CN109209338B - 一种用于探测井旁异常体的电法观测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于探测井旁异常体的电法观测系统，采用以下方法获得：(1)确定测量区域；(2)在测量区域内布设测线；(3)在测线上布置供电电极；在井中布置测量电极。本发明建立的观测系统操作简便，易于实现，可用于寻找井旁隐伏矿体和圈定井旁岩溶、孤石等不良地质体的空间分布，也可用于监测地下水的动态变化和地下污染物的扩散情况。本发明还公开一种探测方法，根据观测系统采用三级装置采集数据，对实测数据定性解释，并进行三维反演成像，根据成像结果推断地下异常体的电性特征和空间分布形态，本发明借助钻孔和地表观测空间，实现了近目标体探测，弥补了单一观测空间信息量不足和分辨率低的缺点。

Description

一种用于探测井旁异常体的电法观测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及探测技术领域，特别地，涉及一种用于探测井旁异常体的电法观测系统的建立方法及探测方法。

背景技术

直流电阻率法是地球物理勘探电法勘探中的一种重要方法，在金属和非金属矿产、地下水资源、工程与环境等领域被广泛应用，应用效果卓越。电阻率法观测的视电阻率与地下介质的电阻率直接相关，通过人工向地下供电，在地表或井中测量视电阻率，以对地下异常体的分布作出估计与判断。直流电法中的高密度电阻率法、垂直激电测深法在探测几十米至几百米深度的目标体时有操作简单、经济及定量反演解释方法相对成熟等特有的优势。但是在探测中深部地质目标体时，对于几何探测的常规电测深法，只能通过增大供电电极极距来增加探测深度。如果勘查区存在钻孔的情况下，可以同时借助地表和钻孔的观测空间，能够获取大量的井旁地电信息，对弥补钻孔周围的信息缺少和提高井旁异常体的探测效果大有裨益。

因此，设计一种新的用于探测井旁异常体的电法观测系统的建立方法及探测方法具有重要意义。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种用于探测井旁异常体的电法观测系统，具体技术方案如下：

一种用于监测井旁异常体的监测系统，通过以下步骤进行建立：

确定测量区域，具体是：根据井旁异常体的分布情况，结合钻孔的位置及深度，以钻孔为中心，在钻孔周围确定半径为R的圆形测量区域；

布设测线，具体是：在测量区域内布设测线，测线以井口为起点沿一定方向引出，布设在测量区域内，多条测线以井口为中心呈放射状布设在井口周围；

布设电极组，具体是：布设电极组包括布置供电电极和布置测量电极，测线上布置供电电极时，以井口为起点，沿径向方向相邻两个供电电极之间的距离为等算术间隔、等对数间隔或从井口向外服从斐波那契数列，负极置于无穷远；测量电极布置在钻孔中。

以上技术方案中优选的，测量区域半径R的确定具体是：根据异常体的最大埋深H₁和异常体到钻孔的最大距离H₂，确定测量区域半径R，如果H₁≥H₂，测量区域半径取1.1H₂<R<1.2H₁；如果H₁<H₂，测量区域半径取1.1H₂<R<1.2H₂。

以上技术方案中优选的，测线布设按实际需求可以选择均匀布设或者非均匀布设，均匀布设时相邻两条测线之间的夹角范围为20°-90°，非均匀布设时测线的疏密程度根据地下异常体的分布情况决定，在异常体上方区域测线布设较为密集，在非异常区域测线布设较为稀疏；

测线上的相邻两个供电电极之间的距离优先选用斐波那契数列，即第i个供电电极距为第i-1个供电电极距与第i-2个供电电极距之和，其中i为大于等于3的自然数。

以上技术方案中优选的，测量电极的数量至少为两个以上，多个测量电极一次性沿钻孔深度方向布置在钻孔中；或者是一个测量电极对沿钻孔深度方向可移动式布置在钻孔中，单次移动距离不超过两个测量电极的距离。本发明中测量电极的布置分两种情况：(1)如果实际操作要求对地下异常体进行长期动态监测，测量电极须一次性布置在钻孔中；(2)如果实际操作要求探测钻孔周围的地下异常体，采集数据时，给定一个供电点，在测量电极对进行测量，改变供电点，再进行测量，直到所有的供电点结束，考虑钻孔深度不同，如果钻孔较深，为了提升纵向分辨率，会较小距离的移动测量电极对，移动距离D一般小于两个测量电极之间距离d，取D＝(0,d)，具体取值大小，根据实际需求决定，此时测量电极不能一次性布置完成。

