劉長(zhǎng)勝 周逢道 林 君

（1.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130061；2.吉林大學(xué) 地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春130061）

引 言

電磁場(chǎng)在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用已有較長(zhǎng)歷史。20世紀(jì)80年代，人們開始采用人工發(fā)射的低頻電磁場(chǎng)測(cè)量海底結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)被稱為海洋可控源電磁法。當(dāng)時(shí)國外一些研究者嘗試采用時(shí)間域可控源電磁法（瞬變電磁法）測(cè)量海底電導(dǎo)率［1－2］，以調(diào)查海底沉積層厚度，研究海底構(gòu)造，探測(cè)海底礦床以及水合物。本世紀(jì)初，頻率域可控源電磁法成功應(yīng)用于深海油氣探測(cè)，可直接指示海底油氣是否存在，有海底測(cè)井（SBL）之稱［3－5］，通常被直接稱為海洋可控源電磁法。從此海洋可控源電磁法在國外得到快速發(fā)展，被譽(yù)為自海底三維地震以來最重要的海底勘探技術(shù)［6］。采用該技術(shù)進(jìn)行海底油氣勘探服務(wù)的公司應(yīng)運(yùn)而生，一些大的石油公司也開始裝備該技術(shù)。有資料表明：在起初的3年時(shí)間里，海洋可控源電磁法便在海底油氣勘探中得到了上百次應(yīng)用［7］，在不到5年的時(shí)間里，給石油公司創(chuàng)造了上億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［5，8］。目前，該技術(shù)的基本理論已經(jīng)有了較為充足的發(fā)展［9］，除了研究油氣電磁響應(yīng)特征，還分析了各種環(huán)境因素的影響，如海底地形的影響［10］，并實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的二維反演［11］。盡管該技術(shù)發(fā)展迅速，并取得到顯著成效，但仍然只被少數(shù)公司和研究機(jī)構(gòu)掌握，且主要應(yīng)用于深海，淺海環(huán)境中的應(yīng)用因空氣波問題仍在不斷改進(jìn)［12］。我國對(duì)海洋可控源電磁法的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代末開始研究采用海洋時(shí)間域可控源電磁法調(diào)查淺海底電導(dǎo)率［13－15］，其中劉長(zhǎng)勝等分析了中心回線裝置對(duì)海底電導(dǎo)率的分辨能力［16］。近幾年我國開始重視適用于油氣勘探的海洋頻率域可控源電磁法，跟蹤國外研究進(jìn)展，在理論研究和數(shù)值模擬上取得了一些初步成果［17－21］。本文通過一維油氣模型電磁響應(yīng)的仿真分析，研究海洋可控電磁法對(duì)海底油氣的探測(cè)能力，特別是對(duì)淺海油氣的探測(cè)能力，為我國海底油氣的可控源電磁勘探提供參考。

1 海洋可控源電磁法勘探原理

海洋頻率域可控源電磁法對(duì)海底油氣的勘探原理如圖1所示。發(fā)射天線為一根兩端裸露于海水中并加載有低頻電流的水平電纜，靠近海底表面，典型工作頻率為0.1～10Hz.電流經(jīng)電纜、海水和海底構(gòu)成閉合回路，在周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)通過海水、海底和空氣傳播至位于海底表面的接收機(jī)。測(cè)量過程中，發(fā)射天線由勘探船拖曳前進(jìn)，每臺(tái)接收機(jī)均可以記錄到各種偏移距（接收機(jī)與發(fā)射天線之間的水平距離）的電磁場(chǎng)。通過記錄的電磁場(chǎng)可判斷海底是否存在油氣層，常用的是沿著測(cè)線方向的水平電場(chǎng)分量Ex.當(dāng)海底含油氣時(shí)，由于油氣電阻率較高，通過油氣傳播的電場(chǎng)能量衰減較小，因此，接收機(jī)可以記錄到較強(qiáng)的電場(chǎng)。與油氣田外參考點(diǎn)處接收機(jī)記錄的背景場(chǎng)相比，可確定油氣層的存在?？諝鈱?duì)測(cè)量有負(fù)面影響，當(dāng)水深較淺時(shí)，電磁場(chǎng)在海水中得不到充分衰減，途徑空氣傳播的電磁能量（空氣波）可能掩蓋來自海底的電磁能量，因此，海洋可控源電磁法在淺海環(huán)境下探測(cè)能力下降。

