海洋可控源电磁法对油气探测能力的仿真分析

刘长胜 周逢道 林 君

（1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春130061；2.吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室，吉林 长春130061）

引 言

电磁场在地球内部结构探测中的应用已有较长历史。20世纪80年代，人们开始采用人工发射的低频电磁场测量海底结构，这种技术被称为海洋可控源电磁法。当时国外一些研究者尝试采用时间域可控源电磁法（瞬变电磁法）测量海底电导率［1－2］，以调查海底沉积层厚度，研究海底构造，探测海底矿床以及水合物。本世纪初，频率域可控源电磁法成功应用于深海油气探测，可直接指示海底油气是否存在，有海底测井（SBL）之称［3－5］，通常被直接称为海洋可控源电磁法。从此海洋可控源电磁法在国外得到快速发展，被誉为自海底三维地震以来最重要的海底勘探技术［6］。采用该技术进行海底油气勘探服务的公司应运而生，一些大的石油公司也开始装备该技术。有资料表明：在起初的3年时间里，海洋可控源电磁法便在海底油气勘探中得到了上百次应用［7］，在不到5年的时间里，给石油公司创造了上亿美元的经济价值［5，8］。目前，该技术的基本理论已经有了较为充足的发展［9］，除了研究油气电磁响应特征，还分析了各种环境因素的影响，如海底地形的影响［10］，并实现了测量数据的二维反演［11］。尽管该技术发展迅速，并取得到显著成效，但仍然只被少数公司和研究机构掌握，且主要应用于深海，浅海环境中的应用因空气波问题仍在不断改进［12］。我国对海洋可控源电磁法的研究起步较晚，20世纪90年代末开始研究采用海洋时间域可控源电磁法调查浅海底电导率［13－15］，其中刘长胜等分析了中心回线装置对海底电导率的分辨能力［16］。近几年我国开始重视适用于油气勘探的海洋频率域可控源电磁法，跟踪国外研究进展，在理论研究和数值模拟上取得了一些初步成果［17－21］。本文通过一维油气模型电磁响应的仿真分析，研究海洋可控电磁法对海底油气的探测能力，特别是对浅海油气的探测能力，为我国海底油气的可控源电磁勘探提供参考。

1 海洋可控源电磁法勘探原理

海洋频率域可控源电磁法对海底油气的勘探原理如图1所示。发射天线为一根两端裸露于海水中并加载有低频电流的水平电缆，靠近海底表面，典型工作频率为0.1～10Hz.电流经电缆、海水和海底构成闭合回路，在周围产生电磁场。电磁场通过海水、海底和空气传播至位于海底表面的接收机。测量过程中，发射天线由勘探船拖曳前进，每台接收机均可以记录到各种偏移距（接收机与发射天线之间的水平距离）的电磁场。通过记录的电磁场可判断海底是否存在油气层，常用的是沿着测线方向的水平电场分量Ex.当海底含油气时，由于油气电阻率较高，通过油气传播的电场能量衰减较小，因此，接收机可以记录到较强的电场。与油气田外参考点处接收机记录的背景场相比，可确定油气层的存在。空气对测量有负面影响，当水深较浅时，电磁场在海水中得不到充分衰减，途径空气传播的电磁能量（空气波）可能掩盖来自海底的电磁能量，因此，海洋可控源电磁法在浅海环境下探测能力下降。

图1 海洋可控源电磁勘探示意图

通过求解麦克斯韦方程和边界条件，刘长胜等建立了海底表面电性源的电磁场计算公式［22］。根据该公式，可以仿真各种一维海底油气模型的电磁响应。采用Kong针对导电介质中偶极子天线给出的汉克尔变换滤波系数对电磁场公式中的汉克尔积分进行了数值计算［23］，计算时发射天线长度1m，距海底10m，接收点均位于发射天线的轴线方向，距离海底0.1m，偏移距在100～15 000m之间每隔100m取一个样点，水深50m和3 000m分别代表浅海和深海。观测系统各参数对测量结果的影响已有文献论述［24］，这里均取代表性值，使仿真结果可充分体现海洋可控源电磁法的探测能力。图2为标准油气层模型（油气层电导率0.01S／m，厚100m，埋深1 000m；围岩电导率1S／m）［5，25］在海底表面的电场－偏移距曲线，频率和海水电导率均取常用值0.25Hz和3.2S／m.为了体现油气引起的异常，图2（a）给出了不含油气时的背景电场曲线，图2（b）为含油气的电场与背景电场的比值。深海环境下油气导致海底电场明显增强，浅海环境下油气导致小偏移距处的电场增强而大偏移距处的电场减弱，浅海油气引起的电磁异常（与背景场的比值）不如深海显著。

