Становление электромагнитного поля над наклонными геоэлектрическими границами и поляризующимися средами

Павлов, Евгений Владимирович

Автореферат диссертации по теме "Становление электромагнитного поля над наклонными геоэлектрическими границами и поляризующимися средами"

На правах рукописи

ПАВЛОВ Евгений Владимирович

СТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НАД НАКЛОННЫМИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ГРАНИЦАМИ И ПОЛЯРИЗУЮЩИМИСЯ СРЕДАМИ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 2005

Работа выполнена в Институте геофизики

Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Антонов Евгений Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Глинский Борис Михайлович

Защита состоится 6 июля 2005 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 003.050.05 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии им. A.A. Трофимука СО РАН, в конференц-зале.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГиМ СО РАН

доктор физико-математических наук Филатов Владимир Викторович

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие "Иркутскгеофизика" (г. Иркутск)

м

Автореферат разослан

мая 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ. - мат. наук

Ю.А. Дашевский

Гае!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования данной работы являются геологические среды, которым присуща дисперсия удельного электрического сопротивления и сложная геометрия отдельных тел.

Методы зондирования становлением поля (ЗС) и вызванной поляризации (ВП) успешно развиваются на протяжении более 50-ти лет. К настоящему времени достаточно полно разработаны физико-математические основы этих методов, что позволяет решать широкий круг геологических задач. Однако остается ряд нерешенных теоретических и методических вопросов, ответы на которые будут способствовать реализации возможностей этих методов. В частности, недостаточно учитывалось влияние эффектов вызванной поляризации и геометрии геоэлектрических границ на электромагнитный отклик.

Эффекты ВП однозначно диагностируются по полевым данным только при использовании совмещенной петлевой установки, когда наблюдаемые сигналы меняют знак. Во многих других случаях поляризационный процесс искажает наблюдаемый сигнал становления поля, однако смены знака при этом не происходит. В этом случае определение причины искажений вызывает наибольшие сложности, поскольку аналогичные явления могут возникать не только за счет поляризуемости горных пород, но и за счет неоднородностей геологической среды.

Имеются также вопросы в связи с так называемым сверхразрешением, которое заключается в том, что часто по экспериментальным данным наземных электромагнитных зондирований выделяются объекты, которые не должны заметно влиять на результаты измерений из-за малого вклада в суммарную продольную проводимость геоэлектрического разреза. Феномен высокоразрешающей электроразведки ранее рассматривался в одной плоскости: какое влияние оказывает вызванная поляризация горных пород на кривые зондирования. При этом считалось, что эффекты сверхразрешения имеют в своей основе механизм вызванной поляризации, другие возможные ме-

ханизмы (в частности, влияние слабого наклона геоэлектрических границ) не рассматривались.

Исходя из выше сказанного, актуальность исследований заключается в разработке алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований, с использованием трехмерного моделирования геоэлектрической среды, учитывающего слабый наклон геоэлектрических границ, и в учете петрофизи-ческих характеристик горных пород через параметры вызванной поляризации в наземных электромагнитных зондированиях.

Цель исследований - повышение достоверности и информативности электромагнитных методов путем разработки более совершенных алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований, в основе которых лежит одномерное моделирование с учетом частотной дисперсии и трехмерное моделирование геоэлектрической среды.

Научные задачи исследования

1. Определить влияние дисперсии удельного электрического сопротивления, расположения установки относительно поверхности наблюдения и наклона геоэлектрических границ на измеряемый сигнал в электромагнитных зондированиях. Установить качественные признаки наличия в геоэлектрическом разрезе слабонаклонных границ (по форме кривых зондирований и их трансформантам).

2. Оценить зависимость электромагнитного отклика геологического разреза от пористости горных пород через параметры поляризации Cole-Cole и разработать алгоритм интерпретации для поляризованных геоэлектрических моделей, которые содержат большое количество определяемых параметров.

Фактический материал и методы исследования

В своих исследованиях автор опирался на идеи российских и зарубежных ученых, работавших в области электромагнитных методов электроразведки и внесших вклад в развитие физико-математических основ метода зондирования становлением поля: Л.Л. Ваньяна, В.И. Дмитриева, A.A. Кауфмана, Г.М. Морозовой, B.C. Светова, A.A. Сидорова, Л.А. Табаровского, В.В. Тикшаева, А.Н. Тихонова, С.М. Шейнмана. Явление вызванной поляризации изучали: Ю.П. Булашевич, И.Э. Гаври-

лов, Б.И. Геннадиник, В.П. Губатенко, В.Ю.Задорожная, Р.Б. Журавлев, Ф.М. Каменецкий, В.А. Комаров, В.В. Кормильцев, А.В. Куликов, Д. Маршал, Т. Мадлен, Н.Т. Полетаева, А.Ф. Постельников, М.П. Сидорова, В.А. Сидоров, А.Д. Скурихин, В.М. Тимофеев, В.В. Филатов, Д.А. Фридрихсберг, С.М. Шейнман, Е.А. Шемякин, М.И. Эпов, А.М. Яхин, Д. Блейд, В. Бухгейм, Г. Сигел, Дж. Уэйт, R. Cole, К. Cole, G.U. Keller. Метод возмущений для решения двух-, трехмерных прямых задач применяли: Г.Г. Обухов, А.А. Кауфман, JI.A. Табаровский, J.E. Mann.

Теоретической основой решения поставленной задачи являются уравнения электродинамики Максвелла в квазистационарном приближении. Для моделирования электромагнитного отклика над горизонтально-слоистой поляризующейся средой использовалось решение прямой одномерной электродинамической задачи с учетом дисперсии удельного (ЧД) электрического сопротивления по модели Cole-Cole (Антонов Е.Ю., 1993). Для трехмерного моделирования электромагнитного отклика геологического разреза использовалось решение прямой трехмерной электродинамической задачи (Антонов Е.Ю., 1989), в основе которой лежит метод возмущений.

Основным методом исследования является математическое моделирование электромагнитного отклика от геоэлектрического разреза. Для решения задачи инверсии данных наземных электромагнитных зондирований использовался метод оптимизации Нелдера-Мида (1964). Для верификации программного обеспечения проводился сравнительный анализ расчетов по программам, предоставленным разными авторами (Табаровский 1982, Могилатов 1995, Weidelt 1994 и др.), выполнялись тестовые расчеты для известных моделей.

Для установления связи между параметрами поляризуемости Cole-Cole и пористостью горных пород использовались результаты измерения спектра удельного электрического сопротивления на коллекции образцов керна из скважины 3143 Тян-ского месторождения (около 50 образцов). Экспериментальный материал получен в СНИИГГиМС и включает в себя около 60 кривых спектральных характеристик образцов в двух растворах с различной минерализацией.

При тестировании схемы инверсии данных электромагнитных зондирований применительно к дифференциально-нормированному методу электроразведки использовался экспериментальный материал, предоставленный сотрудниками «Иркутскгеофизика». Эти экспериментальные данные (около 40 точек зондирования) получены в 2000-2004 годах в Восточной Сибири и Волгоградской области.

Защищаемые научные результаты

1. Доказано, что вклад гальванической моды в электромагнитный отклик существенно увеличивается при наличии в геологическом разрезе наклонных границ. На кривых кажущейся продольной проводимости (БТ(НХ)) появляются участки с понижением продольной проводимости по глубине для зондирующей установки «петля - электрическая линия». Сравнительный анализ синтетических электромагнитных откликов в среде со слабонаклонной границей пласта и с поляризующимся пластом показал, что небольшие углы наклона пластов находят отражение в качественных изменениях формы кривых 5Т(НТ), в то время как даже сильно поляризованный пласт только завышает суммарную продольную проводимость разреза, не меняя форму кривых 8Т(НТ).

2. Сравнительный анализ электромагнитного отклика с различными значениями параметров поляризуемости горных пород показал, что при известной минерализации флюида, заполняющего поровое пространство, пористость горной породы влияет на уровень регистрируемого сигнала: на поздней стадии становления уровень регистрируемого сигнала тем выше, чем больше пористость горной породы, (коллекция керна из скважины Тянской площади, Западная Сибирь).

