RU2323456C2 - Способ и система для геологических исследований дна моря с использованием измерения вертикального электрического поля - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерению электрической удельной проводимости дна моря. Сущность: система содержит большое количество блоков, каждый из которых представляет собой узел, выполненный с возможностью размещения на месте на дне моря для измерения горизонтальных электрических и магнитных полей. К узлу блока жестко прикреплена и вытянута вертикально от него вертикально ориентированная жесткая штанга. Штанга имеет пару сдвинутых по вертикали электродов, образующих вертикально ориентированную дипольную антенну. Электроды находятся в электрической связи с усилителем, размещенным внутри узла. Сигнал с усилителя подается на процессор регистрации данных, также размещенный внутри узла. Посредством процессора собираются временные последовательности усиленных сигналов электрических и магнитных полей на протяжении заданного периода времени. Технический результат: использование вертикального поля для измерения поперечных изменений в геологической структуре дна моря. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к измерению электрической удельной проводимости дна моря при магнитотеллурических исследованиях или электромагнитных исследованиях с использованием управляемого источника.

Предпосылки создания изобретения

Магнитотеллурический способ представляет собой устоявшийся способ, в котором используют измерения естественным образом электромагнитных полей, возникающих естественным образом для определения электрического удельного сопротивления или удельной проводимости подземных пород. При магнитотеллурических исследованиях используют измерения временных последовательностей ортогональных составляющих электрических и магнитных полей, которые определяют поверхностный импеданс. Указанный импеданс, наблюдаемый в пределах широкой полосы частот и на протяжении поверхности, определяет распределение электрической удельной проводимости под этой поверхностью, при этом горизонтальные слои грунта математически аналогичны сегментам линии передачи. Основные факторы, влияющие на удельное сопротивление подземных пород, включают в себя температуру, давление, насыщение текучими средами, структуру, текстуру, состав и электрохимические параметры. Информацию об удельном сопротивлении можно использовать для картирования основных стратиграфических комплексов, определения относительной пористости или подтверждения геологической интерпретации. Важным применением магнитотеллурических исследований является поиск нефти. Магнитотеллурические исследования можно осуществлять в дополнение к сейсмическим, гравиметрическим и магнитометрическим исследованиям. Комбинирование данных двух или более различных способов исследований приводит к более полной картине структуры геологической среды, чем это возможно при использовании только одного любого единственного способа, особенно при структуре, при которой измерение определенным способом может быть противопоказано. Например, некоторые структуры, такие, как осадки, погруженные под соль, базальт или карбонат, имеют плохие сейсмические характеристики и эффективность. Эти структуры создают сильные отражения и реверберацию, что делает трудным получение изображений погруженных осадков при использовании только акустических способов. С другой стороны, поскольку магнитотеллурический способ не включает в себя измерений откликов на искусственно созданные сейсмические волны, он может быть использован вместо или в сочетании со сейсмическими способами для минимизации погрешности, вносимой отражениями.

Хотя магнитотеллурический способ в течение многих лет используют на суше как вспомогательное средство при нефтепоисковых работах, его применение для разведки месторождений на морских континентальных шельфах началось совсем недавно. Для получения значащих характеристик по сигналам, имеющимся при магнитотеллурических исследованиях, необходимы дистанционная регистрация контрольных данных, устойчивая обработка данных и многомерные моделирование и инверсия.

В последние годы достигнут значительный прогресс в возможности сбора магнитотеллурических данных на дне моря. В прошлом одна главная причина ограниченного использования магнитотеллурического способа для картирования дна моря заключалась в том, что быстрое ослабление высоких частот морской водой приводило к значительным потерям энергии электрических и магнитных полей при периодах короче 1000 с. Однако, чтобы магнитотеллурические измерения были полезными для картирования структур континентального шельфа на глубинах, имеющих значение для поиска нефти, они должны осуществляться при периодах от 0,1 до 1000 с. Заявитель устранил эти проблемы путем разработки системы и способа, раскрытых в патенте США №5770945, выданном 23 июня 1998 г., под названием "Seafloor magnetotelluric system and method for oil exploration", который обычным образом переуступлен вместе с настоящей заявкой и включен в настоящую заявку посредством ссылки. В системе и способе, раскрытых в этом патенте, измерения горизонтальных электрических и магнитных полей используют для картирования геологических структур дна моря, представляющих интерес при поиске нефти. Существенное улучшение, достигаемое с помощью раскрытых системы и способа, вытекает из использования более высоких частот, порядка 1 Гц, что делает систему более подходящей для поиска нефти по сравнению с системами, известными из предшествующего уровня техники.