本发明的第二目的在于提供一种井旁异常体的探测方法，包括以下步骤：

根据建立的探测井旁异常体的电法观测系统获得各测量电极的视电阻率数据，对实测数据定性解释，分析地下不同深度的电性变化规律，并对数据进行三维反演成像，得到地下电阻率的三维空间分布，根据反演成像结果，推断地下异常的电性特征和空间分布形态。

以上技术方案中优选的，获得各测量电极的视电阻率数据具体是：采用三极观测装置进行数据采集，详情是：一个供电电极供电，在井中测量电极对进行测量，以两个测量电极中间为数据记录点记录数据，改变供电电极，再进行测量，直到所有的供电电极供电结束；更换或者提升测量电极对，再次对每一个供电电极进行供电，再进行测量，并做数据记录，以此类推，直到全部测量电极测量完毕。

以上技术方案中优选的，实测数据的定性解释具体是：确定每一个实测数据对应的实测数据记录点，对不同深度的实测视电阻率数据，借助绘图软件绘制视电阻率平面等值线图，根据不同深度的平面等值线图对比分析地下不同深度的电性变化规律。

以上技术方案中优选的，实测数据记录点的确定具体是：在以井口为圆心O，以井口为Z＝0的XOY面上，每个供电电极都有对应的坐标(X,Y)，在井中采集数据时，测量电极对的中间点对应一个Z值，此时每个供电电极的坐标(X,Y)和Z值组合对应的空间中的点(X,Y,Z)即为这个供电电极对应的实测数据的记录点。

以上技术方案中优选的，反演成像具体具体是：电阻率的线性反演方程如表达式1)所示：

AΔm＝Δd 1)；

其中：Δd为数据残差矢量，其值等于实测视电阻率的对数值与模拟视电阻率的对数值之差；Δm为模拟参数的改正向量；A为偏导数矩阵；

在模型空间中引入同时施加光滑模型和背景模型约束的稳定化泛函，将光滑约束和背景约束分离，稳定化泛函如表达式2)所示：

其中：m为模型参数向量，C为光滑度矩阵，Δm为模拟参数的改正向量，m_b为背景模型，Φ_m表示稳定化泛函，Φ_s表示光滑模型约束，Φ_d表示背景模型约束；

根据表达式1)和表达式2)构建目标函数如表达式3)所示：

其中：λ_s和λ_b分别为模型空间光滑和背景约束的正则化因子，Φ为目标函数；

对表达式3)两端关于Δm^T求导并令其等于零，得到最小二乘线性反演方程，其等价形式如表达式4)所示：

在表达式4)中，偏导数矩阵A的元素为非零元素，光滑度矩阵C由相邻模型参数之间的简单关系构成，仅有几条斜对角线为非零元素，

为对角阵；通过对表达式4)求解，得到模型修正量Δm并代入式表达式5)得到新的预测模型参数向量m^(k+1)：

m^(k+1)＝m^(k)+Δm^(k) 5)；

其中：m^(k+1)为第k+1次迭代的模型参数向量，m^(k)为第k次迭代的模型参数向量；

经多次迭代，直到实测数据和模拟数据之间的平均均方误差满足要求或者满足预先设置的最大迭代次数，电阻率反演结束；其中平均均方误差RMS定义为表达式6)：

其中：n为迭代次数。

以上技术方案中优选的，所述迭代次数n取值为2-6次；平均均方误差不超过5％。

应用本发明的技术方案，有益效果如下：

本发明提供一种用于探测井旁异常体的电法观测系统及探测方法，同时借助钻孔和地表观测空间，实现了近目标体探测，弥补了单一观测空间信息量不足和分辨率低的缺点，有效提高了井旁异常体的探测效果。

