水中電偶極子空中磁場(chǎng)響應(yīng)的一維頻率域分析

張雙獅， 王緒本， 王堃鵬， 祝忠明， 王衛(wèi)華

(1.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610000；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，廊坊 065000)

0 引言

傳統(tǒng)海洋電磁勘探設(shè)備在深海油氣勘探獲得了很大成功，接收器置于海底，采集和處理主要在頻率域進(jìn)行，利用幅度和相位偏移距曲線來(lái)體現(xiàn)異常特征[1]，經(jīng)過(guò)十幾年的商業(yè)運(yùn)作如今已經(jīng)較為成熟，世界范圍內(nèi)的主要海洋油氣田進(jìn)行的數(shù)百次商業(yè)化勘探作業(yè)表明，其對(duì)提高海洋鉆探成功率起到極其重要的作用[2-4]。然而，傳統(tǒng)海洋電磁勘探設(shè)備在淺海區(qū)由于受到空氣波的干擾，而不能發(fā)揮其固有作用[4-5]。

近年來(lái)，淺海區(qū)域電磁勘探系統(tǒng)受到國(guó)內(nèi)、外能源企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。較為成功的設(shè)備是挪威PGS公司從2004年開(kāi)始研制的拖拽系統(tǒng)，2006以來(lái)PGS公司首先利用最新研制的淺海拖拽式電磁勘探系統(tǒng)在挪威北海油田進(jìn)行了試驗(yàn)，取得良好的效果[6-9]。淺海拖拽系統(tǒng)中，多個(gè)接收器被水平拖拽于一條纜線上，延伸幾公里長(zhǎng)，接收平行于發(fā)射方向的電場(chǎng)，如圖1(a)所示，其最大的問(wèn)題是接收電極的鎧裝平衡，海浪噪聲的壓制。作者提出另一種接收模式，采用無(wú)人和有人操縱的飛行器于空中接收磁場(chǎng)，通過(guò)分析磁異常來(lái)了解地下的電性結(jié)構(gòu)，該種模式很好地避免了空氣波的干擾，省去了幾公里長(zhǎng)浮力接收拖纜布放、回收及保持平衡的工作，便攜性更強(qiáng)。模型見(jiàn)圖1(b)。

采用空中接收的模式，發(fā)射電纜既可以由船拖拽，也可以固定在某處。實(shí)踐證明空中采集電磁數(shù)據(jù)的效率比船測(cè)高的多，覆蓋面積大，數(shù)據(jù)處理快，成本低，美國(guó)海軍工程局的資料表明：一架飛機(jī)200 h的工作量相當(dāng)于一艘常規(guī)測(cè)量船13 a的工作量，而費(fèi)用只是同樣測(cè)量面積的1/5[10-14]。

圖1 淺海電磁勘探系統(tǒng)模型Fig．1 Shallow-water model of electromagnetic prospecting system(a)水中拖拽接收模式；(b)空中飛行接收模式

作者從水中電偶極子激發(fā)電磁場(chǎng)，空中接收磁場(chǎng)的思路出發(fā)，采用一維頻率域程序計(jì)算分析了該方法下測(cè)線布置、發(fā)射信號(hào)頻率、海水深度、儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層厚度、儲(chǔ)層電阻率及空中測(cè)量高度等多種因素對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響，每種情況比較了儲(chǔ)層為高阻和低阻時(shí)磁異常的變化規(guī)律。

1 計(jì)算方法及測(cè)線的布置

本文一維頻率域電磁計(jì)算的核心算法及主要程序來(lái)自SCRIPPS海洋研究所的Kerry Key[15]，該算法是目前海洋電磁一維頻率域計(jì)算中公認(rèn)較準(zhǔn)確、可靠的方法，電偶極子源可以是水平或豎直放置于水中或海底中，水平介質(zhì)分布從海洋三分空間(空氣、海水、海底)到n層導(dǎo)電介質(zhì)。該算法也常用來(lái)檢驗(yàn)海洋電磁二維、三維數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。因此，作者將其作為海空聯(lián)合電磁勘探有效性的驗(yàn)證方法。如圖2所示建立z軸向下為正的右手直角坐標(biāo)系，單位為m，坐標(biāo)原點(diǎn)位于海平面，電偶極子位于水中(0,0,450)處，距海底50 m，電偶極子沿y方向水平激發(fā)，發(fā)射頻率0.1Hz，海水深度hw= 500 m，儲(chǔ)層埋深hs=500 m，儲(chǔ)層厚度hr=100 m，飛行高度hf=1 000 m，空氣，海水，圍巖，儲(chǔ)層電阻率分別為0.01 ohm·m、12 Ω·m、 0.3 Ω·m、1 Ω·m、0.01 Ω·m。

