EA014831B1

EA014831B1 - Способ и система для уменьшения шума в измерениях электрического поля

Info

Publication number: EA014831B1
Application number: EA200970215A
Authority: EA
Inventors: Антон Циолковски; Ричард Карсон
Original assignee: Мтем Лтд.
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2011-02-28
Also published as: WO2008023174A3; AU2007287443A1; GB0616784D0; EG25390A; CA2659401A1; NO20090088L; WO2008023174A2; BRPI0716405A2; EA200970215A1; MX2008006819A; US20100017156A1; EP2054740A2; CN101506687A

Abstract

Способ устранения техногенного шума из результатов измерения поля, генерируемого электромагнитным источником, таким как токовый диполь или магнитная петля. Способ включает одновременное измерение электромагнитного сигнала в точке измерения поля и в точке калибровки, расположенной вблизи точки измерения поля, в зоне нулевого поля источника; использование результатов измерения поля и калибровочного измерения для расчета фильтра, который дает оценку компонента результатов измерения поля, коррелированного с техногенным шумом; осуществление свертки рассчитанного фильтра с результатами калибровочного измерения для нахождения оценки компонента, соответствующего техногенному шуму, и вычитание этого компонента из результатов измерения поля.

Description

Изобретение относится к средствам уменьшения шума в измерениях электромагнитного поля. Более конкретно, изобретение относится к средствам уменьшения влияния шума в многоканальных электромагнитных измерениях переходных процессов (МЭИИП).

Уровень техники

Пористые горные породы насыщены флюидами. Этими флюидами могут быть вода, газ, нефть или смесь всех этих веществ. Протекание тока через горные породы определяется удельными сопротивлениями этих пород, зависящими от насыщающих эти породы флюидов. Например, горные породы, насыщенные морской водой, обладают намного меньшим удельным сопротивлением, чем такие же горные породы, заполненные углеводородами. Измеряя удельное сопротивление геологических формаций, можно обнаружить углеводороды. Следовательно, предшествующая бурению фаза исследований с целью обнаружения углеводородов может включать измерения удельного электрического сопротивления.

Известны различные методы измерений удельного сопротивления геологических формаций, например электромагнитные измерения во временной области, подобные описанным в международной заявке \¥О 03/023452, содержание которой включено в данное описание посредством ссылки. Обычно в электромагнитных измерениях во временной области используют передатчик и один или более приемников.

Передатчиком может служить электрический источник, например заземленный диполь, или магнитный источник, т. е. ток в проволочной петле или группе петель. Приемниками могут быть заземленные диполи, служащие для измерения разностей потенциалов, или проволочные петли (группы петель), или магнитометры для измерения магнитных полей и/или производных от магнитных полей по времени. Передаваемый сигнал часто формируется в виде ступенчатого изменения тока в электрическом или магнитном источнике. Однако может быть использован и любой другой нестационарный сигнал, включая, например, псевдослучайную двоичную последовательность.

На фиг. 1 представлена типичная схема электромагнитной разведки с источником в виде токового диполя, аналогичная, например, описанной в И8 6914433. Токовый диполь-источник имеет два электрода А и В. На одной линии с источником расположена линейка приемников для измерения потенциала между парами приемных электродов, например электродами С и Ό. Источник подает ток в землю, а отклик измеряется между парами электродов. В связи с наличием техногенного электрического шума, особенно если подобные измерения проводятся вблизи железнодорожного полотна, воздушных линий электропередач и электрического оборудования, отклик, вероятно, окажется зашумленным. Это может представлять серьезную проблему в ситуациях, когда необходимы очень чувствительные измерения.

Сущность изобретения

Согласно изобретению предлагается способ устранения техногенного шума в результатах электромагнитного измерения поля, генерируемого электромагнитным источником, таким как токовый диполь или магнитная петля. Способ по изобретению включает одновременное измерение электромагнитного сигнала в точке измерения поля и в точке калибровки, расположенной вблизи точки измерения поля, в зоне нулевого поля источника;

использование результатов измерения поля и калибровочного измерения для определения функции (предпочтительно фильтра), дающей оценку компонента результата измерения поля, коррелированного с техногенным шумом;

использование указанной функции, предпочтительно фильтра, и результатов калибровочного измерения для определения оценки компонента, соответствующего техногенному шуму, и вычитание этого компонента из результатов измерения поля, чтобы улучшить отношение сигнал/шум.

Одновременное измерение электромагнитного сигнала в точках измерения поля и калибровки может осуществляться при отключенном источнике.

