海底節(jié)點(diǎn)式時(shí)頻雙域電磁采集系統(tǒng)及試驗(yàn)

任文靜 何展翔 孫衛(wèi)斌 張東陽(yáng) 盧昭陽(yáng) 魯 瑤

(①東方地球物理公司西安物探裝備分公司，陜西西安 710082；②深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518055；③南方科技大學(xué)前沿與交叉科學(xué)研究院，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；⑤武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院，湖北武漢 430063)

0 引言

中國(guó)“十三·五”科技創(chuàng)新規(guī)劃明確要求建立保障國(guó)家能源安全和戰(zhàn)略利益的技術(shù)體系，加強(qiáng)“深海、深地、深空、深藍(lán)”等領(lǐng)域的戰(zhàn)略高技術(shù)部署，加快海洋地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)和深海探測(cè)技術(shù)研發(fā)進(jìn)程，為中國(guó)深海資源開(kāi)發(fā)利用提供科技支撐。中國(guó)海洋油氣特別是深水油氣資源潛力巨大，但勘探開(kāi)發(fā)能力嚴(yán)重不足。近年來(lái)，海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)得到快速發(fā)展，海洋三維地震、多維多分量地震及海洋電磁等技術(shù)取得很大進(jìn)展[1-2]，但是中國(guó)深水勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)總體主要依賴西方國(guó)家，油氣井勘探成功率不足三成，海洋油氣資源勘探技術(shù)難以滿足實(shí)際需要。早在二十多年前，西方國(guó)家海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)就從淺海、半深海延伸至深海，突破了深水領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸[3-4]。海洋可控源電磁勘探成功的標(biāo)志是2004年ExxonMobil石油公司應(yīng)用海洋可控源電磁(MCSEM)技術(shù)在墨西哥灣部署13口探井，并全部獲得工業(yè)油氣流，隨后多個(gè)西方國(guó)家在全球海域采用MCSEM技術(shù)發(fā)現(xiàn)海底油田，引發(fā)了此技術(shù)的市場(chǎng)壟斷、瓜分，甚至一些油公司規(guī)定沒(méi)有MCSEM資料就不能開(kāi)展鉆探，使MCSEM勘探工作量猛增。因此，發(fā)展中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MCSEM技術(shù)時(shí)不我待。

眾所周知，海洋資源勘探開(kāi)發(fā)是一個(gè)高科技、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)領(lǐng)域，多方法綜合勘探成為海洋油氣勘探的趨勢(shì)[1]。地震成像技術(shù)能探測(cè)油氣構(gòu)造圈閉，但是不能識(shí)別圈閉內(nèi)的流體性質(zhì)，而MCSEM技術(shù)可以基于地震解釋識(shí)別有效儲(chǔ)層，提高鉆探成功率[3-5]。MCSEM技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了曲折的過(guò)程，其起源可以追溯到20世紀(jì)70年代初[6]，直至90年代末電子儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法得到快速發(fā)展，深海電磁勘探試驗(yàn)成功，MCSEM技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。最早開(kāi)展海洋電磁研究的是加州大學(xué)圣地亞哥分校Scripps海洋研究所，該所目前在儀器制造[7]、處理解釋技術(shù)[8]和實(shí)際應(yīng)用[9-10]等方面已取得多項(xiàng)標(biāo)志性成果。與此同時(shí)，劍橋大學(xué)成功研制了深海拖曳式電磁發(fā)射儀。ExxonMobil在20世紀(jì)90年代末就擁有海洋電磁船隊(duì)，形成了3RM油藏電阻率遙測(cè)圈定技術(shù)[3-4]，并開(kāi)展了大量實(shí)際勘探工作。多倫多大學(xué)研制了一套用于天然氣水合物探測(cè)的時(shí)間域電偶極—偶極測(cè)量系統(tǒng)。國(guó)際石油公司積極投資于這項(xiàng)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，AGIP、BP、Shell等公司都將海洋電磁技術(shù)應(yīng)用于地震圈閉含油氣性的識(shí)別和評(píng)價(jià)[11-13]。2003年，多家石油公司開(kāi)始涉足商業(yè)化的海洋電磁服務(wù)，如英國(guó)的OHM、挪威的EMGS、美國(guó)的MTEM，都已開(kāi)展了海洋電磁勘探項(xiàng)目，其中大部分成果得到鉆探的驗(yàn)證[11-15]。這些工作極大地推動(dòng)了海洋電磁法在油氣勘探中的應(yīng)用。

