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.

     

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.     

南海琼东南盆地天然气水合物稳定域分布特征及资源预测

琼东南盆地油气地质显示盆地内具有生物成因和热成因天然气的巨大生成能力和远景. 地震剖面显示盆地内发育有泥底辟和气烟囱、沟通泥底辟和气烟囱与海底的断裂及可能正在活动的天然气冷泉,这些特征非常有利于天然气水合物的发育. 通过天然气水合物热力学稳定域预测,确定了琼东南盆地天然气水合物的平面和剖面分布特征. 生物成因甲烷水合物分布于水深大于约600m的海底,稳定带最大厚度约314m;热成因天然气水合物分布于水深大于约450m的海区,稳定带最大厚度约410m. 盆地内天然气水合物远景总量约10×109m3,水合物天然气远景为1.6×1012m3.     

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.     

海洋天然气水合物可控源电磁法的响应特征:一维正演模拟

We discuss the feasibility of using controlled-source electromagnetic （CSEM） in the frequency domain for prospecting marine gas hydrates. Based on the Ocean Drilling Program （ODP） Leg 164 log data, we have established several 1-D resistivity models which have different gas hydrate concentrations. Meanwhile, we analyzed the electromagnetic response of marine gas hydrates in the frequency domain based on these models. We also studied the relationship between electrical field magnitude or phase and parameters such as receiver-transmitter distance and frequency. Our numerical modeling results provide us with a quantitative reference for exploration and resource evaluation of marine gas hydrates.     

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.

     

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.     

南海北部琼东南盆地HQ-1PC沉积物孔隙水的地球化学特征及其对天然气水合物的指示意义

HQ-1PC站位位于琼东南盆地中部,对该站位沉积物孔隙水的地球化学分析发现其3～4m处有明显的盐度异常,说明该站位在沉积物浅表层有明显的高盐度流体加入.其他地球化学特征也显示在该深度有一亏损硫酸盐、富含碘的流体加入,这种流体特征与水合物形成时排放的高盐流体相似.在4m以下,HQ-1PC站位则表现出了明显的甲烷厌氧氧化特征,主要表现为浅的硫酸盐还原界限、高硫酸盐通量、高自生碳酸盐沉积等特征,同时在该深度以下碘也表现出了异常高的通量,暗示HQ-1PC站位所在区域具有高的有机质含量,微生物活动强烈,可为水合物的形成提供充足的气源.再结合明显的盐度异常特征,推测在该站位浅表层附近很有可能有天然气水合物生成,水合物在形成过程中排出的高盐流体及散逸出的甲烷气引起了一系列的地球化学异常现象.     

琼东南盆地块体搬运沉积区多类型水合物赋存特征与数值模拟

南海北部琼东南盆地陵水凹陷的钻探、三维地震与地球化学分析表明, 该区域发育热成因气控制的呈烟囱状反射特征的裂隙充填型和薄砂层的孔隙充填型水合物.不同站位水合物富集程度、厚度与赋存形态不同, 这种复杂水合物富集成藏的控制因素还有待进一步明确.本文利用宽频处理三维地震与随钻测井资料, 精细识别了裂隙充填型水合物发育的空间分布, 分析了断层与块体搬运沉积物对水合物赋存的影响, 通过建立重烃气体影响的Ⅱ型水合物稳定带底界, 并结合数值模拟方法, 定量模拟了多类型水合物形成与富集的控制因素.结果表明: 起源于基底隆起的断层连通了深部气源与浅部水合物稳定带, 控制着深部热成因气向上运移, 发育的多期块体搬运沉积内局部裂隙及下部的有利砂层, 使水合物在垂向上呈多层叠置分布特征.

