水中电偶极子空中磁场响应的一维频率域分析

张双狮， 王绪本， 王堃鹏， 祝忠明， 王卫华

(1.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610000；2.中国人民武装警察部队学院，廊坊 065000)

0 引言

传统海洋电磁勘探设备在深海油气勘探获得了很大成功，接收器置于海底，采集和处理主要在频率域进行，利用幅度和相位偏移距曲线来体现异常特征[1]，经过十几年的商业运作如今已经较为成熟，世界范围内的主要海洋油气田进行的数百次商业化勘探作业表明，其对提高海洋钻探成功率起到极其重要的作用[2-4]。然而，传统海洋电磁勘探设备在浅海区由于受到空气波的干扰，而不能发挥其固有作用[4-5]。

近年来，浅海区域电磁勘探系统受到国内、外能源企业和科研机构的广泛关注。较为成功的设备是挪威PGS公司从2004年开始研制的拖拽系统，2006以来PGS公司首先利用最新研制的浅海拖拽式电磁勘探系统在挪威北海油田进行了试验，取得良好的效果[6-9]。浅海拖拽系统中，多个接收器被水平拖拽于一条缆线上，延伸几公里长，接收平行于发射方向的电场，如图1(a)所示，其最大的问题是接收电极的铠装平衡，海浪噪声的压制。作者提出另一种接收模式，采用无人和有人操纵的飞行器于空中接收磁场，通过分析磁异常来了解地下的电性结构，该种模式很好地避免了空气波的干扰，省去了几公里长浮力接收拖缆布放、回收及保持平衡的工作，便携性更强。模型见图1(b)。

采用空中接收的模式，发射电缆既可以由船拖拽，也可以固定在某处。实践证明空中采集电磁数据的效率比船测高的多，覆盖面积大，数据处理快，成本低，美国海军工程局的资料表明：一架飞机200 h的工作量相当于一艘常规测量船13 a的工作量，而费用只是同样测量面积的1/5[10-14]。

图1 浅海电磁勘探系统模型Fig．1 Shallow-water model of electromagnetic prospecting system(a)水中拖拽接收模式；(b)空中飞行接收模式

作者从水中电偶极子激发电磁场，空中接收磁场的思路出发，采用一维频率域程序计算分析了该方法下测线布置、发射信号频率、海水深度、储层埋深、储层厚度、储层电阻率及空中测量高度等多种因素对空中磁场响应的影响，每种情况比较了储层为高阻和低阻时磁异常的变化规律。

1 计算方法及测线的布置

本文一维频率域电磁计算的核心算法及主要程序来自SCRIPPS海洋研究所的Kerry Key[15]，该算法是目前海洋电磁一维频率域计算中公认较准确、可靠的方法，电偶极子源可以是水平或竖直放置于水中或海底中，水平介质分布从海洋三分空间(空气、海水、海底)到n层导电介质。该算法也常用来检验海洋电磁二维、三维数值模拟结果的正确性。因此，作者将其作为海空联合电磁勘探有效性的验证方法。如图2所示建立z轴向下为正的右手直角坐标系，单位为m，坐标原点位于海平面，电偶极子位于水中(0,0,450)处，距海底50 m，电偶极子沿y方向水平激发，发射频率0.1Hz，海水深度hw= 500 m，储层埋深hs=500 m，储层厚度hr=100 m，飞行高度hf=1 000 m，空气，海水，围岩，储层电阻率分别为0.01 ohm·m、12 Ω·m、 0.3 Ω·m、1 Ω·m、0.01 Ω·m。

图2 海空电磁测量模型示意图Fig．2 Marine and airborne electromagnetic measurement model

如图2所示，于空中设计5类测线，测量三分量磁场，分别为@1从(0,0,-1 000)开始沿y方向布放201个测点，测线长20 km；@2从(100,0,-1 000)开始沿y方向布放201个测点，测线长20 km；@3从(0,100,-1 000)开始沿x方向布放201个测点，测线长20 km；@4从(0,0,-1 000)开始沿x方向布放201个测点，测线长20 km；@5，从(0,0,-1 000)开始沿与y轴夹角45°方向布放201个测点，测线长30 km。其中@1-@4测点间距100 m，@5测点间距141 m。在5条测线上测量三分量磁场，计算中发射偶极子电流矩为1Am，认为磁导率在整个计算空间不变，因此，下面将计算得到的磁感应强度认为是磁场强度。计算结果见图3。

