周建美,李 貅,戚志鵬

(長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,陜西西安710054)

周建美,李貅,戚志鵬.不同海洋可控源電磁法對海底低阻目標體的探測能力對比分析[J].石油物探,2017,56(6):-889

ZHOU Jianmei,LI Xiu,QI Zhipeng.Comparative analysis on detection capability of two marine CSEM methods to seabed conductivity targets[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(6):-889

不同海洋可控源電磁法對海底低阻目標體的探測能力對比分析

周建美,李 貅,戚志鵬

(長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,陜西西安710054)

深海低阻熱液硫化物礦海洋可控源電磁法勘探主要采用時間域海底中心回線或重疊回線裝置。以往對不同海洋電磁勘探裝置探測能力的對比研究主要針對海底高阻油氣藏目標體,而對于深海低阻目標體探測能力的討論和分析較少。為此,研究對比了頻率域和時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置對深海低阻目標體的探測能力,通過計算典型深水域三維低阻目標體模型的電場響應、歸一化電場響應和空間中電場分布特點,分析了兩種不同海洋電磁方法的應用效果,得到以下結論：①頻率域和時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置均能探測到深海三維低阻目標體的電場異常;②對于典型的深海低阻目標體,頻率域電磁法的異常幅值大于時間域電磁法。

海洋可控源電磁法;發(fā)射-接收裝置;深海低阻目標體;探測能力;三維正演

海洋可控源電磁法勘探包括海底高阻油氣資源勘探[1-5]、深海熱液硫化物礦勘探[6]、海底工程檢測[7]等,能夠有效進行油氣層識別和海上油氣儲層定量評價[1-4],2000年以來得到了大力發(fā)展[8-9]。針對不同水深和油氣藏規(guī)模,海洋電磁法發(fā)展了多種不同的電磁勘探裝置[10-16],如頻率域深拖拽發(fā)射-接收裝置、頻率域淺拖拽發(fā)射-接收裝置、時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置、時間域淺拖拽發(fā)射-接收裝置、時間域海底垂直發(fā)射-垂直接收裝置等。國內(nèi)外學者對不同海洋電磁法勘探裝置的高阻目標體探測能力進行了很多對比研究,如SHANTSEV等[17]、GUO等[18]比較了頻率域深拖拽和淺拖拽裝置在不同水深情況下對海底高阻目標體的探測能力,建議在深水域采用深拖拽裝置,淺水域采用淺拖拽裝置。GOLDMAN等[19]比較了頻率域深拖拽水平發(fā)射-固定陣列接收裝置、時間域海底垂直發(fā)射-垂直接收裝置、時間域回線源裝置對海底高阻目標體的探測能力,建議在深水域采用頻率域方法,淺水域以及橫向小目標體探測采用時間域方法。MACGREGOR等[10]對各類裝置探測海底高阻目標體的優(yōu)缺點進行了較為系統(tǒng)的總結。

深海熱液硫化物礦[20]廣泛分布于深海的大洋擴張脊和火山構造帶等區(qū)域,具有顯著的經(jīng)濟開采價值。日益增長的資源需求推動著海底礦產(chǎn)勘探的發(fā)展,海洋可控源電磁法在深海熱液硫化物礦勘探中的應用得到越來越多的關注[6,21-23]。深海熱液硫化物礦是一種典型的低阻目標體,相應的深海低阻目標體電磁法探測主要采用時間域海底中心回線或重疊回線裝置[6,21-22]。而目前廣泛應用的海洋電磁法各類裝置[11-16]主要應用于海底高阻油氣探測,關于深海低阻目標體探測能力的討論和分析較少。本文研究分析了目前廣泛應用的海洋電磁法裝置對深海低阻目標體(以熱液硫化物礦為例)的探測能力?？紤]深海區(qū)域的目標體探測采用淺拖拽裝置接收信號時需要經(jīng)過兩次厚的海水層吸收,會導致電磁信號幅值過小[17],同時考慮到海底操作的效率,本文主要針對工作效率較高的頻率域深拖拽發(fā)射-接收裝置[12]和時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置[14]進行討論。通過計算典型的深海三維低阻目標體模型的電場響應,分析這兩類海洋電磁法勘探裝置對深水域低阻目標體的探測能力。

1 正演理論

三維頻率域正演電磁響應采用耦合勢有限體積法計算[24]。頻率域電磁法滿足的控制方程為：

(1)