Новизна работы. Личный вклад

1. Проведена оценка влияния слабонаклонных геоэлектрических границ и эффектов вызванной поляризации на электромагнитный отклик в наземных зондированиях:

- разработан алгоритм моделирования нестационарного электромагнитного отклика над горизонтально-слоистыми средами с учетом наклона совмещенной петлевой установки относительно дневной поверхности, разработано соответствующее программное обеспечение;

- построена зенитная диаграмма направленности кажущейся продольной проводимости, отражающая величину аномалии продольной проводимости разреза, которая является критерием для определения утла наклона совмещенной петлевой установки относительно дневной поверхности;

- для различных типов установок проведен численный анализ электромагнитного отклика, с учетом поляризации и наклона тонкого пласта доказано, что гальваническая составляющая в регистрируемом нестационарном сигнале приводит к возникновению на кривых ST(Hr) участков убывания суммарной проводимости для установки «петля - электрическая линия» (для установки «петля-петля» таких искажений ST(HT) кривых не наблюдается).

2. Определены параметры вызванной поляризации Cole-Cole образцов горных пород и их связь с пористостью:

- разработан алгоритм подбора параметров поляризации Cole-Cole по экспериментальным спектральным характеристикам удельного электрического сопротивления образцов горных пород, разработано программное обеспечение;

- определены параметры модели Cole-Cole для образцов горных пород при двух минерализациях флюида, заполняющего поровое пространство образцов (коллекции керна из скважины Тянской площади, Западная Сибирь);

- сравнительный анализ полей корреляции параметров ВП образцов горных пород позволил установить, что изменение концентрации флюида приводит к сильному изменению параметров Cole-Cole.

3. С использованием алгоритма оптимизации Нелдера-Мида разработана методика инверсии данных электромагнитных зондирований для многопараметричных моделей поляризующихся сред.

Теоретическая и практическая значимость результатов

В работе на базе алгоритмов моделирования нестационарных электромагнитных полей в одномерных (с учетом поляризации) и трехмерных (без учета поляризации) средах дается объяснение явлению сверхразрешения, а установленная связь пористости горных пород и результатов наземных электромаг-

нитных зондирований описывается через параметры поляризуемости.

Разработанные для построения геоэлектрических моделей алгоритмы и программы позволяют получить более достоверную информацию о структуре геоэлектрических границ, что важно для решения задачи интерпретации большого объема экспериментального материала, который ранее считался некондиционным и его обработка и интерпретация не проводились, а также изучать структуру толщи осадочного чехла на старом и на новом экспериментальном материале.

Математическое моделирование электромагнитных откликов в слабонаклонных средах делает возможным оптимальное планирование полевых работ. Качественные признаки (по особенностям кривых 8Т(НТ)) слабого наклона границ позволяют разделить влияние процессов вызванной поляризации и геометрии геоэлектрических границ, что имеет важное практическое значение при выявлении структурных особенностей геологического разреза.

Установленная зависимость между пористостью горных пород и величиной измеряемого на дневной поверхности сигнала дает принципиальную возможность определения пористости в случае, если другие петрофизические свойства горных пород мало изменяются. Последнее важно для развития методов наземной геоэлектрики при решении задач гидрогеологии и инженерной геологии.

Разработанный алгоритм инверсии данных электромагнитных зондирований внедрен в производство в ФГУГП "Иркут-скгеофизика" в 2004 году и успешно применяется для инверсии данных дифференциально-нормированного метода электроразведки (ДНМЭ).

Апробация работы

Основные положения и результаты докладывались на XXXVI Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1998), на XXXVII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1999), на Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. ак. М.А. Усова (Томск, 1999), на XXXVIII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск,

2000), на Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов (Новосибирск, 2001), на IV Уральской молодежной научной школе по геофизике (Пермь, 2003), на XX Всероссийской молодежной конференции (Иркутск, 2003), на V Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2004), на VI Уральской молодежной научной школе по геофизике (Пермь, 2005).

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института геофизики СО РАН № 01200101571 в 2002-2003 годах, № 01200407248 в 2004-2005 годах и была поддержана грантом Минобразования РФ "Оценка параметров частотной дисперсии по данным индукционных зондирований" №3H-230-98. Соискатель является соавтором трех отчетов по этому гранту.

Благодарности

Автор благодарен преподавателям кафедры геофизики НГУ: заведующему кафедрой академику C.B. Гольдину, профессору Ю.Н. Антонову, д.ф.-м.н. Ю.А. Дашевскому за участие в формировании научного мировоззрения автора.

Выполнение работ по типизации геоэлектрических моделей верхней части разреза г. Новосибирска было бы невозможно без И.Д. Зольникова.

Автор выражает благодарность сотрудникам Лаборатории электромагнитных полей Ю.Н. Антонову, В.Н. Глинских, Ю.А. Дашевскому, Н.О. Кожевникову, А.К. Манштейну, B.C. Могилатову, Г.М. Морозовой, Г.В. Нестеровой,

В.Н. Ульянову за советы и рекомендации, которые были очень полезны. Приятно отметить неизменно внимательное отношение д.т.н. И.Н. Ельцова к вопросам и проблемам автора.

Автор считает своим долгом отметить плодотворное сотрудничество с подразделением ФГУГП "Иркутскгеофизика" - ДГУП "Сибирская геофизическая партия". Автор искренне благодарен д.г.-м.н. П.Ю. Легейдо за предоставленные экспериментальные материалы и возможность участия в полевых работах дифференциально-нормированным методом электроразведки. Автор выражает особую признательность специалисту-геофизику фирмы Е.В. Агеенкову, без которого было бы невозможно внедрение в производство предложенных автором подходов.

Автор глубоко признателен чл.-корр. РАН М.И. Эпову за всестороннюю поддержку, ценные советы и рекомендации в процессе выполнения работы.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Е.Ю. Антонову за постоянное внимание и корректное научное руководство.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, содержит 115 страниц печатного текста, 45 рисунков и 3 таблицы. Библиография включает 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДА

ЗОНДИРОВАНИЯ СТАНОВЛЕНИЕМ ПОЛЯ И МЕТОДА ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Интенсивное развитие метода вызванной поляризации (ВП) началось в 50-х годах прошлого столетия с работ Д. Блейда (1953), Ю.П. Булашевича (1956), В. Бухгейма (1956), В.А. Комарова (1957), Г. Сигела (1959), Дж. Уэйта (1959). В них оценены наиболее существенные факторы, влияющие на характеристики наблюдаемых полей, и заложены основы феноменологической теории, главной особенностью которой являлось то, что она описывалась небольшим числом экспериментально определяемых параметров.

В то же время развивалась физико-химическая теория, рассматривающая на микроскопическом уровне процессы переноса зарядов и их взаимодействие на границах фаз гетерогенной среды, в качестве механизма возникновения ВП. В этом направлении основополагающими исследованиями были работы А.Ф. Постельникова (1959, 1964), Д. Маршала и Т. Мадлена (1959), Д.А. Фридрихсберга и М.П. Сидоровой (1961),

B.В. Кормильцева (1963), Б.И. Геннадиника (1967, 1968) и

C.М. Шейнмана (1969).

В 1964 г. В.А. Сидоровым и А.Д. Скурихиным отмечено, что при полевых работах методом переходных процессов иногда

наблюдается смена знака ЭДС в совмещенной петле. В настоящее время предположение о том, что аномальные такие отклики обусловлены ВП, является общепризнанным. Этому способствовало доказанное В.П. Губатенко и В.В. Тикшаевым (1979) утверждение о том, что в совмещенной петле любой формы, расположенной на поверхности полупространства с произвольным распределением удельного сопротивления по глубине при отсутствии дисперсии УЭС, смена знака ЭДС невозможна.

Работы, проводившиеся в 70-х - 80-х годах, показали, что ЧД хорошо описывается формулой Cole-Cole (Pelton, 1978). Большой вклад в развитие этого направления внесли Ф.М. Каменецкий, Б.С. Светов, В.В. Агеев, W.H. Pelton и многие другие.

Однако, несмотря на интерес к этому явлению, определяемый широким распространением его в различных геологических средах, надо признать, что теория ВП разработана недостаточно полно для эффективной количественной интерпретации эффектов вызванной поляризации в индукционных зондированиях.

