何展翔 陳忠昌 任文靜 龐恒昌 田志權(quán) 沈義斌

（①南方科技大學(xué)前沿與交叉科學(xué)研究院，廣東深圳518055；②南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東廣州511458；③南方科技大學(xué)深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518055；④東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州072751）

0 引言

電磁勘探儀器的發(fā)展可追溯到一百多年前法國(guó)人馬歇爾·斯倫貝謝發(fā)明的礦物電測(cè)裝置，之后逐步推陳出新，快速發(fā)展。特別是隨著現(xiàn)代物理學(xué)、電子科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速進(jìn)步，電磁法勘探儀器向小型化、輕便化、自動(dòng)化和智能化等方向發(fā)展［1］。根據(jù)電磁場(chǎng)源的不同，發(fā)展形成了直流電法儀、被動(dòng)源電磁儀、人工源感應(yīng)電磁儀和地質(zhì)雷達(dá)等多種電磁勘探儀器，其中人工源電磁儀器逐漸向多功能電磁法探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展［2］，這一類儀器系統(tǒng)成為地球物理探測(cè)的重要裝備。如美國(guó)Zonge公司的GDP儀器系列、加拿大Phoenix公司的V8儀器系列等，這些儀器設(shè)備占據(jù)了中國(guó)市場(chǎng)的大部分份額［3］?！笆濉币詠?lái)，中國(guó)大力支持電磁法探測(cè)系統(tǒng)的自主創(chuàng)新研發(fā)，取得了顯著效果［4］。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院物化探所及吉林大學(xué)等研制出國(guó)內(nèi)首套大功率多功能電磁探測(cè)系統(tǒng)［5-7］，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研制出可控源音頻大地電磁測(cè)深與大地電磁測(cè)深相結(jié)合的SEP系統(tǒng)［8］，中南大學(xué)研發(fā)了大深度高精度廣域電磁勘探技術(shù)并研制了相關(guān)的儀器系統(tǒng)［9］。這些人工源電磁儀器系統(tǒng)能夠完成時(shí)間域或頻率域電磁數(shù)據(jù)的采集，但都只能采用分立作業(yè)方式，即施工時(shí)只能選擇頻率域、時(shí)間域或者復(fù)電阻率探測(cè)方法中的一種，因?yàn)檫@些方法對(duì)儀器系統(tǒng)功能、傳感器頻帶范圍以及采集參數(shù)的設(shè)計(jì)要求等各不相同。為了一次采集能同時(shí)獲得時(shí)間域和頻率域電磁數(shù)據(jù)，本文提出一種功率大、能夠同時(shí)采集頻率域和時(shí)間域電磁數(shù)據(jù)的方法，并介紹相應(yīng)的儀器系統(tǒng)——時(shí)頻雙域電磁勘探儀器。該系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試和應(yīng)用，可適用于深部油氣、礦產(chǎn)、地?zé)岬荣Y源勘探［10-13］。這套可控源電磁儀器系統(tǒng)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且完全國(guó)產(chǎn)化。本文主要介紹儀器原理及其關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了實(shí)際數(shù)據(jù)采集測(cè)試。

1 方法原理

前已述及，人工源電磁法有兩個(gè)重要分支，即時(shí)間域和頻率域。頻率域電磁法（Frequency electromagnetic，F(xiàn)EM）最具代表的是可控源音頻大地電磁法（Controlled source acoustic magnetotelluric，CSAMT）以及近年發(fā)展起來(lái)的廣域電磁法；時(shí)間域電磁法（Time electromagnetic，TEM）則以長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法（Long offset transient electromagnetics，LOTEM）及磁源瞬變電磁法為代表。研究表明，電性源瞬變電磁法與CSAMT 對(duì)特定目標(biāo)的探測(cè)能力具有明顯差異［14-15］。由于FEM 觀測(cè)的是總場(chǎng)（即一次場(chǎng)和二次場(chǎng)的疊加），而LOTEM 觀測(cè)的是二次場(chǎng)［16］，這就決定了前者只適用于中區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)探測(cè)，而后者可對(duì)全區(qū)（全期）進(jìn)行觀測(cè)。而且，電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)低阻和高阻目標(biāo)的分辨率也有差別。因此，電法與磁法、時(shí)間域與頻率域的一體化是可控源電磁勘探技術(shù)的發(fā)展方向。

