一种基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法与流程
本发明电导率分布技术领域，特别是涉及一种基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法。
背景技术：
现有瞬变电磁勘探技术一般是在地面用大线圈激发瞬变电磁场，在地面进行接收，发射线圈和接收线圈之间的距离为0，对于导电介质来讲是半空间(另一半空间是空气，不导电)的响应，所以接收信号幅度很大，发射线圈在接收线圈中直接耦合的信号幅度很大，即无用信号幅度很大，与地层电导率有关的有用信号幅度很小，没有直接利用瞬变电磁场在地层中的传播特征，只通过瞬变电磁场在地层中传播时在地面引起的响应中的信息，识别地层电导率分布的多解性，而且会导致多种不同的地层电导率分布得到相同的响应波形形状，地层电导率的空间分辨率低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法，能够提高测量的地层电导率的空间分辨率和精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法，包括：
将发射线圈与第一阵列接收线圈下到发射井的目的层；
将第二阵列接收线圈下到接收井的目的层；
周期性导通和关断所述发射线圈；
将所述发射线圈与第一阵列接收线圈移动第一设定距离；
获取第一设定距离移动过程中第一阵列接收线圈的第一涡流信号和第二阵列接收线圈的第二涡流信号；
将所述第二阵列接收线圈移动第二设定距离；
跳转至所述将所述发射线圈与第一阵列接收线圈移动第一设定距离步骤，直至全井段测量完成；
根据所述第一涡流信号和第二涡流信号得到地层电导率分布。
可选的，所述发射线圈与第一阵列接收线圈通过连接杆连接。
可选的，所述接收井为一个或者多个。
可选的，所述周期性导通和关断所述发射线圈，包括：正向导通、正向关断、反向导通和反向关断。
可选的，所述周期性导通和关断所述发射线圈，包括：延迟60ms、正向导通60ms、正向关断60ms、反向导通60ms和反向关断160ms。
可选的，所述第一设定距离大于第二设定距离。
可选的，所述根据所述第一涡流信号和第二涡流信号得到地层电导率分布，包括：
根据第一涡流信号用反褶积获得地层电导率曲线；
根据第二涡流信号用全空间几何因子获得空间的地层电导率分布；
将所述地层电导率曲线作为已知的边界条件对所述空间的地层电导率分布进行约束求解，获得地层电导率的分布。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过周期性导通和关断所述发射线圈，能够产生连续频谱的低频电磁场，该低频电磁场集肤深度大，能够有效地穿过发射井进入地层，克服发射井的屏蔽作用；而且在发射井内既设有发射线圈还设有第一阵列接收线圈，这样发射井既能够给接收井提供瞬变电磁场，又能够接收瞬变电磁场，实现对发射井外的地层电导率进行连续测量，从而获得地层电导率曲线；且发射线圈和第一阵列接收线圈同时连续移动、连续测量，获得连续的发射井内以及发射井和接收井之间的瞬变电磁全波波形，对地层电导率分布反映的更加全面、精准，且阵列接收线圈采用非接触测量方法，对施工者来说更加容易操作、效率高、安全。
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，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法的方法流程图；
图2为本发明发射线圈与第一阵列接收线圈连接关系图；
图3为本发明瞬变电磁激发波形形状图；
图4为本发明发射井内的瞬变电磁响应波形图；
图5为本发明瞬变电磁激发响应的传播过程图；
图6为本发明瞬变电磁涡流产生的响应波形形状图；
图7为本发明发射线圈和接收线圈不在同一条轴线上时，全空间各点地层的电导率对涡流激发响应的贡献示意图；
图8为本发明实施例导电薄板与激发线圈示意图；
图9为本发明不同源距接收时的doll几何因子弯向半径方向示意图；
图10为本发明doll几何因子的空间分布示意图；
图11(a)为本发明套管井的响应波形以及不同地层电导率响应波形相减的结果示意图，(b)为不同源距的响应波形幅度用灰度表示时的结果示意图，(c)为不同介质电导率所得到的响应波形相减后其幅度随源距的变化示意图；
