（地球探测与信息技术专业论文）海洋可控源电磁法正演研究与实现.pdf

i i i iiiii iillli l uuiil 17 7 8 0 3 0 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ff o r w a r dm o d e l i n go fm a r i n e c o n t r o l l e d - s o ur c e e l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s h iz e n g y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f l i uz h a n c o l l e g eo f g e o r e s o u r c e sa n di n f o r m a t i o n c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取 得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注 和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人 为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 望煎盈 日期：及。p 年 f 月少日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：逮鱼区 指导教师签名：立牝 日期：2 0l 口年 日期：沙ld 年 月箩日 b 月j日 摘要 近年来海洋可控源电磁法( c s e m ) 在海底探测中的应用成为国际上研究的热点。 c s e m 己被用于大洋地壳研究、海底沉积物分布调查和海底矿产资源勘探，并在深 海油气勘探中取得了显著成效。本文以水平电偶极子源为发射源，研究了海洋c s e m 在海上勘探施工方法和原理。采用自适应有限元法实现二维正演模拟，分析了影响 c s e m 勘探效果的几个关键因素，并总结了其响应规律。本文取得的主要成果如下： 1 、从麦克斯韦方程组，推导了空气、海水和海底地层三种不同介质的解析解， 得出了在海底上方任意点的频率域电磁场公式，可以仿真任意海洋地电模型的电磁 响j 立。 2 、改进国外海洋可控源电磁二维正演软件m a i 也2 d c s e m 程序，开发了 w i n d o w s 下的自适应有限元海洋可控源电磁二维正演模拟软件。 3 、通过正演数值模拟结果得到影响海洋可控源电磁法关键因素有：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。它们之间存在以下关 系：深海、高电阻率、厚层高阻体、平坦地形对取得好的海洋c s e m 勘探效果有利； 二维模型下观测系统采用轴向排列( i n l i n e ) 能够得到较好的探测效果；在深海环境 下适合的频率段为0 0 1h z 1h z 。 4 、对典型的油藏构造( 背斜和断层油气藏) 进行了数值模拟，模拟结果表明海 洋c s e m 法可以区分油气是否存在。但尚不能根据简单的归一化曲线特征判定油气 的位置大小及个数等信息，需对电磁资料做偏移处理工作。 5 、首次使用我国某海域w c l 5 1 区域的油气藏剖面建立相对应的模型，模型结 果表明海洋c s e m 法需要结合地质地震等综合资料，才能发挥其作用。 关键词：海洋探测，可控源电磁法，数值模拟，影响因素，油气藏构造 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ff o r w a r d m o d e l i n go f m a r i n e c o n t r o l l e d s o u r c ee l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d s h iz e n g y u a n ( g e o d e t e c t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uz h a n a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ea p p l i c a t i o no f c o n t r o l l e d s o u r c ee l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ( c s e m ) t o s e a f l o o rd e t e c t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h es t u d yh o t s p o t so v e r s