CN101937104B - 用于在海洋电磁勘探中估计并除去空气波响应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在海洋电磁勘探中估计并除去空气波响应的方法。一种用于根据瞬变电磁信号来确定水体底部下面的地层的电阻率分布的方法，所述瞬变电磁信号是通过将瞬变电磁场传递到水中并且在从传递地点开始的多个间隔开的位置处检测对其的电磁响应而采集的，所述方法包括模拟所述多个间隔开的位置中的每一个处的空气波响应。从所检测的响应中减去所模拟的空气波响应以产生所述多个位置中的每一个处的地下脉冲响应。地下脉冲响应被用于确定电阻率分布。

Description

用于在海洋电磁勘探中估计并除去空气波响应的方法

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦资助的研究或开发的申明

不适用

技术领域

本发明总体上涉及海洋电磁勘探领域。本发明更具体地涉及用于从海洋电磁勘探数据中除去被称为“空气波”的不需要的响应的方法。

背景技术

多孔地下沉积岩地层(formation)通常由于在沉积期间沉淀在水体中而充满流体。因此，流体最初完全是水。在一些地下地层中，在沉积之后孔隙空间中的水在某种程度上已被诸如油和天然气之类的碳氢化合物所取代。因此，在一些现代地下地层中，它们的孔隙空间中的流体可能是水、天然气或油、或前述这些的混合物。

检测具有不是完全水饱和的孔隙空间的地层(也就是说当孔隙中可能存在油或天然气)有重大的经济利益。用于检测这种地层的某些技术包括确定地下存在异常高的电阻率。这种检测的原理基于以下事实：流过多孔岩石地层的电流与孔隙空间相对于总岩石体积的体积分量、孔隙空间的空间配置以及填充孔隙的流体的电特性有关。例如，盐水饱和多孔岩石地层与在一些或所有孔隙空间中具有碳氢化合物的同样的岩石地层相比通常具有更低的电阻，因为盐水是相对良好的电导体，而碳氢化合物通常是良好的电绝缘体。

用于测量地下岩石地层的电阻率的各种技术在本领域中是公知的，例如，诸如在国际专利申请公布号WO 03/023452中所描述的瞬变可控源电磁勘探技术，通过引用将其内容结合于此。这种技术一般包括将电磁场传递(impart)到地下，并且测量响应于所传递的电磁场而在地下感应产生的电场和/或磁场。对于这种测量技术，可以使用电场发射机(例如一种被配置成将电流传送通过偶极电极的设备)来传递电磁场。可替换地，可以使用磁场发射机，例如一种被配置成将电流传送通过线环(wire loop)或多个这样的环的设备。用来检测响应电磁场的接收机可以是例如用于测量电位差(电场电位)的偶极电极，或者可以是用于测量磁场振幅和/或磁场振幅的时间导数的线环、多个线环或磁力仪。

在瞬变可控源电磁勘探中，被传送通过发射机以传递电磁场的电流可以被控制以提供电流振幅的一个或多个阶跃变化。发射机电流中的阶跃变化感应出被称为“瞬变”电磁场的电磁场，并且由接收机测量的响应与地球的地下地层的瞬变响应有关。发射机电流中的阶跃变化可以通过接通电流、切断电流、反转极性或前述这些的结合来获得。用来传递受控源电磁场的发射机电流切换配置的特别有利的形式是所谓的“伪随机二进制序列”(PRBS)。

典型的海洋电磁勘探系统包括设置在勘探船或辅助船上的可控电流源。该船在水底或水底附近牵引发射机电缆以用于通过在设置在发射机上的两个电极之间传送瞬变电流来将电磁场发射到水底下面的地层中。该系统的电磁响应(包括水和水底下面的地层)由设置在水底或水底附近的电缆上的接收机来测量。接收机可以是成对的电极，其被配置成使得每个接收机测量其电极对之间的电位差。所有电极通常都在相同的垂直面中。在一些勘探系统中，不同的船可以用来牵引发射机和接收机以使得能够更容易地调节发射机-接收机分离(“偏移”)。如在前面提到的WO 03/023452公布中所描述的那样，接收机中的信号被测量，以及由发射机所发射的信号。通过对所测量的接收机信号和所测量的发射机信号去卷积(deconvolve)，来获得特定发射机-接收机配置的地下脉冲响应。

