2. 广州海洋地质调查局, 广州 510760;
3. 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室, 北京 100083
2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China;
3. Key Laboratory of Geo-detection, Ministry of Education, Beijing 100083, China
海洋电磁法自20世纪70年代被提出以来,在海底板块构造(Key and Constable, 2002; Constable, 1990; Constable et al., 1997)、火山运动(Constable and Heinson, 2004)、海啸预警(Zhang et al., 2014)、油气勘探(Hoversten et al., 2000)、水合物调查等(Weitemeyer et al., 2011)方面取得了显著应用效果,尤其在地震方法难以奏效的区域(火成岩、碳酸岩、盐丘等)(Hoversten et al., 2000)发挥了重要作用.该方法被美国Scripps海洋研究所(Constable et al., 1998)、英国南安普顿大学(MacGregor and Sinha, 2000)、挪威EMGS公司(Ellingsrud et al., 2002)、PGS公司、德国BGR、日本JAMSTAC等用于海底油气和天然气水合物资源的探测,在海底资源调查中展现了良好的应用前景.
海洋可控源电磁方法(MCSEM)作为海洋电磁法的一个分支,具有浅部分辨率高、海上作业效率高、高阻异常识别能力强的优势,尤其适合深水海底水合物及油气等高阻异常体的调查.20世纪70年代,美国加州大学Scripps海洋研究所Cox等提出用水平电偶极-偶极方法开展深水区地学探测的设想(Cox et al., 1986; Webb et al., 1985).1997年,加拿大多伦多大学Edwards等进行了海底水平电偶极-偶极装置的研发,并于1999年在卡斯卡底古陆北部边缘的含水合物区进行了多次调查,对该海区水合物的潜在分布进行了评估(Yuan and Edwards, 2000);美国SIO(Weitemeyer et al., 2006)先后在俄勒冈州近海水合物脊和南加州Santa Cruz盆地开展了海洋可控源电磁的水合物调查工作;日本JAMSTAC(Goto et al., 2008)在日本海开展水合物调查工作;德国BGR(Schwalenberg et al., 2010)在新西兰近海进行了水合物电磁方法的调查工作.上述研究均取得了出色的勘探效果.
相比之下,国内的海洋电磁方法研究主要集中在前期的方法理论探索与后期的资料处理解释方面(何展翔等, 2009; 何继善和鲍力知, 1999; 殷长春等, 2014; 沈金松等, 2012; 罗鸣等, 2016),投入到实际油气及水合物勘探的数据采集工作还很少.中国地质大学(北京)自20世纪末期开展海底MT方法技术研究以来(魏文博等, 2001, 2009),联合广州海洋地质调查局、东方地球物理公司等单位持续进行海洋电磁相关的方法理论、海上装备、数据采集、资料处理解释等研究工作.近年来在中国地质调查局专项工作的支持下,开展了东沙、神狐、琼东南等重点区域的水合物电磁调查工作(景建恩等, 2016; 陈凯等, 2013).
本文在前期海底大地电磁及海洋可控源电磁方法仪器研究的基础上(陈凯等, 2015; Chen et al., 2015; 邓明等, 2003, 2013),在海洋电磁方法理论指导下,进行了高可靠性、低噪声大动态范围电磁信号采集、高精度时间同步、低功耗、高效现场作业等关键技术研究,设计并开发了海底电磁接收机.根据水合物调查的需求,将研制的接收机投入到琼东南水合物目标区进行海上数据采集,并对数据进行了处理与反演解释,获取了海底地层电阻率信息,为推断水合物分布提供电性依据.
