一种横向移动式浅层瞬变电磁精细勘探方法与流程

本发明属地面工程施工前期的地下地基和地下构造勘探的专用技术领域，更具体的说，是涉及一种横向移动式浅层瞬变电磁精细勘探方法。

背景技术：

现有的瞬变电磁勘探方法和仪器采用地面纵向发射，即发射线圈与地面平行，激发的磁场与地面垂直，地面纵向接收的方式(纵向间距为0)；这种激发方式在地层中产生的涡流是轴对称的，主要探测发射线圈下部地层的电导率，激发能量越大，探测的深度越深。减小发射和接收线圈的半径，可以减小探测深度，实现浅层的勘探。这种方法测量的结果是发射线圈下面地层水平面圆周方向的电导率。地层的分层通常是水平的，不同的地层分界面与地面平行。上述测量方法激发的瞬变电流只在同一地层电导率的水平面内形成涡流，不同地层所形成的涡流是叠加的，相当于并联方式。地层越深，瞬变电磁涡流的直径越大，即烟圈越大，测量的区域越大，纵向的分辨率越低。不利于高分辨率勘探，特别是浅层，由于受到激发导致的盲区影响，20-50m无法实施有效的勘探。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种横向移动式浅层瞬变电磁精细勘探方法，通过改变瞬变激发的磁场方向达到改变激发涡流方向的目的，使电磁感应的涡旋电流垂直界面流动，这样，界面的信息最大限度地出现在响应波形特别是响应差波形中，使界面变化在响应差波形中以峰值向前移动的方式来表现。即使遇到了强的屏蔽，响应差仍然能够有效地显示电导率界面变化，从而有效地解决了现有瞬变电磁勘探在浅层遇到的精度差、分辨率低的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的横向移动式浅层瞬变电磁精细勘探方法，包括以下步骤：

第一步：将发射线圈和阵列接收线圈同轴安装在一起，固定源距和间距，并固定在一个绝缘筒内，构成测量探头；

第二步：测量探头水平放置在地面上，与地面平行，水平连续移动测量探头，xy定位装置记录其x、y坐标，上传至计算机，记录测量探头的移动距离；

第三步：地面控制模块及电源给发射电路持续提供电能量，连续提供发射逻辑，发射电路在接收到发射逻辑以后瞬间发射电流和电压冲击，发射线圈按照设计好的发射逻辑连续发射，与此同时，阵列接收线圈按照发射的同步同时接收响应波形，阵列接收线圈中各个接收线圈接收到的响应波形经过接收模块、模拟信号处理模块后，经ad转换模块转换为32或者24位的数字量，通过地面控制模块及电源存储到计算机中；

第四步：在计算机中用处理模块对各个接收线圈所测量的响应波形进行处理，获得地层的电导率界面，具体方法为：

(1)相邻位置测量的响应波形相减去掉无用信号，剩余的响应差信号依据形状随测量点的变化识别地层的电导率界面；

(2)以第一个测量点的测量波形为基准，其它测量波形均与其相减得到响应差波形，依据响应差波形形状识别地层的电导率界面；

(3)对阵列接收线圈的响应差波形联合建模，利用涡流激发的二次场特点进行处理，反演地层电导率界面；

(4)直接对响应波形进行建模处理。

所述发射线圈内部放置磁性材料柱，所述阵列接收线圈中的每个接收线圈内部均放置有磁性材料柱，且接收线圈内部磁性材料柱的磁导率大于发射线圈内部磁性材料柱的磁导率。

与现有技术相比，本发明中横向高精度勘探的发射线圈内放置磁性材料可以大幅度增加瞬变电磁激发功率，用导通和关断两种激发方式在所测量的地层中产生不同响应形状或类型的响应与涡流，通过测量直接响应场和涡流再次激发的响应波形实现浅层高分辨率地层电阻率界面的连续测量，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明利用磁芯的高磁导率大大地提高了瞬变激发的电磁能量，用内置磁芯的接收线圈大大的提高了接收线圈的灵敏度。有用信号的幅度大，信噪比高，测量精度得以保证。

(2)本发明同轴放置发射和阵列接收线圈，固定发射和阵列接收线圈之间的距离。采用不同源距接收，可以获得不同深度地层电导率及其界面的信息，不同源距的阵列接收波形还对同一深度地层的电导率界面进行了多次覆盖测量。