应用本发明的观测系统与探测方法，根据地下异常体的大致分布情况，结合钻孔确定测量区域，根据井旁异常体的大致信息布设电极，获得各记录点的视电阻率数据，对实测数据定性解释，并对数据进行三维反演成像，根据反演成像结果，推断地下异常的电性特征和空间分布形态，可用于寻找井旁隐伏矿体和圈定井旁岩溶、孤石等不良地质体的空间分布，也可用于监测地下水的动态变化和地下污染物的扩散情况。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为反演成像流程示意图；

图2为地下异常体在观测系统中的大致分布示意图；

图3为本发明中供电电极测线及电极布设示意图；

图4为本发明中部分供电电极在测线上的布设和测量电极的布设及其对应数据记录点示意图；

图5(a1)为地下8m深度的视电阻率平面等值线图；

图5(a2)为地下8m深度的电阻率反演成像水平切片图；

图5(b1)为地下12m深度的视电阻率平面等值线图；

图5(b2)为地下12m深度的电阻率反演成像水平切片图；

图5(c1)为地下16m深度的视电阻率平面等值线图；

图5(c2)为地下16m深度的电阻率反演成像水平切片图；

图5(d1)为地下20m深度的视电阻率平面等值线图；

图5(d2)为地下20m深度的电阻率反演成像水平切片图；

图5(e1)为地下24m深度的视电阻率平面等值线图；

图5(e2)为地下24m深度的电阻率反演成像水平切片图；

图5(f1)为地下28m深度的视电阻率平面等值线图；

图5(f2)为地下28m深度的电阻率反演成像水平切片图；

图5(g1)为视电阻率平面等值线立体图；

图5(g2)为总体电阻率反演成像水平切片立体图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种井旁异常体的探测方法，具体包括两大部分：建立用于探测井旁异常体的观测系统以及具体探测过程，详情如下：

用于探测井旁异常体的观测系统的建立方法包括确定测量区域、布设测线以及布设电极组，具体是：

1、确定测量区域：如图2所示，地下异常体大致位于XOY平面第一象限，距离X和Y的距离约为10m～40m；钻井深度约为40m，地下异常体大致位于地下10m～25m深处。根据地下异常体的大致分布情况，结合钻井位置以及钻井的深度，考虑计算需要，确定测量区域半径R＝54m，确定测量范围X：-54m～54m；Y：-54m～54m；Z：-56m～0m，确定测量区域。

2、布设测线：在测量区域内布设测线，测线以井口为起点沿一定方向引出，布设在测量区域内，多条测线以井口为中心呈放射状布设在井口周围，如图3所示，图中黑色点·代表供电电，实线—代表测线。设计布设8条测线，测线按逆时针方向编号1～8号测线，测线间隔均匀，相邻两条测线间的夹角约为45°，以井口为起点，在井口周围均匀有序布置测线，多条测线布置呈“米”字型。

3、布设电极组：布设电极组包括布置供电电极和布置测量电极，在测线上布置供电电极，以井口为起点，沿径向方向相邻两个供电电极之间的距离从井口向外服从斐波那契数列，负极置于无穷远；在井中布置测量电极。设计一条测线上布置8个供电电极，设计供电电极间隔为从井口向外服从斐波那契数列，即从井口向外第一个供电电极与井口距离为1m，第二个供电电极与第一个供电电极距离为1m，第三个供电电极与第二个供电电极距离为2m，第四个供电电极与第三个供电电极距离为3m，即某一个电极距是它前面两个电极距之和，以此类推服从斐波那契数列(即第i个供电电极距为第i-1个供电电极距与第i-2个供电电极距之和，其中i为大于等于3的自然数)；多条测线的相同位的供电电极在XOY平面上呈同心圆分布。设计负极置于距离井口300m～400m处。在井中从上到下等算术间隔确定多个测量电极布置点，间隔4m，从地下2m开始，选择布置一对测量电极对，如附图4所示。

一种井旁异常体的探测方法，包括以下步骤：

1、数据采集：根据上述所建立的探测井旁异常体的电法观测系统获得各测量电极的视电阻率数据。选择采用三极直流电测深观测装置，数据采集方式为：在地面确定一个供电电极，选择从1号测线1号供电电极开始，对每一个供电电极逐次供电，在井中测量电极对进行测量，测量电极对首先布置在井中最深处，以两个测量电极的中间为数据记录点记录数据；全部供电电极测量完毕后，提升测量电极对4m，再次从1号测线1号供电电极开始，对每一个供电电极进行供电，再进行测量，并做数据记录，以此类推，直到全部测量电极采集完毕。

