CN101166999A - 一种使用空间微分法将瞬变场分成若干区段的电法勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种电法勘探，用可控电磁场源进行地面及海洋勘探，可应用于油气矿的勘探工作以勘查并圈定油气矿藏。本发明基于在碳氢化合物迁移作用下岩石的二次变化响应。所述方法可保证采用一系列技术方法进行单位电阻的分层测定以及介质极化激发过程的指标测定：一极化率系数、一时间常数及一光谱驰豫宽度。本发明包括根据几根接收引线进行一测量，其中一勘探站的两根供给线位于接收引线延伸扇形区30°范围内，当采集瞬变场信号通过带有柔式几何外形的探测装置或海洋探测装置进行时，该装置在轮船运动时进行不间断信号采集及采用记录的电势差曲线(ΔU(i)иΔ²U(i))在处理之后、时间界面压缩和按时间求微分之后、计算待诠释参数P₁，D_φ，ΔU_H，P_S的集合进行计算。

Description

一种使用空间微分法将瞬变场分成若干区段的电法勘探方法

技术领域

本发明属于电法勘探范畴。本法采用可控电磁场源，用于根据在碳氢化合物迁移作用下岩石的二次变化响应，勘查并圈定油气矿藏的综合勘探工作中，既可进行地面勘探，又可进行海洋勘探。利用本发明可保证采用一系列技术方法进行单位电阻的分层测定以及介质极化激发过程的指标测定，如极化率系数、时间常数、光谱驰豫宽度等。

背景技术

目前已知的地球电法勘探方法，无论是基于人工电磁场还是自然电磁场的研究，都是对单位电阻的按层分布进行测定，即电阻率法。这些方法又可分为直流电法(如垂直电磁法)和交流电法(如频率法、近区瞬变电磁法)。这些方法中，采用最广泛的是基于过渡过程研究的脉冲电磁法，即近区瞬变电磁法[《电法勘探。地球物理学者参考手册》，莫斯科，Nedra出版社，1989，1-2册]。利用电阻率法勘探并圈定碳氢物矿藏会产生一系列的问题。这些问题有的同被测岩层横向电导率的变化所引起的各种原因有关，有的则与这种变化过少有关，尤其当油气蕴藏在储集层有岩性变化和尖灭的非构造圈闭中时。后一种情况是因为储集层的岩性变化和尖灭往往不伴随有被测岩层横向电导率的明显变化。在这些情况下，要利用非地震法直接寻找油气矿，首选方案是研究激发极化的、直接或间接同矿藏有关的过程(激发极化法，或称激电法-IP)。

已知多种测定岩石极化率的地球电法勘探法，这其中既有时间域方法，又有频率域方法。例如：在《激发极化法电法勘探》(Komarov V.A.，列宁格勒，Nedra出版社，1980，390页)一书中介绍的激电法，在《相位激发极化法电法勘探》(Kulikov A.V.，Shemyakin E.A.，莫斯科，Nedra出版社，1978，160页)一书中介绍的频率域激电法等。

这些方法中，最常用的激电模型是柯尔-柯尔(Cole-Cole)模型[Cole K.S.，Cole R.H.Dispersion and absorbtion in dielecrtrics.-J.Chem.Phys.，1941，v.6.]。

在该模型中，用下式表示单位电导率：

${\mathrm{\σ}}_{\left(\mathrm{\ω}\right)}={\mathrm{\σ}}_{(\∞)}(1-\frac{\mathrm{\η}}{1+{\left(\mathrm{i\ω\τ}\right)}^c})---\left(1\right)$

式中：σ_∞-无限频率下的单位电导率；

η-极化率系数；

ω-圆频率；

τ-时间常数；

c-光谱驰豫宽度，其值为0～1。

然而，这些研究导电极化介质的方法，其信息量目前尚不充分。现有的研究方法不能保证获取整个沉积盖层剖面的成套极化参数。

有很多作品对利用极化激发过程勘探油气矿藏进行了大量介绍，例如《地球物理和地球化学勘探油气矿藏领域中的经验交流》[Kruglova Z.A.，莫斯科，VIEMS出版社，1975，第110-111页]一书中的《油气勘探中激电法的应用》一文，Moiseev V.S.、Taratorkin B.F.和Shlepnev V.B.的命题报告《在西西伯利亚利用激电法预测碳氢矿藏的成效性》[《国际地球物理大会》，圣彼得堡，1995]，Bazovkina I.G.、Korol′kov Yu.S.、Kunarev A.A.及其他作者的《使用地球物理方法直接勘探油气》一文[《科技总结》，莫斯科，VINITI出版社，1978]。

然而，由于可获取的地理数据不稳定，对上述方法的有效性有着截然不同的评价，这在很多作品种都有论及，例如：《关于地球物理方法勘探油气矿藏工作的有效性》[Berezkin V.M、Gribov N.A.、Khavkin D.B.，莫斯科，VIEMS出版社，1983]，《伏尔加-乌拉尔含油气区地球物理工作的地理效果》[OvanesovG.P.、Alekseev G.P.、Belolikov N.I.及其他，莫斯科，Nedra出版社，1979]。这主要同传统方法难以克服的一系列地电法内部难题有关。

其中主要的难点同所记录信号性质的不确定性有关。在大部分油气区，沉积盖层的电导率相当大，而激电场的时间域区段(ΔU_IP)和电磁感应场的时间域区段(ΔU_IND)则产生重叠。目前已有的对其进行分离的方法并不完善，因而魏特J.在《地电磁学》[莫斯科，Nedra出版社，1987，235页]一书中将其称为有待解决的关键问题。

