繪製地層中異常現象的垂直圖象的方法

2023-05-12 17:46:56 3

專利名稱:繪製地層中異常現象的垂直圖象的方法
本發明一般地涉及用於探測地層中的地質異常現象的測試裝置和方法，更確切地說，涉及與計算機輔助的圖象重建相結合的連續波中頻無線電成象技術，以提供礦層異常的圖解的電磁輻射確定的圖象。
存在於成層地層中的煤層或礦床已被許多不同類型的地質機製作用而發生畸變。出現在周圍各層的不均勻壓實導致在煤層發生斷層、扭曲和背斜現象。古河流已將河床上的煤衝去，留下沙和巖的沉積。這種為眾所周知的河道沙衝刷的沉積，能導致衝蝕和弱的頂板。這種河流的畸變和巖石沉積是採礦設備的實際分界礦柱。在採煤工業中廣泛採用了兩種類型的地下開採技術。一種叫做房柱式採煤法或連續開採法，它能圍繞著許多這樣的分界礦柱開採。這種連續開採技術成本低廉，所需人力也不多。例如，通常只需安排一日三班每班8人的班組。不過，連續開採法的每班產量只有300噸左右。另一種廣泛採用的長壁開採技術，在均質煤層裡的效率要高得多，該方法所達到的平均產量為每班1500噸。
在美國，礦業安全和健康管理機構要求採用後退式，而不是前進式長壁開採法。另一方面，在歐洲則廣泛採用前進式長壁開採法。後退式長壁開採法被安排成沿著主平巷的方向去開採，而前進式長壁開採法則背離主平巷採掘。連續開採技術被用來設定後退式長壁開採法。從主平巷起，各平巷道在長壁工作面盤區兩邊和垂直於主平巷處被開採。這些平巷道，排水巷道和迴風巷道，分別地延展長壁開採盤區的長度。在盤區的工作面端頭，排水巷道和迴風巷道之間形成一個橫巷。面對主平巷的橫巷的壁是長壁工作面。長壁採煤機沿著工作面的掘進方向指向主平巷而架立。當長壁開採向前移時，頂板垮落在整個已採掘區段。未開採煤的保安煤柱礦塊被留在該平巷掘進長度的工作面端頭，以支撐覆蓋該主平巷的頂板。
長壁開採法產量高這一點，使其用於可開採的長的盤區時，尤為經濟有利。一個典型的長壁開採盤區包括的煤可達500，000至1，000，000噸。長壁開採法的初始階段投資和裝配費用是高的。設備費平均可達成百上千萬美元。建立長壁開採，以一天三班，每班以12至14人計，則至少需要30天時間。因此，建造費用是很大的，為了實現長壁開採法的低成本生產的優點，需要均質煤層，以確保長時間的生產運行。礦層異常(諸如斷層，衝蝕，互層和巖脈)可導致長壁開採法生產運行周期的過早結束。在許多情況下長壁開採法遇到某種異常後變成「包鐵的」。清除設備的這種「包鐵的」現象需要爆破，而這可能破壞設備並使礦工們面臨極端危險。因此，如果在開採作業前能探測和分析這些煤層異常，則可事先部署採礦工藝以使生產成本減至最低。在用這種勘探法測得一個長的連續煤礦層的地方，便可採用這種低成本的長壁開採法。若發現長壁開採的分界礦柱，採礦工程部門便可採用連續開採法在分界礦柱周圍開採。
對具有潛在生產性煤層的地質勘探可使用許多眾所周知的方法。這些方法運用了種種技術。衛星成象和攝影術提供了為礦山地質工作者所用的綜合資料。然而，由於這種資料數據的粗略概括性，使其在確定煤層的可採性方面設計麼價值。表面地層的宏觀勘測(底部勘測)和露頭特徵使地質工作者能根據現有知識去預報地層的特性。基於地震和電磁波表面傳播的若干方法被廣泛地用於對包括石油和煤氣的有用礦的礦床的地球物理測量。然而，宏觀勘測技術在檢查煤層的詳層結構方面是不可靠的。
當今，各種微觀勘測煤層內的地震技術被用於產生和煤層異常有關的有用數據。在歐洲正在研究中的一項方法包括16個放炮點，信號進入由120個地震檢波器組的礦區，每組由36個地震檢波器組成。對地震數據的計算機化的處理得出斷層的檢測結果。至今，該方法要求以5英尺為間隔地裝藥並需要設置大批的電纜。地震技術主要用於前進式，而不是後退式長壁開採法。此外，此法還未證實其具有分辨河床沙異常的能力，特別是對部分衝蝕和較小的、不顯著異常的分辨能力更未能加以證實，也不能探測頂板、和/或底板巖石狀態。置於地表面配備以受控源的大地電磁法的頻譜的發射有透視地殼內部的能力。這種方法看來似乎在探測地層的主要斷層方面是有用的，但不能分辨詳細的礦層結構。
潛孔鑽探現已用於鑽探長壁開採礦塊。鑽進盤區六百英尺深的10-12孔模式提供礦層內的煤樣品。但是，該方法的缺點是其所涉及範圍只佔礦塊的很小比率。正因為這種有限的作用距離，該技術對探測和分辨可能存在於鑽孔之間的煤層內的煤層異常是無用的。表面巖心鑽孔和測井仍屬煤層信息的最可靠的來源。巖心取樣提供了測繪成層介質圖的有用數據。測井便於對鑽孔附近的地層進行探查。當前還不能使用測井法去探測和分辨可能存在於距離超過大約50英尺的兩個鑽孔之間的脈內煤層異常。煤層內的水平鑽探可探測煤層異常，但容易受與垂直鑽探相同的作用距離的限制。此外，水平鑽探是很昂貴的，每產一噸煤平均要化費20美元。
現已試驗企圖用電磁技術去提供一個檢查煤層的地球物理方法。在文獻中對傳統和綜合性雷達技術已有報導。由於雷達的高頻，使其在對接近鑽孔處的地質結構的勘測方面是極其有用的。然而，深層透射要求很高的發射功率以便供給各種有效的分辨力。這是因為高頻信號在礦層內隨距離的增加而迅速地衰減。因此，目前的幾種雷達探測方法不能深入透視礦層中。
