引用本文
汪海峰, 邓明, 陈凯, 葛双超. 海底电磁接收机陆地测试方法[J]. 物探与化探, 2016,40(5): 935-940.
WANG Hai-Feng, DENG Ming, CHEN Kai, GE Shuang-Chao. Sea bottom electromagnetic receiver comparison test on land[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(5): 935-940.
Doi:10.11720/wtyht.2016.5.15  
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海底电磁接收机陆地测试方法
汪海峰1,2, 邓明1,2, 陈凯1,2, 葛双超1,2
1.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083
2.地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京 100083
通讯作者: 邓明(1956-),男,教授,博士生导师,长期从事地球物理仪器的研发工作。E-mail:dengming@cugb.edu.cn

作者简介: 汪海峰(1981-),男,四川达州人,在读博士研究生,中国地质大学(北京)地球探测与信息技术专业,主要研究方向:电磁法仪器研发。E-mail: wanghaifengcugb@163.com

收稿日期: 2016-04-10
基金: 国家“127”专项课题(GZH201100307); 国家自然基金委重点项目(61531001); 国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题(2012AA09A201, 2014AA06A603)
摘要

海洋可控源电磁法已成为海底油气资源勘查中重要的地球物理方法之一,海底接收机作为重要的海上装备,其性能对勘探效果具有决定作用,因此有必要对接收机的各项性能进行详细摸底。新研制的接收机在进行海上作业之前,需要先进行一系列对比测试,以检验其应用效果和可靠性。由于海上对比测试工作成本高、难度大,故设计了一套陆地条件下的对比测试方案,借助现有陆地MT观测系统对新研制的海底电磁接收机进行对比测试,主要完成了仪器通道间一致性、仪器间的一致性以及测量结果重复性三项测试工作。对测试数据进行了分析处理,获得的结果可以为海底电磁接收机的性能评价提供依据。

关键词: 海洋可控源电磁; 海底电磁接收机; 性能测试; 一致性评估; 观测装置
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)05-0935-06 doi: 10.11720/wtyht.2016.5.15
Sea bottom electromagnetic receiver comparison test on land
WANG Hai-Feng1,2, DENG Ming1,2, CHEN Kai1,2, GE Shuang-Chao1,2
School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. Key Laboratory of Geo-detection, Ministry of Education, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract

Marine controlled-source electromagnetic (MCSEM) method is an important geophysical tool in ocean oil and gas resource exploration. As a key device of MCSEM observing system, the ocean bottom electromagnetic (OBEM) receiver is decisive in marine observation. As for a newly developed OBEM receiver, comparison test is necessary to evaluate its performance before it is used to conduct data acquisition in sea. Because of the high cost and difficulties of ocean tests, an alternative field comparison test is designed in this paper. A series of tests including channel consistency, instrument consistency and measuring result repeatability were carried out with existing MT observing system providing comparing results. The results obtained by testing data analysis can provide a basis for performance evaluation of OBEM receivers.

Keyword: marine controlled-source electromagnetic; sea bottom electromagnetic receiver; performance test; consistency evaluation; observation device

海洋可控源电磁(MCSEM)法是一种相对较新的海洋地球物理勘探方法[1], 该方法利用人工建立的时变电磁场源作为激励信号来探测海底以下介质的电性结构[2]。MCSEM法能够通过分析电阻率的差异来识别含有油气和含盐流体的构造区域, 在海洋油气资源勘探领域获得了广泛应用[3, 4, 5]。

MT方法借助天然场源对海底以下介质进行探测, 受良导海水对MT场源的衰减作用影响, 高频段信号缺失导致浅部探测效果不佳。海洋可控源电磁起源于海底MT方法, 通过向海底激励人工场源信号, 弥补了高频缺失, 提高了浅部分辨率。在海底油气及水合物勘探需求驱动下, 大量商业资金的投入促进了MCSEM方法理论及硬件装备的快速发展[6]。MCSEM勘探服务在挪威的EMGS(Electromagnetic Geoservices)、英国的OHM (Offshore Hydrocarbon Mapping)以及美国的AOA(AOA Geophysics)等几家公司的推动下, 取得了长足的进展。

我国对于海洋电磁法的研究工作起步较晚, 开始于20世纪90年代末。中国地质大学(北京)近年来一直致力于海洋电磁法相关的方法理论、硬件装备、资料处理、反演解释研究[7, 8]。在国家“ 863” 计划项目支持下, 持续对海底电磁接收机(ocean bottom electromagnetic, OBEM)进行更新。接收机采集电路原理与陆地大地电磁采集系统相似[9, 10], 但同时在噪声、功耗、时漂、稳定可靠性等方面要求更高。

