海洋電磁法研究現(xiàn)狀2023

海洋電磁法研究現(xiàn)狀摘要：本文從海洋物探的電磁法方向，首先概述了海洋環(huán)境及其特點(diǎn)，海洋電磁法的內(nèi)容和基本原理，和以往在這方面的發(fā)展歷史，然后從儀器設(shè)備和處理技術(shù)上，重點(diǎn)介紹了英國的OHM公司生產(chǎn)的深?；顒邮綀鲈丛O(shè)備(DASIⅣ)和海底接收裝置，同時(shí)闡述了我國在這方面的研究狀況，并對以后我國在海洋方面的發(fā)展提了一些建議。關(guān)鍵字：電磁法，海洋，儀器，技術(shù)1海洋電磁法概述地球表面的3/4被海洋覆蓋，海底是世界上最大的資源寶庫，大量的石油、天然氣及各種礦產(chǎn)蘊(yùn)藏其中，海底資源探測對人類的生存和發(fā)展及其重要；另外，海洋空間的利用也越來越迫切，涉及到海底工程勘查、海底管線探測、淺海水深探測、淺海底電導(dǎo)率填圖、咸水－淡水分界面探測、探測化學(xué)污染區(qū)、承壓含水層鹽漬或污染探測等領(lǐng)域，[1-4]海洋地殼上覆蓋著深淺不同的海水，所以地球物理方法是探測研究海底的必不可少的手段之一。除了地震方法之外，海洋電磁法是一種主要的海洋地球物理方法，它適用于地震方法不易分辨而電磁方法擁有優(yōu)勢的區(qū)域，例如碳酸鹽礁脈、鹽丘、火山巖覆蓋、海底永久凍土帶等區(qū)域。海洋電磁法以其適應(yīng)性強(qiáng)、無破壞性、探測的深度范圍大而吸引了很多學(xué)者的研究，包括電磁法儀器開發(fā)、數(shù)據(jù)解釋及海試應(yīng)用研究等方面。近年來,在海洋油氣勘探作業(yè)中出現(xiàn)了一種特別的勘探流程:在二維或三維地震落實(shí)構(gòu)造之后、鉆井之前，再次進(jìn)行海洋可控源電磁勘探。這種逆常規(guī)的勘探順序竟然在許多國際石油公司中實(shí)施，使海洋電磁勘探技術(shù)成為石油公司、服務(wù)公司以及科研院校關(guān)注的熱點(diǎn)。海洋電磁技術(shù)發(fā)展到今天經(jīng)歷了曲折的過程：方法研究階段,20世紀(jì)70年代及其以前對海洋電磁探測方法的研究[5,6]；淺水試驗(yàn)探索階段,為了獲取海洋電磁資料,80年代初在淺水域開展了試驗(yàn),限于當(dāng)時(shí)儀器設(shè)備以及海洋探測技術(shù)的局限性,試驗(yàn)沒有取得成功；深水試驗(yàn)探索階段,針對淺水試驗(yàn)失敗的原因,在20世紀(jì)90年代中期由美國加州大學(xué)Scripps海洋學(xué)院和加利福尼亞大學(xué)Berkeley分校共同組成的海洋電磁科研聯(lián)盟開展了卓有成效的研究工作。該科研聯(lián)盟在儀器開發(fā)制造[7,8]、處理解釋技術(shù)[9]和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)[10]方面取得了多項(xiàng)標(biāo)志性進(jìn)步,解決了深水電磁探測技術(shù)難題,使海洋電磁法勘探技術(shù)逐步從科研走向?qū)嶋H應(yīng)用階段;實(shí)際應(yīng)用階段,在深水試驗(yàn)成功以來的近8年中,海洋電磁法勘探技術(shù)越來越受到國際石油公司的重視,先后陸續(xù)成立了多家專業(yè)海洋電磁勘探公司,并已在世界范圍內(nèi)的主要海洋油氣田進(jìn)行過數(shù)百次商業(yè)化勘探作業(yè),對提高海洋鉆探成功率起到了極其重要的作用[11]。海洋電磁方法可以分為天然場源（MarineMT—海洋大地電磁法）和人工場源(MarineCSEM—海洋可控源電磁法)兩類，在油氣直接檢測中發(fā)揮關(guān)鍵作用而進(jìn)入勘探階段的是后者。海洋可控源電磁法,根據(jù)施工方法差異又可以分為淺海拖曳施工和深海固定施工，本文主要介紹深海電磁研究。