深水拖曳式大功率時頻發射與多鏈纜多分量電磁探測系統

王猛，鄧明*，余平，殷長春，陳凱，羅賢虎

1 中國地質大學(北京)，北京 100083 2 廣州海洋地質調查局，廣州 511458 3 吉林大學，長春 130026

0 引言

海洋可控源電磁探測方法(Marine Controlled-Source Electromagnetic, MCSEM)是目前海洋油氣資源勘探和海底地質構造調查中不可或缺的物探手段之一(Johansen et al., 2019).自本世紀初開始，海洋可控源電磁探測方法逐漸進入國際油氣勘查界，顯示出明顯的學術價值和應用前景(何展翔和余剛, 2008).國際上活躍的海洋電磁服務提供商挪威EMGS公司，主要采用傳統單船作業方法，預先在海底沿測線布設若干臺接收機，然后按照預定的測線拖曳大電流發射機(Mittet and Schaug-Pettersen, 2008)，他們完成了數百次深水油氣資源勘探任務，最大發射電流達10000 A，有效降低了鉆井干井率；挪威PGS公司開發了單船拖纜式電磁探測系統并與拖纜地震勘探系統進行了融合，在淺水油氣勘探領域取得了良好的應用效果(Zhdanov et al., 2012)，目前該公司的電磁業務被加拿大OFG公司收購.具有學術影響力的研究機構包括：美國Scripps海洋研究所，他們除了開發了傳統的單船海洋可控源電磁探測系統(Constable, 2013)以外，還開發了拖纜式的Vulcan探測系統，并應用于凍土層和天然氣水合物的探測(Constable et al., 2016)；加拿大多倫多大學開發了在海底拖曳的單纜電磁探測系統(Yuan and Edwards, 2000)，德國BGR利用上述系統開展了海底冷泉和天然氣水合物的探測研究(Schwalenberg et al., 2010)等.

20世紀末，以中國地質大學、吉林大學、廣州海洋地質調查局和中南大學等所組成的團隊，率先在國內開展海底大地電磁探測技術研究(何繼善和鮑力知, 1999)，2000年完成了國內首批海底大地電磁儀的研發(鄧明等, 2003)，并成功開展了南海海試(鄧明等, 2002)和南黃海應用試驗(魏文博等, 2009).2006年起，廣州海洋地質調查局和中國地質大學(北京)在國家863計劃支持下率先開展了海洋可控源電磁方法的研究，研發成功了國內首套拖曳式海洋可控源電磁探測系統(鄧明等, 2010)，包括發射機(王猛等, 2013)和接收機(陳凱等, 2012)，于2010年完成國內首次海洋可控源電磁剖面測量工作.后續又在中國地質調查局的支持下，系統軟硬件得到完善和升級優化，在南海天然氣水合物資源調查中發揮了積極作用(景建恩等, 2016; 陳凱等, 2017).

1 系統整體設計

十三五期間，廣州海洋地質調查局聯合中國地質大學(北京)、吉林大學和中南大學等7家單位開展了雙船拖曳式海洋可控源電磁勘探系統研發工作.本文探討的深水拖曳式大功率時頻發射與多鏈纜多分量電磁探測系統是國內首次提出的全新探測裝置和工作方式.使用雙船可以任意改變收發距，可以實現同線、旁線、同心圓和變方位掃面觀測，其原理示意如圖1所示.雙船拖曳式海洋可控源電磁勘探系統仍屬于MCSEM范疇.MCSEM用于油氣和天然氣水合物資源勘探，前人做過不少的研究.Constable和Weiss(2006)分析了MCSEM對不同深度高阻薄層的反映能力；趙巒嘯等對頻率域MCSEM海底油氣勘探能力進行了討論(Luanxiao et al., 2008)；何展翔等(2009)開展了基于三維模擬的海洋CSEM資料進行了處理；劉長勝等(2011)對時頻域方法進行了理論模擬并且評估了系統參數對油氣可控源電磁勘探的影響.