Измерение исключительно горизонтальных полей позволяет получать только часть информации, которая требуется для детального картирования геологических структур. Хотя вертикальные электрические поля не существуют на поверхности суши, они присутствуют в океане. Поэтому, для полного использования магнитотеллурической технологии для исследований дна моря, выгодно осуществлять измерение вертикальных магнитотеллурических импедансов, которые особенно чувствительны к поперечным изменениям в геологической структуре. При предшествующих попытках измерений вертикальных электрических полей использовались шумящие привязные приборы, например электроды, закрепленные с промежутками по длине гибкого кабеля, который тянули позади судна. Например, см. патент США №4047098 (Srnka) или патент США №2839721 (DeWitte). Кроме того, в этих системах из предшествующего уровня техники используются низкочастотные усилители, так что им присущи описанные выше частотные ограничения в случае применения для донного поиска нефти.

Дополнительное применение устройства, описанного в патенте США №5770945, заключается в проведении электромагнитных исследований с управляемым источником, при которых излучатель электромагнитного поля располагают или буксируют в морской воде, предпочтительно по или вблизи дна моря. В таком случае амплитуду и фазу излученных сигналов используют для определения электрического удельного сопротивления подземных пород и текучих сред. Способы с управляемым источником электромагнитного поля хорошо известны из уровня техники и стали почти общепринятыми для картирования электрической удельной проводимости дна моря от мелководья до больших глубин в океане, при этом в случае глубины воды 5 км достигаются глубины проникновения в дно моря до 30 км. Однако при этих способах невозможно идентифицировать и/или воспользоваться вертикальным электрическим полем и обеспечиваемой им возможностью измерений поперечных изменений подземных структур ниже дна моря.

Поэтому остается необходимость в системе и способе, посредством которых можно использовать свойство вертикального поля для измерения поперечных изменений в геологической структуре дна моря.

Краткое описание изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в создании донной магнитотеллурической системы и способа, посредством которых измеряют вертикальные магнитотеллурические импедансы.

Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в создании способа и системы для донного картирования геологической среды, которые преимущественно чувствительны к поперечным изменениям в геологической структуре.

Кроме того, задача настоящего изобретения заключается в создании способа и системы для донного картирования геологической среды путем измерения вертикальных электрических полей, образующихся в результате действия излучателя электромагнитного поля.

Согласно варианту осуществления изобретения разведочный блок, предназначенный для использования в системе из совокупности разведочных блоков для геологических исследований, содержит конструкцию, содержащую сдвинутые по вертикали электроды, устойчиво поддерживаемые вблизи места на дне моря, на котором размещен регистратор данных донных наблюдений. Конструкция изготовлена из изоляционного материала и в одном варианте может быть жестко прикреплена к регистратору данных донных наблюдений. Электроды соединены с усилителем, предпочтительно с высоким коэффициентом усиления, низким входным импедансом, с высокочастотным усилителем, который подключен к процессору регистрации данных, предназначенному для записи усиленных сигналов. Эта совокупность компонентов выполнена с возможностью осуществления измерений вертикальной составляющей электрического поля, создаваемого управляемым источником электромагнитного поля, или посредством нее можно использовать передаточную функцию между вертикальными электрическими полями и горизонтальными электрическими или магнитными полями для вычисления вертикального магнитотеллурического импеданса. Значения измеренных контрольных сигналов или магнитотеллурического импеданса могут быть использованы для составления заключения о геологической структуре дна моря.

Согласно одному аспекту изобретения система для картирования электрической удельной проводимости дна моря содержит совокупность блоков регистрации данных, при этом каждый блок содержит узел, выполненный с возможностью размещения на месте на дне моря, предназначенный для измерения горизонтальных электрических и магнитных полей. К узлу блока жестко прикреплена и вертикально вытянута от него вертикально ориентированная по существу жесткая штанга, имеющая совокупность сдвинутых по вертикали электродов, расположенных так, что каждый из электродов находится выше узла блока регистрации данных. Электроды находятся в электрической связи с усилителем, расположенным внутри узла, который формирует усиленный сигнал, который затем подается на процессор регистрации данных, также размещенный внутри узла. В процессоре собираются временные последовательности усиленных сигналов электрического поля и магнитного поля на протяжении предварительно заданного периода времени, например в течение от нескольких сотен секунд до нескольких дней. Обнаруживаемые электрические поля могут быть естественного происхождения или искусственно образованными при использовании управляемого источника электромагнитного поля.

