CN103091718A - 一种利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法，包括建立极低频发射台和发射天线，并在确定的探测海域布设海底数据采集站，利用海底电磁信号采集站接收极低频电磁信号经海底介质反射的信号，再根据接收的电磁信号数据计算海底介质的视电阻率和相位，通过反演和地质解释，得到海底油气资源的构造情况。本发明提出的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法，海洋大地电磁法相比，电磁信号的测量精度，进而提高了勘探精度，与目前应用的海洋人工源电磁法相比，省去了自带的发射源，节省了施工难度和施工成本，是一种兼海洋大地电磁法和海洋人工源电磁法优势的探测方法。

Description

一种利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法

所属技术领域

本发明涉及一种利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法，特别是利用人工源海洋电磁法勘探的方法，属于海洋资源勘探技术领域。

背景技术

海洋地球物理探测一直以地震为主，重、磁等为辅，长期以来由于人们深信高电导率的海水会妨碍电磁勘探的应用效果，故很少注意电磁法在海洋环境中应用的可能性。但是，随着海洋地质调查的进展，人们发现在海底火山岩覆盖区，碳酸盐岩、珊瑚礁、泥底辟等分布区，海洋地震勘探十分困难，迫切需要寻找其他有效的地球物理方法加以配合。相比之下，地下岩层的电性参数(如电阻率等)较之其他物性参数能更好地反映岩石性质(如岩性、组分、孔隙度、水饱和度等)，以及岩石所处的物理状态(如温度、压力、熔融、脱水等)。因此，电磁法在海洋领域的应用便日益引起海洋地球物理工作者的兴趣。

海洋电磁技术发展经历了4个阶段：①方法研究阶段，20世纪70年代及其以前对海洋电磁探测方法的研究。②浅水试验探索阶段，为了获取海洋电磁资料，80年代初在浅水域开展了试验，限于当时仪器设备以及海洋探测技术的局限性，试验没有取得成功。③深水试验探索阶段，针对浅水试验失败的原因，在20世纪90年代中期由美国加州大学Scripps海洋学院和加利福尼亚大学Berkeley分校共同组成的海洋电磁科研联盟开展了卓有成效的研究工作。该科研联盟在仪器开发制造、处理解释技术和实际应用技术方面取得了多项标志性进步，解决了深水电磁探测技术难题，使海洋电磁法勘探技术逐步从科研走向实际应用阶段。④实际应用阶段，在深水试验成功以来的近8年中，海洋电磁法勘探技术越来越受到国际石油公司的重视，先后陆续成立了多家专业海洋电磁勘探公司，并已在世界范围内的主要海洋油气田进行过数百次商业化勘探作业，对提高海洋钻探成功率起到了极其重要的作用。

海洋电磁法根据场源差异，可以分为天然场源(Marine MT-海洋大地电磁法)和人工场源(Marine CSEM-海洋可控源电磁法)两类；根据原理方法差异，可以分为时间域(TCSEM)和频率域(FCSEM)方法；根据施工方法差异，可以分为浅海拖曳施工和深海固定施工。海洋电磁法是海上区域地质调查、深部地质结构研究和海洋油气资源勘查的重要地球物理方法之一，目前已在在海洋油气资源直接检测中发挥关键作用。

海洋大地电磁法以大气噪声为信号源，大气噪声信号通过海水传播到海底，布设在海底的电磁仪器接收到经海水衰减的大气噪声信号和经海底介质反射的噪声信号，通过对噪声信号的分析得到视电阻率和相位曲线，通过反演分析得到海底电性结构，用于区域地质调查、深部地质结构研究和海洋油气资源勘查。海洋大地电磁法实际上是把常规的陆上大在电磁法移到海洋中应用。由于海洋和陆地环境的不同，两者在仪器、数据采集作业技术和噪声影响等方面必然存在一些差别。

海洋可控源电磁法与海洋大地电磁法的接收方式是一样的，不同之处在于信号源。海洋可控源电磁法信号源为人工发射，发射源位于海水中，移动式发射，而海洋大地电磁法信号源为天然的大气噪声。海洋大地电磁由于大气噪声存在随机大、信号弱，因而存在抗干扰能力弱，探测精度低的缺点；而现有的海洋人工源电磁法，用人工发射的高信噪比信号代替天然场信号，提高了抗干扰能力和探测精度，但存在成本很高、施工难度大，探测范围小等缺点，急需一种新型海洋电磁探测方法解决上述问题。

发明内容

针对上述可控源电磁法存在的问题，本发明提出了一种利用大功率固定式发射源海洋可控源电磁法，通过在陆地特定地质地区建立大功率极低频发射台，利用固定式发射源发射信号稳定、空域时域一致性强发射信号，对海洋油气资源勘探。

