CN111580170A - 基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置及方法，大功率可控电流源发射控制装置向极低频长距离发射天线提供大功率可控交变电流，极低频长距离发射天线通过接地长导线两端的接地电极将大功率可控交变电流直接馈入地中；地面时频电磁信号接收采集装置与部署在工区中部的仪器车通讯连接，所述仪器车设有时频电磁采集、控制、处理和数据存储处理的计算机；所述仪器车上的计算机控制地面时频电磁信号接收采集装置采集时频电磁数据。本发明充分利用人工发射的极低频大功率交变电磁信号在地面和电离层之间的“波导”特点，传播到数千公里之外的测量工区，提高了时频电磁数据采集效率，提高时频电磁数据信噪比，降低了作业成本。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘探技术领域，具体地是基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置及方法。
背景技术
地球物理勘探方法主要有地震法、直流电法、磁法、重力法和电磁法等勘探方法。其中电磁法又称“电磁感应法”，根据岩石或矿石的导电性和导磁性的不同，利用电磁感应原理进行找矿勘探的方法，统称为电磁法。
其中，地面时频电磁勘探技术的应用，在构造带和特殊目标联合解释、油气圈闭联合检测评价等方面发挥了重要的作用。地面电磁勘探技术经过了近二十年的研究和发展，已经形成为较成熟的方法。电磁场激励的方法可以分为频率域激励和时间域激励。频率域(连续波)激励的局限是发射器和接收器之间有很强的耦合，使得从发射器直接到接收器的源场信号远比来自地层中的信号强，因而难以准确地测量从地层接收到的电磁场信号。尽管采用多目标处理技术和应用多组测量数据相结合的方法，能提供我们所关注的目标地层的信息，但得到的净信号与总测量信号相比仍然较小，有用信息微乎其微。
时频电磁法(TFEM)是石油勘探领域中出现的一种新方法，采用类似大偏移距地震勘探的工作方式，给大地供强电流激发油气勘探目标，测量油气藏孔隙介质放电形成的次生电磁场和电磁场频谱；该技术同时获得时间域与频率域信号，通过时域和频域信号的联合处理，准确重构地下物性模型，获得油气勘探目标的电阻率和极化率异常。时频电磁法野外施工采用轴向偶极装置，分发射和接收两部分。发射端由多根并联的铜导线构成水平有限长度接地线源，采用大功率发射机按不同频率向地下发送一系列不同周期的方波电流，接收端通过接地线MN电极测量电场分量Ex、通过高灵敏磁棒测量磁感应分量(dBz/dt)。该方法具有如下特点：①使用人工场源信噪比高，无静态位移影响，纵向分辨率高；②同时测量电场分量和磁场分量，弥补了只观测磁场对高阻薄层分辨率低的不足；③同时研究电阻率、纵向电导、极化率等多个参数。
目前时频电磁勘探使用的大功率(400千瓦)可控电流发射源需要用卡车运输，无法在没有道路通行的山区、森林、沙漠、沼泽、河流、湖泊等地区进行施工作业。一般在山脚下有道路通行的地方布设时频电磁的长达10公里的发射电极，在远离发射电极5到10公里外的地方布设时频电磁采集站采集时频电磁数据。如果在施工工区周围和工区内没有更多的道路通行，就没有办法进行大面积的三维时频电磁勘探数据采集作业，或者由于时频电磁数据采集站离大功率可控电流源发射天线(供电电极)太远，数据采集作业区内的时频电磁信号太弱，信噪比太低，无法采集到有效合格的时频电磁数据。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置及方法。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：
基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，包括地面极低频大功率可控电流源和地面时频电磁信号接收采集装置；
所述地面极低频大功率可控电流源包括大功率可控电流源发射控制装置和极低频长距离发射天线，所述大功率可控电流源发射控制装置向极低频长距离发射天线提供大功率可控交变电流，所述极低频长距离发射天线通过接地长导线两端的接地电极将大功率可控交变电流直接馈入地中；
所述地面时频电磁信号接收采集装置与部署在工区中部的仪器车通讯连接，所述仪器车设有时频电磁采集、控制、处理和数据存储处理的计算机；所述仪器车上的计算机控制地面时频电磁信号接收采集装置采集时频电磁数据。
其中，所述极低频长距离发射天线为两条相互正交长距离接地长导线；所述接地长导线的长度为100公里～200公里，所述大功率可控电流源发射控制装置通过大功率换向开关向两条极低频长距离发射天线的接地长导线交替供电。
地面时频电磁信号接收采集装置有三种方式，主要为：
