CN114488327A - 基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法 - Google Patents

基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法：基于天然大地电磁场源，获取地面水平磁场和待测目标区域的井中垂直磁场数据；构建空间三维模型；根据地面基点水平磁场数据和井中垂直磁场数据，整理倾子资料；根据倾子资料对三维模型进行交错网格有限差分正演，获得倾子正演数据；建立三维正则化反演目标函数，计算获得三维正则化反演目标函数的梯度；基于三维正则化反演目标函数的梯度，将倾子正演数据对均匀半空间初始模型进行反演，获得地下深部地质体的磁场响应结果。通过井中的垂直磁场信息和地面基点采集的水平磁场数据，建立倾子数据，获得地下深部地质构造的三维磁场异常，有效的提高了对深部地质体反演的精度。

Description

基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法
技术领域
本发明涉及天然大地电磁场测量技术领域，具体涉及一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法。
背景技术
天然大地电磁场伴随着极大的能量和极宽的频带范围，可以穿过巨厚的岩石圈，为研究地球深部结构提供有效信息。交变电磁场在地下介质中传播时，根据趋肤深度的原理，不同深度的探测对应着不同的频率信号，可以用来解决许多地质问题。大地电磁测深(magnetotelluric,MT)以天然场为场源发挥着独特的优势，具有勘探深度大、设备轻便探测成本低、不受高阻层屏蔽、低阻层的分辨率高等优点，在各个领域广泛应用。
倾子资料一直以来作为大地电磁测探法的一个重要参数，表征垂直磁场与水平磁场之间的线性关系。国内外学者分析研究了倾子资料的特点，发现其对地下介质的横向非均匀性反映十分灵敏，且受静态效应影响较小，常常用于岩性的划分和断裂构造的识别。但由于趋肤效应的影响，可能导致对深部地质体的识别分辨率有限。
目前，对于MT三维正演的研究方法主要有有限单元法、有限积分法、有限差分法等。
在反演的相关领域，传统的三维MT反演方法包括高斯-牛顿法(GN)(Ascher,andOldenburg2004)、拟牛顿法(QN)(Dmitry Avdeevand Avdeeva2009)、非线性共轭梯度法(NLCG)(R.L.Mackie,W.Rodi and Donald2001)和Occam法(OCCAM)(Siripunvaraporn,G.Egbert,Lenbury,et al.2005)，其中拟牛顿法避开灵敏度矩阵的计算，通过前几次目标函数梯度的迭代逼近所需海森矩阵逆，具有反演效率高的特点。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，该测量方法根据地面基点的水平磁场与井中垂直磁场数据建立倾子资料，并反演获取地下深层电导体的三维构造信息，有效提高了磁场信息对深部构造的反演精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，包括以下步骤：
S1、基于天然大地电磁场源，获取地面基点水平磁场数据和待测目标区域的井中垂直磁场数据；
S2、构建空间三维初始模型；
S3、根据地面基点水平磁场数据和井中垂直磁场数据，整理倾子资料；根据所述倾子资料对空间三维初始模型进行交错网格有限差分正演，获得倾子响应正演数据；
S4、建立三维正则化反演目标函数，计算获得所述三维正则化反演目标函数的梯度；
S5、基于所述三维正则化反演目标函数的梯度，将倾子响应正演数据对均匀半空间初始模型进行反演，获得地下深部地质体的磁场响应结果。
进一步地，通过GPS定位距离所述待测目标区域一定距离的地面基点，在所述地面基点处相隔一定距离水平铺设两根磁棒；所述两根磁棒分别为南北朝向的磁棒和东西朝向的磁棒；通过所述两根磁棒获取地面基点水平磁场数据；如果在山地区域不便铺设磁棒，所述两根磁棒可按照“十”形或“L”形进行铺设。
进一步地，待测目标区域的井中垂直磁场数据获取方式为：
将磁棒放入待测目标区域内的井孔中，规矩需要测量的磁场精度，按照等间距依次向下测量垂直磁场数据。
进一步地，步骤S2中，构建空间三维初始模型包括以下步骤：
对三维网格在XY方向进行非均匀剖分，在Z方向上的浅层进行细分处理；
将三维网格划分为目标区域和网格外延区域两部分；