在1979年10月出版的地球物理學刊物(44卷第10期)上，由R.J.Lytle所著題為「橫貫地層的鑽孔電磁探測法確定高反差異常」一文和1979年7月出版的IEEE會刊(67卷，7號)上登載的「計算機地球物理斷層掃描儀」一文均已描述了使用連續波(CW)信號來繪製煤層圖的方法。他所提出的方法僅僅是在接近的鑽孔之間進行斷層掃描儀成象。Lytle的這種方法具有限的範圍和分辨力，因為使用潛孔探頭所進行的可能的空間測量是有限的。為滿足斷層掃描儀的要求，Lytle使用了較高的頻率範圍，因而所達到的範圍更小。再者，早已發現巖石的導電率比煤層的導電率要大得多。導電率差別(反差)大的地方，斷層掃描儀算法將發散而不是收斂，從而導致沒有圖象。
為美國礦山資源局(Bureau of Mines)進行的由Arthur D.Little公司主持的一項研究，勘測過連續波中頻信號在煤層中的傳播。由Alfred G.Emslie和Robert L.Lagace，在1976年4月的「無線電科學」(Ⅱ卷4期)所宣布的結果，僅論及了電磁波作為通信的應用。此外，在所應用的波的傳播方程中可能存在著差錯。
其他電磁技術也遇到類似的範圍和分辨力的問題。沒有一種先有技術認識到在400-800KHz範圍內存在著煤層傳輸窗口。因此，沒有一種現有技術實現了地質異常的長距離、高分辨力的成象。
因此本發明的目的在於提供為地層異常的層內和地表面成象的裝置和方法，其作用範圍足以使整個長壁開採盤區成象。
本發明的另一個目的是提供用以對煤層異常成象的裝置和方法，其分辨能力足以查明斷層、完全和部分衝蝕、河槽沙衝刷、巖脈和互層。
本發明的再一個目的是通過斷層方向的地表面測繪並在合適的地方提供長壁開採掘進工作面，以將生產成本減至最低限度。
本發明的另一個目的在於在盤區掘進工作面被開掘後，通過長壁開採盤區的層內成象，使生產成本降至最低限度。
本發明還有一個目的是要減輕或消除由意想不到的地質異常所造成的對礦工的危害。
簡單地說，本發明的最佳實施例包括有調頻能力且裝備有定向環形天線的連續波中頻發射機，一個裝有定向環形天線並能精確地測量和記錄所接收的該被發射信號的幅值和相移的連續波中頻接收機，和根據所產生的的原始數據顯示煤層圖象的數據處理裝置。發射機和接收機兩者均是可移動的，並按兩種構型而設計用於插入靠近煤層的鑽井、稱為探測器的圓柱狀構型，另一種為宜用在煤層內的輕便或巷道構型。
本發明進一步包含用以使煤層中的構造成像的測繪方法。所提供的煤層成像方法有二種，採用那種方法則取決於巖層和煤層深度。置於地表面，具有潛孔連續性測量儀的，煤層成像法，預期用在具有良好地表面鑽孔條件的中等淺度煤層。當需要煤層構造的清晰圖象時，則將採用煤層內成像和斷層掃描技術。
最佳實施例利用連續波中頻(MF)信號，用相當低的輸出功率而獲得煤層中的地質異常的高解析度成像。因為煤層的上、下囿於有不同的導電性的巖石，在某些信號頻率下的電磁能量便被捕集並將傳播在很長的距離上。該透射窗口，或即煤層透射模是由最佳實施例中採用的調諧環形天線所激發的，並使這些中頻信號在煤層中傳播數百米。煤屋異常產生一些其基本電氣參數相對於煤層而言是不同的區域。在煤和異常構造之間電氣參數方面的這一對比差異便導致了這種成像方法的產生。該對比差異將改變在該區域的電磁波傳播常數，由此可分析在該區域的遠側所接收的電磁波，以便確定發射機和接收機之間的地質構造。
該中頻煤層內連續測量儀和斷層掃描儀還應用了具有窄的佔有頻譜帶寬的調頻信號。這些接收儀用鎖相環(PLL)技術對信號進行檢測。鎖相環接收器將信號檢測閾值適當地延伸到噪聲區，從而提高工作範圍。當煤層和異常構造之間出現較大的電氣差異時，使用該連續性成像方法。差異小時則可用斷屋掃描術。斷層掃描術可通過進行更多的空間測量來改善解析度，從而克服固有的雷達探測範圍的局限性。
潛孔探測方法將需要一個能使中頻信號在鑽孔間的煤層中傳播的鑽探計劃。在該方法中，煤層兩側鑽以多個鑽孔。發射機和接收機探頭插入該煤層相對兩側的鑽孔中，並對從煤層的一側到另一側的信號衰減進行測量。將接收機和發射機置於潛孔內部多個不同的標高位置，通過發射機和接收機之間的聯繫產生一系列數據點，從而形成縱斷面圖;又通過改變發射機和接收機的位置並使他們從一系列鑽孔之一側轉至另一側則便形成橫斷面圖。測量信號的衰減、路徑的衰減和相移，並將測量值與計算值相比較，以確定是否出現煤層異常。另外，這些數據可由計算機輔助成像技術加以重建，以便產生表示該煤層的圖象。當檢測到斷層時，在原鑽探計劃的鑽孔間的平分點上再鑽一些鑽孔，進一步記錄數據以確定斷層的位置。煤層內成像技術的實施方式是與置於地表面成像技術相似的，只不過在實施煤層內成像技術時，發射機和接收機被置於靠近煤層的排水和迴風巷道之中。
此外，這些儀器通過檢測煤層中失火的掘進工作面，以用於提高採掘的安全性。煤層失火會影響煤層的導電性，因而可用與檢測煤層異常相同的方法對其進行檢測。在已知存在失火的地方，採用煤層內檢測方法以確定失火的位置，這便可控制失火現象。在另一個應用中，用小型接收機或無線電收發兩用機裝備礦工，這樣便可建立與陷於困境的礦工的通信聯繫。通過在陷於困境的礦工所在的可疑區域中鑽孔，該潛孔儀器能激活該煤層傳播窗，且可用來與陷於困境的礦工取得聯繫。