圖1 海洋可控源電磁勘探示意圖

通過求解麥克斯韋方程和邊界條件，劉長(zhǎng)勝等建立了海底表面電性源的電磁場(chǎng)計(jì)算公式［22］。根據(jù)該公式，可以仿真各種一維海底油氣模型的電磁響應(yīng)。采用Kong針對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)中偶極子天線給出的漢克爾變換濾波系數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)公式中的漢克爾積分進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算［23］，計(jì)算時(shí)發(fā)射天線長(zhǎng)度1m，距海底10m，接收點(diǎn)均位于發(fā)射天線的軸線方向，距離海底0.1m，偏移距在100～15 000m之間每隔100m取一個(gè)樣點(diǎn)，水深50m和3 000m分別代表淺海和深海。觀測(cè)系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響已有文獻(xiàn)論述［24］，這里均取代表性值，使仿真結(jié)果可充分體現(xiàn)海洋可控源電磁法的探測(cè)能力。圖2為標(biāo)準(zhǔn)油氣層模型（油氣層電導(dǎo)率0.01S／m，厚100m，埋深1 000m；圍巖電導(dǎo)率1S／m）［5，25］在海底表面的電場(chǎng)－偏移距曲線，頻率和海水電導(dǎo)率均取常用值0.25Hz和3.2S／m.為了體現(xiàn)油氣引起的異常，圖2（a）給出了不含油氣時(shí)的背景電場(chǎng)曲線，圖2（b）為含油氣的電場(chǎng)與背景電場(chǎng)的比值。深海環(huán)境下油氣導(dǎo)致海底電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，淺海環(huán)境下油氣導(dǎo)致小偏移距處的電場(chǎng)增強(qiáng)而大偏移距處的電場(chǎng)減弱，淺海油氣引起的電磁異常（與背景場(chǎng)的比值）不如深海顯著。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)油氣模型海底表面的電場(chǎng)響應(yīng)

2 探測(cè)能力仿真分析

由于深海油氣的電磁異常比淺海明顯，因此海洋可控源電磁法對(duì)海底油氣的極限探測(cè)能力主要取決于其在淺海環(huán)境下能獲得的最大電磁異常。以國外同類研究中常用的標(biāo)準(zhǔn)油氣模型（油氣層電導(dǎo)率0.01S／m，厚100m，埋深1 000m；圍巖電導(dǎo)率1S／m）為基礎(chǔ)，分別計(jì)算了淺海環(huán)境下（水深50m）不同油氣層埋深、厚度和電阻率時(shí)海底表面的電磁異常。工作頻率對(duì)電磁異常幅度影響較大［24］，典型工作頻率范圍為0.1～10Hz，為了充分反映海洋可控源電磁法的探測(cè)能力，仿真時(shí)還分析了工作頻率下限為0.01Hz的情況，更低頻率將會(huì)因不利于拖曳觀測(cè)而缺乏實(shí)用價(jià)值。由于淺海環(huán)境下只有水平電場(chǎng)分量Ex和垂直電場(chǎng)分量Ez能夠清楚反映海底油氣，且Ex分量比Ez分量更有利于測(cè)量［22］，因此，僅分析Ex分量在工作頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)。當(dāng)前系統(tǒng)歸一化噪聲最低可達(dá)10－15V／（Am2）［9，25］，淺海環(huán)境下絕對(duì)異常幅度（即電場(chǎng)增量）一般都在觀測(cè)系統(tǒng)可分辨范圍之內(nèi)，是否能夠發(fā)現(xiàn)油氣異常，主要取決于相對(duì)異常幅度，即油氣引起的電場(chǎng)增量占背景場(chǎng)的百分比。在相對(duì)異常可辨別的前提下，較小偏移距有利于獲取較大絕對(duì)異常。

