一种可控源电磁探测地球深部地热资源的方法及系统

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种可控源电磁探测地球深部地热资源的方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

二氧化碳的大量排放使得温室效应严重，全球气温变暖，目前亟需寻找可持续能源替代化石燃料。地下深处软流层由地球内部热对流引起的可再生热能为人类的发展提供了新思路。

发明人发现，目前现有的地球物理勘探手段不能准确查明地下大于四千米深度的地质体，通过钻探去寻找地热的方式需要大量资金成本，性价比不高，且能源开采具有“一孔之见。”且电磁勘探多只测量接收信号从而进行反演获得地质体信息。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可控源电磁探测地球深部地热资源的方法及系统，本发明能够准确定位地下深处的热花岗岩及天然的导水裂隙，从而为后续的地热资源钻孔开发提供准确定位。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种可控源电磁探测地球深部地热资源的方法，包括以下步骤：

根据地质资料，确定岩石沉积类型，以及花岗岩的赋存范围；

获取向地下设定深度发射电磁脉冲信号产生的接收信号，多个横纵交错接收线处的三分量电场信号，通过横纵交错的接收线提高信噪比；通过对接收信号与发射电流的反褶积恢复地下介质的地电响应；

通过引入包括接收间距、偏移距的探测参数，将接收信号直接转换为契比雪夫波；

对比两种方法获得的结果，解译花岗岩及周围裂隙分布范围；

进行三维成像，确定地热区域分布范围和潜在裂隙导水通道。

作为可选择的实施方式，根据地质资料，确定岩石沉积类型，以及花岗岩的赋存范围的具体过程包括通过地质资料确定目标地区的地质历史、构造特征和岩石类型，结合实地地层展布、地表地貌和岩石露头，初步评估地热资源的可开发性和可利用性，推断岩石沉积类型和年代，估计花岗岩赋存与否，赋存的深度和大致范围。

作为可选择的实施方式，发射电磁脉冲信号时发射频率采用频率低于设定值，且周期长于预定值的信号，发射源采取单个电偶极源发射伪随机二进制信号。

作为可选择的实施方式，接收发射电磁脉冲信号时，接收端采用十字交叉方式、横纵交错分布的接收电极，并同步记录信号。

作为可选择的实施方式，电偶极源记录发射电流，发射电偶极源的间距，同时实时记录接收源的电压值和电偶极源间距，计算电压为V＝XS×XR×I*Gt，XS是发射源间距，XR是接收间距，I是电流，V是电压，GT为地电响应，反褶积计算地电响应。

作为可选择的实施方式，将接收信号直接转换为契比雪夫波的具体过程包括对于二维偏微分方程扩散过程采用切比雪夫多项式进行迭代，最终的电场是切比雪夫多项式和贝塞尔方程的积分，在展示最终电场之前，展示切比雪夫多项式迭代部分，纵坐标为切比雪夫迭代式，横坐标为每一步的电场值；

通过记录时间以及采样获得实验电阻率，从而以不同介质的传播速度反算出深度。

作为可选择的实施方式，对比两种方法获得的结果的具体过程包括：波形图获获取深度和范围，反褶积方法确定地电体的电阻率，实现层析成像；两者对比确定的分布范围，进行相互验证。

作为可选择的实施方式，进行三维成像时，根据获取的X、Y、Z坐标信息以及时间t，根据不同探测时间的变化实时反应地热资源的三维分布情况。

一种可控源电磁探测地球深部地热资源的系统，包括：

信号获取模块，被配置为获取向地下设定深度发射电磁脉冲信号产生的接收信号，多个横纵交错接收线处的三分量电场信号，通过横纵交错的接收线提高信噪比；通过对接收信号与发射电流的反褶积恢复地下介质的地电响应；

转换模块，被配置为通过引入包括接收间距、偏移距的探测参数，将接收信号直接转换为契比雪夫波；

验证模块，被配置为对比两种方法获得的结果，解译花岗岩及周围裂隙分布范围；

三维成像模块，被配置为进行三维成像，确定地热区域分布范围和潜在裂隙导水通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了可同时接收发射电流和接收信号的可控源电磁系统，从而实现反褶积直接恢复地电响应，并利用接收信号，通过输入测量参数(偏移距，发射接收点间距)求解贝塞尔函数直接恢复切比雪夫多项波，实现类“地震”法解译，一次测量，两种有效结果，相互补充，为地下深部热对流引起的地热资源的开采提供了条件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本实施例实施例提供的一种基于发射接收一体化的可控源电磁探测地球深部地热资源的方法流程图；