2 海洋可控源电磁探测方法原理海底MT方法将若干台海底电磁接收机布放至预定位置,采集海底MT信号,经后续的海底MT资料处理及反演,获取海底以下地层电性结构信息.良导的海水极大地抑制了MT信号的高频部分,使得海底以下浅部地层电阻率成像信息缺失.根据目前我国南海几大目标区海底水合物分布特征,目标区水深均超过1000 m,水合物储层埋深一般为500 m以浅,MT方法在浅部水合物探测中存在盲区.海洋可控源电磁方法借助大功率海洋可控源电磁发射机在近海底建立人工源电磁场(Constable and Srnka, 2007),以弥补高频段缺失的MT信号,海底电磁接收机对含有海底以下地层电性信息的人工场源电磁信号实现高精度采集,经后续资料处理及反演得到海底地层电性信息,用于推断海底以下介质的电性异常,从而评估天然气水合物分布范围.
MCSEM海上作业示意图如图 1.MCSEM探测系统主要包括作业船及船载大功率甲板电源、船载深拖缆及绞车、船载导航及水下定位设备、大功率拖曳发射机(王猛等, 2013)、若干台海底电磁接收机.作业流程主要分为:1)接收机投放,根据目标工区预设的点位,将海底电磁接收机依次投放至海底;2)接收机定位,借助船载USBL水下定位系统对海底接收机位置进行精确定位,并为后期数据处理提供坐标信息;3)发射作业与MCSEM数据采集,拖曳发射机按照设计的路线及频率进行大功率电流激发,接收机采集MCSEM信号与MT信号,此时MT信号为噪声;4)MT数据采集,在接收机着底后至回收之前一直采集海底MT信号;5)回收接收机,借助释放回收系统对接收机进行逐点打捞回收;6)现场数据预处理,下载接收机中的数据文件,结合发射电流文件、导航及水下定位数据,进行MCSEM数据处理与海底MT数据处理,并对数据质量进行评估,为后期室内数据处理提供中间文件.
实现海底电磁信号的高精度采集是海底可控源电磁接收机的核心目标.实现这一目标需要解决接收机的高可靠投放与回收、深水耐压、低噪声大动态范围观测、多台接收机与发射机、导航系统的高精度时间同步、水下长时间连续作业、海上高效作业等一系列问题.因此,接收机研制关键技术主要体现在高可靠性、低噪声、低漂移、低功耗、高效作业等方面.
图 2为海底电磁接收机投放前的场景写照.投放接收机时借助船载折臂吊将接收机吊起,摆至舷外,下放至水面,水面脱钩器释放后,接收机自由下沉至海底.接收机部件分为电子及机械两大类,电子部件包括电场传感器、磁场传感器、采集电路、水声换能器、定位信标、姿态测量装置、甲板单元等;机械部件包括玻璃浮球、框架、测量臂、声学释放器、水泥块、电腐蚀脱钩器以及配套的甲板遥控端.
针对海底大地电场信号的低噪声观测要求,(Havsgård et al., 2011).对现有AgCl电极电解工艺的诸多参数(电解时间、电极有效面积、电解电流、AgCl粉末配比)进行了优化设计,进一步降低了本底噪声水平、提高了极差稳定性.通过优化电极结构设计,简化灌装工艺流程,提高了成品率及水密可靠性.电场传感器由内部Ag/AgCl片及外部的防护罩、水密接插件组成(图 3).经测试,电极对的本底噪声水平约为0.6 nV/rt(Hz)@1 Hz,电极对阻抗约为5 Ω,极差小于100 μV,极差漂移小于10 μV/day.
测量电场传感器的极差稳定性时,将待测电场传感器集中浸入溶度为3.5%NaCl溶液中,以某一支电场传感器为参考电极,借助多通道六位半万用表Agilent34972A观测其他待测电极相对参考电极的极差变化.图 4给出了9支电场传感器的极差稳定性测试结果,在长达1个月的测试周期中,9支电极极差变化趋于一致,前15天电极极差波动变化小于100 μV,后15天极差变化约为150 μV,极差变化约为10 μV/day.
为评估所研制的海洋电场传感器噪声水平,将两支待测传感器浸入溶度为3.5%NaCl溶液中,传感器接入至低噪声前置放大器,放大器的噪声输出为传感器噪声与放大器自噪声之和.通过测量放大器输出电压噪声功率谱密度来评估传感器噪声水平.图 5给出了放大器的自噪声及传感器噪声,可知放大器自噪声水平约为0.6 nV/rt(Hz)@1 Hz,放大器与传感器噪声之和为0.9 nV/rt(Hz)@1 Hz,计算得到传感器噪声为0.7 nV/rt(Hz)@1 Hz.
