CN112147707B - 钻孔瞬变电磁一维反演电性信息立体成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，该方法通过垂直分量得到径向探测距离r、电阻率和水平方向插值窗口大小；从水平分量中提取异常场，对异常场的异常数据进行正规化后提取特征点及特征点对应的正规化点号；根据正规化点号的整体异常分布确定每个异常场对应的曲线类型：正弦形态或反正弦形态；根据分类结果求取工具面角度；建立径向探测距离、电阻率和测道的映射关系；由工具面角与对应测点测道的径向探测距离计算反演电性信息对应的平面坐标；以平面坐标分别为X、Y，以钻孔深度为Z，绘制钻孔周围一维反演电性信息立体成像结果图。本发明利用钻孔瞬变电磁三分量测量数据实现将一维反演得到的电性信息在空间中立体成像。

Description

钻孔瞬变电磁一维反演电性信息立体成像方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种利用钻孔瞬变电磁三分量测量数据实现将一维反演得到的电性信息在空间中立体成像的方法。

背景技术

近年来，钻孔瞬变电磁方法已在煤矿井下隐伏水害超前探测工作中逐步推广使用。常规钻孔瞬变电磁径向探测方法，仅能对观测得到的垂直分量进行一维反演，并根据测量孔深和反演得到的径向距离绘制电阻率断面图，图中反映的电性异常体无法确定其具体工具面角，对于验证异常体的准确性和后期对异常体进行治理带来很大困难，造成掘进工作面水害超前探测推广不力。

引入钻孔瞬变电磁三分量探测，利用水平分量的组合特征可以对低阻异常体进行工具面角计算，从而结合反演断面图进行异常体的空间解释，但由于记录点和测量测道较多，依靠人力对每一测点每一测道的电阻率信息进行工具面角计算工作量很大，并不现实，因此只能对少量低阻异常体的异常中心进行定位，得到的空间解释结果不直观，也不能精细反映异常体的形态、规模等特征。此外，水平分量定位结果与测道一一对应，但径向探测距离与测道不存在一一对应关系，基于水平分量定位的算法仅对晚期视电阻率生效，无法对反演得到的更精准的电阻率信息直接进行定位。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种钻孔瞬变电磁一维反演电性信息立体成像方法，克服现有技术的上述问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，包括以下步骤：

步骤一，对观测得到的钻孔瞬变电磁垂直分量进行一维反演得到径向探测距离r和电阻率，绘制反演电阻率断面图，从中求出各电阻率异常区域所占测点数平均值；

步骤二，以钻孔瞬变电磁水平分量中每个测点为插值窗口中心，步骤一中的测点数平均值作为水平方向插值窗口大小，提取异常场得到水平分量异常曲线，对异常场的异常数据进行正规化后提取特征点及特征点对应的正规化点号；

步骤三，根据正规化点号的整体异常分布确定每个异常场对应的水平分量异常曲线：正弦形态或反正弦形态；

步骤四，根据分类结果求取工具面角度：

步骤4.1，对同一测点同一测道的水平分量异常曲线类型进行组合，按照曲线分类图所示依据自动划分对应测道电性信息所处的象限；所述曲线分类图中，第一象限为X反正弦形态，Y反正弦形态，第二象限为X正弦形态，Y反正弦形态，第三象限为X正弦形态，Y正弦形态，第四象限为X反正弦形态，Y正弦形态；

步骤4.2，由如下公式计算所有测点所有测道的电性信息在对应象限中的偏转角度：

式中

为第n个测道X分量的异常场值，

为第n个测道Y分量的异常场值；

步骤4.3，根据对应测点测道电性信息对应的象限，求出所有电性信息对应的工具面角α：a)异常体在第一象限：a＝θ；b)异常体在第二象限：α＝π-θ；c)异常体在第三象限：α＝π+θ；d)异常体在第四象限：α＝2π-θ；

步骤五，步骤四得到的工具面角与测道一一对应，通过建立径向探测距离-电阻率与测道的映射关系，进而得到径向探测距离-电阻率与工具面角的对应关系，实现将径向探测距离-电阻率分配给对应工具面角：