图2是本实施例实施例提供的现场可控源地磁勘探的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

如图1所示，一种基于发射接收一体化的可控源电磁探测地球深部地热资源的方法，包括：

(1)：根据地质资料，确定岩石沉积类型，以及花岗岩的赋存范围；

地核的温度接近于太阳，由于发射性同位素热能对流(heat convect ion),地核的热量会向外溢出至下地幔中，并将岩石高温压裂，从而形成裂隙，通过向地下四千米花岗岩(一种侵入性的没有迸发的炙热岩浆冷凝形成的)深处钻孔注入凉水，凉水通过基岩裂隙流动，被加热成为温度极高的热水，通过泵送的形式为人类提供源源不断的家用热水，或者通过积极转化余热为能量极高的水蒸气，进而带动涡轮机发电，实现热电联产的效果。

通过地质资料可以了解到该地区的地质历史，构造特征，和岩石类型等信息，随后进行实地调查，对地层展布，地表地貌，岩石露头进行观察和记录，从而评估地热资源的可开发性和可利用性。

根据上述信息，从业人员可以推断岩石沉积类型和年代，从而估计花岗岩赋存与否，赋存的深度和大致范围。

现场取样记录验证结果。

(2)：采用正交频分复用多载波作为发射电偶极源向地下四千米深度发射电磁脉冲信号

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)：OFDM是一种多载波调制技术，将信号分成多个正交的子载波进行传输。每个子载波具有较窄的带宽，可以减小多径干扰和频率选择性衰落的影响，提高信号的传输质量和抗干扰能力。由于花岗岩地热系统的建设成本相对较高。钻井设备、地热回路的安装和维护、热泵以及传输系统的建设都需要投入大量资金。正交频分复用多载波信号强度好，抗干扰能力强，成为了四千米深度花岗岩裂隙探测的首选信号。

在本实施例中，发射频率采用低频周期长的信号，可以保证探测深度。发射源采取单个电偶极源发射PRBS信号(伪随机二进制信号)。

(3)：以GPS同步时间采集多个横纵交错接收点的电场信号

与常规发射装置与接收装置在同一水平线上阵列不同的是，本实施例接收端采用十字交叉方式，横纵交错分布的接收电极，以GPS信号同步记录信号，该方法可以有效提高信噪比，压制环境噪音。

(4)：通过对接收信号反褶积恢复地下介质的地电响应。

常规电磁勘探多直接采集接收到的信号，随后做数据解译分析。本实施例以GPS信号同步记录发射电流和电极接收信号，采用反褶积(Deconvolution)的方式恢复地电响应。由于有时间的记录，本实施例的采集方式属于四维(三维坐标加时间)，实时反应地下介质的变化情况，为后期地热的循环开发奠定了理论基础。

电偶极源GPS实时记录发射电流，发射电偶极源的间距，同时实时记录接收源的电压值和电偶极源间距。

最后的电压：

V＝XS×XR×I*Gt；

XS是发射源间距；

XR是接收间距；

I是电流；

V是电压；

反褶积计算GT(地电响应)。

(5)：由于采集方式确定，通过输入探测参数，将接收信号转换为契比雪夫波实现“地震”解译

本实施例的另一大技术优势在于不仅通过反褶积恢复地下介质的电导率从而解释地热花岗岩周围介质赋存状态，由于常规电磁控制方程是二维偏微分方程，电磁信号实际可以通过切比雪夫多项式迭代获得最终电场结果，本实施例利用已知电极装置类型，偏移距，采样间隔等装置信息直接将获得的信号转化为切比雪夫多项式，而切比雪夫多项式实际上是一种类“地震”波形图，通过时间反算，可以准确推导地下介质的深度，和空间范围。

对于二维偏微分方程扩散过程采用切比雪夫多项式进行迭代，最终的电场是切比雪夫多项式和贝塞尔方程的积分。在展示最终电场之前，展示切比雪夫多项式迭代部分，纵坐标为切比雪夫迭代式，横坐标为每一步的电场值，该部分已被证实是一种类地震的波长。

通过记录时间以及采样获得实验电阻率，从而以不同介质的传播速度反算出深度。

(6)：对比两种方法获得的结果解译花岗岩及周围裂隙分布范围

两种方法获得的结果分别可以从电阻率结果已有波形结果获取有效信息，从而实现一次收集，两种数据解译方式，充分利用了已有科研调查信息，节省了大量资金投入，同时也提高了对采集信号的利用率。

波形图获获取深度和范围，反褶积方法可以确定地电体的电阻率，实现层析成像。

两者对比都可以确定分布范围，相互验证。

(7)：三维成像，为后续钻孔能量提供准确的位置指导

由于本实施例采用四维探测手段，可以实现最终的三维成像，为后续地热资源的开发提供有效先验信息，提升能源开采效率。

本实施例同时记录了X Y Z坐标时间t和数值。

可以根据不同探测时间的变化实时反应地热资源的三维分布情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。