Усовершенствованный способ электромагнитного исследования с управляемым источником

Усовершенствованный способ электромагнитного исследования с управляемым источником

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится, в частности, к способу выполнения электромагнитного исследования с управляемым источником и связанному с ним устройству и способам.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электромагнитные исследования с управляемым источником осуществляют, используя горизонтальные или вертикальные электрические дипольные источники для передачи электромагнитного поля, при этом для измерения составляющих электромагнитного поля приемники располагают на расстоянии от источника. Морской электромагнитный способ с управляемым источником содержит горизонтальный электрический дипольный источник и приемники, которыми на морском дне измеряют составляющие электромагнитного поля. В мелкой воде на измерения горизонтальной составляющей поля оказывают влияние магнитотеллурическая помеха и составляющая так называемой воздушной волны. Чтобы предотвращать появление в данных магнитотеллурических сигналов и составляющей воздушной волны, в принципе, можно использовать измеряемые вертикальные составляющие электрического и магнитного полей, но неточность и нестабильность направленности вертикальных приемных антенн может приводить к довольно плохим измерениям этих составляющих.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом изобретения предложен способ выполнения электромагнитного исследования с управляемым источником, при этом способ содержит этапы, на которых:

а) развертывают по меньшей мере один приемник и электрический дипольный источник;

b) передают электромагнитное поле от электрического дипольного источника;

с) детектируют первую горизонтальную составляющую и вторую горизонтальную составляющую отклика электромагнитного поля на передаваемое электрическое поле, используя по меньшей мере один приемник; и

d) оценивают вертикальную составляющую отклика электромагнитного поля, используя детектированные первую и вторую горизонтальные составляющие отклика электромагнитного поля.

Этап d может содержать использование весового коэффициента и детектированных горизонтальных составляющих поля для оценивания вертикальной составляющей.

Способ может включать в себя определение весового коэффициента в зависимости от по меньшей мере одного свойства среды, через которую распространяется передаваемое электромагнитное поле. По меньшей мере одно свойство среды может включать в себя удельную проводимость морской воды. Способ может включать в себя измерение удельной проводимости морской воды.

Этап d может содержать оценивание взвешенной разности или суммы на основании детектированных первой и второй горизонтальных составляющих поля. Этап d может включать в себя аппроксимацию горизонтальной производной отклика электромагнитного поля.

Способ может включать в себя этапы, на которых развертывают по меньшей мере один приемник в первом географическом местоположении и по меньшей мере один приемник во втором географическом местоположении; детектируют две горизонтальных составляющих отклика электромагнитного поля с использованием по меньшей мере одного приемника в первом географическом местоположении, чтобы образовать тем самым первый набор горизонтальных составляющих для первого географического местоположения; детектируют две горизонтальных составляющих отклика электромагнитного поля с использованием по меньшей мере одного приемника во втором географическом местоположении, чтобы образовать тем самым второй набор составляющих поля для второго местоположения; и оценивают по меньшей мере одну вертикальную составляющую поля путем образования взвешенной суммы или разности с использованием первого и второго наборов детектированных первой и второй горизонтальных составляющих поля из первого и второго географических местоположений.

Две детектированные горизонтальные составляющие в каждом из первого и второго наборов могут быть ортогональными составляющими.

Способ может включать в себя этапы обработки детектированного первого набора горизонтальных составляющих поля, чтобы образовать по меньшей мере одну первую обработанную горизонтальную составляющую отклика поля для первого географического местоположения в направлении, определенном вдоль заранее определенной оси; обработки детектированного второго набора горизонтальных составляющих поля, чтобы образовать по меньшей мере одну вторую обработанную горизонтальную составляющую поля для второго географического местоположения в направлении, определенном вдоль той же самой заранее определенной оси; и образования взвешенной суммы или разности путем образования суммы или разности между по меньшей мере одной первой и второй обработанными горизонтальными составляющими поля, полученными для первого и второго географических местоположений.

