海洋电磁法原理

海洋电磁法原理 摘要 由于海水具有高导电性，对不同频率的波都有屏蔽作用，从而导致海底信号强度很小，为了弥补海洋天然源大地电磁法的弱点, Charles Cox1960年在国际上首次提出了海洋可控源电磁法简称（MCSEM）。MCSEM在常规海洋大地电磁方法的基础上，增加了人工发射源，采用拖拽式海底发射，从而增强接收机场强度。尽管最近几年，海洋可控源电法有关的研究和讨论文章数量在减少。但海洋可控源勘探的成效已经受到业界的广泛关注,MCSEM可以说是海洋地球物理勘探中最重要的工具。可控源电磁法对高电阻率的碳氢化合物特别敏感,这用于海洋油气勘探，能起到很好的效果；同时具有势场方法（如重力测量、磁测）更好的固有分辨率。海洋可控源电磁法可以提高海上钻探成功率, 大大降低钻探风险，现已经扎根于海洋勘探事业，成为海上勘探非地震方法主要采集技术。目前主要面对的挑战是海洋仪器设备，许多海洋设备尚处于起步阶段。但随着科技的进步，仪器可靠性和仪系统噪声均有所改善。目前研究方向包括通过应用时域方法在浅水区解决空气波问题，利用可控源电磁法进行油藏监测。 关键词：  MCSEM　采集技术  处理解释油藏监测 第1章绪论 1.1  引言 地球表面71%都被海洋所覆盖着，从外空间可以看到一个蓝白相衬、缀以橙黄、晶莹的星体，这美丽的蔚蓝色就来自于海洋。海洋总面积达3.6亿多平方公里，海洋资源丰富，海水中锰结核富集成矿，海底又蕴藏着丰富的石油、天然气以及各种各样的资源，至今很多海洋资源处于未被探明和开发的状态。所以全球很多国家对海底地质研究和资源探测开发都具有很大的兴趣。我国海洋面积广阔，其总面积占我国陆地总面积的三分之一，特别是南海地区，资源储量非常丰富。伴随着人类社会的进步，人口的膨胀，人们对资源不断索取，乱踩乱挖，造成环境污染、生态破坏，资源严重浪费，资源日渐枯竭。工业转向残余矿，深部矿的同时，着手进军海洋资源的开发和利用。海洋资源对我国经济发展、国家综合实力的提升等具有重大而深远的意义。 1.2  研究背景和意义 20 世纪 70 年代, 来自 Scripps 海洋研究所( SIO) 的 Co x 为[ 10, 11] 海洋电磁法从理论到实际应用经历了一个漫长的时间，最早的研究开始于20世纪60年代（Cox et al. 1961）。而进入石油工业开始商用则是 2000 年以后的事情。主要标志是数字仪器成功研制和采集数据处理算法与解释方法成功应用。2000年以来，几家大型石油公司做了大量海洋电磁实验，海洋电磁很快走向成熟并商业化，海洋电磁法的运用给世界能源企业带来了丰厚的利润，其大大降低了钻探风险，提高出油率，成为油公司打井决策的最后一个砝码。有的油公司甚至提出没有海洋电磁勘探，不得在海上打井。我国人口众多，而且正处在高速发展的阶段，对资源和能源的需求更加迫切，党和国家都已经充分认识到问题的严重性和紧迫性，90年代末连续推出几期关于海洋资源和能源开发的863和973重大项目,全国多家企业和科研院所投入大量的科研力量，并已取得了很多突破性成果。 我国地球物理探测重大装备长期依赖进口，关键技术掌握在外国人手中。近年来我国逐步开始重视地球物理探测仪器的研发，特别是电磁法仪器的发展，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》中，明确提出了要发展海洋电磁探测技术以及很多其他方法的探测技术，表明了海洋可控源电磁探测技术的发展迫在眉睫。本文结合国家高技术研究发展（863 计划）“海洋可控源电磁勘探发射关键技术研究”，开展可用于海洋可控源电磁探测的发射关键技术研究。 海洋CSEM测深的历史和海洋大地电磁的历史息息相关，这两项技术都是研究海底电阻率，依靠海底电场和磁场的记录。