从图3可以看出，在@1上Bx最强，理论上By和Bz为0，计算结果虽然有值，但与前者相差16个数量级，非零值来源于计算精度和误差。因此，@1上只有Bx分量；@4上By=0，只有Bx和Bz分量；其他几种情况都可以测量到三分量磁场Bx，By和Bz。实际测量可选@2、@3、@5、或围绕(0,0，-1 000)的环形测线。

图3 不同测线上的磁场强度随偏移距的变化规律Fig．3 MVO( magnitude of magnetic field versus offset) on a different survey line(a)@1上三分量磁场的MVO曲线;(b)@2上三分量磁场的MVO曲线;(c)@4上三分量磁场的MVO曲线;(d)@3上三分量磁场的MVO曲线;(e)@5上三分量磁场的MVO曲线

2 影响空中磁场的几个因素分析

2.1 发射频率对空中磁场响应的影响

发射频率是导电介质中电磁勘探非常重要的指标，关系到探测深度和范围，海洋电磁中一般取发射频率范围为0.01 Hz～10 Hz。如图2所示，设hw=500 m，hs=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，分两组计算，储层中分别填充高阻体ρ=100 Ω·m，低阻体ρ=0.01 Ω·m。发射频率f分别为0.01 Hz、0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz和1 Hz，在@3上测量Bz，高阻储层模型的磁场响应与背景模型磁场响应的比值随偏移距的变化见图4(a)，低阻储层模型的磁场响应与背景模型磁场响应的比值随偏移距的变化见图4(b)。其中，Bx-bg为背景模型的空中磁场响应，Bx-Hr为含高阻储层时的空中磁场响应，Bx-Lr为含低阻储层时的空中磁场响应。

可以看出，在该模型中，发射频率为0.05 Hz和0.1 Hz的发射信号，能较好地反应储层电阻率异常，根据电磁波在导电介质中趋肤深度公式：

假设海水深度500 m，电阻率为0.3 Ω·m，在水中走一个来回满足上式的频率为0.08 Hz，与数值模拟的结果相符。在实际的施工设计中要确定电偶极子的发射频率，首先需确定勘探区域的大致水深、储层埋深、储层厚度及电阻率分布，然后根据趋肤深度公式和数值模拟相结合的办法来确定。

2.2 海水深度对空中磁场响应的影响

海洋电磁频率域探测，在小于500 m水深的浅海区域，由于空气波的干扰几乎无法进行[5]，于空中接收磁场却可以避免空气波的干扰，在浅海区能发挥较好的作用。如图2所示，设hs=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，储层电阻率分别为0.01 Ω·m,100 Ω·m，海水深度hw=100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m时@3上的Bz的异常响应如图5所示。

图4 发射频率对空中磁场响应的影响Fig．4 The influence of transmission frequency over aerial magnetic field response(a)含高阻储层磁异常Bz的MVO；(b)含低阻储层磁异常Bz的MVO

图5 海水深度对空中磁场响应的影响Fig．5 The influence of ocean depth over aerial magnetic field response(a)含100 Ω·m高阻层时Bz的归一化MVO； (b)含0.01 Ω·m低阻层时Bz的归一化MVO

对于图2所示模型，0.1 Hz的发射频率对不同海水深度，相同埋深，相同厚度的异常电阻率储层，其空中磁场异常都比较明显，海水越浅，异常越明显，海水越深，异常在更近的偏移距凸显，随着海水深度越来越浅，异常凸显的偏移距也越来越远，低阻层引起的磁场异常远远强于高阻层，其中高阻层引起的磁异常变化为2%～8%，低阻层引起的常变化为10%～60%。

2.3 储层埋深对空中磁场响应的影响

如图2所示，设hw=500 m，hr=100 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，储层电阻率分别为0.01 Ω·m、100 Ω·m，储层埋深hs=100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m时@3上Bz的异常响应见图6。

0.1 Hz的发射频率对相同海水深度，相同厚度，不同埋深的异常电阻率储层，其空中磁场异常都比较明显，储层埋深对高阻异常影响较小，深度相差500 m以内磁异常差别较小；对于低阻异常，埋深即使有100 m的差别，对磁异常的影响也较大。

2.4 储层厚度对空中磁场响应的影响

如图2所示，设hw=500 m，hs=500 m，hf=1 000 m，f=0.1 Hz，储层的电阻率分别为 0.01 Ω·m、100 Ω·m，储层厚度hr=10 m，20 m，30 m，50 m，100 m时@3上Bz的异常响应见图7。