中國(guó)早在20世紀(jì)末就啟動(dòng)了海洋電磁研究，此項(xiàng)研究在歷經(jīng)四期“863”計(jì)劃的支持下得到快速發(fā)展[16-17]，極大地推動(dòng)了海洋電磁方法的研究和發(fā)展[18-19]。中國(guó)在海底電磁信號(hào)采集技術(shù)[20-21]、海洋電磁傳感器研制[22-23]、海底采集站和采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[24-25]及海洋試驗(yàn)[26]等方面都取得重要進(jìn)展。“十一·五”以來(lái)，中國(guó)海洋電磁技術(shù)得到快速發(fā)展，在國(guó)家“863”項(xiàng)目支持下，由東方地球物理公司牽頭，中國(guó)海洋大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、吉林大學(xué)等多家單位聯(lián)合完成的“深水海洋可控源裝備研發(fā)”項(xiàng)目，為中國(guó)海洋電磁勘探技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。其后，中石油投巨資進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，目前已擁有了50個(gè)節(jié)點(diǎn)式采集站和2套發(fā)射裝備，多次試驗(yàn)表明其技術(shù)指標(biāo)基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[27]。“十三·五”期間，在國(guó)家科技基金的支持下進(jìn)一步研發(fā)了雙船雙拖海洋電磁系統(tǒng)[28]，使中國(guó)的海洋電磁發(fā)展模式和理念提升至國(guó)際領(lǐng)先行列。

目前海洋電磁勘探裝備有拖纜式、海底纜式、海底節(jié)點(diǎn)式三種類型，以海底節(jié)點(diǎn)式應(yīng)用效果最好。海底節(jié)點(diǎn)電磁采集系統(tǒng)主要針對(duì)頻率域，本文著重介紹東方地球物理公司研制的OBNEM-R4000海底節(jié)點(diǎn)式時(shí)頻雙域電磁(M-TFEM，marine time frequency electromagnetic)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

OBNEM-R4000海底節(jié)點(diǎn)時(shí)頻電磁采集系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱OBNEM采集站)主要由電磁傳感器、數(shù)據(jù)采集器、聲學(xué)定位/釋放系統(tǒng)、浮力裝置、安裝框架及承重體組成，其功能是接收來(lái)自海底深部的電磁感應(yīng)信號(hào)，據(jù)此探測(cè)海底深部地電結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)工作原理描述如下(圖1)。首先將OBNEM采集站開(kāi)啟到采集狀態(tài)并從母船釋放；然后，超短基線定位系統(tǒng)通過(guò)采集站上裝配的應(yīng)答器實(shí)時(shí)追蹤采集站的下沉和漂移狀態(tài)，待采集站坐底靜止后記錄其經(jīng)緯度坐標(biāo)，采集站從釋放到回收全程連續(xù)記錄電磁波數(shù)據(jù)。發(fā)射系統(tǒng)在離海底數(shù)十米的高度以約2節(jié)的速度勻速拖曳移動(dòng)，邊行進(jìn)邊激發(fā)，激發(fā)頻率為十分之幾赫茲到幾赫茲的電磁信號(hào)。所有激發(fā)完成后，結(jié)束采集工作，發(fā)送聲學(xué)釋放命令，OBNEM采集站與承重體分離，借助浮體自動(dòng)浮出水面，進(jìn)行人工回收。采集站回收后，下載采集到的數(shù)據(jù)，并與激發(fā)、接收信號(hào)進(jìn)行組合，并進(jìn)行各種校正處理。

采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。首先，從時(shí)間序列信號(hào)中分離可控源信號(hào)，進(jìn)行去噪及標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除噪聲干擾，進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)海底姿態(tài)校正；然后通過(guò)傅里葉變換獲得頻域振幅相位曲線，通過(guò)疊加獲得時(shí)域衰減曲線[15]。進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)處理。首先求取背景區(qū)與測(cè)點(diǎn)的振幅比值曲線(MVO，magnitude value offset)，據(jù)此可定性推斷海底地層的含油異常分布；然后分別進(jìn)行時(shí)域和頻域信號(hào)處理、海底電性成像處理，最終獲得含油氣構(gòu)造電性特征，據(jù)此對(duì)圈閉進(jìn)行含油氣性評(píng)價(jià)[21]。

