海洋油气资源地球物理勘探方法概述

海洋油气资源地球物理勘探方法概述
柴祎;曾宪军
【摘要】在海洋油气资源的勘探中,传统而单一的物探方法在面对越来越复杂的勘探对象时显得越来越力不从心.随着海洋油气资源勘探程度的加深,各种海洋油气资源勘探方法应运而生.本文详细介绍了海上油气资源地球物理勘探的各种技术和方法,并分析比较了各自的优缺点.
【期刊名称】《气象水文海洋仪器》
【年(卷),期】2014(031)003
【总页数】5页(P112-116)
【关键词】海洋地球物理勘探;地震勘探;海洋电磁勘探
【作者】柴祎;曾宪军
【作者单位】广州海洋地质调查局,广州510760;广州海洋地质调查局,广州510760
【正文语种】中文
【中图分类】P738.3
地球物理勘探是指通过观测地球物理场的时空分布规律，来探测地下岩层不同物理参数的差异，进而寻找地下能源矿产的方法。

现在采用的方法主要有地震勘探、电磁勘探、放射性勘探等。

本文主要概述了用于海洋油气勘探的海洋地震勘探和海洋电磁勘探，并在总结归纳的基础上比较了各自的优缺点。

地震勘探是利用岩层之间弹性参数差异，利用检波器接受经地下岩层反射或者折射
回来的地震波来研究地下岩层构造与岩性的方法，是当前应用的最广泛的勘探方法。

海上地震勘探的发展分为两个阶段[1]。

第一个阶段为上世纪30年代初至50年代末。

一开始只是把陆地地震勘探的方法设备简单地应用到海上地震勘探；到了40
年代，得益于海上无线电技术的发展和压电式检波器的应用，施工开始摆脱陆上方法，作业海域可以离岸相对远，但是所使用的还是炸药震源，另外观测系统也不太准；50年代开始海上地震勘探形成了一套连续作业的方法，但是排列依然较短，
效率依然较低，不过在此期间，开始使用电火花作为震源勘探浅层岩层。

第二阶段从60年代到现在。

从60年代开始，海上地震勘探发展异常迅速，海上地震勘探
技术和勘探装备发生了深刻的变化。

这一阶段的发展主要有以下特征：首先非炸药震源开始在海上应用，并且气枪震源和气爆很快占主导地位；其次计算机开始广泛应用于海上地震勘探，计算机改变了导航定位的方式，不再由导航员进行人工计算，而直接由计算机控制船的航速和方位进入测线，精准激发震源，并实施采集作业，而后不久，随着GPS开始应用，导航系统更加精准，而且没有地域限制；再次是
电缆、检波器等勘探装备性能得到了极大提高，勘探施工方法向三维和多次覆盖以及多波勘探发展，勘探对象也从简单构造勘探走向储集层的岩性勘探。

地震勘探总体上可以划分为：二维地震勘探、三维地震勘探、广角地震勘探、以及多波地震勘探等几方面。

根据不同的作业方式划分为：单船拖缆地震、双船拖缆地震、深拖拽多道地震(DTAGS)、海底地震仪(OBS)、海底地震检波器(OBH)、海底地震电缆(OBC)等类别。

海上拖缆地震勘探包含二维地震勘探和三维地震勘探。

常见的作业方式有二维单缆和三维多缆、双船以及上下双缆地震勘探。

相对于陆上地震勘探而言，海上地震勘探具有以下特点：使用气枪震源而不是炸药；由于海流影响，电缆往往与测线有一定的夹角即羽角；需要精确的导航定位系统；有特殊的干扰波，如海底鸣震引起的海底多次波等。

(1) 二维地震
海上二维地震勘探是指沿着一条测线采集资料，从而得到这一条测线之下的地震反射点。

采集的资料分为常规资料和高分辨率资料。

常规二维地震调查以中深层油气调查为主要目的,震源的几何尺寸较大,所形成的子波以低频成分居多，穿透能力强，可以穿透中深层地层，一般频带宽度较窄，在20～60 Hz 之间。

