Совершенствование аппаратных и алгоритмических средств магнитотеллурического зондирования

Разведка перспективных месторождений полезных ископаемых является стратегическим направлением развития сырьевой базы нашей страны. Актуальность проведения таких работ в последнее время особенно возросла ввиду истощения и выработки уже освоенных месторождений. Снижение объемов геологоразведки уже привело к тому, что существующая материально-техническая база значительно устарела. За исключением единичных примеров, практически свернута разработка современной отечественной аппаратуры, что, в свою очередь, сковывает развитие методов геологоразведки.

Для изучения структуры земной коры и поиска полезных ископаемых наряду с сейсморазведкой, гравиторазведкой, магниторазведкой используется группа методов электрического зондирования, к которым, в частности, относится метод магнитотеллурического зондирования (МТЗ).

Метод МТЗ отличается низкими затратами на проведение исследований, широким диапазоном глубин исследования, высокой степенью информативности и достоверности данных, экологичностью. Эти преимущества связаны с использованием в качестве источника возбуждения электрического тока вариации естественного геомагнитного поля, в отличии от других электроразведочных методов, которые требуют применения мощных генераторных установок, МТЗ обеспечивает глубину зондирования до 400 600 км, по этому его следует считать одним из приоритетных направлений развития геофизики и геологоразведки. Необходимость нахождения крупных месторождений углеводородов способствовала развитию МТЗ как глубинного, регионального метода. В настоящее время перспективным направлением стала разведка небольших сконцентрированных месторождений, доступных для разработки малым компаниям. За последнее десятилетие доля локальных работ методом МТЗ существенно возросла и продолжает расти. Локальная л геологоразведка на площади 10−100 км характеризуются большим объемом полевых работ — до тысячи точек регистрации, который требуется провести за короткий временной отрезок. Регистрация полевых сигналов производится в автоматическом режиме, а длительность регистрации подбирается опытным путем, что связано со случайным нестационарным характером вариаций МТ-поля и функциональными ограничениями аппаратуры. Длительное время регистрации снижает производительность метода МТЗ, влияние человеческого фактора объясняет появление ложных сигналов.

Электромагнитное поле, создаваемое естественными ионосферными процессами, по мощности и по спектральным характеристикам превосходит возможности искусственных генераторов ЭМ-поля. Однако, использование такого естественного источника сказывается на особенностях метода МТЗ:

— Электромагнитное поле имеет характер случайного процесса, хотя некоторые закономерности существуют;

— Электромагнитное поле имеет низкую интенсивность в звуковом диапазоне волн;

— В индустриальных районах промышленные помехи накладываются на естественное поле, причем уровень помех зачастую выше;

— В отличии от методов с искусственным источником возбуждения, сложно отделить естественное поле от поля помех;

— В методе МТЗ используются сверхнизкие частоты, что влечет за собой необходимость длительных измерений составляющих теллурического поля, интенсивность которых имеет суточную зависимость. В сущности, геологоразведочные работы по методу МТЗ разбиваются на два этапа: этап проведения полевых работ, во время которого производится измерение составляющих естественного электромагнитного поля Земли в разных географических точках, и этап по обработке результатов измерения с целью построения геоэлектрического разреза земной коры.

В соответствии с методом МТЗ требуется оценивать импедансные характеристики земного разреза, пользуясь для этого сигналами зарегистрированного электромагнитного поля. В основе метода лежит модель Тихонова-Каньяра, связывающая сигналы и импедансную характеристику линейной зависимостью. Восстановление такой непараметрической модели затрудняется непостоянством вариаций электромагнитного поля и наличием шумов сравнительно высокого уровня, в том числе и детерминированных. Под адекватностью идентифицируемой модели будем понимать соответствие оцениваемых импедансных характеристик естественным ограничениям, установленным, в частности, для их первых производных. Целью обработки полученных данных является получение робастных оценок импедансных характеристик, удовлетворяющих установленным требованиям адекватности.

Соотношение уровня составляющих МТ-поля и шумов в регистрируемых сигналах непостоянно, поэтому если за время регистрации сигналов не накопится достаточной информации для получения робастных решений, то оценки импедансных характеристик будут иметь значительный разброс. Отсутствие оперативной оценки достаточности информации в регистрируемых сигналах снижает практическую эффективность метода МТЗ. Количество информации в регистрируемых сигналах будем считать достаточным, если на их основе можно получить вполне адекватные оценки, а дальнейший сбор информации не приведет к их улучшению. Под качеством зарегистрированных данных будем понимать совокупность показателей, описывающих степень достаточности информации и адекватность оценки импедансных характеристик.

