時(shí)頻電磁(TFEM)技術(shù)：數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)計(jì)

何展翔 楊國世 陳思琪 趙 國 劉子豪 郭榮文

(①南方科技大學(xué)前沿與交叉科學(xué)研究院，廣東深圳 518055; ②南方科技大學(xué)地球與空間科學(xué)系，廣東深圳 518055；③東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州 072751; ④中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083)

0 引言

目前全球都面臨著淺部礦產(chǎn)資源幾近枯竭、供給嚴(yán)重不足的形勢(shì)，向深部進(jìn)軍、加快第二空間接替資源的探測(cè)、為社會(huì)發(fā)展提供足夠的后備儲(chǔ)量是地球物理學(xué)家的重要使命。電磁勘探是能源、礦產(chǎn)勘探及地球科學(xué)探測(cè)的重要手段之一，常規(guī)電磁法已經(jīng)在金屬礦、地下水資源及地?zé)峥碧降阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了重要作用[1-2]。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著油氣勘探開發(fā)難度的加大，電磁勘探不僅應(yīng)用于盆地普查及沉積層發(fā)育、基底深度及深大斷裂帶等研究，成為檢測(cè)圈閉是否含油氣的重要技術(shù)手段之一[3-5]。

應(yīng)用最廣泛的可控源電磁勘探方法是可控源音頻電磁法(Controlled source audio magnetotelluric,CSAMT)，該方法是Goldteint[6]針對(duì)大地電磁法(MT)的弱點(diǎn)提出的一種新型觀測(cè)系統(tǒng)，采用導(dǎo)線源激發(fā)信號(hào)，在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量正交電場(chǎng)和磁場(chǎng)，計(jì)算卡尼亞視電阻率。由于其數(shù)據(jù)處理解釋方法與MT方法一致，因而很快成為風(fēng)靡全球的電磁方法之一[7]。長偏移距瞬變電磁法(Long offset transient electromagnetic sounding,LOTEM)是Kurt[8]針對(duì)回線瞬變電磁探測(cè)深度小而提出的導(dǎo)線源時(shí)間域電磁勘探方法。該方法主要觀測(cè)垂直磁場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于測(cè)量的是二次場(chǎng)，因而不受一次場(chǎng)的影響，可通過測(cè)量垂直磁場(chǎng)的衰減曲線探測(cè)不同深度的目標(biāo)體。由此可見，采集方法的發(fā)展推動(dòng)了電磁勘探技術(shù)的進(jìn)步。其后，何繼善[9]提出了廣域電磁法(Wide field electromagnetic,WFEM)，進(jìn)一步優(yōu)化了頻率域數(shù)據(jù)的采集技術(shù)，為頻率域電磁勘探開辟了更廣闊的道路。為了進(jìn)一步提高探測(cè)精度并克服頻率域和時(shí)間域各自的不足，何展翔等[10-11]提出了時(shí)頻電磁(Time frequency electromagnetic，TFEM)法；同期，Ziolkowski等[12]提出了多道瞬變電磁法(Multi-channel transient electromagnetic,MTEM)[13]，主要應(yīng)用于海洋電磁勘探。另外，一些學(xué)者提出了張量觀測(cè)方法[7，14-15]; 王顯祥等[16]推導(dǎo)了“L”型源的各個(gè)分量的表達(dá)式，還設(shè)計(jì)了一種新的信號(hào)發(fā)射模式，實(shí)現(xiàn)了360°張角范圍內(nèi)各分量不存在明顯的弱區(qū)；周亞東[17]分析了目前還處于試驗(yàn)研究階段的“十”字型源、“L”型源及旋轉(zhuǎn)偶極發(fā)射裝置的適宜觀測(cè)區(qū)域和張量CSAMT 數(shù)據(jù)處理的一般步驟，對(duì)張量 CSAMT 的實(shí)際測(cè)量有一定的參考價(jià)值。

然而，目前陸上應(yīng)用于深層目標(biāo)探測(cè)的可控源電磁勘探方法主要是長導(dǎo)線源的WFEM和TFEM。前者是頻率域方法，主要測(cè)量水平電場(chǎng)Ex，進(jìn)行全區(qū)視電阻率的計(jì)算和反演，不需要考慮遠(yuǎn)區(qū)、近區(qū)問題[9]；后者是時(shí)間域—頻率域一體化方法，主要測(cè)量水平電場(chǎng)分量Ex和垂直磁感應(yīng)分量Bz/dt(dB/dt)，無需考慮遠(yuǎn)區(qū)、近區(qū)的區(qū)別，采用這兩個(gè)分量直接進(jìn)行聯(lián)合反演，獲得電阻率和極化率，有效提高了對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力[18]。這些方法在油氣、地?zé)岬荣Y源勘探得到了廣泛應(yīng)用[19-24]。由于長導(dǎo)線場(chǎng)源施工布極困難，難以實(shí)現(xiàn)張量施工，因此標(biāo)量方式仍然是主要的數(shù)據(jù)采集方式。但是，野外施工參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。施工裝置的幾何參數(shù)，如收發(fā)距、發(fā)射場(chǎng)源的長度、場(chǎng)源的覆蓋范圍等多沿用傳統(tǒng)CSAMT方法的指標(biāo)；而激發(fā)參數(shù)，如激發(fā)電流、激發(fā)頻率、激發(fā)疊加次數(shù)等的設(shè)計(jì)則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，比較隨意，常常因設(shè)置不合理影響探測(cè)效果和施工效率。因此，完善TFEM采集技術(shù)對(duì)提高施工效率和勘探效果是非常必要的。

本文針對(duì)Q地區(qū)深部目標(biāo)，以該地區(qū)電性特征為基本模型,采用三維模擬方法討論時(shí)頻電磁法在深地探測(cè)中的施工參數(shù)設(shè)計(jì)，以此指導(dǎo)實(shí)際施工。

1 探區(qū)基本模型特征

1.1 探區(qū)地電模型

根據(jù)研究區(qū)YX1井和CT1井的電測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，構(gòu)建該區(qū)綜合電阻率模型。模型可劃分為13層，具體參數(shù)見表1。

由表可見，深度小于5km的1～9電性層為中新生代碎屑巖沉積，電阻率比較低；第10電性層是一套致密膏鹽巖層，深度為5～6km，為該探區(qū)良好蓋層，電阻率很高；探區(qū)目標(biāo)儲(chǔ)層為第11電性層，頂面埋深為6km，厚度為500m，根據(jù)該區(qū)探井產(chǎn)油情況及電測(cè)解釋可知，目標(biāo)層含油時(shí)地層電阻率為700Ω·m，不含油時(shí)為5Ω·m，根據(jù)文獻(xiàn)[25]公式計(jì)算地層0～9km的等效電阻率為10.2Ω·m，屬于低阻地區(qū)，對(duì)深部目標(biāo)的有效激發(fā)非常不利。由于目標(biāo)體深、電阻率特征不明顯，采集參數(shù)精確設(shè)計(jì)尤為重要。

表1 探區(qū)電阻率模型參數(shù)

1.2 探區(qū)背景噪聲特征

對(duì)該探區(qū)首先進(jìn)行施工踏勘，需測(cè)量噪聲，以獲得噪聲的空間和頻率特性。根據(jù)探區(qū)工業(yè)電網(wǎng)及人文環(huán)境情況將該區(qū)電磁干擾劃分為強(qiáng)、中、低三個(gè)等級(jí)，在不同等級(jí)噪聲的干擾區(qū)分別布設(shè)MT采集站，采集背景噪聲。然后對(duì)噪聲時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，確定噪聲的頻率成分和強(qiáng)度。圖1是探區(qū)強(qiáng)干擾區(qū)的背景信號(hào)經(jīng)傅里葉分析得到的頻譜，可見主要干擾信號(hào)是50Hz及其諧波的電磁噪聲，50Hz工業(yè)電磁噪聲信號(hào)可達(dá)0.60μV/m以上；除50Hz相關(guān)噪聲外，中—低頻(4～0.1Hz)噪聲的強(qiáng)度為0.40～0.55μV/m，中—高頻(5～320Hz)噪聲的強(qiáng)度為0.30～0.35μV/m。這些信息是采集頻率設(shè)計(jì)的依據(jù)和基礎(chǔ)。

圖1 探區(qū)實(shí)測(cè)電場(chǎng)背景噪聲頻譜

2 采集參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 裝置幾何參數(shù)

2.1.1 接收系統(tǒng)

圖2 電磁場(chǎng)振幅平面分布圖

根據(jù)圖2b可分析接收磁棒的布設(shè)范圍。圖中地面垂直磁場(chǎng)分量Hz以AB為中心軸呈對(duì)稱的半圓弧形分布。從Hz振幅分布來看，磁場(chǎng)在軸向存在一次場(chǎng)激發(fā)盲區(qū)，即|θ|≤1°的區(qū)域，可見赤道方向垂直磁場(chǎng)的覆蓋范圍很大。因此，電性源時(shí)頻電磁裝置的布設(shè)范圍主要取決于Ex的分布特征，而不必考慮Hz的分布。根據(jù)同一條測(cè)線的所有測(cè)點(diǎn)采集的信號(hào)強(qiáng)度變化不超過5%的要求，圖2a中測(cè)線電磁場(chǎng)振幅從東至西在一個(gè)等值線間距之內(nèi)，此時(shí)Φ=75°，即超過這個(gè)角度后(圖中白線之外)，Ex振幅的變化幅度超過5%。

(1)

2.1.2 發(fā)射系統(tǒng)

(2)

式中：PE為發(fā)射場(chǎng)源的電偶矩；Umin為觀測(cè)到的最小電壓。時(shí)頻電磁技術(shù)規(guī)程[28]給出了最大收發(fā)距Rmax和最小收發(fā)距Rmin的計(jì)算公式，即規(guī)范了R的設(shè)計(jì)原則。但這些都是基于均勻半空間理論，未考慮實(shí)際深部探測(cè)目標(biāo)的特征變化。因此有必要基于實(shí)際模型和實(shí)際探測(cè)目標(biāo)設(shè)計(jì)發(fā)射系統(tǒng)的采集參數(shù)。

眾所周知，地電參數(shù)一定的情況下，可控源電磁探測(cè)深度受裝置尺寸和頻率(周期)兩個(gè)參數(shù)控制。在頻率范圍確定的情況下，探測(cè)深度與接收儀器的靈敏度及收發(fā)距有關(guān)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，接收儀器的靈敏度達(dá)到0.01nV，而且儀器靈敏度對(duì)于施工設(shè)計(jì)來說只是參考，因此R才是發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)中最重要的技術(shù)指標(biāo)。為此，提出基于模型正演的目標(biāo)異常對(duì)比分析方法設(shè)計(jì)合適的R范圍。

根據(jù)工區(qū)的地電模型(表1)，針對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層(深度為6km、 厚度為500m的第11層)含油(700Ω·m)和不含油(2Ω·m)兩種情形分別設(shè)計(jì)模型A和模型B，對(duì)R的變化范圍為3～12km進(jìn)行三維正演模擬(圖3)，并對(duì)目標(biāo)異常變化擾動(dòng)的特征和規(guī)律進(jìn)行分析。Ex振幅正演曲線見圖3a，每個(gè)收發(fā)距對(duì)應(yīng)2條曲線，可見模型A和模型B的Ex曲線在高頻段重合、在低頻段分開；模型A與模型B的Ex振幅差曲線見圖3b，即將模型A與模型B的正演曲線相減，也就是二次場(chǎng)曲線；模型A與模型B的Ex振幅比曲線見圖3c。對(duì)比分析圖3可以看出：隨著R的增大，曲線異常幅度逐步減小，而比值曲線異常幅度逐漸增大，即：R小時(shí)儲(chǔ)層目標(biāo)產(chǎn)生的異常較大但相對(duì)一次場(chǎng)卻較小，R大時(shí)則相反，即儲(chǔ)層目標(biāo)產(chǎn)生的異常較小但相對(duì)一次場(chǎng)卻較大。

如果以5%為標(biāo)準(zhǔn)，即目標(biāo)儲(chǔ)層引起的異常擾動(dòng)小于總場(chǎng)的5%時(shí)，目標(biāo)異常則會(huì)淹沒在總場(chǎng)之中難以提取或反演，把這個(gè)可提取異常的臨界收發(fā)距R確定為Rmin。圖3c中，R<5km時(shí)，振幅比曲線的最大值小于5%；當(dāng)R=5km時(shí)，振幅比曲線的最大值達(dá)到5%；R=6km時(shí),明顯大于5%，因此，確定Rmin=5km。

圖3 模型A與模型B在不同R時(shí)的Ex正演模擬曲線

另外，從圖3b和圖3c可見，對(duì)于一定深度的目標(biāo)體，隨著R的增大，目標(biāo)異常出現(xiàn)的頻率降低，即R增大，最佳頻率降低。因此，施工設(shè)計(jì)時(shí)如果采用大收發(fā)距，最佳激發(fā)頻率則要降低。

2.2 激發(fā)參數(shù)

激發(fā)參數(shù)包括激發(fā)電流I、(最大/最小/最佳)激發(fā)頻率以及疊加次數(shù)。其中I涉及激發(fā)能量，一般都采用盡量大的I，其大小由激發(fā)儀器系統(tǒng)能力決定，不贅述。下面主要討論疊加次數(shù)和激發(fā)頻率(周期)的設(shè)計(jì)。

2.2.1 基于信噪比分析設(shè)計(jì)疊加次數(shù)

在I、R等其他參數(shù)確定的情況下，假設(shè)某激發(fā)頻率的信號(hào)幅度為Sig，噪聲水平為Noi，信噪比為SN。根據(jù)采集規(guī)范的要求，Sig、Noi與疊加次數(shù)D的關(guān)系為

(3)

因此，依據(jù)實(shí)際SN與模擬SN相當(dāng)，疊加次數(shù)D可由下式求得

D=(SN×Noi/Sig)2

(4)

例如：工區(qū)0.25Hz時(shí)的噪聲水平是0.5μV，假如R=10km，要求SN達(dá)到10，由圖3可知信號(hào)強(qiáng)度僅為1.1μV，根據(jù)式(4)計(jì)算得到0.25Hz(4s)時(shí)信號(hào)的疊加次數(shù)為20。表2為該情況下10個(gè)激發(fā)頻率的疊加次數(shù)D及采集時(shí)間對(duì)應(yīng)表。

顯然，表2只是理論計(jì)算結(jié)果。在實(shí)際工作中，有兩種情況可以適當(dāng)調(diào)整疊加次數(shù)：一是高頻時(shí)激發(fā)電流很難升高，此時(shí)可增加疊加次數(shù)(且耗時(shí)很少)，一般可設(shè)置較大的疊加次數(shù)以彌補(bǔ)電流小、信噪比低的缺陷；二是在接近探測(cè)目標(biāo)最佳頻率時(shí)要相應(yīng)提高疊加次數(shù)以確保信噪比。因此，根據(jù)噪聲水平和信號(hào)強(qiáng)度合理預(yù)設(shè)疊加次數(shù)，是既保障資料質(zhì)量又提高生產(chǎn)效率的有效措施。

表2 工區(qū)不同激發(fā)頻率(周期)所需的疊加次數(shù)表

2.2.2 目標(biāo)探測(cè)的最佳激發(fā)周期

目前，實(shí)際應(yīng)用中最大、最小和最佳激發(fā)周期的設(shè)置并沒有理論依據(jù)，均未考慮最佳激發(fā)頻率，也不考慮最小激發(fā)周期，只根據(jù)野外實(shí)際采集資料人為地確定最大激發(fā)周期。圖4所示是一個(gè)排列(5個(gè)測(cè)點(diǎn))采用不同周期激發(fā)信號(hào)觀測(cè)到的縱向電導(dǎo)曲線?？梢钥闯?，隨著激發(fā)周期的加長，勘探深度逐漸增大。激發(fā)周期為4s時(shí)，僅能探測(cè)到低阻儲(chǔ)層的頂部；激發(fā)周期為8s時(shí)可探測(cè)到儲(chǔ)層內(nèi)部的高阻層，但不完整；激發(fā)周期為20s時(shí)，可比較完整地探測(cè)到儲(chǔ)層下部的高阻層，但深層相對(duì)低阻層沒有被探測(cè)到；周期達(dá)到40s時(shí)，深層的相對(duì)低阻異常也出現(xiàn)了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)至少耗時(shí)三天，即便如此，也只能定性地給出最大激發(fā)周期。數(shù)據(jù)采集過程中，如果激發(fā)周期設(shè)置過長，會(huì)浪費(fèi)采集時(shí)間，設(shè)置過小則探測(cè)目標(biāo)不完整。因此，下面根據(jù)地電模型的三維模擬結(jié)果給出理論上的最大激發(fā)周期以及針對(duì)探測(cè)目標(biāo)的最佳激發(fā)頻率范圍。

信號(hào)的激發(fā)周期(或頻率)與探測(cè)深度有關(guān)，在其他參數(shù)都確定的情況下，對(duì)于一定深度的目標(biāo)體的最佳激發(fā)周期可由正演模擬確定(圖3)。根據(jù)圖3b，高頻時(shí)曲線是完全重疊的，低于1Hz后才逐漸出現(xiàn)擾動(dòng)異常，這個(gè)從曲線的正極值到負(fù)極值所對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)頻率段，就是探測(cè)該目標(biāo)體的最佳周期(頻率)段，或者說有效控制探測(cè)目標(biāo)的頻率范圍。

圖4 5個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)不同激發(fā)周期的縱向電導(dǎo)曲線

在最佳周期(頻率)范圍內(nèi)可多設(shè)置幾個(gè)激發(fā)周期(頻率)點(diǎn)，以確保對(duì)目標(biāo)體的精確控制。根據(jù)前面的分析，目標(biāo)有效控制的頻率范圍由正演模擬差值曲線(圖3b)上擾動(dòng)異常的兩個(gè)極值頻點(diǎn)確定：Tmin(高頻/短周期極值點(diǎn))和Tmax(低頻/長周期極值點(diǎn))。Tmin與Tmax之間如何設(shè)置頻點(diǎn)分布才能既保障采集的信號(hào)足夠保真又不過密(過密會(huì)增大生產(chǎn)成本)? 這里根據(jù)采樣定律設(shè)置激發(fā)頻率。在[Tmin，Tmax]范圍內(nèi)設(shè)置N個(gè)激發(fā)周期T1，T2,…,TN，N和采樣間隔Δt由采樣定律得到

(5)

式中Int(·)為取整函數(shù)。

最小激發(fā)周期與最小探測(cè)深度相關(guān)。電磁勘探反演中，對(duì)深層目標(biāo)體的反演需要考慮淺部電性層，淺部地層電性的變化必然影響深層目標(biāo)體的擬合，因此，實(shí)際采集時(shí)應(yīng)該盡量獲得比較全的淺部資料。為此，最小激發(fā)周期(最高激發(fā)頻率)應(yīng)設(shè)計(jì)為激發(fā)設(shè)備系統(tǒng)可提供的最高頻率所對(duì)應(yīng)的周期。

最大激發(fā)周期是為了確保采集的低頻信息包含目標(biāo)體的擾動(dòng)頻率范圍,通常以探測(cè)目標(biāo)擾動(dòng)的最大周期Tmax的2倍為宜，即一般設(shè)置最大激發(fā)周期為2Tmax。

3 結(jié)束語

對(duì)實(shí)際地質(zhì)模型和儲(chǔ)層目標(biāo)擾動(dòng)異常的模擬研究揭示了深層目標(biāo)體產(chǎn)生的電磁異常的頻率特性及規(guī)律。本文提出了適用于深部目標(biāo)探測(cè)的激發(fā)系統(tǒng)、接收系統(tǒng)以及激發(fā)參數(shù)的大功率時(shí)頻電磁施工方法參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)指導(dǎo)和規(guī)范可控源電磁勘探工作具有重要意義；修正了沿用CSAMT方法的長導(dǎo)線源可控源電磁法布極范圍，提出信號(hào)平衡的接收偶極設(shè)計(jì)、目標(biāo)異常對(duì)比分析的發(fā)射系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、激發(fā)周期和疊加次數(shù)設(shè)置等激發(fā)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。基于頻率域電場(chǎng)Ex分量的模擬研究，對(duì)時(shí)間域或其他電磁場(chǎng)分量同樣可以采用類似方法進(jìn)行模擬和參數(shù)設(shè)計(jì)。本文研究結(jié)果可為其他類似的可控源電磁勘探方法優(yōu)化采集參數(shù)、提高探測(cè)效果提供參考。