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(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春130061；2.吉林大學(xué) 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(nèi)部結(jié)構(gòu)探測中的應(yīng)用已有較長歷史。20世紀(jì)80年代，人們開始采用人工發(fā)射的低頻電磁場測量海底結(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(dǎo)率［1－2］，以調(diào)查海底沉積層厚度，研究海底構(gòu)造，探測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，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(fā)展，被譽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年的時間里，給石油公司創(chuàng)造了上億美元的經(jīng)濟(jì)價值［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］，并實現(xiàn)了測量數(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間域可控源電磁法調(diào)查淺海底電導(dǎo)率［13－15］，其中劉長勝等分析了中心回線裝置對海底電導(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(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。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(jī)。測量過程中，發(fā)射天線由勘探船拖曳前進(jìn)，每臺接收機(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。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(dāng)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(jī)可以記錄到較強(qiáng)的電場。與油氣田外參考點處接收機(jī)記錄的背景場相比，可確定油氣層的存在。空氣對測量有負(fù)面影響，當(dāng)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(huán)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(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)對電磁場公式中的漢克爾積分進(jìn)行了數(shù)值計算［23］，計算時發(fā)射天線長度1m，距海底10m，接收點均位于發(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取一個樣點，水深50m和3 000m分別代表淺海和深海。觀測系統(tǒng)各參數(shù)對測量結(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－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(huán)境下油氣導(dǎo)致海底電場明顯增強(qiáng)，淺海環(huán)境下油氣導(dǎo)致小偏移距處的電場增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)油氣模型海底表面的電場響應(yīng)

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(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(huán)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(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)境下絕對異常幅度（即電場增量）一般都在觀測系統(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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(fā)射頻率和偏移距可獲得不同程度的電場異常。通過調(diào)整發(fā)射頻率和偏移距，可觀測到最大相對異常。雖然單對數(shù)坐標(biāo)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(qiáng)探測能力。觀測系統(tǒng)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(yīng)采用較低頻率。此外，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，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(yīng)幅值和異常幅度隨油氣層厚度變小而減弱，如圖4所示。仿真計算時，僅改變了標(biāo)準(zhǔn)油氣模型的油氣層厚度。海底表面最大電場相對異常幅度在雙對數(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(qiáng)的探測能力。由于此時觀測系統(tǒng)工作頻率下限對最大相對異常幅度影響較小，且適當(dāng)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(qiáng)，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(yīng)幅值和異常幅度隨油氣層電阻率的變小（電導(dǎo)率變大）而減小，如圖5所示，仿真計算時僅改變標(biāo)準(zhǔn)油氣模型的油氣層電阻率。在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，最大相對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異常達(dá)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(tǒng)工作頻率的下限對最大相對異常幅度影響較小，適當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率的變化

表3 油氣層電導(dǎo)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(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(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海底油氣具有較強(qiáng)的探測能力，且深海環(huán)境下探測效果優(yōu)于淺海環(huán)境。深海環(huán)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(tǒng)對弱信號的檢測能力。淺海環(huán)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(huán)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(qū)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(tǒng)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(qiáng)。淺海環(huán)境下不同油氣模型的電磁響應(yīng)計算結(jié)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(huán)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(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，由于大偏距處觀測點已位于油氣藏區(qū)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(dāng)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(guī)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(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量規(guī)模的評估。從仿真結(jié)果中還可看出：海洋可控源電磁法本質(zhì)上是對高阻體反應(yīng)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(biāo)如水合物的探測，其探測能力除了取決于電磁響應(yīng)幅值和相對異常幅度，也必將隨儀器系統(tǒng)測量精度和抗干擾能力的提高而增強(qiáng)。

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