По меньшей мере одна первая обработанная горизонтальная составляющая отклика поля может содержать две первые обработанные горизонтальные составляющие, которые являются ортогональными; и по меньшей мере одна вторая обработанная составляющая отклика поля может содержать две вторые обработанные горизонтальные составляющие, которые могут быть ортогональными, при этом первая и вторая обработанные горизонтальные составляющие для первого и второго географических местоположений обеспечивают соответствующие или те же самые составляющие отклика поля, например составляющую E_x и/или любую из составляющих E_y, H_x или H_y отклика в обоих местоположениях. Соответствующая составляющая отклика в различных местоположениях может отличаться по амплитуде.

По меньшей мере один приемник может быть расположен в приемной станции или приемном блоке, который может быть расположен в различных географических местоположениях.

Первое и второе географические местоположения и/или приемные станции могут быть разнесены на большее расстояние, чем около 100 м. Более конкретно, первое и второе географические местоположения могут быть разнесены на расстояние от около 200 до 1000 м.

Способ может включать в себя развертывание по меньшей мере одного приемника в по меньшей мере трех различных географических местоположениях, при этом первое и второе местоположение находятся на линии, проходящей по меньшей мере между первым и вторым местоположениями, а третье географическое местоположение расположено вне указанной линии; детектирование по меньшей мере двух горизонтальных ортогональных составляющих отклика электромагнитного поля с использованием по меньшей мере одного приемника, чтобы тем самым образовать набор ортогональных составляющих в каждом местоположении; обработку детектированного набора составляющих для каждого местоположения, чтобы получить по меньшей мере один обработанный набор ортогональных горизонтальных составляющих для каждого местоположения, так что обработанные наборы ортогональных горизонтальных составляющих будут содержать соответствующие составляющие отклика электромагнитного поля для каждого местоположения; и оценивание вертикальных магнитных и вертикальных электрических составляющих отклика электромагнитного поля включает в себя вычисление разности или суммирование обработанных горизонтальных составляющих из различных географических местоположений, определенных по тому же самому направлению оси.

Оцениваемая вертикальная составляющая электромагнитного поля может быть выбрана из группы, состоящей из вертикальной электрической составляющей (E_z); вертикальной магнитной составляющей (H_z); вертикальной производной вертикальной составляющей электрического поля и вертикальной производной вертикальной составляющей магнитного поля.

Электрический дипольный источник может быть вертикальным или горизонтальным электрическим дипольным источником.

Этап развертывания по меньшей мере одного приемника может включать в себя развертывание первого и второго приемников, чтобы образовать первую пару приемников на первой линии приема, проходящей между первым и вторым приемниками, и развертывание третьего и четвертого приемников, чтобы образовать вторую пару приемников на второй линии приема, проходящей по меньшей мере между третьим и четвертым приемниками, и расположение первой и второй пар приемников так, чтобы первая и вторая линии приема пересекались. Он может включать в себя развертывание по меньшей мере первого или второго приемника и третьего или четвертого приемника в общем приемном блоке на первом месте развертывания.

Способ может включать в себя этап расположения первой и второй пар приемников так, чтобы первая и вторая линии приема располагались ортогонально.

Способ может включать в себя этап детектирования первой горизонтальной составляющей отклика электромагнитного поля в направлении, определенном вдоль первой линии приема, и детектирования второй горизонтальной составляющей отклика электромагнитного поля в направлении, определенном вдоль второй линии приема.

Источник может быть горизонтальным дипольным источником, при этом источник определяет ось диполя, а способ может включать в себя этап расположения горизонтального электрического дипольного источника с образованием острого угла между осью диполя и линией, проходящей между источником и по меньшей мере одним приемником. Источник можно ориентировать, чтобы образовывать продольную конфигурацию и/или конфигурацию с поперечным выносом с по меньшей мере одним приемником.

