Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка геолого-геофизической задачи .44
1.1 Анализ основных положений теории электроразведки с контролируемыми источниками 46
1.1.1 Токовая петля - индуктивный источник 49
1.1.2 Гальванический неиндуктивный источник 50
1.1.3 Заземленная линия - смешанный источник 51
1.2 Графическое представление геофизических процессов ЗВТ .54
1.3 Анализ результатов математического моделирования геологических задач методом ЗВТ 59
1.4 Физическое моделирование в ЗВТ-М 66
1.5 Первый полевой эксперимент 73
1.5.1 Экспериментальный образец электроразведочной системы для ЗВТ 73
1.5.2 Полевые работы 77
1.5.3 Результаты эксперимента 80
1.6 Общие вопросы разработки электроразведочной системы
для ЗВТ (рекомендации для проектирования) 83
Глава 2. Управляемый круговой электрический диполь (УКЭД) - система автоматического измерения и регулирования тока 90
2.1 Идеальный круговой электрический диполь (КЭД) и реальная установка КЭД - УКЭД 90
2.2 Проектирование УКЭД — системы автоматического регулирования (САР) 95
2.2.1 Математическая модель нагруженного дизель-генератора 96
2.2.2 Математическая модель системы стабилизации тока 99
2.2.3 Выбор регулятора и оптимальные параметры настройки 101
Глава 3. Разработка способов и устройств для измерения мгновенного значения эдс переходного процесса для ЗСБ - МПП и ЗВТ 108
3.1 Измерение переходных процессов в реальных условиях 108
3.2 Способы подавления помех при геоэлектроразведке методом переходных процессов 113
3.2.1 Аналоговая фильтрация 113
3.2.2 Накопление-усреднение по времени и по множеству 114
3.2.3 Способы подавления импульсных помех 121
3.2.4 Способы подавления периодических промышленных помех 122
3.3 Разработка способов и устройств для измерения мгновенного
значения ЭДС переходного процесса в ЗСБ-МПП 126
3.3.1 Измерение длительности периода синусоидального сигнала 128
3.3.2 Анализ методов борьбы с широкополосными шумами 131
3.3.3 Способы и устройства для измерения мгновенного значения ЭДС на всех стадиях переходного процесса 138
3.3.4 Способ измерения ЭДС переходного процесса с повышенной точностью 150
3.4 Способы подавления помех при геоэлектроразведке методом ЗВТ 158
3.4.1 Интегрирующие АЦП 158
3.4.2 Сигма - дельта АЦП 159
3.4.3 Комбинация способов подавления помехи 50 Гц при измерении сигнала переходного процесса 161
3.4.4 Способ цифровой компенсации помехи 50 Гц на входе измерителя 162
Разработка электроразведочной системы «завет» для зондирований вертикальными токами и электроразведочной системы «цикл» для зондирований становлением в ближней зоне 170
4.1 Общие принципы построения цифровых систем 172
4.2 Структурная схема электроразведочной системы для ЗВТ 174
4.2.1 Структурная схема зондирующей установки для ЗВТ.. 175
4.2.2 Структурная схема зондирующей установки для ЗСБ.. 178
4.2.3 Структурная схема измерительного комплекса дляЗВТ-ЗСБ 181
4.3 Выбор микропроцессора (микроконтроллера) и ПЭВМ 183
4.4 Микроконтроллер РІС 16F877 с устройствами ввода/вывода в составе измерителя 186
4.5 Функциональные схемы основных устройств измерительного комплекса 189
4.5.1 Блок измерителя 189
4.5.2 Блок синхронизатора (БС) 192
4.5.3 Приемный индукционный датчик (ПДИ) 194
4.6 Управляющая программа измерителя 195
4.6.1 Алгоритм работы программы микроконтроллера 196
4.6.2 Управляющая программа компьютера 199
4.7 Микроконтроллер PIC16F877 с устройствами ввода/вывода в составе БИРТ зондирующей установки 203
4.8 Функциональная схема основных устройств зондирующей установки 204
4.8.1 Блок измерения и регулировки тока 204
4.8.2 Стабилизатор тока регулируемый 206
4.8.3 Блок обратных диодов 208
4.8.4 Коммутатор тока 209
4.9 Управляющая программа БИРТ 211
4.10 Блок управления коммутатором тока 213
4.11 Техническая характеристика системы электроразведочной «ЗаВеТ» 217
4.12 Техническая характеристика системы электроразведочной «Цикл» 220
Глава 5. Метрологическое обеспечение для МПП-ЗСБИЗВТ 222
5.1 Источники основных погрешностей в системах ЗСБ-МППиЗВТ 223
5.2 Определение метрологических характеристик зондирующей установки для ЗВТ по электрическим параметрам; методика и средства поверки 225
5.3 Определение метрологических характеристик измерителя для ЗСБ-МПП и ЗВТ по электрическим параметрам 227
5.4 Вопросы метрологической аттестации и экспертизы ИКС 228
5.4.1 Общие положения 228
5.4.2 К вопросу о метрологической экспертизе (МЭ) технического задания на разработку ИКС -нестандартизованного образцового СИ (НСИ) 230
5.4.3 Нормируемые метрологические характеристики рабочего цифрового вольтметра (электроразведочного измерителя) в системе ЗСБ-МПП и ЗВТ 231
5.4.4 Способы нормирования и формы представления нормированных метрологических характеристик рабочего цифрового вольтметра 234
5.5 Динамические характеристики средства измерений 238
5.6 Модель инструментальной погрешности измерений 241
