Графитовый электрод для морской электроразведки с заданным для условий эксплуатации импедансом

Устройство является одним из основных элементов морской электроразведочной аппаратуры, которая предназначена для поисков залежей углеводородов, карбонатов и прочих сопутствующих химических веществ.

Предлагаемый электрод обладает необходимой для эксплуатации величиной импеданса за счет выбора мембраны с контролируемым коэффициентом газопроницаемости, и расположением мембраны внутри боковой поверхности электрода.

Преимущество данного устройства заключается в том, что включение электрода с заданной величиной импеданса в измерительную цепь позволяет оптимизировать-соотношение сигнал/шум и коэффициент шума морских измерительных комплексов.

В результате обеспечивается возможность более корректной интерпретации экспериментальных данных и, как следствие, повышается точность информации о геофизических характеристиках исследуемой среды.

Описание полезной модели.

7 G01V3/08

Графитовый электрод для морской электроразведки с заданным для условий эксплуатации импедансом.

Область техники, к которой относится полезная модель.

В настоящее время в морских акваториях для поиска полезных ископаемых, и особенно углеводородов, применяется морская электроразведка. Одним из основных элементов морской электроразведочной аппаратуры является электрод (датчик) для измерения электромагнитных полей. От особенностей электрофизических характеристик электродов зависит правильность интерпретации полученных при исследованиях данных и, как следствие, экономический эффект от освоения разведанных месторождений. Особое место среди применяемых в электроразведке электродов занимает графитовый электрод. Он химически инертен и может успешно работать в акваториях с сероводородом. Графитовый электрод предлагаемой конструкции обладает широким диапазоном значений импеданса и равномерной амплитудно-частотной характеристикой.

Уровень техники.

Известен способ изготовления инертных электродов из графитовых стержней, используемых в спектроскопии, Плэмбек Дж. Электрохимические методы анализа. М.: Мир, 1985. Однако из-за высокой пористости эти электроды дают плохо воспроизводимые результаты.

Известен способ изготовления графитовых неполяризующихся электродов для электроразведки, Вольвовский Б.С. и др. Краткий справочник по полевой геофизике. М.:Недра, 1977, заключающийся в том, что очищенные графитовые стержни покрывают

слоем деполяризатора, пропитанного электролитом. При этом используют графитовые стержни и деполяризатор, входящие как части в состав стандартных марганцево-цинковых элементов. Однако возможность протекания химических реакций между ингредиентами, приводят к уходу потенциалов электродов во времени.

Известен «Способ изготовления неполяризующихся графитовых электродов для электроразведки», патент SU1067456, 1981, Богородский М.М. и др., заключающийся в том, что очищенные графитовые стержни покрывают слоем деполяризатора, который предварительно многократно промывают дистиллированной водой, а затем электролитом. Полученные электроды отбирают попарно и тренируют знакопеременными импульсами, погрузив в естественный электролит среды. Однако заявленные авторами условия о том, что возможные электрохимические взаимодействия между компонентами электролита среды и составными частями электрода завершаются на стадии изготовления не представляются полностью достоверными, т.е. уход химических потенциалов электродов во времени составляет от единиц до десятков милливольт.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является применяемый для морской электроразведки «Неполяризующийся электрод» патент RU90224, 2009, Кяспер В.Э. и др. Однако предложенная конструкция и применяемые материалы не определяют возможность направленного регулирования импеданса электродов при их технологическом изготовлении.

Раскрытие полезной модели.

Одной из основных проблем измерительной аппаратуры для морской электроразведки является согласование импеданса источника сигналов ( R_Г) , т.е. в данном случае измерительных электродов, и входного импеданса предварительного усилителя сигналов. При этом необходимо получить оптимальное соотношение сигнал/шум на выходе измерительного устройства, которое можно вычислить по формуле:

а также коэффициент шума, который можно вычислить по формуле:

где k - постоянная Больцмана (1,38×10 ^-23 Дж/K);

Т - абсолютная температура, К;

В - полоса пропускания шумов, Гц;

R_г - сопротивление электродов. Ом;

U_г - рабочее напряжение на электродах. В;

U_ш - эквивалентное напряжение шума на входе усилителя, при R_г=0;

I_ш - эквивалентный ток шума на входе усилителя, при R_г - отличном от нуля.

Поскольку максимум отношения сигнал/шум наблюдается при R_г=0, а минимальное значение коэффициента шума при R_г=U_ш/I_ш, необходимо определить оптимальный импеданс электродов, при котором достигаются наименьшие шумовые характеристики.

Требование нулевого импеданса электродов не подходит для практики, поскольку все реальные источники сигналов обладают конечным выходным сопротивлением.

Обычно для получения оптимальной характеристики по шумам изменяют R_г величины, близкой к R_г =U_ш/I_ш.

