跨孔電阻率CT反演成像影響因素分析研究

姬同旭,吳維義,李昌龍

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司,貴陽 550081)

巖溶地區工程勘察技術主要有工程地質調繪、遙感圖像解譯、鉆探、槽探、物探等。其中物探在巖溶勘察中為最主要方法。各種物探方法根據工作位置的不同,分為地面、孔內2種物探方法。而現有物探方法的局限性,對巖溶的規模、空間形態、位置以及填充情況的準確判定造成巨大困難,進而影響巖溶的處置方案。因此需一種新物探技術,其對巖溶的勘察,應達到高精度、高分辨率要求,同時滿足現場操作方便、工作效率高等要求。跨孔電阻率CT法,根據其工作原理,可較好地滿足上述要求?？缈纂娮杪蔆T法是一種把電極點放入鉆孔內進行測量的物探直流電阻率勘探方法,主要用于查明兩鉆孔之間的低阻巖土體,包括巖溶、破碎(軟弱)帶和巖土分界面等[1-2]。與地表電阻率探測相比,跨孔電阻率CT法具有顯著的優勢,被認為在精細探查領域具有良好發展前景。電阻率跨孔CT方法是從醫學CT引入的，可實現高分辨率地層參數信息的電阻率層析成像技術,最早由美、日學者提出,并開展了一定的研究工作[3]。國內的廣泛研究開始于20世紀90年代中期。目前，二維電阻率跨孔CT探測成像方法以應用研究為主,用于地層結構精細探查尚處于試驗研究階段,且主要集中于二維電阻率跨孔CT剖面成像研究,而對電阻率跨孔CT探測的效果影響因素等方面尚缺乏系統深入的研究,使得電阻率跨孔CT探測方法用于精細探測的可靠性難以保證[4-9]。在此背景下,本文的研究內容具有重要意義。

1 概念模型

1.1 二極裝置類型

該裝置是供電電極A在一個鉆井中,測量電極M在另一鉆井中。供電電極A由地面向下每移動一個極距,測量電極M均需完成所在鉆井的所有測點觀測,直至電極A逐點從首端移動到末端。二極裝置概念模型如圖1所示。

圖1 二極裝置概念模型Fig.1 Conceptual model of dipole device

1.2 三極裝置類型

采用的裝置為供電電極A與一測量電極M處于同一鉆井,測量電極N放置在另一鉆井中,測量過程是:保持電極A、M的間距不變,依次整體由首端移至末端,每移動一次,電極N需完成所在鉆井中所有測點的測量;當電極A、M移動至末端后,可根據實際情況更改間距,再次測量。三極裝置概念模型如圖2所示。

圖2 三極裝置概念模型Fig.2 Conceptual model of tripole device

1.3 四極裝置類型

圖3 四極裝置概念模型Fig.3 Conceptual model of quadrupole device

2 影響反演成像的因素

2.1 井間距對反演成像的影響

在文獻調研過程中發現井間距會影響井間靈敏度數值,因此通過控制井深不斷增加井間距來研究井間距的影響。模型大小為2 m×2 m,井間距l分別取12，16，20，30 m進行模擬,電極距大小設為1 m,每個井孔中布置30個電極,根據裝置的不同分別分析。

圖4分別使用二極裝置的單孔、跨孔和組合(二極)觀測在井間距分別為12，16，20，30 m時反演成像結果,反演經過5次迭代,結果均方根誤差均在3%～10%之間。從圖4中不難看出，單孔觀測反演成像主要特點是對橫向上的異常比較明顯,其隨著井孔間距的增大異常體的縱向分辨率變差,而二極裝置跨孔觀測成像結果的特點與前者有著相反的特點,其對于異常體的縱向分辨率好于橫向分辨率。同時,跨孔觀測成像結果在異常體的上下存在2個假異常。組合觀測反演成像是將以上兩者觀測數據組合在一起進行反演成像,在圖4中容易看出組合在異常體的形態上好于前者,其結合了單孔觀測和跨孔觀測兩者分辨率的特點,同時在異常體的兩側存在縱向平行的假異常。

隨著孔間距的增大無論是哪種二極裝置觀測其成像結果都在慢慢變差,特別是當孔間距為30 m時,跨孔觀測反演和單孔觀測反演結果的異常體形態發生較大變化,單孔觀測的反演結果同其他孔間距一樣在橫向上有著很好的分辨率,但在縱向上異常體被嚴重的拉伸,原本2 m高的異常體被拉伸到7 m;跨孔觀測反演結果對中間的低阻體的反應已經不太敏感,在異常體區域僅看到一個低阻圈,其在縱向仍然有很好的分辨率;組合模型的反演結果很明顯好于前者,其在異常體的位置、形態上和原始模型吻合較好,但是其與異常體真實電阻率相差較大。

(a)單孔不同井間距對比

(b)跨孔不同井間距對比

(c)組合裝置不同井間距對比

(d)同井間距不同組合裝置對比圖4 不同井間距反演成像結果比較Fig.4 Comparison of inversion imaging with different well spacing

2.2 不同裝置對反演成像的影響

圖5分別表示二極裝置、三極裝置和四極裝置在孔間距30 m情況下的反演結果圖。從圖5中的三種裝置的成像結果不難看出,在橫向上二極裝置較其他裝置更優,縱向上三極裝置和四極裝置的分辨率要好于二極裝置。說明造成二極裝置在孔間距為30 m時成像差的主要原因是井距增大使得對離井遠的區域“感知”降低?？偟膩碚f,四極裝置對于寬井間距的成像結果比較理想,而二極裝置和三級裝置整體上不理想。四極裝置在井間靈敏度數值會隨著單孔電極距增加而增加,這對于測量是非常有利的,這也為圖5中的結果提供理論證明。

2.3 測量電極距對反演成像的影響

在常規的高密度電法勘探中,電極距的大小設置關系到勘探測量的精度,在跨孔電阻率CT測量中同樣如此。設置孤立低阻體模型(2 m×2 m),低阻異常體電阻率為100 Ω·m,圍巖電阻率為1 000 Ω·m。

圖5 不同裝置反演結果對比Fig.5 Comparison of inversion results of different devices

圖6 單電極距測量反演圖像Fig.6 Inversion images of single electrode distance measurement

圖7 多電極距組合測量反演圖像Fig.7 Inversion images of multiple electrode distance measurement

圖8 跨孔+單孔組合測量反演圖像Fig.8 Inversion images of cross-hole and single-hole combined measurement

3 結論

本文從不同井間距、不同裝置以及不同測量電極距三個方面開展了跨孔電阻率CT法反演成像影響因素分析,并得到了如下結論。

1)單孔觀測反演成像主要特點是對橫向上的異常比較明顯,其隨著井孔間距的增大異常體的縱向分辨率變差,而二極裝置跨孔觀測成像結果的特點與前者有著相反的特點,其對于異常體的縱向分辨率好于橫向分辨率。

2)隨著孔間距的增大,無論是哪種二極裝置觀測其成像結果都在慢慢變差,特別是當孔間距為30 m

時,跨孔觀測反演和單孔觀測反演結果的異常體形態均發生較大變化。

3)在橫向上二極裝置較其他裝置更優,縱向上三極裝置和四極裝置的分辨率要好于二極裝置。說明造成二極裝置在孔間距為30 m時成像差的主要原因是井距增大使得對離井遠的區域“感知”降低。

4)跨孔電阻率CT測量時電極間距的選擇采用多電極距+單孔組合測量,電極距選擇孔間距的一半或略小。跨孔電阻率CT反演結果表明，無論在異常體的分辨率、假異常的形態、對于異常體位置和大小都有很好的成像結果。