在海底MT及CSEM磁场信号观测中,感应式磁传感器相比其他类型磁传感器(磁通门、光泵、SQUID、质子),在观测带宽、噪声水平方面具有优势(Tumanski, 2007).但是在功耗、体积、重量上仍存在不足,新定制开发的感应式磁场传感器通过优化线圈参数、减小电路及结构件的尺寸,增大了磁芯有效空间,在噪声水平(0.1 pT/rt(Hz)@1 Hz)不变的情况下大幅减小磁传感器的体积及重量(Yan et al., 2013);通过降低内置放大器的功耗水平和提高电源转换效率,降低传感器功耗;将转角频率降低至0.3 Hz、通频带灵敏度降低至30 mV/nT;磁传感器电路由±7 V供电,消耗电流为+9 mA & -5 mA,单支传感器功耗约为100 mW;满偏输出±5 V,动态范围约为100 dB.
图 6为磁传感器实物照片,外径为45 mm,长度为880 mm,空气中重量为3.5 kg.借助零磁空间评估磁传感器本底噪声水平,图 7为磁传感器本底噪声水平测试结果,计算得到噪声功率谱密度(PSD).1 Hz频点处噪声PSD约为0.1 pT/rt(Hz),噪声随频率降低幅度增加,呈现1/f2特征.
在实现低噪声AgCl电极的基础上,研制了与之匹配的低噪声斩波放大器.在原有电路基础上通过优化变压器参数、降低AC放大器电压噪声及电流噪声、降低开关馈通噪声等措施,进一步降低了斩波放大器的等效输入噪声.斩波放大器电路原理见图 8.
将放大器输入端短接,借助第三方数据采集单元对放大器的输出噪声进行电压采集,采样率设置为100 Hz,连续观测10 h以上.图 9为斩波放大器的噪声测量结果,图 9a为展示的25000 s时间长度的噪声时域波形,噪声约为30 nVpp,失调电压约为250~255 nV;图 9b为对25000 s噪声时间序列进行直方图统计,噪声呈高斯分布,在255 nV附近概率密度最大;图 9c为噪声功率谱密度统计图,对图 9a中的25000 s时间序列分为若干段进行PSD计算,黑色曲线为分次计算结果,红色曲线为各次计算结果的平均值,表明前放噪声约为0.6 nV/rt(Hz)@1 Hz,转角频率约为0.1 Hz,低频段噪声增加至3 nV/rt(Hz)@1 mHz.
采集电路主要实现数据采集与水声通讯两大功能.数据采集完成5通道电磁场信号高精度数据采集、存储、高精度时间同步;水声通讯实现与甲板遥控端的水声命令解析、状态信息回传、电腐蚀装置触发等.图 10给出了采集电路的原理框图,图 11为实物照片.数据采集包括前述的三通道电场斩波放大器、5通道ADC、FPGA、MCU、DTCXO、SD卡、甲板单元等;水声通讯包括水声通讯模块、MCU、恒流源、外部释放装置和水声换能器等.
ADC为TI公司的31位大动态范围模数转换器ADS1282,完成5通道电压信号的高精度同步转换;FPGA完成5通道ADC数据流编排、时间标记、同步触发;DTCXO为FPGA提供高稳定时钟,自身消耗电流约5mA;MCU读取FPGA的数据流与时间标记写入至SD卡中;SD卡为64GB工业级存储卡;甲板单元为采集电路提供GPS时间信息,用于接收机投放前的系统对钟、参数设置等.
在实现前述的低噪声电场传感器、电场斩波放大器、磁传感器外,采集电路自身具备低噪声大动态范围特征,ADS1282内置斩波放大器及FPGA,具有低噪声、低功耗的特点,低频噪声PSD平坦,无1/f噪声.电场前置放大器与磁场传感器电压输出范围均为±5 Vpp,为保证通道动态范围,5通道ADC输入范围调整为对应的±5 V.在采样率为150 Hz时,通道动态范围可达126 dB以上.
