王 啟

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510760)

海洋CSEM法探測(cè)二維海底天然氣水合物響應(yīng)特征

王 啟

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510760)

針對(duì)海底天然氣水合物開(kāi)展了可控源電磁探測(cè)法(Controlled-source Electromagnetic Method, CSEM)響應(yīng)研究，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料設(shè)計(jì)二維地電模型并進(jìn)行正演計(jì)算，討論了頻率變化對(duì)CSEM響應(yīng)結(jié)果的影響以及海底地形起伏時(shí)的CSEM響應(yīng)特征。綜合天然氣水合物二維正演模擬結(jié)果，論證了海洋CSEM探測(cè)海底天然氣水合物的可行性，研究成果可為今后的海底天然氣水合物勘探提供技術(shù)支持。

海底天然氣水合物；海洋CSEM；二維模型；歸一化

0 引 言

地震勘探是目前探測(cè)海底天然氣水合物最重要的地球物理方法之一。海上地震勘探中，地震剖面上的似海底反射層(Bottom Simulating Reflector, BSR)已成為推測(cè)天然氣水合物存在的一個(gè)重要標(biāo)志(史斗等，1999)。但研究發(fā)現(xiàn)，BSR并不能完全指示天然氣水合物的存在，即并不是所有存在BSR的地方都含有天然氣水合物，反之亦然，而且地震方法對(duì)水合物的飽和度并不敏感。

與圍巖相比，海底天然氣水合物儲(chǔ)層是高阻體，其電導(dǎo)率比海底沉積物或海水小得多，海洋CSEM可以根據(jù)水合物儲(chǔ)層與圍巖的電性差異來(lái)推測(cè)天然氣水合物的存在，根據(jù)電阻率與儲(chǔ)層含天然氣水合物飽和度的密切關(guān)系探測(cè)地層中富集天然氣水合物的規(guī)律(沈金松等，2009)，可提高鉆井的成功率。

關(guān)于海洋CSEM法高阻儲(chǔ)層的電磁響應(yīng)及探測(cè)能力研究，Li等(2007)研究了二維海洋CSEM自適應(yīng)有限元算法，陳清禮等(2012)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)MT油藏勘探的分辨能力進(jìn)行了分析，張秀麗等(2014)對(duì)海洋CSEM探測(cè)水合物儲(chǔ)層的勘探參數(shù)進(jìn)行了探討，這些研究成果可以為水合物勘探提供一定的技術(shù)指導(dǎo)和理論支撐。

本次研究根據(jù)二維地電模型，研究了海底天然氣水合物CSEM響應(yīng)特征。

1 正演模型計(jì)算

大洋鉆探計(jì)劃164航次在北美大陸邊緣東南布萊克嶺995號(hào)井位中鉆探獲得了海底天然氣水合物(Collett et al.，2000)。根據(jù)此鉆井資料設(shè)計(jì)如圖1所示的正演模型，發(fā)射接收裝置采用赤道觀測(cè)系統(tǒng)裝置排列，第一層為空氣層，第二層是海水層。海水深度為2 770 m，電阻率為0.3 Ω·m；水合物儲(chǔ)層厚度為250 m，橫向分布范圍為4 km(-2～2 km)，電阻率為4 Ω·m，埋深為200 m；水合物上覆沉積層和下伏沉積層電阻率為1.5 Ω·m。

圖1 基于實(shí)際地質(zhì)資料的水合物模型Fig.1 Hydrate model based on real geological data

對(duì)圖1 中的模型進(jìn)行正演計(jì)算，模擬時(shí)選擇的發(fā)射頻率為5 Hz，發(fā)射源位于原點(diǎn)上方50 m處，接收儀放在海底，接收來(lái)自海底地層的電磁信號(hào)，響應(yīng)結(jié)果如圖2所示。

圖2 電場(chǎng)振幅和相位 (Ex)Fig.2 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

