CN105807326A - 一种利用天波进行深部勘探的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用天波进行深部勘探的系统和方法，该系统包括：数据采集模块和数据处理模块；所述数据采集模块包括电场数据接收子模块、磁场数据接收子模块；所述数据处理模块包括视电阻率计算子模块和视相位计算子模块。本发明的系统和方法抗电磁干扰能力强、勘探精度高并且勘探成本低廉。

Description

一种利用天波进行深部勘探的系统和方法

技术领域

本发明涉及深部勘探的系统和方法，特别涉及一种利用天波进行深部勘探的系统和方法。

背景技术

我国社会经济可持续发展正面临资源紧缺的严重压力，随着矿产开发力度的加大，浅部矿产资源，如露头矿、浅部矿等，已大幅减少。很多矿山可开采的潜力严重不足，已勘探的石化能源和固体矿产资源对工业化的保障程度日趋下滑，铁、铜、铝、钾盐，石油、天然气等重要矿产高度依赖进口，已勘探的能源和固体矿产资源对工业化的保障程度日趋下滑，成为制约我国经济发展的瓶颈。立足本国、加强深部矿产资源勘查，构建国家资源安全体系成为我国地球科学领域优先发展领域之一，建立和完善隐伏矿和深层油气藏的探测方法和理论是该领域的重要研究方向和组成部分。开展第二深度空间(500m～2000m)矿产资源精细探矿，已成为一项长期而紧迫任务。地球物理勘探成为隐伏矿产资源调查越来越重要的手段，开展大深度、高精度地球物理探测研究成为深部大型矿床(藏)含矿信息探测与提取的原理和方法课题中的主要科学问题。

在深部地球物理勘探中，电磁方法在地壳结构和矿田构造分析、区域成矿流体示踪和特色成矿与大陆地球动力学研究、非常规天然气成藏动力学研究、隐伏矿和深层油气藏探测、地下水源调查等领域中有重要作用。其中天然源的大地电磁测深法(Magnetotelluric，MT)主要用于成矿、成油、储油构造方面的探查。人工源的可控源音频大地电磁法(ControlledSourceAudio-frequencyMagnetotelluric，CSAMT)和瞬变电磁法(TransientElectromagneticMethod，TEM)，大幅度提高了信号强度，获得了对矿体本身进行探测所需的较高分辨率。其中，瞬变电磁法可通过选择适当的源激励波形，将自有场和辐射场从时间上分开，进行短偏移或零偏移距观测，避免了空间距离造成的信号强度衰减，获得更大的探测深度；通过调节波形和观测时机获得特定的大地响应和需要的分辨率；时域场的传播与扩散性质，为拟地震的空间多次叠加覆盖提供了空间；还由于一次发射即可观测一系列的频率成分，瞬变电磁法的工作效率极高，为易受天气、人文地理环境影响的野外勘探争取了时机。瞬变电磁场的三维正反演、拟地震解释、新的视电阻率算法，发射波形对观测信号的影响伪随机码多道瞬变电磁法等技术也随着瞬变电磁的广泛应用、为解决更复杂的地质问题不断地深入发展。在第二深度空间矿产资源勘探中，短偏移瞬变电磁法(Short-OffsetTransientElectromagneticMethod，SOTEM)技术，将回线源瞬变电磁法常规情况下的探测深度提高了3倍，并在实际探测中取得了较好的效果。

从理论上讲，地面上的电偶极源和磁偶极源产生的电磁波向四面八方传播，按路径可分为天波、地面波和地层波(如附图1所示)，上述常规的人工源电磁法主要是在地面布设一个发射源，然后在一定范围内进行观测，发射偶极1-3km，发射功率＜30kw，主要利用地层波和地面波进行地球物理勘探，收发距为10km左右，探测深度小于1km。由于常规地球物理勘探中使用的是长波和超长波段，因此对于天波一般不予考虑，只研究地面波和地层波。这种情况下的信号源强度有限，信号覆盖范围小，野外施工成本高，装备较重，且探测深度小，在收发距较小时又容易产生近场效应，给解释带来一定困难。

所谓电磁探矿“天波”是指由百公里长的接地导线向地下注入数百安培编码电流产生的电磁波。“天波”具有向上传播到电离层，再由电离层反射到地下矿体，最后由地下矿体传到地面的特性。目前天波主要用于海洋通讯领域，导航等，而用于资源勘探在国际上都没有。由于“天波”电磁信号具有强度大、覆盖广、幅度、相位稳定，信噪比高，具有抗干扰能力强、电磁信号稳定、在空域和时域上一致性强、相关性好等优点，本发明成功开发了远场“天波”电磁探测新方法。通过利用长度大于100公里、功率达到兆瓦级的发射天线，使得收发距由常规10公里拓展到3000公里以上，在油气和金属矿勘探区进行10公里深度范围内的高精度电性结构勘查，为地下深部电性结构和空间电离层结构探测以及海上大陆架结构及资源探测提供技术支撑服务。采用本发明专利只需使用接收机，适合山区、复杂地形、大陆架等交通不便地区测量，具有经济性好、测量深度深、简便、效率高、作业成本低等优点。