低功耗方面,FPGA为Altera生产的低功耗器件,MCU为Atmel生产的32位ARM920T内核微控制器,均为低功耗器件;电源转换为高效率DC/DC.在接入5通道(三电道+两磁道)、采样率设置为150 Hz时,整机功耗为1500 mW.所配备的3组大容量锂电池包,集成108颗18650锂电池,单颗锂电池容量在低温条件下约12 Wh,采集电路持续工作时间理论上达36天.经测试,于2016年2—3月在南海北部神狐海域700 m水深海底条件下连续工作达33天.采集舱内预留了约200颗18650锂电池的安装空间及浮力配比,全部安装电池水下工作时间可达60天以上.美国Scripps海洋研究所最新一代的接收机MK-III功耗约为370 mW,水下连续工作时间达50天.挪威EMGS的Rx5接收机水下连续工作时间约为55天.
时间同步方面,在实现低功耗高稳定晶振及借助GPS模块的高精度PPS的基础上,通过同步触发AD与时钟累加技术,实现AD数据流的高精度时间标记.AD触发信号依赖PPS产生,使得多通道AD之间、多台接收机的多通道之间的同步触发采集;借助高稳晶振及PPS基准,产生一个用于计数的小时钟,为数据流提供相对时间计数.将带有时间标记的PPS信号接入至采集电路输入端,计算数据流的时间标记与标准时间之间的延时,多次重复测试的结果表明延时固定且一致.
3.5 释放回收系统释放回收系统包括甲板遥控端、水下声学释放器、电腐蚀释放装置、水泥块、玻璃浮球.投放时,借助水泥块水中重量,整机入水后自由下沉,此时水下重量约50 kg;下沉时,可通过USBL定位信标实时跟踪接收机水下位置;接收机到达海底后开始采集工作,通过水声通讯模块查询接收机的状态信息(包括采集进度、电池电压等);回收作业时,通过甲板遥控端发送声学释放器的释放命令或者水声通讯模块的电腐蚀使能命令,声学释放器收到命令后触发释放装置,水声通讯模块收到命令后使能恒流源,触发电腐蚀脱钩器.以上两种独立的释放机制确保水下仪器的正常回收上浮.上浮时,接收机借助4个17英寸(1 inch=2.54 cm)的玻璃球浮力实现上浮,此时水中重量为-50 kg.水声通讯电路独立供电,配备了16颗18650锂电池,水声通讯静态功耗低于12 V & 1 mA,待机时间达一年以上.在采集电路电池耗尽的情况下也可以实现电腐蚀释放.释放回收系统实际工作时瞬态功耗约为12 V & 1 A,持续时间约10 min.电池充满电后理论上可连续工作900次以上.
3.6 姿态测量装置由于接收机沉底时的方位随机性,同时海底可能存在斜坡,需要获取接收机位于海底工作时的三轴姿态,包括方位角、横滚角、俯仰角.以往的技术方案将姿态测量模块置于采集舱内,每间隔一段时间获取姿态方位角,该方案的问题在于姿态测量模块启动与关闭时产生阶跃电流,由于采集舱与磁传感器空间距离很小,阶跃电流进而“污染”了磁场信号.新的解决方案是将姿态测量模块拆分于采集电路,形成独立的姿态测量装置,安装于接收机顶部.姿态测量模块距离磁传感器较远,接收机到达海底后,每间隔10 min获取一次姿态信息,并存储至内置的NANDFLASH中,仅工作24 h后断电不再开启.待接收机回收后下载原始数据.姿态测量装置实物照片见图 12.