e a s c s e mh a sb e e nu s e dt o s t u d ym a r i n el i t h o s p h e r e ，i n v e s t i g a t es e a f l o o rs e d i m e n t sd i s t r i b u t i o na n de x p l o r em i n e r e s o u r c ei ns e a f l o o la m o n gt h e s ea p p l i c a t i o n s ，m a r i n ec s e mm e t h o dh a ss h o w ng r e a t s u c c e s si nh y d r o c a r b o ne x p l o r a t i o no fd e e ps e ae n v i r o n m e n t t h i sp a p e ru s e st h eh o r i z o n t a l e l e c t r i cd i p o l es o u r c ef o rt h ee m i s s i o n ，p r e s e n t i n gt h em e t h o d sa n dp r i n c i p l e so fc s e m t h i s p a p e ra c h i e v e st h et w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff o r w a r dm o d e lt h r o u g ha d a p t i v e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n de s t a b l i s hs o m es i m p l eg e o l o g i c a lm o d e l st of i n do u ts e v e r a lk e y f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h er e s u l t so fc s e m t h r o u g ha n a l y s i sw es u m m a r i z et h er e s p o n s er u l e s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 a c c o r d i n gt om a x w e l l se q u a t i o n s ，w eo b t a i nt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fa i r , s e aa n d u n d e r w a t e rf o r m a t i o no ft h r e ed i f f e r e n tm e d i a , a n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l de q u a t i o nw h i c hc a n s i m u l a t ea n yn o d ei nt h es e a b e da tf r e q u e n c yd o m a i n 2 t h em a r e 2 d c s e ms o f t w a r ep r o g r a mi si m p r o v e da n dp o r t e dt ow i n d o w ss y s t e m t h ef o r w a r df i n i t ee l e m e n t2 de l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ei sa l s od e s i g n e d 3 b yn u m e r i c a lm o d e l i n g ，w eo b t a i nt h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h er e s u l t so fm a r i n e c o n t r o l l e d s o u r c ee l e c t r o m a g n e t i c t h e ya r es e a w a t e rd e p t h ，s e a b e dr e s i s t i v i t y , f o r m a t i o n t h i c k n e s s ，s e a f l o o rt o p o g r a p h y , t r a n s m i t t e r - r e c e i v e rg e o m e t r ya n dt r a n