Устройство для мониторинга локальных неоднородностей геодинамических и коррозионных зон верхней части геологического разреза

Полезная модель относим к геофизике, в частности к электромагнитным низкочастотным и радиоактивным устройствам для изучения верхней части геологического разреза, контроля и прогнозирования активизации опасных геологических процессов (ОГП). Технический результат заключается в повышении точности и репрезентативности, надежности и доверительной вероятности получаемых результатов диагностики и мониторинга опасных геологических процессов, прогноза их катастрофического развития, обуславливаемых одновременным комплексным исследованием слабонесущих грунтов верхней части геологического разреза, как блоком естественного электромагнитного поля Земли (радиоволнового поля Земли - РПЗ), так и сейсмическим торон-радоновым блоком почвенных радиоволновых газов, результаты которых в режиме «on-line» обрабатываются сумматором и передаются на базовую станцию. Указанный результат достигается тем, что устройство для мониторинга локальных неоднородностей, геодинамических и коррозионных зон верхней части геологического разреза содержит блок 1 измерения сигналов ортогональных компонент Н_x, Н_y, H_z плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли и блок обработки 4, выполненный с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров-типперов Wzx(x,y)=Нг/Ну и Wzv(x,y)=HZ/Hy, определения зависимости W _zx=F(f) и W_zy=F(f), где f - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Н_x, Н_y, H_z от f0 до f и с возможностью интегрирования зависимостей W_zx и W_zy для получения их площади и соответственно вход которого подсоединен к выходу блоку 1 измерения сигналов ортогональных компонент Н_x, Н _y, H_z и передатчик 5. Кроме этого устройство содержит сейсмический радоновый блок 3 для измерения эманации радиоактивных газов, объемной активности радона-222 и количества распадов 216Р0 (ThA) в почвенном воздухе, выход которого соединен через первый преобразователь 6 сигнала со вторым входом сумматора 7, при этом выход блока обработки 4 подсоединен к первому входу сумматора 7 через второй преобразователь сигналов 8, выход которого соединен с входом передатчика 5, который служит для передачи суммарного сигнала на базовую станцию. 1 н.п. ф-лы, 2 илл.

Полезная модель относится к геофизике, в частности, к электромагнитным низкочастотным, газово-эманационным и радиоактивным устройствам для изучения верхней части геологического разреза, контроля и прогнозирования активизации опасных геологических процессов (ОГП), коррозионных зон. Оно может быть использовано для выявления и оконтуривания геодинамических, геопатогенных, коррозионных зон, а также локальных природно-техногенных неоднородностей (обводненные мульды, карстовые полости, оползни, зоны шахтных подработок, участки нестабильных грунтов, трещиноватых зон, промежутки таликов вечной мерзлоты и др.), ранжирования их по степени опасности.

Заявленная модель может быть использована для организации мониторинга в сети раннего оповещения о приближении катастрофической ситуации, для оперативного контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового основания и надежного прогнозирования периода начала активизации ОГП на проблемных участках, в зонах риска, например, на линейной части нефтегазопроводов, авто- и железных дорогах, АЭС и других ответственных объектах.

Из уровня техники известны устройства для контроля верхней части геологического разреза (ВЧР) (Патент Украины 50863 от 15.11.2002. Бюл. 11), согласно которому магнитные компоненты поля Земли регистрируют датчиками, напр., рамочными антеннами, контролируют скорость счет импульсов и их число с горизонтально и вертикально расположенных антенн из очагов разрядов в деформированном слое горных пород и по этим результатам судят о НДС. Устройство не позволяет получать надежную и достоверную информацию из-за субъективности ее оценки.

Известно также устройство для мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР (Патент РФ 2363964 от 17.07.2008 г.), содержащее три ортогонально расположенные антенны, приемное устройство, снабженное передатчиком, устройством обработки данных и специальным программным обеспечением, позволяющим повысить надежность прогноза активизации ОГП. В тоже время получаемая информация не обладает необходимой надежностью и достоверностью, поскольку используется только один электромагнитный метод оценки ОГП.

