海洋电磁探测技术应用调研报告

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一、研究海洋电磁法探测海底地层油气的理论办法和数值模

拟分析技术研究

海洋电磁办法能够分为天然场源(MarineMT洋大地电磁法)和人工场源(MarineCSEM海洋可控源电磁法)两类，在油气直截了当检测中发挥关键作用而进入勘探时期的是后者。海洋MT办法已为业界所熟悉,可采纳与陆上相似的方式举行海洋测量,不过需要针对海洋环境设计仪器设备。关于海洋CSEM的研究要早于海洋MT系统的开辟,但由于海洋CSEM的办法原理和数据处明白释技术与陆上人工源办法差不较大,加之当时电子和计算机技术的限制,向来没有形成有用装备。

下面单独介绍可控源海洋电磁探测技术（海洋瞬变电磁探测技术）办法：CSEM：可控源电磁法(CSEM:ControlledSourceEMMethods)是采纳能够操纵的人工场源，测量电磁场，来计算视电阻率，达到探测地下电性分布的目的.其原理是场源(电性源或磁性源)在导电的地球内部感生电流，测量这电流的电磁特征，能够得到地下电导率分布的信息.常用的发一收形式有四种:垂直电偶一偶(VED)，水平电偶一偶似ED)，垂直磁偶一偶汉MD)，和水平磁偶一偶似MD)，实际工作中还有其它组合形式(例如电偶发送一磁偶接收)，也有作者采纳不的代号(如HRHR表共轴水平磁偶一偶).

可控源电磁法的特点在于“可控”二字.场源的强度能够操纵，幸免了天然场源信号微弱和随机性的缺点;发送的频率或波形可控(例如采纳1Hz上、下的频率或采纳方波阶跃电流)，达到的探测深度能够调整，常用来探测数公里到数十公里的深度，弥补了天然EM(MT)法和钻孔以及直流电阻率法之间在探测深度上的空白;场源一接收的形式和距离能够操纵，故可针对目标的性质和分布挑选适当的工作方式，得到好的效果.

CSEM又分为频域和时域两个分支.频域EM发送别同频率的信号并测量海洋一大地的频率响应;时域EM则发送方形或三角形阶跃电流系列，测量海洋一大地的瞬变响应.别论频域依然时域EM，二者的物理实质是相同的，在理论上，一具域中的响应是另一域中的富氏变换(或反变换).但在有用中，由于二者所用技术别同，且所测的时刻和频率范围基本上有限的，并别能以一具域代替另一具.怎么挑选要因事情制宜.从现有海洋资料看，频域的工作做得多一些.

时刻域与频率域电磁场转化关系：

关于时域电磁法的正演计算及分析，非常多是从频率域开始的，因此对十时刻域与频率域电磁场的关系必须首先明确，两域电磁场之间以傅里叶变换对相关联着，彼此之间能够互相换算，即

（1）

（2）

分析单阶跃波激励源的事情，一次磁场可表示为

（3）代入（2）式得：

（4）代入(1)式得：

(5)

式中的积分路径别允许通过ω=0的点。

类似地能够得到瞬变磁场H(t)为

(6)

代换得到：

（7）

又因为：即式中频域电磁场的实偶、虚奇的函数特性，式(7)中第二积分项为零，当取ω>0时得：

（8）

（9）

联立上两式可得：

（10）

（11）由此，能够得到B(t)表达式为：

（12）

（13）

这种推导结果表明，瞬变场B(t)的计算中，只需要懂频域电磁场的虚重量或实重量其中之一的响应就能够获得结果，给计算带来方便。只是值得注意的是，瞬变场是地质体实、虚重量的综合响应，不过当频谱中低频成分占优势的事情下，要紧是反映实重量的响应，所以，它可以充分利用实重量对地质体分辨能力强的优越性.虽然在理论上频率域和时刻域的两域场是能够相互转换的，然而由十两种办法在要紧噪声源方面的重要区不，时刻域电磁法具有更多优点，并目_频率域的优势探测深度是在地下1Km以下，时刻域(TEM)的优势探测深度是地下20m~1Km，因此在浅海底探测中采纳了时刻域瞬变电磁法。

海水、海底分界面上磁偶源频率域的电场表达式为：

阶跃函数偶极电流源的时域电场表达式:

以麦克斯韦方程为理论基础，从频率域动身，推导了在海水、海底两个高导电半空间模型下垂直磁偶极装置的瞬变电场和垂直磁场，并得到垂直磁偶极装置和中心回线装置的感应电动势表达式，经过仿真研究，和陆地对照分析了海水对海底感应电动势响应的妨碍，并分析了垂直磁偶极装置别同偶极矩对阶跃响应的妨碍，为海底瞬变电磁探测的天线装置挑选、推断海底瞬变电磁响应的曲线形态、系统设计及数据解释提供了理论依据。