В соответствии со вторым аспектом изобретения предложено устройство для выполнения электромагнитного исследования с управляемым источником, содержащее:

электрический дипольный источник, имеющий ось диполя и выполненный с возможностью излучения электромагнитного поля;

по меньшей мере один приемник, выполненный с возможностью детектирования первой горизонтальной составляющей и второй горизонтальной составляющей отклика электромагнитного поля; и

блок обработки, выполненный с возможностью оценивания или функционирующий с возможностью оценивания вертикальной составляющей отклика электромагнитного поля на основании детектированных первой и второй горизонтальных составляющих отклика.

Когда это целесообразно, второй аспект может включать в себя дополнительные признаки, описанные выше относительно первого объекта изобретения.

В соответствии с третьим объектом изобретения предложен способ обработки данных электромагнитного исследования с управляемым источником, содержащий этапы, на которых:

а) получают данные, содержащие первую и вторую горизонтальные составляющие отклика электромагнитного поля, детектируемого по меньшей мере одним приемником, развертываемым при электромагнитном исследовании с управляемым источником, и это электромагнитное поле передают электрическим дипольным источником; и

b) обрабатывают данные, чтобы оценить вертикальную составляющую отклика электромагнитного поля по первой и второй горизонтальным составляющим отклика.

Когда это целесообразно, третий аспект может включать в себя дополнительные признаки, описанные выше относительно первого аспекта изобретения.

В соответствии с четвертым аспектом изобретения предложена компьютерная программа для обработки данных электромагнитного исследования с управляемым источником, при этом данные содержат первую и вторую горизонтальные составляющие отклика электромагнитного поля, детектируемые по меньшей мере одним приемником, развертываемым при электромагнитном исследовании с управляемым источником, и это электромагнитное поле излучается электрическим дипольным источником, посредством чего данные считывают и обрабатывают для оценивания вертикальной составляющей отклика электромагнитного поля по первой и второй горизонтальным составляющим отклика.

Когда это целесообразно, четвертый аспект может включать в себя дополнительные признаки, описанные выше относительно первого объекта изобретения.

В соответствии с пятым аспектом изобретения предложен компьютер, загружаемый машиночитаемыми командами для компьютера для выполнения обработки данных электромагнитного исследования с управляемым источником, при этом данные содержат первую и вторую горизонтальные составляющие отклика электромагнитного поля, детектируемые по меньшей мере одним приемником, развертываемым при электромагнитном исследовании с управляемым источником, и электромагнитное поле передается электрическим дипольным источником, при этом данные считываются и обрабатываются компьютером в соответствии с командами на оценивание вертикальной составляющей отклика электромагнитного поля по первой и второй горизонтальным составляющим отклика.

Когда это целесообразно, пятый аспект может включать в себя дополнительные признаки, описанные выше относительно первого объекта изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему электромагнитного исследования с управляемым источником;

Фиг.2 изображает схему блока обработки, функционирующего с возможностью выполнения оценивания вертикальных составляющих электромагнитного поля;

Фиг.3 изображает схему идеального электромагнитного исследования с управляемым источником, предназначенного для оценивания вертикальных составляющих поля с тем, чтобы снижать уровень коррелированной помехи в данных и содействовать извлечению ТЕ- и TM-составляющих; при этом расстановка приемников позволяет вычислять горизонтальные разности поля, а двухкомпонентный источник позволяет вычислять обе составляющие E_z и H_z, потенциально показывающие поведение ТЕ и ТМ волн;

Фиг.4 изображает вид расстановки приемников при электромагнитном исследовании с управляемым источником, которая позволяет вычислять Е₃ и Н₃ в местоположениях (x₁, x₂) по измерениям горизонтальных составляющих поля в местоположениях (x₁, x₂), (x^± ₁, x₂) и (x₁, x^± ₂); жирными крестиками, совмещенными с осями, обозначены приемники с датчиками, выровненными в ортогональных направлениях;

Фиг.5 изображает вид в плане схемы исследования с получением реальных данных, предназначенных для вычислений разности полей;