Измерение электромагнитного поля может производиться, как измерение тока и/или напряжения, предпочтительно как измерение напряжения.

Функция может являться фильтром. Может производиться свертка функции с результатами калибровочного измерения, чтобы получить оценку компонента, соответствующего техногенному шуму.

Изобретение применимо к любому источнику, поле которого является нулевым, например, в направлении, перпендикулярном некоторой оси. Примерами являются дипольный источник или источник с вертикальной магнитной петлей.

Приемник может содержать электроды, расположенные, по существу, параллельно оси источника.

Калибровочное измерение может проводиться с помощью калибровочных электродов, расположенных на перпендикуляре к оси источника и эквидистантно относительно нее, так что измерение проводится в нулевом электрическом поле. Если измеряется магнитное поле, калибровочное измерение может быть произведено посредством магнитометра, расположенного так, что его ось, по существу, совпадает с осью источника, благодаря чему измерение проводится в нулевом электрическом поле.

Способ может включать преобразование в цифровую форму напряжений, измеренных на приемнике и на калибровочных электродах.

- 1 014831

Фильтр может быть каузальным, например винеровским фильтром.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается система для оценивания шума в результатах электромагнитного измерения поля, генерируемого электромагнитным источником, таким как токовый диполь или магнитная петля. Система по изобретению содержит приемник для измерения электромагнитного поля, генерируемого указанным источником, в точке измерения поля и калибровочную систему для измерения электромагнитного поля в точке, расположенной вблизи приемника, в зоне нулевого поля источника. Приемник и/или калибровочная система выполнены с возможностью измерения тока и/или напряжения, предпочтительно напряжения.

Приемник может содержать электроды, расположенные, по существу, параллельно оси источника. Калибровочные электроды могут быть расположены на перпендикуляре к оси указанного источника и эквидистантно относительно нее, так что измерения с их помощью производятся в нулевом поле.

Система может дополнительно содержать средство для расчета фильтра по результатам калибровочного измерения и измерения электрического поля. Это средство обеспечивает получение оценки компонента результатов измерения электромагнитного поля, который коррелирован с результатами измерения шума, а также осуществление свертки этого фильтра с результатами калибровочного измерения для получения оценки шумового компонента и вычитание указанного компонента из результатов измерения электрического поля на электродах приемника.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается компьютерная программа, предпочтительно на носителе данных или в машиночитаемой среде, содержащая код или команды для использования результатов измерений электрического поля, проведенных одновременно в точке измерения поля и в точке калибровки, причем калибровочные измерения оказываются, по существу, не загрязненными полем источника, для расчета фильтра, дающего оценку компонента результатов измерений электромагнитного поля, который коррелирован с результатами измерения шума; проведения свертки рассчитанного фильтра с результатами калибровочных измерений для получения оценки указанного шумового компонента и вычитания этой оценки из результатов электрического поля, измеренного на электродах приемника.

Перечень чертежей

Далее, только в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны различные аспекты изобретения.

На фиг. 1 представлена известная схема электромагнитной разведки.

На фиг. 2 представлена схема системы для МЭИПП (далее МЭИПП-система).

На фиг. 3 приведена блок-схема способа оценивания шума.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 2 представлена МЭИПП-система, содержащая источник в виде заземленного токового диполя с электродами А и В, приемник напряжения с заземленными электродами С и Ό и калибровочные электроды Е и Е. В идеальном варианте электроды А и В токового диполя и электроды С и Ό приемника расположены вдоль одной прямой линии. Однако на практике различные препятствия, такие как дороги, здания и т.д., часто обуславливают отклонения. Поэтому, как показано на фиг. 2, электроды С и Ό приемника могут быть слегка смещены с оси источника и поэтому не могут измерить напряжение точно на этой оси. На практике эффект, вызванный этим смещением, может быть учтен при обработке данных. Однако для ясности в дальнейшем принимается, что напряжение νδ^Ι(ΐ) было измерено на указанной оси.