图2 标准油气模型海底表面的电场响应

2 探测能力仿真分析

由于深海油气的电磁异常比浅海明显，因此海洋可控源电磁法对海底油气的极限探测能力主要取决于其在浅海环境下能获得的最大电磁异常。以国外同类研究中常用的标准油气模型（油气层电导率0.01S／m，厚100m，埋深1 000m；围岩电导率1S／m）为基础，分别计算了浅海环境下（水深50m）不同油气层埋深、厚度和电阻率时海底表面的电磁异常。工作频率对电磁异常幅度影响较大［24］，典型工作频率范围为0.1～10Hz，为了充分反映海洋可控源电磁法的探测能力，仿真时还分析了工作频率下限为0.01Hz的情况，更低频率将会因不利于拖曳观测而缺乏实用价值。由于浅海环境下只有水平电场分量Ex和垂直电场分量Ez能够清楚反映海底油气，且Ex分量比Ez分量更有利于测量［22］，因此，仅分析Ex分量在工作频率范围内的响应。当前系统归一化噪声最低可达10－15V／（Am2）［9，25］，浅海环境下绝对异常幅度（即电场增量）一般都在观测系统可分辨范围之内，是否能够发现油气异常，主要取决于相对异常幅度，即油气引起的电场增量占背景场的百分比。在相对异常可辨别的前提下，较小偏移距有利于获取较大绝对异常。

2.1 最大油气层埋深

改变标准油气模型中油气层深度，可得到海底表面最大相对异常幅度及对应的绝对异常幅度随油气层埋深的变化曲线，如图3所示。最大相对异常是指偏移距在15 000m以内所有工作频率可获得的电场幅值最大相对异常。海底表面电场响应幅值和异常幅度均随着油气层埋深的增加而减小。对同一埋深的油气层而言，不同发射频率和偏移距可获得不同程度的电场异常。通过调整发射频率和偏移距，可观测到最大相对异常。虽然单对数坐标系下最大相对异常随油气层埋深的增加近似线性衰减，埋深5 000m的油气层仍可引起近40%的电场异常，表明海洋可控源电磁法对深部油气有较强探测能力。观测系统工作频率下限影响油气层的最大探测深度，探测深部油气应采用较低频率。此外，根据表1的数据，探测深部油气需在较大偏移距处观测。低频和大偏移距增加了深部探测的施工难度。

2.2 最小油气层厚度

海底表面电场响应幅值和异常幅度随油气层厚度变小而减弱，如图4所示。仿真计算时，仅改变了标准油气模型的油气层厚度。海底表面最大电场相对异常幅度在双对数坐标系下随油气层厚度减小近似线性衰减。最大相对异常处的绝对异常幅度也随油气层厚度减小而减小。但埋深1 000m厚10m的油气层仍可引起40%以上的电场异常，表明海洋可控源电磁法对油气薄层具有较强的探测能力。由于此时观测系统工作频率下限对最大相对异常幅度影响较小，且适当增大频率有利于提高绝对异常幅度，探测薄层油气宜采用较高频率。表2为不同油气层厚度时最大相对异常及20%相对异常处的偏移距，油气层越薄，最大相对异常处的偏移距越小。这表明薄油气层的最大相对异常容易获取，而且由于小偏移距处的电场信号较强，可同时获得较大的绝对异常。较大的相对异常、较高的频率和较小的偏移距均是薄油气层探测的有利因素。

图3 电场异常幅度随油气埋深的变化

图4 电场异常幅度随油气层厚度的变化

表2 油气层厚度变化对电场异常位置（偏移距）的影响

2.3 最小电性差异

油气层在海底表面引起的电场响应幅值和异常幅度随油气层电阻率的变小（电导率变大）而减小，如图5所示，仿真计算时仅改变标准油气模型的油气层电阻率。在双对数坐标系下，最大相对异常幅度随油气层电导率的增加近似线性衰减。埋深1 000m电导率0.1S／m的油气层可引起的最大相对异常达40%以上，表明海洋可控源电磁法对品位较低的油气层仍然有较好的探测能力。观测系统工作频率的下限对最大相对异常幅度影响较小，适当增大频率不会明显降低相对异常幅度但可获得较大的绝对异常，有利于测量。在不同油气层电导率的情况下，观测最大相对异常及20%相对异常所需的偏移距见表3.油气层电导率增大，即电阻率减小，将使最大相对异常的偏移距减小，这有利于测量。因此，与薄油气层一样，小电性差异的油气层也可采用海洋可控源电磁法来探测。

图5 电场异常幅度随油气层电导率的变化

表3 油气层电导率变化对电场异常位置（偏移距）的影响

对比图4和图5可得出：电场异常幅度实际上取决于油气层电阻率和厚度的乘积，即纵向阻抗。在油气层埋深不变的情况下，纵向阻抗相同的油气层具有近似相等的电场响应和异常幅度。图6是纵向阻抗1 000Ωm2、顶面埋深1 000m但厚度和电阻率不同的油气层引起的电场异常幅度。纵向阻抗相同的情况下，厚油气层异常幅度略小于薄油气层，原因在于前者中心埋深较大。仿真表明：若保持不同厚度油气层的中心埋深不变，则厚油气层的异常幅度略大于薄油气层，但差异不显著。