由成像技術產生地層異常的圖象顯示是本發明的一個優點。
可實現縱向掃描以形成所研究的地域的縱向圖象是本發明的一個優點。
選擇適當的採煤方式可使生產成本降到最低限度是本發明的另一個優點。
本發明再一個優點是使用最少的設備和最少的鑽孔便可實現成像。
本發明還有一個優點，即用相當低的發射機功率便可實現成像。
本發明再一個優點是通過在工作期間對地質異常的檢測，採煤的安全便可得以改善。
本發明又一個優點在於可由本發明來檢測由河道沙衝刷所造成的部分衝蝕。
可由本發明來確定頂板/底板巖石的狀況是另一個優點。
本發明又一個優點在於，可使用本發明的儀器與陷於困境的礦工取得聯繫，從而增進了採礦的安全性。
本發明再一個優點是可用本發明確定煤層失火的方位。
本專業普通技術人員，在看完下面如諸附圖所示的最佳實施例的詳細說明後，無疑會清楚地認識本發明的這些其他的目的和優點。
圖1為用於本發明的煤層內接收機的正視立面圖;
圖2為用於本發明的煤層內發射機的正視立面圖;
圖3為本發明所用的潛孔探頭的部分剖視圖;
圖4為圖3所示的潛孔接收機和發射機探頭的標準化組件的原理圖;
圖5為煤層理想化的剖示圖，圖中表示了供煤層內斷層掃描儀所用的圖1中的接收機和圖2發射機的位置;
圖6為煤層理相化的剖視圖，圖中表示了多個靠近該煤層的鑽孔，潛孔中的探頭和地表面設備均處於應有的位置;
圖7描述地層的一個平硐調查區域，其中接收機從兩個不同的位置與發射機通信;
圖8為場信號強度與(離發射天線)徑距關係的測量記錄圖;
圖9為地質層的垂直方向成像的圖解說明;
圖10A和10B描述垂直的雷達信息圖(RIM)沿橫貫地層的鑽孔的測量結果，其中圖10A描述斷層掃描術的衰減率與頻率的關係，而圖10B為衰減率等厚線圖;
圖11為各種物質的電參數的圖解說明;和圖12為應用本發明檢測石油產品的圖象說明。
圖1描述一個供礦層內斷層掃描術成像用的輕便型連續波中頻(CWMF)接收機。這裡所用的斷層掃描是一個通用術語，它表示應用中頻(MF)信號使煤層構造成像的電磁過程。該成像過程可應用或可不應用斷層掃描術算法。以標號10所指示的接收機是屬於單向變換型的、超外差式的、其頻率範圍為100至800千赫芝、可以5千赫芝的增量調諧。接收機10被設計成能自動地測量一發射信號的場強，並將該所測場強轉換成數位訊號，以備下一步數據處理之用。接收機10包含調諧環形天線11，距離記錄鍵盤12、磁帶記錄器13和場強顯示器14。
圖2描述由標號20指明的連續波中頻發射機。發射機20系乙類發射機、其頻率範圍為100至800千赫芝，可以5千赫的增量調諧。發射機20的輸出功率為20瓦。該功率在520千赫芝頻率下取決於傳播介質足以達到至少1550英尺的距離。發射機20裝有調諧環形天線21。如同下面所說明的並在圖4中所描述的那樣，發射機20和接收機10被製成適合煤層內使用的構型。接收機10和發射機20除了能有接收和發射連續波信號能力以外，發射機20還進一步設計成能產生和發射窄帶調頻(FM)信號，而接收機10進一步設計成能接收窄帶調頻信號和解調那些信號。這種能力可供相移測量使用，它在檢測地層異常並使之成像中給出一些附加的有用數據。為進行這樣的測量，必須將基準信號從發射機20送至接收機10。該信號經由纖維光纜22發送，如圖5所示。纖維光纜22經由基準光纜連接器24與接收機10相連，並通過連接器21與發生機20相連。
煤層內成像需要貼鄰該煤層的通道。如同前進式長壁開採法中尚未開挖排水和迴風巷道的情況下，或礦層深度為中淺同時具有良好的地表鑽探特性的情況下，便可應用置於地表面的使用潛孔探頭的成像方法。圖3描述潛孔探頭或探測器的一般構型，探頭由標號30所指明。探頭30為圓柱形構型，以便插入標準尺寸的鑽孔中。探頭30包含一空心結構的外圓筒37，其直徑約為二又四分之一英寸。圓筒37可由各種材料製作，在最佳實施例中它是由可被電磁輻射透過的材料如纖維玻璃之類製成的。可旋轉地安裝在圓筒37內部的是一個支承架40。支承架40是一個開有軸向槽42的實心圓柱，其兩端是一對相對應的平坦表面43。兩平坦表面43上分別安裝以一組合式電路板，它包含天線方位控制裝置44、數據機45，以及取決於希望該探頭具有接收能力還是具有發射能力而包含接收機46或發射機47。調諧環形天線48的導體位於軸向槽42之中。由於通過調諧環形天線48的無線電傳輸的方向性，必須提供適當的裝置，以便用機械方法調整接收機和發射機探頭的各相關天線的方位、並使其共平面對準。藉助於傳動電機49轉動外圓筒37內部的支承架40便可實現上述目的。傳動電機49被安裝到圓筒37的近端，並用機械方法與支承架40相接合，從而使支承架40可在圓筒37內作完整的360度旋轉。在最佳實施例中，傳動電機49的動力是由安裝在支承架40的近端恰在傳動電機49下方的6節鎳鎘電池50所提供的。也可經由潛孔提供以交流電能，並在探頭上進行整流以產生供探頭線路所需要的直流電壓。圓筒37的遠端由端蓋51、近端由端蓋52而密封。端蓋52包含一個標準的四芯插座53，其中插有電纜54。電纜54是連接探頭30和地表面設備的裝置，並通過該電纜為成像過程發送數據。供潛孔接收機30用的地表面電子設備包括一個信號強度顯示器/記錄器，一個數據機和一個當探頭以調頻方式工作時而用以發送探頭之間基準信號的無線電發射機/接收機。
