胡小群，李 斌，黃 濤，張異彪

海洋可控源電磁勘探技術(shù)

胡小群，李 斌，黃 濤，張異彪

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海 201208）

隨著海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)由淺水區(qū)走向深水區(qū)，海洋可控源電磁技術(shù)（CSEM）可以有效降低深水勘探的鉆探風(fēng)險(xiǎn)，正逐步發(fā)揮越來(lái)越大的作用。由于烴的導(dǎo)電性很差，因此含油氣巖層的電阻率遠(yuǎn)大于周?chē)膰鷰r。通過(guò)CSEM勘探技術(shù)可以找出低阻背景中的高阻異常體。將CSEM勘探結(jié)果與地震資料綜合解釋?zhuān)梢源蟠筇岣咩@探的成功率。論述了CSEM的基本原理、施工方式及影響勘探效果的因素，并與地震勘探資料進(jìn)行了比較，旨在為我國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)在選擇勘探技術(shù)方法上提供參考。

海洋可控源電磁技術(shù)；基本原理；信號(hào)傳播；數(shù)據(jù)采集；方法比較；影響因素

隨著海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)逐步走向深水領(lǐng)域，可控源電磁法（Controlled Source Electromagentic Methods）技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到深水油氣勘探中，為有效降低深水勘探的鉆探風(fēng)險(xiǎn)增添了一項(xiàng)新的技術(shù)。由于烴的導(dǎo)電性很差，因此含油氣巖層的電阻率遠(yuǎn)大于周?chē)膰鷰r。CSEM就是在含水的低阻圍巖背景中尋找含油氣的高阻異常，探測(cè)含油氣的高電阻率地層。有專(zhuān)家認(rèn)為，CSEM是自三維反射地震出現(xiàn)至今幾十年來(lái)最為重要的地球物理勘探技術(shù)[1]。

1 CSEM調(diào)查方法

1.1 CSEM基本原理

巖石的導(dǎo)電性主要受組成巖石的基本礦物顆粒、孔隙度及其中的流體、膠結(jié)物三個(gè)因素的影響。當(dāng)巖石孔隙中含有油氣時(shí)，其電阻率會(huì)大大提高。

CSEM方法的基礎(chǔ)是含油氣的目標(biāo)層與周?chē)畤鷰r在電阻率上具有很大差異。含油氣巖層的電阻率一般比周?chē)妥鑷鷰r大10～100倍，因此通過(guò)CSEM技術(shù)探測(cè)沉積地層的電阻率分布情況，可以判斷巖石孔隙中含的是油氣還是水。

CSEM的工作方法是在海底放置多個(gè)接收電磁場(chǎng)的接收器，然后在靠近海底位置沿設(shè)計(jì)測(cè)線拖動(dòng)一個(gè)電偶極的發(fā)射源。電偶極源發(fā)射低頻的電磁波（一般為0.1～10 Hz）[2]，電磁波在上覆的水體和下伏的海底巖層中擴(kuò)散傳播，經(jīng)過(guò)地層的電磁波反射信號(hào)被海底的接收器接收（圖1）。

圖1 CSEM勘探原理示意圖

電磁波在介質(zhì)中的衰減程度與介質(zhì)的電阻率和電磁波的頻率有關(guān)。電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中衰減得快，傳播速度慢，在高阻介質(zhì)中衰減得慢，傳播速度快。通常海底地層的電阻率都大于海水，所以電磁波在海底地層中比在海水中衰減小。由于這個(gè)原因，當(dāng)發(fā)射源與接收器的距離在一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶鷷r(shí)，其接收到的電磁波信號(hào)是以經(jīng)過(guò)地下巖層反射的信號(hào)為主（圖2中B段）[3]。沿著地下地層傳播的電磁波，如果遇到高阻層時(shí)，就會(huì)形成一種沿著高阻界面?zhèn)鞑サ膶?dǎo)波（可以類(lèi)比地震中的折射波），這時(shí)電磁信號(hào)比在通常的低阻海底地層中傳播衰減更少。沿著高阻層傳播的信號(hào)不斷擴(kuò)散，被接收器接收。所以當(dāng)?shù)叵麓嬖诤蜌飧咦钑r(shí)，接收器就會(huì)接收到加強(qiáng)的信號(hào)。CSEM探測(cè)的就是地下高阻層中導(dǎo)波引起的上覆地層電場(chǎng)分布的異常變化。