所述的地面时频电磁信号接收采集装置，为光纤时频电磁信号接收采集装置，包括光纤时频电磁数据采集模块、三分量光纤磁场传感器和三分量光纤电场传感器，所述光纤时频电磁信号接收采集装置与仪器车之间通过铠装光缆相连接；所述仪器车内设有光纤激光信号调制解调器。所述三分量光纤磁场传感器为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器或采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成；所述三分量光纤电场传感器由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器或采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。
或者，所述的地面时频电磁信号接收采集装置，为地面有线时频电磁信号接收采集装置，包括有线时频电磁数据采集模块、三分量磁场传感器和三分量电场传感器，所述地面有线时频电磁信号接收采集装置与仪器车之间通过铠装电缆相连接。
或者，所述的地面时频电磁信号接收采集装置，为地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置，包括无线遥控时频电磁数据采集模块、三分量磁场传感器和三分量电场传感器，所述地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置通过无线遥控信号与仪器车相互通讯，地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置内置的高速无线数据传输模块和发射天线向仪器车的信号接收天线实时发送采集到的时频电磁数据。
其中，所述三分量磁场传感器为三个相互正交的感应线圈式磁场传感器或磁通门式磁场传感器或超导磁场传感器或冷原子磁场传感器；所述三分量电场传感器为三对相互正交的不极化电极对，不极化电极可以是硫酸铜不极化电极或氯化铅不极化电极或硝酸银不极化电极或钽电容不极化电极。
本发明还提供基于极低频电磁源的时频电磁数据采集方法，采用上述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，包括以下步骤：
a、所述大功率可控电流源发射控制装置持续发射大功率交变激励电流，经所述极低频长距离发射天线的接地长导线发射的交变电磁信号在地面和电离层之间的“波导”中传播，传播到远离发射源数千公里之外的测量工区的地中并在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向地下半空间扩散和衰减，扩散的速度和衰减的幅度与地下介质的电导率有关；
b、所述地面时频电磁信号接收采集装置内传感器在测量工区按一定的测点距和测线距逐点采集步骤a中感应涡流产生的三分量时频磁场(Hx，Hy，Hz)和三分量时频电场(Ex、Ey、Ez)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的时频磁场信号和时频电场信号；
c、所述地面时频电磁信号接收采集装置将步骤b采集到的数据传输至仪器车，数据转换成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据后存储在计算机里；
d、将步骤c中转换成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据经过叠加处理，得到时频电磁的时间序列数据；
e、在时间域或频率域处理步骤d中的时频电磁的时间序列数据，得到各测点的时频电磁场量和梯度，然后提取与地层电学性质有关的参数；
f、对步骤e的各测点的时频电磁场量和梯度进行反演成像，获取时频电磁接收采集装置下方地下一定深度范围内的地下岩层的复电阻率分布；
g、根据地下岩层复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地下岩层的频率域复电阻率的关系进行反演，获得地下岩层极化率的分布变化规律。
其中，步骤a中，所述大功率可控电流源发射控制装置和极低频长距离发射天线发射的电流波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，所述方波周期或单位脉冲宽度为0.001～100秒；在步骤b中，每个地面测点测量和记录10～50周期的时频电磁磁场信号和时频电磁电场信号。
根据步骤f得到的地下岩层电阻率分布指示地下岩层复电阻率的各向异性特性，提供地下岩层的产状信息，并实现对储层参数的解释与评价；根据步骤g得到地下岩层极化率的分布变化规律，实现对地下岩层含油气或含高极化矿物参数的解释与评价。
本发明的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置及方法，充分利用人工发射的极低频大功率交变电磁信号在地面和电离层之间的“波导”中传播衰减小、可以传播到上万公里之外、频率固定、覆盖范围广、信号幅度非常稳定，并且电磁场信号具有很高的分辨率和电磁相干度的特点，在全国大部分地方布设时频电磁数据采集装置直接采集时频电磁数据，省去了目前工业界使用自带的大功率可控电流发射源激发时频电磁信号的步骤，大大的提高了时频电磁数据采集的效率，大幅度降低了作业成本，极大地减少了地面各种人为噪音对地面时频电磁数据的干扰，提高时频电磁数据的信噪比。本发明的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置及方法，可以快速高效的探测工区地下岩层复电阻率分布规律和岩层极化率分布规律，提高对目标地质体的分辨能力，并能指示地层电阻率的各向异性特性，提供地层的产状信息，实现对地下岩层、金属矿体和含油气储层参数的综合解释与评价。推动其在矿产资源、能源及深部工程地质勘查中的广泛应用。