步骤5.1，引入径向探测距离计算公式

式中，r为径向探测距离，ρ为电阻率，t为测道，C为深度系数；

步骤5.2，计算大量一维正演模型，对比不同电阻率参数情况下的层状模型分界面的计算深度与实际深度之间的差别，绘制出深度系数C与电阻率ρ的关系图；

步骤5.3，在对数坐标系下，深度系数与电阻率呈现线性关系，通过拟合可以得到该直线方程为

log 10(C)＝-0.50009365×log 10(ρ)-0.00137449

步骤5.4，根据映射关系公式逐层推导出层状地层情况下径向探测距离与测道之间的计算公式，建立二者之间的映射关系，进而建立反演径向探测距离与每一测道对应的工具面角的一一对应关系；

具体计算方式如下：

a.在地下第一层有如下关系成立，C₁为第一层深度系数

b.根据如下公式计算每一层对应的标准系数C_i

log 10(C_i)＝-0.50009365×log 10(ρ_i)-0.00137449

c.根据如下公式计算每一层对应的相对系数Cc_i

A_i＝log 10(C_i)/log 10(C₁)

d.除第一层外的其他地层真深度与测道可建立如下关系

即在第一层外的其他地层的测道可以按如下公式计算

式中，i为层状地层中的第i层；由径向探测距离和电阻率可反推出对应的测道，再通过插值可以获得实际采样测道对应的径向探测距离和电阻率；

步骤六，由工具面角与对应测点测道的径向探测距离计算反演电性信息对应的平面坐标

式中

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的X坐标，

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的Y坐标，

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的钻孔径向探测距离；

步骤七，以平面坐标分别为X、Y，以钻孔深度为Z，绘制钻孔周围一维反演电性信息立体成像结果图，以将低值区域划分为可能的隐蔽致灾水体。

本发明还包括如下技术特征：

具体的，所述步骤一包括：

步骤1.1，对观测得到的钻孔瞬变电磁垂直分量进行一维反演，得到径向探测距离及电阻率；

步骤1.2，以钻孔孔深为横坐标，步骤1.1反演得到的径向探测距离为纵坐标，绘制反演电阻率断面图；

步骤1.3，在电阻率断面图上找出电阻率异常区域，统计每个电阻率异常区域所占测点数，并求所有电阻率异常区域所占测点数平均值，作为水平分量异常提取计算时所需的插值窗口大小，将该插值窗口大小作为预设窗口。

具体的，步骤2.1，以水平分量中每个测点为插值窗口中心，步骤一中的测点数平均值作为水平方向插值窗口大小，采用Hermit插值算法求得所有插值窗口对应的异常场；

步骤2.2，对提取出异常场的异常数据进行标注，标注包括测线号、测点号、测道号；

步骤2.3，将提出的异常数据在插值窗口左右各外扩一个测点，然后将所有提取出的异常数据进行正规化：点号归至从1开始的编号区间；

步骤2.4，对正规化后的所有异常数据提取特征点，提出异常数据中极值对应的正规化点号；

步骤2.5，以极大值点号为X轴，极小值点号为Y轴，形成特征点分布图。

具体的，步骤3.1，根据正规化点号的整体异常分布，将异常场分类类别为2，随机选择两个点类所对应的类别质心；

步骤3.2，分别求正规化点号上的所有特征点到这两个类别质心的距离，并标记每个数据的类别为和该样本距离最小的质心的类别；

步骤3.3，根据类别中所有数据点的坐标平均值重新计算类别质心；

步骤3.4，重复3.2-3.3的步骤，直至质心的位置不再变化，此时将数据分成2类；

步骤3.5，将分类后的标签0或1分配给提出的所有异常数据，并明确标签具体代表正弦型或反正弦型。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明提出计算反演电性信息与测道之间映射关系的方法，并通过提取水平分量异常场有效特征进行自动分类，实现对钻孔瞬变电磁一维反演电性信息的立体成像。将钻孔瞬变电磁地质解释水平从平面提升至立体，既提高了解释精度，又便于生产人员使用，为煤矿、工程等领域的安全高效生产提供了技术保障。

