激励及地电条件与天然气水合物的电偶源电场响应

4382O10年8月石油勘探与开发PETR0LEUMEXPL0RAT10NANDDEVELOPMENTV0I37NO4文章编号10000747201004043805激励及地电条件与天然气水合物的电偶源电场响应邓明，魏文博。，张文波，盛堰。，李艳军，王猛。1中国地质大学北京地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室；2中国地质大学北京；3广州海洋地质调查局基金项目国家“863”计划重大项目2006AA09A201；2009AA09A201摘要海底天然气水台物电磁勘探采用动态水平电偶源发射与静态阵列式海底偶极接收的测量方式。基于一维地电模型，求解海底水平层状介质的电偶源电场响应，得到海底两个水平正交电场的传播表达式，据此研究天然气水合物电场响应的影响因素。对供电频率、电偶源离地高度、海水深度、覆盖层厚度以及天然气水合物地层自身的物理化学结构等因素与9J一化电场幅值的关系分别进行了计算分析，结果显示调整供电频率可使归一化电场幅值变化于1010。V1AM；将电偶源施放至离海底数十米高度进行拖曳可获得较好的作业效果，且不改变信号采集的质量；深水及浅薄覆盖层属于有利的探测环境，该环境下的感应场源具有较高的信噪比；天然气水合物的孔隙度、饱和度影响介质电阻率值，其电阻率越高，电场响应幅值越大。正演模拟结果可对天然气水合物探测设备研制及海洋作业提出切实可行的设计方案。图7参22关键词海洋探测；可控源电磁；天然气水合物；电场响应；正演模拟中图分类号P6313文献标识码AELECTRICFIELDRESPONSESOFDIFFERENTGASHYDRATEMODELSEXCITEDBYAHORIZONTALELECTRICDIPOLESOURCEWITHCHANGINGARRANGEMENTSDENGMING一，WEIWENBO，ZHANGWENBO，SHENGYAN。，LIYANJUN。，WANGMENG1GEODETECTIONLABORATORYOFTHEMINISTRYOFEDUCATION，CINAUNIVERSITYOFGEOSCIENCES，BEIJING100083，CHINA；2CHINAUNIVERSITYOYGEOSCIENCES，BEIJING100083，CHINA；3GUANGZHOUMARINEGEOLOGICALSURVEY，GUANGZHOU510075，CHINAABSTRACTTHEEXPLORATIONOFMARINECONTROLLEDSOURCEELECTROMAGNETICSURVEYFORGASHYDRATEGENERALLYCONSISTSOFADYNAMICHORIZONTALELECTRICDIPOLESOURCETOWEDINTHESEAWATERANDASTATICRECEIVERARRAYALLOCATEDONTHESEAFLOORINTHISPAPER，TWOORTHOGONALHORIZONTALCOMPONENTSOFELECTRICFIELDEXCITEDBYAHORIZONTALELECTRICDIPOLESOURCEUPONONEDIMENSIONALHORIZONTALLAYEREDSEAFLOORARECALCULATEDTOSTUDYTHEEFFECTOFDIFFERENTARRANGEMENTSANDGASHYDRATEMODELSONTHERESPONSEOFELECTRICFIELDTHEREARESEVERALDOMINANTFACTORSDETERMININGTHEVARIATIONOFINDUCEDFIELD，INCLUDINGTRANSMITTINGFREQUENCYOFTHESOURCE，DISTANCEBETWEENTHESOURCEANDTHESEAFLOOR，WATERDEPTH，THICKNESSOFTHEOVERBURDENLAYER，ASWELLASPHYSICALANDCHEMICALSTRUCTUREOFTHEGASHYDRATEMODE1MODELINGRESULTSSUGGESTTHATTHEAMPLITUDEOFRECEIVEDELECTRICFIELDSCANREACHUPTO101O。