s m i s s i o nf r e q u e n c i e s t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h o s ef a c t o r sa n dr e s p o n s ec u r v ea r e a sf a l l o w s m a r i n ec s e m e x p l o r a t i o nh a sg o o de f f e c t s i nt h e d e e ps e a ；t h er e s p o n s ec u r v ea m p l i t u d ei n c r e a s e s a c c o r d i n gt ot h ei n c r e a s eo ff o r m a t i o nr e s i s t i v i t ya n dt h i c k n e s s ；c o m p a r e dw i t hb r o a d s i d e g e o m e t r y ，i n l i n eg e o m e t r yh a sb e t t e re f f e c t s g e n e r a l l y ，e m i s s i o nf r e q u e n c yi s u s e di n o o lh z 1 0 h z 4t h ep a p e rc o n s t r u c t st w ot y p i c a lr e s e r v o i r s ( a n t i c li n e sa n df a u l t ) a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n a l y z i n gt h er e s p o n s ec u r v eo fe a c hc o m p o n e n t m o d e lr e s u l t ss h o wt h a tt h e m a r i n ec s e mm e t h o dc a nd e t e c tt h ee x i s t e n c eo fo i la n dg a s h o w e v e r , i tc a nn o td e t e r m i n e t h es i z ea n dn u m b e ro fl o c a t i o n so fr e s e r v o i r sa n do t h e ri n f o r m a t i o nb ys i m p l yn o r m a l i z e d c u r v e s i tr e q u i r e se l e c t r o m a g n e t i cd a t a p r o c e s s i n g 5 t h i sp a p e ru s e sac e r t a i na r e ao fw c 一15r e g i o nt oe s t a b l i s ht h et r u es t r a t i g r a p h i c s e c t i o nc o r r e s p o n d i n gt h ea c t u a lm o d e lf o rt h ef i r s tt i m e m o d e lr e s u l t ss h o wt h a tm a r i n e c s e mm e t h o dr e q u i r e sac o m b i n a t i o no fi n t e g r a t e dg e o l o g i c a la n ds e i s m i cd a t a i nt h i s w a y ，i tw i l lp r o v i d em o r eu s e f u li n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：m a r i n ee x p l o r a t i o n ，m a r i n ec o n t r o l l e d s o u r c ee l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i m p a c tf a c t o r s ，r e s e r v o i rs t r u c t u r e 第一章绪言 目录 l 1 1 国内外研究概况1 1 2 课题研究意义3 1 3 主要研究内容4 1 4 论文结构4 第二章海洋可控源电磁技术原理 7 2 1 引言。