实际的情况是，由发射机生成的电磁信号可以沿着三个一般发射路径到(一个或多个)接收机，这些路径通过水底下面的地层、通过水层本身并且通过该水层上面的空气。在(例如2km或更深的)深水中，并且在深水中将发射机和接收机设置于水底附近通常在勘探技术中是公知的，传播通过空气的信号部分对由(一个或多个)接收机检测到的信号的影响可忽略不计，因为来自发射机的电磁信号在它移动到水面以及返回到水底的(一个或多个)接收机时极大衰减并且从瞬变电流事件的时间开始在时间上延迟。相反，在(例如100m或更浅的)浅水中，移动通过水和空气的信号部分相对于总的测量信号是可观的。因此认为浅水电磁勘探不可行。

因此，需要用于在空气波存在的情况下确定水底下面的地下地层的电磁响应的技术。

发明内容

根据本发明的一个方面的用于根据瞬变电磁信号来确定水体底部下面的地层的电阻率分布的方法，所述瞬变电磁信号是通过将瞬变电磁场传递到水中并且在从传递地点开始的多个间隔开的位置处检测对其的电磁响应而采集的，所述方法包括模拟所述多个间隔开的位置中的每一个处的空气波响应。从所检测的响应中减去所模拟的空气波响应以产生所述多个位置中的每一个处的地下脉冲响应。所述地下脉冲响应被用于确定电阻率分布。

根据本发明的另一个方面的用于根据瞬变电磁信号来确定水体下面的电阻率分布的方法，所述瞬变电磁信号是通过将瞬变电磁场传递到水中并且在多个间隔开的位置处检测对其的响应而采集的，所述方法包括生成水和地层中的电阻率分布的初始模型。计算对应于传递地点和每个间隔开的位置的空气波的第一部分。初始模型的水部分的电阻率分布被调节并且重复计算第一部分的响应直到所测量的第一部分和所计算的第一部分之间的差被最小化为止。为所述间隔开的位置中的每一个计算空气波的第二部分，并且将其与第一部分结合以生成完整的空气波。从在每个位置处所测量的响应中减去空气波以确定脉冲响应。根据脉冲响应来生成电阻率分布。

根据下面的描述和所附权利要求，本发明的其它方面和优点将显而易见。

附图说明

图1示出海洋环境中的示例瞬变脉冲响应。

图2示出海洋环境中的另一个示例瞬变脉冲响应。

图3示出海洋瞬变脉冲响应的示例分解。

图4示出使用根据本发明的方法的海洋采集的示例。

图5示出根据本发明的示例过程的流程图。

具体实施方式

如在本文的背景部分中所解释的那样，在瞬变电磁勘探中，由传递到发射机的电流中的一个或多个阶跃变化而产生的瞬变电磁场被传递到地下，并且通常测量在从传递电磁场的位置处间隔开的多个位置处对所传递的瞬变电磁场的响应。所述测量可以是感应的电压、磁场或其结合。可以通过对所测量的瞬变响应和发射机电流的测量去卷积来获得发射机和接收机下面的所有地球结构的“总脉冲响应”。对于本发明来说，可以产生必要的电磁场的瞬变电流事件的各种示例可以包括但不限于以一系列切换事件诸如伪随机二进制序列(“PRBS”)接通直流电流(DC)、切断DC、反转DC极性或编码DC。

