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.

海底可控源电磁接收机的电场低噪声观测技术

海洋可控源电磁方法是近些年兴起的一种海底以下介质电性结构地球物理探测方法,已成为海底油气及水合物探测的有效手段之一.根据趋肤效应及可控源电磁方法的特点,海底电场信号具有幅值微弱且动态范围大的特征.低噪声记录海底电场信号是海洋可控源电磁方法必须解决的关键技术之一.本文首先通过建立特定地电模型并进行数值模拟,讨论了收发距、发射频率等场源参数与电场分布的关系;然后通过电解法制备了低噪声海底电场传感器,研制了低噪声斩波放大器,开发了大动态范围ADC电路.通过室内及海洋试验验证了接收机电场通道的低噪声特性,海试结果表明系统本底噪声小于0.1nV/m/sqrt(Hz)@1 Hz,电场信号观测动态范围优于110dB@(fs=150Hz).

海底可控源电磁接收机的姿态记录装置

用于观测海洋可控源电磁信号的海底可控源电磁接收机,由于投放过程的随机性,需要借助专门的姿态模块获取位于海底的接收机工作过程中所处的三轴姿态信息(方位角、俯仰角、横滚角).受底流冲击及底质不稳等因素影响,接收机可能在海底发生位移,因此有必要连续观测其三轴姿态信息.该姿态记录装置由水下单元和甲板单元组成,其中甲板单元为水下单元提供时间服务;甲板单元由密封盒、水密电缆、时间服务电路组成.水下单元硬件由压力舱、锂电池组、姿态记录电路、水密接插件组成;水下单元重点解决了高精度三轴姿态观测、长时间连续工作、大容量存储等技术难题.并为姿态记录装置开发了用户显控软件,用于实现数据传输、显示、回放、成图、格式转换等功能.该装置典型技术指标为观测角度误差:±1°,连续工作时间:40day(1min采样间隔),存储空间:64 MB,用户接口:USB2.0,工作水深:2000 m,水中重量:100g.2014年进行的海洋试验验证了该装置的有效性及可靠性.

海底电磁接收机新进展

海洋电磁法广泛用于物理海洋学、地球物理学、水下目标检测等领域,以上研究及应用均建立在对海洋环境下的电磁场信号高精度观测基础上。用于海底电磁场高精度观测的海底电磁接收机,需要解决仪器的高可靠性投放回收、高稳定性水下作业、低噪声、大动态范围、低时漂等一系列技术难题。文中介绍了中国地质大学(北京)近些年来在海底电磁接收机研制方面为达到以上目标所取得的一些经验、成果以及最新进展。新海底电磁接收机的典型电场本底噪声为槡0.1 n V/m/Hz@0.5 Hz,动态范围大于110 d B,时漂小于5 ms/day,与国外同类先进产品技术指标平齐。截止到2016年初,累计完成了约60站位的海底电磁数据采集作业,2012年以来接收机回收率达到100%,获取了多批次高质量的海底MT及CSEM资料,研制的接收机成功应用于水合物勘查及油气勘探领域。

海底电磁接收机陆地测试方法

海洋可控源电磁法已成为海底油气资源勘查中重要的地球物理方法之一,海底接收机作为重要的海上装备,其性能对勘探效果具有决定作用,因此有必要对接收机的各项性能进行详细摸底。新研制的接收机在进行海上作业之前,需要先进行一系列对比测试,以检验其应用效果和可靠性。由于海上对比测试工作成本高、难度大,故设计了一套陆地条件下的对比测试方案,借助现有陆地MT观测系统对新研制的海底电磁接收机进行对比测试,主要完成了仪器通道间一致性、仪器间的一致性以及测量结果重复性三项测试工作。对测试数据进行了分析处理,获得的结果可以为海底电磁接收机的性能评价提供依据。

