海洋可控源电磁勘探技术

胡小群，李 斌，黄 涛，张异彪

海洋可控源电磁勘探技术

胡小群，李 斌，黄 涛，张异彪

（中国石化集团上海海洋石油局第一海洋地质调查大队，上海 201208）

随着海洋油气勘探开发由浅水区走向深水区，海洋可控源电磁技术（CSEM）可以有效降低深水勘探的钻探风险，正逐步发挥越来越大的作用。由于烃的导电性很差，因此含油气岩层的电阻率远大于周围含水的围岩。通过CSEM勘探技术可以找出低阻背景中的高阻异常体。将CSEM勘探结果与地震资料综合解释，可以大大提高钻探的成功率。论述了CSEM的基本原理、施工方式及影响勘探效果的因素，并与地震勘探资料进行了比较，旨在为我国深水油气勘探开发在选择勘探技术方法上提供参考。

海洋可控源电磁技术；基本原理；信号传播；数据采集；方法比较；影响因素

随着海洋油气勘探开发逐步走向深水领域，可控源电磁法（Controlled Source Electromagentic Methods）技术被越来越多地应用到深水油气勘探中，为有效降低深水勘探的钻探风险增添了一项新的技术。由于烃的导电性很差，因此含油气岩层的电阻率远大于周围含水的围岩。CSEM就是在含水的低阻围岩背景中寻找含油气的高阻异常，探测含油气的高电阻率地层。有专家认为，CSEM是自三维反射地震出现至今几十年来最为重要的地球物理勘探技术[1]。

1 CSEM调查方法

1.1 CSEM基本原理

岩石的导电性主要受组成岩石的基本矿物颗粒、孔隙度及其中的流体、胶结物三个因素的影响。当岩石孔隙中含有油气时，其电阻率会大大提高。

CSEM方法的基础是含油气的目标层与周围含水围岩在电阻率上具有很大差异。含油气岩层的电阻率一般比周围低阻围岩大10～100倍，因此通过CSEM技术探测沉积地层的电阻率分布情况，可以判断岩石孔隙中含的是油气还是水。

CSEM的工作方法是在海底放置多个接收电磁场的接收器，然后在靠近海底位置沿设计测线拖动一个电偶极的发射源。电偶极源发射低频的电磁波（一般为0.1～10 Hz）[2]，电磁波在上覆的水体和下伏的海底岩层中扩散传播，经过地层的电磁波反射信号被海底的接收器接收（图1）。

图1 CSEM勘探原理示意图

电磁波在介质中的衰减程度与介质的电阻率和电磁波的频率有关。电磁波在导电介质中衰减得快，传播速度慢，在高阻介质中衰减得慢，传播速度快。通常海底地层的电阻率都大于海水，所以电磁波在海底地层中比在海水中衰减小。由于这个原因，当发射源与接收器的距离在一个恰当的范围时，其接收到的电磁波信号是以经过地下岩层反射的信号为主（图2中B段）[3]。沿着地下地层传播的电磁波，如果遇到高阻层时，就会形成一种沿着高阻界面传播的导波（可以类比地震中的折射波），这时电磁信号比在通常的低阻海底地层中传播衰减更少。沿着高阻层传播的信号不断扩散，被接收器接收。所以当地下存在含油气高阻时，接收器就会接收到加强的信号。CSEM探测的就是地下高阻层中导波引起的上覆地层电场分布的异常变化。

接收器同时记录接收到电场的强度和相位信息，这些信息与海底岩石的电阻率特性相关。在海底放置多个接收器，沿着测线发射电磁波，就能获得关于海底以下岩层电阻率的分布情况。

图2 信号随偏移距变化曲线

勘探过程中，首先建立有、无油气两种情形下的地层电阻率模型，分别计算其理论的电磁响应，将其与实测的信号比较，不断调整正演的电阻率模型，根据已知的地质条件使得理论的电磁响应与实际情况达到基本吻合。最终得到海底地层的电阻率分布情况，以此判断地层中是否含有油气。

1.2 CSEM信号的传播路径

发射源发射的电磁信号主要沿三条路径传播到接收器（图3）[3]：一是由发射源经过海水直接到达海底接收器的“直达波”；二是向上透过海水后，沿空气—海水界面传播，再向下传播，然后被接收器接收到的“空气波”；三是向下透过海水后在地层中传播，再反射回海底，被接收器接收到的地层反射信号，就是CSEM勘探的有效信号。