本发明提出的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法，包括以下步骤：

步骤一，选择电阻率大于4000欧姆米地区架设极低频发射天线，天线为正交架设，并设立固定的广播式极低频发射台，其发射功率大于或等于500kW，发射频率为0.1～300Hz，发射台发射的极低频电磁信号通过发射天线发射，形成极低频电磁信号覆盖的范围；

步骤二，在上述极低频电磁信号覆盖的范围内选择信噪比大于20dB，水深在300m以内的区域作为勘探区域，并在勘探区域的海底布设若干海底数据采集站；

步骤三，极低频发射台根据设定的时间和频率发射预定频率信号，布设勘探区海底的数据采集站同步采集该频率信号经过海底介质反射回后的信号；

步骤四，回收海底数据采集站，对采集站记录的电磁信号数据进行分析，先将极低频台发射的信号从电磁信号数据中分离出来进行处理，获得频率点较多的海底介质的视电阻率和相位曲线，再通过数据反演得到海底介质的电性结构。

所述极低频发射天线采用低架形式。

所述极低频发射天线以90度正交架设为最佳。

所述极低频发射天线选用两副垂直的两端接地的60-110kV电力线。

当所述极低频两副发射天线每副长度不低于60千米，接地电阻为永久型，接地电阻不大于2欧姆，每副天线馈电的发射机功率不低于500kW，频率稳定率小于或等于1×10^-8，天线最大电流350A。

所述海底数据采集站的数量根据海底探测区的面积确定，相邻的采集站距离为200～500米。

本发明提出的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法，与现有技术相比，具有以下特点，一是采用在陆地上的固定式发射源，发射天线达上百公里，覆盖范围大；二是由于发射源与电磁接收装置间的距离可以达到千公里以上，因此可以有效避免可控源电磁法的近场效应，提高了低频率电磁波对海底资源探测的效率；三是极低频电磁信号覆盖广，信号稳定，在空域和时域上一致性强、相关性好，适合大面积组网接收；四是采用2副正交的发射天线，发射源张量观测，实现了三维电磁勘探。

附图说明

附图为本发明利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法极低频发射台信号辐射范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

在高电阻率地区，例如电阻率大于4000欧姆米太古代岩石地区架设极低频发射天线，天线采用低架形式，可以是单副或两副基本正交两端接地的60-110kV电力线，两副正交天线可以实现360度全向性辐射；每副天线长度不低于60公里，接地电阻为永久型，按电力接地标准设计，接地电阻不大于2欧姆，每副天线馈电的发射机功率不低于500kW，频率稳定度小于或等于1×10^-8，天线最大电流350A，在以上条件下建立固定的广播式极低频发射台，发射频率为0.1～300Hz，辐射磁矩为0.2～6×10⁶A.m²，电磁信号可以辐射到几千公里。在两端接地导线馈以交变电流，电流经地下形成回路，如地面导电率极高，很快流经地面形成短路，如导电率极低，地电流会深入地层形成电流环，辐射的电磁场直接和天线的磁矩Imdl成正比，即和天线电流I、天线长度L和趋肤深度δ成正比，上述参数即规范了辐射场强。例如，将发射台的天线长度为100km，电流300A，频率1Hz时趋肤深度30km，其磁矩的I dS可达6.4×10⁵A.m²，电磁信号覆盖广，信号稳定。

在发射台信号覆盖范围内，选择信噪比约为20dB，同时水深在300米以内的区域为探测区域。发射台发射的极低频信号，信号通过地—电离层传播，其信号衰减率很小，可以传播2000～3000km，信噪比可达20dB。极低频信号传播过程中电场垂直分量和磁场的水平分量的计算公式表达式如下(在柱坐标下)：

$H_{\mathrm{\Φ}}\≈-\frac{\mathrm{IL}\cos \mathrm{\Φ}}{4{\mathrm{\γ}}_{e}h}\left(k^2\right)[H_0^{\left(2\right)}\left(k{S}_0\mathrm{\ρ}\right)-\frac{H_1^{\left(2\right)}\left(k{S}_0\mathrm{\ρ}\right)}{k{S}_0\mathrm{\ρ}}]{\left(\frac{\mathrm{\ρ}/a}{\sin \mathrm{\ρ}/a}\right)}^{1/2}$

$H_{\mathrm{\ρ}}\≈\frac{i\left(\mathrm{IL}\right)\sin \mathrm{\Φ}}{4{\mathrm{\γ}}_{e}h}\left(k^2\right)\frac{H_1^{\left(2\right)}\left(k{S}_0\mathrm{\ρ}\right)}{k{S}_0\mathrm{\ρ}}{\left(\frac{\mathrm{\ρ}/a}{\sin \mathrm{\ρ}/a}\right)}^{1/2}$

