專利名稱：：多瞬時直流電阻率測量的制作方法
技術領域：
：本發明涉及多瞬時直流電阻率測量。此外，本發明涉及使用這種多瞬時直流電阻率測量來估計地(earth)的響應，由此探測例如含碳氫^fc合物或含水的地層(formation)的系統和方法。
背景技術：
：多孔巖石浸透有流體。這些流體可以是水、氣、石油、或者這三者的混合物。地內電流由這些巖石的電阻率確定，該電阻率受該浸透流體影響。例如，鹽水浸透的多孔巖石的電阻遠低于填充有碳氬化合物的同樣巖石。因此，地球物理學的目的是通過測量地質構造(geologicalformation)來確定是否存在碳氫化合物。如果使用諸如震波勘探的其它方法的測試暗示地質構造有可能含有碳氫化合物，則在鉆探之前，重要的是獲得有關該地層是否確實包含碳氬化合物或者其主要包含水的某種指示。使用電磁技術，更具體而言時域電磁技術，可以達成這一點。僅一個世紀，直流(DC)方法在地表上用于確定表面電阻率分布。最早的工作是由Schlumberger兄弟以及由Wenner(Wenner，F.，1912，Amethodformeasuringearthresistivity.USBureauofStandardsBulletin,12，469-478.)做出。存在三種一般的DC電阻率勘測方法垂直電測深(VES)、剖面勘探(profiling)以及成像。在VES勘測中，選定測量陣列的尺寸增大，同時該陣列的中心點保持固定。隨著陣列展開，電流穿透更深且得到的測深曲線被解釋為電阻率隨深度變化。在剖面勘測中，陣列類型及其尺寸均選擇為針對具體調查深度。該陣列沿表面移動以確定電阻率的橫向變化。成像或地電阻斷層成像(ERT)方法組合了VES和剖面勘探。在該方法中，大量電極通常等間距地置于地面內，且使用多芯線纜連接到電阻率計。該系統在軟件控制下工作，其中任意兩個電極可以被選擇成電流電極，且任意兩個其它電極可以被選擇成電勢(電壓)電極。電阻率值在該剖面下的截面上被獲得，并指示橫向及深度變化。通過將直流電流注入于兩個源電極Sl和S2之間并測量兩個接收器電極R1和R2之間的電壓，由此進行DC測量。從在源電極注入的電流/和在接收器電極測量的電壓r，由歐姆定律得到表觀地電阻的值及卿-F〃Ohm(1)從該電阻可以得到地下(subsurface)電阻率p，的表觀值戶卿=狄卿Ohmm(2)其中A單位為米且為依賴于四個電極的布置的幾何因子。使用該表觀電阻率，可以確定真實的地下電阻率。根據表觀電阻率值來確定地下電阻率分布的真實值的技術的完整綜述，由LokeM.H.于1999年在Electricalimagingsurveysforenvironmentalandengineeringstudies(http://www.abem.com/ftp/Loke/2Dnotes.pdf)給出。DC測量用的四個電極具有若干公知配置，其中三種示于圖1至3。圖1示出Wenner陣列，圖2示出Schlumberger陣列，以及圖3示出偶極-偶極(DIPOLE-DIPOLE)陣列。對于每種陣列，yt因子不同，由下式給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(4)圖3的偶極-偶極陣列確定橫向電阻率變化優于深度變化。在電勢電極之間測量的電勢差值隨著與電流電極的距離的立方而衰減。這將用于實用目的的該陣列的配置限制在n《6的值。Edwards(Edwards,L.S.，1977，AmodifiedpseudosectionforresistivityandIP.Geophysics,42，1020-1036)討論了用于電阻率的擬斷面表示以及特定用于偶極-偶極陣列的IP。給出了對于n《6的理論和實際結果，且參考n=oo的"理想陣列"。如圖5所示，調查深度d與偶極深度a以及偶極間隔na有關。這種情況下，地電阻率可被推定的最大調查深度d與該配置有關，且約為(n+2)a/5。實踐中，由于在接收器處的信號幅值近似按(na)—3減小，而噪聲水平不依賴于n和a，信噪比按(na)」減小。通過增加在源注入的電流和通過增加偶極距離a，可以增大信號水平。對于可以安全地注入地的電流水平，n通常不大于約6，且其滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>換言之，調查深度d小于源或接收器電極之間的間距的1.6倍。