海底节点式时频双域电磁采集系统及试验

2021-05-15任文静何展翔孙卫斌张东阳卢昭阳

石油地球物理勘探 2021年2期

任文静何展翔孙卫斌张东阳卢昭阳鲁瑶

(①东方地球物理公司西安物探装备分公司，陕西西安 710082；②深圳市深远海油气勘探技术重点实验室，广东深圳518055；③南方科技大学前沿与交叉科学研究院，广东深圳 518055；④东方地球物理公司综合物化探处，河北涿州 072751；⑤武汉理工大学航运学院，湖北武汉 430063)

0 引言

中国“十三·五”科技创新规划明确要求建立保障国家能源安全和战略利益的技术体系，加强“深海、深地、深空、深蓝”等领域的战略高技术部署，加快海洋地质构造探测和深海探测技术研发进程，为中国深海资源开发利用提供科技支撑。中国海洋油气特别是深水油气资源潜力巨大，但勘探开发能力严重不足。近年来，海洋油气勘探开发得到快速发展，海洋三维地震、多维多分量地震及海洋电磁等技术取得很大进展[1-2]，但是中国深水勘探开发技术总体主要依赖西方国家，油气井勘探成功率不足三成，海洋油气资源勘探技术难以满足实际需要。早在二十多年前，西方国家海洋油气勘探开发就从浅海、半深海延伸至深海，突破了深水领域的技术瓶颈[3-4]。海洋可控源电磁勘探成功的标志是2004年ExxonMobil石油公司应用海洋可控源电磁(MCSEM)技术在墨西哥湾部署13口探井，并全部获得工业油气流，随后多个西方国家在全球海域采用MCSEM技术发现海底油田，引发了此技术的市场垄断、瓜分，甚至一些油公司规定没有MCSEM资料就不能开展钻探，使MCSEM勘探工作量猛增。因此，发展中国自主知识产权的MCSEM技术时不我待。

众所周知，海洋资源勘探开发是一个高科技、高风险、高回报的经济技术领域，多方法综合勘探成为海洋油气勘探的趋势[1]。地震成像技术能探测油气构造圈闭，但是不能识别圈闭内的流体性质，而MCSEM技术可以基于地震解释识别有效储层，提高钻探成功率[3-5]。MCSEM技术的发展经历了曲折的过程，其起源可以追溯到20世纪70年代初[6]，直至90年代末电子仪器技术、计算机技术和数值模拟方法得到快速发展，深海电磁勘探试验成功，MCSEM技术从实验室走向实际应用。最早开展海洋电磁研究的是加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所，该所目前在仪器制造[7]、处理解释技术[8]和实际应用[9-10]等方面已取得多项标志性成果。与此同时，剑桥大学成功研制了深海拖曳式电磁发射仪。ExxonMobil在20世纪90年代末就拥有海洋电磁船队，形成了3RM油藏电阻率遥测圈定技术[3-4]，并开展了大量实际勘探工作。多伦多大学研制了一套用于天然气水合物探测的时间域电偶极—偶极测量系统。国际石油公司积极投资于这项新技术的开发和应用，AGIP、BP、Shell等公司都将海洋电磁技术应用于地震圈闭含油气性的识别和评价[11-13]。2003年，多家石油公司开始涉足商业化的海洋电磁服务，如英国的OHM、挪威的EMGS、美国的MTEM，都已开展了海洋电磁勘探项目，其中大部分成果得到钻探的验证[11-15]。这些工作极大地推动了海洋电磁法在油气勘探中的应用。

中国早在20世纪末就启动了海洋电磁研究，此项研究在历经四期“863”计划的支持下得到快速发展[16-17]，极大地推动了海洋电磁方法的研究和发展[18-19]。中国在海底电磁信号采集技术[20-21]、海洋电磁传感器研制[22-23]、海底采集站和采集系统设计[24-25]及海洋试验[26]等方面都取得重要进展。“十一·五”以来，中国海洋电磁技术得到快速发展，在国家“863”项目支持下，由东方地球物理公司牵头，中国海洋大学、中国地质大学、吉林大学等多家单位联合完成的“深水海洋可控源装备研发”项目，为中国海洋电磁勘探技术的发展奠定了基础。其后，中石油投巨资进行产业化升级，目前已拥有了50个节点式采集站和2套发射装备，多次试验表明其技术指标基本达到国际先进水平[27]。“十三·五”期间，在国家科技基金的支持下进一步研发了双船双拖海洋电磁系统[28]，使中国的海洋电磁发展模式和理念提升至国际领先行列。

目前海洋电磁勘探装备有拖缆式、海底缆式、海底节点式三种类型，以海底节点式应用效果最好。海底节点电磁采集系统主要针对频率域，本文着重介绍东方地球物理公司研制的OBNEM-R4000海底节点式时频双域电磁(M-TFEM，marine time frequency electromagnetic)采集系统。

1 系统组成及工作原理

OBNEM-R4000海底节点时频电磁采集系统(下文简称OBNEM采集站)主要由电磁传感器、数据采集器、声学定位/释放系统、浮力装置、安装框架及承重体组成，其功能是接收来自海底深部的电磁感应信号，据此探测海底深部地电结构。

该系统工作原理描述如下(图1)。首先将OBNEM采集站开启到采集状态并从母船释放；然后，超短基线定位系统通过采集站上装配的应答器实时追踪采集站的下沉和漂移状态，待采集站坐底静止后记录其经纬度坐标，采集站从释放到回收全程连续记录电磁波数据。发射系统在离海底数十米的高度以约2节的速度匀速拖曳移动，边行进边激发，激发频率为十分之几赫兹到几赫兹的电磁信号。所有激发完成后，结束采集工作，发送声学释放命令，OBNEM采集站与承重体分离，借助浮体自动浮出水面，进行人工回收。采集站回收后，下载采集到的数据，并与激发、接收信号进行组合，并进行各种校正处理。

采集现场数据后，即可进行数据预处理。首先，从时间序列信号中分离可控源信号，进行去噪及标准化处理，消除噪声干扰，进行发射系统、接收系统海底姿态校正；然后通过傅里叶变换获得频域振幅相位曲线，通过叠加获得时域衰减曲线[15]。进而进行室内数据处理。首先求取背景区与测点的振幅比值曲线(MVO，magnitude value offset)，据此可定性推断海底地层的含油异常分布；然后分别进行时域和频域信号处理、海底电性成像处理，最终获得含油气构造电性特征，据此对圈闭进行含油气性评价[21]。

图1 MCSEM数据采集—处理流程图

2 硬件设计和性能分析

2.1 电磁传感器

OBNEM采集站工作的最大水深是4000m；同步记录三个电场分量(Ex，Ey，Ez)和两个磁场分量(Hx，Hy)的时间序列信号，因此每个采集站需要六个电场传感器和两个磁场传感器；采集信号频率为0.001～100Hz；可同时测量与海底环境相关的信息，如方位、姿态、温度、盐度和深度；采集站时钟漂移小于1ms/d；可以连续工作30d；上浮速度和下降速度约为1m/s。

2.1.1 电场传感器

深海环境中的电场信号主要是低频信号，海洋环境复杂且多变，加之海水对信号有衰减作用，有效电信号非常微弱[22]。针对海洋电场传感器使用环境及具体应用需求，电场传感器主要由水密接插件、传感器外壳、纳米陶瓷电极、多孔管和安装环组成。电场传感器涂有银片，通过多孔管与海水进行离子交换。多孔管主要起到透水与物理保护的作用，水密接插件可实现海底电场信号与电道前放板之间的水密传输。纳米陶瓷电极表面积大、活性高，在海水中抗菌性好、不易被生物富集，且具有优异的不极化性能。图2所示为28对电极220h时长的极差漂移测试曲线，纵轴为电场传感器极差。由图2可见，电极对稳定性强、噪声低，典型极差小于100μV，极差漂移低至7μV/d，本底噪声水平低于0.63nV/sqrt(Hz)@1Hz。