附图说明
图1是实施例1采用光纤时频电磁信号接收采集装置的结构示意图。
图2是实施例2采用地面有线时频电磁信号接收采集装置结构示意图。
图3是实施例3采用地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置的结构示意图。
图4是实施例1光纤时频电磁信号接收采集装置的结构示意图。
图5是实施例2和实施例3地面时频电磁信号接收采集装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施方式，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
本发明基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置及数据采集方法具有两种实施方式，如下所示：
实施例1
如图1和图2，基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，包括大功率可控电流源发射控制装置1、极低频长距离发射天线2和地面时频电磁信号接收采集装置3。大功率可控电流源发射控制装置1向极低频长距离发射天线2提供大功率可控交变电流；所述极低频长距离发射天线2通过接地长导线两端的接地电极将大功率可控交变电流直接馈入地中；所述极低频长距离发射天线2为位于极低频大功率可控电流源发射站的两条相互正交长距离接地长导线。所述接地长导线的长度为100公里～200公里，所述大功率可控电流源发射控制装置1通过大功率换向开关向两条接地长导线交替供电。
所述的地面时频电磁信号接收采集装置3，为光纤时频电磁信号接收采集装置，包括光纤时频电磁数据采集模块11、三分量光纤磁场传感器12和三分量光纤电场传感器13，所述光纤时频电磁信号接收采集装置与仪器车4之间通过线缆5相连接；本实施例的线缆5为铠装光缆；所述仪器车4内设有光纤激光信号调制解调器9。如图4。
所述仪器车4上的计算机10通过线缆5控制地面时频电磁信号接收采集装置3采集时频电磁数据；
光纤时频电磁信号接收采集装置的三分量光纤磁场传感器12为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器或采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成，三分量光纤电场传感器13由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器或采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。
上述装置的数据采集方法，包括以下步骤：
a、所述大功率可控电流源发射控制装置1持续发射大功率交变激励电流，经所述极低频长距离发射天线2的接地电极发射的交变电磁信号在地面和电离层之间的“波导”中传播，传播到远离发射源数千公里之外的测量工区的地中并在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向地下半空间扩散和衰减，扩散的速度和衰减的幅度与地下介质的电导率有关；
b、所述地面时频电磁信号接收采集装置3内的传感器在测量工区按一定的测点距和测线距逐点采集步骤a中感应涡流产生的三分量时频磁场(Hx，Hy，Hz)和三分量时频电场(Ex、Ey、Ez)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的时频磁场信号和时频电场信号；
c、所述地面时频电磁信号接收采集装置3将步骤b采集到的三分量光纤时频电磁数据通过铠装光缆传输至部署在工区中部的仪器车4里的光纤激光信号调制解调器9，调制解调成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据，然后存储在计算机10里；
d、将步骤c中转换成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据经过叠加处理，得到时频电磁的时间序列数据；
e、在时间域或频率域处理步骤d中的时频电磁的时间序列数据，得到各测点的时频电磁场量和梯度，然后提取与地层电学性质有关的参数；
f、对步骤e的各测点的时频电磁场量和梯度进行反演成像，获取时频电磁接收采集装置下方地下一定深度范围内的地下岩层的复电阻率分布；
g、根据地下岩层复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地下岩层的频率域复电阻率的关系进行反演，获得地下岩层极化率的分布变化规律。
实施例2