实际的海底测量困难重重，这就意味着理论明显先于实践。Cagniard (1953）明确考虑海洋测量，但他写的未能明显认识到实际问题。提出海洋CSEM测量第一个出版物可能是Bannister (1968)，他提出了频率域理论，海底发射-接收的偶极子方法来确定海底电阻率。Bannister可能认识到磁力仪振动或移动噪音问题，推荐用水平电偶极子，目前仍然在使用。Brock-Nannestad（1965)提出类似于用MT估计海底电阻率的垂直梯度法。Coggon and Morrison（1970）提出了一个相对高频垂直磁偶极子源以此来估计海底浅层结构。 在1960年代早期，Charles Cox and Jean Filloux 团队开发第一个适合深海底大地电磁和CSEM测深的设备。在1961年末，Cox and Filloux已经在加利福尼亚近海水深1000到2000米的地方部署了电场和磁场的接收器。1965年,他们在4000米水深、离海岸650公里的距离部署了类似的工具。1965年的实验没有产生海底电场和磁场同步记录，但通过引用磁测量海底MT响应，在他的记录中，磁力计被使用。 在1966年，手稿描述了由1000米长的海底电缆连接到放大器和采集系统组成的电场接收装置，已被提交到海洋研究杂志，但没有出版。Filloux（1967b）很好记录了这个设备，Cox et al.（1971）也简短的做了笔记，同时提交了从深海海底站点采集的MT数据，Filloux（1974）建立了一套更容易地电场仪将部署合并系统，通过扭转了两个电极和3-m salt bridges（3-m salt bridgesthat formed the antennas形成了天线）之间的接触，从而消除电极补偿和漂移 。对于长周期,深海海底MT测深该仪器广泛使用。 自1970年代以来，海洋电磁法学术研究比较稳定。最近十年海洋电磁测深的用处越来越有意义，海洋CSEM探测和海洋MT测深学术发展成研究海洋岩石圈地幔的工具。尽管使用海洋CSEM探索环境潜在的认为非常早，但是还没有到进入深海探索。可以看出在这些探索深处始于90年代末,开始生产深水技术开发只在21世纪初。 在深水中，海洋CSEM效果比MT好，海洋CSEM勘探促进着水深处大于1000米开发碳氢化合物的能力，深水钻井的高成本也从侧面促进使用相对昂贵非地震方法。如何加快海洋油气勘探步伐已经成为我国能源战略的重点解决的问题。随着 STATOIL 在西非安哥拉(ANGOLA)的已知油田区进行了首次海上海洋可控源电磁技术CSEM勘测。其结果表明海洋CSEM技术已经成熟，可以用于商业油气勘探。继那次试验后 STATOIL 公司在西非和 NORWAY 等地进行了几个 CSEM 勘探工作，其结果表明CSEM 非常有效。在我国海洋CSEM仍处于起步阶段。海洋CSEM 的勘探效果受多个因素影响，如海水深度、海底电阻率、地层厚度、海底地形、排列方式及其发射频率等。这些因素与响应结果之间的影响规律对于资料处理、反演、解释具有积极的指导作用，能为准确的处理解释资料提供帮助。 1.3海洋电磁环境的地球物理特点 海洋环境不同于陆地环境，从目前研制的仪器设施来看看，地球物理方法扩展到海底一直具有挑战性，进行任何电磁测量之前必须了解海洋环境的特点并予以认识。 1.3.1海洋电磁场 在陆地上观测的磁场强度一般比传感器噪音高一到两个量级，海洋表面同陆地上磁场近似。但在海底情况大不相同，随着海水深度的增加，频率越高，衰减的越多，一种解释就是：大地电磁阻抗同水平电场和磁场之比成正比，这阻抗接 近海底岩石电阻率或者和海底岩石电阻率相同；由于电场的连续性，相应的磁场也必须减小。