В одном варианте осуществления изобретения к узлу прикреплен кабель, предпочтительно в верхней части блока, со второй совокупностью сдвинутых по вертикали электродов, прикрепленных к нему. По меньшей мере один буй прикреплен к кабелю, так что вторая совокупность сдвинутых по вертикали электродов держится в воде, в основном с сохранением вертикальной ориентации, на более высоком уровне, чем узел. Вторая группа электродов находится в электрической связи со вторым усилителем внутри узла для обеспечения сигнала процессору регистрации данных с целью сбора данных.

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ для моделирования удельной проводимости дна моря, и этот способ включает в себя следующие этапы: размещают совокупность блоков на различных местах на площади, представляющей интерес, на дне моря, в которой каждый блок содержит: узел, выполненный с возможностью измерения на дне моря горизонтальных электрических полей и магнитных полей, при этом узел включает в себя станину; вертикальную штангу, прикрепленную к и вытянутую от станины; совокупность сдвинутых по вертикали электродов, расположенных на вертикальной штанге, для образования первого вертикального диполя, при этом каждый электрод находится в электрической связи с усилителем в узле; и при этом вертикальная штанга выполнена по существу жесткой, так что электроды находятся на фиксированных местах выше дна моря; измерение горизонтальных и вертикальных электрических полей в пределах предварительно заранее выбранного спектра; сбор данных, соответствующих измеренным электрическим полям от каждого из совокупности блоков; и образование модели удельного сопротивления при использовании собранных данных.

Краткое описание чертежей

Структура и принцип действия изобретения могут быть лучше поняты при обращении к нижеследующему описанию, выполненному в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг.1 - вид в перспективе разведочного блока с датчиками горизонтальных и вертикальных электрических полей и с датчиками горизонтальных магнитных полей;

Фиг.2 - вид сбоку системы, размещенной на дне моря, сконструированной в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематичный вид разведочного блока, предназначенного для измерения вертикального электрического поля согласно альтернативному варианту осуществления изобретения; и

Фиг.4 - структурная схема примера осуществления блока регистрации согласно настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Согласно настоящему изобретению система для геологических исследований включает в себя совокупность разведочных блоков, размещенных на различных местах на дне моря в пределах площади, представляющей интерес, для картирования дна моря. Обычно разведочные блоки опускают с судна, приспособленного для эффективного перемещения блоков, например посредством крана или выдвижной руки. Данные, накапливаемые в каждом из блоков, собирают для обработки. Дальнейшее описание размещения такой системы имеется в патенте США №5770945 и в рамках настоящего описания повторяться не будет. Блок, описанный в настоящей заявке, в том числе все материалы и любые заданные размеры, соответствует испытательному блоку, сконструированному заявителем для проведения экспериментальных исследований, и является примером того, каким образом может быть сконструирован разведочный блок. Поэтому нижеследующее подробное описание примера осуществления не рассматривается как ограничивающее объем изобретения.

На фиг.1 и 2 показан пример осуществления разведочного блока 100, предназначенного для размещения на дне моря в системе и способе согласно настоящему изобретению. В примере осуществления разведочный блок 100 в общем случае может быть скомплектован в виде четырех основных составных частей. Первая составная часть, блок регистрации, включает в себя многоканальный процессор регистрации цифровых данных, постусилитель магнитного поля и усилители электрического поля, при этом все указанные блоки помещены внутрь первого водонепроницаемого прочного корпуса 112. Вторая составная часть представляет собой второй водонепроницаемый прочный корпус 114, содержащий акустическую систему 116 навигации/расцепления. Как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится изобретение, составные части блока регистрации и системы навигации/расцепления могут быть объединены в одном водонепроницаемом прочном корпусе, или для размещения электронных устройств могут быть использованы более чем две водонепроницаемые оболочки. Поэтому разделение составных частей по двум корпусам, описанное в настоящей заявке, является только примерным и не предполагается ограничивающим объем изобретения.

Третья составная часть состоит из четырех электродов 118-121 из серебра-хлорида серебра (Ag-AgCl), установленных на концах стрел 139-142 длиной 5 м, и двух электродов 164, 166 из серебра-хлорида серебра (Ag-AgCl), расположенных на различных местоположениях по длине вертикальной штанги 158. Четвертый блок включает в себя магнитные индукционные датчики 122-124. Все элементы системы установлены на или прикреплены к коррозионностойкой пластиковой, например полиэтиленовой, или алюминиевой, или выполненной из нержавеющей стали станине 138 со стеклянными сферами 126 для плавучести и с якорем 128 для размещения на дне моря. Подъемная серьга 102 прикреплена к верхней части или объединена со станиной 138 для удобства в обращении во время спуска и подъема.