2海洋電磁儀器與設(shè)備最早的海洋電場測量是法國的Schlumberger兄弟，在1912－1926年，在直流電法的基礎(chǔ)上完成了首次水上電阻率測量，目的是為海洋工程查明海床結(jié)構(gòu)。從30年代到60年代早期，海洋電磁法研究的資料幾乎沒有。60年代末期到70年代末人們開始把目光轉(zhuǎn)向海底環(huán)境，是海洋電磁研究的起步階段，主要工作集中在四個(gè)方面。一是深海地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究；二是與礦產(chǎn)勘探有關(guān)的工作，采用的方法有自然電位法(SP)、直流電阻率法(DC)、大地電磁法(MT)、激發(fā)極化法(IP)、磁電阻率法(MMR)等；三是開發(fā)研制了適合海洋環(huán)境的儀器設(shè)備，如海底磁測儀(OBM)，海底電測儀(OBE)，海洋SP系統(tǒng)等；四是開展了海洋學(xué)的研究，測量海水運(yùn)動引起的電場?！?2】目前可提供海洋電磁勘探服務(wù)的公司有英國的OHM、美國的AGO、挪威的EMGS、英國的MTEM。2.1國外發(fā)展情況英國的OHM公司研制的第四代電磁信號發(fā)射源,全稱為深?；顒邮綀鲈丛O(shè)備(DASIⅣ)。該發(fā)射源對探測地下電阻率精確成像起決定作用的離散發(fā)射頻率、多檔位輸出功率、不同階段工作的精確控制都進(jìn)行了工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。圖1海洋可控源電磁勘探工作方法示意圖Fig.1Marinecontrolledsourceelectromagneticexplorationmethoddiagram圖2與深海發(fā)射源DASI配套的拖纜絞盤系統(tǒng)Fig.2WiththedeepemissionsourceDASIsupportingthetowingwinchsystem圖2為位于甲板上的DASIⅣ。緊湊的設(shè)計(jì)、詳細(xì)的工程應(yīng)用說明、甲板上配置的相應(yīng)拖纜絞盤都確保了深海信號發(fā)射源便于安全布置和回收。DASIⅣ型多頻深海電磁信號發(fā)射儀為目前海洋電磁勘探服務(wù)商主流的場源發(fā)射系統(tǒng),其主要性能參數(shù)如下：#總體特征主要功率:360~480kW,3相,50~60Hz;最大工作深度:4000m。#場源子波輸出子波:分三檔,最大峰值1000A;子波庫:標(biāo)準(zhǔn)與用戶設(shè)計(jì)子波;偶矩:380000Am;轉(zhuǎn)換控制:穩(wěn)定的晶體GPS鐘同步控制;相位穩(wěn)定性:高于1/1010。#發(fā)射偶極特征偶極控制器:中等浮力固體物;控制器設(shè)計(jì):發(fā)射偶極距可調(diào)為100、200、300m。#定位裝備發(fā)射偶極定位:前后兩供電極各安裝有兩套聲波定位儀7970和超級微型USBL異頻雷達(dá)儀。場源高程:2個(gè)Kongsberg107系列高度儀,精度高于0.1m(高程300m內(nèi));場源拖體方位:1個(gè)KongsbergMRU-H。#QC控制與記錄低速率:采樣間隔0.125s;低速通道:2個(gè)高度儀、1個(gè)CTD和MRU在輸入與輸出階段傳送電壓和電流;高速率:采樣間隔0.001s;高速通道:輸出階段發(fā)送電流和電壓,發(fā)射偶極入海前及入海后狀態(tài)監(jiān)視,海下10道輔助數(shù)據(jù)道,絞盤張力,電纜海底供電偶極拖曳系統(tǒng)主要由帶有信號變壓器、定深器的拖曳及拖攬上的發(fā)射電偶極構(gòu)成。拖曳上的定深器控制拖曳系統(tǒng)在距海底30~50m的位置前進(jìn),信號變壓器則將船上發(fā)射機(jī)傳來的高壓低電流脈沖信號變?yōu)榈蛪焊唠娏餍盘?脈沖信號一般為周期性的方波信號,頻率在0.01~50Hz之間,工作電流的峰值在100~1000A。