磁场值很弱的同时，电场值同样很小，电场值在 。对于海洋可控源探测，在接收发射距离6km范围内比较敏感，电场场值衰减到 ,磁场大约是 。如果使用大型发射偶极子，比如接收发射距离是100km，这就要求信噪比了，这对仪器要求是一个大的考验。 1.3.2海洋温度 海水温度日变化很小，变化水深范围从0-30米，而年变化可到达水深350米。在水深350米左右处，有一恒温层。随深度增加，水温逐渐下降(每深1000米左右，约下降1-2℃），在水深3000-4000米处，温度达到2-1℃。总的来看，海水温度变化平稳，在深水处，水温变化少于0.1℃，这无疑相对陆地而已是个很好的优势，因为传感器对温度敏感，在陆地上很难消除温度变化带来的影响，有的地方昼夜温差超过40℃，所以如果长时间测量，电极必须埋的很深。 海水温度虽然变化比较平稳，但是海水低温也同样带来问题。目前，地球物理勘探一般用磁盘储存数据，但是大多数磁盘的额定温度是5-50℃，所以在低温环境中可能会失效，特别是打开的时候。目前寻找的方法就是测试各种仪器，找出性能最好的设施。此外有时仪器放在船上比较潮湿的环境中，温度比较高，电子元件中带有水蒸汽，在冷的环境中凝结，这也可能造成电子元件的问题。处理办法就是，放置干燥剂，在压力下用惰性气体充填电子元件内部。此外，低温环境对电池也会造成影响。 1.3.3 海水电导率 海洋具有不同于陆地的独特环境，海洋环境最大的特点是海底上覆盖着一层海水。海水里面富含各种矿物质，矿物质电解形成离子，从而形成良导电体。它的导电能力取决于离子的浓度和活跃度，具体地来说，忽略压力效应，海水电导率主要取决于温度和含盐度。海水的温度和含盐度比较稳定，除了地中海和地球两极，可以认为电导率都在3～5S/m之间变化。常用的电导率和温度的关系如下： Key and Lewis (2009)修改了这个公式，在高温段更精确： 水的高导电率意味着输入电场的阻抗放大器不需要比陆地上高。同样,天线发射器的阻抗也可以减少，从而减少电量消耗。 1.3.4  海水压力和腐蚀性 海水具有巨大的压力，海面往下水深每增加10米，压力就增加一个大气压。比如，在1000米深处，压力就增加到100个大气压。在这样的压力下，海水能将木块压缩到它原来体积的一半。这种情况下如果内爆，可能会摧毁临近的设备。所以即使是制作一个简单的电缆连接线和浮标，也不是一个简单任务，需要做好防压措施。 海洋环境同时是一种复杂的腐蚀环境。在这种环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等 。腐蚀能造成电场噪音，不同材料的接触形成低噪声传感器。 第2章海洋电磁勘探基本原理 前面讲海洋环境中，提到海水是良导体，对电磁波具有屏蔽作用，但这种屏蔽只是对高频而言，低频电磁波可以穿透海水到达海底。海洋电磁法的基本原理是,在海底表面发射电磁场,电磁场在海水和海底介质中传播,并感生二次场,二次场的大小与介质的电导率密切相关。海洋电磁探测是利用海水中电场或磁场与海底电导率之间的关系来获取海底介质信息的,总场与介质电导率的具体关系由海洋地电模型和发射接收装置类型决定。通过相应数学模型,可以由测量的总场反演出海底介质的电导率。可用于研究海底地质构造、工程环境和油气储层等。为了满足海底探测的需要,人们提出了多种探测方法,如磁性源电磁法、电性源电磁法、时间域电磁法、频率域电磁法等。 2.1基本原理 海洋电磁法探测是利用海水中电磁场与海底电导率之间的相互关系来获取海底地层信息的，而海底电导率与海底地层及其结构特点有关，利用这一特性可用来研究分析海底地质结构、油气储层等。