图6 相同纵向阻抗不同电阻率和厚度的油气层引起的海底电场异常

3 结 论

一维海洋模型的仿真结果表明：海底油气层可引起明显的电磁异常，海洋可控源电磁法对海底油气具有较强的探测能力，且深海环境下探测效果优于浅海环境。深海环境下，油气层引起的电场相对异常较大，电场幅值较小，探测能力主要取决于观测系统对弱信号的检测能力。浅海环境下，电场幅值较大，相对异常较小，探测能力主要取决于Ex分量的相对异常幅度。因此，相对异常的本底噪声是影响浅海环境下海洋可控源电磁法探测能力的主要因素。如果油气田区域与油气田以外参考点之间的围岩差异较小，且观测过程中仪器系统测量误差较小，则相对异常本底噪声较小，此时可分辨较小的相对异常，海洋可控源电磁法对油气的探测能力较强。浅海环境下不同油气模型的电磁响应计算结果表明：海底表面电场相对异常幅度随油气层埋深增加、厚度减小或电阻率减小而变小，但深部油气层、薄油气层和小电性差异油气层仍然可引起较为明显的电场相对异常。工作频率是影响海洋可控源电磁法探测能力的因素之一，降低工作频率可提高浅海环境中油气层的相对异常幅度。频率越低，探测深度越大，但对油气层厚度和电性差异的分辨能力并不因频率降低而明显提高。深部油气田的明显电场异常出现在较大的偏移距位置，因此，当油气藏横向规模较小时，由于大偏距处观测点已位于油气藏区域之外，无法获得明显电场异常，海洋可控源电磁法最大探测深度将减小。当油气层电阻率减小或厚度变薄时，其明显电场异常所在偏移距增大（最大异常偏移距减小）但偏移距值仍然较小，油气藏横向规模缩小对海洋可控源电磁法探测小电性差异和小厚度油气藏的能力影响较小。由于相同厚度和电阻率乘积的油气层具有近似相同的电场响应和最大异常幅度，海洋可控源电磁法反映的是海底油气层纵向阻抗，而不是单一的电阻率或厚度，这有利于油气藏纵向储量规模的评估。从仿真结果中还可看出：海洋可控源电磁法本质上是对高阻体反应灵敏，因此，该方法不仅适用于油气探测，还可用于其它海底高阻目标如水合物的探测，其探测能力除了取决于电磁响应幅值和相对异常幅度，也必将随仪器系统测量精度和抗干扰能力的提高而增强。

［1］EDWARDS R N，CHAVE A D.A transient electric dipole－dipole method for mapping the conductivity of the sea floor［J］.Geophysics，1986，51（4）：984－987.

［2］CHEESMAN S J，EDWARDS R N，CHAVE A D.On the theory of sea－floor conductivity mapping using transient electromagnetic systems［J］.Geophysics，1987，52（2）：204－217.

［3］EIDESMO T，ELLINGSRUD S，MACGREGOR L M，et al.Sea bed logging（SBL），a new method for remote and direct identification of hydrocarborn filled layers in deepwater areas［J］.First Break，2002，20：144－152.

［4］EIDESMO T，ELLINGSRUD S，JOHANSEN S E，et al.Long－offset techniques head advances in marine electromagnetic surveying［J］.Oil ＆ Gas Journal，2005，103（41）：34－41.

［5］CONSTABLE S.Marine electromagnetic methods－a new tool for offshore exploration［J］.The Leading Edge，2006，25（4）：438－444.

［6］CONSTABLE S，SRNKA L J.An introduction to marine controlled－source electromagnetic methods for hydrocarbon exploration［J］.Geophysics，2007，72（2）：WA3－WA12.

［7］HESTHAMMER J，BOULAENKO M.The offshore EM challenge［J］.First Break，2005，23：59－66.

［8］EDWARDS N.Marine controlled source electromagnetic principles，methodologies，future commercial applications［J］.Surveys in Geophysics，2005，26：675－700.

［9］CONSTABLE S.Ten years of marine CSEM for hydrocarbon exploration［J］.Geophysics，2010，75（5）：75A67－75A81.

［10］SASAKI Y.Bathymetric effects and corrections in marine CSEM data［J］.Geophysics，2011，76（3）：F139－F146.

［11］WEITEMEYER K，GAO G Z，CONSTABLE S，et al.The practical application of 2Dinversion to marine controlled－source electromagnetic data［J］.Geophysics，2010，75（6）：F199－F211.