式中:E為頻率域電場強度矢量,J為外加電性源,ω為圓頻率,μ0為真空磁導率,σ為地層電導率。引入電場的矢勢A和標勢φ,將電場分解為無散場和無旋場之和：

(2)

控制方程轉換為關于矢勢與標勢的混合Helmholtz方程：

式中:Ax,Ay和Az為矢勢A在直角坐標系中的3個分量;Jx,Jy和Jz為電性源J在直角坐標系中的3個分量。選擇足夠大的計算區(qū)域Ω,則在區(qū)域外邊界?Ω上的電磁場將非常小,因此可以采用簡單的截斷邊界條件：

(4)

其中,n為邊界單位矢量。為了求解控制方程(3)在邊界條件(4)下的數(shù)值解,采用Yee氏交錯網(wǎng)格對求解區(qū)域進行空間離散,利用高斯定理對旋度和散度算子進行離散處理,發(fā)射源采用直接離散方法,最終得到關于矢勢A和標勢φ的離散控制方程：

(5)

式中:系數(shù)矩陣F為大型非對稱稀疏復矩陣,X為離散網(wǎng)格上的未知數(shù),Q為離散的源項。采用直接法求解器PARDISO[25]求解該離散方程,得到三維頻率域正演電磁響應。

三維時間域正演電磁響應采用基于隱式時間步迭代的擬態(tài)有限體積法計算。忽略位移電流,回線源瞬變電磁法對應的時間域Maxwell方程為：

式中:e是時間域電場強度矢量,b是時間域磁感應強度矢量,t是時間,s是時間域外加源項。采用簡單的自然邊界條件

(7)

則回線源瞬變電磁法在t=0時刻空間中只存在穩(wěn)定的磁場分布,即初始條件為:

(8)

式中,b0為t=0時刻空間中的磁場分布。將(8)式采用弱形式表示,并采用Yee氏交錯網(wǎng)格進行空間離散,利用積分形式的斯托克斯定理處理電場旋度的離散,得到控制方程空間離散的矩陣表示。采用關斷源,并采用無條件穩(wěn)定的歐拉后向差分格式進行時間步離散,得到最終的離散控制方程為：

(9a)

bn=bn-1-ΔtCURLen

(9b)

式中:CURL為旋度算子的離散形式,Mμ和Mσ分別為磁導率μ0和電導率σ離散形成的矩陣,Δt為迭代時間步長,en和bn分別為第n次時間步迭代得到的電場和磁場。先通過解析求得初始場b0,然后通過求解時間步迭代的線性方程組(9),即可得到不同時刻的電磁場響應。本文采用直接法求解器PARDISO[25]求解線性方程組(9),同時,為了保證計算精度和效率,選取分段等間隔的時間步長。

2 探測能力分析

頻率域和時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置探測深海三維低阻目標體模型設置參考文獻[6]中的一維熱液硫化物礦模型。當海水深度大于1000m時認為是深海域[8],可以忽略空氣層,因此可以設置如圖1所示的正演模型。該模型上半空間為海水層,電導率為3S/m;海底地層電導率為1S/m,海底下方20m存在一個電導率為20S/m的三維矩形低阻目標體,其x方向長度為500m,y方向長度為500m,z方向厚度為30m。采用海底深拖拽水平發(fā)射-水平接收裝置,發(fā)射源與接收機位于同一高度,操作方便,距離海底上方5m,發(fā)射源水平方向距離海底下方三維目標體邊界100m(圖1)。

2.1 頻率域響應分析

在探測埋深較大的高阻油氣藏時,一般采用較低的發(fā)射頻率(0.1～10.0Hz)。由于本文研究的低阻目標體埋深較淺,因此采用相對高的發(fā)射頻率(100Hz)[11]。深海域海洋電磁法在100Hz時的噪聲水平為2×10-15V/Am2[11]。發(fā)射源位置水平方向距離海底下方三維目標體邊界100m,如圖1所示,隨船拖拽的多個接收機與發(fā)射機位于同一高度。圖2 為不同偏移距時頻率域深拖拽水平發(fā)射-接收裝置的響應振幅和歸一化振幅。圖2a中黑色圓圈為采用開源軟件Dipole 1D[26]計算的不含異常體的一維模型的解析解,紅色曲線為采用三維耦合勢有限體積算法計算的不含異常體的一維模型的數(shù)值解,藍色曲線為采用三維耦合勢有限體積算法計算的三維模型(如圖1所示)的數(shù)值解,黑色虛線為噪聲水平;圖2b 為存在3D低阻體的電場響應相對不含低阻體的半空間模型的歸一化振幅。圖2a中黑色圓圈與紅色曲線重合,說明本文算法的計算結果是有效的。圖2a 中紅色曲線和藍色曲線對比可知,該裝置對于海底低阻目標體存在顯著異常,最小歸一化振幅小于0.02,最大異常響應位于偏移距500m處(圖2b),其主要的異常響應均大于噪聲水平,說明該裝置能夠有效地探測海底低阻異常。

