Применение беспилотных авиационных систем в качестве носителя при проведении малоглубинной электроразведки

В.Д. Гулин1, О.А. Захарова1, Г.С. Григорьев2, Е.В. Сиваев3, В.Г. Анцев3, А.Е. Симаков3, А.А. Шлыков4

1ООО «Газпромнефть НТЦ», 2ПАО «Газпром нефть», 3АО «НПП «Радар ммс», 4Санкт-Петербургский гос. университет

Журнал «Нефтяное хозяйство»

Адрес для связи: gulin.vd@gazpromneft-ntc.ru

Ключевые слова: малоглубинная электроразведка, радиомагнитотеллурческие зондирования с контролируемым источником, несейсмические методы, беспилотные авиационные системы (БАС), изучение верхней части разреза, поиск строительных материалов.

V.D. Gulin1, O.A. Zakharovа1, G.S. Grigoriev2, E.V. Sivaev3, V.G. Ancev3, A.E. Simakov3, A.A. Shlykov4

1Gazpromneft NTC LLC, RF, Saint-Petersburg. 2Gazprom Neft PJSC, RF, Saint-Petersburg. 3Radar mms LLC, RF, Saint-Petersburg. 4Saint-Petersburg State University, RF, Saint-Petersburg.

E-mail: gulin.vd@gazpromneft-ntc.ru

Keywords: low-depth electrical exploration, radio-magnetotelluric sounding with a controlled source, non-seismic methods, unmanned aircraft systems, study of the upper part of the section, search for construction materials.

DOI: 10.24887/0028-2448-2021-5-67-71

Беспилотные авиационные системы (БАС) активно развиваются и широко применяются при решении задач фото- и видеомониторинга различных природных и техногенных процессов, составлении цифровых моделей местности высокой точности. В последнее время разнообразные методики беспилотной съемки успешно внедряются в геологоразведку, в том числе нефтегазовую. Работы в этом направлении ведутся как в большинстве крупных зарубежных нефтегазовых и геофизических компаний, так и в российских вертикально интегрированных компаниях (ВИНК). Одним из лидеров в данном направлении является «Газпром нефть». На настоящее время в компании проанализировано большинство сценариев геолого-разведочных работ (ГРР) с целью определения возможности оптимизации процессов с использованием БАС. Некоторые технологии, такие как магниторазведка и аэрофотосъемка, уже применяются при проведении ГРР на лицензионных участках «Газпром нефти».

Традиционно при поисках нефти и газа на стадии регионального изучения недр для задач картирования морфологии фундамента, исследования тектоники района работ применяются методы потенциальных полей, магнито- и гравиразведка. Кроме того, на разных этапах проекта используются дополнительные методы для решения сопутствующих задач, например, для изучения верхней части разреза, определения границ зон малых скоростей. Данная информация имеет важное значение при выполнении полевых сейсморазведочных работ.

Основным методом, позволяющим решить такие задачи, является электроразведка в различных вариантах, таких как дипольное индукционное профилирование (ДИП) или метод переходных процессов (МПП). Также эффективны, но довольно ограниченно используются методы радиомагнитотеллурических зондирований (РМТ), основанные на измерении полей удаленных радиостанций. Кроме решения классических задач, методы электроразведки используются в процессе инженерных изысканий при подготовке к строительству буровых площадок и инфраструктуры для последующей разработки месторождения, поиска и разведки карьеров строительных материалов.

При современном уровне развития технологий и высоких требованиях к экономической эффективности необходимо создание методик, позволяющих исследовать труднодоступные районы не только быстро и дешево, но и с высокой детальностью уже на начальных стадиях ГРР. При этом слабоизученные территории должны быть исследованы таким комплексом методов, который дал бы возможность обоснованно и всесторонне охарактеризовать геологическую обстановку и выделить перспективные участки для выполнения более детальных и дорогостоящих наземных работ. Использование БАС позволяет заменить часть наземной или классической аэрогеофизической съемки и таким образом оптимизировать комплекс исследований для решения конкретной геологической задачи и снизить затраты.

Реализация технологии малоглубинной электроразведки методом РМТ-К с использованием БАС

В «Газпром нефти» в 2020 г. активно применялись технологии проведения электроразведочных работ (ЭРР) методом электромагнитных зондирований (ЭМЗ, ЧЗ) с использованием регистрирующей аппаратуры на борту БАС. При этом генераторная составляющая комплекса находится на поверхности земли в нескольких километрах от участка съемки, следовательно, такая методика съемки является комбинированной. При проведении работ в регионах или на территориях с хорошим покрытием сигналов удаленных радиостанций СДВ, ДВ и СВ диапазонов (10–1000 кГц) можно выполнять ЭРР по хорошо известной в аэрогеофизике методике СДВР, которая не предполагает использования собственного источника поля [1]. Однако в современных условиях проведения ГРР в труднодоступных регионах подобная инфраструктура необходимых мощности и частоты не всегда существует.

