоторое время расчеты для горизонтально-слоистых разрезов будут выполняться именно этими методами. Понятно, что это никогда не снимет актуальности построения быстрых интегральных алгоритмов, хотя бы в плане оптимизации разностного подхода.

3. Разработаны алгоритмические средства приближенного оперативного прямого моделирования и инверсии в осложненных геоэлектрических условиях на основе сформулированного метода вторичных источников и теории возмущения. Все предложенные алгоритмы программно реализованы отчасти в комплексе ПОДБОР, отчасти в развивающемся математическом обеспечении томографии индуктивных ЗС.

Освоение предлагаемого подхода позволило бы исследователям в области геоэлектромагнитных зондирований во многих случаях обойтись без привлечения громоздких и дорогостоящих систем "строгого" многомерного численного (конечные разности, конечные элементы) моделирования задач ЗС. Очевидное развитие предлагаемого способа приближенного прямого моделирования состоит в привлечении следующих (за линейным) членов борцовского ряда.

4. Реализован еще один аппроксимационный подход, заключающийся в аппроксимации геоэлектрической модели неоднородной проводящей плоскостью. Такая модель среды позволяет свести

прямую задачу ЗС к двухмерной задаче установления токов в плоскости.

5. Предложен новый, томографический, способ интерпретации данных индуктивной импульсной электроразведки. Способ, в принципе, решает проблему оперативной обработки больших массивов, (возможно, разнородных) площадных данных при трехмерном подходе.

Центральным моментом в предлагаемом подходе является эффективное решение прямой задачи в линеаризованном представлении на основе метода вторичных источников и теории возмущения, что соответствует известному борновскому приближению в теории рассеяния. Таким образом, автор развивает метод дифракционной электромагнитной томографии.

В этой работе показана работоспособность томографического подхода на синтетических и экспериментальных данных при одномерной инверсии. Определено, что трехмерная томографическая интерпретация не нуждается в каком-то особом матаппара-те, а только в определении стратегии и организации инверсионного процесса.

Предварительные исследования показали, что проблема точности прямой задачи в линеаризованной постановке может решаться путем гибкого выбора параметров референтной модели и применения все больших объемов независимых данных. Дальнейшие исследования должны бы определить, насколько далеко можно продвинуться в этом направлении.

6. Результатом многолетней работы является программный комплекс ПОДБОР. Посредством этого программного продукта многие (большая часть тех, что представлены в диссертации) теоретические и алгоритмические разработки нашли практическое, производственное применение.

По сравнению с аналогами комплекс ПОДБОР обладает двумя важными достоинствами, которые, к тому же, дают высокий потенциал развития. Первое состоит в том, что используется синтез двух представлений решения прямой одномерной задачи ЗС. Другая особенность состоит в использовании варианта прямой задачи для быстрого, интегральным способом расчета производных отклика по параметрам разреза.

Электроразведочные работы, обработка данных которых производилась в комплексе ПОДБОР, проводились с различными целями: нефть (Россия, Австралия), поиски рудных объектов (Россия, Украина, Казахстан), поиски кимберлитовых тел (Россия), гидрогеологические исследования (Израиль, Йемен).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Могилатов B.C. Поздняя стадия становления электромагнитного поля, возбуждаемого погруженным электрическим диполем // Изв.АН СССР. Сер.: Физика Земли. - 1976. - N 8. - С. 103-107.

2. Рабинович Б.И., Могилатов B.C. Становление поля погруженного вертикального магнитного диполя // Геология и геофизика. - 1981. - N 3. - С. 88-100.

3. Захаркин А.К., Могилатов B.C., Горошко Н.В. Первичная обработка материалов ЗСБ, полученных на аппаратуре "Цикл-2" // Результаты применения метода зондирования становлением поля в районах Сибирской платформы. - Труды СНИИГГиМС. -Новосибирск, 1987, С. 120-125.

4. Могилатов B.C. Об одном способе решения основной прямой задачи электроразведки ЗС // Геология и геофизика. - 1993. - N 3. - С. 108-117.

5. Могилатов B.C., Фомин В.М. Пленочное моделирование в методах МПП и ЗС // Изв.РАН. Сер.: Физика Земли.- 1992. - N 7. - С. 62-66.

6. Goldman М., Mogilatov V. and Rabinovich М., 1996, Transient response of a homogeneous half space with due regard for displacement currents // Jornal of applied geophysics. - 1996. - Vol.37.- Pp. 291-305.

