EA012059B1

EA012059B1 - Способ разведки полезных ископаемых

Info

Publication number: EA012059B1
Application number: EA200701763A
Authority: EA
Inventors: Анатолий Яковлевич КАРТЕЛЕВ
Original assignee: Анатолий Яковлевич КАРТЕЛЕВ
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-08-28
Also published as: EA200701763A1

Abstract

Изобретение относится к способам возбуждения сейсмоакустического и электромагнитного полей высокой интенсивности и может быть использовано для комплексной (электромагнитной и сейсмической) разведки полезных ископаемых. Решаемая задача: создание комплексного сейсмического и электромагнитного методов разведки на одном устройстве возбуждения. Сущность изобретения: в известном способе возбуждения упругих волн в толще земной коры импульсным электрическим разрядом, создаваемым между электродами, которые подключают к высоковольтному конденсаторному источнику энергии и погружают в водоем либо в скважину в земле, заполненную жидкостью, новым является то, что, в качестве одного из электродов или его продолжения используют петлю или соленоид, посредством которых одновременно с упругими волнами возбуждают магнитные волны. Кроме того, петлю изготавливают из отдельных секторов, расположенных по кругу и параллельно соединенных между собой; соленоид выполняют многозаходным; соленоид изготавливают из пружинной стали и закаливают. Изобретение позволяет повысить достоверность и скорость определения типа и свойств геологической среды.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам возбуждения сейсмоакустического и электромагнитного полей высокой интенсивности и может быть использовано для комплексной (электромагнитной и сейсмической) разведки полезных ископаемых.

Предшествующий уровень техники

Известен способ и устройство для контроля среды (см. заявку \УО №926416, МПК 601У 3/10, приор, от 19.12.95), согласно которому среда проверяется на наличие зон с повышенной электрической проводимостью и/или повышенной магнитной проницаемостью путем воздействия на среду импульсного магнитного поля. В состав устройства контроля среды входит катушка индуктивности с большим гасящим сопротивлением. При подаче возбуждающего сигнала катушка формирует затухающие колебания. Создаваемое катушкой осциллирующее магнитное поле взаимодействует с контролируемой средой. Возникающее в результате этого взаимодействия на другой приемной катушке возникает напряжение, которое поступает на приемник. Принятый сигнал корректируется и оценивается с учетом компонент, обусловленных электрической проводимостью и магнитной проницаемостью среды.

Недостатком этого способа является то, что он определяет только проводящие геологические структуры типа металлических руд и углей. Это ограничивает его применение.

Известен также способ возбуждения упругих волн в толще земной коры при сейсмической разведке (см. а.с. СССР 106338, кл. 21д, авторы Л.А. Юткин, Л.И. Гольцова, заявл. 13.07.53, опубл. в Б.И., 1957, № 5), заключающийся в том, что для возбуждения упругих волн применяют импульсный электрический разряд, создаваемый между электродами, подключенными к высоковольтному конденсатору и погружаемыми в водоем либо в скважину в земле, заполненную жидкостью.

С помощью электрического разряда в жидкости, получаемого при помощи высоковольтных электрогидравлических устройств, можно получать разные типы сейсмических волн: обычные (как смесь волн), поверхностные, волны Релея. Отраженные от геологических напластований сейсмоакустические импульсы воспринимаются затем приемными пьезоэлектрическими или механоиндукционными датчиками и фиксируются на ленте многоканальной сейсмостанции или экране компьютера. При этом по разности времен от момента разряда до момента прихода отраженной волны можно судить о глубине залегания данного пласта, а по амплитуде отраженного импульса делать оценку плотности отразившего импульс пласта, предварительно зная величину затухания импульса в пластах вышележащих пород (см. книгу Л.А. Юткин, «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности». Л., Машиностроение, Ленинградское отд-ние, 1986 г., а также книгу «Электроискровой источник упругих волн для целей наземной сейсморазведки». Под ред. А.В.Калинина, М., Изд-во МГУ, 1989 г.).

Способ возбуждения упругих волн в толще земной коры является наиболее близким к заявляемому изобретению и поэтому принят за прототип.

