真实幅度瞬时电磁系统响应测量的制作方法

专利名称：真实幅度瞬时电磁系统响应测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多通道瞬时电磁(MTEM)系统以及用于将地响 应估计为电磁脉冲由此检测含烃层或含水层的方法。
本发明还涉及一 种用于检验该方法的有效性的方法。
背景技术：
多孔岩石充满了液体。该液体可以是水、气体、或石油、或所有 这三种的混合物。地内电流的流动取决于受饱和液体影响的这种岩石 的电阻率。例如，盐水饱和多孔岩石的电阻率远小于充满烃的相同岩 石。因此，地球物理学的目的是通过测量地质层组的电阻率来确定是 否存在烃。如果使用其他方法(例如，地震探査)的测试认为地质层 组具有含烃的可能，则在钻孔之前，重要的是具有关于该层组是否确 实在实际上含烃或者该层组主要是含水层的指示。这可以是使用电磁 技术来进行，更具体地是使用时域电磁技术。
传统地，时域电磁勘测使用一个发射机以及一个或更多个接收机。 该发射机可以是电源(即接地双极(bipole))或磁源(即单线圈或多 线圈中的电流)。该接收机可以是用于测量电势差的接地双极，或者用 于测量磁场和/或磁场的时间导数的线圈或多线圈或磁力计。经常通过 电源或磁源中的电流的阶跃变化来形成发射信号，但是可以使用任何 瞬时信号，例如包括伪随机二进制序列。
由于可能由对含烃结构的正确识别所提供的潜在的巨大时间和成 本节省，已经投入大量研究资源到时域电磁技术中，并且在此领域中 存在大量己发表的文献。关于该主题的一本教科书K.-M. Strack， (1992), Elsevier的"Exploration with deep transient electromagnetics"描 述了长偏移瞬时电磁(LOTEM)方法。这使用较大的电源-典型地大
约l-2km长的携带电流并且每一端都接地的电缆-以及位于该源若干 公里以外的一组接收机。数据解释假设了每个接收机处的响应都只取 决于正好在其下方的电阻率构成。可以将每个接收机所测量的衰落曲 线转换成明显的电阻率构成，并且可以对不同接收机的明显的电阻率 构成进行组合以估计该结构含烃的可能性。
为了校正由源信号和测量系统本身对信号响应引入的影响，在 Strack的教科书的154-156页中，Strack提出了两种用以测量系统响应 的备选方法。这些方法在155页图5.32中示意性地示出。第一方法是 在实验室中没有负载地通过记录系统来测量开关盒的输出。Stmck认 识到可以将不同滤波器设置用于记录系统中，并且应考虑每种设置的 响应。第二方法在系统有负载，并且向地面施加电流的情况下，需 要对在携带源处电流的电缆附近使用40mX40m线圈所产生的场进行 测量。Strack说第一方法适合长于1秒的响应，而第二方法优选用于 较短的响应。Stack在谈论系统响应的稳定性时，暗示了在对系统响应 的测量中的改变一定是由测量方法中的不稳定性引起的，而不是由于 系统响应自身改变。然而，如稍后将详细描述的，这是原理上的误解， 实际上系统响应可能作为时间函数而改变。
新近，Hoheisel, A., H5rdt， A.,禾tl Hanstein, T.在发表于Geophysical Prospecting ， 2004的52巻，417-426页的名为"The influence of induced polarization on long-offset transient electromagnetic data"的i仓文中提出 了，可以将系统响应作为相距lm并且与发射机电缆并行的两个电极 之间的电场电势并且"以赤道配置中的3m偏移"进行测量。
Wright， D. ， Ziolkowski ， A.和Hobbs ， B. ， (2002)的文章"Hydrocarbon detection and monitoring with a multichannel transient electromagnetic (MTEM) survey" The Leading Edge, 21， 852-864中描述了多通道瞬 时电磁方法，这是对用于探查地表以下的LOTEM的改进。在某些方 面，该方法与LOTEM相似存在源，通常是将电流施加于接地电极 对之间，以及接收机，通常测量沿同一条线的电极之间的电势差。然 而，多通道瞬时电磁方法确认了每个接收机处的响应取决于源和接收 机之间的整个地，而不是简单地取决于接收机以下正对着的地。