用于海底电导率填图的可控源时域电磁法

对近十年来发展起来的海底电磁法作了综述，重点放在可控源时间域上。类似于航空电磁法可对陆地上的经济带进行电导率填图一样，可控源海底电磁法也可在数十米的范围内对海底进行电导率填图。海底的电导率通常远小于海水的电导率，理论研究表明可控源时域水平电偶极子及水平磁偶极子系统能用来精确地确定海底的电导率。这两种装置对两个半空间的响应会在时间轴上出现两个峰值。早期的第一个峰值在时间轴上的位置可以直接用来确定海底的电导率，代表了电磁波在海底的传播；而晚期的第二个峰值代表电磁波在海水中的传播，亦可用来确定海水的电导率。该文概述了可控源时域海底电磁法理论方面的主要研究成果，同时也讨论了海底电磁法的仪器设备，特别介绍了多伦多大学物理系研制的时域水平磁偶极子及水平电偶极子海底观测系统。

系统参数对海洋油气可控源电磁勘探的影响

对海洋油气可控源电磁探测仪器研发和勘探方案设计中影响测量结果的主要参数,如收发距、发射天线长度、发射天线高度、发射电流、发射频率、接收天线长度和接收天线高度等进行了理论仿真研究。研究结果表明,无论在深海环境还是在浅海环境,探测系统参数对测量结果均有相似的影响特点,只是影响程度有所差异。发射电流和接收天线长度仅决定信号幅度,两者呈正比关系,收发距和发射频率对测量结果影响最为显著,过大过小都不能得到明显的油气异常,需取中等值。发射天线长度、发射天线高度和接收天线高度对测量结果影响较小,油气引起的电场异常幅度随这3个参数值的增大而逐渐降低,通常这3个参数取值不大,可忽略其影响。在浅海环境下,发射和接收天线可贴近海面布置,此时天线高度仍然较小,这种方式不适用于深海环境。

海洋可控源电磁法对油气探测能力的仿真分析

海洋可控源电磁法是一种采用低频电磁场探测海底油气的新技术,通过仿真分析,研究了该方法对油气的探测能力。基于一维海洋模型,正演计算了不同水深、油气层埋深、油气层厚度和油气层电阻率时海底表面的电磁响应,绘制了最大相对异常幅度和相应的绝对异常幅度随油气埋深、厚度和电阻率变化的曲线,分析了这几种因素对电磁异常幅度的影响。仿真结果表明:海洋可控源电磁法对海底油气具有较强的探测能力,即使在浅海环境,埋深大、厚度薄或电性差异小的油气层也可引起较明显的电场异常;相同条件下最大电场异常主要取决于油气层纵向阻抗;发挥最大探测能力需要合适的工作频率和偏移距。研究结果为海底油气的勘探方案设计提供了参考。

可燃冰与油气双储层模型的海洋可控源电磁响应特征模拟分析

利用海洋可控源电磁(MCSEM)法可识别海底电阻率异常体,在海洋油气探测中得到了广泛的应用。基于复杂电性结构海底地层模型,提出一种基于预条件迭代求解的频率域矢量有限元电磁正演模拟方法,基于不完全LU分解的预条件方法,提高了迭代求解效率,层状模型模拟结果验证了方法的有效性。基于结构化任意六面体单元建立了真实的南海某海域地电模型,并针对不同构造矿藏储层特征,分别建立了深埋藏油气储层模型、可燃冰矿体模型及复杂基底地质模型,得到了不同激发、接收模式下的MCSEM响应特征:收发距较小时,地形影响较明显;对于埋藏较浅的可燃冰矿体,收发距较小时异常明显,而埋藏较深的油气储层则在收发距较大时异常明显。