Недостатком этого способа является то, что он определяет только механические константы геологической среды, а именно, значения продольных ν_ρ и поперечных V, скоростей распространения упругих волн в геологическом разрезе, а от них через известные соотношения:

Ур=л/(Е+4ц/3)/р; У8=^р/р; Уз/Ур=л/2(1-у)/(1-2у), где Е- модуль Юнга; μ- модуль сдвига; ν- коэффициент Пуассона; ρ -плотность среды, позволяет перейти к модулям сжатия и сдвига геологической среды и отношению поперечной деформации к продольной. Этот способ не позволяет определить, что находится в геологической ловушке - нефть или просто минерализованная жидкость.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание комплексного сейсмического и электромагнитного методов разведки на одном устройстве возбуждения.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности и скорости определения типа и свойств геологической среды путем увеличения числа одновременно возбуждаемых и регистрируемых волновых полей и получения информации о вдвое большем числе констант геологической среды (о механических константах: модуле Юнга, модуле сдвига; коэффициенте Пуассона, плотности среды, а также о электрических константах: электрической проводимости, магнитной и диэлектрической проницаемостях).

Для достижения технического результата, что в заявляемом способе возбуждения упругих волн в толще земной коры, где применяют импульсный электрический разряд, создаваемый между электродами, которые подключают к высоковольтному конденсаторному источнику энергии и погружают в водоем либо в скважину в земле, заполненную жидкостью, новым является то, что, в качестве одного из электродов или его продолжения используют петлю или соленоид, посредством которых одновременно с упругими волнами возбуждают магнитные волны.

Кроме того, петлю изготавливают из отдельных секторов, расположенных по кругу и параллельно соединенных между собой; соленоид изготавливают многозаходным; соленоид изготавливают из пружинной стали и закаливают.

Использование одного из электродов или его продолжения в качестве петли или соленоида, обеспе- 1 012059 чивает за счет протекания разрядного тока одновременно по жидкости и по петле или соленоиду одновременно и практически в одной точке сейсмоакустического импульса и импульса магнитного поля, которые затем со своими скоростями (ударная и упругая волны - со скоростью звука в воде или в горных породах - это примерно 1,6 км/с или 3-6,5 км/с, магнитная - со скоростью близкой к скорости света - это 100-150 тысяч км/с) распространяются по горным породам и которые могут быть приняты с помощью гидрофонов или пьезоприемников и магнитных антенн в соседних скважинах или на поверхности земли. В результате могут быть получены быстро и сразу два: сейсмический и электрический разрезы геологической среды (нефтяного или газового месторождения). Кроме сейсмического и электрического разрезов можно получить дополнительную информацию о проницаемости горных пород. Как известно, удельное сопротивление горной породы определяется не столько удельным сопротивлением отдельных зерен минерала, сколько удельным сопротивлением жидкости, заполняющей межзерновое пространство. Давно опробовано и успешно применяется геофизиками для определения пористости среды уравнение Арчи, связывающее удельное сопротивление и пористость. Согласно ему

где р_вп - удельное сопротивление водонасыщенной горной породы; р_в - удельное сопротивление воды, заполняющей поры; к_п - коэффициент пористости (доля горного пространства, занятого порами); 8_В часть порового пространства, заполненная водой; т= 1,3-1,95 - постоянная, значение которой зависит от типа породы.

За счет генерации от одного высоковольтного конденсаторного источника сейсмоакустического и магнитного импульсов повышение практически вдвое к.п.д. электрического разряда и к.п.д. самого конденсаторного источника (40% электрической энергии уходит на ударную волну и скоростной гидропоток и примерно 50% электрической энергии - на магнитное поле).

За счет значительно большей скорости распространения импульса магнитного поля по горным породам повышение точности запуска приемной сейсмостанции и уменьшение погрешности в определении продольной и поперечной скоростей распространения упругих волн в геологической среде.

За счет образования соленоидального и достаточно интенсивного магнитного поля, линии напряженности которого параллельны оси межэлектродного промежутка, создание препятствий развитию лидеров в радиальном направлении и облегчение образования канала сквозной проводимости с минимальными потерями на предразрядные потери, а также увеличение длины пробиваемого промежутка и амплитуды сейсмоакустического импульса.