2.1 最大油氣層埋深

改變標(biāo)準(zhǔn)油氣模型中油氣層深度，可得到海底表面最大相對(duì)異常幅度及對(duì)應(yīng)的絕對(duì)異常幅度隨油氣層埋深的變化曲線，如圖3所示。最大相對(duì)異常是指偏移距在15 000m以內(nèi)所有工作頻率可獲得的電場(chǎng)幅值最大相對(duì)異常。海底表面電場(chǎng)響應(yīng)幅值和異常幅度均隨著油氣層埋深的增加而減小。對(duì)同一埋深的油氣層而言，不同發(fā)射頻率和偏移距可獲得不同程度的電場(chǎng)異常。通過調(diào)整發(fā)射頻率和偏移距，可觀測(cè)到最大相對(duì)異常。雖然單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下最大相對(duì)異常隨油氣層埋深的增加近似線性衰減，埋深5 000m的油氣層仍可引起近40%的電場(chǎng)異常，表明海洋可控源電磁法對(duì)深部油氣有較強(qiáng)探測(cè)能力。觀測(cè)系統(tǒng)工作頻率下限影響油氣層的最大探測(cè)深度，探測(cè)深部油氣應(yīng)采用較低頻率。此外，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，探測(cè)深部油氣需在較大偏移距處觀測(cè)。低頻和大偏移距增加了深部探測(cè)的施工難度。

2.2 最小油氣層厚度

海底表面電場(chǎng)響應(yīng)幅值和異常幅度隨油氣層厚度變小而減弱，如圖4所示。仿真計(jì)算時(shí)，僅改變了標(biāo)準(zhǔn)油氣模型的油氣層厚度。海底表面最大電場(chǎng)相對(duì)異常幅度在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下隨油氣層厚度減小近似線性衰減。最大相對(duì)異常處的絕對(duì)異常幅度也隨油氣層厚度減小而減小。但埋深1 000m厚10m的油氣層仍可引起40%以上的電場(chǎng)異常，表明海洋可控源電磁法對(duì)油氣薄層具有較強(qiáng)的探測(cè)能力。由于此時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)工作頻率下限對(duì)最大相對(duì)異常幅度影響較小，且適當(dāng)增大頻率有利于提高絕對(duì)異常幅度，探測(cè)薄層油氣宜采用較高頻率。表2為不同油氣層厚度時(shí)最大相對(duì)異常及20%相對(duì)異常處的偏移距，油氣層越薄，最大相對(duì)異常處的偏移距越小。這表明薄油氣層的最大相對(duì)異常容易獲取，而且由于小偏移距處的電場(chǎng)信號(hào)較強(qiáng)，可同時(shí)獲得較大的絕對(duì)異常。較大的相對(duì)異常、較高的頻率和較小的偏移距均是薄油氣層探測(cè)的有利因素。

圖3 電場(chǎng)異常幅度隨油氣埋深的變化

圖4 電場(chǎng)異常幅度隨油氣層厚度的變化

表2 油氣層厚度變化對(duì)電場(chǎng)異常位置（偏移距）的影響

2.3 最小電性差異

油氣層在海底表面引起的電場(chǎng)響應(yīng)幅值和異常幅度隨油氣層電阻率的變?。妼?dǎo)率變大）而減小，如圖5所示，仿真計(jì)算時(shí)僅改變標(biāo)準(zhǔn)油氣模型的油氣層電阻率。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，最大相對(duì)異常幅度隨油氣層電導(dǎo)率的增加近似線性衰減。埋深1 000m電導(dǎo)率0.1S／m的油氣層可引起的最大相對(duì)異常達(dá)40%以上，表明海洋可控源電磁法對(duì)品位較低的油氣層仍然有較好的探測(cè)能力。觀測(cè)系統(tǒng)工作頻率的下限對(duì)最大相對(duì)異常幅度影響較小，適當(dāng)增大頻率不會(huì)明顯降低相對(duì)異常幅度但可獲得較大的絕對(duì)異常，有利于測(cè)量。在不同油氣層電導(dǎo)率的情況下，觀測(cè)最大相對(duì)異常及20%相對(duì)異常所需的偏移距見表3.油氣層電導(dǎo)率增大，即電阻率減小，將使最大相對(duì)異常的偏移距減小，這有利于測(cè)量。因此，與薄油氣層一樣，小電性差異的油氣層也可采用海洋可控源電磁法來探測(cè)。

