CN101675359A - 多分量海洋电磁信号采集电缆、系统和方法 - Google Patents

Abstract

海洋电磁传感器电缆包括沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块。每个模块包括至少一对与模块关联的电极。该电极设置成用以测量在沿着电缆方向的方向上的电场。设置电缆以形成闭合模式。另一个海洋传感器电缆包括沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块。每个模块包括至少一对与其关联的电极。该电极设置成用以测量在沿着电缆方向的方向上的电场。多个间隔开的的磁场传感器与每个模块关联并且设置成用以能够从磁场梯度确定在与电缆方向横向的方向上的电场幅度。

Description

多分量海洋电磁信号采集电缆、系统和方法

技术领域

本发明大体上涉及海洋电磁地球物理勘探的领域。更加具体地，本发明涉及用于采集、记录和传输所产生的用于次表层(subsurface)大地勘探的电磁信号的电缆和相关设备。

背景技术

电磁地球物理勘探包括“可控源”和天然源电磁勘探。可控源电磁勘探包括将电场或磁场施加于大地地层、在海洋勘探中在海底下面的那些地层，并且通过测量在电极、天线感生的电压差和/或询问设置在地表或在海底上或上方的磁力计测量电场幅度和/或磁场幅度。电和/或磁场响应于施加于大地次表层的电场和/或磁场而感生，并且关于大地次表层的电导率的空间分布的推断由感生的电和/或磁场的记录做出。

天然源电磁学包括多分量海底接收器站，并且通过取用垂直场分量的比，人们可以排除对知道天然源的需要。到此时，用于海洋应用的天然源电磁学被限制在自主记录站。

本领域内已知的可控源电磁勘探包括将交流电流施加于在海底下面的地层中。该交流电流具有一个或多个选定频率。这样的勘探已知为频域可控源电磁(f-CSEM)勘探。f-CSEM勘探技术例如在Sinha，M.C.Patel，P.D.，Unsworth，M.J.，Owen，T.R.E.，和MacCormack，M.G.R.，1990，An active source electromagnetic sounding system formarine use(海洋用主动源电磁法测深系统)，Marine GeophysicalResearch，12，29-68中描述的。描述电磁次表层勘探的物理学和解释的其他出版物包括：Edwards，R.N.，Law，L.K.，Wolfgram，P.A.，Nobes，D.C.，Bone，M.N.，Trigg，D.F.，和DeLaurier，J.M.，1985，First results ofthe MOSES experiment：Sea sediment conductivity and thicknessdetermination，Bute Inlet，British Columbia，by magnetometric offshoreelectrical sounding(MOSES实验的第一结果：通过磁力计海上电测深，英国哥伦比亚，比特湾，海洋沉积物电导率和厚度测定)：Geophysics50，No.1，153-160；Edwards，R.N.，1997，On the resource evaluation ofmarine gas hydrate deposits using the sea-floor transient electricdipole-dipole method(关于使用海底瞬态电偶极子-偶极子方法对海洋气体水合物沉积物的资源评估)：Geophysics，62，No.1，63-74；Chave，A.D.，Constable，S.C.and Edwards，R.N.，1991，Electrical explorationmethods for the seafloor(用于海底的电勘探方法)：Investigation ingeophysics No 3，Electromagnetic methods in applied geophysics，vol.2，application，part B，931-966；和Cheesman，S.J.，Edwards，R.N.，andChave，A.D.，1987，On the theory of sea-floor conductivity mapping usingtransient electromagnetic systems(关于使用瞬态电磁系统进行海底电导率测绘的理论)：Geophysics，52，No.2，204-217。

在电磁勘探的技术领域中的感兴趣的其他出版物包括Edwards，N.，2005，Marine controlled source electromagnetics(海洋可控源电磁学)：Principles，Methodologies，Future commercial applications：Surveysin Geophysics，No.26，675-700；Constable，S.，2006，Marineelectromagnetic methods-A new tool for offshore exploration(海洋电磁方法-用于海上勘探的新工具)：The Leading Edge v.25，No.4，p.438-444.；Christensen，N.B.和Dodds，K.，2007，1D inversion andresolution analysis of marine CSEM data(海洋CSEM数据的1D反演和分辨率分析)，Geophysics 72，WA27；Chen，J.，Hoversten，G.M.，Vasco，D.，Rubin，Y.，and Hou，Z.，2007，A Bayesian model for gas saturationestimation using marine seismic AVA and CSEM data(用于使用海洋地震AVA和CSEM数据进行气体饱和度估计的贝叶斯模型)，Geophysics 72，WA85；Constable，S.and Srnka，L.J.，2007，Anintroduction to marine controlled-source electromagnetic methods forhydrocarbon exploration(对用于碳氢化合物勘探的海洋可控源电磁方法的介绍)，Geophysics 72，WA3；Evans，R.L.，2007，Using CSEMtechniques to map the shallow section of seafloor：From the coastline tothe edges of the continental slope(使用CSEM技术绘制海底的浅水部分：从海岸线到大陆斜坡的边缘)，Geophysics 72，WA105；Darnet，M.，Choo，M.C.K.，Plessix，R.D.，Rosenquist，M.L.，Yip-Cheong，K.，Sims，E.，和Voon，J.W.K.，2007，Detecting hydrocarbon reservoirs fromCSEM data in complex settings：Application to deepwater Sabah，Malaysia(在复杂设置中从CSEM数据探测碳氢化合物储藏：对马来西亚沙巴州深海的应用)，Geophysics 72，WA97；Gribenko，A.和Zhdanov，M.，2007，Rigorous 3D inversion of marine CSEM data basedon the integral equation method(基于积分方程方法的海洋CSEM数据的严密3D反演)，Geophysics 72，WA73；Li，Y.和Key，K.2007，2Dmarine controlled-source electromagnetic modeling：Part 1-An adaptivefinite-element algorithm(2D海洋可控源电磁模拟：第一部分-自适应有限元算法)，Geophysics 72，WA51；Li，Y.and Constable，S.，2007，2Dmarine controlled-source electromagnetic modeling：Part 2-The effect ofbathymetry(2D海洋可控源电磁模拟：第二部分-水深测量的效果)，Geophysics 72，WA63；Scholl，C.和Edwards，R.N.，2007，Marinedownhole to seafloor dipole-dipole electromagnetic methods and theresolution of resistive targets(海洋向下钻孔到海底偶极子-偶极子电磁方法和电阻性靶的分辨率)，Geophysics 72，WA39；Tompkins，M.J.和Srnka，L.J.，2007，Marine controlled-source electromagnetic methods-Introduction(海洋可控源电磁方法-介绍)，Geophysics 72，WA1；Um，E.S.和Alumbaugh，D.L.，2007，On the physics of the marinecontrolled-source electromagnetic method(关于海洋可控源电磁方法的物理学)，Geophysics 72，WA13；Dell′Aversana，P.，2007，Improvinginterpretation of CSEM in shallow water(改进在浅水中CSEM的解释)，The Leading Edge 26，332；Hokstad，K.，和Rosten，T.，2007，On therelationships between depth migration of controlled-sourceelectromagnetic and seismic data(关于可控源电磁和地震数据的深度偏移之间的关系)，The Leading Edge 26，342；Johansen，S.E.，Wicklund，T.A.和Amundssen，H.E.F.，2007，Interpretation example of marine CSEMdata(海洋CSEM数据的解释示例)，The Leading Edge 26，348；以及MacGregor，L.，Barker，N.，Overton，A.，Moody，S.，和Bodecott，D.，2007，Derisking exploration prospects using integrated seismic andelectromagnetic data-a Falkland Islands case study(使用综合的地震和电磁数据去除开采前景的风险)，The Leading Edge 26，356。