已知的方法之一是人为限制研究的时间域和/或频率域。例如在激电法中，进行测量的时间域，是某种具体设备针对某些具体剖面可将电磁感应过程忽略不计的时间域。然而在研究极化剖面时，需要绘制的参数多了2.5倍(利用Cole-Cole模型，除了岩层的单位电阻和厚度之外，还需绘制岩层的极化率系数、时间常数、光谱驰豫宽度)，而缩短研究的时间域(或频率域)则造成了信息量不足。例如，在频率域激电法中，所解释的极化参数只有一个，即整个沉积盖层的_IP，而并非测定其分层值，更不用说绘制所有极化参数了。

极化介质研究的主要问题同现有方法的信息量不足有关，而这在很大程度上是由于未能够解决关键问题-在较宽时间域(或频率域)内将电动力效果和极化效果分离开来。

研究该问题的一个显著特征是强调场的时间特点-衰减速度及其随时间的变化，对于某些设备来讲还包括过渡过程的符号交替。

这其中最为接近的技术解决方案，同时也是本发明的原型，为2003年2月18日第SU No.2219567号专利《地球电法勘探方法》(2003年12月20日发表，国际专利分类码G01V3/06)。该发明中对被研究介质厚度层的电磁场进行激发，向其间歇发送矩形脉冲电流，在每个电流脉冲结束时测量第一电势差(电位差)的瞬时值。在整个过程中，除了第一电势差之外，还在每两次脉冲之间的间隙测量第二电势差。沿时间建立每间隙第一和第二电势差的两组相邻瞬间值，求得它们之间的差。从上述差值中算得四个标准电参数，通过电化学极化导电介质中偶极子辐射源强度的数学物理学衰减波动微分方程，求解逆算问题，从而建立其立体结构和电参数最接近被研究介质的介质模型。然后根据该模型方程中包括的电物理参数，如介质组成部分的电导率、激发极化系数、激发极化电势差衰减的时间常数等，建立起该模型的时间剖面。

上述技术方案有两点基本不足。其中主要的一点是在大多数实践中，现有的输入信息不足以求解地电逆算问题，即根据测量结果还原地电剖面。当把导电性频率关系研究作为不同地电参数之间的现有等价值种类的补充时就产生了新的介质，并且目标函数的地形变得复杂化起来。应当测定的参数数量就太多了。在这种情况下借助于引入的先验地球物理信息进行可能方案的假定准确逆向解题是不可能的。在这种情况下假定准确问题的概念在《非准确问题的解决方法.》一书中有表述，A.H.基霍诺夫、В.Я.阿尔谢宁，M.，1974.(223c.)。这就关系到：如果介质中单位电阻分配的先验数据以及层厚(地层功率)的先验数据通常可以从测井和地震勘探数据中得出的话，那么，任何一个表示介质极化属性的参数值的先验信息都没有(η-极化系数；τ-时间常数；c-驰豫频谱宽度)。为了克服该困难就必须：第一，独立测定单位电阻在各层的分配情况(最好选用层厚固定或者层厚变化很弱的值)，其次，采用一组相互独立的输入数据，这些数据对极化参数具有很高的敏感度。

该方法另一个严重不足之处就在于：它的理论基础几乎完全建立在电磁场的电磁波方程式上。电磁场做功的实际情况与模拟计算表明：投入到总电磁场的电磁波组元不超过百分比分率。

对于最简单的情况可以进行分析处理，而对于更为复杂的情况就需要通过数量上的模拟方式来表明：在关断电流之后当下降间隔时间增大时涡动电流在介质中尽量均匀分布。这就导出了这样一个事实：涡流的分布由扩散方程式确定。形成的参数P₁对场的空间不均匀性产生响应，以及对其随时间的变化作相应的研究。

对于非极化介质P₁在下降时间增大时将渐近于零。数量上的模拟方式表明：这对于任何介质都将可以执行，其中就包括不均匀的三维介质。

介质中激发极化法电流的分布及其随时间变化的特点原则上将会是另外一种形式。在此情况下，仅仅按与极化电流的比值关系研究激发极化法的线性过程。在大多数情况下激发极化电动势(EMF)的绝大部分都是由正向渗透电池电流建立的。这就遵循了这样一个事实：电池电流的密度比涡动电流要高得多，涡动电流随时间下降的很快。直流电密度在电源衰减时下降1/r³。因为激发极化电动势(EMF)在任何时刻都与极化电流成正比，那么，就没有必要讲关于激发极化(激电法)场的空间均匀性(在任意下降时间)。在空间的任意一点上激发极化(激电法)场随着时间的流失而从初始值下降到零，况且下降速度只取决于介质的属性(按模拟术语Cole-Cole-时间常数τ)，而不是取决于电磁场源和接收器的相互位置。

对于极化剖面，随着时间的流失P₁竭力从零变成出色的水平渐近线。

任一电勘探法的主要问题之一是确定等价值原理的作用界限。在那种情况下，当界限相当宽广时，该方法的采用往往是不合理的。每一层的电属性由4个不同的参数表示运用在Cole-Cole模拟中采用的术语)-ρ，η，τ和с，在当时作为研究激发极化(激电法)的传统方法通常利用两个参数：ρ和η。很明显，引入研究考虑的参数数量的增加导致了等价原理作用界限的明显拓宽。

在组合方法中瞬变场的时间和空间导数的运用使得大大提高极化介质研究时所用方法的信息量。这不仅与更窄的等价原理作用界限有关，而且待诠释参数对剖面的地球电法特性的敏感度也有关，首当其冲对极化特性的敏感度有关。

建立这样一个仪器最为合理，借助于该仪器可以进行物质材料的数量诠释并且可以评定介质的参数及在具体的区间上对给定几何形状装置的参数范围进行评定。逆算程序就发挥这样的作用。

大家已经知道：极化介质上方的电磁探测诠释问题在其现代情况下原则上不是单值对应的。[斯韦托夫Б.C.，阿格耶夫B.B.，列别捷娃H.A.山地岩层的极化率和高解答能力电勘探法的特殊现象-地球物理，№4，1996.]。为了达到解题答案的唯一性，必须引入补充信息，即瞬变场探测与远距离探测相结合，采用不同的励磁方式和场的接收方式，以及励磁电流脉冲的不同形式。但是该问题并没有解决。