5.7 Критерии существенности составляющих погрешности средств измерений 244
5.7.1 Критерии существенности для Ml 244
5.7.2 Критерии для дополнительных и динамической погрешностей 245
5.8 Особенности нормирования метрологических характеристик
(НМХ) рабочего цифрового вольтметра ЗСБ-МПП 247
[v 5.9 Выбор образцовых СИ и обоснование метода поверки 251
5.10 Выбор формы сигнала для источника образцового
сигнала (ИКС) и его обоснование 254
5.11 Анализ требований к точности воспроизведения образцового сигнала 255
5.12 Особенности свойств образцовой многозначной меры (ОММ) при ее работе в статическом режиме 258
5.13 Способ поверки рабочего цифрового вольтметра для ЗСБ-МПП и устройство для его осуществления 261
5.14 Основные метрологические параметры электроразведочного измерителя для ЗСБ-МПП 268
5.15 Контроль метрологической исправности электроразведочного измерителя для ЗСБ-МПП в полевых условиях 270
Глава 6. Экспериментальные и опытно -методические работы методом ЗВТ и производственные работы методом ЗСБ 274
6.1 Технология ЗВТ 275
л 6.1.1 Методика полевых измерений 275
6.2 Математическое и интерпретационное обеспечение технологии ЗВТ 280
6.3 Экспериментальные работы методом ЗВТ 281
6.4 Работы методом ЗВТ в Якутии (объекты типа «трубка» — геологическая задача 283
6.4.1 Электроразведочные работы на участке Хатат(1999г) 283
6.5 Экспериментальные и опытно-методические работы методом ЗВТ в Татарстане (объект типа «залежь») - геологическая задача 291
6.5.1 Красно-Октябрьское месторождение нефти 295
6.6 Производственные работы с электроразведочной системой «Цикл» 306
6.7 Дальнейшее направление работ и перспективы развития и применения электроразведочной системы для ЗВТ 309
6.7.1 Электроразведочная система для глубинных ЗВТ 310
6.7.2 Электроразведочная система ЗВТ в морской электроразведке 314
6.8 ЗВТ в малоглубинной геоэлектрике 320
Заключение 322
Литература
- Графическое представление геофизических процессов ЗВТ
- Проектирование УКЭД — системы автоматического регулирования (САР)
- Накопление-усреднение по времени и по множеству
- Микроконтроллер РІС 16F877 с устройствами ввода/вывода в составе измерителя
Введение к работе
Объект исследований
Объектом исследований является аппаратурное и метрологическое обеспечение площадной ЗБ-электроразведки метода зондирований вертикальными токами (ЗВТ) и метода зондирований становлением в ближней зоне (ЗСБ).
Актуальность темы
В 80-90-х годах 20-го столетия в СНИИГГиМС были успешно выполнены исследования по разработке теории и методики работы с использованием контролируемых нестационарных электромагнитных полей, особенно для методов ЗСБ-МГШ (Г.А. Исаев, Б.И. Рабинович, А.К. Захаркин, В.В. Филатов, Г.М. Тригубович, B.C. Могилатов), ВП и наземно-скважинной электроразведки (B.C. Моисеев, B.C. Могилатов). Наряду с теоретическими и методическими исследованиями осуществлены удачные аппаратурные разработки («Цикл-2»), в том числе, под руководством и при непосредственном участии автора («Цикл-4», «Цикл-Микро», «Цикл-5»). Методические и аппаратурные разработки использованы в регионах Европейской части России, Урала, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока, Казахстана, Средней Азии для поисков углеводородов, рудных и ким-берлитовых тел.
Накопленный научно- технический потенциал позволил сделать качественный шаг в развитии индукционной электроразведки и перейти к разработке метода ЗВТ и созданию аппаратурно-методического комплекса (электроразведочной системы) для его реализации.
Зондирование вертикальными токами является принципиально новым методом электроразведки. Новизна эта определяется сочетанием идеи метода (использование поперечно-магнитной составляющей электромагнитного поля) с новым техническим решением (использованием в качестве источника кругового электрического диполя (КЭД) — уникального возбудителя только ТМ-поляризованного поля) [B.C. Могилатов, 1982].
Как известно [48], электромагнитное поле при произвольном возбуждении существует в слоистой среде как суперпозиция двух компонент разного рода — поперечно-магнитной (ТМ) и поперечно-электрической (ТЕ). Свойства и поведение этих компонент совершенно различны.
Свойства ТМ-процесса в режиме установления до сих пор мало изучались и мало использовались. Между тем, свойства эти весьма интересны, тем более, что предложен реальный наземный способ возбуждения такого процесса в «чистом» виде путем применения питающей установки кругового электрического диполя [45]. К наиболее примечательным свойствам поля такого процесса следует отнести отсутствие квазистационарного магнитного поля на дневной поверхности горизонтально-слоистой среды, а также зависимость процесса в поздней стадии от вертикальной структуры геоэлектрического разреза (а не только от суммарной продольной-проводимости, что характерно для процесса, возбуждаемого индуктивно).