a增大將增加調查深度，但減小所制圖(mapped)的地下電阻率分布的分辨率。在進行DC測量時發現，如果電流長時間具有同一極性則電極被極化且得到Rl和R2之間地內電壓的錯誤測量。采用兩種策略來克服該問題。一種是使用非極化電極。更普遍的另一種方法是周期性地切換DC電流的極性；這實際上形成交變方波輸入電流，或者AC。所有現代設備使用這種技術。在AC方法中，可以引入變化，例如將電流切換到零保持特定時間段，例如如圖4所示。這種情況下，切換之間的周期T通常約為1秒。這里所示的函數每4T重復。電流在源電極Sl和S2之間導通的周期內，執行Rl和R2之間所得到的DC電壓的估計。實際上，R1和R2之間的電壓在這些周期內不是嚴格地恒定信號花費時間到達穩態值且存在噪聲。使用各種平均技術來補償該噪聲。應注意，在該上下文中，"DC電阻率，，中的術語"DC"是指基本上低頻，而不是零頻率。這在地質勘察工業中已經被接受。每次源電極處的電流切換時，地作出響應且接收器電極處的電壓改變。地內的電流由擴散方程主導，且接收器處的響應花費時間到達穩態。這是眾所周知的，且在朝向電流導通的周期的末端的時間間隔內，效、J量該DC水平的估計。例如，GeopulseTigreResistivityMeter采用電壓測量，這些電壓測量是在電流導通周期的后4/5內進行(User，sManual,GeopulseResisitivityMeter,CampusInternationalProductsLimited,ConceptHouse,8TheTownsendCentre,BlackburnRoad,Dunstable,Bedford,EnglandLU55BQ)。因此已知存在對電流切換的瞬時響應，但在特定時間之后，1^人為達到穩態響應。在該傳統方法中，達到穩態的預期時間是基于經驗，不過完全明白最終穩態值永遠無法達到。然而，出于實用目的，對于這種配置，且在儀器和噪聲的限制內，通常在約0.1秒后達到穩態值。在裝備的尺度增大一個數量級左右的某些深的低分辨率勘測中，出于實用目的，僅在幾秒之后達到穩態值。使用偶極配置測量的、對導通電流的電壓響應的例子示于圖6。這稱為階躍響應。響應的第一部分顯示初始電壓階躍；在該具體情形中，隨后是略微下降，接著是電壓上升，該電壓上升看上去在約0.ls后趨于穩態值。圖7示出圖6的階躍響應的時間導數。這已知為脈沖響應。脈沖響應中的初始大尖峰對應于階躍響應中的初始階躍。在這之后是下降，上升到較小峰，且隨后幅值非常緩慢減小，之后隨著時間的增加而趨于零。脈沖響應的持續時間是無窮大的，正如階躍響應的持續時間是無窮大的。然而，隨著脈沖響應的幅值越來越小，測量變得越來越難。當幅值太小無法測量時，這實際上定義了瞬時脈沖響應的持續時間。本發明的目的是改善地電阻率測量的靈敏度。
發明內容根據本發明一個方面，提供了一種測量地內電阻率變化的方法，包括在兩個源電極之間傳遞電流；在該源電極測量瞬時電流；測量至少一對接收器電極之間的所得到的瞬時電壓；估計一個或多個處理函數，該處理函數應用于所測量的輸入電流，以提供階躍輸入分布圖(profile),并將相同的一個或多個處理函數應用于所測量的電壓，以提供接收器之間的階躍響應電壓的估計；使用該階躍電流和所估計的階躍響應電壓來確定所得到的表觀地電阻；以及使用該表觀地電阻來確定地電阻率。可以使用標準DC電阻率反演方法來實現電阻率的確定。該處理函數可以是濾波器。備選方法是使用濾波器將所測量的電流轉換成脈沖并對該結果積分以獲得電流階躍；將同一濾波器應用于所測量的電壓并對該結果積分將得到階躍響應電壓。存在其它方法可獲得同樣結果。關鍵點在于，處理方法可用于將測量的瞬時輸入電流和電壓響應分別轉換成階躍和階躍響應，由此得到DC響應。使用該技術將DC電阻率測量的靈敏度改善到這樣的程度，即，n的值可以增大至少一個數量級至約80，這因此使得d增大至約120a。因此，調查深度可以增大不止一個數量級，而不降低所制圖的地下電阻率分布的分辨率。根據本發明，源處的輸入電流和接收器處的測量電壓均被測量和記錄為時間的函數。這些時間函數被轉換成數字數據并在計算機中使用計算機軟件處理。計算機處理可包括許多搮作，包括除去文化噪聲(culturalnoise)-例如50Hz或60Hz電源發生，以及通過去巻積來除去記錄系統響應，如WO03/023452Al所披露。