Изготовление петли из отдельных расположенных по кругу и параллельно соединенных секторов обеспечивает снижение в η раз, где η - число секторов, индуктивности петли и, соответственно, возможность получения в раз больших разрядных токов, амплитуд и частот магнитного поля в петле. Соответственно, при этом можно добиться того, что импеданс петли не будет превышать активное сопротивление канала разряда и петля будет мало влиять на амплитуду амплитуды ударной (вблизи канала разряда) и упругой (на больших расстояниях) волн. Кроме того, за счет увеличения частоты магнитного поля можно повысить детальность (пространственное разрешение) электрического разреза месторождения.

Выполнение соленоида многозаходным (в виде нескольких намотанных со сдвигом по азимуту и параллельно включенных спиралей) обеспечивает возможность:

пропуска через соленоид больших токов и резкого уменьшения индуктивности соленоида (зависимость от η ослабляется). Соответственно, индуктивность соленоида вплоть до значений 2 мкГн на параметры электрического разряда в воде и амплитуды ударной (вблизи канала разряда) и упругой (на больших расстояниях) волн не влияет (см. фиг. 5 и 6 описания заявки);

повышения устойчивости соленоида к действию ударных волн, отходящих от канала разряда, вследствие эквидистантного и симметричного расположения спиралей соленоида относительно канала разряда, а также механического прикрепления начала и конца каждой спирали (захода соленоида) к металлическим катоду и обратному токопроводу.

Выполнение соленоида из пружинной стали и его закалка обеспечивают еще большее повышение механической устойчивости и прочности соленоида к воздействию ударных волн и скоростного гидропотока, образующихся при разряде в воде и проходящих через витки соленоида. Тем самым, становится возможным многократное возбуждение упругих и магнитных волн из одной точки, накопление прошедших через горные породы сигналов от этих двух волн, фильтрацию помех и повышение достоверности определения параметров горных пород.

Таким образом, благодаря новым отличительным признакам в заявляемом способе осуществляется возбуждение (генерация) одновременно двух различных физических полей, а именно, упругих и магнитных волн (или сейсмоакустического и магнитного импульсов). Это означает, что можно скомплексировать во времени и пространстве, на одном источнике возбуждения и на одном изучаемом месторождении сейсморазведывательный и электроразведочный методы разведки и более однозначно интерпретировать (определять) тип и свойства горных пород и флюидов на месторождении.

- 2 012059

Перечень фигур чертежей и иных материалов

На фиг. 1 и 2 представлен вариант устройства (в разрезе и плане) для реализации заявляемого способа с плоской петлей.

На фиг. 3 и 4 представлены варианты устройства для реализации заявляемого способа с коническим соленоидом и цилиндрическим соленоидом.

На фиг. 5 и 6 приведены амплитудно-временные зависимости тока разряда для устройства с цилиндрическим соленоидом по фиг. 4, подключенного к скважинному электрогидравлическому аппарату с рабочим напряжением 30 кВ и энергоемкостью 1 кДж, когда аппарат работает в воде и соленоид имеет различные индуктивности.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Устройство для осуществления заявляемого способа с петлей (см. фиг. 1 и 2) предназначено для наземной и речной комплексной разведки полезных ископаемых. Оно содержит два соосных и установленных с зазором электрода: анод 1 и катод 2 и проводящую петлю 3, выполненную из четырех секторов, распределенных по кругу.

Петля 3 выполнена из изолированного высоковольтного провода (провода зажигания) марки ЭПЗ 614. Начала проводников в каждом секторе петли присоединены к катоду 2, а концы проводников в каждом секторе петли - к оплетке 4 высоковольтного коаксиального кабеля марки РК-75-11-17 или ИК-2.

Жила 5 коаксиального кабеля на одном конце присоединена к аноду 1. Второй конец коаксиального кабеля подключен к высоковольтному конденсаторному источнику энергии 6. Высоковольтный конденсаторный источник энергии 6 может располагаться на борту катера или автомобиля. Электроды 1, 2 и проводящая петля 3 погружены в водоем 7.

