海底節點式時頻雙域電磁采集系統及試驗

任文靜 何展翔 孫衛斌 張東陽 盧昭陽 魯 瑤

(①東方地球物理公司西安物探裝備分公司，陜西西安 710082；②深圳市深遠海油氣勘探技術重點實驗室，廣東深圳518055；③南方科技大學前沿與交叉科學研究院，廣東深圳 518055；④東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州 072751；⑤武漢理工大學航運學院，湖北武漢 430063)

0 引言

中國“十三·五”科技創新規劃明確要求建立保障國家能源安全和戰略利益的技術體系，加強“深海、深地、深空、深藍”等領域的戰略高技術部署，加快海洋地質構造探測和深海探測技術研發進程，為中國深海資源開發利用提供科技支撐。中國海洋油氣特別是深水油氣資源潛力巨大，但勘探開發能力嚴重不足。近年來，海洋油氣勘探開發得到快速發展，海洋三維地震、多維多分量地震及海洋電磁等技術取得很大進展[1-2]，但是中國深水勘探開發技術總體主要依賴西方國家，油氣井勘探成功率不足三成，海洋油氣資源勘探技術難以滿足實際需要。早在二十多年前，西方國家海洋油氣勘探開發就從淺海、半深海延伸至深海，突破了深水領域的技術瓶頸[3-4]。海洋可控源電磁勘探成功的標志是2004年ExxonMobil石油公司應用海洋可控源電磁(MCSEM)技術在墨西哥灣部署13口探井，并全部獲得工業油氣流，隨后多個西方國家在全球海域采用MCSEM技術發現海底油田，引發了此技術的市場壟斷、瓜分，甚至一些油公司規定沒有MCSEM資料就不能開展鉆探，使MCSEM勘探工作量猛增。因此，發展中國自主知識產權的MCSEM技術時不我待。

眾所周知，海洋資源勘探開發是一個高科技、高風險、高回報的經濟技術領域，多方法綜合勘探成為海洋油氣勘探的趨勢[1]。地震成像技術能探測油氣構造圈閉，但是不能識別圈閉內的流體性質，而MCSEM技術可以基于地震解釋識別有效儲層，提高鉆探成功率[3-5]。MCSEM技術的發展經歷了曲折的過程，其起源可以追溯到20世紀70年代初[6]，直至90年代末電子儀器技術、計算機技術和數值模擬方法得到快速發展，深海電磁勘探試驗成功，MCSEM技術從實驗室走向實際應用。最早開展海洋電磁研究的是加州大學圣地亞哥分校Scripps海洋研究所，該所目前在儀器制造[7]、處理解釋技術[8]和實際應用[9-10]等方面已取得多項標志性成果。與此同時，劍橋大學成功研制了深海拖曳式電磁發射儀。ExxonMobil在20世紀90年代末就擁有海洋電磁船隊，形成了3RM油藏電阻率遙測圈定技術[3-4]，并開展了大量實際勘探工作。多倫多大學研制了一套用于天然氣水合物探測的時間域電偶極—偶極測量系統。國際石油公司積極投資于這項新技術的開發和應用，AGIP、BP、Shell等公司都將海洋電磁技術應用于地震圈閉含油氣性的識別和評價[11-13]。2003年，多家石油公司開始涉足商業化的海洋電磁服務，如英國的OHM、挪威的EMGS、美國的MTEM，都已開展了海洋電磁勘探項目，其中大部分成果得到鉆探的驗證[11-15]。這些工作極大地推動了海洋電磁法在油氣勘探中的應用。

中國早在20世紀末就啟動了海洋電磁研究，此項研究在歷經四期“863”計劃的支持下得到快速發展[16-17]，極大地推動了海洋電磁方法的研究和發展[18-19]。中國在海底電磁信號采集技術[20-21]、海洋電磁傳感器研制[22-23]、海底采集站和采集系統設計[24-25]及海洋試驗[26]等方面都取得重要進展。“十一·五”以來，中國海洋電磁技術得到快速發展，在國家“863”項目支持下，由東方地球物理公司牽頭，中國海洋大學、中國地質大學、吉林大學等多家單位聯合完成的“深水海洋可控源裝備研發”項目，為中國海洋電磁勘探技術的發展奠定了基礎。其后，中石油投巨資進行產業化升級，目前已擁有了50個節點式采集站和2套發射裝備，多次試驗表明其技術指標基本達到國際先進水平[27]。“十三·五”期間，在國家科技基金的支持下進一步研發了雙船雙拖海洋電磁系統[28]，使中國的海洋電磁發展模式和理念提升至國際領先行列。

