一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测方法及系统

摘要

本发明涉及一种瞬变电磁探测方法及系统，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测方法及系统。本发明通过不接地回线在侧方对异常体进行激发，能够对陡立状或直立状低阻板状体产生很好的耦合效用，在巷道或钻孔中利用接收装置接收二次场信号，能够接收到较强的响应信号，利用提出的数据处理方法对接收信号进行反演处理，能够获得准确的解释结果。

权利要求

1.一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测方法，其特征在于：在地面布置不接地回线并与发射设备相连以组成发射系统，所述不接地回线位于地下目标体的地面投影位置旁侧；

在所述地下巷道或钻孔内布置接收测线，所述接收测线位于所述不接地回线投影的内侧；

在所述接收测线的测点处放置接收探头，所述接收探头与接收设备相连，组成接收系统；

通过给不接地回线供入直流电，在目标区域建立稳定的人工磁场；

截断不接地回线内的电流，利用接收探头采集测点的三分量磁场信号，得到一个测点的数据；将探头移到下一个测点，继续采集三分量磁场信号，如此反复循环直至采集完所有测点的采集。

2.根据权利要求1所述的地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，发射系统和接收系统通过同步电缆联结或通过石英钟同步实现分离。

3.根据权利要求1所述的地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述布置在地下巷道或钻孔内的接收测线为沿巷道底板或钻孔布置。

4.根据权利要求1所述的地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，地面不接地回线源的尺寸为目标体埋深的0.5倍以上，所述回线源尺寸即为回线源的边长，目标埋深即所要探测目标体的埋藏深度，回线源尺寸大于埋深的0.5倍。

5.根据权利要求1所述的地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，在异常体附近或者数据变化比较剧烈的地方数据需要进行加密采集，得到测线的整体数据。

6.根据权利要求1所述的地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，对所采集的三分量磁场信号数据进行多测道成图、电流环反演算法计算，得到目标体内感应电流环的尺寸及空间位置。

7.一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测系统，其特征在于，包括：布置于地面的不接地回线，所述不接地回线与发射设备相连以组成发射系统，所述不接地回线位于地下目标体的地面投影位置旁侧；

布置于所述地下巷道或钻孔内的接收测线，所述接收测线位于所述不接地回线投影的内侧；

放置于所述接收测线的测点处的接收探头，所述接收探头与接收设备相连，组成接收系统。

8.根据权利要求7所述的地井瞬变电磁探测系统，其特征在于，发射系统和接收系统通过同步电缆联结或通过石英钟同步实现分离。

9.根据权利要求7所述的地井瞬变电磁探测系统，其特征在于，所述布置在地下巷道或钻孔内的接收测线为沿巷道底板或钻孔布置。

说明书

一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种瞬变电磁探测方法及系统，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测方法及系统。

背景技术

[0002] 地球物理方法对于地下采空区或者低阻地质体探测应用较早，方法种类较多，取得的效果也较好，其中对含水性探测效果比较好的方法以电磁法为主，电磁法具体又包括以高密度为代表的直流类电法和瞬变电磁为代表的感应类电法。对瞬变电磁法而言又有地面大定源瞬变电磁法和地井瞬变电磁法等多种方法。

[0003] 瞬变电磁法属于电磁类探测方法中的一个重要分支，依据的物性基础为地下介质的电阻率差异。利用地面不接地回线或者接地线源向地下发送一次脉冲磁场(一次场)，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场(二次场)。瞬变电磁法对低阻体反应灵敏，目前已经被广泛应用于寻找水资源、金属矿体、矿井隐伏含/导水构造及通道探测。但对于地下陡立状或者直立状板状体探测而言却是一个难题，因其水平方向截面积一般较小，常规方法难以产生较好的激发效果，严重影响了瞬变电磁法的探测能力。

[0004] 地井瞬变电磁法是瞬变电磁法的一个重要分支，研究最早始于上世纪70年代，相关学者主要集中在加拿大、澳大利亚等西方国家，并且研制了多种地井瞬变电磁探测仪器。该方法优势在于将接收探头放置于地下巷道或钻孔中，可以接收感应二次场的三个分量，实现对低阻地质体的探测定位，由于接收位置更加接近地质体，接收探头在地下巷道或钻孔中受导电覆盖层和外部电磁干扰较小，能够获得比地面更强的异常响应，最大限度地探测深部地电结构和地质体，尤其当地面瞬变电磁法无法获得有效异常时，该方法的优势就更加突出。

[0005] 申请号为201610061215.3的中国发明专利公开了一种瞬变电磁数据微分电导解释技术，是一种基于感应电动势在电阻率不同的地区衰减特征不同的解释方法，虽然该方法极大的丰富了大回线源瞬变电磁解释方法，但是对于地下陡立状或者直立状板状体的探测效果仍然不理想。