图3 CSEM信号传播路径示意图

电磁波在海水中随着传播距离的增加信号强度急速衰减，所以沿第一种传播路径的直达波，在距发射源较近的接收器所接收到的信号较强（图2中的A段），而距发射源较远的接收器所接收到的直达波非常弱。

沿第二种路径传播的“空气波”向上透过海水到达海面后，遇到空气高阻后，沿着海水—空气界面传播。因为空气的电阻非常大，所以电磁信号沿着海水—空气界面传播衰减的非常少。在远离发射源的接收器中，沿其它路径传播的信号已衰减得非常微弱，这时接收器接收到的信号中，以“空气波”信号为主（图2中的C段）。

由于电磁波在海水中传播比在地层中衰减得快，当发射源与接收器增大到一定距离，接收器接收到的信号是以第三种传播路径的信号为主（图2中的B段）。在CSEM勘探中，当偏移距（发射源与接收器之间的距离）是目标层埋深2～5倍时，接收的信号是以来自地层的反射信号为主。

综合分析海水对电磁波的影响，可知为什么CSEM要求有一个深水环境。在浅水区，向上透过海水后形成的“空气波”信号强，掩盖了经地层传播的有效信号，所以浅水区不利于CSEM勘探。另外，深水区可以有效的过滤大地电磁中干扰CSEM的高频波段，背景电磁噪声较少。在现有技术条件下，CSEM一般适用于深水区域。仅从“空气波”和大地电磁噪声来说，水深是越深越好，但对仪器设备的技术要求更高。

1.3 CSEM数据采集

CSEM数据采集首先将多个接收器按一定的排列安放到海底，然后由勘探船拖带发射器，按设计的测线以一定的时间间隔发射电磁信号。施工中勘探船的速度一般为2.8～3.7 km/h（1.5～2节）。对于CSEM来说，主要的仪器为发射器（图4）与接收器（图5）[4]。

图4 CSEM发射器的基本组成

图5 CSEM接收器的基本组成

（1）发射器

由于电磁波在海水中衰减非常快，所以在保证仪器安全的前提下，发射器要尽可能靠近海底，以减少电磁波能量在海水中的衰减，使透过海水进入地层的信号尽可能的强。在施工中，发射器的拖体一般距海底几十米，发射信号的频率一般为0.1～10 Hz。

发射器按照勘探船发出的指令生成设计好的波形。电极发射的电流波形由拖体上的仪器进行测量，并传输到船上进行实时监视。在采集数据中，要记录激发的精确时间，以及发射源的实时动态位置和方向（包括倾斜角度、羽角等）。

在CSEM勘探中，发射源产生的波形一般是方波。通过傅利叶变换可以把方波分解成不同频率的正弦波。其中最强的信号是基波，其频率是主频。除主频外，还有频率是主频奇数倍的谐波。在勘探前，要通过细致的模型正演，根据勘探目标深度，选择合适的主频。

发射源发射的电磁信号强度与发射频率决定了勘探深度。目前发射源可释放几百至上千安培的电流[2]，最大有效勘探深度可达海底以下4 000 m。

（2）接收器

测量电磁场的接收器有两个基本装置：测量电场的一对电极和测量磁场的磁力计。一对电极构成一个电偶极，通过测量两个电极之间的电势差来测量电场强度。磁力计是一组多匝线圈，用于测量磁通量，变化的磁通量在线圈中产生电流，磁力计通过电流的大小来测量磁场强度。

在CSEM勘探中一般测量的是电场。现在的接收器一般由两个正交的水平电偶极组成。接收器放置在海底后，两个水平电极测量的是海底水平面上的正交场。如果想测量垂直电场，就必须在接收器上安装一个垂直电偶极。但垂直电偶极不能太长，主要是垂直方向上容易受洋流的影响产生摆动。

接收器主要由以下几部分组成：一是用来测量水平电场的两个相互正交的电偶极；二是用来记录存储数据的数据记录仪；三是使接收器下沉到海底的水泥基座及其分离装置；四是水下声学定位系统的应答信标；五是接收器上浮的气浮装置。

