海洋可控源電磁勘探技術

胡小群，李 斌，黃 濤，張異彪

海洋可控源電磁勘探技術

胡小群，李 斌，黃 濤，張異彪

（中國石化集團上海海洋石油局第一海洋地質調查大隊，上海 201208）

隨著海洋油氣勘探開發由淺水區走向深水區，海洋可控源電磁技術（CSEM）可以有效降低深水勘探的鉆探風險，正逐步發揮越來越大的作用。由于烴的導電性很差，因此含油氣巖層的電阻率遠大于周圍含水的圍巖。通過CSEM勘探技術可以找出低阻背景中的高阻異常體。將CSEM勘探結果與地震資料綜合解釋，可以大大提高鉆探的成功率。論述了CSEM的基本原理、施工方式及影響勘探效果的因素，并與地震勘探資料進行了比較，旨在為我國深水油氣勘探開發在選擇勘探技術方法上提供參考。

海洋可控源電磁技術；基本原理；信號傳播；數據采集；方法比較；影響因素

隨著海洋油氣勘探開發逐步走向深水領域，可控源電磁法（Controlled Source Electromagentic Methods）技術被越來越多地應用到深水油氣勘探中，為有效降低深水勘探的鉆探風險增添了一項新的技術。由于烴的導電性很差，因此含油氣巖層的電阻率遠大于周圍含水的圍巖。CSEM就是在含水的低阻圍巖背景中尋找含油氣的高阻異常，探測含油氣的高電阻率地層。有專家認為，CSEM是自三維反射地震出現至今幾十年來最為重要的地球物理勘探技術[1]。

1 CSEM調查方法

1.1 CSEM基本原理

巖石的導電性主要受組成巖石的基本礦物顆粒、孔隙度及其中的流體、膠結物三個因素的影響。當巖石孔隙中含有油氣時，其電阻率會大大提高。

CSEM方法的基礎是含油氣的目標層與周圍含水圍巖在電阻率上具有很大差異。含油氣巖層的電阻率一般比周圍低阻圍巖大10～100倍，因此通過CSEM技術探測沉積地層的電阻率分布情況，可以判斷巖石孔隙中含的是油氣還是水。

CSEM的工作方法是在海底放置多個接收電磁場的接收器，然后在靠近海底位置沿設計測線拖動一個電偶極的發射源。電偶極源發射低頻的電磁波（一般為0.1～10 Hz）[2]，電磁波在上覆的水體和下伏的海底巖層中擴散傳播，經過地層的電磁波反射信號被海底的接收器接收（圖1）。

圖1 CSEM勘探原理示意圖

電磁波在介質中的衰減程度與介質的電阻率和電磁波的頻率有關。電磁波在導電介質中衰減得快，傳播速度慢，在高阻介質中衰減得慢，傳播速度快。通常海底地層的電阻率都大于海水，所以電磁波在海底地層中比在海水中衰減小。由于這個原因，當發射源與接收器的距離在一個恰當的范圍時，其接收到的電磁波信號是以經過地下巖層反射的信號為主（圖2中B段）[3]。沿著地下地層傳播的電磁波，如果遇到高阻層時，就會形成一種沿著高阻界面傳播的導波（可以類比地震中的折射波），這時電磁信號比在通常的低阻海底地層中傳播衰減更少。沿著高阻層傳播的信號不斷擴散，被接收器接收。所以當地下存在含油氣高阻時，接收器就會接收到加強的信號。CSEM探測的就是地下高阻層中導波引起的上覆地層電場分布的異常變化。

接收器同時記錄接收到電場的強度和相位信息，這些信息與海底巖石的電阻率特性相關。在海底放置多個接收器，沿著測線發射電磁波，就能獲得關于海底以下巖層電阻率的分布情況。

圖2 信號隨偏移距變化曲線

勘探過程中，首先建立有、無油氣兩種情形下的地層電阻率模型，分別計算其理論的電磁響應，將其與實測的信號比較，不斷調整正演的電阻率模型，根據已知的地質條件使得理論的電磁響應與實際情況達到基本吻合。最終得到海底地層的電阻率分布情況，以此判斷地層中是否含有油氣。

1.2 CSEM信號的傳播路徑

發射源發射的電磁信號主要沿三條路徑傳播到接收器（圖3）[3]：一是由發射源經過海水直接到達海底接收器的“直達波”；二是向上透過海水后，沿空氣—海水界面傳播，再向下傳播，然后被接收器接收到的“空氣波”；三是向下透過海水后在地層中傳播，再反射回海底，被接收器接收到的地層反射信號，就是CSEM勘探的有效信號。

