CC BY
8
УДК 550.837
DOI: 10.18303/2618-981 X-2018-3-215-222
ПРОТОТИПИРОВАНИЕ НОВОЙ АППАРАТУРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ
Юрий Григорьевич Карин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)330-49-55, e-mail: KarinYG@ipgg.sbras.ru
Евгений Вячеславович Балков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-49-55, e-mail: BalkovEV@ipgg.sbras.ru
Денис Игоревич Фадеев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)330-49-55, e-mail: FadeevDI@ipgg.sbras.ru
Алексей Олегович Алымов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, студент, тел. (383)330-49-55, e-mail: AlymovAO@ipgg.sbras.ru
Григорий Леонидович Панин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-49-55, e-mail: PaninGL@ipgg.sbras.ru
Приводится обзор ранних версий элементов аппаратуры Геовизер, реализующей метод электромагнитного профилирования, а также первые результаты ее применения, как на территории электрометрического полигона «Ключи», так и в полевых условиях.
Ключевые слова: геофизические методы исследований, электроразведка, аппаратура.
PROTOTYPING OF NEW ELECTROMAGNETIC PROFILING EQUIPMENT
Yuri G. Karin
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher, phone: (383)330-49-55, e-mail: KarinYG@ipgg.sbras.ru
Evgeny V. Balkov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-49-55, e-mail: BalkovEV@ipgg.sbras.ru
Denis I. Fadeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)330-49-55, e-mail: FadeevDI@ipgg.sbras.ru
Aleksey O. Alymov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect ^ademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Student, phone: (383)330-49-55, e-mail: AlymovAO@ipgg.sbras.ru
Grigory L. Panin
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect ^ademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)330-49-55, e-mail: PaninGL@ipgg.sbras.ru
The review of earlier versions of the Geoviser equipment for realizing the method of electromagnetic profiling. In addition, we describe the first results of using the equipment at the electromagnetic test site "Klyuchi" and in the field.
Key words: geophysical research methods, electrical exploration, equipment.
Развитие современной электроразведочной аппаратуры позволяет с успехом решать все более широкий круг задач в повседневной жизни научного сотрудника, работника промышленной, добывающей сфер и простого обывателя.
Разработка множества геофизических методов и методик их применения привела к созданию различных модификаций оборудования. А в некоторых случаях для решения конкретных задач были разработаны специальные версии или же совсем новые приборы. Как бы то ни было, всегда путь до законченной разработки начинается с моделей и прототипов.
В Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (ИНГГ СО РАН) запатентован способ компенсации первичного поля генераторной катушки особым расположением приемной катушки [3]. При разработке новой аппаратуры электромагнитного профилирования первый прототип представлял из себя треугольную конструкцию, собранную из бруса сечением 100 х 100 мм. В дальнейшем, когда эксперименты показали возможность реализации аппаратурной разработки по такому принципу, совместно с организациями-резидентами Новосибирского Технопарка ООО «КБ Электрометрии» и ООО «Логикс» был разработан первый прототип. В результате получился презентабельный прибор, модель которого приведена на рис. 1.
Рис. 1. Прототип № 1 аппаратуры электромагнитного профилирования:
ЭЭ-модель
Однако в результате проведенных экспериментов были выявлены недостатки конструкции. В частности, закрытый трубчатый корпус не обеспечивал простого и быстрого доступа к электронной начинке прибора, что было крайне важно в процессе настройки и сборки. А отсутствие цельного силового каркаса делало конструкцию гибкой, вследствие чего изменялось расстояние между центрами генераторной и приемной катушки. Таким образом, компенсация прямого поля была нестабильной, что вносило значительные погрешности в измерение полезного сигнала. Примерно такой же эффект давало смещение механизма фиксации корпуса приемной катушки под действием вибраций и ударов при эксплуатации, к тому же небольшой диапазон смещения корпуса приемной катушки не позволял добиться глубокой компенсации.
Инициативу к дальнейшей разработке взяло на себя инновационное предприятие ООО «Геовизер», являющееся резидентом инкубатора Новосибирского Технопарка. Был предложен вариант экспериментального несущего каркаса, созданного с помощью раскроя и последующей сборки листового материала -стеклотекстолита. На рис. 2 приведены изображение 3D-модели и фотография этого изделия.
Рис. 2. Прототип № 2 аппаратуры электромагнитного профилирования: ЭБ-модель (слева) и изготовленный несущий каркас аппаратуры (справа)
Простота конструкции и небольшой вес позволили разместить всю электронную начинку, а также аккумулятор емкостью 7 Ач. Вся электронная начинка защищалась от внешних воздействий съемными пластиковыми чехлами и имела быстрый доступ, а регулируемая ручка, прикрепленная к центру масс, делала эксплуатацию удобной и способствовала правильной ориентации прибора в пространстве. Но главным отличием было наличие цельного продольного лонжерона, который брал на себя всю нагрузку и не давал смещаться закрепленному на винты корпусу приемной катушки относительно генераторной. К тому же, как выяснилось позже, увеличенный диапазон смещения приемной катушки позволил настраивать компенсацию прямого поля даже в том случае, когда расположенный снизу генераторной обмотки аккумулятор создавал дополнительный источник излучения электромагнитного поля. При этом в результате суперпозиции двух полей линия компенсации смещалась.
