本发明涉及一种深水地质灾害的随钻监测系统及随钻监测与识别方法，该系统包括设置在海上工作平台上的井上处理模块，以及设置在钻杆上的控制传输模块、瞬变电磁模块和声波模块，且井上处理模块通过电缆与控制传输模块，控制传输模块通过电缆分别与瞬变电磁模块和声波模块连接；该随钻监测系统不仅可以在钻井前在海水中探测浅层的地质信息，为确定井眼位置提供信息，还能够在钻井过程中对钻头前未钻透的区域以及井筒横向范围进行探测，实时为钻井提供指导。本发明的随钻监测与识别方法通过增加一个包含声波与电磁探测功能的随钻测试短节，重点对钻头前方和井筒附近的地层进行监测，可以有效检测地层结构和潜在的地质灾害。
1.一种深水地质灾害的随钻监测系统，其特征在于，该系统包括设置在海上工作平台(2)上的井上处理模块(1)，以及设置在钻杆上的控制传输模块(6)、瞬变电磁模块(7)和声波模块(8)，且所述井上处理模块(1)通过电缆(3)与所述控制传输模块(6)连接，所述控制传输模块(6)通过电缆(3)分别与所述瞬变电磁模块(7)和声波模块(8)连接；
瞬变电磁探头(71)，一个或多个所述瞬变电磁探头(71)平行于所述瞬变电磁模块(7)的轴向布置，每一所述瞬变电磁探头(71)均与所述控制传输模块(6)连接，所述控制传输模块(6)按时序发送相应的控制信号控制所述瞬变电磁探头(71)以一定时间间隔通断电，以向外辐射电磁波，并产生感应电动势形成瞬变电磁数据；
第一放大/滤波/采集电路(72)，所述第一放大/滤波/采集电路(72)的输入端与所述瞬变电磁探头(71)连接，所述第一放大/滤波/采集电路(72)的输出端与所述控制传输模块(6)连接，用于采集所述瞬变电磁探头(71)的瞬变电磁数据并进行放大和滤波处理后，通过所述控制传输模块(6)发送给所述井上处理模块(1)；
声波发射探头(81)，与所述控制传输模块(6)连接，所述控制传输模块(6)按时序发送相应的控制信号控制所述声波发射探头(81)以一定时间间隔发射声波；
声波接收探头(82)，用于接收声波信号，并将声波信号转换成其值为电压幅度的声波数据；
第二放大/滤波/采集电路(83)，所述第二放大/滤波/采集电路(83)的输入端与所述声波接收探头(82)连接，所述第二放大/滤波/采集电路(83)的输出端与所述控制传输模块(6)连接，用于采集所述声波接收探头接收(82)的声波数据并进行放大和滤波处理后，通过所述控制传输模块(6)发送给所述井上处理模块(1)。
2.根据权利要求1所述的随钻监测系统，其特征在于，所述控制传输模块(6)包括：控制单元(61)，通过发送控制命令来控制所述瞬变电磁模块(7)和声波模块(8)的发射、上传和重启，保证所述瞬变电磁模块(7)和声波模块(8)有序运行，互不影响；
温度监测单元(62)，主要由温度传感器和外围电路组成，用于实时监测井下温度信息，确保随钻监测系统在合适的环境中正常运行；
数据传输单元(63)，用于接收所述瞬变电磁模块(7)和声波模块(8)的检测数据，并将检测数据与温度信息进行汇总后上传至所述井上处理模块(1)；
电源供给单元(64)，主要由两个DC-DC供电模块和多个集成稳压管组成，用于为各单元提供电能。
3.根据权利要求1所述的随钻监测系统，其特征在于，所述井上处理模块(1)包括深度计量单元、数据处理单元和结果显示单元，其中深度计量单元用于实时监测钻杆所处的深度信息；数据处理单元用于接收井下传输的检测数据和温度信息，并对其进行解析、存储和解释，然后将解释结果发送给结果显示单元；结果显示单元用于显示数据处理单元的解释结果。
4.根据权利要求1所述的随钻监测系统，其特征在于，该系统还包括用于连接所述电缆(3)和控制传输模块(6)的马笼头(4)。
5.根据权利要求4所述的随钻监测系统，其特征在于，还包括设置在所述马笼头(4)和控制传输模块(6)之间的上扶正器(5)以及设置在所述声波模块(8)和钻头(10)之间的下扶正器(9)。