VAMBYADJUSTINGTRANSMITTINGFREQUENCY；KEEPINGTHESOURCEBEINGTOWEDSEVERALTENSOFMETERSABOVETHESEAFLOORCANIMPROVETHESURVEYEFFICIENCYBUTNOTDECREASETHEQUALITYOFCOLLECTEDDATA；DEEPWATERENVIRONMENTANDSHALLOWTHINOVERBURDENLAYERAREFAVORABLEFORTHESURVEYBECAUSEOFTHEIRATTRIBUTIONTOSIGNALTONOISERATIO；THEPOROSITYANDSATURATIONOFGASHYDRATEHAVESIGNIFICANTINFLUENCEONMEDIUMRESISTIVITYTHEHIGHERRESISTIVITYTHEMEDIUMHAS，THEBIGGERTHEAMPLITUDEOFELECTRICFIELDRESPONSEWILLBEFORWARDMODELINGCANPROVIDEVALUABLEINFORMATIONFORTHEDEVELOPMENTOFINSTRUMENTSANDTHEDESIGNOFSURVEYTODETECTGASHYDRATEKEYWORDSMARINEEXPLORATION；CONTROLLEDSOURCEELECTROMAGNETICMETHOD；GASHYDRATEELECTRICFIELDRESPONSE；FORWARDMODELING1问题提出海洋可控源电磁法CSEM已成为当今探测天然气水合物的高新技术之一。2O世纪末，COLLETTTS等首次在阿拉斯加北部的PRUDHOE海湾用测井资料证实了天然气水合物具有明显的高电阻率特性2。随后，海洋CSEM在世界范围内得到了迅猛发展_3J，并在若干天然气水合物勘查区取得了令人鼓舞的成果LSJ。2007年上半年，在中国南海某海区首次钻获天然气水合物样品，其测井曲线上的电性异常特征再次被证实。CHAVE等人的研究表明L8，进行海洋CSEM勘查，目前效果最好的测量方式之一为动态水平电偶源发射与静态阵列式海底偶极接收。实施作业时，在贴近海底的某一位置上，用一对拖曳行进的偶极连续发射多制式脉冲电流，与此同时，沿海底的测网布设若干接收2O10年8月邓明等激励及地电条件与天然气水合物的电偶源电场响应偶极。发射源的激发与测网的采集精确同步。经动源扫面与测网记录，获取来自海底天然气水合物感应的电场信息。要实现电偶源动态激发与信号有效接收，需深入了解天然气水合物电磁感应及诱导场源的各种影响因素。本文着重围绕以下因素开展研究海底发射源激励调整所导致感应场源变化的规律。当发射频率或电偶源离地高度被调整时，感应场强的量值与分布情况将随之怎样变化，哪个因素权重更大些海底不同地质环境对天然气水合物感应场源的影响程度。较为典型的环境因素为海水深度和覆盖层厚度。水深增加是有利还是不利覆盖层厚度对场源信号的衰减作用如何是否存在最大勘探深度海底天然气水合物自身电性变化所反应的场源特征。发育天然气水合物地层的孔隙度、饱和度、渗透率、温度等因素的变化都可造成介质电阻率的改变，其改变对勘探效果将会产生哪些影响只有对上述问题进行综合分柝，才能从理论方法上认识天然气水合物的电场响应规律，进而对探测设备的研制和海洋作业的实施提出切实可行的设计方案。2地电模型及理论公式迄今的探测实例表明，天然气水合物大多以薄层状且与海底大体平行的形态存在。图I给出了天然气水合物在海底的一维地电模型，海底由4层介质组成海水层，其电阻率典型值为03QM；覆盖层，即海底沉积物，其电阻率典型值为1QM；高电阻率层，为天然气水合物，据国外已公布的测井资料显示，在对应天然气水合物的层位上，电阻率测井值呈现高异常；高电阻率层之下为相对低电阻率且厚度无限大的围岩。尽管天然气水合物发育地区的地质条件有可能比上述模型复杂，但其电场响应特征有相似之处。海水层0_3QMAAAAA电偶源接收偶极覆盖层沉积物1QM高电阻率层水合物1OOQMLQM低电阻率层围岩RZ图1天然气水合物的典型地电模型海底水平层状介质上水平电偶源电场响应的求解，是从频率域麦克斯韦方程组出发，将源分解为横电TE和横磁TM两种极化模式。对这两种模式分别求出当电偶源处在层间，有上行波和下行波反射情况下的矢量势谢昆洛夫势的通解，再通过洛伦兹条件，得到海底两个水平正交归一化电场幅值的传播表达式L_L。E一EAE“扼峨一B扼E一一A蕊ULGZKYIKK州,EIKXTKYY其中A_EL舯一R_ME1斗REUL升B一UL。RR_TFE“1升EEL1式、2式描述了水中电偶源激发情况下天然气水合物电场响应在供电频率、海水深度、覆盖层厚度以及电阻率等因素改变时的时空分布规律。3正演模拟及电场幅值变化规律图1的地电模型上除已标注的电阻率值外，其他参数值分别为海水深度1000M，覆盖层厚度1000M，高电阻率层厚度100M，发射频率025HZ，源偶极矩发射电流偶极长度10000AM。