图2 电极极差漂移测试曲线不同颜色曲线对应不同电极对

2.1.2 磁场传感器

深海中远距离目标的磁异常值为pT级，目前常用的磁力仪均不能满足海洋条件下的弱磁场信号的测量要求。因此，OBNEM采集站采用具有极高分辨率的交流感应线圈式磁探头。感应线圈式磁探头利用电磁感应原理测量交变磁感应强度。该磁探头属于动磁型磁接收器，即采集磁场的变化率(dH/dt)。在铁芯材料上绕制探测线圈感应交变磁场信号，是无源接收器，阀值和噪声极低，稳定性强，但尺寸和重量均较大。性能良好的感应线圈式磁探头要求传感器前置放大器噪声特性应与传感器线圈特性恰当匹配，基本元件是在铁磁芯上绕制的感应线圈棒。基于计算机最优化匹配设计的低噪声电流前置放大器的噪声特性，选择铁磁芯和缠绕参数。这种电路拓扑可产生一个全面的传感器转移功能，类似一个带有角频率为L/(2πR)的高通滤波器，这里L表示线圈电感量，R是线圈阻抗。在这个频率上，传感器振幅直接正比于磁场值，且对等于线圈自然频率的场频不敏感[23]。前置放大器与感应元件整合在圆柱包内，可准确测量磁场，屏蔽静电场，提高信噪比。由于工作最大水深为4000m，所以外壳采用钛合金，并进行密封以防水耐压。经过测试，磁场信号合格。磁场传感器测试记录的磁场强度时序信号见图3，曲线形态清晰，发射信号周期间隔及距离关系清楚，信噪比高。

图3 磁场时序信号

图4是某测点上磁场传感器记录的磁场信号随着激发场源的变化曲线。很明显，随着激发场源由远而近，再由近而远，记录的磁场信号振幅也随之先增大直至满档，再逐渐变小。

图4 磁场信号振幅变化曲线

2.2 互组合数据采集

数据采集主要通过8路32位模拟量采集通道，6个电场测量通道的最大增益为3840倍，2个磁场测量通道的最大增益为480倍。设计6个电场分量的采集站，以4个接地电极的闭合回路组成6个电偶极，同时记录电磁场时间序列数据，每个接地电极与另外3个电极互相组成3个电场分量，一共获得6个电场分量。因此，6个电场测量通道设计可以互组合、测量多方位信号，为电场数据采集提供了更多可选方案。

8路同步数据采集的采样率可调，最大采样率为2.4kHz；采用原子钟保证内部时钟漂移小于1ms/d；具有数据存储及姿态记录功能；可连续工作30d。其硬件结构框图如图5。

图5 采集站硬件结构框图

在时间域对闭合回路的电场数据做平差处理，用平差后数据计算得到电场分量，将对其进行静态位移校正后的值当作新的观测场值，获得经噪声压制的新的时间系列数据，再采用常规方法进行处理，即可获得各测点的振幅和相位曲线。

观测6个电场通道和2个磁场通道模拟信号，电场斩波放大器为低噪声斩波放大器，包括斩波、变压器耦合、交流放大、同步解调、低通滤波和直流放大等电路。区别于传统的调制解调放大器，该放大器在调制与AC放大电路之间引入了变压器耦合电路，目的在于对放大器的最佳源阻抗与海底电场传感器较小的源阻抗(约5Ω)进行匹配，同时获得最佳信噪比，有助于降低电路的本底噪声[24]，改善通道动态范围。采集电路(ADC)由8通道32位模数转换芯片和配套电路组成，为适应电极放大器输出信号，ADC中电场通道输入范围调整为3Vrms～3μVrms，动态范围优于120dB(采样率为150Hz)。控制电路由24位嵌入式ARM计算机扩展，集成64GB的SD存储卡，支持FAT文件系统。

