挑战浅海电磁勘探.doc

浅海电磁勘探技术及面临的挑战Jonny Hesthammer1,2，Mikhail Boulaenko1,2 1. 挪威Bergen大学地球科学系 2. 挪威Rocksource ASA浅海油气勘探既富挑战性也很昂贵。尽管过去几十年里地震在采集和处理方法方面取得了长足发展，但仅靠探井发现油藏的机会是很低的。其部分的原因是地震方法对流体反应不很灵敏。在很多发现油藏的地方，地震资料却没有反应出流体的存在，而只是对构造和地层圈闭有反应。还有别的例子证明，地震剖面上的平点和亮点只不过是510的剩余气体（即非工业气田）的反应。很明显，任何能提高油藏发现机会的手段都将使油气勘探的各方受益。2000年，Statoil公司尝试将海洋可控源电磁法（MCSEM）应用于深海油气的远程直接检测(Eidesmo et al., 2002, Ellingsrud et al., 2002)。他们发现，这种方法很适合于高饱和度（6070甚至更高）油气藏的探测，从而建立了ElectroMagnetic GeoServices (emgs)公司，这是第一家将MCSEM（emgs称之为海底测井）技术成功用于浅海油气直接探测的公司。继emgs公司之后，又有两家竞争公司也推出类似的MCSEM浅海油气勘探服务。他们是Offshore Hydrocarbon Mapping (OHM)公司和AGO/Schlumberger公司。象emgs公司一样，这两家公司也都采用可移动式点偶极发射源和海底电磁信号传感器。在这几家公司成立不到三年的时间里，他们在全世界共做了100多个这样的勘探项目，其中大部分都得到了钻井结果的验证。用电磁技术进行油气直接探测的技术已经被证实了，而且被许多人认为是油气勘探的转折点和自二十多年前3D地震技术得到广泛发展以来最为重要的技术成果。世界上最大的油公司，象Statoil公司, ExxonMobil公司和Shell公司等，已经开始准备开展这种勘探，而一些小公司尚处于对这项技术进行评价和研究这如何将它用于油气勘探阶段。这就给一些勇于接受新事物的公司，比如第一家将EM技术作为油气勘探基础技术并且成为MCSEM方面技术专家的Rocksource公司，提供了发展机会。虽然将MCSEM技术用于直接找油已经被证明是成功的，但如何最大限度地发挥和利用这种技术还需要研究。本文讨论未来会涉及到仪器装备、勘探设计、3D4D正反演、地震和地质信息联合反演以及将MCSEM勘探融于油公司勘探流程等方面的问题。如果浅海EM技术能得到充分的发展，并且这种技术能应用到更复杂的勘探领域和油藏监测，那前面提到的几个方面将会非常重要。MCSEM技术发展历史与基础用电磁技术研究地球内部特征和油气探测的思想由来已久。上个世纪，电磁技术被广泛应用于矿藏勘探、地下水勘探和环境监测。在陆地上也开展了很多用于油气勘探目的的电磁勘探工作。最为著名的就是在俄罗斯(Kaufman and Keller, 1983)用电磁勘探发现了世界上最大的气田Urengoy。多年来，在海洋领域，甚低频MCSEM技术已经被应用到海洋盆地和活火山中心的研究(Young and Cox, 1981; Chave and Cox, 1982, Webb et al., 1985, Sinha et al., 1990, Chave et al., 1991, Evans et al., 1994, Constable and Cox, 1996, MacGregor et al., 1998, 2001)。图1 MCSEM油藏勘探技术。水平电偶极源在海底导性地层内激发电磁场。当电磁场经过海底高阻层时，由于电阻率差引起电磁场的散射，用布设在海底的传感器记录这个发散场（下图）。但是,充海水的地层与围岩之间的电阻率差不足以对电磁场产生发散作用（上图）。（本图源自www.emgs.no.）过去，由于勘探设备和数据处理技术的不足，限制了MCSEM技术在油气勘探中的应用。20世纪80年代，由于油价的暴跌和3D地震的广泛应用，这种技术的发展被突然中止了。遥测电磁勘探是基于这样的一种理论：电磁波在地下电导性地层中的传播主要受电阻率的空间分布的影响（假设是非磁性介质）。