新型坐底式海洋可控源电磁发射系统及其海试应用

利用拖曳式海洋可控源电磁发射系统在探测埋藏较浅的天然气水合物资源时,会遇到一些新问题.如拖曳式轴向发射偶极源不能贴紧海底,发射偶极源和海底间海水的电磁衰减,使得10 Hz以上的相对高频能量难以导入至海底以下介质;发射偶极源有可能出现水平或垂向摆动;拖曳式发射时,时间窗口内叠加的数据有限;拖曳路线可能与海底构造走向平行,不利于揭示探测目标体的异常形态.新型坐底式发射系统有望解决上述问题.坐底式发射系统的硬件部分包括甲板端供电和监控单元、长距离电力和数据通信单元,以及水下发射机主体.新型坐底式发射系统的发射电极紧贴海底,没有海水层衰减,有利于相对高频的人工源电磁信号经过海底以下介质传输至接收端;通过超短基线信标更容易精确定位发射机拖体,利用姿态方位参考系统确定发射电极的供电方向,可以精确校正电偶源水平偏角的影响;增加单点供电时间,提高接收信号信噪比;提供两对电偶极源,从两个相互垂直的方向对异常体进行人工源激发.2015年海洋试验的结果表明,坐底式与拖曳式发射系统联合作业,可从多角度对海底异常体进行宽频带电磁激发,为数据采集提供丰富的场源信息.

     

MCSEM发射机的远程测控技术研究

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查海底油气和天然气水合物资源的有效方法之一.在MCSEM海洋作业过程中,利用甲板端的监控单元,可以在甲板端对海底发射机进行直观地远程控制和状态监测.监控单元硬件以发射机的通讯模块、万米光电复合缆中的光纤、甲板端控制计算机和光纤转串口的光端机为基础,软件采用图形化的LabVIEW高级编程语言.通过甲板端监控单元,仪器操作人员可建立船上计算机与海底发射机的远程数据通信,从而实现对海底发射机运行状态的实时查看和更改.经过多次海洋实验验证,研发的甲板端监控单元硬件性能稳定、软件界面友好直观,能够很好地满足海洋可控源电磁海上勘探作业的需要.     

深水拖曳式大功率时频发射与多链缆多分量电磁探测系统

海洋可控源电磁探测方法是目前海洋油气资源勘探和海底地质构造调查中不可或缺的物探手段之一.本文研究的深水拖曳式大功率时频电磁发射与多链缆多分量电磁探测系统,是深水双船拖曳式可控源海洋电磁勘探系统的关键组成部分.发射系统利用深拖缆实现了电能在复杂海洋环境下长距离、大功率和低损耗传输,基于大功率变流拓扑结构攻克了2000 A量级、0.01~16 Hz可控的时频域大电流冲击脉冲发射;接收系统建立了主节点与最多5个从节点的数据链接,单个从节点记录到了三轴正交的电磁场分量以及运动姿态信息.海洋试验表明,深水双船拖曳式海洋可控源电磁勘探系统借助发射系统与接收系统之间的时间同步、时频观测、可变收发距和观测装置等技术优势,显著提升了数据质量和有效的数据数量,为后续处理和反演提供了硬件支撑.经过海上试验,整套系统的技术性能得到多次验证,未来有望在深水油气、天然气水合物和海底硫化物等资源勘查以及海底地质构造调查领域获得广泛应用.

     

海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制

海洋天然气水合物资源调查中,电磁法已成为地震勘探最有效的补充手段之一,而我国海洋水合物电磁探测中的拖曳式电场接收机此前是空白.本文从方法原理、仪器设备和海洋试验等方面,对海洋拖曳式水平电偶极-偶极方法进行研讨.建立三维电阻率模型,进行数值模拟,讨论收发距、发射频率、拖曳装置离海底高度等参数与电场异常响应的关系,针对特定模型给出了最佳观测参数以指导仪器硬件设计与海洋测试.在此基础上,采用高级嵌入式计算机的智能化控制、前端低噪声斩波放大、高精度同步采集等技术,研制了由拖体、承压舱、采集电路、低噪声电场传感器等组成的海洋拖曳式水平轴向电场接收机,其系统噪声达到2 nV/√HZ@(1~100Hz).将自主研制的电场接收机用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估,并对海试资料进行了处理与分析.研究结果表明,所研发的仪器达到了设计指标,能够用于海洋天然气水合物调查.     