7 2 2 海洋c s e m 方法勘探原理简述7 2 3 海洋可控源电磁法正演基础1 0 2 4d 、结16 第三章海洋可控源电磁法有限元二维正演方法原理及实现 1 7 3 1 引言17 3 2 自适应有限元方法17 3 3 算法实现2 4 3 4 小结2 8 第四章基于正演模型的影响海洋c s e m 效果因素分析 2 9 4 1 引言2 9 4 2 地层电阻率变化3 2 4 3 海水深度变化3 9 4 4 地层厚度变化4 3 4 5 海底地形变化4 7 4 6 发射频率变化5 3 4 7 小结5 5 第五章油气藏的c s e m 模拟 5 7 第一章绪言 5 2 多目标体油气藏模型5 7 5 3 背斜油气藏模型6 l 5 4 断层油气藏模型6 4 5 5 实际油气藏模型6 6 5 6 j 、结。6 9 第六章成果与建议 参考文献 致谢 7 1 7 3 7 9 1 1 2 7 7 7 望 果 展成点究究新研研创步 要要 一 主主下 1 2 3 6 6 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 国内外研究概况 第一章绪言 近年来，随着对陆上资源逐步枯竭的忧虑和科学技术的高速发展，海洋因其经 济上的巨大潜力和战略上的重要地位越来越被人们所重视。尤其是海洋石油资源更 是各国的战略储备资源之首。在能源资源日益短缺的今天，我国拥有广大海洋面积 的有利条件，海域推测拥有石油储量约2 4 6 亿吨，天然气储量约8 1 4 万亿立方米【l 2 1 ，目前的探明率分别为1 2 3 和1 0 9 f 3 j 。水合物是一种潜在能源，储量非常丰富， 也是新世纪一种重要的接替资源【4 5 l ，但目前我国对其分布还只是一些粗查。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。 随着海洋地质调查的进展，人们发现在海底火山岩覆盖区，碳酸盐岩、珊瑚礁、 泥底辟等分布区，海洋地震勘探十分困难，迫切需要寻找其它有效的地球物理方法 加以配合。相比之下，电磁波更适于在海水中传播，接收噪声小，因为人为噪声和 m t 噪声在可控源电磁法的频率带中衰减很快。并且地下岩层的电性参数( 如电阻率 等) 能更好地反映岩石性质( 如岩性、组分、孔隙度、水饱和度等) ，以及岩石所处的 物理状态( 如温度、压力、熔融、脱水等) 【6 】。 现在兴起的海洋油气勘探新技术海洋电磁法( m a r i n ee l e c t r o m a g n e t i c ) 悄然 出现在西方海洋油气勘探中。随着s t a t o i l 在西非安哥拉( a n g o l a ) 的已知油田 区进行了首次海上海洋可控源电磁技术c s e m ( c o n t r o l l e d s o u r c ee l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d ) 勘测。其结果表明海洋c s e m 技术已经成熟，可以用于商业油气勘探。继 那次试验后s t a t o i l 公司在西非和n o r w a y 等地进行了几个c s e m 勘探工作， 其结果表明c s e m 非常有效。 正演计算是认识不同地电条件下电磁法勘探特征的良好途径，是野外设置观测 系统进行电磁法勘探的基础，也是了解地下地质体对场响应的重要手段。反演的实 质是对观测数据拟合，所以初始模型和计算方法是二维反演的关键。为了将海洋电 磁法更好的应用于生产实际，为后期开展的数据处理和反演提供帮助，开展海洋电 磁正演模拟研究是十分必要的。 早期的电磁勘探数值模拟研究主要采用一维模型，k r a i c h m a n ( 19 7 0 ) ，b a n n i s t e r ( 1 9 6 8 ) ，c h a v ( 1 9 8 2 ) ，c o x ( 1 9 8 6 ) 等进行了大量频率域一维模拟研究【7 10 1 。e d w a r d s ， 第一章绪言 c h a v e ( 1 9 8 6 ) 和c h e e s m a n ( 1 9 8 7 ) 等则开展了时间域一维模拟研究【1 1 12 1 。f l o s a d o t t i r 和 c o n s t a b l e ( 1 9 9 6 ) 实现了一维快速o c c a m 反澍b 】，其后一维反演模拟研究更多走向 实用，即使是现在，一维反演仍然是实际资料主要的处理手段。e v e r e t t 和e d w a r d s ( 1 9 9 3 ) 开始了二维有限元时间域模拟，几乎同时u n s w o r t h 等开展了频率域模拟。1 9 9 5 年u n s w o r t h 和o l d e n b u r g 实现了频率域的二维反演【1 4 】，但不能应用于实际数据。直 到2 0 0 1 年m a c g r e g o r 等改进了前人的算法，才可以快速地进行实际数据的二维反 演【15 1 。 近几年来，海洋电磁数值模拟研究进展迅速。尤其在2 0 0 7 年，一些文献对更 精确的模拟和更快的反演电磁场提供深入的方法。l ia n dk e y 1 6 1 ( 2 0 0 7 ) ，l ia n d c o n s t a b l e t l 7 】( 2 0 0 7 ) ) ，z h d a n o va n dg r i b e n k o l l 8 1 ( 2 0 0 7 ) 。