海底电性源频率域CSEM勘探建模及水深影响分析

为了探索我国海域油气和水合物等高阻目标体CSEM勘探的可行性和方法技术,本文研究了在海水中水平电性源激励下有限水深海洋地电模型的频率域电磁响应,为进一步的1D和3D仿真计算奠定了理论基础.在推导电磁响应公式时,首先给出了各层介质的Lorentz势,然后根据Coulomb势与Lorentz势的关系,得到了各层介质的Coulomb势.各层介质中的电磁场均可以由Lorentz势或者Coulomb势计算得到,但在有限元计算时Coulomb势具有优势.长导线源的电磁场和势函数可以由电偶源的电磁场和势函数沿导线长度积分得到.文中具体给出了海水中水平电偶源和长导线源在海水层的电磁场公式,并根据该公式计算了不同水深环境下海底表面的电磁场分布,分析了海水深度对海底油气储层电磁异常的影响.结果表明,随着水深减小,异常幅度和形态特征发生明显变化.当水深很浅时(如50 m),只有同线方向的E_x和E_z两个电场分量存在明显异常.最后,以两个已知海底油田为例,计算了不同水深环境下可观测到的电场异常,展示了电性源频率域CSEM在海底勘探中(包括浅海环境)的良好应用前景.对于该方法实用化过程中还需进一步解决的问题,文中结尾部分也进行了初步探讨.

用于海底MT及海洋CSEM的海底电磁采集站（英文）

为适应海洋可控源电磁法现场数据采集的需求,海底电磁采集站必须解决低噪声、低时漂和低功耗等一系列技术难题。目前,现有的采集站在面向海底浅部水合物探测应用时,其噪声、功耗、时漂等指标仍存在不足。为研制满足这些性能要求的新型采集站,本文首先利用正演数值模拟研究了特定模型的电场异常分布规律,并初步确定了采集站的指标要求,然后对采集站的各个部分进行了详细论述,包括低噪声感应式磁传感器、低噪声Ag/AgCl电极、低噪声斩波放大器、低功耗低漂移数字温补晶振、水声通讯及电腐蚀技术等。最后通过陆地野外试验及海洋试验验证了海底电磁采集站的有效性,证明采集站具有先进的参数指标:典型电场本底噪声:0.12nV/m/rt(Hz)@0.5Hz;动态范围:大于120dB;时漂:小于1ms/day;连续工作时间:至少21天。

海底电缆电磁场分布模拟与分析

海底电缆的探测和识别技术是海底电缆维护与建设中非常重要的研究内容。海底电缆布设于海底,在通电情况下产生电场和磁场,符合可控源电磁法探测理论。本文采用频率域可控源电磁法2.5维高精度有限元数值模拟算法对海底电缆模型进行模拟与分析研究,以水平地形和起伏地形海底电缆模型为基础,重点对海水层厚度和海底界面两种参数变化前后电磁场分布特征进行了模拟与分析。数值算例表明:磁场分量H y对于海水层厚度非常敏感,厚度变化0.2 m时,变化前后H y偏差可达5%,从而论证了采用可控源电磁法理论对于海底电缆的探测和识别可行。

双船拖曳式海洋电磁三维自适应正演模拟及响应特征研究（英文）

双船拖曳式海洋电磁系统是近年提出的一种新型海洋电磁勒探系统。与传统海洋电磁系统相比,该系统使用两艘作业船分别拖曳接收机和发射机工作,无需事先在海底铺设接收机,且发射机与接收机的相对位置关系更加灵活多样,釆集电磁数据能够包含更为丰富的海底介质分布信息信息。本文针对双船拖曳海洋电磁系统开发了面向目标自适应可控源海洋电磁三维正演算法并总结了该系统四种装置(同线、旁线、同心扫面、方位扫面)的响应特征。考虑到起伏海底地形普遍存在且对海洋电磁响应影响较大,本文采用基于非结构网格的矢量有限元对海洋电磁响应进行模拟。为了充分满足双船拖曳系统对正演算法的要求,本文针对不同发射源位置采用独立网格剖分并进行响应计算。为了得到更为合理的网格剖分、提高计算精度,本文针对海洋电磁正演问题基于自适应算法研发了近源/远源分区网格加密技术。通过将计算结果与半空间模型半解析解以及已发表的三维模型结果进行对比,验证了本文算法的精度。对海洋电磁系统四种不同装置的正演模拟结果表明,双船拖曳式海洋电磁勘探系统较之于传统半托曳式海洋电磁系统能够提供更多的地质信息。本文研究内容对双船拖曳式海洋电磁勘查系统响应异常识别具有指导意义。