К недостаткам известных устройств дополнительно к уже сказанному относится сложность и большой объем данных параллельных измерений, необходимых для получения удовлетворительной доверительности вероятности выявления локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза (ВЧР).

Существуют также газово-эманационные устройства, напр. РРА-01М-03 НПО «РЕЛЕЗАЩИТААВТОМАТ», г.Липецк, сейсмическая радоновая станция СРС-05, МИФИ, г.Москва, определяющие концентрации радиоактивных газов радона (Rn), торона (Тn) в горном массиве, которые зависят от динамических изменений его напряженно-деформированного состояния. Указанные устройства применяют для исследования полей вариации Rn и Тn с целью выявления геодинамических, опасных трещиноватых зон, их ранжирования по виду деформации, поскольку при сжатии массива проницаемость его снижается, а при разгрузке - увеличивается. Соответственно меняется и коэффициент диффузии газов.

К недостаткам этих устройств следует отнести низкую надежность получаемой информации, поскольку используется только один метод исследований. Кроме этого, известные приборы такого типа не могут быть эффективно применены для изучения ВЧР из-за большой сложности и трудоемкости проведения поисковых диагностических полевых работ, так как требуют выбуривания по всей трассе, напр., нефтегазопровода, а не на узколокальных проблемных участках, ряда скважин определенной глубины с определенным шагом для отбора проб почвенного воздуха, по которым и определяют концентрации торона, радона (время 15-25 мин. на 1 измерение) и только после этого выделяют аномальные участки (Патент РФ 2151238 от 11.02.1999 г.).

Ближайший аналог заявленного технического решения, который решал бы комплексную задачу по мониторингу локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза не выявлен.

Задачей, на решение которых направлена полезная модель, является разработка устройства для получения доверительной вероятности выявления локальных неоднородностей, геодинамических, коррозионных зон и прогноза активизации опасных геологических процессов, их мониторинга;

Технический результат заключается в повышении точности и репрезентативности, надежности и доверительной вероятности получаемых результатов диагностики и мониторинга опасных геологических процессов, прогноза их катастрофического развития, обуславливаемых одновременным комплексным исследованием слабонесущих грунтов верхней части геологического разреза, как блоком естественного электромагнитного поля Земли (радиоволнового поля Земли - РПЗ), так и сейсмическим торон-радоновым блоком почвенных радиоволновых газов, результаты которых в режиме «on-line» обрабатываются сумматором и передаются на базовую станцию.

Это становится возможным потому, что, как установлено автором, между величинами радиоволнового поля Земли (РПЗ) и выходами эманации радиоактивных, а также метано-углекислых (СН₄ +СO₂) газов, существует однозначная прямая зависимость и полное совпадение экстремальных значений.

Для достижения технического результата устройство для мониторинга локальных неоднородностей, геодинамических и коррозионных зон верхней части геологического разреза содержит сейсмический радоновый блок для измерения эманации радиоактивных газов, объемной активности радона-222 и количества распадов 216РО (ТПА) в почвенном воздухе, блок измерения сигналов ортогональных компонент Н_x , Н_y, H_z плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли и блок обработки, выполненный с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров-типперов Wzx(x,y)=Нг/Нy и Wzv(x,y)=HZ/Hy, определения зависимости W_zx=F(f) и W_zy=F(f), где f - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Н_x, Н_y, H_z от f0 до f и с возможностью интегрирования зависимостей W_zx и W_zy для получения их площади и соответственно вход которого подсоединен к выходу блоку 1 измерения сигналов ортогональных компонент Н_x, Н _y, H_z и передатчик, при этом упомянутый сейсмический радоновый блок своим выходом соединен через первый преобразователь сигнала со вторым входом сумматора, выход блока обработки подсоединен к первому входу сумматора через второй преобразователь сигналов, выход которого соединен с входом передатчика, который служит для передачи суммарного сигнала на базовую станцию.