2.3 OBNEM框架结构

OBNEM框架结构要求牢固可靠，材料耐腐蚀、重量轻、无磁性，整体结构易安装、易拆卸、重心平稳，并易于海上投放、回收。OBNEM采集站站体框架采用八边形对称结构，可有效减小体积。各部件间的连接采用榫卯结构，保证整体结构浑然一体，牢固可靠，减少了金属件的数量。材料选用聚丙烯，减小了重量，并增加了框架在水中的浮力。增加吊梁结构，便于采集站运输。上浮的浮力主要由四个深海玻璃浮球提供，每个浮球可提供净浮力25.4kg，浮球采用不锈钢板对称固定、连接成一体，通过四个长螺栓与框架连接。浮球位于采集站顶部，采集站上浮时，整体重心位于采集站偏上位置，有利稳定上浮，避免采集站上浮反转。下沉时，由于承重体与框架连接在一起，采集站重心位于底部。特别是采集站箱体采用单方向箱体对面开孔设计，在采集站下沉过程中的洋流作用下，阻水面逐步趋于一致，可有效保证深水采集站布设方向一致。

OBNEM采集站的组装、测试、投放、回收、拆卸等各环节具备模块化、流程化、简单化特征，有助于实际海上作业。

在南海SHH海域投放了10台采集站，实物见图6。其理论坐标与实际坐标及Ex方向统计见表1，可见偏移距在100m以内。

表1 OBNEM布设误差统计

图6 采集站实物图

2.4 声学定位与释放系统

声学定位与释放系统实现两方面的功能：一是OBNEM的水下定位，确定接收点的大地坐标；二是采集数据完成后承重体的释放，实现OBNEM自由上浮并回收。本系统采用 Sonardyne公司生产的Ranger2USBL系统，包括甲板设备、水下设备、辅助设备三部分。甲板设备包括超短基线收发设备、甲板控制单元；水下设备包括应答器及水声释放器；辅助设备包括GPS、运动传感器(MRU)、电子罗经。将甲板设备及辅助设备安装在勘探母船上，电磁节点采集站上安装1个应答器及2个释放器，通过船载设备与水下应答器的通信实现海底采集站的测距。甲板设备利用测距信息及GPS等辅助设备信息完成对海底OBNEM的定位。释放控制由声学应答器完成，应答器收到释放命令后，输出释放脉冲，实现释放操作。

2.5 OBNEM性能分析

与常规采集站相比，OBNEM采集站具有明显优越性。常规采集站一般为2电(Ex、Ey)2磁(Hx、Hy)通道，也可增加垂直电分量(Ez)通道；OBNEM设计了8通道电分量，而且采用互通交叉模式，增加2个与正交电场分量成45°的电场分量和2个设置不同增益通道，能够获得与激发方向呈较小夹角的电场数据。OBNEM采集站顺流孔的设计使沉底采集站在海流作用下能够取得基本一致的布极方向，为后期信号处理中提取最佳方位信号提供了基础。另外，OBNEM采集站在连续工作时间、功耗、尺寸、重量及组装方式等方面都有明显的优化改进。表2是OBNEM采集站与国内已有采集站性能对比表。

表2 采集站性能对比

3 应用实例

3.1 试验概况

2018年6月在中国南海北部某区进行试验，主要目的是测试OBNEM的组装、投放、信号采集、释放、回收性能。

共布设了两条测线，分别位于SHH海域的LH构造和LW构造。LH构造区内的测线(测线1)长约20km，水深为650～800m。LW构造内测线(测线2)长约20km，水深为1400～1600m。两条测线相距约40km，投放OBNEM采集站共10台。采集站作业流程及定位流程见图7。

