CN109143390A - 一种基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法：在地面钻孔，任选一个发射孔，其余为接收孔，发射孔内放置发射阵列线圈和Z向等间距阵列接收线圈，并将两者硬连接在一起；接收孔内等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，地面等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，构成矩形测量平面；采用深度移动装置同步移动发射阵列线圈和阵列接收线圈进行测量；将所有阵列接收线圈接收的响应波形进行滤波、放大处理后，转换为数字量传输到地面计算机；对各个阵列接收线圈的波形进行处理。本发明可以对浅层进行高密度采集，对采集信号依据电磁感应二次场的几何因子理论进行处理，实现电阻率异常体空间分布的高精度和分辨率勘探。

Description

一种基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法

技术领域

本发明属于地面工程施工前期的地下地基和地下构造勘探的专用技术领域，尤其涉及一种基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法。

背景技术

现有的瞬变电磁勘探方法和仪器采用地面发射、地面接收方式(纵向间距为0)；或者地面发射孔内接收方式，通过地面或者孔内接收的波形对地下深部地层的电阻率异常体进行勘探。由于瞬变电磁响应是瞬变电磁能量在地层中扩散以后形成的，响应场产生的涡流场再次产生的二次场随电阻率变化，响应值是一个体积平均结果，不同时刻的瞬变响应波形形状变化缓慢，探测深度越深，纵向分辨率越低，不但没有办法与地震波的分辨率相比，而且在浅层由于关断、干扰、盲区等影响，效果比较差，不能够满足实际工作对分辨率和精度的要求。目前迫切需要新的方法和理论，改进和完善现有瞬变电磁方法，提高探测的分辨率和精度。同样利用电磁感应原理的感应测井采用多个不同间距的测量方法则实现了高分辨率测井，纵向分辨率可以达到0.2m，其中的Doll几何因子刻画了电磁感应二次场响应与空间不同位置电导率之间的权重。本发明将两者结合，在孔内发射、在发射孔内接收并在相邻孔内等深度接收，增加水平磁场的X、Y磁场的发射线圈，激发两个正交的水平偶极子磁场，在孔内所有线圈同步移动，用连续测量方法实现高密度原始信号的采集，用相邻两次测量响应相减的响应差刻画地层对不同测量点信号的差别，用对称接收的Doll几何因子和基于电磁感应的非对称接收的几何因子刻画响应差，从而提高瞬变电磁勘探的精度和分辨率。

发明内容

本发明主要解决现有瞬变电磁勘探在浅层遇到的精度差、分辨率低的问题，提出了一种基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法，提供了一套测量方法和二次场差分信号描述方法。用该方法可以对浅层进行高密度采集，对采集信号依据电磁感应二次场的几何因子理论进行处理，实现电阻率异常体空间分布的高精度和分辨率勘探。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法，包括以下步骤：

步骤一，根据实际情况，在地面钻孔，从中任选一个作为发射孔，其余均作为接收孔，在发射孔内放置发射阵列线圈和Z向等间距阵列接收线圈，并将两者硬连接在一起；其中，发射阵列线圈由X向水平发射线圈、Y向水平发射线圈、Z向垂直发射线圈组成；

步骤二，在每个接收孔内等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，在地面等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，构成矩形测量平面；其中的每个接收线圈内部均设置有磁柱；

步骤三，采用深度移动装置同步移动发射阵列线圈和孔内所有的阵列接收线圈进行测量，其中，发射孔内的阵列接收线圈、地面的阵列接收线圈、接收孔内的阵列接收线圈同步接收；将发射孔内的阵列接收线圈、地面的阵列接收线圈、接收孔内的阵列接收线圈接收的响应波形进行滤波、放大处理后，转换为数字量传输到地面计算机；