图12(a)为本发明发射和接收线圈结构示意图，(b)为5.5英寸套管井原始测井波形图；
图13为本发明两个不同深度同一源距测量波形相减以后的波形图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的目的是提供一种基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法，能够提高测量的地层电导率的空间分辨率和精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法的方法流程图，如图1所示，一种基于瞬变电磁涡流场测量地层电导率分布的方法，包括：
步骤101将发射线圈与第一阵列接收线圈下到发射井的目的层；
步骤102将第二阵列接收线圈下到接收井的目的层；
步骤103周期性导通和关断所述发射线圈；
步骤104将所述发射线圈与第一阵列接收线圈移动第一设定距离；
步骤105获取第一设定距离移动过程中第一阵列接收线圈的第一涡流信号和第二阵列接收线圈的第二涡流信号；
步骤106将所述第二阵列接收线圈移动第二设定距离；
步骤107跳转至步骤104将所述发射线圈与第一阵列接收线圈移动第一设定距离，直至全井段测量完成；
步骤108根据所述第一涡流信号和第二涡流信号得到地层电导率分布。
其中，步骤101中的发射线圈使用“工”型骨架，骨架中间为空心圆柱形，圆柱内填充磁性材料，圆柱的外面绕制直径1mm的漆包线，通过增加线圈的长度来增加绕制的圈数，接收线圈与发射线圈结构一致，只是圆柱的外面绕制的漆包线直径略小，发射井中的接收线圈圈数8千圈，接收井中接收线圈圈数达到3-8万圈，且将多个接收线圈等间距的排列在一起构成阵列接收线圈，发射线圈与第一阵列接收线圈通过硬的连接杆连接，如图2所示，步骤101中所述的目的层指的是一个预设的深度。
步骤102中接收井为一个或者多个，当接收井为多个时，与一个接收井测量方式相同，此时需要多个接收井中的第二阵列接收线圈同时移动。
步骤103中周期性导通和关断所述发射线圈，即发射线圈采用双极性激发方式：正向导通、正向关断、反向导通和反向关断，具体的可设置为：延迟60ms、正向导通60ms、正向关断60ms、反向导通60ms和反向关断160ms。
步骤104-步骤106中的第一设定距离大于第二设定距离，这样每次测量都会有重叠。
步骤105中获取第一设定距离移动过程中第一阵列接收线圈的第一涡流信号和第二阵列接收线圈的第二涡流信号，即通过每个接收线圈连着的高精度(24位ad)采集系统，对每个波形进行ad转换，将两次导通和两次关断激发的模拟信号转换成数字信号，并将数字信号完整的传输到计算机中，后续用全空间几何因子建立处理方法获得地层电导率分布。
步骤108所述根据所述第一涡流信号和第二涡流信号得到地层电导率分布，包括：根据第一涡流信号用反褶积获得地层电导率曲线；根据第二涡流信号用全空间几何因子获得空间的地层电导率分布；将所述地层电导率曲线作为已知的边界条件对所述空间的地层电导率分布进行约束求解，获得地层电导率的分布。
具体的，对发射井中测量的波形，依据涡流场的单向传播特征，用前一个深度测量的波形减去后一个深度测量的波形，得到地层涡流激发的响应波形，(由于波形中很大的无用信号在两个测量点是一样的，这样能够被减掉，剩余的是所测量的地层电导率的差异)取多个时刻的响应值，组合构成地层电导率原始测井曲线(相邻两点测量的电导率响应的差)，再用反褶积获得地层电导率曲线。对接收井接收的响应波形，利用相邻位置测量波形相减的方法去掉无用信号，仅仅剩下涡流激发的响应以后，用全空间的几何因子建模，全空间几何因子给出了邻近井接收到的每一点涡流激发响应的表达式，该表达式描述空间任意一点的电导率对响应的贡献，用该表达式进行反褶积处理获得空间的地层电导率分布。最后用全空间几何因子计算的涡流激发响应与实际测量的涡流激发响应的差平方以后相加建立目标函数，使目标函数最小的分布即为最终的电导率分布。在进行空间电导率分布反褶积处理和目标函数寻优过程中，发射线圈所在的发射井测量的地层电导率可以作为已知的边界条件进行约束求解，从而获得地层电导率的分布。