WO 03/023452 Al更详细地描述了烃检测以及使用多通道瞬时电 磁方法的监控技术。在WO 03/023452 Al中，提出了可以在每个源位 置并针对每一瞬间测量系统响应。这样做的原因是因为WO 03/023452 Al的发明人意识到，与例如由Stmck所例证的公认教益相反的是系统 响应本身可以作为时间和位置的函数而改变，所以知道给定时间和位 置处的系统响应的唯一方式是对该系统响应进行测量。
WO 03/023452 Al描述了用于测量系统响应的各种方法。在电流 双极源的情况下，建议了可以使用两个与源非常靠近的电极来测量对 电场系统响应的测量(与Hoheisel等，2004相似)。针对磁场系统响应， 建议了可以直接测量与源或输入电流靠近地放置的小水平线圈。然而， 并没有描述用于完成上述的特定技术。本发明集中于用于确定系统响 应的改进技术，以及用于识别电阻率差异的改进技术。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于勘查地下电阻率差异的
方法，该方法包括通过使用具有接地输入电流电极的至少一个电源 或在单线圈或多线圈中具有电流的一个磁源以及至少一个电场或磁场 接收机，来进行多通道瞬时电磁测量；使用已知记录系统来在每个接 收机处同时测量所得到的地响应；通过使用实际上相同的记录系统来 直接测量源处的电流，来测量输入电流系统响应；将所测量的系统响 应用于从每个所测量的地响应中恢复出地脉冲响应；以及从这种脉冲 响应中产生地下电阻率差异表示。
通过直接测量输入电流，以及根据输入电流定义系统响应，已经 发现可以实现对系统响应的真实幅度确定。实际上，这意味着还可以 实现对地脉冲响应的真实幅度的恢复。这已经导致在电阻率差异的识 别中的显著改进。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于勘査地下电阻率差异 的系统，该系统包括多通道瞬时电磁测量(MTEM)系统，具有至 少一个具有输入电流电极的电源或在单线圈或多线圈中具有电流的磁 源；用于在每个接收机处使用已知记录系统同时测量所得到的地响应
的装置；通过使用实际上相同的记录系统直接测量到输入电流电极的 电流或单线圈或多线圈中的电流来测量系统响应的装置；处理装置， 用于针对所测量的系统响应对所测量的地响应解巻积，以便恢复出相 应的地电磁脉冲响应；以及显示装置，用于显示所述脉冲响应或所述 脉冲的任何变形，以产生地下电阻率差异表示。
系统响应是对输入源的电流的测量，并且使用与用于记录接收机 处的地响应基本相同的装置来记录该系统响应。可以使用磁力计来测 量源电极处的输入电流，例如使用Hall Effect技术 (http:〃hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/magnetic/hall.html#c3 )， 该 技术具有较高频率响应(DC-100kHz)、较快的响应时间(小于1毫秒)、 较大的动态范围(5mA-30A，以lmA分辨率)，并且为非插入且安全 的。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于检査使用时域电磁技 术所估计的地脉冲响应是否正确的方法，该方法包括使用第一源/ 接收机配置来测量地响应和系统响应；使用所测量的数据来估计地脉 冲响应；将源和接收机互换；使用互换后的配置来测量地响应和系统 响应；使用互换后的配置数据来估计地脉冲响应，并对地脉冲响应的 估计值进行比较。


现在，参考附图，仅作为示例对本发明的各个方面进行描述，在 附图中
图1示出了典型的源-接收机配置，具有电流双极源及其两个电极 以及在这种情况下与源成一条直线的接收机，测量接收机电极之间的 电势以执行根据本发明的方法；
图2示出了源电极、电流源或发射机与电流计和用于测量系统响 应的记录系统之间的电缆示意图3示出了不同源位置处并且针对不同电流值的系统响应测量的 图表。已经对该图表进行归一化处理以示出变化。电流在数据开始之 后大约5ms发生变化；
图4示出了两种系统响应测量的图表来自发射机的输出以及到 源电极的输入。已经对该图表进行归一化处理以示出变化。
图5示出了测量系统响应的两种不同方式的图表，以及 图6示出了针对相应的源/接收机对所估计的脉冲响应。
具体实施例方式
图1示出了典型的源-接收机配置。该配置具有电流双极源以及一 行接收机(在这种情况中与源在一条直线上)，该电流双极源具有两个 电极，接收机电极之间的电势被测量以执行根据本发明的方法。在图 1中，源是每端各有一个电极的电缆中的电流，每个电极都接地。这
