井中渐进阵列式电法超前探测系统研究.pdf
第 1 2卷 第 5期 2 0 1 5年 9月 工程 球物理荸 赧 CHI NES E J OURNAL 0F E NGI NE ERI NG GEOP HYS I CS V0 1 .1 2。 No. 5 Se p.,2 01 5 文章 编号 1 6 7 2 7 9 4 0 2 0 1 5 0 5 一 O 6 6 5 0 9 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 6 7 2 7 9 4 0 . 2 0 1 5 . 0 5 . 0 1 7 井 中渐进 阵列式 电法超前探测 系统研究 田忠涵 ,朱德兵 ,杨益成 中南大学 地球科学 与信息物理学 院 , 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 摘 要 利用勘探钻孔几何空间超前探测钻孔底部低阻或高极化隐伏目标体, 可以为深部继续施钻决策提 供依据 。基于全空间下无穷大板状 目标 体的解析解 , 对 比多种 电极 排列模式 下 的异 常响应 , 结 合水槽物 理模 拟实验 , 结果表 明 , 前 向模式下 电位 和电位差 阵列观测系统能够更充分地利用钻孔几何 空间条件 , 供电 电极和 测量电极更接近钻孔底部 隐伏 目标 , 可 以获得更 明显 的相对异 常。综合 考虑渐进阵列观测信号的纵向和横 向 幅度以及变化趋势 , 该套 技术 对钻孔底部隐伏 目标体具有 一定的超前 预报能力 , 在深 部资源勘探 领域有实用 价值 。 关键 词 传导类电法; 井中电法; 超前探测 ; 渐进阵列式 中 图分类 号 P 6 3 1 . 3 文献 标识 码 A 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 0 4 Re s e a r c h o f t h e El e c t r i c a l Ad v a n c e d De t e c t i o n S y s t e m wi t h Gr a d u a l i s m Ar r a y Ty pe El e c t r o d e s i n Dr i l l i ng Ti a n Zh o ng ha n,Zh u De bi n g,Ya n g Yi c h e ng S c h o o l o f Ge o s c i e n c e s a n d I n f o Ph y s i c s ,Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y,Ch a n g s h a Hu n a n 4 1 0 0 8 3,Ch i n a Ab s t r a c t M a ki ng f u l l us e o f e x p l o r a t i on d r i l l i ng ge o m e t r y s pa c e f or a dv a n c e d d e t e c t i on of t h e l o w r e s i s t a n c e o r h i g h p o l a r i z a t i o n o f c o n c e a l e d t a r g e t s a t t h e d r i l l i n g b o t t o m,t h e b a s i s f or c o nt i n ua l dr i l l i n g c a n b e pr o v i de d.Ba s e d o n t he a na l y t i c a l s ol ut i o ns o f i nf i ni t e pl a t e t a r g e t bo d y und e r t he who l e s p a c e ,c o m p a r i ng t he a b no r m a l r e s p on s e o f v a r i o us e l e c t r o de s a r r a ng e me n t mo de,a n d c ombi n i ng t he r e s ul t s o f wa t e r t a nk p hy s i c a l mo de l i ng e xp e r i me