本发明的具体工作过程和原理是：
将发射线圈和第一阵列接收线圈以及邻近井的第二阵列接收线圈均下到井底或者目的层附近。在地面系统的控制下，发射线圈按照激发逻辑(延迟60ms、正向导通60ms、关断60ms、反向导通60ms、关断160ms)周期性地连续进行线圈电流的导通和关断，第一阵列接收线圈和第二阵列接收线圈中的所有接收线圈均接收到瞬变电磁响应信号，同时启动每个接收线圈连着的高精度(24位ad)采集系统，对每个波形进行ad转换，将两次导通和两次关断激发的响应完整地转换、传输到计算机中。连续移动发射线圈及其通过硬连接杆连接的第一阵列接收线圈，重复上述采集过程，获得发射线圈连续移动时，发射井和接收井中第一阵列接收线圈和第二阵列接收线圈的响应，对井间的电导率分布进行扫描测量。一个扇面测量完成以后，发射线圈停止移动，采集系统停止工作。移动所有的接收井中的第二阵列接收线圈到下一个扇面的中心位置，然后开始另一个扇区的测量，重复上述测量过程，即启动发射线圈的激发逻辑和所有采集系统对每个接收线圈所接收到的响应信号进行采集，连续移动发射线圈及其硬连接的第一阵列接收线圈直至完成测量。
具体的移动过程为：首先固定接收井的第二阵列接收线圈，连续移动发射井的发射线圈及其硬连接的第一阵列接收线圈进行测量，移动的距离为l，完成一个扇区的测量，然后停止移动和测量，移动接收井中的第二阵列接收线圈，移动的距离为r以后固定第二阵列接收线圈，再将发射井中的发射线圈下移距离m之后，重新开始测量，向上连续移动发射线圈，移动的距离为l，完成第二个扇区的测量，重复上述过程完成全井段的测量。另一种移动测量方式是：在完成一个扇区的测量之后，发射线圈固定，发射线圈的瞬变电磁发射不停止，接收井的第二阵列接收线圈移动r距离的过程中仍然进行测量。这种测量的全波波形是发射固定、接收线圈移动时的响应波形。
其中，l是测量的区域，通常比较大，每次测量时与上次测量的区域有一定的重叠，为了保证每次测量都有重叠测量区域，所以发射线圈下移距离m之后再重新开始测量，m是控制变量，通常比较小，视具体的重叠区域或者重复测量区域而定，但第二阵列接收线圈移动的距离r需要小于第一阵列接收线圈移动的距离l。当进行多个接收井的作业时，每个接收井的移动和测量与单各接收井接收的方式相同，且多个接收的阵列接收线圈同时移动。
在上述过程中，发射井内发射线圈既完成井间瞬变电磁勘探的信号发射，又完成该发射井的过套管电导率的测量，并且所有测量均是连续的，效率比较高，接收井则接收从发射井中激发的瞬变电磁场。
发射线圈在导通、关断过程中均激发瞬变电磁场，其激发的波形形状如图3所示，图中第一个峰(30ms位置)是正向导通时线圈两端的电压波形，向下的峰值(150ms)是关断时刻线圈两端的电压波形，幅度很大，线圈电流该电压的作用下导通、关断，其中导通时间比较长、关断时间短，快速减小到0。导通和关断分别在地层中产生强的瞬变电磁场，最后面的峰值是反向导通时的线圈上的电压波形。关断产生的瞬变电磁场远远大于导通时产生的瞬变电磁场，瞬变电磁激发最有效。在发射井中接收线圈接收到的响应波形如图4所示，随着源距的增加，响应的峰值向后移动，说明瞬变电磁场在套管井中具有传播特征，且不同源距接收到的波形形状有差异，最近源距接收到的波形在导通和关断时刻出现阶跃，其它源距的波形则表现为上升快、达到极值以后慢速下降，形成极值的时间随着源距的增加而增加，可以明显地看到传播过程。图5是瞬变电磁在地层中的传播过程，其中，图(a)，(b)，(c)是在半径r和深度方向上线圈激发的瞬变电磁场在不同时刻的空间分布图，可以看到：随着时间的增加，电磁场的分布向外扩展，表明瞬变电磁能量向外传播，图(d)是峰值在不同时间的分布，描述峰值的传播过程，且在这些向外传播的瞬变电磁场中，涡流场伴随其中。图6是发射井中的瞬变电磁在地层中激发的涡流再次在接收线圈上产生的响应波形，是发射井中相邻深度点接收到的波形相减以后(与地层电导率无关的响应均被去掉)得到的，第一个峰值对应于正向导通时刻，第二个向下的峰值代表正向关断产生的响应。最后一个向上的峰值代表反向关断产生的响应。在四次有效的激发(正向导通关断反向导通关断)时刻出现四个有效的峰值，这个波形的每个点均构成一个电导率测井曲线，四个峰值位置的幅度最大，测量灵敏度最高，该峰值与地层的电导率成正比，将四个峰值取出并叠加在一起可以消除自然电位干扰，得到灵敏度高的电导率随深度的变化曲线，经过刻度即得电导率曲线。
