用于消弱海洋瞬变电磁勘探中空气波响应的方法

摘要

一种用于测量水体底部下面的地层的电磁响应的方法，包括：在水体中放置至少一个电磁发射器（25）和至少一个电磁接收器（26A），其均处于水面下面的所选深度处。瞬变电流通过所述至少一个发射器。在所述至少一个电磁接收器（26A）处检测电磁信号。所述深度被选择成使得在检测的电磁信号中，来自水体上面的空气的对通过发射器的电流的基本所有电磁响应出现在源自于水底下面的地层中的响应开始之前。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从海洋电磁勘探数据中去除称作“空气波（airwave）”的不需要的响应的方法。

背景技术

多孔地下沉积岩层由于在沉积过程中已经沉淀在水体中，因此通常充满了流体。因此，流体最初全是水。在一些地下地层中，孔隙中的水已经在沉积后在一定程度上被诸如石油和天然气之类的碳水化合物所取代。因此，在一些现代地下地层中，其孔隙中的流体可以是水、天然气或石油，或它们的混合物。

对具有小于完全水饱和的孔隙的地层（即在石油或天然气存在于孔隙中时）的检测具有显著的经济利益。用于检测这类地层的一些技术包括确定地下中异常高电阻率的存在。这类检测的原理基于以下事实：电流通过多孔岩层的流动与孔隙相对于总岩石体积的体积分量、孔隙的空间构造、以及填充孔隙的流体的电学特性有关。因为盐水是一种相对良好的电导体，而碳水化合物通常是良好的电绝缘体，所以例如盐水饱和的多孔岩层通常比在一些孔隙或所有孔隙中具有碳水化合物的相同岩层的电阻小得多。

用于测量地下岩层的电阻率的各种技术是本领域已知的，例如瞬变可控源电磁勘探技术，如在国际专利申请公开号No. WO/03/023452中描述的，其内容通过引用被并入此文。这类技术通常包括将电磁场传播（impart）到地下中，以及测量响应于传播的电磁场而在地下中感应的电和/或磁场。对于这类测量技术，可以使用电场发射器来传播电磁场，所述电场发射器例如是配置成使电流通过偶极电极的装置。可替代地，可以使用磁场发射器，例如被配置成使电流通过线环（wire loop）或多个这类环的装置。用来检测响应电磁场的接收器可以是例如用来测量势差（电场电势）的偶极电极，或者可以是线环，多个线环或用来测量磁场幅值和/或磁场幅值的时间导数的磁力计。

在瞬变可控源电磁勘探中，通过发射器的用于传播电磁场的电流可被控制以提供电流幅值的一个或多个阶跃变化。发射器电流中的阶跃变化引起被称作“瞬变”电磁场的现象，并且由接收器测量的响应与地球地下中地层的瞬变响应相关。发射器电流中的阶跃变化可通过接通电流、切断电流、反转极性或前述的组合来得到。用来传播可控源电磁场的发射器电流切换配置的特别有利的形式是所称的“伪随机二进制序列”（PRBS）。

典型的海洋电磁勘探系统包括设置在勘探船或辅助船上的可控电流源。船牵引处于或接近水底的发射器电缆，以通过在发射器上设置的两个电极之间传送瞬变电流而将电磁场发射到水底下面的地层中。包括水和水底下面的地层的系统的电磁响应是由设置在水底或水底附近电缆上的接收器来测量的。接收器可以是这样的电极对，其配置成使得每个接收器测量其电极对之间的势差。所有的电极通常在同一垂直平面上。在一些勘探系统中，可以使用不同的船来牵引发射器和接收器，使得发射器-接收器间隔（“偏移”）能够被更容易地调节。如上文提及的WO 03/023452公开物中描述的，接收器中的信号以及由发射器发射的信号被测量。通过用测量的发射器信号去卷积测量的接收器信号，来获得对于特定发射器-接收器配置的地下的脉冲响应。

实际上，由发射器产生的电磁信号可沿3个一般传输路径到达（一个或多个）接收器，这些路径通过水底下面的地层，通过水层本身，并通过水层上的空气。在深水中，例如2千米或更深，其中发射器和接收器被设置在水底附近（这在已知的勘探技术中是典型的），通过空气传播的信号部分对由（一个或多个）接收器检测的信号的影响可忽略，其原因是随着来自发射器的电磁信号移动到水面并返回到水底上的（一个或多个）接收器，该电磁信号从瞬变电流事件的时间起随时间被大大削弱和延迟。相比较而言，在浅水中，例如100米或更浅，移动通过水的信号部分相对于总测量信号是相当大的。结果，认为浅水电磁勘探是不切实际的。

发明内容

根据本发明的一个方面，用于测量水体底部下面的地层的电磁响应的方法包括：在水体中放置至少一个电磁发射器和至少一个电磁接收器，其均处于水面下面的所选深度处。瞬变电流通过所述至少一个发射器。在所述至少一个电磁接收器处检测电磁信号。所述深度被选择成使得在检测的电磁信号中，来自水体上面的空气的对通过发射器的电流的基本所有电磁响应出现在源自于水底下面的地层中的响应开始之前。

通过下文的描述和所附权利要求，本发明的其它方面和优点将变得明显。

附图说明

图1示出海洋环境中的一个示例瞬变响应。

图2示出海洋环境中的另一个示例瞬变响应。

图3示出海洋瞬变响应的示例分解。

图4示出使用根据本发明的方法的海洋采集的例子。

具体实施方式

如在本文的背景技术部分说明的，在瞬变电磁勘探中，由发射器电流中的一个或多个阶跃变化产生的电场或磁场被传播到地球的地下，并且对传播的瞬变电磁场的响应被测量。该测量可以是感应电压、磁场或其组合。完全脉冲响应是通过针对测量的瞬变发射器电流对测量的瞬变响应去卷积得到的。