Таким образом, метод зондирования вертикальными токами, который опирается на новый, не использовавшийся ранее характер отражения исследуемой среды в наблюдаемом поле, является наиболее серьезным предложением в индукционной электроразведке за последние десятилетия. Вполне естественно, что радикальная идейная новизна метода привела к разрыву с наработанными аппаратурными и интерпретационными традициями. Следовательно, актуальность исследований, направленных на создание аппаратурного обеспечения для реализации метода зондирований вертикальными токами не вызывает сомнений.
Цель работы
Создание аппаратурного комплекса электроразведочной системы для реализации методов зондирований вертикальными токами и становлением поля в ближней зоне, определение его эффективности, разрешающей способности и производительности при поисках и разведке геологических объектов.
Задачи исследований
1. Разработать и создать на основе кругового электрического диполя зондирующую установку — систему автоматического регулирования и измерения токов.
2. Разработать мобильный измерительный комплекс, обеспечивающий высокоточные и помехоустойчивые измерения переходного процесса при зондированиях вертикальными токами и становлением поля в ближней зоне.
3. Разработать и создать аппаратурный комплекс (электроразведочную систему) для площадных работ ЗВТ и ЗСБ.
4. Обосновать и разработать метрологическое обеспечение для ЗСБ-МПП и для ЗВТ.
5. Определить эффективность и производительность работ методом ЗВТ и ЗСБ при поисках рудных и кимберлитовых тел и оконтуривании залежей углеводородов.
Методы исследований и фактический материал
Исследования, выполненные в работе, опираются на теорию электроразведки с контролируемыми источниками, результаты исследований и опыт российских и зарубежных ученых в области теоретических, методических и аппаратурных разработок: Безрука И.А., Великина А.Б., Глинского Б.М., Захаркина А.К., Исаева Г.А., Каменецкого Ф.М., Ключкина В.Н., Могилатова B.C., Рабиновича Б.И., Сидорова В.А., Тикшаева В.В., Тригу-бовича Г.М., Buselli G., Weit J. и мн. др. Кроме того, в решении некоторых к: вопросов автор опирался на теорию цепей и сигналов и теоретические ос новы радиотехники.
При разработке аппаратурного обеспечения зондирований вертикальными токами автор опирался на теорию ЗВТ, разрабатываемую Могилато-вым B.C.
Основой для разработки метрологического обеспечения послужили государственные стандарты и методические инструкции в области измерительной техники.
В качестве фактического материала при работе над диссертацией ис 1 пользовались результаты научно-исследовательских и опытно-конструк торских работ, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора, по разработке аппаратуры цифровой электроразведочной типа «Цикл», электроразведочной системы «ЗаВеТ» и метрологического поверочного комплекса МІЖ. Кроме того, использовались результаты математического и физического моделирования, полевых экспериментов, лабораторных и полевых измерений, полученные при проведении экспериментальных и опытно-методических электроразведочных, работ методом ЗВТ и производственных работ методом ЗСБ.
Н? Основные защищаемые научные результаты
1. Цифровая электроразведочная система «ЗаВеТ» для площадных работ, программно-аппаратно реализующая новый тип источника - круговой электрический диполь (КЭД), для практического воплощения нового электроразведочного метода зондирований вертикальными токами (ЗВТ). Система «ЗаВеТ» включает в себя зондирующую установку - систему автоматического регулирования, обеспечивающую стабилизацию в лучах КЭД импульсов тока заданной амплитуды в течение длительного времени, измерительный комплекс и высокоточную синхронизацию от глобальной fc спутниковой радионавигационной системы, связанной с государственным эталоном времени и частоты РФ или национальным стандартом времени 1ft США, которая обеспечивает выполнение электроразведочных измерений при значительном удалении измерительного комплекса от зондирующей установки и исключает их взаимовлияние друг на друга.
2. Метрологическое обеспечение электроразведочной аппаратуры методов становления поля, включающее в себя образцовую меру, которая является источником цифрового калиброванного сигнала (ИКС), выполненную на основе многозначной меры в виде ЦАП, и способ поверки для учета динамической погрешности на всех стадиях измерения переходного процесса.
,h 3. Электроразведочная система «Цикл» для зондирований становлени ем поля в ближней зоне (ЗСБ) обеспечивает эффективные поисково-оценочные исследования на углеводороды, рудные и кимберлитовые объекты.
Научная новизна работ. Личный вклад автора
1. На основе теории электроразведки с контролируемыми источниками, анализа результатов математического моделирования, физического моделирования и полевого эксперимента автором показана возможность практической реализации метода зондирований вертикальными токами, ч; 2. Реализован новый тип зондирующей установки в электроразведке (управляемый круговой электрический диполь - УКЭД) - система автоматического измерения и регулирования токов.
3. Исследована устойчивость зондирующей установки как системы автоматического регулирования (САР) и определена область возможных переходных процессов.