Что касается фиг.3, то в примере варианта осуществления изобретения прочный корпус 112 представляет собой алюминиевую трубу с внутренним диаметром 15 см, которая для устойчивости к коррозии анодирована и окрашена, с торцевыми крышками, уплотненными с помощью уплотнительных колец. Как должно быть очевидно для специалистов в области техники, к которой относится изобретение, могут быть использованы различные размеры и материалы. Одна торцевая крышка прочного корпуса 112 включает в себя герметичные подводные соединители для подсоединения кабелей, подключаемых к дистанционным датчикам 118-121, 164, 166. Вся система способна противостоять давлению воды до глубины 6000 м (до 8000 фунтов/дюйм²). В примере осуществления изобретения к блоку прикреплены четыре 13-дюймовых, обеспечивающих плавучесть шара, например как те, которые можно получить от Billing Industries or Benthos, Inc. (North Falmouth, Mass.). В качестве альтернативы вместо стеклянных могут быть использованы синтетические пенопластовые поплавки, например как те, которые можно получить от Cuming Corporation (Avondale, Mass.), или из других композиционных вспененных материалов. Дополнительный поплавок прикреплен к верхней части станины 138 и выполнен в виде буя 127 на отдельном тросе. Внутри буя 127 могут быть размещены спасательная проблесковая лампа (не показанная) и радиопередатчик (не показанный) для облегчения обнаружения разведочного блока 100 на поверхности океана и подъема его на борт.

Прочный корпус 114 сконструирован аналогично корпусу 112 с соответствующими портами для обеспечения возможности подсоединения к кабелям, предназначенным для электрической связи с другими электрическими элементами. Также могут быть использованы прочные корпуса других видов, включая стеклянные сферы большой вместимости.

Прочный корпус 112 закреплен в станине 138 для защиты устройств от повреждения во время перемещения. Станина 138 также поддерживает поплавки 126, прочный корпус 114, содержащий акустическую систему 116 навигации/расцепления, магнитометрические катушки 122-124, стрелы 139-142 с электродами и бетонный якорь, который образует нижнюю часть узла.

Акустическая система 116 расцепления представляет собой средство для отцепления блока 100 от дна моря в конце периода регистрации. В одном варианте осуществления изобретения могут быть использованы механические расцепляющие устройства 110, 111 для отделения якоря 128 от остальной части блока, что позволяет поплавкам поднять освобожденные составные части на поверхность с целью подъема на борт. Для этой цели могут быть использованы несколько коммерчески доступных подводных акустических систем расцепления, например основанных на пережигаемой проволоке и на других принципах, включая производимые Benthos, Inc.

Датчики горизонтального электрического поля, или теллурические, представляют собой заземленные дипольные антенны. В примере осуществления изобретения стрелы 139-142 длиной 5 м выполнены из полужестких пластиковых (например, поливинилхлоридных или полипропиленовых) труб диаметром порядка 2 дюймов. Предпочтительно использовать трубы с диаметром, достаточным для обеспечения возможности размещения внутри нее электродов 118-121 так, чтобы они были защищены во время перемещения, например при спуске и подъеме блока на борт. Для подключения электродов 118-121 к усилителю через трубы проходят изолированные медные провода (не показанные). В качестве варианта осуществления изобретения стрелы 139-142 могут быть изготовлены в виде сплошных стержней, например из стекловолокна или из другого прочного материала, которые имеют диаметры порядка от 1 до 2 см или более (от 0,05 до 1,0 дюйма или более). Выбор подходящего диаметра зависит от типа используемого материала. В этом альтернативном варианте осуществления изобретения электроды 118-121 должны удерживаться на наружной стороне соответствующих стрел, а изолированные провода для подключения к усилителям проходить по наружной поверхности стержней, предпочтительно закрепленные в точках по длине стрел с использованием крепежных средств, таких, как зажимы или кабельные обвязки.

Два ортогональных 10-метровых диполя образуют, располагая стрелы крестообразно. Тот же самый эффект можно получить, используя две 10-метровые стрелы, поскольку основной принцип заключается в обеспечении суммарной длины стрел, соответствующей требуемой длине диполя. Как должно быть очевидно для специалистов в области техники, к которой относится изобретение, также можно использовать дипольные антенны иной длины. Заземления на концах диполей обеспечиваются содержащими электролит электродами 118-121 из Ag-AgCl.