圖1 MCSEM數(shù)據(jù)采集—處理流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)和性能分析

2.1 電磁傳感器

OBNEM采集站工作的最大水深是4000m；同步記錄三個(gè)電場(chǎng)分量(Ex，Ey，Ez)和兩個(gè)磁場(chǎng)分量(Hx，Hy)的時(shí)間序列信號(hào)，因此每個(gè)采集站需要六個(gè)電場(chǎng)傳感器和兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器；采集信號(hào)頻率為0.001～100Hz；可同時(shí)測(cè)量與海底環(huán)境相關(guān)的信息，如方位、姿態(tài)、溫度、鹽度和深度；采集站時(shí)鐘漂移小于1ms/d；可以連續(xù)工作30d；上浮速度和下降速度約為1m/s。

2.1.1 電場(chǎng)傳感器

深海環(huán)境中的電場(chǎng)信號(hào)主要是低頻信號(hào)，海洋環(huán)境復(fù)雜且多變，加之海水對(duì)信號(hào)有衰減作用，有效電信號(hào)非常微弱[22]。針對(duì)海洋電場(chǎng)傳感器使用環(huán)境及具體應(yīng)用需求，電場(chǎng)傳感器主要由水密接插件、傳感器外殼、納米陶瓷電極、多孔管和安裝環(huán)組成。電場(chǎng)傳感器涂有銀片，通過(guò)多孔管與海水進(jìn)行離子交換。多孔管主要起到透水與物理保護(hù)的作用，水密接插件可實(shí)現(xiàn)海底電場(chǎng)信號(hào)與電道前放板之間的水密傳輸。納米陶瓷電極表面積大、活性高，在海水中抗菌性好、不易被生物富集，且具有優(yōu)異的不極化性能。圖2所示為28對(duì)電極220h時(shí)長(zhǎng)的極差漂移測(cè)試曲線，縱軸為電場(chǎng)傳感器極差。由圖2可見(jiàn)，電極對(duì)穩(wěn)定性強(qiáng)、噪聲低，典型極差小于100μV，極差漂移低至7μV/d，本底噪聲水平低于0.63nV/sqrt(Hz)@1Hz。

圖2 電極極差漂移測(cè)試曲線不同顏色曲線對(duì)應(yīng)不同電極對(duì)

2.1.2 磁場(chǎng)傳感器

深海中遠(yuǎn)距離目標(biāo)的磁異常值為pT級(jí)，目前常用的磁力儀均不能滿足海洋條件下的弱磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量要求。因此，OBNEM采集站采用具有極高分辨率的交流感應(yīng)線圈式磁探頭。感應(yīng)線圈式磁探頭利用電磁感應(yīng)原理測(cè)量交變磁感應(yīng)強(qiáng)度。該磁探頭屬于動(dòng)磁型磁接收器，即采集磁場(chǎng)的變化率(dH/dt)。在鐵芯材料上繞制探測(cè)線圈感應(yīng)交變磁場(chǎng)信號(hào)，是無(wú)源接收器，閥值和噪聲極低，穩(wěn)定性強(qiáng)，但尺寸和重量均較大。性能良好的感應(yīng)線圈式磁探頭要求傳感器前置放大器噪聲特性應(yīng)與傳感器線圈特性恰當(dāng)匹配，基本元件是在鐵磁芯上繞制的感應(yīng)線圈棒?；谟?jì)算機(jī)最優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)的低噪聲電流前置放大器的噪聲特性，選擇鐵磁芯和纏繞參數(shù)。這種電路拓?fù)淇僧a(chǎn)生一個(gè)全面的傳感器轉(zhuǎn)移功能，類似一個(gè)帶有角頻率為L(zhǎng)/(2πR)的高通濾波器，這里L(fēng)表示線圈電感量，R是線圈阻抗。在這個(gè)頻率上，傳感器振幅直接正比于磁場(chǎng)值，且對(duì)等于線圈自然頻率的場(chǎng)頻不敏感[23]。前置放大器與感應(yīng)元件整合在圓柱包內(nèi)，可準(zhǔn)確測(cè)量磁場(chǎng)，屏蔽靜電場(chǎng)，提高信噪比。由于工作最大水深為4000m，所以外殼采用鈦合金，并進(jìn)行密封以防水耐壓。經(jīng)過(guò)測(cè)試，磁場(chǎng)信號(hào)合格。磁場(chǎng)傳感器測(cè)試記錄的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)序信號(hào)見(jiàn)圖3，曲線形態(tài)清晰，發(fā)射信號(hào)周期間隔及距離關(guān)系清楚，信噪比高。

