Техническая эволюция электроразведочного оборудования на примере систем измерения компании «Phoenix Geophysics Ltd»



В настоящее время отмечается существенный прогресс в развитии электроразведочной аппаратуры. Хотя принцип измерения мало чем изменилась ученые достигли большого прогресса в улучшении таких параметров как производительность, многофункциональность, эргономичность и мобильность.

Основное влияние на эволюцию электроразведочной аппаратуры оказало применение микроконтроллерных платформ, что позволило намного уменьшить размеры и вес аппаратуры, а также сократить энергопотребление используемых электронных компонентов. Появление на рынке геофизической аппаратуры быстродействующих 24-разрядных АЦП и высокоэффективных фильтров позволило регистрировать быстротекущие маловыраженные процессы по большому числу каналов одновременно, что позволило создавать электроразведочные томографы и регистрировать сигналы от сотни датчиков одновременно.

В данной статье рассматривается различные решения компании-производителей к построению многофункциональной аппаратуры, основное предназначение которых является проведение методов магнитотеллурического зондирования.

Одним из первых многоканальную аппаратуру на основе 24-разрядного аналого-цифрового преобразователя для непрерывного магнитотеллурического профилирования создали австралийские геофизики в 1995 г. (система MIMDAS). Данная система обладала множеством электрических каналов и двумя каналами для магниточувствительных датчиков. Все датчики соединялись отдельными кабелями к центральной базовой станции. Аналогичным путем в 1999 г. пошла и компания «Quantec» (Канада). При полной расстановке аппаратура TITAN 24 имеет последовательность чередующихся одноканальных и двухканальных электрических приемников и только 2 горизонтальных магниточувствительных приемника. Все приемники соединяются в одном центральном блоке. Аппаратура способна охватить 2400 м профиля за одну расстановку (расстояние между приборами — 100 м), что обеспечивает достаточно высокую дневную производительность.

В большинстве случаев вышеперечисленные системы способны успешно решать поставленные геологические задачи. Конечно технология МТЗ по принципу «ограниченное число магнитных и большое количество электрических каналов» является эффективной, но в то же время имеет ограниченные пределы своего эффективного применения, с примером которого можно ознакомиться в статье [1].

Преимущество данного подхода к организации системы сбора информации являются:

– сравнительно низкая стоимость одного канала (магниточувствительные датчики на много дороже электрических);

– оперативность обработки регистрируемых данных.

– относительно высокая производительность работ (не тратится время на установку магнитных датчиков)

Следующие пункты являются недостатками подобной системы:

– относительно большой объем кабелей, большое количество единиц персонала в полевой группе;

– слабая чувствительность к изменениям горизонтальных компонент магнитного поля и отсутствие какой-либо информации о характере изменения вертикальной магнитной компоненты ЭМ поля;

– сложность выполнения и низкая производительность работ в условиях скалистого рельефа, а также в пределах густонаселенной местности;

– уязвимость соединительных кабелей механическим повреждениям (животные, техника и т. п.), а также сильные помехи в кабельной системе от электромагнитных наводок;

В 1996 г. Канадская компания «Phoenix Geophysics Ltd» предложила иную концепцию создания многофункциональной аппаратуры (патент США — US 6,191,587 B1). Комплект аппаратуры состоит из неограниченного количества пяти-, трех- и двухканальных независимых приборов, и при этом работа всех приборов с предельно высокой точностью (около 1 микросекунды) синхронизируется с помощью системы глобального позиционирования (GPS). Приборы — высокоавтоматизированные устройства, каждый из которых без вреда для функциональности имеют только одну единственную кнопку — «включить-выключить». Программа работы прибора достаточно быстро и просто создается при помощи программного обеспечения ПК на съемной твердотельной флэш-памяти, на которую в процессе работы ведется и запись вариации электромагнитных полей. Записанные данные доставляются в полевой лагерь, где переносится на персональный компьютер для дельнейшей обработки и интерпретации.