与实施例1的区别主要是，如图2所示，所述的地面时频电磁信号接收采集装置3，为地面有线时频电磁信号接收采集装置，包括有线时频电磁数据采集模块21、三分量磁场传感器22和三分量电场传感器23，所述地面有线时频电磁信号接收采集装置与仪器车4之间通过线缆5连接，本实施例的线缆5为铠装电缆；
所述有线时频电磁数据采集装置的三分量磁场传感器22为三个相互正交的感应线圈式磁场传感器或磁通门式磁场传感器或超导磁场传感器或冷原子磁场传感器，三分量电场传感器23为三对相互正交的不极化电极对，不极化电极可以是硫酸铜不极化电极或氯化铅不极化电极或硝酸银不极化电极或钽电容不极化电极。如图5。
在数据采集方法上，与实施例1的区别是：步骤c、地面时频电磁信号接收采集装置3将步骤b采集到的三分量时频电磁数据通过铠装电缆传输至部署在工区中部的仪器车4中的计算机里，转换成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据，然后存储在计算机10里。
其他与实施例1相同。
实施例3
如图3，实施例2与实施例1的区别在于，地面时频电磁信号接收采集装置3为地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置。所述地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置，包括无线遥控时频电磁数据采集模块31、三分量磁场传感器22和三分量电场传感器23，所述地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置通过无线遥控信号与仪器车4相互通讯，地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置内置的高速无线数据传输模块6和发射天线7向仪器车4的信号接收天线8实时发送采集到的时频电磁数据，如图5。
在数据采集方法上，与实施例1的区别是：步骤c、地面时频电磁信号接收采集装置3将步骤b采集到的三分量光纤时频电磁数据通过其内置的高速无线数据传输模块6和发射天线7向部署在工区中部的仪器车4的信号接收天线8实时发送采集到的三分量时频电磁数据至部署在工区中部的仪器车4中的计算机里，转换成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据，然后存储在计算机10里。
步骤a中，极低频大功可控电流源3发射控制装置1和极低频长距离发射天线2发射的电流波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，方波周期或单位脉冲宽度为0.001～100秒(0.01Hz～1000Hz)；在步骤b中，每个地面测点测量和记录10～50周期的时频电磁磁场信号和时频电磁电场信号。
根据步骤f得到的地下岩层电阻率分布指示地下岩层复电阻率的各向异性特性，提供地下岩层的产状信息，并实现对储层参数的解释与评价；根据步骤g得到地下岩层极化率的分布变化规律，实现对地下岩层含油气或含高极化矿物参数的解释与评价。
其它未详细说明的部分均属于现有技术。
Claims (10)
1.基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，其特征在于，包括地面极低频大功率可控电流源和地面时频电磁信号接收采集装置(3)；
所述地面极低频大功率可控电流源包括大功率可控电流源发射控制装置(1)和极低频长距离发射天线(2)，所述大功率可控电流源发射控制装置(1)向极低频长距离发射天线(2)提供大功率可控交变电流，所述极低频长距离发射天线(2)通过接地长导线两端的接地电极将大功率可控交变电流直接馈入地中；
所述地面时频电磁信号接收采集装置(3)与部署在工区中部的仪器车(4)通讯连接，所述仪器车(4)设有时频电磁采集、控制、处理和数据存储处理的计算机(10)；所述仪器车(4)上的计算机(10)控制地面时频电磁信号接收采集装置(3)采集时频电磁数据。
2.根据权利要求1所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述极低频长距离发射天线(2)为两条相互正交长距离接地长导线；所述接地长导线的长度为100公里～200公里，所述大功率可控电流源发射控制装置(1)通过大功率换向开关向两条极低频长距离发射天线(2)的接地长导线交替供电。
3.根据权利要求1所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述的地面时频电磁信号接收采集装置(3)，为光纤时频电磁信号接收采集装置，包括光纤时频电磁数据采集模块(11)、三分量光纤磁场传感器(12)和三分量光纤电场传感器(13)，所述光纤时频电磁信号接收采集装置与仪器车(4)之间通过铠装光缆相连接；所述仪器车(4)内设有光纤激光信号调制解调仪器(9)。
