井间电磁法综述

地面电磁法在实际工作中在很大程度上受到了探测深度和分辨率的限制.为了克服这些缺点,出现了井间电磁法.井间电磁法指的是在两个(或多个)钻孔中分别发射或接收电磁波信号,利用电磁波信号进行成像并探测井间物理性质的地球物理方法.由于发射机和接收机可以分别放置在很深钻孔中,其具有大透距、大探测深度的特点,因而广泛应用于工程环境物探、矿产勘查、石油勘探等中.针对不同的应用,产生了各具特点的一些特殊方法,包括井间无线电波成像、跨孔雷达、井间电磁成像.井间无线电波成像仪目前只测量电场强度数据,工作频率低,一般是单频的电磁波,频率范围通常在1 kHz至10 MHz.由于缺少走时数据修正射线路径,井间无线电波成像主要是进行基于直射线追踪的衰减层析成像.井间无线电波成像既可用于工程与环境地球物理也可用于找矿.跨孔雷达是钻孔雷达的一种探测方式,用高频电磁脉冲探测两个井孔间介电常数和电导率的变化.跨孔雷达层析成像也叫地质雷达CT,既可进行走时成像,还可进行衰减成像.一般来说,地质雷达CT的电磁波工作频率较高,中心频率通常在10 MHz和1 GHz之间,因此在分辨率指标上占有优势,跨孔雷达主要用于工程与环境地球物理.井间电磁成像采用更低的频率,测量复电磁信号,适合油气储集层监测,是一种地球物理前沿技术.经过在多个试验区初步试验表明,井间电磁成像是油藏研究的有效手段,可用于分析剩余油分布,寻找油气富集区,进而达到提高钻探高效井成功率和提高采收率的目的.本文详细介绍对比了这三种方法在理论和实践中的一些特点,并对未来的发展进行了展望.     

井间电磁成像系统发射和接收同步测量应用研究

井间电磁成像利用低频电磁波对两井或多井之间进行多点扫描,测量出电磁信号经过地层产生的相位变化和幅度衰减情况,反演得到地层电阻率信息.相位反映地层电参数以及位置的敏感性要优于幅度信息.在进行相位测量时,必须保证在同一时刻对发射监测信号和接收信号进行采集.针对发射和接收系统精确同步测量方法展开研究,提出使用GPS时钟接收机在两口井各自地面系统产生同步时钟信号,把同步时钟信号通过电缆传送到井下,井下通过PLL锁相同步电路和频率补偿电路,完成井下工作主频时钟源的建立,达到地面和井下同步目的.在发射地面和接收地面设置有数传电台,相互之间可传送指令,与同步时钟结合起来,实现井下发射监测信号和接收信号的同步采集.经过测试井间电磁成像发射和接收系统同步误差≤±100 ns.     

井间电磁成像系统应用研究

井间电磁（EM）成像系统的技术目标是实现井间电学特性的直接测量,并提供井间电阻率的二维及三维图像.从1997年开始,胜利油田与美国EMI公司合作,开展了EM技术的应用与研究,主要是通过大型、系统的现场试验,在大井间距的条件下,进一步验证仪器的性能,进行油藏研究的适用性和可行性分析;以系统的现场实测数据为依据,加快成像处理方法和软件的开发;开展穿透金属套管井的EM试验,探讨金属套管条件下的电阻率成像方法。两年来,利用EMI提供的XBH2000型测量系统,对胜利油田典型的低电阻率砂泥岩剖面,成功地进行了3对井、10个井次的试验。试验证明了仪器性能的可靠,取得了测量重复性好、系统完整的井间EM数据.并反演得到电阻率成像,在分析井间油气分布和油层开采动态方面,取得了良好的地质效果.     

定向电磁波传播随钻测量基本理论及其在地层界面预测中的应用

采用水平层状各向异性介质中的磁流源并矢Green函数计算定向电磁波传播随钻测量的幅度衰减和相位移.分析了定向电磁测量的探测范围和对地层界面的灵敏性,研究了地层各向异性、地层相对倾角和接收天线倾角对定向测量的影响.计算结果表明,频率越低、线圈距越大、目的层和围岩层电阻率对比度越大,定向电磁测量的探测范围越大.随着接收天线倾角的增加,定向幅度衰减在接近地层界面时的变化更加明显,对地层界面的灵敏性增加.采用对称天线结构可消除定向测量信号在远离地层界面处对地层各向异性和地层相对倾角的依赖,实现对地层界面的准确预测.     

金属套管井中电磁测井响应的数值计算

分析了金属套管井中有限尺寸线圈的电磁响应特征,讨论了井眼泥浆参数、套管参数和不同线圈尺寸对电磁测井响应的影响,考察了金属套管中电磁测井对地层电阻率变化的灵敏度.径向非均匀介质的模拟计算表明,在套管井中井眼泥浆对电磁测井的影响较大,必须进行校正.在低频条件下,井间测量响应中金属套管与地层的电磁响应是非耦合的,两者可以分离.在套管参数一定时,套管响应与地层的响应的比值近似一个常数.电磁响应对地层电阻变化的灵敏度分析显示,井间电磁测量在储层研究尺度对地层电阻率变化响应灵敏,套管引起的衰减稳定.在其它参数相同的前提下,线圈直径的增大有助于有效电磁响应信号的增强,给大井间距测量提供了可能.不同磁导率金属套管的电磁响应分析表明,电磁测井中,采用非磁性或弱磁性套管要优于一般的铁磁性套管.     

横向同性地层中井间电磁响应的三维频域耦合势正演模拟研究

本文针对电导率横向同性地层中三轴发射-接收线圈系的井间电磁响应,开展三维正演算法及模拟研究.首先将发射线圈简化为三轴正交磁偶极子源.为克服低频电磁产生的数值迭代收敛缓慢问题,利用低感应数预处理方法将频域Maxwell方程组转化为基于矢势与标势的Helmholtz方程.采用非等间距的Yee氏交错网格、电导率的体积加权平均技术以及积分形式的有限差分格式实现对控制方程的离散化.借助于不完全LU分解预处理的稳定双共轭梯度法计算井间电磁响应的数值解,并通过与有限元软件COMSOL的数值结果对比验证本文模型与算法的有效性.数值计算结果表明：在横向同性地层的垂直井模型中,测井响应横向分量xx和yy能反映出地层电导率各向异性信息,但横向探测能力较差.轴向分量zz虽只反映地层水平电阻率信息,但具有较好的横向探测能力,且对地层中异常体非常敏感,而交叉分量xz、zx则具备较强的层边界识别能力.     

无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用

以无人飞艇作为载体的时域地空电磁探测系统,具有高效、低成本、勘探深度大和空间分辨率高等优点.本文基于二维有限差分方法,分析了长导线源地空电磁响应的特征和变化规律、以及飞行高度的影响;在此基础上,采用32位Cortex-M3内核处理器,以全差分模拟前端压制电磁干扰,实现了24位低噪声多通道海量电磁数据的同步采样及存储,研制了一套可搭载于无人飞艇的时域电磁接收系统,并基于Wi-Fi Mesh无线多跳网络实现了地面远程监控.通过分析飞艇发动机的电磁噪声特点,采用独立分量分析法进行实测数据的噪声去除.研制的地空电磁接收系统使用无人飞艇搭载,在江苏省南通市如东县和内蒙古巴彦宝力格地区进行了电磁探测实验,地空电磁勘探结果与地面瞬变电磁和大地电磁方法进行了对比,证明了地空电磁探测方法的有效性.无人飞艇时域地空电磁探测系统的成功飞行实验,为在我国草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展矿产资源、水资源、地质灾害等电磁探测提供了新方法和新思路.     

矿井瞬变电磁探测中空芯线圈传感器的研制

针对矿井瞬变电磁法中探测空间的有限性及探测目标分布的全空间性,研制一种适合该方法的感应式空芯线圈传感器.根据矿井瞬变电磁探测需要,确定了感应式空芯线圈传感器的基本技术指标.通过对空芯线圈的物理结构和前置放大电路的等效噪声电路进行分析,获取了引入噪声的主要来源.构建感应式空芯线圈传感器的等效模型,实现传感器的幅频特性及低噪声的分析,给出影响传感器噪声水平的各噪声源随频率变化的规律,设计矿井瞬变电磁中降低传感器噪声的方法,采用该优化方法,传感器的总噪声在谐振频率处信噪比提高了15.6dB.测试结果表明:感应式空芯线圈传感器噪声性能和输出特性优于加拿大Geonics公司的3D-1HF-coil传感器,满足矿井瞬变电磁探测需要.     

考虑卷积完全匹配层数值色散的井间电磁三维正演

本文将以卷积完全匹配层为吸收边界条件的时域有限差分法应用到井间电磁的三维正演模拟中.证明了卷积完全匹配层中的数值色散会因为有效延伸因子而产生,列举常规有效延伸因子和网格间距对电磁波相速度各向异性的影响,并通过波场快照验证卷积完全匹配层中数值色散的存在;进而推广三维卷积完全匹配层中最大有效延伸因子、最大网格间距与激励源主频之间的约束,以此完善卷积完全匹配层的最优参数设置方案.在此基础上,通过正演结果中二次场的垂直磁场分量和走时来展示灵敏度分布,以此划定井间电磁勘探的优势区域,提出井间电磁正反演所需要的约束测井系列和最佳取井方案.     

阵列偶极源辐射场在导电地层中传播的方向特性

利用电偶极子辐射场的矢势导出了阵列偶极子在导电媒质中辐射场的一般形式,所给出的公式不仅适用于近区、感应区,而且还适用于远区.对阵列偶极子辐射场的相干特性进行了详细的讨论,由所得结果可知,对层状地层通过选择适当的方位可使接收到的电磁信号达到极大,极大值的大小与偶极源的个数成正比.本文的研究对解决地层中电磁信号衰减严重问题提供了一种可能的解决办法.     

欠阻尼中心回线瞬变电磁效应

瞬变电磁法经过近百年的发展,在各行各业都有广泛的应用,常规的瞬变电磁法对于天线的选择都尽可能选取临界阻尼天线,以减少过渡过程的影响.基于地震波检波器原理的启发,地震波检波器采集震动信号的过程,实质上是震动衰减转换为电磁振荡阻尼过程,欠阻尼瞬变电磁接收回线采集电磁波的过程,其实质也是电磁振荡衰减过程,两者接收都是感应电压信号,因此,欠阻尼中心回线的采集原理和地震检波器相同.本文利用欠阻尼中心回线研究探测砼结构的瞬变电磁效应,同时和过阻尼天线进行对比,说明欠阻尼天线在特点条件下探测结构体具有较强的探测能力及较高的异常分辨能力,其拟地震波图谱显示便于对异常体形状的判译.这种装置将揭开瞬变电磁法在混凝土结构探测中新的应用方向.     

PRC_MTMV和EMTF在长周期大地电磁数据处理中的应用

长周期大地电磁信号强度弱,频带宽,容易受到多种噪声的干扰,观测数据不满足加性、平稳和最小相位特性.因而,其数据处理仍有较多难点.常规的大地电磁数据处理方法是相似的,其主要差别是在时域或频域压制噪声、提高信噪比的数学方程和算法不同.为了提高数据处理的可靠性,拓宽方法的选择范围,本文介绍了广泛使用的PRC_MTMV和较少使用的EMTF两套软件系统的处理原理、参数配置以及用于处理长周期大地电磁资料的基本流程.利用两套系统对实测数据进行处理,对比发现,PRC_MTMV处理得到的视电阻率和相位曲线总是比EMTF的曲线平滑;EMTF的远参考处理对视电阻率曲线高频部分有较大的改善,说明EMTF能够有效克服磁场干扰;将同一测点长周期和宽频测深曲线拼接,二者的效果是相当的,表明EMTF能够满足需要并用于处理长周期大地电磁数据.     

远距离井间电磁成像测井快速反演算法

远距离井间电磁成像方法可以实现500 m以上地层剖面成像,在资料反演中反演地层的精度以及速度是研究的重点和难点.本文提出利用格林函数方法取代差分近似方法计算雅克比矩阵的快速算法,通过与全空间差分近似法对比,验证了快速雅克比矩阵算法的正确性,格林函数方法极大地提高了反演成像效率;通过建立地质模型进行仿真,验证了格林函数方法求取雅克比矩阵的高斯牛顿反演算法完全可应用于远距离井间电磁成像,实现了对二维地层电参数以及边界位置的确定.反演速度是差分近似法的数十倍.     

利用K-SVD字典学习算法压制海洋大地电磁噪声

海洋大地电磁数据处理的结果会影响数据反演和解释的准确性.在浅水中,由海浪引起的强电磁干扰和大地电磁场叠加在一起,使得噪声所在频段内的视电阻率和相位曲线出现畸变.针对这种强干扰,本文将K-SVD字典学习算法应用于海洋大地电磁信号处理中,通过稀疏表示海浪感应磁噪声实现大地电磁磁场信号的重构,并结合视电阻率信息进行相位校正....     

一种用于TEM高灵敏度感应式磁场传感器设计

瞬变电磁法(TEM)作为地球物理非地震探勘主要电磁方法之一,广泛应用于油气、矿产等地下资源探测.本文分析TEM磁场传感器频率响应特点,采用欠阻尼匹配拓展传感器线性响应频率范围;分析磁传感器各类噪声源分布,提出不同频段上影响磁传感器性能的主要因素.最终研制一款高磁导率磁芯的TEM感应式磁场传感器,工作频段为10 mHz~1 kHz,等效输入噪声水平为4pT/√Hz@1Hz, 15fT/√Hz@200 Hz,传感器直径为50 mm,长度800 mm,重量3.2 kg,相比现有TEM接收磁场传感器,体积小、重量轻、工作频段低.实验测试与生产作业表明:最新研制的高灵敏度TEM磁场传感器更加适合大深度、3D阵列电磁勘探.     

井间电磁成像的迭代反演算法

提出一种基于逐次逼近解法的选代反演算法,对并间地层电导率的构造进行成像．该方法用一阶Ｂｏｒｎ近似将积分方程线性化,得到对电导率分布的初始估计,在选代反演中用高阶Ｂｏｒｎ近似对井间地层电导率构造进行更精确的估计．应用该方法还可以对井间电子率分布进行二次成像,从而使成像分辨率更为准确．数值计算结果表明,这种迭代反演算法与基于Ｂｏｒｎ近似、二阶Ｂｏｒｎ近似和扩展Ｂｏｒｎ近似的反演算法相比提高了成像分辨率,且计算效率相当．     

Hilbert-Huang 变换与大地电磁噪声压制

大地电磁信号具有非线性、非平稳、非最小相位特征,不符合以Fourier变换为基础的传统功率谱估计的基本要求. Hilbert-Huang变换是近年发展起来的处理非线性、非平稳信号的完全局部时频分析方法. 本文在简要介绍Hilbert-Huang变换基本原理与算法基础上,以实际数据分析为例,探讨了它在大地电磁信号处理及噪声压制中的应用. 提出利用Hilbert时-频能量谱对大地电磁信号进行时段筛选,以提高信号品质,增强数据处理的质量和资料的可解释性. 利用经验模态分解方法及其多尺度滤波特征,可以有效地分析MT信号中的噪声分布特征,并进行干扰压制.     

阻尼系数对瞬变电磁观测信号的影响特征

通过对瞬变电磁接收线圈等效电路的深入分析,研究了接收系统分布参数与阻尼系数之间的关系,研究了不同阻尼系数瞬变电磁接收系统的性能特征：幅频特性、截止频率、冲激响应及阶跃响应,探讨了接收系统对地下地质体瞬变响应信号的影响特征,最后给出了实时计算临界阻尼电阻的方法.     

井间电磁测量的2．5维层析成像方法

利用正则化最小二乘反演方法实现了井间电磁测量数据的层析成像,对井间地层电阻率进行了重建。在成像算法中,我们假设了井间电磁的激发与接收采用电磁偶极子源,井间介质仅在二维（xoz）平面内变化。在数值模拟中,通过对构造走向（y方向）的Fourier变换,将三维电磁场问题转化为一系列二维问题,用等参有限元方法在波数域求解,使实际地层模型的处理得以实现。对于波数域中每个波数对应的电磁场方程采用等参有限元求解,并用高斯积分将波数域解变换为空间域电磁场。利用源与接收器电磁场的互易原理,实现了电磁场响应对电导率分布灵敏度的快速计算。针对正演模拟中源点的奇异性,我们采用具有一定面积的伪艿函数表达源电流分布,使数值解精度得到提高。用层状介质的解析解与数值计算结果的对比,验证了模拟算法的精度。用介质扰动产生的电磁场变化检验互易性定理计算灵敏度的有效性。对简单块状模型、斜向裂缝带模型及“大”字模型的模拟数据成像结果表明,本文介绍的层析成像方法是正确有效的。     

数学形态滤波与大地电磁噪声压制

数学形态滤波是一种新型的非线性滤波方法.介绍了形态学滤波的基本原理,针对大地电磁信号表现出的非线性、非平稳性和非最小相位特性,综合结构元素特征我们提出一种基于数学形态滤波的大地电磁噪声压制方法.为了有效抑制目标信号中的噪声干扰及修正统计偏倚现象,通过选用合理的结构元素及形态开-闭、闭-开组合,将正、负结构元素级联构造组合广义形态滤波器对实测大地电磁信号进行噪声压制.实验结果表明,该方法是切实可行的,有效地剔除了大尺度干扰及基线漂移,较好地还原了大地电磁信号的原始特征,修正了标准形态算子所产生的统计偏倚现象,去噪精度高.该方法计算速度快,具有潜在优势,为矿集区海量大地电磁信号与强干扰的分离提供了一条新的途径,应用前景广阔.