Для обнаружения вертикального электрического поля к станине 138 в вертикальной ориентации относительно дна моря прикреплена опора 160 вертикальной штанги, которая в предпочтительном варианте осуществления изобретения представляет собой цилиндрическую трубу. Вертикальная штанга 162 введена в опору 160 и закреплена посредством соответствующего крепежного средства так, что она вытянута по вертикали над станиной 138 и электрическими элементами блока 100. Вертикальная штанга 162 выполнена по существу из жесткого материала в виде трубы или стержня. Для получения требуемой жесткости предпочтительно, чтобы штанга 162 была изготовлена из поликарбоната, такого, как Lexan®, или из аналогичного прочного пластика. Другие материалы, например поливинилхлорид, полипропилен и т.п., могут быть использованы при условии, что они упрочнены или наполнены материалом для обеспечения повышенной жесткости. Первый и второй, сдвинутые по вертикали электроды 164 и 166 размещены на различных местоположениях по длине вертикальной штанги 162 с образованием вертикально ориентированной дипольной антенны. Предпочтительно, чтобы электроды 164 и 166 представляли собой электроды из серебра-хлорида серебра, то есть были такими же электродами, как использованные для измерения горизонтального поля, и были подключены соответственно изолированными проводами 168 (видимыми на фиг.2) и кабелем 169 к регистратору 104 данных, заключенному внутрь корпуса 112 электроники. В предпочтительном варианте осуществления изобретения оба электрода 164, 166 размещены внутри штанги 162, при этом нижний электрод 164 расположен на отметке выше основной части блока 100 для минимизации искажающего влияния любого отклоненного горизонтального поля (полей) и для исключения искажения, обусловленного близостью металлических и пластиковых деталей в основной части разведочного блока 100. Предпочтительно, чтобы электрод 166 был расположен на или вблизи дистального конца вертикальной штанги 162.

В общем случае, чем больше расстояние, на котором электроды, измеряющие вертикальное поле, могут быть расположены от источников шума, таких, как регистраторы и станина блока, тем лучше отношение сигнала к шуму. Однако перемещение штанги в воде представляет собой еще один источник шума. Поэтому длина и жесткость вертикальной штанги 162 должны выбираться из условия максимизации расстояния электродов от блочного узла 100 без допущения возможности чрезмерного раскачивания под действием течений и другого движения в морской воде. Кроме того, длина вертикальной штанги не должна быть слишком большой с тем, чтобы не создавались трудности при размещении блока. В предпочтительном варианте осуществления изобретения вертикальная штанга 162 имеет длину порядка от 1 до 2 м.

В альтернативном варианте осуществления изобретения, схематично показанном на фиг.3, дополнительное измерение вертикального поля обеспечивается добавлением гибкого кабеля 190 вместе со второй парой сдвинутых по вертикали электродов 192, 194, к тому же прикрепленного к блоку 100. К кабелю 190 прикреплены один или несколько буев 196, чтобы кабель всплывал над блоком. Как и в случае первого вертикального диполя, нижний электрод должен быть размещен на отметке выше станины для минимизации шума от опоры узла. Изолированная проводка 198 для подключения к усилителю проходит вдоль либо снаружи, либо внутри, что предпочтительно, кабеля 190 или оплетки, или изоляционного слоя, окружающего кабель. Эта вторая пара сдвинутых по вертикали электродов 192, 194 используется в качестве второй дипольной антенны, предназначенной для измерения вертикального поля. Использование кабеля позволяет образовывать намного более длинный диполь, то есть электроды будут разнесены намного дальше по сравнению с тем, как это доступно в случае жесткой штанги. Как установлено ранее, чем длиннее антенна, тем лучше отношение сигнала к шуму, однако при перемещении электродов в воде будет вноситься дополнительный шум. Поэтому для оптимизации отношения сигнала к шуму при выборе длины второй вертикальной антенной решетки необходимо идти на компромисс. В примере осуществления изобретения кабель 190 имеет длину, достаточную для того, чтобы дипольная антенна, образованная второй группой, была порядка 10 м. Кроме того, может быть использован кабель длиной 30 м или более при условии, что отношение сигнала к шуму является достаточным для желаемого измерения.

