海洋可控源電磁法對油氣探測能力的仿真分析

劉長勝 周逢道 林 君

（1.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春130061；2.吉林大學 地球信息探測儀器教育部重點實驗室，吉林 長春130061）

引 言

電磁場在地球內部結構探測中的應用已有較長歷史。20世紀80年代，人們開始采用人工發射的低頻電磁場測量海底結構，這種技術被稱為海洋可控源電磁法。當時國外一些研究者嘗試采用時間域可控源電磁法（瞬變電磁法）測量海底電導率［1－2］，以調查海底沉積層厚度，研究海底構造，探測海底礦床以及水合物。本世紀初，頻率域可控源電磁法成功應用于深海油氣探測，可直接指示海底油氣是否存在，有海底測井（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展，被譽為自海底三維地震以來最重要的海底勘探技術［6］。采用該技術進行海底油氣勘探服務的公司應運而生，一些大的石油公司也開始裝備該技術。有資料表明：在起初的3年時間里，海洋可控源電磁法便在海底油氣勘探中得到了上百次應用［7］，在不到5年的時間里，給石油公司創造了上億美元的經濟價值［5，8］。目前，該技術的基本理論已經有了較為充足的發展［9］，除了研究油氣電磁響應特征，還分析了各種環境因素的影響，如海底地形的影響［10］，并實現了測量數據的二維反演［11］。盡管該技術發展迅速，并取得到顯著成效，但仍然只被少數公司和研究機構掌握，且主要應用于深海，淺海環境中的應用因空氣波問題仍在不斷改進［12］。我國對海洋可控源電磁法的研究起步較晚，20世紀90年代末開始研究采用海洋時間域可控源電磁法調查淺海底電導率［13－15］，其中劉長勝等分析了中心回線裝置對海底電導率的分辨能力［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，跟蹤國外研究進展，在理論研究和數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的仿真分析，研究海洋可控電磁法對海底油氣的探測能力，特別是對淺海油氣的探測能力，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海底油氣的勘探原理如圖1所示。發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.電流經電纜、海水和海底構成閉合回路，在周圍產生電磁場。電磁場通過海水、海底和空氣傳播至位于海底表面的接收機。測量過程中，發射天線由勘探船拖曳前進，每臺接收機均可以記錄到各種偏移距（接收機與發射天線之間的水平距離）的電磁場。通過記錄的電磁場可判斷海底是否存在油氣層，常用的是沿著測線方向的水平電場分量Ex.當海底含油氣時，由于油氣電阻率較高，通過油氣傳播的電場能量衰減較小，因此，接收機可以記錄到較強的電場。與油氣田外參考點處接收機記錄的背景場相比，可確定油氣層的存在。空氣對測量有負面影響，當水深較淺時，電磁場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境下探測能力下降。

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，劉長勝等建立了海底表面電性源的電磁場計算公式［22］。根據該公式，可以仿真各種一維海底油氣模型的電磁響應。采用Kong針對導電介質中偶極子天線給出的漢克爾變換濾波系數對電磁場公式中的漢克爾積分進行了數值計算［23］，計算時發射天線長度1m，距海底10m，接收點均位于發射天線的軸線方向，距離海底0.1m，偏移距在100～15 000m之間每隔100m取一個樣點，水深50m和3 000m分別代表淺海和深海。觀測系統各參數對測量結果的影響已有文獻論述［24］，這里均取代表性值，使仿真結果可充分體現海洋可控源電磁法的探測能力。圖2為標準油氣層模型（油氣層電導率0.01S／m，厚100m，埋深1 000m；圍巖電導率1S／m）［5，25］在海底表面的電場－偏移距曲線，頻率和海水電導率均取常用值0.25Hz和3.2S／m.為了體現油氣引起的異常，圖2（a）給出了不含油氣時的背景電場曲線，圖2（b）為含油氣的電場與背景電場的比值。深海環境下油氣導致海底電場明顯增強，淺海環境下油氣導致小偏移距處的電場增強而大偏移距處的電場減弱，淺海油氣引起的電磁異常（與背景場的比值）不如深海顯著。

圖2 標準油氣模型海底表面的電場響應

2 探測能力仿真分析

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海底油氣的極限探測能力主要取決于其在淺海環境下能獲得的最大電磁異常。以國外同類研究中常用的標準油氣模型（油氣層電導率0.01S／m，厚100m，埋深1 000m；圍巖電導率1S／m）為基礎，分別計算了淺海環境下（水深50m）不同油氣層埋深、厚度和電阻率時海底表面的電磁異常。工作頻率對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能力，仿真時還分析了工作頻率下限為0.01Hz的情況，更低頻率將會因不利于拖曳觀測而缺乏實用價值。由于淺海環境下只有水平電場分量Ex和垂直電場分量Ez能夠清楚反映海底油氣，且Ex分量比Ez分量更有利于測量［22］，因此，僅分析Ex分量在工作頻率范圍內的響應。當前系統歸一化噪聲最低可達10－15V／（Am2）［9，25］，淺海環境下絕對異常幅度（即電場增量）一般都在觀測系統可分辨范圍之內，是否能夠發現油氣異常，主要取決于相對異常幅度，即油氣引起的電場增量占背景場的百分比。在相對異常可辨別的前提下，較小偏移距有利于獲取較大絕對異常。