時(shí)頻電磁（Time frequency electromagnetics，TFEM）法工作方式與常規(guī)CSAMT或LOTEM 類似，利用兩個(gè)接地電極A 和B連接長(zhǎng)導(dǎo)線進(jìn)行大功率的電脈沖方波激發(fā)，在一定距離處接收電磁場(chǎng)。TFEM工作原理如圖1所示，其數(shù)據(jù)采集步驟簡(jiǎn)述如下。

（1）數(shù)據(jù)采集與控制軟件系統(tǒng)中的控制模塊將設(shè)計(jì)好的采集參數(shù)發(fā)送到發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。大功率恒流發(fā)射機(jī)按照控制指令啟動(dòng)恒流方波發(fā)送機(jī)制，根據(jù)設(shè)計(jì)好的激發(fā)參數(shù)（包括多個(gè)激發(fā)頻率及每個(gè)激發(fā)頻率的疊加次數(shù)等參數(shù)）自動(dòng)發(fā)送連續(xù)正、負(fù)非間隙方波序列（波形如圖1所示），也可發(fā)送間隙方波序列和偽隨機(jī)方波系列。

（2）電流通過接地長(zhǎng)導(dǎo)線供入地下；通過布設(shè)在發(fā)射系統(tǒng)附近的采集站記錄激發(fā)的方波電流信號(hào)I（t）。

（3）輸入地下的電流經(jīng)過大地后形成激勵(lì)響應(yīng)Z（t），被布設(shè)在地面的接收系統(tǒng)記錄。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)都要布設(shè)水平電偶極MN 和垂直磁探頭，同步、高采樣率地記錄時(shí)域地電信號(hào)ΔU（t），包括電偶極接收的電位差ΔU（t）MN和磁探頭接收的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ΔU（t，其波形如圖1所示。（4）對(duì)記錄的ΔU（t）和I（t－τ）做反褶積處理，獲得大地響應(yīng)R（τ）。

對(duì)于一個(gè)線性、時(shí)不變系統(tǒng)，任何時(shí)間序列輸入信號(hào)I（t）與輸出信號(hào)ΔU（t）之間的關(guān)系可用卷積積分形式表示為

式中：˙R（τ）表示大地的脈沖響應(yīng)函數(shù)；˙R（t）表示˙R（τ）的積分函數(shù)。

圖1 時(shí)頻電磁儀器系統(tǒng)工作原理

對(duì)同一周期內(nèi)正、負(fù)兩個(gè)半周期的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，再進(jìn)行疊加，獲得時(shí)間域電磁數(shù)據(jù)Z（t），其中包括電場(chǎng)e（t）和磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε（t）。Z（t）的表達(dá)式為

式中：n為激發(fā)周期數(shù)；函數(shù)R（τ）表示˙R（t）經(jīng)疊加后的函數(shù)。

另一方面對(duì)每個(gè)激發(fā)周期（未疊加）的時(shí)間域電磁數(shù)據(jù)Z（t）進(jìn)行FFT變換，獲得3M 個(gè)（M 表示頻點(diǎn)數(shù)）頻率（包括基波及3次、5次諧波）的電磁場(chǎng)頻譜

式中：j為虛數(shù)單位；˙Z（t）表示未疊加的時(shí)域信號(hào)。這里Z（jω）包含電場(chǎng)E（jω）和磁場(chǎng)d B／d t（jω）。

可見，時(shí)頻電磁法與常規(guī)電磁方法不同之處是可同時(shí)獲得時(shí)、頻域兩套數(shù)據(jù)。其中，時(shí)間域主要為長(zhǎng)周期信號(hào)，對(duì)應(yīng)的激發(fā)周期大于4s。一般包括4、8、10、16、20、32、40、64、128s等多條衰減曲線，每條曲線都是由包括數(shù)條較短周期的信號(hào)疊加而成，資料處理中可以對(duì)長(zhǎng)周期衰減曲線進(jìn)行處理；頻率域?yàn)閺母哳l（128Hz）到低頻（1／128Hz）的一條頻譜曲線，為了加密頻率點(diǎn)，除基頻外，頻率點(diǎn)還包括3次和5次諧波頻率。