Для получения значения вертикального магнитотеллурического импеданса на основании результатов измерения вертикального электрического поля используют передаточную функцию, которую описали Hoversten G.M., Morrison H.F. и Constable S. в статье под названием "Marine magnetotellurics for petroleum exploration, Part II: Numerical analysis of subsalt resolution", Geophysics, vol.63, №3 (1998), pp.826-840. Специалисты в области техники, к которой относится изобретение, должны осознавать, что для решения задач изобретения могут быть использованы другие передаточные функции. Обычно передаточная функция представляет собой отношение измеренного вертикального электрического поля к измеренному горизонтальному электрическому полю или к горизонтальному магнитному полю, которое имеет амплитудную и фазовую составляющие. Данные вертикального электрического поля могут быть объединены с данными горизонтального электрического и/или магнитного поля для получения единственного магнитотеллурического значения. Этого можно достигнуть путем эффективного увеличения размера магнитотеллурического тензора, обычно комплексной матрицы 2×2, связывающей горизонтальное электрическое поле с горизонтальными магнитными полями, до более крупного тензора, который включает в себя вертикальные составляющие. С другой стороны, при анализе могут учитываться отдельные составляющие тензора. Согласно примеру осуществления изобретения интерпретацию результатов осуществляют, используя прямое (одно-, дву- или трехмерное) и/или обратное (одно- или двумерное) моделирование, применяя коммерчески доступный пакет программ для интерпретации магнитотеллурических данных. Примерами таких пакетов программ являются магнитотеллурическое программное обеспечение Geotools®, которое можно получить от Geotools Corporation (Austin, Texas), и магнитотеллурическое программное обеспечение EMIX, которое можно получить от Interprex, Inc. (Golden, Colorado).

Снова обратимся к фиг.1, где датчики 122, 124 магнитного поля (магнитометры) представляют собой многовитковые катушки с сердечником из мю-металла, аналогичные тем, которые обычно используют при наземных магнитотеллурических исследованиях. В предпочтительном варианте осуществления изобретения для уменьшения массы катушки используют алюминиевый провод, однако для конструкции катушек могут быть использованы другие подходящие электропроводные провода, например медные. Поле магнитотеллурического источника измеряют в пределах широкого спектра частот, предпочтительно от 0,001 Гц до 10 Гц. Каждый из магнитных датчиков 122, 124 помещен в алюминиевый прочный корпус 150, 152, который имеет диаметр приблизительно 6 см и длину 1,3 м, при этом прочные корпуса 150, 152 установлены на станине 138 ортогонально. Используя две катушки для измерения магнитного поля, можно осуществлять регистрацию, получая выигрыш в массе, плавучести и устойчивости системы. При условии использования трех катушек, расположенных ортогонально для измерения H_x, H_y, H_z, можно регистрировать полный трехмерный магнитный вектор.

Выходной сигнал с каждого магнитометра 122, 124 подается на усилитель 106 с модуляцией и демодуляцией сигнала (показанный на фиг.4) со структурой, аналогичной структурам усилителей электрического поля, описанным в патенте США №5770945. Коэффициент усиления, обеспечиваемый усилителем 106, составляет около 10⁶.

Процессор 104 регистрации данных может быть набором отдельных компонентов, таких, как центральный процессор и запоминающее устройство вместе с соответствующими интерфейсами, или может быть коммерчески доступным регистратором данных, выполненным с возможностью использования совместно с геофизическими устройствами. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, известны критерии выбора соответствующего процессора регистрации данных. Как показано на фиг.4, процессор 104 регистрации данных, который размещен внутри прочного корпуса 112, сконфигурирован для работы по шести составляющим. Как показано, сохранение данных обеспечивается посредством накопителя 214 на жестком магнитном диске или другого запоминающего устройства большой емкости, такого, как память с произвольным доступом. Горизонтальные дипольные антенны для измерения электрических полей в океане образуются взаимодействующими электродами 118-119 и 120-121 переменного тока на входах соответственно усилителей 108 и 110 с высоким коэффициентом усиления. Сигналы, формируемые магнитометрическими катушками 112-124, подаются на усилитель 106 для усиления. Вертикальная дипольная антенна образуется взаимодействующими электродами 164 и 166 переменного тока на входах усилителя 208 такого же вида, что и усилители 108, 110. В дополнение к измерению потенциала постоянного тока, посредством этих антенн измеряются вертикальные поля, являющиеся результатом электромагнитной индукции, создаваемой магнитным полем земли. Вариации поля обусловлены поперечными скачками свойств в слоях подводной структуры.

Усилители 108, 110 и 208, которые рассчитаны для работы с очень низким уровнем шума (<0,13 нВ/Гц^1/2) и высоким коэффициентом усиления (от 10⁴ до 10⁶), формируют выходные сигналы соответственно соответствующим электрическим полям для процессора 104 регистрации данных. Дополнительные подробности относительно усилителя с высоким коэффициентом усиления приведены в патенте США №5770945 и здесь не раскрываются.