圖1 深水雙船拖曳式海洋可控源電磁探測系統海上作業示意圖Fig.1 Schematic diagram of offshore operation of deep water dual-ship towed MCSEM exploration system

為了指導雙船拖曳式海洋可控源電磁探測系統設計，殷長春團隊開發了面向目標自適應海洋電磁三維正演算法(殷長春等, 2019)，并對海底起伏地形下埋有高阻異常體模型的不同裝置海洋電磁響應進行了模擬，分析和總結了起伏海底地形對雙船拖曳式海洋電磁系統響應的影響特征(Zhang et al., 2018)，模型如圖2所示.

圖2 正演計算用的裝置及模型(Zhang et al., 2018)Fig.2 Devices and models for forwardcalculation (Zhang et al., 2018)

通過與已有的結果進行對比分析(殷長春等, 2014)，結果表明：1)對于同線和旁線觀測，當發射系統或采集系統經過地形突變點時，海洋電磁響應曲線在相應的位置出現突跳，電磁響應幅值變化和海底地形之間存在良好的對應關系.采集系統經過海底地形突變點時造成的突跳更加明顯，因此，發射和采集的定位，以及海底地形起伏對海洋電磁響應的影響不可忽視.2)同線觀測對高阻異常體的反應能力很強，因此對海底高阻油氣目標體進行探測時優選同線觀測方式.3)該系統相較于傳統的單船拖曳式電磁探測系統，雙船作業方式更為靈活，能夠實時調整收發距與觀測方式，獲得的數據集進行聯合反演的結果優于單一數據集.上述研究結果為雙船拖曳式海洋電磁系統設計和響應特征識別奠定了理論基礎，具有指導意義.

2 拖曳式發射技術

天然電磁場傳播至海底以后，由于深層海水的低通濾波作用，相對高頻的電磁信號在海底變得微弱，無法產生一定信噪比的反射信號供電磁接收設備采集(Flosadóttir and Constable, 1996).因此需要人工電磁激勵場源，以滿足深部油氣等目標的探測需求.

本論文設計的深水拖曳式大功率時頻電磁發射系統，以下簡稱發射系統，主要包括甲板端和水下兩個部分，工作過程是，船載大功率電能經深拖纜傳輸至海底，傳輸至海底發射方艙的三相高壓電經過變壓器降壓后得到三相低壓電，再通過整流橋整流和電容濾波，得到直流低壓電，在智能化電路控制下，最后通過絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊組成的H橋對直流進行逆變處理，形成多頻點的沖擊逆變電流脈沖，實現近海底千安培級的大電流激發，建立超強的人工電磁激勵場源(Wang et al., 2017).甲板端主要包括船載大功率發電機、甲板升壓單元和儀器控制計算機等，水下部分主要包括發射機拖體、控制艙、發射方艙、發射偶極和超短基線USBL信標等部件，其原理框圖如圖3下半部分所示.本文設計的創新型發射方艙可以將大功率器件產生的熱量通過艙壁高效耗散；新型的層疊母排設計，也有效減少了功率器件電氣連接之間的雜散電感.

圖3 深水拖曳式大功率電磁發射系統原理框圖Fig.3 Block diagram of deep water towed high power electromagnetic transmission system

發射系統還包括遠程通信、發射電流采集、電源管理、姿態方位采集、離底高度監測、拖體尾標聲學通信、發射電壓采集、輔助信息采集(Duan et al., 2019)等功能.發射系統中大電流逆變技術是關鍵，核心指標是最大發射沖擊電流.本文設計最大發射電流1500 A，室內驗證的發射電流是2280 A，海上驗證的最大發射電流是1988 A，頻率范圍是0.01～16 Hz.這個指標處于國內領先和國際先進水平.

3 拖曳式采集技術

為了提高工作效率，節約船時，省去在海底布設固定式采集裝置，本文設計的采集系統和發射系統一樣，均由作業船只拖曳行進.該設計就可以根據勘探目標不同，采用靈活多變的方式進行觀測，獲得更多具有針對性的目標地質體信息.