為保證探頭位於鑽孔的中央，如圖3a所示在探頭上裝有鑽孔探頭定中心裝置。這個定中心裝置包含一個固定在探頭近端端蓋52上的近端端蓋55。端蓋55中心有小孔，電纜54可從該孔中通過。套管56緊貼地圍繞探頭30的外圓筒40的遠端。既固定在端蓋55上、又固定在套管56上的是3至4條帶57。這些帶57是由高強度彈性材料如薄不鏽鋼之類製成。帶57受預壓應力作用而彎曲成向外凸出的形狀，以接觸鑽孔的內壁。帶57的彈性足以迫使探頭30處於鑽孔的中心，並便於使該探頭沿鑽孔而下。
最佳實施例設相潛孔探頭30和煤層內使用的儀器10和20這兩者的組件的標準化設計。這樣，生產成本降低了，且維修和保養也簡單了。圖4為表示這種標準化設計的組件的通用的方框圖。
表1為標明這些標準化組件的設備鑑別表，表2為表示各潛孔探頭30和煤層內儀器10和20的組成部分的構型組合行列表。
表1標準化組件 鑑別A1 接收機A3 發射機A10 (指令控制與通訊)C3數據機A13 顯示器/記錄器B6 鎳鎘電池調諧環形天線機殼C1 潛孔C2 觀察孔表2構型組合行列表儀器 A1 A3 A10 A13 B6 C1 C2潛孔30發射機 1 1 1 1接收機 1 1 1 1地表面 1 1礦層內(10或20)發射機 1 1 1接收機10 1 1 1 1在下表3至7中表示設備技術規格的實例。表3描述該系統總的工作參數。表4和5分別說明發射機和接收機的技術規格。表6描述發射機和接收機的天線特性，而表7則給出數據機的技術規格。
表3系統技術規格信號發送型式 連續波(CW)和窄帶調頻(FM)頻率放釋 100至800千赫芝調諧 5千赫芝增量波峰偏移 100赫芝調製頻率範圍 200赫芝環境工作溫度 -40至80℃探頭 500磅/平方英寸表4發射機型式 互補乙類組件說明 A3頻率範圍 100至800千赫芝調諧 5千赫芝增量輸出功率 20瓦波形平頂性(flatness) ±1/2分貝射頻負載阻抗 50和200歐姆電壓駐波比(VSWR) 最大3∶1混頻器振蕩器 10.7兆赫芝信號振蕩器 100赫芝電源要求工作電壓 9至15伏(直流)需要電流 3.5安培連接器型號 Molex輸出功率 2陶瓷可變電容器(VCC) 1接地 1纖維光纜 1
表5接收機型式 信號轉換 超外差組件說明 A1頻範圍 100至800千赫芝調諧 5千赫芝增量中頻(IF)頻率 10.7兆赫芝電源阻抗 50歐姆靈敏度 0.1微伏(對於12分貝信噪比和失真比(Sinad))中頻(IF)頻率 10.7兆赫芝靈敏度3分貝帶寬 最小200赫芝70分貝帶寬 1千赫芝音頻靜噪 最小50分貝非靜噪 30分貝(100微伏)負載 8歐姆頻率響應3分貝 10、70、100赫芝伏特計型式 與發射機本機振蕩器同步量程 0至360度表6天線型式 調諧環形天線頻率範圍 300至800千赫芝匝數 11磁矩潛孔型 8安·匝·米2在20瓦下輕便型 8安·匝·米2在20瓦下定位型式 磁通閘間羅盤(潛孔)表7C數據機型式 曼徹斯特編碼格式1B位碼功能電源 開/關天線位置 指令±30在設有煤層直接通道的地方，使用插入沿該煤層周圍的一系列鑽孔中的潛孔探頭而進行表面成像。該方法在圖6中表示。
煤層的成像是建立在煤和異常結構具有不同導電率的基礎上的。巖石的導電率比煤層的導電率大幾個數量級。調諧環形發射天線的垂直定向產生一個水平的磁場Hφ和一個垂直的電場Ez。這些場在該煤層的這一高度上幾乎是不變的。在離天線的徑向距離大的地方，這些場便以由有效衰減常數α所確定的比率按指數法則衰減，該比率取決於在煤和巖石這兩種介質中的損失，和煤的介電常數。可預料該衰減率隨著煤層厚度的減小、煤層導電率的增加和相對介質常數的增加而增加。衰減率隨巖石導電率的增加而減小。衰減率還取決於該發射信號的頻率和該煤層的水分。Emslie和Lagace兩人的測量結果指明，煤中的衰減率約4分貝/100英尺。這構成了煤層連續性成像方法的基礎。
調諧環形天線按下述方程式(1)激勵該低損的天然煤層傳播模的信號Hφ＝→Mf(rαhεcεr)(1)式中M是發射天線的磁矩，r是發射機天線到接收機天線的距離，α是衰減常數，h等於煤層高度，εc和εr分別是煤和巖石的介電常數，而σc和σr分別為煤層和巖石的導電率。
磁矩M本身取決於發射功率P和帶寬BW，如式(2)所示M=CPoBW]]>(2)這些式子一起表明調諧環形天線將激勵天然煤層傳播模的磁矩，從而提供最大磁矩結果產生最長的距離。窄系統帶寬還導致接收機靈敏度的提高，10分貝中頻信噪比S10dB由式(3)給出S10dB＝-164+10log10BWIF+10log10NF(3)式中BWIF是信號的中頻帶寬，NF是接收機的噪聲數值。
