CN101283292B - 多瞬时直流电阻率测量 - Google Patents

Abstract

一种测量地内电阻率变化的方法，包括：在两个源电极之间传递瞬时电流；在所述源电极测量所述瞬时电流；测量至少一对接收器电极之间的所得到的瞬时电压；估计一个或多个处理函数，该处理函数应用于所测量的输入电流，以提供阶跃电流分布图，并将相同的一个或多个处理函数应用于所测量的电压，以提供所述接收器之间的阶跃响应电压的估计；使用所述阶跃电流和所估计的阶跃响应电压来确定所得到的表观地电阻；以及使用所述表观地电阻来确定地电阻率。

Description

多瞬时直流电阻率测量

技术领域

本发明涉及多瞬时直流电阻率测量。此外，本发明涉及使用这种多瞬时直流电阻率测量来估计地(earth)的响应，由此探测例如含碳氢化合物或含水的地层(formation)的系统和方法。

背景技术

多孔岩石浸透有流体。这些流体可以是水、气、石油、或者这三者的混合物。地内电流由这些岩石的电阻率确定，该电阻率受该浸透流体影响。例如，盐水浸透的多孔岩石的电阻远低于填充有碳氢化合物的同样岩石。因此，地球物理学的目的是通过测量地质构造(geological formation)来确定是否存在碳氢化合物。如果使用诸如震波勘探的其它方法的测试暗示地质构造有可能含有碳氢化合物，则在钻探之前，重要的是获得有关该地层是否确实包含碳氢化合物或者其主要包含水的某种指示。使用电磁技术，更具体而言时域电磁技术，可以达成这一点。

仅一个世纪，直流(DC)方法在地表上用于确定表面电阻率分布。最早的工作是由Schlumberger兄弟以及由Wenner(Wenner，F.，1912，A method for measuring earth resistivity.US Bureau of StandardsBulletin，12，469-478.)做出。存在三种一般的DC电阻率勘测方法：垂直电测深(VES)、剖面勘探(profiling)以及成像。在VES勘测中，选定测量阵列的尺寸增大，同时该阵列的中心点保持固定。随着阵列展开，电流穿透更深且得到的测深曲线被解释为电阻率随深度变化。在剖面勘测中，阵列类型及其尺寸均选择为针对具体调查深度。该阵列沿表面移动以确定电阻率的横向变化。成像或地电阻断层成像(ERT)方法组合了VES和剖面勘探。在该方法中，大量电极通常等间距地置于地面内，且使用多芯线缆连接到电阻率计。该系统在软件控制下工作，其中任意两个电极可以被选择成电流电极，且任意两个其它电极可以被选择成电势(电压)电极。电阻率值在该剖面下的截面上被获得，并指示横向及深度变化。

通过将直流电流注入于两个源电极S1和S2之间并测量两个接收器电极R1和R2之间的电压，由此进行DC测量。从在源电极注入的电流I和在接收器电极测量的电压V，由欧姆定律得到表观地电阻的值：

R_app＝V/I Ohm                                 (1)

从该电阻可以得到地下(subsurface)电阻率ρ_app的表观值：

ρ_app＝kR_app Ohm m                            (2)

其中k单位为米且为依赖于四个电极的布置的几何因子。使用该表观电阻率，可以确定真实的地下电阻率。根据表观电阻率值来确定地下电阻率分布的真实值的技术的完整综述，由Loke M.H.于1999年在Electrical imaging surveys for environmental and engineeringstudies(http://www.abem.com/ftp/Loke/2Dnotes.pdf)给出。

DC测量用的四个电极具有若干公知配置，其中三种示于图1至3。图1示出Wenner阵列，图2示出Schlumberger阵列，以及图3示出偶极-偶极(DIPOLE-DIPOLE)阵列。对于每种阵列，k因子不同，由下式给出：

k_WENNER＝2πa，                              (3)

$k_{\mathrm{SCHLUMBERGER}}=\frac{{2\mathrm{\πa}}^2}{b}[1-\frac{b^2}{{4a}^2}],\mathrm{for\; a}\≥5b,---\left(4\right)$

k_{DIPOLE-DIPOLE}＝πan(n+1)(n+2).              (5)

图3的偶极-偶极阵列确定横向电阻率变化优于深度变化。在电势电极之间测量的电势差值随着与电流电极的距离的立方而衰减。这将用于实用目的的该阵列的配置限制在n≤6的值。Edwards(Edwards，L.S.，1977，A modified pseudosection for resistivity and IP.Geophysics，42，1020-1036)讨论了用于电阻率的拟断面表示以及特定用于偶极-偶极阵列的IP。给出了对于n≤6的理论和实际结果，且参考n＝∞的“理想阵列”。