Устройства для осуществления заявляемого способа с коническим (см. фиг. 3) и цилиндрическим (см. фиг. 4) соленоидами предназначены для скважинной комплексной разведки полезных ископаемых.

Устройство с коническим соленоидом (см. фиг. 3) представляет собой коаксиальную электродную систему, содержащую центральный анод 1, катод 2 и цилиндрический соленоид 3. Анод 1 и катод 2 расположены на одной оси и с зазором 15-20 мм относительно друг друга. Анод 1 изолирован с помощью конического полиуретанового изолятора 4. Конический соленоид 3 ориентирован своей вершиной к центральному аноду 1, т.е. вершина конического соленоида является фактически катодом 2. Основанием конический соленоид 3 присоединен к обратному токопроводу 5, выполненному в виде жесткой металлической шины. Центральный анод 1 и обратный токопровод 5 присоединены через специальный переходник (на рисунке не показан) к скважинному конденсаторному источнику энергии 6.

Устройство с цилиндрическим соленоидом (см. фиг. 4) также представляет собой коаксиальную электродную систему, содержащую центральный анод 1, катод 2 и цилиндрический соленоид 3. Анод 1 и катод 2 расположены на одной оси и с зазором 15-20 мм относительно друг друга. Анод 1 изолирован с помощью конического полиуретанового изолятора 4. Конец соленоида 3 присоединен к обратному токопроводу 5. Начало соленоида 3 присоединено через металлический диск 7 к катоду 2. Анод 1 и обратный токопровод 5 присоединены через специальный переходник (на рисунке не показан) к скважинному конденсаторному источнику энергии 6. Для исключения экранировки магнитного поля в металлическом диске 7 выполнено несколько радиальных щелей. На катод 2 одет конический изолятор 8, также выполненный из полиуретана.

Соосное расположение анода 1 и катода 2, а также коническая форма изоляторов 4 и 8 обеспечивает направление ударной и упругой волн по радиусу электродной системы (в поперечном от оси скважины направлении). Цилиндрическая форма соленоида 3 обеспечивает излучение магнитной волны также преимущественно в поперечном от оси скважины направлении.

Анод 1 и анод 2 имеют диаметр 8-12 мм и выполнены из вольфрама или специального эрозионностойкого материала АМВ30.

Соленоид 3 представляет собой цилиндрическую спираль наружным диаметром 102 мм, длиной 100 мм и шагом 25 мм. Спираль выполнена из пружинной стали - проволоки диаметром 6-10 мм и закалена. Число витков спирали 4-5. Индуктивность спирали 1,1-1,72 мкГн.

Устройство с цилиндрическим соленоидом (см. фиг. 4) механически более прочно и устойчиво, чем устройство с коническим соленоидом (см. фиг. 3), так в первом устройстве начало и конец цилиндрического соленоида надежно закреплены, а во втором устройстве - коническая спираль как бы «висит» на обратном токопроводе и при каждом электрическом разряде (электрогидравлическом ударе) испытывает большие механические напряжения, которые концентрируются в месте присоединения основания конической спирали к обратному токопроводу.

Устройства с коническим и цилиндрическим соленоидом могут изготавливаться как отдельные модули к высоковольтному скважинному электрогидравлическому аппарату и опускаться вместе с ним на забой нефтяной скважины. В качестве технологической жидкости, которую закачивают в скважину и в которую погружают устройства по фиг. 3 и 4 можно использовать пресную (техническую) воду или неионизированные углеводородные жидкости, такие как этанол, ацетон, керосин.