CN102047147A公开了一种系统和方法，包括使用多个接收器接收从目标散发的电磁能，以及至少部分地根据所述多个接收器中的一个或多个接收器的位置和所接收的电磁信息产生伪源。

CN1820214A公开了一种用于海底电磁勘探的潜水电磁(EM)场发生器，包括：可操作成从AC输入产生DC输出的AC到DC转换器；可操作成通过选择性地切换该DC输出产生波形驱动信号的切换模块；以及可操作成响应该波形驱动信号产生EM场的天线。

CN103499842A公开了一种微米电磁勘探方法，包括如下步骤：(1)在一个观测点上采用微米波发射天线发射微米波段的电磁波；(2)在同一个观测点上采用微米波段的电磁波传感器，从开始发射电磁波的时刻开始，以10-15秒的采样间距采集反射回来的电磁波；(3)采集反射回来的电磁波，得到一条电磁波反射时间曲线；(4)在一条测线的多个观测点上进行观测采集，可以得到多条电磁波的反射时间曲线；(5)依据电磁波的传播速度，将电磁时间剖面转换成电磁深度剖面；(6)对电磁深度剖面进行地质解释，可获得地下地质信息。

CN101147084A公开了一种用于确定大海(4)的海底(3)下面的厚度S的覆盖地质层(2)下面的海下含石油液体地层(1)的电特性的方法，所述方法包含如下步骤：在所述大海(4)中安排一个或多个发送器天线(9)，以及在所述大海(4)中安排一个或多个电磁接收器(8)，所述大海具有50M-350M的浅海深度(D)；利用所述发送器天线(9)来发送频率为0.01HZ和0.10HZ之间的极低频率的一个或多个脉冲(11)的电磁信号(10)；使用与所述发送器(9)具有偏移的所述接收器天线(8)来接收由所述发射电磁信号(10)引起的传播电磁信号(12)；分析来自具有大约1KM和大约12KM之间的偏移的接收器(8)的所述接收信号(12)的一个或多个分量，所述信号(12)是否与将从含水地层(1)发生的相应信号明显不同，指示含石油液体地层(1)。

CN105301663A公开了一种时频电磁勘探数据空中采集装置，包括：时频电磁数据采集站，用于采集多个电磁场激发源激发而生成的地震数据；用于吊载所述时频电磁数据采集站的飞行器；若干组相互正交的电场传感器，其通过对应的电场数据通道与所述时频电磁数据采集站的控制器相连，用于采集勘探目标区域内的二分量或三分量电场数据；三分量的磁场传感器，其通过对应的电磁数据通道与所述制器相连，用于采集所述勘探目标区域内的三分量磁场数据。

CN102736114A公开了一种电磁及其综合勘探的设备，该设备是利用瞬变电磁或结合大地电磁与地震波进行勘探，前述设备包括：多个接收器，是散布于被勘探区域内，其中每一接收器是与一个一维或三维的携带式磁场感应器、地震检波器或微机电系统加速度计以及至少一组配对电极中至少一者相连接，用以接收并纪录来自携带式磁场感应器的一维或三维磁场数据、以及/或来自地震检波器的地震波数据、以及/或来自配对电极的电场数据；以及多个可移动式激发电磁波源以及/或地震源，是设置于邻近前述接收器的位置，用以发射电磁波讯号以及/或地震波讯号。

WO2012/125369A1公开了一种用于确定围绕钻井的清理物的体积的方法，并提供了一种测井工具。所述测井工具可以被布置在线缆、钻柱或有线钻杆上。使用所述测井工具来获得地层特性。所述地层特性可以包括：电压、体电阻率、水平电阻率、垂直电阻率、孔隙率、渗透性、流体饱和度、NMR驰豫时间、钻井尺寸、钻井形状、钻井流体组合物、MWD参数或LWD参数。使用模型响应和噪声水平来确定进入地下地层的最大勘探深度，使用所确定的最大勘探深度来确定清理物的体积。