高分辨二维地震
调查以浅层油气调查为主要目的，选用的震源几何尺寸较小，一般选用点震源。

这种震源形成的子波高频成分居多，主频在50～80 Hz 之间。

子波在穿透地层过程
中衰减很大，但是浅层的反射成像清晰。

总的来说二维地震只是适用于普查阶段，探明精细构造还必须采用三维地震[2]。

(2) 三维地震
海上三维地震勘探与海上二维地震勘探最大的区别在于它侧重面元的覆盖，就是测线与测线之间( 线距) 需要全覆盖，以面元为单位，整个工区达到满覆盖要求。

对
电缆的要求也很高，一般都是多源多缆作业。

三维地震又可以分为常规三维地震和高分辨率三维地震。

常规三维地震调查主要指目前油气勘探中所用的多源、多缆三维地震调查，以中深层油气调查为主要目的，相对于浅层高分辨率地震调查而言,
震源的几何尺寸较大( 一般为2～4 排气枪子阵组成)，调查的频带宽度较窄，主频较低。

在天然气水合物调查中，准三维地震调查主要指单源、单缆三维地震调查[3]。

(3) 双船地震勘探
双船地震勘探作为获取野外高质量地震数据的一种重要方法,愈来愈受到人们的关注。

双船地震勘探是利用折射、广角反射和高速层中的转换波对高速屏蔽层之下的低速层成像来采集常规地震难以成像的差记录和无记录区的地震数据。

我们通过分析可以设计合理的观测系统,进而有针对性地选择目的层进行勘探。

双船地震方法最初应用于探测地壳-上地幔结构。

双船地震方法能够采用两种观测
系统，相应可得到两种剖面。

两船在同一测线上以相同的(设计)航速按同一方向航行，可得到合成排列剖面(SAP)；两船在测线中心点背向而行或从测线两端相向而行，可得到扩展排列剖面(ESP)。

ESP主要用来测量地壳-上地幔的速度-深度函数，SAP则用于观测穿过地壳-上地幔的深地震反射剖面。

随着技术的进步，国外已发展了多船地震勘探技术，应用于深水油气田的3D/4D，如法国CGG公司开发的seal 428海上地震数据采集系统。

(4) 上下双缆地震勘探
上世纪80年代中期，Sonneland 和Berg为消除鬼波提出了上下双缆采集技术。

上下双缆地震勘探通过两条不同沉放深度的电缆接受反射或者折射的地震波。

电缆沉放越深，采集所受到的环境噪音影响就越小，但是采集的资料会损失一部分高频成分；反之，电缆沉放越浅，则受环境影响更大，采集到的低频成分会减少[4]。

上下双缆地震勘探采集到的数据经过合并处理之后，可以兼顾高频和低频成分，提高信噪比，改善分辨率。

近年来这种技术在国内外都得到了成功应用。

2005年，Western Pride 为Chevron完成了3 500 km大范围的二维上下双源双缆地震调查，调查在北大西
洋的法罗群岛东部(属丹麦)、设得兰群岛西部(英国苏格兰东北部一郡)进行，调查
成功地获得了玄武岩层以下的成像。

2006年以后，随着技术的持续发展，上下双源双缆技术被扩展到了三维地震勘探领域。

(5) 上下震源地震勘探
国内外研究表明，要提高中深层反射质量，需增强震源低频发射能量，尽量拓宽激发子波的绝对频宽。

在震源的选择上，需要利用较大容量、震源低频丰富、频带宽的震源阵列来激发信号，以利于深层信号的信噪比提高。

气枪沉放深度较浅时，激发的子波其频带宽，高频端能量丰富；沉放深度较深时，激发的子波其频带窄，但低频端能量丰富。

利用该特点，海洋物探公司采用“双震
源”，主要提供高频信号的震源，沉放深度较浅；而主要提供低频信号的震源，沉放深度较深。

其实这和上文提及的上下双缆技术有异曲同工之妙。

以上海上拖缆地震施工方法方便高效且能够大范围的部署采集，能够满足区域普查构造和详查简单构造勘探的需要。

但是，海上拖缆地震作业往往电缆位置定位不精确、存在多次波、而且地震波不能穿透海底碳酸盐岩等高阻岩层，得到的地震数据也是窄方位角数据。

而海底电缆地震技术由于直接把电缆放置在海底，反射波和折射波经过地层反射之后可以直接被检波器接受，避免了海底鸣震，可以消除电缆鬼波影响，能够方便地实施宽方位、多方位、全方位的地震数据采集[5]。