附图说明

图1为反演电阻率断面图；

图2为插值窗口选取示意图；

图3为基于Hermit插值的异常提取算法结果示意图；

图4为钻孔瞬变电磁水平分量异常场特征值分布示意图；

图5为基于钻孔瞬变电磁水平分量异常场曲线形态确定异常体象限的原理图；

图6为深度系数与电阻率关系图；

图7为径向探测距离与测道映射关系示意图；

图8为基于水平分量将电性信息一维角度转化为三维立体成果的流程图；

图9为钻孔孔旁隐伏含水体立体成像成果图；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本发明公开一种钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，该方法通过垂直分量得到径向探测距离r、电阻率和水平方向插值窗口大小；从水平分量中提取异常场，对异常场的异常数据进行正规化后提取特征点及特征点对应的正规化点号；根据正规化点号的整体异常分布确定每个异常场对应的曲线类型：正弦形态或反正弦形态；根据分类结果求取工具面角度；建立径向探测距离、电阻率和测道的映射关系；由工具面角与对应测点测道的径向探测距离计算反演电性信息对应的平面坐标；以平面坐标分别为X、Y，以钻孔深度为Z，绘制钻孔周围一维反演电性信息立体成像结果图。

其中，电性信息指的是径向探测距离和电阻率。

测道是指在每一个测点会观测一段时间，每个记录数据的时间点就称为一个测道。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，包括以下步骤：

步骤一，在钻孔布设发射线圈和接收探头进行钻孔瞬变电磁探测，接收探头在每个测点按照设定的多个测道接收信号得到Z方向的探测数据即垂直分量和X、Y方向的探测数据即水平分量；对观测得到的钻孔瞬变电磁垂直分量进行一维反演得到径向探测距离r和电阻率，绘制反演电阻率断面图，从中求出各电阻率异常区域所占测点数平均值；

步骤1.1，对观测得到的钻孔瞬变电磁垂直分量进行一维反演，得到径向探测距离及电阻率；可采用Occam反演、最小二乘反演、虚拟波场反演等任意反演方式，本实施例以Occam反演算法流程为例，其目标函数为：

式中U为目标函数，μ是拉格朗日因子，d是观测数据向量，F是正演算子，m为模型参数向量，

是反演所要求达到的拟合差，W＝diag{1/σ₁,1/σ₂,...,σ_j,...,1/σ_m}是第 j个数据的标准差，

是模型粗糙度函数，r为径向探测距离；

步骤1.2，如图1所示，以钻孔孔深为横坐标，步骤1.1反演得到的径向探测距离为纵坐标，绘制反演电阻率断面图；

步骤1.3，如图2所示，在电阻率断面图上找出主要电阻率异常区，统计每一个电阻率异常区域所占测点数(横坐标)，并求电阻率异常区域所占测点数平均值，作为水平分量异常提取计算时所需的插值窗口大小即为预设窗口；

步骤二，从钻孔瞬变电磁水平分量中提取异常场，异常场中的特征点和特征点对应点号；

步骤2.1，以水平分量每一个测点为插值窗口中心，采用Hermit插值算法求得所有插值窗口对应的异常场；如图3所示；

步骤2.2，对提取出异常场的异常数据进行标注，标注包括测线号、测点号、测道号；

步骤2.3，将提出的异常数据在插值窗口左右各外扩一个测点，然后将所有提取出的异常数据进行正规化：点号归至从1开始的编号区间；

将插值窗口缩小：对测线两头的特殊测点(以特殊测点为中心点时，插值区域小于预设窗口)，根据其能达到的最大窗口进行插值提取异常，之后左右对称扩充测点直到与预设窗口大小一致，然后进行正规化；