В настоящее время электроразведочное оборудование, устанавливаемое на пилотируемые воздушные суда, отличается большой массой, что обусловлено использованием мощных генераторных установок и генераторных контуров значительных размеров для достижения больших глубин исследования. В связи с этим при разработке технологий проведения ЭРР с использованием БАС проблематично полностью отказаться от применения наземной генераторной группы и перенести распространенную в пилотируемой аэрогеофизике технологию зондирований методами МПП и ДИП на беспилотные носители. Тем не менее работы в данном направлении также ведутся.

В статье представлены результаты полевых испытаний технологии электромагнитных зондирований комбинированного типа с установкой регистрирующей аппаратуры на БАС. Опытно-методические работы были выполнены «Газпром нефтью» совместно с АО «НПП «Радар ММС» в 2020 г.

Технология малоглубинной электроразведки с использованием БАС основана на применении наработок по созданию аппаратурно-программного комплекса электромагнитных зондирований для регистрации сигналов удаленных радиостанций и контролируемого источника в диапазоне 1–1 000 кГц [2]. Аппаратура изначально предназначалась для проведения наземных электромагнитных зондирований в диапазоне глубин от 2–3 до 100-150 м. В наземном варианте технология позволяет проводить измерения по методике радиомагнитотеллурических зондирований и ее модификации с контролируемым источником. При этом измеряются электрические и магнитные компоненты электромагнитного поля удаленных радиостанций или контролируемого источника. В варианте с использованием БАС измерение электрических компонент поля затруднено, поэтому регистрируются только три взаимно-ортогональные магнитные компоненты электромагнитного поля. Измерение данных компонент и их отношения также позволяют получить информацию об электрических свойствах горных пород в точке измерений.

Для проведения опытно-методических ЭРР с использованием БАС был выбран хорошо изученный геофизический полигон, находящийся в районе пос. Ульяновка Ленинградской области. В течение нескольких лет на нем проводились исследования различными геофизическими методами (электротомография, РМТ и CSRMT), а также бурение инженерных скважин. Основой электроразведочной аппаратуры для проведения опытно-методических работ является комплекс РМТ-К для электромагнитных зондирований в диапазоне частот 1–1000 кГц. [2] Данная аппаратура была специально доработана для использования совместно с БАС.

Блок магнитных антенн был помещен в гондолу обтекаемой формы со стабилизаторами. В ее хвостовой части находились GPS антенна и модуль инерциальной системы INS (International Navigation System) для определения пространственных координат гондолы и трех углов ее ориентации в пространстве, что позволяет получать данные более высокого качества, уменьшать влияние шумов и др. Синхронизация внутренних часов регистратора и INS модуля осуществлялась от одного и того же сигнала PPS, идущего с GPS антенны, что гарантирует синхронность получаемых данных. Регистратор и программное обеспечение управления и связи также были адаптированы для проведения аэросъемок.

Выбранный участок характеризуется геоэлектрическим разрезом, близким к горизонтально слоистому (западная окраина Русской плиты) с известными по предшествующим работам геоэлектрическими свойствами. В основании разреза залегает мощный слой кембрийских синих глин толщиной до 100 м. Далее вверх по разрезу выделяются слой песков суммарной толщиной 15–28 м, региональный маркирующий горизонт черных диктионемовых сланцев толщиной 1,2 м, слой различных ордовикских глинистых известняков толщиной 11,6 м, слой четвертичных глинистых грунтов с включением гальки и гравия толщиной 6,9 м.

Геоэлектрический разрез в целом имеет трехслойное строение с относительно высокоомным слоем в середине (тип К). Толщина и удельное электрическое сопротивление слоев в горизонтальном направлении меняются незначительно. Верхний слой четвертичных отложений имеет толщину 7–10 м и удельное электрическое сопротивление 40–70 Ом·м. Слои известняков и песков слились в единый высокоомный слой толщиной около 20–25 м с удельным электрическим сопротивлением 100–250 Ом·м.