Таким образом, разработка методики оценки качества магнитотеллурических данных, разработка аппаратуры для организации процесса сбора данных и оценки качества в режиме реального времени будет способствовать решению актуальной задачи повышения производительности работ методом МТЗ.

Научная проблема порождена отсутствием способа оценки качества результатов магнитотеллурического зондирования, который позволит контролировать процесс регистрации сигналов и принимать решение о времени его окончания.

Объектом исследования является система сбора, передачи и первичной обработки результатов регистрации магнитотеллурических полей.

Предмет исследования — методы подготовки и настройки регистрирующей аппаратуры, способы передачи, контроля и оценки достаточности зарегистрированных данных, алгоритмы первичной обработки и общая методика проведения работ МТЗ.

Цель исследования — повышение эффективности проведения работ магнитотеллурического зондирования за счет модернизации методики, разработки новых аппаратных и алгоритмических средств и повышения уровня их автоматизации.

Задачи исследования:

— Построение критерия эффективности результатов полевых работ методом МТЗ и усовершенствование методики их проведения.

Выполнение сравнительного анализа и определение требований к характеристикам аппаратуры МТЗ для геологоразведки.

Разработка телеметрической аппаратуры для проведения работ по методу МТЗ.

Определение критерия адекватности импедансных характеристик и разработка метода отбраковки данных, не удовлетворяющих критерию.

— Разработка алгоритма получения робастных оценок для импедансных характеристик.

— Выбор показателей достаточности информации и степени качества регистрируемых данных и разработка алгоритма принятия решения об окончании регистрации сигналов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1 Метод отбраковки неудовлетворительных данных и алгоритм получения оценок импедансных характеристик, который позволяет получить показатели качества данных адекватные установленным критериям.

2 Выбор статистических показателей для количественной оценки качества и достаточности данных;

3 Алгоритм оценки качества данных в режиме реального времени, позволяющий принимать решение о достаточности времени регистрации компонент МТ-поля;

4 Телеметрическая аппаратура, позволяющая автоматизировать процесс сбора информации, контроля ее пригодности и сокращать необходимое время регистрации;

5 Модернизированная методика проведения полевых работ по методу МТЗ повышает производительность геологоразведки.

Научной новизной обладают следующие результаты:

Модернизированная методика проведения полевых работ МТЗ, позволяющая повысить производительность геологоразведки за счет применения новой автоматизированной системы.

Требования к аппаратным средствам МТЗ, обеспечивающие повышение экономического эффекта геологоразведочных работ.

Алгоритм отбраковки неудовлетворительных магнитотеллурических данных и получения робастных оценок импедансных характеристик.

Алгоритм, оценивающий качество данных регистрируемых магнитотеллурических полей в режиме реального времени, позволяющий оценить достаточность времени сбора данных.

Практическая ценность:

— Предложенная методика проведения полевых работ и сформулированные требования к характеристикам аппаратных средств МТЗ позволяют контролировать процесс регистрации магнитотеллурических полей одним автоматизированным рабочим местом, снижая объем полученных неудовлетворительных данных.

— Программное обеспечение, реализующее алгоритмы отбраковки неудовлетворительных магнитотеллурических данных и получения робастных оценок импедансных характеристик, позволяет в полевых условиях в режиме реального времени выполнять первичную обработку информации и принимать оперативные решения об изменении хода полевых работ. '.

— Разработанная телеметрическая аппаратура МТЗ, обеспечивающая удаленный контроль за группой регистрационных станций, позволяет автоматизировать процесс сбора и оценки качества информации и, тем самым, сократить необходимое время регистрации.

— Алгоритм определения достаточности информации в зарегистированных полях позволяет минимизировать время сбора данных и повысить производительность полевых работ.

Достоверность полученных результатов основана на корректном применении методов статистической обработки данных и цифровой обработки сигналов, подтверждена точностью совпадения полученных оценок с имитационной моделью и экспериментальными результатами, полученными при проведении лабораторных и натурных испытаний, в том числе с применением сертифицированной аппаратуры.

Использование результатов диссертации. Результаты работы использованы при проектировании аппаратно-программного комплекса МТ-Зонд для проведения работ методом МТЗ по заказу ООО «Свелинк».

Личный вклад автора. Лично разработаны показатели и критерии достаточности регистрируемых сигналов МТЗ, модернизирована методика проведения полевых работ, требования к аппаратуре МТЗ, аппаратная часть МТ-Зонд и программное обеспечение для аппаратной части. В соавторстве были разработаны: методика расчета импедансных характеристик, алгоритм оценки качества данных в режиме реального времени, разработка программного обеспечения комплекса МТ-Зондпроведение полевых испытанийобработка экспериментальных данных и полевого материала.