将地下地质体放置在目标区域中，磁场数据采集区域以均匀或非均匀网格剖分；
外延网格以倍数增加间隔距离；
设置待测地质体的空间位置信息、电阻率赋值，构建空间三维初始模型。
进一步地，步骤S3中根据地面基点水平磁场数据和井中垂直磁场数据，整理倾子资料，具体包括以下步骤：
联立地面基点水平磁场数据和井中垂直磁场数据，计算井中倾子资料；
对所述井中倾子资料进行两种极化模式的数值模拟，所述两种极化模式为XY模式和YX模式。
进一步地，步骤S3中，根据所述倾子资料对地下井中三维初始模型进行交错网格有限差分正演，包括以下步骤：
采用交错网格对待测目标区域进行离散网格化，获得网格单元采样处电场的正演方程；
根据电场和磁场的插值关系，获得倾子响应正演数据。
进一步地，步骤S4包括以下步骤：
建立反演模型目标函数时，通过正则化反演对目标函数的模型项进行约束；
对所述目标函数进行求导，计算获得目标函数的梯度。
进一步地，计算目标函数梯度时，加入先验模型向量，以对数的方式约束反演参数。
进一步地，步骤S5包括以下具体步骤：
设定最大迭代次数或最小拟合差；
基于所述三维正则化反演目标函数的梯度，采用拟牛顿法或NLGG对所述倾子响应正演数据进行反演迭代，直到达到最大迭代次数或最小拟合差，获得最终反演结果。
进一步地，对所述最终反演结果切出不同方向的电阻率切片图，并画出地下深部地质体的电磁异常轮廓。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明中的基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，将磁棒放置于井孔并沿着井壁从地表向深部逐点测量垂直磁场；通过井中的垂直磁场信息，再结合较远地面基点采集的水平磁场，建立倾子资料，构建空间三维信息，改善一定频率下地面磁场测量对深部构造信息分辨率不足的问题，提高了测量精度。
(2)使用有限内存拟牛顿法对倾子资料进行反演迭代得到目标地质体的最终反演模型，能够节省数据存储空间和提升计算效率。
(3)对井孔进行二次利用，提高了钻孔在数据观测及数据处理中的作用，提高了测量可信度，减少了资源浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明中的联合探测方法流程示意图；
图2为本发明中的采集数据系统示意图；
图3为三维初始模型网格剖分切片示意图；
图4为地下低阻体放置位置在地下500m处深度的三维模型切片图；
图5为地下低阻体放置位置在地下500m处深度的井中倾子随深度的正演响应图；
图6为地下低阻体放置位置在地下500m深度处时，基于本发明的探测方法获得的倾子资料反演切片图；
图7为地下低阻体放置位置在地下500m深度处时，基于地面MT阻抗的三维反演切片图；
图8为地下低阻体放置位置在地下500m深度处的三维反演迭代拟合差曲线图；
图9为地下低阻体放置位置在地下500m深度处的步长曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，通过地面基点水平磁场与井中垂直磁场获得倾子资料，提高了磁场反演测量精度。其具体实施步骤如下：
(1)设置地面基点，布置水平磁棒，采集地面磁场数据
通过GPS定位距离目标区域较远距离的地面基点，相隔10m水平铺设两根磁棒。一根磁棒南北朝向测量磁场数据Hdx，另一根磁棒东西朝向测量磁场数据Hdy，将基点选在较远位置目的是避免地下深部地质体对地面基点的影响。
在本实施例中，通过定位将地面基站设置在离目标区域较远的位置(0m，-5600m，0m)，两根磁棒水平放置地面。如若在山地区域不方便铺设，可将两根磁棒按照“L”形或“十”字形铺设。本实施例中磁棒按照“L”形铺设，南北朝向磁棒采集的数据为Hdx，东西朝向磁棒采集的数据为Hdy。
(2)下放井中磁棒，测量垂直磁场数据，建立观测文件
将磁棒放入目标区域的钻井位置，接收机放置在地面10m开外，与磁棒线连，避免影响浅层数据的接收。选取采集频率，如果是高频选择短磁棒，低频则选择长磁棒，按照一定的间隔向下测量垂直磁场数据HJ，建立井中观测点数据文件。
本实施例中，频率选择为550Hz，350Hz，200Hz，75Hz，30Hz，如图2所示为实施例采集数据观测系统示意图。
采集数据三个测点位置，测点1(150m,0m,Z)选取在靠近y边界、测点2(150m，150m,Z)在目标区域对角线位置、测点3(0m，150m，Z)靠近x边界，Z表示钻井深度(磁棒下放深度)，井管深度800m,由上到下依次按照5m、10m、15m、20m、25m、25m、50m、50m、50m、50m、100m、100m、100m、100m、100m的间隔距离进行测量垂直磁场HJ。