2 時(shí)頻雙域探測(cè)可行性分析

眾所周知，CSAMT 和LOTEM 兩種方法采用的裝置類型完全一樣，但業(yè)內(nèi)對(duì)可控源電磁勘探一直是時(shí)域和頻域分立作業(yè)。其原因在于時(shí)域方法一般測(cè)量垂直磁感應(yīng)分量，而頻域方法主要測(cè)量電場(chǎng)水平分量，兩者的信號(hào)量值差異較大，傳統(tǒng)儀器動(dòng)態(tài)范圍難以兩全其美。但是，隨著現(xiàn)代電子儀器技術(shù)的進(jìn)步，儀器動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)得到極大的擴(kuò)展。為了進(jìn)一步研究時(shí)頻雙域探測(cè)的條件和可行性，本文進(jìn)行相應(yīng)目標(biāo)的數(shù)值模擬研究，以分析頻域電場(chǎng)和時(shí)域磁場(chǎng)信號(hào)的差異以及量值變化范圍。

圖2 收發(fā)距為10km 時(shí)的電場(chǎng)（左）和磁場(chǎng)（右）模擬曲線

r＝10.0km 時(shí)的電、磁場(chǎng)模擬結(jié)果如圖2所示。模擬計(jì)算的低阻薄層的擾動(dòng)頻率范圍是1～30Hz。1 Hz時(shí)磁場(chǎng)振幅和電場(chǎng)振幅分別為3×10－5n T／s、2×10－5V·A－1·m－2，對(duì)應(yīng)的異常變化幅度分別為0.0005n T／s和4×10－6V·A－1·m－2。

當(dāng)收發(fā)距r很小時(shí)（0.5km），模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。模型中低阻薄層的擾動(dòng)頻率范圍是1～30Hz。1 Hz時(shí)磁場(chǎng)和電場(chǎng)振幅分別為8×10－5n T／s、4×10－4V·A－1·m－2，異常擾動(dòng)幅度分別為2×10－4nT／s、2×10－5V·A－1·m－2。

圖3 收發(fā)距為0.5km 時(shí)的電場(chǎng)（左）和磁場(chǎng)（右）模擬曲線

根據(jù)目前最新電磁儀器的行業(yè)水平［17-18］，能夠檢測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度最小值為0.1μV／m，對(duì)應(yīng)導(dǎo)線源激發(fā)下的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度為1×10－7V·A－1·m－2；能夠檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小值與頻率相關(guān)，在1Hz時(shí)低頻磁棒的靈敏度能夠達(dá)到0.1p T，即1×10－5n T。由模擬結(jié)果對(duì)比可見，無(wú)論在收發(fā)距為10km 的遠(yuǎn)處，還是在0.5km 的近處，時(shí)頻雙域電磁儀都能夠進(jìn)行有效的信號(hào)檢測(cè)。

可見，目前的電磁勘探儀器系統(tǒng)的靈敏度足以有效檢測(cè)到微弱的電磁信號(hào)。現(xiàn)在電磁勘探的主要難點(diǎn)是從含噪信號(hào)中檢測(cè)并分離出有效信號(hào)，這需要設(shè)計(jì)合理的采集參數(shù)［19］。

3 時(shí)頻儀器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及主要指標(biāo)

大功率時(shí)頻雙域電磁勘探儀器主要包括大功率恒流發(fā)射系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)式／組網(wǎng)式時(shí)頻電磁采集系統(tǒng)。其中發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、逆變器及接地長(zhǎng)導(dǎo)線等。逆變器主要由恒流輸出、整流逆變和控制三部分構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)式／組網(wǎng)式時(shí)頻電磁采集系統(tǒng)包括采集站、電磁探頭和數(shù)據(jù)采集與控制軟件等。其中，電磁探頭包括測(cè)量磁感應(yīng)的垂直磁探頭和測(cè)量水平電場(chǎng)分量的電偶極。數(shù)據(jù)采集與控制軟件是時(shí)頻雙域電磁儀器的核心部分，該軟件系統(tǒng)通過GPS控制發(fā)射和接收的同步并按照設(shè)計(jì)參數(shù)完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集工作，可同時(shí)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和分析。主要關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)指標(biāo)分述如下。

3.1 大功率勵(lì)磁反饋恒流發(fā)射技術(shù)