目前海洋電磁勘探裝備有拖纜式、海底纜式、海底節點式三種類型，以海底節點式應用效果最好。海底節點電磁采集系統主要針對頻率域，本文著重介紹東方地球物理公司研制的OBNEM-R4000海底節點式時頻雙域電磁(M-TFEM，marine time frequency electromagnetic)采集系統。

1 系統組成及工作原理

OBNEM-R4000海底節點時頻電磁采集系統(下文簡稱OBNEM采集站)主要由電磁傳感器、數據采集器、聲學定位/釋放系統、浮力裝置、安裝框架及承重體組成，其功能是接收來自海底深部的電磁感應信號，據此探測海底深部地電結構。

該系統工作原理描述如下(圖1)。首先將OBNEM采集站開啟到采集狀態并從母船釋放；然后，超短基線定位系統通過采集站上裝配的應答器實時追蹤采集站的下沉和漂移狀態，待采集站坐底靜止后記錄其經緯度坐標，采集站從釋放到回收全程連續記錄電磁波數據。發射系統在離海底數十米的高度以約2節的速度勻速拖曳移動，邊行進邊激發，激發頻率為十分之幾赫茲到幾赫茲的電磁信號。所有激發完成后，結束采集工作，發送聲學釋放命令，OBNEM采集站與承重體分離，借助浮體自動浮出水面，進行人工回收。采集站回收后，下載采集到的數據，并與激發、接收信號進行組合，并進行各種校正處理。

采集現場數據后，即可進行數據預處理。首先，從時間序列信號中分離可控源信號，進行去噪及標準化處理，消除噪聲干擾，進行發射系統、接收系統海底姿態校正；然后通過傅里葉變換獲得頻域振幅相位曲線，通過疊加獲得時域衰減曲線[15]。進而進行室內數據處理。首先求取背景區與測點的振幅比值曲線(MVO，magnitude value offset)，據此可定性推斷海底地層的含油異常分布；然后分別進行時域和頻域信號處理、海底電性成像處理，最終獲得含油氣構造電性特征，據此對圈閉進行含油氣性評價[21]。

圖1 MCSEM數據采集—處理流程圖

2 硬件設計和性能分析

2.1 電磁傳感器

OBNEM采集站工作的最大水深是4000m；同步記錄三個電場分量(Ex，Ey，Ez)和兩個磁場分量(Hx，Hy)的時間序列信號，因此每個采集站需要六個電場傳感器和兩個磁場傳感器；采集信號頻率為0.001～100Hz；可同時測量與海底環境相關的信息，如方位、姿態、溫度、鹽度和深度；采集站時鐘漂移小于1ms/d；可以連續工作30d；上浮速度和下降速度約為1m/s。

2.1.1 電場傳感器

深海環境中的電場信號主要是低頻信號，海洋環境復雜且多變，加之海水對信號有衰減作用，有效電信號非常微弱[22]。針對海洋電場傳感器使用環境及具體應用需求，電場傳感器主要由水密接插件、傳感器外殼、納米陶瓷電極、多孔管和安裝環組成。電場傳感器涂有銀片，通過多孔管與海水進行離子交換。多孔管主要起到透水與物理保護的作用，水密接插件可實現海底電場信號與電道前放板之間的水密傳輸。納米陶瓷電極表面積大、活性高，在海水中抗菌性好、不易被生物富集，且具有優異的不極化性能。圖2所示為28對電極220h時長的極差漂移測試曲線，縱軸為電場傳感器極差。由圖2可見，電極對穩定性強、噪聲低，典型極差小于100μV，極差漂移低至7μV/d，本底噪聲水平低于0.63nV/sqrt(Hz)@1Hz。