7. Могилатов B.C. Элементы математического аппарата зондирований становлением поля при учете токов смещения // Изв. РАН. Сер.: Физика Земли.- 1997. - N 9. - С. 60-66.

8. Могилатов B.C. Индуктивный, смешанный и гальванический источники в электроразведке становлением поля // Изв. РАН. Сер.: Физика Земли.- 1997.- N 12. - С. 42-51.

9. Могилатов B.C. Возбуждение электромагнитного поля в слоистой Земле горизонтальным токовым листом // Изв. РАН. Сер.: Физика Земли.- 1998. - N 5. - С. 45-53.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Могилатов, Владимир Сергеевич, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ

На правах рукописи

МОГИЛАТОВ Владимир Сергеевич

РАЗВИТИЕ ИНТЕРПРЕТАЦИОННЫХ СРЕДСТВ ИНДУКТИВНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ

04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор тех. наук М.И.Эпов

НОВОСИБИРСК - 1998

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 4

1 Глава 1. К ТЕОРИИ ЗОНДИРОВАНИЙ СТАНОВЛЕНИЕМ 18

1.1 Общее решение задачи индукционных зондирований..............................20

1.1.1 Пример. Токовая петля - индуктивный источник........................25

1.1.2 Пример. Заземленная линия - смешанный источник ....................26

1.2 Два способа решения задачи об установлении......................................27

1.3 Решение А.Н.Тихонова................................................................31

1.3.1 Задача для магнитной моды во многослойной среде......................34

1.3.2 Поздняя стадия процесса......................................................39

1.3.3 Модель - пласт в воздухе....................................................41

1.3.4 Сверхпроводящее основание..................................................42

1.4 Учет токов смещения в задачах установления......................................43

1.4.1 Среда с одной границей ......................................................45

1.4.2 Источник и приемник на поверхности Земли..............................49

1.4.3 Расчеты. Учет формы импульса и конечных размеров источника ... 55

1.4.4 Среда с двумя границами....................................................56

1.5 Выводы..................................................................................58

2 Глава 2. АППРОКСИМАЦИИ И ЭЛЕМЕНТЫ ИНВЕРСИИ 60

2.1 Базовая модель и метод вторичных источников....................................61

2.2 Интегральное определение производных по параметрам базовой модели ... 63

2.3 Быстрое приближенное моделирование задач установления различной размерности ................................................................................65

2.3.1 Линеаризованная одномерная задача........................................65

2.3.2 Линеаризованная квазитрехмерная задача..................................68

2.4 Отклик, как поле мгновенного распределения токов в среде......................71

2.5 Приближенный учет токов смещения в задаче установлениия..................73

2.6 Неоднородная проводящая пленка....................................................74

2.7 Выводы..................................................................................82

3 Глава 3. ОБ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ИНДУКТИВНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ 84

3.1 Боковые влияния ......................................................................86

3.2 Влияние сильно проводящего слоя или основания..................................88

3.3 О трансформациях данных разнесенных зондирований..........................90

3.4 Одномерный и трехмерный подходы к интерпретации площадных данных импульсной электроразведки..........................................................93

3.5 Томографический подход..............................................................94

3.5.1 Одномерная томографическая инверсия..................100

3.5.2 О трехмерной томографической инверсии.................104

3.6 Выводы.........................................105

4 Глава 4. КОМПЛЕКС ПОДБОР 106

4.1 Общая характеристика комплекса..........................108

4.2 Система Подбор....................................110

4.3 Система ПРОФИЛЬ..................................115

4.4 Программа FAST3D..................................118

4.5 Программа Слой....................................119

4.6 Выводы.........................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123

ЛИТЕРАТУРА 130

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследований

Актуальность темы

За последнее десятилетие в России произошло существенное сокращение геофизических работ электромагнитными методами. Это связано с изменениями экономических отношений, а также и с мировой тенденцией переориентации электромагнитных исследований на малоглубинные проблемы - экологические, гидрогеологические и инженерные. Новые условия требуют существенного роста эффективности электромагнитных методов, который возможен за счет широкого использования площадных, плотных систем наблюдения-возбуждения с последующей трехмерной интерпретацией. Отдельные попытки организации массовой площадной регистрации данных не сопровождались углубленной обработкой с использованием 2Б и ЗБ подходов и выглядят слишком дорогостоящими по отношению к результатам. Вместе с тем, традиционные в одномерной интерпретации итерационные методы оптимизации неприемлемы по ряду причин при трехмерной интерпретации.

