论瞬变电磁测深法的探测深度.pdf

本文于 2003 年 9月 16 日收到 基金项目 国家自然科学基金 49974026 教育部 教育振兴行动计划 资助项目 经验交流 论瞬变电磁测深法的探测深度 薛 国 强 西安交通大学电子与信息学院 摘 要 薛国强 论瞬变电磁测深法的探测深度 石油地球物理勘探 2004 39 5 575 578 文中分析了瞬变电磁发送线圈等效回路的暂态过程 得出线圈自感信号振幅的理论表达式 认为线圈自感 信号的衰减不仅与时间有关 而且与等效回路的材料有关 计算了不同大小线圈的自感信号的幅值和衰减时间 范围 得出了瞬变电磁测深法对地探测时存在一个最小深度的结论 由于电磁信号在地下传播时不断衰减 瞬 变电磁测深法有一个最大探测深度 对大小不同的线框和不同介质电阻率等常用装置及典型地电情况 给出了 估算瞬变电磁能探测的最小和最大探测深度的方法及估算结果 得出的结论对野外生产具有指导意义 关键词 瞬变电磁 最小探测深度 最大探测深度 线圈自感 信号衰减 引 言 瞬变电磁法是利用阶跃波或其他脉冲电流场源 激励大地产生过渡过程场 断电瞬间在大地中形成 涡旋交变电磁场 测量这种由地下介质产生的二次 感应电磁场随时间变化的衰减特性 从而达到解决 地质问题的目的 1 由于瞬变电磁所发射的阶跃脉 冲实际上是由各种高频和低频谐波叠加而成 一次 发射可以同时完成不同深度的信息探测 所以此方 法的探测效率高 由于瞬变电磁场在介质中传播时能量不断地衰 减 具有趋肤效应 当能量衰减到一定程度时就不可 分辨 所以此方法具有最大探测深度 一般情况下都 是根据关断时间和趋肤深度来估计探测深度 但探 测深度受各种因素影响 如目标层大小及电性 目标 层异常与地质噪声的分离程度 电磁噪声电平等 所 以估算探测深度时应考虑上述影响因素 通常所说的瞬变电磁对目标层的探测深度 主 要指瞬变电磁的最大探测深度 但还有一个不被人 们关注的问题 那就是最小探测深度 即瞬变电磁对 地探测时还存在一个不可探测的 盲深度 因为不 论是发送线圈还是接收线圈本身都有一个固有的过 渡过程 接收线圈所接收的信号有两种 一种是来自 地下的电磁感应信号 另一种是线圈本身的自感及 发送线圈的自感影响 在瞬变电磁接收信号的早期 时间道中 线圈自感信号比有用信号大得多 但比有 用信号衰减也快得多 所以总存在一个使瞬变电磁 无法分辨有用信号的时间范围 对这一问题的讨论 和定量估计 目前较少引起人们的关注 如何进行信号分离 研究瞬变电磁早期信号特 征 提高瞬变电磁的浅层分辨能力 这是一个难 点 2 在研究这一问题之前 必须定量确定线圈自感 的影响时间范围及瞬变电磁的最小探测深度 本文 就是基于这一情况 对均匀半空间条件下瞬变电磁 响应信号和线圈的自感信号进行分析和对比 找出 自感信号的影响幅度和范围 计算出可分辨有用信 号的最早时间 给出了估算瞬变电磁能探测的最小 深度的方法和公式及估算结果 同时分析了最大探 测深度的影响因素 计算了不同情况下瞬变电磁方 法的最大探测深度 最小探测深度分析与计算 线圈暂态过程分析 线圈相当于等效 RCL 回路 即可看成是由一个 2004 年 10 月 石油地球物理勘探 第 39 卷 第 5期 电阻电感和电容组合成的电路 3 5 如图 1 所示 图 中 R 是线圈的电阻 R 是匹配电阻 C 是等效电 容 U 是发送电压 L 为自感 它与线圈的形状 大小 及周围的介质有关 当突然断开或接通电路中的电 源时 这个电路中的电流将从原来的状态向着新的 稳定状态变化 这种变化过程不可能瞬时内完成 中 间存在一个过程 其回路方程为 IR i1 1 p C i2 1 p C 0 1 i2pL 1 pC R i1 1 p C 0 2 i1 p 2 m 2 p p m 2 p p m 2 m 2 p p m 2 经过域的变换 得到时间域方程 i1 t 2Imte mt 断电后线圈的自感电流 3 U t 2IRmte mt 断电后线圈的自感电压 4 上述式中 p 是阶跃源的谱 m 是一个常数 m 1 LC 单位为 s 1 图 1 单匝线圈的等效回路图 为判断自感信号的变化特性 经过对式 4 求 导 可知线圈自感信号的衰减规律 当 t 0 时 U t 0 随着时间的增加 当 t 1 m 时 U t 达到极大 值 当 t 1 m 时曲线迅速衰减到零 对于不同的材 料 m 值并不相同 在文中计算时 L 采用如下的式子 4 L 22 28 10 7ln a r0 1 75 5 其中 a 为方框的边长 a r0 采用较常用的线材 r0 0 73mm 等效电容 CRLC 4LC1 C 1为每米长度的 线圈电容 计算中取值为 160 10 9 F 最小深度的计算 电磁感应信号衰减很慢 而线圈的自感信号却 衰减很快 根据这一特点 笔者定义自感信号衰减三 个数量级时的时间为最早可分辨时间 其所对应的 深度为最小探测深度 具体计算步骤如下 1 对于一定的导线材料 根据式 5 计算材料 电感 2 在已知材料电感和给定电容的情况下 计算 参数 m 3 根据参数 m 利用公式 t 1 m 算出 U t 达 到极大值时所对应的时间 4 根据式 4 算出 U t 的极大值 5 算出 U t 极大值的千分之一值 6 根据式 4 由步骤 5 的结果算出时间 这 一时间即为最早可分辨时间 tmin 它的单位是 s 7 依据下式 hmin tmin 计算出最小探测深度 式中 hmin为最小探测深度 单 位为 m 为表层电阻率 单位为 m 笔者分别计算了 50m 50m 100m 100m 200m 200m 600m 600m 四种野外常用的装置情 况下的自感信号随时间衰减值 表 1 和图 2 给出了 600m 600m 时的计算结果 单位 1 101V 和衰减 曲线 从表 1 和图 2 中可以看出 600m 600m 回线 装置下自感信号在早期快速衰减 到 11 5 s 时 其 能量从 6 335V 衰减到 0 005V 已经衰减了三个数 量级 这一时间认为是有用信号的最早可分辨时间 对四种不同大小线圈的自感信号衰减分别进行 了计算 把各自的信号衰减至其极大值千分之一时 的时间列成表 2 由表 2 可知 线圈的大小不同 早 期信号中的自感信号衰减延迟时也不同 即有用信 表 1 600m 600m回线装置下的自感信号随时间衰减值 t s11 522 533 544 555 566 57 U t V6 3355 8515 0844 0263 062 2621 6621 1670 8210 5270 3950 2710 185 t s7 588 599 51010 51111 51212 513 U t V0 1250 0850 0570 0380 0250 01680 0110 00830 0050 0030 0023 0 0016 576 石 油 地 球 物 理 勘 探2004 年 图 2 600m 600m回线装置的自感信号随时间衰减曲线 号的可识别时间延迟不同 线框越大 延迟时越长 线框越小 延迟时越短 但它们都比较接近 基本上 在 10 s 左右 应当指出 自感信号的衰减时间与浅 层地下介质有关 当浅层电阻率较高时 同样大小的 线圈自感信号衰减时间延迟要比表 1 中的结果大 当浅层介质电阻率较小时 情况相反 把表 2 列出的时间定义为最早可分辨延迟时 间 也就是忽略线圈自感影响时的时间下限值 这一 时间所对应的探测深度为最小探测深度 表 2 均匀半空间条件下不同线圈的最早可分辨时间 延迟 单位 s 线圈边长 m m 50 50100 100 200 200 600 600 tend s 1010 51111 5 表 3 为不同线圈在不同电阻率情况下的最小探 测深度 由表3 可知 不同线圈大小和不同近地表电 阻率值的自感信号的穿透深度不一样 即最早可识 别有用信号的穿透深度不同 线框越大 电阻率越 高 瞬变电磁可探测的最小深度大 即瞬变电磁法的 盲深度 大 线框越小 电阻率越小 情况相反 其主 要原因是低阻介质对早期高频段的吸附作用强 表 3 不同线圈不同电阻率情况下的最小探测深度 单位 m 线圈边长 m m m 11050100200 50 503 161022 3631 644 72 100 1003 2410 2422 9132 445 82 200 2003 3110 4823 4533 1646 90 600 6003 3910 722 433 9147 95 最大探测深度的分析与计算 最大探测深度公式 涡旋场在大地中主要以扩散形式传播 在这一 过程中 由于趋肤效应 高频部分主要集中在地表附 近 且其分布范围是源下面的局部 而低频部分传播 到深处 且分布范围逐渐扩大 传播深度和传播速度 分别为 h 4 t 0 6 Vz h t 2 0t 7 其中 t 为传播时间 为介质电导率 0为真空中 的磁导率 由式 6 得 t 2 10 7h2 8 在中心回线下 时间与表层电阻率 发送磁矩之间的 关系为 t 0 M 2 400 1 3 1 5 9 其中 M 为发送磁矩 1为表层电阻率 为最小可 分辨电压 它的大小与目标层几何参数 物理参数和 观测时间段有关 求解式 8 式 9 可得 h 0 55 M 1 1 5 10 由式 10 可知 瞬变电磁的探测深度与发送磁矩 覆 盖层电阻率及最小可分辨电压有关 此式为野外工 程中常用来计算最大探测深度的公式 最大探测深度的计算结果 利用式 10 即可根据野外工作常用的装置及 发送电流 不同边长线圈 不同发送电流 不同电阻 率 算出瞬变电磁探测深度 如表 4 表 5所示 从表 4 和表 5 的数据分析可知 增大电流或增 大发送线框 即增大发送磁矩 就可增大探测深度 表 4 最大探测深度计算结果表 单位 m 线圈边长 m m m 11050100200 50 5075 5120 2165 9190 6218 9 100 100100 1158 7218 9251 5288 9 200 200132 1209 4288 9331 8381 2 600 600164 4253 9448 3515 0591 6 注 最小可分辨电压为 0 5nV m2 I 10A 577 第 39 卷 第 5期 薛国强 论瞬变电磁测深法的探测深度 表 5 最大探测深度计算结果表 单位 m 线圈边长 m m m 11050100200 50 5087 7138 1190 6218 9251 5 100 100115 0182 2251 5288 9331 8 200 100151 7240 5331 8381 2437 9 600 600235 5373 2515 0591 6679 5 注 最小可分辨电压为 0 5nV m2 I 20A 反之亦然 同样 介质的电阻率大探测深度也大 这 是因为电磁场在高阻介质中传播时 受介质的吸附 作用小 即能量损耗小 所以传播的距离较远 结 论 由于线圈有暂态过程的存在 使瞬变电磁早期 信号畸变 文中从定性和定量上分析和计算了线圈 自感信号的衰变规律 找出其时间延迟范围 试图通 过一定条件下的近似方法 来确定不同线圈和不同 地电情况下的过渡过程所引起的探测深度范围的变 化 通过计算和对计算结果的分析得出的结论是 通 常用的回线源装置下 回线的自感信号衰减延迟为 10 s 瞬变电磁的最小探测深度为 1 50m 最小探 测深度受地表介质电性影响比回线尺寸的影响大 根据瞬变电磁场在地层中的扩散传播规律 导 出了瞬变电磁最大探测深度公式 并对不同情况进 行了计算 计算结果及结论对生产具有指导作用 影 响瞬变电磁探测深度的因素很多 文中只做了几种 情况下的定量分析 如何提高瞬变电磁法的探测能 力 在方法研究和资料处理中还有许多工作要做 参 考 文 献 1 方文藻 李予国 李貅 瞬变电磁测深法原理 西安 西 北工业出版社 1993 2 李貅 瞬变电磁测深的理论与应用 西安 陕西科学技 术出版社 2002 3 Akaufmam A and Hoekstra P Electromagnetic Sound ings Amsterdam Elsevier 2001 4 蒋邦远 实用近区磁源瞬变电磁法勘探 北京 地质出 版 1998 5 牛之琏 时间域电磁法原理 长沙 中南工业大学出版 社 1992 6 Kamenetsky F and Oelsner C Distortions of EM tran sients in coincident loops at short time delay Geop hys ical Prospecting 2000 48 6 983 993 本文编辑 冯小球 消息 反射系数无约束反演新技术 开发地震与高分辨率处理 在地震采集数据为 1ms 采样并采用本技术处理时 剖面频带可展宽至 10 250Hz 可分辨 3 4m 厚的 小砂体 当采用 2ms 采样处理时 剖面频带可展宽至 10 125Hz 可分辨 6 7m 厚的砂体 技术详情可参见网址 http liuqy39 myrice com 主页 或者按下面信息联系 单位 天津奥来尔石油科技有限公司 地址 天津塘沽区外滩聚宝大厦 804室 邮编 300450 联系人 刘企英 刘征宇 电话 022 25818348 022 25305348 手机传真 022 25305348 Email lqy95 sohu com 578 石 油 地 球 物 理 勘 探2004 年 tions The paper analyzed the influence of surface model near surface model and interval velocity model on static corrections and imaging studied mutual relation among static corrections and imag ing as well as interval velocity model in the proce dure of data processing presented the realized methods of prestack depth migration when the ve locity model included surface elevation and near surface model and reasonably solved the combined influence of surface elevation surface weathered layer and near surface layers on static corrections and seismic imaging which achieved good applied results Key words Tu Ha Oilfield prestack depth migra tion surface model static corrections Yang Biao DepartmentofExploration T u Ha Petroleum Company Shanshan County Xinjiang Uygur Autonomous Region 838200 China On surveying depth by transient electromagnetic sounding method Xue Guo qiang OGP 2004 39 5 575 578 The temporal procedure of equivalent circuit of transient electromagnetic transmitter loop is an alyzed in the paper the theoretical expressions of amplitude of loop self induction signal is deduced which considered that the attenuation of loop self induction signal is not only relative to time but al so to the material of equivalent loops the ampli tude and time decay scope of self induction signals with different loop sizes are computed which ob tained the conclusion that there is the minimum depth when using transient electromagnetic method for sounding survey T he transient electromagnetic method has a maximum depth because of continu ous attenuation by transmission of electromagnetic signal in underground The paper gave the method and evaluation results for evaluated min and max sounding depths by using transient electromagnetic sounding in the conditions of common equipments different coil sizes and different medium resistivi ty and typical geoelectric scenario T he resulted transient electromagnetic sounding depths played a guide role in field production Key words transient electromagnetic method mini mum sounding depth maximum sounding depth loop self induction signal decay Xue Guo qiang T eaching and Research Section of Electro Vacuum Electronic Department College of Electronic and Communication Xi an Jiaotong University Xi an City Shanxi Province 710049 China Data processing joining several 3 D seismic survey ing blocks together in Shengli Oilfield Liu Cheng zhai OGP 2004 39 5 579 585 T otal 189 blocks of 3 D seismic data acquisi tion have been finished in Shengli Oilfield In order to integrative studying regional geologic structures and role of oil accumulation it is necessary to im plement the data processing joining several 3 D seismic surveyingblockstogether T he paper summed up a set of basic flow for data processing joining several 3 D seismic surveying blocks to gether suitable for complex areas after analyzing this real data processing During this processing we adopted relative processing methods and tools aimed at inconsistence between blocks which made joined 3 D data blocks have good consistence of phase and porosity and natural and reasonable fre quency and energy or amplitude it also made the geologic feature such as overlap unconformability fracture and pinchout have good reflection on the sections It is seen from total effects that the geo logic feature in whole region is abundant having complete beds and higher signal to noise ratio and continuity which laid a good foundation for im proving interpretation precision of seismic data and successful drilling rate Key words Shengli Oilfield 3 D seismic process ing joining 3 D data blocks together LiuCheng zhai DepartmentofExploration Shengli Oilfield Ltd Co Dongying City Shandong Province 257022 China Application of multiple seismic attributes parame ters to lateral reservoir prediction Sun Wan jun OGP 2004 39 5 586 588 The multiple seismic attributes are widely used for lateral reservoir prediction now mainly in clude offset related peak frequency and phase AVO information P and S wave velocities and wave impedance information T he paper mainly used AVO and FVO attributes combining with drilling data to detect the oil water boundary spa tial distribution and thickness of reservoir In order Vol 39 No 5Abstracts 作者介绍 霍全明 教授级高级工程师 1961 年生 1983 年毕业于河北 地质学院 1989 年获硕士学位 2003 年在中国矿业大学 北京校区获博士学位 发表论文 20余篇 主要从事地球 物理勘探研究和生产工作 王振国 博士 1965 年生 1988 年毕业于石油大学物探专 业 2003 年获成都理工大学地球探测与信息技术专业 博士学位 先后从事地震数据野外采集 资料处理 解 释及物探方法研究工作 发表论文数篇 现在中石油东 方地球物理公司研究院海外部从事资料处理及方法研 究工作 曹茂森 讲师 1971年生 河海大学水利工程结构专业博士 研究生 主要从事土木工程结构的损伤机理和健康诊断 的分析研究及信号处理研究 现在山东农业大学水利土 木工程学院从事结构和工程力学的教学和科研工作 张丽琴 博士研究生 1975 年生 主要从事地震波场研究 地震数据处理与资料解释 地震波参数反演等工作 辛可锋 博士 1975 年生 2000 年毕业于石油大学 华东 获地球探测与信息技术专业工学硕士学位 2003 年获 同济大学固体地球物理专业理学博士学位 现主要从事 地震资料处理与解释 叠前深度偏移及成像速度建模 转换波地震成像等方面的研究工作 钱丽萍 硕士 1978 年生 2001年毕业于中国矿业大学地球 探测与信息技术专业 2004 年在国家海洋局第一海洋 研究所获硕士学位 现在东方地球物理公司研究院从事 地震资料处理工作 赵秀莲 工程师 1973 年生 1997年毕业于大庆石油学院勘 探系 2003 年获同济大学固体地球物理学硕士学位 曾 在原石油物探局地调二处从事地震资料处理工作 现在 中石化上海海洋油气分公司研究院从事地震资料处理 及相关研究工作 邓传伟 工程师 1966 年生 1990年毕业于长春地质学院物 探专业 2001 年毕业于大庆石油学院石油地质专业 获 硕士学位 一直在大庆石油管理局物探公司研究所从事 地震资料解释和综合地质研究工作 侯伯刚 高级工程师 1967 年生 1989 年毕业于石油大学 东营 勘探系勘查地球物理专业 获学士学位 1997 年 获中国地质大学 北京 应用地球物理专业硕士学位 现在该校攻读博士学位 一直在大港油田勘探开发研 究中心从事物探解释及方法研究 王大兴 高级工程师 1963 年生 1983 年毕业于西南石油学 院物探专业 1995年获物探硕士学位 现为中国科学院 地质与地球物理所在读博士研究生 曾获中国石油集团 技术创新特等奖一次 科技进步三等奖一次 发表科技 论文多篇 在长庆油田分公司一直从事地震资料的特殊 处理方法研究及储层岩性预测