Данное напряжение сигнала ν§^Ι(ΐ) (индекс I указывает на измерение на оси), измеренное в момент I между электродами С и Ό приемника, загрязнено случайным шумом па'(() и организованным шумом πρ^Ι(ΐ). На более высоких частотах в шуме часто доминирует техногенный шум, который может создаваться, например, железными дорогами, линиями электропередач (подобными показанной на фиг. 2 линии РР'), электрическим оборудованием и т.д. На более низких частотах шум с большей вероятностью будет исходить из ионосферы (такой шум известен, как магнитотеллурический (МТ) шум). Реально измеренное аналоговое значение напряжения является суммой сигнала и шума двух этих типов:

ν^!(ί) = ν.4^!(ί) + пс/(1) + ηρ'^!(ί). (1)

Техногенный шум обычно состоит из фундаментальной частоты и ее гармоник. В Европе фундаментальная частота составляет обычно 50 Гц, но вблизи электрических железных дорог имеются и другие частоты. МТ шум имеет широкую полосу, причем его амплитуда возрастает с уменьшением частоты до значения менее 1 Гц. Существуют ситуации, в которых организованный шум значительно превышает сигнал, т.е.

»|ν$'(Ό|· (2)

Это может являться серьезной проблемой для измерения сигнала ν§^Ι(ΐ). Изобретение предлагает способ уменьшения влияния организованного шума и тем самым улучшения отношения сигнал/шум. На фиг. 3 показаны необходимые для этого операции.

Сначала производят измерение напряжения на электродах С и Ό приемника одновременно с измерением напряжения организованного шума между двумя калибровочными электродами Е и Е, которые расположены вблизи приемника СО, но не принимают никакого сигнала. Результаты измерения поля и

- 2 014831 калибровочного измерения затем используют для расчета фильтра, который оценивает компонент результатов измерения поля, коррелированный с техногенным шумом. Затем осуществляют свертку этого фильтра с результатами калибровочного измерения, чтобы найти расчетный компонент техногенного шума, который может быть затем вычтен из результатов измерения поля, чтобы улучшить отношение сигнал/шум. Если шум является стационарным, фильтр не изменяется во времени, так что фильтр, рассчитанный для одного момента, может быть использован и в другое время. В этом случае предпочтительно рассчитать фильтр по данным, полученным, когда источник отключен.

Чтобы избежать загрязнения сигнала, калибровочные электроды Е и Е перпендикулярны оси источника и расположены эквидистантно относительно его оси, т.е. каждый электрод смещен с нее на расстояние х, как это показано на фиг. 2. Поскольку дипольный источник АВ не генерирует никакого сигнала в горизонтальном направлении, перпендикулярном его оси (по меньшей мере, в случае горизонтальной структуры слоев земли), калибровочные электроды Е и Е находятся в нулевом поле источника, так что напряжение, измеренное между калибровочными электродами Е и Е поперечно оси источника, будет соответствовать почти чистому организованному шуму ν^τ(1)~ηρ^τ(ί), (3) где индекс Т обозначает поперечное направление. Напряжение, измеренное в этом направлении, будет содержать также и некоторый случайный шум, однако для целей проводимой оценки им можно пренебречь.

Отношение между пр'(1) и ηρ^τ(1) принимается линейным, т.е. эти величины связаны линейным фильтром Г(1), так что пр^}(1) = пр^т(1)*/(1) ~ ν^τ(ί) */(ί), (4) где знак * обозначает свертку. Используя напряжения, измеренные на электродах С и Ό приемника и на калибровочных электродах Е и Е, можно определить фильтр Г(1). Фильтр может быть каузальным или некаузальным. Если фильтр является каузальным, он не формирует выходного сигнала до получения им входного сигнала, так что его отклик для отрицательного времени равен нулю, т.е. Г(1)=0 при отрицательных значениях 1. Будучи определен, он может быть использован для свертки с результатом измерений ν^τ(1), чтобы оценить значение ηρ'/Ι), которое может быть, если это требуется, вычтено из результатов измерения ν^Ι(1).

Проблема идентифицирования фильтра может быть сформулирована, как проблема винеровского фильтра. В этом случае напряжение, измеренное на калибровочных электродах Е и Е, ν^τ(1), используется как входной сигнал, а напряжение, измеренное на электродах С и Ό приемника, ν^Ι(1), как желательный выходной сигнал. Необходим фильтр наименьших квадратов, который будет предсказывать компонент ν^Ι(1), связанный с ν^τ(ΐ). Этим компонентом, очевидно, является организованный шум, поскольку сигнал не связан с напряжением, направленным поперечно, т.е. с ν^τ(ΐ).

Чтобы решить данную задачу, результаты аналоговых измерений ν^Ι(1) и ν^τ(1) сначала с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуют в дискретные сигналы ν^ и соответственно и семплируют с постоянным интервалом Δ1, который выбирается достаточно малым, чтобы сохранить всю информацию. Аналого-цифровое преобразование может быть описано интегралом

О?