其工作原理是，首先在海底表面发射电磁场信号，信号在海水和海底传播，并感生二次场，二次场的大小与介质的电导率密切相关。所以根据这一特性，当获得海底某一点测量的总场的数据时，通过分析计算就能够获取该海底所含介质的电导率的信息。总场与介质的电导率的关系由探测设备的收发装置类型来决定。通过一定的方法，就可以利用获取的数据进行反演，从而推测出海底地层的信息。海洋探测的方法有很多种，目前采用的比较多的方法包括海洋大地电磁法（MT）和海洋可控源电磁法(CSEM)。本文主要讨论的是海洋可控源（CSEM）电磁法。 海洋可控源电磁法（CSEM）是采用水平电偶极子激发的低频电磁波信号，信号频率范围为几赫兹到几十赫兹之间，传播路径为在海水中和海底地层。海洋可控源电磁法（CSEM）采用的方式是移动式水平导线源和海底电场接收排列。为了减少水-空气界面的空气波和空中电磁噪声的污染，发射电极源应该放置在海底深处，同时这也有利于海底的探勘。接收装置接收到的电磁波中包含了空气波、直达波产生的电磁波、电磁反射波以及折射波。 直达波包含两种传播形式的电磁波，一种为从海底发射源开始，沿着介质海水的传播然后直接到达接收装置的电磁波；另一种为从发射源开始，沿着介质海底沉积层的传播最后直接到达接收装置的电磁波。空气波为从发射源开始沿着海水向上传播，并穿透海水传播到水-空气界面，沿着该界面传播一段距离后，又向下穿透海水传播到接收装置的电磁波。反射波是指从发射源开始，沿着介质海底沉积层向下传播，在传播到海底目标层的时候，被目标层反射回来并传播至接收装置的电磁波。折射波分为两种，一种是来自水面的折射波，还有一种是来自于海底地层的折射波。在海底高衰减介质中穿行了很长一段距离的电磁反射波，其信号强度要比直达波要弱很多。在离发射源近的这一区域，因为发射角度的不同，沿海底或海面传播的电磁波由于会发生反射和折射，由于要进行很长一段距离的传播，所以发射源附近区域接收到的电磁波信号主要是直达波。垂直高阻油层入射的电磁折射波的能量虽然也会在高阻储油层中衰减，但是大部分信号都会沿着高阻层面传播，其能量会持续不断的发射到接收器上。当接收距离与高阻储层的位置相当甚至大于高阻储层的位置时，其返回的电磁波能量将大于直达波的能量并且占据主导地位。如果所探测的地层没有含油气地层，那么海底地层传回来的发射和折射电磁波的能量就会很微弱，甚至于没有。海洋CSEM探测方法利用的是不同介质之间电阻率的差异来进行识别的，如含油气储层于它周围介质之间的电阻率有巨大差异，通过这一特点我们就可以分辨出是否是含油气储层。在含油气储层的地层，其电阻率通常为几十欧姆米，或更高，而在沉积岩地层的电阻率相对含油气储层来说要小很多，其值通常不到几欧姆米。根据电磁场的特性，在导电率低的介质中传播时，相对于高电导率的介质，电磁场的衰减度会弱一些，且传播的速度会比在高电导率介质中传播要快，在含油气储层传播时，其电磁能量会不停的从储层面反射回来，最后被接收装置接收。由于这种能量可以较大的改变整个上覆地层中的电流分布形态，与周围的沉积岩层的探测结构有很明显的差异，所以利用这一性质，结合所获取的数据就可以推测出是否存在含油气储层。 基本原理同地震勘探一样, 靠近海底的发射源发送的低频(十分之几到几赫兹)电磁信号,不仅向水中传播,而且向海底和海底下方的地层中传播, 所以在海底的电磁接收站可以接收到三条路径的信号,一是直达波, 二是来自海底地层的反射和折射信号( 特别是有高阻油气层时) , 三是来自水面的反射和折射信号(在海洋探测中永远不可忽视)。在距发射源较近的区域,由于角度问题以及从海底或从海面经过反射和折射的电磁波信号, 要穿行较长一段距离,因此,在发射源附近区域接收到的信号以直达波为主 尽管有几个团队在研究各种各样电缆和海洋电磁拖拽系统，设备使用锚沉入海底，实行自动测量，测量完毕，然后锚释放，浮上海面。 