图1示出在北海水深大约100米并且发射机-接收机分离大约2千米的情况下完成的测量的实际海洋总脉冲响应的示例。在2处示出的在电流切换事件刚发生之后出现的初始振幅峰值可被识别为“空气波”，这个响应就是本发明要处理的响应。在4处示出在电流切换事件之后大约0.25秒处出现的第二个稍大的峰值是对所传递的瞬变电磁场的地下响应。实际测量的总脉冲响应是空气波和地下响应的叠加。

图2示出在北海的水深大约100米并且源-接收机分离大约4千米的情况下所测量的总脉冲响应的另一个示例。在6处示出的在距瞬变电流事件大约0.1秒处的初始峰值是空气波。在8处示出在瞬变电流事件之后大约0.9秒处出现的第二个较小的峰值是来自于地下脉冲响应。

如本文的背景部分中所解释的那样，当在水体中采集电磁信号以用于勘探该水体底部下面的地层时，在设计勘探时要特别考虑的是水深。在本领域公知的海洋电磁勘探技术中，发射机和接收机通常被设置在水体底部附近，可以预期的是在水深不足的情况下空气波将对接收机测量有实质性的影响。图3示出针对包括水层以及该水层下面的地层的浅水海洋环境所计算的合成瞬变电磁响应。在图3的图表中示出的响应是作为来自1安培计偶极距发射机的电流中的阶跃变化之后测量的电压的时间导数。在图3所示出的模拟中，所模拟的水层为100米深并且具有3.3S/m的电导率。所模拟的发射机到接收机的偏移是2千米，并且所模拟的地下地层由1ohm-m电阻率(1S/m电导率)半空间表示。在18处示出的总响应包括由空气波引起的响应(所述响应被分解成在如16所示的单独曲线)以及被分解成如20所示的单独曲线的地下地层的响应。可以观察到空气波16以高振幅、短持续时间峰值开始并且然后相对于时间衰减。然而，当地下响应20开始时，空气波16仍具有相当大的振幅。因为前述内容，空气波16会极大影响水层(图4中的30)下面的地层的明显响应。空气波16因此损害已在检测之前行进通过地层的那部分已发射的电磁信号，而所述部分包含关于所感兴趣的地下电阻率的信息。

图4示出根据本发明可以使用的示例海洋电磁勘探系统。该系统可以包括一个或多个勘探船，在22处示出沿着水体30(例如湖或大海)的表面21移动的一艘这样的船。船22可以牵引水体30中的电磁发射机电缆24。相同的船22或不同的船(未示出)可以牵引水体30中的电磁接收机电缆26。该船22可以包括本领域公知的用于驱动发射机电缆24并且检测并记录来自接收机电缆26上的一个或多个接收机26A的信号的各种设备(没有分别示出)。接收机电缆26可以以其上具有各种导航和信号处理设备的尾部浮标28(没有分别示出)结束。

发射机电缆24上的发射机可以是一对电极24A。接收机电缆26上的一个或多个接收机可以是一对电极，在26A、26B、26C处示出了每个这样的对。本发明的范围不限于使用电极对来测量电场响应。可替换地或附加地，其它系统可以使用各种磁场感测设备(例如线盘或线环或磁力仪)来测量对所传递的瞬变电磁场的磁场响应。

因为水(特别海水)是电的导体，水与电极24A和26A、26B、26C的接触提供从那里到水底31下面的地层32的电耦合。发射机信号可以仅是在发射机电极24A间施加的电流中的阶跃变化，还可以是包括例如伪随机二进制序列的任何瞬变切换的信号。接收机(电极对26A、26B、26C)可以测量电位差或例如由发射机信号模拟的磁场的变化率。所记录的来自接收机(电极对26A、26B、26C)的响应可以被下载到通用可编程计算机的硬盘或其它存储介质。

根据本发明的方法的原理是获得存在于由每个接收机通过建模和反转而测量的响应中的整个空气波的特性。一旦为每个接收机测量值确定了空气波的特性，就可以从测量值中减去空气波响应，余下的即仅为地下的脉冲响应。