(5) где 5(1) - это дельта-функция Дирака.

Если фильтр является каузальным, он может быть определен в соответствии с теорией Винера решением следующих уравнений:

η

Σ^ττ^-Ж =φ_ιτ(ί), / = 0, 1,.и, (6) к-0 в которых а_к - это коэффициенты приближения методом наименьших квадратов к цифровому фильтру Г_к, а φ_ττ(τ) - автокорреляционная функция νΥ <Ρττ(τ) = Σ^^νΤ*-'’ к

а φιτ(τ) — это кросс-корреляция У* с V⁷, к

Итак, чтобы определить каузальный винеровский фильтр, можно оцифровать результаты измерений ν^Ι(1) и ν^τ(1), чтобы получить ν^ и ν\; вычислить автокорреляционную функцию φ_ττ(τ) и кросскорреляционную функцию φ_ττ(τ) согласно уравнениям (7) и (8) и решить уравнение (6), чтобы найти а_к. Известны быстрые алгоритмы решения уравнения (6).

После определения а_к находят оценку сигнала цифрового шума ир¹ _к, осуществляя свертку фильтра а_к цифровым значением поперечного напряжения

- 3 014831 пр'_к = ’ ⁽⁹⁾ /=с где - это оценка шума пр¹ _к по методу наименьших квадратов. Данная величина теперь может быть вычтена из ν'ι,. чтобы найти лучшую оценку сигнала:

(10) уз, где « - это лучшая оценка сигнала.

Если фильтр является некаузальным. необходимо ввести в измеренный сигнал ν^Ι(ΐ) известную временную задержку. составляющую. возможно. несколько миллисекунд; весь последующий анализ остается неизменным. Например. если известная временная задержка равна τ. т.е. сигнал с задержкой времени имеет вид ν</(ί) = νΛ(ί - τ), (11) то в анализе сигнал ν^Ι(ΐ) заменяется сигналом ν!^Ι(ΐ). так что получаемая оценка шума соответствует оценке реального шума с задержкой. причем эта оценка может быть вычтена из ν!^Ι(ΐ). чтобы получить оценку сигнала с задержкой. Величина задержки известна. так что в заключение она может быть устранена. если это необходимо.

На практике неизвестно. является ли фильтр каузальным или нет. поэтому необходимо вводить достаточно большую задержку. чтобы сделать фильтр каузальным. Значение τ может быть найдено методом проб и ошибок. Если оно достаточно велико. первые несколько коэффициентов а_к будут близки к нулю. указывая на то. что теперь фильтр является каузальным. Если значение τ недостаточно велико. первые несколько коэффициентов а_к будут отличны от нуля; в этом случае значение τ варьируют. пока оно не станет достаточно большим. Другой параметр. который нужно выбрать. - это значение п. где п+1 - это количество коэффициентов фильтра. Его также можно найти методом проб и ошибок. Фильтр должен начинаться с нуля или близкого к нему значения и заканчиваться нулем или близким к нему значением. Для этого значение п должно быть достаточно большим.

Способ согласно изобретению позволяет получить оценки техногенного и магнитотеллурического шумов и вычесть эти оценки из измеренного электрического отклика земли. Это может существенно улучшить отношение сигнал/шум. Для измерений удельного сопротивления методом МЭИПП в полевых условиях это является важным улучшением.

Расчет шума может быть проведен с использованием любых подходящих программы и/или аппаратуры. например процессора.

Специалисту будет понятно. что. не выходя за пределы изобретения. в описанные варианты могут быть внесены различные модификации. Например. винеровский метод наименьших квадратов. предложенный выше для определения фильтра ί(ΐ). является только одним из нескольких возможных методов. Кроме того. хотя на фиг. 2 показана только одна пара электродов С и Ό приемника и одна пара калибровочных электродов Е и Р. поскольку организованный шум может варьировать. калибровочные измерения могут быть проведены для любой пары электродов приемника. ассоциированного с источником. Таким образом. для каждой пары электродов приемника может иметься соответствующая пара калибровочных электродов. Далее. хотя одновременные измерения электромагнитного сигнала в точке измерения поля и в точке калибровки могут производиться. когда приемник активен. с тем же успехом они могут производиться. когда он отключен. Таким образом. приведенное описание соответствует только одному конкретному варианту изобретения. рассмотренному лишь в качестве примера. а не для введения каких-либо ограничений. Специалисту будет понятно. что могут быть сделаны различные мелкие модификации. не вносящие значительных изменений в описанный процесс.