虽然海底接收器需要测量从指南针和倾斜仪的方向，所有设备必须包装以适应高压力40 MPa)和腐蚀性能的海水。一般接收机工具是独立的，电池供电的,高度精确的钟表计时。在海底或拖在纵向发射机背后 海洋CSEM方法电场和磁场接收器部署在海底，利用水平天线传播电磁场，50到300米长,发射，高达一千安培的电流进入海水，传输器和天线拖接近海底 主要的传感器（磁力计和不极化电极）和陆地是相似的，电磁的场优势深海底不仅是小得多的也随着频率衰减，电磁的噪声信号接近电场和感应线圈传感器的噪音层，检分离实现源头控制调查结果取决于发射机偶极矩和接收机噪声地板上,通常是在大陆架勘探环境中约10公里。接收器和发射器的位置需要导航用长基线或短基线声学来控制。 虽然海底接收器需要测量从指南针和倾斜仪的方向，所有设备必须包装以适应高压力40 MPa)和腐蚀性能  的海水。一般接收机工具是独立的，电池供电的,高度精确的钟表计时。在海底或拖在纵向发射机背后。 面讨论,导电海洋严重变弱海底磁场在短时间内，所有早期MT数据仅限于短期几百秒。浅敏感性结构因此严重限制。　加剧了低电导率  海洋的下地壳和上地幔服务的进一步削弱磁场信号，这导致了Ｃｏｘ提出一个CSEM方法适合深海底,利用电场发射机和接收机设备。 一个EM发射机接近海底，它允许电磁能量带有海底岩石信息，横向传播到海底接收器，操作的频率  通常1 - 10赫兹的深海洋岩石圈结构的原始目标，探索应用程序这是扩大到about 0.1–30Hz，数据由EM振幅和相位做成的作为炮检的函数偏移量的函数，位置和频率。岩石电阻越多,越慢偏移的振幅衰减和明显的越快相速度,所以CSEM测量是优先的对敏感电阻材料。 斯克里普斯和南安普顿集团电力使用  场发射器和接收器，磁发射器和接收器有被用于相对较浅的试探，对于深部深入调查，用电流偶极更容易生成大型发射电极。通过了通过海水比使用循环所产生的磁场或线圈。 最初CSEM磁传感接收器被忽视,因为地球的磁场运动产生噪音，意味着他们比电场传感器的噪声很大 在深水中，海洋CSEM效果比MT好，海洋CSEM勘探促进着水深处大于1000米开发碳氢化合物的能力，深水钻井的高成本也从侧面促进使用相对昂贵非地震方法。 发射系统的总体及特点海洋电磁探测发射系统一般均在海底工作,需要安装在密封舱内后放置于海底,因此总体设计时,海洋电磁探测发射系统在控制方式上不能采用陆地上发射系统常用的人机交互控制模式,必须采用远程控制方式;同时由于海底发射系统需要进行防水和抗水压密封工作,因此对整个发射系统的体积和重量均有较为严格的要求,以便适合海底密封舱的设计与加工;另外,由于海洋电磁探测发射系统,要求系统具有更高的可靠性和稳定性,需要对发射系统工作电源采取更加严格的管理以实现低功耗。 瞬变电磁法用于陆地探测时常以接地导线或不接地回线作为发射天线,通以脉冲电流作为发射场源,激励探测目标体产生感生二次场信息,在脉冲间隙期间测量二次场随时间的变化的响应,发射系统发射的是方波脉冲信号,如图所示为常用的三种方波脉冲信号。 2.2  探测工作方式及其设备介绍 海洋可控源电磁勘探的装备主要由三部分构成,电磁信号发射机、海底供电偶极拖曳系统、海底电磁信号接收器。 海洋电磁法探测工作方式 根据施工方法的不同，目前海洋 CSEM 探测的工作方式有两种，即浅海拖曳与深海固定这两种探测方式。 浅海拖曳工作方式，如图2-2所示。主要应用目标水域不深的浅海勘探。其发射源和接收器是处在同一根拖缆上串联着的，拖缆被设计成可以浮在水中，通过定深器来进行对它们的牵引。