水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析_杨海燕.pdf

在感应测井和瞬变电磁场理论基础上，采用并矢格林函数计算三维感应测井中的个谐变场分量，应用余弦变换数值滤波法将磁张量转换到时间域，得到孔中时间域张量电磁场理论公式，提出了孔中时间域电磁张量测量方法建立了竖井井旁层状介质模型和钻遇地层模型，从理论上获得了井中不同深度处的时间域电磁张量响应，初步验证了该方法在井旁远探和随钻前探中的可行性研究结果表明：孔中测点所处深度越深需要的采样时间窗口越宽；与相关的感应电位分量对目标层的识别能力更高，可以作为井旁远探的首选参数；分量和 分量异常响应较为明显，可分别作为随钻前探的首选分量和辅助分量 多测道曲线和截距剖面能明显反映出目标层界面特征，可以为资料处理与解释提供帮助 此外，分量可识别出高阻目标层，显示出了方法的另一优势 研究成果可为电磁张量测井技术与装备研发提供理论参考关键词瞬变电磁法；感应测井；张量测量；钻孔；层状介质 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家自然科学基金项目（，），江苏省重大科技示范项目（），徐州市重点研发计划项目（）资助第一作者简介杨海燕，男，年生，教授，主要从事电磁法勘探理论与应用研究 ：通讯作者刘志新，男，年生，教授，主要从事电磁法正反演技术和矿井地球物理勘探研究 ：，.，地 球 物 理 学 报（）卷 ，；引言瞬变电磁法在矿产资源勘探和煤田采空区探测等工作中取得了较为明显的效果，其应用领域也从地面测量逐步发展到煤矿巷道内超前探测（杨海燕等，；，；，；，）用于地面高精度测量的电性源短偏移瞬变电磁法和地空瞬变电磁法得到快速发展（薛国强等，；，；底青云等，；马振军等，；林君等，；李貅等，），显示出该方法宽广的应用空间 地井瞬变电磁探测有效促进了孔旁盲矿体定位问题的解决（陈丁等，；陈卫营等，），在此基础上发展出的巷孔瞬变电磁三分量测量通过巷道迎头发射、水平钻孔内三分量接收，提升了 含导水构造超前探测的 能 力（孙 怀 凤 等，；范涛，；范涛等，）随着定向钻进技术的快速发展，钻达目的层位精确性得到极大提升，给钻孔地球物理技术提供了支撑感应测井方法已经普遍应用到石油勘探领域，在地层对比、地层含水饱和度计算以及油、气、水层判别方面起到了重要作用，该理论以理想化的铅垂钻孔为基础（，），考虑的是各向同性的层状介质 但是，受方法和仪器水平限制，感应测井只能提供共轴方向的视电导率，且测得的电阻率动态范围低，造成纵向分辨率不高，尤其对砂泥岩薄交互层的辨识度不高（，）三分量感应测井通过三分量测量获得宏观横向各向同性（）地层的电磁响应（张国艳等，），可在相对较短的源距获得更远的探测距离，并能同时提供地层横纵向电导率、地层边界以及井眼倾角等信息，在各向异性地层评价中起到了很好的作用（，；，；，；康 庄 庄 等，）感应测井的测量目标为井壁附近几厘米范围内的地层信息，测量结果为一条沿井筒深度变化的视电阻率曲线，该曲线往往受到井内泥岩影响目前，钻孔测井面临井旁远探和随钻前探新需求，迫切需要掌握孔旁更远处地层和钻遇地层内的地质信息 为此，我们结合测井方法的应用领域、测量参数的特点以及对电阻率张量测量理论的理解，提出一种孔中时间域电磁张量测量方法，该方法的测量探头由三个两两正交的发射和接收线圈组成，每次测量同时激励时间域电磁场，并接收个分量的电磁数据 与三维感应测井局限于划分层边界不同，孔中张量测量的探测范围覆盖钻孔终孔前方和钻孔周围，以钻孔为轴线，有效探测深度为半径，由近及远的圆柱体区域 在孔中张量瞬变响应的解析计算方面，本文借鉴了谐变场三维感应测井中接收线圈系个磁场分量的计算方法（，；，），获得水平层状介质中的并矢格林函数并实现快速计算（，；陈桂波等，），最后将谐变场的磁张量转换到时间域（杨海燕等，；，），获得了孔中时间域张量电磁场理论公式 最后，通过竖井模型的时间域电磁响应研究，验证了孔中时间域电磁张量测井的可行性 本文以地面钻孔为研究对象，其研究成果也适用于水平钻孔，可为煤矿巷道和工程隧道等地下空间环境下的孔中张量测量研究提供参考方法原理对于图中的孔中时间域电磁张量测井模型，建立探头坐标系（，）与地层坐标系（，）如图所示，和 为发射和接收线圈，分别由三个两两正交的多匝线圈组成，收发距为 忽略位移电流，发期杨海燕等：水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析图时间域电磁张量测井示意图 图探头系统与地层坐标 射线圈 激励产生的电磁场满足 方程组（，）?，（）（，），（）式中，（，）是场源处的狄拉克函数，为角频率，为真空磁导率，为发射磁矩在层状 介质条件下，电导率张量在地层坐标系中可以表示为?，（）式中，和 分别为地层的水平电导率和垂直电导率（，）令发射线圈、和方向的等效磁矩分别为、和，通过求解麦克斯韦方程组（）和（），得到接收线圈处的磁场为（倪尧，）?，（）式中，?为仪器坐标系到地层坐标系的转换矩阵，?为其转置矩阵，?为频率域并矢格林函数?的表达式为?，（）为探头轴线与地层轴线方向的夹角，为方位角采用传输线法求解水平层状介质中的并矢格林函数?，得 到 其 表 达 式 为（，；陈桂波等，；倪尧，）?（）（）（），（）式中，、和分别为三个方向电磁波的传播系数，为虚数，为角频率，和分别为区和区的磁导率；和分别表示场源和场点位置，和分别为单位并联电流源激发的感应电位和电流，和分别为单位串联电压源激发的感应电位与电流，当为和时，分别代表横电波和横磁波，为狄拉克函数式（）中各参数表达式可以参见文献（倪尧，）对于式（）求出的磁场各分量，采用余弦变换数值滤波算法计算其时间域响应（王华军，；，），算法表达式为（），（）（），（）式中，为采样时间间隔，（）为余弦变换滤波系数最后，根据法拉第电磁感应定律，得到时间域电磁二次场的感应电动势地 球 物 理 学 报（）卷（）（），（）式中，和分别为接收线圈的面积和匝数为了验证上述计算方法的可靠性，建立横、纵向电阻率分别为 和 的均匀介质模型并计算其解析响应（李磊，），在应用公式（）（）计算时将均匀介质模型视作电阻率相同的三层介质模型，得到感应电动势和误差曲线如图所示 从图中可以看出，两种计算方法得到的感应电位各分量吻合较好，相对误差较低，和 分量重合，且幅值小于 分量图均匀介质模型计算结果比较（）感应电动势衰减曲线；（）相对误差曲线 （）；（）模型参数与均匀场响应建立层地电结构模型如图所示，各层电阻率和厚度分别为和 在感应测井过程中，探头由电缆连接在井中连续测量孔口至终孔范围内不同深度的磁场信号，当测点位于地层交界面时，发射和接收线圈处于不同层位，在模型构建时需要做到根据地层厚度和测点深度自动识别测点所在层位，并记录场源、场点的深度信息图层地电模型 以三层地层为例，当测点距、收发距、地层厚度分别为 、和 时，得到的测点各参数如表所示对于电阻率为 的均匀半空间，将其响应作为层状介质研究的背景场，采用表所示参数由公式（）（）计算得到不同深度电磁各分量响应曲线如图所示 由于均匀介质或层状介质具有对称性结构，感应电位部分对称分量相等，如 、等，因此选取了具有代表性的感应电位分量从图可以看出，感应电位各分量曲线在不同深度处的衰减特征相同，随着深度的增加幅值相应减小 除 分量以外，同一测点的其他分量衰减段近似重合，衰减规律相同 和 分量衰减曲线符合垂直磁偶源激励特征，其他分量符合水平磁偶 源特 征；衰 减 段 的 分 量 约 为 其 他 分量的倍图中除 分量以外，其他分量的衰减曲线近似重合，因此选择两个分量（和 分量）分析深度不同时的电磁响应特征，并绘制出感应电位的多测道曲线（图、图）随着孔中测点深度的增加，时间域电磁早晚期响应在时间方向上逐步向后推迟，晚期段重合可认为是均匀介质的电性反映（图）由此说明，在孔中时间域电磁测井中，越深处的测量需要的采样时间窗口越宽 图中感应电位多测道曲线无明显异常反映，符合均匀介质的响应规律期杨海燕等：水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析表地层模型中测点信息表 序号场源层位场点层位场源深度（）场点深度（）序号场源层位场点层位场源深度（）场点深度（）图均匀介质时间域电磁响应（）深度 ；（）深度 ；（）深度 （）；（）；（）地 球 物 理 学 报（）卷图均匀介质中不同深度电磁响应（）分量；（）分量 （）；（）图均匀介质感应电位多测道曲线（）分量；（）分量 （）；（）井旁远探能力分析井旁远探的主要探测目标为钻孔周围地层或地质构造的电性信息，根据时间域电磁探测方法的特点，每个测点处得到的数据为感应电位分量的时间衰减序列，通过时间深度转换和后期反演计算，可以获得当前测点处与钻孔轴线垂直方向上不同距离的电性信息，实现钻孔周围一定范围内地层和地质构造探测 层状介质模型的高、低阻目标层与高、低阻体的瞬变电磁响应特征相似，其感应电位具有增强或减弱趋势，因此在本文的解析分析中使用层状介质代替地层和地质体模型 在建立的 型和 型地电模型中，中间层为目标层，通过对两种模型感应电位各分量的对比分析来检验该方法的远探能力，进而得出各分量在目标层识别中的有效性期杨海燕等：水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析图和图分别为不同深度测点处 型和 型模型的感应电位响应曲线 对于 型第一层介质（图），分量在 后具有均匀介质响应规律，仍然高于其他分量；受中间目标层影响，各分量曲线在 之前均显示出异常响应，与其他分量相比 和 分量的异常响应更明显 而在 型模型曲线中（图），在 之前虽然接近均匀介质响应，但仍然显示出高阻响应特征 当测点位于中间层时两模型的响应特征差别较大（图，图），与相关的三个分量、感应电位较高，更能反映出中间低阻层响应特征，而 和 分量则更能反映出高阻层特征 深部测点的感应电位曲线趋向于均匀介质（图，图），型模型仍有明显低阻响应，但随着测点深度的增加，响应幅值逐渐减弱图 型地层的时间域电磁响应（）深度；（）深度 ；（）深度 （）；（）；（）图 和图 分别为深度不同时 型和 型模型的感应电位曲线 对比两图可以发现，低阻层响应的时刻晚、时间窗口范围宽（图 ）；高阻层响应的时刻早、时间窗口范围窄（图 ）在 分量响应方面，低阻层的衰减曲线显著高于其他层位，反映出了典型的低阻特征（图 ），高阻层的衰减曲线明显处于其他层位下方，具有均匀介质的特征（图 ）图 和图 分别为图 和图 的多测道曲线，同时引入平移截距参数（杨海燕等，），得到截距剖面分别如图 和图 所示 对比图 和图 可知，分量和 分量均对低阻目标层反映灵敏，其中 分量中目标层段的异常响应强度更大；而对于高阻目标层，分量无明显异常反映，但 分量中目标层段的高阻响应可识别，这与地面瞬变电磁对高阻反映不灵敏的常识存在差别 综合图 和图 可以得出，分量（包括与相关的其他分量）剖面中晚延时段显示出了较强的低阻（图 ）或可分辨的高阻（图 ）响应，所在深度与模型中目标层深度吻合较好，证实了截距剖面解释的适用性两模型目标层 分量（图 和图 ）对应的早延时段虽然有差异，在深度 和 处显示出模型界面特征，但是这种差异还不能划分目标层，仍然需要作更深入研究地 球 物 理 学 报（）卷图型地层的时间域电磁响应（）深度；（）深度 ；（）深度 （）；（）；（）图 型地层中不同深度电磁响应（）分量；（）分量 （）；（）由前述分析可以认为，孔中时间域电磁张量测井方法在井旁远探方面具有可行性，在各分量对目标层识别方面，以与相关的分量反映最为灵敏，可以作为首要考虑对象随钻前探能力分析在钻孔终孔前方额外设置低阻目标层，通过改期杨海燕等：水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析图 型地层中不同深度电磁响应（）分量；（）分量 （）；（）图 型地层感应电位多测道曲线（）分量；（）分量 （）；（）变该目标层的电性参数形成供随钻前探研究的理论模型，钻孔所在地层总厚度 ，钻孔深度为 图 为终孔附近两测点处的时间域电磁各分量感应电位曲线 从图 中可以看出，相对于背景模型（）曲线，异常模型（）各分量在 附近窗口电位有明显变化，其中 分量电位幅值降低，其他分量电位幅值升高 由于终孔处的测点距离目标层更近，各分量的 异常 响应 也 更 为 明 显（图 ）总体上，分量的异常幅值差异不太明显，和 分量在随钻前探研究中更具适用性图 为不同深度测点的感应电位曲线，深度范围从 到孔底 从图中可以发现，不同深度的 分量异常场曲线（图中点线）近似重合，且在相应窗口内与背景场的差异较为突出；随着与目标层的不断靠近，分量异常场与背景场差异逐渐增 大与井旁远探情况不同，分量虽然有异常响地 球 物 理 学 报（）卷图 型地层感应电位多测道曲线（）分量；（）分量 （）；（）图 型地层截距剖面（）分量；（）分量截距 （）；（）期杨海燕等：水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析图 型地层截距剖面（）分量；（）分量 （）；（）图 孔底地层时间域电磁响应（）深度 ；（）深度 （）；（）应，但差异较小 不同深度测点处三个分量异常响应结束的时刻分别相同，为目标层与下伏岩层过渡带的反映比较 分量和 分量曲线可知，前者异常曲线的形态比后者更为简单，特征也较为明显，可以作为随钻前探后续研究的首选分量，分量可作为辅助分量地 球 物 理 学 报（）卷图 不同深度测点处的孔底地层电磁响应（）分量；（）分量；（）分量 （）；（）；（）结论采用传输线法计算并矢格林函数，获得了谐变场测井接收线圈系的个磁场分量，将谐变场的磁张量转换到时间域得到孔中时间域张量电磁场理论公式 针对井旁远探和随钻前探问题，通过理论计算和对比分析，验证了孔中时间域张量测井方法的可行性 得到主要结论如下：（）时间域电磁张量测井的测量方案与传统感应测井方法相似，可以得到测点所在岩层由近到远的电位或电阻率变化信息（）均匀介质模型计算结果显示，在孔中时间域电磁张量测井中需要较宽的采样时间范围，测点越深需要的采样时间窗口越宽（）验证了井旁远探和随钻前探的可行性 与相关的各分量对目标层识别的灵敏度更高，可以作为井旁远探的首选对象 分量和 分量异常响应较为明显，前者可以作为随钻前探的首选分量，后者作为辅助分量（）在孔中时间域电磁张量测井资料解释中，传统的瞬变电磁感应电位多测道曲线可以作为主要的解释依据，而截距剖面可以作为补充致谢中国科学院地质与地球物理研究所薛国强研究员对论文理论研究给予了殷切指导，本文评审专家和编辑同志对论文修改提出了非常宝贵的意见，作者一并致谢！，（），（）：，：，（），（）：，（），（）：期杨海燕等：水平层状介质孔中张量瞬变电磁响应的解析分析 ，：，：，：，（）：（），（）：，（），（）：，（），（）：，：（）：，（），（）：，：，（），（）：，：，（），（）：，：，（）：，（）：（）：，（），（）：，：（），（）：，（）：，（），（）：，：，：，：，（）：，（），（）：，：，（）（），（）：，（）：，（）：，（），（）：，：，：，（）：，（），（）：，（）：，（）：附中文参考文献陈丁，程久龙，王阿明 矿井全空间孔中瞬变电磁响应积分方程法数值模拟研究地球物理学报，（）：，：地 球 物 理 学 报（）卷 陈桂波，汪宏年，姚敬金等 水平层状各向异性介质中电磁场并矢 函数的一种高效算法物理学报，（）：陈卫营，韩思旭，薛国强 电性源地井瞬变电磁法全分量响应特性与探测能力分析地球物理学报，（）：，：底青云，薛国强，殷长春等 中国人工源电磁探测新方法中国科学：地球科学，（）：范涛 基于钻孔瞬变电磁的煤层气压裂效果检测方法煤炭学报，（）：范涛，张幼振，赵睿等 基于钻孔 智能立体成像的快速掘进超前探测方法煤炭学报，（）：康庄庄，汪宏年，王浩森等 用传播矩阵法研究层状交错地层中的多分量感应测井地球物理学报，（）：，：李磊 平面分层介质中的电磁场并矢格林函数及其数值运算 硕士论文成都：长春理工大学李貅，胡伟明，薛国强 多辐射源地空瞬变电磁响应三维数值模拟研究地球物理学报，（）：，：林君，薛国强，李貅 半航空电磁探测方法技术创新思考地球物理学报，（）：，：马振军，底青云，薛国强等 地空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用地球物理学报，（）：，：倪尧 三分量感应测井响应分析及反演研究 硕士论文成都：电子科技大学孙怀凤，程铭，宿传玺等 隧（巷）道掘进工作面钻孔瞬变电磁超前探测方法物理模拟试验研究煤炭学报，（）：王华军 正余弦变换的数值滤波算法工程地球物理学报，（）：薛国强，陈卫营，周楠楠等 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