通过联合分析瞬变场曲线及其定额的空间和时间导数方式实现待提供方法中补充信息的引入。

推荐的电法勘探方法用于解决直接寻找碳氢化合物矿藏问题，它建立在激发极化(激电法)异常研究基础之上，研究时采用在宽阔的时间范围内划分电动力学和极化效应方法。

发明内容

为了解决在此过程中产生的问题在该方法中还采用与空间以及时间一样的导数(在它们的给定组合中)。除此之外，时间导数的采用使得可以大大提高该方法对剖面地球电法属性变化的敏感度。

在推荐的方法中，目的就是在宽广的时间(或者频率)范围内划分电动力学和极化效应，通过对作为一个整体的极化剖面上方的非稳定电场的空间时间结构的研究来达到。

除此之外，引入研究考虑的参数数量的增加导致了等价原理作用界限的明显拓宽。

时间导数的运用使得大大提高了该方法对剖面的地球电法属性变化的敏感度。

在本方法中所采用的瞬变场时间和空间导数的组合使得极化介质研究时所用方法的信息量又大大增加了。这不仅与更窄的等价原理作用界限有关，而且与诠释参数对剖面的地球电法特性的敏感度也有关，首当其冲对极化特性的敏感度有关。

对剖面的地球电法参数、首当其冲对极化特性参数变化的敏感度的根本性升高是本推荐方法的技术成果。

在单独研究电磁感应和激发极化(激电法)过程的基础上，本方法使得可以测定导电性和激发极化(激电法)、下降时间常数、驰豫频谱宽度参数。

按下列方式达到技术成果。

电勘探法，该方法对一些分隔间距上的瞬变场进行空间微分，它是这样构成的：将电流变号直角脉冲的低频周期序列发往介质(环境)中，当探测装置沿着研究剖面进入时，对介质中的电磁场进行激励，并在此时确定所有接地点的坐标。在整个时间间隔长度上电流脉冲之间的各间歇中的给定时间间隔及整个时间间隔长度上，在电流脉冲接通之后测量几根接收引线上的每对相邻接收电极之间的过渡过程的第一和第二电势差瞬时值。借助于已知的算法对获得的ΔU(t_i)和Δ²U(t_i)信号块数值进行处理，例如，借助于压缩时间界面的输入数据原始块，时间界面按时间轴线以对数间距排列，在数量上对所有的第一和第二电势差进行求微分。通过计算方式形成待诠释参数的集合。采用计算出来的参数，针对极化传导介质中偶极子源的强度(场强)，在数学物理微分方程式基础上进行逆算解题。

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{E}\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\μ}\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\σ}\stackrel{\→}{E}\right)=0,$

上式中：

Δ-“拉普拉斯”运算符，

μ-导磁率，  对于非磁性介质它是一个常数值，

σ-单位导电率，对于极化介质它被认为是一个根据Cole-Cole公式的频率关系式。：

${\mathrm{\σ}}_{\left(\mathrm{\ω}\right)}={\mathrm{\σ}}_{(\∞)}(1-\frac{\mathrm{\η}}{1+{\left(\mathrm{i\ω\τ}\right)}^c})---\left(2\right)$

上式中：

σ_∞无穷无尽频率上的单位导电率；

η-极化系数；

ω-圆周频率；

τ-时间常数；

c-驰豫频谱的宽度，从0到1之间变化。

根据逆算问题的解决使得可以找到这样的介质模型，它在几何构造和电参数方面跟所研究的介质最为接近。此时考虑到所有先验的数据，仅仅在地质学上对理性模型级别进行解答。确定每一区域的极化系数边界值，建立测得参数σ(或者ρ)，η，τ，с的地电剖面，并将它们划分成带有异常值的一些区间，这些异常值对应于石油天然气矿藏的平面位置。本推荐方法与熟知的那些方法区别在于：以几根接收线进行测量，两根探测装置供给线的位置相对于接收线接近对称位置，此时，接收线布置在距供给线延伸扇形区30°范围内。瞬变场信号的采集或者由带有柔式几何外形的海洋探测(测深)装置进行，该装置在轮船运动时进行不间断信号采集。根据记录的电势差曲线(ΔU(i)  иΔ²U(i)，在处理之后、时间界面压缩和按时间求微分之后，对待诠释参数P₁，D_，ΔU_H，P_S的集合进行计算，计算时采用下列公式：

-当进行地面作业时：

${\mathrm{\ΔU}}_H=\frac{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_1}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_0\right)}_1}+\frac{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_2}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_0\right)}_2},$ $P_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}_1}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_1}+\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}_2}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_2},$ $P_S=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{{\left(t_i\right)}^{*}}_1}{\mathrm{\ΔU}{{\left(t_i\right)}^{*}}_1}+\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{{\left(t_i\right)}^{*}}_2}{\mathrm{\ΔU}{{\left(t_i\right)}^{*}}_2},$

-当进行海洋作业时：

${\mathrm{\ΔU}}_H=\frac{\mathrm{\ΔU}\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(t_0\right)},$ $P_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(t_i\right)},$ $P_S=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}^{*}}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}^{*}},$