步骤2.4，对区间正规化后的所有异常数据进行特征提取，提出数据中极值对应的正规化点号；

步骤2.5，以极大值点号为X轴，极小值点号为Y轴，形成特征点分布图；如图4 所示；

步骤三，异常场的形态分类：

步骤3.1，根据正规化点号的整体异常分布，将异常场分类类别为2，随机选择了两个点类所对应的类别质心；

步骤3.2，分别求正规化点号上的所有特征点到这两个类别质心的距离，并标记每个数据的类别为和该样本距离最小的质心的类别；

步骤3.3，根据类别中所有数据点的坐标平均值重新计算类别质心；

步骤3.4，重复3.2)-3.3)的步骤，直至质心的位置不再变化(变化范围达到设定值，如0.01)或达到迭代次数(如10次)为止，此时将数据已分成了2类；

步骤3.5，将分类后的标签0或1分配给提出的所有异常数据，并明确标签具体代表正弦型或反正弦型；

步骤四，根据分类结果求取工具面角度：

步骤4.1，对同一测点同一测道的水平分量异常曲线类型进行组合，按照曲线分类图所示依据自动划分对应测道电性信息所处的象限；如图5所示；

步骤4.2，由如下公式计算所有测点所有测道的电性信息在对应象限中的偏转角度

式中

为第n个测道X分量的异常场值，

为第n个测道Y分量的异常场值；

步骤4.3，根据对应测点测道电性信息对应的象限，求出所有电性信息对应的工具面角α：

a)异常体在第一象限：α＝θ

b)异常体在第二象限：α＝π-θ

c)异常体在第三象限：α＝π+θ

d)异常体在第四象限：α＝2π-θ；

步骤五，建立径向探测距离、电阻率和测道的映射关系：

步骤5.1，引入深度(反演探测距离)计算公式

式中，r为径向探测距离，ρ为电阻率，t为测道，C为深度系数；

步骤5.2，计算大量一维正演模型，对比不同电阻率参数情况下的层状模型分界面的计算深度与实际深度之间的差别，绘制出深度系数C与电阻率ρ的关系图，如图6所示；

步骤5.3，在对数坐标系下，深度系数与电阻率呈现线性关系，通过拟合可以得到该直线方程为

log 10(C)＝-0.50009365×log 10(ρ)-0.00137449

步骤5.4，根据映射关系公式逐层推导出层状地层情况下径向探测距离与测道之间的计算公式，建立二者之间的映射关系，进而建立反演径向探测距离与每一测道对应的工具面角的一一对应关系；

具体计算方式如下：

a.在地下第一层有如下关系成立，C₁为第一层深度系数

b.根据如下公式计算每一层对应的标准系数C_i

log 10(C_i)＝-0.50009365×log 10(ρ_i)-0.00137449

c.根据如下公式计算每一层对应的相对系数Cc_i

A_i＝log 10(C_i)/log 10(C₁)

d.除第一层外的其他地层真深度与测道可建立如下关系

即在第一层外的其他地层的测道可以按如下公式计算

式中，i为第i层；由反演得到的深度(径向探测距离)和电阻率可反推出对应的测道，再通过插值可以获得实际采样测道对应的径向探测距离和电阻率；如图7所示；

步骤六，由工具面角与对应测点测道的钻孔径向探测距离计算反演电性信息对应的平面坐标：

在图5所示的坐标系下，式中

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的X坐标，

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的Y坐标，

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的钻孔径向探测距离；

步骤七，如图9所示，以平面坐标分别为X、Y，以钻孔深度为Z，绘制钻孔周围一维反演电性信息立体成像结果图，以将低值区域划分为可能的隐蔽致灾水体，图9为钻孔孔旁隐伏含水体立体成像成果图。

Claims (4)

1.一种钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对观测得到的钻孔瞬变电磁垂直分量进行一维反演得到径向探测距离r和电阻率，绘制反演电阻率断面图，从中求出各电阻率异常区域所占测点数平均值；

步骤二，以钻孔瞬变电磁水平分量中每个测点为插值窗口中心，步骤一中的测点数平均值作为水平方向插值窗口大小，提取异常场得到水平分量异常曲线，对异常场的异常数据进行正规化后提取特征点及特征点对应的正规化点号；

步骤三，根据正规化点号的整体异常分布确定每个异常场对应的水平分量异常曲线：正弦形态或反正弦形态；

步骤四，根据分类结果求取工具面角度：

步骤4.1，对同一测点同一测道的水平分量异常曲线类型进行组合，按照曲线分类图所示依据自动划分对应测道电性信息所处的象限；所述曲线分类图中，第一象限为X反正弦形态，Y反正弦形态，第二象限为X正弦形态，Y反正弦形态，第三象限为X正弦形态，Y正弦形态，第四象限为X反正弦形态，Y正弦形态；

步骤4.2，由如下公式计算所有测点所有测道的电性信息在对应象限中的偏转角度：

式中

为第n个测道X分量的异常场值，

为第n个测道Y分量的异常场值；

步骤4.3，根据对应测点测道电性信息对应的象限，求出所有电性信息对应的工具面角α：a)异常体在第一象限：α＝6；b)异常体在第二象限：α＝π-θ；c)异常体在第三象限：α＝π+θ；d)异常体在第四象限：α＝2π-θ；

