海洋CSEM法探测二维海底天然气水合物响应特征

王 启

(广州海洋地质调查局，广东广州510760)

海洋CSEM法探测二维海底天然气水合物响应特征

王 启

(广州海洋地质调查局，广东广州510760)

针对海底天然气水合物开展了可控源电磁探测法(Controlled-source Electromagnetic Method, CSEM)响应研究，根据实际地质资料设计二维地电模型并进行正演计算，讨论了频率变化对CSEM响应结果的影响以及海底地形起伏时的CSEM响应特征。综合天然气水合物二维正演模拟结果，论证了海洋CSEM探测海底天然气水合物的可行性，研究成果可为今后的海底天然气水合物勘探提供技术支持。

海底天然气水合物；海洋CSEM；二维模型；归一化

0 引 言

地震勘探是目前探测海底天然气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层(Bottom Simulating Reflector, BSR)已成为推测天然气水合物存在的一个重要标志(史斗等，1999)。但研究发现，BSR并不能完全指示天然气水合物的存在，即并不是所有存在BSR的地方都含有天然气水合物，反之亦然，而且地震方法对水合物的饱和度并不敏感。

与围岩相比，海底天然气水合物储层是高阻体，其电导率比海底沉积物或海水小得多，海洋CSEM可以根据水合物储层与围岩的电性差异来推测天然气水合物的存在，根据电阻率与储层含天然气水合物饱和度的密切关系探测地层中富集天然气水合物的规律(沈金松等，2009)，可提高钻井的成功率。

关于海洋CSEM法高阻储层的电磁响应及探测能力研究，Li等(2007)研究了二维海洋CSEM自适应有限元算法，陈清礼等(2012)通过数值模拟对MT油藏勘探的分辨能力进行了分析，张秀丽等(2014)对海洋CSEM探测水合物储层的勘探参数进行了探讨，这些研究成果可以为水合物勘探提供一定的技术指导和理论支撑。

本次研究根据二维地电模型，研究了海底天然气水合物CSEM响应特征。

1 正演模型计算

大洋钻探计划164航次在北美大陆边缘东南布莱克岭995号井位中钻探获得了海底天然气水合物(Collett et al.，2000)。根据此钻井资料设计如图1所示的正演模型，发射接收装置采用赤道观测系统装置排列，第一层为空气层，第二层是海水层。海水深度为2 770 m，电阻率为0.3 Ω·m；水合物储层厚度为250 m，横向分布范围为4 km(-2～2 km)，电阻率为4 Ω·m，埋深为200 m；水合物上覆沉积层和下伏沉积层电阻率为1.5 Ω·m。

图1 基于实际地质资料的水合物模型Fig.1 Hydrate model based on real geological data

对图1 中的模型进行正演计算，模拟时选择的发射频率为5 Hz，发射源位于原点上方50 m处，接收仪放在海底，接收来自海底地层的电磁信号，响应结果如图2所示。

图2 电场振幅和相位 (Ex)Fig.2 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

图2a、b分别是电场分量(Ex)的MVO(Magnitude Versus Offset)和PVO(Phase Versus Offset)曲线。从图2中可以清晰地看出，由于模型关于原点对称且发射源位于原点处，因而MVO曲线和PVO曲线也关于原点对称。在原点附近，背景模型与水合物模型的MVO曲线和PVO曲线基本重合，这是由于收发距较小时，接收仪接收到的电磁信号是在水合物储层上覆地层中传播的信号，没有到达高阻层，因而水合物模型和背景模型之间的振幅和相位差异不明显；当收发距>1 000 m时，电磁波开始在水合物层中传播，与海底沉积层相比，水合物储层是高阻层，由于高阻层对电磁波的吸收较小，电磁波在水合物储层中衰减得相对较慢，含有水合物储层模型与背景模型的电磁场振幅与相位差异明显，与背景模型相比，含有水合物储层模型的电场分量(Ex)的振幅衰减较慢，相位变化也相对比较缓慢。因此，利用海洋CSEM方法可以有效地识别天然气水合物储层。

2 频率变化时的CSEM响应特征

在实际勘探中，发射频率对电磁响应的结果会产生影响。相同条件下，不同的发射频率接收到的电磁响应不同。以下针对图1中的模型，讨论不同发射频率对CSEM响应结果的影响。选择激发频率为2、3、5、7、10 Hz，分别进行正演计算得到各个频率下的电场(Ex)分量振幅和相位与收发距的关系(图3)。