圖1 三維模型

圖2 三維模型頻率域深拖拽水平發(fā)射-接收裝置電場響應(a)和歸一化振幅(b)

圖3 不含低阻異常體模型電場幅值及電流分布(等值線表示電場分布,箭頭表示電流方向)

圖4 不含低阻異常體的三維模型x方向電場Ex幅值分布

圖5 含有低阻異常體模型的電場幅值及電流分布(等值線表示電場分布,箭頭表示電流方向)

圖6 含有低阻異常體的三維模型x方向電場Ex幅值分布

2.2 時間域響應分析

采用時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置探測深海三維低阻熱液硫化物礦目標體類似于長偏移距瞬變電磁法[27-29],存在最優(yōu)化偏移距選取問題。本文通過對比不同偏移距情況下一維低阻模型的瞬變電磁響應,得到近似最優(yōu)化的偏移距。圖7為一維低阻層狀模型,分別計算偏移距為50,100,300,500,800m的模型地層響應,如圖8所示。其中實線為不含低阻層的半空間地層響應,虛線為含有低阻層的地層響應。由圖8可見,當偏移距為300m時,低阻層的異常響應最大。當偏移距逐漸大于300m或者小于300m時,低阻層的異常響應都表現(xiàn)為逐漸減小,可知圖7所示的一維低阻層狀模型最優(yōu)化偏移距在300m左右。因此,本文在隨后計算圖1所示三維模型的瞬變電磁響應時,偏移距選取300m。

圖7 一維低阻層狀模型

圖8 一維低阻層狀模型的時間域深拖拽水平發(fā)射-接收裝置響應(實線為不含低阻層的半空間地層響應,虛線為含有低阻層的地層響應)

采用三維有限體積正演算法計算圖1所示三維模型的正演響應。圖9為時間域深拖拽水平發(fā)射-接收裝置的電場響應振幅和歸一化振幅,其中圖9a中黑色圓圈為采用開源軟件Dipole1D結合正余弦數(shù)字濾波算法[30]計算得到的不含低阻異常體的一維模型的解析解,紅色曲線為采用三維有限體積算法計算的不含低阻異常體的一維模型的數(shù)值解,藍色曲線為采用三維有限體積算法計算的三維低阻模型的數(shù)值解,黑色虛線為噪聲水平[31];圖9b為存在三維低阻體的電場響應相對不含低阻異常體的一維模型的歸一化振幅。圖9a中黑色圓圈與紅色曲線重合,說明本文算法的計算結果是有效的。圖9a中紅色曲線和藍色曲線對比可知,時間域深拖拽水平發(fā)射-接收裝置對于海底低阻目標體存在明顯異常,最小歸一化振幅為0.55,最大異常響應位于5×10-3s時刻。其主要異常響應均大于噪聲水平,說明該裝置能夠有效探測海底低阻異常。