圖3 CSEM信號傳播路徑示意圖

電磁波在海水中隨著傳播距離的增加信號強度急速衰減，所以沿第一種傳播路徑的直達波，在距發射源較近的接收器所接收到的信號較強（圖2中的A段），而距發射源較遠的接收器所接收到的直達波非常弱。

沿第二種路徑傳播的“空氣波”向上透過海水到達海面后，遇到空氣高阻后，沿著海水—空氣界面傳播。因為空氣的電阻非常大，所以電磁信號沿著海水—空氣界面傳播衰減的非常少。在遠離發射源的接收器中，沿其它路徑傳播的信號已衰減得非常微弱，這時接收器接收到的信號中，以“空氣波”信號為主（圖2中的C段）。

由于電磁波在海水中傳播比在地層中衰減得快，當發射源與接收器增大到一定距離，接收器接收到的信號是以第三種傳播路徑的信號為主（圖2中的B段）。在CSEM勘探中，當偏移距（發射源與接收器之間的距離）是目標層埋深2～5倍時，接收的信號是以來自地層的反射信號為主。

綜合分析海水對電磁波的影響，可知為什么CSEM要求有一個深水環境。在淺水區，向上透過海水后形成的“空氣波”信號強，掩蓋了經地層傳播的有效信號，所以淺水區不利于CSEM勘探。另外，深水區可以有效的過濾大地電磁中干擾CSEM的高頻波段，背景電磁噪聲較少。在現有技術條件下，CSEM一般適用于深水區域。僅從“空氣波”和大地電磁噪聲來說，水深是越深越好，但對儀器設備的技術要求更高。

1.3 CSEM數據采集

CSEM數據采集首先將多個接收器按一定的排列安放到海底，然后由勘探船拖帶發射器，按設計的測線以一定的時間間隔發射電磁信號。施工中勘探船的速度一般為2.8～3.7 km/h（1.5～2節）。對于CSEM來說，主要的儀器為發射器（圖4）與接收器（圖5）[4]。

圖4 CSEM發射器的基本組成

圖5 CSEM接收器的基本組成

（1）發射器

由于電磁波在海水中衰減非常快，所以在保證儀器安全的前提下，發射器要盡可能靠近海底，以減少電磁波能量在海水中的衰減，使透過海水進入地層的信號盡可能的強。在施工中，發射器的拖體一般距海底幾十米，發射信號的頻率一般為0.1～10 Hz。

發射器按照勘探船發出的指令生成設計好的波形。電極發射的電流波形由拖體上的儀器進行測量，并傳輸到船上進行實時監視。在采集數據中，要記錄激發的精確時間，以及發射源的實時動態位置和方向（包括傾斜角度、羽角等）。

在CSEM勘探中，發射源產生的波形一般是方波。通過傅利葉變換可以把方波分解成不同頻率的正弦波。其中最強的信號是基波，其頻率是主頻。除主頻外，還有頻率是主頻奇數倍的諧波。在勘探前，要通過細致的模型正演，根據勘探目標深度，選擇合適的主頻。

發射源發射的電磁信號強度與發射頻率決定了勘探深度。目前發射源可釋放幾百至上千安培的電流[2]，最大有效勘探深度可達海底以下4 000 m。

（2）接收器

測量電磁場的接收器有兩個基本裝置：測量電場的一對電極和測量磁場的磁力計。一對電極構成一個電偶極，通過測量兩個電極之間的電勢差來測量電場強度。磁力計是一組多匝線圈，用于測量磁通量，變化的磁通量在線圈中產生電流，磁力計通過電流的大小來測量磁場強度。

在CSEM勘探中一般測量的是電場。現在的接收器一般由兩個正交的水平電偶極組成。接收器放置在海底后，兩個水平電極測量的是海底水平面上的正交場。如果想測量垂直電場，就必須在接收器上安裝一個垂直電偶極。但垂直電偶極不能太長，主要是垂直方向上容易受洋流的影響產生擺動。

接收器主要由以下幾部分組成：一是用來測量水平電場的兩個相互正交的電偶極；二是用來記錄存儲數據的數據記錄儀；三是使接收器下沉到海底的水泥基座及其分離裝置；四是水下聲學定位系統的應答信標；五是接收器上浮的氣浮裝置。