(3)构建地井初始三维模型
为了降低边界对测量点太近所带来的误差影响，对三维网格XY方向进行非均匀剖分，按照目标区域和网格外延区域两部分来划分，深度Z方向在浅层进行细分处理。将地下深部地质体设置在目标区域以内，数据采集区域以均匀网格进行剖分，外延网格以倍数增加间隔距离。并设置待测地质体的空间位置信息、电阻率赋值，构建初始三维模型。
如图3所示，为本实施例中部分网格剖分切片示意图，网格顶面中心点设置为中点(0,0,0)，目标XY区域按照50m的间隔均匀剖分，深度Z方向依据测点位置进行剖分，外延网格以倍数增加，设置背景电阻率为100Ω·m。
(4)使用交错网格有限差分法进行正演，获得井中倾子数据
对三维模型进行有限差分正演计算时，忽略位移电流，取时谐因子为e-iωt，麦克斯韦方程组微分形式为
Figure BDA0003436317190000081
其中，σ是电导率，μ0是真空磁导率，ω是角频率。通过简单代换上述两个方程式可以得到基于电场强度E的关系式为：
Figure BDA0003436317190000082
采用交错网格对研究区域离散网格化，获得网格单元采样处电场的正演方程为：KE＝b，其中，K为大型稀疏矩阵；E为采样点处待求电场三分量的列向量；b为离散化的右端项，通过QMR方法对网格单元采样处电场的正演方程进行求解。
联立地面基点(D)采集的水平磁场数据Hdx、Hdy和井中(J)垂直磁场数据HJ，其关系式为：Hj(J)＝TJx(J,D)Hdx(D)+TJy(J,D)Hdy(D)。
在正演过程由于需要对两种极化模式进行数值模拟，最终的倾子计算方式为：
Figure BDA0003436317190000083
将低阻体放置在500m的深度、地质体高200m,其三维初始模型切片图如图4所示。再对图2中的1、2、3测点分别进行倾子正演响应，选择30Hz与200Hz的频率做对比。如图5所示，为倾子响应随深度的变化图，其中第一行为1号测点，第二行为2号测点，第三行为3号测点。由图5可以看出，在TJx响应值更大的测点1位置和TJy响应值更大的测点3位置都表现出来了在地质体边界造成的异常响应，在深度500～700m的位置呈现出低阻体的深度信息。在2号点位置，处于目标区域的对角线位置，TJx和TJy响应均可以表现出地质体的深度信息，验证了本发明中的正演方法对地下深部地质体识别的正确性，为下一步深部地电结构的反演做好了铺垫。
(5)建立正则化反演目标函数，计算梯度
通过正则化反演增加对目标函数的模型项约束，降低反演多解性问题，目标函数可表现为：
Figure BDA0003436317190000091
其中，
Figure BDA0003436317190000092
为加权矩阵，目的是当所观测数据的精度不一致时，可以有效的降低精度较差的数据所占的权重；
Figure BDA0003436317190000093
为模型的约束矩阵。
通过对目标函数进行求导，计算获得目标函数梯度，计算方式为：
Figure BDA0003436317190000094
其中，m0是先验模型向量，J为灵敏度矩阵。
在本实施例中，对初始模型加入先验模型向量，以对数的方式约束反演参数，使得所计算的物性参数都表现为正数，提高反演的敏感度。
(6)反演迭代目标地质体，获得新的结果模型
构建均匀半空间初始模型，结合正演响应数据，使用拟牛顿法对模型进行反演迭代，直到满足所设置的最大迭代次数或最小拟合差参数条件，获得最终反演结果。
本实施例中，给定的最小拟合差值是1.0，最大迭代次数60，RMS公式表示为：
Figure BDA0003436317190000101
如果是实测数据的反演迭代，数据可能受多方面的影响，比如：噪声、人为因素等。本实施例中加入2％的随机误差，用以模拟实测数据。
在本实施例中，将低阻体放在地下深部500m的位置进行反演，对反演结果进行分析。图4为将低阻体放在地下深部500m的位置的三维初始模型切片图，通过上述步骤(4)获得井中倾子正演数据。
如图6所示，为低阻体放在地下深部500m的位置的三个测点的三维反演结果图，其中第一行为1号测点，第二行为2号测点，第三行为3号测点，黑色边框为真实模型边框。从图6中可以看出，反演结果的三维空间信息与真实模型黑色边框吻合较好，对中心区域电阻率的恢复比较接近真实模型。