(6) 海底电缆地震勘探
一般需要震源船、仪器船和铺缆船一起协同作业。

首先利用铺缆船把电缆放置于海底，然后利用震源船在纵横方向上航行放炮，仪器船将海底检波器接收的地震反射信息记录下来形成地震反射波场数据体图，因而数据采集时电缆检波点的位置准确。

海上拖缆地震勘探由于震源和电缆排列的位置局限，所得到的数据始终是窄方位角数据。

而海底电缆勘探有可变的观测系统和不限制的炮检距，因而可以采集到宽方位、多方位甚至全方位数据。

虽然海底电缆铺设较为复杂，其应用范围仅局限于障碍物较多的浅水海域，但是由于它所采集的数据具有较高的带宽和信噪比，而且施工窗口相对较大，所以许多油公司和物探服务公司仍然愿意购买或者研发这项技术。

(7) 海底地震仪
海底地震仪(OBS)是把检波器直接放置于海底的一种广角多波地震勘探方法，能够接受纵、横波以及转换波信息。

在海洋地球物理调查和研究中，可利用OBS监测天然地震,用于研究海底洋壳和地幔的速度结构以及海槽演化动力等；也可利用海
洋人工震源及OBS 探测海底地质构造、天然气水合物和游离气、海底油气资源、调查地下岩层岩性、确定海底的弹性参数、粘弹性参数和各向异性参数等等。

海底地震仪由耐压外壳、电池、检波器、存储介质、通讯单元和回收系统组成。

海底地震仪有专门的甲板释放装置和专门的抓底装置，数据采集完成后通过声学释放器发送指令与抓底装置分离，自动浮上海面。

OBS对天然气水合物的储层具有所测得的参数不易受干扰、携带信息丰富等特点，因而能够大大促进天然气水合物的研究。

我国近年来主要利用OBS联合多道地震勘探天然气水合物。

(8) 深拖曳多道(DATGS)地震勘探
DATGS(deep-towed acoustics and geophysics system)是美国海军研究实验室于上世纪80年代为了探测深海浅层的沉积物构造和和声学属性而设计的。

与传统海上拖拽地震勘探相比DATGS具有以下特点：
a.所用震源不同于气枪和炸药等震源，而是可控的赫姆霍茨共振器,其发射高频地
震波波长小于6 m，有利于提高资料的垂向分辨率；
b.深拖检波器与反射界面的距离更短，有利于提高地震资料的横向分辨率；
c.整套系统被控制在离海底300 m左右，排列长度可以满足能够得到40°左右的
反射数据，从而可以用于海底沉积的速度结构和AVO (amplitude versus offset)地震属性分析，因此也被实验性的应用于海洋天然气水合物的勘探中，一定程度上也促进了天然气水合物的研究进展[6]。

海洋电磁勘探方法研究始于上世纪70年代，主要侧重于海洋电磁勘探方法研究。

到了上世纪80年代，开始进入浅水区域进行试验，由于设备仪器的问题及技术的原因，试验失败。

直到20世纪90年代海洋电磁科研联盟成立，这一机构的成立
加快了海洋电磁勘探的研究进展。

该科研联盟在仪器开发制造、处理解释技术和实际应用技术方面取得了多项标志性进步，解决了深水电磁探测技术难题，使海洋电磁法勘探技术逐步从科研走向实际应用阶段[7，8]。

海洋电磁方法可以分为天然场源(Marine MT—海洋大地电磁法)和人工场源
(Marine CSEM—海洋可控源电磁法)两类，在油气直接检测中发挥关键作用而进入勘探阶段的是后者。