     

南海北部陆坡气源条件对水合物成藏影响的模拟研究

南海北部陆坡包括神狐海域在内无论在横向上还是纵向上影响水合物形成与分布的地质因素差异较大,其气源条件的变化是否为一种重要因素值得探索.本文将前人南海北部陆坡气源类型和气体组成概括为14种情况,分别运用模拟手段定量-半定量地分析它们对水合物成藏可能带来的影响.模拟结果显示,与神狐海域已知水合物相比,不同气体组成形成水合物所需温度条件增大0.49~5.44℃,多数增大2℃以上.可以看出,不同气体组成明显改变水合物的形成条件,暗示着不同类型气源可能是影响南海北部陆坡水合物形成与分布的重要因素.     

南海含天然气水合物地层地震反射特征及可能分布研究

天然气水合物是当前能源与环境领域的研究热点之一,南中国海是天然气水合物赋存的有利区域。天然气水合物的存在改变了沉积地层的声学特征,这一性质使多道地震勘探成为发现海洋天然气水合物的主要手段。本文首先根据地震成像结果定性分析南海可能含天然气水合物沉积地层的地震反射特征,初步确定天然气水合物存在的可能性并指出地震成像关键技术。在无井条件下,构建虚拟井进行波阻抗反演得到定量的地层速度参数进一步证实这一可能性,最后将反演获得的速度场与ODP184 航次在此区域获得的地球物理、地球化学信息综合分析,可以确定此区域天然气水合物的存在及其空间展布。     

Effects of the sea floor topography on the 1D inversion of time‐domain marine controlled source electromagnetic data

Time‐domain marine controlled source electromagnetic methods have been used successfully for the detection of resistive targets such as hydrocarbons, gas hydrate, or marine groundwater aquifers. As the application of time‐domain marine controlled source electromagnetic methods increases, surveys in areas with a strong seabed topography are inevitable. In these cases, an important question is whether bathymetry information should be included in the interpretation of the measured electromagnetic field or not. Since multi‐dimensional inversion is still not common in time‐domain marine controlled source electromagnetic methods, bathymetry effects on the 1D inversion of single‐offset and multi‐offset joint inversions of time‐domain controlled source electromagnetic methods data are investigated. We firstly used an adaptive finite element algorithm to calculate the time‐domain controlled source electromagnetic methods responses of 2D resistivity models with seafloor topography. Then, 1D inversions are applied on the synthetic data derived from marine resistivity models, including the topography in order to study the possible topography effects on the 1D interpretation. To evaluate the effects of topography with various steepness, the slope angle of the seabed topography is varied in the synthetic modelling studies for deep water (air interaction is absent or very weak) and shallow water (air interaction is dominant), respectively. Several different patterns of measuring configurations are considered, such as the systems adopting nodal receivers and the bottom‐towed system. According to the modelling results for deep water when air interaction is absent, the 2D topography can distort the measured electric field. The distortion of the data increases gradually with the enlarging of the topography's slope angle. In our test, depending on the configuration, the seabed topography does not affect the 1D interpretation significantly if the slope angle is less or around 10°. However, if the slope angle increases to 30° or more, it is possible that significant artificial layers occur in inversion results and lead to a wrong interpretation. In a shallow water environment with seabed topography, where the air interaction dominates, it is possible to uncover the true subsurface resistivity structure if the water depth for the 1D inversion is properly chosen. In our synthetic modelling, this scheme can always present a satisfactory data fit in the 1D inversion if only one offset is used in the inversion process. However, the determination of the optimal water depth for a multi‐offset joint inversion is challenging due to the various air interaction for different offsets.     

南海北部深水盆地流体活动系统及其成藏意义

根据高精度的3D和2D地震资料,对南海北部深水盆地的流体活动系统的类型、影响因素和它们之间的演化关系进行了研究.南海北部深水区存在着包括:泥火山、泥底辟、气烟囱、管状通道、多边形断层和构造断层等多种类型的流体活动系统.根据地震反射特征,可以把它们划分为断层有关的流体活动系统和柱状流体活动系统两大类.研究发现研究区内的流体活动系统主要受构造和沉积两方面的影响.并且,气烟囱、泥底辟和泥火山存在着单向演化的关系,可以从是否有沉积物参与运移及是否喷出海底将它们区分开来.最后,本文探讨了流体活动系统对深水油气和天然气水合物成藏的重要影响,建立了南海北部流体活动系统的存在模式.     