根据作业流程时效统计，采集站组装、投放、定位、回收效率分别为约10min/台、约10min/台、20min/台和约30min/台，采集站100%正常回收，生产效率接近国际水平。所有采集站均采集到大功率MCSEM数据，并提取计算了响应的MVO和PVO曲线。数据处理和解释成果与该区域已知的地质结构吻合[27]。该实验的组装、投放过程，验证了采集站框架结构设计的合理性，模块化设计大大提高了投放作业效率。

图7 采集站作业流程图

3.2 M-TFEM实际资料分析

3.2.1 海底采集站及发射源信号分析

图8为实验的其中一个OBNEM实测的天然4分量电磁场(Ex、Ey、Hx、Hy)时序曲线，数据时长为25min。

图9是发射源经过海底采集站时采集到的5分量(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy)时序记录。由图可见，随着发射电偶极源逐渐靠近，采集站记录的电磁场分量强度逐渐增大，且波形稳定可靠。

图10为该系统配备的T1500型海底电流发射系统发射的实际电流电压波形，可见波形特征稳定，性能可靠。

3.2.2 AVO曲线

对OBNEM记录的时序数据进行频域转化、场值(发射电流、电偶极距)归一化处理、时窗调整分析，然后进行方位校正处理，最后融合导航数据形成AVO曲线。

图11为某测站0.25Hz时电、磁场分量强度随偏移距(海底发射源与海底采集站间的距离)变化的AVO曲线。可见图中电场振幅在近10km收发距范围内连续、稳定，系统噪声和环境噪声均未出现在10km范围内，OBNEM系统的海底归一化本底噪声约为10～14V·A-1·m2@0.25Hz(海水深约800m)。与地下岩层有关的电磁场响应位于偏移距3～8km内。因为偏移距较小时，观测的电磁场主要为直达波电磁信号，而偏移距较大时，接收到的信号主要为海面折射的电磁波和海底天然电磁场。海底节点式电磁勘探主要研究的就是激发主频在一定偏移距范围内的地下岩层电磁场响应。

图8 OBNEM采集站4分量时序曲线

图9 实验采集的5分量时序记录

图10 T1500型发射电流电压波形记录

3.3 定性异常特征分析

定性异常是测线下方地下介质电性特征的宏观反映，没有深度概念。通常可通过后续定量处理，对定性异常进行地质解释。定性异常的处理流程包括：①选择背景信号，通常选择测线端点采集站接收到的信号作为背景信号；②计算发射和接收站的共中心点的平面坐标；③提取共中心点处的观测信号；④对提取到的共中心点观测信号进行归一化处理，即可得到归一化定性异常。归一化公式为Norm=Amp/Amp_background，其中Norm、Amp、Amp_background分别代表归一化结果、异常值和背景值。基于归一化定性异常可直观、定性地分析目标响应的横向分布特征。

2018年，沿1号测线设计了10个OBNEM测点，测点号为R1～R10。其中R1、R2测点位于已知气藏范围内，R6～R8测点位于待钻评价井区。首先计算得到测线1所有测点各分量AVO曲线；再分析椭圆极化参数，求取电场最大幅值分量；最后分析背景资料，选取R10点的场值为归一化背景场，提取其余各站收发距为5km时的归一化定性异常，分析其横向分布特征。图12是频率在0.25Hz时测线1的归一化异常与同位置过井地震剖面对比。

图11 0.25Hz时海底电场分量(上)和磁场分量(下)AVO曲线

图12 测线1归一化异常曲线(上)与重合的地震剖面(下)对比

由图12可见，在剖面已钻井处(测井曲线指示含油层)，归一化异常呈倒“V”字特征，与钻井资料结果比较吻合。该测线归一化异常曲线揭示了地下目标储层电阻率的横向变化趋势，为井位设计(图中15km处)提供了依据。对应的异常也具有倒“V”字特征，显然应该也是油气有利目标，M-TFEM为该设计井论证提供了有益参考。