Изучению влияния геометрии геологических объектов на электромагнитный отклик посвящены работы таких исследователей как М.Н. Бердичевский, Н.С. Голубцова, А.С. Дебабов, В.М. Давыдов, В.И. Дмитриев, Б.М. Зингер, Э.Б.Файнберг и другие. В этих работах применяется приближенная постановка краевых задач на тонких пластах, оболочках, слабовозмущенных границах. Так в 1965 году Г.Г. Обуховым было предложено решение прямой задачи МТЗ с негоризонтальной границей (когда отклонения от горизонтали малы по сравнению с глубиной залегания). Общее описание слоистой модели земли, в которой одна или несколько границ непараллельны, было дано Манном в 1964 году, применившим для решения задачи метод возмущений. Аналогичный подход был применен Кауфманом и Табаровским в 1970 году для моделирования электромагнитных полей над S и Т плоскостями.

До настоящего времени недостаточно изучены эффекты сверхразрешения в латерально-неоднородных средах. Это связано с тем, что влияние неоднородностей среды (например,

наклон границ слоев) на электромагнитный отклик трудно отличить от влияния электрохимических процессов ВП по форме кривых зондирования.

Глава 2. ВЛИЯНИЕ СЛАБОНАКЛОННЫХ ГРАНИЦ И ПОЛОЖЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ОТКЛИК СРЕДЫ

В главе 2 рассмотрено два решения электродинамической задачи: с учетом слабого наклона геоэлектрических границ и с учетом наклонного положения зондирующей установки относительно дневной поверхности наблюдения.

- Линия-приемник (АВ)

Рис. 1. Модель с наклонной границей.

Моделирование откликов в среде с наклонными границами

Расчеты были выполнены для модели слоистого полупространства, содержащего тонкий выклинивающийся слой, перекрытый двумя низкоомными пластами. Параметры разреза: р! = 100 Ом м, Ь1 = 200 м, р2 = 20 Ом м, Ь2 = 100 м, Рз = 10 Ом м, Ь3 = 10 м, р4 = 2000 Омм. Параметры выклинивающегося слоя, расположенного на глубине 315 м:

Рвет = 50 Омм, Ьвст = 30 м (рис. 1). Моделировались нестационарные сигналы в установке «приемник - электрическая линия» (100 м) (обозначение СЗ-АВ).

Рассмотрим результаты расчетов аномального сигнала, представленные на рис. 2. На рис. 2а приводятся кривые сигнала для электрической и магнитной частей аномальной ЭДС в горизонтально-слоистой среде. В этом случае аномальный сигнал формируется преимущественно вихревыми токами, то есть содержит магнитную моду. Сигнал, соответствующий электрической моде, пренебрежимо мал. При появлении наклона границы (рис. 26), вклады вихревой и гальванической составляющих аномального отклика, становятся сопоставимыми.

Горизонтальная граница Наклонная граница

а) б)

Рис. 2. Электрическая и индукционная моды поля в горизонтально-слоистой среде и в присутствии наклонной границы.

Причем на ранних временах магнитная и электрическая моды имеют разные знаки и компенсируют друг друга. На поздних временах, из-за смены знака вихревой составляющей, вклады электрической и магнитной мод в аномальный сигнал суммируются. Это обстоятельство приводит к появлению на кривых интегральной продольной проводимости участков понижения значений кажущейся проводимости, что может быть признано качественным признаком слабого наклона границы пласта.

Влияние угла наклона границ и НЧД на кривые кажущейся продольной проводимости

Сравним влияние НЧД удельного электрического сопротивления и наклона границы на кривые 5ДЯГ) (рис. 3). Выберем три пятислойные модели: с поляризующимся слоем, без поляризованного объекта и со слабонаклонной кровлей четвертого слоя (рис. 1). Отметим, что поляризуемость слоя не приводит к

о

2 100

а в х

ю

>>

5 200

300

0 2 4 6 8

Каж продольная проводимость, См/м

Рис. 3. Влияние угла наклона границы и НЧД на кривые 5Г (Нт).

качественным изменениям поведения кривой 5ДЯг). В этом случае поляризующийся объект только немного увеличивает суммарную продольную проводимость разреза. Слабый наклон границы, напротив, приводит к тому, что на кривой Нт) появляются участки, где кажущаяся продольная проводимость уменьшается, т. е. происходит качественное изменение кривой 5Г(ЯГ). Данный пример наглядно демонстрирует, что феномен высокоразрешающей электроразведки связан, прежде всего, с латеральной неоднородностью геоэлектрического разреза, а не с НЧД удельного электрического сопротивления.

Влияние продольной проводимости слоя и наклона установки на электромагнитный отклик

Выберем четырехслойную модель горизонтально-слоистой среды с параметрами:

._,--------, ---1 --1-■-1- -Неполяритованный объект

N. -Поляризованный объект

\ (П=10%,Т=10"2С,С=0.5)

\ -Неполяриэованный объект

с наклонной границей а=0.3°

1 . < . тгг

1-й слой - рх = 30 Ом- м, А, = 10л<; 2-й слой - р2 = \ООм-м, И2 = \0м ; 3-й слой - р} = 2 0м м, А3 = 0.5л<; 4-й слой -р4 = \ООООм- м, А4 = оо. Размеры генераторной и приемной петель 10x10 м2, установка приподнята над дневной поверхностью на 0.2 м.

0-г

2 10

и

2025-

0.I

а) б)

Рис. 4. Графики Sr(HT) при изменении проводимости разреза (а) и при изменении угла нклона установки (б).

На рис. 4а представлена зависимость кривых St(HT) от продольной проводимости S водонасыщенного слоя (3-й слой). На графике видно, что малые изменения продольной проводимости водонасыщенного слоя приводят к относительно небольшим изменениям кажущейся продольной проводимости, которые не носят качественного характера. В результате этого целевой объект не вносит заметного вклада в электромагнитный отклик и не может быть выделен.

Рассмотрим зависимость кривых ST(HT) от угла наклона установки (рис. 46). Угол наклона меняется от 0° до 30° с шагом 5°. Видно, что изменение угла наклона установки а влияет на

S, См/м h, м

-0.000 0.00

-0.125 0.25

— 0.150 0.30

0.175 0.35

-0.200 0.40

-0.225 0.45

-0.250 ■ 0.50 |

9 0.4 0.8 1.2 1.6

S См/м

0.4 0.8 1.2

S См/м

кажущуюся продольную проводимость Sr(Hr) на всем интервале кажущихся глубин. Следовательно, при небольших углах наклона появляется возможность выделения в разрезе слоев с малой продольной проводимостью, которые не оказывают существенного влияния на кажущуюся проводимость ST(HZ) в случае горизонтальных границ.

Глава 3. ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ И ИНВЕРСИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧНЫХ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Математическое моделирование и сравнение сигналов для сред с различной пористостью

Для решения расчета электромагнитного отклика среды используется одномерная задача в квазистационарной постановке. Для учета дисперсии удельного электрического сопротивления выбрана модель Cole-Cole:

.. , Г, (-icory 1

p(ico) = p0 1 -77 , (1.4)

1 + (-«УГ) 'J'

где ц = \-p^lPrs ~ поляризация, р0 - сопротивление на постоянном токе, /?„ - сопротивление на очень высокой частоте, г - постоянная времени релаксации, с - параметр частотной зависимости. В качестве петрофизической модели, описывающей зависимость спектра удельного электрического сопротивления от пористости и водонасыщенности, использовались экспериментальные частотные характеристики образцов, петро-физические параметры которых были получены при лабораторных измерениях. Возьмем два образца (21с, 25 с) из коллекции керна (50 образцов, Тянская площадь, Западная Сибирь), наиболее сильно различающихся по пористости (коэффициент пористости (Кп) равен 26.3% и 22.6% соответственно). Измерение частотных характеристик этих образцов проведено при двух минерализациях раствора. На рис. 5 приведены результаты подбора экспериментальной частотной характеристики по модели Cole-Cole для минерализации 16 г/л,

флюид = 0.4 Ом • м. Заметим, что с увеличением пористости, удельное электрическое сопротивление уменьшается во всем частотном диапазоне. Действительно, чем больше пористость, тем большее количество флюида заполняет поры, что увеличивает интегральную проводимость и соответственно уменьшает удельное электрическое сопротивление образца.

Рис. 5. Экспериментальные и синтетические частотные характеристики образцов 21с, 25 при минерализации 16 г/л.