圖2 海空電磁測(cè)量模型示意圖Fig．2 Marine and airborne electromagnetic measurement model

如圖2所示，于空中設(shè)計(jì)5類(lèi)測(cè)線，測(cè)量三分量磁場(chǎng)，分別為@1從(0,0,-1 000)開(kāi)始沿y方向布放201個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)20 km；@2從(100,0,-1 000)開(kāi)始沿y方向布放201個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)20 km；@3從(0,100,-1 000)開(kāi)始沿x方向布放201個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)20 km；@4從(0,0,-1 000)開(kāi)始沿x方向布放201個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)20 km；@5，從(0,0,-1 000)開(kāi)始沿與y軸夾角45°方向布放201個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)線長(zhǎng)30 km。其中@1-@4測(cè)點(diǎn)間距100 m，@5測(cè)點(diǎn)間距141 m。在5條測(cè)線上測(cè)量三分量磁場(chǎng)，計(jì)算中發(fā)射偶極子電流矩為1Am，認(rèn)為磁導(dǎo)率在整個(gè)計(jì)算空間不變，因此，下面將計(jì)算得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度認(rèn)為是磁場(chǎng)強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，在@1上Bx最強(qiáng)，理論上By和Bz為0，計(jì)算結(jié)果雖然有值，但與前者相差16個(gè)數(shù)量級(jí)，非零值來(lái)源于計(jì)算精度和誤差。因此，@1上只有Bx分量；@4上By=0，只有Bx和Bz分量；其他幾種情況都可以測(cè)量到三分量磁場(chǎng)Bx，By和Bz。實(shí)際測(cè)量可選@2、@3、@5、或圍繞(0,0，-1 000)的環(huán)形測(cè)線。

圖3 不同測(cè)線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨偏移距的變化規(guī)律Fig．3 MVO( magnitude of magnetic field versus offset) on a different survey line(a)@1上三分量磁場(chǎng)的MVO曲線;(b)@2上三分量磁場(chǎng)的MVO曲線;(c)@4上三分量磁場(chǎng)的MVO曲線;(d)@3上三分量磁場(chǎng)的MVO曲線;(e)@5上三分量磁場(chǎng)的MVO曲線

2 影響空中磁場(chǎng)的幾個(gè)因素分析

2.1 發(fā)射頻率對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響

發(fā)射頻率是導(dǎo)電介質(zhì)中電磁勘探非常重要的指標(biāo)，關(guān)系到探測(cè)深度和范圍，海洋電磁中一般取發(fā)射頻率范圍為0.01 Hz～10 Hz。如圖2所示，設(shè)hw=500 m，hs=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，分兩組計(jì)算，儲(chǔ)層中分別填充高阻體ρ=100 Ω·m，低阻體ρ=0.01 Ω·m。發(fā)射頻率f分別為0.01 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz和1 Hz，在@3上測(cè)量Bz，高阻儲(chǔ)層模型的磁場(chǎng)響應(yīng)與背景模型磁場(chǎng)響應(yīng)的比值隨偏移距的變化見(jiàn)圖4(a)，低阻儲(chǔ)層模型的磁場(chǎng)響應(yīng)與背景模型磁場(chǎng)響應(yīng)的比值隨偏移距的變化見(jiàn)圖4(b)。其中，Bx-bg為背景模型的空中磁場(chǎng)響應(yīng)，Bx-Hr為含高阻儲(chǔ)層時(shí)的空中磁場(chǎng)響應(yīng)，Bx-Lr為含低阻儲(chǔ)層時(shí)的空中磁場(chǎng)響應(yīng)。

可以看出，在該模型中，發(fā)射頻率為0.05 Hz和0.1 Hz的發(fā)射信號(hào)，能較好地反應(yīng)儲(chǔ)層電阻率異常，根據(jù)電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中趨膚深度公式：

