电法勘探仪器的发展

年 月 国外地质勘探技术 第 期 · 地球物理勘探 · 电法勘探仪器的发展 李 志 武 做矿部机械电子研究所 一 、 前 言 电法勘探在我 国 已有五十余年 的历 史 , 电探仪器是从 电工仪到电子仪器 , 而电子仪器又经历了从电子管式到 晶体管 式乃至集成电路式的不同时代 目前由于 单片微机的普遍采用 , 从而使电法勘探仪 器有了较大的发展 年代以来国内外陆 续出现了一些多偶极 通道 测量的电探 仪器 , 至今仅十余年的时间已经向人们展 示了电探仪器向着多通道 、 大数据量采集 的方向发展 从地震勘探仪器的发展中吸 取对电探仪器有益的东西 , 目前已经有了 良好的开端 年代初曾提出过电法勘探 仪器的发展问 , 探讨了电法勘探仪只有 学习地震勘探仪器走多通道 、 大数据量采 集数据才有可能利用计算机技术发展电探 技术 本文将简略地回顾电探仪器的发展 历史 , 以探讨未来电探仪器的发展 二 、 电法勘探仪器向多 钡颐量通道 、 大数据量 采集数据的方向发展 历史回顾 电法勘探在地球物理勘探中应用较 早 , 从事这些工作的人也最多 , 这项工作 主要是通过对大地的电性差异测量来达到 找矿 、 找水的目的 , 此外还可以解决工程 勘探等间题 电法勘探基本有两种 一种是无源勘 探 , 通过天然存在的电磁场 , 对其测量达 到勘探 目的 另一种是有源勘探 , 通过人 工向大地供以一定规律的电流造成人工电 磁场 , 测量这种 电磁场 即为有 源 电法勘 探 , 使用的测量手段即为电探仪器 。 年 代普遍使用的电位计 ’一 、 自然电位 计等实际是电工仪表 苏联推出的电子 自 动补偿仪 是一种既具有放大信号 的功能 , 又 能 向大地进行供电控制的仪 器 , 在那个时代是个不错的电测仪器 。 国 内曾参照研制 , 经过一番努力后批量投 产 , 定型为 一 型及 一 型 经 过了从电子管阶段到晶体管阶段 , 该仪器 在我国电法勘探中发挥了很大的作用 , 尤 其 一 一直延用至今 勘探技术的发 展 , 是 从 直 流 电阻 率 测 量 到激 发极 化 护 原理的应用 然而利用激发极化原理 找水 、 找矿就需要有相应的仪器手段 当 时只有 一 , 而 一 又没有测量 激发极化现象的功能 于是有人了诸 如脚踏开关等 , 使之适合 测量 , 从而达 到控制供电一断电一测量的 目的 这种方 法 , 在无专门 仪器的情况下可以做一些 工作 , 但成功的不多 , 因为很难控制每次 断电延迟时间的一致 , 在同一测点上测量 若干次也很难取得一致的结果 , 而不同人 操 作 差 异 就 更 大 了 年 代 因 一 、 一 、 冲 一 等模拟式 的激电仪器的引人 , 国内参照研制和生产 一 一 了一批激电仪 , 用于野外生产 模拟激电 仪的应用使勘探能力有了提高 , 但由于存 在着不同仪器所测量资料不易对比 , 即便 是同一型号的仪器也很难一致 , 因此很快 出现了数字式的激电仪器 一 激电仪的 引人为我 国新一代仪器研制提供了参照样 机 年代以单片微机控制的激电仪的 出 现极大地改善了电探工作 , 这不仅在程控 性方面可准确无误地完成各种操作 , 而且 具有智能化 二次参数的运算 , 可直观显 示测量结果 在功能方面还可以做多次叠 加 、 数字滤波 、 超差剔除 、 与外部计算机 的通讯等 到此时利用数字计算机处理电 测数据成为可能 。 