接收器的电极是银-氯化银（Ag-AgCl）电极，四个电极分别放置在四个长玻璃纤维管的尾端，玻璃纤维管从接收装置的四侧向外伸出。

接收器中的数据记录仪是将电极接收到的模拟信号通过24位模数转换器变成数字信号，并记录到一个闪存上。同时，它能够提供精确的时间，确保数据后处理中记录的数据和发射源及其它接收器的信号能保持同步。

接收器的底部与一个很重的水泥块相连，这使接收器能沉到海底，同时能保证接收器在海底的稳定，不受洋流的影响。勘探结束后，通过船上的水下声学系统发出声控信号，激发释放装置使连接接收器和水泥基座的电线受热熔化断开，接收器在气浮作用下浮出海面。

接收器中有三个独立的电池组：一组电池向数据记录仪供电，一组向水泥基座分离装置供电（用来熔化系着接收器和水泥基座的电线），一组向水下声学定位系统的声学信标供电。向数据记录仪供电的电池一般能持续供电40天，这就保证了操作人员有足够的时间先布置完所有接收器，然后拖带发射源施工。给基座分离系统供电的电池有效时间为一年，确保了施工结束后，有足够的时间回收装置。

接收器沉入海底后，两个正交水平电极的方向是随机的。仪器上装有罗盘，可以测量水平电极的方位。在资料处理阶段，可将测量方向上的电场分解到理想方位。

2 CSEM与地震方法比较

CSEM测量的是人工电场，得到地层电阻率的分布情况，通过区分高阻的油气储层与低阻的含水围岩，从而确定油气储层。地震勘探测量的是速度场，得到的是地层构造形态，并在此基础上寻找可能有油气赋存的地质构造。地球物理具有多解性，如果将多种物探数据结合起来，综合分析，就会减小多解性，从而降低勘探风险。

高频电磁波在海水中迅速衰减，为了使发射的电磁信号能达到较深的勘探深度，发射电磁信号的频率只能是低频。低频的电磁信号决定了它的分辨率不高，与地震相比，它不能提供高分辨率的构造和地层结构信息，这是CSEM方法的固有不足。但CSEM是对岩石缝隙中高阻油气物理性质的直接反映，是一种直接油气指示的方法，而地震勘探中除了亮点技术和AVO外，主要是寻找有利的地质构造。所以，CSEM可直接从油气高电阻率这个物性角度，为地震勘探提供独立、有益的补充信息。若是用地震方法找出油气的有利构造，同时运用CSEM方法得出存在高阻异常，两者综合起来，就会大大增加勘探的成功率。

另外，地震波对地层中的气体很敏感，烃饱和度达20%时就有明显的声阻抗异常（图6），浅层气和没有商业价值的残留烃也具有明显的亮点和AVO异常。而对CSEM来说，只有烃饱和度达到80%以上才具有明显的电阻率异常（图6）[5]。因此，将地震和CSEM综合分析，可以有效降低勘探风险。

图6 声阻抗及电阻率随烃饱合度变化曲线

3 影响CSEM勘探效果的因素

影响CSEM勘探效果的因素有：

（1）工区水深及海底地形。CSEM技术的一个应用前提是要具有一定的水深，使得“空气波”干扰信号能够在大偏移距出现，从而使得在合适偏移距内的接收器获得较强的来自地层的有效信号。海底地形的起伏，直接影响信号在地下地层中的传播路径，产生干扰的异常信号，影响对地下目标深度高阻体的分辨。

（2）勘探目标层的埋藏深度。CSEM勘探目标层的深度不能太深，目前最大的勘探深度为海底以下4 000 m，埋深小于3 000 m（海底以下）目标层勘探效果较好。

（3）勘探目标层要具有一定的规模。目标层不仅纵向上要具有一定的厚度，横向延伸也要具有一定的规模，一般要求横向规模达到埋深的2倍[6]。

（4）勘探目标层电阻率与围岩电阻率差异。一般要求目标层的电阻率高出围岩电阻率1～2个数量级。

（5）勘探目标层是单层，还是多个薄层叠加在一起。如果目标层由多个薄层组成，则目标层的整体电阻率将大大降低，储层与围岩的电阻率差变小，CSEM方法将难以发现。

（6）勘探目标层附近是否有其它高阻异常体。如果目标层附近存在致密灰岩、致密高阻砂岩、盐丘、火山岩等高阻异常体或浅部地层存在高阻体（如天然气水合物），对勘探效果影响较大。