Заявляемый способ реализуется следующим образом:

а) изготавливают два электрода 1 и 2, при этом первый электрод изолируют, а второй из электродов

- 3 012059 или его продолжение неизолируют и выполняют в виде петли или соленоида 3;

б) погружают вышеуказанные электроды 1 и 2 и петлю 3 в водоем 4 либо в скважину в земле, заполненную жидкостью;

в) подключают вышеуказанные электроды 1 и 2 посредством коаксиальной кабельной линии 5 или специального коаксиального переходника к генератору импульсных напряжений или токов 6;

г) подают на электроды 1 и 2 импульс высокого напряжения, при этом происходит пробой воды или скважинной жидкости в промежутке между электродами;

д) в ходе электрического разряда, который проходит по воде или скважинной жидкости, происходит быстрое выделение электрической энергии, запасенной в конденсаторах наземного или скважинного конденсаторного источника энергии, и образование плазменного канала между электродами. Высокотемпературный плазменный канал способствует быстрому (взрывному) перегреву и испарению воды или скважинной жидкости, вследствие чего, вокруг канала электрического разряда образуется парогазовая полость, которая сначала расширяется до определенного радиуса, а затем начинает пульсировать. В зависимости от размеров парогазовой полости избыточное давление в жидкости определяется как ('41· где т=р_о4пК<)²8о является массой жидкости, переместившейся от источника, когда смещение полости равнялось 8_о; р_о - плотность жидкости; с - фазовая скорость акустической волны в жидкости (см. книгу А.А.Кауфман, А. Л. Левшин. Введение в теорию геофизических методов. Часть 3. Акустические и упругие волновые поля в геофизике. Пер. с англ. Москва. Недра. 2001. с. 169-180).

Другими словами, от канала разряда в воде отходит ударная волна, переходящая через некоторое расстояние в упругую волну.

е) одновременно ток разряда протекает по петле или соленоиду 3. Петля или соленоид 3 с током представляет собой магнитный диполь с моментом М=М₀-е^-“‘ -к, где Μ₀=Ι·8·η - амплитуда магнитного момента; Ι=Ι₀·δίηωΐ - комплексная функция, описывающая ток в диполе; ω - круговая частота; η- число витков; 8 - площадь одного витка; к - единичный вектор, направленный вдоль оси ζ.

Этот диполь создает первичное электромагнитное поле с двумя составляющими:

_5Ш0 и ⁰ 4тгК^{2 0} 2лЯ³ (см. книгу А.А. Кауфман, А.Л. Левшин. Введение в теорию геофизических методов. Часть 2. Электромагнитные поля. Пер. с англ. Москва. Недра. 2000. с. 161-164).

Другими словами, от петли или соленоида излучается магнитное поле в виде моноимпульса или затухающей синусоиды.

Автором было рассчитано устройство - электродная система с цилиндрическим соленоидом по фиг. 4 для скважинного электрогидравлического аппарата напряжением 30 кВ и энергоемкостью 1 кДж. Расчеты показали (см. фиг. 5 и 6), что при работе аппарата на электродную систему с цилиндрическим соленоидом диаметром 102 мм, числом витков 4-6 и индуктивностью до 2 мкГн, погруженную в пресную воду, соленоид практически не влияет на амплитуду и длительность тока разряда в воде (они остаются на уровне 10-10,5 кА и 7 мкс соответственно). Другими словами, соленоид с индуктивностью до 2 мкГн не влияет на энерговыделение в канале разряда и амплитуду ударной и упругой волн, отходящих от канала разряда, и одновременно обеспечивает генерацию импульсов магнитного поля длительностью примерно 7 мкс и магнитным моментом примерно 1000 А-м². При больших значениях индуктивности соленоида его влияние на разряд в воде увеличивается, форма тока разряда становится не апериодической, а превращается в затухающую синусоиду. Однако это не ограничивает возможности заявляемого способа. Он может быть использован в таком известном методе разведки полезных ископаемых как метод переходных процессов.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ разведки полезных ископаемых, в котором возбуждают упругие волны в толще земной коры импульсным электрическим разрядом, создаваемым между электродами, которые подключают к высоковольтному конденсаторному источнику энергии и погружают в водоем либо в скважину в земле, заполненную жидкостью, отличающийся тем, что одновременно с упругими волнами возбуждают магнитные волны, для чего в качестве одного из электродов или его продолжения используют петлю или соленоид.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют петлю, изготовленную из отдельных секторов, расположенных по кругу и параллельно соединенных между собой.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют многозаходный соленоид.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют соленоид, изготовленный из пружинной стали и закаленный.