磁场响应对于油气等高阻异常储层的厚度较为敏感，对储层厚度的分辨力较好；而对金属矿等低阻异常储层的厚度不敏感，对储层厚度的分辨力较差。

图6 储层埋深对空中磁场响应的影响Fig．6 The influence of buried depths of reservoirs over aerial magnetic field response(a)含高阻层时Bz的归一化MVO；(b)含低阻层时Bz的归一化MVO

图7 储层厚度对空中磁场响应的影响Fig．7 The influence of reservoir thickness over aerial magnetic field response(a)含高阻层时Bz的归一化MVO； (b)含低阻层时Bz的归一化MVO

2.5 储层电阻率对空中磁场响应的影响

如图2所示，设hw=500 m，hs=500 m，hf=1 000 m，hr=100 m，f=0.1 Hz，储层电阻率分别为0.01 Ω·m、0.1 Ω·m、1 Ω·m、10 Ω·m、100 Ω·m，1 000 Ω·m时@3上Bz的异常响应如图8所示。

储层电阻率从0.01 Ω·m增加到10 000 Ω·m时，如图8(a)所示，空中磁场异常响随偏移距的变化趋势相同，没有数量级的差别，将各种情况下的磁场响应相对背景模型响应归一化后，如图8(b)所示，储层电阻率大于围岩时，归一化幅度随偏移距的变化趋势为先增大后减小，最后恒定；储层电阻率小于围岩时，其变化趋势为先减小后增大，最后恒定。但是从归一化异常变化看出，空中磁场异常响应对海底含金属矿等低电阻率异常分辨率较高，而对油气等高电阻率异常的分辨率很低。

2.6 飞行高度对空中磁场异常的影响

海上航空磁测直升飞机的飞行高度一般为195 m[11-12],海洋电磁空中磁场测量采用的飞行器尚无研究，实际的飞行高度还需根据飞行器、磁传感器的灵敏度、海洋环境而定。

如图2所示，设f=0.1 Hz，hw=500 m，hs=500 m，hr=100 m，储层电阻率分别为0.01 Ω·m、100 Ω·m，飞行高度为hf=200 m、300 m、500 m、1 000 m、3 000 m时@3上Bz的异常响应见图9。

图8 储层电阻率对空中磁场响应的影响Fig．8 The influence of reservoir resistivity over aerial magnetic field response(a)非归一Bz的MVO曲线;(b)各种情况归一化Bz的MVO曲线

图9 飞行高度对空中磁场响应的影响Fig．9 The influence of flight altitude over aerial magnetic field response(a)含高阻层时Bz的归一化MVO;(b)含低阻层时Bz的归一化MVO

不论是高阻或者是低阻异常储层，飞行高度对磁异常的测量影响都比较明显，对于高阻储层，hf=3 000 m和hf=200 m，磁异常的最大差别约为8%；而对于低阻储层，两者的最大差别约为60%。

3 结论与认识

(1)空中测线布置、水中电偶极子发射频率、海水深度、储层埋深、储层厚度、储层电阻率以及飞行器飞行高度等几个因素对空中测量到的三分量磁场变化都有较大的影响。(2)测线布放在与电偶极子垂直的方向或者与电偶极子呈一定角度的射线方向更有利于测量。

(3)针对不同的环境，可以用一维频率数值模拟方法和趋肤深度公式确定适合的发射频率。(4)水中电偶极子在空中的磁场，对海洋海底油气等高阻、金属矿产等低阻异常都有明显的异常响应，对低阻异常的响应比高阻更强。

(5)空中磁场对高电阻率储层的厚度有较好的分辨力，而对低电阻率异常体的电阻率有较好的分辨力。

海空联合电磁勘探模式有三个显著优点：①避免了海洋电磁浅海区勘探空气波的干扰；②免去水中接收电磁场时接收设备的布放、平衡和防干扰处理、回收及存放等诸多麻烦；③勘查效率高。因此，该模式的应用前景广阔。但是，其有效性和可行性还有待二、三维的方法研究及相关实验进一步证实。

致谢

感谢scripps海洋研究所Kerry Key在数值模拟中给予的帮助。

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