勘查区是否适合进行CSEM勘探，需要对地质条件、储层特征等因素进行综合研究，建立地质模型并进行正演模拟。只有在储层满足CSEM地球物理条件的前提下，才能开展CSEM勘探，否则可能导致勘探的失败。

4 结论

CSEM是随着海洋油气勘探由浅水区走向深水区后发展起来的一种新技术，它调查海底地层电阻率的分布情况。CSEM与地震相结合，可以有效降低深水钻探风险。但该技术与所有地球物理技术一样，有一定的应用前提，因此在采用该项技术进行勘探前，需对勘查区进行地质建模、正演模拟，研究该地区的水深条件、目标体埋深、目标规模及其他因素等，综合分析各种因素后，才能确定是否进行CSEM勘探。

[1] Constable S, Srnka L J. An Introduction to Marine Controlled Source Electromagentic Methods for Hydrocarbon Exploration[J]. Geophysics, 2007, 72(2):3-12.

[2] 孙卫斌，李德春. 海洋油气电磁勘探技术与装备简介[J]. 物探装备，2006，16(1):16-18，32.

[3] 何展翔，余刚. 海洋电磁勘探技术及新进展[J]. 勘探地球物理进展，2008，31(1):2-10.

[4] 斯伦贝谢. 电磁法油气勘探[J]. 油田新技术，2009年春季刊，21(1):4-19.

[5] Jonny Hesthammer, Aris Stefatos, Mikhail Boulaenko, et al. CSEM Performance in Light of Well Results [J]. The Leading Edge, 2010, 29(1):34-41.

[6] Gelius Leiv-J. 3-D modeling of mCSEM data employing various electromagnetic scattering approximations[C]. 2009 SEG Annual Meeting, October 25-30, 2009, Houston, Texas: 864-868.

涠西探区三维地震项目结束野外采集

上海海洋石油局第一海洋地质调查大队承担的中石化自营区块涠西探区三维地震采集项目，6月17日结束野外采集。

2011年，涠西探区钻探的涠3井钻遇多层油气显示，发现了厚380 m的始新统流沙港组优质烃源岩。科研人员深入研究认为，涠西探区南凹陷D次洼与海中凹陷在古近纪断陷期为一连通洼陷。这一地质认识有效提升了海中凹陷勘探潜力。为探明海中凹陷资源前景，中石化集团安排了350 km2三维地震采集项目。

此次三维地震采集项目面积408.607 km2，满覆盖面积350.108 km2。物探队员克服了海域渔船干扰，全面完成采集工作量，为涠西探区下一步井位部署奠定了基础。

摘编自《中国石化报》2012年7月9日

Offshore Controlled-Source Electromagnetic Methods

HU Xiaoqun, LI Bin, HUANG Tao, ZHANG Yibiao
（No.1 Marine Geological Investigation Party, Shanghai Offshore Petroleum Bureau, SINOPEC, Shanghai 201208, China）

With offshore HC exploration and development changing from shallow water to deep water，offshore controlled source electromagnetic technology (CSEM) has been widely used in deep water exploration to reduce exploration risk. Because of the poor conductivity of hydrocarbon, the resistivity of HC bearing rocks is higher than the water-bearing rock. With CSEM exploration techniques, the abnormal body with high resistance can be identif i ed from the low resistance background. The risk of drilling can be reduced greatly through interpretation of CSEM data and seismic data. In this article, the basic principles, the operation ways and the factors which might inf l uence the exploration results are discussed, and the exploration results of CSEM have been compared with the results of seismic exploration. The aim of this article is to provide reference for the selection of deepwater HC exploration and development methods.

CSEM; basic theory; signal propagation; date acquisition; method comparison; factor

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.03.013

1008-2336（2012）03-0013-05

2012-04-05；改回日期：2012-06-12

胡小群，女，1967年生，工程师，1989年毕业于同济大学勘察地球物理专业，主要从事海洋地球物理工作。E-mail：huxiaoqun@sopgc.com。