“海洋可控源电磁勘探中空气波压制方法研究”，汪轩等，中国地球物理，2013年，公开了正海洋可控源电磁(MCSEM)勘探中空气波对海底电磁响应的影响，在浅水域勘探时，它与来自海底地层的有效信号相互作用，会淹没来自地层的有效信号，阻碍了浅水域MCSEM勘探的应用。该论文基于空气或无限水层模型，利用水与空气层交界面产生的空气波在海底和海水-空气界面之间形成衰减交混回响信

本领域需要一种抗电磁干扰能力强、勘探精度高并且勘探成本低廉的深部勘探系统和方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明人经过深入研究，充分结合天波的特性和勘探的需要，提供了以下技术方案。

在本发明的一方面，提供了一种利用天波进行深部勘探的系统，该系统包括：数据采集模块和数据处理模块；所述数据采集模块包括电场数据接收子模块和磁场数据接收子模块；所述数据处理模块包括数视电阻率计算子模块和视相位计算子模块。

优选地，其中所述数据采集模块的电场数据接收子模块包括在待测量位置垂直放置接收机，在接收机的两端布设接地电极，接地电极通过导线与接收机相连，通过测量接地电极之间的电场，得到测量位置处的电场数据。

所述数据采集模块的磁场数据接收子模块包括在待测量位置接收机，在接收机的旁边布设不接地磁棒，不接地磁棒通过导线与接收机相连，通过测量磁棒中的磁场量，得到测量位置处的磁场数据。

优选地，所述接收信号的频率范围为0.1～300Hz；各个频率点信号的接收时间从几分钟到几十分钟。

更优选地，其中接收仪器的数目为30-100台。

特别优选地，地面上放置的接地电极连接方向与磁棒的放置方向互相垂直。

特别优选地，在所述磁场数据接收子模块的接收仪器中，使用接收有效面积更大的磁棒代替传统的接收面积较小的空心线圈。进一步优选地，所述磁棒由下式所示的合金组成：Fe_aB_bSi_cP_xCu_y，该合金为非晶体合金，其中a、b、c、x和y满足以下条件：75≤a≤82at％，9.70≤b≤21at％，9.95≤b+c≤20.75at％，1.25≤x≤3at％，0.15≤y≤0.35at％和0.1≤y/x≤0.5。更进一步地，该合金通过粉末冶金法制得。本发明人经研究发现，该合金制成的磁棒比市售铁氧体磁棒的灵敏度提高30％以上。

在一个优选实施方式中，所述视电阻率计算子模块能够计算测点的视电阻率曲线和地下的视电阻率ρ_s；所述视相位计算子模块可计算测点的视相位。

在本发明的另一方面，提供了一种使用前述权利要求中任一项的系统利用天波进行深部勘探的方法，该方法包括：数据采集和数据处理；述数据采集模块包括电场数据接收子模块和磁场数据接收子模块，所述数据处理包括视电阻率计算和视相位计算。

优选地，所述视电阻率计算包括：在计算测点的视电阻率曲线时，采用类似于CSAMT的处理方法，获得地下的视电阻率ρ_s：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{1}{5f}\frac{{\left|E_x\right|}^2}{{\left|H_y\right|}^2}---\left(1\right)$

式中f代表频率，在由(1)式中，E_x、H_y表示在地面上能观测到两个正交的水平电磁场。

优选地，所述视相位计算包括：在计算测点的视相位曲线时，采用类似于CSAMT的处理方法，其中大地为电阻、电容、电感作用均具备的阻抗体，使得当地电结构变化时，不但视电阻率发生变化，而且视相位也随之变化；和ρ_s一样，也是一个宏观的体积效应的等值性，同样也可以通过相位变化的规律来研究地下的情况；

基于此，电、磁场实际上由虚部和实部两部分组成，即

E＝Re(E)+iIm(E)

H＝Re(H)+iIm(H)

式中，Re(E)和Re(H)分别为电场和磁场实部，Im(E)和Im(H)分别为电场和磁场的虚部；

由此得出视相位的表达式为

可以看出，视相位是视电阻率随频率的变化率。利用视相位可以克服CSAMT法中存在的静位移缺陷。

人工源电磁法可以提高探测精度，但存在信号覆盖范围小、探测深度浅、范围小、有近场限制、设备笨重等问题，无法满足较深层资源勘探和地震电磁监测的需要。本发明提出一种利用天波进行深部勘探，可以使得收发距由常规10公里拓展到3000公里以上，在油气和金属矿勘探区进行10公里深度范围内的高精度电性结构勘查，为地下深部电性结构和空间电离层结构探测以及海上大陆架结构及资源探测提供技术支撑服务。