位于海底连续工作的海底可控源电磁接收机,需要解决无人值守、深水耐压、释放回收等基本问题.可靠性设计首先经历了电气与结构的可靠性论证,遵循小型化设计、简化设计、集成化、模块化设计原则(曾声奎, 2015);同时在体积、功耗方面进行了降额设计,在采集电路的软硬件设计方面进行了冗余设计、容错设计(张赪, 2016).可靠性设计主要体现在以下几方面:
1) 结构的可靠性.释放装置采用成熟的机械释放器方案、结构小型化设计、合理浮力配比及配平.
2) 耐压的可靠性.压力舱均通过50 MPa保压2 hr测试,玻璃球、释放器工作水深大于6000 m.
3) 冗余设计.声学释放器及电腐蚀释放两种释放机制并联.采集电路的电池连续工作1个月以上,磁盘存储空间可容纳接近3个月的数据.
4) 集成化、模块化设计.针对故障率较高的时钟电路、前置放大器电路进行模块化设计,室内一致性测试过程中及时排除故障模块.
5) 容错设计.在结构安装、电缆装配、软件配置方面充分采用容错设计,降低了对操作人员的要求,提高了海上作业效率.
3.8 主要技术指标通道数:5(Ex、Ey、Ez、Hx、Hy);
频率范围:3000 s~320 Hz;
本底噪声水平:电场:0.1 nV/m/rt(Hz)@1 Hz,磁场:0.1 pT/rt(Hz)@1 Hz;
动态范围:电场:110 dB;磁场:100 dB
时间漂移:1~5 ms/day;
功耗:1500 mW;
水下工作时间:大于30天;
最大工作水深:4000 m;
释放机制:声学释放器&电腐蚀熔断机制.
2015年3月,在琼东南海域利用自主研制的海底电磁接收机,开展了MCSEM方法的水合物探测试验.
4.1 工区概况琼东南盆地位于海南省的东南海域,隶属南海西北大陆边缘,地理位置介于16.5—18.8°N,108.8—113.4°E之间,西临红河断裂带和宋泓莺歌海盆地,东临珠江口盆地,东北为神狐隆起,北邻海南隆起,南接永乐隆起,总面积达3.8×104 km2.盆地发育于加里东、燕山期褶皱基底之上,为新生代陆缘拉张型含油气盆地.盆地呈NE走向,由一系列NE向和NEE向凹陷和隆起分隔成“凹隆”相间的构造格局.近年来在琼东南开展的地质、地球物理、地球化学等调查工作,认为琼东南盆地是一个重要的天然气水合物目标区,有必要对该区域的水合物埋藏特征进行详查(陈多福等, 2004; 关进安等, 2009).
图 14为工区布置图,投放的4个站位R1至R4间距约500 m,水深约1400 m,测线与已经完成地震拖缆作业测线重合,呈北西方向.测线长约22 km,累计进行了两次拖曳发射,第一次TowA由南向北,发射基频0.5 Hz,第二次TowB由北向南,发射基频8 Hz,拖曳过程中航速约为两节.发射电流约260 App,发射天线偶极距120 m,发射机拖体离底高度全程保持在10~30 m区间,并获取了发射机拖体及尾标全程的水下定位数据、拖体及尾标离底高度数据、拖体三轴姿态信息.为提高垂直分辨率,此次海试CSEM信号有效频点为0.5、1.5、8、24 Hz,在0.5~24 Hz频段范围内涵盖两个数量级,基本呈等比分布.
根据往返拖曳发射源工作时间,从电流文件和4个接收站位的原始数据中提出CSEM数据.在进行时漂校正后,对两次拖曳4台站位的各场分量及电流数据进行噪声压制(空气波压制、噪声估计、尖峰干扰抑制)、时频计算(窗口长度设为60 s).后经通道及传感器标定补偿、方位旋转(极化椭圆分析和场分量旋转)、合并航行数据得到MVO(Magnitude Versus Offset)及PVO(Phase Versus Offset)数据.