接收器同時(shí)記錄接收到電場(chǎng)的強(qiáng)度和相位信息，這些信息與海底巖石的電阻率特性相關(guān)。在海底放置多個(gè)接收器，沿著測(cè)線發(fā)射電磁波，就能獲得關(guān)于海底以下巖層電阻率的分布情況。

圖2 信號(hào)隨偏移距變化曲線

勘探過(guò)程中，首先建立有、無(wú)油氣兩種情形下的地層電阻率模型，分別計(jì)算其理論的電磁響應(yīng)，將其與實(shí)測(cè)的信號(hào)比較，不斷調(diào)整正演的電阻率模型，根據(jù)已知的地質(zhì)條件使得理論的電磁響應(yīng)與實(shí)際情況達(dá)到基本吻合。最終得到海底地層的電阻率分布情況，以此判斷地層中是否含有油氣。

1.2 CSEM信號(hào)的傳播路徑

發(fā)射源發(fā)射的電磁信號(hào)主要沿三條路徑傳播到接收器（圖3）[3]：一是由發(fā)射源經(jīng)過(guò)海水直接到達(dá)海底接收器的“直達(dá)波”；二是向上透過(guò)海水后，沿空氣—海水界面?zhèn)鞑?，再向下傳播，然后被接收器接收到的“空氣波”；三是向下透過(guò)海水后在地層中傳播，再反射回海底，被接收器接收到的地層反射信號(hào)，就是CSEM勘探的有效信號(hào)。

圖3 CSEM信號(hào)傳播路徑示意圖

電磁波在海水中隨著傳播距離的增加信號(hào)強(qiáng)度急速衰減，所以沿第一種傳播路徑的直達(dá)波，在距發(fā)射源較近的接收器所接收到的信號(hào)較強(qiáng)（圖2中的A段），而距發(fā)射源較遠(yuǎn)的接收器所接收到的直達(dá)波非常弱。

沿第二種路徑傳播的“空氣波”向上透過(guò)海水到達(dá)海面后，遇到空氣高阻后，沿著海水—空氣界面?zhèn)鞑?。因?yàn)榭諝獾碾娮璺浅４?，所以電磁信?hào)沿著海水—空氣界面?zhèn)鞑ニp的非常少。在遠(yuǎn)離發(fā)射源的接收器中，沿其它路徑傳播的信號(hào)已衰減得非常微弱，這時(shí)接收器接收到的信號(hào)中，以“空氣波”信號(hào)為主（圖2中的C段）。

由于電磁波在海水中傳播比在地層中衰減得快，當(dāng)發(fā)射源與接收器增大到一定距離，接收器接收到的信號(hào)是以第三種傳播路徑的信號(hào)為主（圖2中的B段）。在CSEM勘探中，當(dāng)偏移距（發(fā)射源與接收器之間的距離）是目標(biāo)層埋深2～5倍時(shí)，接收的信號(hào)是以來(lái)自地層的反射信號(hào)為主。

綜合分析海水對(duì)電磁波的影響，可知為什么CSEM要求有一個(gè)深水環(huán)境。在淺水區(qū)，向上透過(guò)海水后形成的“空氣波”信號(hào)強(qiáng)，掩蓋了經(jīng)地層傳播的有效信號(hào)，所以淺水區(qū)不利于CSEM勘探。另外，深水區(qū)可以有效的過(guò)濾大地電磁中干擾CSEM的高頻波段，背景電磁噪聲較少。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，CSEM一般適用于深水區(qū)域。僅從“空氣波”和大地電磁噪聲來(lái)說(shuō)，水深是越深越好，但對(duì)儀器設(shè)備的技術(shù)要求更高。

1.3 CSEM數(shù)據(jù)采集

CSEM數(shù)據(jù)采集首先將多個(gè)接收器按一定的排列安放到海底，然后由勘探船拖帶發(fā)射器，按設(shè)計(jì)的測(cè)線以一定的時(shí)間間隔發(fā)射電磁信號(hào)。施工中勘探船的速度一般為2.8～3.7 km/h（1.5～2節(jié)）。對(duì)于CSEM來(lái)說(shuō)，主要的儀器為發(fā)射器（圖4）與接收器（圖5）[4]。