电探仪器向多偶极发展的必要性 电探仪器与 电探之间相辅相成的 关系 , 也同其他物探仪器与方法的关系一 样 , 是互相促进互相补充的 电探仪器的 发展过程 已经说明了这一点 。 尽管以单片 微机作为控制部件使电测仪器上了一个新 的台阶 , 但因为输人偶极是单一的 , 一个 工作 日电测数据很少 , 不足以用计算机处 理资料 , 只需手工就可整理记录 如果要 利用微机处理资料就需要积累若干工作 日 以后 , 这样资料处理就不及时 , 不能很好 地指导野外工作 在各行各业大量引人计 算机处理专业资料的今天 , 单一通道 偶 极 的仪器显示 出它的不足 有的领域满 足这个水平是可以的 , 但是大多数要 向前 发展 , 尤其是电法勘探受到干扰较其他物 探方法更加严重 要排除干扰 , 识别异常 性质单一通道的仪器就比较困难 , 靠单道 仪器测盆电场形状 , 就要逐点测量 , 这样 就有时间差异 , 电场就要有所变化 这种 变化是受较多因素影响的 如果采用长测 线多测量偶极 , 在短时间内供电测量 , 不 仅效率高而且少受干扰 , 电场曲线测量准 确 更主要 的多偶极通道测量数据量大 , 有利于用计算机处理资料 因此电探仪器 一 一 和方法应从地震勘探仪器和方法吸收有益 的经验 , 找到可借鉴的地方 , 为电法勘探 仪器及方法的发展所利用 。 三 、 电探仪器的发展可以借 鉴地震勘探仪器特点 地震勘探与电法勘探的相同点 地震勘探与电法勘探都可进行无 源勘探 地震勘探可对 天然地震进行观 测 可对微动 、 微震进行小区划分 可寻 找热气田 、 找矿等一电法勘探有时域中的 直流 自然电场法勘探 , 有频域中音频可控 源磁大地电流法 和磁大地电流法 , 还有天然交流电场测量等 地震勘探与 电法勘探二者都可 以 进行有源勘探 。 这个源是已知的 , 地震使 用 的震源从爆炸震源 、 电火花震源 、 汽枪 震源到可控震源等激发源 电法勘探在时 间域与频率域勘探中都是使用各 自供电特 点的供电电源 。 电法勘探与地震勘探都有 向多道 发展的历史 以工程上应用为例 , 地震勘 探仪器 , 从单道地震仪发展 到 道地震 仪 、 道地震仪及 道地震仪 。 到 年 代以 道为基本模式确定下来延用多年 , 经历 了 电子管 、 晶体管到集成电路时代 。 年代由于能源问题地震仪大发展并与电 子计算机紧密联系起来 , 使接收通道数猛 增至 、 、 、 道 , 甚至上千道 。 相 比之下电探仪器发展较慢 , 单一偶极接 收方式占绝对的统治地位 , 出现多偶极接 收的时间很晚 地震勘探中宽线剖面 、 三 维地震技术及叠加技术 、 电 法都可 以借 鉴 , 但必须使观测系统具有多通道可覆盖 较长的测线或一块面积 同时还应具有大 数据量的采集能力 , 以便能充分利用计算 机解决找矿及工程问题 电法勘探可以借 鉴地震勘探技术中使用的加大测线长度以 利于深层勘探和小检波器间距以提高地震 勘探的分辨能力 高密度电阻率法的电法 勘探技术与此有相似之处 , 目前限于工程 应用 , 其发送能力使勘探深度局 限于浅 层 。 