MCSEM发射电流波形的高精度时间标识技术

加紧研究和发展海洋可控源电磁法(MCSEM)对我国海域能源资源的调查具有重要意义.在MCSEM勘探中,发射机记录的电流波形若没有精确时间标记,则无法与接收机采集到的数据进行同步处理,进而影响到感应电磁场相位信息的提取.本文对海底环境下发射电路所面临的这一亟需解决的特殊问题展开了研究.采用硬件同步分频和超长计数的时间标识技术,基于LPC2368微处理器、GPS对钟电路、高精度温度补偿晶振、CPLD、RTC模块、USB移动硬盘、霍尔电流传感器及其外围电路等搭建的新硬件平台,将高精度时间标记脉冲计数值连同发射电流波形数据一同记录至存储设备中,同时上传至甲板端,便于上位机对水下发射机进行远程监控.最后依托国家专项进行了海洋试验,验证了高精度时间标识技术的可靠性和准确性.     

MCSEM电磁场能流密度分布特征研究

采用海洋可控源电磁方法进行海底油气和水合物的勘查,需事先在海底布放接收机阵列,而后用一艘携带深拖缆的科考船将大功率电磁发射机牵引至海底,沿预设路线慢速走航,并将大功率电磁场导入海底.海底的人工电磁场中,空气波和直达波对提取勘探目标体的异常信息不做贡献.只有当折射波经过被测目标体时,产生电磁感应,海底的接收机对此感应信号进行数据采集,经数据处理,揭示被测目标体的几何大小和物理属性.异常体的有用信息与导入海底电磁场的能流密度（坡印廷矢量）有着密切的关系,以致于后者决定了前者的有效探测范围、有效带宽以及尽可能达到的最佳测量精度.能流密度在海底的分布情况十分复杂,但在均匀全空间中可较清楚地认识其分布特征,可为复杂地质条件的情况作理论铺垫.以此推广,在水平层状介质的地电条件下,建立能流密度的数理模型,利用海洋生产作业中的典型物性与几何参数,对海底以下有覆盖层的高阻体（可模拟油气或天然气水合物）进行正演,建立电磁场能流密度分布特征与数据采集技术的有机联系,为海洋可控源电磁发射机和接收机的优化改进提供理论依据.

     

南海天然气水合物远景区海洋可控源电磁探测试验

为了测试我国自主设计与研发的海洋可控源电磁仪器性能及其在水合物探测中的适用性,本文从海洋可控源电磁法基本原理出发,首先根据试验海域水合物地质特征,建立简化地电模型开展理论研究,确定海洋可控源电磁试验的技术方案;利用研发的海洋可控源电磁仪器,在南海天然气水合物远景区开展探测试验,首次获得了我国深水海域的海洋可控源电磁数据.通过对采集数据进行处理与反演,获得了试验剖面的海底电性结构模型,揭示了4号测点下方存在一个50 m厚的高阻层,其电阻率为25 Ωm、顶部埋深为181 m,为该区天然气水合物调查提供了有价值的电性参考资料.研究结果表明,自主研发的海洋可控源电磁仪器性能达到了预期的设计指标,这标志着我国海洋可控源电磁探测技术向实用化进程迈出了重要一步.     

海底可控源电磁接收机及其水合物勘查应用

海洋可控源电磁法在国外已成为海底天然气水合物调查的有效手段之一.为实现我国海域深水条件下水合物的海洋可控源电磁探测,本文从方法原理出发,采用低功耗嵌入式控制、前端低噪声斩波放大、高精度时间同步和水声通讯等技术,设计并开发了由承压舱、玻璃浮球、采集电路、电场与磁场传感器、姿态测量装置、声学释放器、USBL定位信标、测量臂、水泥块等部件组成的海底可控源电磁接收机,实现了海洋微弱电磁场信号的高精度采集.海底可控源电磁接收机具有高可靠性、低噪声、低功耗和低时漂的特点.利用研制的海底可控源电磁接收机,在琼东南海域进行水合物勘查,采集得到了可靠的人工源电磁场数据.通过数据处理及反演,获得了研究区海底的电阻率模型,结合地震资料,对高阻异常体进行推断解释,其结果为天然气水合物钻探井位布置提供了电性依据.

