水中電偶極子空中磁場響應的一維頻率域分析

張雙獅， 王緒本， 王堃鵬， 祝忠明， 王衛華

(1.成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 成都 610000；2.中國人民武裝警察部隊學院，廊坊 065000)

0 引言

傳統海洋電磁勘探設備在深海油氣勘探獲得了很大成功，接收器置于海底，采集和處理主要在頻率域進行，利用幅度和相位偏移距曲線來體現異常特征[1]，經過十幾年的商業運作如今已經較為成熟，世界范圍內的主要海洋油氣田進行的數百次商業化勘探作業表明，其對提高海洋鉆探成功率起到極其重要的作用[2-4]。然而，傳統海洋電磁勘探設備在淺海區由于受到空氣波的干擾，而不能發揮其固有作用[4-5]。

近年來，淺海區域電磁勘探系統受到國內、外能源企業和科研機構的廣泛關注。較為成功的設備是挪威PGS公司從2004年開始研制的拖拽系統，2006以來PGS公司首先利用最新研制的淺海拖拽式電磁勘探系統在挪威北海油田進行了試驗，取得良好的效果[6-9]。淺海拖拽系統中，多個接收器被水平拖拽于一條纜線上，延伸幾公里長，接收平行于發射方向的電場，如圖1(a)所示，其最大的問題是接收電極的鎧裝平衡，海浪噪聲的壓制。作者提出另一種接收模式，采用無人和有人操縱的飛行器于空中接收磁場，通過分析磁異常來了解地下的電性結構，該種模式很好地避免了空氣波的干擾，省去了幾公里長浮力接收拖纜布放、回收及保持平衡的工作，便攜性更強。模型見圖1(b)。

采用空中接收的模式，發射電纜既可以由船拖拽，也可以固定在某處。實踐證明空中采集電磁數據的效率比船測高的多，覆蓋面積大，數據處理快，成本低，美國海軍工程局的資料表明：一架飛機200 h的工作量相當于一艘常規測量船13 a的工作量，而費用只是同樣測量面積的1/5[10-14]。

圖1 淺海電磁勘探系統模型Fig．1 Shallow-water model of electromagnetic prospecting system(a)水中拖拽接收模式；(b)空中飛行接收模式

作者從水中電偶極子激發電磁場，空中接收磁場的思路出發，采用一維頻率域程序計算分析了該方法下測線布置、發射信號頻率、海水深度、儲層埋深、儲層厚度、儲層電阻率及空中測量高度等多種因素對空中磁場響應的影響，每種情況比較了儲層為高阻和低阻時磁異常的變化規律。

1 計算方法及測線的布置

本文一維頻率域電磁計算的核心算法及主要程序來自SCRIPPS海洋研究所的Kerry Key[15]，該算法是目前海洋電磁一維頻率域計算中公認較準確、可靠的方法，電偶極子源可以是水平或豎直放置于水中或海底中，水平介質分布從海洋三分空間(空氣、海水、海底)到n層導電介質。該算法也常用來檢驗海洋電磁二維、三維數值模擬結果的正確性。因此，作者將其作為?？章摵想姶趴碧接行缘尿炞C方法。如圖2所示建立z軸向下為正的右手直角坐標系，單位為m，坐標原點位于海平面，電偶極子位于水中(0,0,450)處，距海底50 m，電偶極子沿y方向水平激發，發射頻率0.1Hz，海水深度hw= 500 m，儲層埋深hs=500 m，儲層厚度hr=100 m，飛行高度hf=1 000 m，空氣，海水，圍巖，儲層電阻率分別為0.01 ohm·m、12 Ω·m、 0.3 Ω·m、1 Ω·m、0.01 Ω·m。