圖5 電場(chǎng)異常幅度隨油氣層電導(dǎo)率的變化

表3 油氣層電導(dǎo)率變化對(duì)電場(chǎng)異常位置（偏移距）的影響

對(duì)比圖4和圖5可得出：電場(chǎng)異常幅度實(shí)際上取決于油氣層電阻率和厚度的乘積，即縱向阻抗。在油氣層埋深不變的情況下，縱向阻抗相同的油氣層具有近似相等的電場(chǎng)響應(yīng)和異常幅度。圖6是縱向阻抗1 000Ωm2、頂面埋深1 000m但厚度和電阻率不同的油氣層引起的電場(chǎng)異常幅度?？v向阻抗相同的情況下，厚油氣層異常幅度略小于薄油氣層，原因在于前者中心埋深較大。仿真表明：若保持不同厚度油氣層的中心埋深不變，則厚油氣層的異常幅度略大于薄油氣層，但差異不顯著。

圖6 相同縱向阻抗不同電阻率和厚度的油氣層引起的海底電場(chǎng)異常

3 結(jié) 論

一維海洋模型的仿真結(jié)果表明：海底油氣層可引起明顯的電磁異常，海洋可控源電磁法對(duì)海底油氣具有較強(qiáng)的探測(cè)能力，且深海環(huán)境下探測(cè)效果優(yōu)于淺海環(huán)境。深海環(huán)境下，油氣層引起的電場(chǎng)相對(duì)異常較大，電場(chǎng)幅值較小，探測(cè)能力主要取決于觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力。淺海環(huán)境下，電場(chǎng)幅值較大，相對(duì)異常較小，探測(cè)能力主要取決于Ex分量的相對(duì)異常幅度。因此，相對(duì)異常的本底噪聲是影響淺海環(huán)境下海洋可控源電磁法探測(cè)能力的主要因素。如果油氣田區(qū)域與油氣田以外參考點(diǎn)之間的圍巖差異較小，且觀測(cè)過程中儀器系統(tǒng)測(cè)量誤差較小，則相對(duì)異常本底噪聲較小，此時(shí)可分辨較小的相對(duì)異常，海洋可控源電磁法對(duì)油氣的探測(cè)能力較強(qiáng)。淺海環(huán)境下不同油氣模型的電磁響應(yīng)計(jì)算結(jié)果表明：海底表面電場(chǎng)相對(duì)異常幅度隨油氣層埋深增加、厚度減小或電阻率減小而變小，但深部油氣層、薄油氣層和小電性差異油氣層仍然可引起較為明顯的電場(chǎng)相對(duì)異常。工作頻率是影響海洋可控源電磁法探測(cè)能力的因素之一，降低工作頻率可提高淺海環(huán)境中油氣層的相對(duì)異常幅度。頻率越低，探測(cè)深度越大，但對(duì)油氣層厚度和電性差異的分辨能力并不因頻率降低而明顯提高。深部油氣田的明顯電場(chǎng)異常出現(xiàn)在較大的偏移距位置，因此，當(dāng)油氣藏橫向規(guī)模較小時(shí)，由于大偏距處觀測(cè)點(diǎn)已位于油氣藏區(qū)域之外，無法獲得明顯電場(chǎng)異常，海洋可控源電磁法最大探測(cè)深度將減小。當(dāng)油氣層電阻率減小或厚度變薄時(shí)，其明顯電場(chǎng)異常所在偏移距增大（最大異常偏移距減?。┑凭嘀等匀惠^小，油氣藏橫向規(guī)?？s小對(duì)海洋可控源電磁法探測(cè)小電性差異和小厚度油氣藏的能力影響較小。由于相同厚度和電阻率乘積的油氣層具有近似相同的電場(chǎng)響應(yīng)和最大異常幅度，海洋可控源電磁法反映的是海底油氣層縱向阻抗，而不是單一的電阻率或厚度，這有利于油氣藏縱向儲(chǔ)量規(guī)模的評(píng)估。從仿真結(jié)果中還可看出：海洋可控源電磁法本質(zhì)上是對(duì)高阻體反應(yīng)靈敏，因此，該方法不僅適用于油氣探測(cè)，還可用于其它海底高阻目標(biāo)如水合物的探測(cè)，其探測(cè)能力除了取決于電磁響應(yīng)幅值和相對(duì)異常幅度，也必將隨儀器系統(tǒng)測(cè)量精度和抗干擾能力的提高而增強(qiáng)。

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