下列是描述的若干个专利出版物，其描述电磁次表层地球勘探的各种方面。向Constable发出的美国专利号5,770,945描述用于海底石油开采的地球电磁(MT)系统。公开的系统包括第一防水耐压壳体(包含处理器、AC耦合磁场后置放大器和电场放大器)、第二防水耐压壳体(包含声导航/释放系统、安装在悬臂上的四个银-氯化银电极和至少两个磁感应线圈传感器)。这些元件与漂浮装置和锚一起安装在塑料和铝框架上用于部署到海底。声导航/释放系统通过对由船上单元产生的声音“砰”做出响应而起定位测量系统的作用，并且接收释放命令，该命令发起从锚脱离使得有浮力的包漂浮到表面以复原。用于探测电场的电极配置为接地的偶极子天线。电极通过其安装到框架上的悬臂被放置在X形配置中以形成两个正交偶极子。该两个正交偶极子用于测量全向量电场。磁场传感器是多匝、Mu-金属芯线圈，其探测典型地用于基于陆地的MT勘探的频率范围内的磁场。磁场线圈被封装入防水耐压壳体中并且通过高压防水电缆连接到记录器包。记录器单元包括用于放大从各种不同的传感器接收的信号的放大器，此信号然后提供给处理器，该处理器控制计时、记录、存储和功率切换的操作。暂时和大容量存储器在处理器内和/或在处理器外围提供。在这样的MT方法中没有主动源，其依赖天然产生的EM场。

向Srnka发出的美国专利号6,603,313B1公开了一种用于储集层性质的表面估计的方法，其中在特定位置的次表层地质地层的上方、下面和水平邻近的平均大地电阻率首先使用在次表层地质地层附近的地质学的和地球物理学的数据来确定或估计。然后使用位置和平均大地电阻率来确定电磁源的规模和探测频率以基本上最大化在次表层地质地层传输的垂直和水平电流。接着，在海底(大约在次表层地质地层上方居中)或其附近激活电磁源，并且电磁响应的多个分量用接收器阵列来测量。使用地质学的和地球物理学的数据来确定几何和电参数限制。最终，电磁响应使用几何和电参数限制来处理以产生反转的垂直和水平电阻率深度图像。可选地，反转的电阻率深度图像可与地质学的和地球物理学的数据结合以估计储集层流体和页岩性(在称为“页岩”的含粘土岩石的地层中的分数体积)性质。

向Eidesmo等发出的美国专利号6,628,110B1公开了一种用于确定地下储集层的性质的方法，地下储集层的近似几何和位置是已知的。公开的方法包括：向包含储集层的岩层施加时间变化的电磁场；探测电磁波场响应；并且分析由储集层引起的对探测到的场的特性的影响，从而基于分析确定储集层的含量。

向Strack发出的发表的美国专利号6,541,975B2公开了一种用于产生围绕穿透地层的钻孔的大地地层的图像的系统。地层的电阻率使用DC测量而测量，并且地层的电导率和电阻率用时域信号或AC测量而测量。地层的声速也被测量。用时域电磁信号做出的DC电阻率测量、电导率测量、用时域电磁信号做出的电阻率测量以及声速测量结合以产生大地地层的图像。

国际专利申请公开号WO 0157555A1公开了一种用于探测地下储集层或确定地下储集层的性质的系统，地下储集层的位置和几何从以前的地震勘探已知。电磁场通过发射器施加在海床上并且由也在海床上的天线探测。折射波分量在波场响应中寻找，以确定任何存在的储集层的性质。

国际专利申请公开号WO 03048812A1公开了一种用于勘探以前识别为可能包含海底碳氢化合物储集层的区域的电磁勘探方法。该方法包括用相对于相同或不同的接收器在端点或侧向排列的电磁源获得第一和第二勘探数据集。该发明还涉及使用这个方法规划勘探，并且涉及以组合所取的勘探数据的分析以便允许对在接收器处收集的信号的流电贡献与感应效应和信号衰减效应(其非常依赖于在勘探区域处的岩层、上覆水和大气的局部性质)形成对比。这对成功使用电磁勘探用于识别碳氢化合物储量并且将它们与其他种类的次表层地层区别开是非常重要的。