因而式(3)表示靈敏度隨帶寬的減小而增加。式(1)、(2)和(3)的結果表示，連續波中頻(MF)信號對地球物理勘測儀器是最佳的。這是因為這些信號的窄的帶寬，造成在煤中的信號傳播衰減率最小(式(3))，且磁矩最大(式(1)和(2))的緣故。其淨結果是在某一特定輸出功率下，這些儀器的工作距離達到最大。
該成像方法依賴於所計算的信號強度和由連續波中頻(CW，MF)儀器確定的所測量的信號強度相比較。分析所計算的信號強度有助於理解該方法。為了提供該成像方法的基線讀數，前面提到的式(1)用於計算在特定煤層中的預期的信號強度。在該特定煤層測量各種參數並將這些結果應用於式(1)，便完成上述計算。
該所傳播的信號在遠側接收機中被接收。沿一斷層的煤層路徑傳播的波會因「有效」煤層導電率增大、或該煤層高度減小，而導致較大的衰減率。因而比較被接收信號的數量級便可檢測出路徑異常。另外，中頻信號的折射率在純煤中變化緩慢，因而這些信號行進在直線路徑上。在囿於導電率更高的上和下巖石的平面煤層中橫向電磁(TEM)傳播線型模在煤中的傳播取電場是垂直而磁場是水平的平行平面的形式。如巖石之類的煤層異常其折射率不同於煤，因此在較大程度上偏離該信號路徑。這些窄帶調頻信號可供這種路徑衰減測量之用，從而提供檢測異常地層的第二種裝置。最後，沿著該路徑的調頻信號的相移也表示在該煤層內部有異常地層之存在。
當希望獲得較高的解析度時，使用斷層掃描術而不使用連續性成像技術。通過使用最小衰減率的頻率和進行更頻繁的空間測量，斷屋掃描術便產生高解析度。在發射機和接收機的各空間方位測量衰減率，並運用計算機輔助的成像技術對這些測量結果數據點進行分析，以便產生表示該異常現象的圖象。
為獲得良好的解析度，發射機和接收機之間的距離應該大於ic/2π，式中ic為在煤中的該信號波長。因此，對於最佳實施例的520千赫芝的傳輸頻率來說，在煤中的波長為97.7米，則最小的相隔距離為15.56米。
因此如圖5所示，煤層內斷屋掃描術是用輕便型巷道接收機10和發射機20、按照為達到最高解析度所確定的方式而實施的。發射機20的調諧環形天線21的設計，使其以在300至800千赫芝範圍內的某一預先選定的波長下激勵自然煤層傳播模的水平磁場分量(Hφ)，從而產生在給定輸出功率下的最大場強。接收機調諧環形天線11被置於與發射機天線21共平面對準的方位，以保證最大的場強。為產生最高的解析度，使這些儀器間的距離大於15.56米。在最佳實施例中，煤層寬600英尺(200米)，因此可保證足夠的間距。可以看到煤層70其內包含巖/砂棚74。巖/砂棚74的作用如同電磁輻射確定的礦體並引起傳播信號的衰減。因為斷層掃描術使用為發射機輸出功率最小創造條件的最低衰減率的信號頻率，排水和迴風巷道不要包含連續的電導體是一件重要的問題。這樣的導體會產生幹擾接收信號電平測量的次級磁場。在斷層掃描術的煤層內勘測中為獲得足夠的解析度，必須通過空間測量收集大量的數據。其實施方法如下對於排水巷道78中的發射機的每個位置，在迴風巷道76中某些特定的位置(標誌為X0、X1…Xn)作一系列接收信號電平測量。同樣，發射機20被置於排水巷道78內部的一系列特定的位置(標誌為Y0、Y1…Yn)，而接收機10置於迴風巷道76中的這些相應的位置。接收機在巷道中的各個位置上，用距離記錄鍵盤12輸入表示相對於發射機的接收機位置的座標。這些座標，連同這些所測量的接收信號值，被轉換成數位訊號並存儲在磁帶上。在重建這些數據中，對於發射機和接收機的位置變化這些信號強度的測量結果可被校正。發射機和接收機位置的縱向間距由所要求的圖象解析度確定。合成的接收信號數據被轉換成數字形式並存儲在接收機10的盒式磁帶13上，並可用以計算機為基礎的斷層掃描術算法對這些數據進行分析。這種計算機輔助成像算法將提供煤層構造的詳圖。計算機產生的數據也可包含輸出煤層參數(導電率、灰分含量等)的列印裝置，及供礦山計算機圖象終端使用的數字磁帶。
置於地表面的煤層成像設備的布置成如圖6所示。待成像的煤層由標號80表示。圖中可見斷層82存在於煤層的內部。在應用以置於地表面的成像方法時，採用周邊勘探規約，沿長壁開採盤區的周邊鑽下多個鑽孔84。在最佳實施例中，採用10孔鑽探計劃可使總寬度1200英尺、長度6000英尺的兩個相鄰的長壁開採盤區成像。這樣的一個粘探計劃將會檢測到在這些盤區內部的煤層異常。如果在該盤區內檢測到斷層，那末就需要採取集中勘探策略，以確定斷層的方位。實施這樣一個勘探策略的方法是在該盤區周邊內鑽孔之間的分點上鑽孔，以確定斷層的位置。煤層的地表面成像方法的實施方式是與煤層內成像方法相似的。在沿長壁開採盤區的周邊已鑽成一系列鑽孔之後，在地表面探頭30便插入鑽孔84、插到由巖心樣品所確定的煤層深度。圖6描述導致煤層一頭比另一個深的垂直位移斷層。因為信號勢必通過煤層傳播，所以接收機探頭30被置於煤層內，但不必置於和發射機探頭30相同的深度。包括接收機探頭和發射機探頭的潛孔探頭30被插入相對應的鑽頭84之中。藉助於位於潛孔探頭端處的傳動電機49，使接收機和發射機的天線部分48以同平面的方式對齊。通過使用包含遙測和控制設備以及一數據機的地表面控制單元，對天線方位進行測定和控制。這些單元，連同探頭控制設備和電纜線路一起安裝在礦車86之中。連續波中頻(CWMF)或調頻信號傳播方式與煤層內成像方法中的信號傳播方式相似，因而也可對衰減率和/或相移進行測量。上述過程，對於每一個鑽孔84內的接收機探頭30和發射機探頭30都須反覆進行測量。