步骤四，在计算机中对各个阵列接收线圈所测量的波形进行处理：

发射孔内的相邻深度位置测量的波形相减去掉直接耦合信号，剩余的响应差信号依据Doll几何因子差进行处理；接收孔内的响应同样采用相邻深度测量波形相减去掉直接耦合信号，波形差用非对称的几何因子进行处理；对于地面阵列接收线圈接收的波形，则用有限差分方法建立瞬变电磁响应的数值解，根据发射孔和接收孔内测量的结果设计模型进行正演计算，与实际测量的波形对比，修改模型，建立最小误差模型进行迭代处理。

步骤一中每个孔的深度介于20米到50米之间。

步骤三中深度移动装置采用同步马达。

本发明采用了大功率瞬变电磁激发方式，利用瞬变激发中阶跃函数的所有频率成分在地层中产生的涡流，测量这些涡流再次激发的二次场响应，实现浅层高分辨率地层电阻率的高密度连续测量，本发明的有益效果如下：

(1)本发明利用多个孔内发射和接收阵列同步移动的方式进行测量，能够将直接耦合场比较干净地去掉，这些信号的幅度很大，但是与地层电导率无关。

(2)本发明与传统的瞬变电磁勘探(测量响应后期幅度很小的变化过程识别地层电阻率)方法不同，本发明主要测量一次场变化最快时刻的涡流所激发的二次场有用信号。该信号的高频成分丰富，空间分辨率高。没有传统瞬变电磁勘探中的盲区。

(3)本发明与传统的瞬变电磁勘探资料处理和解释方法不同，本发明依据电磁感应所描述的Doll几何因子理论和改进的非对称的几何因子理论对资料进行处理。

(4)本发明因为在井内接收，采集信号所受的干扰小；本发明采集信号的密度高，有效信息的数据量大。

(5)本发明不但对时间过程中所包含的信号进行处理获得深部地层的信号，即处理波形形状所带来的信息，而且还对每个时刻的响应幅度进行几何因子合成处理。

(6)本发明有多种源距接收方式和非对称接收方式，通过对不同方向的瞬变电磁场的激发，对电阻率异常体进行多种形式(对称和非对称)、多个方向(涡流信号)的测量，从而实现多角度多层次的测量。

(7)本发明通过改变发射孔和测量孔之间的距离调整几何因子形状，实现了对深层的探测，借助于几何因子处理获得相对深部地层的电导率分布。

附图说明

图1是本发明采用的测量系统框图；

图2是Doll几何因子示意图；

图3是Doll几何因子差示意图。

附图标记:1发射电路，2阵列接收线圈，3模拟信号处理模块，4发射孔AD采集模块，5井下传输模块，6电缆，7地面控制模块，8计算机，9发射阵列线圈，10接收孔阵列接收线圈，11模拟信号处理模块，12接收孔AD采集模块，13地面阵列接收线圈，14放大处理模块，15地面AD采集模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供一种在浅层浅孔内发射、在浅孔内和地面接收的浅层200米综合测量方法，即一种基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法，通过在有限的空间内进行高密度测量，借助于电磁感应的几何因子和时域波形形状，分别利用瞬态波形的幅度信息和相位信息对密集采集的数据进行处理，实现高精度勘探。本发明适用于地下200米浅层的电阻率精细勘探，具体过程如下：

步骤一，根据实际情况，在地面钻多个孔，每个孔的深度介于20米到50米之间，从中任选一个作为发射孔，其余均作为接收孔，在发射孔内放置发射阵列线圈和Z向等间距阵列接收线圈，并将两者硬连接在一起。其中，发射阵列线圈由X向水平发射线圈、Y向水平发射线圈、Z向垂直发射线圈组成。

根据实际情况设计孔的位置和深度，选择发射孔和接收孔，根据探测的复杂程度，可以更换发射孔和孔间距，其中孔间距是水平方向几何因子形状的决定因素，是调整探测深度的重要参数。

步骤二，在每个接收孔内等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，在地面等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，构成矩形测量平面。为提高接收灵敏度，每个接收线圈内部均设置高磁导率的磁柱。