多鏈纜多分量電磁探測系統，以下簡稱采集系統，由甲板控制端、拖曳式主采集站、若干臺多分量電磁從采集站、中性浮力鏈纜以及尾標等組成，實現最大5個從節點鏈接，單個拖曳從節點測量并記錄三軸正交的電磁場分量以及運動姿態信息(Chen et al., 2020)，結構如圖4所示.其中，甲板控制端實現電源控制、GPS授時、數據監控等功能；拖曳式主采集站實現指令傳送、時間同步(Qiu et al., 2020)、數據存儲與上傳、電源管理等功能；從采集站中集成低噪聲電場傳感器和磁通門傳感器、數據采集艙、高度計、運動傳感器等.采集站之間由中性浮力鏈纜連接，保證指令和數據通過鏈纜進行實時交互.主節點匯總各從采集站的數據包，借助光纖纜發送至甲板端.PC可通過以太網訪問甲板單元，甲板單元與主采集站之間通過光電復合深拖纜連接.深拖纜集成3條光纖和220VAC電力傳輸，為水下采集站提供220VAC電源、以太網.主采集站主要完成AC/DC和光電轉換，為后續從采集站提供以太網通訊和48VDC，同時記錄姿態、高度和深度等信息.從采集站負責多分量電磁信號采集，以及記錄本站的姿態信息、高度和深度信息.同時，采用6支電極組成三軸正交電場傳感器，實現對Ex、Ey、Ez三個分量電場的測量；磁通門傳感器完成三軸正交Bx、By、Bz三分量磁場測量；采集艙內置電子部件，實現各傳感器信號的高精度采集、存儲和傳輸；高度計用于獲取拖體離海底高度數據；定位信標實現拖體的水下定位，可獲取拖體精確位置；拖體集成全部零部件，提供承載平臺；浮體為采集站提供浮力，使得采集站浮力為中性；等浮纜將多臺采集站連接，實現供電、通訊、牽引等功能.主采集站與尾標各安裝一個USBL信標，用于實時獲取位置信息.多鏈纜多分量電磁采集系統，在甲板端到海底各個采集站之間，構建了完整的數據鏈路和以太網鏈路.上位機可通過以太網鏈路實時查看各個采集站的姿態信息、高度深度信息及采集的電磁數據.

圖4 多鏈纜拖曳式電磁采集系統原理框圖Fig.4 Block diagram of multi-cable towed electromagnetic acquisition system

4 海洋試驗及結果分析

2019年11月，廣州海洋地質調查局組織第三方質量監督專家，利用海洋地質四號和海洋地質六號船開展了深水雙船拖曳式海洋電磁勘探系統現場海試.海試任務來自于“深水雙船拖曳式海洋電磁勘探系統研發” (2016YFC0303100)項目科研搭載，該項目是科技部“十三五”國家重點研發計劃專項“深海關鍵技術與裝備”下屬項目之一.海洋地質六號船作為發射子系統海試母船，海洋地質四號船作為采集子系統海試母船.

雙船拖曳式海洋電磁勘探系統共完成兩次海上試驗，工區位于南海北部珠江口東南部，航跡圖和觀測示意圖如圖5所示.第一次海試時間段為2019年11月9—12日，深水工區水深2000 ～2400 m，在神狐海域開展了同線觀測方式的試驗；11月13日—14日避風；第二次海試時間段為11月15—18日，在珠江口外海域動力定位點附近開展了4條測線工作，分別為2條同線、1條旁線和1條同心圓測線觀測.同心圓的中心為拖曳式發射船.

圖5 試驗海域位置及示意圖Fig.5 Location and schematic diagram of test area

參加海試的發射系統包括甲板供電集裝箱及其內部升壓單元、發射拖體、發射天線和發射尾標，如圖6所示.圖6a左為發射電極集裝箱，中間為一臺400 kVA的柴油發電機(由于發射系統需要的發射功率較大，為了安全和布線方便，另外攜帶一臺發電機作為主供電電源)，右為甲板供電集裝箱.圖6b為大電流發射機拖體，長4.5 m×寬1.1 m×高1.3 m，重約2.5 t，采用船載的直徑33 mm光電復合深拖纜為其提供電力和光纖通信支持.發射機拖體和圖6d中的尾標拖體上各有一個超短基線USBL定位信標，用于確定前端和后端發射電極的水下絕對位置.發射機拖體和尾標拖體上還裝有高度計，用于測量拖體和尾標距離海底的高度，為船載多波束測量的海底地形進行修訂參考.圖6c中的發射天線包括發射電纜和發射電極，均是中性浮力組件，便于在近海底進行拖曳.