源和勘探区间导电体对有源电磁勘探影响的2D数值模拟研究(英文)

在CSEM野外工作中,通常把接收机置于离源3~5倍趋肤深度以外的远区。本文从正演和反演两个角度研究了当源和接收机之间存在导电体时,该导电体对远区中目标体响应的影响。2D有限元正演结果表明导电体主要影响中低频的观测结果,导电体的电导率越低,尺寸越大,影响也越大,并且影响程度随着观测频率的降低而逐渐加大。反演结果表明若不考虑源和勘探区间导电体的存在,反演得到的目标体横向位置会向源的方向移动,带来解释上的误差。在CSEM实际工作中,应该是采用多方位的场源作三维采集和三维反演,以减少源和勘探区间低阻体的影响。     

末次盛冰期以来南海南部天然气水合物储库变化及其对环境的影响

末次盛冰期以来南海南部海平面及海洋底水温度均发生了很大的变化. 为了研究南海南部天然气水合物稳定带厚度在这个过程中的变化情况及其对环境的影响,我们利用相关的计算公式,并编制了计算稳定带厚度的程序,在南海南部的南沙海槽、曾母盆地、巴拉望盆地和苏禄海等四个重点海域选取了35个点进行末次盛冰期及目前稳定带厚度的计算. 计算结果表明,南海南部末次盛冰期和目前的天然气水合物稳定带厚度分别为262m和233m;甲烷资源量分别为2.69×1013m3和2.39×1013m3;水合物资源量分别为1.64×1011m3和1.46×1011m3. 这说明自末次盛冰期以来,南海南部稳定带厚度平均减薄了29m,平均减薄百分比为12%,同时释放了大约3.0×1012m3的甲烷,这些甲烷对环境产生了较大影响,对末次冰期的结束起了较大作用.     

Controlling factors on the submarine canyon system: A case study of the Central Canyon System in the Qiongdongnan Basin,northern South China Sea

Based on an integrated analysis of high-resolution 2D/3D seismic data and drilling results, this study analyzes the tectonic-sedimentary evolution of the Qiongdongnan Basin (QDNB) since the late Miocene, and discusses the controlling factors on the formation and development of the Central Canyon System (CCS). The sediment failures caused by the relative sea level falling might have discharged deposits from the slope to the canyon. The two suits of the infillings, i.e., turbidites and mass transport complex (MTC), were derived from the northwestern source and northern source, respectively. The sediment supplies, which differ significantly among different areas, might have led to the variations observed in the internal architectures. Tectonic transformation around 11.6 Ma had provided the tectonic setting for the CCS and formed an axial sub-basin in the central part of the Changchang Depression, which could be called the rudiment of the CCS. The tectonic activity of the Red River Fault (RRF) at about 5.7 Ma might have strengthened the hydrodynamics of the deposits at the junction of the Yinggehai Basin (YGHB) and the QDNB to trigger a high-energy turbidity current. The MTC from the northern continental slope system might have been constrained by the Southern Uplift, functioning as a barrier for the infillings of the CCS. Thanks to a sufficient sediment supply during the Holocene period and the paleo-seafloor morphology, the relief of modern central canyon with the starving landform in the eastern Changchang Depression might have been accentuated by deposition of sediments and vertical growth along the canyon flanks, where collapse deposits were widely developed. Corresponding to the segmentation of the CCS, the forming mechanisms of the canyon between the three segments would be different. The turbidite channel in the head area had likely been triggered by the abundant sediment supply from the northwestern source together with the fault activity at about 5.7 Ma of the RRF. The formation and evolution of the canyon in the western segment were caused by combined effects of the turbidite channel from the northwestern source, the MTC from the northern continental slope, and the paleo-seafloor geomorphology. In the eastern segment, the canyon was constrained by the tectonic transformation occurring at approximately 11.6 Ma and the insufficient sediment supply from the wide-gentle slope.