接收器的電極是銀-氯化銀（Ag-AgCl）電極，四個電極分別放置在四個長玻璃纖維管的尾端，玻璃纖維管從接收裝置的四側向外伸出。

接收器中的數據記錄儀是將電極接收到的模擬信號通過24位模數轉換器變成數字信號，并記錄到一個閃存上。同時，它能夠提供精確的時間，確保數據后處理中記錄的數據和發射源及其它接收器的信號能保持同步。

接收器的底部與一個很重的水泥塊相連，這使接收器能沉到海底，同時能保證接收器在海底的穩定，不受洋流的影響。勘探結束后，通過船上的水下聲學系統發出聲控信號，激發釋放裝置使連接接收器和水泥基座的電線受熱熔化斷開，接收器在氣浮作用下浮出海面。

接收器中有三個獨立的電池組：一組電池向數據記錄儀供電，一組向水泥基座分離裝置供電（用來熔化系著接收器和水泥基座的電線），一組向水下聲學定位系統的聲學信標供電。向數據記錄儀供電的電池一般能持續供電40天，這就保證了操作人員有足夠的時間先布置完所有接收器，然后拖帶發射源施工。給基座分離系統供電的電池有效時間為一年，確保了施工結束后，有足夠的時間回收裝置。

接收器沉入海底后，兩個正交水平電極的方向是隨機的。儀器上裝有羅盤，可以測量水平電極的方位。在資料處理階段，可將測量方向上的電場分解到理想方位。

2 CSEM與地震方法比較

CSEM測量的是人工電場，得到地層電阻率的分布情況，通過區分高阻的油氣儲層與低阻的含水圍巖，從而確定油氣儲層。地震勘探測量的是速度場，得到的是地層構造形態，并在此基礎上尋找可能有油氣賦存的地質構造。地球物理具有多解性，如果將多種物探數據結合起來，綜合分析，就會減小多解性，從而降低勘探風險。

高頻電磁波在海水中迅速衰減，為了使發射的電磁信號能達到較深的勘探深度，發射電磁信號的頻率只能是低頻。低頻的電磁信號決定了它的分辨率不高，與地震相比，它不能提供高分辨率的構造和地層結構信息，這是CSEM方法的固有不足。但CSEM是對巖石縫隙中高阻油氣物理性質的直接反映，是一種直接油氣指示的方法，而地震勘探中除了亮點技術和AVO外，主要是尋找有利的地質構造。所以，CSEM可直接從油氣高電阻率這個物性角度，為地震勘探提供獨立、有益的補充信息。若是用地震方法找出油氣的有利構造，同時運用CSEM方法得出存在高阻異常，兩者綜合起來，就會大大增加勘探的成功率。

另外，地震波對地層中的氣體很敏感，烴飽和度達20%時就有明顯的聲阻抗異常（圖6），淺層氣和沒有商業價值的殘留烴也具有明顯的亮點和AVO異常。而對CSEM來說，只有烴飽和度達到80%以上才具有明顯的電阻率異常（圖6）[5]。因此，將地震和CSEM綜合分析，可以有效降低勘探風險。

圖6 聲阻抗及電阻率隨烴飽合度變化曲線

3 影響CSEM勘探效果的因素

影響CSEM勘探效果的因素有：

（1）工區水深及海底地形。CSEM技術的一個應用前提是要具有一定的水深，使得“空氣波”干擾信號能夠在大偏移距出現，從而使得在合適偏移距內的接收器獲得較強的來自地層的有效信號。海底地形的起伏，直接影響信號在地下地層中的傳播路徑，產生干擾的異常信號，影響對地下目標深度高阻體的分辨。

（2）勘探目標層的埋藏深度。CSEM勘探目標層的深度不能太深，目前最大的勘探深度為海底以下4 000 m，埋深小于3 000 m（海底以下）目標層勘探效果較好。

（3）勘探目標層要具有一定的規模。目標層不僅縱向上要具有一定的厚度，橫向延伸也要具有一定的規模，一般要求橫向規模達到埋深的2倍[6]。

（4）勘探目標層電阻率與圍巖電阻率差異。一般要求目標層的電阻率高出圍巖電阻率1～2個數量級。

（5）勘探目標層是單層，還是多個薄層疊加在一起。如果目標層由多個薄層組成，則目標層的整體電阻率將大大降低，儲層與圍巖的電阻率差變小，CSEM方法將難以發現。

（6）勘探目標層附近是否有其它高阻異常體。如果目標層附近存在致密灰巖、致密高阻砂巖、鹽丘、火山巖等高阻異常體或淺部地層存在高阻體（如天然氣水合物），對勘探效果影響較大。