圖2 電極極差漂移測試曲線不同顏色曲線對應不同電極對

2.1.2 磁場傳感器

深海中遠距離目標的磁異常值為pT級，目前常用的磁力儀均不能滿足海洋條件下的弱磁場信號的測量要求。因此，OBNEM采集站采用具有極高分辨率的交流感應線圈式磁探頭。感應線圈式磁探頭利用電磁感應原理測量交變磁感應強度。該磁探頭屬于動磁型磁接收器，即采集磁場的變化率(dH/dt)。在鐵芯材料上繞制探測線圈感應交變磁場信號，是無源接收器，閥值和噪聲極低，穩定性強，但尺寸和重量均較大。性能良好的感應線圈式磁探頭要求傳感器前置放大器噪聲特性應與傳感器線圈特性恰當匹配，基本元件是在鐵磁芯上繞制的感應線圈棒。基于計算機最優化匹配設計的低噪聲電流前置放大器的噪聲特性，選擇鐵磁芯和纏繞參數。這種電路拓撲可產生一個全面的傳感器轉移功能，類似一個帶有角頻率為L/(2πR)的高通濾波器，這里L表示線圈電感量，R是線圈阻抗。在這個頻率上，傳感器振幅直接正比于磁場值，且對等于線圈自然頻率的場頻不敏感[23]。前置放大器與感應元件整合在圓柱包內，可準確測量磁場，屏蔽靜電場，提高信噪比。由于工作最大水深為4000m，所以外殼采用鈦合金，并進行密封以防水耐壓。經過測試，磁場信號合格。磁場傳感器測試記錄的磁場強度時序信號見圖3，曲線形態清晰，發射信號周期間隔及距離關系清楚，信噪比高。

圖3 磁場時序信號

圖4是某測點上磁場傳感器記錄的磁場信號隨著激發場源的變化曲線。很明顯，隨著激發場源由遠而近，再由近而遠，記錄的磁場信號振幅也隨之先增大直至滿檔，再逐漸變小。

圖4 磁場信號振幅變化曲線

2.2 互組合數據采集

數據采集主要通過8路32位模擬量采集通道，6個電場測量通道的最大增益為3840倍，2個磁場測量通道的最大增益為480倍。設計6個電場分量的采集站，以4個接地電極的閉合回路組成6個電偶極，同時記錄電磁場時間序列數據，每個接地電極與另外3個電極互相組成3個電場分量，一共獲得6個電場分量。因此，6個電場測量通道設計可以互組合、測量多方位信號，為電場數據采集提供了更多可選方案。

8路同步數據采集的采樣率可調，最大采樣率為2.4kHz；采用原子鐘保證內部時鐘漂移小于1ms/d；具有數據存儲及姿態記錄功能；可連續工作30d。其硬件結構框圖如圖5。

圖5 采集站硬件結構框圖

在時間域對閉合回路的電場數據做平差處理，用平差后數據計算得到電場分量，將對其進行靜態位移校正后的值當作新的觀測場值，獲得經噪聲壓制的新的時間系列數據，再采用常規方法進行處理，即可獲得各測點的振幅和相位曲線。

觀測6個電場通道和2個磁場通道模擬信號，電場斬波放大器為低噪聲斬波放大器，包括斬波、變壓器耦合、交流放大、同步解調、低通濾波和直流放大等電路。區別于傳統的調制解調放大器，該放大器在調制與AC放大電路之間引入了變壓器耦合電路，目的在于對放大器的最佳源阻抗與海底電場傳感器較小的源阻抗(約5Ω)進行匹配，同時獲得最佳信噪比，有助于降低電路的本底噪聲[24]，改善通道動態范圍。采集電路(ADC)由8通道32位模數轉換芯片和配套電路組成，為適應電極放大器輸出信號，ADC中電場通道輸入范圍調整為3Vrms～3μVrms，動態范圍優于120dB(采樣率為150Hz)。控制電路由24位嵌入式ARM計算機擴展，集成64GB的SD存儲卡，支持FAT文件系統。

