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1、海洋电磁法原理摘 要由于海水具有高导电性，对不同频率的波都有屏蔽作用，从而导致海底信号强度很小，为了弥补海洋天然源大地电磁法的弱点, Charles Cox1960年在国际上首次提出了海洋可控源电磁法简称（MCSEM）。MCSEM在常规海洋大地电磁方法的基础上，增加了人工发射源，采用拖拽式海底发射，从而增强接收机场强度。尽管最近几年，海洋可控源电法有关的研究和讨论文章数量在减少。但海洋可控源勘探的成效已经受到业界的广泛关注, MCSEM可以说是海洋地球物理勘探中最重要的工具。可控源电磁法对高电阻率的碳氢化合物特别敏感,这用于海洋油气勘探，能起到很好的效果；同时具有势场方法（如重力测量、磁测）更
2、好的固有分辨率。海洋可控源电磁法可以提高海上钻探成功率, 大大降低钻探风险，现已经扎根于海洋勘探事业，成为海上勘探非地震方法主要采集技术。目前主要面对的挑战是海洋仪器设备，许多海洋设备尚处于起步阶段。但随着科技的进步，仪器可靠性和仪系统噪声均有所改善。目前研究方向包括通过应用时域方法在浅水区解决空气波问题，利用可控源电磁法进行油藏监测。关键词： MCSEM 采集技术 处理解释 油藏监测第1章 绪 论1.1 引 言地球表面71%都被海洋所覆盖着，从外空间可以看到一个蓝白相衬、缀以橙黄、晶莹的星体，这美丽的蔚蓝色就来自于海洋。海洋总面积达3.6亿多平方公里，海洋资源丰富，海水中锰结核富集成矿，海底
3、又蕴藏着丰富的石油、天然气以及各种各样的资源，至今很多海洋资源处于未被探明和开发的状态。所以全球很多国家对海底地质研究和资源探测开发都具有很大的兴趣。我国海洋面积广阔，其总面积占我国陆地总面积的三分之一，特别是南海地区，资源储量非常丰富。伴随着人类社会的进步，人口的膨胀，人们对资源不断索取，乱踩乱挖，造成环境污染、生态破坏，资源严重浪费，资源日渐枯竭。工业转向残余矿，深部矿的同时，着手进军海洋资源的开发和利用。海洋资源对我国经济发展、国家综合实力的提升等具有重大而深远的意义。1.2 研究背景和意义20 世纪 70 年代, 来自 Scripps 海洋研究所( SIO) 的 Co x 为 10,
4、11海洋电磁法从理论到实际应用经历了一个漫长的时间，最早的研究开始于20世纪60年代（Cox et al. 1961）。而进入石油工业开始商用则是 2000 年以后的事情。主要标志是数字仪器成功研制和采集数据处理算法与解释方法成功应用。2000年以来，几家大型石油公司做了大量海洋电磁实验，海洋电磁很快走向成熟并商业化，海洋电磁法的运用给世界能源企业带来了丰厚的利润，其大大降低了钻探风险，提高出油率，成为油公司打井决策的最后一个砝码。有的油公司甚至提出没有海洋电磁勘探，不得在海上打井。我国人口众多，而且正处在高速发展的阶段，对资源和能源的需求更加迫切，党和国家都已经充分认识到问题的严重性和紧迫性
5、，90年代末连续推出几期关于海洋资源和能源开发的863和973重大项目,全国多家企业和科研院所投入大量的科研力量，并已取得了很多突破性成果。我国地球物理探测重大装备长期依赖进口，关键技术掌握在外国人手中。近年来我国逐步开始重视地球物理探测仪器的研发，特别是电磁法仪器的发展，在国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）中，明确提出了要发展海洋电磁探测技术以及很多其他方法的探测技术，表明了海洋可控源电磁探测技术的发展迫在眉睫。本文结合国家高技术研究发展计划（863 计划）“海洋可控源电磁勘探发射关键技术研究”，开展可用于海洋可控源电磁探测的发射关键技术研究。海洋CSEM测深的历史和海洋