为了与现有技术方案做对比，设置同样参数条件下，对地下低阻体做MT阻抗三维反演，MT阻抗三维反演切片图参见图7。从图7中看出，相同频率下，在深度500m基本识别不出来低阻体的位置。与基于本发明的探测方法做对比，进一步的说明本发明对深部地电结构探测的分辨率得到有效的提升。图8为低阻体放在地下深部500m的位置的三维反演的拟合差曲线图，图9为低阻体放在地下深部500m的位置的的步长曲线图，均可以看出不同测点位置的反演迭代都稳定的收敛，说明本发明基于地面水平磁场和井中垂直磁场联合测量方法技术方案的稳定性与有效性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于天然大地电磁场源，获取地面基点水平磁场数据和待测目标区域的井中垂直磁场数据；
S2、构建空间三维初始模型；
S3、根据地面基点水平磁场数据和井中垂直磁场数据，整理倾子资料；根据所述倾子资料对空间三维初始模型进行交错网格有限差分正演，获得倾子正演数据；
S4、建立三维正则化反演目标函数，计算获得所述三维正则化反演目标函数的梯度；
S5、基于所述三维正则化反演目标函数的梯度，将倾子响应正演数据对均匀半空间初始模型进行反演，获得地下深部地质体的磁场响应结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于：
通过GPS定位距离所述待测目标区域一定距离的地面基点，在所述地面基点处相隔一定距离水平铺设两根磁棒；所述两根磁棒分别为南北朝向的磁棒和东西朝向的磁棒；通过所述两根磁棒获取地面基点水平磁场数据；在山地等不便铺设磁棒的区域，所述两根磁棒可按照“十”形或“L”形进行摆放。
3.根据权利要求1所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于，待测目标区域的井中垂直磁场数据获取方式为：
将磁棒放入待测目标区域内的井孔中，规矩需要测量的磁场精度，按照等间距依次向下测量垂直磁场数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于地面基点水平磁场与井中垂直磁场的联合测量方法，其特征在于，步骤S2中，构建空间三维初始模型包括以下步骤：
对三维网格在XY方向进行非均匀剖分，在Z方向上的浅层进行细分处理；
将三维网格划分为目标区域和网格外延区域两部分；
将地下地质体设置在目标区域中，磁场数据采集区域以均匀或非均匀网格剖分；
外延网格以倍数增加间隔距离；
设置待测地质体的空间位置信息、电阻率赋值，构建空间三维初始模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于，步骤S3中根据地面基点水平磁场数据和井中垂直磁场数据，整理倾子资料，具体包括以下步骤：
联立地面基点水平磁场数据和井中垂直磁场数据，计算井中倾子资料；
对所述井中倾子资料进行两种极化模式的数值模拟，所述两种极化模式为XY模式和YX模式。
6.根据权利要求1所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于，步骤S3中，根据所述倾子资料对空间三维初始模型进行交错网格有限差分正演，包括以下步骤：
采用交错网格对待测目标区域进行离散网格化，获得网格单元采样处电场的正演方程；
根据电场和磁场的插值关系，获得倾子响应正演数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：
建立反演模型目标函数时，通过正则化反演对目标函数的模型项进行约束；
对所述目标函数进行求导，计算获得目标函数的梯度。
8.根据权利要求7所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于：计算目标函数梯度时，加入先验模型向量，以对数的方式约束反演参数。
9.据权利要求1所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于，步骤S5包括以下具体步骤：
设定最大迭代次数或最小拟合差；
基于所述三维正则化反演目标函数的梯度，采用拟牛顿法或NLGG对所述倾子响应正演数据进行反演迭代，直到达到最大迭代次数或最小拟合差，获得最终反演结果。
10.据权利要求9所述的一种基于地面基点的水平磁场与井中垂直磁场联合测量方法，其特征在于：
对所述最终反演结果切出不同方向的电阻率切片图，并画出地下深部地质体的电磁异常轮廓。
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