如图5所示，调查深度d与偶极深度a以及偶极间隔na有关。这种情况下，地电阻率可被推定的最大调查深度d与该配置有关，且约为(n+2)a/5。实践中，由于在接收器处的信号幅值近似按(na)^-3减小，而噪声水平不依赖于n和a，信噪比按(na)^-3减小。通过增加在源注入的电流和通过增加偶极距离a，可以增大信号水平。对于可以安全地注入地的电流水平，n通常不大于约6，且其满足：

d≤1.6a                                     (6)

换言之，调查深度d小于源或接收器电极之间的间距的1.6倍。a增大将增加调查深度，但减小所制图(mapped)的地下电阻率分布的分辨率。

在进行DC测量时发现，如果电流长时间具有同一极性则电极被极化且得到R1和R2之间地内电压的错误测量。采用两种策略来克服该问题。一种是使用非极化电极。更普遍的另一种方法是周期性地切换DC电流的极性；这实际上形成交变方波输入电流，或者AC。所有现代设备使用这种技术。

在AC方法中，可以引入变化，例如将电流切换到零保持特定时间段，例如如图4所示。这种情况下，切换之间的周期T通常约为1秒。这里所示的函数每4T重复。电流在源电极S1和S2之间导通的周期内，执行R1和R2之间所得到的DC电压的估计。实际上，R1和R2之间的电压在这些周期内不是严格地恒定：信号花费时间到达稳态值且存在噪声。使用各种平均技术来补偿该噪声。应注意，在该上下文中，“DC电阻率”中的术语“DC”是指基本上低频，而不是零频率。这在地质勘察工业中已经被接受。

每次源电极处的电流切换时，地作出响应且接收器电极处的电压改变。地内的电流由扩散方程主导，且接收器处的响应花费时间到达稳态。这是众所周知的，且在朝向电流导通的周期的末端的时间间隔内，测量该DC水平的估计。例如，Geopulse Tigre Resistivity Meter采用电压测量，这些电压测量是在电流导通周期的后4/5内进行(User’s Manual，Geopulse Resisitivity Meter，Campus InternationalProducts Limited，Concept House，8 The Townsend Centre，Blackburn Road，Dunstable，Bedford，England LU5 5BQ)。因此已知存在对电流切换的瞬时响应，但在特定时间之后，认为达到稳态响应。

在该传统方法中，达到稳态的预期时间是基于经验，不过完全明白最终稳态值永远无法达到。然而，出于实用目的，对于这种配置，且在仪器和噪声的限制内，通常在约0.1秒后达到稳态值。在装备的尺度增大一个数量级左右的某些深的低分辨率勘测中，出于实用目的，仅在几秒之后达到稳态值。使用偶极配置测量的、对导通电流的电压响应的例子示于图6。这称为阶跃响应。响应的第一部分显示初始电压阶跃；在该具体情形中，随后是略微下降，接着是电压上升，该电压上升看上去在约0.1s后趋于稳态值。

图7示出图6的阶跃响应的时间导数。这已知为脉冲响应。脉冲响应中的初始大尖峰对应于阶跃响应中的初始阶跃。在这之后是下降，上升到较小峰，且随后幅值非常缓慢减小，之后随着时间的增加而趋于零。脉冲响应的持续时间是无穷大的，正如阶跃响应的持续时间是无穷大的。然而，随着脉冲响应的幅值越来越小，测量变得越来越难。当幅值太小无法测量时，这实际上定义了瞬时脉冲响应的持续时间。

本发明的目的是改善地电阻率测量的灵敏度。

发明内容

根据本发明一个方面，提供了一种测量地内电阻率变化的方法，包括：在两个源电极之间传递电流；在该源电极测量瞬时电流；测量至少一对接收器电极之间的所得到的瞬时电压；估计一个或多个处理函数，该处理函数应用于所测量的输入电流，以提供阶跃输入分布图(profile)，并将相同的一个或多个处理函数应用于所测量的电压，以提供接收器之间的阶跃响应电压的估计；使用该阶跃电流和所估计的阶跃响应电压来确定所得到的表观地电阻；以及使用该表观地电阻来确定地电阻率。可以使用标准DC电阻率反演方法来实现电阻率的确定。