2.3 OBNEM框架結構

OBNEM框架結構要求牢固可靠，材料耐腐蝕、重量輕、無磁性，整體結構易安裝、易拆卸、重心平穩，并易于海上投放、回收。OBNEM采集站站體框架采用八邊形對稱結構，可有效減小體積。各部件間的連接采用榫卯結構，保證整體結構渾然一體，牢固可靠，減少了金屬件的數量。材料選用聚丙烯，減小了重量，并增加了框架在水中的浮力。增加吊梁結構，便于采集站運輸。上浮的浮力主要由四個深海玻璃浮球提供，每個浮球可提供凈浮力25.4kg，浮球采用不銹鋼板對稱固定、連接成一體，通過四個長螺栓與框架連接。浮球位于采集站頂部，采集站上浮時，整體重心位于采集站偏上位置，有利穩定上浮，避免采集站上浮反轉。下沉時，由于承重體與框架連接在一起，采集站重心位于底部。特別是采集站箱體采用單方向箱體對面開孔設計，在采集站下沉過程中的洋流作用下，阻水面逐步趨于一致，可有效保證深水采集站布設方向一致。

OBNEM采集站的組裝、測試、投放、回收、拆卸等各環節具備模塊化、流程化、簡單化特征，有助于實際海上作業。

在南海SHH海域投放了10臺采集站，實物見圖6。其理論坐標與實際坐標及Ex方向統計見表1，可見偏移距在100m以內。

表1 OBNEM布設誤差統計

圖6 采集站實物圖

2.4 聲學定位與釋放系統

聲學定位與釋放系統實現兩方面的功能： 一是OBNEM的水下定位，確定接收點的大地坐標；二是采集數據完成后承重體的釋放，實現OBNEM自由上浮并回收。本系統采用 Sonardyne公司生產的Ranger2USBL系統，包括甲板設備、水下設備、輔助設備三部分。甲板設備包括超短基線收發設備、甲板控制單元；水下設備包括應答器及水聲釋放器；輔助設備包括GPS、運動傳感器(MRU)、電子羅經。將甲板設備及輔助設備安裝在勘探母船上，電磁節點采集站上安裝1個應答器及2個釋放器，通過船載設備與水下應答器的通信實現海底采集站的測距。甲板設備利用測距信息及GPS等輔助設備信息完成對海底OBNEM的定位。釋放控制由聲學應答器完成，應答器收到釋放命令后，輸出釋放脈沖，實現釋放操作。

2.5 OBNEM性能分析

與常規采集站相比，OBNEM采集站具有明顯優越性。常規采集站一般為2電(Ex、Ey)2磁(Hx、Hy)通道，也可增加垂直電分量(Ez)通道；OBNEM設計了8通道電分量，而且采用互通交叉模式，增加2個與正交電場分量成45°的電場分量和2個設置不同增益通道，能夠獲得與激發方向呈較小夾角的電場數據。OBNEM采集站順流孔的設計使沉底采集站在海流作用下能夠取得基本一致的布極方向，為后期信號處理中提取最佳方位信號提供了基礎。另外，OBNEM采集站在連續工作時間、功耗、尺寸、重量及組裝方式等方面都有明顯的優化改進。表2是OBNEM采集站與國內已有采集站性能對比表。

表2 采集站性能對比

3 應用實例

3.1 試驗概況

2018年6月在中國南海北部某區進行試驗，主要目的是測試OBNEM的組裝、投放、信號采集、 釋放、回收性能。

共布設了兩條測線，分別位于SHH海域的LH構造和LW構造。LH構造區內的測線(測線1)長約20km，水深為650～800m。LW構造內測線(測線2)長約20km，水深為1400～1600m。兩條測線相距約40km，投放OBNEM采集站共10臺。采集站作業流程及定位流程見圖7。

根據作業流程時效統計，采集站組裝、投放、定位、回收效率分別為約10min/臺、約10min/臺、20min/臺和約30min/臺，采集站100%正常回收，生產效率接近國際水平。所有采集站均采集到大功率MCSEM數據，并提取計算了響應的MVO和PVO曲線。數據處理和解釋成果與該區域已知的地質結構吻合[27]。該實驗的組裝、投放過程，驗證了采集站框架結構設計的合理性，模塊化設計大大提高了投放作業效率。

圖7 采集站作業流程圖

3.2 M-TFEM實際資料分析

3.2.1 海底采集站及發射源信號分析

圖8為實驗的其中一個OBNEM實測的天然4分量電磁場(Ex、Ey、Hx、Hy)時序曲線，數據時長為25min。

圖9是發射源經過海底采集站時采集到的5分量(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy)時序記錄。由圖可見，隨著發射電偶極源逐漸靠近，采集站記錄的電磁場分量強度逐漸增大，且波形穩定可靠。