可以为水底下面的地下地层和水层的三维模型计算任何接收机处的地下和水层的脉冲响应。该模型可以包括发射机-接收机几何结构、水底地形、水层电阻率ρ_w(其可以是均匀的或随着深度变化的)以及地下(水底下面)电阻率模型。可以从例如测井日志附近的任何其它可用的地下岩石物理或地球物理数据近似得知后一模型。

对于图2和图3的重要观测是大部分空气波响应通常在地球的地下脉冲响应变得可观之前出现。也就是说，空气波响应主要取决于水层的参数并且基本上与电导率以及其在水底(图4中的31)下面的空间分布无关。根据电磁建模已确定空气波对水面(图4中的21)下面的接收机和发射机的深度(图4的W)比它对水底地形(形状)更敏感。

空气波的“第一部分”可以被定义为其地下响应可忽略的部分。该方法的第一部分是建模空气波的第一部分，其一个示例在图3中0秒到大约0.1秒处出现。该空气波的第一部分对大部分已知的或可以确定的水层参数(例如发射机和接收机的深度、水层的深度以及电阻率)最为敏感。然而，对于该方法的这一部分来说重要的参数是确定水层电阻率。电阻率可以在整个水层范围内是均匀的，或者电阻率可以随深度而变化，例如按照分层的序列或表面电阻率值和基于深度的梯度。水层模型的电阻率参数被调节成使得来自每个接收机的所测量的响应中的空气波的第一部分与每个接收机的相应建模的空气波之间的差被最小化。因为空气波的第一部分尤其对地下地层的参数不是非常敏感，所以在建模空气波的第一部分时不需要非常精确地知道地下地层的参数。

可以预期通过前述反转过程所得到的水电阻率模型应该接近于根据测量所得到的那些模型。如果测量值可用，则应该被用于初始模型。可用从已知海水温度和盐度的标准表中得到用于初始模型的近似值。如果所计算的空气波第一部分基本上与所测量的多个接收机的空气波的第一部分相匹配，则认为反转过程的结果基本正确。

在由此获得空气波的第一部分之后，然后需要确定空气波的剩余部分。在一个示例中，如果水层具有基本上均匀的深度，则可以针对发射机-接收机分离r来计算空气波，所述发射机-接收机分离r远大于图4中示出的示例系统的最大实际发射机到接收机的距离。这样计算的空气波可以被假定成基本上没有地下脉冲响应。一种替换方式是将曲线拟合到空气波波形的“尾部”。已确定空气波的末期时间部分可以与下述形式的曲线拟合：

$G\left(t\right)=\mathrm{Aexp}\left(\frac{B}{t}\right)t^C---\left(1\right)$

其中G(t)表示相对于时间的信号振幅，且每个发射机-接收机对的系数A、B和C是不同的。在所测量的接收机响应中经常没有足够的数据来实现准确计算系数A、B和C。但是，可以以任何期望的采样率来计算建模数据，所以可以通过将等式(1)的结果拟合到建模数据来得到系数A、B和C。该过程包括参考图5所解释的下述内容：

在40处收集瞬变海洋电场勘探数据，并且对其进行处理以获得每个发射机-接收机对的脉冲响应。后面的处理可以包括例如在使用诸如PRBS之类的经编码的发射机序列的情况下对接收机信号和发射机电流信号去卷积。在42处创建水-地下系统的初始电阻率模型。这样的模型将包括水层和地下参数(包括如上所解释的电阻率)。在43处为每个发射机-接收机对生成基于初始模型的合成脉冲响应，或者为每个接收机生成基于发射机位置的合成脉冲响应；这些应该优选地包括用于每次测量的单独发射机和接收机的位置。在44处，将合成脉冲响应的第一部分与所测量的所有接收机的脉冲响应的第一部分相比较。如果该匹配是不充分的(作为非限制性示例，最多大约百分之一的均方根误差)，则在45处调节该模型中的水层电阻率参数，并且在43处重新计算合成响应直到所有接收机信号的所测量的响应与空气波响应的第一部分中的合成响应之间的差被最小化为止。在46处，通过将适当的曲线拟合到所建模的空气波的衰减部分(例如等式(1))来为每个发射机-接收机对估计空气波的第二部分或“尾部”。然后，在48处通过将如上所解释的在44处获得的第一部分与通过上面所解释的曲线拟合而在46处获得的尾部相结合来获得每个接收机信号的完整空气波。然后，在50处，从所测量的每个接收机的总脉冲响应中减去每个接收机的完整空气波。余下的即为在每个接收机处测量的地下脉冲响应，可以在52处以任何形式的反转过程来生成水底下面的地下中的电导率空间分布的模型或图像。