Измерения с использованием беспилотного воздушного судна (БВС) проводились с неподвижным источником в виде заземленного провода длиной 400 м вдоль профилей длиной 200–230 м, расположенных в экваториальной части провода на расстоянии от него 150–220 м. Полет выполнялся со скоростью примерно 35 км/ч. Фактический средний шаг точек измерения составил примерно 10 м, минимальная высота полета по съемочным профилям – 18–20 м. Измерения выполнялись в экваториальной области заземленного кабеля длиной 480 м на двух частотах генератора: 128 и 5 кГц. Съемочные профили располагались на расстоянии 200 и 270 м от генераторной линии с силой тока 2,5 А.

Первая стадия проверки гипотезы о возможности проведения малоглубинной электроразведки включала тестирование аппаратурно-программного комплекса в части электромагнитных помех, создаваемых носителем вертолетного типа. Для оценки и анализа данных положение вертолета фиксировалось на земле с включенным двигателем на максимальных оборотах. Измерения проводились в диапазоне глубин 1–10 м с шагом 1 м, с размещением датчиков магнитного поля на заданном расстоянии. Регистратор располагался на расстоянии 3 м от вертолета, равном длине соединительного провода между датчиками и регистратором. За эталонный уровень магнитного поля приняты значения, полученные при выключенном двигателе вертолета. На этом этапе достаточно проанализировать относительное изменение напряжения магнитного поля на заданных частотах. В данном случае компонента HX соответствует направлению на вертолет, HY – ортогональна этому направлению, HZ направлена вертикально. Эталонные спектры напряжения без влияния вертолета и с включенным двигателем вертолета приведены на рис. 1.

1.PNG

Основной источник помех – периодическая импульсная помеха с частотой около 97 Гц, вызывающая помехи в спектральной области на нечетных гармониках до частоты примерно 5–6 кГц с шагом 194 Гц. Указанная помеха достаточно мощная и негативно влияет до разноса 6–7 м для HX. В остальных направлениях эта помеха затухает значительно раньше: на разносе 3 м для HZ и 5 м для HY. Аналогичную тенденцию можно наблюдать для широкополосного шума на частотах до 100–200 кГц. Узкополосная помеха с основной частотой около 53420 Гц, отчетливо проявившаяся на разносе 1–2 м, затухает, начиная с разноса 3 м для всех компонент, и не создает трудностей для измерений даже при высоком ее уровне.

Начиная с разноса 4 м, гармоники помехи с частотой 97 Гц превышают уровень естественного шума без вертолета на 1,5 порядка и менее. При этом в диапазоне частот 100–10000 кГц мощность сигнала генератора при стандартных полевых условиях выше уровеня шумов на 3–4 порядка. Следовательно, оптимальное расстояние от вертолета до датчиков магнитного поля составляет 4–5 м при работе с контролируемым источником (генератором) и 3–4 м при работе в пассивном варианте измерния сигналов удаленных радиостанций в диапазоне частот 10–1000 кГц. Диапазон частот 100–1000 кГц можно считать свободным от помех, создаваемых вертолетом, начиная с разноса 2–3 м.

Далее была проанализирована разница уровней помех, создаваемых работающим двигателем вертолета на систему регистратор – датчики магнитного поля при расположении регистратора под вертолетом и в стороне от него на расстоянии 6 м. В обоих случаях датчики магнитного поля находились в одном и том же месте на расстоянии 3 м от вертолета. Спектры напряжения на магнитных датчиках для обоих случаев приведены на рис. 2. Из него видно, что положение регистратора практически не влияет на уровень помех, создаваемых работающим двигателем вертолета. Регистратор может быть жестко закреплен на корпусе вертолета и максимально близко к нему. Таким образом, была подтверждена принципиальная возможность использования наземного комплекса совместно с БАС.

3.PNG

На следующем этапе осуществлялись вылеты по заданным профилям и верификация материалов съемки по априорной информации. Применяемый в полевом тестировании регистратор МК-5-СМ имеет конструктивные особенности, не позволяющие проводить непрерывную запись данных в память. Запись выполняется фрагментами длиной 65536 отсчетов. Измерение каждого последующего сегмента начинается только после записи в память предыдущего сегмента. С учетом целевого диапазона частот и соотношения времени записи в память оптимальной является частота дискретизации 312 кГц. При этом длительность записи в память приблизительно равна времени регистрации (0,21 с). В таблице приведены данные оценки расстояния между точками зондирований вдоль профиля в зависимости от скорости движения БВС при обработке единичного фрагмента записи.

2.PNG

Высота полета БВС рассчитывается таким образом, чтобы подвесные датчики магнитного поля во время полета находились на минимальном безопасном расстоянии от объектов, расположенных на поверхности земли. Следовательно, для обеспечения максимального уровня сигнала и безопасности проведения работ необходимо выполнение воздушно-лазерного сканирования в условиях сложного рельефа или аэрофотосъемки в идеальных условиях для получения высокоточной цифровой модели местности.