Фиг.6А изображает диаграмму зависимости амплитуды от смещения для случая общего электрического поля для приемника Rx1 из Фиг.5; сплошной линией показана зависимость амплитуды от смещения для составляющей E_x, пунктирной линией представлена зависимость амплитуды от смещения для составляющей E_y и штрихпунктирной линией представлено поле E_x, полученное моделированием с использованием синтетической модели наилучшего соответствия; Фиг.6В изображает соответствующие диаграммы зависимости фазы от смещения для составляющей поля из Фиг.6А;

Фиг. 7А и 7В изображают кривые зависимости амплитуды от смещения и зависимости фазы от смещения для разностных составляющих поля E_x по направлению x (сплошная линия) и разностных составляющих поля E_y по направлению y (пунктирная линия) при разнесении приемников на 600 м;

Фиг.8А изображает кривые зависимости амплитуды от смещения для вычисленной составляющей dE_z/dz поля (сплошная линия) при разнесении приемников на 600 м и составляющей dE_z/dz поля (штрихпунктирная линия), полученной моделированием с использованием такой же синтетической модели, как для Фиг.6; Фиг.8В изображает соответствующие графики зависимости фазы от смещения для составляющей поля из Фиг.8А;

Фиг.9А изображает зависимость амплитуды от смещения для случая общего магнитного поля на приемнике Rx1 из Фиг.5; сплошной линией представлена зависимость амплитуды от смещения для составляющей H_y, пунктирной линией представлена зависимость амплитуды от смещения для составляющей H_x и штрихпунктирной линией представлена составляющая H_y поля, полученная моделированием с использованием синтетической модели наилучшего соответствия; Фиг.9В изображает соответствующие графики зависимости фазы от смещения;

Фиг.10А и 10В изображают зависимость амплитуды от смещения и зависимость фазы от смещения, соответственно, для разностных составляющих поля H_y по направлению x (сплошная линия) и разностных составляющих поля H_x по направлению y (пунктирная линия) при разнесении приемников на 600 м;

Фиг.11А изображает зависимость амплитуды от смещения комбинированных разностей поля Н, то есть масштабированного поля E_z (сплошная линия); соответствующие результаты, полученные с использованием синтетических данных, показаны штрихпунктирной кривой; Фиг.11В изображает соответствующие графики зависимости фазы от смещения; и

Фиг.12А и 12В изображают зависимость амплитуды от смещения и зависимость фазы от смещения, соответственно, для измеренной составляющей E_z (пунктирная линия) и составляющей E_z, полученной с использованием масштабированной версии вычисленных разностей поля Н (сплошная линия).

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обычный морской электромагнитный способ с управляемым источником содержит горизонтальный электрический дипольный источник и приемники, которыми на морском дне измеряют составляющие электромагнитного поля. В мелкой воде на измерения горизонтальной составляющей поля оказывают влияние магнитотеллурическая помеха и составляющая так называемой воздушной волны. Чтобы предотвращать появление в данных магнитотеллурических сигналов и составляющей воздушной волны, в принципе, можно использовать измеряемые вертикальные составляющие электрического и магнитного полей, но неточность и нестабильность направленности вертикальных антенн может приводить к довольно плохим измерениям этих составляющих.

Вследствие этого описывается способ исследования, в котором вертикальные составляющие поля оценивают по измеряемым горизонтальным составляющим. Результаты показывают, что оценки вертикальных составляющих электрических и магнитных полей, основанные на измеряемых горизонтальных составляющих, могут быть лучшего качества, чем определяемые непосредственно.

Для формирования таких аппроксимаций берут разности между измеряемыми горизонтальными составляющими и как результат вычисленные данные уменьшают на величину коррелированной «помехи», например сигнала воздушной волны и магнитотеллурических сигналов.

Ниже будет показано, каким образом на практике оценивают вертикальные составляющие электрического или магнитного поля и также каким образом снижают величину коррелированной помехи в измеряемых данных, и будет показано, что оцениваемые данные хорошо соответствуют моделируемой вертикальной составляющей электрического поля и ее вертикальной производной.

Следует заметить, что вертикальные составляющие электрического и магнитного полей могут быть особенно полезными для целей интерпретации и моделирования, поскольку во многих разведочных ситуациях вертикальные составляющие электрического поля и магнитного поля, соответственно, могут содержать доминантные поляризованные ТМ- и ТЕ-составляющие, которые могут помочь провести различие между скрытыми под землей проводящими телами различных видов. Это поясняется дополнительно ниже.

Электромагнитные способы с управляемым источником

В последние несколько лет внедрение способа каротажа грунта морского дна, описанное в Ellingsrud S., Eidesmo T., Sinha M.C., MacGregor L.M. and Constable S.C., 2002, “Remote sensing of hydrocarbon layers by SeaBed Logging (SBL): Results from cruise offshore Angola”, Leading Edge, 20, 972-982, 2002, привело к расширенному использованию электромагнитного способа с управляемым источником для разведки нефти и газа. Для типового эксперимента требуется мощный горизонтальный дипольный источник, который передает в морскую воду непрерывную, близкую к прямоугольной волну. Имеются два основных пути распространения сигнала электромагнитного способа с управляемым источником, через геологическую среду и через воздух (Løseth L.O., “Modelling of Controlled Source Electromagnetic Data”, PhD Thesis, NTNU, 2007). Дополнительно имеется прямое поле через морскую воду, которое распространяется непосредственно от электрического дипольного источника к приемнику. Однако этот сигнал быстро затухает вследствие сильного ослабления в проводящей морской воде. В общем случае структуры геологической среды являются более резистивными, чем морская вода, и в результате электромагнитные волны, распространяющиеся в геологическую среду, до возвращения к морскому дну ослабляются меньше, чем прямое поле. Насыщенный углеводородами коллектор имеет относительно высокое удельное сопротивление по сравнению с глинистыми сланцами и водонасыщенными песчаниками геологической среды. Поэтому, когда электромагнитное поле распространяется на большое расстояние в нефтегазоносных коллекторах, амплитуда детектируемых сигналов может превышать амплитуду тех сигналов, которые распространяются в водоносных осадках. Это означает повышение амплитуд поля при больших разнесениях источника и приемника (по сравнению с глубиной коллектора), то есть является основой для детектирования нефтегазоносных коллекторов.

Сигнал, который рассеивается вертикально вверх от источника к поверхности моря и в таком случае до распространения обратно вниз через столб морской воды ко дну моря проходит через воздух со скоростью света без затухания, называют «воздушной волной». При небольшой глубине воды по сравнению с глубиной объекта и на низких частотах сигнал воздушной волны может быть доминирующим, так что сигнал из геологической среды, возможно, содержащий ценную информацию о резистивном нефтегазоносном коллекторе, является почти неразличимым. Различные схемы были предложены для отделения воздушной волны от сигнала геологической среды. Простейшее решение состоит во включении воздушного слоя в инверсию и интерпретацию. Примеры других решений включают в себя моделирование влияния воздушной волны водного слоя и затем исключение его из данных о поле для релевантных геометрий источник - приемник (см. WO 2005/010560, “Method for removing airwave effect from offshore frequency domain controlled-source electromagnetic data”) или применение разложения электромагнитного поля на восходящую и нисходящую составляющие (Amundsen L., Løseth L.O., Mittet R., Ellingsrud S. and Ursin B., “Decomposition of electromagnetic fields into upgoing and downgoing components”, Geophysics 71, G211-G223, 2006), или исключение действия водного слоя (Nordskag J., Amundsen L., Løseth L.O. and Holvik E., “Elimination of the water-layer response from multi-component source and receiver marine electromagnetic data”, Geophysical Prospecting, 57 (№ 5), 897-918, 2008).

При больших смещениях источник - приемник в измеряемых электромагнитных данных присутствуют сигналы, возникающие в результате действия других источников, а не горизонтального электрического диполя, например магнитотеллурические сигналы (Constable S. and Weiss C.J., “Mapping thin resistors and hydrocarbons with marine EM methods: Insight from 1D modelling”, Geophysics 71, G43-G51, 2006) и однородные морские токи. Общим для этих сигналов является то, что они являются подобными, когда расстояние между приемниками небольшое, поскольку они исходят из одного и того же источника и с хорошим приближением «видят» одну и ту же геологическую среду.

Электромагнитное поле, излучаемое электрическим или магнитным дипольным источником, можно считать состоящим из волн двух различных типов: одной составляющей поперечной электрической (ТЕ) волны и одной составляющей поперечной магнитной (ТМ) волны (Kong J.A., “Classical Electrodynamics”, John Willey & Sons, 3^rd Edition, 2000; Chew W.C., “Waves and Fields in Inhomogeneous Media”, IEEE press, 1995). Относительный вклад каждой составляющей волны зависит от типа и ориентации источника (Nabighian, 1987). Отклики морской воды и геологической среды на сигнал источника обычно очень сильно различаются для составляющих ТЕ- и TM-волны. На составляющие ТЕ-волны очень мало влияют высокорезистивные нефтегазоносные слои. В отличие от этого составляющие TM-волны сильно взаимодействуют с любыми высокорезистивными нефтегазоносными слоями. Различие в поведении ТЕ- и TM-волн можно использовать для облегчения интерпретации электромагнитных данных. С другой стороны, известно, что составляющая воздушной волны преимущественно обусловлена составляющими ТЕ-волны источника, поскольку составляющие ТЕ-волны эффективно индуктивно связаны по всей границе раздела морская вода/воздух. В отличие от этого известно, что составляющие TM-волны менее сильно связаны по всей границе раздела морская вода/воздух, и поэтому при конечных смещениях, регистрируемых при электромагнитных исследованиях с управляемым источником, значительный вклад в составляющие воздушной волны не вносят.

Вертикальные составляющие полей в электромагнитном способе с управляемым источником

Обозначим вертикальную составляющую электрического поля и ее вертикальную производную как данные E_z и вертикальную составляющую магнитного поля и ее вертикальную производную как данные H_z. В этом случае коррелированная помеха объясняется магнитотеллурическими сигналами, возможно, также однородными морскими токами. В случае данных E_z, коррелированная помеха также объясняется воздушной волной и другими TE-поляризованными сигналами, тогда как в случае данных H_z данные TM-волны можно рассматривать как коррелированную помеху.

Данные о вертикальной составляющей поля могут быть важными при принятии решения относительно связи возрастания амплитуды электромагнитного поля с присутствием углеводородов. Локальные крупномасштабные резистивные объекты, а не нефтегазоносные коллекторы, ниже морского дна могут значительно влиять на электромагнитные поля вследствие более значительной эффективной глубины проникновения волн с повышением удельного сопротивления. Структуры с повышающимся с глубиной удельным сопротивлением являются признаком некоторых подводных осадочных бассейнов, и известно, что они возникают вследствие возрастающего вытеснения проводящих флюидов скважины с повышением глубины за счет повышения давления вышележащих пород. В таких случаях оба отклика E_z и H_z будут более чувствительными к более крупномасштабным резистивным структурам, хотя в случае нефтегазоносных структур для E_z существует тенденция иметь более высокую чувствительность по сравнению с H_z. Поэтому составной одновременный анализ индивидуальных составляющих из данных E_z и H_z включает возможность разрешения неоднозначности относительно того, с чем связано повышение отклика E_z, с резистивными, насыщенными углеводородами коллекторами или крупномасштабными резистивными, не заполненными углеводородами структурами. Иначе говоря, повышенная амплитуда E_z наряду с неизменной небольшой амплитудой H_z может указывать на вероятное присутствие приповерхностного, насыщенного углеводородами коллектора. С другой стороны, повышенные амплитуды обеих составляющих E_z и H_z указывают на крупномасштабные высоко резистивные объекты, которые не обязательно насыщены углеводородами. Кроме того, заметим, что в случае использования данных H_z для конкретного составного одновременного анализа, составляющую воздушной волны необходимо удалять из записей поля. В глубокой воде составляющая воздушной волны сильно ослабляется при двустороннем распространении в водном столбе. В мелкой воде, когда объект ищут на относительно большой глубине ниже морского дна, для составляющей воздушной волны характерно преобладание в принимаемом сигнале при больших расстояниях источник - приемник. В таком случае, как описано в Nordskag J., Amundsen L., Løseth L.O. and Holvik E., “Elimination of the water-layer response from multi-component source and receiver marine electromagnetic data”, Geophysical Prospecting, 57 (№ 5), 897-918, 2008, составляющую воздушной волны можно в принципе удалять из герцовой составляющей путем исключения влияния поверхности моря.