Далее предлагаемая полезная модель будет раскрыта более подробно со ссылкой на графические материалы, на которых:

Фиг.1 - изображена структурная блок-схема предлагаемой полезной модели.

Фиг.2 - изображены результаты комплексного выявления и мониторинга аномальных зон верхней части геологического разреза.

Описание устройства в статике.

С целью дальнейшего повышения точности и репрезентативности получаемых результатов, их надежности и доверительной вероятности, снижения трудоемкости проведения поисковых диагностических работ, выход блока 1 полезной модели (см. фиг.1) измерения ортогональных компонент Н_x, Н_y и H_z плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли (N, имп/мин), подсоединен ко входу блока обработки 4, выход которого подсоединен ко входу блока 8 второго преобразователя сигналов, выход которого подсоединен к первому входу сумматора 7, а вход блока 3 сейсмической радоновой станции соединен со входом первого преобразователя сигналов 6, выход которого подсоединен ко второму входу сумматора 7, выход которого соединен со входом передатчика 5, который служит для передачи суммарного сигнала на базовую станцию.

Кроме этого, в качестве дополнительного к устройству измерения сигналов ортогональных компонент Н_x, Н_y и H_z естественного импульсного электромагнитного (радиоволнового) поля Земли (ЕИЭМПЗ), использовалось устройство измерения эманации почвенных газов, напр., метаноуглекислых (СH ₄+СO₂).

Предлагаемое устройство может быть использовано по различным направлениям исследования земной поверхности, в частности:

- вариант I - диагностическое полевое обследование, например, линейной части нефтетрубопроводов для выявления и оконтуривания активных геодинамических зон;

- вариант II - режимные наблюдения для организации мониторинга НДС геологической среды в обнаруженной активной геодинамической зоне, сети раннего оповещения о приближении ситуации, представляющей реальную угрозу целостности нефтегазопровода.

Для реализации варианта I используют профильную съемку в полевых условиях.

При профильной съемке устройство располагают в заданной точке -1 профиля и после настройки всего приемно-передающего блока 1 (рис.1) приступают к измерениям ортогональных компонент Н_x, Н_y и H_z плотности потока ЕИЭМПЗ в диапазоне частот, напр., от 1 до 200 кГц. Сигналы измерений поступают на блок обработки 4, который представляет собой сервер, вычисляющий два основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметра-типпера и , комплексные величины - площади S₁ и S ₂, которые являются энергетическими характеристиками потока ЕИЭМПЗ в -й точке для j-го момента времени и обеспечивают полное описание геологической среды, ее слоистой структуры и аномальных зон. По поведению величин плотности потока (напр., числа импульсов N в мин), типперов W_zx, W_zy и комплексных параметров S₁ и S₂ судят о формах, свойствах, структуре, интенсивности и местонахождении локальных неоднородностей, геодинамических зон ВЧР.

После блока 4, информация поступает на первый преобразователь 8 сигналов, где преобразуется в цифровой вид, удобный для работы сумматора 7.

Обработка сигналов для нахождения указанных величин, построения и визуализации графиков, их изменений вдоль поисковых профилей и выделения аномальных зон производится компьютером, входящим в блок 4.

Завершив цикл измерений в точке -й профиля r, устройство переносят с определенным шагом в точку -2 и весь процесс измерений повторяют.

В случае обнаружения радиоволновой частью полезной модели (блоки 1, 4, 8 и 2) аномалии на профиле, только в таких местах производят ее детализацию газово-эманационной частью устройства - сейсмической радоновой станцией 3. Сигналы измерений концентраций радиоактивных газов Tn-Rn поступают на вход второго преобразователя сигналов 6, выход которого соединен со вторым входом сумматора 7, и далее сигналы поступают на передатчик 5, который служит для передачи суммарного сигнала на базовую станцию.