上式中

●ΔU和Δ²U-分别对应的是第一和第二电场电势差，

●下标1和2对应的是供给线在第一和第二位置时所获得的测量值，

●(t_i)-时间界面，在该界面采集供给线中电流关断之后的信号，

●(t₀)-对应的是电流脉冲通过时的时间间隔，当时过渡过程的电场实际上与对应于直流电流的稳定状态值没有差别；

●上标^*对应的是当接通电流时在时间界面中(t_i)所进行的测量，

●ΔU_H-激发极化(激电法)法参数-视极化率η_K；

为了解决逆算问题运用参数P₁，D_，ΔU_H，P_S，并且注意以下内容：

-为了分层计算单位电阻值ρ首先使用参数P_S，采用它们目标函数的地形差别，依次实现参数P₁，ΔU_H，D_和P_S化为最小值，并求出η，τ，с值，建立沿着地电法ρ，η，τ，с参数值剖面深度的分布情况。在此基础上作出与碳氢化合物(уB)矿藏相关的激发极化(激电法)有无反常的结论，并对石油天然气矿藏进行圈定边界线以及对其饱和品质作出评价。在该方法中，借助于模拟-数字变换器(ADC)记录的信号块测得值，可以采用μ值进行处理，μ值是通过哈姆佩尔(Hampel)函数记录获得的时间延迟读数评估值，以及在双维滑动界面中参数整定时，分选出干扰环境中的信号。除此之外，借助于模拟-数字变换器(ADC)记录的每一个时间延迟上的信号块测得值可以进行迭代算法处理，借助于高频滤波器排除趋向，目的是使接收电极电势变化影响最小化、大地电流影响最小化。其中，可以通过微分滤波器抑制周期性工业干扰方式对ΔU(t_i)和Δ²U(t_i)信号块测得值进行处理。

附图说明

本方法在下列图纸中有描绘：

在图1上-描绘的是地面测量装置简图，其中：а)偶极子-轴向装置接收线布置图，б)供给线上的电流形式，当电流脉冲正极性、电流间歇和电流脉冲负极性时；в)模拟-数字变换器(ADC)的输入电压。

在图2上-描绘的是非极化(1-带有屏板的模型上方)和极化(2-屏板下方)半空间上方的探测(测深)曲线P₁(t)。屏板下方的极化率η等于0。曲线指数1，2，3，对应的是区段值1000，3000，5000米。

在图3，а，б，в，г上-描绘的是传统的电法勘探和本推荐工艺中出现了等价值S₂，它用于非极化和极化(第一层)H型平面。

在图4上-描绘的是用于单质均匀的极化空间两个模型的曲线ΔU(t)和D_(t)关系图。在曲线图上画的是两个不同剖面上方的模型曲线ΔU(t)和D_(t)，分别带有下部非极化层和两个极化层。

在图5а，б上-描绘的是两个不同剖面上方的模型曲线ΔU(t)和D_(t)。第一根曲线表示高阻屏板下带有传导层的4x层剖面上方曲线。剖面参数见表1。第二根曲线表示2x层剖面上方曲线。剖面参数见表2。

在图.6а，б，в上-描绘的是以双层剖面为例，本推荐方法和传统电法勘探对介质属性变化敏感度对比特性曲线。曲线指数表示的是第一层的厚度，米。剖面参数见表3。

在图7а，б，в上-描绘的是当极化率和地电层电阻变化时均方根偏差表面P₁，D_和ΔU(等值线用虚线标出，对于P₁.D_为0,005；对于ΔU为5％)。见表4。

在图г.8а，б，в-描绘的是参数η₃，T₃空间中目标函数地形的两维断面，这是针对表4中所示的模型。采用装置A 800 B 400 M 400 O 400 N。处理点用交叉符号表示。见表5。

在图9上-描绘的是当介质所有几何元件极化率极限值时的P_S值曲线图。剖面模型及所使用的装置如上所述(见图8，表5)。

在图10а，б，в上-描绘的是海洋作业方法：а)如图所示带有3个区段AB-MN的海洋测量装置简图；б)供给线上的电流形式；в)模拟-数字变换器(ADC)的输入电压。

在图11上-描绘的是带有非直线几何外形的测量装置示意图。

在图12上-描绘的是Eta深层剖面。

具体实施方式

上面提到的方法，结合了本推荐方法的论据，在下列数据的基础上实现的。

参数P₁对场的空间不均匀性(不同种性)作出反应。因为要研究它随时间的变化情况，这些变化按下列公式进行描述：

$P_1\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_1\left(t\right)-\mathrm{\Δ}{U}_2\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}{U}_1\left(t\right)+\mathrm{\Δ}{U}_2\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U\left(t\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(t\right)}---\left(3\right)$

上式中ΔU₁和ΔU₂-用于偶极子-轴向装置(见图1а)OM和ON接收线上的电势差。脉冲形式如同所示：正极性(1)，电流间歇(2)，负极性脉冲形式(3)(见图1б)。模拟-数字变换器(ADC)的输入电压对应于：第一电势差-ΔUпp(4)，第二电势差-ΔU 2пp(5)，电势差之和ΔU＝ΔU₁+ΔU₂(6)，及电势差的差值ΔU＝ΔU₁-ΔU₂(7)。(见图1в)。

对于极化介质，如图所示左曲线，随着时间的推移P₁曲线的递降支线与跟感应有关，而右曲线是一根递升曲线，它与极化效应有关。曲线递升支线的出现与激发极化(激电法)场空间不均匀性有关，它存在于任意下降时间上(见图2)。

在这里所采用方法的主要思想如下。参数P₁与传统采用参数ρ_k和η_k的关系可以通过下列方式进行描述：

ΔE_ВП/E_ВП≈dInη_k+dInρ_k+dIn1/k，    (4)

上式中k-装置的几何系数。如果要形成参数Δ_tΔE_ВП/Δ_tE_ВП(其中Δ_t表示最终的时间差值)，那么为此可以写成另外一种方式：

Δ_tΔE_ВП/Δ_tE_ВП≈dΔ_tInη_k+dInρ_k+dIn1/k，    (5)