圖2 ?？针姶艤y量模型示意圖Fig．2 Marine and airborne electromagnetic measurement model

如圖2所示，于空中設計5類測線，測量三分量磁場，分別為@1從(0,0,-1 000)開始沿y方向布放201個測點，測線長20 km；@2從(100,0,-1 000)開始沿y方向布放201個測點，測線長20 km；@3從(0,100,-1 000)開始沿x方向布放201個測點，測線長20 km；@4從(0,0,-1 000)開始沿x方向布放201個測點，測線長20 km；@5，從(0,0,-1 000)開始沿與y軸夾角45°方向布放201個測點，測線長30 km。其中@1-@4測點間距100 m，@5測點間距141 m。在5條測線上測量三分量磁場，計算中發射偶極子電流矩為1Am，認為磁導率在整個計算空間不變，因此，下面將計算得到的磁感應強度認為是磁場強度。計算結果見圖3。

從圖3可以看出，在@1上Bx最強，理論上By和Bz為0，計算結果雖然有值，但與前者相差16個數量級，非零值來源于計算精度和誤差。因此，@1上只有Bx分量；@4上By=0，只有Bx和Bz分量；其他幾種情況都可以測量到三分量磁場Bx，By和Bz。實際測量可選@2、@3、@5、或圍繞(0,0，-1 000)的環形測線。

圖3 不同測線上的磁場強度隨偏移距的變化規律Fig．3 MVO( magnitude of magnetic field versus offset) on a different survey line(a)@1上三分量磁場的MVO曲線;(b)@2上三分量磁場的MVO曲線;(c)@4上三分量磁場的MVO曲線;(d)@3上三分量磁場的MVO曲線;(e)@5上三分量磁場的MVO曲線

2 影響空中磁場的幾個因素分析

2.1 發射頻率對空中磁場響應的影響

發射頻率是導電介質中電磁勘探非常重要的指標，關系到探測深度和范圍，海洋電磁中一般取發射頻率范圍為0.01 Hz～10 Hz。如圖2所示，設hw=500 m，hs=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，分兩組計算，儲層中分別填充高阻體ρ=100 Ω·m，低阻體ρ=0.01 Ω·m。發射頻率f分別為0.01 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz和1 Hz，在@3上測量Bz，高阻儲層模型的磁場響應與背景模型磁場響應的比值隨偏移距的變化見圖4(a)，低阻儲層模型的磁場響應與背景模型磁場響應的比值隨偏移距的變化見圖4(b)。其中，Bx-bg為背景模型的空中磁場響應，Bx-Hr為含高阻儲層時的空中磁場響應，Bx-Lr為含低阻儲層時的空中磁場響應。

可以看出，在該模型中，發射頻率為0.05 Hz和0.1 Hz的發射信號，能較好地反應儲層電阻率異常，根據電磁波在導電介質中趨膚深度公式：

假設海水深度500 m，電阻率為0.3 Ω·m，在水中走一個來回滿足上式的頻率為0.08 Hz，與數值模擬的結果相符。在實際的施工設計中要確定電偶極子的發射頻率，首先需確定勘探區域的大致水深、儲層埋深、儲層厚度及電阻率分布，然后根據趨膚深度公式和數值模擬相結合的辦法來確定。

2.2 海水深度對空中磁場響應的影響

海洋電磁頻率域探測，在小于500 m水深的淺海區域，由于空氣波的干擾幾乎無法進行[5]，于空中接收磁場卻可以避免空氣波的干擾，在淺海區能發揮較好的作用。如圖2所示，設hs=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，儲層電阻率分別為0.01 Ω·m,100 Ω·m，海水深度hw=100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m時@3上的Bz的異常響應如圖5所示。

圖4 發射頻率對空中磁場響應的影響Fig．4 The influence of transmission frequency over aerial magnetic field response(a)含高阻儲層磁異常Bz的MVO；(b)含低阻儲層磁異常Bz的MVO

圖5 海水深度對空中磁場響應的影響Fig．5 The influence of ocean depth over aerial magnetic field response(a)含100 Ω·m高阻層時Bz的歸一化MVO； (b)含0.01 Ω·m低阻層時Bz的歸一化MVO