他们分别改进了有限元公式、 测深的效果和在真实海底解释数据中快速求解积分方程的反演结果。由于常规的海 底c s e m 测量使用的是海底接收器和深牵引激发源，近场测深波动产生了显著变化， 测深值必须考虑到尽可能准确。非结构化的有限元解【l6 】( l ia n dk e y ，2 0 0 7 ) ，在保 持稀疏矩阵计算优点的基础上，提供了局域网格加密和准确代表海底变化的曲线。 时间域海洋电磁的三维模拟研究比频率域滞后，但是u m 等展示了一维和三维 模拟研究成梨1 蝴，表明时域电磁法可能比频率具有更高的灵敏度，另外还有利于 在浅水环境中应用。 到目前为止，对在整个海底c s e m 而言，尽管得出一些简单模型( 块体和球体) 在非均质空间或分层背景场的近似解，但是还不存在三维模型的真正的解析解。然 而，现在3 d 数值算法已经可以满足实际需求，可以包含一个水层，有时也可以包 含一个空气层，作为模型的一部分。n e w m a n 和a l u m b a u g h t 2 2 1 ( 1 9 9 5 ) 提出有限元算 法是海底探测一致性应用最广泛的算法。b a d e a 等人【2 3 1 ( 2 0 0 1 ) 描述7 - - 维的有限元 算法。 目前海洋频率域c s f m 数据最常用、最简单的处理解释方法是制作振幅随偏移 距变化曲线( m v om a g n i t u d ev a l u eo f f s e t ) 和相位随偏移距变化曲线( p v op h a s e v a l u eo f f s e t ) 2 钔。根据c o n s t a b l e 和w e i s s l 2 5 1 对一维模型的模拟研究，不论哪种地下 电性结构，电场振幅曲线都随炮检距增大而衰减，存在含油层与不存在含油层时曲 线变化差异较大。由于低阻层对电磁能量的强衰减作用，在高阻含油气层上将显示 比含水层高的电磁场幅度。若海底地层中不存在含油气层，则接收到的反射波和折 射波电磁能量要小得多。通过实测电磁场幅度数据与假设含水层模型的正演模拟曲 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 线的对比，可以判断目的层的含油气性【2 6 l 。另外，考虑到电磁场能量随炮检距呈指 数衰减特性，为方便显示，通常还计算实测电磁场幅度与半空间介质或层状含水地 层的电磁场幅度的比值，根据归一化异常与炮检距的关系曲线，进行储层的含油气 性解释【2 6 1 。也有学者提出采用以激发和接收成4 5 。交角的电场拟剖而显示，这样在 含油气区会呈现低阻异常包围含油气高阻层的异常特征，从而大致确定异常的相对 位置和视深度。 我国在海洋电磁数值模拟方面起步较晚，技术薄弱。与陆上电磁探测方法相比 公开发表的结果还十分有限。2 0 0 1 年杨海霞等【2 7 】采用有限元法实现了海洋大地电磁 的二维正演简单模型计算，得出视电阻率与频率和海水深度的关系；2 0 0 8 年z h a o l i a o x i a o 在频率域进行了一维正演，为海洋c s e m 探测油气水合物提供了定量分析 【2 8 】；2 0 0 9 年3 月沈金松等口9 1 用等参单元有限元方法建立二维正演模型，展示了海底 地形和地下介质的电性变化特征，证实了水平电偶极子对探测海底高阻最有效；2 0 0 9 年6 月刘长胜【3 0 】在一维正演的基础上讨论了浅海环境下提高对高阻体探测能力的方 案，尝试将陆地上常用的垂直磁性源时间域c s e m 用于海底探测，并且建立了相应 的数学电磁模型。上述文章对我国海洋c s e m 进展起了推动性作用，但是研究内容 方面存在正演方法简单、模型简单、与实际结合少等问题。随着地质勘探重心转向 复杂地区，简单模型已不能满足实用要求。开发可以建立复杂模型的二维正演软件 已经成为研究重点。 1 2 课题研究意义 我国在海洋c s e m 在正演方面面临诸多问题。有关海洋c s e m 正演的文章数量 少，研究方面不全面；建立的正演模型简单，多数是基于简单几何模型，而且没有 真正与实际地形相结合不能满足实际要求。尚未见到有关建立复杂地质模型的二维 正演软件的报道，在我国海洋c s e m 正演仍处于起步阶段。 海洋c s e m 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。 本文开发了w i n d o w s 下的海洋c s e m 二维正演模拟软件，为我国海洋c s e m 的 正演研究起了推动性作用；并总结了海底因素与响应结果的关系，为反演定性的参 3 第一章绪言 考资料；根据实际地质资料，建立了二维模型并得到正演模拟结果，初步将海洋 c s e m 法与实际资料相结合。 1 3 主要研究内容 在我国在海洋勘探开发力度不足的现状下，鉴于海洋c s e m 在勘探方面的诸多 优势，加快对c s e m 的研究是非常必要的。