Апробация результатов диссертации. Основной материал диссертации отражен в научных докладах на Всероссийских научно-технических конференцих «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность» в ОмГТУ (2008;2009г.) и школы-семинара «Электромагнитные исследования в Восточной Сибири» СНИИГГиМС (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ: одна статья по списку журналов ВАК, 5 статей в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 93 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 137 страницах основного текста, содержит 49 рисунков, 7 таблиц, и приложения на 5 страницах.

Выводы к главе 4.

1 Результаты полевых испытаний доказали эффективность разработанного аппаратного и алгоритмического обеспечения.

2 Предложенные критерии оценки качества сигналов являются адекватными с позиции достаточности времени сбора данных для получения устойчивого решения импедансной характеристики геоэлектрического разреза.

3 Разработанная аппаратура может применятся для проведения работ в условиях интенсивных промышленных помех.

4 Использование контроля качества сигнала в режиме реального времени позволяет повысить эффективность метода МТЗ за счет сокращения времени сбора данных.

1 Усовершенствована методика проведения полевых работ методом МТЗ, отличающаяся автоматическим измерением характеристик электрических диполей, оперативным наблюдением качества регистрируемых сигналов с использованием телеметрической системы и способом принятия решения об окончании регистрации.

2 Сформулированы основные требования к характеристикам аппаратуры МТЗ, включающие: обеспечение автоматизации процесса регистрации, оперативный контроль по радиоканалу за удаленной группой регистрационных станций, оценку качества регистрируемых сигналов, автоматическое измерение характеристик диполей, автоматическое регулирование коэффициента усиления в каналах регистрации, автоматическое изменение частотного диапазона регистрации, возможность подключения внешних цифровых датчиков и устройств управления.

3 Разработана телеметрическая аппаратура МТЗ, использующая низкоскоростной радиоканал для контроля за группой регистрационных станций. Разработанная регистрирующая станция за счет модульной архитектуры обеспечивает возможность модернизации отдельных элементов аппаратуры, оперативность развертывания обеспечивает эргономика разработанных органов управления и индикации. Разработанный канал аналого-цифрового преобразования имеет широкие функциональные возможности по автоматизации процесса измерения, обеспечивает высокую долговременную и температурную стабильность. Использование автономного модуля на основе цифрового сигнального процессора в составе аппаратуры позволяет производить вычисление качества регистрируемых сигналов в режиме реального времени, что снижает требования к пропускной способности телеметрической системы.

4 Предложен критерий адекватности оценок импедансных характеристик, основанный на ограничениях модели разреза земли. Разработан метод, позволяющий отбраковывать аномальные участки сигнала, на первом этапе проверяющий взаимную когерентность, а на втором этапе — отклонения найденных решений уравнений от аппроксимированной характеристики, построенной в соответствии с критерием адекватности.

5 Разработан алгоритм робастного оценивания импедансных характеристик, использующий многоступенчатую отбраковку аномальных участков сигнала.

6 Выбраны показатели достаточности и качества информации, полученной в процессе регистрации магнитотеллурических сигналов. Разработан алгоритм, обрабатывающий в режиме реального времени получаемую информацию и предлагающий экспертные рекомендации по проведению полевых работ.

7 Модернизированные методика и алгоритмы обработки данных применены при реализации автоматизированного аппаратно-программного комплекса, который позволяет контролировать процесс регистрации магнитотеллурических полей одним квалифицированным специалистом и снизить объем неудовлетворительных данных. Автоматическое измерение характеристик подключенных электрических диполей снижает влияние человеческого фактора на качество регистрируемых сигналов.

8 Телеметрическая аппаратура МТЗ обеспечивает повышение производительности полевых работ на 20% за счет сокращения времени регистрации. Применение разработанной методики и алгоритмов приводит к существенному повышению экономического эффекта геологоразведочных работ.

9 Проведена проверка алгоритма оценки импедансных характеристик на имитационной модели и получены удовлетворительные результаты. Результаты полевых испытаний с применением сертифицированной аппаратуры показали правильность работы разработанного комплекса и пригодность показателей качества для оценивания достаточного времени регистрации сигналов. Результаты сравнительных испытаний подтвердили высокие технические характеристики аппаратуры. Автоматизированный комплекс следует применять, в том числе, для проведения работ МТЗ в условиях интенсивных промышленных помех.