供電偶極由兩個(gè)電極組成（圖1）,水平發(fā)射偶極由兩個(gè)獨(dú)立的電纜分別置于在深水中具有中等浮力的拖攬上,彼此相距50~500m,拖纜被牽引在拖曳的定深器后面,電極端與海水直接接觸。在拖曳上的信號控制器對輸出到電極上的信號進(jìn)行監(jiān)測.拖曳系統(tǒng)前進(jìn)的速度一般為3.6km/h。圖3、圖4分別為OHM和SIO公司的拖曳系統(tǒng)。圖3OHM公司所用的拖曳系統(tǒng)Fig.3OHMcompanyusedthetowingsystem圖4SIO公司所用的拖曳系統(tǒng)Fig.4SIOcompanyusedthetowingsystem海底電磁接收系統(tǒng)一般有4~6個(gè)道,接收電磁場4~6個(gè)分量,即Ex、Ey、Hx、Hy、Ez及Hz,目前用得較多的為四分量采集站(Ex、Ey、Hx、Hy)。采集站由電場傳感器、磁場傳感器、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、聲控系統(tǒng)、浮球及水泥重塊等構(gòu)成。每個(gè)采集站由船上自由下沉到海底。通過聲波超短基線通訊裝置可以精確確定接收器位置。采集結(jié)束后通過船上發(fā)送聲波控制信號,帶有采集系統(tǒng)的浮球與水泥重塊分離浮出海面,實(shí)現(xiàn)采集資料的回收。一般單個(gè)采集站的布設(shè)需1~2h左右,視海況條件而定。圖5、圖6分別為OHM公司和EMGS公司所用的電磁信號接收器。[13]圖5OHM公司所用的海底電磁接收站Fig.5OHMcompanyusedinmarineelectromagneticreceivingstation圖6EMGS公司所用的海底電磁接收站Fig.6EMGScompanyusedinmarineelectromagneticreceivingstation2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀相對國外對海洋電磁技術(shù)的研究,我國開展海洋電磁勘探技術(shù)的研究起步較晚,始于上世紀(jì)90年代末。國家863項(xiàng)目于2000~2002年立項(xiàng)開展了海洋MT儀器的研發(fā),由中國地質(zhì)大學(xué)和中南大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出了中國首批海洋MT儀器,并在南海、東海試驗(yàn)采集出了數(shù)據(jù)。2007年中國地質(zhì)大學(xué)與海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合承擔(dān)國家863項(xiàng)目,立項(xiàng)開展海洋可控源電磁勘探裝備的研發(fā)。目前已研制出了小功率的海洋可控源電磁發(fā)射機(jī)和海底電磁信號站,并進(jìn)行了下水試驗(yàn),進(jìn)展明顯。目前該項(xiàng)目裝備主要用于海底以下淺層天然氣水合物(即可燃冰)的勘查。[14]圖7五分量海底大地電磁儀（中國地質(zhì)大學(xué)北京）Fig.7Fivecomponentofseafloormagnetotelluricinstrument(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing)海底大地電磁場的場源信號來自海底地下介質(zhì)受高空電離層電磁輻射后產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場。該場源攜帶著海底地下介質(zhì)的電性信息。通過對其探測，將采集的信號進(jìn)行成像反演處理，即可推斷海底地下電性異常體的產(chǎn)狀及規(guī)模，從而可為海洋巖石圈構(gòu)造研究和海上油氣資源勘探與評價(jià)等提供有價(jià)值的科學(xué)依據(jù)。