4. Разработаны способ и устройство измерения ЭДС переходного процесса в ЗСБ-МПП в условиях совместного воздействия основных видов помех (случайных с нормальным распределением, периодических сетевой 9?у частоты 50 Гц и импульсных с распределением Пуассона) с фазовой авто Л& подстройкой к уходу частоты и фазы помехи 50 Гц и одновременном фор мированием временной шкалы измерений.
5. Разработан способ повышенной точности измерения ЭДС переходного процесса для ЗСБ-МГШ в условиях совместного воздействия основных видов помех благодаря использованию в качестве компенсирующего сигнала аналогового эквивалента текущего среднего значения и интегрированию этого сигнала с максимально допустимым коэффициентом передачи.
6. Разработаны оригинальный способ и устройство цифровой компен- Л\ сации периодической помехи 50 Гц на входе измерителя на основе преобразования помехи в ее аналоговый эквивалент и суммирования в противо- фазе с текущим значением помехи.
7. Определена структура и обоснованы функциональные особенности электроразведочной системы для ЗВТ и ЗСБ, которая строится как совокупность двух подсистем измерительного комплекса и зондирующей установки, синхронизированных высокоточными метками времени GPS.
8. Разработана система пространственно-временной привязки на основе приемников GPS, позволяющая измерительным комплексам свободно перемещаться на исследуемой площади при закрепленном источнике.
9. Разработан и реализован аппаратурный комплекс (электроразведочная система «ЗаВеТ») для ЗВТ и электроразведочная система «Цикл» для ЗСБ.
10. Разработано, обосновано и реализовано метрологическое обеспечение для ЗСБ-МПП и ЗВТ, учитывающее динамическую погрешность измерений, обусловленную инерционностью измерительного тракта.
11. Разработан и обоснован способ работы методом ЗВТ в районах шельфа Мирового океана, закрытых полярными льдами, а также предложено и обосновано устройство для удержания геометрии КЭД на поверхности моря.
Практическая значимость работы
Разработанный аппаратурный комплекс и метрологическое обеспечение позволили практически реализовать новый метод геоэлектроразведки как эффективное средство поиска и разведки геологических объектов.
На основе выработанных требований к аппаратурному комплексу для ЗВТ была выполнена опытно-конструкторская работа и изготовлено три опытных образца электроразведочной системы «ЗаВеТ». Один образец эксплуатируется в НПУ «Казаньгеофизика» ОАО «Татнефтегеофизика». Проведены площадные исследования методом ЗВТ на Удобновской, Шу-ганской залежах, Агбязовском сейсмоподнятии, результатом которых стало оконтуривание залежей, а при площадных исследованиях на Красно-Октябрьском месторождении нефти получен обобщенный контур нефтегазоносное™.
Были проведены работы по оконтуриванию медно-никелевого орудне-ния Прутовской интрузии основного состава (Житомирская обл., Украина) совместно с Днепровской геологоразведочной экспедицией («Севукргео-логия», г. Киев). В результате были уточнены границы оруднения.
Методом ЗВТ проведены экспериментальные работы на газовом месторождении в Италии (фирма Geoinvest, Милан), в результате которых были получены новые данные о контуре месторождения.
При внедрении электроразведочной системы «ЗаВеТ» в ЯНИГП ЦНИГРИ АК «АЛРОСА» на участке Хатат были получены представляющие интерес положительные результаты. В частности, обнаружена неизвестная аномалия трубочного типа. Работы по внедрению метода ЗВТ при поисках кимберлитовых тел продолжаются.
В процессе опытно-конструкторской разработки была создана усовершенствованная система «Цикл» для метода зондирования становлением в ближней зоне, которая применяется в геофизических организациях АК «АЛРОСА», ЗАО «Норильский Никель», в Центрально-Кольской поиско во-съемочной экспедиции (г. Мончегорск), в НПУ «Казаньгеофизика», ООО «Северо-Запад» (г. Москва), в Федеральном ядерном центре (г. Сне-жинск), в ФГУП «Красноярскгеологосъемка», Санкт-Петербургском государственном университете, в ООО «Геотехнология (г. Саратов), в Восточной геологической экспедиции (г. Орск), в ООО «Северо-Востокгеология» (г. Магадан) и др. Аппаратура типа «Цикл» также применяется в республике Казахстан (Институт сейсмологии, Казахстанско-Британский технический университет, г. Алматы, Национальный ядерный центр, г. Курчатов), в республике Армения (ЗАО «Геориск», г. Ереван), в республике Пе / ру (фирма GEOEXPLOR, Лима), в Израиле (Геофизический институт,
Тель-Авив), в ЮАР (фирма Terra Sounding and Analytical. Ltd, г. Иоганегс-бург), в республике Корея (Environment & Underground Water Company Ltd), в республике Ангола (ГРО «Катока», Луанда).
На основе выработанных требований к метрологическому обеспечению разработан, и аттестован Западно-Сибирским центром стандартизации и метрологии метрологический поверочный комплекс (МПК).
Апробация работы и публикации
Основные результаты докладывались на Международных геофизиче- у ских конференциях и выставках SEG-EAGO (Москва 1993, 1997, С-Петербург, 1995), на научном симпозиуме «Новые технологии в геофизике» (Уфа, 2001), на Международной научно-технической конференции «Горно-геологическое образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства» (Томск, 2001), на научно-практической конференции «Инновационные технологии в области поисков, разведки и детального изучения месторождений нефти и газа» (Москва, 2002), на региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы геологической отрасли АК «АЛРОСА» и научно-методическое обеспечение их решений» Оъ (Мирный, 2003).