假設(shè)海水深度500 m，電阻率為0.3 Ω·m，在水中走一個(gè)來(lái)回滿足上式的頻率為0.08 Hz，與數(shù)值模擬的結(jié)果相符。在實(shí)際的施工設(shè)計(jì)中要確定電偶極子的發(fā)射頻率，首先需確定勘探區(qū)域的大致水深、儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層厚度及電阻率分布，然后根據(jù)趨膚深度公式和數(shù)值模擬相結(jié)合的辦法來(lái)確定。

2.2 海水深度對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響

海洋電磁頻率域探測(cè)，在小于500 m水深的淺海區(qū)域，由于空氣波的干擾幾乎無(wú)法進(jìn)行[5]，于空中接收磁場(chǎng)卻可以避免空氣波的干擾，在淺海區(qū)能發(fā)揮較好的作用。如圖2所示，設(shè)hs=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，儲(chǔ)層電阻率分別為0.01 Ω·m,100 Ω·m，海水深度hw=100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m時(shí)@3上的Bz的異常響應(yīng)如圖5所示。

圖4 發(fā)射頻率對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響Fig．4 The influence of transmission frequency over aerial magnetic field response(a)含高阻儲(chǔ)層磁異常Bz的MVO；(b)含低阻儲(chǔ)層磁異常Bz的MVO

圖5 海水深度對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響Fig．5 The influence of ocean depth over aerial magnetic field response(a)含100 Ω·m高阻層時(shí)Bz的歸一化MVO； (b)含0.01 Ω·m低阻層時(shí)Bz的歸一化MVO

對(duì)于圖2所示模型，0.1 Hz的發(fā)射頻率對(duì)不同海水深度，相同埋深，相同厚度的異常電阻率儲(chǔ)層，其空中磁場(chǎng)異常都比較明顯，海水越淺，異常越明顯，海水越深，異常在更近的偏移距凸顯，隨著海水深度越來(lái)越淺，異常凸顯的偏移距也越來(lái)越遠(yuǎn)，低阻層引起的磁場(chǎng)異常遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于高阻層，其中高阻層引起的磁異常變化為2%～8%，低阻層引起的常變化為10%～60%。

2.3 儲(chǔ)層埋深對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響

如圖2所示，設(shè)hw=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，儲(chǔ)層電阻率分別為0.01 Ω·m、100 Ω·m，儲(chǔ)層埋深hs=100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m時(shí)@3上Bz的異常響應(yīng)見(jiàn)圖6。

0.1 Hz的發(fā)射頻率對(duì)相同海水深度，相同厚度，不同埋深的異常電阻率儲(chǔ)層，其空中磁場(chǎng)異常都比較明顯，儲(chǔ)層埋深對(duì)高阻異常影響較小，深度相差500 m以內(nèi)磁異常差別較小；對(duì)于低阻異常，埋深即使有100 m的差別，對(duì)磁異常的影響也較大。

2.4 儲(chǔ)層厚度對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響

如圖2所示，設(shè)hw=500 m，hs=500 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，儲(chǔ)層的電阻率分別為 0.01 Ω·m、100 Ω·m，儲(chǔ)層厚度hr=10 m，20 m，30 m，50 m，100 m時(shí)@3上Bz的異常響應(yīng)見(jiàn)圖7。

磁場(chǎng)響應(yīng)對(duì)于油氣等高阻異常儲(chǔ)層的厚度較為敏感，對(duì)儲(chǔ)層厚度的分辨力較好；而對(duì)金屬礦等低阻異常儲(chǔ)層的厚度不敏感，對(duì)儲(chǔ)層厚度的分辨力較差。

圖6 儲(chǔ)層埋深對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響Fig．6 The influence of buried depths of reservoirs over aerial magnetic field response(a)含高阻層時(shí)Bz的歸一化MVO；(b)含低阻層時(shí)Bz的歸一化MVO

圖7 儲(chǔ)層厚度對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響Fig．7 The influence of reservoir thickness over aerial magnetic field response(a)含高阻層時(shí)Bz的歸一化MVO； (b)含低阻層時(shí)Bz的歸一化MVO

2.5 儲(chǔ)層電阻率對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響

如圖2所示，設(shè)hw=500 m，hs=500 m，hf=1 000 m，hr=100 m，f=0.1 Hz，儲(chǔ)層電阻率分別為0.01 Ω·m、0.1 Ω·m、1 Ω·m、10 Ω·m、100 Ω·m，1 000 Ω·m時(shí)@3上Bz的異常響應(yīng)如圖8所示。