為了清晰地理解時間域深拖拽水平發(fā)射-接收裝置對海底低阻體的探測原理,繪制了含有低阻目標體和不含低阻目標體的三維模型電流和電場分布圖。圖10為不含低阻異常體的模型在10-5s時刻x方向電場Ex幅值分布圖,圖11為含有低阻異常體的模型在10-5s時刻x方向電場Ex幅值分布圖;圖12為不含低阻異常體的模型在10-2s時刻x方向電場Ex幅值分布圖,圖13 為含有低阻異常體的模型在10-2s時刻x方向電場Ex幅值分布圖。由圖10和圖11可知,在10-5s時刻,三維低阻異常體的存在雖然能夠?qū)е缕渌趨^(qū)域場值減小,從而導致空間中的電場分布產(chǎn)生畸變,但由于能量主要集中在發(fā)射源附近,因此三維低阻異常體的存在對于300m接收點處的電場分布影響甚微,表現(xiàn)為圖9中10-5s時刻存在三維低阻異常體和不存在三維低阻異常體兩種情況的電場幅值|Ex|相同。隨著時間增加,能量逐漸向外擴散,三維低阻異常體對接收點信號的影響逐漸增大,表現(xiàn)為圖9 中歸一化振幅隨時間增加逐漸減小,到5×10-3s時刻三維低阻異常體對接收點信號的影響達到最大,此后隨著時間增加,三維低阻異常體的影響逐漸減小,對應接收點處的歸一化振幅逐漸增大。對比圖12和圖13 可知,在10-2s時刻,三維低阻異常體的存在導致電場幅值|Ex|的分布產(chǎn)生較大畸變,三維低阻異常體對能量的強吸收作用導致接收點處的電場幅值低于不含三維低阻異常體時的電場幅值,對應圖9中10-2s時刻電場的歸一化振幅小于1.0。

圖9 三維低阻模型的時間域深拖拽水平發(fā)射-接收裝置電場響應(a)與歸一化振幅(b)

圖10 不含低阻異常體的模型在10-5s時刻x方向電場Ex幅值分布

圖11 含有低阻異常體的模型在10-5s時刻x方向電場Ex幅值分布

圖12 不含低阻異常體的模型在10-2s時刻x方向電場Ex幅值分布

圖13 含有低阻異常體的模型在10-2s時刻x方向電場Ex幅值分布

3 結束語

本文研究了頻率域和時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置對于深海三維低阻目標體的探測能力。通過計算典型的深水域三維低阻目標體模型的電場響應、歸一化電場響應和空間中電場分布特點,分析了兩種不同海洋電磁方法的應用效果,取得以下成果：

對于本文所計算的三維模型,頻率域響應的最大異常位于偏移距500m處,時間域響應的最大異常位于偏移距300m處。頻率域和時間域深拖拽發(fā)射-接收裝置均能夠在小偏移距觀測到深海三維低阻目標體的電場異常,頻率域響應的最小歸一化振幅小于0.02,時間域響應的最小歸一化振幅為0.55,頻率域電磁法的異常幅值要明顯大于時間域電磁法。

本文研究內(nèi)容能夠為海洋電磁法勘探,特別是小目標體和深海熱液硫化物礦勘探提供一定的參考。

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(編輯：戴春秋)

ComparativeanalysisondetectioncapabilityoftwomarineCSEMmethodstoseabedconductivitytargets

ZHOU Jianmei,LI Xiu,QI Zhipeng

(CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China)

Marine electromagnetic exploration of deep-sea conductivity hydrothermal volcanogenic massive sulfide ore deposits has been widely undertaken,for which the time domain center loop or the overlapping loop system is the most common choice.Many scholars have made comparative studies on the detection capability of different CSEM exploration systems mainly on resistive targets,but performed few analyses on seabed conductivity targets.In view of the above situation,this study performed a comparative analysis on the detection capability to seabed conductivity targets using deep-towed horizontal transmitting-receiving configurations in both the frequency domain and the time domain.By calculating the electric field response,normalized electric field response,and electric field distribution in a typical 3D conductivity target model of deep waters,we analyzed the application effects for two CSEM methods and derived the following conclusions:①Deep-towed horizontal transmitting-receiving configuration in both the frequency domain and the time domain can be used to detect the electric field anomaly of the 3D conductivity target in the deep sea.②For typical deep-sea conductivity targets,the abnormal amplitude from the CSEM method in the frequency domain is greater than that in the time domain.

marine controlled-source electromagnetic (CSEM) method,transmitting-receiving configuration,seabed conductivity target,detection capability,3D modeling

2016-12-12;改回日期2017-06-12。

周建美(1987—),男,博士,講師,主要從事電磁法正反演理論研究。

國家自然科學基金重點項目(51139004)、中國博士后基金項目(332100150023)和中央高?；痦椖?310826151055)聯(lián)合資助。

This research is financially supported by the Key Program of National Natural Science Foundation of China (Grant No.51139004),China Postdoctoral Science Foundation (Grant No.332100150023) and Fundamental Research Funds for the Central Universities of Ministry of Education of China (Grant No.310826151055).

P631

A

1000-1441(2017)06-0882-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.06.014