По теме диссертации опубликована 22 работы, из них - 2 авторских свидетельства СССР, 6 патентов РФ, 2 патента США.
Результаты, отраженные в диссертационной работе, получены автором в течение 15 лет работы в СНИИГГиМС.
Автор выражает благодарность академику РАН B.C. Суркову и зам. директора по научной работе СНИИГГиМС А.Г. Приходе, руководству Министерства энергетики РФ в лице В.З. Гарипова и B.C. Акимова за поддержку в инициализации исследований по созданию метода зондирований вертикальными токами ЗВТ и разработке электроразведочной системы «ЗаВеТ».
Автор выражает особую благодарность за плодотворное сотрудничество автору метода зондирований вертикальными токами д.т.н. B.C. Могила-тову, а также к.т.н. А.К. Захаркину - за постоянные консультации, которые способствовали более полному пониманию геофизических аспектов в ЗВТ, своим коллегам по разработке электроразведочной системы «ЗаВеТ» Г.В. Саченко, М.Ю. Секачеву, О.П. Вечкапову, В.В. Смирновой, Т.Г. Костиной, А.И. Цыплящук, В.В. Потапову. Автор благодарит геофизиков НПУ «Ка заньгеофизика» Н.Я. Шабалина, Р.С. Мухамадиева, Ш.С. Темирбулатова В.В. Смоленцева, С.А. Феофилова за организацию полевых работ ЗВТ по оконтуриванию на Удобновской, Шуганьской и Красно-Октябрьской залежах углеводородов, Агбязовском сейсмоподнятии и Боярском участке. Автор благодарен геофизикам ЯНИГП ЦНИГРИ: Зинчуку Н.Н., Герасим-чуку А.В., Гарату М.Н., Манакову А.В., Жандалинову P.M., Новопашину В.Н. за организацию экспериментальных полевых работ для поисков ким-берлитовых тел.
Автор особо благодарен д.т.н., чл.-корр. М.И. Эпову за внимание и поддержку при написании диссертационной работы.
Диссертационная работа выполнена в СНИИГТиМС. Исследования выполнялись в соответствии с планом НИР по теме: Г.2.1/(2) 08.02/425. Создать унифицированную (с изменяемой канальностью) электроразве дочную систему для зондирований вертикальными токами (ЗВТ), в том числе, для ЗСБ, ВП и наземно-скважинной электроразведки, а также по договору № 225 «Разработка метода зондирований вертикальными токами (ЗВТ) с целью оконтуривания залежей углеводородов» и ОКР по договору № 5274 «Разработка и изготовление опытного образца электроразведочной системы метода зондирований вертикальными токами (ЗВТ) для поиска и разведки залежей углеводородов».
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 337 страниц машинописного текста, 108 рисунков. Библиография содержит 103 наименования.
Графическое представление геофизических процессов ЗВТ
Как было показано в разделе 1.1.3, в горизонтально-слоистой среде поле осесимметрично и имеет три компоненты: ЕГ,НР и Ez. На дневной поверхности имеется только радиальная компонента электрического поля, а магнитное поле возникает только в случае нарушения осевой (относительно центрального электрода) симметрии среды. Можно представить графически, как вторичный ТМ-процесс (вертикальная компонента плотности тока) вызовет появление индуктивного отклика на дневной поверхности при наличии в среде локальной неоднородности.
На рис. 1.4 показан график изменения ЭДС индуктивного приемника по профилю при условии, что сопротивление неоднородности больше сопротивления вмещающей среды pi ре. В этом случае силовые линии электрического поля обтекают неоднородность. Искажение линий электрического поля вызывает появление на дневной поверхности вертикальной компоненты Hz магнитного поля (индуктивный отклик). Из анализа математического моделирования мы знаем, что сигнал ЗВТ имеет характерный колоколообразный вид. Построив по максимальным значениям график изменения ЭДС по профилю, видим, что максимальные значения ЭДС соответствуют краям неоднородности, где силовые линии электрического поля наиболее сгущаются и имеют наибольшее искажение. Затем значения ЭДС уменьшаются и падают до нуля в области, где силовые линии электрического поля разветвляются. Поскольку силовые линии электрического поля относительно оси симметрии направлены в разные стороны, то и по разные стороны от оси симметрии значения ЭДС на выходе индуктивного приемника принимают разнополярные значения.
Аналогичный вид имеет профильная кривая ЭДС и для случая, когда сопротивление локальной неоднородности меньше сопротивления вмещающей среды pt ре (рис. 1.5). В этом случае силовые линии электрического поля втекают в неоднородность. Искажение электрического поля вызывает появление магнитного поля (индуктивный отклик) и соответст венно ЭДС. Поскольку максимальные искажения силовых линий электрического поля проявляются на краях неоднородности, следовательно, и значения ЭДС достигают там же своей максимальной величины и разнополярности. В области, где силовые линии электрического поля не претерпевают искажений (линия симметрии), значения ЭДС имеют нулевой потенциал.