圖3 磁場(chǎng)時(shí)序信號(hào)

圖4是某測(cè)點(diǎn)上磁場(chǎng)傳感器記錄的磁場(chǎng)信號(hào)隨著激發(fā)場(chǎng)源的變化曲線。很明顯，隨著激發(fā)場(chǎng)源由遠(yuǎn)而近，再由近而遠(yuǎn)，記錄的磁場(chǎng)信號(hào)振幅也隨之先增大直至滿檔，再逐漸變小。

圖4 磁場(chǎng)信號(hào)振幅變化曲線

2.2 互組合數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)8路32位模擬量采集通道，6個(gè)電場(chǎng)測(cè)量通道的最大增益為3840倍，2個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量通道的最大增益為480倍。設(shè)計(jì)6個(gè)電場(chǎng)分量的采集站，以4個(gè)接地電極的閉合回路組成6個(gè)電偶極，同時(shí)記錄電磁場(chǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，每個(gè)接地電極與另外3個(gè)電極互相組成3個(gè)電場(chǎng)分量，一共獲得6個(gè)電場(chǎng)分量。因此，6個(gè)電場(chǎng)測(cè)量通道設(shè)計(jì)可以互組合、測(cè)量多方位信號(hào)，為電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集提供了更多可選方案。

8路同步數(shù)據(jù)采集的采樣率可調(diào)，最大采樣率為2.4kHz；采用原子鐘保證內(nèi)部時(shí)鐘漂移小于1ms/d；具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及姿態(tài)記錄功能；可連續(xù)工作30d。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5。

圖5 采集站硬件結(jié)構(gòu)框圖

在時(shí)間域?qū)﹂]合回路的電場(chǎng)數(shù)據(jù)做平差處理，用平差后數(shù)據(jù)計(jì)算得到電場(chǎng)分量，將對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)位移校正后的值當(dāng)作新的觀測(cè)場(chǎng)值，獲得經(jīng)噪聲壓制的新的時(shí)間系列數(shù)據(jù)，再采用常規(guī)方法進(jìn)行處理，即可獲得各測(cè)點(diǎn)的振幅和相位曲線。

觀測(cè)6個(gè)電場(chǎng)通道和2個(gè)磁場(chǎng)通道模擬信號(hào)，電場(chǎng)斬波放大器為低噪聲斬波放大器，包括斬波、變壓器耦合、交流放大、同步解調(diào)、低通濾波和直流放大等電路。區(qū)別于傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)放大器，該放大器在調(diào)制與AC放大電路之間引入了變壓器耦合電路，目的在于對(duì)放大器的最佳源阻抗與海底電場(chǎng)傳感器較小的源阻抗(約5Ω)進(jìn)行匹配，同時(shí)獲得最佳信噪比，有助于降低電路的本底噪聲[24]，改善通道動(dòng)態(tài)范圍。采集電路(ADC)由8通道32位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和配套電路組成，為適應(yīng)電極放大器輸出信號(hào)，ADC中電場(chǎng)通道輸入范圍調(diào)整為3Vrms～3μVrms，動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于120dB(采樣率為150Hz)?？刂齐娐酚?4位嵌入式ARM計(jì)算機(jī)擴(kuò)展，集成64GB的SD存儲(chǔ)卡，支持FAT文件系統(tǒng)。

