Электротомография

1. Электротомография

Электротомография это современная методика геофизических
исследований методом сопротивлений, нацеленная на интерпрета-цию
в рамках двумерных и трехмерных моделей. Такая интерпретация
требует высокой плотности наблюдений и специализированной
методики съемки. Для полевых наблюдений по этой методике обычно
используется современная высокопроизводительная аппаратура,
обеспечивающая необходимую скорость измерений.

2. История возникновения метода

В 1995 г. аспирант профессора Баркера из Бирмингемского универ-ситета в
Англии M.H.Loke опубликовал вместе со своим руководителем две статьи в
ведущих геофизических журналах Geophysics и Geophysical Prospecting,
посвященные вопросу 2D инверсии данных электротомографии (ЭТ).
Среди работ, повлиявших на становление ЭТ, можно назвать перенос идеи
гладкого решения с задач1D на 2D, первый алгоритм двумерной инверсии);
Griffits and Turnbill, 1985 (применение многоэлектродных систем наблюдений с
использованием многожильного кабеля двух типов, когда к каждому элек-троду
идет своя нитка кабеля, и когда небольшое число жил может управ-ляться
подключением к большому числу электродов). Edwards (1977) предло-жил в
развитие идеи (Hallof, 1957) строить разрезы кажущихся сопротивлений в
функции эффективной глубины, в том числе с учетом рельефа). Сплошные
электрические зондирования (СЭЗ) по многим признакам были близкими
аналогами ЭТ

3. СЭЗ - один из предшественников электротомографии

Пример расчленения геоэлектрического разреза Метод ВЭЗ, технология
СЭЗ, интерпретация 1D с использованием программы IPI. Глубина изучения
разреза - до 30 м, максимальные разносы AB/2=100 м. Разносы до 20 м каждые 2 м, а после 20 м каждые 10 м, установка AMN+MNB.

4. Идея электротомографии

1. Вместо отдельных ВЭЗ по профилю – система равноотстоящих
электродов для выполнения зондирований с минимумом рабочих
положений электродов. Постоянный шаг электродов, многожильный кабель
и переключение электродов по специальной программе, управляемой
компьютером. Чаще (гуще) зондирования – много выше горизонтальное
разрешение, когда автоматически – то быстрее, нет перестановки
электродов и перехода рабочих на электродах, и минимизация искажений
от попадания электродов в ППН.
При классических ВЭЗ шаг соизмерим с максимальной глубиной, в Томо - с
минимальной глубиной, например 50-100 м шаг ВЭЗ и 5 м - шаг томографии.
Терминология: Электротомография - термин принят в России (Госстрой),
понятен в Европе и Латинской Америке. В США томография обязательно
включает измерения со скважинами, иначе это Electrical Imaging.

5.

Отличие ЭТ от традиционной методики ВЭЗ и других
модификаций электроразведки
1D электроразведка
Электротомография
• логарифмический шаг по
• использование многоэлектродной
разносам;
аппаратуры;
• редкая сеть наблюдений;
• линейный шаг по разносам;
• Установка Шлюмберже или
• очень плотная сеть наблюдений;
Веннера;
• 1D интерпретация.
• установка Шлюмберже, Веннера,
потенциал установка;
• интерпретация в программах
автоматической инверсии.

6. Многоэлектродная аппаратура

Разрешающая способность (т.е. количество деталей геоэлектрического разре-за,
устойчиво проявляющихся в электрическом поле) и, соответственно, качество интерпретации данных электротомографии, тесно связано с числом и
плотностью измерений на одном профиле. Их число обычно достигает первых
тысяч, поэтому вопрос о производительности полевых измерений имеет принципиальное значение и во многом определяет возможность этого метода.
В многоэлектродной аппаратуре используется большой набор электродов
(обычно от 48 до 128 штук), соединенных с помощью электроразведочных кос. В
отличие от многоканальных систем каждый электрод может использоваться не
только как приемный, но и как питающий. Таким образом, один раз установив и
подключив электроды (одна расстановка) можно провести весь комплекс
профильных измерений.

7. Схема переключений питающих и приемных электродов

8.

Многоканальная многоэлектродная
аппаратура
В начале XXI века появилась многоканальная многоэлектродная аппаратура,
которая с одной стороны коммутирует
заданные электроды с генератором и
измерителем, с другой стороны позволя-ет
параллельно проводить измерения на
нескольких приемных линиях (каналах).
Это обеспечивает кратное увеличение
скорости измерений. Неоходимый в
методе сопротивлений низкочастотный
ток, требует существенного времени на
одно измерение (обычно около5 с). При
числе наблюдений в несколько тысяч, это
требует достаточно длительного времени,
которое удалось сократить применением
многоканальной многоэлек-тродной
аппаратуры.

9.