Представленные графики изменения ЭДС по профилю для случаев, когда сопротивление среды больше сопротивления неоднородности и наоборот, дают основания для графического представления результатов поиска геологических объектов методом ЗВТ. На рис. 1.6 показан КЭД в качестве зондирующей установки и объект (локальная неоднородность) в плане, при этом профили, по которым измеряется ЭДС, перпендикулярны линии нулевого потенциала. Видно, что наибольших значений ЭДС достигает на краях неоднородности, и точки перехода через 0 образуют линию нулевого потенциала, которая является также осью симметрии КЭД и объекта. Видно также, что по одну сторону от линии нулевого потенциала сигналы ЭДС положительны, а по другую сторону - отрицательны, что также согласуется с нашими предыдущими представлениями.
Наши представления хорошо согласуются с осесимметричностью поля КЭД. Из этих представлений можно сделать важный вывод о прямых поисках локальных неоднородностей (геологических объектов) и об их окон-туривании с высокой степенью точности. Конечно, наши представления идеализированы. На сигналы ЗВТ будут оказывать большое влияние помехи, приповерхностные неоднородности, неидеальная симметричность установки КЭД, остаточное поле КЭД (нескомпенсированное нормальное поле). Но можно предположить, что сигналы от поверхностных неоднородностей с сигналами от более глубоко залегающих объектов будут разнесены во времени, электромагнитные помехи можно в значительной степени ослабить, установку КЭД можно разбить на местности с точностью до 1 %. Следовательно, на основе метода ЗВТ можно создать достаточно эффективную поисковую и разведочную технологию [52].
Основы теории ЗВТ, рассмотренные выше, предполагают многие, весьма необычные свойства КЭД, в частности, полное отсутствие в воздухе и на дневной поверхности нормального (для любой горизонтально-слоистой среды) магнитного поля. Нормальное поле, определяемое горизонтально-слоистой структурой среды, проявляется на дневной поверхности наличием радиальной электрической составляющей. Понятно, что в таких условиях любое нарушение горизонтальной однородности даст магнитное поле, стопроцентно обязанное неоднородности, если не говорить пока о мешающих факторах. Приведем два примера по результатам трехмерного математического моделирования в режиме установления [52].
Моделирование проводилось группой математиков (Соловейчик Ю.Г., Рояк М.Э.) по разработанному ими алгоритму (метод конечных элементов) и программе для IBM PC 486. Поскольку трехмерное моделирование не является пока заурядным делом в электроразведке ЗС, мы должны привести основания, по которым мы доверяем этим расчетам. Эта группа провела уже значительный объем моделирования электромагнитных полей в сложных средах для различных методов электроразведки (работа проводилась под руководством B.C. Моисеева). При использовании КЭД тестировался расчет аномального горизонтального пласта по совпадению суммарного поля с полем горизонтально-слоистого разреза, а также выполнены некоторые внутренние тесты. Наконец, расчет электрического поля в нормальной среде, необходимый в алгоритме расчета аномального поля неоднородности, выполнялся по процедуре, предоставленной Могилатовым B.C., и там, собственно, учтены особенности нового источника.
Проектирование УКЭД — системы автоматического регулирования (САР)
Мы называем круговым электрическим диполем и идеальный источник при неограниченном числе линий конечной длины, и реальную установку при конечном числе линий, хотя наиболее правильным будет относить наименование «КЭД» к двухполюсной установке, равномерно заземленной по двум бесконечно близким окружностям. Однако, нужно заметить, что идеальный КЭД и реальная установка КЭД с конечным числом лучей различаются. Строго говоря, реальная установка КЭД является смешанным (ТМ+ТЕ) источником с сильно ослабленными индуктивными свойствами. Из этого следует, что вмещающая горизонтально-слоистая среда будет давать магнитный отклик, и это следует соотнести с нашим намерением фиксировать по площади магнитный отклик, интерпретируя его только нарушениями латеральной однородности. Увеличивая число лучей реальной установки КЭД можно сделать остаточное «нормальное» поле пренебрежимо малым по сравнению с полем неоднородностей в диапазоне времен их максимального проявления.
В работе [47] дана численная оценка зависимости остаточного индуктивного поля от числа лучей реального КЭД. На рис 2.1 представлены кривые становления остаточного поля для разного количества радиальных линий, составляющих КЭД. При том, что количество лучей меняется, общий ток неизменен, а сигнал регистрируется на четверти дуги между лучами в точке максимального значения.
Как видно, с увеличением числа лучей индуктивный процесс быстро гаснет. В зависимости от времени проявления искомой неоднородности остаточным полем можно пренебречь или учесть его вклад. Указанная зависимость была подтверждена при полевом эксперименте (см. раздел 1).
Мы рассмотрели индуктивное остаточное поле, возникающее за счет ограниченного числа лучей. В Татарии проводились полевые работы по оконтуриванию залежей с аппаратурой, в которой КЭД - 500 м, общий ток - 32 А, индукционный приемный датчик 50000 кв. м, расстояние от центра КЭД до точки измерения 1000 м. В полевых условиях раскладка лучей зачастую производится с ошибками. На рис. 2.2 сравниваются кривые для 8-лучевого КЭД и дефектного, у которого один из лучей короче (490 м), а другой уложен с ошибкой в 1 (это составит 8 м по дуге на радиусе 500 м). Видно, что в диапазоне 1 — 3 мс остаточный сигнал значителен, десятки микровольт. Такие большие ошибки в раскладке КЭД, разумеется, вряд ли простительны и легко избегаются при использовании теодолита и мерной ленты.