[0006] 申请号为201610398371.9的中国发明专利公开了一种瞬变电磁法地孔探测方法与装置，在地面布置对目标体地层全包围的大发射回线，在井下顺层钻孔中直接接收孔周围二次场的三分量数据，探测隐伏致灾体的位置及规模等信息。所述回线投影位置将需要探测的目标地层全部包围，即钻孔在地面的投影位于回线内。对于该探测装置，不接地回线产生的磁场与板状体的耦合效果较差，板状体无法感应出较强的二次场，即便是探头在附近钻孔中接收，也无法获得强烈的异常响应，因此该方法对于陡立状或者直立状低阻板状体的探测效果较弱。

[0007] 因此，对现有技术中的瞬变电磁探测方法及系统进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

[0008] 以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

[0009] 现有技术中，在地面布置对目标体地层全包围的大发射回线，在井下顺层钻孔中直接接收孔周围二次场的三分量数据。回线投影位置将需要探测的目标地层全部包围。对于该探测装置，不接地回线产生的磁场与陡立板状体的耦合效果较差，板状体无法感应出较强的二次场，即便是探头在附近钻孔中接收，也无法获得强烈的异常响应，因此该方法对于陡立状或者直立状低阻板状体的探测效果较弱。本发明依据目标体产状近直立的特征，根据安培定则发射线框激发的磁场在框内部是近垂直分布的，即水平分量很小，在框外磁场逐渐倾斜，水平分量变大。若在陡立板状体在框内则难以获得有效激发，若陡立板状体在框外，即布置侧方激发的地面回线源，能够使磁力线最大限度的穿过陡立状或直立状低阻板状体，使异常体内产生最佳的激发效果，获得较强的地质体异常响应信号，准确探测回线外侧的地下陡立状或直立状低阻板状体。

[0010] 现有技术中基于瞬变电磁勘探方法获得的感应电动势在电阻率不同的地区衰减特征不同的解释方法，虽然该方法极大的丰富了大回线源瞬变电磁解释方法，但是作为常规地面瞬变电磁法，对于地下陡立状或者直立状板状体的探测效果仍然不理想。本发明在地下钻孔或巷道内布置测线接收三分量瞬变电磁场，接收装置离异常体近，基于电流环反演算法，通过对三分量磁场值的处理，得到陡立状或直立状低阻板状体的空间位置信息。

[0011] 为解决上述问题，本发明的方案是：

[0012] 在地面布置不接地回线，将所述不接地回线与发射设备相连，组成发射系统，所述不接地回线位于地下目标体的地面投影位置的旁侧；

[0013] 在所述地下巷道或钻孔内布置接收测线，所述接收测线位于所述不接地回线投影的外侧；

[0014] 所述接收测线的测点处放置接收探头，所述接收探头与接收设备相连，组成接收系统；

[0015] 其中，发射系统位于地面，接收系统位于地下空间中，发射系统和接收系统可通过同步电缆联结或通过石英钟同步实现分离。

[0016] 所述布置在地下巷道或钻孔内的接收测线，为近似水平布置。

[0017] 地面不接地回线源的尺寸为目标体埋深的0.5倍以上，所述回线源尺寸即为回线源的边长，目标埋深即所要探测目标体的埋藏深度，回线源尺寸大于埋深的0.5倍，能够保证目标体处一次磁场强度较大，能充分激发异常体产生二次磁场。

[0018] 地面不接地回线源的布置依据为使静磁场磁力线在目标体处产生更大的截面积，依据目标体产状近直立的特征，根据安培定则发射线框激发的磁场在框内部是近垂直分布的，即水平分量很小，在框外磁场逐渐倾斜，水平分量变大。若在陡立板状体在框内则难以获得有效激发，若陡立板状体在框外，即布置侧方激发的地面回线源，能够使磁力线最大限度的穿过陡立状或直立状低阻板状体，使异常体内产生最佳的激发效果，获得较强的地质体异常响应信号，准确探测回线外侧的地下陡立状或直立状低阻板状体。

[0019] 通过给不接地回线供入直流电，在目标区域建立稳定的人工磁场，截断不接地回线内的电流，则地层与目标体内部依据法拉第电磁感应现象分别产生感应电流，继而形成感应磁场；在所述地下巷道或钻孔内的测点处布置接收探头，采集三分量磁场信号，得到一个测点的数据；将探头移到下一个测点，采集三分量磁场信号，如此反复循环，在异常体附近或者数据变化比较剧烈的地方数据需要进行加密采集，得到测线的整体数据。

[0020] 对所采集的三分量数据进行多测道成图、电流环反演等算法计算，得到目标体内感应电流环的尺寸及空间位置，实现对目标体的探测。

[0021] 本发明的有益效果是：本发明通过不接地回线在侧方对异常体进行激发，能够对陡立状或直立状低阻板状体产生很好的耦合效用，在巷道或钻孔中利用接收装置接收二次场信号，能够接收到较强的响应信号，利用提出的数据处理方法对接收信号进行反演处理，能够获得准确的解释结果。

附图说明

[0022] 并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

[0023] 图1例示了本发明实施例中的探测装置示意图；

[0024] 图2例示了本发明实施例中的测线及发射框布置示意图；

[0025] 图3例示了本发明实施例中的多测道曲线示意图；

[0026] 图4(a)-(b)例示了本发明实施例中的电流环反演拟合图与反演模型示意图；

[0027] 将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

[0028] 实施例

[0029] 本实施例中提供了一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测方法。

[0030] 图1例示了本发明实施例中的探测装置示意图；图1仅仅是以顺煤层超前探测地质异常体为例进行描述，但是需要说明的是，该描述仅仅是示例性的，本发明并不仅限于顺煤层超前探测地质异常体的方案中。

