CN101228529B - 用于确定接收机方位的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于完整地指定在电磁勘探中被下放到海洋底部的电磁接收机的方位的方法。勘探数据被挑选，剔除带长偏移的噪音数据，和带短偏移的所述接收机已饱和情况下的数据(61)。一种模型被开发，其包含：在三维完整地指定所述接收机方位的三个独立的接收机方位角；和包含水层且可能包含空气层的地电阻率模型(62)。而后，被应用到所述模型和被挑选出数据的麦克斯韦方程组被反演以确定所述接收机方位(63)。

Description

用于确定接收机方位的方法

本申请要求于2005年7月22日提交的第60/701,817号美国临时申请的权益。

技术领域

本发明一般涉及包括储油层划分的地球物理勘探领域，更具体地，涉及用于地球物理学应用的受控源电磁勘测。特别地，本发明是用于确定电磁接收机方位的方法。

背景技术

海洋受控源电磁(“CSEM”)探测方法使用人造源生成电磁(EM)波并将若干接收机部署在海底以记录电磁信号。被记录的电磁信号被分析，以推断海底结构和/或确定例如储油层这种特定结构的自然状态。图1示出CSEM设备的典型配置，其中水平电偶极子(HED)源11被水底12上面的船拖拽，在所述水底12上放置若干接收机13。此技术已被应用于碳氢化合物和矿物探测，也被应用于例如建筑学和环境及地质工程的其他领域。

目前，接收机自由下落到海底，所以它们的方位未知。需要接收机方位以确定在接收机位置测量的三维EM场向量。之后被测量的场分解为若干优选方向(譬如并行线、交叉线和垂直)中的分量用于分析、反演和解释。当接收机由于不准确的接收机方位而不能被定向到那些优选方向时，对分解后的分量的影响可能是显著的。所以接收机方位的确定可能显著影响数据解释。本发明提供确定接收机方位的技术。

为了完整地测量三维EM场，接收机需要被装配三条互相垂直的天线用于电场和三个互相垂直的磁传感器用于磁场。三个角度对于惟一定义接收机方位是必要的且足够的。这三个角度建立起测量坐标和接收机坐标之间的关系。许多方式可被使用以在测量坐标中定义接收机方位。它们是等价的并且可被互相转换。一种定义接收机方位的方式是使用方位角和倾斜用于两个水平通道(图2)。在图2中，(X，Y，Z)被假定为如下测量坐标，其中X定向为大地的东方，Y为大地的北方，Z为上方。(X’”，Y’”，Z’”)是接收机坐标和指定的“东方”、“北方”和垂直通道。(X’，Y’，Z’)和(X”，Y”，Z”)是辅助坐标以帮助在(X，Y，Z)与(X’”，Y’”，Z’”)之间变换坐标。X’是X’”在水平面XY上的投影，而Y”是Y’”的投影。通过这些设置，接收机方位角(α)被定义为Y与Y’之间的角，东通道倾斜角(β)是X’与X’”之间的角，北通道倾斜角(γ)是Y”与Y’”之间的角。

目前，已知许多方法用于确定接收机方位。一种方法是直接测量接收机方位。用于海洋CSEM接收机的现有直接测量系统有可靠性问题。即使这种系统可用，一种替代方法在一些情况中仍是必要的：譬如，1)当直接测量系统出故障时；2)当由于海底上的长电天线弯曲而造成该测量系统不对准电极/磁传感器的方向时。

又一种方法是偏振分析，其被公开于Behrens，J.P.(2005)，“TheDetection of Electrical Anisotropy in 35 Ma Pacific Lithosphere：Results froma Marine Controlled-Source Electromagnetic Survey and Implications forHydration of the Upper Mantle，”Ph.D.Thesis，University of California，SanDiego(2005)。同样可参见Constable and Cox的“Marine controlled sourceelectromagnetic sounding 2：The PEGASUS experiment，”Journal ofGeophysical Research 101，5519-5530(1996)。该方法基于以下事实：假如发射机被直接拖向接收机，当接收机天线在发射机的方向(即偏振椭圆的长轴)上时，由接收机记录的信号的EM场振幅被最大化。偏振分析是用于早期海洋CSEM工作以在后续数据处理中确定接收机方位角的首要方法。该方法需要在每个接收机上方被直接拖动的至少一条拖绳。由此方法提供的接收机方位角的精确性不是很高。接收机方位角中的平均误差对于来自具有动态定位系统的船只的现场数据是大于5度的。其对于险恶天气条件下不具有动力定位系统的船可能会更糟糕。

