地震电磁联合勘探系统及其数据采集装置和数据采集方法

摘要

本发明提供了一种地震电磁联合勘探系统及其数据采集装置和数据采集方法，该系统包括若干地震电磁联合勘探数据采集装置，用于同步采集可控电磁场激发源、天然电磁场源、人工地震源和非人工地震源的电磁和地震勘探数据；若干可控电磁场激发源，其在上述采集装置周围均匀分布；若干个人工地震源，其在上述采集装置外围均匀或随机分布。每个地震电磁联合勘探数据采集装置包括用于采集勘探目标区域的地震数据的地震电磁数据采集站、单分量或三分量地震信号地震检波器、三分量的磁场传感器和若干组正交的电场传感器，用于对应采集勘探目标区域的地震数据、磁场和电场数据。本发明可降低地震电磁联合勘探的场源效应和勘探成本。

说明书

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其是涉及一种地震电磁联合勘探系统及其 数据采集装置和数据采集方法。

背景技术

地球物理勘探方法主要有地震法、直流电法、磁法、重力法和电磁法等勘探方法。 其中电磁法又称“电磁感应法”，根据岩石或矿石的导电性和导磁性的不同，利用电磁 感应原理进行找矿勘探的方法，统称为电磁法。

目前，地震技术在复杂地区依然面临较大挑战，如上覆地层岩性变化造成速度异 常，致使深层成像不准；深层反射信噪比低，成像不清，岩性识别难，无法确定有利 目标；地震发现的构造和地层岩性圈闭异常，如何判断是否具工业油气价值；油田开 发后期，剩余油气、油水分布如何有效圈定。由于电磁对高阻地层下目标探测效果好 于地震，对地层岩性变化反映灵敏，对油气饱和度变化反应灵敏，因此利用电磁法， 则有望辅助解决这些问题。但，由于电磁技术分辨率较低，在精细勘探中只能作为辅 助手段。近几年，电磁—地震技术联合应用，在构造带和特殊目标联合解释、油气圈 闭联合检测评价等方面发挥了重要作用。

传统的大地电磁勘探利用天然场源，因此不需要考虑场源的布设。目前广泛应用 的可控源声频电磁勘探方法和长偏移瞬变电磁勘探方法都只布设一个激发场源,只能 在场源附近一定范围内接收电磁场信号，当一个场源的激发能量在远距离接收点不能 满足接收信号的性噪比要求时，才选择合适位置重新布设场源。单一激发场源的信号 存在一系列问题：首先，由于地下构造的复杂性，不同位置或方位的激发场由于电磁 场传输过程不同会在接收点产生明显差异；第二，离场源远近不同，通过地面、空中 和地下到达接收点的场源信号成分和能量差别很大，因此，接收点的场源特性存在差 异。比如近区，主要为地下直达波场，而远区则主要为从地面或空中传播的平面波， 因此，接收到的信号严重受非勘探目标的影响，在近区和远区之间还存在着过渡区， 其电磁场特性更为复杂。因此，传统可控源电磁法勘探常常因为场源效应不能很好消 除使其应用效果大打折扣，甚至产生错误结果。

此外，目前野外勘探工作中，地震和电磁数据的采集是分开进行的，这样的数据 采集方式造成了地震电磁联合勘探的成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地震电磁联合勘探系统及其数据采集装置和数据采 集方法，以降低地震电磁联合勘探的场源效应和勘探成本。

为达到上述降低地震电磁联合勘探的勘探成本的目的，本发明提供了一种地震电 磁联合勘探数据采集装置，该装置包括：

一地震电磁数据采集站，其具有一个三分量地震检波器，或三个单分量地震检波 器，其通过对应的地震数据通道与所述地震电磁数据采集站的控制器相连，用于采集 勘探目标区域的单分量或三分量地震数据；

若干组正交的电场传感器，其通过对应的电磁数据通道与所述地震电磁数据采集 站的控制器相连，用于采集所述勘探目标区域的二分量或三分量电场数据；

三分量的磁场传感器，其通过对应的电磁数据通道与所述控制器相连，用于采集 所述勘探目标区域的三分量磁场数据。

本发明的地震电磁联合勘探数据采集装置，所述地震数据通道和所述电磁数据通 道均包括：

前置放大器，用于将对应的地震检波器、电场传感器或磁场传感器采集到的模拟 信号进行前置放大处理，获得放大的模拟信号；

模数转换器，用于将所述放大的模拟信号进行模数转换，获取适于所述控制器处 理的数字信号；

存储器，用于在所述控制器的控制下保存所述数字信号。

本发明的地震电磁联合勘探数据采集装置，所述地震检波器为模拟地震检波器或 数字地震检波器，所述电场传感器为不极化电极对，所述的磁场传感器为磁通门式或 感应线圈式磁场传感器。

本发明的地震电磁联合勘探数据采集装置，所述电场传感器的频带响应范围覆盖 可控电磁场激发源的频带范围以及大地或天然电磁场的频带范围；且所述磁场传感器 的频带响应范围覆盖可控电磁场激发源的频带范围以及大地电磁场的频带范围。

本发明的地震电磁联合勘探数据采集装置，每个所述地震数据通道和所述电磁数 据通道均配置有一个独立的供电电源。

本发明的地震电磁联合勘探数据采集装置，所述地震电磁数据采集站为无线遥控 地震电磁数据采集站。

为达到上述降低地震电磁联合勘探的场源效应的目的，一方面，本发明提供了一 种地震电磁联合勘探系统，该系统包括：

若干个上述的地震电磁联合勘探数据采集装置，用于采集可控电磁场激发源、天 然电磁场源、人工地震源和非人工地震源的勘探数据；

若干个可控电磁场激发源，其在所述地震电磁联合勘探数据采集装置周围均匀分 布；

若干个人工地震源，其在所述地震电磁联合勘探数据采集装置外围均匀或随机分 布。

本发明的地震电磁联合勘探系统，所述若干个可控电磁场激发源为四个水平激发 偶极电流源，该四个水平激发偶极电流源首尾相接围成正方形的四方位电磁激发场 源。

本发明的地震电磁联合勘探系统，所述四个水平激发偶极电流源中相邻偶极电流 源两个供电电极共用一个接地电极。

本发明的地震电磁联合勘探系统，所述四个水平激发偶极电流源首尾相接围成的 正方形的边长比勘探目标区域走向长度大10％～20％。

本发明的地震电磁联合勘探系统，当勘探目标区域走向长度大于设定长度时，配 置多个四方位电磁激发场源依次覆盖勘探目标区。

本发明的地震电磁联合勘探系统，所述多个四方位电磁激发场源中相邻的两个四 方位电磁激发场源之间重叠20％的面积。

本发明的地震电磁联合勘探系统，所述若干个可控电磁场激发源依次激发，所述 若干个地震电磁联合勘探数据采集装置同步采集每个所述可控电磁场激发源激发产 生的电磁数据。

本发明的地震电磁联合勘探系统，所述若干个人工地震源依次激发，所述若干个 地震电磁联合勘探数据采集装置同步采集每个所述人工地震源激发产生的地震数据。

为达到上述降低地震电磁联合勘探的场源效应的目的，另一方面，本发明还提供 了一种上述地震电磁联合勘探系统的数据采集方法，包括以下步骤：

a、激发若干个人工地震源中的一个人工地震源，同步或异步激发若干个可控电 磁场激发源中的一个可控电磁场激发源；

b、使若干个地震电磁联合勘探数据采集装置同步采集该人工地震源激发出的地 震信号，使所述若干个地震电磁联合勘探数据采集装置同步或异步采集该可控电磁场 激发源激发出的电磁信号；

c、重复上述步骤，直至依次完成所述若干个人工地震源中所有的人工地震源激 发和地震数据采集，以及依次完成所述若干个可控电磁场激发源中所有的可控电磁场 激发源的激发和电磁场数据采集。

本发明的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法，所述若干个可控电磁场激发源 为四个水平激发偶极电流源，该四个水平激发偶极电流源首尾相接围成正方形的四方 位电磁激发场源。

本发明的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法，所述四个水平激发偶极电流源 中相邻两个偶极电流源供电电极共用一个接地电极。

本发明的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法，所述四个水平激发偶极电流源 首尾相接围成的正方形的边长比勘探目标区域走向长度大10％～20％。

本发明的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法，当勘探目标区域走向长度大于 设定长度时，配置多个四方位电磁激发场源。

本发明的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法，所述多个四方位电磁激发场源 中相邻的两个四方位电磁激发场源勘探目标区域之间重叠20％的面积。

本发明的地震电磁联合勘探系统可以对地质目标进行全方位发发射和激励，从而 可以消除由单一激发场源造成的场源效应，并且，其中的地震电磁联合勘探数据采集 装置集成了地震数据采集和电磁数据采集功能，从而既可以采集地震数据也可以同步 采集电磁数据，与现有地震数据和电磁数据的分开采集相比，减少了设备用量和勘探 时间，从而降低地震电磁联合勘探的勘探成本。本发明适用于陆上二维和三维地震电 磁联合勘探。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例的地震电磁联合勘探数据采集装置的结构框图；

图2为本发明一个实施例的地震电磁联合勘探系统的结构框图；

图3为本发明另一个实施例的地震电磁联合勘探系统的结构框图；

图4为本发明另一个实施例的地震电磁联合勘探系统的结构框图；

图5为本发明一个实施例的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对 本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明， 但并不作为对本发明的限定。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明实施例的地震电磁联合勘探数据采集装置是在现有的地震数据采集站基 础上的改进，参考图1所示，其包括：

一地震电磁数据采集站，其具有一个三分量模拟或数字地震检波器(Gx、Gy和 Gz)，该三分量模拟或数字地震检波器通过对应的地震数据通道与地震电磁数据采集 站的控制器相连，用于采集勘探目标区域的地震数据；该地震电磁数据采集站也可以 采用三个单分量模拟或数字地震检波器替换三分量模拟或数字地震检波器；

两组或三组正交的不极化电极对(Ex、Ey或Ez)，其通过对应的电磁数据通道 与地震电磁数据采集站的控制器相连，用于采集勘探目标区域的二分量(Ex、Ey) 或三分量(Ex、Ey、Ez)电场数据；

三分量的磁场传感器(Hx、Hy和Hz)，其通过对应的电磁数据通道与地震电磁 数据采集站的控制器相连，用于采集所述勘探目标区域的三分量磁场数据。

为方便控制，上述地震电磁数据采集站优选无线遥控地震电磁数据采集站，其包 含一个GPS接收天线，一个无线数据收发天线(例如WiFi或蓝牙等)。

本发明实施例中，上述每个地震数据通道和电磁数据通道均由一个高灵敏度、低 噪音、低漂移、低功耗的前置放大器，一个32位模数转换器，一个存储器(闪存卡)， 和保证每个地震数据通道和电磁数据通道正常工作的独立的供电电源组成。其中：

前置放大器，用于将对应的地震检波器、不极化电极对或磁场传感器采集到的模 拟信号进行前置放大处理，获得放大的模拟信号；

模数转换器，用于将放大的模拟信号进行模数转换，获取适于地震电磁数据采集 站的控制器处理的数字信号；

存储器，用于在地震电磁数据采集站的控制器的控制下保存数字信号。

本发明实施例中，上述不极化电极对和磁场传感器的频带响应范围均覆盖可控电 磁场激发源的频带范围以及大地电磁场的频带范围。此外，由于常规的金属电极的电 极极化效应非常强，而感应二次场的电场分量的场强幅度非常小，所以没法用强电极 极化的金属电极测量感应二次场的电场分量，所以本发明实施例只能用不极化电极对 来测量感应二次场的电场分量。

由此可见，本发明实施例的地震电磁联合勘探数据采集装置具有3个地震数据采 集通道、6个电磁场数据采集通道(3个用于电场数据采集，3个用于磁场数据采集)， 从而构成了一个9通道的地震电磁数据采集装置，实现一个设备同时具备电场数据采 集、磁场数据采集和地震数据采集的集成，与现有地震数据和电磁数据的分开采集相 比，减少了设备用量，提高了生产效率，从而降低了地震电磁联合勘探的勘探成本。

本发明实施例的地震电磁联合勘探系统包括：

若干个规则排列(也可以是非规则排列)的上述地震电磁联合勘探数据采集装置， 用于采集可控电磁场激发源、天然场源、人工地震源和非人工地震源的勘探数据；

若干个可控电磁场激发源，其在地震电磁联合勘探数据采集装置周围均匀分布；

以及若干个人工地震源，其在地震电磁联合勘探数据采集装置外围均匀或随机分 布。

下面对本发明实施例的地震电磁联合勘探系统进行具体说明：

结合图2所示，当对地下储层目标进行三维地震和五分量(两电三磁)可控源电 磁联合勘探时，在地下储层目标上方(即勘探目标区域)布设三维测线，在两条地震 电磁数据采集测线中间处布设人工震源1(例如常规炸药震源、重锤震源、可控地震 震源等)，沿三维测线按施工设计方案布设上述的无线遥控地震电磁数据采集装置2， 围绕该勘探目标区域布设四个互相垂直的水平激发偶极电流源3，通过大功率供电系 统4向水平激发偶极电流源3提供不同频率的大功率方波电流5。对于三维可控源电 磁数据采集，如果用AB表示电磁激发场源，我们将四个水平激发偶极电流源3分别 命名为A1B1、A2B2、A3B3、A4B4，该四个水平激发偶极电流源首尾相接围成正方 形的四方位电磁激发场源。其中，四个水平激发偶极电流源3中相邻两个供电点极共 用一个接地电极，这样可节省接地电极的布置，提高数据采集效率。此外，由于探测 的地下地质体埋深很大(数公里深)，小功率水平激发偶极电流源在地下储层目标上 激发的感应二次电磁场信号幅度非常小，地面布设的无线遥控地震电磁数据采集装置 采集不到有效的感应二次场信号，因此，只有选择大功率长极距的水平激发偶极电流 源才能提高其所激发的二次电磁场信号的幅度，提高信号的信噪比。

根据研究地下储层目标的深度和尺寸，设计四方位覆盖激发系统，由于靠近激发 源附近其激发的一次场太强会极大地影响无线遥控地震电磁数据采集装置2测量水 平激发偶极电流源3(一次场)断电时地下地质体产生的感应场(二次场)。所以无 线遥控地震电磁数据采集装置2要布设在离水平激发偶极电流源3一定距离以外。由 于靠近水平激发偶极电流源3附近没有布设无线遥控地震电磁数据采集装置2，所以 四方位电磁激发场源的边长长度要比需要探测的地质体长度(即勘探目标区域走向长 度)长10％～20％。此外，为保证对大尺度地质体的勘探数据覆盖，当勘探目标区域 走向长度大于设定长度时，则需配置多个四方位电磁激发场源来依次覆盖勘探目标区 域。例如假设四方位电磁激发场源的边长最大为10km，如果勘探目标区域走向长度 大于8km，则需要布设两个或多个四方位电磁激发场源，每两个四方位电磁激发场 源之间要重叠20％面积。

本发明实施例中，每个无线遥控地震电磁数据采集装置2有3个地震数据采集通 道，可以连接1个三分量(Gx、Gy、Gz)模拟地震检波器或1个三分量数字地震检 波器，也可以一次连接三个单分量模拟或数字地震检波器/地震检波器串。每个无线 遥控地震电磁数据采集装置2同时还有6个电磁数据采集通道，可用于同步测量单分 量、二分量、三分量、四分量、五分量或六分量电磁场数据，五个分量电磁场数据分 别为与场源AB平行和垂直的水平电场分量EX、EY，水平磁场分量HX、HY和垂直 于地面的磁场分量HZ。六个分量电磁场数据分别为与场源AB平行和垂直的水平电 场分量EX、EY，垂直于地面的电场分量EZ，水平磁场分量HX、HY和垂直于地面的 磁场分量HZ。

本发明实施例的地震电磁联合勘探系统中，勘探目标区域内三维布设的所有无线 遥控地震电磁数据采集装置2是同步采集每一个人工震源1所激发的地震波信号，然 后再采集下一个人工震源1激发的地震波信号，依次完成对勘探目标区域内所有人工 震源1激发的地震波信号的数据采集工作。四个方位的水平激发偶极电流源3也是依 次顺序激发的，当一个方位的水平激发偶极电流源3激发时，勘探目标区域内三维布 设的所有无线遥控地震电磁数据采集装置2也是同步采集每一个水平激发偶极电流 源3激发的电磁波信号，然后再采集下一个水平激发偶极电流源3激发的电磁波信号， 依次完成对勘探目标区域内所有水平激发偶极电流源3激发的电磁波信号的数据采 集工作。本发明实施例中，人工震源1和水平激发偶极电流源3可以同时激发，也可 以不同时激发。

结合图3所示，上述地震电磁联合勘探系统实施例中，如果在以三维方式布设的 无线遥控地震电磁数据采集装置2周围四方只布置人工震源1而不布置可控电磁场激 发源，则所有无线遥控地震电磁数据采集装置2可以同步采集人工震源1激发的三维 地面地震数据，以及地面三维大地电磁数据。

结合图4所示，上述地震电磁联合勘探系统实施例中，如果在以二维方式布设的 无线遥控地震电磁数据采集装置2周围四方不布设人工震源而只布设水平激发偶极 电流源3，则所有无线遥控地震电磁数据采集装置2可以同步采集三维地面微地震数 据或天然地震(被动地震)数据，以及水平激发偶极电流源激发的地面五分量电磁数 据。

如果在以二维或三维方式布设的无线遥控地震电磁数据采集装置周围四方不布 设人工震源也不布设可控电磁场激发源，则所有无线遥控数据采集站可以同步采集二 维或三维天然地震(被动地震)数据，以及地面二维或三维大地电磁数据。

本发明实施例的地震电磁联合勘探系统采集到的地震数据和电磁数据可进入到 系统内存储，也可以通过无线通信方式实时传送到数据处理中心。并且，地震电磁联 合勘探采集到的地震数据和电磁数据可以分别处理，也可以联合处理。地震电磁数据 的联合处理可以是用地震解释结果对电磁数据进行约束反演，也可以是对地震和电磁 数据进行联合反演，以实现地震-电磁的联合勘探。

由于本发明实施例的地震电磁联合勘探系统可以对地质目标进行全方位发发射 和激励，从而可以消除由单一激发场源造成的场源效应，此外，地震和电磁的联合勘 探，还可以极大地提高生产效率、降低单一勘探方法带来的非唯一性结果。

下面结合图5所示，对本发明实施例的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法包 括以下步骤：

步骤a、激发若干个人工地震源中的一个人工地震源，同步或异步激发若干个可 控电磁场激发源中一个可控电磁场激发源。

步骤b、使若干个地震电磁联合勘探数据采集装置同步采集该人工地震源激发出 的地震信号，使若干个地震电磁联合勘探数据采集装置同步或异步采集该可控电磁场 激发源激发出的电磁信号。

步骤c、重复上述步骤，直至依次完成所述若干个可人工地震源中所有的可人工 地震源激发和采集，以及依次完成所述若干个可控电磁场激发源中所有的可控电磁场 激发源的激发和采集。

其中，地震电磁联合勘探系统的具体情况参见上述系统实施例和上述装置实施 例，在此不再赘述。

本发明实施例的地震电磁联合勘探系统的数据采集方法可以对地质目标进行全 方位发射和激励，从而可以消除由单一激发场源造成的场源效应，此外，地震和电磁 的联合勘探，还可以极大地提高生产效率、降低单一勘探方法带来的非唯一性结果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发 明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。