     

单船拖曳可控源电磁数据自适应分频匹配滤波消噪方法

海洋可控源电磁法(MCSEM, Marine Controlled-Source Electromagnetic Method)是一种工业化的主动源海洋电磁勘探方法, 近年来在海底油气资源探测中收效显著, 通过测量海底地下介质的电阻率变化, 能够有效降低地震勘探方法的多解性.MCSEM的工作方式主要有单船拖曳与双船拖曳两类.单船拖曳信号具有强时变特征, 近、中、远收发距信号强度变化极大.由于海水环境较为复杂, 数据受到洋流、背景场、仪器等多种因素干扰, 使得小收发距数据信噪比较高, 中、远收发距数据信噪比较低, 因此MCSEM数据随机干扰压制方法的研究难点在于适应数据的强时变特征.本文利用发射机数据与接收机数据的时间(空间)和频率对应关系, 提出基于正则化条件和衰减函数约束的自适应分频匹配滤波方法.该方法首先通过计算原始接收机数据基频的振幅随偏移距变化(MVO, Magnitude Versus Offset)曲线获取衰减函数, 然后利用该衰减函数将发射机所有频点数据进行振幅衰减, 减低MCSEM发射机与接收机数据对应振幅的强时变差异, 最后利用基于整形正则化条件的自适应匹配滤波方法压制接收机数据中的强振幅随机噪声.模型数据与实际数据的处理结果表明, 本文提出的方法能够有效压制MCSEM数据中不同收发距的随机噪声干扰, 保护具有强时变特征的接收机数据, 提升整体数据质量.

     

层状垂直各向异性介质海洋CSEM发射源及接收站姿态和位置对电磁响应影响研究

众所周知,电阻率各向异性对海洋可控源电磁（CSEM）响应有显著影响.在模拟和解释海洋可控源电磁资料时,通常假设接收站布放于平稳的海底,发射源以理想的水平电偶极源形式按预设路径拖曳前进.然而,在实际海洋作业中,自由下沉的接收站可能沉降在局部倾斜的海底面上,在海底的方位可能是任意取向的.同时,由于洋流等因素的影响,发射源偶极子会发生旋转、倾斜,其位置也会偏离预设的拖曳路径,所以发射源和接收站姿态的变化都将对电磁资料产生影响.本文计算了电阻率各向异性介质中,发射源任意姿态任意位置激发、接收站任意姿态任意位置接收的海洋CSEM响应,分析观测系统引起数据误差的机制,分别在电阻率各向同性、围岩电阻率各向异性和高阻储层电阻率各向异性三种模型中,讨论发射源和接收站的姿态及位置变化对响应的影响.计算结果表明,电磁场振幅误差主要来源于发射源和接收站的倾斜角,而相位的变化为发射源位置和接收站倾斜角、位置共同影响的结果.

     

Two types of marine controlled source electromagnetic transmitters

Marine controlled source electromagnetic methods are used to derive the electrical properties of a wide range of sub‐seafloor targets, including gas hydrate reservoirs. In most marine controlled source electromagnetic surveys, the deep‐tow transmitter is used with a long horizontal electric dipole being towed above the seafloor, which is capable of transmitting dipole moments in the order of up to several thousand ampere‐metres. The newly developed deployed transmitter uses two horizontal orthogonal electrical dipoles and can land on the seafloor. It can transmit higher frequency electromagnetic signals, can provide accurate transmission orientation, and can obtain higher signal stacking, which compensates for the shorter source dipole length. In this paper, we present the study, key technologies, and implementation details of two new marine controlled source electromagnetic transmitters (the deep‐tow transmitter and the deployed transmitter). We also present the results of a marine controlled source electromagnetic experiment conducted from April to May 2014 in the South China Sea using both the deep‐tow transmitter and the deployed transmitter, which show that the two types of marine transmitters can be used as effective source for gas hydrate exploration.     