Behrens同样提议使用由不同接收机记录的自然EM信号中的一致性和相关性来确定相对方位角。开发此方法用于不具有直接在上方拖动的拖绳的接收机，以补充偏振分析。该方法确定两个接收机之间的相对方位角度。为了找到接收机方位角，该方法要求参考接收机的方位角是已知的。成功使用此方法依赖于高质量自然信号是否被两个接收机都记录。此方法的精确性通常低于偏振分析的精确性。

在“E020：Inversion of SBL data acquired in shallow waters，”EAGE66^th Conference & Exihibiton-Paris，France，June 7-10(2004)中，R.Mittet等人使用反演来确定接收机方位角。此方法克服偏振分析和使用自然EM信号的方法这两者的局限性。所有这三种方法虽然都被广泛使用，但只针对接收机方位角，却没有公开如何惟一确定接收机方位，即两水平通道的方位角和倾斜角。忽略接收机的其他两个角的原因至少有三个：(1)数据解释主要集中于(并且数据测量可限制为)并行线式(意为沿着拖动方向)电分量，如果海底不是很陡，所述电分量通常不被倾斜角影响很多；(2)垂直电分量或者不被测量或者在数据解释中不被充分利用；(3)没有可靠并精确的方法可用于确定接收机方位。因为海底通常是平的，所以两个倾斜角通常较小(＜10度)。三个原因明显彼此不完全独立。

除以上详述的三个原因之外，对甚至小接收机倾斜角的CSEM结果的可能影响的程度可能不会被察觉。接收机方位角对三个电分量的作用在本发明过程中被模拟，并可见于图3-5中。用在生成这三幅图的模型计算中的源和接收机几何构型取自实际的现场勘探。电阻率模型是具有125m水深的分层大地模型。拖绳方向是从大地北方顺时针265.57度。在建模中，接收机(方位角，图2中的α)与拖绳(并行线方向)偏移(δα)是15度，并行线式天线倾斜角(β)是向上5度，交叉线式倾斜角(γ)是向下3度。建模频率是0.25Hz。在这三幅图的每一个中，实线表示对准的、水平接收机，圆表示具有δα＝15°的水平接收机，+号表示具有β＝5°和γ＝-3°倾斜角的对准的接收机，虚线表示未对准的、倾斜接收机。与理想情况(与拖绳对准的水平接收机，即所有三个角δα、β和γ都为零)相比较，那些图显示虽然方位角比倾斜角(尤其对交叉分量)对两个水平(并行线式和交叉线式)通道具有大得多的影响，但倾斜角对垂直分量E_z具有更大的影响。这些影响可能是显著的，譬如，对此示例(图4和5)的交叉和垂直分量在量值上的影响为大约一个量级。此示例清晰地表明确定所有三个角度的重要性。接收机方位角无法单独惟一定义部署于海底的接收机方位。

总之，需要一种确定接收机方位的技术，其可被使用，而对发射机和接收机几何构型没有任何限制。本发明满足此需要。

发明内容

在一个实施例中，本发明是用于确定三个独立角度的计算机实现方法，所述三个独立的角度指定在海洋电磁勘探中电磁接收机的方位，该方法包括：(a)根据标准选择勘探数据，所述标准包括信噪比和失真度；(b)创建表示用于电信号传输的勘探的源—接收机几何构型和媒介的模型，所述模型包含三个接收机方位角、电阻率模型和电磁源(发射机)参数；和(c)将所述模型和所选勘探数据作为输入信息并且所述三个方位角作为未知量，求解麦克斯韦电磁场方程组，所述解通过迭代数值反演实现。在一个实施例中，本发明是一种用于从地下区域产生碳氢化合物的方法，其包括：(a)从所述地下区域的受控源电磁勘探中获得电磁场数据；(b)根据包括信噪比和失真度的标准，选择勘探数据；(c)获得表示所述勘探的源—接收机几何构型和用于电信号传输的介质的模型，所述模型包含三个接收机方位角、电阻率模型和电磁源(发射机)和接收机参数；(d)将所述模型和所选勘探数据作为输入信息并且所述三个方位角作为未知量，获得麦克斯韦电磁场方程组的解，所述解通过迭代数值反演实现；(e)使用所述三个方位角将所测量的电磁场数据分解为并行线式、交叉线式和垂直分量，其中线指的是包含连续源位置的直线；和(f)从在所述地下区域中的位置产生碳氢化合物，所述位置由在分解后的电磁场数据中发现的电阻率异常指示。