2.1 最大油氣層埋深

改變標準油氣模型中油氣層深度，可得到海底表面最大相對異常幅度及對應的絕對異常幅度隨油氣層埋深的變化曲線，如圖3所示。最大相對異常是指偏移距在15 000m以內所有工作頻率可獲得的電場幅值最大相對異常。海底表面電場響應幅值和異常幅度均隨著油氣層埋深的增加而減小。對同一埋深的油氣層而言，不同發射頻率和偏移距可獲得不同程度的電場異常。通過調整發射頻率和偏移距，可觀測到最大相對異常。雖然單對數坐標系下最大相對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%的電場異常，表明海洋可控源電磁法對深部油氣有較強探測能力。觀測系統工作頻率下限影響油氣層的最大探測深度，探測深部油氣應采用較低頻率。此外，根據表1的數據，探測深部油氣需在較大偏移距處觀測。低頻和大偏移距增加了深部探測的施工難度。

2.2 最小油氣層厚度

海底表面電場響應幅值和異常幅度隨油氣層厚度變小而減弱，如圖4所示。仿真計算時，僅改變了標準油氣模型的油氣層厚度。海底表面最大電場相對異常幅度在雙對數坐標系下隨油氣層厚度減小近似線性衰減。最大相對異常處的絕對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%以上的電場異常，表明海洋可控源電磁法對油氣薄層具有較強的探測能力。由于此時觀測系統工作頻率下限對最大相對異常幅度影響較小，且適當增大頻率有利于提高絕對異常幅度，探測薄層油氣宜采用較高頻率。表2為不同油氣層厚度時最大相對異常及20%相對異常處的偏移距，油氣層越薄，最大相對異常處的偏移距越小。這表明薄油氣層的最大相對異常容易獲取，而且由于小偏移距處的電場信號較強，可同時獲得較大的絕對異常。較大的相對異常、較高的頻率和較小的偏移距均是薄油氣層探測的有利因素。

圖3 電場異常幅度隨油氣埋深的變化

圖4 電場異常幅度隨油氣層厚度的變化

表2 油氣層厚度變化對電場異常位置（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響應幅值和異常幅度隨油氣層電阻率的變小（電導率變大）而減小，如圖5所示，仿真計算時僅改變標準油氣模型的油氣層電阻率。在雙對數坐標系下，最大相對異常幅度隨油氣層電導率的增加近似線性衰減。埋深1 000m電導率0.1S／m的油氣層可引起的最大相對異常達40%以上，表明海洋可控源電磁法對品位較低的油氣層仍然有較好的探測能力。觀測系統工作頻率的下限對最大相對異常幅度影響較小，適當增大頻率不會明顯降低相對異常幅度但可獲得較大的絕對異常，有利于測量。在不同油氣層電導率的情況下，觀測最大相對異常及20%相對異常所需的偏移距見表3.油氣層電導率增大，即電阻率減小，將使最大相對異常的偏移距減小，這有利于測量。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。

圖5 電場異常幅度隨油氣層電導率的變化

表3 油氣層電導率變化對電場異常位置（偏移距）的影響

對比圖4和圖5可得出：電場異常幅度實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響應和異常幅度。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異常幅度。縱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異常

3 結 論

一維海洋模型的仿真結果表明：海底油氣層可引起明顯的電磁異常，海洋可控源電磁法對海底油氣具有較強的探測能力，且深海環境下探測效果優于淺海環境。深海環境下，油氣層引起的電場相對異常較大，電場幅值較小，探測能力主要取決于觀測系統對弱信號的檢測能力。淺海環境下，電場幅值較大，相對異常較小，探測能力主要取決于Ex分量的相對異常幅度。因此，相對異常的本底噪聲是影響淺海環境下海洋可控源電磁法探測能力的主要因素。如果油氣田區域與油氣田以外參考點之間的圍巖差異較小，且觀測過程中儀器系統測量誤差較小，則相對異常本底噪聲較小，此時可分辨較小的相對異常，海洋可控源電磁法對油氣的探測能力較強。淺海環境下不同油氣模型的電磁響應計算結果表明：海底表面電場相對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相對異常。工作頻率是影響海洋可控源電磁法探測能力的因素之一，降低工作頻率可提高淺海環境中油氣層的相對異常幅度。頻率越低，探測深度越大，但對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異常出現在較大的偏移距位置，因此，當油氣藏橫向規模較小時，由于大偏距處觀測點已位于油氣藏區域之外，無法獲得明顯電場異常，海洋可控源電磁法最大探測深度將減小。當油氣層電阻率減小或厚度變薄時，其明顯電場異常所在偏移距增大（最大異常偏移距減小）但偏移距值仍然較小，油氣藏橫向規模縮小對海洋可控源電磁法探測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響應和最大異常幅度，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量規模的評估。從仿真結果中還可看出：海洋可控源電磁法本質上是對高阻體反應靈敏，因此，該方法不僅適用于油氣探測，還可用于其它海底高阻目標如水合物的探測，其探測能力除了取決于電磁響應幅值和相對異常幅度，也必將隨儀器系統測量精度和抗干擾能力的提高而增強。

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