В данном случае система обладает относительно малым весом, становится более гибкой и обслуживается небольшой полевой группой (в среднем 3 человека на 5 приборов). Количество обслуживающего персонала изменяется в ту или иную сторону в зависимости от условий места проведения работ (возможности передвижения). Для регистрации высококачественных данных достаточно использовать два прибора в системе, что позволяет пользователю последовательно наращивать свою систему в соответствии с финансовыми возможностями и содержанием заказа на полевые работы. Неудивительно, что мировой рынок принял вторую концепцию, и на сегодняшний день на компанию «Phoenix Geophysics Ltd» приходится около 90 % объема продаж. Сходной концепции в построении многофункциональной аппаратуры придерживаются компании «Metronix» (Германия) и Zonge International (США), и на их долю приходится остальные 10 % объема продаж. Для дальнейшего развития системы с 2005 г. компания «Phoenix Geophysics Ltd» приступила к выпуску телеметрической системы SSMT.net, основанной на многоканальных двухпроцессорных приборах V8 и трехканальных приборах RXU-3. Один V8 может контролировать и снимать данные с 16 приборов RXU-3. Кроме того, прибор каждый полевой прибор V8 оснащен высококачественным дисплеем и герметичной полной клавиатурой. Системы SSMT-2000 и SSMT.net могут работать синхронно при помощи GPS, то есть могут быть применены совместно при проведении работ методами МТЗ и АМТЗ [1].

Опыт работ с аппаратурой компании «Phoenix Geophysics Ltd» за последние годы, а также результаты проведенного математического моделирования показали высокую эффективность использования измерений трех ортогональных компонент магнитного поля для решения задач геологического картирования и поисков полезных ископаемых. Функции отклика, вычисляемые по этим данным (типпер и индукционный вектор), оказались очень чувствительны к локальным объектам с удельным электрическим сопротивлением, отличающимся от сопротивления вмещающей их толщи. Также существенным преимуществом использования индукционных векторов является возможность получить направление на аномальный объект уже после проведения ограниченного числа наблюдений, с последующим переходом к детализации на ограниченной площади. Таким образом, значительно сокращаются затраты времени и средств на поисково-разведочные работы и регулярная сеть поисковых профилей в этом случае не требуется [2].

Основными недостатками этой системы является относительно высокая стоимость канала и уменьшение производительности труда при работе на скальных грунтах и в зимних условиях при наличии сильного ветра по причине увеличении времени установки магнитных датчиков.

Кроме увеличения точности измерений, расширения амплитудно-частотного диапазона и повышения надежности системы SSMT 2000 в полевых условиях компания «Phoenix Geophysics Ltd» продолжила инженерные разработки в направлении объединении преимуществ обоих подходов при создании аппаратуры пятого поколения. В итоге была разработана телеметрическая система на основе прибора V8 как базового центрального прибора и серии двух-, трехканальных приборов RXU. Последние способны быть приемниками-регистраторами 2 или 3 электрических каналов или 3 магнитных каналов. Прибор V8 имеет герметичную водо- и пылезащищенную клавиатуру, цветной дисплей и два центральных процессора (ЦП). Один ведет регистрацию полевых данных, второй ЦП обеспечивает обмен данными с другими приборами, а также обработку собственных данных и данных других приборов, входящих в систему. Оба варианта систем регистрации пятого поколения, созданные компанией «Phoenix Geophysics Ltd» могут работать совместно и полностью совместимы. Синхронизация по времени обеих систем осуществляется при помощи GPS.