圖6 深水拖曳式大功率電磁發射系統參試設備(a) 甲板供電集裝箱及其內部升壓單元； (b) 發射拖體； (c) 發射天線； (d) 發射尾標.Fig.6 The deep water towed high power electromagnetic transmission system test equipment(a) Deck power supply container and its internal boosterunit; (b) The towed body; (c) Transmitting antenna; (d) Transmitter tail.

圖7 多鏈纜拖曳式電磁采集系統參試設備(a) 拖曳式主采集站； (b) 從采集站A； (c) 從采集站B； (d) 采集尾標.Fig.7 The multi-cable towed electromagnetic acquisition system test equipment(a) Towed main acquisition station; (b) Collection station A; (c) Collection station B; (d) Tail tags.

圖8 不同類型激發波形情況下的電流電壓曲線(a) 頻率型發射電流曲線； (b) 與1對應發射電壓曲線； (c) 1∶10占空比的時間型發射電流曲線； (d)與(c)對應的發射電壓曲線.Fig.8 Current and voltage curves under different transmission waveforms(a) Frequency type transmission current curve; (b) Transmission voltage curve corresponds to 1; (c) Time-type transmission current curve with 1∶10 duty cycle; (d) Transmission voltage curve corresponds to (c).

采集系統包括拖曳式主采集站、從采集站A、從采集站B和尾標，如圖7所示.圖7a中的主采集站采用光電復合纜與甲板端建立電力和通信連接，綠色的電纜為中性浮力的鏈纜，用于鏈接主采集站和從采集站，進行電力供應和數據傳輸(Chen et al., 2020)海試結果充分驗證了發射系統和采集系統的功能和性能，各項技術指標均達到或超過了預定研究目標.代表性的試驗結果曲線如圖8、9和10所示.

對于不同類型激發波形情況下發射電壓和發射電流曲線，如圖8所示，即頻率型曲線，俗稱頻域波形，占空比近100%；時間型曲線，俗稱時域波形，占空比可調，圖中展示的是1∶10的波形，系統可以實現1∶10到1∶100可調的占空比輸出.在頻域波形情況下，最大發射沖擊電流達1988 A，如圖8上邊兩個圖形所示.無論在頻域和時域波形情況下，發射電壓波形在關斷和開啟的瞬間均會產生電壓尖峰，由于電壓波形采樣率有限，尖峰波形不能完整展示.

拖曳式電磁場采集會引入運動噪聲，導致采集到的電場和磁場信號本底噪聲較大.圖9展示了在發射頻率0.1 Hz和發射電流1500 A情況下，從采集站A截取的某段時間序列曲線.從圖中可以看出，Ex、Ey通道信噪比較好，Ez信號不佳，磁道對人工場源信號靈敏度低.

觀測的電磁信號數據時頻譜見圖10，給出了兩個從采集站分別在同線和旁線兩種情況下部分電場分量的短時傅里葉變換時頻譜圖.不同顏色代表了信號強弱，紅色代表信號強，藍色代表信號弱.圖10a是同線測量方式下，從采集站B的Ex分量時頻譜圖.人工源發射波形為0.25 Hz的方波.

圖9 從采集站A截取的某段時間序列曲線Fig.9 A certain period of time series curve intercepted from collection station A

圖10 時頻譜圖(a) 同線，從采集站B，Ex分量; (b) 旁線和同心圓，從采集站B，Ex分量; (c) 旁線和同心圓，從采集站B，Ey分量; (d) 旁線和同心圓，從采集站A，Ex分量; (e) 旁線和同心圓，從采集站A，Ey分量; (f) 旁線和同心圓，從采集站B，Ez分量.Fig.10 Time spectrum diagram(a) Axial line, acquisition station B, Ex component; (b) Sideline, concentric circles, acquisition station B, Ex component; (c) Sideline, concentric circles, acquisition station B, Ey component; (d) Sideline, concentric circles, acquisition station A, Ex component; (e) Sideline, concentric circles, acquisition station A, Ey component; (f) Sideline, concentric circles, acquisition station B, Ez component.