圖4 CSEM發(fā)射器的基本組成

圖5 CSEM接收器的基本組成

（1）發(fā)射器

由于電磁波在海水中衰減非?？欤栽诒ＷC儀器安全的前提下，發(fā)射器要盡可能靠近海底，以減少電磁波能量在海水中的衰減，使透過(guò)海水進(jìn)入地層的信號(hào)盡可能的強(qiáng)。在施工中，發(fā)射器的拖體一般距海底幾十米，發(fā)射信號(hào)的頻率一般為0.1～10 Hz。

發(fā)射器按照勘探船發(fā)出的指令生成設(shè)計(jì)好的波形。電極發(fā)射的電流波形由拖體上的儀器進(jìn)行測(cè)量，并傳輸?shù)酱线M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。在采集數(shù)據(jù)中，要記錄激發(fā)的精確時(shí)間，以及發(fā)射源的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置和方向（包括傾斜角度、羽角等）。

在CSEM勘探中，發(fā)射源產(chǎn)生的波形一般是方波。通過(guò)傅利葉變換可以把方波分解成不同頻率的正弦波。其中最強(qiáng)的信號(hào)是基波，其頻率是主頻。除主頻外，還有頻率是主頻奇數(shù)倍的諧波。在勘探前，要通過(guò)細(xì)致的模型正演，根據(jù)勘探目標(biāo)深度，選擇合適的主頻。

發(fā)射源發(fā)射的電磁信號(hào)強(qiáng)度與發(fā)射頻率決定了勘探深度。目前發(fā)射源可釋放幾百至上千安培的電流[2]，最大有效勘探深度可達(dá)海底以下4 000 m。

（2）接收器

測(cè)量電磁場(chǎng)的接收器有兩個(gè)基本裝置：測(cè)量電場(chǎng)的一對(duì)電極和測(cè)量磁場(chǎng)的磁力計(jì)。一對(duì)電極構(gòu)成一個(gè)電偶極，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的電勢(shì)差來(lái)測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。磁力計(jì)是一組多匝線圈，用于測(cè)量磁通量，變化的磁通量在線圈中產(chǎn)生電流，磁力計(jì)通過(guò)電流的大小來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。

在CSEM勘探中一般測(cè)量的是電場(chǎng)?，F(xiàn)在的接收器一般由兩個(gè)正交的水平電偶極組成。接收器放置在海底后，兩個(gè)水平電極測(cè)量的是海底水平面上的正交場(chǎng)。如果想測(cè)量垂直電場(chǎng)，就必須在接收器上安裝一個(gè)垂直電偶極。但垂直電偶極不能太長(zhǎng)，主要是垂直方向上容易受洋流的影響產(chǎn)生擺動(dòng)。

接收器主要由以下幾部分組成：一是用來(lái)測(cè)量水平電場(chǎng)的兩個(gè)相互正交的電偶極；二是用來(lái)記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄儀；三是使接收器下沉到海底的水泥基座及其分離裝置；四是水下聲學(xué)定位系統(tǒng)的應(yīng)答信標(biāo)；五是接收器上浮的氣浮裝置。

接收器的電極是銀-氯化銀（Ag-AgCl）電極，四個(gè)電極分別放置在四個(gè)長(zhǎng)玻璃纖維管的尾端，玻璃纖維管從接收裝置的四側(cè)向外伸出。

接收器中的數(shù)據(jù)記錄儀是將電極接收到的模擬信號(hào)通過(guò)24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，并記錄到一個(gè)閃存上。同時(shí)，它能夠提供精確的時(shí)間，確保數(shù)據(jù)后處理中記錄的數(shù)據(jù)和發(fā)射源及其它接收器的信號(hào)能保持同步。

接收器的底部與一個(gè)很重的水泥塊相連，這使接收器能沉到海底，同時(shí)能保證接收器在海底的穩(wěn)定，不受洋流的影響?？碧浇Y(jié)束后，通過(guò)船上的水下聲學(xué)系統(tǒng)發(fā)出聲控信號(hào)，激發(fā)釋放裝置使連接接收器和水泥基座的電線受熱熔化斷開(kāi)，接收器在氣浮作用下浮出海面。