［12］CHEN J P，ALUMBAUGH D L.Three methods for mitigating airwaves in shallow water marine controlled－source electromagnetic data［J］.Geophysics，2011，76（2）：F89－F99.

［13］王一新，王家林，王家映，等.瞬变电磁系统探测海底电导率的研究［J］.地球物理学报，1998，41（6）：841－847.WANG Yixin，WANG Jialin，WANG Jiaying，et al.The research of conductivity on sea－floor by transient electromagnetic system［J］.Chinese Journal of Geophysics，1998，41（6）：841－847.（in Chinese）

［14］刘长胜，林 君.海底表面磁源瞬变响应建模及海水影响分析［J］.地球物理学报，2006，49（6）：1891－1898.LIU Changsheng，LIN Jun.Transient electromagnetic response modeling of magnetic source on seafloor and the analysis of seawater effect［J］.Chinese Journal of Geophysics，2006，49（6）：1891－1898.（in Chinese）

［15］周逢道，林 君，周国华，等.浅海底瞬变电磁探测系统关断沿影响因素研究［J］.电波科学学报，2006，21（4）：532－535.ZHOU Fengdao，LIN Jun，ZHOU Guohua，et al.Effect factors of turnoff time for shallow seafloor transient electromagnetic detecting system［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（4）：532－535.（in Chinese）

［16］刘长胜，林 君，周逢道.中心回线装置在海底的瞬变响应特征研究［J］.电波科学学报，2010，25（1）：195－200.LIU Changsheng，LIN Jun，ZHOU Fengdao.Transient response characteristics of central loop configuration on seafloor［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（1）：195－200.（in Chinese）

［17］罗维斌，汤井田.海底油气藏及天然气水合物的时频电磁辨识［J］.地球物理学进展，2008，23（6）：1841－1848.LUO Weibin，TANG Jingtian.Identification of seafloor hydrocarbon reservoir and gas hydrate using controlled－source electromagnetics in time and frequency domain［J］.Progress in Geophysics，2008，23（6）：1841－1848.（in Chinese）

［18］沈金松，孙文博.二维海底地层可控源海洋电磁响应的数值模拟［J］.石油物探，2009，48（2）：187－194.SHEN Jinsong，SUN Wenbo.Numerical simulation marine controlled－source electromagnetic （MCSEM）response to 2－D seabed formation［J］.Geophysical Prospecting for Petroleum，2009，48（2）：187－194.（in Chinese）

［19］付长民，底青云，王妙月.海洋可控源电磁法三维数值模拟［J］.石油地球物理勘探，2009，44（3）：358－363.FU Changmin，DI Qingyun，WANG Miaoyue.3D numeric simulation of marine controlled source electromagnetics（MCSEM）［J］.Oil Geophysical Prospecting，2009，44（3）：358－363.（in Chinese）

［20］林 昕，魏文博，景建恩，等.提高海洋可控源电磁法信噪比的方法研究［J］.地球物理学进展，2009，24（3）：1047－1050.LIN Xin，WEI Wenbo，JING Jianen，et al.Study on improving MCSEM signal－to－noise ratio［J］.Progress in Geophysics，2009，24（3）：1047－1050.（in Chinese）

［21］陈桂波，汪宏年，姚敬金，等.各向异性海底地层海洋可控源电磁响应三维积分方程法数值模拟［J］.物理学报，2009，58（6）：3848－3857.CHEN Guibo，WANG Hongnian，YAO Jingjin，et al.Three－dimensional numerical modeling of marine controlled－source electromagnetic responses in a layered anisotropic seabed using integral equation method［J］.Acta Physica Sinica，2009，58（6）：3848－3857.（in Chinese）

［22］刘长胜，EVERETT M E，林 君，等.海底电性源频率域CSEM勘探建模及水深影响分析［J］.地球物理学报，2010，53（8）：1940－1952.LIU Changsheng，EVERETT M E，LIN Jun，et al.Modeling of seafloor exploration using electric－source frequency－domain CSEM and the analysis of water depth effect［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53（8）：1940－1952.（in Chinese）

［23］KONG F N.Hankel transform filters for dipole antenna radiation in a conductive medium［J］.Geophysical Prospecting，2007，55（1）：83－89.

［24］刘长胜，周逢道，林 君.系统参数对海洋油气可控源电磁勘探的影响［J］.石油勘探与开发，2011，38（6）：744－749.LIU Changsheng，ZHOU Fengdao，LIN Jun.Effect of system parameters on the marine hydrocarbon reservoir exploration by controlled－source electromagnetic method［J］.Petroleum Exploration and Development，2011，38（6）：744－749.（in Chinese）

［25］CONSTABLE S，WEISS C J.Mapping thin resistors and hydrocarbons with marine EM methods：insights from 1Dmodeling［J］.Geophysics，2006，71（2）：G43－G51.