在海洋里，充海水地层是高导性的，而含油气地层则是高阻性的，这种高阻地层对电磁场具有散射作用。被地下高阻体散射的电磁场又传回到海底，可以用电磁信号传感器记录这些信号。通过反演和偏移处理，这些数据就用来研究地下电阻率的分布情况。MCSEM勘探中一个重要的问题就是所记录的数据里包含了噪音（大地自然电磁噪音，水流引起的噪音和仪器本身的噪音）。这些加上数据采集的不确定性和发射接收点距的稀疏，使数据解释工作极端困难而又颇富挑战性。通常， MCSEM勘探过程中是将电磁信号传感器置于海底，可移动式水平电偶极发射源则在海底以上2040m的范围内拖拽前进（图1）。发射源不断地发射信号，而传感器不断地记录电磁信号。在地层中传播的电磁信号的衰减主要受频率和介质电阻率的影响。要检测到目标体，就要求散射到海底的电磁信号强度必须大于噪音。这就要求发射源采用恰当的发射频率范围和发射电流。发射电流的可选范围为5001000A，而偶极源的长度为150250m。电磁场在导电介质中的穿透深度（也叫趋肤深度）正比于振动周期与电阻率乘积的平方根，即：这里，是电阻率，单位为ohm-m。T是振动周期，单位为秒。一般说来，海底高阻地层的电阻率12 ohm-m，考虑到最大发射电流和噪音水平，如果要探测海底以下2000 m深的目标体，所需的发射频率范围为0.1-5Hz。当然，为了提高深层分辨率，有必要覆盖更广的频率范围。波长=2，当发射源频率为0.25 Hz时，电磁波波长为6300 m左右。值得注意的是，电磁数据的分辨率不受半波长的限制（称为Rayleigh限制），而半波长却影响地震数据的垂直分辨率。由于在Maxwell方程中可忽略介电常数的影响，电磁场在导性介质中的传播过程近似于漫射过程。电磁数据的空间分辨率主要受噪音水平和发射源间距的限制。海洋深水环境的优点就在于导性海水大大减弱了与目标体具有相同频率段的MT噪音。在浅水勘探中，MT数据和MCSEM数据的联合解释在某种程度上可以补偿由于噪音的增加带来的影响。未来面临的挑战在过去的几年里，已经开展了2D MCSEM数据的采集。在采集过程中，接收排列沿测线置于海底，而发射源则平行或垂直于测线在接收排列上方拖拽前进。最初通常用归一化的振幅和相位数据来作解释。这一步非常重要，而正是这一步有力地说明了这种方法用于油气直接探测的可能性。而且，2D勘探也有助于更好地理解这种思想。但是，开展MCSEM勘探的地球物理公司和这种技术的最终用户（油公司）都意识到，为了充分发挥MCSEM技术的潜能，有必要开展3D MCSEM采集和解释。当这种技术被用来解决更具挑战性的难题时，这点就更为明显了。这些具挑战性的难题包括对围岩和上覆地层与油气藏之间电阻率差异很小的油藏的勘探，横向和纵向范围都很小的油藏勘探，在不同深度存在多个油藏，以及深部油气藏的勘探。不仅含油气地层具有高阻特征，一些高阻岩石，象盐岩，火山岩，碳酸盐等，都会使问题变得更复杂。未来的电磁技术和地震技术却有可能在这种复杂的情况下得到一些重要发现。为了能用MCSEM技术成功地进行油气勘探，有许多重要因素需要考虑，其中包括装备的发展，最优化3D勘探的设计，与其它地球物理资料，比如地震，测井，地质等资料相结合，进行3D综合解释。装 备MCSEM数据的采集质量极大地依赖于传感器的动态范围和灵敏度。到目前为止，传感器的动态范围还不能达到记录发射接收距足够小情况下的数据的要求。并且，在甚低频（小于0.1Hz）时，一般用于商业目的的传感器的仪器噪音低于外部噪音，比如大地电磁场和水流引起的噪音。在高频段，仪器噪音（主要是Jonson热噪音）高于外部噪音。在目前的技术条件下，可控源勘探中的发射源电流强度可以达到数百安培。更大的挑战还在于发射源和传感器的定位和定向问题。由于电磁场强度的梯度较大，在MCSEM数据的采集中，尤其是短发射接收距情况下，发射接收位置的精确定位显得尤为重要。很小的定位误差可能会在计算一次电磁的振幅和相位时产生很大的误差。这些误差可能会使得研究目标体产生的微弱异常变得非常复杂。特别是对严格的3D数据反演来说，源和接收点的方位的确定非常重要，这是因为当目标体是薄的水平含油气地层时，电磁场的不同分量对目标体的探测灵敏度是不同的(Kaufman and Keller, 1983)。勘探设计与数据的采集简单的2D MCSEM勘探就足以解决一个又大又浅的高阻体的成像问题。但是，这种方法对于测线不穿过地质体和海底地形所引起的误差非常敏感。这些误差使得对又小又深的目标体的探测变得更为困难。另外，用这种方法也不能确定油藏的几何参数。我们需要用2D和2.5D MCSEM勘探来降低复杂地质条件下的错误解释的风险。要开展最优化2.5D or 3D MCSEM勘探，就需要设计正确的勘探程序。这就需要对工区的地质情况的初步了解。而已有的地震和地质信息往往不足以实现一步到位的最优化3D MCSEM勘探。这是因为潜在的工区面积很大，在开展3D MCSEM勘探时海底布设的传感器数量有限。为了实现最优化3D MCSEM数据采集，有必要建立一套多步骤、交互式的勘探程序。在执行每个步骤之后，都要用最新的地质信息作指导，修改模型，根据改进后的模型部署接收点的位置，发射源的行进路线和频率范围（自动设计），实现电磁信号对地质体的最敏感探测。接下来的是对每步骤都要采用基于3D正反演的最优化算法。这样一种方法对算法的要求是在普通配置的计算机上实现时限性很强的处理。另外，由于整个过程并非完全由实施勘探工作的地球物理公司完成，所以这个过程的运作对油公司的地学家也是一种挑战。这是由于这个过程要求对工区地质条件要有详细的了解，而且这个过程很耗时间。在将来的几年里，特别是与海洋电磁问题相关的正反演技术将会有很大的发展。石油勘探公司，科研机构和油公司都会投入相当的资源来开展这些工作。图2 有效利用MCSEM数据的工作流程。流程的核心是电阻率信息是油气直接探测的有效工具。在开展详细的勘探之前先进行简单的数据采集，有效识别高阻体。如果在这个阶段发现了高阻异常，就可以进一步开展更为详细的勘探工作，为高阻构造的研究和综合解释提供更多信息。前面介绍方法时涉及到了勘探工作如何实施。图2是一个3D MCSEM数据采集流程示意图。在勘探的初级阶段，地球勘探公司需要开展低分辨率的勘察工作，以便寻找可能的电阻率异常区域，其中的迭代过程需要用最优化软件自动完成。数据需要传回总部以便专家进行分析（数据预处理工作可以在采集现场自动完成）。如果这个阶段发现了可能的油气藏，下一步就要在必要的迭代处理的基础上部署2.5D或3D勘探，然后将部署方案传到野外数据采集现场。这样的程序能确保对一个探区进行快速扫描，如果结果肯定的话，可以得到高阻体的详细的3D描述。这个流程能保证油公司的电磁采集工作最经济。处理与解释早期，用最简单的办法对MCSEM数据进行处理以直接探测油气(例如，Eidesmo et al., 2002, Ellingsrud et al., 2002, Johansen et al., 2005)，这些办法的核心内容就是对振幅和相位异常，包括振幅和相位随偏移量的变化和归一化振幅和相位值，采用直观的解释方法。后来，主要是对一两个频率的大偏移距资料进行分析。要充分发挥EM技术的潜能就需要采用更先进的方法，现在勘探公司已经将重点放在全3D反演和成像上，以便更好地实现数据的解释工作。这些工作现在还处于初级阶段，但在未来的几年里，这些先进技术将会图3 虽然MCSEM数据功能强大，但是它只是综合勘探中的一部分。因此，需要建立一个最佳工作流程，最大限度地发挥MCSEM数据的作用。得到很好的实施。对于EM勘探公司和最终用户（油公司）来说，采用最好和最有效的算法将是决定成功的最重要因素。建议读者查阅有关Zhdanov (2002)和Zhdanov and Wannamaker (2002)所作的EM数据的3D反演资料。与地震资料一样，由于MCSEM数据本身的特性，不可能得到唯一解，因此就不可能得到电阻率在空间上的确切分布。这是因为测点不可能太密，而且记录的数据里有噪音，包括设备噪音，施工时的航行噪音，外部噪音（包括大地自然电位噪音和水流噪音）等。设备噪音和施工噪音可以通过设备的改进得到控制，但是外部噪音普遍存在，而且在数据处理过程中必须考虑。这些导致的结果是在以后的研究中需要多次反复地对数据进行解释，即：采用各种手段对数据反复地进行处理，以消除或降低其影响。这项工作很耗时间，要求油公司和勘探公司的地学工作者付出极大的努力。在作数据迭代反演的过程中需要进行约束，以求得到最好的解释结果。只有当解释人员积累了足够的经验时，解释的不确定性才会降低。当应用这种技术解决更具有挑战性的问题时，理所当然就要求油公司的地学家具有更丰富的实践经验。在过去的几年里，在综合应用各种数据方面已经作了很大的努力，其效果部分地体现在油公司组建多方法勘探队伍上。此外，现在先进的新的软件已经实现了地震、地质、测井、油藏建模甚至油藏模拟数据的集成。现在，MCSEM数据也能和那些数据结合了。由MCSEM数据得到的电阻率信息要得到很好的利用，就要能与其它类型的数据相结合（图3）。第一步当然是实现MCSEM数据和地震数据的结合，有几种方法可以实现。最简单的方法就是将地震剖面转换到深度域，并叠加到电阻率剖面上，以便将地震的振幅与电阻率信息进行比较分析。稍微先进一点的办法就是将3D电阻率值输入到地震三维数据体中。这种方法的优点是可以根据用户定义的振幅值和电阻率值自动地对地震资料进行三维联合追踪。但是，由于MCSEM数据的垂直分辨率大大低于地震数据（由于受到频率范围的限制），必定达不到最佳结果。最有效的办法可能是根据地震资料提供的详细信息建立一个初始模型（与地质信息相结合），用这个模型对EM数据的反演进行约束，以提高分辨率。这就要求所建模型的可靠性高，因为模型误差极可能导致错误的解释结果。这样，在未来的几年里，油公司的地学家就需要很好地理解MCSEM方法的基本原理，并积极参与到资料的处理和综合解释工作中。油藏监测目前已经成功地应用MCSEM技术降低了油藏勘探的风险。如果这种技术被引入油田开发中，它将会有更大的潜力。将地震用于油藏监测方面已经作了很大的努力，但是结果显示：地震对于油藏监测的作用很有限，这是由地震波的属性决定的。即使4D或4C地震方法，对油田增产也作用不大。4C4D地震数据和MCSEM数据的结合对提高油气采收率具有很大的潜力。地震数据能有效反应孔隙度和岩性，而MCSEM数据能将烃和海水区分开来。最大的困难是当MCSEM被用于遥测勘探时，它的分辨率太低。这就要求我们寻求更好的数据处理和解释方法。图4 本区内的经转换后的深度域2D地震剖面。两个可能的平点是中等深度的目标体,两个浅的构造可能是气藏。如果没有电磁数据，仅仅根据地震资料不可能确定其中流体的性质（油气或水）。为了将MCSEM技术用于油藏监测（4D或time-lapse EM），就需要绘制出生产过程中油气饱和度随时间在横向和纵向上的变化。从地质学的观点来看，水的充注路径是受沉积特征和构造特征控制的。生产井中先期见到渗入水是必然的，因为注入水总是流向高孔隙度和高渗透率区域，当然这些区域在横向和纵向上的分布都决定于沉积环境。断层会明显地限制水的横向流动，但会促进纵向流动。因为生产过程中烃饱和度的变化太小， MCSEM技术难以检测到。但是，有几种方法可以解决这个问题。一种办法是在采用置于井中的发射源和接收电极进行遥测电阻率。另外，在生产过程中，可以将设备直接置于海底，开展长期的（永久）MCSEM数据采集，并通过数据叠加，提高信噪比。除此之外，对MCSDEM数据和地震数据进行联合解释也可能会非常有效(Hoversten et al., 2004）。将来，我们可能会看到通过各种不同的手段将这种技术应用于生产。对4D 电磁数据作模型约束反演需要正确而详细的油藏模型。这就需要发展和应用先进的4D正反演算法。只有这样才能提高油藏的分辨率。不过这需要油公司和勘探公司的地学家之间的紧密配合。这个过程既复杂又耗时间，但是结果将会非常好。3D EM勘探实例图5 采用与真实数据相同的处理解释流程得到的正演MCSEM数据,对它进行反演后的结果与图4所示的地震剖面相结合。在地震数据的基础上建立了一个包含3个高阻储层（20 Ohm-m）的模型。模型的背景电阻率与图6所示对真实数据体进行处理时采用的值相同。浅的目标体能很清楚地识别，但深部的目标体只显示出较弱的电阻率异常。因此，如果采用现在的方法，对真实的数据体进行反演,即使深部储层内是油气，也不可能识别出这样的异常体。这是因为采用的数据采集方法的限制和理论数据中没有包含地质噪音。有几种3D MCSEM采集方法。第一种就是海底规则网式3D电磁数据采集。这需要大量的传感器，从而增加了勘探成本。这里要介绍2.5D采集方法，这种方法既与原有的2D的采集装置相衔接，并实现向先进采集技术的平稳过渡，同时也兼容原有的2D解释技术。这种方法只需要单条2D测线，但是需要增加几条平行于这条测线的发射源行进线（因此称为2.5D）。我们将用例子说明用2.5D MCSEM技术探测深水区目标体的效果，这里的模型包含一个较浅的目标体（海底以下350米）和两个较深的（目标体分别位于海底以下650米和750米）。本文侧重于2D和2.5D装置参数的比较以及电场数据的利用，而将最优化计算方法留给以后的文章里介绍。图6 对真实的MCSEM数据作2D反演并与图4所示的地震剖面相结合的结果图.电阻率各向同性的背景是根据对多接收点数据体作1D反演和参考附近井的电阻率信息得到的.经过对地震剖面的分析,认为浅层高阻带可能是含气储层,而深部的平点与高电阻率值无关。但是，由于受到2D采集方法本身和数据质量的限制，仅仅根据现有数据是不能判断构造里面是充填的油气还是水。该区已有2D MCSEM数据，这里的一条地震测线提供了可能的目标油藏（图4），可以对这些地震数据和MCSEM数据进行联合解释。发射电流采用基频为2.5Hz的标准方波电流，在30km长的测线上布设15个传感器，传感器之间为等间距。发射源在测线上方约30m的水中拖拽前进。首先，根据已有的2D地震数据进行建模，即利用地震数据建立可能的地下电阻率分布模型（图4）。图5中，长方形代表可能的高阻异常体(20 ohm-m)，厚度都是50m。最深的异常体是根据地震剖面上的平点推测的。较深的目标体的水平尺寸为1km1km，代表小油藏，最浅的目标体的水平尺寸为1km4km。合成数据是通过严格的3D正演计算得到的，所采用的参数，包括接收发射装置参数，发射波形和噪音水平，均与实测数据集的相一致。这些参数包括20007000m范围的发射接收距， 0.25 Hz , 0.75 Hz和1.25 Hz的发射频率，发射方波的前3个谐波。图7 对图8中所示的实例作模拟2.5D MCSEM勘探示意图。继而进行的是对正演数据作2D反演，以评价对目标体的探测灵敏度。这里选择了一个快速近似算法，它使我们在作耗时的严格反演之前对数据体有一个初步的认识。水平和垂直方向的网格大小分别为1000m和50m。为了使解正则化，采用了平滑约束。说的结果与图4所示的地震剖面相结合。可以看出，虽然对浅层目标体的电阻率和形状反应得不太准确，但是得到的异常足以识别该目标体。造成目标体电阻率和形状反应不够准确的原因是：加入了相当于真实数据25大小的噪音、传感器间距不均匀、仅采用了三个频点、正则化方法的使用以及所选算法的近似性。可以看出，异常根本不能反应更深的目标体。实际勘探中，由于还有更多的地质噪音和采集噪音，就更不可能探测到这些目标体的存在了。图6所示为结合该区的地震剖面对真实数据进行2D反演得到的结果。图8 由图7所示的采集方案得到的理论正演MCSEM数据。反演数据与图4所示的地震剖面相结合。根据地震资料在模型中建立的3个高阻（20 Ohm-m）储层都有显示。背景电阻率模型与对图6所示的真实数据建模时相似。可以看出，用这种方法，对深层和浅层的目标体都能识别。由于反演方法和数据采集装置参数的原因，最深异常的位置略高于目标体。浅层目标体呈现高阻异常，可能是浅层气藏。两个深部目标体（在地震剖面上有平点显示）没有显示出电阻率异常。该模型研究得到的结论是：采用2D勘探无论如何也探测不到这两个深部目标体。这个例子清楚地说明了2D勘探的局限性。但是，有几种办法可以解决这个问题，比如扩大谐波范围，发射源采用不同基频的信号多次激发，还可以减小传感器之间的距离。另外，在解释过中也可以加入2D联络线数据。除此之外，还可以调整采集装置参数，达到电阻率3D成图的目的。下面分析2.5D数据采集是怎样影响解释结果的。合成的2.5D MCSEM数据是采用与图7所示的2D采集方案完全相同的模型和采集参数，通过正演计算得的，图8所示为采用与2D反演完全相同的正则化方法得到的2.5D反演结果。深部目标体变得比2D反演结果清楚得多，说明用这种2.5D数据采集方法有可能探测到目标体。得到的异常比目标体稍浅的主要原因是所选反演方法和采集参数欠妥。这里所介绍的平滑约束反演方法对探测象油气藏这样具有明显电阻率差的目标体并不是最好的方法。还有别的正则