Примеры аппаратуры для ЭТ

10. Аппаратура Syscal-Pro, Iris, Франция - Япония

Аппаратура Syscal-Pro, Iris, Франция Япония
AGIUSA Supersting - 8 каналов
ABEM - 4 канала
Одновременные измерения по 11 каналам:
10 приемных диполей, 1 питающий
диполь
• Скорость работы 1000 измерений в час
или более (до 3-5 тысяч - спец. режим)
• Измерение сопротивления и ВП
• Измерение ВП по 20 временам
Автоматическая коммутация до 96
электродов (до 4 000 с внешними
коммутаторами Switch Pro)
• 800 V максимальное выходное
напряжение, 1.5 А - макс. ток
• Произвольные установки
• Память 21 000 измерений
Примерно 100 000 евро (стоит в России)

11. Российские многоэлектродные станции

«Иднакар», Ижевский физико-технический институт
«Омега-48», Логис, Москва
«Скала-48», Институт нефтегазовой
геологии и геофизики, Новосибирск

12. Кабель и электроды для ЭT

13. "Интеллигентные" электроды Smart electrodes AGIUSA, ЭРА

"Интеллигентные" электроды
Smart electrodes AGIUSA, ЭРА

14. Электротомография с одноканальной аппаратурой

COMx-64 дополнительный блок
для многоканальных
измерений методом
сопротивлений и ВП с
обычной аппаратурой
Разработка геологического ф-та МГУ Коммутация только приемных электродов.
Идея этого подхода в том, что
коммутируются только приемные
электроды. Выбор рабочей пары
приемных электродов обеспечивается программой, записанной в
памяти коммутатора.Питающий
электрод переносится вручную.
Для возбуждения и измерения
электрического поля используется
обычная электроразведочная
аппаратура для метода ВЭЗ

15. Параметры аппаратуры для ЭТ

Основными параметрами являются:
1. Максимальное число электродов при одной расстановке. Чем больше
это число– тем больше диапазон используемых разносов и, соответственно,
шире интервал изучения в геоэлектрическом разрезе.
2. Расстояние между электродами. Уменьшение это расстояния
позволяет повысить детальность изучения геоэлектрического разреза,
особенно в верхней его части. Но с другой стороны, это ограничивает
максимальный разнос и глубинность исследования.
3. Число измерительных каналов. От этого зависит производительность
полевых работ.
Кроме этих трех параметров необходимо учитывать и другие
параметры, характеризующие любую электроразведочную аппаратуру
(входное сопротивление, рабочие частоты или длительности импульса,
мощность генератора, его максимальное напряжение и ток и т.д.)

16. Методика работ в электротомографии

1. Профильная (2D)
2. Профильная мобильная (речные установки,
OhmMapper, Corim)
3. Площадная (3D) (AGIUSA)
4. Скважинно-поверхностная
5. Межскважинная

17.

Результаты ЭТ существенно зависят от типа используемых электроразведочных установок. Установки характеризуются различной глубинностью,
разрешающей способностью и другими особенностями
При работах на длинных профилях после проведения измерений с
одной расстановкой электродов физически перемещается только часть
электродов(технология”roll-along”). Как правило, перемещается половина
установки. Для ускорения перемещения установки используется
двухстороннее подключение кос, позволяющее оставить одну косу
неподвижной. При этом нет смысла повторять измерения, в которых
используется только первая половина электродов. Поэтому для смещенных
расстановок рекомендуется применять протоколы, в которых эти измерения
уже исключены.

18. Параметры методики ЭТ

Основными являются геометрические параметрами:
1. Число используемых электродов (зависит от используемой аппаратуры).
2. Расстояние между электродами(зависит от используемых кос).
3. Типы используемых электроразведочных установок(протоколы).
4. Диапазон используемых разносов(задается протоколом).
5. Длины приемных диполей(определяется протоколом).
6. Шаг смещения расстановки при работе с длинными профилями.
Все эти параметры описаны в файлах протоколов, которые рекомендуется
хранить вместе с результатами измерений.
Кроме геометрических параметров съемки нужно отметить и динамические.
1. Частота тока в питающем диполе.
2. Форма импульса(меандр или меандр с паузой).
3. Число накоплений
Частота тока напрямую влияет на скорость измерения. С другой стороны,
измерения с на низких частотах обычно меньше искажены различными
индукционными и промышленными помехами. Для работ методом
сопротивлений используется частота 2.4Гц, в благоприятных условиях – 1.22Гц.
Для работ методом ВП частота должна быть 0.61-1,22 Гц. Меандр с паузой
обычно используют только при измерении параметров вызванной поляризации.

