可控源电磁波电阻率静力触探CO2原位监测方法及装置

本发明涉及静力触探，具体涉及一种可控源电磁波电阻率静力触探co2原位监测方法及装置。

背景技术：

1、二氧化碳地质利用与封存(carbon capture，utilization and storage，ccus)是重要的温室气体减排技术，其有望实现化石能源使用中co2的近零排放，是实现碳中和目标的重要推动力量及安全技术保障。海洋面积占地球表面积的71％，是陆地表面积的两倍多。海洋的固碳能力远远超过陆地生物圈和大气，它所固定的碳约是陆地生物圈的20倍。因此，海洋在全球碳循环中扮演了相当重要的角色，对co2的吸收具有不可估量的潜力。且co2海洋封存相对陆地封存更加可靠且易于监控，成为了实施co2减排的重要措施。

2、海洋co2封存的安全性是制约海洋碳封存技术和推广应用的关键因素。海洋封存之后co2的释放过程极其缓慢，但同样不能忽视其泄露风险。co2一旦泄露将会首先引发海水酸化，继而破坏海洋生态系统的平衡，威胁海洋生物的多样性，在此过程中，海洋生物的活动和海水的水平、垂直运动甚至海底的地质地貌等都可能受到影响。因此，实施海洋co2安全封存的关键之一需要重视co2海洋封存监测技术。co2海洋封存监测的目的是判断co2运移范围以及是否发生泄漏，确认泄漏地点，查明泄漏co2的行为以及其对海洋生态系统的影响。因此，监测技术的发展不仅有利于准确评估co2封存效率，而且一旦出现co2泄漏，能快速做出应急响应，并可及时采取适当的补偿措施，对于建立完善的co2泄漏监测技术体系至关重要。

3、静力触探测试(cone penetration test，cpt)是利用压力装置将探头在竖直方向上按一定的速率压入土中，利用安装在探头上的传感器测量贯入过程中的各种数据的一种原位测试技术。它具有测试连续、快速、再现性好、操作简单等优点，广泛应用于岩土工程勘察中。近年来，由于cpt可以最大限度地免除钻探、取样、运输等作业流程对岩土体原生结构的扰动和原为应力的释放，越来越多地应用到水上工程项目的地质勘查中，从而发展出了一系列水下cpt测试系统。

4、如图1所示，电阻率静力触探(rcpt)是一种方便、无损、快捷、连续、经济、可靠的原位测试技术，集成了常规静力触探的功能(可测端阻、摩阻、倾斜和孔压)及土的电阻率测试功能。土的电阻率及其相关指标的变化规律可以反映土体物理力学性质指标的变化规律，并可反映土的一些特殊性质，如土的污染特征、地基液化特征等。

5、rcpt设备的核心部分为电阻率传感器，最早的电阻率传感器是用来估算原位土的孔隙率和密度的，近年来则用于圈定被污染的土壤或水的范围。如图1所示，该仪器是在锥头安装两个电极，一个是电流电极2，另一个是测量电极1。锥头每贯入0.2m就停下，然后测量出该位置土的电阻率。根据需要，还可以设置测斜仪3和摩擦力测试单元4，在锥尖5设置孔压传感器6等，以测量相应的数据。

6、随着对测量数据要求的提高和勘察范围的扩大，在cpt探头上配备的传感器也越来越多样化。静力触探探头的发展主要经历了粗略探测、机械式探测、电测探测和无缆多参数探测四个技术阶段。其技术指标已经能够满足海底土体测试的需要，主要表现在：①测试精度高，稳定性好；②适用性强，目前的探头已可在诸多复杂环境下开展测试工作，如水下数千米的高压腐蚀环境等等；③测试参数多在采集触探数据(锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力)的同时可以得到土体的其他相关参数，如温度、剪切力、电导率、地震波等等，能为地质调查与工程勘察提供更多的技术参考；④无缆连续触探通过声波、射频或光信号进行触探数据的上传，避免对数据传输电缆的高性能要求以及减少加接探杆时对触探操作的影响。

7、然而常规电阻率探测主要是基于地层导电性质差异来测量的，地层的导电性差异越大，其测量的异常越大；当钻进过程中其他钻井液的侵入或者地层水离子含量较低时，常规电阻率不能准确反映地层电阻率，并无法区分地层中的气、水含量。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷，本发明提供一种可控源电磁波电阻率静力触探co2原位监测方法及装置，充分利用电磁波在监测co2上的优势，在静力触探装置上集成电磁波探头，通过单发双收电磁波海底静力触探设备同时监测co2注入引起的电阻率以及介电异常，从而达到及时掌握co2运移范围以及泄漏情况并提前采取应急响应的目的。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种可控源电磁波电阻率静力触探co2原位监测方法，该方法包括：