如果加大发送功率就加强了信号源 , 也就有利于较深部信息的接收 随着勘探 深度的增加 , 其体积效应也就愈明显 无 论电法勘探或地震勘探都有此问题 , 体积 效应是客观存在的 地震波长与反射层位 的厚度有一定关系 , 要形成薄层反射就要 求其地震波长足够短 , 即地震波的频率要 足够高 然而大地又是一个机械滤波器 , 随着层位加深 吸 收高频信号 的能力也加 大 , 这就不利于深层层位的勘探 电法勘 探也有类似的问题 , 随着供电极距加大其 体积效应也就明显地表现出来 这样就影 响了分析深部地层情况 , 在程度上较地震 勘探要严重些 物探工作本来就是一门带 研究性质的应用技术 , 面对实际问题也只 能是因势利导采取其他物探手段的配合办 法解决深层问题 。 地震勘探与龟法勘探的不同点 地震勘探成本高 。 不仅装备费用 高 , 而且野外勘探施工费用较电法勘探高 许多倍 这一点告诉我们应当发挥电法勘 探技术在找油气田及深部矿产的作用 地震勘探基本上是间接找矿 在 一定情况下也具有直接找矿的能力 , 找构 造 , 配合地质情况确定油气藏 目前地震 仪器有足够的能力记录地震波传播的细微 情况 , 可以做三维地震研究及地震波动力 学特点的研究 , 但要直接找矿尚有很多工 作要做 电法勘探则可以直接找矿一 如找 金属矿 , 利用 找水等 电法勘探装备轻便 , 已经习惯的 一对 供电线 , 一对 测量线 , 多则 小 人 , 少则 一 人即可完成跑极工作 即使采用多道 偶极 工作而需增加电 缆 、 增加布极的劳动强度 , 但比起地震勘 探的装备及野外施工还是轻便得多 随着 电法勘探装备 向多道发展 , 野外的运输 、 人员配备及施工将会逐渐调整适应 地震勘探中的某些不足可 由电法 勘探弥补 。 比如油 田 中油水界面的确定 , 地震波反应不明显 , 但是其电性的差异非 常明显 这样就有配合电测井等方法达到 确定界面的 目的 罗列上述两种方法的相同点及不同点 是为说明 电法勘探仪器有可能也有必要向 多道发展 , 只有这样才能改变以往单一偶 极测量的电法勘探的状况 , 才有可能大量 采集地电信息利用微机进而利用大型计算 机逻辑分析能力及强大的计算能力 , 研究 异常达到找矿及解决工程间题的 目的 这 是被证实或正在被证实的电法勘探的必 由 之路 以往 电法勘探只是用来找金属矿 、 找水及解决工程间题 , 而近些年来利用 电 法勘探找油的实例正说明这一发展 四 、 向多道电测发展的 电法勘探仪器 多通道电测仪器的两种类型 电测仪器中多偶极输人即多道输人表 现有两种类型 第一种为可扩展类型 , 即 多偶极输人靠多路转换开关转接的方法送 人同一主机测量 如 年地矿部机电所 为油 田压裂方位测量的 一 型压裂方 位测量仪就属此种类型 , 其设计就是 对 偶极通过多路转换开关依次送人测量通 道 与此仪器性质相近的还有机电所 年研制的 一 型 道电位 自动测量 仪 长春地质学院 年推出 “ 高密度电 阻率测量仪器及方法研究 ’的科研成果 , 即 为一电阻率仪配有一机电式 路转换开关 组成 测 量 系 统 年 机 电所 研制 的 一 型微机控制多路电极转换器 已申 报专利 与 一 多功能直流电测仪组 成高密度电阻率测量系统 其中 一 多功能直流电测仪本身设计有 道扩展方 一 一 式 , 主要是为在常规电测时做中间梯度测 量方式使用及偶极一偶极方式使用 , 可高 效率地完成一个拟剖面的侧量 年机 电所又 推 出 一 多 功 能直 流 电 侧 仪 , 主要特点为大液晶屏幕 , 可实时显示 实测 曲线 可 以与 一 型微机控制多 路 电极转换器组成电测 自动数据采集系 统 。 