海洋电磁法技术应用概述：

海洋可控源电磁法，依照施工办法差异又能够分为浅海拖曳施工和深海固

定施工。至于其他分类和地而可控源办法一样:有时刻域(TCSEM)和频率域(FCSEM)办法，激发有线源，电偶极源和大回线源，接收有电偶极和磁棒(或回线)，依照别同组合能够得到别同的施工办法。这个地方重点介绍深海线源激发、多重量采集站固定的施工办法，并且对浅海拖曳施工办法举行简单介绍以作对照。

1.1浅海拖曳施工办法

这种施工办法发源于俄罗斯，在欧洲也开展过很多类似的工作，要紧针对水底或浅层目标，以用于工程勘探。其施工办法普通采纳回线方式。近年来，俄罗斯深入研究了该办法，其形式类似于地震拖缆施工，激发场源采纳长导线源和铠装电缆，接收电极铠装在拖缆中，拖缆具有一定的浮力被牵引在定深器的后而，电极出露端与海水直截了当接触，每个电极经过无线电定位与定深器的信号源联系。为了压制海而电磁噪声，该海洋电磁接收系统引入差分输入采集装置，以压制海浪产生的电磁噪声（如图所示）。

图1浅海拖曳办法模拟示意图

1.2深海固定施工办法

这是日前西方列入油气勘探时期的海洋可控源电磁施工办法，它的发射偶极由两个沉放于靠近海底位置的电极组成，水平发射偶极由两个独立的电缆分不置于靠近海底的位置(图2)，假如是垂直发射偶极则一具置于靠近海底的位置，另一具置于水而。发射极的挪移需要拖曳，使之在一定深度匀速挪移，激发频率普通在0.1Hz~10Hz之间，每次激发的时刻相关于发射极的挪移速度来讲非常短，能够以为它是固定的，实际工作中拖曳50~200m激发一次，关于缓慢挪移的激发系统来讲，每次激发3~4个频率能够看作是延续激发。而接收系统则为独立的四重量、五重量甚至六重量采集站，由水泥块固定在海底，延续记录。所有激发完成后，即可结束采集工作。采集站回收时要发射一具声频释放信号，使水泥块与采集站脱开，采集站借助浮体自动浮出水而即可人工回收。

日前海洋可控源电磁采集站大多兼备采集海洋大地电磁信号能力，自采集站沉入水底就开始记录海洋大地电磁信号，在室内处理中要把海洋大地电磁(MMT)和人工可控源电磁信号分离，分不举行处理。最近，Scholl和Edwards提出了井下激发海底接收方式，即在已有探井的套管中充电，将其作为激发电极，并且提出了测量垂直电场的新海洋可控源电磁办法，这一新技术将要紧应用于油田勘探开辟后期及开辟监测。

图2深海固定施工办法模拟示意图

海洋CSEM探测油气藏的原理：

这个地方以深海固定施工办法为例介绍海洋频率域可控源电磁办法探测油气储层的原理。发射源靠近海底(普通离海底有几米到几十米的距离)，发送低频(十分之几赫兹到几赫兹)电磁信号，同地震勘探一样，海底电磁信号别仅向水中传播而且向海底和海底下方的地层中传播。在接收站能够接收到3条路径的信号，一是直达波，二是来自海底地层的反射和折射信号(图3)，二是来自水面的反射和折射信号(在海洋探测中永久别可忽视)在距发射源较近的区域，由于角度咨询题以及从海底或上方海面通过反射和折射的电磁波信号，要穿行较长一段距离，所以，在发射源附近区域接收到的信号以直达波为主(图4A段)。

图3高阻储层中电磁波传播的路径

图4有/无高阻油气层时的MVO曲线

这个地方要提及常用的振幅随偏移距变化MVO(MagnitudeValueOffset)曲线。在目前国际上应用最为广泛的频率域可控源电磁办法资料解释中，大多用MVO曲线来显示含油气地层异常。别论是否存在高阻地层，在小偏移距时，所有MVO曲线都重合在一起。研究表明，假如接收地方离激发场源较远，向下方传播的电磁波，在遇到高阻油气层时，沿着岩层传播同时衰减得较慢，其衰减速率要紧取决于入射临界角。沿着岩层传播的电磁(EM)能量折射回海底并被接收器接收的能量值儿乎别衰减，而且能量持续别断地从高阻层而反射到布设在海底的接收罗列上。同样，也有向上经海水而传播的反射波和折射波，其中沿空气和海水界而传播的折射波能量也是持续别断地从空气和海水界而反射到海底接收站。由于海底地层的电阻率(普通为1~3Ω?m)比海水电阻率(普通为0.25~0.35Ω?m)要高，所以，向下经海底地层传播的电磁波比向上经海水面传播的电磁波速度快、能量衰减少。