n t,i t s h o ws t h a t t h e f o r wa r d p o t e n t i a l a n d p o t e n t i a l d i f f e r e n c e o b s e r v a t i o n s y s t e m t a k e f u l l a d v a n t a g e o f d r i l l i n g g e o me t r y s p a c e c o n d i t i o n s .An d c u r r e n t e l e c t r o d e a n d me a s u r e me n t e l e c t r o de a r e c l os e r t o c on c e a l e d t a r g e t a t t he b o t t o m of dr i l l i n g,wh i c h c a n a l s o o bt a i n s t r o ng a b no r m a l r e s p o ns e a mpl i t u de . Con s i d e r i n g t h e l o ng i t ud i n a l a nd t r a ns v e r s e a mpl i t ud e a n d a l l c h a n g i n g t r e n d o f g r a d u a l a r r a y o b s e r v a t i o n s i g n a l ,t h e t e c h n o l o g y f o r d r i l l i n g c o n c e a l e d t ar g e t s a t t h e bo t t o m of t h e bo dy ha s t h e v e r y g oo d ad v a nc e d pr e d i c t i o n a bi l i t y,whi c h a l s o h a s g r e a t v a l u e i n t h e f i e l d o f d e e p mi n e r a l e x p l o r a t i o n . Ke y wo r ds c o nd uc t i o n e l e c t r i c a l p r os pe c t i n g bo r e ho l e e l e c t r i c a l p r os pe c t i ng;a d v a n c e d de t e c t i on;g r a du a l i s m a r r a y m e t ho d 第一作者 田忠涵 1 9 8 8一 , 男, 硕士研究生 , 主要研究方 向为深部金属矿勘探 。E--ma i l 7 5 2 1 6 6 3 0 9 q q c o rn 通讯作者 朱德兵 1 9 6 8一 , 男, 副教授 , 主要从事地球物理勘探理论 、 方法技术与仪器装备研究 。E --ma i l z h u d b i n g ma i l c u s e d “ c n 6 6 8 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 1 2 卷 测量电极与板状体距离/ m 测量电极与板状体距离/ m a 电位 b 电位相对异常 图3 渐进阵列式探测系统电位模拟结果 Fig . 3 Po t e n t i a l a n a l y s i s r e s u l t s o f g r a d u a l i s m a r r a y e l e c t r i c a l p r o s p e c t i n g p r e d i c t i o n s y s t e m 异常形态有 明显的差异 。前 向测量模式下 , 在测 量电极靠近供 电电极 的位置时 出现异常小值 , 随 着测量电极与供电电极 之间距离加大, 相对异 常 迅速 增 大 , 形 成 异 常峰 值 ; 背 向模 式 下 , 当测量 电 极离供电电极 由近到远 , 异常幅值依次减小 。基 于本次计算模型参数 , 在距 离板状体 2 1 m 以内 的范围, 背向测量模式的相对异 常比前 向测量模 式的大 , 且越靠近板状体 , 背 向模式优势越明显 ; 在测量 电极距离供 电电极大于 2 1 m 时, 前 向测 量模 式具 有优 势 , 且 距离 越大 优势越 明显 。 