2.3 OBNEM框架結(jié)構(gòu)

OBNEM框架結(jié)構(gòu)要求牢固可靠，材料耐腐蝕、重量輕、無(wú)磁性，整體結(jié)構(gòu)易安裝、易拆卸、重心平穩(wěn)，并易于海上投放、回收。OBNEM采集站站體框架采用八邊形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可有效減小體積。各部件間的連接采用榫卯結(jié)構(gòu)，保證整體結(jié)構(gòu)渾然一體，牢固可靠，減少了金屬件的數(shù)量。材料選用聚丙烯，減小了重量，并增加了框架在水中的浮力。增加吊梁結(jié)構(gòu)，便于采集站運(yùn)輸。上浮的浮力主要由四個(gè)深海玻璃浮球提供，每個(gè)浮球可提供凈浮力25.4kg，浮球采用不銹鋼板對(duì)稱固定、連接成一體，通過(guò)四個(gè)長(zhǎng)螺栓與框架連接。浮球位于采集站頂部，采集站上浮時(shí)，整體重心位于采集站偏上位置，有利穩(wěn)定上浮，避免采集站上浮反轉(zhuǎn)。下沉?xí)r，由于承重體與框架連接在一起，采集站重心位于底部。特別是采集站箱體采用單方向箱體對(duì)面開(kāi)孔設(shè)計(jì)，在采集站下沉過(guò)程中的洋流作用下，阻水面逐步趨于一致，可有效保證深水采集站布設(shè)方向一致。

OBNEM采集站的組裝、測(cè)試、投放、回收、拆卸等各環(huán)節(jié)具備模塊化、流程化、簡(jiǎn)單化特征，有助于實(shí)際海上作業(yè)。

在南海SHH海域投放了10臺(tái)采集站，實(shí)物見(jiàn)圖6。其理論坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)及Ex方向統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，可見(jiàn)偏移距在100m以內(nèi)。

表1 OBNEM布設(shè)誤差統(tǒng)計(jì)

圖6 采集站實(shí)物圖

2.4 聲學(xué)定位與釋放系統(tǒng)

聲學(xué)定位與釋放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩方面的功能： 一是OBNEM的水下定位，確定接收點(diǎn)的大地坐標(biāo)；二是采集數(shù)據(jù)完成后承重體的釋放，實(shí)現(xiàn)OBNEM自由上浮并回收。本系統(tǒng)采用 Sonardyne公司生產(chǎn)的Ranger2USBL系統(tǒng)，包括甲板設(shè)備、水下設(shè)備、輔助設(shè)備三部分。甲板設(shè)備包括超短基線收發(fā)設(shè)備、甲板控制單元；水下設(shè)備包括應(yīng)答器及水聲釋放器；輔助設(shè)備包括GPS、運(yùn)動(dòng)傳感器(MRU)、電子羅經(jīng)。將甲板設(shè)備及輔助設(shè)備安裝在勘探母船上，電磁節(jié)點(diǎn)采集站上安裝1個(gè)應(yīng)答器及2個(gè)釋放器，通過(guò)船載設(shè)備與水下應(yīng)答器的通信實(shí)現(xiàn)海底采集站的測(cè)距。甲板設(shè)備利用測(cè)距信息及GPS等輔助設(shè)備信息完成對(duì)海底OBNEM的定位。釋放控制由聲學(xué)應(yīng)答器完成，應(yīng)答器收到釋放命令后，輸出釋放脈沖，實(shí)現(xiàn)釋放操作。

2.5 OBNEM性能分析

與常規(guī)采集站相比，OBNEM采集站具有明顯優(yōu)越性。常規(guī)采集站一般為2電(Ex、Ey)2磁(Hx、Hy)通道，也可增加垂直電分量(Ez)通道；OBNEM設(shè)計(jì)了8通道電分量，而且采用互通交叉模式，增加2個(gè)與正交電場(chǎng)分量成45°的電場(chǎng)分量和2個(gè)設(shè)置不同增益通道，能夠獲得與激發(fā)方向呈較小夾角的電場(chǎng)數(shù)據(jù)。OBNEM采集站順流孔的設(shè)計(jì)使沉底采集站在海流作用下能夠取得基本一致的布極方向，為后期信號(hào)處理中提取最佳方位信號(hào)提供了基礎(chǔ)。另外，OBNEM采集站在連續(xù)工作時(shí)間、功耗、尺寸、重量及組裝方式等方面都有明顯的優(yōu)化改進(jìn)。表2是OBNEM采集站與國(guó)內(nèi)已有采集站性能對(duì)比表。