向Conti等发出的美国专利号6,842,006B1公开了一种用于获得大地地层的水下地球电磁(MT)测量的海底电磁测量装置。该装置包括具有枢转式连到其上的臂的中心结构。枢转臂使该装置能够容易部署和存放。电极和磁力计连到每个臂上以用于分别测量电和磁场，磁力计远离中心结构使得其中存在的磁场不被感应到。用于进行海底测量的方法包括在离该结构一距离处测量电场并且在相同位置测量磁场。

美国专利申请公开号2004/232917和美国专利号6,914,433Detection of subsurface resistivity contrasts with application to location offluids(次表层电阻率反差的探测及其在流体的定位中的应用)(Wright等)涉及通过在地表上或其附近使用至少一个源、用于测量系统响应的接收装置和至少一个用于测量因而产生的大地响应的接收器而进行多通道瞬态电磁(MTEM)测量而绘制次表层电阻率反差的方法。处理来自每个源-接收器对的所有信号以恢复大地对应的电磁脉冲响应并且显示这样的脉冲响应或这样的脉冲响应的任何变换以创建次表层电阻率反差表示。该系统和方法使次表层流体沉淀物能够被定位并且被识别出并且使得这样的流体的移动能够被监视。

向Rueter等发出的美国专利号5,467,018公开了一种基岩开采系统。该系统包括产生作为传输流中突变的瞬态，其由发射器发射到大地次表层中。因而产生的感生电流由若干个接收器单元测量。来自接收器单元的测量值传递到中央单元。从接收器单元获得的测量值被数字化并且存储在测量点，并且中央单元通过遥测线路与测量点连接。利用遥测线路，来自接收器单元中的数据存储器的数据可以被连续地传递到中央单元上。

向Tasci等发出的美国专利号5,563,913公开了一种在提供沉积次表层的电阻率测量数据中使用的方法和设备。该数据用于开发和绘制增强的不规则电阻率图案。该增强的次表层电阻率图案与在下至沉积次表层的基底的各种深度处发现石油和/或气阱所关联并且有助于发现该石油和/或气阱。该设备设置在地表并且包括用带有接地电极的一段电线连接到发射器的发电机。当大振幅、长周期的电流方波从发射地点通过发射器和电线发送时，副涡流在次表层中感生。该涡流在次表层中引起磁场变化，其可以用磁力计或感应线圈在大地表面测量。磁场变化作为时变电压在每个测深地点被接收并且记录。关于次表层地层的电阻率变化的信息在运用适当的数学方程后从测量的磁场信号(绘制为时间的函数)的振幅和形状推导出。测深地点以类似绘图的方式设置以确保可以准备次表层地层的电阻率变化的区域等高线地图和横截面。

提供关于本发明的背景信息的其他的美国专利文件包括下列：

美国专利号4,535,292 Transmitter for an electromagnetic surveysystem with improved power supply switching system(用于具有改进的电源切换系统的电磁勘探系统的发射器)(Ensing)。

美国专利号5,130,655 Multiple-coil magnetic field sensor withseries-connected main coils and parallel-connected feedback coils(具有串联主线圈和并联反馈线圈的多级线圈磁场传感器)(Conti)。

美国专利号5,877,995 Geophysical prospecting(地球物理勘探)(Thompson等)。

美国专利号5,955,884 Method and apparatus for measuring transientelectromagnetic and electrical energy components propagated in an earthformation(用于测量在大地地层中传播的瞬态电磁和电能分量的方法和设备)(Payton等)。

美国专利号6,188,221 Method and apparatus for transmittingelectromagnetic waves and analyzing returns to locate underground fluiddeposits(用于发射电磁波并且分析返回以定位地下流体沉淀物的方法和设备)(Van de Kop等)。

美国专利号6,225,806 Electroseismic technique for measuring theproperties of rocks surrounding a borehole(用于测量围绕钻孔的岩石的性质的电学地震技术)(Millar等)。

美国专利号6,339,333 Dynamic electromagnetic methods for directprospecting for oil(用于直接勘探石油的动态电磁方法)(Kuo)。

美国专利号6,628,119 Method and apparatus for determining thecontent of subterranean reservoirs(用于确定地下储集层的含量的方法和设备)(Eidesmo，等)。

美国专利号6,664,788 Nonlinear electroseismic exploration(非线性电地震勘探)(Scott C.Hornbostel，等)。

美国专利号6,696,839 Electromagnetic methods and apparatus fordetermining the content of subterranean reservoirs(用于确定地下储集层的含量的电磁方法和设备)(Svein Ellingsrud等)。

美国专利号6,717,411 Electromagnetic method and apparatus fordetermining the nature of subterranean reservoirs using refractedelectromagnetic waves(用于使用折射电磁波确定地下储集层的性质的电磁方法和设备)(Ellingsrud，等)。

美国专利号6,859,038 Method and apparatus for determining thenature of subterranean reservoirs using refracted electromagnetic waves(用于使用折射电磁波确定地下储集层的性质的方法和设备)(SveinEllingsrud，等)。

美国专利号6,864,684 Electromagnetic methods and apparatus fordetermining the content of subterranean reservoirs(用于确定地下储集层的含量的电磁方法和设备)(Ellingsrud，等)。

美国专利号6,864,684 Electromagnetic methods and apparatus fordetermining the content of subterranean reservoirs(Ellingsrud，等)。

美国专利号7,023,213 Subsurface conductivity imaging systems andmethods(次表层电导率成像系统和方法)(Edward Nichols)。

美国专利号7,038,456 Method and apparatus for determining thenature of subterranean reservoirs(用于确定地下储集层的性质的方法和设备)(Ellingsrud，等)。

美国专利号7,042,801 System for geophysical prospecting usinginduce electrokinetic effect(用于使用感应动电效应地球物理勘探的系统)(Andrey Berg)。

美国专利号7,126,338 Electromagnetic surveying for hydrocarbonreservoirs(碳氢化合物储集层的电磁勘探)(MacGregor，Lucy等)。

美国专利号7,141,968 Integrated sensor system for measuringelectric and/or magnetic field vector components(用于测量电和/或磁场矢量分量的集成传感器系统)(Hibbs，等)。