与本发明之前的领域中公知的方法相比，根据本发明的方法可以在相对浅的水中提供给出准确电磁勘探结果的能力。

虽然已参照有限数目的实施例描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将认识到可以想出不偏离本文所公开的本发明范围的其它实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于确定水体底部下面的地层的电阻率分布的方法，该方法包括：

模拟在水体中从将瞬变电磁场传递到水中的地点开始的多个间隔开的位置中的每一个处的空气波响应；

在所述地点处将瞬变电磁场传递到水中；

在所述多个间隔开的位置处检测对所传递的瞬变电磁场的电磁响应；

从所检测的响应中减去所模拟的空气波响应以产生在多个位置中的每一个处的地下脉冲响应；以及

使用地下脉冲响应来确定电阻率分布，其中模拟空气波响应包括：

生成水中以及地层中的电阻率分布的初始模型；

计算对应于每个间隔开的位置的空气波的第一部分的响应；

调节初始模型的水部分的电阻率分布并且重复计算第一部分的响应直到所述间隔开的位置中的每一个的所测量的第一部分和所计算的第一部分之间的差被最小化为止；以及

计算所述间隔开的位置中的每一个的空气波的第二部分，并且将第二部分与调节和重复计算第一部分的结果相结合以生成所述间隔开的位置中的每一个的完整空气波，

其中空气波的第一部分指的是其地下响应可忽略的部分，并且空气波的第二部分指的是空气波的尾部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中计算第二部分包括曲线拟合。

3.根据权利要求2所述的方法，其中拟合的曲线是的形式，其中G(t)表示相对于时间的信号振幅，并且A、B和C是通过以经验将拟合曲线与在每个间隔开的位置处的所测量的响应相匹配而确定的常数，其中t表示时间。

4.一种用于确定水体底部下面的地层的电阻率分布的方法，包括：

将瞬变电磁场传递到水中；

在从传递地点开始的多个间隔开的位置处检测对所传递的场的电磁响应；

模拟在所述多个间隔开的位置中的每一个处的空气波响应；

从所检测的响应中减去所模拟的空气波响应以产生在多个位置中的每一个处的地下脉冲响应；以及

使用地下脉冲响应来确定电阻率分布，其中模拟空气波响应包括：

生成水中以及地层中的电阻率分布的初始模型；

计算对应于每个间隔开的位置的空气波的第一部分的响应；

调节初始模型的水部分的电阻率分布并且重复计算第一部分的响应直到所述间隔开的位置中的每一个的所测量的第一部分和所计算的第一部分之间的差被最小化为止；

计算所述间隔开的位置中的每一个的空气波的第二部分，并且将第二部分与调节和重复计算第一部分的结果相结合以生成所述间隔开的位置中的每一个的完整空气波，

其中空气波的第一部分指的是其地下响应可忽略的部分，并且空气波的第二部分指的是空气波的尾部。

5.根据权利要求4所述的方法，其中计算第二部分包括曲线拟合。

6.根据权利要求5所述的方法，其中拟合的曲线是的形式，其中G(t)表示相对于时间的信号振幅，并且A、B和C是通过以经验将拟合曲线与在每个间隔开的位置处的所测量的响应相匹配而确定的常数，其中t表示时间。