长期以来，海洋可控源电磁勘探只是作为早期构造勘探中无关紧要的方法。

然而，近年来越来越多的油公司在地震勘探之后，落实井位之前进行一次海洋电磁勘探。

同时越来越多的实例也展示了这项技术在降低勘探和开发计划风险中的作用，可见海洋可控源电磁勘探越来越受到重视，同时也成为了相关机构的研究热点。

目前国际上CSEM 的主要研究团队为Scripps 海洋研究所、多伦多大学、剑桥大学、南安普敦大学以及ExxonMobil，Statoil，ENI 等公司，资料采集和处理主要提供商有EMGS，OHM(Offshore Hydrocarbon Mapping) 以及斯伦贝谢的AGO 公司。

最近几十年，CESM一直被用于石油部门寻找深海烃类能源，直到最近几年开始应用于天然气水合物的勘探。

国内研究起步较晚，20世纪90年代末开始研究采用海洋时间域可控源电磁法调查浅海底电导率[9],近几年我国开始重视海洋可控电磁源法在勘探天然气水合物的作用并取得了一定的成果。

CSEM测量分为频率域和时间域2种，在海上一般是频率域的，按照施工方式则分为浅海拖拽施工和深海固定施工两种方法。

CSEM 探测烃的机理比较简单。

由于水饱和泥岩和砂岩间的导电率差别不大，而烃储层的电阻率显著增加，因此，烃储层与周围的水饱和沉积物间会有较高的电阻率差异。

CSEM探测天然气水合物的工作方式是：用船拖着一个沉放海底之上100 m 能产生交变电磁场的发射器，在发射器后面通过100～200 m 长的双极天线发射接收交变电磁场信号，工作同时在海底沿测量剖面放置数个大地电磁记录仪以记录大地电磁日变资料。

其探测深度可达3 000 m, 完全可以满足海域天然气水合物的调查需要。

CESM施工受海流和海底地形的影响较大，施工之前要避开这些因素的影响，以提高采集效率。

另外，关键的技术都掌握在少数的技术服务公司手中，设备昂贵。

我国海域面积辽阔，海洋油气资源丰富，随着海洋油气资源勘探程度的加深，勘探
对象也会越来越复杂。

面向简单构造的传统物探方法或者说单一手段在面对岩性油气藏时显得越来越力不从心。

鉴于此，在野外施工方面不仅要考虑地质效果，还要考虑到技术水平、生产效率、工作难度等等许多因素。

同时在物探理论方面要与国际同行交流，加强方法技术的理论创新；在物探装备方面也要多加研究，使我国的物探技术装备更上一层楼。

【相关文献】
[1] 谢剑鸣.海上地震勘探的发展[J].石油地球物理勘探，1984(3)：193-199.
[2] 赵庆献，罗文造，李龙振.对海上高分辨率二维地震作业的认识[J].海洋技术，2002(1)：37-41.
[3] 曾宪军，伍忠良，郝小柱.海洋地质调查方法与设备综述[J].气象水文海洋仪器，2009,26(1)：111-117.
[4] 王聪，韦成龙.国内外中深层海洋地震勘探技术概述[J].气象水文海洋仪器，2012，29(2)：106-110.
[5] 王守君.海底电缆地震技术优势及在中国近海的应用效果[J].中国海上油气，2012(2)：9-12.
[6] 孔繁达，何涛.深拖曳多道地震系统阵列几何形态的高精度反演[J].北京大学学报(自然科学版)，2012(1)：71-78.
[7] CONSTABLE S, ORANGE A ,HOVERSTEN G M,et al.Marine magnetotellurics for petroleum exploration part I：A sea floor instrument system[J].Geophysics,1998,63(3)：816-825.
[8] 何展翔，余刚.海洋电磁勘探技术及新进展[J].勘探地球物理进展，2008(1)：2-9.
[9] 刘长胜，周逢道，林君.海洋可控源电磁法对油气探测能力的仿真分析[J].电波科学学报，2012(4)：747-753.。