设想在一种特殊且不失一般性的情况，场源只沿方向运动，因而E一0，此时可简化为只对E进行计算。当改变某一参数时，其他参数值均不变。31归一化电场幅值随发射频率的变化规律图2展示了发射频率为010100HZ时对应的电场响应结果，由图可见在相同收发距条件下，随着频率增高，归一化电场响应幅值E的衰减加快；对于相同的发射频率，当收发距增大，E也随之减弱。当发射电流为100A，发射偶极和接收偶极长度分别为100M和10M时，电偶极矩为21OAM，则电位观测范围约为10L0V。据国外的经验，布设在海底的观测偶极与电磁发射机的有效观测收发距为210KML】。在小于2KM的小收发距内，有用信号会被发射源压制，而在大于10KM的大收发距外，有用信号又太微弱。由图2可见，发射频率为1HZ时10KM处所对应的归一化电场幅值约为10VAM2。在上述电偶极矩的激励下，该频点的电位观测幅值约为1O。V。440石油勘探与开发油气勘探DK图2不同信号频率的归一化电场幅值32归一化电场幅值随电偶源离地高度的变化规律图3为电偶源离地高度不同时归一化电场幅值的变化。可见，电偶源离地050ITI时，电场响应的幅值和形态几乎重合，说明电偶源离地50ITI以内，各观测点的归一化电场幅值大小均没有明显变化。而当离地高度上升至1001TI时，电场响应曲线显示出改变的趋势，大致以收发距75KM为转折点，曲线的前支表现为归一化电场幅值比电偶源离地高度小于100M的接收偶极小，后支则相反，这说明各观测点的场源来源成分已开始发生变化。当电偶源离地高度进一步增大，这种规律越发明显。但总体而言，电偶源离地0300IN范围内各曲线的分离程度并不大，归一化电场幅值的大小相差无几。因此，电偶源离地高度与发射频率相比，其权重列于次要位置。以上分析说明，在进行天然气水合物勘测时，电偶源不一定非要紧贴海底。若把电偶源置于距离海底50M左右的高度，并维持在这一高度实施拖曳及电场发射，将取得与贴紧海底情况下几乎相同的采集质量，这将大大改善设备的安全使用条件。O246LOL2L4L6DKM图3电偶源不同离地高度的归一化电场幅值33归一化电场幅值随海水深度的变化规律当海水深度改变时，电场响应情况如图4所示。可见，当海水深度小于1500M时，在相同收发距情况下，水深与归一化电场幅值呈负相关关系，即海水越浅，归一化电场幅值越大。在同一水深条件下，小收发距02KM的归一化电场幅值随收发距增大呈指数衰减，中远收发距210KM的归一化电场幅值随收发距增大呈线性衰减。当水深大于1500M，归一化电场幅值不再随水深增大而衰减，而是趋于近30。的渐近线。由图5对此现象进行物理解释。0510L5DKIN图4不同海水深度的归一化电场幅值一一一一一一一一海水。QF直达波LILL乒乒无限大空I司介质12M图5海底电偶源电磁波传播路线图图5表明，当电偶源在海底被拖曳行进并发射脉冲电流时，海底的观测偶极可接收到来白海底以下天然气水合物的反射波以及电偶源经空气路径折射回来的空气波，邻近发射电偶源的观测偶极还会接收到由发射电偶源传来的直达波。由图4可见，水深百米时的归一化电场幅值比水深千米时高出数倍，这是因为当海水较浅时，空气波的能量较大，高出的部分是由于受到了空气波的影响。随着水深的增加，空气波衰减增大，直至到某一深度图4显示约为1500M，其作用基本消失。由以上分析可以得出在收发距相同情况下，随水深增加，归一化电场响应幅值减小，但来自天然气水合物反射波的能量并未衰减，减小的只是空气波的能量。因此，水深增加后，归一化电场响应的有用信息并没有丢失，甚至可以说，归一化电场响应的信噪比反而提高了。所以，大于1500IN水深的勘探效果应该比浅水勘探效果要好。小收发距的区段，即图4中从0至2KM拐点附近，归一化电场幅值虽然相对较大，但BO5O5O5O5O5O5OO11223344550002O10年8月邓明等激励及地电条件与天然气水合物的电偶源电场响应信号的主要成分是来自发射源的直达波，这一点可以从图5直观看出。这说明来自天然气水合物的反射波在这一区段由于背景场太强而难以观测到。由上述分析可以看出，归一化电场幅值弱，但信噪比不一定低，同样，归一化电场幅值大未必信噪比高。照此推理，应该存在某一收发距，在该收发距上可得到最佳的信号观测值。有关最佳收发距的计算拟另文进行探讨。34归一化电场幅值随覆盖层厚度的变化规律覆盖层是指海底面以下至天然气水合物层之间的介质，一般为海洋沉积物。经过若干地质年代的作用，沉积物所形成的覆盖层把甲烷烃类物质与海水层分隔开来，并形成相对封闭的成藏空间。甲烷烃类物质在低温高压的环境里生成胶状的天然气水合物，其具有与冰相近的高电阻率特性一一，故天然气水合物又称为可燃冰。