对于差值(4)和(3)(我们用D_来表示)可以得出：

D_的物理意思将是明了的，如果考虑到：过渡(变换)特性可以根据实物特性建立的话，而其时间导数按频率特性的虚线部分[卡马罗夫.B.A.。用激发极化(激电法)法的电法勘探。.Л.，列得拉，1980.-390c.]。D_可以被看着极化体相位特性的微分-标准定额模拟体。在考虑电阻的频率离散差时等价值的范围就大大增长。这样，对于H型剖面，在那里可以看到按S₂的等价值，对于偶极子-轴向电动装置，当加入第一层极化率(η＝2％)时它们就扩大到2倍。此原因在于：所记录的场此时不仅仅包含电动力组元，而且还包含极化组元，并且那部分涡流的份额，该份额反映第二层的属性，该份额在总的信息流中将减小。所采用的参数这样建立，使得以不同的方式进行总场感应组元和极化组元引入其中。在此情况下，这就导致：用于极化和非极化剖面等价值在采用本推荐的方法时实际上没有变化(详见图3)。例如，用曲线之间的偏差％描述等价值。当在A400 B400 M200 O200 N型装置上实现测量条件下，则用下列方式描述剖面：

对于：曲线1-ρ/ρ＝0,05； h＝1/8

      曲线2-ρ/ρ＝0,1；  h＝1/4

      曲线3-ρ/ρ＝0,2；  h＝1/2

      曲线4-ρ/ρ＝0,4；  h＝1

这样，按传统电法勘探方法的曲线间的偏差，对于非极化断面(见图3а)等于：

曲线1和   2-9％

曲线1和   3-28％

曲线1和   4-57％

而对于极化断面，式中η＝2％；τ＝0,5秒；c＝0,5(见图3б)：

曲线1和2   -4％，

曲线1和3   -12％，

曲线1和4   -27％

而在本推荐方法中，曲线间的偏差：

对于极化断面(见图3в)等于：

曲线1和2   -0,4％

曲线1和3   -1,1％

曲线1和4   -3,1％

而对于极化断面，式中η＝2％；τ＝0,5秒；c＝0,5(见图3г)：

曲线1和2  -0,7％

曲线1和3  -1,7％

曲线1和4  -3,2％

除此之外，对于极化介质产生了2种新的等价值。第一种等价值与这些或那些地层的极化参数有关(Cole-Cole-η，τ和с)。当激发极化(激电法)与电动力的关系相当小时，甚至对于均匀的半空间它都将出现。可以选配一些模型，这些模型实际上单位电阻没有区别，但是带有极不相同的极化参数，对于它们下降曲线的差别ΔU(t)不会超过最初的百分率。在我们的这种情况下，那种等价值同样要参与，只不过其作用范围将小几倍(详见图4)。

从曲线图可以看出对于同种(均匀)极化空间双模型ΔU(t)和D_(t)的曲线关系。在AB＝800M，OM＝ON＝400M，区段  2400M型装置上进行过测量。

曲线1描述了带有下列参数的剖面-ρ＝100欧姆，η＝1％，τ＝1,0秒.，c＝0,5

曲线2描述了带有下列参数的剖面-ρ＝97,8欧姆，η＝1,8％，τ＝0,189秒.，c＝0,381.

对于下列曲线间均方根偏差ΔU(t)等于：

曲线1和2间等于4％(见图4а)

而对于下列曲线间均方根偏差D_(t)：

曲线1和2间等于2％(详见图4б)

在这些或那些地层的极化特性(η，τ和с)和单位电阻ρ(或者导电性S＝H/ρ)之间产生了另一种等价值。接近曲线ΔU(t)是极限情况，这些曲线位于剖面之上，剖面以有无极化地层而相区分。当采用本推荐的那些参数时，在大多数情况下那种等价值的出现实际上并不明显(详见图5)。

对于装置A 1000 B 5000 M 500 O 500 N进行计算，时间区间取1毫秒到10秒。下降曲线ΔU(t)和D_(t)如图5所示，分别见图5《а》和5，《б》。对于表1中所列的模型，其探测(测深)曲线由指数1表示。对于双层剖面(ρ₂＞ρ₁)的曲线ΔU(t)和D_(t)带有指数2，其中两层都是极化地层(见表2)。

表1

层	ρ，欧姆m	η，％	τ，秒	c	h，M
						1	50	2	0.5	0.5	200
2	1000	0	-	-	500
						3	20	0	-	-	200
4	1000	0	-	-	∞

表2

层	ρ，欧姆m	η，％	τ，秒	c	h，M
						1	50	2	0.5	0.5	200
2	300	2	0.1	0.85	∞

这样，就产生了第二种等价值。

新方法重要的优点就是对剖面地电参数变化的灵敏度升高了，首先是指极化参数。对一系列多层剖面模拟结果表明：在可比探测精度条件下同ΔU(t)相比，它们的测定精度要高3-8倍(见图6)。剖面参数详见表3。

表3

层	ρ，欧姆m	η，％	τ，秒	c	h，M
						1	50	2	0.5	0.5	1)2002)4003)800
2	200	8	1	0.5	∞

本方法的信息量由它的能力-绘制剖面地电参数能力确定，并且首先取决于等价值出现的范围以及对所研究参数的灵敏度。对于不同的极化剖面(即使是最典型的)要事先计算等价值的范围是极其复杂的，并且不管是急剧增加参数的数量(为2.5倍)，还是测量值与不同几何外形装置的单值比较的可信度都未必是合理的结果。这首先跟下列情况有关：参数P₁不遵循重叠到非线性力原则，被划分成ΔU。

本方法中逆算问题的解答方式如同在多维参数空间中寻求极值。目标函数的地形相当复杂，并且对于加入了频率关联电阻的非极化剖面就更加复杂了，就出现了新的地形作为对带有凹地的已有沟壑和山岭的补充，这就更加临界化了，产生局部的极小值，考虑到零近似值与解答处理点相距甚远，它们中就产生了实际的“冷凝”危险。