该处理函数可以是滤波器。备选方法是使用滤波器将所测量的电流转换成脉冲并对该结果积分以获得电流阶跃；将同一滤波器应用于所测量的电压并对该结果积分将得到阶跃响应电压。存在其它方法可获得同样结果。关键点在于，处理方法可用于将测量的瞬时输入电流和电压响应分别转换成阶跃和阶跃响应，由此得到DC响应。

使用该技术将DC电阻率测量的灵敏度改善到这样的程度，即，n的值可以增大至少一个数量级至约80，这因此使得d增大至约120a。因此，调查深度可以增大不止一个数量级，而不降低所制图的地下电阻率分布的分辨率。

根据本发明，源处的输入电流和接收器处的测量电压均被测量和记录为时间的函数。这些时间函数被转换成数字数据并在计算机中使用计算机软件处理。计算机处理可包括许多操作，包括除去文化噪声(cultural noise)-例如50Hz或60Hz电源发生，以及通过去卷积来除去记录系统响应，如WO 03/023452 A1所披露。

输入电流可以是简单阶跃、方形波、或者甚至是归零调制信号-通常称为“占空比”-如图4所示。此外，该输入电流可以是例如1和0或者是1和-1的伪随机二进制序列，这将使得可以推导出源和接收器之间的地的阶跃响应(以及因此所述稳态值)。

根据本发明另一方面，提供了一种用于测量地内电阻率变化的系统，包括：源，用于在两个源电极之间传递电流；电流测量装置，用于在该源电极测量瞬时电流；电压测量装置，用于测量至少一对接收器电极之间的所得到的瞬时电压；以及处理器，配置成估计一个或多个处理函数，该处理函数应用于所测量的输入电流，以提供阶跃电流分布图；将相同的一个或多个处理函数应用于所测量的电压，以提供接收器之间的阶跃响应电压的估计；使用该阶跃电流和所估计的阶跃响应电压来确定所得到的表观地电阻；以及使用该表观地电阻来确定地电阻率。

根据本发明又一方面，提供了一种计算机程序，其使用一对源电极之间的输入电流的测量和至少一对接收器电极之间的所得到的瞬时电压的测量来确定地内电阻率变化，该计算机程序包含代码或指令，用于估计一个或多个处理函数，该处理函数应用于所测量的输入电流，以提供阶跃电流分布图；将相同的一个或多个处理函数应用于所测量的电压，以提供接收器之间的阶跃响应电压的估计；使用该阶跃电流和所估计的阶跃响应电压来确定所得到的表观地电阻；以及使用该表观地电阻来确定地电阻率。

附图说明

现在仅仅通过示例性地并参考附图来描述本发明的各个方面，附图中：

图8为使用DC测量来确定地电阻率的方法的流程图；

图9为在应用滤波器之后的所测量的输入电流的曲线；

图10为在应用了对图9的结果所使用的相同滤波器之后的测量电压的曲线；以及

图11为一系统的示意性图示，该系统中一对源电极与多对接收器电极相关联。

具体实施方式

图3和5的源/接收器电极布置可以用于实施本发明。这要求测量源输入电流时间函数，该测量可以通过理想地置于源电极之间的电流计来完成，使得输入电流的直接测量可以实现。电流计可以是任何合适的形式，例如磁力计。

图9示出了实施本发明的方法。在第一步骤，瞬时输入电流在两个源电极之间传递，且在两个接收器电极之间被测量。测得的输入电流函数可以表达为例如I(t)，其中t为时间。通过与滤波器f(t)如下进行卷积，所测量的电流转换成例如单位幅值的阶跃函数：

I(t)*f(t)＝H(t-t₀)                                  (7)

其中H(t)为单位阶跃函数，且t₀为阶跃的时间。结果示于图9。

在该接收器的测量的电压响应例如为M(t)。该响应可以与同一滤波器f(t)来卷积以得到阶跃响应X(t)：

M(t)*f(t)＝X(t)                                     (8)

图10示出对测得电压进行滤波以得到阶跃响应的结果。原则上，如所看到，阶跃响应达到稳态值V∞需要无限量的时间，且因此V∞实际上无法测量。对于传统的所谓DC电阻率测量，情况当然也是如此。最终值V∞的估计可以通过各种方法来进行，其中一种概述如下。结果是可以找到对于1安培的DC电压V∞，且地电阻因此为

R_app＝V_∞/1ohms                                         (9)

电压的稳态值V∞可以通过各种技术来估计。参考图10，在t＞t₁后期的测量电压可以描述成

V(t)＝V_∞+V₀t^-a，for t＞t₁，                            (10)