Полезность привлечения газово-эманационной системы заключается в весьма четкой оценке размеров аномалии, определении ее ширины и тектонической природы (связано с эманациями Rn или Тn), что основано на различии периодов полураспада Rn и Тn. Для этого, кроме измерения «мгновенной» активности (n₀), измеряют концентрации (активность) еще и через 3 мин (n₃) после забора пробы почвенного воздуха. Высокая эффективность этой детализации основана на общеизвестных данных о том, что, напр., на радоновых аномалиях эти отсчеты близки друг к другу, а на тороновых аномалиях n₃ в несколько раз меньше, чем n₀. Это позволяет существенно уточнить размеры аномальной зоны.

Сказанное поясним на примере (фиг.2). Графический материал содержит фрагмент результатов комплексной профильной съемки вдоль газопровода с.Дзуарикау - г.Цхинвал (Северный Кавказ), 2011 г. Радиоволновой частью устройства однозначно выявлена активная геодинамическая зона, шириной В=750 м (точки T₁-T₂, см фиг.2а). С помощью газово-эманационной части устройства параллельной съемкой уже только на участке от 30,6 км до 31,8 км было полностью подтверждено наличие аномалии (активный тектонический разлом), существенно уточнены и уменьшены ее размеры в плане (ширина аномалии А=400 м, фиг.2а) и размер С зоны на геологическом разрезе, фиг.2в), что является чрезвычайно важным моментом при организации сети мониторинга.

Для реализации варианта II, на участке профиля с выявленной радиоволновой частью полезной модели и подтвержденной газово-эманационной детализационной съемкой аномалии, на ней стационарно устанавливают предлагаемую модель, измеряющую в режиме on-line параметры ЕИЭМПЗ и концентрации эманации радиоактивных газов Tn-Rn.

Однотипную полезную модель размещают на участке поверхности земли, заведомо свободной от геодинамических неоднородностей для компенсации влияния модельных и инструментальных помех радиоволнового и газово-эманационного происхождения, нормирования результатов измерений.

Для повышения достоверности и надежности результатов измерения ВЧР и мониторинга, стационарные измерения обеими частями полезной модели, их интерпретацию производят одномоментно, одновременно с помощью установленного в сумматоре 7 программного обеспечения, позволяющего также управлять обеими частями полезной модели, осуществлять сбор, передачу информации по радиоканалам GSM или спутниковой связи, хранение и отображение ее на дисплее сервера в режиме реального времени.

Наиболее успешно заявленное устройство для мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР промышленно применимо для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей и для оперативного стационарного контроля НДС на участках активизации опасных геологических и техногенных процессов с целью:

- предупреждения и выявления катастрофических механических воздействий на нефтегазопроводы;

- выявления и оконтуривания участков активного коррозионного повреждения трубопроводов, поскольку геодинамические зоны являются источниками концентрации химически агрессивных флюидов (растворов, газов) и механических напряжений;

- идентификации геодинамических зон как геопатогенных, вредных для здоровья человека.

Устройство для мониторинга локальных неоднородностей геодинамических и коррозионных зон верхней части геологического разреза содержит сейсмический радоновый блок для измерения эманации радиоактивных газов, объемной активности радона-222 и количества распадов 216РО (ThA) в почвенном воздухе, блок измерения сигналов ортогональных компонент Н_x, Н_y, H_z плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли и блок обработки, выполненный с возможностью вычисления двух основных комплексных амплитудных магнитовариационных частотных параметров-типперов W_zx(x,y)=H_z/Н_x и W_zy(x,y)=H_z/H_y, определения зависимости W_zx=F(f) и W_zy=F(f), где f - диапазон принимаемых частот взаимно ортогональных компонент Н_x, Н_y, H_z от f₀ до f и с возможностью интегрирования зависимостей W_zx и W_zy для получения их площадей и соответственно, вход которого подсоединен к выходу блоку 1 измерения сигналов ортогональных компонент H_x, Н _y, H_z, и передатчик, при этом упомянутый сейсмический радоновый блок своим выходом соединен через первый преобразователь сигнала со вторым входом сумматора, выход блока обработки подсоединен к первому входу сумматора через второй преобразователь сигналов, выход которого соединен с входом передатчика, который служит для передачи суммарного сигнала на базовую станцию.