勘查區是否適合進行CSEM勘探，需要對地質條件、儲層特征等因素進行綜合研究，建立地質模型并進行正演模擬。只有在儲層滿足CSEM地球物理條件的前提下，才能開展CSEM勘探，否則可能導致勘探的失敗。

4 結論

CSEM是隨著海洋油氣勘探由淺水區走向深水區后發展起來的一種新技術，它調查海底地層電阻率的分布情況。CSEM與地震相結合，可以有效降低深水鉆探風險。但該技術與所有地球物理技術一樣，有一定的應用前提，因此在采用該項技術進行勘探前，需對勘查區進行地質建模、正演模擬，研究該地區的水深條件、目標體埋深、目標規模及其他因素等，綜合分析各種因素后，才能確定是否進行CSEM勘探。

[1] Constable S, Srnka L J. An Introduction to Marine Controlled Source Electromagentic Methods for Hydrocarbon Exploration[J]. Geophysics, 2007, 72(2):3-12.

[2] 孫衛斌，李德春. 海洋油氣電磁勘探技術與裝備簡介[J]. 物探裝備，2006，16(1):16-18，32.

[3] 何展翔，余剛. 海洋電磁勘探技術及新進展[J]. 勘探地球物理進展，2008，31(1):2-10.

[4] 斯倫貝謝. 電磁法油氣勘探[J]. 油田新技術，2009年春季刊，21(1):4-19.

[5] Jonny Hesthammer, Aris Stefatos, Mikhail Boulaenko, et al. CSEM Performance in Light of Well Results [J]. The Leading Edge, 2010, 29(1):34-41.

[6] Gelius Leiv-J. 3-D modeling of mCSEM data employing various electromagnetic scattering approximations[C]. 2009 SEG Annual Meeting, October 25-30, 2009, Houston, Texas: 864-868.

潿西探區三維地震項目結束野外采集

上海海洋石油局第一海洋地質調查大隊承擔的中石化自營區塊潿西探區三維地震采集項目，6月17日結束野外采集。

2011年，潿西探區鉆探的潿3井鉆遇多層油氣顯示，發現了厚380 m的始新統流沙港組優質烴源巖。科研人員深入研究認為，潿西探區南凹陷D次洼與海中凹陷在古近紀斷陷期為一連通洼陷。這一地質認識有效提升了海中凹陷勘探潛力。為探明海中凹陷資源前景，中石化集團安排了350 km2三維地震采集項目。

此次三維地震采集項目面積408.607 km2，滿覆蓋面積350.108 km2。物探隊員克服了海域漁船干擾，全面完成采集工作量，為潿西探區下一步井位部署奠定了基礎。

摘編自《中國石化報》2012年7月9日

Offshore Controlled-Source Electromagnetic Methods

HU Xiaoqun, LI Bin, HUANG Tao, ZHANG Yibiao
（No.1 Marine Geological Investigation Party, Shanghai Offshore Petroleum Bureau, SINOPEC, Shanghai 201208, China）

With offshore HC exploration and development changing from shallow water to deep water，offshore controlled source electromagnetic technology (CSEM) has been widely used in deep water exploration to reduce exploration risk. Because of the poor conductivity of hydrocarbon, the resistivity of HC bearing rocks is higher than the water-bearing rock. With CSEM exploration techniques, the abnormal body with high resistance can be identif i ed from the low resistance background. The risk of drilling can be reduced greatly through interpretation of CSEM data and seismic data. In this article, the basic principles, the operation ways and the factors which might inf l uence the exploration results are discussed, and the exploration results of CSEM have been compared with the results of seismic exploration. The aim of this article is to provide reference for the selection of deepwater HC exploration and development methods.

CSEM; basic theory; signal propagation; date acquisition; method comparison; factor

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.03.013

1008-2336（2012）03-0013-05

2012-04-05；改回日期：2012-06-12

胡小群，女，1967年生，工程師，1989年畢業于同濟大學勘察地球物理專業，主要從事海洋地球物理工作。E-mail：huxiaoqun@sopgc.com。