19. Порядок проведения работ по методике ЭТ

Полевые измерения с многоэлектродной аппаратурой проходят в
несколько этапов.
1) Развертывание электроразведочных кос, заземление электродов и подсоединение электродов к косе. Расстояние между электродами определяется либо
непосредственно по косе, либо по мерной ленте.
2) При использовании трехэлектродной установки организуется бесконечность.
Ее положение выбирают из условий и методики проведения работ.
3) Процесс измерений начинается с поверки заземления каждого электрода. Для
этого во всех многоэлектродных станциях предусмотрен специальный режим
работы, при котором определяется сопротивление заземления электродов
попарно или относительно контрольного электрода.
4) Установка параметров генератора. Перед началом измерений необходимо
задать в приборе параметры работы, описанные выше: протокол измерений,
частота и форма импульса, амплитуда тока в питающей линии.
5) Установка параметров измерителя. Число накоплений.
6) Проведение измерений обычно проходит в автоматическом режиме и при
высокой скорости измерений его почти невозможно контролировать. Обычно
оператор следит за уровнем измеряемого сигнала, силой тока в линии АВ и за
напряжением аккумулятора.
7) Проверка качества измерений осуществляется сразу после выполнения
наблюдений путем выполнения первичной обработки данных и построением
псевдоразрезов кажущегося сопротивления

20. Регламентные операции при работе методом ЭТ

При проведении полевых измерений методом электротомографии нельзя
забывать об одной из типичных проблем при работах методом сопротивлений –
искажений, связанных с утечкой тока. Кроме обычных мест утечек– провод и
катушка бесконечности, следует обращать внимание на изоляцию аккумулятора
внешнего питания. Утечки характеризуются резкими аномалиями разных знаков
на псевдоразрезе кажущего сопротивления

21. Обработка и интерпретация данных ЭТ

Программы обработки готовят полевые данные для двумерной инверсии, задача
которой в автоматическом режиме подобрать такое распределение удельного
сопротивления (геоэлектрический разрез), чтобы рассчитанное по нему кажущееся сопротивление было максимально близко к входному наблюденному кажущемуся сопротивлению.
Модель двумерной задачи представляет из себя вертикальный разрез из прямоугольных блоков, продолжающихся вдоль оси Y до бесконечности. Чем меньше сечения блоков, тем больше их будет в разрезе, и большее число параметров придется искать при решении обратной задачи. Размеры блоков при инверсии не меняются, а подбираются только сопротивления блоков.
Наличие эквивалентных решений обратной задачи, хорошо известное по интерпретации кривых ВЭЗ, существует и для двумерных моделей. Поэтому даже хорошая точность подбора не гарантирует получение в результате инверсии точного геоэлектрического разреза. Таким образом, двумерная инверсия не отменяет необходимость дальнейшей интерпретации с учетом априорных данных.

22.

Пример решения гидрогеологических задач
(a) Псевдоразрез кажущегося сопротивления. (b) Инверсионная
модель с рельефом.

23.

Изучение мерзлоты

24.

Литологическое расчленение пород разреза.
Имеретинская низменность

25. Альтернативная ЭТ

Три возможных варианта альтернативной томографии.
Вариант 1: Электроды расставлены как в томографии, но без кос и автоматического переключения. Приходится ходить вдоль профиля с двумя проводами A
и B и переключать электроды вручную. Ясно, что медленно и утомительно. Этот
вариант можно применять при не слишком больших объемах работ.
Вариант 2. Выполняются обычные классические ВЭЗ по профилю, с логарифмическими разносами и с частым шагом по профилю. Шаг между ВЭЗ должен
быть меньше максимального разноса. Потом данные ВЭЗ пересчитываются
путем интерполяции к томографии. Этот вариант имеет очевидные недостатки,
но и некоторое количество плюсов. Так можно подготовить к 2D инверсии
данные ВЭЗ, полученные по привычной и хорошо освоенной технологии,
включая архивные материалы.
Вариант3. Использование специальной сетки разносов. Для этого на проводе
ВЭЗ размечается специальная сетка разносов, позволяющая одни и те же
данные подвергать 1D интерпретации и 2D инверсии, без пересчета.

26. Производственные характеристики полевых работ с многоэлектродной аппаратурой

27. Сравнение «классического» метода ВЭЗ и электротомографии с финансовой точки зрения

Метод ВЭЗ
Электротомография
Аппаратура и
оборудование
400 тыс. рублей
1 000 - 3 000 тыс. рублей
Число зондирований
в день
15 -30
100 - 200
Погонных
километров
2-3 км в день
(шаг по профилю 100 м)
0.5 - 1 км в день
(шаг по профилю 5 м)
Сметная стоимость 1
км
30-50 тыс. рублей
200 тыс. рублей
Число измерений на 1
км
200-300
3000 - 7000
Стоимость одного
измерения
300 рублей
40 рублей
Стоимость электротомографии выше, чем обычных ВЭЗ, но стоимость
одного ВЭЗ внутри томографии много ниже, а качество выше, чем в ВЭЗ.