接收器中有三個(gè)獨(dú)立的電池組：一組電池向數(shù)據(jù)記錄儀供電，一組向水泥基座分離裝置供電（用來(lái)熔化系著接收器和水泥基座的電線），一組向水下聲學(xué)定位系統(tǒng)的聲學(xué)信標(biāo)供電。向數(shù)據(jù)記錄儀供電的電池一般能持續(xù)供電40天，這就保證了操作人員有足夠的時(shí)間先布置完所有接收器，然后拖帶發(fā)射源施工。給基座分離系統(tǒng)供電的電池有效時(shí)間為一年，確保了施工結(jié)束后，有足夠的時(shí)間回收裝置。

接收器沉入海底后，兩個(gè)正交水平電極的方向是隨機(jī)的。儀器上裝有羅盤(pán)，可以測(cè)量水平電極的方位。在資料處理階段，可將測(cè)量方向上的電場(chǎng)分解到理想方位。

2 CSEM與地震方法比較

CSEM測(cè)量的是人工電場(chǎng)，得到地層電阻率的分布情況，通過(guò)區(qū)分高阻的油氣儲(chǔ)層與低阻的含水圍巖，從而確定油氣儲(chǔ)層。地震勘探測(cè)量的是速度場(chǎng)，得到的是地層構(gòu)造形態(tài)，并在此基礎(chǔ)上尋找可能有油氣賦存的地質(zhì)構(gòu)造。地球物理具有多解性，如果將多種物探數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，綜合分析，就會(huì)減小多解性，從而降低勘探風(fēng)險(xiǎn)。

高頻電磁波在海水中迅速衰減，為了使發(fā)射的電磁信號(hào)能達(dá)到較深的勘探深度，發(fā)射電磁信號(hào)的頻率只能是低頻。低頻的電磁信號(hào)決定了它的分辨率不高，與地震相比，它不能提供高分辨率的構(gòu)造和地層結(jié)構(gòu)信息，這是CSEM方法的固有不足。但CSEM是對(duì)巖石縫隙中高阻油氣物理性質(zhì)的直接反映，是一種直接油氣指示的方法，而地震勘探中除了亮點(diǎn)技術(shù)和AVO外，主要是尋找有利的地質(zhì)構(gòu)造。所以，CSEM可直接從油氣高電阻率這個(gè)物性角度，為地震勘探提供獨(dú)立、有益的補(bǔ)充信息。若是用地震方法找出油氣的有利構(gòu)造，同時(shí)運(yùn)用CSEM方法得出存在高阻異常，兩者綜合起來(lái)，就會(huì)大大增加勘探的成功率。

另外，地震波對(duì)地層中的氣體很敏感，烴飽和度達(dá)20%時(shí)就有明顯的聲阻抗異常（圖6），淺層氣和沒(méi)有商業(yè)價(jià)值的殘留烴也具有明顯的亮點(diǎn)和AVO異常。而對(duì)CSEM來(lái)說(shuō)，只有烴飽和度達(dá)到80%以上才具有明顯的電阻率異常（圖6）[5]。因此，將地震和CSEM綜合分析，可以有效降低勘探風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 聲阻抗及電阻率隨烴飽合度變化曲線

3 影響CSEM勘探效果的因素

影響CSEM勘探效果的因素有：

（1）工區(qū)水深及海底地形。CSEM技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用前提是要具有一定的水深，使得“空氣波”干擾信號(hào)能夠在大偏移距出現(xiàn)，從而使得在合適偏移距內(nèi)的接收器獲得較強(qiáng)的來(lái)自地層的有效信號(hào)。海底地形的起伏，直接影響信號(hào)在地下地層中的傳播路徑，產(chǎn)生干擾的異常信號(hào)，影響對(duì)地下目標(biāo)深度高阻體的分辨。

（2）勘探目標(biāo)層的埋藏深度。CSEM勘探目標(biāo)層的深度不能太深，目前最大的勘探深度為海底以下4 000 m，埋深小于3 000 m（海底以下）目標(biāo)層勘探效果較好。

（3）勘探目標(biāo)層要具有一定的規(guī)模。目標(biāo)層不僅縱向上要具有一定的厚度，橫向延伸也要具有一定的規(guī)模，一般要求橫向規(guī)模達(dá)到埋深的2倍[6]。

（4）勘探目標(biāo)層電阻率與圍巖電阻率差異。一般要求目標(biāo)層的電阻率高出圍巖電阻率1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