其中

$V_0=[V\left(t_1\right)-V_{\∞}]t_1^a---\left(11\right)$

其中t₁可以变化，且依赖于偏移(offset)。通过将方程(9)描述的曲线拟合到该数据并使不吻合误差最小化，发现V∞和α的值。该值随后可以用于确定DC电阻。对于每个源-接收器对，所得到的DC电阻的值可以放到二维或三维电阻率反演程序中，例如RES2DINV和RES3DINV，如Loke(1999)中所描述，以获得地下电阻率分布的图。该程序的其它输入参数为电极的坐标。

对于给定源-接收器对，该测量可以重复许多次并被平均(或“堆栈(stack)”)，从而改善信噪比并改进V∞的值的估计。给定一对源电极可设置有许多对接收器电极，且因此可以进行所接收的电压的许多同时测量，如图11所示。这种情况下，源电极分开距离a，且每对接收器电极分开距离a。在本示例中，n选择为整数且其值为m、m+1、m+2、m+3等。尽管示出了在源和每个接收器对的电极间隔相等的配置，但可以理解可以使用许多不同的配置。同样地，整个装备可以横向平移例如距离a或者a的倍数，以获得地下电阻率分布的多次覆盖范围。

技术人员将理解，可以对所披露的布置进行变型而不背离本发明。例如，该方法可以应用于陆地或海上。对于海洋情形，电极不一定需要位于海底，且不需要固定。可以想到，整个源-接收器电极配置可以拖挂在船只后面，该船只供应电流到源并记录源电流和接收的电压。因此，对具体实施例的上述描述仅仅是示例性的，而非限制性的。技术人员将显见，可以进行较小调整而不显著改变所述的操作。

Claims (14)

1.一种测量地内电阻率变化的方法，包括：

在两个源电极之间传递瞬时电流；

在所述源电极测量所述瞬时电流；

测量至少一对接收器电极之间的所得到的瞬时电压；

估计一个或多个应用于所测量的输入电流的处理函数，以提供阶跃电流分布图，并将相同的一个或多个处理函数应用于所测量的电压，以提供所述接收器之间的阶跃响应电压的估计；使用所述阶跃电流和所估计的阶跃响应电压来确定所得到的表观地电阻；以及使用所述表观地电阻来确定地电阻率。

2.如权利要求1所述的方法，其中将所估计的处理函数应用于所测量的电压的步骤涉及：所接收的电压与所估计的处理函数进行卷积以找到相应的阶跃响应。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述处理函数为滤波器，用于将所测量的输入电流转换成阶跃分布图。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个处理函数包括用于将所测量的电流转换成脉冲的滤波器以及对结果积分以获得所述阶跃输入分布图的装置。

5.如前述权利要求任意一项所述的方法，包括除去文化噪声。

6.如前述权利要求1-4中任意一项所述的方法，包括根据阶跃响应估计稳态电压。

7.如前述权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中所述源和接收器电极设置在海洋环境中。

8.一种用于测量地内电阻率变化的系统，包括：

源，用于在两个源电极之间传递电流；

测量装置，用于在所述源电极测量所述瞬时电流；

电压测量装置，用于测量至少一对接收器电极之间的所得到的瞬时电压；以及

处理器，配置成估计一个或多个处理函数，所述处理函数应用于所测量的输入电流，以提供阶跃电流分布图；将相同的一个或多个处理函数应用于所测量的电压，以提供所述接收器之间的阶跃响应电压的估计；使用所述阶跃电流和所估计的阶跃响应电压来确定所得到的表观地电阻；以及使用所述表观地电阻来确定地电阻率。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述处理器可用于通过使所接收的电压与所估计的处理函数卷积找到相应的阶跃响应，来将所估计的处理函数应用于所测量的电压。

10.如权利要求8或9所述的系统，其中所述处理函数为滤波器，用于将所测量的输入电流转换成阶跃分布图。

11.如权利要求8所述的系统，其中所述一个或多个处理函数包括用于将所测量的电流转换成脉冲的滤波器以及对结果积分以获得所述阶跃输入分布图的装置。

12.如权利要求8、9或11所述的系统，其中所述处理器可用于除去文化噪声。

13.如权利要求8、9或11所述的系统，其中所述处理器可用于根据阶跃响应估计稳态电压。

14.如权利要求8、9或11所述的系统，其中所述源和接收器电极设置在海洋环境中。

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