圖10(b—f)前半段(02∶24之前)為旁線測量，后半段為同心圓觀測方式.圖10b為旁線和同心圓方式下，從采集站B的Ex分量時頻譜圖.發射波形0.25 Hz的方波.通過對比圖10a和圖10b可以發現，近似收發距情況下(收發距約為720 m)，同線測量模式的電場響應幅度大于旁線測量方式.

圖10c為旁線和同心圓方式下，從采集站B的Ey分量時頻譜圖.通過對比圖10b和10c發現，Ey分量與Ex分量的時間一致性較好，但其場值較Ex分量的場值小.

圖10d和圖10e為旁線和同心圓方式下，從采集站A的Ex和Ey分量時頻譜圖.通過對比圖10b、圖10d和圖10e發現，從采集站A的Ex分量較從采集站B的Ex分量場值略小，原因為從采集站B的Ex極距大于從采集站A.同樣，從采集站A的Ex分量較Ey分量場值略大.

圖10f為旁線和同心圓方式下，從采集站B的Ez分量時頻譜圖.該分量的幅度比Ex和Ey分量幅度均小.

根據從采集站A和B時間序列的時頻譜圖分析可以獲悉，Ex、Ey分量信噪比較高，人工源信號清晰可見，Ez分量信噪比相對較低，這與Ex、Ey和Ez的極距分別為5 m、4 m和2 m相對應.從此也可以得到，增加極距可以顯著提高信噪比.五張圖中，無論人工源信號是否在激發，所采集的信號中均存在一個以2 Hz左右為基頻的頻率，該信號可能與拖曳運動過程中產生的有規律運動噪聲有關；在0.1～0.2 Hz范圍內也存在較大的背景噪聲，可能與海浪噪聲有關，若要激發相關頻率，則必須增加發射源偶極矩，以抑制海浪噪聲，這也為以后的電磁發射提供了頻率選擇參考.

總體而言，各個采集站的一致性較好，完整地反映了人工源信號的激發過程，從而證明了深水拖曳式大功率時頻發射與多鏈纜多分量電磁探測系統工作正常，可以獲取到信噪比高的數據，顯著提升數據質量和有效的數據數量，為后續處理和反演提供技術支撐.

5 技術指標與對比

經過室內測試和海上試驗驗證，本文所設計的深水拖曳式大功率時頻發射與多鏈纜多分量電磁探測系統的技術指標總結如表1所示.由于國內外并未有類似的雙船全拖曳式電磁探測系統，僅能與國際上同類型的美國Scripps海洋研究所、挪威PGS公司和國內有關單位研制的相近全拖曳式電磁系統進行對比.國內中國海洋大學和山東藍海可燃冰勘探開發研究院有限公司(余剛等, 2020)正在攻關類似系統.

6 結論與展望

(1)以理論正演為出發點，在國內首次提出了雙船全拖曳式海洋可控源電磁探測技術，突破了近海底條件下的大電流拖曳式發射關鍵技術，解決了全鏈纜多通道動態三軸電磁場的實時高精度采集和傳輸難題.

表1 硬件系統技術指標表Table 1 Technical specifications of hardware system

(2)發射系統和采集系統分別由兩艘船拖曳行進，可以根據勘探目標不同，采用靈活多變的方式進行觀測，獲得更多具有針對性的目標地質體電性異常信息.同時克服了常規海洋可控源電磁探測方法作業效率不高的難題，無需提前在海底布設接收裝置，可以節約大量的船時，提高工作效率，這對有限的海上作業時間窗口至關重要.

(3)所研發的裝備技術將為后續開展海底資源調查，尤其是深水油氣、天然氣水合物、塊狀金屬硫化物以及海底其他礦產資源勘探提供高技術支撐.另外，也可以用于淺部地質構造探測、滑坡災害預警、水中靜止和移動目標探測等領域.

致謝向各位審稿人及編輯表示衷心感謝.向團隊的其他成員，包括所有參與雙船拖曳海洋電磁系統研發的項目組成員表示感謝，同時也感謝海洋地質六號與海洋地質四號船全體船員的大力支持.