利用时间域瞬变水平电场下阶跃响应提高电性层分辨能力的方法

摘要

本发明公开了一种利用时间域瞬变水平电场下阶跃响应提高电性层分辨能力的方法，其中该方法包括以下步骤：(1)、获取野外采集的大地电磁场时间域的水平电场记录资料，得到两个水平方向的电场分量；(2)、对电场分量进行叠加和滤波处理；(3)、对电场分量的上、下阶跃场值电场值进行编辑处理，剔除明显偏离的飞点；(4)、计算

说明书

技术领域

本发明属于石油、天然气、非常规油气藏等地质勘探、地下矿藏勘探的 电磁勘探领域，具体涉及到瞬变电磁测深法基于水平电场下阶跃响应提高电 性层分辨能力的方法及系统。

背景技术

瞬变电磁测深法是采用人工源发射激励信号，在研究区观测时间域的电 磁场，以研究地下电性结构的一种电磁勘探方法。图1是瞬变电磁测深法的 野外布设方式之一的示意图。在观测点测量的物理量为两个水平方向的电场， 即：e_x(t)和e_y(t)(单位均为伏特/米)，其中t为观测的延迟时间(单位为秒)。

图1中，AB为发射电偶极子，通过发射机向地下馈入方波电流，电流强 度为I(安培)，发射电偶极子的偶极矩为P_E＝I·AB(安培米)，为 收发距(AB中点O到接收点P的距离，单位米)，φ为发射电偶极子中心 点O和测点P的连线与发射电偶极子AB间的夹角。e_x(t)和e_y(t)分别为与 发射电偶极子平行和垂直方向的水平电场分量。

一般地，采用占空比为1:1的方波波形，如图2所示：T为一个周期的 延迟时间(秒)，在前四分之一的时间段正向供电，紧其次断电四分之一周 期，又紧其次反向供电四分之一周期(电流为-I)，最后四分之一周期断电。

瞬变电磁测深法资料处理的常规方法是由观测到的电磁场分量计算早期 视电阻率和晚期视电阻率。早期视电阻率主要反映较浅地层的电阻率，晚期 视电阻率则仅反映深部电阻率的情况，两者对过渡期的电阻率反映不清。

例如，根据供电期内观测的电场(此符号内，x表示电场的方 向，+表示前四分之一的正向供电时间段，“上阶跃”表示从开始供电即进 行资料采集)计算的早期视电阻率(Ω·M)和晚期视电阻率 (Ω·M)表达式分别为：

为了得到信噪比高的野外观测资料，可以增加发射电流，但受到仪器性 能的限制。另一种方法是，尽可能减小收发距离以增大信号强度。 但在收发距小的情况下，电磁场在很早延迟时就进入近区。这里“近区”是 指：瞬变时间参数：的情形，很小，高电阻率地层 和长延迟时三个因素均可导致进入近区。按(1)式计算的早期和晚期视电阻 率不能反映出地层的电性变化特征，对地层的分辨能力很低。

为了获得对电性层的高分辨能力，本发明从资料处理环节入手，提出基于下 阶跃响应的“高分辨率视电阻率”处理方法。

发明内容

本发明针对瞬变电磁测深法的早期和晚期视电阻率的分辨能力不足以及 后续进一步反演的需要，给出一种利用时间域瞬变水平电场下阶跃响应提高 电性层分辨能力的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种利用时间域瞬变水平电场下阶跃响应提高电性层分辨能力的方 法，该方法包括以下步骤：

(1)、获取野外采集的大地电磁场时间域的水平电场记录资料，得到两 个水平方向的电场分量e_x(t)和e_y(t)；

(2)、对电场分量e_x(t)和e_y(t)进行叠加和滤波处理；

(3)、对电场分量e_x(t)和e_y(t)的上、下阶跃场值电场值进行编辑处理，剔 除明显偏离的飞点；

(4)、计算方向的水平电场为断电后方向的 水平电场：为发射电偶极 子中心点和测点的连线与发射电偶极子连线间的夹角；

(5)、计算高分辨率视电阻率ρ_G(t)：

其中μ₀＝4π×10-7亨利/米， P_E为发射电偶极子的偶极距，其中t为延迟时间。

本发明所述的方法中，步骤(2)中滤波具体为采用数值滤波法消除固定 频率干扰信号的影响。

本发明所述的方法中，步骤(2)中叠加具体为将采集的多个周期的信号 进行线性相加后平均的过程，以消除非固定频率的干扰信号的影响。

本发明所述的方法中，叠加过程具体为：

将正向供电时的上阶跃的瞬变信号和反向供电时的上阶跃的瞬变信号叠 加；

将正向供电后断电期间的下阶跃的瞬变信号和反向供电后断电期间的下 阶跃的瞬变信号叠加。

本发明所述的方法中，步骤(1)中采集所得的大地电磁场的时间域记录 资料为连续记录数据，依据发射波形，将所有记录分成单个周期的记录，且 每个周期的记录又要分成四个四分之一周期的记录，每个四分之一周期记录 的起始延迟时间均被设置为零。

本发明还提供了一种利用时间域瞬变水平电场下阶跃响应提高电性层分 辨能力的系统，包括：

数据获取模块，用于获取野外采集的大地电磁场时间域的水平电场记录 资料，得到两个水平方向的电场分量e_x(t)和e_y(t)；

数据处理模块，用于对电场分量e_x(t)和e_y(t)进行叠加和滤波处理；并对电 场分量e_x(t)和e_y(t)的上、下阶跃场值电场值进行编辑处理，剔除明显偏离的飞 点；

计算模块，用于计算方向的水平电场为断电后方向的水平电场：为发射 电偶极子中心点和测点的连线与发射电偶极子连线间的夹角；并计算高分辨 率视电阻率ρ_G(t)：

其中μ₀＝4π×10-7亨利/米， P_E为发射电偶极子的偶极距，其中t为延迟时间。

本发明所述的系统中，数据处理模块中滤波具体为采用数值滤波法消除 固定频率干扰信号的影响。

本发明所述的系统中，数据处理模块叠加具体为将采集的多个周期的信 号进行线性相加后平均的过程，以消除非固定频率的干扰信号的影响。

本发明所述的系统中，数据处理模块在进行叠加处理时具体用于：将正 向供电时的上阶跃的瞬变信号和反向供电时的上阶跃的瞬变信号叠加；将正 向供电后断电期间的下阶跃的瞬变信号和反向供电后断电期间的下阶跃的瞬 变信号叠加。

本发明所述的系统中，数据获取模块中采集所得的大地电磁场的时间域 记录资料为连续记录数据，依据发射波形，将所有记录分成单个周期的记录， 且每个周期的记录又要分成四个四分之一周期的记录，每个四分之一周期记 录的起始延迟时间均被设置为零。

本发明产生的有益效果是：本发明在近区进行电磁场的观测，保证了资 料的信噪比，克服了采用上阶跃波形处理时存在的“静态位移”问题，机打 的排出了与电性层无关的浅层干扰信息。在近地表浅层电阻率很小的情况下， 对电磁波产生屏蔽效应，电磁场极容易进入近区，基于上阶跃波形的处理对 电性层的分辨能力很低，但基于本发明的下阶跃的“高分辨率视电阻率”ρ_G(t) 对电性层的分辨仍很清晰，因此本发明克服了浅层低电阻率的屏蔽问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是瞬变电磁测深法的野外布设方式之一的示意图；

图2瞬变电磁测深法向地下馈入的占空比为1：1的方波电流(横坐标为 时间，纵坐标为电流)；

图3是瞬变电磁测深法一个周期内完整的接收波形(横坐标为时间，纵 坐标为电场)；

图4是为理论模型一计算的电场波形曲线；

图5是对理论模型一基于上阶跃场值按常规方法计算的早期、晚期和全 时间段视电阻率曲线；

图6为对理论模型一采用本发明计算的高分辨率视电阻率曲线；

图7为理论模型二计算的电场波形曲线；

图8为对理论模型二基于上阶跃场值采用常规方法计算的全时间段视电 阻率曲线；

图9为对理论模型二基于下阶跃场值采用本发明计算的高分辨率视电阻 率曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对瞬变电磁测深法的早期和晚期视电阻率的分辨能力不足以及 后续进一步反演的需要，给出一种利用时间域瞬变水平电场下阶跃响应提高 电性层分辨能力的方法。

本发明实施例基于以下前提条件：

1)供电系统发射的是占空比为1：1的电流波形(如图2所示)；

2)记录为一个周期内的完整波形(如图3所示)；图3为瞬变电磁测深 法一个周期内完整的接收波形(横坐标为时间，纵坐标为电场)。第一个四分 之一周期为正向上阶跃记录，第二个四分之一周期为正向下阶跃记录，第三 个四分之一周期为反向上阶跃记录，第四个四分之一周期为反向下阶跃记录。

3)记录包含有两个水平方向的电场分量，即e_x(t)和e_y(t)。

本发明给出“高分辨率视电阻率”(ρ_G(t)，Ω·M)的定义，它满足：

其中为断电后方向的水平电场，它由x和y两个方向的电场 转换而来，即：

其中μ₀＝4π×10-7亨利/米；

其中t为延迟时(单位：秒)，每个四分之一周期的起始点延迟时间均设 置为零。

本发明实施例利用时间域瞬变水平电场下阶跃响应提高电性层分辨能力 的方法，包括以下步骤：

1)、获取野外采集所得的时间域记录资料e_x(t)和e_y(t)。

由于实际记录是连续记录数据，要依据发射波形，将所有记录分成单个 周期的记录(共N个记录)，且每个周期的记录又要分成四个四分之一周期 的记录，每个四分之一周期记录的起始延迟时间均被设置为零。

2)、叠加和滤波。

滤波是指消除固定频率干扰信号(50或60Hz的民用电)的影响(采用 数值滤波法)。

叠加是指将采集的多个周期的信号进行线性相加后平均的过程，其目的 是消除非固定频率的干扰信号的影响，提高信噪比，以获取高品质的电场资 料。

本发明的具体叠加过程是将上阶跃和下阶跃分开叠加，也即：将正向供 电时的上阶跃的瞬变信号(第一个四分之一周期内)和反向供电时的上阶跃 的瞬变信号(第三个四分之一周期内)叠加；将正向供电后断电期间的下阶 跃的瞬变信号(第二个四分之一周期内)和反向供电后断电期间的下阶跃的 瞬变信号(第四个四分之一周期内)叠加。具体计算公式为：

3)、对上、下阶跃电场值进行编辑处理。这是一个辅助的处理过程，仅 将叠加记录中的“飞点”采用人工方式剔除。由于上、下阶跃电场值仅差一 个常数项，因此在编辑处理过程中可以相互参考。

4)计算方向的水平电场采用公式(3)即可完成。

5)、计算“高分辨率视电阻率”ρ_G(t)。采用公式(2)即可完成。

本发明在进行瞬变电磁测深法勘探时，通过测量瞬变电场，可以计算“高 分辨率视电阻率”ρ_G(t)，进而由反演得到合理的正确的对电性层有较高分辨 能力的电阻率—深度剖面图。

由于在近区可以得到“高分辨率视电阻率”ρ_G(t)，因此电磁场观测量的 信噪比可以得到充分保证。由于下阶跃波不含有在上阶跃波形中存在的与直 流成分相关的“静态位移”量，因此基于下阶跃波计算的“高分辨率视电阻 率”ρ_G(t)无需做后续的“静态位移”校正。由于在近地表浅层电阻率很小的 情况下，对电磁波产生屏蔽效应，电磁场极容易进入近区，基于上阶跃波形 的处理对电性层的分辨能力很低，但基于下阶跃的“高分辨率视电阻率”ρ_G(t) 对电性层的分辨仍很清晰，因此本发明克服了浅层低电阻率的屏蔽问题。

为了实现上述方法，本发明提供了一种利用时间域瞬变水平电场下阶跃 响应提高电性层分辨能力的系统，包括：

数据获取模块，用于获取野外采集的大地电磁场时间域的水平电场记录 资料，得到两个水平方向的电场分量e_x(t)和e_y(t)；

数据处理模块，用于对电场分量e_x(t)和e_y(t)进行叠加和滤波处理；并对电 场分量e_x(t)和e_y(t)的上、下阶跃场值电场值进行编辑处理，剔除明显偏离的飞 点；

计算模块，用于计算方向的水平电场为断电后方向的水平电场：为发射 电偶极子中心点和测点的连线与发射电偶极子连线间的夹角；并计算高分辨 率视电阻率ρ_G(t)：

其中μ₀＝4π×10-7亨利/米， P_E为发射电偶极子的偶极距，其中t为延迟时间。

本发明实施例中，数据处理模块中滤波具体为采用数值滤波法消除固定 频率干扰信号的影响。

本发明实施例中，数据处理模块叠加具体为将采集的多个周期的信号进 行线性相加后平均的过程，以消除非固定频率的干扰信号的影响。

本发明实施例中，数据处理模块在进行叠加处理时具体用于：将正向供 电时的上阶跃的瞬变信号和反向供电时的上阶跃的瞬变信号叠加；将正向供 电后断电期间的下阶跃的瞬变信号和反向供电后断电期间的下阶跃的瞬变信 号叠加。

本发明实施例中，数据获取模块中采集所得的大地电磁场的时间域记录 资料为连续记录数据，依据发射波形，将所有记录分成单个周期的记录，且 每个周期的记录又要分成四个四分之一周期的记录，每个四分之一周期记录 的起始延迟时间均被设置为零。

如下表1所示，为理论模型一的参数。

表1：理论模型一的参数

如图4所示，为理论模型一计算的电场波形曲线(横坐标：延迟时间； 纵坐标：电场值)。如图5所示，为对理论模型一基于上阶跃场值按常规方法 计算的早期()、晚期()和全时间段(ρ_W(t))视电阻 率曲线。分析视电阻率曲线可以发现，常规方法对电性层分辨能力较差。图 中，三角符号为早期视电阻率曲线，实心方块为晚期视电阻率曲线，“田”字 符号为全时间段视电阻率曲线，圆点为大地电磁视电阻率曲线。早期和晚期 视电阻率曲线为两条在对数域的平行曲线。早期视电阻率曲线在延迟时较早 时能反映地层电性分布的基本特征，但在延迟时较晚时，反映的是假像，不 能准确反映地层电性特征。晚期视电阻率曲线在延迟时较晚时能反映地层电 性分布的基本特征，但在延迟时较早时，反映的是假像，不能准确反映地层 电性特征。采用上阶跃场值计算的全时间段视电阻率曲线解决了过渡时间段 的视电阻率定义和连续的问题，但三者均有缺陷。对比大地电磁测深法的视 电阻率曲线看，三者均未能反映出电性层的变化特征。

如图6所示，为对理论模型一采用本发明计算的高分辨率视电阻率曲线。 图中“田”字符号为基于上阶跃的全时间段视电阻率曲线(ρ_W(t))，方块符 号为基于下阶跃的全时间段视电阻率曲线(ρ_G(t))，圆点为大地电磁视电阻 率曲线。采用上阶跃场值计算的全时间段视电阻率曲线分辨率低，而基于下 阶跃计算的高分辨率视电阻率曲线与MT视电阻率曲线类似，电性分层明显。

如下表2所示，为理论模型二的参数。

表2：理论模型二的参数

图7为理论模型二计算的电场波形曲线(横坐标：延迟时间；纵坐标： 电场值)。图8为对理论模型二基于上阶跃场值采用常规方法计算的全时间段 (ρ_W(t))视电阻率曲线。可见，通过常规方法计算的视电阻率曲线，对电 性层无法分辨。图9为对理论模型二基于下阶跃场值采用本发明计算的高分 辨率视电阻率曲线(ρ_G(t))，可见，通过本发明的方法计算的视电阻率曲线， 电性分层明显。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改 进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。