本发明优选地在频域被实现，在这种情况中所述勘探数据在以上选择步骤之前、或者至少在所述求解/反演步骤之前通过傅立叶变换(或其他方法)被变换到频域中。

附图说明

本发明及其优势将通过参照以下详细的描述和附图被更好地理解，在所述附图中：

图1示出海洋CSEM勘探；

图2定义使一个坐标系的方位关联到另一个坐标系的一组三个角；

图3显示接收机方位对并行线式(inline)电场分量的振幅的影响；

图4显示接收机方位对交叉线式(crossline)电场分量的振幅的影响；

图5显示接收机方位对垂直电场分量的振幅的影响；和

图6是本发明方法的一个实施例中的基本步骤的流程图。

本发明将结合其优选实施例被描述。然而，在这个意义上，以下描述针对特定的实施例或本发明的特定用途，这旨在只说明，并且不被解释为限制本发明的范围。相反，如附加权利要求所定义的，它旨在遍及可被包含在本发明的精神和范围内的所有替代、修改和等同情况。

具体实施方式

本发明是用于通过电磁场方程组(麦克斯韦方程组)的反演确定在海洋CSEM勘探中电磁接收机方位的方法。三个方位角被处理为反演参数，即，要被求解的未知量。本发明包括三个基本步骤，被概括于图6的流程图中：(i)准备数据用于反演(步骤61)；(ii)创建初始模型(步骤62)；和(iii)反演数据用于接收机方位(步骤63)。如此处所使用的，反演意为从被测量的数据y＝F(x，u，v，...)推断x，其中寻找x可通过使用例如有限差分技术这样的数值方法找到通过某所选标准最佳拟合数据的解的迭代反复试验完成。(i)准备数据用于反演。

由于众所周知的透入深度效应，EM信号对于给定频率随到源(或发射机)的距离而指数衰减。当源远离接收机时，由于环境噪声，接收机不能记录高质量的信号。当源距接收机太近时，接收机由于有限的动态测量范围而饱和。所以被测量的信号失真。对于本发明，优选的是，数据从这种中间的源—接收机偏移中被选出，以便源可以在接收机位置生成足够强的信号以具有好的S/N(信噪比)，但不能太强而使接收机饱和。另外，需要精确的源和接收机几何构型测量用于所选数据。术语“几何构型(geometry)”当然不包括接收机的角取向；如所解释的，此特定几何特征不能以足够的精确性被测量。该术语包括发射机的方位(譬如，HED源的方位角和倾斜度)以及接收机和发射机两者的坐标。

甚至在所选偏移范围内，由于例如源的不稳定性、个别接收机电子特性、时间变化的自然EM信号和海浪这些效应，数据对于反演可能不理想。本发明的用户希望人工挑选数据来使用，可能借助交互的数据显示软件或根据经验。

在CSEM勘探中，一般都为被测量的每个EM场分量获得振幅和相位。振幅或相位数据之一或者此两者都可被用于本发明的反演步骤。譬如，可以是相位数据被评估为有精确性问题，在这种情况中只是振幅是优选用于反演的。在最理想的情况中，电场和磁场的振幅和相位数据，所有六个分量都被包括在反演中。某些垂直分量数据对确定倾斜是重要的。垂直分量数据优选大约为总数据的三分之一。理论上，需要至少三个(独立的)数据点，以惟一且充分确定接收机的三个角度，其中一个接收机/源位置的E_x的值(振幅或相位)构成单个数据点的示例。实际上，由于噪声和每个分量相对于每个方位角的不同敏感度，所以尽可能多的EM分量的数据被优选地包括。同样优选但当然不是必要的是包括尽可能多的频率和源—接收机组合。更多数据获得起来更昂贵，且需要更多计算机时间来处理，但给出更精确的结果。

CSEM勘探数据在时域被测量。本发明方法优选地在频域中执行，在其实施例中，数据必须通过傅立叶变换或其他方法被变换到频域。譬如，源波形的频率成分可已知，在这种情况中具体频率的振幅和相位信息可通过数据拟合技术从被测量数据中提取。所有这些方法在此处都指的是将数据变换到频域。在频域中，数据变为复数。本发明方法可只使用所选数据的实部或只使用虚部或两者都使用而被执行。同样地，如上所述，本发明可只利用振幅数据或只利用相位数据或两者都利用而被执行。(ii)创建初始模型