两个源电极典型地相距100m。在两个电极之间的导线上测量电流。
接收机可以测量两种类型的电磁响应电势差、或磁场变化率。在图
l中，示出了在两个接地电极(典型地相距100m)之间测量电势差， 而使用线圈(典型地为50mX50m的具有多个圈的矩形线圈)来测量 磁场的变化率。接收机覆盖区域典型地为若干公里长；即，典型地存 在数十个接收机，而非图1中所示的5个。
该源可以位于接收机覆盖区域以外(如图1所示)，或者位于接 收机覆盖区域以内，实际上，根据应用来移动源或接收机覆盖区域、 或两者。适当地将来自接收机的所记录的瞬时响应下载到计算机的硬 盘或其他存储介质中。
图2是对图1中的源的更详细图示。图2示出了源电极、电流源 或发射机、用于直接测量输入电流的电流计以及测量系统响应的记录 系统之间的电缆。在这种情况下，电流计位于或尽可能地靠近源电极 之一，因此可以对输入电流进行直接测量。电流计可以是任何适当形 式，例如磁力计。
在接收机处所测量的响应是巻积 E(k,xs,xr,t)=s(k,xs,xr,t)*g(xs,xr,t)+n(k,xr,t)， k=1,2，…，N(1)
其中，星号*表示巻积，s(k,xs,xr,t)是所测量的系统响应，g(xs,xr,t)
是未知的地脉冲响应，n(k,xr,t)是不相干噪声；k是所记录的N项记录
序列中的记录号；Xs是源位置，Xr是接收机位置，t是时间。
为了得到未知地响应g(Xs, Xr, t)，知道系统响应s(k,Xs, Xr, t)是至关重要的。对于本发明而言，将s(k,Xs, Xr, t)定义为输入到源电极(针对电流双极源)或输入到单线圈或多线圈(针对磁源)的电流i(k, Xs, t)与在接
收机处的记录系统的脉冲响应r(Xr,t)的巻积
s(k, Xs, Xr,t)=i(k, Xs,t)*r(Xr,t) (2)
实际上，通常不可以使用同时测量接收机处的电压或磁场的同一 装置来测量源处的电流。通常在源处使用相同的装置来给出对系统响应的测量
s(k, Xs, Xr, t)=i(k, Xs, t)*r(Xs,t),k=1, 2, ..., N, (3)
其中r(Xr, t)=r(Xs,t)
在图2中，电流计测量电缆中的电流i(k, Xs, t),并与具有脉冲响应r(Xs,t)的记录系统盒相连。如果方程(4)不成立，则必须知道源装置的脉冲响应r(Xs,t)和接收机装置的脉冲响应r(Xr,t)力之间的关系。换言 之，这两个脉冲响应通过以下方程关联
r(Xr,t)=r(Xs,t)*f(Xs, Xr,t)， (5)
输入电流函数i(k, Xs,t)是每当k增大则不同的时变函数，如图3所
示，该函数取决于源位置&处的条件。该函数还可以随着发射机和源
电极之间的电缆长度而改变；换言之，如示出了系统响应测量的图表 的图4所示，发射机的输出不一定是对地的输入；红色曲线是来自发 射机的输出；绿色曲线是对源电极的输入。已经对该图表进行归一化 处理以示出变化。实际上，已经发现，由于来自发射机的两条输出导 线之间的电容的影响，在发射机处所测量的电流和源处的实际电流输 入之间的变化并不完全相等。理想地，应该测量源处的输入电流。
图3示出了针对不同源位置以及针对不同电流值的系统响应s(k, Xs, Xr,t)的三种不同测量。已经对该图表进行归一化处理以示出变化。电流在数据开始之后大约5ms转变。图3示出了该转变不是完全 清楚发射机的行为取决于源处的负载。
为了从测量数据中恢复出脉冲响应g",Xr力，采取以下步骤除 去人为噪声(例如50Hz或60Hz);对^t,、,X,)解巻积，以恢复出对
g(、,xr,0的估计；以及进行N次这样的估计以改进信噪比，其中N典 型地大约为2000。
用于除去人为噪声的许多技术已知，因此这里不再进行详细描 述。然而，针对此采取一些步骤很重要。人为噪声是由电力生产所产 生的背景噪声，在欧洲典型地为50Hz，而在美国和加拿大为60Hz。 在电气铁路附近，通常存在其他频率，例如16^Hz。除去人为噪声通 常表示除去不属于该信号的己知频率处的数据分量该数据分量通常 具有大得多的幅度和不同的相位。
至于所涉及的解巻积步骤，可以使用任何适当的技术，例如由 Ziolkowski， A.， 1984， Deconvolution， International Human Resources Development Corporation, Boston, Massachusetts所描述的。理想情况下 (无噪声情况)，理论上可以设计反向系统响应滤波器/,皿(/t,n力， 使得滤波器与系统响应的巻积将产生理想脉冲c^):