Самой последней разработкой вышеупомянутой компании после 40 лет непрерывной работы по улучшению аппаратуры для МТЗ является система MTU-RT. Являясь продолжением разработки системы MTU-5A, она обладает рядом преимуществ:

1. Компактные размеры прибора позволяют транспортировать прибор даже одному оператору и при необходимости легко закапывать в землю для сохранения температурного режима при длительных измерениях.
2. Одновременная работа на МТ и АМТ диапазонах в комплекте с магнитными датчиками МТС-150 позволяют получать широкополосные данные от 10000 Гц до 20000 секунд. На практике это позволяет получать «отклик» глубинных интервалов на каждой точке измерения.
3. Малое энергопотребление делает возможным питание прибора от солнечных батареи, не говоря уже об эффективном использовании аккумуляторов.
4. При помощи встроенного 3G\4G модема стала возможным настраивать прибор, контролировать качество сигнала и проводить калибровку прибора в реальном времени находясь за тысячи километров от прибора посредством сети интернет. Также немаловажным преимуществом прибора является резервирование получаемых данных в реальном режиме на удаленном сервере, откуда любой специалист с любой части Земли может просматривать полевые данные, не дожидаясь действия операторов. В зависимости от скорости интернет связи возможно уменьшение частоты дискретизации, что также позволит экономить объем записанных данных. Данные (временные ряды, файлы заголовков и калибровки) на сервере доступны через FTP в любое время суток (рис. 1).
5. Контроль прибора возможна как через ноутбук, так и через обычный смартфон или планшет, что увеличивает эргономичность прибора [3].

Рис. 1. Принцип взаимодействия через «облако»

Таким образом на примере эволюции аппаратуры для МТЗ заметна тенденция дальнейшего развития геофизической аппаратуры в целом. Она заключается не только в комбинировании разных методов в одном приборе и миниатюризации, но и усовершенствовании интерфейса для эффективной коммуникации человека с прибором. Она заключается в применении облачных технологии для доступа к информации в реальном времени с удаленных точек другими участниками проекта, использование современных мобильных устройств контроля (смартфоны, планшеты) для увеличения мобильности операторов и в итоге дать прирост в производительности труда и в степени контроля качества полевого материала. Увеличение энергоэффективности приборов в комплекте с беспроводными технологиями позволяет быть приборам максимально автономными, освобождая работников от вспомогательных работ и сконцентрироваться на основной.

Также в будущем рекомендуется оснастить приборы дополнительными радиомодулями для связи между несколькими блоками MTU-RT на случай, если будет необходима контролировать только состояние всей системы. В таком случае все блоки MTU-RT смогут передавать свое текущее состояние одному базовому блоку, а он в свою очередь через 3G/4G связь передавать текущее состояние всех приборов в единую глобальную базу данных. Это позволит оператору и специалистам на удаленных точках контролировать приборы в течение всего времени эксплуатации приборов без необходимости установки 3G/4G связи с каждым прибором отдельно. Также дополнение всей системы отдельным, автономным модулем беспроводной связи дальнего действия (например: технология LoRa [4]) с репитерами сделает возможным дистанционный контроль всей системы в районах вне покрытия зоны GSM сети. Учитывая, что полевые работы в основном проводятся вдали от населенных пунктов, а районы исследовании с каждым годом расширяется беспроводная связь с приборами без использования сети GSM будет эффективным техническим решением.

В итоге в эволюции наземных геофизических приборов отмечается модульное конструирование, когда каждый прибор может использоваться как автономно, так и в комплексной системе в связке друг с другом. Также наряду с надежностью системы большое внимание уделяется беспроводным методам контроля и получения информации, что позволят контролировать качество регистрируемых данных и работоспособность компонентов системы в рельном времени, а также удаленно изменять настройки приборов.

Литература:

1. Лео ФОКС, Новые разработки в области аппаратуры для методов мтз и амтз, Санкт-Петербург. 2008, стр 13–18.
2. Ермолин Е. Ю., Ингеров А. И., Пятикомпонентные измерения мтз для оценки параметров 2d аномальных тел, находящихся вне профиля измерений, Екатеринбург, 2014
3. MTU-RT // http://mtu-rt.phoenix-geophysics.com/. URL: http://mtu-rt.phoenix-geophysics.com/ (дата обращения: 29.12.2017).
4. Aloÿs Augustin, Jiazi Yi, Thomas Clausen and William Mark Townsley A Study of LoRa: Long Range & Low Power Networks for the Internet of Things, Basel, Switzerland, 9 September 2016; pp. 3–16.