海洋电磁法勘探油气的三维正演模拟

针对海底可控源电磁法(MCSEM)在油气资源勘探中的实用性,应用矢量有限元进行了多种频率的水平电偶源发射电磁场识别油气层的实例研究,并利用矢量有限元对海底的3D模型进行了正演数值模拟。利用MCSEM能较好地识别油气层;归一化后的电场曲线特征表明,浅海下不易测得油气层,在实验频率内,电场源频率越高对油气层识别能力越强。同时证实了MCSEM识别油气层是建立在波导理论基础上的。

基于海洋MCSEM监测的海底油气后期开发的可行性

为了探讨海洋可控源电磁法(MCSEM)监测海底油气后期开发的可行性,根据油气运移及开采过程中储层电阻率变化特点,设计并利用MCSEM一维正演程序试算不同的海底电阻率模型,包括海底沉积层仅有储层的简单模型和储层上方有高阻覆盖层的复杂模型,分别将接收极沉放海底和油气钻井,分析电偶极子源在海底和井中的响应特征.结果表明:传统深海频率域接收模式MVO曲线能较好地反应储层电阻率的变化;井中接收频率域电场对于高阻层位的变化非常敏感;浅海下MCSEM在不同偏移距的时域电场信号既能分离空气波干扰,又能很好地反应储层电阻率变化.海洋可控源电磁法对于海底油气后期监测具有潜在优势.

海域天然气水合物开发的地球物理监测

作为极具潜力的未来清洁能源,海域天然气水合物开发难度大、环境保护要求高,需要大范围地对水合物储层进行动态监控。然而,虽然在国外的天然气水合物试开发时,曾尝试对储层进行监测,但主要是局限于开发井周边小范围监测。对天然气水合物藏的大规模监测,目前国内外都还没有建立起相关的技术系统,即使有关的研究都还很少。在未来的几年内,我国以及日本、韩国、印度等将在海域开展天然气水合物的长期试开发,在开发过程中对储层的大规模监测必不可少。本文从水合物藏的岩石物理特征出发,讨论了沉积物中水合物的饱和度和孔隙赋存状态对其声学和电学性质的影响规律,比较了基于水合物的地震和电磁性质的多种地球物理勘探手段应用于海域水合物藏大规模监测的可行性和利弊。针对我国南海天然气水合物生产试验和未来商业开发的储层监测需求,为实现对大区域水合物储层和海底变形的定量监测,我们设计的水合物试采过程监测系统由井中地球物理参量监控、三维全光纤4分量海底时移地震和海底多功能监测站三部分构成。该方案大量利用油气行业现有成熟技术,并对其进行优化设计,可实施性强,能够较全面地收集海域水合物开采过程中储层相关的基础数据,从而可为后续技术优化、水合物资源评价、海底环境保护、工程灾害预防等方面提供科学依据。

BSR与CSEM识别天然气水合物的优缺点对比

天然气水合物是一种分布广泛的新型清洁能源,是目前能源勘探界的研究热点之一。提升天然气水合物勘探技术以探测天然气水合物分布和进行资源量估算,对我国天然气水合物的开采和利用至关重要。本文对比总结了似海底反射(BSR)和海洋可控源电磁法(CSEM)识别天然气水合物的优势与局限性。结果表明,BSR是目前识别海洋天然气水合物的一种常用且重要的方法,但BSR与天然气水合物的存在并非一一对应,难以准确估算天然气水合物饱和度和资源量。海洋CSEM能相对准确地识别天然气水合物,并可通过获取储层电阻率估算天然气水合物饱和度和储量。两者的结合将有效提高天然气水合物的钻探成功率、降低勘探风险和节约勘探成本。