<formula>see original document page 11</formula>(6)
此滤波器与方程(1)的测量的巻积将产生地脉冲响应g(、,Xr力加 噪声。公知的是，反向滤波器和噪声的巻积将噪声放大到使得噪声掩 没了信号，尤其是在信号幅度较小的高频处。因此，实际上，必须以 限带脉冲来代替理想脉冲。
对t/(r)函数的选择是开放的。在试验中，使用高斯函数exp(-a/2)，
其中《是自由参数，可以调整"来适应情况。解巻积滤波器变成 /KA:,n力，其中
<formula>see original document page 11</formula> (7)
实际上，并不总是可以完全满足方程(7)，并且必须找到fs(k5x5,xr,t)的某种近似值。技术人员将理解的是，存在几种寻找近似 的方法，其中之一是使用由LevinsonN.， 1947， The Wiener RMS (Root Mean Square) Error Criterion in Filter Design and Prediction, Appendix B
in Wiener, N， 1947, Extrapolation, Interpolation and Smoothing of Stationary Time Series, Technology Press of the Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts中所描述的公知的最小二乘 法。
然后，可以将该滤波器用于方程(1)中的测量以便产生<formula>see original document page 12</formula> (8)
方程(8)的右边第一项，d(t)*g(Xs,Sr,t)，是脉冲d(t)与脉冲响应 g(Xs,Xr,t)的巻积，并且是针对该测量的脉冲响应的最佳估计。第二项
fs(k,Xs,Xr,t)*n(k,Xr,t)是滤波器与噪声的巻积，并且污染了对脉冲响应
的估计。
实际上，(1)中的测量重复多次。针对这些测量中的每次测量，
可以如同方程(8)那样计算并采用单独的滤波器fs(k,Xs,Xr,t)。如果固
定d(t)，则每次脉冲响应项或信号都是相同的，但噪声项不同，因为 噪声项独立于地响应。对所有这些滤波测量的结果求和，或累积起来， 将信号而非噪声进行相干迭加，由此增大了信噪比。
有时，在一些测量而非全部测量中存在噪声的大爆发。在总和中
不包括这些具有较大噪声的测量是明智的，通常将N次测量的全集的 子集(比方说n)用于累积处理。因此，对地脉冲响应的估计是
<formula>see original document page 12</formula>, (9)
其中，对记录重新编号，并且只包括不存在过多噪声的那些记录。在
试验中，我们已经发现60dB的信噪比是希望的。通常很难从信噪比 大约低于40dB的数据中得到详细信息。
原理上，滤波器fs(k,Xs,Xr,t)对于集合中的每次测量都是不同的。 然而，对于系统响应S(k,Xs,Xr,t)的测量可以在集合内基本相同；换言之， 这些测量与k无关
对于所有<formula>see original document page 13</formula> (10)
如果是这种情况-仅通过进行系统响应测量(3)就能确定-则可以 在求和之后进行解巻积。艮P:
<formula>see original document page 13</formula> (11)
其中，滤波器fs(xs，x1，t)是从以下式子中得到的<formula>see original document page 13</formula> (12)
这应该给出与导致(9)的解巻积相同的结果，但是所需要的计
算量更少。
如之前所提到的，在其中体现了本发明的技术允许实现对系统响
应的幅度确定。图5示出了测量系统响应的两种不同方式的图表。红 色曲线示出了两个靠近放置的电极之间以及电流源电极之间的电势差 或电压。绿色曲线示出了使用与电流源在一条直线上的电流计所直接 测量的输入到源电极的电流。已经对该图表进行归一化处理，以允许 对形状进行比较。那些形状十分相似，但是比例不同，因为一个图表 是伏特，而另一个是安培数。使用电流测量导致对测量数据的正确解 巻积，以及在地下电阻率差异的识别中的显著改进。