對于圖2所示模型，0.1 Hz的發射頻率對不同海水深度，相同埋深，相同厚度的異常電阻率儲層，其空中磁場異常都比較明顯，海水越淺，異常越明顯，海水越深，異常在更近的偏移距凸顯，隨著海水深度越來越淺，異常凸顯的偏移距也越來越遠，低阻層引起的磁場異常遠遠強于高阻層，其中高阻層引起的磁異常變化為2%～8%，低阻層引起的常變化為10%～60%。

2.3 儲層埋深對空中磁場響應的影響

如圖2所示，設hw=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，儲層電阻率分別為0.01 Ω·m、100 Ω·m，儲層埋深hs=100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m時@3上Bz的異常響應見圖6。

0.1 Hz的發射頻率對相同海水深度，相同厚度，不同埋深的異常電阻率儲層，其空中磁場異常都比較明顯，儲層埋深對高阻異常影響較小，深度相差500 m以內磁異常差別較??；對于低阻異常，埋深即使有100 m的差別，對磁異常的影響也較大。

2.4 儲層厚度對空中磁場響應的影響

如圖2所示，設hw=500 m，hs=500 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，儲層的電阻率分別為 0.01 Ω·m、100 Ω·m，儲層厚度hr=10 m，20 m，30 m，50 m，100 m時@3上Bz的異常響應見圖7。

磁場響應對于油氣等高阻異常儲層的厚度較為敏感，對儲層厚度的分辨力較好；而對金屬礦等低阻異常儲層的厚度不敏感，對儲層厚度的分辨力較差。

圖6 儲層埋深對空中磁場響應的影響Fig．6 The influence of buried depths of reservoirs over aerial magnetic field response(a)含高阻層時Bz的歸一化MVO；(b)含低阻層時Bz的歸一化MVO

圖7 儲層厚度對空中磁場響應的影響Fig．7 The influence of reservoir thickness over aerial magnetic field response(a)含高阻層時Bz的歸一化MVO； (b)含低阻層時Bz的歸一化MVO

2.5 儲層電阻率對空中磁場響應的影響

如圖2所示，設hw=500 m，hs=500 m，hf=1 000 m，hr=100 m，f=0.1 Hz，儲層電阻率分別為0.01 Ω·m、0.1 Ω·m、1 Ω·m、10 Ω·m、100 Ω·m，1 000 Ω·m時@3上Bz的異常響應如圖8所示。

儲層電阻率從0.01 Ω·m增加到10 000 Ω·m時，如圖8(a)所示，空中磁場異常響隨偏移距的變化趨勢相同，沒有數量級的差別，將各種情況下的磁場響應相對背景模型響應歸一化后，如圖8(b)所示，儲層電阻率大于圍巖時，歸一化幅度隨偏移距的變化趨勢為先增大后減小，最后恒定；儲層電阻率小于圍巖時，其變化趨勢為先減小后增大，最后恒定。但是從歸一化異常變化看出，空中磁場異常響應對海底含金屬礦等低電阻率異常分辨率較高，而對油氣等高電阻率異常的分辨率很低。

2.6 飛行高度對空中磁場異常的影響

海上航空磁測直升飛機的飛行高度一般為195 m[11-12],海洋電磁空中磁場測量采用的飛行器尚無研究，實際的飛行高度還需根據飛行器、磁傳感器的靈敏度、海洋環境而定。

如圖2所示，設f=0.1 Hz，hw=500 m，hs=500 m，hr=100 m，儲層電阻率分別為0.01 Ω·m、100 Ω·m，飛行高度為hf=200 m、300 m、500 m、1 000 m、3 000 m時@3上Bz的異常響應見圖9。

圖8 儲層電阻率對空中磁場響應的影響Fig．8 The influence of reservoir resistivity over aerial magnetic field response(a)非歸一Bz的MVO曲線;(b)各種情況歸一化Bz的MVO曲線

圖9 飛行高度對空中磁場響應的影響Fig．9 The influence of flight altitude over aerial magnetic field response(a)含高阻層時Bz的歸一化MVO;(b)含低阻層時Bz的歸一化MVO