步骤三，采用深度移动装置同步移动发射阵列线圈和孔内所有的阵列接收线圈进行测量，其中，发射孔内的阵列接收线圈、地面的阵列接收线圈、接收孔内的阵列接收线圈同步接收。将发射孔内的阵列接收线圈、地面的阵列接收线圈、接收孔内的阵列接收线圈接收的响应波形进行滤波、放大处理后，转换为数字量传输到地面计算机。其中，深度移动装置采用多个同步马达。

具体测量过程如图1所示。由计算机8和地面控制模块7对发射、接收以及深度移动装置进行控制。该控制包括发射孔内发射阵列线圈和阵列接收线圈、接收孔内阵列接收线圈的同步上、下移动(多个同步马达)，发射孔内发射阵列线圈的XYZ发射顺序与发射周期，所有接收信号的采集同步和采集数据的传输、储存以及实时显示。对原始信息的高密度采集主要依靠发射孔内发射阵列线圈的移动实现，即每移动0.1米三个发射线圈(即X向水平发射线圈、Y向水平发射线圈、Z向垂直发射线圈)轮流发射一次，发射孔内的阵列接收线圈2、接收孔阵列接收线圈10、地面阵列接收线圈13同步接收三次。这些接收的模拟信号分别经过发射孔内的模拟信号处理模块3、接收孔内的模拟信号处理模块11和地面的放大处理模块14处理以后，分别进入高精度的发射孔AD采集模块4、接收孔AD采集模块12、地面AD采集模块15转换为二十四位的数字量。经过地面控制模块7传输给计算机8，计算机8将这些数据进行显示、存盘并进行处理。

地面控制模块7将计算机发送来的发射信号和大功率发射电流经过电缆6和井下传输模块5传输到发射电路1，发射电路1通过大功率开关器件控制发射阵列线圈9电流的通断激发瞬变电磁场。

步骤四，在计算机中对各个阵列接收线圈所测量的波形进行处理：

发射孔内的相邻深度位置测量的波形相减去掉直接耦合信号，剩余的响应差信号依据Doll几何因子差进行处理。接收孔内的响应同样采用相邻深度测量波形相减去掉直接耦合信号，波形差用非对称的几何因子进行处理。对于地面阵列接收线圈接收的波形，则用有限差分方法建立瞬变电磁响应的数值解，根据发射孔和接收孔内测量的结果设计模型进行正演计算，与实际测量的波形对比，修改模型，建立最小误差模型进行迭代处理。

计算机对采集的瞬变波形数据进行处理，主要分为两部分：

(1)最大响应差幅度的处理——几何因子

与传统的瞬变电磁勘探处理的思路不同，本发明处理激发瞬间响应最强时的响应，即瞬变电磁响应快速变化时激发的涡流场信号。该信号也称为高频信号或者浅层信号。

首先，采用相邻深度测量点的波形相减的方法去掉无用信号，仅剩下二次场信号的差。由于发射孔和接收孔内的发射阵列线圈和阵列接收线圈同步移动，所有线圈的相对位置在两次测量过程中是相对不变的，直接耦合信号完全相同，因此，在孔内测量的波形相减以后便没有直接耦合信号，仅仅剩下二次场的差。

其次，在发射孔内，利用Doll几何因子差建立响应差与空间不同位置电导率之间的关系。在邻近的接收孔内，用对称(发射接收同深度)和非对称(发射和接收非同一深度)的电磁感应几何因子，其中发射和接收线圈同轴的线圈采用Doll几何因子，偏离同轴的线圈用改进后的非对称几何因子，描述瞬变电磁响应差与空间不同位置电导率之间的关系，用反褶积和反演的方法求取地下模型及其电导率。

最后，对于地面接收信号，则用有限差分方法建立瞬变电磁响应的数值解，根据孔内测量的结果设计模型进行正演计算，与实际测量的波形对比，修改模型，建立最小误差模型进行迭代处理。