Claims

1. Способ оценивания шумового компонента в результатах электромагнитного измерения поля. генерируемого электромагнитным источником. таким как токовый диполь или магнитная петля. включающий одновременное измерение электромагнитного сигнала в точке измерения электромагнитного поля и в точке калибровки. расположенной вблизи точки измерения электромагнитного поля. причем точка калибровки расположена в таком местоположении. где электромагнитное поле указанного источника. по существу. нулевое;

использование результатов измерения электромагнитного поля и калибровочного измерения для определения фильтра. дающего оценку компонента результатов измерения электромагнитного поля. коррелированного с шумом; и свертку указанного фильтра и результатов калибровочного измерения для определения оценки шумового компонента результатов измерения электромагнитного поля.

2. Способ по п.1. отличающийся тем. что измерение электромагнитного поля осуществляют как измерение тока и/или напряжения.

- 4 014831

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что включает использование источника в виде электрического диполя и измерение калибровочного поля с применением магнитометра, расположенного так, что его ось коллинеарна оси источника в виде электрического диполя.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает использование источника в виде электрического диполя и измерение калибровочного поля с применением электродов, расположенных на перпендикуляре к оси указанного источника и эквидистантно относительно нее.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает использование источника в виде магнитной петли и измерение калибровочного поля с применением электродов, расположенных на оси указанного источника.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает использование источника в виде магнитной петли и измерение калибровочного поля с применением магнитометра, расположенного так, что его ось перпендикулярна оси указанного источника.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает преобразование в цифровую форму напряжений, измеренных на приемнике и на калибровочных электродах.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтр является каузальным фильтром.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что фильтр является винеровским фильтром.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что одновременное измерение электромагнитного сигнала в точках измерения поля и калибровки осуществляют при отключенном источнике.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что включает вычитание оценки шумового компонента результатов измерения поля из результатов измерения поля.

12. Система для оценивания шума в результатах электромагнитного измерения поля, генерируемого электромагнитным источником, таким как токовый диполь или магнитная петля, причем система содержит приемник для измерения электромагнитного поля, генерируемого указанным источником, в точке измерения поля; калибровочную систему для измерения электромагнитного поля в точке, расположенной вблизи приемника, в зоне нулевого поля источника; и средство определения шумового компонента в регистрируемых приемником сигналах с использованием указанных сигналов и результатов измерений в калибровочной системе.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что приемник и/или калибровочная система выполнены с возможностью измерения тока и/или напряжения, предпочтительно напряжения.

14. Система по п.12 или 13, отличающаяся тем, что калибровочная система содержит приемник, расположенный так, что его ось параллельна оси источника.

15. Система по любому из пп.12-14, отличающаяся тем, что калибровочная система содержит приемник, расположенный так, что его ось перпендикулярна оси источника.

16. Система по любому из пп.12-15, отличающаяся тем, что содержит средство для определения функции, предпочтительно фильтра, по результатам калибровочного измерения и измерения электрического поля, причем указанное средство обеспечивает получение оценки компонента результатов измерения электромагнитного поля, который коррелирован с результатами измерения шума, использование указанной функции, предпочтительно фильтра, совместно с результатами калибровочного измерения для получения оценки шумового компонента и вычитание указанного компонента из результатов измерения электрического поля на приемнике.

17. Машиночитаемый носитель данных с сохраненной на нем программой для оценивания шума в электромагнитном измерении поля, генерируемого электромагнитным источником, таким как источник в виде токового диполя или магнитной петли, причем логика компьютерной программы позволяет обеспечить выполнение программируемым компьютером следующих шагов:

получение на входе результатов измерений, проведенных датчиком электромагнитного поля в ответ на задействование электромагнитного источника;

получение на входе результатов измерений, проведенных калибровочным датчиком, расположенным вблизи датчика электромагнитного поля в местоположении, где электромагнитное поле указанного источника, по существу, нулевое;

определение фильтра, который дает оценку компонента результатов измерения электромагнитного поля, коррелированного с шумом, используя результаты измерений электрического поля, полученных одновременно в точке измерения поля и в точке калибровки, и определение оценки шумового компонента с использованием указанного фильтра и калибровочного измерения.

18. Машиночитаемый носитель по п.17, отличающийся тем, что логика указанной программы дополнительно обеспечивает возможность вычитания оценки шумового компонента из результатов измерения электрического поля в точке измерения.