所以，当激发场源、接收站距离与高阻储层埋深相当或稍大时，由油气高阻层返回海底的电磁波能量将超过直达电磁波的能量，并且也超过经空气界而反射和折射的电磁波能量，占领主导地位。假如海底地层中没有高阻油气层，则经海底油气层反射、折射的电磁波能量就非常微弱，甚至没有。所以，存在高阻油气层地层与别存在高阻油气层地层在MVO曲线上明显分离。存在高阻油气层的MVO曲线，浮现强振幅(图4B段黑)。而无高阻层时的(比如地下为均匀地层)MVO曲线，振幅最弱(图4B段红)。然而，当偏移的距离进一步增大时，向下经海底高阻地层传播的电磁波通过长距离较快的衰减，比向上经海水而传播的电磁波要弱得多。因而，向上经海水而传播的电磁波(即空气波)将占领主导地位。因为，空气波是必定存在的，因此，不管海底地层中存在何种类型的高阻层，当偏移距进一步增大时所有的MVO曲线都将合

并在一起，即接收到的电磁波要紧来自空气波产生的信号(图4C段)。假如海水深度减小，在较近的区域空气波就将强于油气层反射折射信号，使浮现强振幅的范围减小，当海水深度小到某一深度时，该频率域可控源电磁办法将失效。同样，假如高阻层深度与海水深度相比太大，该办法也无法发觉高阻层。所以，采纳MVO曲线识不高阻油气层很直观有效，但对施工要求比较苛刻，要求在既别近也别远的某个区间，海水深度较大时可探测的区域相对较大，效果更好。

海洋电磁数据处理和解释办法：

数值模拟研究发展：

早期的理论研究是基于渐近解的分析开展的：初期的电磁勘探数值模拟研究要紧采纳一维模型，Kraichman(1970)，Bannister(1968)，Chave(1984),Cox(1986)和Anderson(1984)等举行了大量频率域一维模拟研究。Edwards,Chave(1986)和Cheesman(1987)等则开展了时刻域一维模拟研究。Flosadottir和Constable(1996)实现了一维快速OCCAM反演，其后一维反演模拟研究更多走向有用，即使是如今一维反演仍然是实际资料要紧的处理手段。Everett和EdwardsUnsworth和Oldenburg实现了频率域的二维反演，但别能应用于实际数据。直到2001年MacGregor等改进了前人的算法，才能够快速地举行实际数据的二维反演，2007年其二维反演算法又得到进一步进展。对于频率域电偶极子的层状介质响应是由Chave和Cox发表的。时刻域的一维解最初是由多伦多大学Edward研究组发布的，他利用层状地层模型分析了海底瞬变电磁响应特征，得到了电磁响应对高阻层灵敏的重要认识。他们还设计了物理模型实验，验证了Cheesman等的结论，并发觉了电场幅度与相位对地下高阻体与低阻体的灵敏度差异。

1D事情下的模型实验成果图

储集层可控源电磁CSEM响应，1D中的模型实验尽管相对容易然而却能够为你提供大量CSEM技术的本质东西。图3展示了CSEM办法在1D“典型的”模型时的响应；水深1000m，埋藏在海底1km以下的厚的储油层。

Constable利用Flosadottir等的一维计算程序分析了别同偏移距和空气波对地下储层识不精度的妨碍

近几年来，海洋三维电磁数值模拟研究发展迅速，2005年Ueda和Zhdanov展示了采纳准近似算法对CSEM数据举行快速模拟计算的结果，对一具场源的应用效果较好，对多场源则由于运行时刻太长而别有用。并且Zhdanov和Lee于2005年采纳三维积分方程法举行模拟，提出约束已知盐丘反演油气储层的模拟办法;Zhdanov和Yo-shioka还实现了海洋可控源电磁数据的三维迭代反演，由于使用了并行算法，所以加快了数值模拟速度。时刻域海洋电磁的三维模拟研究比频率域滞后，然而Um等展示了一维和三维模拟研究成果，表明时域电磁法也许比频率具有更高的灵敏度，另外还有利于在浅水环境中应用。

然而三维正反演模拟的挑战:快速有效的三维电磁正、反演模拟技术还没有达到有用化。目前，实际资料的处明白释还以定性和一维反演为主，二维和三维模拟尚处于实验室时期。所以，尽快推出有用有效的二维和三维电磁正、反演数据处理软件以提高海洋电磁法勘探处理效果是一具迫切需要研究的课题。快速有效的三维电磁反演技术的突破必将进一步推动海洋电磁法勘探(CSEM)技术的进展。

依照Constable和Weiss对一维模型的模拟研究,别论哪种地下电性结构,电场振幅曲线都随炮检距增大而衰减,存在含油层与别存在含油层时曲线变化差异较大。由于低阻层对电磁能量的强衰减作用,在高阻含油气层上将显示比含水层高的电磁场幅度。若海底地层中别存在含油气层,则接收到的反射波和折射波电磁能量要小得多。