图3 电场振幅和相位 (Ex)Fig.3 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

从图3a中电场 (Ex)MVO曲线可以看出，发射频率越高，电场(Ex)振幅衰减的速度越快，不同发射频率的电场(Ex)振幅都随着收发距的增大而减小。因为不同频率的电磁信号在海底地层中衰减的速度不同，因而其趋肤深度和分辨率也各不相同：信号频率越低趋肤深度越大，衰减得越慢，分辨率较低；信号频率越高趋肤深度越小，衰减得越快，分辨率相对较高。当频率<5 Hz时，收发距在>3 000 m时的一段距离，电场值仍然在本底噪音[10-16V/(A·m2)]之上；当发射频率>5 Hz时，收发距在<3 000 m时就已经衰减到本底噪音之下。

从图3b中的PVO曲线上可以看出，发射频率越大，相位随收发距的变化越剧烈；发射频率越小，相位随收发距的变化越平缓。

3 海底地形起伏时的CSEM响应特征

海底地形复杂，在大多数情况下都会有不同程度的起伏，对海洋CSEM勘探结果会有一定的影响。为了解海底地形起伏对CSEM响应的影响，设计了如图4所示的模型。海底存在一倾斜台阶，台阶两侧深度相差100 m。正演模拟时，发射频率为5 Hz，发射源放在(0，0，2 720)位置，接收仪放置在海底，接收来自海底地层的响应。

图4 海底地形有起伏时水合物模型Fig.4 Model of hydrates in sea floor with relief

将计算结果与图1中海底地形无起伏时模型正演结果(振幅和相位)进行对比(图5)。实线代表海底水平情况，虚线代表海底地形有起伏的情况。从图5a、b中可以看出，当海底地形有起伏时，振幅和相位曲线会出现不对称现象。

图5 电场振幅和相位 (Ex)Fig.5 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

4 实际水合物储集体的CSEM模拟响应

在加拿大西海岸，根据测线L89-10(Yuan et al.，1998)地震数据调查，该地区水深为1 300 m，水合物储层厚度约为100 m，埋深230 m，设计如图6所示的水合物模型。水合物的横向范围为6 km，储层电阻率为3 Ω·m，围岩电阻率为1 Ω·m。

图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)

对图6中水合物模型进行正演计算，选择发射频率为8 Hz，发射源放在原点，距离海底50 m，接收仪放在海底，接收来自海底地层的电磁信号。将含有水合物储层模型的响应结果与不含水合物储层的背景模型进行对比(图7)。

图7 电场振幅和相位 (Ex)Fig.7 Amplitude and phase of electrical field (Ex)

图7a、b分别是电场(Ex)的MVO和PVO曲线。从中可以清晰地看出，在收发距<1 000 m时，背景模型与水合物模型的MVO曲线和PVO曲线基本重合。这是由于收发距较小，电磁信号在水合物储层上覆地层中传播，没有到达高阻层，上覆沉积层产生的电磁场占主导地位；当收发距>1 000 m时，电磁波在水合物层中传播，水合物储层是高阻层，电磁波在水合物储层中衰减的速度相对较慢，含有水合物储层模型与背景模型的电磁场振幅与相位差异明显。与背景模型相比，含有水合物储层模型的电磁场分量的振幅衰减较慢，相位变化也相对比较缓慢。

通常需进行异常场的归一化振幅和相位差计算，公式为：

(1)

(2)

根据式(1)和(2)进行归一化振幅和相位差计算，可得归一化振幅曲线和相位差曲线(图8)。在收发距为2 500 m的范围内，水合物模型和背景模型的振幅最大时有1倍的差异，相位差最大可达到100°，这证明了应用海洋CSEM法探测真实海底天然气水合物储层的有效性。

图8 电场的振幅比和相位差 (Ex)Fig.8 Amplitude ratio and phase difference of electrical field (Ex)

5 结 论

(1) 二维水合物模型与背景模型具有明显的振幅和相位差异，由此可以确定天然气水合物的存在。

(2) 通过研究海底地形对结果的影响，发现发射频率越大，电磁场振幅随收发距衰减得越快，相位变化也越剧烈。

(3) 根据实际地震资料设计了含水合物储集体的地电模型，进行正演计算，验证了海洋CSEM法探测真实海底天然气水合物储层的有效性。

陈清礼，周锦钟，余海勇，2012. 大地电磁法分辨力的模拟分析[J]. 石油天然气学报，34(1): 91-95.

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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；编辑：陈露

广州海洋地质调查局天然气水合物专项“数据库建设及战略研究”(GHZ201100312)

王启(1988— )，男，助理工程师，硕士，主要从事海洋测深资料处理与海洋可控源电磁数值模拟研究工作，E-mail： wjqi1234@163.com

P631.3+25

A

1674-3636(2016)04-0690-05