6.一种基于如权利要求1到5任一项所述随钻监测系统的深水地质灾害的随钻监测与识别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：对于各种地层结构，采用瞬变电磁模块(7)进行预测试，获取各种地层结构对应的瞬变电磁数据，结合瞬变电磁检测模型建立瞬变电磁检测模板；
步骤二：对于各种地层结构，采用声波模块(8)进行预测试，获取各种地层结构对应的声波数据，结合声波检测模型建立声波数据检测模板；
步骤三：将瞬变电磁检测模板和声波数据检测模板相结合，获取对于各种地层结构的声波和瞬变电磁检测二维模板；
步骤四：下井测试，通过瞬变电磁模块(7)获取待测地层结构的瞬变电磁数据；
步骤五：通过声波模块(8)获取待测地层结构的声波数据；
步骤六：根据获取的待测地层结构的瞬变电磁数据和声波数据，比对声波和瞬变电测二维检测模板，从而得到待测地层结构的具体信息和潜在的地质灾害参数。
7.根据权利要求6所述的随钻监测与识别方法，其特征在于，井上处理模块(1)接收到控制传输模块(6)整合上传的瞬变电磁数据后，利用不同时刻的感应电动势反演出不同距离的地层信息，初步判断探测范围内可能的各种地层结构和潜在的地质灾害，具体过程如下：令地层建模为电导率、磁导率和介电常数固定的均匀介质，建立瞬变电磁检测模型，各层介质分别为铁芯、空气和地层，对应的电导率、磁导率和介电常数分别为(μ1,ε1,σ1)，(μ2,ε2,σ2)，(μ3,ε3,σ3)，各层半径分别为r1，r2，r3，其中地层半径r3为无穷大；声波发射探头(81)的发射线圈中心位于坐标原点处，声波接收探头(82)的接收线圈位于z轴正方向，中心点坐标为(0,0,z)；
式中，D为电位移矢量；E为电场强度矢量；J为电流密度；B为磁感应强度矢量；H为磁场强度矢量；
求解上述方程可求得瞬变电磁探头(61)所处第一层介质内半径为r0处的磁场强度H为：式中，N为发射线圈匝数；I为发射电流；x1为引入参数，与铁芯的电导率和磁导率有关；
I0(*)表示第一类0阶复宗量贝塞尔函数；z为发射线圈到接收线圈之间的距离；C1为透射系数，其值与各层介质的半径和电磁参数有关；λ为求解磁场强度引入的参数；
对接收线圈的面积S求积分获取接收线圈接收到的感应电动势Ur为：
式中，i2＝-1；ω为感应电动势的角频率；NR表示接收线圈匝数；
由式(4)可知，在瞬变电磁检测模型中，各种地层结构和地质灾害的分布导致的电导率变化，均会在瞬变电磁模块(7)中的感应电动势中有所体现，通过对不同时刻的感应电动势分析，得到不同距离的地层电导率信息，为初步分析地层结构和地质灾害检测提供依据。
8.根据权利要求6所述的随钻监测与识别方法，其特征在于，声波发射探头(81)向井壁以一定的时间间隔释放能量，声波沿经地层传播和反射后依次到达两个声波接收探头(82)，通过两个到达时间的间隔计算声波在岩层中的传播速度,从而分析出岩石的弹性、密度、孔隙度和孔隙中流体的性质等，得到各种地层结构和潜在的地质灾害参数，具体过程如下：令地层建模为声波传播速度固定的均匀介质，建立声波检测模型，声波发射探头(81)和两个声波接收探头(82)纵向分布于z轴上，两个声波接收探头(82)之间的距离为l，则通过式(5)计算声波在地层中的速度：式中，t1为声波到达第一个声波接收探头(82)的时间；t2为声波到达第二个声波接收探头(82)的时间；
利用声波在不同介质中传播速度的样本，得到各种地层结构和潜在的地质灾害参数。
一种深水地质灾害的随钻监测系统及随钻监测与识别方法
技术领域
[0001] 本发明涉及深水油气开发领域，尤其是关于一种深水地质灾害的随钻监测系统及随钻监测与识别方法。
背景技术
[0002] 深水钻井是实现深水油气开发必不可少的手段，面临着高技术、高风险的挑战。深水钻井时所面对的地质灾害问题，严重影响深水钻井的安全和效率。为了降低风险，在深水探井钻井前，一般需要工程勘察船进行井场地质调查，以便确定可能存在的浅层地质风险，包括浅层气、浅层水以及水合物、大的断层、光缆、海管等影响浅层风险。但常规浅层地质灾害在泥面上通过勘查勘查船、埋置探针等方式实现，成本极高，尤其是可探测的深度较浅，越深精度越差，另外往往需要提前进行调查有时候会影响正常钻井作业时间。
[0003] 深层地质灾害包括异常高压砂体、断层裂缝、溶洞、煤层等，深水地质灾害检测可以为合理的钻井设计提供科学依据，进一步降低深水钻井的安全风险，为现场安全作业实时决策提供技术保障。目前随钻地震可用于使深层实时监测钻头前方的地质情况，但是技术复杂，成本高。声波和瞬变电磁地质也可用于深层地质灾害的检测，但是实际效果难以满足实际工程需求：
[0004] 声波地质检测技术是通过观测和研究声波在地下岩土介质中的传播特性，以实现地质灾害检测目标的一种探测方法，其原理是利用人工声波发射源快速地以一定的时间间隔释放能量，获取并记录不同岩性的岩层反射波和折射波，经过接收处理和分析后，获取声波在地层中的传播速度，从而推断地底的地层结构、深层断裂分布以及各种潜在的地质灾害因素资料，达到深水地质灾害检测等目的。声波地质检测技术可以通过反射波到达的不同时刻区分不同地层的地质信息，但声波速度变化对于有些地质材料并不敏感。
[0005] 瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods，简称TEM)，其原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，向地下发射瞬变的一次脉冲电磁场，一次磁场在遇到周围介质时产生涡流环，从而形成二次磁场。在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，通过分析接收信号的衰减规律反演地层电导率信息，从而获取地层的结构和潜在的地质灾害等资料，评价复杂油气藏。瞬变电磁法可以通过不同的采样时刻判断不同径向距离的地层信息，但也存在一些地质材料电导率区分不大的问题。
发明内容
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种深水地质灾害的随钻监测系统及随钻监测与识别方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水地质灾害的随钻监测系统，该系统包括设置在海上工作平台上的井上处理模块，以及设置在钻杆上的控制传输模块、瞬变电磁模块和声波模块，且所述井上处理模块通过电缆与所述控制传输模块(6)连接，所述控制传输模块通过电缆分别与所述瞬变电磁模块和声波模块连接；
[0008] 其中，所述瞬变电磁模块内包括：瞬变电磁探头，一个或多个所述瞬变电磁探头平行于所述瞬变电磁模块的轴向布置，每一所述瞬变电磁探头均与所述控制传输模块连接，所述控制传输模块按时序发送相应的控制信号控制所述瞬变电磁探头以一定时间间隔通断电，以向外辐射电磁波，并产生感应电动势形成瞬变电磁数据；第一放大/滤波/采集电路，所述第一放大/滤波/采集电路的输入端与所述瞬变电磁探头连接，所述第一放大/滤波/采集电路的输出端与所述控制传输模块连接，用于采集所述瞬变电磁探头的瞬变电磁数据并进行放大和滤波处理后，通过所述控制传输模块发送给所述井上处理模块；
[0009] 所述声波模块包括：声波发射探头，与所述控制传输模块连接，所述控制传输模块按时序发送相应的控制信号控制所述声波发射探头以一定时间间隔发射声波；声波接收探头，用于接收声波信号，并将声波信号转换成其值为电压幅度的声波数据；第二放大/滤波/采集电路，所述第二放大/滤波/采集电路的输入端与所述声波接收探头连接，所述第二放大/滤波/采集电路的输出端与所述控制传输模块连接，用于采集所述声波接收探头接收的声波数据并进行放大和滤波处理后，通过所述控制传输模块发送给所述井上处理模块。
[0010] 所述的随钻监测系统，优选的，所述控制传输模块包括：控制单元，通过发送控制命令来控制所述瞬变电磁模块和声波模块的发射、上传和重启，保证所述瞬变电磁模块和声波模块有序运行，互不影响；温度监测单元，主要由温度传感器和外围电路组成，用于实时监测井下温度信息，确保随钻监测系统在合适的环境中正常运行；数据传输单元，用于接收所述瞬变电磁模块和声波模块的检测数据，并将检测数据与温度信息进行汇总后上传至所述井上处理模块；电源供给单元，主要由两个DC-DC供电模块和多个集成稳压管组成，用于为各单元提供电能。
[0011] 所述的随钻监测系统，优选的，所述井上处理模块包括深度计量单元、数据处理单元和结果显示单元，其中深度计量单元用于实时监测钻杆所处的深度信息；数据处理单元用于接收井下传输的检测数据和温度信息，并对其进行解析、存储和解释，然后将解释结果发送给结果显示单元；结果显示单元用于显示数据处理单元的解释结果。
[0012] 所述的随钻监测系统，优选的，该系统还包括用于连接所述电缆和控制传输模块的马笼头。
[0013] 所述的随钻监测系统，优选的，还包括设置在所述马笼头和控制传输模块之间的上扶正器以及设置在所述声波模块和钻头之间的下扶正器。
[0014] 一种基于上述随钻监测系统的深水地质灾害的随钻监测与识别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0015] 步骤一：对于各种地层结构，采用瞬变电磁模块进行预测试，获取各种地层结构对应的瞬变电磁数据，结合瞬变电磁检测模型建立瞬变电磁检测模板；
[0016] 步骤二：对于各种地层结构，采用声波模块进行预测试，获取各种地层结构对应的声波数据，结合声波检测模型建立声波数据检测模板；
[0017] 步骤三：将瞬变电磁检测模板和声波数据检测模板相结合，获取对于各种地层结构的声波和瞬变电磁检测二维模板；
[0018] 步骤四：下井测试，通过瞬变电磁模块获取待测地层结构的瞬变电磁数据；
[0019] 步骤五：通过声波模块获取待测地层结构的声波数据；
[0020] 步骤六：根据获取的待测地层结构的瞬变电磁数据和声波数据，比对声波和瞬变电测二维检测模板，从而得到待测地层结构的具体信息和潜在的地质灾害参数。
[0021] 所述的随钻监测与识别方法，优选的，井上处理模块接收到控制传输模块整合上传的瞬变电磁数据后，利用不同时刻的感应电动势反演出不同距离的地层信息，初步判断探测范围内可能的各种地层结构和潜在的地质灾害，具体过程如下：
[0022] 令地层建模为电导率、磁导率和介电常数固定的均匀介质，建立瞬变电磁检测模型，各层介质分别为铁芯、空气和地层，对应的电导率、磁导率和介电常数分别为(μ1,ε1,σ1)，(μ2,ε2,σ2)，(μ3,ε3,σ3)，各层半径分别为r1，r2，r3，其中地层半径r3为无穷大；声波发射探头的发射线圈中心位于坐标原点处，声波接收探头的接收线圈位于z轴正方向，中心点坐标为(0,0,z)；
[0023] 根据麦克斯韦方程：
[0024]
[0025]
[0026] 式中，D为电位移矢量；E为电场强度矢量；J为电流密度；B为磁感应强度矢量；H为磁场强度矢量；
[0027] 求解上述方程可求得瞬变电磁探头所处第一层介质内半径为r0处的磁场强度H为：
[0028]
[0029] 式中，N为发射线圈匝数；I为发射电流；x1为引入参数，与铁芯的电导率和磁导率有关；I0(*)表示第一类0阶复宗量贝塞尔函数；z为发射线圈到接收线圈之间的距离；C1为透射系数，其值与各层介质的半径和电磁参数有关；λ为求解磁场强度引入的参数；
[0030] 对接收线圈的面积S求积分获取接收线圈接收到的感应电动势Ur为：
[0031]
[0032] 式中，i2＝-1；ω为感应电动势的角频率；NR表示接收线圈匝数；
[0033] 由式(4)可知，在瞬变电磁检测模型中，各种地层结构和地质灾害的分布导致的电导率变化，均会在瞬变电磁模块中的感应电动势中有所体现，通过对不同时刻的感应电动势分析，得到不同距离的地层电导率信息，为初步分析地层结构和地质灾害检测提供依据。
[0034] 所述的随钻监测与识别方法，优选的，声波发射探头向井壁以一定的时间间隔释放能量，声波沿经地层传播和反射后依次到达两个声波接收探头，通过两个到达时间的间隔计算声波在岩层中的传播速度,从而分析出岩石的弹性、密度、孔隙度和孔隙中流体的性质等，得到各种地层结构和潜在的地质灾害参数，具体过程如下：
[0035] 令地层建模为声波传播速度固定的均匀介质，建立声波检测模型，声波发射探头和两个声波接收探头纵向分布于z轴上，两个声波接收探头之间的距离为l，则通过式(5)计算声波在地层中的速度：
[0036]
[0037] 式中，t1为声波到达第一个声波接收探头的时间；t2为声波到达第二个声波接收探头的时间；
[0038] 利用声波在不同介质中传播速度的样本，得到各种地层结构和潜在的地质灾害参数。
[0039] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明利用随钻过程监测地质灾害，随钻探头不仅可以在钻井前在海水中探测浅层的地质信息，为确定井眼位置提供信息，还能够在钻井过程中对钻头前未钻透的区域以及井筒横向范围进行探测，实时为钻井提供指导；此外，随钻可以保证纵向维度的深探测，不受海底形状的影响，而且由于更接近深部地层，探测精度更高，同时借助了随钻的平台，可以极大节省成本。2、本发明将声波和瞬变电磁相结合，可以对地质材料进行声波速度和电导率的综合检测，大大提高准确率。3、本发明提出了一种基于随钻声波与电磁测量的深水地质灾害的随钻监测与识别方法，该方法通过增加一个包含声波与电磁探测功能的随钻测试短节，重点对钻头前方和井筒附近的地层进行监测，可以有效检测地层结构和潜在的地质灾害。此外由于天然气水合物电阻率特点，随钻电磁探测还可识别天然气水合物，该方法在深水钻井时同时进行，实时进行数据分析和综合判断，大幅度降低深水钻井作业成本。
附图说明
[0040] 图1为本发明随钻监测系统的结构示意图；
[0041] 图2为本发明瞬变电磁模块的结构示意图；
[0042] 图3为本发明声波模块的结构示意图；
[0043] 图4为本发明随钻监测与识别方法的流程图；
[0044] 图5为本发明深水地质灾害瞬变电磁检测模型的示意图；
[0045] 图6为本发明深水地质灾害声波检测模型的示意图。
具体实施方式
[0046] 以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
[0047] 如图1所示，本发明提供的深水地质灾害随钻监测系统，包括设置在海上工作平台2上的井上处理模块1，以及设置在钻杆上的控制传输模块6、瞬变电磁模块7和声波模块8，且井上处理模块1通过电缆3与控制传输模块6连接，控制传输模块6通过电缆3分别与瞬变电磁模块7和声波模块8连接。
[0048] 其中，如图2所示，瞬变电磁模块7内包含：瞬变电磁探头71，一个或多个瞬变电磁探头71平行于瞬变电磁模块7的轴向布置，每一瞬变电磁探头71均与控制传输模块6连接，控制传输模块6按时序发送相应的控制信号控制瞬变电磁探头71以一定时间间隔通断电，以向外辐射电磁波，并产生感应电动势形成瞬变电磁数据；第一放大/滤波/采集电路72，第一放大/滤波/采集电路72的输入端与瞬变电磁探头71连接，第一放大/滤波/采集电路72的输出端与控制传输模块6连接，用于采集瞬变电磁探头71的瞬变电磁数据并进行放大和滤波处理后，通过控制传输模块6发送给井上处理模块1。
[0049] 如图3所示，声波模块8包括：声波发射探头81，与控制传输模块6连接，控制传输模块6按时序发送相应的控制信号控制声波发射探头81以一定时间间隔发射声波；声波接收探头82，用于接收声波信号，并将声波信号转换成其值为电压幅度的声波数据；第二放大/滤波/采集电路83，第二放大/滤波/采集电路83的输入端与声波接收探头82连接，第二放大/滤波/采集电路83的输出端与控制传输模块6连接，用于采集声波接收探头接收82的声波数据并进行放大和滤波处理后，通过控制传输模块6发送给井上处理模块1。
[0050] 在上述实施例中，优选的，控制传输模块6包括：控制单元61，通过发送控制命令来控制瞬变电磁模块7和声波模块8的发射、上传和重启，保证瞬变电磁模块7和声波模块8有序运行，互不影响；温度监测单元62，主要由温度传感器和外围电路组成，用于实时监测井下温度信息，确保随钻监测系统在合适的环境中正常运行；数据传输单元63，用于接收瞬变电磁模块7和声波模块8的检测数据，并将检测数据与温度信息进行汇总后上传至井上处理模块1；电源供给单元64，主要由两个DC-DC供电模块和多个集成稳压管组成，用于为各单元提供电能。
[0051] 在上述实施例中，优选的，井上处理模块1包括深度计量单元、数据处理单元和结果显示单元，其中深度计量单元用于实时监测钻杆所处的深度信息；数据处理单元用于接收井下传输的检测数据和温度信息，并对其进行解析、存储和解释，然后将解释结果发送给结果显示单元；结果显示单元用于显示数据处理单元的解释结果。
[0052] 在上述实例中，优先的，还包括用于连接电缆3和控制传输模块6的马笼头4，该马笼头4既能够快速连接和拆卸，又能保证电缆3和控制传输模块6的通断和绝缘良好。
[0053] 在上述实例中，优先的，还包括设置在马笼头4和控制传输模块6之间的上扶正器5以及设置在声波模块8和钻头10之间的下扶正器9，由此可以根据井眼大小更换具有不同直径的上扶正器5和下扶正器9，从而保证瞬变电磁模块7和声波模块8在深水地质灾害监测中能够始终保持在井眼的轴心位置，避免瞬变电磁模块7和声波模块8在井眼中偏心、晃动带来的检测误差。
[0054] 在上述实例中，优先的，还可以通过添加或更换不同直径、磁芯、绕制圈数的瞬变电磁探头71来改变探测的范围，且各个瞬变电磁探头71分别被不同的控制信号控制，控制传输模块6按时序发送相应的控制信号保证各个瞬变电磁探头71互不干扰，数据有序上传。
[0055] 基于上述实施例提供的深水地质灾害随钻监测系统，本发明还提出了一种深水地质灾害的随钻监测与识别方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：
[0056] 步骤一：对于各种地层结构，采用瞬变电磁模块7进行预测试，获取各种地层结构对应的瞬变电磁数据，结合瞬变电磁检测模型建立瞬变电磁检测模板；
[0057] 步骤二：对于各种地层结构，采用声波模块8进行预测试，获取各种地层结构对应的声波数据，结合声波检测模型建立声波数据检测模板；
[0058] 步骤三：将瞬变电磁检测模板和声波数据检测模板相结合，获取对于各种地层结构的声波和瞬变电磁检测二维模板；
[0059] 步骤四：下井测试，通过瞬变电磁模块7获取待测地层结构的瞬变电磁数据；
[0060] 步骤五：通过声波模块8获取待测地层结构的声波数据；
[0061] 步骤六：根据获取的待测地层结构的瞬变电磁数据和声波数据，比对声波和瞬变电测二维检测模板，从而得到待测地层结构的具体信息和潜在的地质灾害参数。
[0062] 由于地层的结构和潜在的地质灾害等导致的电导率分布不同会有规律的影响瞬变电磁探头的感应电动势。井上处理模块1接收到控制传输模块6整合上传的瞬变电磁数据后，利用不同时刻的感应电动势反演出不同距离的地层信息，初步判断探测范围内可能的各种地层结构和潜在的地质灾害，具体原理如下：
[0063] 为简化模型，令地层建模为电导率、磁导率和介电常数固定的均匀介质，建立瞬变电磁检测模型如图5所示，各层介质分别为铁芯、空气和地层，对应的电导率、磁导率和介电常数分别为(μ1,ε1,σ1)，(μ2,ε2,σ2)，(μ3,ε3,σ3)，各层半径分别为r1，r2，r3，其中地层半径r3为无穷大。声波发射探头81的发射线圈中心位于坐标原点处，声波接收探头82的接收线圈位于z轴正方向，中心点坐标为(0,0,z)。
[0064] 根据麦克斯韦方程：
[0065]
[0066]
[0067] 式中，D为电位移矢量；E为电场强度矢量；J为电流密度；B为磁感应强度矢量；H为磁场强度矢量。
[0068] 求解上述方程可求得瞬变电磁探头61所处第一层介质内半径为r0处的磁场强度H为：
[0069]
[0070] 式中，N为发射线圈匝数；I为发射电流；x1为引入参数，与铁芯的电导率和磁导率有关；I0(*)表示第一类0阶复宗量贝塞尔函数；z为发射线圈到接收线圈之间的距离；C1为透射系数，其值与各层介质的半径和电磁参数有关；λ为求解磁场强度引入的参数。
[0071] 对接收线圈的面积S求积分获取接收线圈接收到的感应电动势Ur为：
[0072]
[0073] 式中，i2＝-1；ω为感应电动势的角频率；NR表示接收线圈匝数。
[0074] 由式(4)可知，在瞬变电磁检测模型中，各种地层结构和地质灾害的分布导致的电导率变化，均会在瞬变电磁模块7中的感应电动势中有所体现。不同时刻的感应电动势对应着不同范围的地层电导率，其中早期的感应电动势，离瞬变电磁探头71较近的地层影响比较大，随着采样时刻的增加，离瞬变电磁探头71较远的地层的影响逐渐变大。利用这一规律，通过对不同时刻的感应电动势分析，可以得到不同距离的地层电导率信息，为初步分析地层结构和地质灾害检测提供依据。
[0075] 声波发射探头81向井壁以一定的时间间隔释放能量，声波沿经地层传播和反射后依次到达两个声波接收探头82，通过两个到达时间的间隔计算声波在岩层中的传播速度,从而分析出岩石的弹性、密度、孔隙度和孔隙中流体的性质等，得到各种地层结构和潜在的地质灾害参数，具体原理如下：
[0076] 为简化模型，令地层建模为声波传播速度固定的均匀介质，建立声波检测模型如图6所示，声波发射探头81和两个声波接收探头82纵向分布于z轴上，两个声波接收探头82之间的距离为l，则可通过式(5)计算声波在地层中的速度：
[0077]
[0078] 式中，t1为声波到达第一个声波接收探头82的时间；t2为声波到达第二个声波接收探头82的时间。
[0079] 声波在不同岩性的地层中的速度不同，即使是相同岩性的地层，也会因为其完整状态、风化程度的不同导致声波传播速度不同。因此可以利用声波在不同介质中传播速度的样本，得到各种地层结构和潜在的地质灾害参数。
[0080] 下表1为3种地质的声波速度和电导率
[0081]地质种类 声波速度 电导率
甲 A C
乙 B C
丙 B D
[0082] 如表1所示，乙丙两种地质具有相同的声波传播速度，单通过声波检测不能够有效的区分这两种地质。同样，甲乙两种地质具有相同的电导率，但通过瞬变电磁法检测也不能够有效的区分两者。但是通过结合两个检测模型，对地层信息进行二维的区分，就可以精准的区分出三种地质。因此，通过声波检测和瞬变电磁检测的结合可以大大提高地质检测的准确率，同时声波检测模型只能检测井壁附近地层的信息，而瞬变电磁法测量可以通过不同的采样时刻，分析不同径向距离的地层信息。
[0083] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