美国专利号7,141,987 Sensor system for measurement of one ormore vector components of an electric field(用于电场的一个或多个矢量分量的测量的传感器系统)(Hibbs，等)。

美国专利号7,145,341 Method and apparatus for recoveringhydrocarbons from subterranean reservoirs(用于从地下储集层取回碳氢化合物的方法和设备)(Ellingsrud，等)。

美国专利号7,191,063 Electromagnetic surveying for hydrocarbonreservoirs(碳氢化合物储集层的电磁勘探)(Tompkins)。

美国专利申请公开号2006/0091889 Method and apparatus fordetermining the nature of subterranean reservoirs(用于确定地下储集层的性质的方法和设备)(Ellingsrud，Svein等)2005年12月12号提交申请号：11/301,010，在2007年4月10号以美国专利号7,202,669授予。

美国专利申请公开号2006/0129322 Electromagnetic surveying forhydrocarbon reservoirs(碳氢化合物储集层的电磁勘探)(MacGregor，Lucy等)。

美国专利申请公开号2006/0132137 Electromagnetic surveying forhydrocarbon reservoirs(碳氢化合物储集层的电磁勘探)(MacGregor，Lucy等)。

美国专利申请公开号2006/0197532 Method and apparatus fordetermining the nature of submarine reservoirs(用于确定海底储集层的性质的方法和设备)(Eidesmo，Terje等)。

美国专利申请公开号2007/0021916 Electromagnetic surveying forhydrocarbon reservoirs(碳氢化合物储集层的电磁勘探)(MacGregor，Lucy等)。

美国专利申请公开号2007/0075708，ELECTROMAGNETICSURVEY SYSTEM WITH MULTIPLE SOURCES(具有多个源的电磁勘探系统)(Reddig，Ransom等)。

典型的f-CSEM海洋勘探可以描述如下。记录船可以包括连接到靠近海底设置的电极的电缆。在船上的电力源对电极充电使得选定大小的具有选定频率或多个频率的交流电流过海底并且进入在海底下面的大地地层。在离源电极选定距离(“偏移”)处，接收器电极设置在海底上并且耦合到电压测量电路，其可设置在该船上或不同的船上。然后分析施加于接收器电极的电压以推断在次表层中的大地地层的结构和电性质。

本领域中已知的用于次表层大地地层的电磁勘探的另一个技术是瞬态可控源电磁勘探(t-CSEM)。在t-CSEM中，电流以与f-CSEM类似的方式在地表(或海底)施加于大地。电流可是直流(DC)。在选定时间，电流被切断、接通或使它的极性改变，并且在地表或水面测量感生电压和/或磁场(典型地在选定时间间隔期间关于时间)。备选的切换策略是可能的；如将在下文中更加详细地解释的。通过感生电压和/或磁场的时间分布推断次表层的结构。描述t-CSEM技术，例如，在Strack，K.-M.，1992，Exploration with deep transientelectromagnetics(采用深处瞬态电磁学的勘探)，Elsevier，373pp.(1999重印)中。

发明内容

根据本发明的一个方面的海洋电磁传感器电缆包括沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块。每个模块包括至少一个磁场传感器和至少一对与模块关联的电极。该电极设置成用以测量在沿着电缆方向的方向上的电场。设置电缆以形成闭合模式。

根据本发明的另一个方面的海洋电磁勘探系统包括在水体中拖带至少一个电磁天线的船。可控电流源设置在该船上。该系统包括沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块。每个模块包括至少一个磁场传感器和至少一对与其关联的电极。该电极设置成用以测量在沿着电缆方向的方向上的电场。设置电缆以形成闭合模式。该系统包括用于记录由电极和磁场传感器响应于通过至少一个天线传递电流而施加于大地次表层的电磁能而产生的信号的部件。

本发明的另一个方面是海洋电磁传感器电缆，其包括沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块。每个模块包括至少一对与其关联的电极。该电极设置成用以测量在沿着电缆方向的方向上的电场。多个间隔开的磁场传感器与每个模块关联并且设置成用以能够从磁场梯度确定在与电缆方向横向的方向上的电场幅度。

根据本发明的另一个方面的海洋电磁勘探系统包括在水体中拖带至少一个电磁天线的船。可控电流源设置在该船上。该系统包括沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块。传感器电缆包括沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块。每个模块包括至少一对与其关联的电极。该电极设置成用以测量在沿着电缆方向的方向上的电场。多个间隔开的磁场传感器与每个模块关联并且设置成用以能够从磁场梯度确定在与电缆方向横向的方向上的电场幅度。

根据本发明的另一个方面的用于测量大地次表层的地球电磁响应的方法包括测量在电磁发射器的多个激励期间在水体的底部下面的大地次表层的瞬态可控源电磁响应。瞬态响应测量被堆叠并且从在一段时间期间的总电磁大地响应的测量(包括多个瞬态响应测量)中减去堆叠的瞬态响应以产生地球电磁响应。

根据本发明的另一个方面的用于确定对于在大地次表层中感生的时变电磁场的电场响应分量的方法包括在至少两个正交方向上测量响应于感生电磁场的磁场梯度并且确定在垂直于磁场梯度测量的方向上的电场响应。

本发明的另一个方面是用于确定对于在大地次表层中感生的时变电磁场的大地次表层的电场响应分量的方法。根据本发明的这个方面的方法包括测量在地表和水体的底部至少其中之一上沿大致上闭合模式的电场响应并且使用在沿闭合模式在相反的位置做出的电场响应测量来确定在垂直于测量的电场响应的方向上的电场响应。