为了检查是否已经恰当地执行了解巻积，可以使用互换原理。例 如，如图1所示，通过在电极A和B之间施加源电流以及在电极C 和D之间测量接收到的电压，地脉冲响应与针对互换后的源和接收机 的相同；即，针对施加在C和D之间的电流以及在A和B之间测量 的电压。在数学上，可以将其记录为如下
<formula>see original document page 13</formula> (13)
实际上，由于噪声，并不能够完全恢复出脉冲响应，但是可以估 计出脉冲响应。实际上，所需要的是
<formula>see original document page 13</formula>(14)
图6 (a)示出了针对相应的源-接收机对所恢复出的两个脉冲响 应。在这种情况下，在同一条线上源电极相距100m，而接收机电极相距100m。源电极的中点与接收机电极的中点相距800m。该图示出 了通过将源和接收机互换但保持电极位置不变所得到的两条曲线。图 6 (b)示出了与(a)相同的内容，但是以允许看出两个响应之间的差 别的放大比例示出的。没有对这两个响应采用差分放大。
图6 (a)和图6 (b)种所示的脉冲响应几乎完全相同。与大约 为60dB (与噪声电平相同)的信号相比，对应该相同的脉冲响应的两 个估计之间的差别非常小。已经在许多位置进行这个试验，并且图6 中所示的结果是典型的。每次将源和接收机互换，都要改变源和接收 机的条件，因此改变系统响应。因此，这个试验说明了相同的地脉冲 响应是在不考虑本地条件的情况下恢复出的，由此正确地处理系统响 应的测量及其解巻积。
技术人员将理解，在不偏离本发明的前提下，可以改变所公开的 布置。因此，对特定实施例的上述描述仅作为示例，而非限制目的。 技术人员将清楚的是，可以在不对所描述的操作进行显著改变的前提 下进行微小的修改。
权利要求
1.一种用于勘查地下电阻率差异的方法，所述方法包括通过使用具有接地输入电流电极的至少一个电源或在单线圈或多线圈中具有电流的一个磁源以及至少一个电场或磁场接收机，来进行多通道瞬时电磁(MTEM)测量；使用已知记录系统来在每个接收机处同时测量所得到的地响应；通过使用实际上相同的记录系统来直接测量源处导线中的电流，来测量系统响应；将所测量的系统响应用于从每个所测量的地响应中恢复出地脉冲响应；以及从这种脉冲响应中产生地下电阻率差异表示。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，将所述系统响应定义为输入 电流与接收机处的记录系统的脉冲响应的巻积，即s(k,xs,xr,t)=i(k,xs,t)*r(xr,t) ，或接收机处的脉冲响应的函数，即s(k,xs,xr,t)=i(k,xs,t)*r(xs,t)*f(xs,xr,t)。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中，直接测量输入电流包括使用磁力计。
4. 如之前的任一权利要求所述的方法，其中，所述源包括至少一个电流线圈，并且测量系统响应包括测量至少一个电流线圈中的电流。
5. 如之前的任一权利要求所述的方法，其中，所测量的地响应表 示成E(k,xs,xr,t)=s(k,xs,xr,t)*g(xs,xr,t)+n(k,xr,t), k=1,2,...,N,其中星号*表示巻积，s(k,xs,xr,t)是所测量的系统响应，g(xs,xr,t)是未知的地脉冲响应，以及n(k,xr,t)是不相关噪声；k是所记录的N个记录的序列中的记录号，xs是源位置，xr是接收机位置，t是时间。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，通过针对所测量的系统响应的方程的解巻积得到对具有噪声的地脉冲响应的估计。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，使用滤波器fs(k,xs,xr,t)来进行对方程的解巻积，其中s(k,xs,xr,t)*fs(k,xs,xr,t)=d(t)，星号*表示巻积， 而d(t)是限带脉冲。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，采用近似技术来估计fs(k,xs,xr,t)。
9. 如权利要求7或8所述的方法，其中，针对每次测量，计算滤波器fs(k，xs,xr,t).