儲(chǔ)層電阻率從0.01 Ω·m增加到10 000 Ω·m時(shí)，如圖8(a)所示，空中磁場(chǎng)異常響隨偏移距的變化趨勢(shì)相同，沒(méi)有數(shù)量級(jí)的差別，將各種情況下的磁場(chǎng)響應(yīng)相對(duì)背景模型響應(yīng)歸一化后，如圖8(b)所示，儲(chǔ)層電阻率大于圍巖時(shí)，歸一化幅度隨偏移距的變化趨勢(shì)為先增大后減小，最后恒定；儲(chǔ)層電阻率小于圍巖時(shí)，其變化趨勢(shì)為先減小后增大，最后恒定。但是從歸一化異常變化看出，空中磁場(chǎng)異常響應(yīng)對(duì)海底含金屬礦等低電阻率異常分辨率較高，而對(duì)油氣等高電阻率異常的分辨率很低。

2.6 飛行高度對(duì)空中磁場(chǎng)異常的影響

海上航空磁測(cè)直升飛機(jī)的飛行高度一般為195 m[11-12],海洋電磁空中磁場(chǎng)測(cè)量采用的飛行器尚無(wú)研究，實(shí)際的飛行高度還需根據(jù)飛行器、磁傳感器的靈敏度、海洋環(huán)境而定。

如圖2所示，設(shè)f=0.1 Hz，hw=500 m，hs=500 m，hr=100 m，儲(chǔ)層電阻率分別為0.01 Ω·m、100 Ω·m，飛行高度為hf=200 m、300 m、500 m、1 000 m、3 000 m時(shí)@3上Bz的異常響應(yīng)見(jiàn)圖9。

圖8 儲(chǔ)層電阻率對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響Fig．8 The influence of reservoir resistivity over aerial magnetic field response(a)非歸一Bz的MVO曲線;(b)各種情況歸一化Bz的MVO曲線

圖9 飛行高度對(duì)空中磁場(chǎng)響應(yīng)的影響Fig．9 The influence of flight altitude over aerial magnetic field response(a)含高阻層時(shí)Bz的歸一化MVO;(b)含低阻層時(shí)Bz的歸一化MVO

不論是高阻或者是低阻異常儲(chǔ)層，飛行高度對(duì)磁異常的測(cè)量影響都比較明顯，對(duì)于高阻儲(chǔ)層，hf=3 000 m和hf=200 m，磁異常的最大差別約為8%；而對(duì)于低阻儲(chǔ)層，兩者的最大差別約為60%。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)空中測(cè)線布置、水中電偶極子發(fā)射頻率、海水深度、儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層厚度、儲(chǔ)層電阻率以及飛行器飛行高度等幾個(gè)因素對(duì)空中測(cè)量到的三分量磁場(chǎng)變化都有較大的影響。(2)測(cè)線布放在與電偶極子垂直的方向或者與電偶極子呈一定角度的射線方向更有利于測(cè)量。

(3)針對(duì)不同的環(huán)境，可以用一維頻率數(shù)值模擬方法和趨膚深度公式確定適合的發(fā)射頻率。(4)水中電偶極子在空中的磁場(chǎng)，對(duì)海洋海底油氣等高阻、金屬礦產(chǎn)等低阻異常都有明顯的異常響應(yīng)，對(duì)低阻異常的響應(yīng)比高阻更強(qiáng)。

(5)空中磁場(chǎng)對(duì)高電阻率儲(chǔ)層的厚度有較好的分辨力，而對(duì)低電阻率異常體的電阻率有較好的分辨力。

海空聯(lián)合電磁勘探模式有三個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：①避免了海洋電磁淺海區(qū)勘探空氣波的干擾；②免去水中接收電磁場(chǎng)時(shí)接收設(shè)備的布放、平衡和防干擾處理、回收及存放等諸多麻煩；③勘查效率高。因此，該模式的應(yīng)用前景廣闊。但是，其有效性和可行性還有待二、三維的方法研究及相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。

致謝

感謝scripps海洋研究所Kerry Key在數(shù)值模擬中給予的幫助。

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