与可燃冰相比，覆盖层中富含海水主体成分的钠离子，显示低电阻率特性，对电磁波具有衰减作用。通过对1式和2式的计算表明，覆盖层的厚度大小会对电偶源电磁场的向下传播产生较大影响，其计算结果见图6。O51O15DKM图6不同覆盖层厚度条件下的归一化电场幅值由图6可得出，在收发距相同情况下，随着覆盖层厚度增加，归一化电场响应幅值减小。在相同覆盖层厚度小于5000M条件下，归一化电场响应幅值随收发距增大几乎呈近线性衰减，其梯度约为每4KM衰减90。从图6还可看出当覆盖层厚度超过3000IN时，归一化电场响应幅值不再呈衰减趋势而是趋于某一固定曲线，与没有天然气水合物存在时的情况接近。这说明，当天然气水合物埋深大于3000M时，电偶源电磁波对天然气水合物的激励效果和反射的感应场源均趋于零。因而得出，电偶源电磁勘探对天然气水合物的最大探测深度约为3000IN。目前国际上对天然气水合物的勘探与取样都仅在距海底不大于1000M的浅层进行L】，故电偶源电磁勘探方法目前是适用的。35归一化电场幅值随异常层电阻率的变化规律天然气水合物所处的介质层属于高电阻率异常区。由于甲烷等烃类物质在沉积层并不一定处于饱和状态，其中充填有孔隙水，因此造成了电阻率异常值的变化。目前国际上对地层电阻率的描述一般引用ARCHIE公式L】LD一S10F”3由3式可见，甲烷烃类物质中孔隙度的大小意味着孔隙水的多少，而孔隙水含盐量和温度的高低直接影响异常层的电阻率大小。图7为地层电阻率改变时电场响应的变化结果。由图7可见，随着异常层电阻率的增大，归一化电场响应幅值也随之增大，相对最大的点位出现在收发距约为9KM的位置上。异常层电阻率为10QIN时，该点位所对应的归一化电场幅值比无异常情况大了约15倍，而异常层电阻率为100QM时，归一化电场幅值比无异常情况增加约9倍。此现象说明，异常层电阻率越高，归一化电场响应幅值越大，或者说，天然气水合物含量或纯度越高，勘探效果越好。正是由于这一原因，目前国际上对可控源电磁法水合物勘探给予了相当的重视。DKM图7异常层中不同电阻率介质的归一化电场幅值4结语水平电偶源的动态激励与海底静态布网记录对天然气水合物勘查具有技术上的可行性；方法理论方面，电偶极偶极场源能够反映海底地表以下的薄层地质构造，而天然气水合物所具有的近水平分布和薄层高电阻率特性，都给该方法提供了有利的地质地球物理条件；学科互补方面，电磁学可为地震学提供地层电性的补充信息。目前，在一些特殊海域，仅依靠地震资料未能获得似海底反射层BSR的清晰图像L2，而电磁方法却有可能在BSR层位上提取出较清晰的电性成像，从而提高划定天然气水合物构造边界的准确性。O23456一一一_可S1442石油勘探与开发油气勘探VO137NO4在浅水海区进行电磁勘探，除受空气波的影响外，还会受到海浪运动引起的电磁噪声的干扰，已有迹象表明L2，海浪运动时切割天然电磁场磁力线，从而造成了部分假异常。对此类干扰应在今后的探测仪器研发和数据处理解释时给予考虑。激励或地电条件的改变除造成电场响应发生变化以外，还会诱导磁场响应发生变化，这是今后重点研究的内容之一。符号注释E，EZ，Y方向归一化电场幅值，VAM；RTM，R某探测层下底界面和上顶界面的TM反射系数，只与介质的物性有关，而与激发场源无关，无量纲；RRE，R子E某探测层下底界面和上顶界面的TE反射系数，只与介质的物性有关，而与激发场源无关，无量纲；Z深度，M；J电偶极发出的电流，A；D偶极的长度，IN；U海水的磁导率，HM；H】海水深度，IN；探测层的厚度，FN；K，Y方向上的波数，无量纲；与波数相关的系数；一一海水电导率，SM；激发频率，HZ；P地层电阻率，NRN；PF孑L隙水的电阻率，与海水的含盐度、温度等有关L2，NM；天然气水合物孔隙度，；M海底沉积物胶结因子，取决于孔隙的几何形态，一般取值1530；S天然气水合物含水饱和度，；D收发距，KM。参考文献1CONSTABLES，SRNKAIJANINTRODUCTIONTOMARINECONTROLLEDSOURCEELECTROMAGNETICMETHODSFORHYDROCARBONEXPLORATIONJGEOPHYSICS，2007，7223122COLLETTTSDETECTIONANDEVALUATIONOFNATURALGASHYDRATESFROMWELLLOGS，PRUDHOEBAYAPROCEEDINGSOFTHEFOURTHINTERNATIONALCONFERENCEONPERMAFROSTCWASHINGTONUNIVERSITYOFALASKAANDNATIONALACADEMYOFSCIENCES，1993169一】743SUMMERFIELDPJ，GALEISMARINECSEMACQUISITIONCHALLENGESASEG2005ANNUALMEETINGCHOUSTONSEG，20055385424PETERW，YVESIMULTILOOPILLASIGNIFICANTSTEPAHEADINELECTR】MAGNETICMODELINGASEG2006ANNUALMEETINGCNEWORLEANSSEG，2006357135785姚伯初，杨木壮，吴时国，等中国海域的天然气水合物资源J现代地质，2008，223333341YAOBOCHU，YANGMUZHUANG，WUSHIGUO，ETA1THEGASHYDRATERESOURCESINTHECHINAGEASJGEOSCIENCE，2008，2233333416陆敬安，杨胜雄，吴能友，等南海神狐海域天然气水合物地球物理测井评价_LJ现代地质，2008，223447451IUJINGANYANGSHENGXIONG，WUNENGYOU，ETA1WELLLOGGINGEVALUATIONOFGASHYDRATESINSHENHUAREA，SOUTHCHINASEAJGEOSCIENCE，2008，2234474517DARNETM，CHOOMC，PLESSIXRE，ETA1DETECTINGHYDROCARBONRESERVOIRSFROMCSEMDATAINCOMPLEXSETTINGSAPPLICATIONTODEEPWATERSABAH，MALAYSIAJGEOPHYSICS，2007，722971038CHAVEAD，CONSTABLESC，EDWARDSRNELECTRICALEXPLORATIONMETHODSFORSEAFLOORANABIGHIANMNELECTROMAGNETICMETHODSINAPPLIEDGEOPHYSICSCOKLAHOMASEG，1991931934SHIPLEYTH，HOUSTONMH，BUFFERRT，ETA1SEISMICEVIDENCEFORWIDESPREADPOSSIBLEGASHYDRATEHORIZONSONCONTINENTALSLOPESANDRISESJAAPGBULLETIN，1979，6322042213宋海斌，张令，江为为，等海洋天然气水合物的地球物理研究III似海底反射J地球物理学进展，2003，182182187SONGHAIBIN，ZHANGLING，JIANGWEIWEI，ETA1GEOPHYSICALRESEARCHESONMARINEGASHYDRATESIL1BOTTOMSIMULATINGREFLECTIONSJPROGRESSINGEOPHYSICS，2003，182182187WEITEMEYERK，CONSTABLES，KEYKMARINEEMTECHNIQUESFORGASHYDRATEDETECTIONANDHAZARDMITIGATIONJTHELEADINGEDGE，2006，265629632纳比吉安勘查地球物理电磁法M赵经祥译北京地质出版社，1992NABIGHIANMNELECTROMAGNETICGEOPHYSICALEXPLORATIONMZHAOJINGXIANGTRANSBEIJINGGEOLOGICALPUBLISHINGHOUSE，1992EIDESMOT，ELLINGSRUDS，MACGREGORLMSEABEDLOGGINGSBIANEWMETHODFORREMOTEANDDIRECTIDENTIFICATION0FHYDROCARBONFILLEDLAYERSINDEEPWATERAREASJFIRSTBREAK，2002，203144152ELLINGSRUDS，EIDESMOT，JOHANSENS，ETA1REMOTESENSINGOFHYDROCARBONLAYERSBYSEABEDLOGGINGSBLRESULTSFROMACRUISEOFFSHOREANGOLAJTHELEADINGEDGE，2002，2110972982PEARSONCF，HALLECKPM，MCGUIREPI，ETA1NATURALGASHYDRATEDEPOSITSAREVIEWOFINSITUPROPERTIESJPHYSICSANDCHEMISTRY，1983，87418O一4185HYNDRNANRD，SPENCEGDASEISMICSTUDYOFMETHANEHYDRATEMARINEBOTTOMSIMULATINGREFLECTORSJJOURNALOFGEOPHYSICALRESEARCH，L992，8766836698ARCHIEGETHEELECTRICALRESIS