儀器的主要技術(shù)指標(biāo)：◆頻率范圍(0.0001～100)Hz◆6道數(shù)據(jù)記錄器，記錄大地電磁場五分量的時(shí)間序列，及儀器姿態(tài)信息◆24位A/D轉(zhuǎn)換◆主控計(jì)算機(jī)為ARM嵌入式計(jì)算機(jī)◆電場觀測靈敏度：0.02μV/m◆磁場觀測靈敏度：0.3V/nT◆同步計(jì)時(shí)精度：10μs◆采樣率：硬件設(shè)置4KHz、1KHz、500Hz、250Hz、125Hz、62.5Hz◆噪聲：磁道<1μV，電道<1μV◆存儲器：1GSD卡或CF卡◆功耗：4W（工作狀態(tài)）◆記錄器體積：90×96×170mm3;器重量：約1.0Kg◆電極：Ag-AgCl固態(tài)不極化電極（極距10米）◆磁探頭：感應(yīng)式磁傳感器◆整機(jī)體積：1.52×1.52×1.65m3（不含測量臂）◆整機(jī)重量（包括錨系）：空氣中重量約710kg，水中重量約230kg◆工作水深：1000m◆聲學(xué)通訊距離：10km◆上浮速度：0.87m/s◆下沉速度：1.2m/s◆環(huán)境溫度：-20℃～+70℃◆海底系統(tǒng)的方位測量精度：±1°◆海底系統(tǒng)的傾角測量精度：0.5°◆振動傳感器：工作頻帶0.5Hz-200Hz,靈敏度10V/g◆海底溫度測量精度：0.1℃探測過程：作業(yè)船攜帶探測儀器沿預(yù)定的測線航行，逐點(diǎn)投放儀器。測線長度和點(diǎn)距根據(jù)探測任務(wù)預(yù)先設(shè)計(jì)。每臺儀器在海面的投放時(shí)間約40分鐘，這40分鐘內(nèi)需做的事情是，儀器的GPS對鐘、采集參數(shù)設(shè)置、關(guān)閉承壓密封艙、安裝電場測量臂及電場傳感器、起吊投放等。儀器測量海底的兩路水平正交的電場（Ex，Ey）平與垂直兩兩正交的磁場（Hx，Hy，Hz）信號，以及儀器在海底的姿態(tài)信息。為消除海底環(huán)境因素對測量的影響，便于數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行各種校正，還附有環(huán)境信息的監(jiān)測功能。儀器在海面被投放之后，自由下沉抵達(dá)海底，采集過程全自動化，作業(yè)船無需再對其進(jìn)行干預(yù)，海底的儀器自行完成數(shù)據(jù)采集。電路板和電池安裝在承壓艙中，艙外的電場與磁場傳感器通過水密電纜將電磁信號傳送至艙內(nèi)。每臺儀器一般需在海底連續(xù)測量數(shù)天。作業(yè)船完成了儀器投放，可駛離投放點(diǎn)，去執(zhí)行其他海洋調(diào)查任務(wù)。待海底的測量完成，作業(yè)船駛回原投放點(diǎn)。通過聲控釋放方式改變海底儀器的浮力性質(zhì)，使其自動實(shí)現(xiàn)上浮，從而在海面上完成設(shè)備回收。對所有的探測數(shù)據(jù)，需帶回室內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一處理，最后提交被測區(qū)域的海底地電模型。[15]3海洋電磁法處理與解釋技術(shù)海洋頻率域可控源電磁方法(FCSEM)最簡易的處理解釋就是制作出實(shí)測電磁場值的振幅隨偏移距變化曲線(MVO)和相位隨偏移距變化曲線(PVO)[16]。根據(jù)前面介紹的原理,地下有油氣藏存在時(shí)其MVO和PVO曲線完全不同于無油氣藏存在時(shí)的曲線。根據(jù)對一個(gè)探區(qū)所有曲線的對比,可以發(fā)現(xiàn)這種變化,并據(jù)此直接推斷某些曲線是否指示高阻油氣層。進(jìn)一步還可以制作振幅歸一化曲線N-MVO(NormalizedMVOcurve)和相位歸一化曲線N-PVO(NormalizedPVOcurve),即采用無高阻油氣層存在的曲線做歸一處理。