На рис. 2.3 показаны кривые становления остаточного магнитного \BZ) поля в зависимости от неравенства токов в лучах КЭД. Из графика видно, что уже при неравенстве токов в лучах 1,25 % остаточное магнитное поле на времени 1 мс равно 10 мкВ, что, в принципе, может интерпретироваться как сигнал от объекта. При этом, если остаточное поле от всей установки КЭД при известном числе лучей может быть учтено, то учесть остаточное поле от неравенства токов в лучах практически невозможно. Например, при длине луча 500 м площадь, занимаемая установкой, составляет 1 км2, при длине луча 1000 м - 4 км2, а при длине луча 1500 м - 9 км2. На таких площадях сопротивление заземления будет сильно различаться, поскольку на сопротивление заземления будут влиять влажность почвы, засоленность и температура прогрева. В течение дня эти показатели могут меняться в довольно широких пределах. Напрашивается вывод, что ток в лучах КЭД должен поддерживаться с высокой степенью точности в течение длительного времени, например, в течение рабочего дня, т.е. 8-12 часов.
Как было видно при полевом эксперименте, прямое регулирование тока в лучах не обеспечивает достаточно высокой стабильности, требует большого расхода мощности и в общем случае малоэффективно. В рекомендациях (раздел 1.6) предложено использовать в лучах КЭД стабилизаторы тока на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые достаточно широко используются в источниках низковольтного питания постоянного тока.
В зависимости от задач исследования при поисках и разведке геологических объектов ток в лучах КЭД может задаваться от 1 до 10 А. Ток в лучах должен поддерживаться в течение длительного времени и, если необходимо, его значения могут быть быстро изменены. Для управления состоянием стабилизаторов (т.е. их выходными параметрами) необходимо специальное устройство. Значения основного параметра стабилизаторов — выходного тока - постоянно должны находиться в поле зрения оператора, который включает и выключает систему стабилизаторов тока и задает значения токов. Таким образом, КЭД превращается в автоматическую систему измерения и регулирования тока - управляемый круговой электрический диполь (УКЭД). Т.е. эта система имеет все составляющие следящей системы автоматического регулирования, а именно, объект управления (регулирования) - стабилизаторы тока и устройство управления, связанные между собой обратной связью [67].
Накопление-усреднение по времени и по множеству
Аналоговая фильтрация является традиционным способом борьбы с широкополосными и высокочастотными шумами. Она заключается в уменьшении верхней граничной частоты полосы пропускания измерительного тракта до величины, необходимой для неискаженной передачи сигнала на данном времени измерения. В [35] показано, что по характеру вносимых искажений предпочтительно использовать фильтр первого порядка с ослаблением 6 дБ на октаву, полоса которого сужается по закону /„=7 (3 7) где fcp — частота среза фильтра; / — время, на котором измеряется сигнал; а — коэффициент, зависящий от степени п аппроксимации сигнала и от значения допустимой ошибки 5 [35].
Наиболее эффективно фильтрация ослабляет радиопомехи, что особенно важно при измерениях на высокоомных разрезах, где помехи радиостанций средневолнового диапазона являются наибольшими и достигают величины нескольких вольт в приемной петле с эффективной площадью 100 х 100 м [40]. На поздних временах фильтрация ослабляет и другие виды помех, в том числе, собственные шумы усилителя.
Положительным свойством аналоговой фильтрации является то, что, уменьшая величину помех на входе блоков цифровой обработки, она уменьшает влияние ограничения по динамическому диапазону на эффек тивность цифровой обработки помех. Смысл этого ограничения заключается в следующем: если помеха по амплитуде укладывается в динамический диапазон АЦП, то все замеры помехи и сигнала будут выполнены с одинаковой дискретностью (с одинаковой абсолютной ошибкой квантования), и результат цифровой обработки помехи будет соответствовать расчетному. Однако, если величина помехи превышает динамический диапазон АЦП, то она будет измерена в разных моментах: малые сигналы - в чувствительном пределе с меньшей дискретностью, большие - в грубом с большей дискретностью. Точность измерения полезного сигнала на тех участках, где из-за помехи измерение выполняется в грубом пределе, ограничивается дискретностью АЦП в этом пределе. Серьезным недостатком аналоговой фильтрации является то, что переключение фильтров во время измерения вызывает переходной процесс в самих фильтрах, уменьшить влияние которого на выходной сигнал на очередном времени измерения очень трудно [25]. Необходимо на время переключения фильтров и затухания переходного процесса от переключения запрещать процесс аналого-цифрового преобразования, что не всегда желательно.
В целом, аналоговая фильтрация является простым и эффективным способом подавления помех, но очевидно должна использоваться в комплексе с другими методами.
Накопление-усреднение по времени и по множеству
Накопление - один из самых универсальных и, в то же время, простых в реализации способов подавления помех. Наиболее эффективно он действует по отношению к случайным стационарным помехам.