步骤五，步骤四得到的工具面角与测道一一对应，通过建立径向探测距离-电阻率与测道的映射关系，进而得到径向探测距离-电阻率与工具面角的对应关系，实现将径向探测距离-电阻率分配给对应工具面角：

步骤5.1，引入径向探测距离计算公式

式中，r为径向探测距离，ρ为电阻率，t为测道，C为深度系数；

步骤5.2，计算大量一维正演模型，对比不同电阻率参数情况下的层状模型分界面的计算深度与实际深度之间的差别，绘制出深度系数C与电阻率ρ的关系图；

步骤5.3，在对数坐标系下，深度系数与电阻率呈现线性关系，通过拟合可以得到直线方程为

log10(C)＝-0.50009365×log10(ρ)-0.00137449

步骤5.4，根据映射关系公式逐层推导出层状地层情况下径向探测距离与测道之间的计算公式，建立二者之间的映射关系，进而建立反演径向探测距离与每一测道对应的工具面角的一一对应关系；

具体计算方式如下：

a.在地下第一层有如下关系成立，C₁为第一层深度系数

b.根据如下公式计算每一层对应的标准系数C_i

log10(C_i)＝-0.50009365×log10(ρ_i)-0.00137449

c.根据如下公式计算每一层对应的相对系数Cc_i

A_i＝log10(C_i)/log10(C₁)

d.除第一层外的其他地层真深度与测道可建立如下关系

即在第一层外的其他地层的测道可以按如下公式计算

式中，i为层状地层中的第i层；由径向探测距离和电阻率可反推出对应的测道，再通过插值可以获得实际采样测道对应的径向探测距离和电阻率；

步骤六，由工具面角与对应测点测道的径向探测距离计算反演电性信息对应的平面坐标

式中

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的X坐标，

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的Y坐标，

为第m个测点第n个测道视电阻率对应的钻孔径向探测距离；

步骤七，以平面坐标分别为X、Y，以钻孔深度为Z，绘制钻孔周围一维反演电性信息立体成像结果图，以将低值区域划分为可能的隐蔽致灾水体。

2.如权利要求1所述的钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，其特征在于，所述步骤一包括：

步骤1.1，对观测得到的钻孔瞬变电磁垂直分量进行一维反演，得到径向探测距离及电阻率；

步骤1.2，以钻孔孔深为横坐标，步骤1.1反演得到的径向探测距离为纵坐标，绘制反演电阻率断面图；

步骤1.3，在电阻率断面图上找出电阻率异常区域，统计每个电阻率异常区域所占测点数，并求所有电阻率异常区域所占测点数平均值，作为水平分量异常提取计算时所需的插值窗口大小，将该插值窗口大小作为预设窗口。

3.如权利要求2所述的钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，其特征在于，步骤2.1，以水平分量中每个测点为插值窗口中心，步骤一中的测点数平均值作为水平方向插值窗口大小，采用Hermit插值算法求得所有插值窗口对应的异常场；

步骤2.2，对提取出异常场的异常数据进行标注，标注包括测线号、测点号、测道号；

步骤2.3，将提出的异常数据在插值窗口左右各外扩一个测点，然后将所有提取出的异常数据进行正规化：点号归至从1开始的编号区间；

步骤2.4，对正规化后的所有异常数据提取特征点，提出异常数据中极值对应的正规化点号；

步骤2.5，以极大值点号为X轴，极小值点号为Y轴，形成特征点分布图。

4.如权利要求3所述的钻孔瞬变电磁反演电性信息立体成像方法，其特征在于，

步骤3.1，根据正规化点号的整体异常分布，设异常场分类类别为2，随机选择两个点类所对应的类别质心；

步骤3.2，分别求正规化点号上的所有特征点到这两个类别质心的距离，并标记每个特征点的类别使其与离得最近的类别质心的类别一致；

步骤3.3，根据类别中所有数据点的坐标平均值重新计算类别质心；

步骤3.4，重复3.2-3.3的步骤，直至质心的位置不再变化，此时将数据分成2类；

步骤3.5，将分类后的标签0或1分配给提出的所有异常数据，并明确标签具体代表正弦型或反正弦型。

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