圖2a、b分別是電場(chǎng)分量(Ex)的MVO(Magnitude Versus Offset)和PVO(Phase Versus Offset)曲線。從圖2中可以清晰地看出，由于模型關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)且發(fā)射源位于原點(diǎn)處，因而MVO曲線和PVO曲線也關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。在原點(diǎn)附近，背景模型與水合物模型的MVO曲線和PVO曲線基本重合，這是由于收發(fā)距較小時(shí)，接收儀接收到的電磁信號(hào)是在水合物儲(chǔ)層上覆地層中傳播的信號(hào)，沒(méi)有到達(dá)高阻層，因而水合物模型和背景模型之間的振幅和相位差異不明顯；當(dāng)收發(fā)距>1 000 m時(shí)，電磁波開(kāi)始在水合物層中傳播，與海底沉積層相比，水合物儲(chǔ)層是高阻層，由于高阻層對(duì)電磁波的吸收較小，電磁波在水合物儲(chǔ)層中衰減得相對(duì)較慢，含有水合物儲(chǔ)層模型與背景模型的電磁場(chǎng)振幅與相位差異明顯，與背景模型相比，含有水合物儲(chǔ)層模型的電場(chǎng)分量(Ex)的振幅衰減較慢，相位變化也相對(duì)比較緩慢。因此，利用海洋CSEM方法可以有效地識(shí)別天然氣水合物儲(chǔ)層。

2 頻率變化時(shí)的CSEM響應(yīng)特征

在實(shí)際勘探中，發(fā)射頻率對(duì)電磁響應(yīng)的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。相同條件下，不同的發(fā)射頻率接收到的電磁響應(yīng)不同。以下針對(duì)圖1中的模型，討論不同發(fā)射頻率對(duì)CSEM響應(yīng)結(jié)果的影響。選擇激發(fā)頻率為2、3、5、7、10 Hz，分別進(jìn)行正演計(jì)算得到各個(gè)頻率下的電場(chǎng)(Ex)分量振幅和相位與收發(fā)距的關(guān)系(圖3)。

圖3 電場(chǎng)振幅和相位 (Ex)Fig.3 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

從圖3a中電場(chǎng) (Ex)MVO曲線可以看出，發(fā)射頻率越高，電場(chǎng)(Ex)振幅衰減的速度越快，不同發(fā)射頻率的電場(chǎng)(Ex)振幅都隨著收發(fā)距的增大而減小。因?yàn)椴煌l率的電磁信號(hào)在海底地層中衰減的速度不同，因而其趨膚深度和分辨率也各不相同：信號(hào)頻率越低趨膚深度越大，衰減得越慢，分辨率較低；信號(hào)頻率越高趨膚深度越小，衰減得越快，分辨率相對(duì)較高。當(dāng)頻率<5 Hz時(shí)，收發(fā)距在>3 000 m時(shí)的一段距離，電場(chǎng)值仍然在本底噪音[10-16V/(A·m2)]之上；當(dāng)發(fā)射頻率>5 Hz時(shí)，收發(fā)距在<3 000 m時(shí)就已經(jīng)衰減到本底噪音之下。

從圖3b中的PVO曲線上可以看出，發(fā)射頻率越大，相位隨收發(fā)距的變化越劇烈；發(fā)射頻率越小，相位隨收發(fā)距的變化越平緩。

3 海底地形起伏時(shí)的CSEM響應(yīng)特征

海底地形復(fù)雜，在大多數(shù)情況下都會(huì)有不同程度的起伏，對(duì)海洋CSEM勘探結(jié)果會(huì)有一定的影響。為了解海底地形起伏對(duì)CSEM響應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)了如圖4所示的模型。海底存在一傾斜臺(tái)階，臺(tái)階兩側(cè)深度相差100 m。正演模擬時(shí)，發(fā)射頻率為5 Hz，發(fā)射源放在(0，0，2 720)位置，接收儀放置在海底，接收來(lái)自海底地層的響應(yīng)。

圖4 海底地形有起伏時(shí)水合物模型Fig.4 Model of hydrates in sea floor with relief

將計(jì)算結(jié)果與圖1中海底地形無(wú)起伏時(shí)模型正演結(jié)果(振幅和相位)進(jìn)行對(duì)比(圖5)。實(shí)線代表海底水平情況，虛線代表海底地形有起伏的情況。從圖5a、b中可以看出，當(dāng)海底地形有起伏時(shí)，振幅和相位曲線會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。

圖5 電場(chǎng)振幅和相位 (Ex)Fig.5 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

4 實(shí)際水合物儲(chǔ)集體的CSEM模擬響應(yīng)

在加拿大西海岸，根據(jù)測(cè)線L89-10(Yuan et al.，1998)地震數(shù)據(jù)調(diào)查，該地區(qū)水深為1 300 m，水合物儲(chǔ)層厚度約為100 m，埋深230 m，設(shè)計(jì)如圖6所示的水合物模型。水合物的橫向范圍為6 km，儲(chǔ)層電阻率為3 Ω·m，圍巖電阻率為1 Ω·m。

圖6 基于地震反射剖面(L89-10)的水合物模型Fig.6 Model of hydrates based on seismic reflection profile (L89-10)

對(duì)圖6中水合物模型進(jìn)行正演計(jì)算，選擇發(fā)射頻率為8 Hz，發(fā)射源放在原點(diǎn)，距離海底50 m，接收儀放在海底，接收來(lái)自海底地層的電磁信號(hào)。將含有水合物儲(chǔ)層模型的響應(yīng)結(jié)果與不含水合物儲(chǔ)層的背景模型進(jìn)行對(duì)比(圖7)。

圖7 電場(chǎng)振幅和相位 (Ex)Fig.7 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

圖7a、b分別是電場(chǎng)(Ex)的MVO和PVO曲線。從中可以清晰地看出，在收發(fā)距<1 000 m時(shí)，背景模型與水合物模型的MVO曲線和PVO曲線基本重合。這是由于收發(fā)距較小，電磁信號(hào)在水合物儲(chǔ)層上覆地層中傳播，沒(méi)有到達(dá)高阻層，上覆沉積層產(chǎn)生的電磁場(chǎng)占主導(dǎo)地位；當(dāng)收發(fā)距>1 000 m時(shí)，電磁波在水合物層中傳播，水合物儲(chǔ)層是高阻層，電磁波在水合物儲(chǔ)層中衰減的速度相對(duì)較慢，含有水合物儲(chǔ)層模型與背景模型的電磁場(chǎng)振幅與相位差異明顯。與背景模型相比，含有水合物儲(chǔ)層模型的電磁場(chǎng)分量的振幅衰減較慢，相位變化也相對(duì)比較緩慢。

通常需進(jìn)行異常場(chǎng)的歸一化振幅和相位差計(jì)算，公式為：

(1)

(2)

根據(jù)式(1)和(2)進(jìn)行歸一化振幅和相位差計(jì)算，可得歸一化振幅曲線和相位差曲線(圖8)。在收發(fā)距為2 500 m的范圍內(nèi)，水合物模型和背景模型的振幅最大時(shí)有1倍的差異，相位差最大可達(dá)到100°，這證明了應(yīng)用海洋CSEM法探測(cè)真實(shí)海底天然氣水合物儲(chǔ)層的有效性。

圖8 電場(chǎng)的振幅比和相位差 (Ex)Fig.8 Amplitude ratio and phase difference of electrical field (Ex)

5 結(jié) 論

(1) 二維水合物模型與背景模型具有明顯的振幅和相位差異，由此可以確定天然氣水合物的存在。

(2) 通過(guò)研究海底地形對(duì)結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)發(fā)射頻率越大，電磁場(chǎng)振幅隨收發(fā)距衰減得越快，相位變化也越劇烈。

(3) 根據(jù)實(shí)際地震資料設(shè)計(jì)了含水合物儲(chǔ)集體的地電模型，進(jìn)行正演計(jì)算，驗(yàn)證了海洋CSEM法探測(cè)真實(shí)海底天然氣水合物儲(chǔ)層的有效性。

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Response characteristics of 2D marine gas hydrate detection using marine CSEM method

WANG Qi

(Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, Guangdong, China)

This work aims to determine the response characteristics of marine gas hydrates detected by the CSEM method. It designed 2D models based on the actual geological data and did forward calculation, and discussed the effects of frequency variations and seafloor belief on CSEM response. According to the result of 2D inversion models, it demonstrates the feasibility of detecting gas hydrates with marine CSEM method. The result will provide some technical guidance for the exploration of marine gas hydrates in the future.

sea floor gas hydrate; marine CSEM; 2D model; normalization

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.690

2016-08-29；

2016-10-19；編輯：陳露

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物專(zhuān)項(xiàng)“數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及戰(zhàn)略研究”(GHZ201100312)

王啟(1988— )，男，助理工程師，碩士，主要從事海洋測(cè)深資料處理與海洋可控源電磁數(shù)值模擬研究工作，E-mail： wjqi1234@163.com

P631.3+25

A

1674-3636(2016)04-0690-05