2 . 1 . 2 电位 差测 量 设 置 R 一 4 m, 计 算 前 向模 式 和 背 向模 式 的 电位差 及其 相对 异常 , 模拟 结果 见 图 4 。 对 比图 3 a 和 图 4 a 可知 , 对 电位 和 电位差 , 两 者在 曲线形 态上一致 , 但 在幅值上有 差 异 。对 比 图 3 b 和图 4 b 可知 , 电位差对异常响应更加敏 测量 电极与板状体距 离/ m a 电位差 感, 在前向模式和背 向模式下 , 当测量 电极与板体 距离相同时, 电位差的相对异常幅值均 比电位 的 大。 并且图3 b 和图4 b 的前向和背向模式的差异 分界点分 别在测量 电极 离板状体 2 1 m 和 3 4 m 处 , 背 向测量模 式在 电位差测 量时 的优 势范 围增大 。 综上 所述 , 背 向测 量 模 式 得 到 的 最 大相 对 异 常是 距离供 电 电极 最 远 的位 置 所 得 , 在 实 际生 产 中电流随深度衰减很快 , 最大电极距得到的电位/ 电位 差非 常小 , 容易 受 到噪声 影 响 ; 同时 供 电电极 靠近 地表 , 可 能受到 地 面浅部 电性不 均匀 体影 响 , 使测量数据失真。相 比而言 , 前 向测量模式 中供 电电极深入地下, 异常幅值极值点靠近供 电电极 位置 , 信噪比较高 , 更容易获得真实异常响应 。因 此 , 前 向测量模式可以使供 电电极更加靠 近 目标 体 , 同样电流大小可以获得更真实有效的信号 , 可 为后续 的勘探工作 提供更加 可靠 的数据 。 前 述 牡 ‘ 测量电极与板状体距离, m b 电位差相对异 常 图4 渐进阵列式探测系统电位差模拟结果 F 4 P o t e n t i a l d i f f e r e n c e a n a l y s i s r e s u l t s o f g r a d u a l i s m a r r a y e l e c t r i c a l p r o s p e c t i n g p r e d i c t i o n s y s t e m 第 5期 田忠涵 , 等 井中渐进阵列式 电法超前探测系统研究 6 6 9 地一 井 五位探 测 方式 可 以认 为是 一 种在 地 面供 电、 地下 测量 的背 向模 式 的极 端情 况 。由此 推 断 , 地一 井五位探测方式所测量得 到的测量幅值更 小 , 数 据信 噪 比更低 , 这 在 另 一 个 方 面说 明 了渐 进 阵 列 式探 测 系统 的优势 所在 。 2 . 2前 向渐进 阵列 式探 测 系统异 常特 征 为研究板状体 的异常响应特征, 选取钻孔垂 直板状体特例 , 设置供 电电极与板状体 的距离 d 分 别 为 1 0 m、 2 0 m、 3 0 I T I 、 4 0 1T I 、 5 0 I n 、 6 0 m 完成 模拟计算 , 数值模拟结果见图 5 。 由 图 5 a 和 图 5 b 可知 , 电位 和 电位差 的相 对异常曲线总体规律特征一致 , 越靠近 目标体 , 同 一 测量 电极所得相对异常幅值越大 。对于同一钻 孔深度 , 异常幅值先随测量电极远离 目标体增大 , 达到极值平台后减小 , 当测量 电极离 目标体 足够 远时异常幅值趋近于 0 。电位和电位差的相对异 常在幅值上有所差别 。近 目标体测量时电位差相 对 异常 较小 , 随着 测量 电极 远离 目标 体 , 相对 异常 迅速增大 , 在一定位置达到最大值 , 并在之后的较 测量 电极与板状体距离/ m a 电位相对异常 大范围内仍能探测到比电位相对异常强的异常信 号 。由 图 5 c 和图 5 d 可 知 , 电位 和 电位 差 的视 电阻率 曲线 的总体规律也一致, 均在近 目标体时 出现视 电阻率极 小 值 , 当测 量 电极 和供 电 电极 之 间距离 较 近时 , 测量 电极 所 得 视 电 阻率 接 近 供 电 电极 附近 围岩 电阻率 ; 当两 者距 离较 远 时 , 测量 电 极 受异 常体 影 响减 弱 , 趋 近 测 量 电极 附近 围岩 电 阻率 , 形成低 阻 中心 , 并且供 电电极距 目标 体越 远 , 受低阻 目标体影响越小 , 同一测量 电极视电阻 率越大 。 可见 , 利用前向测量模式 , 测量系统越靠近地 下 目标体 , 电位差 比电位测量越有优势, 同一测量 电极获得的异常幅值越大 ; 同一钻孔深度 , 测量电 极与供 电电极 间距离越大 , 电位差优势越 明显 。 在实 际工 作 中 , 选 定 测 量 方式 及 参 数 主 要 由 实 际 的工作环境决定 , 如果地表噪声影响过大, 可以采 用电位差数据 。结合工程实 际, 加 大 MN 极距 , 可在一定程度上减 弱井旁 围岩干扰, 对深部异常 的反 映能 力加 强 。 g ● a 槲 爱 囊 j lllj 测量 电极与板状体距离/ m b 电位差相对异常 测量电极与板状体距离/ m 测量电极与板状体距离/ m c 电位视 电阻率 d 电位差视 电阻率 图5 前向渐进阵列式探测系统解析模拟 Fi g . 5 Th e a n a l y t i c a l s i mu l a t i o n o f t h e f o r wa r d g r a d u a l i s m a r r a y e l e c t r i c a l p r o s p e c t i n g p r e d i c t i o n s y s t e m 6 7 0 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 1 2卷 3 水槽 物理模拟 利 用 S Q一 3 C型 双 频 道 激 电仪 完 成 渐 进 阵列 式探测 系统的水槽 物理模拟 实验 。试 验在长 5 m、 宽 4 m、 深 2 m 的大水槽 中完 成 , 模 拟板 状 目标体 为厚 1 . 5 mm、 长 1 m、 宽 6 O c m 的铝板 。铝板水 平放 置 于水 中 , 深度 为 9 5 c m, 供 电 电极 和 测 量 电 极 组 在垂 直于 铝板 中心 的轴 向上移 动 , 供 电 电极 与铝 板距 离 d分 别 为 5 c m、 1 0 c m、 2 0 c m、 3 0 c m、 4 0 C lT I ; 测量 电极 系共 1 6个 电极 , 试 验采 用二 极装 置 测量 电位 和 三极装 置测 量 电位差 。 每个测 量 电 极 与 供 电 电极 距 离 为 5 e m、 8 c m 、 l l c m 、 1 5 c m 、 1 9 e m 、 23 c m 、 27 c m 、 3 1 c I n、 35 c r n 3 9 e m 43 c m 、 4 7 C i T I 、 5 I c m 5 5 c m 5 9 c m 1 6 3 e m; 电位 差 测 量 的 电极 距 MN一 6 c m、 7 t i n 、 测量电极与铝板体距离/ c m a 电位归一化 c m 8 e m 8 c m 8 c m 、 8 c m 、 8 e m 8 c m 8 e m 、 8 c m、 8 e m、 8 c m、 8 e m, 共 有 1 4个 记 录点 。二极 装置 和 三极装 置 的水槽 物理模 拟结 果如 图 6和 图 7所示 。 由图 6和 图 7可知 水 槽 模拟 所 得 的 相对 异 常 曲线 和图 5中理论 曲线 形 态 相似 , 出现 了异 常 极大值平台 , 并且在达到异常极大值后 , 随着测量 系统远离铝板 , 异常幅值迅速减小 。当 d为 5 c m 时 , 二 极 装 置 测 量 所 得 电位 相 对 异 常 极 大 值 为 3 1 , 仅 为 三 极 装 置 电 位 差 相 对 异 常 极 大 值 5 2 的 6 0 % , 体 现 了在 近 目标 体 时 电位 差测 量 的优势 所 在 ; 随 着 d的增 大 , 三 极 装 置 由 于 受 到 两个测 量 电极 之 间 的环 境 影 响 较 大 , 测量 到 的 幅 值衰 减更 为迅 速 , 在 d为 4 0 e m 时 , 相对 异常 趋近 于 0 , 而 二极 装置依 然 可 以得 到最 大达 3 的异常 值 。 测量电极与铝板体距离/ c m b 电位相对 异常 图6 二极装置水槽物理模拟实测曲线 F i g . 6 Me a s u r e d c u r v e s o f wa t e r t a n k p h y s i c a l s i mu l a t i o n wi t h t wo p o l e d e v i c e 粘 做 契 测量 电极与铝板的距离/ c m 测量电极与铝板的距离/ c m a 电位差归一化 b 电位差相对异 常 图7 三极装置水槽物理模拟实测曲线 F i g . 7 Me a s u r e d c u r v e s o f wa t e r t a n k p h y s i c a l s i mu l a t i o n wi t h t h r e e p o l e d e v i c e 第 5期 田忠涵 , 等 井中渐进阵列式 电法超前探测系统研究 6 7 1 将 图 6 a 、 图 7 a 中的 电位 电位差 利 用 公 式 7 计算视电阻率 , 有 一 . K . U T ‘ ‘ 7 其 中 , R 、 Rs N 为供 电电源 S与 测量 电极 M 、 N 间的距 离 m ; R ,M、 R , 为 虚 电 流 源 S 与 测 量 电极 M 、 N 间的距离 m 。 当计算 电位 视 电阻率 时 , l 0 一 , U UM , K 一 页 ; 当计 算 电位 差视 电阻率 时 , P s l0 , u一△ u M Ⅳ ,K一1 / 1 / R 1 / R s ,M一1 / R 刚一1 / R , 。电位和电位差的视 电阻率 曲线如图 8所示。 测量电极与供电电极的距离/ c m 测量电极与供电电极的距离/ c m a 电位视 电阻率 b 电位差视 电阻率 图8 水槽物理模拟视电阻率曲线 F i g . 8 Ap p a r e n t r e s i s t i v i t y c u r v e s o f wa t e r t a n k p h y s i c a l s i mu l a t i o n 将实测电位 电位差 转化为视 电阻率后 , 曲 线变化趋势反应了地下低阻异常的赋存状况。由 图 8可知 , 测量 系 统越靠 近异 常体 , 电位转化 的视 电阻率越低。电位差转化的视电阻率在近 目标体 时同样体现出其优 势所在 , 可以明确判断前方低 阻 目标体的存在。对比水槽实验所得视电阻率曲 线和解析计算所得 , 单条曲线 的变化趋势两者基 本一 致 。 由于受 到 水槽 大小 限制 , 试 验 空 间 并 非 真正的均匀半空间等, 这些外界 因素造成阵列变 化趋 势不 一致 。 物理模拟实验表 明 电位差测量模式对 两个 测量 电极 周 围环境 更 加 敏 感 , 近 目标 体 时 体 现 出 明显 的优 势 , 异 常 幅值大 , 但 对深部 或 远距 离 目标 体 的探 测 能力 不 足 , 同时 电位 差 容 易 受 到 电 极 附 近噪声 的影响; 电位是整个测量区域的综合反映, 抗干扰能力较强, 在钻孔距离 目标体较远时依然 能探测 到 有效 信号 。 4 前 向渐进 阵列 式探测 数据 解 释探析 渐进 阵列式探测系统是将供 电电极与测量 电 极 组成 完整 测量 电极 系 统 , 并 保 持 电极 系统 中 电 极间相对位置不变。渐进阵列式探测系统的供电 电极 A位于井中, 无穷远极 B位于远离钻孔 的地 表 , 采用 类 似三 极 或 二 极 装 置实 施 超 前 探测 。随 着 钻孔 的掘 进 , 在 不 同的钻 孔深 度进行 测量 , 通 过 多 组 阵列 测 量数 据 的互 相 印证 , 对 比分 析 判 断 前 方 目标体 的有无 以及 钻孔 的迫 近程度 。类 比地 面 相 似装 置 , 渐 近 阵列 式 探 测 系 统 的探 测 深 度 具 有 较 大优 势 , 可 以最 大 限度利 用钻 孔 的几 何 空间 , 为 判断深部 目标体的赋存状况提供可靠依据 。 解 析计 算前 向渐 进阵列 式探 测 系统 的测量 过 程 , 绘制 电位 电位差 相对异常如图 9所示 。随 着 钻孔 逐渐 迫近 目标 体 , 对 同一 供 电深 度 、 所有 测 量 电极 之 间进行 的是 纵 向对 比 ; 对多个 深 度 、 同一 测 量 电极进 行 的是 横 向对 比 。通 过 纵 向、 横 向的 综 合对 比分 析 , 可定 性 判 断 出钻孔 前 方 是 否 存 在 目标体 。 4 . 1 纵 向对 比 对 于某 一钻 孔 深 度测 量 所 得 的 单 支 曲线 , 如 图 5 ~ 图 7所示 。单支 曲线 的纵 向变 化 趋势 反 映 了异 常体 的赋存 情 况 , 相 对 异 常 出 现 自近供 电 电 极 处测 得异 常 幅值 较 小 , 并 随着 测 量 电极 远 离 供 电 电极 , 先 逐渐 增强 , 达 到极 大值 平 台后 衰 减 至 0 的 变 化趋 势 , 说 明前 方 存 在 异 常 体 。 同时 幅 值 的 第 5 期 田忠涵 , 等 井 中渐进 阵列 式电法超前探测系统研究 6 7 3 5 结 论 钻 探 既是精 确 探 矿 的 直接 途 径 , 也是 验 证 地 质物化探推断解释成果的有效方式 。井中前 向渐 进 阵列 式探 测方 式 , 充 分利 用 钻 孑 L 几 何 空 间 上 的 优 势来 超前 探测 钻 孔 底 部 或 孔 壁 四周 隐伏 目标 , 实测数据 的信噪 比以及 异常 的分辨 能力得 到提 升 , 是一 种 深部探 矿 的有效 方 式 , 相 比地 面物 探具 有 一定 的 优 势 。渐 进 阵 列 式 探 测 系统 可 以通 过 纵 、 横向阵列异常对 比, 体现物探作业中探测与监 测相结合的思想 , 为钻孔继续施钻决策提供依据 。 利用无穷大板状体在全空间下的电场解析解和水 槽 物理 模拟 开展 实 验 研 究 , 一 定 程 度 上模 拟 了相 对理想物探作业环境 , 然而实际钻孔 内地质情况 复 杂 , 深 部 钻孔 必 然 穿过 有 电性 差 异 的地 层 或 构 造 , 包括钻井液在内的低 阻或高极化体对深 部隐 伏 目标 的异 常 干扰 也 不 可 忽 略 , 其 异 常 响应 规 律 及 解释 方法 尚需 进一 步实 验分 析 。 参 考文 献 [ 1 ]As c h T, Mo r r i s o n H F .Ma p p i n g a n d mo n i t o r i n g e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y wi t h s u r f a c e a n d s u b s u r f a c e e l e c t r o d e a r r a y s r J ] .Ge o p h y s i c s , 1 9 8 9 , 5 4 2 3 5 2 4 4 . 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[ 8 ]Y a n g F W ,Wa r d s H.On s e n s i t i v i t y o f s u r f a c e t o b or e ho l e r e s i s t i v i t y me a s u r e me n t s t o t he at t i t ud e a nd t h e d e p t h t o c e n t e r o f a t h r e e - d i m e n s i o n a l s p h e r o i d [- J ] . Ge o p h y s i c s ,1 9 8 5,5 0 7 1 1 7 3 1 1 7 8 . E 9 ]潘建西. 井 中激 电测 井在金属矿勘探中的应用I- J ] . 西 北 地 质 , 2 0 1 0 , 4 3 2 1 9 0 - 1 9 4 . r l O ] 吕玉增 , 阮百尧 , 彭苏萍. 地一 井方位激 电观测异 常特 征研究E J ] . 地球物理学进展 , 2 0 1 2 , 2 7 1 2 0 1 2 1 6 . [ 1 1 ]徐新学 , 李 荣光 , 孙 磊 , 等. 全方 位 激 电测 井 在老 挝 华潘铜铁多 金属 矿勘 查 中的应 用 [ J ] . 物 探与 化探 , 2 0 1 2, 3 6 1 2 3 - 2 6 . [- 1 2 ] 吕玉 增 , 阮 百尧. 地一 井 五 方位 I P异 常 特征 与解 释 [ C ]/ / 第九届 中国国际地球 电磁 学术讨论 会论 文集 . 桂林 中国地球物理学会 , 2 0 0 9 1 7 7 1 8 0 . 1- 1 3 ]陈海宏 , 马火林 , 杨志成. 地一 井 方式井中激 电模 型实 验[ J ] . 工程地球物理学报 , 2 0 1 4 , 1 1 5 6 3 5 6 3 8 . 1- 1 4 ]刘云龙 , 熊彬 , 黄业 中. 地一 井 、 井一 地 I P有 限体积 2 . 5 维异常响 应 分析 [ J ] . 工 程 地球 物 理 学 报 , 2 0 1 4 , 1 1 5 6 4 3 6 4 9 . 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