海洋CSEM法探測二維海底天然氣水合物響應特征

王 啟

(廣州海洋地質調查局，廣東廣州510760)

海洋CSEM法探測二維海底天然氣水合物響應特征

王 啟

(廣州海洋地質調查局，廣東廣州510760)

針對海底天然氣水合物開展了可控源電磁探測法(Controlled-source Electromagnetic Method, CSEM)響應研究，根據實際地質資料設計二維地電模型并進行正演計算，討論了頻率變化對CSEM響應結果的影響以及海底地形起伏時的CSEM響應特征。綜合天然氣水合物二維正演模擬結果，論證了海洋CSEM探測海底天然氣水合物的可行性，研究成果可為今后的海底天然氣水合物勘探提供技術支持。

海底天然氣水合物；海洋CSEM；二維模型；歸一化

0 引 言

地震勘探是目前探測海底天然氣水合物最重要的地球物理方法之一。海上地震勘探中，地震剖面上的似海底反射層(Bottom Simulating Reflector, BSR)已成為推測天然氣水合物存在的一個重要標志(史斗等，1999)。但研究發現，BSR并不能完全指示天然氣水合物的存在，即并不是所有存在BSR的地方都含有天然氣水合物，反之亦然，而且地震方法對水合物的飽和度并不敏感。

與圍巖相比，海底天然氣水合物儲層是高阻體，其電導率比海底沉積物或海水小得多，海洋CSEM可以根據水合物儲層與圍巖的電性差異來推測天然氣水合物的存在，根據電阻率與儲層含天然氣水合物飽和度的密切關系探測地層中富集天然氣水合物的規律(沈金松等，2009)，可提高鉆井的成功率。

關于海洋CSEM法高阻儲層的電磁響應及探測能力研究，Li等(2007)研究了二維海洋CSEM自適應有限元算法，陳清禮等(2012)通過數值模擬對MT油藏勘探的分辨能力進行了分析，張秀麗等(2014)對海洋CSEM探測水合物儲層的勘探參數進行了探討，這些研究成果可以為水合物勘探提供一定的技術指導和理論支撐。

本次研究根據二維地電模型，研究了海底天然氣水合物CSEM響應特征。

1 正演模型計算

大洋鉆探計劃164航次在北美大陸邊緣東南布萊克嶺995號井位中鉆探獲得了海底天然氣水合物(Collett et al.，2000)。根據此鉆井資料設計如圖1所示的正演模型，發射接收裝置采用赤道觀測系統裝置排列，第一層為空氣層，第二層是海水層。海水深度為2 770 m，電阻率為0.3 Ω·m；水合物儲層厚度為250 m，橫向分布范圍為4 km(-2～2 km)，電阻率為4 Ω·m，埋深為200 m；水合物上覆沉積層和下伏沉積層電阻率為1.5 Ω·m。

圖1 基于實際地質資料的水合物模型Fig.1 Hydrate model based on real geological data

對圖1 中的模型進行正演計算，模擬時選擇的發射頻率為5 Hz，發射源位于原點上方50 m處，接收儀放在海底，接收來自海底地層的電磁信號，響應結果如圖2所示。

圖2 電場振幅和相位 (Ex)Fig.2 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

圖2a、b分別是電場分量(Ex)的MVO(Magnitude Versus Offset)和PVO(Phase Versus Offset)曲線。從圖2中可以清晰地看出，由于模型關于原點對稱且發射源位于原點處，因而MVO曲線和PVO曲線也關于原點對稱。在原點附近，背景模型與水合物模型的MVO曲線和PVO曲線基本重合，這是由于收發距較小時，接收儀接收到的電磁信號是在水合物儲層上覆地層中傳播的信號，沒有到達高阻層，因而水合物模型和背景模型之間的振幅和相位差異不明顯；當收發距>1 000 m時，電磁波開始在水合物層中傳播，與海底沉積層相比，水合物儲層是高阻層，由于高阻層對電磁波的吸收較小，電磁波在水合物儲層中衰減得相對較慢，含有水合物儲層模型與背景模型的電磁場振幅與相位差異明顯，與背景模型相比，含有水合物儲層模型的電場分量(Ex)的振幅衰減較慢，相位變化也相對比較緩慢。因此，利用海洋CSEM方法可以有效地識別天然氣水合物儲層。

2 頻率變化時的CSEM響應特征

在實際勘探中，發射頻率對電磁響應的結果會產生影響。相同條件下，不同的發射頻率接收到的電磁響應不同。以下針對圖1中的模型，討論不同發射頻率對CSEM響應結果的影響。選擇激發頻率為2、3、5、7、10 Hz，分別進行正演計算得到各個頻率下的電場(Ex)分量振幅和相位與收發距的關系(圖3)。