這一地表面成像方法也可在一地下表面上來實施。這種情況發生在從現有的已採煤層起著手進行更低層的煤層勘探。於是現有煤層的底便變成表面，從該表面鑽鑿鑽孔，以便勘探更低層的煤層。潛孔探頭30被插入這些鑽孔中，並按照通常地表面勘探方式進行測量。
分析合成連續性數據，以便確定是否存在衰減率增加的區域。這樣一些區域表示斷層區域或其他地質異常。如果鑽鑿足夠多的孔，那末就可運用計算機輔助斷層掃描成像技術分析這些數據，以便產生相同於用煤層內成像方法所產生的圖象結果。
另外，使用連續波中頻的連續性測量，可測定底板/頂板巖石的特性，該方法除了為測量煤層頂板的條件而將接收機和發射機探頭30放置於該煤層頂板之上外，是與潛孔煤層連續測量類似的。於是這些信號便通過該周圍巖石傳播，並可測量這些信號的衰減。由此，關於巖石的類型及其生成的頂板/底板條件便可被測量。
其中在垂直平面上測量衰減率的垂直成象也是重要的能力。通過在地質調查中確定沿直線途徑的電磁波的綜合傳播係數(衰減率)，便可實現成像。衰減率取決於傳播介質的電體系(介電常數、磁導率和電導率)。在一均勻介質中其衰減率理論上是已知的，且已知在地質擾動區域衰減率有變化;也已知在斷層區域由於化學礦化作用結果產生電導率增加的局部放礦溜口使衰減率增加，在積水平硐電導率增加因而其衰減率也增加。在被充氣平硐貫穿的區域，和在鄰近巖石結構因採掘平硐而造成爆破裂隙所產生地質擾動區域衰減率減小。
本發明的無線電成像方法可供評估垂直平面中的地質構造。應用具有適用的斷層掃描術算法的本發明方法，便可用圖解方法重建橫斷該成像區的化學礦化作用的礦區和平硐。例如在地質構造中有平硐的地方，重建圖象顯示在環繞該平硐的巖石中可檢測到地質擾動的凹地。在這樣一個環境中可設置多個鑽孔。然後將潛孔無線電發射機置於一鑽孔中，而潛孔無線電接收機則置於第二個鑽孔之中。每個孔有許多測量站(例如25個測量站)，各自在不同的垂直標高位置。利用各鑽孔中25個測量站，例如可進行625次接收機測量，而這些測量可用於測定在各點沿著潛孔發射機和潛孔接收機之間路徑的平均衰減率。然後這些數據可用計算機斷層掃描術算法加以收集和分析，依次測定這625個單元所包含的作用距離的整個垂直圖象面中的每一個單元的衰減率。
地質構造的垂直測定將展現諸如平硐、空隙和化學礦化作用礦區等的異常現象的圖像。實驗已表明;沿著直線路徑傳播的電磁波成像信號傳播的正確模型主要是一個呈現球形傳換的平面波。電磁(EM)準平面波的磁場分量，其數學表達式為Hφ＝C (e-αr)/(r) (4)式中r為離波源的徑向距離(英尺);α是衰減率，用每百英尺分貝數表示;而c則為常數。
在進行實驗時，如圖7所示，接收機測量是沿著平硐的中心線進行的。發射機位於一精選的鑽孔中時，所測量的數據如圖8所示，在地下平硐中的平均衰減率為每百英尺16.8分貝，接近每百英尺18.6分貝的理論上的衰減率。在圖8中通過分析推定求得係數「c」，其值為185。實驗是以300千赫的成像頻率在片巖介質中進行呈現波長為305.7英尺。該波長比鑽孔和平硐的直徑大得多，所以由反射作用機制而引起的傳播幹擾可忽略不計。此外，平硐截止頻率約為22兆赫，因而就不存在潛在的產生測量幹擾問題的平硐波的傳播問題。在校正測量數據20log Hφ(見圖8曲線A)、20log r(見圖8曲線B)作為球形傳播的效應之後，最後所得到的線C的斜率等於在該片巖介質中電磁波的衰減率。因此，平硐的存在有助於測定半均勻介質中的波傳播的特性。
圖7和圖9用圖解方法說明由總標號100所指一地層的垂直成像平面的構成。在地層100中的不同位置鑽鑿鑽孔101和102。這些鑽孔確定該再建圖的垂直邊緣。在潛孔101內部設定了多個潛孔發射機探測站106的位置，而在潛孔102中設定了多個潛孔接收機測量站108的位置。每一潛孔有多個發射機站，如圖9畫了25個站因而可有625個測量值。在收集數據過程中，潛孔發射機30首次設置在潛孔101內部的第一站106，潛孔接收機設置在潛孔102中的第一接收機站108。在這些位置，成像信號從發射機位置106發送到測量信號電平和相位的接收機測量站108。然後，潛孔接收機站移至鑽孔102中的第二接收機站108，且再進行一次測量。對於鑽孔102中其餘接收機站3至25中的每一個站，該過程均重複進行。然後，潛孔發射機移至鑽孔101中的發射機站2，並對鑽孔102中的接收機站1至25的測量積累數據。然後，潛孔內發射機依次設置在鑽孔101內部的發射機站3至25，並重複這個過程。圖9中為描述起見，電磁信號的直線路徑110被描述為從每個發射機站106至多個接收機站108的投射。例如每個發射機站確定了一個至各個接收機站的電磁波直線路徑圖110。