$E_r\≈-\frac{i\left(\mathrm{IL}\right)\·{\mathrm{\γ}}_e\·\cos \mathrm{\Φ}}{4h}\·k\·H_1^{\left(2\right)}\left(k{S}_0\mathrm{\ρ}\right)\·{\left(\frac{\mathrm{\ρ}/a}{\sin \mathrm{\ρ}/a}\right)}^{1/2}$

其中：ρ为场点(即接收点)到源点(即发射台)距离，Φ场点与源点之间的角度，波数：k＝ω/c＝2π/λ，传播因子：S₀＝c/V-i5.49α/f， 为Hankel函数，ω发射角频率，c为电磁波在真空中的传播速度3.0×10⁸m/s，λ为自由空间中的波长，a为地球半径，V为电磁波的传播相速度，f为发射频率，α为电磁波在地—电离层波导中的衰减率，σ_e为天线场地有效电导率，h为地—电离层波导有效高度。

根据以上极低频信号传播公式计算出来的不同位置场强值，由信噪比理论计算公式：

(式中T是积分时间，单位为s；水平向合成场强

N_H是实地测量的场点大气噪声谱密度)，可以计算出不同频率信号信噪比，附图为发射台在两副天线合计1MW发射功率下，10Hz信号、积分时间300s、信噪比为20dB时的信号覆盖范围。

根据发射台发射的极低频电磁信号强度，同时应满足水深条件，例如海水对极低频电磁信号的衰减情况，水越深、频率越高则信号衰减越大，由此造成，水深地区较高频率信号因衰减后太微弱，而无法应用，所以水深应小于300米。

在已经确定的勘探区域布设海底电磁数据采集站，海底数据采集站的数量根据确定的海底探测区的面积确定，相邻的采集站距离为200～500米。按照预定日期，考虑海上风浪等客观因素，海洋油气勘探一般选择每年7～9月，利用海洋测量船搭载需要布设的海底电磁数据采集站，在海面上启动采集电路，进行GPS对时及采集参数设置，由船上吊臂将海底数据采集站投放入海。在水下，采集站受配重锚系的重力牵引，自由下沉抵达海底。海底数据采集站投放入海中，在下沉过程中存在不可抗原因造成各个采集站之间存在方位的差别。根据采集站的方位参数对数据进行校正，所有采集站接收的数据统一到相同接收方向。

海底电磁数据采集站在海底布置好之后，极低频发射台按照预定的时间和频率表发射极低频电磁信号。在海底，数据采集站按照设定的采集时间及运行参数，受主控计算机的控制，仪器自动进行定时、分频段变采样率的海底电磁数据采集。每台仪器的工作节拍与海底其他各点位的仪器相同，同步精度为10^-8s/s。在采集过程中，同时记录五路信号，即水平与垂直相互正交的三路电场(Ex、Ey、Ez)，水平正交的两路磁场(Hx、Hy)。在低采样率运行时，采用级联分样抗混叠减采样技术，在高采样率的样本中提取低频成分予以保存。存盘过程中对所有测量数据进行实时备份，至少存储两份相同数据。海底测量结束后，海底电磁数据采集站在原地等待。当海面向海底发出声学释放信号，数据采集站的声学释放器受令动作，打开拴挂配重锚系的机械挂钩，配重锚系与数据采集站脱离牵连。受浮球的提升作用，整套数据采集站自动上浮至海面。

根据发射台的实际发射频率和时间，对采集的电磁信号数据进行分离，将极低频发射台发射的信号从电磁信号数据中分离出来进行处理，得到只包含发射频率的数据段。对记录数据通过时序滤波压制明显的噪声，而剩余的采样信号按海洋大地电磁法资料处理，得到海底视电阻率和相位曲线，通过反演计算，得到海底介质的电性结构，结合海底地质情况，通过解释得到海底油气资源构造情况。对接收的电磁信号进行数据处理，得到海底视电阻率和相位曲线。具体方法是用标量方法计算视电阻率、相位等参数。

视电阻率： ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}=0.2T{\left|\frac{E_x}{H_y}\right|}^2,$ ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{yx}}=0.2T{\left|\frac{E_y}{H_x}\right|}^2$

相位： ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xy}}=a\tan \left(\frac{E_x}{H_y}\right),$ ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{yx}}=a\tan \left(\frac{E_y}{H_x}\right)$

其中Ex与Hy及Ey与Hx代表接收的电、磁信号。

也可用张量方法计算视电阻率、相位等参数。

${\left[{\mathrm{\ρ}}_a\right]}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{{\mathrm{\ω\μ}}_0}{\left|Z_{\mathrm{ij}}\right|}^2,$