圖3 電場振幅和相位 (Ex)Fig.3 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

從圖3a中電場 (Ex)MVO曲線可以看出，發射頻率越高，電場(Ex)振幅衰減的速度越快，不同發射頻率的電場(Ex)振幅都隨著收發距的增大而減小。因為不同頻率的電磁信號在海底地層中衰減的速度不同，因而其趨膚深度和分辨率也各不相同：信號頻率越低趨膚深度越大，衰減得越慢，分辨率較低；信號頻率越高趨膚深度越小，衰減得越快，分辨率相對較高。當頻率<5 Hz時，收發距在>3 000 m時的一段距離，電場值仍然在本底噪音[10-16V/(A·m2)]之上；當發射頻率>5 Hz時，收發距在<3 000 m時就已經衰減到本底噪音之下。

從圖3b中的PVO曲線上可以看出，發射頻率越大，相位隨收發距的變化越劇烈；發射頻率越小，相位隨收發距的變化越平緩。

3 海底地形起伏時的CSEM響應特征

海底地形復雜，在大多數情況下都會有不同程度的起伏，對海洋CSEM勘探結果會有一定的影響。為了解海底地形起伏對CSEM響應的影響，設計了如圖4所示的模型。海底存在一傾斜臺階，臺階兩側深度相差100 m。正演模擬時，發射頻率為5 Hz，發射源放在(0，0，2 720)位置，接收儀放置在海底，接收來自海底地層的響應。

圖4 海底地形有起伏時水合物模型Fig.4 Model of hydrates in sea floor with relief

將計算結果與圖1中海底地形無起伏時模型正演結果(振幅和相位)進行對比(圖5)。實線代表海底水平情況，虛線代表海底地形有起伏的情況。從圖5a、b中可以看出，當海底地形有起伏時，振幅和相位曲線會出現不對稱現象。

圖5 電場振幅和相位 (Ex)Fig.5 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

4 實際水合物儲集體的CSEM模擬響應

在加拿大西海岸，根據測線L89-10(Yuan et al.，1998)地震數據調查，該地區水深為1 300 m，水合物儲層厚度約為100 m，埋深230 m，設計如圖6所示的水合物模型。水合物的橫向范圍為6 km，儲層電阻率為3 Ω·m，圍巖電阻率為1 Ω·m。

圖6 基于地震反射剖面(L89-10)的水合物模型Fig.6 Model of hydrates based on seismic reflection profile (L89-10)

對圖6中水合物模型進行正演計算，選擇發射頻率為8 Hz，發射源放在原點，距離海底50 m，接收儀放在海底，接收來自海底地層的電磁信號。將含有水合物儲層模型的響應結果與不含水合物儲層的背景模型進行對比(圖7)。

圖7 電場振幅和相位 (Ex)Fig.7 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

圖7a、b分別是電場(Ex)的MVO和PVO曲線。從中可以清晰地看出，在收發距<1 000 m時，背景模型與水合物模型的MVO曲線和PVO曲線基本重合。這是由于收發距較小，電磁信號在水合物儲層上覆地層中傳播，沒有到達高阻層，上覆沉積層產生的電磁場占主導地位；當收發距>1 000 m時，電磁波在水合物層中傳播，水合物儲層是高阻層，電磁波在水合物儲層中衰減的速度相對較慢，含有水合物儲層模型與背景模型的電磁場振幅與相位差異明顯。與背景模型相比，含有水合物儲層模型的電磁場分量的振幅衰減較慢，相位變化也相對比較緩慢。

通常需進行異常場的歸一化振幅和相位差計算，公式為：

(1)

(2)

根據式(1)和(2)進行歸一化振幅和相位差計算，可得歸一化振幅曲線和相位差曲線(圖8)。在收發距為2 500 m的范圍內，水合物模型和背景模型的振幅最大時有1倍的差異，相位差最大可達到100°，這證明了應用海洋CSEM法探測真實海底天然氣水合物儲層的有效性。

圖8 電場的振幅比和相位差 (Ex)Fig.8 Amplitude ratio and phase difference of electrical field (Ex)

5 結 論

(1) 二維水合物模型與背景模型具有明顯的振幅和相位差異，由此可以確定天然氣水合物的存在。

(2) 通過研究海底地形對結果的影響，發現發射頻率越大，電磁場振幅隨收發距衰減得越快，相位變化也越劇烈。

(3) 根據實際地震資料設計了含水合物儲集體的地電模型，進行正演計算，驗證了海洋CSEM法探測真實海底天然氣水合物儲層的有效性。

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Response characteristics of 2D marine gas hydrate detection using marine CSEM method

WANG Qi

(Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, Guangdong, China)

This work aims to determine the response characteristics of marine gas hydrates detected by the CSEM method. It designed 2D models based on the actual geological data and did forward calculation, and discussed the effects of frequency variations and seafloor belief on CSEM response. According to the result of 2D inversion models, it demonstrates the feasibility of detecting gas hydrates with marine CSEM method. The result will provide some technical guidance for the exploration of marine gas hydrates in the future.

sea floor gas hydrate; marine CSEM; 2D model; normalization

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.690

2016-08-29；

2016-10-19；編輯：陳露

廣州海洋地質調查局天然氣水合物專項“數據庫建設及戰略研究”(GHZ201100312)

王啟(1988— )，男，助理工程師，碩士，主要從事海洋測深資料處理與海洋可控源電磁數值模擬研究工作，E-mail： wjqi1234@163.com

P631.3+25

A

1674-3636(2016)04-0690-05