нового, томографического способа интерпретации. В этом случае обеспечивается оперативная обработка больших массивов разнородной информации на основе линеаризованной постановки прямых и обратных трехмерных задач.

Цель работы

Развитие математических средств для эффективной интерпретации

V* /

данных индуктивнои импульснои электроразведки (индуктивных зондирований становлением, индуктивных ЗС).

Задачи исследований

1. Расширить численно-алгоритмическую базу для основной прямой (одномерной) задачи индуктивных зондирований становлением за счет синтеза спектрального подхода и решения во временной области.

Методы исследований и фактический материал

В качестве фактического материала при работе над диссертацией использовались полевые материалы, результаты интерпретации и

данные физического моделирования, полученные от сотрудника отдела электроразведки СНИИГГиМС А.К.Захаркина: данные 11 пикетов зондирований методом ЗСБ (Татария), использованные для опробования томографического подхода; результаты интерпретации 18 пикетов по работам методом МПП в Йемене; результаты интерпретации 14 пикетов по работам методом МПП в Красноярском крае; данные физического моделирования на металле, использованные для верификации программ PRAIS и MAG (2 кривые становления). Для верификации результатов математического моделирования привлекались расчеты, выполненные по апробированным программам (ЭРА, АЛЕКС — ИГФ СО РАН).

Основные защищаемые положения и научные результаты

3. Томографический подход к интерпретации данных индуктивных зондирований основан на линеаризованной постановке прямых и обратных задач для геоэлектрических сред, описанных как набор стандартных объемных элементов, и определяется как дифракционная томография в борновском приближении.

корректировать результаты при наличии латеральных нарушений.

Научная новизна работы

1. В рамках единого метода устанавливающихся пространственных гармоник получены решения прямой задачи становления для плоского распределения стороннего тока двумя способами (интеграл и ряд Фурье), как суперпозиции поперечно-электрического и поперечно-магнитного полей.

3. Предложен общий метод построения приближенных линеаризова-

и М /

ных решении для осложненных геоэлектрических условии (в частности, при латеральных изменениях проводимости) в окрестности более простой модели.

Практическая значимость работы

Результаты исследований, реализованные в комплексе ПОДБОР для интерпретации данных ЗСБ (МПП), нашли применение в 11 научно-исследовательских и прооизводственных организациях России и СНГ, а также в некоторых странах дальнего зарубежья. Интерпретация с применением комплекса ПОДБОР проводилась при разведке нефтяных месторождений, поиске рудопроявлений, решении гидрогеологических задач и поисках кимберлитовых тел. В частности, следует отметить СНИИГГиМС, в котором комплекс ПОДБОР использовался для методических разработок и при проведении контрактных работ (например, в Австралии - на нефть, в Йемене - для гидрогеологических изысканий). Комплекс ПОДБОР использовался также в высших учебных заведениях для подготовки студентов-геофизиков.

Апробация работы и публикации

Основные результаты докладывались на семинарах по ЗСБ в НПО "Сибгео" (Новосибирск, 1984,1987), на YIII Всесоюзной школе по электромагнитным зондированиям (Киев, 1987), на Международной геофизической конференции и выставке SEG-ЕАГО (С.Петербург, 1995), на Международной геофизической конференции "Неклассическая геоэлектрика" (Саратов, 1995), на Российской конференции "Теория и практика интерпретации данных электромагнитных геофизических методов" (Екатеринбург, 1996), на 59-ой конференции и выставке EAGE (Женева, 1997), на Международной геофизической конференции и выставке "Москва-97" (Москва, 1997).

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в девяти работах.

Результаты, отраженные в диссертационной работе, получены автором в течение длительного времени. За это время автор работал в различных организациях, пользуясь весьма полезным сотрудничеством со многими известными специалистами. Автор выражает благодарность В.А.Белашу, Ю.М.Полонскому, В.В.Сочельникову (Геленджикское отделение ВНИИМоргео, позднее, НПО "Южморгео"), Б.И.Рабинови-

чу, А.К.Захаркину, М.М.Гольдману, Г.М.Тригубовичу, Г.А.Исаеву

В.С.Моисееву, В.В.Филатову, Н.Г.Полетаевой, Б.П.Балашову (СНИ-ИГГиМС).