時(shí)頻雙域電磁儀可以分為恒流和恒壓兩種。早期主要發(fā)展的是恒壓時(shí)頻雙域電磁儀，近年開始研發(fā)恒流式時(shí)頻雙域電磁儀。時(shí)頻電磁發(fā)電機(jī)輸出電流是穩(wěn)流發(fā)射，輸出電流紋波幅度變化小于2%，發(fā)射波形可以是正負(fù)方波、間歇方波、偽隨機(jī)波等。恒流發(fā)射原理如圖4所示。在工作之前設(shè)置好每個(gè)激發(fā)頻率的工作電流。工作時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電流取樣，并與設(shè)置電流進(jìn)行比較：若負(fù)載增大，發(fā)電機(jī)電流下降，這時(shí)勵(lì)磁控制器里的移相觸發(fā)脈沖前移，增加可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，使勵(lì)磁電流增大，發(fā)電機(jī)輸出電壓升高，負(fù)載電流上升；反之，則降低發(fā)電機(jī)電壓，電流下降，維持發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載電流不變。

圖4 恒流發(fā)射系統(tǒng)的工作原理圖

3.2 微弱電磁信號(hào)抑噪采集技術(shù)

時(shí)頻雙域電磁采集系統(tǒng)可分為多道模擬傳輸時(shí)頻雙域電磁儀、節(jié)點(diǎn)式數(shù)字時(shí)頻雙域電磁儀和分布式時(shí)頻雙域電磁儀等，可以形成多種不同的激發(fā)—接收組合。時(shí)頻電磁采集系統(tǒng)具有高密采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)快、實(shí)時(shí)傳輸、自標(biāo)定、GPS 同步、阻抗測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，任意一個(gè)采集站可以設(shè)置為匯聚站，主機(jī)與匯聚站之間通過WIFI連接，匯聚站與其他采集站之間通過大線電纜連接。感應(yīng)磁探頭包括感應(yīng)磁傳感器及與之配套的電池盒及多路充電器。

時(shí)頻接收系統(tǒng)在采集控制軟件下工作。在數(shù)據(jù)采集前進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)計(jì)，并檢查儀器狀態(tài)和各道的接通情況，然后采集背景信號(hào)（一般為5min），并分析噪聲的主要頻率fR（i）（i表示頻點(diǎn)號(hào)），同時(shí)與發(fā)射系統(tǒng)通信，進(jìn)行同步，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集控制部分采用高性能芯片，用于控制采樣時(shí)鐘的生成、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等與時(shí)間相關(guān)任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行，電壓、電流、溫度等傳感器數(shù)據(jù)的采集，采集系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)緩沖，有線數(shù)據(jù)的通信，以及GPS信息解碼和標(biāo)定信號(hào)的生成等復(fù)雜控制與數(shù)據(jù)通信任務(wù)。其工作原理見圖5。

當(dāng)24位數(shù)字信號(hào)進(jìn)入DSP 后，首先根據(jù)實(shí)測(cè)干擾測(cè)試頻率fR（i）的多重陷波，壓制相關(guān)干擾；然后針對(duì)周期信號(hào)檢測(cè)梳狀濾波增強(qiáng)信噪比，并同時(shí)采用其他針對(duì)微弱電磁信號(hào)檢測(cè)的數(shù)字濾波算法；再進(jìn)行時(shí)間域的相關(guān)檢測(cè)，以及頻率域的傅里葉變換、疊加等處理；最后輸出電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。其工作原理見圖6。

圖5 接收系統(tǒng)工作原理

圖6 采集站電磁信號(hào)處理系統(tǒng)原理

3.3 時(shí)頻電磁儀器系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

時(shí)頻電磁儀器系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)推出多個(gè)類型的產(chǎn)品，目前最新的為第三代，即TFEM-T3型時(shí)頻發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)為超高壓電磁發(fā)射儀，可實(shí)現(xiàn)最大負(fù)載電壓2000V、最大功率300k W，具備緊急制動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間輸出等功能。該系統(tǒng)的主要指標(biāo)見表1～表3。

表1 TFEM-T3主要技術(shù)指標(biāo)

表2 逆變控制盒主要技術(shù)指標(biāo)

表3 TFEM 接收系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

4 試驗(yàn)及應(yīng)用效果

4.1 儀器系統(tǒng)試驗(yàn)

為了對(duì)比測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)采集效果，東方地球物理公司（BGP）在河北任丘油田附近對(duì)自主研發(fā)的時(shí)頻電磁采集儀器與鳳凰公司V8系統(tǒng)所采集的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，這兩套系統(tǒng)采用相同的電磁感應(yīng)器（電極和磁探頭）。