(2)后续波形的处理——时深转换

瞬变电磁响应波形是个瞬态过程，随时间变化的二次场后面的响应波形反应了相对深部介质的电阻率特征，即电磁能量所传播到的地层产生的涡流对响应的贡献。传统的瞬变电磁理论用烟圈和时深关系进行处理，本申请保留这样的处理方法，但是采用孔内激发的方式。并增加不同深度发射时发射孔和相邻接收孔接收波形的处理以及响应差波形的处理。相邻孔接收到的是从发射孔扩散传播(透射)到接收孔的响应，以及瞬变电磁能量扩散传播到相邻接收孔以后继续扩散的响应，所包含的信息较传统的瞬变电磁响应丰富；不同位置的响应差波形给出的是固定的电阻率异常体在不同位置所测量的响应差，该响应差原始信息对电阻率异常体的界面灵敏，其分辨率比响应本身高、直观、显示明显。图2是同轴时测量的响应与空间不同位置电导率的权重关系(Doll几何因子)，图3是同轴时相邻深度测量的响应差与空间不同位置电导率的权重关系(Doll几何因子差)，由于响应差的几何因子差有两个峰值，因此，不同深度的原始测量波形相减以后的响应差波形会在经过界面时出现明显的峰。该峰可以用于识别电导率异常的界面。

二次场的响应也可以用小源距(接近0源距)的Doll几何因子分析其纵向特征和横向特征。同时，因为不同频率的响应在导电地层中不一样，瞬变电磁激发的频谱在导电的地层中传播以后再次叠加形成不同形状的响应波形和二次场响应波形，该响应时刻与深度之间有对应关系，特别是二次场，其传播速度是常数，在不同位置激发时，其传播时刻和到达电导率异常体位置的时间不一样，在响应波形中会在相应时刻出现异常，该异常对浅层是通过响应形状表现的，因此可以用二次场的传播特征对响应异常进行分析，确定电导率界面位置，进一步建立电导率异常模型。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据实际情况，在地面钻孔，从中任选一个作为发射孔，其余均作为接收孔，在发射孔内放置发射阵列线圈和Z向等间距阵列接收线圈，并将两者硬连接在一起；其中，发射阵列线圈由X向水平发射线圈、Y向水平发射线圈、Z向垂直发射线圈组成；

步骤二，在每个接收孔内等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，在地面等间距放置XYZ三分量的阵列接收线圈，构成矩形测量平面；其中的每个接收线圈内部均设置有磁柱；

步骤三，采用深度移动装置同步移动发射阵列线圈和孔内所有的阵列接收线圈进行测量，其中，发射孔内的阵列接收线圈、地面的阵列接收线圈、接收孔内的阵列接收线圈同步接收；将发射孔内的阵列接收线圈、地面的阵列接收线圈、接收孔内的阵列接收线圈接收的响应波形进行滤波、放大处理后，转换为数字量传输到地面计算机；

步骤四，在计算机中对各个阵列接收线圈所测量的波形进行处理：

发射孔内的相邻深度位置测量的波形相减去掉直接耦合信号，剩余的响应差信号依据Doll几何因子差进行处理；接收孔内的响应同样采用相邻深度测量波形相减去掉直接耦合信号，波形差用非对称的几何因子进行处理；对于地面阵列接收线圈接收的波形，则用有限差分方法建立瞬变电磁响应的数值解，根据发射孔和接收孔内测量的结果设计模型进行正演计算，与实际测量的波形对比，修改模型，建立最小误差模型进行迭代处理。

2.根据权利要求1所述的基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法，其特征在于，步骤一中每个孔的深度介于20米到50米之间。

3.根据权利要求1所述的基于几何因子的浅层瞬变电磁精细勘探方法，其特征在于，步骤三中深度移动装置采用同步马达。