CN109061741A - 基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法，选用2⁷序列伪随机编码作为激励信号，通过提取伪随机电磁场响应中、晚期时段的信息进行高阻异常体的识别。本发明通过提取中、晚期时段的异常响应实现了高阻异常体的识别，从而为采用伪随机电磁法寻找金属矿、含水地质体以及油气储层等提供了理论依据。

Description

基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法

技术领域

本发明涉及地球物理电法勘探领域，具体涉及一种基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法。

背景技术

电磁法是地球物理电法勘探的重要分支，该方法主要利用地下介质的导电性、导磁性和介电性等差异，应用电磁感应原理观测和研究人工或天然形成的电磁场分布规律，进而解决各类地质问题。现代意义上的大地电磁法(MT)建立在前苏联的А.Тихонов(1950)和法国的Carniard(1953)分别、独立地提出的原理基础之上。该方法利用天然场源，在大深度探测，如地球深部构造和油气勘查方面具有独特的优势。然而，也正由于利用天然场源，MT法存在两个不可避免的弱点：场源的随机性和信号微弱，使得MT法的精度和效率都很低。1971年，D.W.Strangway和Myron Goldtein提出了可控源音频大地电磁法(CSAMT)。以人工场源代替天然场源，克服了MT法场源随机性的缺点，信号强度也比MT法大为提高。但是CSATM供电与测量采用变频方式，每次仅能采集一个频率的信息，还需要在远区测量相互正交的电、磁分量，因此效率较低。瞬变电磁法(TEM)是时间域电磁法，属于人工源电磁法的另一个分支。该方法在断电后测量二次磁场及其时间导数，以电磁波信号传播经历的时间来评价地下的电性分布，避开了一次场的强信号，因而可以在近区进行测量。但二次场信号微弱不利于测量，加大供电电流又与装备轻便化相矛盾。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法，选用2^７序列伪随机编码作为激励信号，通过提取伪随机电磁场响应中、晚期时段的信息进行高阻异体的识别。

本发明通过提取中、晚期时段的异常响应实现了高阻异常体的识别，从而为采用伪随机电磁法寻找金属矿、含水地质体以及油气储层等提供了理论依据。

附图说明

图1伪随机发射电流波形及其电磁响应；

图中：(a)2^７伪随机发射电流波形；(b)接收线圈的感应电动势。

图2含高阻体的均匀地层在t＝118ms时刻的磁场强度切片。

图3含高阻体的均匀地层在t＝16ms时刻的磁场强度切片；

图中：(a)Hz分量切片；(b)Hr分量切片。

图4含高阻体的均匀地层在t＝50ms时刻的磁场强度；

图中：(a)Hz分量切片；(b)Hr分量切片。

图5含高阻体的均匀地层在t＝102ms时刻的磁场强度；

图中：(a)Hz分量切片；(b)Hr分量切片。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

能量分配

根据电磁波的波动理论，某一谐波成分携带的能量与其振幅的平方成正比。将n值一定的2ⁿ序列伪随机编码的总能量记为把第k次谐波的能量记为则用归一化的即表示各主要谐波在总能量中所占的份额。而用各主要谐波成分用归一化的总和，即表示各主要谐波成分能量之和在总能量中所占的份额。计算了当n＝2～7时，不同编码中各谐波成分和的值，如表1所示。

表1伪随机编码的主要成分的能量分配

由上表可以看出，2ⁿ序列伪随机编码的n个主要成分的频率按二进制作有规律的递增，能量在主要成分之间分配较为合理，彼此之间相差不大。当n为奇数时，能量集中在主要成分的优势更加明显。例如，伪随机三频波，其三个主要成分的能量之和占总能量的81％；而伪随机二频波的主要成分能量之和仅占总能量的40.5％。伪随机五频波，其五个主要成分的能量之和占总能量的74.8％；而伪随机四频波的主要成分能量之和仅占总能量的54.9％。伪随机七频波与六频波相比，也具有同样的特点。多一个频率反而使能量更加集中，观测到的信号强度还略有增强。因此本实施例选用2^７序列伪随机编码作为激励信号。