4.2 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

經(jīng)過十余年的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用，時(shí)頻電磁技術(shù)及儀器系統(tǒng)得到不斷完善，應(yīng)用效果明顯。目前，BGP已經(jīng)生產(chǎn)大功率時(shí)頻電磁發(fā)射系統(tǒng)十二套，形成了從TFEM-1到TFEM-3型等多種型號(hào)，功率從150k W 到300k W、輸出電流從80A 到200A 等系列產(chǎn)品。時(shí)頻電磁采集站包括模擬、組網(wǎng)式和節(jié)點(diǎn)式多種類型，可以適應(yīng)不同探區(qū)地形地貌，總道數(shù)可達(dá)近2000道。截止2018年底，BGP開展的時(shí)頻電磁剖面采集長(zhǎng)度超過30000km，涉及10塊面積性的三維時(shí)頻勘探。其中2014年在新疆某油田區(qū)的三維時(shí)頻電磁勘探為世界上首次開展三維時(shí)頻電磁勘探，共動(dòng)用時(shí)頻電磁節(jié)點(diǎn)儀器930道，布設(shè)了四方位激發(fā)場(chǎng)源，實(shí)現(xiàn)四次覆蓋激發(fā)，完成三維面積102.7km2、測(cè)點(diǎn)1176個(gè)。

圖8是在新疆山前MS地區(qū)采集的時(shí)頻電磁測(cè)深剖面。偏移距為8.3km，最大激發(fā)周期為40s，低頻發(fā)射電流為110A。根據(jù)工區(qū)資料，探區(qū)的平均電阻率為73.5Ω·m，根據(jù)前面模擬方法，可以計(jì)算出有效探測(cè)深度超過10km。

從該電阻率反演剖面可見，其有效探測(cè)深度達(dá)到10km，在深度5～7km 仍然可清晰地看出深部上石炭統(tǒng)發(fā)育了上、下兩套高阻火成巖巖層序列，其間為低阻沉積巖層。根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)資料，深部高阻團(tuán)塊狀異常是火山巖（玄武巖、安山巖、流紋巖等）的反應(yīng)。鉆探證明，這些火山巖大多是油氣儲(chǔ)層。據(jù)此在該剖面圈定了9 個(gè)有利儲(chǔ)層目標(biāo)（見圖中圈碼）。剖面中相對(duì)低阻的異常是碎屑巖、凝灰?guī)r的反應(yīng)，在該地區(qū)一般為良好蓋層。另外，電性剖面對(duì)深層（大于7km）火山機(jī)構(gòu)的發(fā)育特征也有所反應(yīng)。剖面左段為山前逆掩帶，清晰揭示出山前石炭系下伏的二疊系，并且可見多次疊置和高角度逆沖的特征，為該地區(qū)進(jìn)一步開展三維地震勘探及鉆探部署提供了非常有價(jià)值的資料。后續(xù)針對(duì)盆地腹部的⑤號(hào)和⑨號(hào)火山巖儲(chǔ)層的鉆探都獲得了工業(yè)油氣流。目前該探區(qū)已經(jīng)形成探明地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)10億噸的大型油氣田，時(shí)頻電磁資料起到了重要的參考作用。

圖7 BGP公司與鳳凰公司生產(chǎn)的TFEM 采集系統(tǒng)所采集的時(shí)序信號(hào)曲線對(duì)比

圖8 MS地區(qū)時(shí)頻電磁測(cè)深電阻率反演剖面

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）時(shí)頻電磁法是一種針對(duì)深部油氣資源勘探的可控源電磁勘探方法。根據(jù)時(shí)頻一體化探測(cè)理念，BGP時(shí)頻電磁研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了時(shí)頻雙域電磁儀器系統(tǒng)的自主創(chuàng)新與研發(fā)。理論測(cè)試和實(shí)際試驗(yàn)對(duì)比表明，其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際同類儀器同等水平。

（2）大量的油田應(yīng)用案例統(tǒng)計(jì)表明，時(shí)頻電磁應(yīng)用于目標(biāo)含油氣評(píng)價(jià)可以降低鉆探風(fēng)險(xiǎn)，提高油氣勘探開發(fā)效益。

（3）基于電磁法勘探的原理和方法技術(shù)，該儀器系統(tǒng)可大面積工業(yè)化推廣應(yīng)用于其他深部礦產(chǎn)及地?zé)豳Y源探測(cè)，能夠有力地支撐國(guó)家“深地探測(cè)”戰(zhàn)略，為中國(guó)深地資源勘探提供技術(shù)支撐。

感謝中科院電子所在磁探頭研發(fā)中的創(chuàng)新和技術(shù)支持！