本文通过对海底c s e m 探测进行数值模 拟和实验，研究水平电偶极子源频率域c s e m 用于深海领域探测高阻体的可行性和 方法技术。具体研究内容如下： 1 、以常用的水平电偶极子为发射源，从麦克斯韦方程组出发，推导在频率域 中电磁场的在三个一维空间( 空气、海水、地层) 一次场的解析解。得出了在海底 上方任意点的频率域电磁场公式，可以仿真任意海洋地电模型的电磁响应。 2 、研究了用有限元法实现正演数值模拟的方法原理。采用自适应有限元方法 作为二维正演的方法，改进国外先进的正演模拟软件m a r e 2 d c s e m ，并开发基于 w i n d o w s 系统下的海洋电磁二维正演模拟软件。 3 、仿真不同海洋地电模型参数和不同观测系统参数时海底水平电偶极子源频 率域c s e m 的电磁响应。对比了各种参数的曲线特征，分析了曲线变化的原因。总 结了影响因素与振幅和相位曲线的关系，影响因素与电磁场分量变化的关系。 4 、建立两个典型的油藏构造( 背斜和断层油气藏) 模型，找出背斜和断层油 气藏的响应曲线特征，并分析原因。参考我国某海域已经证实含油气区域，设计简 化模型，找出响应曲线特征，验证海洋c s e m 是否有效。 1 4 论文结构 本文共分为六个章节，各章节内容安排如下： 第一章，介绍国内外研究概况，提出课题的研究意义和本文的主要研究内容， 并对论文结构安排作了说明。 第二章，首先介绍了c s e m 的概念，然后阐述了海底c s e m 探测油气的基本 原理。并给出了可控源电磁法一维正演基本公式的推导过程。 第三章，根据前人正演模拟方法研究的成果，总结了使用自适应有限元方法进 行正演模拟的优点，详细描述了实现此方法的过程。通过对以往成果的修改，实现 了w i n d o w s 系统下的m a r e 2 d c s e m 软件的应用。 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第四章，设计五种不同影响因素模型。根据结果总结分析其对应的响应曲线的 特征，并且总结电磁场分量对各种因素的反应特征。 第五章，参考实际资料参数，设计与实际模型一致的典型油气藏模型。通过前 期的工作基础，分析其曲线特征，并解释形成原因。为后期的反演提供参考信息。 第六章，对本文的研究上作进行总结，归纳了主要研究成果和创新点，并对下 一步研究上作进行了展望。 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 1 引言 第二章海洋可控源电磁技术原理 海洋可控源电磁法( c s e m ) 是地球物理勘探中一种重要的探测方法，通过测量可 控源在周围空间的电磁场来获取地下介质的电导率信息。海底c s e m 探测可以提 供海底的岩层的电性参数( 如电阻率等) 较之其它物性参数。能更好地反映岩石性 质( 如岩性、组分、孔隙度、水饱和度等) ，以及岩石所处的物理状态( 如温度、 压力、熔融、脱水等) 。反映海底介质电性的横向和纵向变化，推断海底结构，为 海底资源勘探和海底工程环境勘查提供依据。特别是在火山岩、碳酸盐以及盐丘等 地震方法探测效果不佳的区域，c s e m 法是地震方法的重要补充【6 】。 通过改变发射源种类、发射源方向、观测点布置、被测电磁场方向和时频域， c s e m 可以有多种工作方式。目前国外海底探测常用的工作方式是采用水平电偶子 为发射源的频率域c s e m ，该方式在深海高阻体( 如油气、水合物等) 探测上取得 了很好的效果。和地震资料相结合，会取得更好的勘探效果。因为地震资料可提供 反映地质构造位置和形态的构造图，但并不知是否含油气。而海洋可控源电磁法有 助于确定地震构造中储藏的液体是油还是水，从而可以提高油气勘探的成功率，尤 其是在深水海域。本章以水平电偶极子发射源为例，简述海洋可控源海洋电磁方法 的勘探方式和原理。 2 2 海洋c s e m 方法勘探原理简述 耻。翎 ，、 图2 - 1 水平电偶极子海洋c s e m 方法简要图解1 3 l i 第二章海洋可控源电磁法技术原理 图2 1 给出了海洋c s f m 系统的主要组成，其中电偶极子发射器长度约为1 0 0m 以悬浮状态拖于海底上方约5 0 m 。发射器供以0 0 1 l h z 变频交流电。包括折射和反 射电磁信号的电磁响应由海底铺设的阵列接收装置接收【5 0 1 。电磁传感器布置于海 底，以最大程度的耦合海底地层的电场和磁场。经过各种介质传播后这些电场和磁 场信号被放于海底的接收器所接收。接收器也可以接收到穿过海水层又传播回来的 大地电磁场信掣引j 。 m a r i n ec s e m - b a s i cc o n c e p t s ”j 8 ”一一一“ 1” a i r 职一a v e 图2 - 2 海洋c s e m 传播路径1 3 1 i 使用可移动水平电偶极子( h e dh o r i z o n t a le l e c t r i cd i p o l e ) 激发源和海底电场 接收器组合。