Волны с поляризацией ТЕ/TM

Электромагнитное поле в однородной, свободной от источника области пространства можно описать как сумму поперечного электрического (ТЕ) и поперечного магнитного (ТМ) поля относительно произвольного фиксированного направления системы координат (Morse and Feshbach, “Methods of Theoretical Physics”, McGraw-Hill, 1953; Stamnes J.J., “Waves in Focal Regions”, Adam Hilger, 1986). Пусть x=(x,y,z) обозначает систему прямоугольных координат с единичными векторами (e_x,e_y,e_z) вдоль осей и с осью z, направленной вниз. Кроме того, пусть E=(E_x,E_y,E_z)^T и H=(H_x,H_y,H_z)^T обозначают векторы электрического и магнитного поля, соответственно. Электрическое (Е) и магнитное (Н) поля представляют собой суперпозицию полей ТЕ и TM в соответствии с

E=ETE+ETM, H=HTE+HTM

(1)

Определения составляющих ТЕ и ТМ, связанных с фиксированной осью e_z, для волн TE имеют вид E_z=0, H_z=H_z ^TE≠0; для волн TM имеют вид: H_z=0, E_z=E_z ^TM ≠ 0.

Мотивацией для разложения электромагнитного поля на два набора ортогональных составляющих для волн с поляризациями ТЕ и ТМ является то, что эти поляризационные составляющие ведут себя различным образом при отражении на границе раздела или прохождении через нее. Для составляющей плоских волн электромагнитного поля, которая попадает на границу раздела, плоскость падения можно найти по волновому вектору k поля и нормали к границе раздела, то есть e_z. Электрическое и магнитное поля можно разделить на составляющие, где одна является нормалью к плоскости падения, а другая находится в плоскости падения. Затем составляющую ТЕ находят в виде набора составляющих в случае, когда электрическое поле является поперечно направленным относительно плоскости падения. Составляющие ТМ находят в виде набора составляющих в случае, когда магнитное поле является поперечно направленным к плоскости падения (Stratton J.A., “Electromagnetic Theory”, McGraw Hill, 1941).

В общем случае определения ТЕ- и TM-волн в значениях фиксированной оси и в значениях отражения и пропускания на плоской границе раздела являются различными. Однако в изотропной (и вертикально пересекающейся изотропной) плоскослоистой среде со стратификацией в направлении e_z эти определения являются эквивалентными и, следовательно, уравнения поля можно записать как сумму падающих и рассеиваемых ТЕ- и TM-поляризованных волн.

В структурах, которые отклоняются от стратификации, определение составляющих ТЕ- и TM-поляризации в функции отражения и пропускания является неоднозначным. На месте нахождения приемника в неоднородной области пространства поле все-таки можно разделять на два набора составляющих, где один набор определяют на основании E_z=0 и другой на основании H_z=0. Когда этот критерий используют в качестве определения ТЕ- и TM-волн, обе волны будут содержать сигналы, которые являются отраженными и прошедшими, в качестве составляющих ТЕ- и TM-поляризации в рамках определения TE/TM для отражения и пропускания. Во многих ситуациях при геофизических применениях хорошим приближением геологической модели является один из стратифицированных слоев. В таком случае определения поляризации ТЕ и TM в зависимости от вертикальных составляющих поля дают волны, которые могут хорошо соответствовать рассеянным ТЕ- и TM-волнам, соответственно. Поэтому при электромагнитных исследованиях с управляемым источником данные о вертикальной составляющей поля могут указывать на поведение ТЕ- и TM-волн.