При проведении опытных испытаний район работ был детально изучен предыдущими исследованиями, высота полета выбиралась по цифровой модели местности. Из-за растительности на участке работ минимальная высота полета по съемочным профилям была выбрана равной 18 м. Графики спектров мощности показывают, что в описанных условиях нечетные гармоники частоты 128 Гц уверенно измеряются до частоты около 8 кГц, гармоники частоты 5 кГц – до верхнего предела используемого частотного диапазона 100 кГц. Вертикальная компонента является самой маломощной из всех компонент магнитного поля заземленного кабеля.

По результатам измерений отношения HZ/HY на частоте излучения электроразведочного генератора и ее нечетных гармоник были построены псевдоразрезы, в целом достаточно выдержанные по латерали и частоте. При этом значения в диапазоне частот 5–9 кГц не всегда согласуются между частями псевдоразрезов, полученных при измерении разных частот генератора. Вероятно, отмеченное связано с недостаточной плавностью набора скорости БВС при переходе от одного профиля к другому, что приводит к раскачиванию подвешенных датчиков магнитного поля во время движения БВС.

Инверсия полученных данных выполнялась в одномерной модели среды с помощью программы CS1DInv [3] отдельно для данных, полученных на частоте 128 Гц и 5 кГц, так как пространственное положение этих точек не совпадало. При использовании двумерной и трехмерной инверсии это ограничение исключается. Результаты сопоставления материалов, полученных наземным комплексом и с применением БАС, приведены на рис. 3. Из него видно, что результаты инверсии по материалам съемки с использованием БАС не только соответствуют наземной съемке, но и имеют более детальное разрешение по разрезу. Однако по данным аэроизмерений отношения HZ/HY в диапазоне частот 5–95 кГц заметны артефакты, которые связаны с раскачиванием подвешенных датчиков магнитного поля во время движения БАС.

4.PNG

Кроме того, для верификации результатов съемок были сопоставлены разрезы, полученные по материалам съемки с использованием БАС и бурения скважины (рис. 4). Как видно из рис. 4, результаты съемки с БАС позволили выделить основные границы литологических типов, которые не выделялись по результатам проведенной наземной съемки. Однако разрешающая способность аэросъемки не позволила выделить слой черных сланцев толщиной около 1,2 м.

5.PNG

Таким образом, анализ применимости малоглубинной электроразведки с использованием БАС показал, что с точки зрения технологий как электроразведочного аппаратно-программного комплекса, так и беспилотных авиационных систем метод позволяет решать задачи в области изучения верхней части разреза для целей сейсморазведки и инженерные. При этом качество материалов не уступает качеству данных наземных исследований с учетом того, что проведение полевых работ с использованием БАС обеспечивает снижение расходов и ускорение полевых работ.

Дальнейшим этапом развития технологии проведения малоглубинной электроразведки с применением БАС являются в дополнение к комбинированной методике съемки установка генераторной группы на борту летательного аппарата и проведение измерений без привязки к источникам сигнала на поверхности.

Авторы выражают благодарность рабочей группе по направлению беспилотных авиационных систем АО «НПП «Радар ММС».

Список литературы

1. Гордеев С.Г., Седельников Э.С., Тархов А.Г. Электроразведка методом радиокип. – М.: Недра, 1981. – 132 с.

2. Controlled source radiomagnetotellurics: a tool for near surface investigations in remote rejoins / Saraev [et al.] // J.Appl. Geophys. – V. 146. – P. 228–237.

3. Шлыков А.А., Сараев А.К. Оценка макроанизотропии горизонтальнослоистого разреза по данным радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником // Физика Земли. – 2015. – № 4. – С. 128–147.

References

1. Gordeev S.G., Sedel'nikov E.S., Tarkhov A.G., Elektrorazvedka metodom radiokip (Electrical prospecting by radio kip method), Moscow: Nedra Publ., 1981, 132 p.

2. Saraev A., Simakov A., Shlykov A., Tezkan B., Controlled source radiomagnetotellurics: a tool for near surface investigations in remote rejoins, J.Appl. Geophys., V. 146, pp. 228–237.

3. Shlykov A.A., Saraev A.K., Estimating the macroanisotropy of a horizontally layered section from controlled-source radiomagnetotelluric soundings (In Russ.), Fizika Zemli = Izvestiya. Physics of the Solid Earth, 2015, no. 4, pp. 128–147.

Возврат к списку