6、大地电磁的历史息息相关，这两项技术都是研究海底电阻率，依靠海底电场和磁场的记录。实际的海底测量困难重重，这就意味着理论明显先于实践。Cagniard (1953）明确考虑海洋测量，但他写的未能明显认识到实际问题。提出海洋CSEM测量第一个出版物可能是Bannister (1968)，他提出了频率域理论，海底发射-接收的偶极子方法来确定海底电阻率。Bannister可能认识到磁力仪振动或移动噪音问题，推荐用水平电偶极子，目前仍然在使用。Brock-Nannestad（1965) 提出类似于用MT估计海底电阻率的垂直梯度法。Coggon and Morrison（1970）提出了一个相对高频垂直磁
7、偶极子源以此来估计海底浅层结构。在1960年代早期，Charles Cox and Jean Filloux 团队开发第一个适合深海底大地电磁和CSEM测深的设备。在1961年末，Cox and Filloux已经在加利福尼亚近海水深1000到2000米的地方部署了电场和磁场的接收器。1965年,他们在4000米水深、离海岸650公里的距离部署了类似的工具。1965年的实验没有产生海底电场和磁场同步记录，但通过引用磁测量海底MT响应，在他的记录中，磁力计被使用。在1966年，手稿描述了由1000米长的海底电缆连接到放大器和采集系统组成的电场接收装置，已被提交到海洋研究杂志，但没有出版 。Fil
8、loux（1967b）很好记录了这个设备，Cox et al.（1971）也简短的做了笔记，同时提交了从深海海底站点采集的MT数据，Filloux（1974）建立了一套更容易地电场仪将部署合并系统，通过扭转了两个电极和3-m salt bridges（3-m salt bridgesthat formed the antennas形成了天线）之间的接触，从而消除电极补偿和漂移 。对于长周期,深海海底MT测深该仪器广泛使用。自1970年代以来，海洋电磁法学术研究比较稳定。最近十年海洋电磁测深的用处越来越有意义，海洋CSEM探测和海洋MT测深学术发展成研究海洋岩石圈地幔的工具。尽管使用海洋CSEM
9、探索环境潜在的认为非常早，但是还没有到进入深海探索。可以看出在这些探索深处始于90年代末,开始生产深水技术开发只在21世纪初。在深水中，海洋CSEM效果比MT好，海洋CSEM勘探促进着水深处大于1000米开发碳氢化合物的能力，深水钻井的高成本也从侧面促进使用相对昂贵非地震方法。如何加快海洋油气勘探步伐已经成为我国能源战略的重点解决的问题。随着 STATOIL 在西非安哥拉(ANGOLA)的已知油田区进行了首次海上海洋可控源电磁技术CSEM勘测。其结果表明海洋CSEM技术已经成熟，可以用于商业油气勘探。继那次试验后 STATOIL 公司在西非和 NORWAY 等地进行了几个 CSEM 勘探工作，
10、其结果表明CSEM 非常有效。在我国海洋CSEM仍处于起步阶段。海洋CSEM 的勘探效果受多个因素影响，如海水深度、海底电阻率、地层厚度、海底地形、排列方式及其发射频率等。总结这些因素与响应结果之间的影响规律对于资料处理、反演、解释具有积极的指导作用，能为准确的处理解释资料提供帮助。1.3 海洋电磁环境的地球物理特点海洋环境不同于陆地环境，从目前研制的仪器设施来看看，地球物理方法扩展到海底一直具有挑战性，进行任何电磁测量之前必须了解海洋环境的特点并予以认识。1.3.1 海洋电磁场在陆地上观测的磁场强度一般比传感器噪音高一到两个量级，海洋表面同陆地上磁场近似。但在海底情况大不相同，随着海水深度的
11、增加，频率越高，衰减的越多，一种解释就是：大地电磁阻抗同水平电场和磁场之比成正比，这阻抗接近海底岩石电阻率或者和海底岩石电阻率相同；由于电场的连续性，相应的磁场也必须减小。磁场值很弱的同时，电场值同样很小，电场值在10-9V/mHz 。对于海洋可控源探测，在接收发射距离6km范围内比较敏感，电场场值衰减到10-14V/Am2,磁场大约是10-17T/Am。如果使用大型发射偶极子，比如接收发射距离是100km，这就要求信噪比了，这对仪器要求是一个大的考验。1.3.2 海洋温度海水温度日变化很小，变化水深范围从0-30米，而年变化可到达水深350米。在水深350米左右处，有一恒温层。随深度增加，水