本发明的其他方面和优势从下面的描述和附属权利要求中将是清楚的。

附图说明

图1示出根据本发明的各种方面的海洋EM采集系统，其可包括采集模块。

图2示出可与在图1中示出的系统连用的采集模块的一个示例。

图3示出采集模块的另一个示例。

图4示出采集系统的另一个示例

图5示出在大地次表层中的感生磁场。

具体实施方式

海洋电磁(EM)勘探采集系统的一个示例在图1中示意地示出。该系统可包括勘探船10，其沿例如湖或海洋等的水体11的表面移动。勘探船10包括在其上的某些设备，其在12处大体上示出并且为了方便称为“记录系统”。记录系统12可包括(为了图示清楚下列中没有一个单独示出)导航装置、源激励和控制设备，和用于记录和处理由在采集系统中的各种传感器做出的测量的装置。船10可拖带例如空气枪或这样的空气枪的阵列等的地震能源14、包括垂直间隔开的电极16C、16D的垂直电偶极子“源”天线19和可包括水平间隔开的电极16A、16B的水平电偶极子“源”天线17。垂直电极16C、16D典型地由流过从电极16C或16D到勘探船10的线路中之一的电流来加电。另一条线路可是电不活动的并且仅用于保持垂直偶极子天线处于优选形状中。在源天线17、19上的电极为了方便可被称为“源电极”。记录系统12可包括可控电源(没有单独示出)以为了在水底13下面的次表层中感生电磁场而对源电极加电。

在本示例中分别在各个天线17、19上的源电极16A、16B和16C、16D可以间隔开大约50米，并且可以由电源(没有示出)加电使得大约1000安培的电流流过电极。这是与在本领域内已知的使用100米长的发射器偶极子并且使用500安培电流的典型电磁勘探实践中产生的那个等效的源矩(source moment)。在任一情况下源矩可以是大约5×10⁴安培-米。在任何特定的实现中使用的源矩不是要限制本发明的范围。

如果系统配置以记录瞬态EM信号，则用于对源电极加电的电流可以是在特定时间或多个特定时间切断的直流(DC)。这样的切换时间可方便地相关于信号记录时间指数等于零。然而应该认识到切断DC只是电流切换的一个实现，其可操作以在大地次表层中引起瞬态电磁效应。在其他示例中，电流(DC)可被接通，可从一个极性切换到另一个(双极切换)，或可在伪随机二进制序列(PRBS)或这样的切换序列的任何混合衍生物中切换。参见，例如，Duncan，P.M.，Hwang，A.，Edwards，R.N.，Bailey，R.C.，和Garland，G.D.，1980，Thedevelopment and applications of a wide band electromagnetic soundingsystem using pseudo-noise source(使用伪噪声源的宽带电磁测深系统的发展和应用)，Geophysics，45，1276-1296，用于PBRS切换的说明。该系统还可配置以与记录瞬态信号联合或者作为其备选来记录“频域”信号。电源(没有示出)在这样的例子中可产生连续的交流电流，其具有一个或多个选定分量频率以执行这样的频域电磁勘探。

记录系统12可包括可在选定时间激励地震源14的设备(源控制器)并且可包括记录或接受来自地震传感器(在下文中参照图2解释)的记录以用于处理的装置，地震传感器可设置在传感器电缆24中或在采集系统中的别处。

在本示例中，传感器电缆24示出设置在水底13上用于做出对应于在水底13下面的大地地层的测量。传感器电缆24可包括在其上的多个纵向间隔开的传感器模块22。在每个传感器模块22中的部件的示例将在下文中参照图2和3进一步解释。每个传感器模块22可具有插入其的上侧的大致上垂直延伸的传感器臂22A。垂直延伸的传感器臂22A的一个示例的细节将在下文中参照图3解释。优选地垂直延伸的传感器臂22A包括在其中或在其上的某种浮力装置或结构(没有单独示出)以协助保持传感器臂22A在相对于重力的大致上垂直的取向上。每个传感器模块22可包括从它的下侧延伸的尖状物22C，如例如在Scholl，C.和Edwards，N.，2007，Marine downhole to seafloordipole-dipole electromagnetic methods and the resolution of resistivetargets(海洋向下钻孔到海底偶极子-偶极子电磁方法和电阻性靶的分辨率)，Geophysics，72，WA39中描述的，用于穿透在水底13上存在的沉积物到在其中选定深度。围绕邻近每个传感器模块22的每个纵向端的传感器电缆24的部分外部的可以是流电电极(galvanicelectrode)23，其用于测量涉及对在次表层中的感生电磁场的电场响应的某些分量的电压。在本示例中，侧向延伸的传感臂22B可从每个传感器模块22的一侧或两侧设置。这样的传感臂22B将参照图3更详细地解释。传感器电缆24在某些实现中可设置在水底13上处于闭合模式，其将参照图4进一步解释。

由与每个模块22和电缆24关联的各种传感装置采集的信号可被传输到并且存储在记录节点26中。这样的传输可通过包括在电缆24中的一个或多个电和/或光导体(没有示出)进行以传导电功率和/或数据信号。记录节点26可设置在水底13上如由系统设计者决定设置在浮标(没有示出)中示出的。记录节点26可包括任何形式的数据存储装置，例如兆兆字节大小的硬盘或固态存储器。如果如在图1中示出的设置在水底13上，记录节点26可由船10从水底13取回以询问存储装置(没有示出)，或者存储装置(没有示出)可通过连接数据转移电缆(没有示出)到在记录节点26上的适合的连接器或端口(没有示出)而被访问用于询问。关于节点26的数据存储和转移的方式可根据众所周知的技术并且不是要限制本发明的范围。

传感器模块22的一个示例在图2中以剖视图示出。传感器模块22可包括在沿电缆24的选定位置处固定到电缆24的密封的、耐压外壳28。外壳28可通过电缆内的编接、通过在其上模塑外壳28或通过在电缆24和外壳28中的每个上使用不透水、耐压的电和机械连接器(例如在向Scott发出的美国专利号7,113,448中示出的连接器等)而固定到电缆24。