图1示出来自北海的实际海洋总脉冲响应的一个例子，其中水深约100米，并且源-接收器间隔2千米。在电流切换事件之后刚出现的初始幅值峰值2是空气波。在电流切换事件之后约0.25秒的第二个稍微更大的峰值4来自于地下响应。总响应是空气波和地下响应的总和。

图2示出来自北海的总脉冲响应的另一个例子，其中水深约100米，并且源-接收器间隔4千米。大约在0.1秒出现的初始峰值6是空气波。大约在0.9秒出现的第二较小的峰值8来自于地球脉冲响应。

又如在本文的背景技术部分说明的，在设计海洋电磁勘探时的一个特别考虑是水深。对于本领域已知的海洋电磁勘探技术，其中发射器和接收器通常被设置在水体底部附近，预期如果水深不够，则空气波将对接收器测量有重要影响。图3示出对由水层和水层下面的地层组成的浅水海洋环境计算的合成瞬变电磁响应。响应示于图3的图形中，该响应是来自1安培计（Ampere-meter）偶极矩发射器的电流的阶跃变化后测量的电压的时间导数。在图3中所示的模拟中，模拟的水层为100米深，并且电导率为3.3西门子/米（S/m）。模拟的发射器到接收器的偏移为2千米，并且模拟的地下地层由1欧姆-米电阻率（1 S/m电导率）的半空间来表示。示于18的总响应包括：由空气波引起的响应，该响应被分解成示于16的单独曲线；以及地下地层的响应，其被分解成示于20的单独曲线。可以观察到空气波开始于高幅值，短持续时间峰值，然后随时间衰减。不过，在地层响应开始时，空气波仍具有相当大的幅值。由于上述原因，空气波会大大影响水层下面的地层的明显响应。空气波因此会在检测之前污染（contaminate）已经穿过地层的已发射的电磁部分，该部分包含关于感兴趣的地下电阻率的信息。

本发明提供一种大大降低空气波在海洋电磁勘探数据中的影响的方法，因此增强了对来自水底下面的地层的感兴趣信号的检测。本发明基于以下观察：在相对较浅的水中，水层对空气波有显著影响。

图4示出可以根据本发明使用的示例海洋电磁勘探系统。该系统可以包括一个或多个勘探船，一个勘探船示于22，其在诸如湖或海洋之类的水体30中牵引电磁发射器电缆24。同一船22或不同船（未示出）可在水30中牵引电磁接收器电缆26。船22可包括本领域已知类型的用来启动发射器电缆24并检测和记录来自接收器电缆26上的一个或多个接收器26A的信号的设备（未单独示出）。接收器电缆26可终止于尾标28，尾标28上有多种导航和信号处理装置（未单独示出）。

发射器电缆24上的发射器可以是一对电极25。接收器电缆26上的一个或多个接收器可以是一对电极，每个这样的电极对示于26A、26B、26C。使用电极对来测量电场响应并不是对本发明范围的限制。其它系统可替代或附加地使用各种磁场装置，如测量对感应的电磁场的磁场响应的线圈或线环。

因为水（特别是海水）是电的导体，所以水与电极25和电极26A、26B、26C的接触提供从此处到水底下面的地层32的电耦合。发射器信号可以仅根据施加到发射器电极25两端的电流中的阶跃变化，但也可以是任何瞬变切换信号，包括例如伪随机二进制序列。接收器26A、26B、26C可以测量势差，或者例如由发射器信号模拟的磁场的变化率。所记录的来自接收器26A、26B、26C的响应可以下载到通用可编程计算机的硬盘或其它存储介质。

为了方便在去卷积信号中将空气波响应与地层响应分离，在本发明中，发射器和接收器可被布置于水中表示为w或更小的所选择的深度水平处，w通常是几米。不要求发射器和接收器处于相同深度，但要求w不能太大。当发射器和接收器被设置在水面下的该深度时，空气波大约等于空气和水的系统对深度w的响应，并且地下响应是在选择的深度w下面该系统的响应。选择w值，使得对于超过几百米的发射器-接收器偏移，空气波脉冲响应可容易地从深度w下面的水层30和地下地层32的总脉冲响应中分离出来。

为了确保空气波响应可以从地层/水层响应中分离出来，选择的深度w应足够小，使得基本所有的空气波脉冲响应在地层脉冲响应开始之前到达接收器，并且因而在时间上足够隔开，以便容易地从地层响应中去除。发射器和接收器的深度越浅，前面的近似越接近地表示实际系统响应，并且空气波变得更尖锐，且更可分离。通过将发射器和（一个或多个）接收器设置在海面或靠近海面，可以获得具有此类特性的电磁勘探信号。在去除空气波之后，接收器响应的剩余部分包括对水底下面的地层的响应，且它还包括对发射器和接收器下的水层的响应，其具有可容易地确定的电阻率和深度。水底下面的地层中电阻率的变化可由传统的电磁反演方法确定，但在计算中包括已知水层。

尽管已经相对于有限的几个实施例描述了本发明，但本领域技术人员受益于本公开，会认识到可设计出不偏离如本文公开的本发明范围的其它实施例。因此，本发明的范围应该只由所附权利要求限制。