Накопление основано на суммировании и усреднении последовательных реализаций сигнала вместе с наложенной на него помехой. Если мгновенные значения сигнала имеют один и тот же знак, а значения помехи статически независимы (т.е. амплитуда и фаза помехи при каждом измере ний случайны), то после п накоплений соотношение сигнал/помеха улучшается в 4п раз. Если п достаточно велико, значение помехи стремится к нулю. В противном случае степень улучшения отношения сигнал/помеха равна yJn/Q + Л), где Л- параметр, характеризующий степень корреляции между отсчетами значений помехи [81].
Техническая реализация способа не представляет особых сложностей, поскольку речь идет об операции суммирования. Однако, следует учесть, что при большом числе накоплений возрастает как продолжительность измерений, так и энергетические затраты на их осуществление. Очевидно, что существует столько же вариантов реализации накопления, сколько может быть реализовано способов многократного измерения сигнала с независимыми помехами. В частности, при измерении сигнала в МГШ реализуется два из них: усреднение по множеству и усреднение по времени.
Усреднение по времени (интегрирование) основано на допустимости усреднения сигнала и помех в пределах одной реализации на некотором интервале времени Atu. Интервал времени ±—- усреднения располагается симметрично относительно времени измерения tu (рис. 3.1) и усредненный сигнал Е{м,) соответствует значению ЭДС E(tt), измеренному в момент tt (середина интервала). Максимальная величина ограничивается допустимой величиной возникающей при этом ошибки 5и:
Микроконтроллер РІС 16F877 с устройствами ввода/вывода в составе измерителя
Основным средством построения измерителя является микроконтроллер PIC16F877 с устройством ввода/вывода.
Благодаря тому, что память программ и оперативная память данных находятся внутри микроконтроллера, и, следовательно, нет необходимо сти в организации внешней шины данных/адреса, все выводы микроконтроллера, за исключением выводов питания, сброса и т.п., могут использоваться для управления периферийными устройствами - ЦАП, AT ЦТ, интеграторами, усилителями.
Каждый порт ввода/вывода имеет управляющий регистр, биты которого позволяют настраивать канал как вход или выход.
PORTA - 6-разрядный порт ввода/вывода. Выводы 0 и 1 PORTA используются в измерителе для управления коммутатором тока. Вывод 3 PORTA управляет выбором АЦП (ADS1210). Вывод 2 настроен как вход и используется для определения времени окончания преобразования АЦП.
PORTB - 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода. Биты 0-5 PORTB используются для управления электронными ключами, задающими коэффициент передачи и усиления. Биты 6 и 7 PORTB используются для управления электронными ключами, задающими режим измерения и калибровки.
PORTC - 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода. Выводы PORTC мультиплицированы с несколькими периферийными модулями. Так выводы 3-5 используются модулем SPI (синхронного последовательного интерфейса). В SPI режиме возможен одновременный синхронный прием/передача 8-разрядных данных с использованием трех выводов микроконтроллера:
Вход последовательных данных (SD1); Выход последовательных данных (SDO). Тактовый сигнал (SCK).
К этим выводам подключены ЦАП и два АЦП - МАХ 121 и ADS1210.
Выводы 6 и 7 PORTC используются модулем последовательного ввода/вывода - модулем TJSART , который может работать в полнодуплексном асинхронном режиме для связи с терминалами и персональными компьютерами или синхронном полудуплексном режиме - для связи с микросхе мами ЦАП, АЦП, оперативной памятью и т.д. USART может работать в трех режимах: - Асинхронный, полный дуплекс; - Ведущий синхронный, полудуплекс. - Ведомый синхронный полудуплекс.
В измерителе модуль USART используется в режиме асинхронного последовательного интерфейса и предназначен для связи с компьютером.
PORTD - 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода. Выводы 4 и 5 управляют ключами интегратора. Выводы 6 и 7 управляют ключами выбора канала измерения. Выводы 0-3 используются для связи с компьютером через параллельный порт. При этом во время передачи они настраиваются на вывод, а во время приема на ввод.
PORTE имеет три вывода, используемые как сигналы квитирования при обмене данными с компьютером через PORTD.
Возможность чтения и записи памяти программ микроконтроллера используется для программирования непосредственно в приборе. Для этого первоначально при помощи программатора в память программ микроконтроллера записывается загрузчик, представляющий собой специальную программу, которая начинает выполняться после включения измерителя и может выполнять команды "Чтение ячейки памяти", "Запись ячейки памяти" или "Запуск основной программы", поступающие от компьютера. Область памяти, в которой расположен загрузчик, защищена от стирания, и ее содержимое не может быть случайно изменено. Загрузчик позволяет вносить изменения в управляющую программу микроконтроллера, которые могут потребоваться при обнаружении ошибок или при усовершенствовании управляющей программы.
EEPROM памяти данных используется для хранения калибровочных констант прибора. Эти константы заносятся при настройке и, при необходимости, могут быть изменены. С целью повышения надежность хранения констант в EEPROM хранятся две их копии. В случае искажения содержимого одного из блоков, изменяется его контрольная сумма, и, в этом случае, истинные значения восстанавливаются из второго блока.