附图说明

图1是电磁波传播示意图；

图2(a)是根据本发明实施例1的泌阳油田综合解释剖面图-电性结构综合解释图(WEM法)；

图2(b)是根据本发明实施例1的泌阳油田综合解释剖面图-速度结构图(地震法)。

具体实施方案

下面结合以下实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

选择距发射台300km的河南泌阳油田。仪器采用德国GMS-06型MT仪器。试验布置的测线选择在河南泌阳油田凹陷中部(泌阳油田于2003年完成)，沿一条近南北向与04地震剖面基本一致的测量剖面进行了极低频电磁勘探试验。试验测线长约33km，共设42个测点。试验台每次发射23个0.1～300Hz的频率点，测量仪器根据发射台发射频率和发射时间同步接收天波电磁信号。接收频率点分布为：256、170.67、128、85.33、64、42.67、32、21.33、16、0.67、8、5.33、4、2.67、2、1.33、1、0.67、0.5、0.33、0.25、0.17、0.1Hz。各个频率点信号的发射持续时间从几分钟到几十分钟不等，电磁仪根据发射信号频率分为4个频段，不同采样率进行连续记录。

对记录资料进行处理后得到了全部42个测点的视电阻率、阻抗相位等参数，结合该地区的地层结构得到综合地质解释结果(见图2(a))。综合解释得到的穿过泌阳盆地剖面的轮廓及其地质结构(见图2(a))与精细地震反射得到的地质结构(见图2(b))基本一致，并给出了地震资料所没有的地质新信息。天波的探测深度突破了10km，而且还揭示了10km基底地震未显示的断裂信息，费用仅为地震的1/10。

可以看出天波勘探成果能够确定含油气盆地构造形态、沉积地层分层结构、介质的横向不均匀性，能圈定复杂含油构造区，确定基底内部构造等，为确定油气的生、储、盖提供依据，对油气勘探具有重要的意义。由该实施例清楚地可以看出，与传统的电磁勘探方法对比，本发明专利具有很好的抗电磁干扰能力、很高的勘探精度和低廉的勘探成本，是电磁勘探技术发展的新阶段。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims (10)

1.一种利用天波进行深部勘探的系统，该系统包括：数据采集模块和数据处理模块；

所述数据采集模块电场数据接收子模块、磁场数据接收子模块；

所述数据处理模块包括数据视电阻率计算子模块和视相位计算子模块。

2.根据权利要求1的系统，其中所述数据采集模块的电场数据接收子模块包括在待测量位置垂直放置接收机，在接收机的两端布设接地电极，接地电极通过导线与接收机相连，通过测量接地电极之间的电场，得到测量位置处的电场数据。

3.根据权利要求1的系统，其中所述数据采集模块的磁场数据接收子模块包括在待测量位置接收机，在接收机的旁边布设不接地磁棒，不接地磁棒通过导线与接收机相连，通过测量磁棒中的磁场量，得到测量位置处的磁场数据。

4.根据权利要求1或2的系统接收信号的频率范围为0.1～300Hz；各个频率点信号的接收时间从几分钟到几十分钟，使得能够获得较好的电场数据磁场数据。

5.根据前述权利要求中任一项的系统，地面上放置的接地电极连接方向与磁棒的放置方向互相垂直。

6.根据前述权利要求中任一项的系统，其中接收仪器的数目为30-100台。

7.根据前述权利要求中任一项的系统；所述视电阻率计算子模块能够计算测点的视电阻率曲线和地下的视电阻率ρ_s；所述视相位计算子模块可计算测点的视相位。

8.一种使用前述权利要求中任一项的系统利用天波进行深部勘探的方法，该方法包括：数据采集和数据处理；所述数据处理包括视电阻率计算和视相位计算。

9.根据权利要求8的方法，其中所述视电阻率计算包括：在计算测点的视电阻率曲线时，采用类似于CSAMT的处理方法，获得地下的视电阻率ρ_s：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{1}{5f}\frac{{\left|E_x\right|}^2}{{\left|H_y\right|}^2}---\left(3\right)$

式中f代表频率，在由(3)式中，E_x、H_y分别表示在地面上所观测到电场数据和磁场数据。

10.根据权利要求8-9中任一项的方法，其中所述视相位计算包括：在计算测点的视相位曲线时，采用类似于CSAMT的处理方法，其中大地为电阻、电容、电感作用均具备的阻抗体，使得当地电结构变化时，不但视电阻率发生变化，而且视相位也随之变化；和ρ_s一样，也是一个宏观的体积效应的等值性，同样也可以通过相位变化的规律来研究地下的情况；

基于此，电、磁场实际上由虚部和实部两部分组成，即

E＝Re(E)+iIm(E)

H＝Re(H)+iIm(H)

式中，Re(E)和Re(H)分别为电场和磁场实部，Im(E)和Im(H)分别为电场和磁场的虚部；

由此得出视相位的表达式为