图7是发射和接收线圈(两个向下的峰值)不在同一条轴线上时，全空间各点地层的电导率对涡流激发响应的贡献(几何因子、加权值)，井间地层涡流激发的响应是空间各点电导率与其对应的全空间几何因子的乘积。对于接收井接收到的响应波形，用图7所示的全空间的几何因子可以对井间的阵列接收瞬变电磁响应波形进行处理，获得地层电导率的空间分布。
该几何因子给出了空间所有点的电导率σ对接收井接收到的涡流激发信号vr的贡献权重：
其中，i(ω)是激发电流的频谱，ω＝2πf，k是仪器常数，g是全空间几何因子，t是时间，x、y、z是直角坐标系。这样，便建立了接收井接收波形处理的方法。通过建模，应用阵列接收信号，获得比较准确的地层电导率分布。
关于导电介质中线圈激发涡流的单向传播特征的理论推导和有关实验验证为：在无限大均匀导电介质中取一个无限薄平板，不考虑板与板之间的影响，线圈在其中激发的涡流沿线圈轴单向传播、不反射、速度为常数。线圈轴上不同位置接收到的波形形状相同，有时间延迟。将薄平板再进一步分解成与线圈同轴的单元环，则单元环上的涡流在线圈轴上激发的响应用doll几何因子描述，它刻画了径向不同深度地层涡流对响应的贡献。涡流传播的完整图像是：沿轴向传播，在所经过的介质中，轴线上的介质对响应没有贡献，以发射线圈和接收线圈为两端的椭球形状的介质对响应贡献大。
在导电介质中，线圈激发的感应电场会产生涡流，它伴随着瞬变电磁场而存在。但是，其传播特征与瞬变电磁场差异很大。瞬变电磁场在导电介质中双向传播，衰减大，相位移动引起的传播速度随频率改变；而其激发的涡流则单向传播，衰减小，速度为常数。
如图8所示，在无限大均匀导电介质中取一个平面薄板，其厚度为无穷小，电导率为σ，磁导率为μ，在其上距离为h的位置平行放置一个发射线圈t，线圈轴与平面薄板法向重合。选择柱坐标系，z轴与线圈轴一致，坐标原点设在导电薄板上。
线圈电流变化时在真空和导电薄板中均激发出瞬变电磁场，其中磁场在r和z方向有分量，电场是轴对称、涡旋的。导电薄板中的涡旋电场会激发涡旋电流j(r)，是半径r的函数。定义涡流
其中，br是半径为r处的导电薄板上、下表面的电磁感应强度
这是一个一阶波动方程，描述导电薄板内电磁感应涡流再次激发的磁场沿z的负方向传播，其传播速度与导电薄板的电导率和磁导率有关，是常数
在导电薄板内部，涡流激发磁场的势函数可以表示为：
这是一阶波动方程(1)式的解，表明涡流激发的响应以波动形式，在导电薄板内沿z的负方向传播。这是一个单方向传播的波，与导电介质中线圈激发的电磁场满足的二阶微分方程：
不同，二阶微分方程(3)有两个解，分别沿两个方向传播，其传播速度为
上述方程是从导电介质中任取一个薄板，不考虑板与板之间的相互作用下得到的，其近似刻画了整个导电介质中涡流激发场的传播特征。当径向上有多层介质时，同样推导可以得到每层i均有涡流及传播速度
doll从导电介质取出一个单元环进行研究，相当于在上述薄板中取出一个与发射线圈同轴的单元环，对其涡流以及涡流激发的响应单独进行分析。用线圈激发的磁场通过单元环的磁通量可得到单元环中的感应电动势，乘以单元环的电导获得涡流，该涡流在线圈轴线上再次激发的响应等于单元环的电导率乘以doll几何因子(空间所有点电导率对涡流激发响应的贡献)。这相当于给出了涡流沿线圈轴线传播时所扫过的介质分布。
将doll几何因子描述的空间分布和涡流沿轴向的传播速度合在一起，可以归纳出涡流及其激发场的传播特征：在导电介质中，涡流沿发射线圈轴向以恒定速度传播。从发射线圈到接收线圈，涡流激发的响应有时间延迟，该延迟对所有的频率都一样，因此，不同源距接收到的涡流激发响应波形的形状一致。但是涡流沿轴向传播时，不同半径处的地层电导率对涡流激发响应的贡献不一样。图9所示是doll几何因子，轴线(左侧边界)上是蓝色，幅度为0，其地层对响应没有贡献。传播所经过的路径(z)上有一个黄色区域弯向半径方向，颜色越黄表示该区域的几何因子越大，对涡流激发响应贡献越大。接收源距不同时，黄色区域所占据的半径不一样。源距越大，伸向半径方向的区域也越大。