理解了问题的物理含义可以促进问题的解决。ΔU场中及其标准定额导数表明了与激发极化(激电法)的不同相互关系。[列格依多П.Ю.《石油天然气地球物理中极化剖面研究的微分-标准定额地球电法勘探理论和工艺.》评地质-矿物学博士学位的论文，伊尔库兹克，1998年]。几乎在所有的时间间隔都会有差别，但是在相当长的下降时间其差别投入到最为明显。这会导致投入到ΔU、投入到P₁和D_的剖面不同重量参数其差别很明显。不同的目标函数地形造成了这种结果，在大多数情况下是指它们局部最小值的空间疏散性(见图7)。这样，当引入到局部最小值时可以从一个求极小值函数转换到另一个求极小值函数并继续迭代法过程。ΔU，P₁和D_目标函数最小值是否吻合将受到关注和研究，通常，仅仅靠近解答处理点(按问题的提出条件)。图7上所示为两层参数空间ρ和η中目标函数的两维断面。

对于Dfi，其靠近解答处理点的目标函数地形是等值的(等测的)。没有等价值、(详见图7б)。

目标函数地形上的沟壑指明了单位电阻及系数的等价值(详见图7в)。

在表4所示及用于建立图7的模型上测量第二层的参数，即电阻10到90OM·M，极化率1到30％。

表4

слой	ρ，欧姆·M	η，％	τ，毫秒	c	h，M
						1	50	2	100	0.5	500
2	50	5	100	0.5	500
						3	50	2	100	0.5	∞

对于装置A 500 B 500 M 500 O 500 N进行计算，时间范围为3.5毫秒-1.5秒。

在当时极化参数(η，τ，с)空间中的目标函数地形要崎岖得多，特别是在作单位电阻位移评估时(详见图8，表5)。从这里就明显看出获取ρ值独立评估的必要性。

表5

Слoй	ρ，欧姆·M	η，％	τ，毫秒	c	h，M
						1	10.9	0.12	0.01	0.59	50
2	93	0.105	0.01	0.53	300
						3	8.7	0.09	0.01	0.5	100
4	279	0.06	0.01	0.4	200
						5	31	0	0.01	0.5	500
6	87	0	0.01	0.5	1000
						7	1000	0	0.01	0.5	2150

在曲线图上解答处理点用交叉符号表示(详见图8)。

基于此目的采用参数，约定称之为P_S。其形成建立的主要思想就在于：当对单位电阻保存足够的灵敏度时与极化参数的依赖关系很弱。模拟结果表明：为达到此目的使用关断电流时记录下来的参数P₁就足够了。

的确，对于相当小的下降时间来讲，激发极化(激电法)与电动力的相互关系很小，并且该参数受到介质极化参数的影响很弱。对于相当大的下降时间来讲，ΔU_ВП与ΔU_通过相比通常不超过最初的百分率。如图9所示，图上表示的是：当极化参数在实际现实可行的范围内(η从0到20％)变化时P_S变数(变差)小于0.006。这就提供了独立确定ρ值的可能性。

对于图9上的曲线图剖面模型及所要采用的装置如图8和表5所示。

这样，在逆算解答的第一阶段单位电阻值及其可能分散变化范围进行分层确定-按偏差P的泛函数求极小值；这是针对极化率的最大和最小变化范围。通常，此时P评估值的离散差不超过20％。

接着，当价定P的变数在上述范围内，通过P₁，ΔU和D_偏差泛函数依次求极小值方式对介质极化率参数值进行求解。

但是，目标函数地形往往是如此复杂，以至于要获得答案往往都成问题(寻求目标函数的绝对最小值)。在这种情况下，当同时采集表示电磁场的参数时采用多分散观测方法：

ΔU_下降与ΔU_通过，P₁，D_和P_S.这可以恢复被观测场的介质(环境)，实际上对于石油天然气含油含气地区的所有地质剖面都如此。

此时，当在陆架上进行作业时，例如，使用图10所示的装置时。

本方法按下列方式实现：

例如。在地面上由两根接地供给线构成的装置沿着断面线布置，接地供给线布置在一些接收线的两边(详见图11)。此时接收线不会贯穿扇形区的边界，在扇形区中电动力过程与激发极化(激电法)过程的标志是一致的。对于轴对称介质边界线将沿着线段分布，该线段出自于接地点、与供给线的延伸成45°角度。在实际中观测的是扇形区中接收线的位置条件，被限制为30°。电极接收线和供给线的位置借助于GPS卫星接收机进行确定。

从供给线依次对所研究的介质进行不同极性直角电流脉冲励磁，励磁占空比为2，并在每次之后作时间间歇。在此顺序的每个周期内，记录在观测点处所有相邻接收电极之间的电场电势的第一次差值以及每对相邻接收电极之间的第二次电势差值：

●接通电流时；

●通过电流时；

●电流脉冲之间的间歇时。

采用Crysrall公司的24位模拟-数字变换器(ADC)按照固定不变的时间间隔0.25毫秒同时对所有的接收线进行记录。

对获得的ΔU(t_i)和Δ²U(t_i)信号块数值进行处理，借助于已知的算法(其中包括采用评估值μ，它不仅借助于哈姆佩尔(Hampel)函数记录获得的时间延迟读数评估值，它们时间轴线分布在对数间隔上，以及分选出干扰环境中的信号，在双维滑动界面中进行参数整定；排除脉冲干扰)，而且还是原件程序(借助于微分滤波器抑制50赫兹的干扰)。对于以后的处理，第一和第二电势差的瞬时值综合到时间界面求积分。

针对供给偶极子相对于接收偶极子的每一位置测得的第一和第二电势差值求总和，那么，就获得下列进入反效程序入口的待诠释参数：

${\mathrm{\ΔU}}_H=\frac{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_1}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_0\right)}_1}+\frac{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_2}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_0\right)}_2},$ $P_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}_1}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_1}+\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}_2}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_2},$ $P_S=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{{\left(t_i\right)}^{*}}_1}{\mathrm{\ΔU}{{\left(t_i\right)}^{*}}_1}+\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{{\left(t_i\right)}^{*}}_2}{\mathrm{\ΔU}{{\left(t_i\right)}^{*}}_2},$