表2 采集站性能對(duì)比

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 試驗(yàn)概況

2018年6月在中國(guó)南海北部某區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，主要目的是測(cè)試OBNEM的組裝、投放、信號(hào)采集、 釋放、回收性能。

共布設(shè)了兩條測(cè)線，分別位于SHH海域的LH構(gòu)造和LW構(gòu)造。LH構(gòu)造區(qū)內(nèi)的測(cè)線(測(cè)線1)長(zhǎng)約20km，水深為650～800m。LW構(gòu)造內(nèi)測(cè)線(測(cè)線2)長(zhǎng)約20km，水深為1400～1600m。兩條測(cè)線相距約40km，投放OBNEM采集站共10臺(tái)。采集站作業(yè)流程及定位流程見(jiàn)圖7。

根據(jù)作業(yè)流程時(shí)效統(tǒng)計(jì)，采集站組裝、投放、定位、回收效率分別為約10min/臺(tái)、約10min/臺(tái)、20min/臺(tái)和約30min/臺(tái)，采集站100%正?；厥眨a(chǎn)效率接近國(guó)際水平。所有采集站均采集到大功率MCSEM數(shù)據(jù)，并提取計(jì)算了響應(yīng)的MVO和PVO曲線。數(shù)據(jù)處理和解釋成果與該區(qū)域已知的地質(zhì)結(jié)構(gòu)吻合[27]。該實(shí)驗(yàn)的組裝、投放過(guò)程，驗(yàn)證了采集站框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，模塊化設(shè)計(jì)大大提高了投放作業(yè)效率。

圖7 采集站作業(yè)流程圖

3.2 M-TFEM實(shí)際資料分析

3.2.1 海底采集站及發(fā)射源信號(hào)分析

圖8為實(shí)驗(yàn)的其中一個(gè)OBNEM實(shí)測(cè)的天然4分量電磁場(chǎng)(Ex、Ey、Hx、Hy)時(shí)序曲線，數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為25min。

圖9是發(fā)射源經(jīng)過(guò)海底采集站時(shí)采集到的5分量(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy)時(shí)序記錄。由圖可見(jiàn)，隨著發(fā)射電偶極源逐漸靠近，采集站記錄的電磁場(chǎng)分量強(qiáng)度逐漸增大，且波形穩(wěn)定可靠。

圖10為該系統(tǒng)配備的T1500型海底電流發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的實(shí)際電流電壓波形，可見(jiàn)波形特征穩(wěn)定，性能可靠。

3.2.2 AVO曲線

對(duì)OBNEM記錄的時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)化、場(chǎng)值(發(fā)射電流、電偶極距)歸一化處理、時(shí)窗調(diào)整分析，然后進(jìn)行方位校正處理，最后融合導(dǎo)航數(shù)據(jù)形成AVO曲線。

圖11為某測(cè)站0.25Hz時(shí)電、磁場(chǎng)分量強(qiáng)度隨偏移距(海底發(fā)射源與海底采集站間的距離)變化的AVO曲線。可見(jiàn)圖中電場(chǎng)振幅在近10km收發(fā)距范圍內(nèi)連續(xù)、穩(wěn)定，系統(tǒng)噪聲和環(huán)境噪聲均未出現(xiàn)在10km范圍內(nèi)，OBNEM系統(tǒng)的海底歸一化本底噪聲約為10～14V·A-1·m2@0.25Hz(海水深約800m)。與地下巖層有關(guān)的電磁場(chǎng)響應(yīng)位于偏移距3～8km內(nèi)。因?yàn)槠凭噍^小時(shí)，觀測(cè)的電磁場(chǎng)主要為直達(dá)波電磁信號(hào)，而偏移距較大時(shí)，接收到的信號(hào)主要為海面折射的電磁波和海底天然電磁場(chǎng)。海底節(jié)點(diǎn)式電磁勘探主要研究的就是激發(fā)主頻在一定偏移距范圍內(nèi)的地下巖層電磁場(chǎng)響應(yīng)。