发射偶极子发射低频电磁信号( 通常从零点几赫兹到几十赫兹) ，向 上传播到上覆水体，向下传播到海底。在接收站可以接收到3 条路径的信号：一是 直达波，二是来自海底地层的反射和折射信号( 图2 2 ) ，三是来自水面的反射和折射 信号( 在海洋探测中永远不可忽视) 。 信号振幅的衰减率和相移大小由海底地形形态和趋肤深度效应共同决定。由于 海底地层的电阻率( 一般为1 3 d m ) 比海水电阻率( 一般为0 2 5 - - 0 3 5 f a n ) 要高， 总体上海底电阻率远远大于海水电阻率，在海底的穿透深度很长。所以，在海底的 电场测量中，在合适的偏移距范围内，通过海底接收器接收到的电场的响应信号在 总场分量中占有主要地位。电磁波沿扩散路径传播穿过整个海底，接收信号的振幅 和相位取决于海底地下地层的电阻结构。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 海洋可控源电磁法探测油气是利用储层( 尤其充填油气的) 和的围岩( 充有盐 水流体) 在电阻率大小的巨大差异这一现象。油气储层通常有几十欧姆或者更高， 然而顶部和底部沉积层电阻率通常小于几欧姆。当激发场源到接收器距离与高阻储 层埋深相当或稍大时( 一般是储层埋藏深度的2 5 倍) 【2 引，在合适的频率和水深下， 由含油气高阻层返回海底的电磁波能量将超过直达电磁波的能量，同时也超过经空 气界面反射和折射的电磁波能量，占据主导地位。如果海底地层中没有高阻油气层， 则经海底油气层反射、折射的电磁波能量就很微弱，甚至没有。 由图2 2 所示，c s e m 发射器激发的能量穿过海底海水大气层整个系统。电磁 场以几何路径衰减且主要以指数形式衰减，衰减大小也与激发源接收器的距离有 关，穿过每一个介质的能量占有总场的一部分。s t e v e nc o n s t a b l e 和l e o n a r dj s m k a e 3 1 1 ( 2 0 0 7 ) 僦数据模拟了这个现象，并得出了相应的图形解释，由图2 3 表 示。 图2 - 3 有，无高阻油气层时的b l v o 曲纠“1 从图2 3 中，可以看到存在高阻油气层地层与不存在高阻油气层地层在m v o 曲线上明显分离。在距发射源较近的区域，由于角度问题以及从海底或上方海面经 过反射和折射的电磁波信号，要穿行较长一段距离，因此，在发射源附近区域接收 到的信号以直达波为主( 图2 - 3 a 段) 。存在高阻油气层的m v o 曲线，出现强振幅( 图 2 3b 段) 。而无高阻层时的( 比如地下为均匀地层) m v o 曲线，振幅最弱( 图2 3d 段) 。 但是，当偏移的距离进一步增大时，向下经海底高阻地层传播的电磁波经过长距离 较快的衰减，比向上经海水面传播的电磁波要弱得多。因而，向上经海水面传播的 电磁波( 即空气波) 将占据主导地位。因为空气波是必然存在的，所以无论海底地层 中存在何种类型的高阻层，当偏移距进一步增大时所有的m v o 曲线都将合并在一 9 第二章海洋可控源电磁法技术原理 起，即接收到的电磁波主要来自空气波产生的信号( 图2 3c 段) 。如果海水深度减小， 在较近的区域空气波就将强于油气层反射折射信号，使出现强振幅的范围减小，当 海水深度d , n 某一深度时，该频率域可控源电磁方法将失效。同样，如果高阻层深 度与海水深度相比太大，该方法也无法发现高i j i t n t 3 2 1 。 2 3 海洋可控源电磁法正演基础 下面以海洋可控源电磁法中常用的水平电偶极子为发射源，推导在频率域中电 磁场的在三个一维空间一次场的解析解。 2 3 1 在频率域中的麦克斯韦公式 假设时间因子为p 却，在拟稳定状态下的麦克斯韦方程组可以表示为： v x e i o l a o h = 一厶 ( 2 - 1 ) v x h e r e = 以 ( 2 2 ) 其中，鳓是自由空间的磁导率，国是角频率，仃是电导率，它的定义在这里的 变化仅仅在( x ，y ) 平面。厶和以分别是磁场和电场的电流。 假设电磁场是电场和磁场的叠加量，那么e = e + 乜，h = 以+ 巩 ( 2 3 ) 其中e ，e ，以，皿是以下公式的解： v x 已一i 国1 4 h = 一厶，v x 以一仃已= 0 ( 2 4 ) v x e i c o o h = 0 ，v x 皿一盯e = 以 ( 2 - 5 ) 电流产生【e ，i - , 】，磁流产生 岛，以】。总场 e ，h 】= 巨，见】+ 【，h m 】， 个公式适用于( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 。 定义矢量势： 已= - v x f ，皿= v x a ( 2 - 6 ) 并将( 2 6 ) 代a n ( 2 4 ) 和( 2 - 5 ) 得到：巨= i w l a o d - vv ，上乙= - c r f - v u ( 2 - 7 ) 其中u 和v 是引入的两个任意的标量方程，只做中间变量。从( 2 4 ) ( 2 7 ) 得到： v 2 f + k 2 f = 一厶( 2 8 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 v 2 彳+ j j 2 a = 一以 在l o r e n t z 条件下，v f = i w l u o u ，v a = - g v 其中k 2 = i w k t o o 。电场和磁场公式可以改写为： 已：一v ，e ：m 彳+ l v ( v 彳) 盯 见：v 彳，乜：一仃，一_ l v ( v ，) i w f l o 假设矢量势f 和a 只有一个z 方向的分量，即 a = ( o ，o ，4 ) ，f = ( 0 ，o ，e ) 将( 2 - 1 3 ) 代入( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中，电场和磁场的分量可以表示为下式： t m 模式( 由电流产生) e = i 1 夏0 2 万a z ，髟= 孑1 瓦c 3 2 瓦a z ，e = 孑1 ( 虿0 2 + 七2 ) 4 以= 鲁，髟= 一豢，皿= od yo x t e 模式( 由磁流产生) e x - - 一等，b 一豢，丘= 。 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 以= 一面1 丽0 ：f ：，q = 一面1 丽0 ：f 2 ，皿= 一士t w k t o ( 罢o z + 七2 ) c ( 2 - 1 5 ) j w o 譬宓 。 l w 砂陇 在各向同性无源场内，任何场都可以分解为t e 和t m 模型。 2 3 2 标量格林方程 定义三重积分的傅立叶转换公式： j ( t ，砖，t ) = e 彳( x ，y ，z ) e - i k i x + k y y + k , z d x & e z 彳( 五弘z ) = 专二( 颤，砖，t ) e - i k r x + k y y + k z z 矾，嘶戤 将( 2 - 9 ) 按上式进行傅立叶变换得到： ( - k x 2 一b 2 k ：2 + 尼2 ) 二= 一了 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 第二二章海洋可控源电磁法技术原理 或者表示为j = 啦， 。= 西南 a ( x , y ，z ) = g o x ，y - y , z z ) 以( 一，y , z ) d x d y d z 于是格林函数满足标量的微分方程： v 2 g + k 2 g = 一6 ( x ) 6 ( y ) 8 ( z ) 在z 方向的反傅立叶变换为： 舐删= 去e 再斋7 啦= 罢 其中“= ( 屯2 + 砖2 - k 2 ) v 2 因此g ( x ，y ，z ) = 萨1 l l - 了e - e i ( k ：+ k y y ) 戤吗 2 3 3 水平电偶极子源在层状地层中的电磁场 l 、通解 在无源区定义t m 和t e 的向量势分别为a = ( o ，0 ，a ) ，f = ( o ，0 ，f ) 因此标量势a 和f 满足下式： v 2 f + k 2 f ：0 v 2 彳+ k 2 a ：0 使用傅立叶变化对： 户( 屯，b ，z ) = e f ( x ，y ，z ) p 一缸+ y 出咖 f ( 训，z ) = 4 万l _ k ：e 户( t ，纠p 忡呦戤魄 在傅立叶变换后公式( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 即变为： 堡一甜z 户：o d z 2 氅一“z 五：o 其中“2 = t 2 + 屯2 - k 2 。因此方程组( 2 - 2 9 ) , 1 1 ( 2 3 0 ) 可以表示为： ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 嘲 幽 陋 蚴 叩 邮 旧 卿 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f ( 戤，b ，z ) = f + ( t ，砖弦”+ f 一( t ，砖弦” ( 2 3 1 ) j ( t ，砖，z ) = 彳+ ( 屯，砖) p 一啦+ 彳一( 颤，砖弦” ( 2 - 3 2 ) 其中“+ “ 分别代表解向上和向下衰减。 2 、基本解 假设激发源在高于海底界面z = h 处，海水面的特解可以表示为 4 = r r m a p p 一啪，e = 厂厄f p e 一啪 ( 2 - 3 3 ) 其中，和，腰为反射系数，珊= 丽z o - z , ，陋2 丽r o - y 1 ( 2 - 3 4 ) z j + z 。k + x 而r o ：之l ，z 0 = u o ，( 2 3 5 ) 枇勰， 僦筹描器， 式= ， 乏= z l ， 毛= 乙筹篙揣， 毛：z ，艺= ? l ，乙= 盟， = ( 颤2 + 七，2 一吒2 ) 牝， 吒2