年机电所还研制 了 巧一 型分 布式微机控制多路电极转换器 年申 报专利 , 可以与 一 或 一 多 功能直流电侧仪配合组成 道或 道侧 量系统 , 不受电极数 目限制 , 视测线长度 可以减少 电极数 目使用 , 也可 以增加 电极 数目使用 第二种类型就是物理空 间中存在着多 通道 , 即每一通道都各 自对应着特定的偶 极输人 , 而不是依靠任何类型 的多路转换 开关将多个偶极输人依次送人主机 。 各通 道是并行工作的 , 而每一物理通道中都具 备对各种地电信息预处理的硬件设置 , 也 正是仪器设计基础之一 。 无论是某种功能 还是电气指标参数的确定都是仪器设计基 本依据 。 若具备多种功能 , 仪器硬件设置 和软件就设计兼顾多种方法的测量系统 , 这样的系统就要覆盖 由各种方法所需要的 电特性 由于在空间上存在着多通道 , 分别处 理各 自偶极输人信息 , 这样各道是并行工 作的 , 而且可以高速工作 、 实时性强 、 工 作效率高 , 有利于识别干扰 更主要的是 有了多通道及高速工作的基础可以适应开 展新的方法研究 , 比如进行面积勘探 , 三 维勘探及成像技术的研究等 年代以来陆续 出现 的多道 电测 仪 器 , 其设计的基础是针对某种或数种方法 而设置若干通道 有 的从频域测量的需 要 , 有 的则从时域测量需要设置若干通 道 近年多功能探测系统的 出现 像 及 一 等仪器 , 就是兼顾了多种域 一 一 测量的需要 。 年代初 一 系统是从 频域测量的需要而设计了七个通道 , 以频 谱激电的测量需要为基本设置 , 有六个电 道 , 一个电流道 亦可做磁道使用 , 有此 硬件设计基础 , 就可 以做其他频域方法测 量使用 , 例如 法等 另一种多道 电侧仪器 一 是从时域侧量考虑的基 本设计 , 有六个电道 , 一次供电条件下完 成六道的侧量工作 该仪器为宽频带时域 接收机 , 可以做激电谱分析 。 到 年代初 国内引进了 及 一 两种多功能电 磁探测系统 , 它们虽经历了不同的发展途 经 , 但最终都设计成通用 型 的所谓多 用 途 、 多通道的电磁探测仪 该探测仪具有 八个通道 , 不仅做标量测量及矢量测量 , 而且也可做张量测量 , 还可 以增加 电道测 量 适应能力也较强 , 能兼顾时域 、 频域 电 磁 方 法 的 需 要 长 春 地 质 学 院 的 一 数字大地探测仪为五通道的接收 机 , 可 以对电磁场做张量测量 。 地矿部机 电所 年推出的 一 动态压裂多道 电测系统是一时域 通道及 ’个辅助的电 测仪器 , 是为油 田专门设计研制的 , 在油 田采油监测 中有很好的应用 。 与之性能相 近的 一 多道时域电测系统 , 是 以多 通道的硬件为基础可做测 网布线进行面积 勘探 、 还可对环境地质 、 灾害地质研究长 期监测 , 此外可在地质找矿 、 工程地质及 深部地质研究中应用 配合 系列微机 控制多路转换器可扩展更多的通道 , 从而 更有利于开展电测 技术和结合钻井电 测童进行层析成像技术研究 电法勘探方法理论与电法勘探仪器 设备 电法以勘探方法理论与电法勘探仪器 设备之间要很好的结合 , 才能发挥电法勘 探的作用 , 缺一不可 只有方法理论而无 与之适应 的仪器设备就不能发挥方法理论 的作用 , 反之只有仪器设备而无方法理论 的结合 , 仪器设备也是无用的 二者是相 辅相成的关系 , 相互促进不断发展 , 使电 法勘探技术不断提高 