10. 如权利要求6到9中的任意一个所述的方法，包括对所估计的 地脉冲响应求和，并确定平均数。
11. 如权利要求10所述的方法，其中，求和和平均步骤在解巻积 步骤之前进行。
12. 如之前的任一权利要求所述的方法，其中，对所测量的响应进 行处理，以便在对所述响应进行进一步处理之前除去人为噪声。
13. 如之前的任一权利要求所述的方法，包括从测量集合中识别并 除去明显比其他响应包含更多噪声的任何响应。
14. 如之前的任一权利要求所述的方法，其中，所述MTEM测量 是在地表进行的。
15. 如权利要求1到13中的任意一个所述的方法，其中，所述 MTEM测量在地表的海底或地表的海底的附近进行。
16. —种用于勘查地下电阻率差异的系统，所述系统包括多通道 瞬时电磁测量(MTEM)系统，具有至少一个具有输入电流电极的电 源或在单线圈或多线圈中具有电流的磁源；用于在每个接收机处同时 测量所得到的地响应的装置；通过直接测量源处导线中的电流来测量 系统响应的装置；处理装置，用于针对所测量的系统响应对所测量的 地响应解巻积，以便恢复出相应的地电磁脉冲响应；以及显示装置， 用于显示所述脉冲响应或所述脉冲的任何变形，以产生地下电阻率差
17. 如权利要求16所述的系统，其中，所述电极位于地表或内嵌 于地表中，以便提供对注入地的电流的直接测量。
18. 如权利要求16或17所述的系统，其中，用于测量输入电流的 装置是磁力计。
19. 一种用于检查使用诸如多通道瞬时电磁技术之类的时域电磁 技术所估计的地脉冲响应是否正确的方法，包括使用第一源/接收机 配置来测量地响应和系统响应；使用所测量的数据来估计地脉冲响应； 将源和接收机互换；以互换后的配置来测量地响应和系统响应；使用互换后的配置数据来估计地脉冲响应，并对地脉冲响应的估计结果进行比较。
全文摘要
一种用于勘查地下电阻率差异的方法，该方法包括通过使用具有接地输入电流电极的至少一个电源或在单线圈或多线圈中具有电流的一个磁源以及至少一个电场或磁场接收机，来进行多通道瞬时电磁(MTEM)测量；使用已知记录系统来在每个接收机处同时测量所得到的地响应；通过使用实际上相同的记录系统来直接测量源处导线中的电流，来测量系统响应；将所测量的系统响应用于从每个所测量的地响应中恢复出地脉冲响应；以及从这种脉冲响应中产生地下电阻率差异表示。
文档编号G01V3/12GK101176017SQ200580049777
公开日2008年5月7日 申请日期2005年12月13日 优先权日2005年3月14日
发明者大卫·赖特, 安东·焦乌科夫斯基, 布鲁斯·霍布斯, 格雷厄姆·戴维斯 申请人:睦泰姆有限责任公司