上式中：

●ΔU和Δ²U-分别是电场的第一和第二电势差，

●下标1和2对应的是测量供给线第一和第二位时所获得的测量，

●(t_i)-时间界面，在该界面采集供给线中电流关断之后的信号，

●(t₀)-对应的是电流脉冲通过时的时间间隔，当时过渡过程的电场实际上与对应于直流电流的稳定状态值没有差别；

●上标^*对应的是当接通电流时在时间界面中(t_i)所进行的测量，

●ΔU_H-第一电势差的标准定额值，激发极化(激电法)法参数的完全模拟

类似体，即视在极化率η_K；及如上所测得的参数P₁，D和P_S。

采用滑动时间界面中的第二级近似多项式实现按时问的数量微分运算，通过测定其系数方式进行运算。按照最小平方方法进行求近似值。

当对两个发生装置测量值求总和时遵循接收线位置相对于装置中心对称的规范要求。

当在水域进行作业时采用：在船运动时从船后对接收线和供给线进行牵引。此时，因为第一层在空间上是均匀的(海水)，则进行相对于接收电极的供给线一个位置的测量。

测定下列参数：

${\mathrm{\ΔU}}_H=\frac{\mathrm{\ΔU}\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(t_0\right)},$ $P_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(t_i\right)},$ $P_S=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}^{*}}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}^{*}},$

陆架上作业时信号的记录和随后的处理与地面上的方法相类似，海洋研究的特别之处如下所述：

●接收电极由弱极化金属丝制成，比如用铅制成，它们的直线尺寸超出浮动线的横截面不小于100倍。这样的电极结构使得可以抑制干扰的级别更大，而干扰是在接收电极运动过程中产生的。

●靠近轮船的供给电极远离船尾约50米的距离上。这就可以忽略船对过渡(变换)过程失真的影响，因为船扮演的角色就是一个截然不同的三维极化传导体。

●借助于卫星导航设备实现装置几何参数的采集。

●借助于水文地理信息的工作程序进行处理，它是对应于过渡过程测量时刻的一个时间网。

●为了获得诠释参数，对一个假想标准点范围内剖面数据进行U和Δ²U求平均值。同一个标准点相互关联的剖面线段的延伸率，按记录的实际数值进行选择，该数值具有获取所需要精度的要求。

接着，利用这4个参数及数学物理微分方程式，该微分方程式针对带有导电率频率离散差的传导介质中的电场强度：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{E}\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\μ}\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\σ}\stackrel{\→}{E}\right)=0,---\left(9\right)$

上式中Δ-“拉普拉斯”算符

μ-磁渗透率，对于非磁性介质是一个恒定值，

σ-单位导电率，对于极化介质它被认为是按照公式(1)的一个频率关系式。对地电法逆算进行解答以及对下列地电参数组合进行分层测定：单位电阻ρ(或逆算值，即单位导电率σ)，极化率系数η，时间常数T，驰豫频谱宽度с。此时首先采用P_S，进行ρ值的分层测定并确定它们的离散差，接着，利用所有这4个诠释参数，分别计算出η，τ，с。

本方法在各种各样的地质-地球物理条件下通过了验证，其中包括在卤化-碳酸盐差传导屏板下寻找矿藏，在广泛扩展暗色岩岩浆的条件下，在古老的新生的地台(台地)区域、大陆盆地、在边缘和陆架弯曲处都进行了验证。本方法的结果不取决于圈闭的类型(结构类型、结构-构造类型、结构-岩石学类型等等)以及不取决于储集层(陆源储集层、碳酸盐储集层)。

本方法可以用来勘察寻找埋深自200米到5公里的矿藏。

同时还可以用来体现局部对象失真的完全排除，它们处于测量装置周围附近的某个ε地方，对剖面的深层部分没有弱化及失真的影响。

按照上述方法获得的结果按西伯利亚地台(伊尔库兹克州)的“布拉赤基”凝析气油田上的剖面之一进行绘图(详见图12)。

水平方向表示的是按剖面的地形标，垂直方向表示的是深度。地电参数的数值用颜色标出，即是指极化系数η和单位电阻ρ，它们是逆算问题的解答结果。在深层剖面上ρ可以看到单位电阻有差别的一系列地层；在剖面的中心部分清晰地显现出地质构造的断裂损坏。在剖面的下部是带有单位电阻值偏高的地段，该地段与平面图中气藏位置相一致。在剖面以上设置有激发极化(激电法)异常，它与岩石碳氢化合物迁移作用下发生的二次改变影响有关。

这样，本推荐方法与石油天然气勘察地质学中的地震勘探的综合一体化能够大大提高预测的可信度。利用数量相当少的昂贵深井本推荐方法就可以揭示碳氢化合物矿藏及圈定其边界。本方法具有灵活机动、高地质效益和高经济效益、成本不高的特点。根据这些参数本方法就大大优越于被用来直接勘察寻找碳氢化合物矿藏的传统方法。推荐的激发极化(激电法)研究方法是非常有前景的，并且它的适用范围不仅仅局限于石油天然气地球物理领域。初步计算表明：本推荐方法用于勘察寻找矿石目标、角砾云母橄榄岩矿苗以及解决其它地质学任务也可以取得成功。

本方法可以同地震勘探法共用，用于成功解决西伯利亚地台系列区域(陆源岩与碳酸盐岩里菲系及文德系-下寒武系含油气区)、东西伯利亚台地、各陆源岩寒武系储集层石油天然气的勘察任务，在那里圈闭的尺寸等于最初的几百米，以及在西西伯利亚台地、陆源上中生代沉积层、斯基泰台地、季曼-伯朝拉含油气区、北里海与伏尔加沿岸油田、中国大港油田、溶洞-孔隙型和生物礁碳酸盐岩成油区、色楞格沉陷、各三角洲沉积层、阿穆尔凹陷，以及比亚莫凹陷、各大陆陆源岩沉积层和里海、卡拉海和亚速海陆架上，勘探埋深200米到5公里范围内的矿藏。