[0031] 本发明具体实施方式包含一下步骤：

[0032] (1)如果在井下需要探测的目标地层中没有钻孔的，需要先打钻孔，巷道10的迎头11前方，沿掘进方向煤层5打钻孔，根据含水地质异常体6所在深度或者探测深度需要决定钻孔深度。

[0033] (2)根据目标体基本信息，依据室内数据计算结果针对性的、合理的布置侧方激发的地面回线源2，布置的原则为使磁力线尽可能多的穿过含水异常体，使发射回线与含水地质异常体产生最佳的耦合状态。

[0034] (3)所述发射回线2与地面发射设备相连，组成发射系统。向地面发射回线供载有直流方波的电流3，向地下发送一次场7，其中地面回线的尺寸为目标体埋深的0.5倍以上。

[0035] (4)地下含水地质异常体6在一次场7的作用下，其内部会产生感应电流，又称涡流8，因涡流随时间变化的作用,在其周围产生新的磁场，称为二次场9。

[0036] (5)接收探头放置于钻孔12内，与接收设备相连，组成接收系统。接收探头在钻孔中接收三分量数据，接收后移动到下一个测点，完成整条测线的数据采集，在数据变化比较大或者异常体附近，采取加密测点采集的办法。

[0037] (6)对所采集的三分量数据进行多测道成图、电流环反演等算法计算，实现对地质体的空间定位。

[0038] 其中对上述步骤(6)数据处理过程具体又包括以下内容：

[0039] 地井瞬变电磁数据处理步骤与常规瞬变电磁不同，成果展现形式也不同，一般不采用视电阻率断面或者平面等值线的方式给出勘探结果，而是以多测道图的形式，再结合反演软件直接给出局部异常体的位置和大体形状。地井瞬变电磁的数据处理步骤主要如下几个步骤：

[0040] ①根据单点曲线确定有效数据段；

[0041] ②根据勘探区异常体类型、埋深、地层等情况，确定异常体响应时间段；

[0042] ③分析三分量单点衰减曲线变化规律，圈定异常衰减曲线；

[0043] ④依据理论模型岩性分界面响应特征，并结合测井曲线、综合柱状图对实测三分量多测道曲线进行综合分析，确定地层分界面响应；

[0044] ⑤依据理论背景地层三分量多测道曲线形态，在多测道曲线上圈定局部异常体响应特征，并结合步骤3异常单点曲线进行分析确认；

[0045] ⑥划分局部异常体出现的深度范围；

[0046] ⑦对典型的地井瞬变电磁异常进行电流环反演，必要时提取异常进行反演；

[0047] 最后对反演的异常体进行地质解释。

[0048] 本实施例中提供了一种侧向激发的回线源地井瞬变电磁探测系统。如图1所示，包括：

[0049] 回线源，设置于地面并与含水地质异常体产生耦合，用于在发射装置的激励下产生一次场；

[0050] 接收装置，设置于目标地层钻孔内，用于接收二次场数据。

[0051] 在本实施例中，作为一种优选方式，所述接收装置用于在目标地层钻孔内按预定轨迹逐点接收二次场数据。

[0052] 在本实施例中，作为一种优选方式，回线源的尺寸为目标体埋深的0.5倍以上。

[0053] 图2-4是本发明实施例的具体应用。图2-4中，在野外开展试验验证工作，选定一地下埋置的储水罐作为探测目标体，目标体中心点埋深7.5m，尺寸为长×宽×高：4m×1m×5m。发射回线边长为100m×50m，发射基频为5Hz，发射电流为13A，电流为逆时针方向，侧方激发，储水罐地面投影中心点距测线边框5m。在模拟巷道的地下深坑内布置测线，测线1距边框水平距离为4.5m，测线2距边框为7.5m，坐标原点选测线2起点(最左端)，目标体中心坐标为(35,12.5,-7.5)。试验现场测线布置如图2所示。

[0054] 图3例示了本发明实施例中的多测道曲线示意图；图中，(a),(b)(c)为测线1实测三分量多测道曲线，(d)(e)(f)为测线2实测三分量多测道曲线，从图中可以看出，两条测线三分量数据在对应储水罐位置，即横坐标35附近均有明显凸起，说明原始数据对目标体反映明显。

[0055] 图4(a)-(b)例示了本发明实施例中的电流环反演拟合图与反演模型示意图；图中(a)为三分量单时间道拟合图，从图中可以看出数据曲线拟合程度较好。图(b)为反演结果示意图。

[0056] 为了更明显的分析反演精度，将反演结果参数显示如下：

[0057]

[0058] 从上表的处理结果可以看出，电流环反演能成功反演储水罐位置及尺寸参数，其中测线1比测线2反演效果更好，说明接收离目标体越近则探测越准确。

[0059] 本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

[0060] 注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

[0061] 提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。