圖10為該系統配備的T1500型海底電流發射系統發射的實際電流電壓波形，可見波形特征穩定，性能可靠。

3.2.2 AVO曲線

對OBNEM記錄的時序數據進行頻域轉化、場值(發射電流、電偶極距)歸一化處理、時窗調整分析，然后進行方位校正處理，最后融合導航數據形成AVO曲線。

圖11為某測站0.25Hz時電、磁場分量強度隨偏移距(海底發射源與海底采集站間的距離)變化的AVO曲線。可見圖中電場振幅在近10km收發距范圍內連續、穩定，系統噪聲和環境噪聲均未出現在10km范圍內，OBNEM系統的海底歸一化本底噪聲約為10～14V·A-1·m2@0.25Hz(海水深約800m)。與地下巖層有關的電磁場響應位于偏移距3～8km內。因為偏移距較小時，觀測的電磁場主要為直達波電磁信號，而偏移距較大時，接收到的信號主要為海面折射的電磁波和海底天然電磁場。海底節點式電磁勘探主要研究的就是激發主頻在一定偏移距范圍內的地下巖層電磁場響應。

圖8 OBNEM采集站4分量時序曲線

圖9 實驗采集的5分量時序記錄

圖10 T1500型發射電流電壓波形記錄

3.3 定性異常特征分析

定性異常是測線下方地下介質電性特征的宏觀反映，沒有深度概念。通常可通過后續定量處理，對定性異常進行地質解釋。定性異常的處理流程包括：①選擇背景信號，通常選擇測線端點采集站接收到的信號作為背景信號；②計算發射和接收站的共中心點的平面坐標；③提取共中心點處的觀測信號；④對提取到的共中心點觀測信號進行歸一化處理，即可得到歸一化定性異常。歸一化公式為Norm=Amp/Amp_background，其中Norm、Amp、Amp_background分別代表歸一化結果、異常值和背景值。基于歸一化定性異常可直觀、定性地分析目標響應的橫向分布特征。

2018年，沿1號測線設計了10個OBNEM測點，測點號為R1～R10。其中R1、R2測點位于已知氣藏范圍內，R6～R8測點位于待鉆評價井區。首先計算得到測線1所有測點各分量AVO曲線；再分析橢圓極化參數，求取電場最大幅值分量；最后分析背景資料，選取R10點的場值為歸一化背景場，提取其余各站收發距為5km時的歸一化定性異常，分析其橫向分布特征。圖12是頻率在0.25Hz時測線1的歸一化異常與同位置過井地震剖面對比。

圖11 0.25Hz時海底電場分量(上)和磁場分量(下)AVO曲線

圖12 測線1歸一化異常曲線(上)與重合的地震剖面(下)對比

由圖12可見，在剖面已鉆井處(測井曲線指示含油層)，歸一化異常呈倒“V”字特征，與鉆井資料結果比較吻合。該測線歸一化異常曲線揭示了地下目標儲層電阻率的橫向變化趨勢，為井位設計(圖中15km處)提供了依據。對應的異常也具有倒“V”字特征，顯然應該也是油氣有利目標，M-TFEM為該設計井論證提供了有益參考。

4 結論

歷經二十余年的發展，在幾代科研工作者的努力下，海洋電磁儀器系統完成了從樣機到工業化制造的歷程。此次海上試驗證明了OBNEM勘探裝備性能已達到工業化要求，形成了海洋可控源電磁勘探技術工業化作業關鍵技術體系和大功率M-TFEM勘探技術作業能力，為推動中國海洋電磁勘探技術進一步工業化應用奠定了基礎。

(1)工業化深海作業測試結果表明，中國自主研發的海底節點式M-TFEM勘探系統裝備在穩定性和可靠性方面已達到工業化應用水平，實際深海電磁場觀測實驗結果有效地揭示了海底含氣儲層的電性橫向變化特征。

(2)海底節點式M-TFEM采集系統在中國南海北部氣藏區的應用結果表明，基于海底觀測電磁場的歸一化異常有效指示了已知氣藏區的分布，并對待鉆評價區進行了預測，因此，該技術可推廣到更多領域，結合地震勘探開展海底節點式電磁勘探綜合評價，提高海洋油氣勘探的成功率。

感謝BGP海洋電磁研發團隊對該項目的技術支持！