伪随机序列的电磁响应特征

采用铺设于地面的载流线圈作为发射场源。可以解得铺设于大地表面的垂直磁偶极源产生的磁场只有H_r和H_z分量，其表达式分别为：

其中，磁偶源的磁矩M＝I·N·S，I为磁偶极源的发射电流，N为发射线圈匝数，S为发射线圈的面积。波数r为收发距。由式(1)知，垂直磁偶极源的磁场垂直分量H_z以r⁵衰减，场强随收发距衰减快，观测信号弱，造成信噪比偏低。但同时，H_z与ρ成正比，因此对地下电阻率变化比较敏感。由式(2)可以看出，垂直磁偶源产生的磁场水平分量H_r与r成反比，信号强度大，场强随收发距的衰减比其他分量都要慢，从而可以获得高的信噪比，有利于保证观测精度。另外，在对于低阻地区观测中，由于E＝jρ，使得低阻区观测的电场分量普遍遇到信号小的观测困难，而场量H_r则不受这种困扰，地下电阻率越低，信号反而越强。但是，地下电阻率信息ρ都隐含在以ikr为自变量的虚宗量贝塞尔函数中，这又增加了提取电阻率信息的难度。

均匀地层的响应

采用地面磁偶极源发射装置，以幅度为5A的2^７伪随机电流作为激励信号。采用有限元数值方法计算了体积为5000m×5000m×3000m，均匀地层电阻率ρ＝100(Ω·m)的电磁场响应，结果如图1所示。其中，图1(a)为2^７伪随机发射电流波形，图1(b)为接收线圈的感应电动势。可以看出，对应于发射信号的每一个跳变沿，感应电动势均有一个尖脉冲。通过提取响应信号中每个离散频率的幅度和相位信息，达到储层特性识别的目的。

均匀地层中含高阻异常体的场强分布

在上述均匀大地中置一电阻率为ρ＝10000(Ω·m)，长2000m、宽1500m、高500m、顶部埋深200m的三维水平高阻体，见图2所示。给地面磁偶极源通以幅度为5A的伪随机7频波电流，采用有限元方法计算了一个发射周期内地层中的磁场响应分布。图2显示了时间t＝118ms时刻的磁场强度H_r和H_z的切片图。由图可见，当给磁偶极源加载伪随机发射电流时，会在大地介质中感应出涡流，这种涡流可以近似用圆形电流环等效。随着时间的推移，地层中的感应涡流逐渐向下向外扩散。相对于高阻异常体，伪随机信号在周围地层介质中产生的场更强一些。

为进一步了解伪随机信号产生的场在地层介质和异常体中的分布状况，抽取了t＝16ms、t＝50ms以及t＝102ms时刻，伪随机电磁场响应H_r和H_z分量的切片图，分别如图3，图4和图5所示。

由图3可以看出，磁场强度H_r和H_z分量在异常体周围并未出现明显不同，高阻异常体引起的畸变几乎无法察觉。说明在电磁场响应的早期时段(t＝16ms)，伪随机发射信号在地层介质中激发出涡流。由于地层介质电阻率低于异常体电阻率，因此当感应涡流扩散到高阻体附近时，难以进入高阻异常体，而是继续向地层深处扩散。

在电磁场响应的中期时段(t＝50ms)，由伪随机磁场响应H_r和H_z分量的切片图4可见，地层介质和高阻异常体内磁场强度等值线密度出现了变化，高阻异常体内磁场强度等值线密度低于地层介质中的等值线密度。说明，随着时间的推移，感应涡流在地层中逐渐向外向下扩散，在地层介质中激发场较强，而在高阻异常体内的激发场相对较弱。

在电磁场响应的晚期时段(t＝102ms)，伪随机磁场响应H_r和H_z分量的切片图见图5所示，此时异常体内外磁场强度等值线出现了明显不同，尤其在异常体外左上角位置，磁场强度等值线密度明显增大。表明随着时间的推迟，感应涡流逐渐向地层深处扩散时，在地层介质中(电阻率较低)感应出较强的涡流场，而在异常体内部的感应场则相对较弱，并且存在时间延迟。说明异常体电阻率越高，在其中激发的涡流越小，相应的电磁场响应强度也越低。因此，对于相对围岩的高阻异常体，可以通过提取伪随机电磁场响应中、晚期时段的信息，达到储层特性识别的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法，其特征在于：通过提取伪随机电磁场响应中、晚期时段的信息进行高阻异体的识别。

2.基于伪随机电磁响应的高阻异常体识别方法，其特征在于：选用2⁷序列伪随机编码作为激励信号。