理論模擬研究時(shí)采用均勻半空間曲線做歸一處理,實(shí)際資料處理時(shí)選擇探區(qū)所有曲線中振幅最小的曲線做歸一處理,就能立即發(fā)現(xiàn)含油氣范圍內(nèi)的曲線呈凸起狀,無油氣層區(qū)曲線非常平緩(圖8a)。最近的研究還提出進(jìn)一步制作MVO二次導(dǎo)數(shù)曲線(MVOSD)[17]。理論研究表明,MVOSD曲線的極值點(diǎn)能很好地指示油氣藏邊界(圖8b),而且所指示的位置在一定范圍內(nèi)不隨頻率變化,也不隨油氣藏埋藏深度、厚度以及電阻率高低變化。因此,可以利用MVOSD曲線的極值點(diǎn)準(zhǔn)確地圈定油氣藏邊界位置。另外,還有其它幾種數(shù)據(jù)處理與顯示方法:在Y軸上顯示發(fā)射源的位置,在X軸上顯示接收器的位置,在平面上顯示N-MVO或Na-PVO值,此時(shí)含油異常對應(yīng)的激發(fā)和接收位置一目了然。也可以采用以激發(fā)和接收45b交點(diǎn)電場值的擬斷面方式顯示,這和地面偶極-偶極直流電阻率擬斷面圖類似,高值異常包圍油氣高阻異常,并且從中得到異常的相對位置和擬深度。如果測量頻率足夠多,則可以像地面電磁法勘探一樣做出測深曲線和測深擬斷面,在縱向上分析油氣藏隨深度的變化。同樣,還可以進(jìn)行一維、二維甚至三維反演,獲得電阻率-深度斷面圖。目前,比較成熟的處理解釋方法還是一維反演。而時(shí)間域電磁法的成圖及定性分析方法和頻率域電磁法大致相同,可以選擇某一時(shí)窗對上述幾類定性圖件進(jìn)行分析.[18]圖8N-MVO曲線(a)和MVOSD曲線(b)Fig.8N-MVOcurve(a)andMVOSDcurve(b)4海洋電磁法取得的成果目前,海洋可控源電磁法主要用于深海待鉆構(gòu)造的含油氣性評價(jià),以及含油氣儲層的有利區(qū)分布范圍,有些油公司也將該方法用于海洋油氣礦權(quán)區(qū)的遠(yuǎn)景評價(jià)。圖9為EMGS公司在挪威海Troll已知?dú)獠貐^(qū)(黑線范圍為氣藏區(qū))的可控源電磁法試驗(yàn),北東向部署41個(gè)測點(diǎn),測點(diǎn)間距約500m。圖9挪威海Troll氣藏區(qū)海洋電磁測線布置圖對15號測點(diǎn)的電磁場振幅曲線MVO(圖10)利用氣區(qū)外的41號點(diǎn)電磁場振幅曲線進(jìn)行歸一化異常提取,獲得了15號點(diǎn)的電磁場歸一化異常(圖11)。電磁場的歸一化異常主要突出在一定收發(fā)距內(nèi)來自海底以下地層電磁波反射和折射的能量,有效壓制近區(qū)直達(dá)波和較遠(yuǎn)收發(fā)距的空氣波影響,歸一化異?？梢杂行е甘竞５滓韵碌貙觾?nèi)是否含有油氣層。當(dāng)海底地層富存油氣時(shí),來自海底以下地層反射和折射的電磁波能量就強(qiáng),歸一化異常就強(qiáng),反之則弱。很明顯,在已知?dú)鈪^(qū)上15號的電磁場歸一化異常很突出。對各測點(diǎn)偏移距為5km時(shí)的歸一化異常振幅進(jìn)行剖面成圖(圖12),在15~30號測點(diǎn)之間電磁場表現(xiàn)出了明顯的歸一化異常分布,而該異常范圍與已知的氣藏分布區(qū)對應(yīng)良好。[14]圖1015號點(diǎn)與41號點(diǎn)電磁場MVO曲線(深色為15號點(diǎn)、淺色為41號點(diǎn))圖1115號點(diǎn)的電磁場歸一化異常曲線圖12各測點(diǎn)的電磁場歸一化振幅異常剖面5總結(jié)通過對海洋電磁法技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研分析,國外油公司及研究機(jī)構(gòu)對應(yīng)用于油氣勘探的可控源電磁勘探方法在裝備制造、技術(shù)研發(fā)方面已達(dá)到領(lǐng)先和實(shí)用化水平,并開始進(jìn)行了商業(yè)化的技術(shù)服務(wù)。