圖8 OBNEM采集站4分量時(shí)序曲線

圖9 實(shí)驗(yàn)采集的5分量時(shí)序記錄

圖10 T1500型發(fā)射電流電壓波形記錄

3.3 定性異常特征分析

定性異常是測(cè)線下方地下介質(zhì)電性特征的宏觀反映，沒(méi)有深度概念。通?？赏ㄟ^(guò)后續(xù)定量處理，對(duì)定性異常進(jìn)行地質(zhì)解釋。定性異常的處理流程包括：①選擇背景信號(hào)，通常選擇測(cè)線端點(diǎn)采集站接收到的信號(hào)作為背景信號(hào)；②計(jì)算發(fā)射和接收站的共中心點(diǎn)的平面坐標(biāo)；③提取共中心點(diǎn)處的觀測(cè)信號(hào)；④對(duì)提取到的共中心點(diǎn)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，即可得到歸一化定性異常。歸一化公式為Norm=Amp/Amp_background，其中Norm、Amp、Amp_background分別代表歸一化結(jié)果、異常值和背景值?；跉w一化定性異?？芍庇^、定性地分析目標(biāo)響應(yīng)的橫向分布特征。

2018年，沿1號(hào)測(cè)線設(shè)計(jì)了10個(gè)OBNEM測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)號(hào)為R1～R10。其中R1、R2測(cè)點(diǎn)位于已知?dú)獠胤秶鷥?nèi)，R6～R8測(cè)點(diǎn)位于待鉆評(píng)價(jià)井區(qū)。首先計(jì)算得到測(cè)線1所有測(cè)點(diǎn)各分量AVO曲線；再分析橢圓極化參數(shù)，求取電場(chǎng)最大幅值分量；最后分析背景資料，選取R10點(diǎn)的場(chǎng)值為歸一化背景場(chǎng)，提取其余各站收發(fā)距為5km時(shí)的歸一化定性異常，分析其橫向分布特征。圖12是頻率在0.25Hz時(shí)測(cè)線1的歸一化異常與同位置過(guò)井地震剖面對(duì)比。

圖11 0.25Hz時(shí)海底電場(chǎng)分量(上)和磁場(chǎng)分量(下)AVO曲線

圖12 測(cè)線1歸一化異常曲線(上)與重合的地震剖面(下)對(duì)比

由圖12可見(jiàn)，在剖面已鉆井處(測(cè)井曲線指示含油層)，歸一化異常呈倒“V”字特征，與鉆井資料結(jié)果比較吻合。該測(cè)線歸一化異常曲線揭示了地下目標(biāo)儲(chǔ)層電阻率的橫向變化趨勢(shì)，為井位設(shè)計(jì)(圖中15km處)提供了依據(jù)。對(duì)應(yīng)的異常也具有倒“V”字特征，顯然應(yīng)該也是油氣有利目標(biāo)，M-TFEM為該設(shè)計(jì)井論證提供了有益參考。

4 結(jié)論

歷經(jīng)二十余年的發(fā)展，在幾代科研工作者的努力下，海洋電磁儀器系統(tǒng)完成了從樣機(jī)到工業(yè)化制造的歷程。此次海上試驗(yàn)證明了OBNEM勘探裝備性能已達(dá)到工業(yè)化要求，形成了海洋可控源電磁勘探技術(shù)工業(yè)化作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)體系和大功率M-TFEM勘探技術(shù)作業(yè)能力，為推動(dòng)中國(guó)海洋電磁勘探技術(shù)進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(1)工業(yè)化深海作業(yè)測(cè)試結(jié)果表明，中國(guó)自主研發(fā)的海底節(jié)點(diǎn)式M-TFEM勘探系統(tǒng)裝備在穩(wěn)定性和可靠性方面已達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平，實(shí)際深海電磁場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效地揭示了海底含氣儲(chǔ)層的電性橫向變化特征。

(2)海底節(jié)點(diǎn)式M-TFEM采集系統(tǒng)在中國(guó)南海北部氣藏區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明，基于海底觀測(cè)電磁場(chǎng)的歸一化異常有效指示了已知?dú)獠貐^(qū)的分布，并對(duì)待鉆評(píng)價(jià)區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，因此，該技術(shù)可推廣到更多領(lǐng)域，結(jié)合地震勘探開(kāi)展海底節(jié)點(diǎn)式電磁勘探綜合評(píng)價(jià)，提高海洋油氣勘探的成功率。

感謝BGP海洋電磁研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)該項(xiàng)目的技術(shù)支持！