3、在静力触探探头上设置一个发射线圈和两个接收线圈，两个接收线圈距离发射线圈的高度不同；

4、通过发射线圈向地层发射一定频率的电磁波，并通过两个接收线圈接收来自地层的电磁波，两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波中含有地层介电信息；

5、确定两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的感应电动势；

6、根据两个接收线圈的感应电动势确定两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的相位差和幅度比，再根据相位差和幅度比与地层的电阻率和介电常数之间存在的函数关系，得到地层的电阻率和介电常数；

7、根据所得的地层的电阻率和介电常数，实现co2原位监测。

8、进一步的，确定两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的感应电动势，包括：

9、对两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波进行选频、滤波和放大，再分别与发射线圈上的电压进行幅度检波，最后通过模数转换获取两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的感应电动势。

10、进一步的，幅度检波之后，使用滤波电路滤除高次谐波。

11、进一步的，根据两个接收线圈的感应电动势确定两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的相位差和幅度比，再根据相位差和幅度比与地层的电阻率和介电常数之间存在的函数关系，得到地层的电阻率和介电常数，包括：

12、对两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的感应电动势做比，得到如下结果：

13、

14、式中，e1和e2为两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的感应电动势，z1和z2为两个接收线圈距离发射线圈的高度，e为自然常数，α和β为电导率和介电常数的函数：

15、

16、其中，ω为发射信号的角频率，μ为介质磁导率，ε为介质介电常数，σ为介质电导率；；

17、令：

18、

19、δφ＝β(z1-z2)

20、其中，a为幅度比，δφ为相位差；

21、通过幅度比和相位差求得α和β，进而求得电导率和介电常数；根据电导率求得电阻率，最终得到地层的电阻率和介电常数。

22、进一步的，根据所得的地层的电阻率和介电常数，实现co2原位监测，包括：

23、含水层与co2注入层的电阻率和介电常数不同，根据所得的地层的电阻率和介电常数，判别含水层与co2注入层。

24、进一步的，一定频率的电磁波包括400khz、500khz、1mhz和2mhz。

25、按照本发明的第二方面，提供了一种用于实现上述中任意一项所述的可控源电磁波电阻率静力触探co2原位监测方法的可控源电磁波电阻率静力触探co2原位监测装置，该装置包括：

26、静力触探探头，静力触探探头上设置一个发射线圈和两个接收线圈，两个接收线圈距离发射线圈的高度不同；

27、硬件电路板，硬件电路板包括射频信号激励与接收电路和信号调理电路；其中，射频信号激励与接收电路包括射频激励源电路、阻抗匹配电路以及幅度检波电路，信号调理电路包括选频滤波电路和射频信号放大电路；

28、信号的处理过程包括：

29、射频激励源电路产生一定频率的正弦电磁波，经阻抗匹配电路加载到发射线圈，由发射线圈发射至地层；

30、两个接收线圈接收来自地层的电磁波，由选频滤波电路和射频信号放大电路对两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波进行选频、滤波和放大，再分别与发射线圈上的电压一起输入至幅度检波电路进行幅度检波，得到对应的直流电压，最后通过模数转换得到两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的感应电动势。

31、进一步的，硬件电路板还包括：

32、人机交互液晶屏显示界面，用于实时显示两个接收线圈所接收的来自地层的电磁波的感应电动势。

33、进一步的，硬件电路板还包括：

34、通信电路和存储电路，用于接收和存储静力触探探头的探测数据，包括探头锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力以及土体摄像。

35、进一步的，该装置还包括：

36、贯入设备和量测记录仪表；

37、贯入设备包括触探主机与反力装置，共同负责将静力触探探头压入土中；

38、量测记录仪表通过电缆与静力触探探头相连，用于记录静力触探探头的数据。

39、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

40、本发明充分利用电磁波在监测co2上的优势，在静力触探装置上集成电磁波探头，通过单发双收电磁波监测co2引起的电阻率以及介电异常，克服了传统电阻率静力触探仅仅依靠电阻率单一参数的缺点，从而达到及时掌握co2运移范围以及泄漏情况并提前采取应急响应的效果。