Выберем трехслойную модель: р1 = 50 Ом-м, р3 = 200 Ом • м , /г, = 10 м , И2 = 1 м , второй слой со значениями параметров поляризации, соответствующим образцам 21с, 25. Установка «электрическая линия - электрическая линия»: АВ = 10м, ММ = 10м, разнос равен 11м, ток в генераторной I линии 10 А. На рис. 6 показана зависимость электромагнитного

отклика от пористости второго слоя. Видно, что кривые ЭДС практически параллельны и амплитуда сигнала выше для по' род с более высокой пористостью.

Анализ результатов моделирования показал, что электромагнитный отклик среды зависит от пористости среды, как для проводящего полупространства, так и для трехслойной модели. Таким образом, при полевых исследованиях методом ВП появ-

ляется возможность устанавливать прямую связь между пористостью и переходным процессом, получая после интерпретации физические параметры горных пород.

ю

' Кп=26.3% (обрацез 21С) 1 Кп=22.6% (обрацез 25)

10

ГГТ|-

10'

7о°

время, с

Рис. 6. Электромагнитный отклик над трехслойной моделью в зависимости от пористости.

Инверсия экспериментальных данных

В дифференциально-нормированном методе электроразведки (Рыхлинский, 1988) используется дипольно-осевая электрическая установка в режиме становления (АВ - питающая линия, МО и ОЫ приемные линии). В поле регистрируются две величины Д{/(0 = Д1/М,(0 + А(/ОЛ,(0 и А2и(1) = Аиш>(1)-Аиш(1). При интерпретации данных этого метода используются дифференциально-нормированные параметры (ДНП): <№ - разность по-

тенциалов, Р\ = А2и/Аи, Гкр =

с1(АгЩ ММ/) Л / Л

А*и /тт ---(Легеидо,

Д и

Мандельбаум, Рыхлинский, 1990). ДНП обладают высокой чувствительностью к параметрам поляризуемости геоэлектрического разреза.

На рис. 7, 8 представлены результаты инверсии данных дифференциально-нормированного метода электроразведки,

которые получены на юге Сибирской платформы. Опираясь на разработанную схему инверсии для многопараметричных моделей поляризованных сред, удалось подобрать геоэлектрическую модель с минимальным количеством поляризационных параметров:_

Слой р, Ом*м Л. % т, с С Ь, м

1 35 1.1 0.07 0.61 55

2 2300 2.6 0.149 0.6 180

3 400 гь 0.248 0.59 250

^ 100 400

5 25 100

6 250 450

7 90 300

8 120 1000

9 188.7 780

10 1000

время, с

Рис. 7. Результат инверсии для точки зондирования на юге Сибирской платформы (параметр с1и).

101

время, с

Рис. 8. Результат инверсии для точки зондирования на юге Сибирской платформы (параметр Р1).

На графиках хорошо видно, что среднеквадратичное расхождение для ДНП сШ и Р\ не превышает соответственно 4% и 3%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования поведения нестационарных электромагнитных полей доказывают, что при моделировании необходимо одновременно учитывать слабонаклонные границы, »

вызванную поляризацию и положение зондирующей установки, поскольку влияние этих факторов на дифференциальные трансформанты во многих случаях трудно разделить. Такой *

подход имеет ряд преимуществ:

Во-первых, для изучения слабонаклонных геоэлектрических границ применение установки "петля - электрическая линия" выгодно по сравнению с часто применяемой "петля - петля":

небольшие углы наклона пластов приводят к качественному изменению формы кривых Sr(Wr), в то время как высокая поляризация пласта только завышает суммарную продольную проводимость разреза, не меняя форму кривых Sr(HT);

Во-вторых, впервые решена одномерная задача с учетом наклона зондирующей петлевой установки для горизонтально-слоистой геоэлектрической модели.

В работе показано, что можно извлекать данные о пористости непосредственно из электромагнитных переходных характеристик (через параметры поляризации Cole-Cole), если известны спектры удельного электрического сопротивления для горных пород изучаемого района.

В настоящее время модели сред усложняются за счет увеличения количества параметров. Предложена простая логическая схема, разработанная с использованием алгоритма оптимизации Нелдера-Мида, которая дает возможность определять группы обобщенных параметров поляризуемости и тем самым значительно уменьшать модельную эквивалентность. Таким образом, разработанная методика позволяет подобрать эквивалентные модели с малым числом параметров.

Исследования по становлению электромагнитного поля над наклонными границами и поляризующимися средами необходимо продолжать. Во-первых, требуется дальнейшее развитие алгоритмов математического моделирования электромагнитных полей в трехмерных средах с целью повышения точности расчетов и увеличения скорости решения прямой электродинамической задачи, а также создание на базе таких алгоритмов программных комплексов, которые позволили бы проводить оперативную обработку экспериментального материала. Вторым, не менее важным аспектом, является определение связи между параметрами поляризуемости и основными петрофизи-ческими свойствами горных пород, такими как пористость, тип флюида, заполняющего поровое пространство, структура поро-вого пространства. Это позволит применять методику определения коллекторских свойств пород по данным наземных зондирований не только для районов, где произведен отбор керно-вого материала, но и в других, менее изученных перспективных районах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Павлов Е.В., Дымов С.Ю. Математическое моделирование откликов верхней части разреза применительно к методу электромагнитного сканирования // Доклады XXXVII Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" Секция геологии. Подсекция геофизики. Выпуск II / НГУ, Новосибирск, 1999, с. 94-104.

2. Павлов Е.В. Оценка разрешающей способности электромагнитных методов при изучении поляризующихся сред // Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов "ГЕОФИЗИКА - 2001", Новосибирск, 2001, с. 184-186.

3. Павлов Е.В. Исследование явления сверхразрешения в индуктивной геоэлектрике // Доклады ХХХУ1П-ХХХ1Х Международных студенческих конференций "Студент и научно-технический прогресс" Секция геологии. Подсекция геофизики. Выпуск III / НГУ, Новосибирск, 2003, с. 7-24.

4. Павлов Е.В. О влиянии строения среды на электромагнитный отклик при индукционном возбуждении // Четвертая Уральская молодежная научная школа по геофизике. Учебно-научные материалы. - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2003, с. 147-152.

5. Павлов Е.В. Применение симплекс-метода для решения обратной задачи в рамках дифференциально-нормированного метода электроразведки // Современные проблемы геофизики. Пятая Уральская молодежная научная школа по геофизике. Сборник материалов. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004, с. 110113.

6. Эпов М.И., Антонов Е.Ю., Павлов Е.В. Связь частотной дисперсии электромагнитных параметров и пространственной неоднородности с высоким разрешением в электроразведке // Геология и геофизика, 2004, т. 45, №6, с.742-751.

7. Павлов Е.В. Пористость горных пород по данным наземных электромагнитных зондирований / / Шестая Уральская молодежная научная школа по геофизике. Сборник науч. материалов. - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2005, с. 167-171.

Технический редактор О.М. Вараксина

Подписано к печати 13.05.2005 Бумага 60x84/16. Бумага офсет № 1 Гарнитура «Тайме» Печать офсетная

_Печ. л. 1,2. Тираж 130. Заказ № 139_

Издательство СО РАН. 630090, Новосибирск, Морской пр-т, 2 Филиал «Гео». 630090, Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3

M 1 48 1

РНБ Русский фонд

2006-4 8001

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Павлов, Евгений Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДА

ЗОНДИРОВАНИЯ СТАНОВЛЕНИЕМ ПОЛЯ И МЕТОДА ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ.

Глава 2. ВЛИЯНИЕ СЛАБОНАКЛОННЫХ ГРАНИЦ И

РАСПОЛОЖЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ОТКЛИК СРЕДЫ.

2.1. Дифференциальная трансформанта

2.2. Моделирование откликов в среде с наклонными границами.

2.3. Вклад электрической моды поля в электромагнитный отклик в среде с наклонными границами.

2.4. Влияние угла наклона границ и НЧД на кривые кажущейся продольной проводимости.

2.5. Влияние расположения зондирующей установки на результаты электромагнитных зондирований.

Наклонная дипольная установка МаНа.

Наклонная петлевая установка.

Поля диполей МХНХ, MXHZ, MZHZ.

Влияние продольной проводимости слоя и наклона установки на электромагнитный отклик.

2.6. Зенитная диаграмма направленности кажущейся продольной проводимости.

2.7. Моделирование наклонных границ в случае использования зондирующей установки петля-петля.

Зависимость ST(Hr) от продольной проводимости выклинивающегося слоя и от угла выклинивания.

Профилирование над выклинивающимся слоем.

Аномалия кажущейся продольной проводимости над выклинивающимся слоем.

2.8. Выводы.

Глава 3. ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ДАННЫМ

НАЗЕМНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ И ИНВЕРСИЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧНЫХ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

3.1. Феноменологическая теория метода ВП.

Полевые и лабораторные исследования процессов поляризации.

Параметры поляризации горных пород.

3.2. Имитационное моделирование электромагнитных откликов от поляризующихся сред.

Однородное полупространство.

Горизонтально-слоистая геоэлектрическая модель.

3.3. Определение удельного сопротивления образцов.

3.4. Минимизационный алгоритм подбора параметров Cole-Cole.

3.5. Определение параметров Cole-Cole по экспериментальным частотным характеристикам.

3.6. Изменение параметров ВП в зависимости от вещественного состава образцов (скважина № 3143 Тянской площади).

3.7. Имитационное моделирование сигналов для сред с различной пористостью и их сравнение.

3.8. Дифференциально-нормированный метод электроразведки.

Постановка задачи.

Чувствительность ДНП к параметрам поляризованных геоэлектрических моделей.

3.9. Многоступенчатая схема инверсии данных ДНМЭ.

Схема инверсии с использованием алгоритма минимизации Нелдера-Мида.

Инверсия синтетических данных.

Инверсия зашумленных синтетических данных.

Инверсия экспериментальных данных.

3.10. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Становление электромагнитного поля над наклонными геоэлектрическими границами и поляризующимися средами"

Объектом исследования данной работы являются геологические среды, которым присуща дисперсия удельного электрического сопротивления и сложная геометрия отдельных тел.

Методы зондирования становлением поля (ЗС) и вызванной поляризации (ВП) успешно развиваются на протяжении более 50-ти лет. К настоящему времени достаточно полно разработаны физико-математические основы этих методов, что позволяет решать широкий круг геологических задач. Однако остается ряд нерешенных теоретических и методических вопросов, ответы на которые будут способствовать реализации возможностей этих методов. В частности, недостаточно учитывалось влияние эффектов вызванной поляризации и геометрии геоэлектрических границ на электромагнитный отклик.

Эффекты ВП однозначно диагностируются по полевым данным только при использовании совмещенной петлевой установки, когда наблюдаемые сигналы меняют знак. Во многих других случаях поляризационный процесс искажает наблюдаемый сигнал становления поля, однако смены знака при этом не происходит. В этом случае определение причины искажений вызывает наибольшие сложности, поскольку аналогичные явления могут возникать не только за счет поляризуемости горных пород, но и за счет неоднородностей геологической среды.

Имеются также вопросы в связи с так называемым сверхразрешением, которое заключается в том, что часто по экспериментальным данным наземных электромагнитных зондирований выделяются объекты, которые не должны заметно влиять на результаты измерений из-за малого вклада в суммарную продольную проводимость геоэлектрического разреза. Феномен высокоразрешающей электроразведки ранее рассматривался в одной плоскости: какое влияние оказывает вызванная поляризация горных пород на кривые зондирования. При этом считалось, что эффекты сверхразрешения имеют в своей основе механизм вызванной поляризации, другие возможные механизмы (в частности, влияние слабого наклона геоэлектрических границ) не рассматривались.

Исходя из выше сказанного, актуальность исследований заключается в разработке алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований, с использованием трехмерного моделирования геоэлектрической среды, учитывающего слабый наклон геоэлектрических границ, и в учете петрофизических характеристик горных пород через параметры вызванной поляризации в наземных электромагнитных зондированиях.

Цель исследований — повышение достоверности и информативности электромагнитных методов путем разработки более совершенных алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований, в основе которых лежит одномерное моделирование с учетом частотной дисперсии и трехмерное моделирование геоэлектрической среды.

Научные задачи исследования

1. Определить влияние дисперсии удельного электрического сопротивления, расположения установки относительно поверхности наблюдения и наклона геоэлектрических границ на измеряемый сигнал в электромагнитных зондированиях. Установить качественные признаки наличия в геоэлектрическом разрезе слабонаклонных границ (по форме кривых зондирований и их трансформантам).

2. Оценить зависимость электромагнитного отклика геологического разреза от пористости горных пород через параметры поляризации Cole-Cole и разработать алгоритм интерпретации для поляризованных геоэлектрических моделей, которые содержат большое количество определяемых параметров.

Фактический материал и методы исследования

В своих исследованиях автор опирался на идеи российских и зарубежных ученых, работавших в области электромагнитных методов электроразведки и внесших вклад в развитие физико-математических основ метода зондирования становлением поля: JI.JI. Ваньяна, В.И. Дмитриева, А.А. Кауфмана, Г.М. Морозовой, Б.С. Светова, А.А. Сидорова, JI.A. Табаровского, В.В. Тикшаева, А.Н. Тихонова, С.М. Шейнмана. Явление вызванной поляризации изучали: Ю.П. Булашевич, И.Э. Гаврилов, Б.И. Геннадиник, В.П. Губатенко, В.Ю.Задорожная, Р.Б. Журавлев, Ф.М. Каменецкий, В.А. Комаров, В.В. Кормильцев, А.В. Куликов, Д. Маршал, Т. Мадлен, Н.Т. Полетаева, А.Ф. Постельников, М.П. Сидорова, В.А. Сидоров, А.Д. Скурихин, В.М. Тимофеев, В.В. Филатов, Д.А. Фридрихсберг, С.М. Шейнман, Е.А. Шемякин, М.И. Эпов, A.M. Яхин, Д. Блейд, В. Бухгейм, Г. Сигел, Дж. Уэйт, R. Cole, К. Cole, G.U. Keller. Метод возмущений для решения двух-, трехмерных прямых задач применяли: Г.Г. Обухов, А.А. Кауфман, J1.A. Табаровский, J.E. Mann.

Теоретической основой решения поставленной задачи являются уравнения электродинамики Максвелла в квазистационарном приближении. Для моделирования электромагнитного отклика над горизонтально-слоистой поляризующейся средой использовалось решение прямой одномерной электродинамической задачи с учетом дисперсии удельного (ЧД) электрического сопротивления по модели Cole-Cole (Антонов Е.Ю., 1993). Для трехмерного моделирования электромагнитного отклика геологического разреза использовалось решение прямой трехмерной электродинамической задачи (Антонов Е.Ю., 1989), в основе которой лежит метод возмущений.

Основным методом исследования является математическое моделирование электромагнитного отклика от геоэлектрического разреза. Для решения задачи инверсии данных наземных электромагнитных зондирований использовался метод оптимизации Нелдера-Мида (1964). Для верификации программного обеспечения проводился сравнительный анализ расчетов по программам, предоставленным разными авторами (Табаровский 1982, Могилатов 1995, Weidelt 1994 и др.), выполнялись тестовые расчеты для известных моделей.

Для установления связи между параметрами поляризуемости Cole-Cole и пористостью горных пород использовались результаты измерения спектра удельного электрического сопротивления на коллекции образцов керна из скважины 3143 Тянского месторождения (около 50 образцов). Экспериментальный материал получен в СНИИГГиМС и включает в себя около 60 кривых спектральных характеристик образцов в двух растворах с различной минерализацией.

При тестировании схемы инверсии данных электромагнитных зондирований применительно к дифференциально-нормированному методу электроразведки использовался экспериментальный материал, предоставленный сотрудниками «Иркутскгеофизика». Эти экспериментальные данные (около 40 точек зондирования) получены в 2000-2004 годах в Восточной Сибири и Волгоградской области.

Защищаемые научные результаты

Доказано, что вклад гальванической моды в электромагнитный отклик существенно увеличивается при наличии в геологическом разрезе наклонных границ. На кривых кажущейся продольной проводимости (St(HT)) появляются участки с понижением продольной проводимости по глубине для зондирующей установки «петля - электрическая линия». Сравнительный анализ синтетических электромагнитных откликов в среде со слабонаклонной границей пласта и с поляризующимся пластом показал, что небольшие углы наклона пластов находят отражение в качественных изменениях формы кривых ST(Ht), в то время как даже сильно поляризованный пласт только завышает суммарную продольную проводимость разреза, не меняя форму кривых ST(HT).

Сравнительный анализ электромагнитного отклика с различными значениями параметров поляризуемости горных пород показал, что при известной минерализации флюида, заполняющего поровое пространство, пористость горной породы влияет на уровень регистрируемого сигнала: на поздней стадии становления уровень регистрируемого сигнала тем выше, чем больше пористость горной породы, (коллекция керна из скважины Тянской площади, Западная Сибирь).

Новизна работы. Личный вклад

1. Проведена оценка влияния слабонаклонных геоэлектрических границ и эффектов вызванной поляризации на электромагнитный отклик в наземных зондированиях: разработан алгоритм моделирования нестационарного электромагнитного отклика над горизонтально-слоистыми средами с учетом наклона совмещенной петлевой установки относительно дневной поверхности, разработано соответствующее программное обеспечение; построена зенитная диаграмма направленности кажущейся продольной проводимости, отражающая величину аномалии продольной проводимости разреза, которая является критерием для определения угла наклона совмещенной петлевой установки относительно дневной поверхности;

- для различных типов установок проведен численный анализ электромагнитного отклика, с учетом поляризации и наклона тонкого пласта доказано, что гальваническая составляющая в регистрируемом нестационарном сигнале приводит к возникновению на кривых st(tfr) участков убывания суммарной проводимости для установки «петля -электрическая линия» (для установки «петля-петля» таких искажений 5т(яг) кривых не наблюдается).

2. Определены параметры вызванной поляризации Cole-Cole образцов горных пород и их связь с пористостью:

- разработан алгоритм подбора параметров поляризации Cole-Cole по экспериментальным спектральным характеристикам удельного электрического сопротивления образцов горных пород, разработано программное обеспечение;

- определены параметры модели Cole-Cole для образцов горных пород при двух минерализациях флюида, заполняющего поровое пространство образцов (коллекции керна из скважины Тянской площади, Западная Сибирь);

- сравнительный анализ полей корреляции параметров ВП образцов горных пород позволил установить, что изменение концентрации флюида приводит к сильному изменению параметров Cole-Cole.

3. С использованием алгоритма оптимизации Нелд ера-Мида разработана методика инверсии данных электромагнитных зондирований для многопараметричных моделей поляризующихся сред.

Теоретическая и практическая значимость результатов

В работе на базе алгоритмов моделирования нестационарных электромагнитных полей в одномерных (с учетом поляризации) и трехмерных (без учета поляризации) средах дается объяснение явлению сверхразрешения, а установленная связь пористости горных пород и результатов наземных электромагнитных зондирований описывается через параметры поляризуемости.

Разработанные для построения геоэлектрических моделей алгоритмы и программы позволяют получить более достоверную информацию о структуре геоэлектрических границ, что важно для решения задачи интерпретации большого объема экспериментального материала, который ранее считался некондиционным и его обработка и интерпретация не проводились, а также изучать структуру толщи осадочного чехла на старом и на новом экспериментальном материале.

Математическое моделирование электромагнитных откликов в слабонаклонных средах делает возможным оптимальное планирование полевых работ. Качественные признаки (по особенностям кривых SX(HT)) слабого наклона границ позволяют разделить влияние процессов вызванной поляризации и геометрии геоэлектрических границ, что имеет важное практическое значение при выявлении структурных особенностей геологического разреза.

Установленная зависимость между пористостью горных пород и величиной измеряемого на дневной поверхности сигнала дает принципиальную возможность определения пористости в случае, если другие петрофизические свойства горных пород мало изменяются. Последнее важно для развития методов наземной геоэлектрики при решении задач гидрогеологии и инженерной геологии.

Разработанный алгоритм инверсии данных электромагнитных зондирований внедрен в производство в ФГУГП "Иркутскгеофизика" в 2004 году и успешно применяется для инверсии данных дифференциально-нормированного метода электроразведки (ДНМЭ).

Апробация работы

Основные положения и результаты докладывались на XXXVI Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1998), на XXXVII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1999), на Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. ак. М.А. Усова (Томск, 1999), на XXXVIII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 2000), на Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов (Новосибирск, 2001), на IV Уральской молодежной научной школе по геофизике (Пермь, 2003), на XX

Всероссийской молодежной конференции (Иркутск, 2003), на V Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2004), на VI Уральской молодежной научной школе по геофизике (Пермь, 2005).

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института геофизики СО РАН №01200101571 в 2002-2003 годах, №01200407248 в 2004-2005 годах и была поддержана грантом Минобразования РФ "Оценка параметров частотной дисперсии по данным индукционных зондирований" №3H-230-98. Соискатель является соавтором трех отчетов по этому гранту.

Благодарности

Автор благодарен преподавателям кафедры геофизики НГУ: заведующему кафедрой академику С.В. Гольдину, профессору Ю.Н. Антонову, д.ф.-м.н. Ю.А. Дашевскому за участие в формировании научного мировоззрения автора.

Выполнение работ по типизации геоэлектрических моделей верхней части разреза г. Новосибирска было бы невозможно без И.Д. Зольникова.

Автор выражает благодарность сотрудникам Лаборатории электромагнитных полей Ю.Н. Антонову, В.Н. Глинских, Ю.А. Дашевскому, Н.О. Кожевникову, А.К. Манштейну, B.C. Могилатову, Г.М. Морозовой, Г.В. Нестеровой, В.Н. Ульянову за советы и рекомендации, которые были очень полезны. Приятно отметить неизменно внимательное отношение д.т.н. И.Н. Ельцова к вопросам и проблемам автора.

Автор считает своим долгом отметить плодотворное сотрудничество с подразделением ФГУГП "Иркутскгеофизика" - ДГУП "Сибирская геофизическая партия". Автор искренне благодарен д.г.-м.н. П.Ю. Легейдо за предоставленные экспериментальные материалы и возможность участия в полевых работах дифференциально-нормированным методом электроразведки. Автор выражает особую признательность специалистугеофизику фирмы Е.В. Агеенкову, без которого было бы невозможно внедрение в производство предложенных автором подходов.

Автор глубоко признателен чл.-корр. РАН М.И. Эпову за всестороннюю поддержку, ценные советы и рекомендации в процессе выполнения работы.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Е.Ю. Антонову за постоянное внимание и корректное научное руководство.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 115 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 3 таблицы. Библиография включает 97 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Павлов, Евгений Владимирович

ЗЛО. Выводы

Создан и реализован алгоритм определения параметров поляризуемости по экспериментальным частотным характеристикам. Определены параметры модели Cole-Cole для коллекции керна из скважины 3134 Тянского месторождения при двух минерализациях флюида, заполняющего поровое пространство образцов.

Проведен анализ распределения параметров ВП в зависимости от вещественного состава образцов. Выявлено, что даже небольшие примеси акцессорных минералов влияют на параметры ВП и, следовательно, они содержат в себе информацию о вещественном составе горных пород. Показано, что изменение концентрации флюида приводит к сильному изменению параметров Cole-Cole. Это дает принципиальную возможность определения концентрации флюида по данным электромагнитных зондирований.

Проведено математическое моделирование полупространства и трехслойной моделей сред, показавшее, что небольшие изменения пористости отражаются на электромагнитном отклике.

Разработана схема инверсии для многопараметричных моделей поляризующихся сред и проведено тестирование ее работоспособности как на синтетических данных так и на экспериментальных данных.

• ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования поведения нестационарных электромагнитных полей доказывают, что при моделировании необходимо одновременно учитывать слабонаклонные границы, вызванную поляризацию и положение зондирующей установки, поскольку влияние этих факторов на дифференциальные трансформанты во многих случаях трудно разделить. Такой подход имеет ряд преимуществ:

Во-первых, для изучения слабонаклонных геоэлектрических границ применение установки "петля — электрическая линия" выгодно по сравнению с часто применяемой "петля — петля": небольшие углы наклона пластов приводят к качественному изменению формы кривых sT(HT), в то время как высокая поляризация пласта только завышает суммарную продольную проводимость разреза, не меняя форму кривых 5дяг);

Во-вторых, впервые решена одномерная задача с учетом наклона зондирующей петлевой установки для горизонтально-слоистой геоэлектрической модели.

В работе показано, что можно извлекать данные о пористости непосредственно из электромагнитных переходных характеристик (через параметры поляризации Cole-Cole), если известны спектры удельного электрического сопротивления для горных пород изучаемого района.

В настоящее время модели сред усложняются за счет увеличения количества параметров. Предложена простая логическая схема, разработанная с использованием алгоритма оптимизации Нелдера-Мида, которая дает возможность определять группы обобщенных параметров ^ поляризуемости и тем самым значительно уменьшать модельную эквивалентность. Таким образом, разработанная методика позволяет подобрать эквивалентные модели с малым числом параметров. ф, Исследования по становлению электромагнитного поля над наклонными границами и поляризующимися средами необходимо продолжать. Во-первых, требуется дальнейшее развитие алгоритмов математического моделирования электромагнитных полей в трехмерных средах с целью повышения точности расчетов и увеличения скорости решения прямой электродинамической задачи, а также создание на базе таких алгоритмов программных комплексов, которые позволили бы проводить оперативную обработку экспериментального материала, ф Вторым, не менее важным аспектом, является определение связи между параметрами поляризуемости и основными петрофизическими свойствами горных пород, такими как пористость, тип флюида, заполняющего поровое пространство, структура порового пространства. Это позволит применять методику определения коллекторских свойств пород по данным наземных зондирований не только для районов, где произведен отбор кернового материала, но и в других, менее изученных перспективных районах.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Павлов, Евгений Владимирович, Новосибирск

1. Агеев В.В., Светов Б.С. Влияние поляризуемости горных пород на результаты электромагнитных зондирований. Физика земли, 1999, № 1, с. 19-27.

2. Альпин J1.H. Дивергентный каротаж // Прикладная геофизика. М.: Гостоптехиздат, 1962, Вып.32, с. 76-85.

3. Антонов Е.Ю. Приближенные методы численного анализа электромагнитных полей в задачах геоэлектрики. Дис. на соискание уч. степ. к. т. н. Новосибирск, 1988, 210 с.

4. Аппаратура для дивергентного каротажа скважин: А.с. 321784 СССР / Н.И. Рыхлинский (СССР). Опубл. в Б.И., 1971, №35.

5. Бубнов В.П., Легейдо П.Ю. Разделение действия электромагнитной индукции и вызванной поляризации при дифференциально-нормированных измерениях в электроразведки // Физика Земли, 1997, №6, с.85-88.

6. Ваньян JI.JI. Основы электромагнитных зондирований М.: Недра, 1965, 109 с.

7. Великин А.Б. О влиянии вмещающих горных пород в методе переходных процессов // Метод переходных процессов при поисках месторождений сульфидных руд. — JL: Недра, 1971, с. 24-35.

8. Вешев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе Л.: Недра, 1965, 478 с.v.

9. Геннадиник Б.И. Уравнения и параметры осредненного электромагнитного поля в гетерогенной среде. Изв. АН СССР, Физика Земли, №6, 1980, с.69-75.

10. Геннадиник Б.И., Мельников В.П., Геннадиник Г.В. Теория вызванной электрохимической активности горных пород. Якутск. - 1976. - 160 с.

11. Ф 11. Губатенко В.П. Эффект Максвелла-Вагнера в электроразведке //

12. Физика земли, 1991, №4, с. 88 98.

13. Губатенко В.П. Электромагниное поле электрического диполя в макроанизотропных средах // Физика земли, 1994, №12, с. 62 — 69.

14. Дымов С.Ю., Павлов Е.В. Типизация геоэлектрических моделей верхней части разреза на территории Новосибирска // Проблемы геологии и освоения недр. Труды Третьего Международного научного симпозиума

15. Ф студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова врамках Российской научно-социальной программы для молодежи и школьников «Шаг в будущее», посвященного 100-летию со дня рождения академика К.И. Сатпаева, Томск, 1999, с. 204-206.

16. Дмитриев В.И. Электромагнитные поля в неоднородных средах — М.: МГУ, 1969, 132 с.

17. Задорожная В.Ю., Лепешкин В.П. Учет процессов вызванной поляризации в многослойных разрезах при индукционном зондировании // Физика земли, 1998, №4, с. 55-61.

18. Задорожная В.Ю., Бессонов А.Д. Эффекты вызванной поляризации как показатель загрязнения фунтовых вод нефтепродуктами // Геология игеофизика, т. 43, №12, с. 1124-1136.

19. Жданов М.С. Электроразведка. М.: Недра, 1986, 316 с.

20. Каменецкий Ф.М. Электромагнитные геофизические исследования методом переходных процессов. — М: ГЕОС, 1997, 162 с.

21. Каменецкий Ф.М., Новиков П.В. Критерии подобия при аналоговом моделировании электромагнитного поля в диспергирующей среде // Физика земли, 1997, №12, с. 72-75.

22. Каменецкий Ф.М., Светов Б.С. Низкочастотная дисперсия электропроводности и ее влияние на результаты электромагнитных геофизических исследований: // Труды Международной конференции "Неклассическая геоэлектрика": Саратов, ВНИИГГ, 1996, с.4-22.

23. Каменецкий Ф.М., Тимофеев В.М. О возможности разделения поляризационных и индукционных эффектов. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1984, №12, с. 89-94.

24. Каменецкий Ф.М., Тимофеев В.М. Представление эффекта Максвелла-Вагнера через модель Коул-Коул в частотной и временной области // Физика земли, 1992, №12 , с. 94 98.

25. Каменецкий Ф.М., Тимофеев В.М., Сидоров В.А., Яхин A.M. Индукционные электромагнитные переходные процессы в проводящей поляризующейся среде // Электромагнитная индукция в верхней части земной коры. М.: Наука, 1990, с.14-40.

26. Кауфман А.А. Табаровский JI.A. Электромагнитное поле над пологими структурами (двумерная задача) // Электромагнитные поля в геофизических методах исследований. — Новосибирск, 1970, вып.54. с.5-31.

27. Комаров В.А. Электроразведка методом вызванной поляризации. JT.: Недра, 1980, 390 с.

28. Кормильцев В.В. Вызванная поляризация в уравнениях электродинамики: Науч. докл., препринт, отв. ред. А. В. Цирульский; АНф СССР. Урал. науч. центр, Ин-т геофизики. Свердловск: Полиграфист, 1981,44 с.

29. Кормильцев В.В. Переходные процессы при вызванной поляризации. М.: Наука, 1980, 256 с.

30. Куликов А.В. Шемякин Е.А. Сравнение электромагнитного поля различных источников над поляризующимся полупространством. // Прикладная геофизика, 1976, вып.81, с.47-55.

31. Куликов А.В., Попов В.А. Поля заземленных источников, питаемых гармоническими токами, в присутствии поляризующегося шара // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка, 1970, №8, с. 84-90.

32. Куликов А.В., Шемякин Е.А. Фазовые измерения ВП на рудных месторождениях восточного Казахстана // Разведка и охрана недр, 1969, №10, с. 36-40.

33. Куликов А.В., Шемякин Е.А. Электроразведка фазовым методом вызванной поляризации. -М.: Недра, 1978, 175 с.

34. Легейдо П.Ю. Теория и технологии дифференциально-нормированной геоэлектроразведки для изучения поляризующихся разрезов в нефтегазовой геофизики, дисс. на соискание уч. степени д. геол-мин. наук, Иркутск, 1998.

35. Легейдо П.Ю., Мандельбаум М.М., Рыхлинский Н.И.ф, Дифференциально-нормированный метод электроразведки при прямыхпоисках залежей углеводородов // Геофизика, 1995, №4, с. 42-45.

36. Легейдо П.Ю., Мандельбаум М.М., Рыхлинский Н.И. Применение дифференциально-нормированной электроразведки на Непском своде // Геология и геофизика, 1990, №4, с. 86-91.

37. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.: Радио и связь, 1983, 296 с.

38. Матвеев Б.К. Электроразведка: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и ф доп.-М.: 1990, 368 с.

39. Молчанов А.А., Сидоров В.А. Природные электрические конденсаторы. ВИНИТИ, 1985, с. 99-107.

40. Обухов Г.Г. Магнитотеллурическое поле над пологими структурами (поляризация Н) // Прикладная геофизика, вып.44, М.: Недра, 1965, с. 112126.

41. Обухов Г.Г., Бутковская А.И. Теория метода становления поля в ближней зоне в горизонтально-неоднородной среде // Прикладная геофизика, вып.73, М.: Недра, 1974, с. 132-143.

42. Павлов Е.В. Инверсия данных ДНМЭ // Тезисы докладов. IV Международная научно-практическая геолого-геофизическая конкурс-конференция молодых ученых и специалистов «Геофизика — 2003», Санктт

43. Петербург, 2003, с. 137-139.

44. Павлов Е.В. Влияние латеральных неоднородностей геоэлектрического разреза на данные электромагнитных зондирований // Строение литосферы и геодинамика: Материалы XX Всероссийской молодежной конференции. Иркутск: ИЗК СО РАН, 2003, с. 262-263.

45. Павлов Е.В. О влиянии строения среды на электромагнитный отклик при индукционном возбуждении // Четвертая Уральская молодежная научная школа по геофизике. Учебно-научные материалы. — Пермь: Горный институт УрО РАН, 2003, с. 147-152.

46. Павлов Е.В. Оценка разрешающей способности электромагнитных методов при изучении поляризующихся сред. // Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов "ГЕОФИЗИКА 2001", Новосибирск, 2001, с. 184-186.

47. Павлов Е.В. Пористость горных пород по данным наземных электромагнитных зондирований // Шестая Уральская молодежная научная школа по геофизики. Сборник науч. материалов. — Пермь: Горный институт УрО РАН, 2005, с. 167-171.

48. Полетаева Н.Т. Применение электоразведки для прямых поисков залежей углеводородов // Разведочная геофизика. Обзор ВИЭМС. М.: 1986, -33 с.

49. Прямой поиск углеводородов геофизическими методами / М.М. Мандельбаум, Н.Н. Пузырев, Н.И. Рыхлинский и др. М.: Наука, 1988, 160 е., ил. - (Серия Академические чтения)

50. Сафонов А.С. Высокоразрешающая электроразведка // Разведочная геофизика, 1995, вып.З: Геоинформмарк, с.64.

51. Светов Б.С. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки М.: Недра, 1973, 254 с.

52. Светов Б.С. О частотной дисперсии электрических свойств среды // Физика земли, 1992, №4, с. 62 70.

53. Светов Б.С., Агеев В.В., Лебедева Н.А. Поляризуемость горных пород и феномен высокоразрешающей электроразведки // Геофизика, 1996, №4, с. 42-52.

54. Сидоров В.А. Импульсная индуктивная электроразведка. — М.: Недра, 1985.- 192 с.

55. Сидоров В.А., Губатенко В.П., Глечиков В.А. Становление электромагнитного поля в неоднородных средах применительно к геофизическим исследованиям. Изд-во Саратовского ун-та., 1977, 224 с.

56. Сидоров В.А., Яхин А.К. О вызванной поляризации горных пород при индуктивном возбуждении. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1979, №11, вып. 144, с.21-28.

57. Сочельников В.В., Небрат А.Г. Теория и практические возможности метода ЗСБ-ИВП. // Неклассическая геоэлектрика: материалы международной конференции 28 августа — 1 сентября 1995. — Саратов, 1995.-с. 14-15.

58. Способ дивергентного каротажа скважин: А.с. 333514 СССР / Н.И. Рыхлинский (СССР). Опубл. в Б.И., 1972, №11.

59. Табаровский JI.A. Применение метода интегральных уравнений в задачах геоэлектрики. — Новосибирск.: Наука, 1975, 140 с.

60. Табаровский JI.A. Электромагнитные поля поперечно-электрического и поперечно-магнитного типа в многослойных средах // Электромагнитные методы исследования скважин. Новосибирск.: Наука, 1979, с. 225-233.

61. Табаровский JI.A., Эпов М.И Математическое моделирование электромагнитных полей в системе негоризонтальных дисков. Новосибирск, ИгиГ СО АН СССР, деп. в ВИНИТИ, 04.08.88, №6257-В88, 13 с.

62. Табаровский J1.A., Эпов М.И., Антонов Е.Ю. Электромагнитное поле в средах со слабонегоризонтальными границами // Новосибирск: ИГиГ СО РАН СССР, 1988, 22 с, Деп. в ВИНИТИ 18.07.88, № 6258-В88.

63. Тикшаев В.В. Электромагнитная разведка повышенной разрешенности методом становления поля с пространственным наклоплением. М.: Недра, 1989, 176 с.

64. Уэйт Дж. Геоэлектромагнетизм. М.: Недра, 1987, 235 с.

65. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Справочник геофизика. Под ред. Н.Б.Дортман, 2-е изд. М: Недра, 1984, 455 с.

66. Филатов В.В., Полетаева Н.Г., Пальвелева И.И., Вальтер Л.Д. Разработка методики прогнизирования фильтрационных свойств коллектора по комплексу петрофизических измерений и данных индукционного каротажа. Отчет по договору 5272, Новосибиск, 2001, 78 с.

67. Филатов В.В. О проблеме единственности определения параметров трехмерной неоднородности по данным становления поля // Электромагнитная индукция в верхней части Земной коры. М.: Наука, 1990, с. 105-106.

68. Филатов В.В., Полетаева Н.Г., Нигматуллин P.P. Об эффектах вызванной поляризации во фрактальных средах // Геология и геофизика, 2000, т.41, №8, с.1203-1216.

69. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975,534 с.

70. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. Пер с англ., под ред. Проф Н.Г. Дроздова. М.: Иностран. лит-ры, 1960, 438 с.

71. Шейнман С.М., Исаев Г.А. Полетаева Н.Г. О влиянии вызванной поляризации на результаты измерений в методе переходных процессов. Сб. трудов НПО "Геофизика". Методы разведочной геофизики, Л.: 1982, вып. 57, с.38-47.

72. Шейнманн С.М. Современные физические основы теории электроразведки, Л.: Недра, 1969, 224 с.

73. Шуй Р.Т. Полупроводниковые рудные минералы. Пер. с англ., под ред. П.Л. Смолянского, В.А. Черепанова. Л.: Недра, 1979, 288 с.

74. Эпов М.И, Антонов Е.Ю. Исследование влияния параметров вызванной поляризации при нестационарных электромагнитных зондированиях сложно-построенных геологических сред. // Геология и геофизика, 2000,т. 41, №6, с. 920-929.

75. Эпов М.И, Ельцов И.Н. Прямые и обратные задачи индуктивной геоэлектрики в одномерных средах. Новосибирск, 1992, 31 с.

76. Эпов М.И, Ельцов И.Н., Антонов Е.Ю. Восстановление параметров частотной дисперсии удельного сопротивления по данным индукционного зондирования. // Геофизика, 1999, №2, с. 65-67.

77. Эпов М.И., Антонов Е. Ю. Прямые задачи электромагнитных зондирований с учетом дисперсии геоэлектрических параметров // Физика земли, 1999, №4, с. 48 55.

78. Эпов М.И., Антонов Е.Ю., Ельцов И.Н. Нестационарное электромагнитное поле над средой с малоамплитудной пологой структурой // Геология и геофизика, 1990, №11, с. 137-142.

79. Эпов М.И., Антонов Е.Ю., Павлов Е.В. Связь частотной дисперсии электромагнитных параметров и пространственной неоднородности с высоким разрешением в электроразведке // Геология и геофизика, 2004, т. 45, №6, с.742-751.

80. Anders W. Zur entwicklung eines komplexen erdungsmesser // Geophysic Prospecting, 1965, vol. 13, №4, pp. 151-173.

81. Goldman M., Taborovsky L., Rabinovich M. On the influence of 3-D structures in the interpretation of transient electromagnetic soundings data // Geophysics, 1994, vol.59, №6, pp. 889-901.

82. Hesham M. El-Kaliouby at al. Optimum negative response of a coincident-loop electromagnetic system above a polarizable half-space // Geophysics, 1997, vol. 62, №1, pp. 75-79.

83. Kaufman A.A. The electrical field in a borehole with a casing //

84. Geophysics, 1990, vol.55, №1, pp. 29-38.

85. Mann J.E. Magnetotelluric theory of the sinusoidal interface // J.Geophys. Res., 1964, vol.69, p. 3517-3533.

86. Nelder J.A., Mead R. Simplex method for function minimization // Computer J., 1964, №7, pp. 308-313.

87. Wait J.R. Relaxation phenomena and induced polarization // Geoexploration, 1984, vol.22, pp. 107-122.

88. West G.F., Macnae J.C., Lamontagne Y. A time-domain EM system measuring the step response of the ground // Geophysics, 1984, vol.49, №7, pp. 1010-1026.