在进行探测时，将电缆沉到海底沿着侧线拖曳，这样偶极源和接收器就可以实现同步移动。在探测过程中接收器负责采集轴向电 场分量的数据。这种工作方式对频率域和时间域的测量都很有效。 深海固定工作方式，如图2-3所示。它的发射偶极是由位于靠近海底的两个电极来组成的，电极的摆放位置是有一定的要求的。如果采用的是水平发射偶极，那么它的两个独立电缆就应该放置在海底的位置，但如果是采用的垂直发射偶极，那么其电缆的放置的位置应该是一个位于靠近海底，另一个则应位于水面。发射极在一定深度沿着侧线均匀的拖曳移动。其激发频率通常为0.1-10Hz 之间，相对发射极的拖曳移动速度来说，每一次激发的时间可以认为很短暂，这样人们就可以认为它是固定的。接收系统一般是由独立的四分量、五分量或者六分量采集站组成的，它由水泥块固定的方式投放在海底的，并且被设计成可以连续不断的进行记录。当探测工作结束的时候，通过在测量船上发射一个声频释放信号，就可以让采集站和水泥块分开，采集站具有一定的浮力，可以自己浮出水面，这样就可以实现采集站的回收工作。 目前海洋主要有三类方法。第一类为大多数机构和学者所采用,沿测线拖曳下沉在近海底的一个水平电偶极子源发送方波电流,频率一般为。几十个多分量电场和磁场接收器沿测线阵列布置在海底,自主测量和记录方波基频及其奇次谐波的稳态电磁响应如图一。这种方式称为海底电磁波似测井技术,劫,一。在海底测量水平电偶极子产生的电场响应对高阻油气层指示有较高的灵敏度,。由于电磁波在海水和海底地层中的扩散速度、能量衰减不同,一定频率的电磁场响应幅度及其相位随收发距的曲线在一定距离上会发生变化。 第二类方法是设计提出的。在研究了均匀海底和层状海底的阶跃电磁响应和冲激响应特征后',一,和他的研究小组开发了时间域海洋电磁法观测系统,利用电磁能量在海水和海底地层中的扩散速度不同而引起的时间特性,来获得海底地层电性分布。他将电偶极子电流源和自主接收器用同一根电缆沿海底拖曳,既可在频率域测量稳态信号,也可在时间域测量瞬变信号第三类方法称为多道瞬变电磁法俐汀卫,由乙砒。,和等学者提出,,洲。向地下发送上阶跃波或脉冲编码的瞬变电流,接收器沿剖面阵列排列,同时测量发送电流以及与信号源有一定偏移距的电场响应。通过解卷积运算,从数据中去除信号源和接收机的响应,得到大地的冲激响应,高阻的油气藏或天然气水合物会产生很强的电磁响应,使冲激响应的幅值增大,时间提前,从而可以利用冲激响应峰值的到达时间来判别地层电性分布。 发送机由高精度时钟及同步电路，微控制器系统，cpld波形合成及分频电路,驱动及供电主回路（送变器）,大电流取样及存储电路,过流保护电路,频率及波形选择电路等7部分组成 拖拽系统Deep-Tow深拖系统 2.3  数据采集 海洋可控源的主要问题电磁信号的采集。在陆地上的成熟磁碲测深方法,它  广泛应用和收购技术、应用程序该方法的海洋中不是一个简单的方法来移植  问题。 由于恶劣的海洋环境,海上的风险操作和水下信号弱,面临众多困难来实现海底电磁信号采集。实现所需的检测目标要求使用一系列的高新技术,包括微弱信号检测技术、海底观测系统、高精度同步技术、智能控制技术,水下压力密封技术和硬件系统集成技术。 分析探测海底的技术特点自然太磁telluricinstrument海底设计。仪器发展的主要问题过程:海底弱电磁信号检测,潜艇测量网络同步、海底环境状态监控电路设备的压力密封和下沉和浮动的整个仪器系统函数实现. 海洋拖曳大功率电源电磁发射机可能是一个强大的电磁fieldinto海底介质,与此同时,电磁场电磁接收机采集传感器的安排海底,拖动过程中,发射的电磁场通过thedeep-towed甲板电缆各种各样的的监控单元实时传输水下设备状态信息的功能人机交互。