海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究

海洋电磁理论是建立在水平发射偶极的基础上.然而,由于海底洋流作用海洋可控源发射偶极可能产生水平摆动、倾斜和水平旋转,造成测量数据与理想状态的水平电偶极子的电磁响应有较大的偏差.为了研究发射源姿态变化对场的影响,本文提出利用欧拉旋转将发射偶极由源坐标系转换到地球坐标系,进而分析发射源姿态变化造成海洋电磁观测数据的误差分布...     

海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究

海洋电磁理论是建立在水平发射偶极的基础上.然而,由于海底洋流作用海洋可控源发射偶极可能产生水平摆动、倾斜和水平旋转,造成测量数据与理想状态的水平电偶极子的电磁响应有较大的偏差.为了研究发射源姿态变化对场的影响,本文提出利用欧拉旋转将发射偶极由源坐标系转换到地球坐标系,进而分析发射源姿态变化造成海洋电磁观测数据的误差分布特征.研究发现,对于发射源水平摆动和倾斜造成的海洋电磁观测数据的畸变,其分布规律取决于接收机所在区域.以发射频率1 Hz为例,对于由发射源水平摆动或倾斜导致的地球坐标系中的两个等效电偶极子分量产生的水平电场Ex,在旁线区域,二者的相位差约为360°,接收机接收到的电场信号约为两个偶极子场之和;而在同线区域,二者的相位差接近于180°,接收机接收到的信号为两者之差.在两个区域的交界处,发射源姿态对电磁信号影响最大.相比之下,发射源水平摆动只改变发射源的位置,不会改变源的性质,其影响主要发生在收发距较小的区域.本文的研究成果有助于海洋电磁系统设计时确定发射源姿态变化的参数指标,同时也为未来实际海洋电磁观测时分析和校正发射源姿态变化造成的观测数据误差提供理论基础.     

层状各向异性介质海洋可控源电磁场灵敏度计算及特征分析

海洋可控源电磁（CSEM）方法已广泛应用于地质构造研究以及海底资源探测,但其在各向异性地层中的分辨能力依然不明确.灵敏度分析是一种分析电磁场对探测目标分辨能力的有效方法,传统的地球物理反演方法也需要精确计算电磁场关于地下介质电阻率的灵敏度.在模拟和解释海洋CSEM资料时,地球物理数值模拟常在笛卡尔直角坐标系下进行,且通常假定发射源为理想的水平电偶极源.然而,在实际的海洋可控源电磁勘探作业中,由于海水运动等影响,发射源可能会发生旋转和倾斜等.复杂姿态的电偶极源可通过计算并矢量叠加三个正交方向发射源分量的电磁场以获得总电磁场,因此需三个正交方向电偶源电磁场的计算方法.本文推导了笛卡尔直角坐标系下,电阻率垂直各向异性介质中三个正交方向电偶极源电磁场表达式,并详细导出了电磁场分量关于各向异性电导率的灵敏度解析表达式.通过与各向同性算法对比,验证了本文所提出灵敏度计算方法的正确性;模拟了不同方向电偶源情况下地电模型的灵敏度并分析其特征.计算结果表明,薄层将显著影响地下介质各向异性电阻率的灵敏度分布,垂直电偶源对海底地层各向异性电阻率的分辨能力高于水平电偶源,通过反演各向异性率间接恢复低灵敏度的各向异性电阻率值是一个可行的反演策略.

     

基于二次场的海洋可控源电磁法三维有限元正演

根据库伦规范势的定义,推导出关于磁矢量势和电标量势的偏微分方程,为了克服由电流源引起的奇异性和数值模拟计算困难,将电磁总场分解为一次场和二次场,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维正演算法得到,二次场由有限元法计算得到,实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演算法。通过一维数值模拟实例,验证该算法的计算精度。然后,利用该算法对带海底地形的三层储层模型进行正演,分析了海底地形对海洋控源电磁场各分量产生的影响。