（5）勘探目標(biāo)層是單層，還是多個(gè)薄層疊加在一起。如果目標(biāo)層由多個(gè)薄層組成，則目標(biāo)層的整體電阻率將大大降低，儲(chǔ)層與圍巖的電阻率差變小，CSEM方法將難以發(fā)現(xiàn)。

（6）勘探目標(biāo)層附近是否有其它高阻異常體。如果目標(biāo)層附近存在致密灰?guī)r、致密高阻砂巖、鹽丘、火山巖等高阻異常體或淺部地層存在高阻體（如天然氣水合物），對(duì)勘探效果影響較大。

勘查區(qū)是否適合進(jìn)行CSEM勘探，需要對(duì)地質(zhì)條件、儲(chǔ)層特征等因素進(jìn)行綜合研究，建立地質(zhì)模型并進(jìn)行正演模擬。只有在儲(chǔ)層滿(mǎn)足CSEM地球物理?xiàng)l件的前提下，才能開(kāi)展CSEM勘探，否則可能導(dǎo)致勘探的失敗。

4 結(jié)論

CSEM是隨著海洋油氣勘探由淺水區(qū)走向深水區(qū)后發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，它調(diào)查海底地層電阻率的分布情況。CSEM與地震相結(jié)合，可以有效降低深水鉆探風(fēng)險(xiǎn)。但該技術(shù)與所有地球物理技術(shù)一樣，有一定的應(yīng)用前提，因此在采用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行勘探前，需對(duì)勘查區(qū)進(jìn)行地質(zhì)建模、正演模擬，研究該地區(qū)的水深條件、目標(biāo)體埋深、目標(biāo)規(guī)模及其他因素等，綜合分析各種因素后，才能確定是否進(jìn)行CSEM勘探。

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潿西探區(qū)三維地震項(xiàng)目結(jié)束野外采集

上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)承擔(dān)的中石化自營(yíng)區(qū)塊潿西探區(qū)三維地震采集項(xiàng)目，6月17日結(jié)束野外采集。

2011年，潿西探區(qū)鉆探的潿3井鉆遇多層油氣顯示，發(fā)現(xiàn)了厚380 m的始新統(tǒng)流沙港組優(yōu)質(zhì)烴源巖。科研人員深入研究認(rèn)為，潿西探區(qū)南凹陷D次洼與海中凹陷在古近紀(jì)斷陷期為一連通洼陷。這一地質(zhì)認(rèn)識(shí)有效提升了海中凹陷勘探潛力。為探明海中凹陷資源前景，中石化集團(tuán)安排了350 km2三維地震采集項(xiàng)目。

此次三維地震采集項(xiàng)目面積408.607 km2，滿(mǎn)覆蓋面積350.108 km2。物探隊(duì)員克服了海域漁船干擾，全面完成采集工作量，為潿西探區(qū)下一步井位部署奠定了基礎(chǔ)。

摘編自《中國(guó)石化報(bào)》2012年7月9日

Offshore Controlled-Source Electromagnetic Methods

HU Xiaoqun, LI Bin, HUANG Tao, ZHANG Yibiao
（No.1 Marine Geological Investigation Party, Shanghai Offshore Petroleum Bureau, SINOPEC, Shanghai 201208, China）

With offshore HC exploration and development changing from shallow water to deep water，offshore controlled source electromagnetic technology (CSEM) has been widely used in deep water exploration to reduce exploration risk. Because of the poor conductivity of hydrocarbon, the resistivity of HC bearing rocks is higher than the water-bearing rock. With CSEM exploration techniques, the abnormal body with high resistance can be identif i ed from the low resistance background. The risk of drilling can be reduced greatly through interpretation of CSEM data and seismic data. In this article, the basic principles, the operation ways and the factors which might inf l uence the exploration results are discussed, and the exploration results of CSEM have been compared with the results of seismic exploration. The aim of this article is to provide reference for the selection of deepwater HC exploration and development methods.

CSEM; basic theory; signal propagation; date acquisition; method comparison; factor

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.03.013

1008-2336（2012）03-0013-05

2012-04-05；改回日期：2012-06-12

胡小群，女，1967年生，工程師，1989年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)勘察地球物理專(zhuān)業(yè)，主要從事海洋地球物理工作。E-mail：huxiaoqun@sopgc.com。