电法勘探发展至今 正处于重要的历史时刻 , 其标志就是多道 电探仪器已经出现且需不断发展完善 , 多 道电探的理论方法也有了初步应用 , 而生 产实践中要求解决更多的找矿问题及工程 应用 间题 , 这就提供了它们相互结合的基 础 地矿部机电所与大港油 田钻采院紧密 配合 , 为钻采院提出的 ‘监测油井压裂裂缝 方位及监测注水井水流推进方位 , 研究的课 题而设计研制的 一 型动态压裂多道 电测系统 , 经实际应用证明取得了成功 该仪器是在国外无同类仪器可借鉴的情况 下 , 配 合 方 法 理 论 的 要 求 而 研 制 的 一 系统不仅适合压裂裂缝方位及注 水井水流方位测量 , 还有未被充分利用的 功能 , 当然也就为方法理论的发展提供了 空间 五 、 结束语 电法勘探与地震勘探的相似之处 使 我们受到很大启发 地震勘探远远走在其 他地球物理勘探方法的前面 , 实践说明地 震勘探之所以获得如此大的发展 , 最主要 原因就是它与计算机技术的发展紧密地联 系在一起 , 在发展电法勘探仪器时也要把 握运用数字技术 、 大量采集数据 为此一 是增加采集通道数 , 二是快速采集数据 电法勘探与地震勘探的差异告诉我们 发展多通道仪器尽管较晚 , 然而现在电法 勘探发展 已经到 了一个重要时刻 即大发展 的时期 电法勘探发展具有较地震勘探成 本低得多 , 需要的勘探人员较少 , 装备轻 便等特点 , 这些特点都有利于 电法勘探的 发展 目前已经出现的多通道电探仪器已 在油田开发中发挥了一定作用 , 可 以预料 在油 田 、 金属矿 、 煤田及工程地质勘探中 他将发挥更大的作用 责任编辑 张云尔 深层跨孔法波速测试准备阶段的成孔技术 为满足某些重点工程 、 特殊工程 、 高层建筑的抗震设计要求 , 通常采用深层跨孔法原位测定地层波 速 此法具有成本低 、 速度快 、 工效高 、 相对地层扰动小的优点 , 侧试深度可达 以下 进行深层 跨孔法波速侧试的一个重要环节是在测试目标区打少量钻孔 , 其成孔技术如下 深孔成孔技术牵涉到关键部位多 , 工序多 , 包括钻探 、 下塑料套管 , 围填 或灌浆 等 每道工序 的质量都影响波速测试的成败及精度 钻探 第四系地层中钻探是成孔的关键 , 要保持孔圆孔直 特别在开孔时 , 对软硬不均的地层 , 要控制钻进速度和钻孔的垂直度 根据多年的实践经验 , 一般钻孔的孔斜应控制在 。 左右 钻探循环 液用膨润土泥浆 , 必要时用化学浆糊 , 其比重控制在 巧一 , 且要有一定的粘度 钻探口径与震源形式 、 检波器的直径有关 , 若已选定套管 , 主要考虑套管的口 径等具体情况而定 在保证测试要求的前提下 , 钻探口径应尽量的小些 原因是 小口径钻进 , 对孔壁周围的土体扰动较小 口径过大 , 套管与孔壁间的间隙增大 , 则围填或灌浆增厚 , 会影响波的传播速度和传播路径 一般来说 , 这个环形间隙为 一 , 若套管接箍直径为 , 则钻探口径为 一 为宜 钻探结束 , 必须将钻孔内泥浆稀释到比重为 力 左右 , 其目的是在保证孔壁不坍塌的情况下 , 使下 管、 围填 或灌浆 工作能顺利进行 下塑料套管 深孔下管 , 事先要进行试孔 , 即要求在钻杆上接一根几米长的与塑料套管相同直径 的铁管从孔口下到孔底 , 测试钻孔上下是否畅通 其目的是防止下管不畅或由于缩孔 , 塌孔造成下管过 下接第 页 一 一