В дальнейшем, когда стало очевидно влияние низкорасположенного аккумулятора, было принято решение разместить аккумулятор в центре генераторной петли, к тому же при такой компоновке уменьшался размер генераторной части, что увеличивало эргономику прибора. В результате последующих изменений был создан третий вариант несущего каркаса аппаратуры, представленный на рис. 3.
Рис. 3. Прототип несущего каркаса № 3 (слева) и облегченный вариант прототипа несущего каркаса № 3 (справа)
Доступный и относительно дешевый стеклотекстолит имел один серьезный недостаток как материал для создания каркасов переносной аппаратуры - это вес. Третий вариант содержал в себе значительно большее число деталей, что привело к увеличению веса в 1,5 раза (по сравнению с вариантом № 2), до 6,5 кг.
Для облегчения корпуса аппаратуры и уменьшения внешних габаритов проведена оптимизация конструкции: в частности, был урезан несущий продольный лонжерон, а также сделаны вырезы в тех частях корпуса, где не предполагалось больших нагрузок, к тому же эти места закрывались пластиковыми крышками. И крышка генераторной части претерпела некоторые изменения: в частности, был сделан срез лобового сектора, для того чтобы прибор было проще упаковывать в транспортировочный ящик. Измерительная катушка теперь располагалась без смещения (по центру прибора) и закрывалась двумя пластиковыми чехлами (см. рис. 3).
В результате длительных полевых испытаний [2], при необходимости зафиксировать прибор на горизонтальной поверхности, стала очевидной необходимость создания третьей точки опоры и ручки для перемещения прибора без разборки, но на большом расстоянии над землей, чтобы не цеплять кусты и высокую траву. Эти элементы были также добавлены в модифицированный третий вариант.
Однако даже после изменения конструкции вес прибора оставался не очень привлекательным, около 6 кг с большим аккумулятором (7 Ач) и немного больше 5 кг с аккумулятором в 3 Ач. У используемых гелиевых аккумуляторов, несмотря на большой вес, были преимущества, в том числе и такие, как доступность и возможность перевозки авиатранспортом без особых проблем.
Более современные литий-полимерные аккумуляторы позволяют делать сборки практически любых размеров и напряжений, а также большой ток зарядки позволяет быстро перезаряжать их в случае необходимости. Именно поэтому в четвертом варианте несущего каркаса (рис. 4) были применены литий-полимерный аккумулятор и новая плата генератора, сочетающая в себе блок реле для резонансного контура с конденсаторами, а также транзисторы накачивающей обмотки и преобразователь питания. Благодаря более компактной начинке удалось еще уменьшить размеры генератора по вертикали, и теперь аккумулятор не выступает за пределы обмотки. Вес прибора также снизился до 4 кг, в том числе и за счет уменьшения размеров области крепления приемной катушки, но без изменения области настройки компенсации. Созданный образец аппаратуры электромагнитного профилирования получил название «Геови-зер» и сейчас проходит лабораторные испытания.
Помимо меньшего веса и меньших габаритов, в сравнении с аппаратурой электромагнитного профилирования ЭМС (АМП14), аппаратурный комплекс, реализованный в этом корпусе, позволяет производить измерения с более высокой скоростью. Это возможно благодаря меньшему количеству рабочих частот, более скоростной электронной начинке и меньшим габаритам.
Рис. 4. Четвертый вариант несущего корпуса с электронной начинкой
Все перечисленные преимущества позволяют получить большую плотность точек физических наблюдений, чем широко известная разработка ИНГГ СО РАН - аппаратура ЭМС (АМП14) [1].
Высокая плотность точек наблюдений способствует с большей точностью определять размеры искомых объектов в плане. Однако обеспечить высокую точность привязки при работе с вышеописанной аппаратурой до недавнего времени было возможно только с помощью мерных лент. На смену обыкновенным «рулеткам» пришли сначала измерения с помощью шнуров, а затем высокоточное GNSS позиционирование.
Методика измерений по шнурам представляет из себя модифицированную методику проведения исследований с помощью мерных лент. Основные отличия заключаются в большем количестве точек наблюдений по сравнению с количеством реперных меток на шнуре. Если раньше на каждое измерение прихо-
дился свой маркер, соответствующий расстоянию от начала профиля, то теперь измерения идут в непрерывном режиме с максимально возможной для аппаратуры скоростью, при этом точная координата записывается лишь для той точки наблюдения, которая совпала по расположению с маркером на мерной ленте. А все остальные измерения, попадающие между маркированными точками наблюдений, распределяются с равномерным шагом между ними. Преимущества подобной методики в более высокой скорости и большей плотности точек наблюдений.