2、定性解释：根据上述所建立的探测井旁异常体的电法观测系统获得各测量电极的视电阻率数据，对不同深度的实测视电阻率数据，借助绘图软件绘制视电阻率平面等值线图，根据不同深度的平面等值线图对比分析地下不同深度的电性变化规律。

此处对地下8m、12m、16m、20m、24m、28m的数据使用surfer8软件绘制视电阻率平面等值线图，可以看出X：10m～30m，Y：12m～32m的视电阻率等值线分布较为密集，推断此处存在较大电性变化。视电阻率平面等值线图详见图5中(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1)和(f1)，立体图详见图5中(g1)。

3、定量解释：根据上述所建立的探测井旁异常体的电法观测系统获得各测量电极的视电阻率数据，对数据进行三维反演成像处理，得到地下电阻率的三维空间分布，根据反演成像结果，推断地下异常的电性特征和空间分布形态。

反演成像流程示意图详见图1，反演成像具体是：

电阻率的线性反演方程如表达式1)所示：

AΔm＝Δd 1)；

其中：Δd为数据残差矢量，其值等于实测视电阻率的对数值与模拟视电阻率的对数值之差；Δm为模拟参数的改正向量；A为偏导数矩阵；

在模型空间中引入同时施加光滑模型和背景模型约束的稳定化泛函，将光滑约束和背景约束分离，稳定化泛函如表达式2)所示：

其中：m为模型参数向量，C为光滑度矩阵，Δm为模拟参数的改正向量，m_b为背景模型，Φ_m表示稳定化泛函，Φ_s表示光滑模型约束，Φ_d表示背景模型约束；

根据表达式1)和表达式2)构建目标函数如表达式3)所示：

其中：λ_s和λ_b分别为模型空间光滑和背景约束的正则化因子，Φ为目标函数；

对表达式3)两端关于Δm^T求导并令其等于零，得到最小二乘线性反演方程，其等价形式如表达式4)所示：

在表达式4)中，偏导数矩阵A的元素为非零元素，光滑度矩阵C由相邻模型参数之间的简单关系构成，仅有几条斜对角线为非零元素，

为对角阵；通过对表达式4)求解，得到模型修正量Δm并代入式表达式5)得到新的预测模型参数向量m^(k+1)：

m^(k+1)＝m^(k)+Δm^(k) 5)；

其中：m^(k+1)为第k+1次迭代的模型参数向量，m^(k)为第k次迭代的模型参数向量；

经多次迭代，直到实测数据和模拟数据之间的平均均方误差满足要求或者满足预先设置的最大迭代次数，电阻率反演结束；其中平均均方误差RMS定义为表达式6)：

其中：n为迭代次数。

经过6次迭代，平均均方误差为2.09％，耗费时间为6682s。

此处分别抽取三维反演数据中地下8m、12m、16m、20m、24m、28m的数据，并作出反演成像平面切片图，根据反演成像结果可以大致推断地下12m到地下24m之间存在低阻异常，分布范围大致在X：10m～30m、Y：12m～32m。电阻率反演成像图详见图5中(a2)、(b2)、(c2)、(d2)、(e2)和(f2)，其中图5中(b2)-(e2)中均用黑色框标出异常部位，立体图详见图5中(g2)，其中(g2)中第二至五层均用黑色框标出异常部位。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种井旁异常体的探测方法，其特征在于，包括以下步骤:

根据电法观测系统获得各测量电极的视电阻率数据，将电位差数据转换为视电阻率数据，对实测数据进行定性解释，分析地下不同深度的电性变化规律，然后对数据进行三维约束反演成像，得到地下电阻率的三维空间分布；

反演成像具体是:

电阻率的线性反演方程如表达式1)所示:

AΔm＝Δd 1)；

其中：Δd为数据残差矢量，其值等于实测视电阻率的对数值与模拟视电阻率的对数值之差；Δm为模拟参数的改正向量；A为偏导数矩阵；

在模型空间中引入同时施加光滑模型和背景模型约束的稳定化泛函，将光滑约束和背景约束分离，稳定化泛函如表达式2)所示：

其中：m为模型参数向量，C为光滑度矩阵，Δm为模拟参数的改正向量，m_b为背景模型，Φ_m表示稳定化泛函，Φ_s表示光滑模型约束，Φ_d表示背景模型约束；

根据表达式1)和表达式2)构建目标函数如表达式3)所示：

其中：λ_s和λ_b分别为模型空间光滑和背景约束的正则化因子，Φ为目标函数；

对表达式3)两端关于Δm^T求导并令其等于零，得到最小二乘线性反演方程，其等价形式如表达式4)所示：

其中：在表达式4)中，偏导数矩阵A的元素为非零元素，光滑度矩阵C由相邻模型参数之间的简单关系构成，仅有几条斜对角线为非零元素，

为对角阵；

通过对表达式4)求解，得到模型修正量Δm并代入式表达式5)得到新的预测模型参数向量m^(k+1)：

m^(k+1)＝m^(k)+Δm^(k) 5)；

其中：m^(k+1)为第k+1次迭代的模型参数向量，m^(k)为第k次迭代的模型参数向量；

经多次迭代，直到实测数据和模拟数据之间的平均均方误差满足要求或者满足预先设置的最大迭代次数，电阻率反演结束；其中平均均方误差RMS定义为表达式6)：

其中：n为迭代次数；

所述电法观测系统通过以下步骤进行建立:

确定探测区域，具体是：根据井旁异常体的分布情况，结合钻孔的位置及深度，以钻孔为中心，在钻孔周围确定半径为R的圆形探测区域；

探测区域半径R的确定具体是：根据异常体的最大埋深H₁和异常体到钻孔的最大距离H₂，确定探测区域半径R，如果H₁≥H₂，探测区域半径取1.1H₂<R<1.2H₁；如果H₁<H₂，探测区域半径取1.1H₂<R<1.2H₂；

布设测线，具体是：在探测区域内布设多条测线，以井口为中心呈放射状均匀或非均匀分布，均匀布设时相邻两条测线之间的夹角范围约为45°；

布设电极组，具体是：布设电极组包括布置供电电极和布置测量电极，布置供电电极时，以井口为起点，沿径向方向相邻两个供电电极之间的距离为等对数间隔或从井口向外服从斐波那契数列，供电负极置于无穷远，测量电极布置于钻孔中；

所述测量电极的数量至少为两个，多个测量电极一次性沿钻孔深度方向布置在钻孔中；或者是，一个测量电极对沿钻孔深度方向可移动式布置在钻孔中，单次移动距离不超过两个测量电极的距离；

所述测量电极的布置分两种情况：

(1)如果实际操作要求对地下异常体进行长期动态监测，测量电极须一次性布置在钻孔中；

(2)如果实际操作要求探测钻孔周围的地下异常体，采集数据时，给定一个供电点，井中电极对进行测量，改变供电点，再进行测量，直到所有的供电点结束，考虑钻孔深度不同，如果钻孔较深，为了提升纵向分辨率，会较小距离的移动测量电极对，移动距离D一般小于两个测量电极之间距离d，取D＝(0,d)，具体取值大小根据实际需求决定，此时测量电极不能一次性布置完成；

获得地下空间的视电阻率数据，具体是:采用三极观测装置进行数据采集，详情是:

对测线上的一个供电电极供电，井中测量电极对进行测量，改变供电电极，再进行测量，直到所有的供电电极供电结束；更换或者提升测量电极对，再对每一个供电电极进行供电，再进行测量，以此类推，直到全部测量电极测量完毕；

实测数据定性解释，具体是:确定每一个实测数据对应的实测数据记录点，借助绘图软件绘制不同深度的视电阻率平面等值线图，根据不同深度的平面等值线图对比分析地下不同深度的电性变化规律；

所述的井旁异常体的探测方法，实测数据记录点的确定，具体是：

在以井口为圆心O，以井口为Z＝0的XOY面上，每个供电电极都有对应的坐标(X,Y)，在井中采集数据时，测量电极对的中间点对应一个Z值，此时每个供电电极的坐标(X,Y)和Z值组合对应的空间中的点(X,Y,Z)即为这个供电电极对应的实测数据的记录点。

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