图 16为处理得到4个站位的Ex分量在0.5 Hz、1.5、8 Hz与24 Hz四个频点的MVO及PVO曲线.4个频点的单边有效收发距分别约为6、4、3、2 km.信号幅值范围为1×10-15 ~1×10-8V/Am2.0.5 Hz数据的本底噪声水平约为1×10-15V/Am2×120 m×125 A×rt(60 s)≈0.1 nV/m/rt(Hz).美国SIO的MK-III的电场本底噪声约为0.1 nV/m/rt(Hz)@1 Hz,挪威EMGS的R×5接收机电场本底噪声为0.12 nV/m@1 Hz.现有采集站在电场低噪声观测方面与国外同行目前技术水平相当.
利用一维OCCAM反演方法(Key, 2009),对4个测站的0.5、1.5、8 Hz和24 Hz的多频MVO数据进行了反演,并对4个测点的反演结果进行插值后,绘制了电阻率断面图.为了对反演结果进行更好的解释,根据测线位置,提取了与之对应的地震时间剖面,结合本海域时间与深度的转换关系,对地震剖面进行时-深转换,得到电磁剖面与地震剖面的叠合图,如图 17.
由图 17可以看到:R1-R2之间的浅层存在较薄的高阻异常层,厚度约为30 m.R3-R4之间约50 m深度之上存在一个连通左右两个高阻体的高阻层,厚度约为30 m.R2-R3测点下方存在大片的高阻地层;R1测点下方300 m以下,存在明显的高阻特征.由反演结果,可圈定8个高阻异常体,它们的分布区域及电阻率如表 1.
与高阻异常体H2、H7对应处,地震剖面为明显的反射空白带,且空白带呈层状分布,其下存在强反射波阻;海底浅层,引起高阻异常的常见地质因素有:地层饱含气、地层含水合物、岩性变化(如钙质、砂质含量增加);就本处情况看,H7对应的地层平坦、埋深浅,如果此处砂质含量大,则其孔隙度也将增大.由此推断,H7可能为含气构造,若满足水合物形成的温压条件,也不排除存在水合物的可能性.H2的情况与H7相似,区别在于H2附近并没有明显的排气烟囱,但此处地层的微裂隙极为发育,强波阻反射更加突出,且电阻率值更高,这不能排除地层岩性变化引起高阻的可能性,同时地层含气的可能性也很大,或者两者兼而有之.
从地震剖面看,H3与H4之间存在异常反射体,可能是地层含气引起的.若砂质地层被排出的气体饱和或者为钙质地层,则其电阻率将急剧增大,可能会远远超过反演给出的1.6~2.5 Ωm.由此初步排除此处高阻是由岩性变化引起的可能.高阻异常体H1、H3的埋深较大,地震剖面反射空白带特征更为明显,且空白带呈层状分布.H4位于排气烟囱的另一侧,其特征与H3相似但埋深相对较浅.
H6、H8与H2的高阻特征具横向连续性,地震剖面上存在强反射界面,且R3测点下方反射特征更加突出,推断此处高阻成因可能与岩性变化有关.从地震剖面上看,H5与H1具有相同的反射特征,但是H5对应的高阻体更厚,电阻率也相对较低,这表明该处的水合物储集性较差.
综上分析,认为在高阻异常体H1和H7处存在水合物的可能性较大.
5 结论通过本文研究,可以得到如下认识:
(1) 采用了高可靠性、低噪声电场传感器、低噪声斩波放大器和高精度时间同步等技术研制的海底可控源电磁接收机,能够实现海底可控源电磁场信号的高精度观测.
(2) 我国琼东南海域开展的海洋可控源电磁方法水合物调查测试与评估,获得了研究海域的首批可控源电磁数据资料.资料处理与反演结果揭示了海底电性异常的分布特征,为布置水合物钻探井位提供了有价值的电性资料.
(3) 本文从方法原理、仪器研发、海洋试验及资料处理等方面对天然气水合物可控源电磁探测进行了系统总结,累积了丰富的理论与实践经验,对我国开展同类研究具有一定的指导意义.
致谢感谢广州海洋地质调查局提供的试验平台及海洋六号全体工作人员在海试期间的积极配合.感谢审稿人对改善本文质量做出的努力.
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