其中：i＝x，y，j＝x，y，

$Z_{\mathrm{xx}}=\frac{\⟨E_x{A}^{*}\⟩\⟨H_y{B}^{*}\⟩-\⟨E_x{B}^{*}\⟩\⟨H_y{A}^{*}\⟩}{\⟨H_x{A}^{*}\⟩\⟨H_y{B}^{*}\⟩-\⟨H_x{B}^{*}\⟩\⟨H_y{A}^{*}\⟩}$

$Z_{\mathrm{xy}}=\frac{\⟨E_x{B}^{*}\⟩\⟨H_x{A}^{*}\⟩-\⟨E_x{A}^{*}\⟩\⟨H_x{B}^{*}\⟩}{\⟨H_x{A}^{*}\⟩\⟨H_y{B}^{*}\⟩-\⟨H_x{B}^{*}\⟩\⟨H_y{A}^{*}\⟩}$

$Z_{\mathrm{yx}}=\frac{\⟨E_y{A}^{*}\⟩\⟨H_y{B}^{*}\⟩-\⟨E_y{B}^{*}\⟩\⟨H_y{A}^{*}\⟩}{\⟨H_x{A}^{*}\⟩\⟨H_y{B}^{*}\⟩-\⟨H_x{B}^{*}\⟩\⟨H_y{A}^{*}\⟩}$

$Z_{\mathrm{yy}}=\frac{\⟨E_y{B}^{*}\⟩\⟨H_x{A}^{*}\⟩-\⟨E_y{A}^{*}\⟩\⟨H_x{B}^{*}\⟩}{\⟨H_x{A}^{*}\⟩\⟨H_y{B}^{*}\⟩-\⟨H_x{B}^{*}\⟩\⟨H_y{A}^{*}\⟩}$

式中带^*表示复数的共轭，式中A、B有<E_y，E_x>，<H_x，H_y>，<E_x，H_x>，<E_y，H_y>四种组合，，E_x，E_x ^*，E_y，E_y ^*，H_xH_x ^*，H_yH_y ^*为自功率谱，E_xE_y ^*，E_xH_x ^*，......，H_xH_y ^*，H_xH_x ^*H_yH_y ^*为互功率谱， $\&lang;E_x{A}^{*}\&rang;=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_{\mathrm{xi}}{A}_i^{*},$ $\&lang;E_y{B}^{*}\&rang;=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_{\mathrm{yi}}{B}_i^{*}$ 等表同一频率信号的自功率谱或互功率谱n组数据之和。

根据以上算法得出视电阻率和相位曲线后，再利用曲线自动拟合反演解释法定量的求出曲线对应的地电断面参数。主要过程如下：首先给出一个初始模型参数，用其计算视电阻率和相位的理论曲线并和实测曲线进行对比，如果二者差别较大，则修改初始模型的参数，重新计算相应的理论曲线再做对比，直至实测曲线和理论曲线拟合最好，即二者之差满足给定的误差要求，这时理论曲线所对应的地电断面参数即为实测曲线的解释结果。依据获得的地电断面参数，再根据海底不同地质结构对应不同的地电参数的原理，便可以得到海底油气资源构造情况。

Claims (6)

1.一种利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源勘探的方法，包括以下步骤：

步骤一，选择电阻率大于4000欧姆米地区架设极低频发射天线，天线为正交架设，并设立固定的广播式极低频发射台，其发射功率大于或等于500kW，发射频率为0.1～300Hz，发射台发射的极低频电磁信号通过发射天线发射，形成极低频电磁信号覆盖的范围；

步骤二，在上述极低频电磁信号覆盖的范围内选择信噪比大于20dB，水深在300m以内的区域作为勘探区域，并在勘探区域的海底布设若干海底数据采集站；

步骤三，极低频发射台根据设定的时间和频率发射预定频率信号，布设勘探区海底的数据采集站同步采集该频率信号经过海底介质反射回后的信号；

步骤四，回收海底数据采集站，对采集站记录的电磁信号数据进行分析，先将极低频台发射的信号从电磁信号数据中分离出来进行处理，获得频率点较多的海底介质的视电阻率和相位曲线，再通过数据反演得到海底介质的电性结构。

2.根据权利要求1的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源的勘探方法，其特征是极低频发射天线采用低架形式。

3.根据权利要求1或2的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源的勘探方法，其特征是极低频发射天线以90度正交架设为最佳。

4.根据权利要求1或2的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源的勘探方法，其特征是极低频发射天线选用两副垂直的两端接地的60-110kV电力线。

5.根据权利要求4的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源的勘探方法，其特征是当极低频两副发射天线每副长度不低于60千米，接地电阻为永久型，接地电阻不大于2欧姆，每副天线馈电的发射机功率不低于500kW，频率稳定率小于或等于1×10^-8，天线最大电流350A。

6.根据权利要求1的利用极低频海洋电磁法进行海洋油气资源的勘探方法，其特征是海底数据采集站的数量根据海底探测区的面积确定，相邻的采集站距离为200～500米。