R_г определяется как эквивалентный импеданс электрического контура, который состоит из импеданса электродов и входного импеданса согласующего трансформатора. Применение согласующего трансформатора одновременно увеличивает напряжение сигнала за счет коэффициента трансформации, хотя во столько же раз усиливается и тепловой шум от сопротивления источника. Тем не менее, применение трансформатора по сравнению с другими способами согласования импеданса в наибольшей степени увеличивает отношение сигнал/шум.

Согласующий трансформатор является частью электронной схемы входного усилителя сигналов и имеет постоянное входное сопротивление. Сам усилитель находится внутри погружаемого в воду герметичного корпуса измерительной станции. Очевидно, что менять в условиях полевых работ для согласования электрических цепей входной усилитель технически сложно, а порой просто невозможно.

В свою очередь электрод является отдельным конструктивно законченным изделием, который включается в общую измерительную систему посредством разъема. Следовательно, для изменения R_Г гораздо эффективнее менять электрод с необходимым значением импеданса. С этой целью при проведении морских исследовательских работ необходимо иметь набор электродов с разным импедансом и включать их в измерительную схему в зависимости от условий проведения работ и применяемого в конкретном случае измерительного усилителя. Основными факторами для выбора импеданса электрода являются удельная электропроводность водной среды и расстояние между измерительными электродами.

Описание устройства.

Конструкция предлагаемого электрода представлена на фиг. 1.

Графитовый стержень (1) через резиновые втулки (2) вставлен во фланец (3) с одной стороны и крышку (4) с другой стороны. На графитовый стержень надета контактная площадка (5), которая посредством провода (6) соединена с выходным разъемом (7). Изоляция контактной площадки от внешней среды осуществляется втулкой (8) и цилиндром (9). Запрессовка графитового стержня (1) в трубу (11), которая конструктивно соединена с цилидром (9) и фланцем (3), осуществляется полиуретаном (10). Внутрь трубы (11) вставлена проницаемая мембрана (12). В пространство между графитовым стержнем (1) и проницаемой мембраной (12) помещается угольный порошок (13), который покрывает боковую поверхность графитового стержня.

Полимерная мембрана (12) имеет коэффициент газопроницаемости от 0,12*10^-3 до 0,16*10^-4 м². Труба (11) имеет перфорацию, которая занимает % : от 30 до 80 боковой поверхности, и открывает доступ к мембране (12).

Электромагнитные поля в водной среде измеряются посредством двух электродов, погруженных в воду и имеющих между собой электрохимическую связь через боковую мембрану.

Осуществление полезной модели.

Целью данного изобретения является оптимизация величины отношения сигнал/шум и коэффициента шума морских измерительных комплексов, за счет создания конструкции электрода с заданным импедансом и включения этого электрода в измерительную цепь.

Технический результат достигается тем, что в качестве проницаемой мембраны используется полимерная ткань с различными коэффициентами газопроницаемости, что в свою очередь позволяет изменять импеданс электрода.

Коэффициент газопроницаемости µ (м²) мембраны (12) для ламинарного течения определяют на основе формулы Дарси:

,

где - динамическая вязкость воздуха, Па×с;

h - толщина образца, м;

А - площадь поперечного сечения образца, м²;

- перепад давления между входом в образец и выходом, Па;

q_V - скорость потока воздуха (расход воздуха), проходящего через образец, м³/с.

Для ряда образцов полимерной ткани, из которых изготавливаются мембраны (12), были определены коэффициенты газопроницаемости. Было установлено, что применение ткани с коэффициентом газопроницаемости от 0,12×10 ^-3 до 0,16×10^-4 м², позволяет соответственно изменять импеданс электродов от 2 Ом до 10 кОм.

Таким образом, использование электрода с заданным для эксплуатации импедансом позволяет оптимизировать величины отношения сигнал шум и коэффициента шума морских измерительных комплексов и, следовательно, повысить точность полученных данных при проведении морских геофизических работ.

1. Графитовый электрод для морской электроразведки с заданным для эксплуатации импедансом, состоящий из графитового стержня, покрытого графитовым порошком, запрессованного в трубу, и отделенного от внешней среды полимерной проницаемой мембраной, отличающийся тем, что мембрана имеет коэффициент газопроницаемости от 0,12×10 ^-3 до 0,16×10^-4 м².

2. Графитовый электрод для морской электроразведки с заданным для эксплуатации импедансом по п.1, отличающийся тем, что перфорация на трубе занимает от 30 до 80% площади боковой поверхности.

3. Графитовый электрод для морской электроразведки с заданным для эксплуатации импедансом по п.1, отличающийся тем, что мембрана примыкает к внутренней боковой поверхности трубы.