進行勘察過程中，一對鑽孔之間的所有測量結果均被收集後，潛孔發射機30可移到另一鑽孔中。為便於說明問題，圖7表示地質調查區域100內部的平硐調查區，圖中示有鑽已101和102。當可能相隔100米的鑽孔101和102之間圖象被編制後，潛孔發射機可移到鑽孔112，而且包括直線路徑110的成像面再次在鑽孔112和102之間被確定，這兩孔可能相隔30米或30米以上。最好能精確地知道鑽孔101、102和112內部的發射機站和接收機站的垂直距離和定位。使用鋼繩絞車測量裝置，可實現上述目的，其結果從套筒鑽孔101、102、112等的頂凸緣至各測量站的垂直距離便精確地被測定。
在實施該方法時，接收機可降落到鑽孔102頂部附近被指定為測量起始站108的某一特定的深度。配對的潛孔發射機降落在潛孔102或112內部的相應站106。在各發射機站106，發射天線被置於垂直平面中，且在如圖9所示的直線路徑110上的激勵電磁波傳播。該天線是在垂直面上形成調諧諧振迴路的小磁偶極子。同樣，接收機有小磁偶極子天線，該天線在垂直面有諧振迴路。
因具有調諧諧振迴路天線，發射機便在接收機站處產生被配對的調諧迴路天線所接收的水平磁場分量。直線路徑110的磁場分量切割調諧諧振迴路接收天線，感應由鑽孔102中的接收機所測量出來的電動勢(EMF)電壓。該電壓值是在實際磁場分量值的校正係數範圍之內。該電壓極其小，是用1毫微伏以上所對應的分貝進行測量(記錄)的。電磁波沿著每個徑向直線路徑、從潛孔發射機傳播到潛孔接收機時，電磁波與介質起作用，產生可測量到的能量損失。其結果，磁場分量的強度隨著沿路徑的距離而衰減。沿著直線路徑(遠場)，佔支配地位的磁場(Hφ)分量由下式給出Hφ＝C (e-αr)/(r) (4)磁場分量的衰減部分是由電磁波離開電的短磁偶極子天線而傳播的該波的球形傳播而造成的。用式(4)的分母中距發射天線的徑向距離(r)的一次方表示球形傳播。常數c取決於發射天線的磁矩(NIA)，並由下式給出
式中K為該環形天線的面積係數;
N為該環形天線中的匝數;
I為在環形天線中流動的峰值電流;和A為該天線的面積。
式(5)的右邊表示磁矩(M)對發射機功率(P)和天線帶寬(BW)的依賴關係。發射功率增加10倍，磁矩增加10分貝。式(4)中的係數c取決於介質100的電導率(a)。沿路徑的衰減還強烈地取決於電磁波在介質100中的衰減率(α)。平面波的衰減率在數學上表示為α=ω ［μoε2(1+(σεω)2+1)］12]]>(6)式中ω為RIM信號的角頻率;
μ0為介質100的磁導率(例如對非磁性巖石μ＝4π×10);
ε＝εrεo，為介質100的介電常數(對頁巖ε＝10，ε= 1/(36π×10-9) ;和σ為介質100的電導率(姆/米)對於每個潛孔接收機位置，以1毫微伏以上的分貝測量和記錄從發射環形天線出發的諸直線路徑的各終端的信號。然後按照計算機斷層掃描術算法，收集和分析這些測量數據。如圖10A所示，衰減率取決於介質的電導率(姆/米)。在300千赫以下，衰減率對介質的電導率極敏感。如圖10B所示，斷層掃描術算法測定該垂直勘測面中的衰減率。
這些衰減率數據用於畫等值線程序，以便畫出圖面中等衰減率的等值線，這些等值線以每百英尺一分貝遞增。如圖10B的等厚線圖所示，這些等值線重建地質構造的圖象。在30和100米掃描中，圖象單元分別可為5英尺×3.9英尺，和5英尺×13英尺。圖10B的左面表示該礦區等衰減率的等值線，在圖的右面所示為一個在另一個之上的三個平硐。
簡要說明在略微導電的介質中電磁波傳播理論的某些方面也許是有用的。電磁波發射天線為電短路磁偶極了。磁矩(M)向量處於水平面。磁偶極子天線產生遠場環形天線圖案，而實際天線的平面處於X-Y平面。該天線產生徑向磁場向量(Hr)，水平磁場分量(Hφ)和電場分量(Eφ)。在自由空間這些場方程式如下Hφ=MB34π［－1(Br)-1j(Br)2+1(Br3)］e-jBrSINθ]]>(7)Hr=MB32π［-1j(Br)2+1(Br)3］e-jBrcosθ]]>(8)Eφ=MB44πω εo［-1(Br)-1j(Bt)2］ejBrSINθ]]>(9)式中B＝2π/λ(弧度/米)。
當r變大時，包含r-1的諸項便成為主要的，因而從式(7)得到遠場的磁場項為Hφ=[ (MB2)/(4π) ] (e-αr)/(r) ;θ=90°(10)括號裡的這一項在數學上表示式(4)中的那個係數。
在鑽孔天線附近，佔支配地位的場強是磁場。因而該天線的近場能量儲存在其磁場之中。作為比較，如果天線結構是短電偶極子，那末類似式(7)至(9)的兩套方程式在數學上確定近場分量HφEφ、HrEr、EH，而且電場項Eφ和Er是主要的。這些電場項使電流密度J＝E在極靠近該天線的介質中流動，導致顯著的能量耗散，結果形成很短的且不可接收的成像系統。因而我們可看到在地下成像中採用電的短磁偶極子天線的優點。
圖11描述採用300千赫成像頻率所預期的典型地質材料電特性值的範圍。為比較起見，平面電磁波在湖水、片巖和煤介質中的衰減率(α)是根據式(6)計算的，並表示在表A中。
表A.