不論是高阻或者是低阻異常儲層，飛行高度對磁異常的測量影響都比較明顯，對于高阻儲層，hf=3 000 m和hf=200 m，磁異常的最大差別約為8%；而對于低阻儲層，兩者的最大差別約為60%。

3 結論與認識

(1)空中測線布置、水中電偶極子發射頻率、海水深度、儲層埋深、儲層厚度、儲層電阻率以及飛行器飛行高度等幾個因素對空中測量到的三分量磁場變化都有較大的影響。(2)測線布放在與電偶極子垂直的方向或者與電偶極子呈一定角度的射線方向更有利于測量。

(3)針對不同的環境，可以用一維頻率數值模擬方法和趨膚深度公式確定適合的發射頻率。(4)水中電偶極子在空中的磁場，對海洋海底油氣等高阻、金屬礦產等低阻異常都有明顯的異常響應，對低阻異常的響應比高阻更強。

(5)空中磁場對高電阻率儲層的厚度有較好的分辨力，而對低電阻率異常體的電阻率有較好的分辨力。

?？章摵想姶趴碧侥Ｊ接腥齻€顯著優點：①避免了海洋電磁淺海區勘探空氣波的干擾；②免去水中接收電磁場時接收設備的布放、平衡和防干擾處理、回收及存放等諸多麻煩；③勘查效率高。因此，該模式的應用前景廣闊。但是，其有效性和可行性還有待二、三維的方法研究及相關實驗進一步證實。

致謝

感謝scripps海洋研究所Kerry Key在數值模擬中給予的幫助。

參考文獻：

[1] MICHAEL J T, LEONARD J S.Marine controlled-source electromagnetic methods-Introduction[J]. GEOPHYSICS, 1999 ,72(2):WA1-WA2 .

[2] CHOO C K, ROSENQUIST M E, ROLLET. Detecting hydrocarbon reservoir with seabed loggingtm in deepwater sabah ,MALAYSIA [J]. SEG Expanded Abstracts,2006:714-718.

[3] HE Z X, KURT S, YU G. On reservoir boundary detection with marine CSEM[J]. APPLIED GEOPHYSICS, 2008,5(3):181-188.

[4] 何展翔，余剛. 海洋電磁勘探技術及新進展[J]. 勘探地球物理進展，2008,31(1)：2-9.

[5] LI Y G, CONSTABLE S. Transient electromagnetic in shallow water: insights from 1D modeling[J]. Chinese J. Geophysics, 2010,53(3):737-742.

[6] PGS. A Multi-Transient EM Repeatability Experiment over the North Sea Harding Field[J]. PGS TECH LINK, 2009, 8:1-6.

[7] ANTON Z, RONNIE P, DAVID WRIGHT. Multi-transient electromagnetic repeatability experiment over the North Sea Harding field[J]. Geophysical Prospecting, 2010,58:1159-1176.

[8] PGS A.Towed EM Test at the Peon Discovery in the North Sea[J]. PGS TECH LINK, 2010(3)：1-5.

[9] PGS A.Prototype Electromagnetic Streamer-latest advances[J]. PGS TECH LINK, 2010, 10: 8-11.

[10] 李志忠. 機載激光雷達系統及其在海洋調查中的應用前景[J]. 地學前沿，1998，5(1-2)：246.

[11] 徐世浙，王瑞，周堅鑫，等. 從航磁資料延拓出海面磁場[J]. 海洋學報，2007，29(6)：53-57.

[12] 喬日新，周堅鑫，楊華,等. 航空物探在海洋地學及油氣資源調查中的應用[C].北京第二屆全國海洋高技術產業化論壇論文集， 2005：395-401.

[13] 納比吉安(Nabighian Misac N.).勘查地球物理-電磁法[M]. 趙經祥，王艷君，譯，北京：地質出版社，1992.

[14] 黃皓平. 國外航空電磁法在淺海測深中的應用[J]. 國外地質勘探技術，1990(2)：16-18.

[15] KERRY KEY. 1D inversion of multicomponent, multifrequency marine CSEM data: Methodology and synthetic studies for resolving thin resistive layers[J]. Geophysics, 2009, 74(2):9-20.