外壳28的内部可限定压力密封的隔间，其可包括下文描述的部件中的一些或所有。在模块22中的传感元件可包括三轴线磁力计M其包括水平Mx、My和垂直Mz分量磁场传感器。三分量地震质点运动传感器G也可设置在外壳28中。地震质点运动传感器G可包括三个互相正交的运动传感器Gx、Gy、Gz，例如地震检波器或加速计等。地震传感器G探测由地震源(在图1中的14)引起的地震波场的质点运动分量。传感器模块22还可包括与水(在图1中的11)压力相联的用于探测由地震源(在图1中的14)引起的地震波场的压力分量的水中听音器30。传感器模块22在外壳28内还可包括重力传感器GR。传感器模块22可包括电压测量电路39、40以测量跨接沿电缆24设置在模块22的相对侧上的流电电极对(在图1中的23)所加的电压。在本示例中，电极对还可包括沿垂直传感臂22A(在23B处示出的电极)和尖状物22C(在23A处示出的电极)中的每个或在其末端设置的电极。垂直传感臂22A可以如将在下文中参照图3解释的方式联接于外壳28。

由上文描述的传感装置中的每个产生的信号可进入多路复用器32。多路复用器32的输出可通过前置放大器34传导。前置放大器可耦合于模拟数字转换器(ADC)36的输入，其转换来自前置放大器34的模拟电压为用于存储和由中央处理器38处理的数字字，中央处理器38可是任何本领域内已知的基于微处理器的控制器和关联的数据缓冲和/或存储装置。由数字字表示的数据可被格式化用于沿电缆24信号遥测到记录节点(在图1中的26)用于以后的检索和处理，例如由或在记录系统(在图1中的12)中。传感器模块22还可包括一个或多个与多路复用器32和耦合于其的输出的部件信号通信的高频磁力计M_H。

图2的示例传感器模块22在图3中以平面图示出。水平传感臂42(也在图1中示为22B)可使用压力密封电连接器42A(与在外壳28中对应的连接器41紧密配合)联接于外壳28。传感臂42备选地可永久地连到传感器模块22并且也可以是可折叠的。连接器42A、41包括一个或多个绝缘的电接触以向在水平传感器臂42中的各种传感元件传送电力和/或信号。传感元件可包括多个间隔开的单或多轴线磁场传感器44和流电电极46。垂直传感臂22A可类似地配置以具有电极和多个磁场传感器。尖状物(在图1中的22C)可类似地装备有这样的传感装置。各种传感器臂和尖状物可配置使得它们可锁定地并且快速地安装进入外壳，如当电缆24从勘探船(在图1中的10)延伸进入水(在图1中的11)时所示出的。

如参照图2和3解释配置的，传感器模块22包括传感装置以测量在三维中的电场、在三维中的磁场和在至少两个方向上的磁场梯度。磁场梯度可沿电缆24的方向(第三方向)通过测量沿电缆24在相邻模块22中做出的磁场测量之间或连续更多的间隔开的模块22之间的差别而测量。通过测量磁场梯度的空间分量，确定在与磁场梯度测量横向的方向上的电场分量可以是可能的。安培定律说明磁场的空间梯度等于电介质位移场的时间导数加上自由电流密度，如在下面方程(1)中示出的：

$\▿\×\stackrel{\→}{H}=\stackrel{\→}{J}+\frac{\∂\stackrel{\→}{D}}{\∂\mathrm{\τ}}---\left(1\right)$

因为电介质位移场由电介电常数ε耦合到电场E，如果磁场的z分量Hz关于沿电缆的位置x的空间变化和在磁场Hx中关于垂直z的电缆方向空间变化是已知的，则电场的y分量Ey场关于时间的变化可以被计算。因而，通过使用如本文示出的电缆系统测量沿选定方向的磁场梯度，确定电场的横向分量是可能的。

电缆系统的部署的一个示例在图4中示出。电缆24在离记录节点26的其远端可包括尾标48，并且可以大致上闭合模式设置在水底上。注意在图4中示出系统可省略用于确定电场的横向分量的水平传感臂(在图3中的42)。这是因为在闭合回路内的电场分量的和等于零。因此，当电极23以如在图4中示出的闭合模式设置时，侧向相对的电极对(沿闭合模式的位置)之间的电场的横向分量可从在这样相对的位置处的纵向间隔电极之间做出的电场测量推导出。备选地，可包括水平传感臂(在图3中的42)并且可使用电场和磁场梯度的测量以质量检查侧向电场分量的确定，其由磁场梯度测量并且由在沿闭合模式的选定位置处的电场差别确定而确定。

如果横向于电缆方向的电场分量通过测量磁场梯度或通过使用横向安装的传感臂确定，则进行勘探而不具有电缆(以如在图4中示出的闭合回路配置)可以是可能的。在图4中示出的系统可提供如上文解释的某些优势。

在图1中示出的系统包括水平和/或垂直电偶极子天线用于在大地次表层中感生电场，其中大地的电和磁响应被测量。应认识到本发明同样可应用于感生磁场的地方。参考图5，勘探船10可拖带在电缆21的末端的回路天线21A 21B。记录系统12可通过水平回路天线21A传递电流以在次表层中感生垂直磁场m_A，并且通过垂直回路天线21B以在次表层中感生水平磁场m_B。由在系统(参见图2至4)中的各种传感装置做出的测量可响应于这样的磁场做出。除电场之外而且作为电场的备选，磁场可感生以用于任何特定的电磁勘探。

对于本领域内那些技术人员将也是明显的，传感器电缆(在图1中的24)还可以设置成一条线，特别在使用水平传感臂的地方，和/或在使用间隔开的磁场传感器的地方，以从磁场梯度确定电场的横向分量。

传感器电缆24还可与地球电磁测量方法一起使用并且不限于可控源电磁测量方法。在根据本发明的方法的一个示例中，包括电场和磁场中的一个或多个的多个瞬态可控源电磁测量(t-CSEM)可沿一个或多个选定方向使用如在图4中示出的电缆做出。优选地，这样的电和磁场测量沿三个正交方向做出。对于这样的多个测量，优选地源天线(图1)处于大致上固定的位置。电和磁场测量被求和或堆叠。堆叠的结果是高质量t-CSEM信号响应。然后可从在相当大时间段期间记录的信号中减去堆叠的t-CSEM信号响应。该结果将是由在电缆上的所有各种传感元件测量的地球电磁(MT)响应。MT响应可根据本领域内已知的技术处理。参见，例如，向Byerly发出的美国专利号6,950,747。

当MT响应被如上文解释的确定，并且根据本领域内已知的一种或多种技术处理时，那么执行t-CSEM和MT响应的联合反演成为可能。如果频域电磁响应被测量，这样的响应也可被联合反演。联合反演例如对Frenkel等发出的美国专利号5,870,690中描述。为了联合反演通过进行来自相同的传感装置组并且由相同的电子电路处理的CSEM和MT测量两者所提供的特定的益处是，如果MT和CSEM响应使用分离系统测量所要求的定标或其他响应匹配被大大减小。

使用如本文示出的传感器电缆，执行电场绘制以便修正对于静态偏移的MT响应测量也是可能的。参见，例如，Sternberg，B.K.，Washburne，J.C.和Pellerin，L.，1988，Correction for the static shift inmagnetotellurics using transient electromagnetic soundings(使用瞬态电磁测深在地球电磁中的静态偏移的修正)Geophysics，Volume 53，lssue 11，pp.1459-1468。在具有如本文解释的电缆之前，在前述公开文献中公开的技术仅可应用于基于陆地的勘探。然而，使用根据本发明的电缆和方法，使用由设置在海底上的传感器电缆中的相同传感元件测量的t-CSEM响应来修正对于静态的MT响应是可能的。同样参见，Torres-Verdin，C，1991，Continuous profiling of magnetotelluric fields(地球电磁场的连续轮廓形成)，Ph.D.Thesis，University of California，以及Torres-Verdin，C.和Bostick Jr，F.X.，1992，Principles of spatialsurface electric field filtering in magnetotellurics(在地球电磁学中空间表面电场滤波的原理)：Electromagnetic array profiling(电磁阵列轮廓形成)(EMAP)，Geophysics，Volume 57，lssue 4，pp.603-622。如在前述公开文献中的一个或多个中解释的，MT响应可在对数域(logdomain)中受到垂直偏移。这样的偏移由靠近水底的地层的相对传导的或电阻的“小块”引起。然而t-CSEM基本上不受这样的小块影响，并且可用于对这样的小块的影响校准MT响应。

根据本发明的各种方面的传感器电缆和EM测量系统和方法可提供具有数据质量检查能力的更多电磁测量分量，并且可比其他EM电缆系统和单独的EM/地震/重力/磁性电缆传感系统更容易部署。

尽管本发明已经关于有限数量的实施例描述，本领域内那些具有这个公开的益处的技术人员，将意识到可以设计其他的实施例，其不偏离如本文公开的本发明的范围。因此，本发明的范围应该只被附属权利要求限制。

Claims (72)

1.一种海洋电磁传感器电缆，包括：

沿电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块，每个模块包括至少一对与其关联的电极，所述电极设置成用以测量在沿着电缆方向的方向上的电场；并且

其中所述电缆设置成以形成闭合模式。

2.如权利要求1所述的电缆，其中每个模块还包括至少一个三轴磁场传感器和高频率磁场传感器。

3.如权利要求1所述的电缆，其中每个模块还包括至少一个固定到所述模块的侧向延伸传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

4.如权利要求3所述的电缆，其中所述至少一个传感器臂包括至少一个磁场传感器。

5.如权利要求4所述的电缆，其中所述至少一个传感器臂包括多个间隔开的的磁场传感器。

6.如权利要求1所述的电缆，其中每个模块还包括固定到所述模块的垂直延伸的传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

7.如权利要求6所述的电缆，其中所述垂直延伸的传感器臂包括至少一个磁场传感器。

8.如权利要求7所述的电缆，其中所述垂直延伸的传感器臂包括多个间隔开的的磁场传感器。

9.如权利要求1所述的电缆，其中每个模块包括至少一个地震传感器。

10.如权利要求1所述的电缆，其中所述地震传感器包括三轴地震检波器。

11.如权利要求1所述的电缆，其中每个模块包括用于将由至少一对电极和所述至少一个磁场传感器探测的信号数字化并且传送所述信号的电路。

12.如权利要求1所述的电缆，其中每个模块包括至少一个磁场传感器。

13.如权利要求1所述的电缆，其中每个模块包括重力传感器。

14.一种海洋电磁勘探系统，包括：

在水体中拖带至少一个电磁天线的船；

设置在所述船上的可控电流源；

沿着电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块，每个模块包括至少一对与其关联的电极，所述电极设置成用以测量在沿着所述电缆方向的方向上的电场，其中所述电缆设置成形成闭合模式；以及

用于记录由所述电极和磁场传感器响应于通过所述至少一个天线传递电流而施加于大地次表层的电磁能而产生的信号的部件。

15.如权利要求14所述的系统，其中每个模块还包括至少一个三轴磁场传感器和高频率磁场传感器。

16.如权利要求14所述的系统，其中每个模块还包括至少一个固定到所述模块的侧向延伸的传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述至少一个传感器臂包括至少一个磁场传感器。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述至少一个传感器臂包括多个间隔开的磁场传感器。

19.如权利要求14所述的系统，其中每个模块还包括固定到所述模块的垂直延伸的传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述垂直延伸的传感器臂包括至少一个磁场传感器。

21.如权利要求20所述的系统，其中所述垂直延伸的传感器臂包括多个间隔开的磁场传感器。

22.如权利要求14所述的系统，其中每个模块包括至少一个地震传感器。

23.如权利要求14所述的系统，其中所述地震传感器包括三轴地震检波器。

24.如权利要求14所述的系统，其中每个模块包括用于将由所述至少一对电极和所述至少一个磁场传感器探测的信号数字化并且传送所述信号的电路。

25.如权利要求14所述的系统，其中所述天线包括垂直电偶极子、水平电偶极子、水平电流环和垂直电流环中的至少一个。

26.如权利要求14所述的系统，其中所述船拖带至少一个地震能源。

27.如权利要求14所述的系统，其中所述电缆是切换的直流电流和交流电流中的至少一个。

28.如权利要求27所述的系统，其中所述的切换的直流电流包括接通电流、切断电流、反转电流极性和其的组合中的至少一个。

29.如权利要求14所述的系统，其中所述用于记录的装置包括设置在电缆末端处的节点的数据存储装置。

30.一种海洋电磁传感器电缆，包括：

沿着电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块，每个模块包括至少一对与其关联的电极，所述电极设置成用以测量在沿着所述电缆方向的方向上的电场；和

多个间隔开的磁场传感器，其与每个模块关联并且设置成用以能够从磁场梯度确定在与所述电缆方向横向的方向上的电场幅度。

31.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块还包括至少一个三轴磁场传感器和高频率磁场传感器。

32.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块还包括至少一个固定到所述模块的侧向延伸的传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

33.如权利要求32所述的电缆，其中所述至少一个传感器臂包括至少一个磁场传感器。

34.如权利要求33所述的电缆，其中所述至少一个传感器臂包括多个间隔开的磁场传感器。

35.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块包括固定到所述模块的垂直延伸的传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

36.如权利要求35所述的电缆，其中所述垂直延伸的传感器臂包括至少一个磁场传感器。

37.如权利要求36所述的电缆，其中所述垂直延伸的传感器臂包括多个间隔开的磁场传感器。

38.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块包括至少一个地震传感器。

39.如权利要求30所述的电缆，其中所述地震传感器包括三轴地震检波器。

40.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块包括用于将由所述至少一对电极和所述至少一个磁场传感器探测的信号数字化并且传送所述信号的电路。

41.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块包括重力传感器。

42.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块包括至少一个磁场传感器。

43.如权利要求30所述的电缆，其中每个模块包括重力传感器。

44.一种海洋电磁勘探系统，包括：

在水体中拖带至少一个电磁天线的船；

设置在所述船上的可控电流源；

沿着电缆设置在间隔开的位置的多个传感器模块，每个模块包括至少一对与其关联的电极，所述电极设置成用以测量在沿着所述电缆方向的方向上的电场；和

多个间隔开的磁场传感器，其与每个模块关联并且设置成用以能够从磁场梯度确定在与所述电缆方向横向的方向上的电场幅度。

45.如权利要求44所述的系统，其中每个模块还包括至少一个三轴磁场传感器和高频率磁场传感器。

46.如权利要求44所述的系统，其中每个模块还包括至少一个固定到所述模块的侧向延伸的传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

47.如权利要求46所述的系统，其中所述至少一个传感器臂包括至少一个磁场传感器。

48.如权利要求47所述的系统，其中所述至少一个传感器臂包括多个间隔开的磁场传感器。

49.如权利要求44所述的系统，其中每个模块还包括固定到所述模块的垂直延伸的传感器臂，所述至少一个传感器臂包括至少一个在其上的电极。

50.如权利要求49所述的系统，其中所述垂直延伸的传感器臂包括至少一个磁场传感器。

51.如权利要求50所述的系统，其中所述垂直延伸的传感器臂包括多个间隔开的磁场传感器。

52.如权利要求44所述的系统，其中每个模块包括至少一个地震传感器。

53.如权利要求44所述的系统，其中所述地震传感器包括三轴地震检波器。

54.如权利要求44所述的系统，其中每个模块包括用于将由所述至少一对电极和所述至少一个磁场传感器探测的信号数字化并且传送所述信号的电路。

55.如权利要求44所述的系统，其中每个模块包括重力传感器。

56.如权利要求44所述的系统，其中每个模块包括至少一个磁场传感器。

57.如权利要求44所述的系统，其中每个模块包括重力传感器。

58.一种用于测量大地次表层的地球电磁响应的方法，包括：

测量在电磁发射器的多个激励期间在水体底部下面的大地次表层的瞬态可控源电磁响应；

堆叠所述瞬态响应测量；和

从在一段时间期间的包括多个瞬态响应测量的总电磁大地响应的测量减去所述堆叠的瞬态响应以产生地球电磁响应。

59.如权利要求58所述的方法，其中所述瞬态可控源电磁响应通过在大地次表层中感生瞬态磁场而产生。

60.如权利要求58所述的方法，其中所述瞬态可控源电磁响应通过在大地次表层中感生瞬态电场而产生。

61.如权利要求58所述的方法还包括使用所述瞬态响应测量和所述堆叠的瞬态响应测量至少其中之一来静态修正所述地球电磁响应。

62.如权利要求58所述的方法，还包括联合反演所述地球电磁响应和所述的瞬态响应测量。

63.一种用于确定对于大地次表层中感生的时变电磁场的电场响应分量的方法，包括：

在至少两个正交方向上测量响应于所述感生电磁场的磁场梯度；

确定在垂直于所述磁场梯度测量的方向上的电场响应。

64.如权利要求63所述的方法，还包括测量沿着垂直于所确定的电场响应的方向的至少一个方向的电场响应。

65.如权利要求63所述的方法，其中所述感生电磁场通过在大地次表层中感生瞬态磁场而产生。

66.如权利要求63所述的方法，其中所述感生电磁场通过在大地次表层中感生瞬态电场而产生。

67.如权利要求63所述的方法，还包括测量在横向于所确定的电场响应方向的至少一个方向上的电场响应。

68.如权利要求67所述的方法，其中所述测量磁场梯度的方向包括沿着设置在水体底部上并且大致上垂直的传感电缆的方向，并且所述确定的电场响应的方向横向于所述传感电缆的方向。

69.一种用于确定对于在大地次表层中感生的时变电磁场的大地次表层电场响应分量的方法，包括：

测量在地表和水体的底部至少其中之一上沿大致上闭合模式的电场响应；以及

使用沿所述闭合模式在相反的位置做出的电场响应测量来确定在垂直于测量的电场响应的方向上的电场响应。

70.如权利要求69所述的方法，其中所述感生电磁场通过在大地次表层中感生瞬态磁场而产生。

71.如权利要求69所述的方法，其中所述感生电磁场通过在大地次表层中感生瞬态电场而产生。

72.如权利要求69所述的方法包括：

测量沿着彼此横向的并且横向于所确定的电场响应方向的至少两个方向的磁场梯度；

从所测量的磁场梯度确定等效电场响应；以及

比较所确定的电场响应和所确定的等效电场响应。

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