(3)本发明由于横向放置测量方式所产生的感应电流与探头的轴线垂直，感应电流在探头的正下方是水平的，在偏离正下方的位置是倾斜的，与水平界面有一定的角度，因此，界面的连续性和同一感应电动势在不同的导电介质中产生不同的电流，这些信息汇聚到了响应波形中。使测量更针对地层电导率界面。

(4)本发明电磁感应的涡流再次产生的响应可以依据半空间的doll几何因子进行分析。而依据doll几何因子建立的高分辨率感应测井已经很成功，其处理方法有很多可以借鉴到高分辨率勘探中。

(5)本发明没有地面传统电磁勘探的盲区问题。

(6)本发明有两种信息可以被用于电导率界面处理，直接响应波形的形状，涡流再次在接收线圈中产生的响应形状。

附图说明

图1是测量探头结构和排列方式示意图；

图2是本发明横向移动式浅层瞬变电磁精细勘探方法的原理示意图；

图3是瞬变电磁测量仪器线圈结构示意图；

图4是瞬变电磁测量的四个源距的原始响应波形图；

图5是模型实验装置示意图；

图6是注水过程中水面位置改变所对应的响应差波形的变化示意图；

图7是将图6中的响应差波形平滑滤波以后所得到的波形图。

附图标记：1发射线圈，2接收线圈阵列，3地面，4电导率界面，5水箱，6套管，7支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的横向移动式浅层瞬变电磁精细勘探方法是一种地下20到100米浅层的电阻率精细勘探方法，通过在地面有限的空间内进行高密度测量，借助于电磁感应响应形状和响应中反应地层电导率差异的时域波形差的形状，利用瞬态波形最大值的位置随测量点的变化规律识别地下电导率界面，实现高精度勘探。

本发明的横向移动式浅层瞬变电磁精细勘探方法，包括以下步骤：

第一步：将发射线圈和阵列接收线圈同轴安装在一起，固定源距和间距，并固定在一个绝缘筒内，构成测量探头，如图1所示。其中，阵列接收线圈由若干个接收线圈构成。为增加瞬变电磁发射功率，所述发射线圈内部放置磁性材料柱，为提高接收灵敏度，所述阵列接收线圈中的每个接收线圈内部均放置有磁性材料柱，且接收线圈内部磁性材料柱的磁导率大于发射线圈内部磁性材料柱的磁导率。

第二步：如图测量探头水平放置在地面上，与地面平行，水平连续移动测量探头，xy定位装置记录其x、y坐标，上传至计算机，记录测量探头的移动距离。如图2所示。

第三步：地面控制模块及电源给发射电路持续提供电能量，连续提供发射逻辑，发射电路在接收到发射逻辑以后瞬间发射大的电流和电压冲击，发射线圈按照设计好的发射逻辑连续发射，与此同时，阵列接收线圈按照发射的同步同时接收响应波形，阵列接收线圈中各个接收线圈接收到的响应波形经过接收模块、模拟信号处理模块进行滤波、放大处理以后，经ad转换模块转换为32或者24位的数字量，通过地面控制模块及电源存储到计算机中，记录存盘，显示。

第四步：在计算机中用处理模块对各个接收线圈所测量的响应波形进行处理，获得地层的电导率界面，具体方法为：

(1)相邻位置测量的响应波形相减去掉无用信号，剩余的响应差信号依据形状随测量点的变化识别地层的电导率界面。

(2)以第一个测量点的测量波形为基准，其它测量波形均与其相减得到响应差波形，依据响应差波形形状识别地层的电导率界面。

(3)对阵列接收线圈的响应差波形联合建模，利用涡流激发的二次场特点进行处理，反演地层电导率界面。

与传统的瞬变电磁勘探资料处理思路不同，本发明测量的波形还可以利用电磁感应中涡流再次激发的响应进行处理。在实际测量的波形中，除了直接响应外，响应中还包含涡流再次激发的响应，该响应在直接响应变化快的位置幅度达到极大值，其与直接响应随时间的变化率成正比。该响应是这样产生的：直接响应的感应电动势在导电的地层产生电流(电流连通时称为涡流)，该电流会再次产生感应电动势。该电动势与地层的电导率成正比，在感应测井中被用于直接测量地层的电导率。其与直接响应的区别是：直接响应刻画了瞬变电磁信号在导电地层中的物理衰减和相位移动，该衰减和相位移动与电导率有关，电导率越大，衰减越大，相位移动越多，这些特征在不同源距的波形中表现为响应波形的形状随源距改变。而再次感应电动势的响应幅度与地层的电导率成正比，相位超前直接响应90°，幅度很小。