相比之下,國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究則十分薄弱,地質(zhì)大學(xué)曾在國家863項(xiàng)目支持下,進(jìn)行過天然場海洋電磁勘探技術(shù)的研究,并自主開發(fā)了幾套海洋大地電磁采集站,由于投入有限,可持續(xù)研究不夠,并沒有形成穩(wěn)定規(guī)模性應(yīng)用的影響;而海洋可控源電磁勘探技術(shù)的研究在國內(nèi)還是空白,在裝備制造研發(fā)方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。面對海洋可控源電磁勘探技術(shù)在海洋油氣勘探領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛,油公司對海洋油氣鉆探成功率的技術(shù)渴求日益高漲,我們應(yīng)積極發(fā)揮多年來在陸地進(jìn)行電磁法勘探的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢,積極投入開展海洋電磁法勘探技術(shù)的研究,一方面以適應(yīng)我國廣袤的海洋領(lǐng)域油氣勘探需求,另一方面為進(jìn)入國際海洋勘探市場進(jìn)行有效的技術(shù)儲備。【參考文獻(xiàn)】[1]梁高權(quán)，柳超.用海底人工電磁場源探測海底.熱帶海洋，1998,17(4):1~5[2]何繼善，鮑力知.海洋電磁法研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展.地球物理學(xué)進(jìn)展，1999，14(1)：7~39[3]楊建文，EdwardsRN.用于海底電導(dǎo)率填圖的可控源時(shí)域電磁法.中國有色金屬學(xué)報(bào),1998，8(4)：705~713[4]王一新，王家林，王家映等.瞬變電磁系統(tǒng)探測海底電導(dǎo)率的研究.地球物理學(xué)報(bào)，1998，41(6)：841~847[5]SchlumbergerC,SchlumbergerM,LeonardonEG.Electricalexplorationofwater-coveredareas[J].Trans-actionsoftheAmericanInstituteofMiningandMetallurgicalEngineers,1934,110,122~134[6]CoxCS,FillouxJH,LarsenJ.Electromagneticstudiesofoceancurrentsandelectricalconductivitybelowtheoceanfloor[A].in:MaxwellAE.TheSea[C].NewYork:Wiley-Interscience,1971.637~693[7]ConstableS,OrangeA,HoverstenGM,etal.MarinemagnetotelluricsforpetroleumexplorationPart?:Asea-floorinstrumentsystem[J].Geophysics,1998,63(3):816~825[8]HeinsonG,ConstableS,WhiteA.Episodicmelttrans-portatamid-oceanridgeinferredfrommagnetotelluricsounding[J].GeophysicalResearchLetters,2000,27(15):2317~2320[9]TompkinsMJ,GreerA,BarkerN,etal.Effectsofverticalanisotropyonmarineactivesourceelectromagneticdataandinversions[J].ExpandedAbstractsof66thEAGEAnnualConference,2004,7~1