300千赫平面電磁波在單一介質中的衰減率電導率(姆/米) 分貝/百英尺10-2(湖水) 26.484×10-3(頁巖) 18.64×10-4(煤) 7.88表A表示在片巖中的衰減率接近18.6分貝/百英尺。相移率可由下式確定B=ω ［με2(1+(σεω)2-1)］12]]>(11)
在煤和片巖介質中傳播的平面波的波長(λ＝ (2π)/(B) )和趨膚深度(δ＝ 1/2 )表示在表B中。
表B單一介質中的波長和趨膚深度電導率 波長(λ) 趨膚深度(δ)(姆/米) (米/英尺) (米/英尺)4×10-3(片巖) 93.22/305.7 14.2/46.64×10-4(煤) 395.2/1296 33.6/110.2在平硐中各點測量磁場強度(Hφ)。這些測量是當發射天線在鑽孔101中時進行的。這些測量是用調諧迴路天線和輕便型場強計進行的。該天線的輸出電壓被測量。例如，表C舉例說明在天線輸出電壓不變的條件下所測的平硐內部的場強。
表C在平硐內部測量的場強(1毫微伏對應的分貝)測量 近似距離 巖巷中心場強(英尺) (每毫微伏分貝)1 300 85.62 250 823 200 864 150 1015 100 1116 50 1237 50 131在圖8中把這些測量值(20log10Hφ)畫成曲線(點劃線表示的曲線)。
假設遠場發射狀態，這些測量應符合式(4)的對數形式，即20log10Hφ＝20log10［ (ce－αr)/(r) ］＝20log10c-αr-20log10r。(12)在圖8中另畫了兩條曲線，以便從這些測量值能定出c和α。在上面的這條曲線(虛線加「+」號)是在各測量數據點上加球形傳播係數(20log10r)而繪製的。對於離發射天線的距離r超過以下值，即r＞ (λ)/(2π) ＝ 305.7/6.28 ＝48.67′(13)所作的測量，該曲線是線性的。
當r＞100英尺時，所繪製的線近似於線性，其斜率為16.8分貝/100英尺。這似乎進一步證實RIM圖象信號在片巖介質中呈強的球形傳播。所測的衰減率是與表A中給出的預期在頁巖中的衰減率一致的。可以看出，常係數的值為185分貝/毫微伏)。
在均勻片巖介質中，將式(12)代入式(10)中帶括號的項中，便可用分析法求得常數c。該天線耦合常數的數學表達式為C＝ (Mμoσf)/4 ;σ＞ωε(14)式中σ為該介質的電導率;
μO為磁導率;
ε為介電常數;和f為成像信號的頻率。
在非磁性的巖石中，磁導率在自由空間保持不變，其值為4π×10-7。成像信號頻率(f)和天線磁矩(M)也是不變的。耦合係數與片巖介質的電導率(σ)成正比。還可以證明，該係數與在這些介質中的該信號波長的負二次方成正比。片巖介質相對於煤介質的波長比由下式給出，即K＝395米/93米＝4.24。這表示相對於煤層中求得的c值增加20log10K＝25.12分貝。在煤中測量的c值為160，因而預期數值185與所測得的片巖中的c值十分接近的。
垂直成像，即在垂直平面中測量衰減率，正如在此所教導的那樣，可以供斷層的斷層掃描術圖象的垂直重建之用。因為在地下環境中、化學礦化作用發生在這些斷層區域，所以垂直成像對於硬巖石開採也是一種重要的探礦手段。
垂直成像方法也可應用於儲氣層和儲油層的分析。如圖13所示，因為滲砂油層的電導率，在其連通的孔隙中充滿油或天然氣時減小，而在充滿水時則增加。儲油層和儲水層之間的電導率的明顯差別，使衰減率和相移率顯著地改變貫穿不同介質的電磁波直線路徑。
雖然通過這些最佳實施例對本發明作了說明，但是本發明並不限限於所公開的內容。在看完本說明後，本領域的技術人員無疑可作各種變更和修改。因此，所附的權利要求
意圖包羅符合本發明精神實質和屬於本發明範圍之內的所有這些變更和修改。
權利要求
1.一個用於在地下地層中的一個垂直面上使地質異常成象的方法，其特徵在於包括如下步驟-在所述地層周圍鑽鑿多個位置彼此運離的潛孔；-在所述潛孔的第一鑽孔內安置一臺具有大約在100KHz至800KHz中頻範圍內發射連續波能力的發射機，該發射機包括一電的短的磁偶極子天線，使電磁波通過所述地層傳播；-在所述潛孔的第二鑽孔內安置一臺具有在約為100KHz到800KHz的中頻範圍內接收連續波能力的接收機，該接收機包括一根用以接收由所述發射機發射而傳送的波的直立調諧環形天線，所述接收機還包括用於測量和記錄所述被接收的傳送波的多種特徵的測量和記錄裝置；-順次地改變所述第一鑽孔由所述發射機的標高至不同的發射站；-在每個發射站，發送多個連續波中頻波，所述波以球面傳播和具有一個向前傳播的水平磁場分量形式傳送並由所述接收機的天線接收；-測量接收到的水平磁場分量的多種信號傳輸特性；-計算通過所述地層傳播的信號的多種期望的信號傳輸特性；及-將上述計算得到的信號傳輸特性同所述測得的信號傳輸特性進行比較並藉助斷層掃描重建術來產生所述垂直地層結構的地理圖象。
2.根據權利要求
1的方法，特徵在於還包括當所述發射機位於各發射站的同時，在所述第二鑽孔內順次地改變所述接收機的標高至各個接收站這樣一個步驟。
3.根據權利要求
1的方法，特徵在於還包括如下一個步驟預先確定各發射機站間的距離並順次地將所述發射機移到所述預定發射站。
4.根據權利要求
2的方法，特徵在於還包括如下一個步驟預先確定各接收機站間的距離並順次地將所述接收機移到所述預定接收站。
5.根據權利要求
1的方法，特徵在於還包括如下一個步驟以所述發射機位於每個發射站的同時，順次地改變在所述第二鑽孔內的各個所述接收機的標高的增量至不同的接收站。
6.根據權利要求
5的方法，特徵在於其中發射機變化的每個增量基本上等於接收機變化的各增量。
7.根據權利要求
2的方法，特徵在於還包括以下步驟-從所述潛孔的第一鑽孔取出該發射機;-將該發射機放在所述潛孔的第三鑽孔內，並在所述第三鑽孔內順次地改變所述發射機的標高至不同的發射站;-在所述第三鑽孔內的每個發射站，發送多次發射的連續波中頻波，所述波具有一種向前傳播的水平磁場分量的傳播並被所述接收機的天線接收;-測量接收到的水平磁場分量的多個信號傳輸特性;-計算通過所述地層傳播的信號的多個期望信號傳輸特性;和-將所述計算得出的信號傳輸特性同所述測量得出的信號傳輸特性進行比較並藉助斷層掃描重建術來產生所述垂直地層結構的地理圖象。
8.根據權利要求
1的方法，特徵在於其中所述電的短的磁偶極子天線是一個直立調諧環形天線。
專利摘要
用於探測存在於地層中的地質異常的裝置和方法。該裝置包括中頻連續波窄帶調頻發射機和接收機對。兩儀器的構型是用於插入鑽孔的潛孔儀器。提供了通過信號衰減、路徑衰減和信號相移來探測異常情況的勘測方法。在鑽孔內的不同深度上的連續測量儀，為判定各種異常情況的存在提供了數據。運用斷層掃描術提供了一幅異常現象的可見圖象。計算機輔助重建術提供了來自所產生數據的這類可見圖象。
文檔編號G01V3/30GK87104302SQ87104302
公開日1987年12月9日 申請日期1987年6月16日
發明者拉裡·G·斯託拉爾齊克 申請人:斯託拉爾公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan