時頻電磁（TFEM）勘探技術：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

何展翔 陳忠昌 任文靜 龐恒昌 田志權 沈義斌

（①南方科技大學前沿與交叉科學研究院，廣東深圳518055；②南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東廣州511458；③南方科技大學深圳市深遠海油氣勘探技術重點實驗室，廣東深圳518055；④東方地球物理公司綜合物化探處，河北涿州072751）

0 引言

電磁勘探儀器的發(fā)展可追溯到一百多年前法國人馬歇爾·斯倫貝謝發(fā)明的礦物電測裝置，之后逐步推陳出新，快速發(fā)展。特別是隨著現(xiàn)代物理學、電子科學、計算機技術的迅速進步，電磁法勘探儀器向小型化、輕便化、自動化和智能化等方向發(fā)展［1］。根據(jù)電磁場源的不同，發(fā)展形成了直流電法儀、被動源電磁儀、人工源感應電磁儀和地質(zhì)雷達等多種電磁勘探儀器，其中人工源電磁儀器逐漸向多功能電磁法探測系統(tǒng)發(fā)展［2］，這一類儀器系統(tǒng)成為地球物理探測的重要裝備。如美國Zonge公司的GDP儀器系列、加拿大Phoenix公司的V8儀器系列等，這些儀器設備占據(jù)了中國市場的大部分份額［3］?！笆濉币詠?，中國大力支持電磁法探測系統(tǒng)的自主創(chuàng)新研發(fā)，取得了顯著效果［4］。中國地質(zhì)科學院物化探所及吉林大學等研制出國內(nèi)首套大功率多功能電磁探測系統(tǒng)［5-7］，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研制出可控源音頻大地電磁測深與大地電磁測深相結合的SEP系統(tǒng)［8］，中南大學研發(fā)了大深度高精度廣域電磁勘探技術并研制了相關的儀器系統(tǒng)［9］。這些人工源電磁儀器系統(tǒng)能夠完成時間域或頻率域電磁數(shù)據(jù)的采集，但都只能采用分立作業(yè)方式，即施工時只能選擇頻率域、時間域或者復電阻率探測方法中的一種，因為這些方法對儀器系統(tǒng)功能、傳感器頻帶范圍以及采集參數(shù)的設計要求等各不相同。為了一次采集能同時獲得時間域和頻率域電磁數(shù)據(jù)，本文提出一種功率大、能夠同時采集頻率域和時間域電磁數(shù)據(jù)的方法，并介紹相應的儀器系統(tǒng)——時頻雙域電磁勘探儀器。該系統(tǒng)經(jīng)測試和應用，可適用于深部油氣、礦產(chǎn)、地熱等資源勘探［10-13］。這套可控源電磁儀器系統(tǒng)具有完全自主知識產(chǎn)權，且完全國產(chǎn)化。本文主要介紹儀器原理及其關鍵技術，并進行了實際數(shù)據(jù)采集測試。

1 方法原理

前已述及，人工源電磁法有兩個重要分支，即時間域和頻率域。頻率域電磁法（Frequency electromagnetic，F(xiàn)EM）最具代表的是可控源音頻大地電磁法（Controlled source acoustic magnetotelluric，CSAMT）以及近年發(fā)展起來的廣域電磁法；時間域電磁法（Time electromagnetic，TEM）則以長偏移距瞬變電磁法（Long offset transient electromagnetics，LOTEM）及磁源瞬變電磁法為代表。研究表明，電性源瞬變電磁法與CSAMT 對特定目標的探測能力具有明顯差異［14-15］。由于FEM 觀測的是總場（即一次場和二次場的疊加），而LOTEM 觀測的是二次場［16］，這就決定了前者只適用于中區(qū)和遠區(qū)探測，而后者可對全區(qū)（全期）進行觀測。而且，電場和磁場對低阻和高阻目標的分辨率也有差別。因此，電法與磁法、時間域與頻率域的一體化是可控源電磁勘探技術的發(fā)展方向。

時頻電磁（Time frequency electromagnetics，TFEM）法工作方式與常規(guī)CSAMT或LOTEM 類似，利用兩個接地電極A 和B連接長導線進行大功率的電脈沖方波激發(fā)，在一定距離處接收電磁場。TFEM工作原理如圖1所示，其數(shù)據(jù)采集步驟簡述如下。

（1）數(shù)據(jù)采集與控制軟件系統(tǒng)中的控制模塊將設計好的采集參數(shù)發(fā)送到發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。大功率恒流發(fā)射機按照控制指令啟動恒流方波發(fā)送機制，根據(jù)設計好的激發(fā)參數(shù)（包括多個激發(fā)頻率及每個激發(fā)頻率的疊加次數(shù)等參數(shù)）自動發(fā)送連續(xù)正、負非間隙方波序列（波形如圖1所示），也可發(fā)送間隙方波序列和偽隨機方波系列。

（2）電流通過接地長導線供入地下；通過布設在發(fā)射系統(tǒng)附近的采集站記錄激發(fā)的方波電流信號I（t）。

（3）輸入地下的電流經(jīng)過大地后形成激勵響應Z（t），被布設在地面的接收系統(tǒng)記錄。在每個測點都要布設水平電偶極MN 和垂直磁探頭，同步、高采樣率地記錄時域地電信號ΔU（t），包括電偶極接收的電位差ΔU（t）MN和磁探頭接收的感應電動勢ΔU（t，其波形如圖1所示。（4）對記錄的ΔU（t）和I（t－τ）做反褶積處理，獲得大地響應R（τ）。

對于一個線性、時不變系統(tǒng)，任何時間序列輸入信號I（t）與輸出信號ΔU（t）之間的關系可用卷積積分形式表示為

式中：˙R（τ）表示大地的脈沖響應函數(shù)；˙R（t）表示˙R（τ）的積分函數(shù)。

圖1 時頻電磁儀器系統(tǒng)工作原理

對同一周期內(nèi)正、負兩個半周期的時域信號進行反轉(zhuǎn)，再進行疊加，獲得時間域電磁數(shù)據(jù)Z（t），其中包括電場e（t）和磁感應電動勢ε（t）。Z（t）的表達式為

式中：n為激發(fā)周期數(shù)；函數(shù)R（τ）表示˙R（t）經(jīng)疊加后的函數(shù)。

另一方面對每個激發(fā)周期（未疊加）的時間域電磁數(shù)據(jù)Z（t）進行FFT變換，獲得3M 個（M 表示頻點數(shù)）頻率（包括基波及3次、5次諧波）的電磁場頻譜

式中：j為虛數(shù)單位；˙Z（t）表示未疊加的時域信號。這里Z（jω）包含電場E（jω）和磁場d B／d t（jω）。

可見，時頻電磁法與常規(guī)電磁方法不同之處是可同時獲得時、頻域兩套數(shù)據(jù)。其中，時間域主要為長周期信號，對應的激發(fā)周期大于4s。一般包括4、8、10、16、20、32、40、64、128s等多條衰減曲線，每條曲線都是由包括數(shù)條較短周期的信號疊加而成，資料處理中可以對長周期衰減曲線進行處理；頻率域為從高頻（128Hz）到低頻（1／128Hz）的一條頻譜曲線，為了加密頻率點，除基頻外，頻率點還包括3次和5次諧波頻率。

2 時頻雙域探測可行性分析

眾所周知，CSAMT 和LOTEM 兩種方法采用的裝置類型完全一樣，但業(yè)內(nèi)對可控源電磁勘探一直是時域和頻域分立作業(yè)。其原因在于時域方法一般測量垂直磁感應分量，而頻域方法主要測量電場水平分量，兩者的信號量值差異較大，傳統(tǒng)儀器動態(tài)范圍難以兩全其美。但是，隨著現(xiàn)代電子儀器技術的進步，儀器動態(tài)范圍已經(jīng)得到極大的擴展。為了進一步研究時頻雙域探測的條件和可行性，本文進行相應目標的數(shù)值模擬研究，以分析頻域電場和時域磁場信號的差異以及量值變化范圍。

圖2 收發(fā)距為10km 時的電場（左）和磁場（右）模擬曲線

r＝10.0km 時的電、磁場模擬結果如圖2所示。模擬計算的低阻薄層的擾動頻率范圍是1～30Hz。1 Hz時磁場振幅和電場振幅分別為3×10－5n T／s、2×10－5V·A－1·m－2，對應的異常變化幅度分別為0.0005n T／s和4×10－6V·A－1·m－2。

當收發(fā)距r很小時（0.5km），模擬計算結果如圖3所示。模型中低阻薄層的擾動頻率范圍是1～30Hz。1 Hz時磁場和電場振幅分別為8×10－5n T／s、4×10－4V·A－1·m－2，異常擾動幅度分別為2×10－4nT／s、2×10－5V·A－1·m－2。

圖3 收發(fā)距為0.5km 時的電場（左）和磁場（右）模擬曲線

根據(jù)目前最新電磁儀器的行業(yè)水平［17-18］，能夠檢測到的電場強度最小值為0.1μV／m，對應導線源激發(fā)下的感應電場強度為1×10－7V·A－1·m－2；能夠檢測到的磁場強度最小值與頻率相關，在1Hz時低頻磁棒的靈敏度能夠達到0.1p T，即1×10－5n T。由模擬結果對比可見，無論在收發(fā)距為10km 的遠處，還是在0.5km 的近處，時頻雙域電磁儀都能夠進行有效的信號檢測。

可見，目前的電磁勘探儀器系統(tǒng)的靈敏度足以有效檢測到微弱的電磁信號?，F(xiàn)在電磁勘探的主要難點是從含噪信號中檢測并分離出有效信號，這需要設計合理的采集參數(shù)［19］。

3 時頻儀器系統(tǒng)關鍵技術及主要指標

大功率時頻雙域電磁勘探儀器主要包括大功率恒流發(fā)射系統(tǒng)和節(jié)點式／組網(wǎng)式時頻電磁采集系統(tǒng)。其中發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)電機、逆變器及接地長導線等。逆變器主要由恒流輸出、整流逆變和控制三部分構成。節(jié)點式／組網(wǎng)式時頻電磁采集系統(tǒng)包括采集站、電磁探頭和數(shù)據(jù)采集與控制軟件等。其中，電磁探頭包括測量磁感應的垂直磁探頭和測量水平電場分量的電偶極。數(shù)據(jù)采集與控制軟件是時頻雙域電磁儀器的核心部分，該軟件系統(tǒng)通過GPS控制發(fā)射和接收的同步并按照設計參數(shù)完成整個數(shù)據(jù)采集工作，可同時完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理和分析。主要關鍵技術及技術指標分述如下。

3.1 大功率勵磁反饋恒流發(fā)射技術

時頻雙域電磁儀可以分為恒流和恒壓兩種。早期主要發(fā)展的是恒壓時頻雙域電磁儀，近年開始研發(fā)恒流式時頻雙域電磁儀。時頻電磁發(fā)電機輸出電流是穩(wěn)流發(fā)射，輸出電流紋波幅度變化小于2%，發(fā)射波形可以是正負方波、間歇方波、偽隨機波等。恒流發(fā)射原理如圖4所示。在工作之前設置好每個激發(fā)頻率的工作電流。工作時，實時對發(fā)電機的輸出電流取樣，并與設置電流進行比較：若負載增大，發(fā)電機電流下降，這時勵磁控制器里的移相觸發(fā)脈沖前移，增加可控硅的導通時間，使勵磁電流增大，發(fā)電機輸出電壓升高，負載電流上升；反之，則降低發(fā)電機電壓，電流下降，維持發(fā)電機輸出負載電流不變。

圖4 恒流發(fā)射系統(tǒng)的工作原理圖

3.2 微弱電磁信號抑噪采集技術

時頻雙域電磁采集系統(tǒng)可分為多道模擬傳輸時頻雙域電磁儀、節(jié)點式數(shù)字時頻雙域電磁儀和分布式時頻雙域電磁儀等，可以形成多種不同的激發(fā)—接收組合。時頻電磁采集系統(tǒng)具有高密采樣、數(shù)據(jù)存儲快、實時傳輸、自標定、GPS 同步、阻抗測量等優(yōu)勢，任意一個采集站可以設置為匯聚站，主機與匯聚站之間通過WIFI連接，匯聚站與其他采集站之間通過大線電纜連接。感應磁探頭包括感應磁傳感器及與之配套的電池盒及多路充電器。

時頻接收系統(tǒng)在采集控制軟件下工作。在數(shù)據(jù)采集前進行采集參數(shù)設計，并檢查儀器狀態(tài)和各道的接通情況，然后采集背景信號（一般為5min），并分析噪聲的主要頻率fR（i）（i表示頻點號），同時與發(fā)射系統(tǒng)通信，進行同步，即可進行數(shù)據(jù)采集。采集控制部分采用高性能芯片，用于控制采樣時鐘的生成、實時時鐘等與時間相關任務的調(diào)度和執(zhí)行，電壓、電流、溫度等傳感器數(shù)據(jù)的采集，采集系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)緩沖，有線數(shù)據(jù)的通信，以及GPS信息解碼和標定信號的生成等復雜控制與數(shù)據(jù)通信任務。其工作原理見圖5。

當24位數(shù)字信號進入DSP 后，首先根據(jù)實測干擾測試頻率fR（i）的多重陷波，壓制相關干擾；然后針對周期信號檢測梳狀濾波增強信噪比，并同時采用其他針對微弱電磁信號檢測的數(shù)字濾波算法；再進行時間域的相關檢測，以及頻率域的傅里葉變換、疊加等處理；最后輸出電磁場數(shù)據(jù)。其工作原理見圖6。

圖5 接收系統(tǒng)工作原理

圖6 采集站電磁信號處理系統(tǒng)原理

3.3 時頻電磁儀器系統(tǒng)主要性能指標

時頻電磁儀器系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)推出多個類型的產(chǎn)品，目前最新的為第三代，即TFEM-T3型時頻發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)為超高壓電磁發(fā)射儀，可實現(xiàn)最大負載電壓2000V、最大功率300k W，具備緊急制動和長時間輸出等功能。該系統(tǒng)的主要指標見表1～表3。

表1 TFEM-T3主要技術指標

表2 逆變控制盒主要技術指標

表3 TFEM 接收系統(tǒng)主要技術指標

4 試驗及應用效果

4.1 儀器系統(tǒng)試驗

為了對比測試儀器的數(shù)據(jù)采集效果，東方地球物理公司（BGP）在河北任丘油田附近對自主研發(fā)的時頻電磁采集儀器與鳳凰公司V8系統(tǒng)所采集的時序信號進行了對比試驗，這兩套系統(tǒng)采用相同的電磁感應器（電極和磁探頭）。

4.2 產(chǎn)業(yè)化應用

經(jīng)過十余年的研究、試驗和應用，時頻電磁技術及儀器系統(tǒng)得到不斷完善，應用效果明顯。目前，BGP已經(jīng)生產(chǎn)大功率時頻電磁發(fā)射系統(tǒng)十二套，形成了從TFEM-1到TFEM-3型等多種型號，功率從150k W 到300k W、輸出電流從80A 到200A 等系列產(chǎn)品。時頻電磁采集站包括模擬、組網(wǎng)式和節(jié)點式多種類型，可以適應不同探區(qū)地形地貌，總道數(shù)可達近2000道。截止2018年底，BGP開展的時頻電磁剖面采集長度超過30000km，涉及10塊面積性的三維時頻勘探。其中2014年在新疆某油田區(qū)的三維時頻電磁勘探為世界上首次開展三維時頻電磁勘探，共動用時頻電磁節(jié)點儀器930道，布設了四方位激發(fā)場源，實現(xiàn)四次覆蓋激發(fā)，完成三維面積102.7km2、測點1176個。

圖8是在新疆山前MS地區(qū)采集的時頻電磁測深剖面。偏移距為8.3km，最大激發(fā)周期為40s，低頻發(fā)射電流為110A。根據(jù)工區(qū)資料，探區(qū)的平均電阻率為73.5Ω·m，根據(jù)前面模擬方法，可以計算出有效探測深度超過10km。

從該電阻率反演剖面可見，其有效探測深度達到10km，在深度5～7km 仍然可清晰地看出深部上石炭統(tǒng)發(fā)育了上、下兩套高阻火成巖巖層序列，其間為低阻沉積巖層。根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)資料，深部高阻團塊狀異常是火山巖（玄武巖、安山巖、流紋巖等）的反應。鉆探證明，這些火山巖大多是油氣儲層。據(jù)此在該剖面圈定了9 個有利儲層目標（見圖中圈碼）。剖面中相對低阻的異常是碎屑巖、凝灰?guī)r的反應，在該地區(qū)一般為良好蓋層。另外，電性剖面對深層（大于7km）火山機構的發(fā)育特征也有所反應。剖面左段為山前逆掩帶，清晰揭示出山前石炭系下伏的二疊系，并且可見多次疊置和高角度逆沖的特征，為該地區(qū)進一步開展三維地震勘探及鉆探部署提供了非常有價值的資料。后續(xù)針對盆地腹部的⑤號和⑨號火山巖儲層的鉆探都獲得了工業(yè)油氣流。目前該探區(qū)已經(jīng)形成探明地質(zhì)儲量達10億噸的大型油氣田，時頻電磁資料起到了重要的參考作用。

圖7 BGP公司與鳳凰公司生產(chǎn)的TFEM 采集系統(tǒng)所采集的時序信號曲線對比

圖8 MS地區(qū)時頻電磁測深電阻率反演剖面

5 認識與結論

（1）時頻電磁法是一種針對深部油氣資源勘探的可控源電磁勘探方法。根據(jù)時頻一體化探測理念，BGP時頻電磁研發(fā)團隊實現(xiàn)了時頻雙域電磁儀器系統(tǒng)的自主創(chuàng)新與研發(fā)。理論測試和實際試驗對比表明，其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)技術指標均達到國際同類儀器同等水平。

（2）大量的油田應用案例統(tǒng)計表明，時頻電磁應用于目標含油氣評價可以降低鉆探風險，提高油氣勘探開發(fā)效益。

（3）基于電磁法勘探的原理和方法技術，該儀器系統(tǒng)可大面積工業(yè)化推廣應用于其他深部礦產(chǎn)及地熱資源探測，能夠有力地支撐國家“深地探測”戰(zhàn)略，為中國深地資源勘探提供技術支撐。

感謝中科院電子所在磁探頭研發(fā)中的創(chuàng)新和技術支持！