Автор выражает признательность М.И.Эпову, без постоянного вни-

мания которого эта работа не была бы завершена, за многочисленные полезные обсуждения, консультации и помощь в организации материала.

Объем и структура работы

и V и / и \

- исследование различных решении основной прямой (одномерной) задачи индуктивных зондирований становлением с целью оптимизации численной реализации;

Теория становления электромагнитных полей в проводящей Земле наиболее определенно начала свое развитие с классических работ А.Н.Тихонова [35], [37], [38] и С.М.Шейнмана [42], в которых определились основные способы решения прямой одномерной задачи становления.

ния. На нас и на эту работу в силу различных, не всегда объективных причин оказали непосредственное влияние (по этому принципу сформирован библиографический список в диссертации), кроме уже упомянутых, работы О.А.Скугаревской [29], [30], Л.Л.Ваньяна [2], П.П.Фролова [41], В.И.Дмитриева [7],[6], Б.С.Светова [24], B.K.Bhattacharyya [51], J.R.Wait [40].

Особо следует отметить исследователей, которые, внося большой вклад в теорию, проложили также путь к численной реализации решений прямых задач становления: Л.Л.Ваньян [2], А.А.Кауфман, Г.М.Морозова [11], Л.А.Табаровский, В.П.Соколов [11], М.И.Эпов [43], [44]. W.L.Anderson [47], [48], [49], [50].

Наибольшее развитие и практическую значимость среди методов ЗС получил метод индуктивных импульсных зондирований в ближней зоне (ЗСБ). Определяющее значение в его утверждении имели усилия А.А.Кауфмана, Г.М.Морозовой [12], В.А.Сидорова [25],[26],[27], [28], Б.И.Рабиновича, А.К.Захаркина [21].

К теории зондирований становлением (глава 1)

В главе 1, в целях также более точного определения предмета исследований, ставится задача о становлении поля от произвольного плоского стороннего тока на дневной поверхности, который учитывается как дополнительное условие на границе, и задача сводится к двум независимым одномерным задачам для поля магнитного типа (поперечно-электрического), определяемого ротором распределения стороннего тока, и поля электрического типа (поперечно-магнитного), определяемого дивергенцией стороннего тока, в области пространственных гармоник. Определено, что круг рассматриваемых вопросов в данной работе связан с полем магнитного типа (М-поле, М-мода), являющимся физической основой индуктивной импульсной электроразведки. Поэтому далее продолжено решение задачи становления уже только для М-поля.

Одномерная задача в области пространственных гармоник решена в

квазистационарном приближении двумя способами, в виде интеграла Фурье и, при некоторых ограничениях, - в виде ряда Фурье. Первое представление решения фактически совпадает с известным представлением решения задачи становления в виде трансформации Фурье решения в частотной области. Второе решение является развитием решения А.Н.Тихонова. Заметим, что получены эти два представления в рамках единого подхода. Имеет значение и компактная, алгоритмически прозрачная, с общими элементами запись этих двух решений. В целом, подход автора к решению задачи становления связан с подходом к численной программной реализации этой задачи на базе синтеза двух математических описаний процесса становления.

Решение А.Н.Тихонова, а, тем более, технология его получения, известны далеко не так хорошо, как решение в частотной области, и здесь приведено его подробное построение. Камнем преткновения является аналитическое определение коэффициентов разложения по собственным функциям, и автор обосновал их определение в рамках стандартной теории задачи Штурма. Это решение проанализировано в особых случаях и рассмотрен алгоритм построения асимптотических выражений для больших значений времен становления.

Математический аппарат метода зондирований становлением электромагнитного поля базируется на решении уравнений Максвелла в квазистационарном приближении, в пренебрежении токами смещения. Обоснование этого приближения, причем более полное, чем в последующих публикациях, дано в фундаментальной работе [42]. Практика ЗС до сих пор не давала серьезных стимулов для развития математического аппарата с учетом токов смещения. Однако, традиционные методики исчерпывают себя, вместе с тем, технические возможности растут, становятся доступными для точных измерений сверхранние, наносекундные стадии процесса становления. Появляются результаты экспериментальных ис�

Информация о работе

Могилатов, Владимир Сергеевич
кандидата технических наук
Новосибирск, 1998
ВАК 04.00.12

Диссертация

Развитие интерпретационных средств индуктивной импульсной электроразведки - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы