地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (6): 2670-2676   PDF    
地面瞬变电磁探测系统对比试验
王杰, 张晓培, 牛建军, 杜立志     
吉林大学建设工程学院, 长春 130026
摘要:为了检验自主研发的地面瞬变电磁探测系统(GPTEM)的稳定性和实际野外工作性能,在吉林省公主岭市附近开展了地面瞬变电磁探测系统与国外商业仪器系统各组成部分的全面对比试验.试验中,进行了两套仪器使用各自的常规装置展开单点传感器噪声对比、实测数据对比和整套仪器系统的稳定性和一致性对比.并在同一感应电动势-衰减时间(V-T)的坐标下考察两者的关断时间、感应电动势的幅值、曲线的光滑程度和衰减速率以及尾期信号的抗干扰度等硬性指标来衡量仪器的性能.试验分别进行了以下对比方案:(1)GPTEM和GDP-32Ⅱ传感器静态噪声对比;(2)GPTEM和GDP-32Ⅱ传感器实测数据对比;(3)GPTEM和GDP-32Ⅱ整套发射-接收系统性能对比.最后对GPTEM和GDP-32Ⅱ系统采集数据进行反演,并通过和测井资料对比,验证了采集结果的正确性.试验分析表明,自主研发的地面瞬变电磁探测系统具有稳定性较好、抗干扰能力强、对异常体具有较强的分辨能力等优点,已经达到和在某些方面已经优于国外同类产品的性能,能够很好胜任野外实际勘察工作.
关键词瞬变电磁法    GPTEM系统    传感器    对比试验    
Ground transient electromagnetic system contrast test
WANG Jie , ZHANG Xiao-pei , NIU Jian-jun , DU Li-zhi     
College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China
Abstract: In order to test the performance of each component of independently developed ground transient electromagnetic system (GPTEM) at field work, a series of comprehensive tests were conducted between the GPTEM system and foreign commercial equipment in Gongzhuling city, Jilin province. Several contrast tests had been carried out as follows:(1) comparison of the noise performance of the GPTEM and GDP-32Ⅱ system; (2) comparison of measured data of the sensors of GPTEM and GDP-32Ⅱ system; (3) comparison of the complete set of transmitting-receiving system of the GPTEM and GDP-32Ⅱ. Finally, the data collected by GPTEM and GDP-32Ⅱ system were inversed, and further compared with hole logging to verify the correctness of the collected results. The experimental analysis shows that the ground transient electromagnetic system has achieved and in some respects has been superior to the performance of similar products abroad, and can be well qualified for field exploration work.
Key words: transient electromagnetic method     GPTEM system     sensor     contrast test    
0 引言

瞬变电磁法(TEM)利用阶跃波或脉冲电流场源作为激励,直接观测二次场,受地形影响小,野外工作效率高.近年来,瞬变电磁的智能化仪器发展迅猛,数据采集自动化程度越来越高,数据处理和反演解释方法由一维向高维发展,探测技术向小回线、大电流勘探大深度方向发展,应用领域由中深部探矿向浅层、超浅层的工程、环境及坑道超前预报方向发展,但所用仪器基本上是国外地球物理公司生产.从20世纪70年代开始,国内便开始了瞬变电磁仪器的相关研制,例如地矿部物化探研究所研制的WDC瞬变电磁系统;西安物化探研究所研制的LC-1系统;重庆奔腾数控技术研究所研制的WTEM-2Q和WTEM-2瞬变电磁系统;吉林大学研制的ATEM-Ⅱ瞬变电磁系统;以及其他多家单位分别研制出适用于不同应用领域的瞬变电磁系统.近年来,瞬变电磁法理论与方法及计算机科学的进步,为自主研发更适宜于具体地质条件的瞬变电磁设备提供了有利条件(于生宝等,2006牛之琏,2007黄大年等,2012董树文等,2012李文尧等,2012张飞,2012底青云等,2013刘光鼎,2013),多家科研机构及高校均取得了相应的成果(田永炜等,2008何继善,2010邵英秋等,2010薛国强等,2015武欣等,2016).GPTEM是自主研发的地面瞬变电磁探测系统,2015年以来,分别在吉林省长春市和松原市进行了多次仪器测试试验,并做了一系列优化改进.2016年,在吉林省公主岭市八屋油田附近进行了地面瞬变电磁探测系统与美国Zonge公司的GDP-32Ⅱ系统各组成部分的全面对比试验,取得了很好的效果.

1 GPTEM系统介绍

GPTEM系统主要包括发射机、接收机、传感器(图 1).如图 1a所示为发射机EMT1000,其可提供20 kW的大功率输出,或配5~15 kW小发电机成为中、小功率较轻便场源发射机;发射机重量仅4.5 kg,功耗低,适合在野外恶劣环境下的测试工作;内置GPS授时同步、无线电同步以及线控同步(表 1,其中对比试验所采用的GDP-32Ⅱ发射机型号为NT-20,接收机型号为NT-32,传感器型号为TEM-3).图 1b为接收机EM3W,接收机内置3个24位高精度采集通道,通道具有极宽的频带和高动态范围,仪器高输入阻抗,可随意定义为电道或磁道;内置高灵敏度、高精度授时GPS和无线通讯及大容量Micro SD卡存储数据;采用掌上型设计,单站含电池重量仅为0.25 kg,其体积仅手机大小,IP67级防雨、防尘(表 2).图 1c为传感器TEMC104(表 3).

图 1 GPTEM系统 (a)EMT1000发射机;(b)EM3W接收机;(c)TEMC104传感器. Figure 1 GPTEM system (a) EMT1000 transmitter; (b) EM3W receiver; (c) TEMC104 sensor.

表 1 EMT1000与NT-20发射机参数对比 Table 1 Comparison of the EMT1000 and NT-20 transmitter parameters

表 2 EM3W与NT-32接收机参数对比 Table 2 Comparison of the EM3W and NT-32 receiver parameters

表 3 TEMC104与TEM-3传感器参数对比 Table 3 Comparison of the TEMC104 and TEM-3 sensor parameters
2 试验区位置及地质特征 2.1 试验地点

试验场地位于吉林省公主岭市(124°02′E,43°11′N)境内,地势平坦,平均海拔在155 m.冬季漫长寒冷,无霜期短.雨季多集中在7~8月份,年平均降水量550~730 mm.该场地属于东北石油地质局八屋油田区块,电磁干扰较小且有丰富的地质资料和测井资料,便于对试验结果进行考核.

2.2 地质特征

测区经历了断陷、坳陷两套地层单元(朱文方等,2009).断陷期地层包括上侏罗统火石岭组(J3h)及其上覆地层下白垩统沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)和登娄库组(K1d);坳陷期地层包括泉头组(K2q)及由于受后期改造作用影响而残留下来的部分青山口组(K2q).测区泉一段(K2q1)又进一步细分为6段(农Ⅵ-农Ⅺ),登娄库组(K1d)进一步细分为5段(小Ⅰ-小Ⅴ),其中的农Ⅴ-农Ⅺ段与小Ⅰ段是本次的研究对象,秦家屯油气田秦中地区主要含油气层段为农安、小城子油气层.泉一段与登娄库组地层特征如下:

泉一段(K2q1):视厚度290~340 m.该段整体为砂泥岩互层.上、下部以泥岩为主,次为粉砂岩,中部为砂岩集中段.上部以棕色、棕红色泥岩为主,与浅灰、灰白色粉砂岩及中砂岩略等厚-不等厚互层;中部为棕色泥岩与浅灰色、灰色、灰白色细粒长石砂岩、中砂岩及少量粉砂岩等厚-略等厚互层;下部为棕色、棕红色、棕褐色泥岩与灰色、浅灰色、灰白色粉砂岩及细砂岩、中砂岩互层.从砂泥岩剖面的沉积特点反映出具有较强氧化性的特点,沉积时水动力条件自早而晚的变化趋势是弱-强-弱,水体深度具有由深-浅-深的变化趋势.农Ⅵ-农Ⅺ段地层分布稳定,表现为一套以泥岩为主、砂岩不甚发育的砂泥岩组合.泥岩的电性特征明显,表现为视电阻率低平、起伏小,自然伽玛呈现明显的高值,尤其是作为标志层的几个泥岩段,这一特征更为明显.泉一段(K2q1)与下伏地层白垩系下统登娄库组(K1d)呈不整合接触.

登娄库组(K1d):视厚度50~900 m.整体上为砂泥岩互层,其中砂岩以粗砂岩、砂砾岩为主,粒度粗,中部为泥岩集中段.上部为浅灰色、灰白色中粒长石砂岩、粗砂岩、杂色砂砾岩及砾岩与棕色、棕褐色、褐色泥岩呈等厚-略等厚互层,局部夹浅灰色、灰色粉砂岩;中部为棕褐色、褐色泥岩为主与浅灰色、灰白色粉砂岩、细粒长石砂岩互层,间夹杂色砂砾岩与棕褐色、灰色、深灰色泥岩等厚-略等厚频繁互层,局部间夹浅灰色粉砂岩.上部视电阻率曲线呈锯齿状-尖峰状中-高值,其值一般为30~100 Ω·m,偶见个别高阻砂体,大于150 Ω·m;中部为起伏较小的波状-细锯齿状低-中阻,局部夹有锯齿状高阻;下部为尖峰状(局部呈指状)高阻与波状-细锯齿状低-中阻呈频繁互层产出.自然电位曲线对应砂岩处为中等幅度(局部低幅度)负异常,对应于砾岩与砂砾岩处多为高负异常.与上覆地层电性明显不同,底部高阻尖峰与下伏层分界.登娄库组(K1d)与下伏地层白垩系下统营城组(K1yc)呈不整合接触.

3 试验安排及结果分析 3.1 传感器性能对比 3.1.1 传感器静态噪声对比

试验是在无发射电流的情况下,在野外用GDP-32Ⅱ采集系统分别连接TEMC104和TEM-3传感器采集环境电磁噪声(图 2),从而对传感器的静态噪声进行对比分析.两个传感器等效面积相同,采集的原始数据不做叠加经处理后如图 3所示.通过对采集数据在时间、频率域上的分析,TEMC104和TEM-3传感器观测的曲线形态一致,曲线重合性较好,说明二者的静态噪声一致.

图 2 TEMC104和TEM-3传感器 Figure 2 TEMC104 and TEM-3 sensor

图 3 TEMC104和TEM-3传感器分别连接GDP-32Ⅱ系统白噪声水平曲线 (a)时间域感生电动势衰减曲线;(b)频率域感生电动势衰减曲线. Figure 3 Noise levels of the GDP-32Ⅱ connected separately with the TEMC104 and TEM-3 sensor (a) Noise levels in the time domain; (b) Noise levels in the frequency domain.
3.1.2 传感器实测数据对比

试验是在野外采用中心回线装置形式,发射线圈为300 m×300 m方形,NT-20发射机发射,发射电流4 A,发射频率分别为32 Hz和1 Hz,GDP-32Ⅱ系统分别连接TEMC104和TEM-3传感器采集,叠加次数512次,得到图 4传感器实测二次场电压衰减曲线.

图 4 GDP-32Ⅱ系统分别连接TEMC104和TEM-3传感器实测二次场电压衰减曲线 (a)发射频率为32 Hz时二次场电压衰减曲线;(b)发射频率为1 Hz时二次场电压衰减曲线. Figure 4 Decay curves of the GDP-32Ⅱ connected separately with the TEMC104 and TEM-3 sensor (a) Decay curves at 32 Hz; (b) Decay curves at 1 Hz.

为了评价两种传感器采集数据的差异程度,本文定义相对标准误差RSD公式为

(1)

其中,标准误差xi为每一时间点GDP-32Ⅱ系统连接TEMC104传感器采集的二次场电压值,x为每一时间点GDP-32Ⅱ系统分别连接TEMC104和TEM-3传感器采集的二次场电压值的算术平均数,i为采集时间点序号,n为采集的时间总序号.由于二次场电压衰减很快,早期、中期和晚期电压值可能差两到四个数量级,整体比较两种传感器采集的数据意义不大.因此本文在同一时间点上,逐点比较两种传感器采集数据的差异程度(表 4).

表 4 TEMC104和TEM-3传感器实测数据差异性分析表 Table 4 Difference analysis of the TEMC104 and TEM-3 sensor

图 4a4b可见,TEMC104和TEM-3传感器采集的数据,两者二次场电压衰减曲线完全重合,形态一致性较好,曲线幅值相同.由于背景噪声较大,发射电流小,晚期信噪比较小,二次场电压值在0.02 s以后会出现跳跃.由表 4可见,对于二次场电压值在低于0.02 s的时间,同一时间点上,两种传感器采集数据差异最小RSD为0.016%,最大RSD为2.851%.说明TEMC104和TEM-3传感器在野外实际勘探性能基本相同.

3.2 发射-接收系统性能对比 3.2.1 发射-接收系统稳定性对比

前面已经验证了TEMC104和TEM-3传感器性能,此处同样采用中心回线装置形式,在野外将TEM-3传感器分别连接GPTEM和GDP-32Ⅱ系统,两发射机发射电流相同,EMT1000发射频率为25 Hz、6.25 Hz,NT-20发射频率为32 Hz、1 Hz.将25 Hz和32 Hz,6.25 Hz和1 Hz相近频率作对比,由于GPTEM和GDP-32Ⅱ系统发射频率不同,因此,采集时间也不完全相同,本文仅对两系统相同时间段内采集的数据作比较,如图 5.由图可见,总体上曲线重合,幅值相同,形态较一致.GDP-32Ⅱ系统关断时间要比GPTEM系统略早;GPTEM系统发射频率25 Hz与GDP-32Ⅱ系统发射频率32 Hz比较而言,可获取更多深层地质信息;两种系统在低频供电采集数据时,由于晚期信号信噪比变低,二次场电压值都出现跳跃,但GPTEM系统相对稳定.

图 5 GPTEM和GDP-32Ⅱ系统接TEM-3传感器实测曲线 (a)GPTEM系统25 Hz和GDP-32Ⅱ系统32 Hz二次场电压衰减曲线对比;(b)GPTEM系统6.25 Hz和GDP-32Ⅱ系统1 Hz二次场电压衰减曲线对比. Figure 5 Decay curves of the GPTEM and GDP-32Ⅱ connected with the TEM-3 sensor (a) Decay curves of the GPTEM at 25 Hz and GDP-32Ⅱ at 32 Hz; (b) Decay curves of the GPTEM at 6.25 Hz and GDP-32Ⅱ at 1 Hz.
3.2.2 发射-接收系统一致性对比

为了验证GPTEM整套系统和GDP-32Ⅱ系统采集数据的一致性,在野外同样采用中心回线装置形式,TEMC104传感器连接GPTEM系统,TEM-3传感器连接GDP-32Ⅱ系统,两发射机发射电流相同,EMT1000发射频率为25 Hz、6.25 Hz,NT-20发射频率为32 Hz、1 Hz.将25Hz和32 Hz,6.25 Hz和1 Hz相近频率作对比如图 6.由图可见,GPTEM整套系统采集数据和GDP-32Ⅱ系统一致,曲线重合;在发射线圈为300×300 m方形的情况下,高频供电时,两系统关断时间基本相同,低频供电时,GDP-32Ⅱ系统关断时间略早;但低频时GPTEM整套系统采集的数据更优于GDP-32Ⅱ系统,更有利于获取深层地质信息.

图 6 GPTEM和GDP-32Ⅱ系统独立实测二次场电压衰减曲线 (a)GPTEM系统25 Hz和GDP-32Ⅱ系统32 Hz二次场电压衰减曲线对比;(b)GPTEM系统6.25 Hz和GDP-32Ⅱ系统1 Hz二次场电压衰减曲线对比. Figure 6 Decay curves of the individual test of the GPTEM and GDP-32Ⅱ system (a) Decay curves of the GPTEM at 25 Hz and GDP-32Ⅱ at 32 Hz; (b) Decay curves of the GPTEM at 6.25 Hz and GDP-32Ⅱ at 1 Hz.
3.3 GPTEM系统采集数据反演结果

本文选取一条勘探线1-1′(图 7)进行GPTEM系统数据采集,测线长1.8 km, 发射线框为300×300 m方形,发射电流4 A,采用中心回线装置形式,接收点距为100 m,传感器为TEMC104,共完成有效测点19个.利用IX1D反演软件进行反演计算,其反演结果如图 8所示.可以看出测线电阻率呈现高-低-高的地电特征,其中20~50 m为地表高阻浮土层;50~460 m范围内电阻率值为10~20 Ω·m,对应第四系含水覆盖层;在240 m左右有一电阻率小于5 Ω·m的地层.图 9所示为GDP-32Ⅱ系统在1-1′勘探线前800 m所采集数据的反演结果.图 10所示为测区QK1测井电阻率曲线部分资料,其中测井在1-1′测线上的投影位于测线680 m左右处,从测井资料可以看出,200~400 m深度电阻率在15 Ω·m左右,对应于图 8图 9反演电阻率断面200~400 m处电阻率值为10~20 Ω·m;在100 m左右有一电阻率为10 Ω·m左右的地层,对应于图 8图 9反演剖面90~120 m处10 Ω·m左右低阻地层.由于1-1′测线距离QK1测井1 km左右,采集处理后的数据和测井资料相比可能会有一定程度偏差,但测试总体结果与测井资料相吻合.

图 7 测线1-1′平面展布 Figure 7 Floor plan of the line 1-1′

图 8 测线1-1′GPTEM系统电阻率断面图 Figure 8 Inversion profile of GPTEM resistivity of line 1-1′

图 9 测线1-1′GDP-32Ⅱ系统电阻率断面图 Figure 9 Inversion profile of GDP-32Ⅱ resistivity of line 1-1′

图 10 测区QK1测井电阻率曲线 Figure 10 QK1 hole logging resistivity curve
4 结论

此次试验验证了自主研发的GPTEM系统的整体性能和野外实际工作能力,取得了很好的效果,得出以下结论:

(1) TEMC104传感器的技术性能指标已经达到TEM-3技术水平.

(2) 通过对公主岭市野外实测剖面的处理以及与测井资料的对比分析,证明GPTEM系统在TEM功能方面的性能已达到国际主流TEM系统水平.

(3) 由于本次试验针对中深层TEM进行了比实验,取得了较好的效果.另一方面,由于GPTEM系统设备轻便、采集效率高,将在浅层甚至超浅层有较大的应用前景.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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