Уравнения Максвелла

Записав уравнения Максвелла (Jackson J.D., “Classical Electrodynamics”, John Wiley and Sons, 3^rd edition; Nabighian M.N., “Electromagnetic Methods in Applied Geophysics, vol.1: Theory, vol.2: Applications”, Series: Investigation in Applied Geophysics №3, Society of Exploration Geophysicists, 1987) в частотной области и в свободной от источника изотропной области, видно, как вертикальные составляющие поля связаны с горизонтальными составляющими поля:

E z   =   ( ∂ y H x   −   ∂ x H y ) / ( i ω ε ˜ )	(2а)
∂ z E z   =   − ( ∂ x E x   +   ∂ y E y )	(2b)
H z   =   ( ∂ x E y   −   ∂ y E x ) / ( i ω μ )	(2с)
∂ z H z   =   − ( ∂ x H x   +   ∂ y H y )	(2d)

При альтернативном обозначении составляющие E_x, E_y и E_z могут быть точно определены как Е₁, Е₂ и Е₃ и составляющие H_x, H_y и H_z точно определены как Н₁, Н₂ и Н₃ во взаимно ортогональных направлениях. Ниже оба обозначения используются как взаимозаменяемые.

Электромагнитные свойства среды описываются тремя параметрами: диэлектрической проницаемостью ε, удельной электрической проводимостью σ и магнитной проницаемостью µ, где свойства, относящиеся к проницаемости и удельной проводимости, объединены в комплексную проницаемость ε ˜   =   ε   +   i σ   /   ω . Уравнения (2b) и (2d) следуют из закона Гаусса для электрического и магнитного поля, соответственно. Уравнение (2с) следует из закона Фарадея и уравнение (2а) следует из закона Ампера.

Оценивание вертикальных составляющих полей при электромагнитном исследовании с управляемым источником

На Фиг.1 показана компоновка морского электромагнитного исследования с управляемым источником, в которой горизонтальный электрический дипольный источник 10 буксируется позади судна 12. Источник погружен в воду 11, обычно находится на несколько метров выше морского дна и излучает низкочастотное электромагнитное поле, показанное линиями 14 поля. Поле излучается и взаимодействует с морским дном 18. Донные приемники 20 расположены на морском дне 18, где детектируют отклик электромагнитного поля. Приемники 20 размещены для измерения горизонтальных электрических и магнитных составляющих поля в двух ортогональных направлениях. Измерения можно использовать для составления заключения о структуре удельного сопротивления ниже морского дна. При небольших глубинах воды высокие измеряемые амплитуды могут возникать при определенных составляющих поля вследствие взаимодействия с воздухом на поверхности моря. Оно приводит к влиянию воздушной волны на измеряемые данные. Удельную проводимость воды измеряют на источнике или вблизи него. Источник или буксируемую рыбообразную капсулу можно снабжать измерителем 22 удельной проводимости, чтобы измерять удельную проводимость воды. Задают подходящее значение частоты дипольного источника 10, например 0,5 Гц, которое контролируют на протяжении исследования. В других конфигурациях удельную проводимость воды можно измерять на одной или нескольких приемных станциях.

Далее измеряемые горизонтальные составляющие используют для оценивания вертикальных составляющих поля. Это показано на Фиг.2, на которой измеряемые горизонтальные составляющие в первом горизонтальном направлении представляются первым устройством 30 ввода данных и измеряемые горизонтальные составляющие электромагнитного поля во втором горизонтальном направлении представляются вторым устройством 40 ввода данных в блок 50 обработки, ко