需要初始模型用于反演，这包括3个接收机方位角和电阻率模型。例如源强度和频率这样的电磁源参数也必须被包括在该模型中，例如接收机天线长度这样的任何被需要的(在反演步骤中)接收机参数和场源和接收机几何构型(采集系统必须精确记录该几何构型)也被包括在该模型中。此初始模型应被创建成尽可能实际的。反演过程(以下论述)当然必须通过数值方法实现，其以对三个接收机方位角的第一推测开始。好的初始推测使反演快速收敛并且避免反演的局部极小解的陷阱。

由例如偏振分析的其他方法确定的接收机方位角可被用于初始模型。海底斜度通常不陡，所以两个水平通道的倾斜角在初始模型中可被设置为零。电阻率模型可以是由空气、海水和沉积的海底组成的分层模型。海水电阻率随深度而变化并经常为每个勘探区域被测量。此被测量的海水电阻率列如果可用则应被用于初始模型。否则，该海水电阻率列可通过经验公式被估计；见例如Chave等人的Electromagnetic Methodsin Applied Geophysics，M.Nambighian，Ed.，Society of ExplorationGeophysics，Vol.2,932(1991)。沉积的海底可仅仅是半空间、或由许多层组成、或是带有来自例如地震勘探这样的其他测量的输入的更完善模型。(iii)反演数据用于接收机方位

然后所选数据被反演以确定接收机方位。由接收机记录的电磁信号与发射机和接收机几何构型相关(坐标和方位)，也与地电阻率结构相关。此关系(即正演问题)可被写作d＝F(m，r_TX，o_TX，r_RX，o_RX)，其中d是被测量数据的向量，m是地电阻率的模型，(r_TX，o_TX，r_RX，o_RX)是发射机和接收机的坐标和方位，F为根据EM场的麦克斯韦方程组已知的并提供为任何模型m以及发射机和接收机几何构型计算d的方法。众所周知，地的电阻率结构可通过使用由以上方程(Lu等人：Geophys.J.Int.138，381-392(1999))提供的关系而从CSEM测量中被恢复。这个为F所依赖的特定变量求解“正演”方程的过程被称作求解反演问题或仅仅是反演。本发明使用反演过程来恢复接收机方位。此反演过程可被简单写作如下：将目标函数 $\mathrm{object\; function}=\left|\right|\underset{\‾}{\underset{\‾}{W}}d-\underset{\‾}{\underset{\‾}{\mathrm{WG}}}p\left|\right|+\mathrm{\λR}\left(m\right)$ 最小化，其中

是加权矩阵，

是从F线性化的正演运算符(forward operator)，p是包括地电阻率模型和接收机方位的反演参数的向量，R(m)是减小反演的不惟一性的正则化项，λ是正则化参数。然而可接受的答案可利用将正则化项设置等于零并使用最小二乘迭代方案而获得。反演问题及其解已被广泛研究，见譬如R.L.Parker，Geophysical Inverse Theory，Princeton University Press，Princeton，New Jersey(1994)；W.Menke，Geophysical Data Analysis：Discrete Inverse Theory，Academic Press，San Diego，California(1989)；and A.Tarantola，Inverse Problem Theory，Methods for Data Fitting and ModelParameter Estimation，Elsevier，Amsterdam，The Netherlands(1987)。在开发本发明方法的过程中，1D反演软件从威斯康星—麦迪逊大学(土木与环境工程系，工程学院)得到许可，3D反演软件从Sandia National Laboratory得到许可。

需要接收机方位角，以便更精确地确定地下电阻率结构。因此，得出对方位角反演中的电阻率模型的良好推测可能是困难的。在本发明的一些实施例中，同时为接收机方位角和地的电阻率模型反演预备的数据。在其他实施例中，反演只用于接收机方位角，在这些情况中，结果将取决于假定的电阻率模型的精确性。当使用由本发明的一个应用所发现的方位角确定电阻率模型时，方位角的反演可被重复，而后电阻率模型反演可被第二次执行。此循环可被迭代直到想要的停止准则被获得。反演计算可被执行于1D、2D、3D中。

本方法的使用可确定接收机方位。本发明使用反演确定对定义接收机方位必要的所有三个角，而不是只确定由Mittet等人提议的接收机方位角。示例

具有与图3-5的示例相同的源和接收机几何构型的1D模型被用来在0.125、0.25、0.5、1.25和2.0Hz频率处为具有(α，β，γ)＝(330.0，2.0，4.0)的接收机生成合成数据集。此数据集而后被用于试验本发明方法可以如何适当地确定接收机方位。在此示例中，反演过程被建立，用于同时确定接收机方位和电阻率模型。初始电阻率模型由空气、海水和沉积的海底的均匀半空间组成，接收机的初始角是(300.0，0.0，0.0)。在应用本发明方法后，所得的方位角是(α，β，γ)＝(329.97，1.95，3.88)。恢复后的角与用于生成合成数据的角很接近，表明本发明方法的精确性。

Claims (20)

1.一种用于确定三个独立角的计算机实现的方法，所述三个独立角指定在海洋电磁勘探中的电磁接收机的方位，该方法包括：

(a)根据包括信噪比和失真度的标准选择勘探数据；

(b)创建表示勘探的源-接收机几何构型和用于电信号传输的介质的初始模型，所述初始模型包含三个接收机方位角、电阻率模型以及电磁源和接收机参数；和

(c)将所述初始模型和所选勘探数据作为输入信息并且所述三个方位角作为未知量，求解麦克斯韦电磁场方程组，所述求解通过迭代数值反演实现。

2.根据权利要求1所述的方法，其中至少在通过反演步骤的所述求解之前，所述勘探数据被变换到频域。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述变换是通过傅立叶变换的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述源-接收机几何构型包括所述电磁源的角取向以及接收机和发射机的坐标。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

(d)修正所述初始模型以包括经计算的接收机方位角并将电阻率作为所述未知量来重复所述反演步骤；和

(e)将所述初始模型的电阻率值更新为在前一步骤中计算出的电阻率值，来重复步骤(c)。

6.根据权利要求1所述的方法，其中作为模型位置的函数的电阻率被处理为附加未知量并在所述反演步骤中被求解。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述初始模型从由一维模型、二维模型和三维模型所组成的组中选出。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述所选勘探数据包括至少一个并行线式电磁场分量、至少一个交叉线式电磁场分量和至少一个垂直电磁场分量的测量值。

9.根据权利要求2所述的方法，其中所述所选勘探数据从由振幅数据、相位数据以及振幅和相位数据所组成的组中选出。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述反演通过将目标函数最小化而执行。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述目标函数是

目标函数

其中，

是加权矩阵，是从麦克斯韦方程组线性化的正演运算符，p是包括地电阻率模型和接收机方位的反演参数的向量，d是表示为向量的所述所选数据，R(m)是减小反演的不惟一性的正则化项，λ是正则化参数。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述所选勘探数据包括至少一个并行线式电磁场分量和至少一个垂直电磁场分量的测量值。

13.根据权利要求1所述的方法，其中对应于比预选的最大值大且比预选的最小值小的源-接收机偏移的勘探数据未被选择用于反演，所述最大值至少部分基于信噪比考虑而被选出，所述最小值至少部分基于接收机饱和度考虑而被选出。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述反演是最小二乘反演，并且λ＝0。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述所选勘探数据由至少三个独立的数据点组成。

16.根据权利要求2所述的方法，其中所述所选勘探数据从由所述数据的实部、所述数据的虚部以及实部和虚部数据组成的组中被选出。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻率模型包括地层和水层。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述电阻率模型进一步包括空气层。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述电磁源和接收机参数包括源强度和频率以及接收机天线长度。

20.一种用于从地下区域产生碳氢化合物的方法，其包括：

(a)从所述地下区域的受控源电磁勘探中获得电磁场数据；

(b)根据包括信噪比和失真度的标准，选择勘探数据；

(c)获得表示所述勘探的源-接收机几何构型和用于电信号传输的介质的初始模型，所述初始模型包含三个接收机方位角、电阻率模型和电磁源和接收机参数；

(d)将所述初始模型和所选勘探数据作为输入信息并且所述三个方位角作为未知量，获得麦克斯韦电磁场方程组的解，所述解通过迭代数值反演实现；

(e)使用所述三个方位角将所测量的电磁场数据分解为并行线式、交叉线式和垂直分量，其中线指的是包含连续源位置的直线；和

(f)从在所述地下区域中的位置产生碳氢化合物，所述位置由在分解后的电磁场数据中发现的电阻率异常指示。

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