Однако и этот способ привязки, несмотря на более высокую скорость работы, требует создания регулярной сети наблюдений и минимум двух человек для работы. Использование высокоточных систем спутникового позиционирования способно значительно ускорить проведение геофизических работ, что позволяет повысить плотность измерений и выполнять детальные исследования при минимальных затратах времени. «Система высокоточного спутникового позиционирования RTK GNSS», производимая ООО «КБ электрометрии», является доступной и простой в использовании системой относительного спутникового позиционирования в реальном времени, которая способна обеспечить сантиметровую точность определения координат (рис. 5). Система включает в себя два блока, один из которых является «базой», формирующий поправки для второго блока, носимого вместе с измерительным оборудованием.
Для подтверждения точности позиционирования с помощью этой системы была проведена съемка на площадке прямоугольной формы (рис. 5).
Рис. 5. Приемники GNSS (слева) и площадка (справа), на которой проводились
измерения точности позиционирования:
точкой указано начало движения, стрелка определяет направление движения,
пунктирной линией показан путь оператора с GNSS приемником
В результате установлено, что ошибка определения координат в среднем составляла около 5 см, не превышая при этом 20 см.
Для определения точности RTK GNSS в измерении высоты был проведен эксперимент, в котором прибор перемещается по лестнице, очерчивая форму ступенек.
Рис. 6 показывает, что ступени визуально определяются по набору полученных данных, наибольшие отклонения от формы реального объекта составляют не более 10 см.
с208,4 и
¿208,3 208,2 208,1 208
13
14
15>
сстояние
, М6
17
18
Рис. 6. График перемещения GNSS приемника по лестнице:
синим цветом обозначены данные с системы позиционирования, желтыми линиями - действительные размеры ступеней)
Применение подобной системы позиционирования позволяет создать ап-паратурно-программный комплекс с высокой точностью привязки, что значительно увеличивает скорость проводимых работ и повышает вероятность обнаружения искомых объектов.
Прототип аппаратурно-программного комплекса Геовизер был испытан на электрометрическом полигоне ИНГГ СО РАН.
Рис. 7 демонстрирует результаты площадного профилирования на частоте 28 кГц.
4 6
Расстояние, м
-Горизонтальный медный лист (1м х 0.6м). Глубина 0.8м.
-Вертикальный медный лист (1м х 0.6м). Глубина до верхней части 0.45м.
Кажущееся сопротивление, Омм
-Горизонтальный медный лист (0.5м х 0.6м). Глубина 0.2м.
Рис. 7. Карта распределения кажущегося УЭС, полученная при помощи аппаратуры Геовизер, над тремя локальными проводящими объектами
На исследованном участке на различной глубине заложены три металлические мишени с различной пространственной ориентацией. Все мишени находятся на глубине не более 1 м, поэтому обуславливают несколько экстремумов в сигнале. Горизонтально ориентированные объекты при исследовании прототипом аппаратуры проявляются в единственной (для объекта на глубине 0,8 м) либо одной преобладающей аномалии (объект на глубине 0,2 м). Вертикально ориентированный объект проявляется в виде нескольких аномалий различного «знака».
Исследовательская работа выполнена при частичной финансовой поддержке проекта РФФИ: «Комплексные исследования археологических памятников Западной Сибири геофизическими методами: новые полевые технологии и способы интерпретации данных» (номер 17-29-04314).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Манштейн А. К., Панин Г. Л., Тикунов С. Ю. Аппаратура частотного электромагнитного зондирования «ЭМС» // Геология и геофизика. - 2008. - Т. 49, № 6. - С. 571-579.
2. Новый подход к малоглубинным электромагнитным зондированиям / Е. В. Балков, Д. И. Фадеев, Ю. Г. Карин и др. // Геология и геофизика. - 2017. - Т. 58, № 5. - С. 783-791.
3. Способ и устройство для индукционного частотного зондирования: патент РФ № 2502092 / А. К. Манштейн, Е. В. Балков ; завяка от 01.08.2011 ; опубл. 20.12.2013.
REFERENCES
1. Manshtejn A. K., Panin G. L., Tikunov S. Ju. Apparatura chastotnogo jelektromagnitnogo zondirovanija "JeMS" // Geologija i geofizika. - 2008. - T. 49, № 6. - S. 571-579.
2. Novyj podhod k maloglubinnym jelektromagnitnym zondirovanijam / E. V. Balkov, D. I. Fadeev, Ju. G. Karin i dr. // Geologija i geofizika. - 2017. - T. 58, № 5. - S. 783-791.
3. Sposob i ustrojstvo dlja indukcionnogo chastotnogo zondirovanija: patent RF № 2502092 / A. K. Manshtejn, E. V. Balkov ; zavjaka ot 01.08.2011 ; opubl. 20.12.2013.
© Ю. Г. Карин, Е. В. Балков, Д. И. Фадеев, А. О. Алымов, Г. Л. Панин, 2018