4.根据权利要求3所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述三分量光纤磁场传感器(12)为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器或采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成；所述三分量光纤电场传感器(13)由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器或采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。
5.根据权利要求1所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述的地面时频电磁信号接收采集装置(3)，为地面有线时频电磁信号接收采集装置，包括有线时频电磁数据采集模块(21)、三分量磁场传感器(22)和三分量电场传感器(23)，所述地面有线时频电磁信号接收采集装置与仪器车(4)之间通过铠装电缆相连接。
6.根据权利要求1所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述的地面时频电磁信号接收采集装置(3)，为地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置，包括无线遥控时频电磁数据采集模块(31)、三分量磁场传感器(22)和三分量电场传感器(23)，所述地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置通过无线遥控信号与仪器车(4)相互通讯，地面无线遥控时频电磁信号接收采集装置内置的高速无线数据传输模块(6)和发射天线(7)向仪器车(4)的信号接收天线(8)实时发送采集到的时频电磁数据。
7.根据权利要求6或7所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述三分量磁场传感器(22)为三个相互正交的感应线圈式磁场传感器或磁通门式磁场传感器或超导磁场传感器或冷原子磁场传感器；所述三分量电场传感器(23)为三对相互正交的不极化电极对，不极化电极可以是硫酸铜不极化电极或氯化铅不极化电极或硝酸银不极化电极或钽电容不极化电极。
8.基于极低频电磁源的时频电磁数据采集方法，其特征在于，采用权利要求1～7中任一权利要求所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集装置，包括以下步骤：
a、所述大功率可控电流源发射控制装置(1)持续发射大功率交变激励电流，经所述极低频长距离发射天线(2)的接地长导线发射的交变电磁信号在地面和电离层之间的“波导”中传播，传播到远离发射源数千公里之外的测量工区的地中并在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向地下半空间扩散和衰减，扩散的速度和衰减的幅度与地下介质的电导率有关；
b、所述地面时频电磁信号接收采集装置(3)内传感器在测量工区按一定的测点距和测线距逐点采集步骤a中感应涡流产生的三分量时频磁场(Hx，Hy，Hz)和三分量时频电场(Ex、Ey、Ez)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的时频磁场信号和时频电场信号；
c、所述地面时频电磁信号接收采集装置(3)将步骤b采集到的数据传输至仪器车(4)，数据转换成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据后存储在计算机(10)里；
d、将步骤c中转换成各测点的三分量时频磁场数据和三分量时频电场数据经过叠加处理，得到时频电磁的时间序列数据；
e、在时间域或频率域处理步骤d中的时频电磁的时间序列数据，得到各测点的时频电磁场量和梯度，然后提取与地层电学性质有关的参数；
f、对步骤e的各测点的时频电磁场量和梯度进行反演成像，获取时频电磁接收采集装置下方地下一定深度范围内的地下岩层的复电阻率分布；
g、根据地下岩层复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地下岩层的频率域复电阻率的关系进行反演，获得地下岩层极化率的分布变化规律。
9.根据权利要求8所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集方法，其特征在于，步骤a中，所述大功率可控电流源发射控制装置(1)和极低频长距离发射天线(2)发射的电流波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，所述方波周期或单位脉冲宽度为0.001～100秒；在步骤b中，每个地面测点测量和记录10～50周期的时频电磁磁场信号和时频电磁电场信号。
10.根据权利要求8所述的基于极低频电磁源的时频电磁数据采集方法，其特征在于，根据步骤f得到的地下岩层电阻率分布指示地下岩层复电阻率的各向异性特性，提供地下岩层的产状信息，并实现对储层参数的解释与评价；根据步骤g得到地下岩层极化率的分布变化规律，实现对地下岩层含油气或含高极化矿物参数的解释与评价。
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