В дополнение к магнитотеллурическому измерению разведочный блок 100 может быть использован для измерения искусственно образованных сигналов, таких, как создаваемые буксируемым на глубине устройством, то есть «управляемым источником электромагнитного поля», который излучает управляемые электромагнитные сигналы. Примером подходящего излучателя электромагнитного поля является горизонтальный электрический диполь от 100 до 500 м, буксируемый вблизи дна моря (10-100 м) и инжектирующий в морскую воду от 10² до 10³ А. Такой излучатель описали Constable S. и Cox C.S. в "Marine controlled source electromagnetic sounding 2. the PEGASUS experiment", J. Geophys. Res. 101 (1996), pp.5519-5530. Излучатель буксируют на расстояниях от 10 м до 10 км от регистраторов электрического поля. Потенциал на электродах 164 и 166 измеряют в пределах частотного спектра, соответствующего излученным сигналам. Предпочтительно, чтобы этот спектр был в пределах от 0,1 до 100 Гц с некоторым количеством дискретных частот. Амплитуду и фазу излучений управляемого источника в зависимости от расстояния и частоты используют для составления заключения о геологической структуре дна моря. Измерения с управляемым источником электромагнитного поля можно проводить во временной области вместо частотной области, в результате чего дискретная частота заменяется быстрым включением или выключением излучаемого сигнала.

Магнитотеллурические измерения лучше при разрешении проводящих объектов, чем способы с управляемым источником электромагнитного поля. С другой стороны, исследования с управляемым источником электромагнитного поля лучше при разрешении резистивных объектов. Поэтому может оказаться желательным объединение двух способов для получения повышенного разрешения, особенно на площадях с поверхностными резистивными породами, такими, как базальт.

В соответствии со способом настоящего изобретения разведочные блоки 100 размещают на различных местах на дне моря в пределах площади, представляющей интерес для моделирования структуры дна моря. Обычно разведочные блоки спускают с судна, приспособленного для эффективного перемещения блоков, например с помощью крана или выдвижной руки. Примерное разнесение между разведочными блоками составляет порядка от десятков метров до нескольких километров, при этом обыкновенно размещают от 15 до 100 блоков. Спустя заданный период времени, который может быть порядка от нескольких часов до нескольких дней, устройство расцепления якоря на каждом разведочном блоке приводят в действие с помощью акустического сигнала с судна, что вызывает всплытие разведочного блока на поверхность для подъема на борт. Период времени, в течение которого собирают данные, зависит от скорости сбора данных и объема памяти для хранения данных в блоке обработки данных. Данные, накопленные в каждом из блоков, собирают и передают в систему обработки для анализа и вывода данных. В предпочтительном варианте осуществления изобретения интерпретацию данных осуществляют для создания одной или нескольких моделей удельного сопротивления или кажущегося удельного сопротивления структуры на протяжении площади, представляющей интерес.

Должно быть очевидно, что существуют дополнительные варианты осуществления изобретения, которые не показаны выше, но которые несомненно находятся в рамках объема и сущности настоящего изобретения. Поэтому приведенные выше описание и чертежи подразумеваются только иллюстративными, а объем изобретения должен ограничиваться исключительно приложенной формулой изобретения.

Claims (20)

1. Система для моделирования удельной проводимости дна моря, содержащая совокупность блоков, размещенных на различных местах на дне моря, при этом каждый блок содержит узел, включающий в себя станину для поддержания совокупности электродов, при этом узел выполнен с возможностью пребывания в покое на дне моря; первую пару электродов, установленных относительно станины с вертикальным сдвигом друг от друга, для образования диполя, в которой каждый электрод диполя находится в электрической связи с устройством вывода, обеспечивающим сигнал, который индуцируется вертикальными электрическими полями, существующими вблизи дна моря.

2. Система по п.1, в которой нижний электрод из пары электродов установлен так, что он расположен выше станины.

3. Система по п.1, в которой пара электродов расположена на по существу жесткой штанге, прикрепленной к станине.

4. Система по п.3, в которой штанга имеет длину в пределах от 1 до 2 м.

5. Система по п.1, дополнительно содержащая вторую пару электродов, установленных относительно станины с вертикальным сдвигом друг от друга, для образования второго диполя, в которой каждый электрод из второго диполя находится в электрической связи со вторым устройством вывода, обеспечивающим сигнал, который индуцируется вертикальными электрическими полями, существующими вблизи дна моря.

6. Система по п.5, дополнительно содержащая кабель, связанный со станиной, в которой второй диполь прикреплен к кабелю, а сдвиг между электродами во второй паре значительно больше, чем сдвиг между электродами в первой паре.

7. Система по п.1, в которой электроды установлены на кабеле, прикрепленном к станине, и дополнительно содержащая буй, расположенный на дистальном конце кабеля.

8. Система по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере два индукционных датчика магнитного поля, расположенных горизонтально на станине, ортогонально по отношению друг к другу.