12、温逐渐下降(每深1000米左右，约下降1-2），在水深3000-4000米处，温度达到2-1。总的来看，海水温度变化平稳，在深水处，水温变化少于0.1，这无疑相对陆地而已是个很好的优势，因为传感器对温度敏感，在陆地上很难消除温度变化带来的影响，有的地方昼夜温差超过40，所以如果长时间测量，电极必须埋的很深。海水温度虽然变化比较平稳，但是海水低温也同样带来问题。目前，地球物理勘探一般用磁盘储存数据，但是大多数磁盘的额定温度是5-50，所以在低温环境中可能会失效，特别是打开的时候。目前寻找的方法就是测试各种仪器，找出性能最好的设施。此外有时仪器放在船上比较潮湿的环境中，温度比较高，电子元件中带有水
13、蒸汽，在冷的环境中凝结，这也可能造成电子元件的问题。处理办法就是，放置干燥剂，在压力下用惰性气体充填电子元件内部。此外，低温环境对电池也会造成影响。1.3.3 海水电导率海洋具有不同于陆地的独特环境，海洋环境最大的特点是海底上覆盖着一层海水。海水里面富含各种矿物质，矿物质电解形成离子，从而形成良导电体。它的导电能力取决于离子的浓度和活跃度，具体地来说，忽略压力效应，海水电导率主要取决于温度和含盐度。海水的温度和含盐度比较稳定，除了地中海和地球两极，可以认为电导率都在35S/m之间变化。常用的电导率和温度的关系如下：=3.0+0.1T s/mKey and Lewis (2009)修改了这个公式
14、，在高温段更精确：=2.903916（1+0.0297175T+0.00015551T2-0.00000067T3 s/m 水的高导电率意味着输入电场的阻抗放大器不需要比陆地上高。同样,天线发射器的阻抗也可以减少，从而减少电量消耗。1.3.4 海水压力和腐蚀性海水具有巨大的压力，海面往下水深每增加10米，压力就增加一个大气压。比如，在1000米深处，压力就增加到100个大气压。在这样的压力下，海水能将木块压缩到它原来体积的一半。这种情况下如果内爆，可能会摧毁临近的设备。所以即使是制作一个简单的电缆连接线和浮标，也不是一个简单任务，需要做好防压措施。海洋环境同时是一种复杂的腐蚀环境。在这种环境中
15、，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等 。腐蚀能造成电场噪音，不同材料的接触形成低噪声传感器。 第2章 海洋电磁勘探基本原理前面讲海洋环境中，提到海水是良导体，对电磁波具有屏蔽作用，但这种屏蔽只是对高频而言，低频电磁波可以穿透海水到达海底。海洋电磁法的基本原理是,在海底表面发射电磁场,电磁场在海水和海底介质中传播,并感生二次场,
16、二次场的大小与介质的电导率密切相关。海洋电磁探测是利用海水中电场或磁场与海底电导率之间的关系来获取海底介质信息的, 总场与介质电导率的具体关系由海洋地电模型和发射接收装置类型决定。通过相应数学模型,可以由测量的总场反演出海底介质的电导率。可用于研究海底地质构造、工程环境和油气储层等。为了满足海底探测的需要,人们提出了多种探测方法,如磁性源电磁法、电性源电磁法、时间域电磁法、频率域电磁法等。2.1 基本原理海洋电磁法探测是利用海水中电磁场与海底电导率之间的相互关系来获取海底地层信息的，而海底电导率与海底地层及其结构特点有关，利用这一特性可用来研究分析海底地质结构、油气储层等。其工作原理是，首先在海底表面发射电磁场信号，信号在海水和海底传播，并感生二次场，二次场的大小与介质的电导率密切相关。所以根据这一特性，当获