新仪器在研制过程中要进行大量的实验工作, 来检验仪器的性能。目前, 国际领先的MCSEM观测系统的价格昂贵, 使得海上对比观测实验成本过高, 另外, 由于海上作业的特殊性, 海试成本高, 因此, 在接收机进行海上观测实验之前, 有必要先在陆地上测试其与常规陆地大地电磁测深仪器的一致性, 测试多台接收机之间的一致性与重复性。

此次依托加拿大凤凰公司生产的专业大地电磁观测仪MTU5, 对新研制的5台海底电磁接收机的采集电路展开了陆地MT模式下的对比试验, 主要针对海底电磁接收机的一致性及重复性进行了对比测试。文中详细介绍了海洋电磁接收机的陆地测试方法以及观测数据处理方法, 并对测试结果进行了分析和讨论。

1 实验方案

针对新研制的海底电磁接收机, 基于陆地野外环境进行MT资料采集测试, 一方面评估新研制的海底电磁接收机仪器间的一致性, 另一方面评估接收机核心电路部分与MTU5在同点测试结果的一致性, 为仪器基本性能水平评估提供判断依据。主要测试内容包括:仪器通道一致性、仪器之间的一致性、仪器测试结果的重复性以及海底电磁接收机与MTU5在MT模式下的一致性。野外测试工作遵照MT野外施工规范进行, 电极采用常规PbCl2不极化电极, 选择人文干扰较低的地区开展测试工作。

在测试实验开始之前, 在工区现场对5台接收机的采集电路及配备的10支磁传感器进行了标定工作。磁传感器的标定结果(图1)显示其幅值及相位频率响应一致性较好, 通频带转换系数为300 mV/nT, 转角频率为0.3 Hz。采集电路标定结果见图2。图中给出了5台接收机在15、150、2 400 Hz三组采样率下的频率响应, 对幅值进行了归一化处理, 电场通道增益为500, 磁场通道增益为1。

图1 磁传感器幅值(上)及相位频率响应(下)标定结果

图2 采集电路幅值(上)及相位(下)标定结果

2 一致性测试

标定工作完成后, 对测试设备进行了一致性测试, 包括仪器通道间一致性测试和仪器间的一致性测试。仪器通道间一致性测试主要针对5台待测海底电磁接收机的20个数据采集通道(单台接收机包括2个电场通道和2个磁场通道)的一致性进行检验, 以评价不同接收机的所有电场通道以及所有磁场通道之间的差异。不同仪器之间的一致性测试主要借助MTU5作为参考, 评估5台待测接收机之间的一致性, 以及与MTU5测量结果的一致性。

2.1 通道一致性测试

按照图3所示将5台待测接收机平行布置在同一点位, 然后将单一方向的电极对并联接入各接收机的Ex和Ey道, 将对应10支磁传感器平行接入接收机的Hx和Hy通道, 各台接收机同步观测约5 h。

图3 仪器通道一致性测试示意

图4给出了5台接收机的Ex分量时序波形, 显示5通道之间具有较好的一致性。

图4 5台待测海底接收机观测的MT信号时域波形

为进一步获取通道的一致性结果, 借助SSMT2000软件进行了通道的平行噪声处理, 计算各通道观测信号的功率谱密度(power spectral density, PSD), 以及同一仪器不同通道的相干系数和不同仪器间对应通道的相干系数, 将数据结果进行对比可以评价多台接收机的通道一致性。图5给出了编号为GF、GG的接收机的4个电场通道和4个磁场通道的一致性计算结果, 其中:Ex1和Ey1为接收机GF的电场通道, Ex2和Ey2为接收机GG的电场通道, Hx1和Hy1为接收机GF的磁场通道, Hx2和Hy2为接收机GG的磁场通道。

图5 2台接收机的电场、磁场通道一致性对比测试结果
a— 电场通道信号的PSD及其差值; b— 磁场通道信号的PSD及其差值; c— 电场通道信号的相干系数和振幅比; d— 电场通道信号的相干系数和振幅比

对5台接收机所有通道一致性测试结果进行了统计分析, 计算了各通道均方差σ k。计算公式为:

其中, n为频点个数, Aki为通道k在第i个频点处的PSD计算值, A̅i为所有通道在第i个频点处的PSD均值。计算结果见表1。

表1 通道一致性测试结果均方差 × 100%

通道一致性测试结果表明, 所有电场通道一致性均方差范围在0.127%~0.515%, 而此次通道的一致性均方差范围为2.921%~10.056%。电场通道全频段信噪比基本控制在40 dB附近, 比率及相干系数都位于0.95~1.00之间; 磁场通道在0.1~1 Hz附近频段相干性较低, 不同通道的频率响应在1 Hz附近频段存在较大差异, 通道相干系数降低 , 在0.6~0.8之间, 这是由于该频段附近的MT磁场信号较为微弱, 导致信噪比降低造成的。

2.2 仪器一致性测试

仪器一致性测试的目的是测试待测海底电磁接收机采集电路观测结果的准确性。测试过程中, 将待测接收机和MTU5按照相同方式布设在同一测点同步进行数据采集, 具体布站方式见图6。对各台仪器获得的时间序列借助SSMT2000软件进行数据处理, 得到卡尼亚电阻率(ρ a)和相位(φ )(图7)。

图6 仪器一致性测试布置示意

图7 仪器一致性测试结果对比(“ · ” 和“ * ” 分别代表xy和yx模式的测量结果)

对各待测接收机的卡尼亚视电阻率测量结果与MTU5测量结果之间的一致性进行了均方差分析, 计算公式为:

其中:ρ ki和ϕ ki分别代表接收机k在第i个频点的阻抗振幅和相位, ρ V5i和ϕ V5i为MTU5在该频点的振幅和相位测量值。由于相位值的变化范围为± 180° (或π ), 所以计算相位方差时分母为180° (或π )。

仪器间一致性测量结果方差统计见表2。对比结果表明, 5台接收机与MTU5之间的一致性测试结果的均方差范围为:1.430%~7.731%。与其他接收机相比, GH接收机与MTU5之间的一致性测量结果均方差稍大, 该接收机测量的卡尼亚视电阻率曲线与其他仪器的测量结果曲线存在较明显的差异, 主要体现在GH接收机在0.1 Hz频点处存在跳点。

表2 仪器间一致性测量结果方差分析 %
3 重复性测试

重复性测试指在相同条件下用待测系统对同一测点进行重复测量, 分析测量结果的可重复性。这项测试是衡量接收机性能可靠性的重要依据。进行重复性测试时, 要求实验条件尽量保持不变, 包括测量方法、操作人员以及周围环境等[11]。因为野外环境存在诸多不确定性因素, 为了尽可能减小重复性实验过程中的误差, 必须在尽量短的时间内完成重复性测量工作。

按照上述要求, 将6台仪器以同样的布设方式架设在同一点位, 并连续进行了2个整晚的观测, 获得了卡尼亚视电阻率和相位曲线对比结果(图8)。

图8 5台OBEM与MTV5的重复性对比测试结果

与低频数据相比, OBEM和MTU5两条重复性测试结果曲线在高频段均存在一定的误差, 这可能是由于环境变化、外界异常干扰等原因造成的。对比OBEM和MTU5的重复性测试结果可知, 二者的重复性水平相当。

按照公式

计算了各台接收机的重复性测试均方差, 式中:ρ 1i和ρ 2i代表接收机在第i个频点的2次卡尼亚视电阻率测量值, ϕ 1i和ϕ 2i为对应的2次相位测量值。

6台接收机的重复性测试均方差统计见表3。

表3 接收机重复性测试方差统计%

观测结果重复性测试结果表明, 6台仪器在xy模式下的观测结果重复性优于yx模式。6台仪器的xy模式的重复性测试结果的均分差范围为:1.163%~4.404%; 而yx模式下的重复性测试视电阻率均方差均> 7%, 相位均方差> 3%。图8表明其误差来源主要集中在3 ~0.1 Hz频带内。

4 结论与讨论

海洋可控源电磁方法是近年来的研究热点, 海底电磁接收机在研制过程中需要不断地测试和改进。由于海上作业成本过高, 所以接收机在开展海试工作之前, 有必要通过陆地对比实验来验证其性能和应用效果。

此次对5台新研制的海底电磁接收机和凤凰公司的MTU5大地电磁仪进行了陆地对比观测实验, 主要对接收机的一致性和测量结果可重复性进行了测试, 并对测试结果进行了对比分析, 为新海底电磁接收机的性能评价提供了量化依据。

本研究提出了电磁法观测装置的陆地对比测试实验方案和实验结果分析方法, 可以实现对海洋电磁接收机的性能测试和评估, 另外本文的研究内容同样适用于陆用MT观测系统的性能测试和分析。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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