由于瞬变电磁的再次响应幅度很小，在原始响应波形中不能够直观的看出差别，需要将直接响应去掉。去掉直接响应的方法是用同一源距在两个不同位置所测量的响应求差。该响应差波形对电导率界面比较灵敏。

(4)直接对响应波形进行建模处理。

与传统的瞬变电磁勘探资料处理思路一样，根据现有的探头结构建立浅层响应模型，计算该模型条件下不同源距的响应波形，根据响应波形形状确定电导率界面位置。这种处理思路与瞬变电磁勘探相似，建立正演模型，将计算的响应与实际测量的响应对比，两者越接近，则模型越与实际地层接近。只是本发明的瞬变电磁响应波形形状与原来的地面瞬变电磁勘探有比较大的差别。另外，本发明有多个阵列波形同时测量，反应不同深度地层的导电特征，可以进行联合处理。

具体示例

本发明与现有的地面瞬变电磁勘探不同，采集是在发射瞬间之前就开始的，接收线圈1到n所接收的波形不是发射停止一定时间以后开始采集，而是发射开始前就采集，在此过程中发射线圈导通t毫秒、关断t毫秒、反向导通t毫秒，反向关断t1毫秒构成一次采集过程。一次波形采集过程获得这四个激发的全部响应数据，相当于相连的四次激发，四次有效测量。一次采集完成以后，马上开始发射和接收即两者同时开始，进行第二次采集，采集过程是连续的，图3所示为一个具体的线圈结构，t是发射线圈、r1是最近的接收线圈，r4是最远的接收线圈，r2和r3居于期间的接收线圈。

图4是按照t＝60ms，t1＝220ms这样的逻辑激发时，四个接收线圈所接收到的原始响应波形。注意，本波形是发射线圈和阵列接收线圈(固定以后)所构成的测量探头被放在钢管中测量的(响应波形)。钢的高电导率和磁导率对瞬变电磁场进行了很强的屏蔽，使响应波形变成了这样。图中60ms位置是正向导通时刻，最近源距的响应很快达到极大值，其它三个源距的响应比较慢，达到极大值的时间比较晚。120ms位置是正向关断时刻，第一个源距的响应(实线)同样快速变化，其它三个源距的响应则延迟滞后一定时间以后达到极小值，180ms位置是反向导通时刻，同样出现了类似的响应，最后，240ms是反向关断时刻，其后的响应幅度一直衰减延迟到0，过220ms以后再次重复上述过程。

上电启动以后开始测量，则上述过程就不停止了，一直等时(周期400ms)地进行采样。密集地记录所测量地层的信息，对所测量的区域进行多次重复测量。

图5是一个实验装置，在钢套管中放置发射线圈和阵列接收线圈组成的测量探头，外面套上一个水箱，往水箱里面注水，形成一个电导率水平界面，随着注水过程的进行，电导率界面向上移动。

图6中左图平滑的线是在套管内发射时所测量的原始波形，注水过程中(直观上看)没有变化。将注水过程中的波形减去没有水时的波形得到带有毛刺的响应差波形，该波形随着水面的上升，形状变化比较大。右边是模型装置侧面图，直观指示水面位置，左边图中每个响应差波形所在的位置就是右图相应的水面位置。将响应差波形平滑得到图7，从图中可以看到：从下到上，随着水面的上升，套管外导电空间增加，响应差波形的形状发生了很大变化。

注意，这是在钢套管内部测量的，瞬变电磁激发响应受到了套管高电导率和磁导率的屏蔽和衰减影响。在地面测量，则没有该屏蔽和衰减影响，响应差会更加明显。响应差波形是界面以下的水导电所引起，其形状随界面位置变化，用该形状可以识别界面位置。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，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，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。