Claims (4)

1.电勘探法，该方法对一些分隔间距上的瞬变场进行空间微分，它是这样构成的：将电流变号直角脉冲的低频周期序列发往介质(环境)中，当探测装置沿着研究剖面进入时，对介质中的电磁场进行激励，并在此时测定所有接地点的坐标，在整个时间间隔长度上电流脉冲之间的各间歇中的给定时间间隔及整个时间间隔长度上，在电流脉冲接通之后测量几根接收引线上的每一对相邻接收电极之间的过渡过程的第一和第二电势差(电位差)瞬时值。借助于已知的算法对获得的ΔU(t_i)和Δ²U(t_i)信号块数值进行处理，例如，借助于压缩时间界面的输入数据原始块，时间界面按时间轴线以对数间距排列，在数量上对所有的第一和第二电势差进行求微分。通过计算方式形成待诠释参数的集合。采用计算出来的参数，针对极化传导介质中偶极子源的强度(场强)，在数学物理微分方程式基础上按下列公式进行逆算解题；

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{E}\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\μ}\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\σ}\stackrel{\→}{E}\right)=0,$ 公式中：

Δ-“拉普拉斯”运算符，

μ-导磁率，对于非磁性介质它是一个常数值，

σ-单位导电率，对于极化介质它被认为是一个根据Cole-Cole公式的频率关系式；

${\mathrm{\σ}}_{\left(\mathrm{\ω}\right)}={\mathrm{\σ}}_{(\∞)}(1-\frac{\mathrm{\η}}{1+{\left(\mathrm{i\ω\τ}\right)}^c})$ ，公式中：

σ_∞无穷无尽频率上的单位导电率；

-极化系数：

圆周频率：

时间常数：

c-驰豫频谱的宽度，从0到1之间变化；

根据逆算问题的解决使得可以找到这样的介质模型，它在几何构造和电参数方面跟所研究的介质最为接近。此时考虑到所有先验的数据，仅仅在地质学上对理性模型级别进行解答。确定每一区域的极化系数边界值，建立测得参数σ(或者ρ)，η，τ，c的地电剖面，并将它们划分成带有异常值的一些区间，这些异常值对应于石油天然气矿藏的平面位置。本推荐方法与熟知的那些方法区别在于：以几根接收线进行测量，两根探测装置供给线的位置相对于接收线接近对称位置，此时，接收线布置在距供给线延伸扇形区30°范围内。瞬变场信号的采集或者由带有柔式几何外形的海洋探测(测深)装置进行，该装置在轮船运动时进行不间断信号采集。根据记录的电势差曲线(ΔU(i)иΔ²U(i)，在处理之后、时间界面压缩和按时间求微分之后，对待诠释参数P₁，D_，ΔU_H，P_S的集合进行计算，计算时采用下列公式：

-当进行地面作业时：

${\mathrm{\ΔU}}_H=\frac{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_1}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_0\right)}_1}+\frac{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_2}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_0\right)}_2},$ $P_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}_1}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_1}+\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}_2}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}_2},$

$P_S=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{{\left(t_i\right)}^{*}}_1}{\mathrm{\ΔU}{{\left(t_i\right)}^{*}}_1}+\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{{\left(t_i\right)}^{*}}_2}{\mathrm{\ΔU}{{\left(t_i\right)}^{*}}_2},$

-当进行海洋作业时：

${\mathrm{\ΔU}}_H=\frac{\mathrm{\ΔU}\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(t_0\right)},$ $P_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U\left(t_i\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(t_i\right)},$ $P_S=\frac{{\mathrm{\Δ}}^{2}U{\left(t_i\right)}^{*}}{\mathrm{\ΔU}{\left(t_i\right)}^{*}},$

上式中：

●ΔU和Δ²U-分别对应的是第一和第二电场电势差，

●下标1和2对应的是供给线在第一和第二位置时所获得的测量值，

●(t_i)-时间界面，在该界面采集供给线中电流关断之后的信号，

●(t₀)-对应的是电流脉冲通过时的时间间隔，当时过渡过程的电场实际上与对应于直流电流的稳定状态值没有差别；

●上标^*对应的是当接通电流时在时间界面中(t_i)所进行的测量，

●ΔU_H-激发极化(激电法)法参数-视在极化率η_K；

为了解决逆算问题运用参数P₁，D_，ΔU_H，P_S，并且为了分层计算单位电阻值ρ首先利用参数P_S，采用它们目标函数的地形差别，依次实现参数P₁，ΔU_H，D_和P_S化为最小值，并求出η，τ，с值，建立沿着地电法ρ，η，τ，с参数值剖面深度的分布情况。在此基础上作出与碳氢化合物矿藏相关的激发极化(激电法)有无反常的结论，并对石油天然气矿藏进行圈定边界线以及对其饱和品质作出评价。

2.按第一条所述的电勘探方法，不同之处在于：借助于模拟-数字变换器(ADC)记录的信号块测得值采用μ值进行处理，μ值是通过哈姆佩尔(Hampel)函数记录获得的时间延迟读数评估值，以及在双维滑动界面中参数整定时，分选出干扰环境中的信号。

3.按第一条或者第二条所述的电勘探方法，不同之处在于：借助于模拟-数字变换器(ADC)在每一个时间延迟上记录的信号块数值进行迭代算法处理，借助于高频滤波器排除趋向，目的是使接收电极电势变化的影响最小化、大地电流的影响以及分选出的数值最小化。

4.按第一条所述的电勘探方法，不同之处在于：通过微分滤波器抑制周期性工业干扰的方式对ΔU(t_i)和Δ²U(t_i)信号块测得值进行初步的处理。

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