輸入電流可以是簡單階躍、方形波、或者甚至是歸零調制信號-通常稱為"占空比"-如圖4所示。此外，該輸入電流可以是例如1和0或者是1和-1的偽隨機二進制序列，這將使得可以推導出源和接收器之間的地的階躍響應(以及因此所述穩態值)。根據本發明另一方面，提供了一種用于測量地內電阻率變化的系統，包括源，用于在兩個源電極之間傳遞電流；電流測量裝置，用于在該源電極測量瞬時電流；電壓測量裝置，用于測量至少一對接收器電極之間的所得到的瞬時電壓；以及處理器，配置成估計一個或多個處理函數，該處理函數應用于所測量的輸入電流，以提供階躍電流分布圖；將相同的一個或多個處理函數應用于所測量的電壓，以提供接收器之間的階躍響應電壓的估計；使用該階躍電流和所估計的階躍響應電壓來確定所得到的表觀地電阻；以及使用該表觀地電阻來確定地電阻率。根據本發明又一方面，提供了一種計算機程序，其使用一對源電極之間的輸入電流的測量和至少一對接收器電極之間的所得到的瞬時電壓的測量來確定地內電阻率變化，該計算機程序包含代碼或指令，用于估計一個或多個處理函數，該處理函數應用于所測量的輸入電流，以提供階躍電流分布圖；將相同的一個或多個處理函數應用于所測量的電壓，以提供接收器之間的階躍響應電壓的估計；使用該階躍電流和所估計的階躍響應電壓來確定所得到的表觀地電阻；以及使用該表，見地電阻來確定地電阻率。現在僅僅通過示例性地并參考附圖來描述本發明的各個方面，附圖中圖8為使用DC測量來確定地電阻率的方法的流程圖；圖9為在應用濾波器之后的所測量的輸入電流的曲線；圖IO為在應用了對圖9的結果所使用的相同濾波器之后的測量電壓的曲線；以及圖11為一系統的示意性圖示，該系統中一對源電極與多對接收器電極相關聯。具體實施方式圖3和5的源/接收器電極布置可以用于實施本發明。這要求測量源輸入電流時間函數，該測量可以通過理想地置于源電極之間的電流計來完成，使得輸入電流的直接測量可以實現。電流計可以是任何合適的形式，例如磁力計。圖9示出了實施本發明的方法。在第一步驟，瞬時輸入電流在兩個源電極之間傳遞，且在兩個接收器電極之間被測量。測得的輸入電流函數可以表達為例如/(,),其中/為時間。通過與濾波器/()如下進行巻積，所測量的電流轉換成例如單位幅值的階躍函數/(W)-邵一0(7)其中//(,)為單位階躍函數，且/。為階躍的時間。結果示于圖9。在該接收器的測量的電壓響應例如為M(/)。該響應可以與同一濾波器/(0來巻積以得到階躍響應X(/):,*/=柳(8)圖IO示出對測得電壓進行濾波以得到階躍響應的結果。原則上，如所看到，階躍響應達到穩態值Foo需要無限量的時間，且因此roo實際上無法測量。對于傳統的所謂DC電阻率測量，情況當然也是如此。最終值roO的估計可以通過各種方法來進行，其中一種概述如下。結果是可以找到對于1安培的DC電壓roo,且地電阻因此為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(9)電壓的穩態值roo可以通過各種技術來估計。參考圖10，在,"后期的測量電壓可以描述成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(10)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(11)其中/,可以變化，且依賴于偏移(offset)。通過將方程(9)描述的曲線擬合到該數據并使不吻合誤差最小化，發現roo和a的值。該值隨后可以用于確定DC電阻。對于每個源-接收器對，所得到的DC電阻的值可以放到二維或三維電阻率反演程序中，例如RES2DINV和RES3DINV，如Loke(1999)中所描述，以獲得地下電阻率分布的圖。該程序的其它輸入參數為電極的坐標。對于給定源-接收器對，該測量可以重復許多次并被平均(或"堆棧(stack)"),從而改善信噪比并改進roo的值的估計。給定一對源電極可設置有許多對接收器電極，且因此可以進行所接收的電壓的許多同時測量，如圖ll所示。這種情況下，源電極分開距離a,且每對接收器電極分開距離a。在本示例中，n選擇為整數且其值為m、m+l、m+2、m+3等。盡管示出了在源和每個接收器對的電極間隔相等的配置，但可以理解可以使用許多不同的配置。同樣地，整個裝備可以橫向平移例如距離a或者a的倍數，以獲得地下電阻率分布的多次覆蓋范圍。技術人員將理解，可以對所披露的布置進行變型而不背離本發明。例如，該方法可以應用于陸地或海上。對于海洋情形，電極不一定需要位于海底，且不需要固定。可以想到，整個源-接收器電極配置可以拖掛在船只后面，該船只供應電流到源并記錄源電流和接收的電壓。因此，對具體實施例的上述描述僅僅是示例性的，而非限制性的。技術人員將顯見，可以進行較小調整而不顯著改變所述的操作。權利要求2.一種測量地內電阻率變化的方法，包括在兩個源電極之間傳遞瞬時電流；在所述源電極測量所述瞬時電流；測量至少一對接收器電極之間的所得到的瞬時電壓；估計一個或多個應用于所測量的輸入電流的處理函數，以提供階躍電流分布圖，并將相同的一個或多個處理函數應用于所測量的電壓，以提供所述接收器之間的階躍響應電壓的估計；使用所述階躍電流和所估計的階躍響應電壓來確定所得到的表觀地電阻；以及使用所述表觀地電阻來確定地電阻率。3.如權利要求l所述的方法，其中將所估計的處理函數應用于所測量的電壓的步驟涉及所接收的電壓與所估計的處理函數進行巻積以找到相應的階躍響應。4.如權利要求l所述的方法，其中所述處理函數為濾波器，用于將所測量的輸入電流轉換成階躍分布圖。5.如權利要求l所述的方法，其中所述一個或多個處理函數包括用于將所測量的電流轉換成脈沖的濾波器以及對結果積分以獲得所述階躍輸入分布圖的裝置。6.如前述權利要求任意一項所述的方法，包括除去文化噪聲。7.如前述權利要求任意一項所述的方法，包括根據階躍響應估計穩、態電壓。8.如前述權利要求任意一項所述的方法，其中所述源和接收器電極設置在海洋環境中。9.一種用于測量地內電阻率變化的系統，包括源，用于在兩個源電極之間傳遞電流；測量裝置，用于在所述源電極測量所述瞬時電流；電壓測量裝置，用于測量至少一對接收器電極之間的所得到的瞬時電壓；以及處理器，配置成估計一個或多個處理函數，所述處理函數應用于所測量的輸入電流，以提供階躍電流分布圖；將相同的一個或多個處理函數應用于所測量的電壓，以提供所述接收器之間的階躍響應電壓的估計；使用所述階躍電流和所估計的階躍響應電壓來確定所得到的表，見地電阻；以及使用所述表觀地電阻來確定地電阻率。10.如權利要求9所述的系統，其中所述處理器可用于通過使所接收的電壓與所估計的處理函數巻積找到相應的階躍響應，來將所估計的處理函數應用于所測量的電壓。11.如權利要求9或IO所述的系統，其中所述處理函數為濾波器，用于將所測量的輸入電流轉換成階躍分布圖。12.如權利要求9所述的系統，其中所述一個或多個處理函數包括用于將所測量的電流轉換成脈沖的濾波器以及對結果積分以獲得所述階躍輸入分布圖的裝置。13.如權利要求9至12任意一項所述的系統，其中所述處理器可用于除去文化噪聲。14.如權利要求9至13任意一項所述的系統，其中所述處理器可用于根據階躍響應估計穩態電壓。15.如權利要求9至14任意一項所述的系統，其中所述源和接收器電極設置在海洋環境中。16.—種計算機程序，優選地在計算機可讀取介質或載體上，使用一對源電極之間的輸入電流的測量和至少一對接收器電極之間的所得到的瞬時電壓的測量來確定地內電阻率變化，所述計算機程序包含代碼或指令，用于估計一個或多個處理函數，所述處理函數應用于所測量的輸入電流，以提供階躍電流分布圖；將相同的一個或多個處理函數應用于所測量的電壓，以提供所述接收器之間的階躍響應電壓的估計；使用所述階躍電流和所估計的階躍響應電壓來確定所得到的表觀地電阻；以及使用所述表》見地電阻來確定地電阻率。全文摘要一種測量地內電阻率變化的方法，包括在兩個源電極之間傳遞瞬時電流；在所述源電極測量所述瞬時電流；測量至少一對接收器電極之間的所得到的瞬時電壓；估計一個或多個處理函數，該處理函數應用于所測量的輸入電流，以提供階躍電流分布圖，并將相同的一個或多個處理函數應用于所測量的電壓，以提供所述接收器之間的階躍響應電壓的估計；使用所述階躍電流和所估計的階躍響應電壓來確定所得到的表觀地電阻；以及使用所述表觀地電阻來確定地電阻率。文檔編號G01V3/02GK101283292SQ200680037172公開日2008年10月8日申請日期2006年8月4日優先權日2005年8月5日發明者A·M·齊奧爾科夫斯基,B·A·霍布斯申請人:Mtem有限公司
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