9. Система для моделирования электрической удельной проводимости дна моря, содержащая совокупность блоков, размещенных на дне моря, при этом каждый блок содержит станину, выполненную с возможностью размещения на дне моря; пару горизонтальных диполей, вытянутых от станины в ортогональной ориентации по отношению друг к другу, для формирования пары первых сигналов электрического поля; пару электродов, вытянутых вертикально от станины и сдвинутых по вертикали по отношению друг к другу, для образования вертикального диполя для формирования второго сигнала электрического поля; по меньшей мере один первый усилитель в электрической связи с горизонтальными и вертикальным диполями для усиления каждого из первых и второго сигналов электрического поля, при этом первый усилитель имеет низкий входной импеданс и высокий коэффициент усиления; процессор регистрации данных в электрической связи с каждым по меньшей мере одним первым усилителем для приема усиленных сигналов электрического поля и сохранения данных, представляющих их; тактирующее устройство для синхронизации работы процессора регистрации данных с другими процессорами регистрации данных в других блоках в пределах системы; источник питания в электрической связи с процессором регистрации данных, тактирующим устройством и первым и вторым усилителями; по меньшей мере один корпус для помещения процессора регистрации данных, тактирующего устройства, первого усилителя и источника питания, при этом по меньшей мере один корпус адаптирован для противостояния коррозии и давлению в морской воде; средство для спуска блока на дно моря и средство для поднятия на борт блока со дна моря.

10. Система по п.9, в которой нижний электрод из пары вторых электродов расположен на отметке выше станины.

11. Система по п.9, в которой пара электродов расположена на по существу жесткой штанге, прикрепленной к станине.

12. Система по п.11, в которой по существу жесткая штанга имеет длину в пределах от 1 до 2 м.

13. Система по п.11, дополнительно содержащая кабель, прикрепленный к и вытянутый от станины; буй, расположенный на дистальном конце кабеля; и второй вертикальный диполь, содержащий вторую пару сдвинутых по вертикали электродов, расположенных на кабеле, для формирования третьего сигнала электрического поля, в которой второй вертикальный диполь значительно длиннее, чем первый вертикальный диполь, и в которой второй вертикальный диполь находится в электрической связи с по меньшей мере одним первым усилителем.

14. Система по п.9, в которой пара электродов расположена на кабеле и дополнительно содержащая буй, расположенный на дистальном конце кабеля.

15. Система по п.9, дополнительно содержащая по меньшей мере два индукционных датчика магнитного поля, расположенных горизонтально на станине, ортогонально по отношению друг к другу; второй усилитель, расположенный внутри по меньшей мере одного корпуса в электрической связи с индукционными датчиками, для усиления сигнала магнитного поля, формируемого каждым индукционным датчиком; и в которой второй усилитель подключен к источнику питания и обеспечивает усиленный сигнал магнитного поля процессору регистрации данных.

16. Способ для моделирования удельной проводимости дна моря, включающий в себя размещение совокупности блоков на различных местах на площади, представляющей интерес, на дне моря, при этом каждый блок включает в себя узел, включающий в себя станину для поддержания совокупности электродов, при этом узел выполнен с возможностью пребывания в покое на дне моря; первую пару электродов, установленных относительно станины с вертикальным сдвигом друг от друга, для образования первого вертикального диполя, в котором каждый электрод диполя находится в электрической связи с устройством вывода, обеспечивающим сигнал, который индуцируется вертикальными электрическими полями, существующими вблизи дна моря; использование блоков, осуществляющих определение горизонтального и вертикального электрических полей в пределах предварительно выбранного спектра; сбор данных, соответствующих определенным электрическим полям с каждого из большого количества блоков; и создание модели удельной проводимости при использовании собранных данных.

17. Способ по п.16, в котором каждый блок включает в себя вторую пару электродов, установленных на кабеле, прикрепленном к станине, с вертикальным сдвигом друг от друга на величину, большую, чем вертикальный сдвиг между первой парой электродов, и образующих второй вертикальный диполь.

18. Способ по п.16 или 17, дополнительно включающий в себя буксировку излучателя электромагнитного поля вблизи дна моря в пределах площади, представляющей интерес; в котором этап определения включает в себя обнаружение электрических полей, создаваемых излучателем электромагнитного поля.

19. Способ по п.16, в котором узел дополнительно выполнен с возможностью измерения магнитных полей.

20. Способ исследования удельной проводимости дна моря, включающий в себя использование на большом количестве мест совокупности разнесенных по вертикали электродов, проходящих от блока, развернутого на дне моря, для создания сигнала, индуцированного вертикально ориентированными полями на каждом месте; и получение результата измерения на каждом из мест, связанного с сигналом в упомянутом месте.

Images