图10是导电介质中单个空间点的doll几何因子，是图9所示的doll几何因子除以周长得到的。在发射和接收线圈周围半径趋于0，因此，该点的几何因子很大(图10的(a)(b)中黑色位置)。从发射线圈到接收线圈(从下到上)，有一个黄色区域(a)向半径方向弯曲，其几何因子比较大，在图10(c)中是绿色、蓝色区域。该结果说明：涡流场沿这样的区域或者路径从下到上传播，轴线上的地层((a)图中中间的白色和(c)图中中间的红色)没有被测量。
涡流传播的特点：涡流虽然沿线圈轴向传播，但是，其响应幅度所涉及到的介质却是径向一定区域的。从测量波形上获得的时间差(相位差)和幅度变化是由图9中黄色区域(径向上)介质的电导率所引起。图10进一步给出了涡流上下传播时所经过的路径剖面(a)、路径剖面分布的等高线(b)和立体图(c)，立体图中绿色和蓝色部分是涡流传播路径。
用瞬变电磁可以同时获得幅度信息和传播引起的相位信息。
用严格的理论解计算径向四层(从井轴沿半径向外依次是井内液体、套管、水泥环和地层)套管井模型在关断时的响应得到图11a(发射、接收线圈之间的距离0.4m)，其中长虚线是激发波形，短虚线是响应波形。实线和点划线分别是地层电导率为10s/m、5s/m时的响应波形减去地层电导率为1s/m的响应波形(地层涡流激发的响应之差)所得到的差，其峰值出现在响应波形(虚线)变化最快的位置附近。将不同源距的响应波形幅度用灰度表示得到图11b，不同地层电导率时响应波形相减得到的波形幅度用灰度表示得到图11c。从图中可以看到：源距不同，响应波形的形状在近源距(小于0.5m)处发生剧烈变化；但是，不同地层电导率的波形相减以后，其形状在所有源距均完全相同，不随源距变化，这是以恒定速度传播的特征。这是地层涡流所引起的响应。因为波形相减后，与电导率无关的直接耦合响应和井内液体、套管和水泥环的涡流响应均被减掉，仅剩地层涡流所引起的响应差，与(1)式所描述的涡流激发响应单向传播、传播速度恒定(不随频率改变)的特征一致。
用图12a所示的一个发射线圈t和四个接收线圈r1-r4的仪器，放在直径为5.5英寸的石油套管井，用延迟60ms、正向导通60ms、正向关断60ms、反向导通60ms、反向关断160ms的激发方式测量得到图12b所示的原始测井波形。
第一个源距l1＝0.28m的响应波形(近场)与其它三个源距的波形形状差异明显。但是每个波形都有极值，其达到时间随着源距的增加而增加，响应具有明显的传播特征。这是瞬变电磁在导电介质中的响应((3)式的解是既衰减又相移，展现出传播特征)：传播速度慢，随频率改变，传播过程中波形形状发生改变。
用同一源距在不同深度位置(地层电导率不同)测量的波形相减得到图13所示的波形。其源距l2和l3的峰值基本重合，相位差很小，波形形状一致，即不同源距的波形形状相同。与图5的原始测量波形形状不同，在原始波形峰值的前面位置，波形相减以后出现峰值，与图11a的实线形状一致。这是涡流激发的响应波形，传播速度为常数，不同源距处的响应波形形状一致。
综上：瞬变电磁激发的频谱连续，低频部分幅度大。在导电介质中，其响应主要由传导电流决定，衰减系数和传播速度均随频率改变。传播特征是既衰减又相移，传播速度随频率改变，随着源距的增加，波形形状发生改变。但是，其涡流激发的响应则以恒定速度传播，波形形状不随源距改变，轴线上的介质对响应没有贡献，一定半径区域内椭球形介质的电导率对其贡献大，沿椭球形状的介质传播。
本发明还公开了如下技术效果：
本发明通过周期性导通和关断所述发射线圈，能够产生连续频谱的低频电磁场，该低频电磁场集肤深度大，能够有效地穿过发射井进入地层，克服发射井的屏蔽作用；而且在发射井内既设有发射线圈还设有第一阵列接收线圈，这样发射井既能够给接收井提供瞬变电磁场，又能够接收瞬变电磁场，实现对发射井外的地层电导率进行连续测量，从而获得地层电导率曲线；且发射线圈和第一阵列接收线圈同时连续移动、连续测量，获得连续的发射井内以及发射井和接收井之间的瞬变电磁全波波形，对地层电导率分布反映的更加全面、精准，且阵列接收线圈采用非接触测量方法，对施工者来说更加容易操作、效率高、安全。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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