一种深水双船拖曳式电磁勘探系统的制作方法

技术领域

本发明涉及海底介质电性结构探测领域，尤其涉及一种深水双船拖曳式电磁勘探系统。

背景技术：

在自然界中，把具有一定储集空间并能使储集在其中的流体在一定压差下流动的岩石称为储集岩。由储集岩所构成的地层称为储集层，简称储层。储集层中可以阻止油气向前继续运移、并在其中贮存聚集起来的一种场所，称为圈闭或储油气圈闭。

海洋电磁法是通过在海上或海底测量人工发射或天然发生的电磁场分布规律，探测海底以下的地质结构，或用于海洋学研究的地球物理方法。包括海底可控源电磁法、海底大地电磁测深、海洋直流电阻率法等。

海洋电磁法是海底油气资源探测的关键技术之一，是目前国际地球电磁界研究的前沿和热点，近年来，海洋电磁技术在国际上发展很快，在海底油气资源探测中取得了明显的应用效果。比如说在海底打三个井眼，原来可能只有一个井眼有油气，另外两个为干井，拥有这个技术之后，通过探测可能避免对两口干井进行钻探，这样就有可能节省数以亿计的资金。海洋油气资源日渐重要，现在每个海洋油气钻井试验的投资少则亿元，多则数十亿，一旦勘探失误浪费的成本巨大。掌握海洋电磁法之后，有可能将海洋油气勘探成功率提高一倍。

海底可控源电磁法（Marine CSEM，MCSEM）是在海底采用可控制的人工场源发射电磁信号，并在远离场源的地方测量相互正交的电场和磁场，计算出视电阻率，以探测海底以下介质电性分布的方法。

海底可控源电磁法在深水油气勘探领域的理论基础在于储层与周围介质的电性差异。作为海底油气的主流勘探手段——地震方法面临在碳酸盐、火成岩等区域地震波发射不明显，对圈闭内部难以判断是油是水等诸多难题。而MCSEM给出目标电阻率参数提高了目标分辨率，降低了钻孔干井率，促使该方法近些年快速发展。

2000年以来，MCSEM通过大功率人工激励源弥补天然场源方法在浅部的缺失，成功应用于海底浅部的水合物和深水油气调查，具有代表性的国外主要研究机构有美国SIO、挪威EMGS、英国南安普敦大学，但是该方法受限于接收机数量，存在作业效率低、横向分辨率低的不足。

同一时期在加拿大多伦多大学推出了海底TDEM方法，该方法的主要研究机构有加拿大多伦多大学、德国BGR、德国GEOMAR。该方法借助电偶装置进行时间域EM方法技术研究，在Cascadia海域第一次将电磁方法应用于水合物调查，该方法收发一体、拖曳走航、作业效率高，但是纵向分辨率低、探测深度浅，难以满足深水油气勘探需求。

近几年来，英国爱丁堡大学推出了MTEM方法，类似于海上地震拖缆技术，在发射源后面紧跟一条多通道电场接收缆，多次覆盖，并对大功率电性源进行编码发射，该方法的优势在于海上作业效率高、分辨率高，后续在挪威PGS公司的推动下，在巴伦支海进行了大量的三维电磁&地震勘探作业，由于大功率发射源沉入水面较浅，在深水区作业时受到一定限制。

SIO在其最新的一次勘探任务中，观测方法类似于PGS拖缆方案，在其发射拖体尾部链接了几个三轴电场接收机，旨在克服MCSEM方法横向分辨率低、作业效率低的不足。

国内方面，中国地质大学（北京）自上世纪90年代末期在863计划支持下联合国内中南大学、吉林大学、广州海洋地质调查局进行国内首次海底MT方法研究，研制了首台海底MT接收机，进行了首次海上MT试验；而后中国地质大学（北京）首次开展海洋CSEM的方法技术研究，研制了国内首台海洋CSEM发射机、首台拖曳式电场接收机，进行了首次海洋CSEM试验。截止目前，中国地质大学（北京）在中国地质调查局及863计划的联合资助下，形成了面向水合物调查及深水油气勘探的海上作业方法、硬件装备（4台发射机、30台套接收机）、数据处理、反演解释海洋CSEM勘探系统，累计完成约60站位、150km测线作业任务，已经形成了水合物海上调查生产力。

综上所述，目前海洋电磁法在深水油气勘探的发展方向仍是高作业效率、大探测深度、高分辨率。与频率域海洋可控源电磁法相比，时间域海洋电磁可有效压制空气波的影响，具有较大的发展潜力。

目前国际同行现有的方法技术仍存在不足，因此有必要提出创新的方法技术。

技术实现要素：

为了克服现有海洋电磁法在深水油气勘探方面的不足, 本发明提供一种深水双船拖曳式电磁勘探系统，它将大功率发射机置于近海底拖曳的同时，增配若干拖曳多分量电磁采集站，发射接收由两条船各自执行，发射源与观测点的距离、方位在平面上可以任意变化，时间域频率域混合发射接收，在海上作业效率、探测深度、横向分辨率方面均得以改善。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种深水双船拖曳式电磁勘探系统，所述系统包括发射作业船和接收作业船，两只作业船的距离、方位在海平面上可以任意变化；发射作业船通过深拖缆连接发射机，所述发射机连接有发射天线和尾标；发射作业船设置有甲板发射监控端、通过深拖缆及通讯电路和发射机通讯、向发射机提供电源、供电，对发射机进行控制、状态显示，拖曳发射机按照预定的路线行进；接收作业船通过深拖缆串连多台采集站，多台采集站之间通过等浮缆连接，最后一台采集站连接有尾标；接收作业船设置有甲板接收监控端、通过深拖缆、等浮缆及通讯电路和各采集站通讯、向各采集站提供电源、向各采集站供电，对各采集站进行控制、状态显示，拖曳各采集站按照预定的路线行进；深拖缆和等浮缆实现电力输送及作业船甲板端与水下设备通信；采集站完成多分量信号采集、存储、数据及指令传输功能；尾标实现整个水下设备的流体稳定性以及水下定位。

每台采集站均设置有拖体，所述拖体为承载平台；拖体上集成采集舱、电极组、磁通门传感器、高度计、定位信标、多个浮体和等浮缆；采集舱内设置有控制电路，所述控制电路分别和电极组、磁通门传感器、高度计和等浮缆电连接，实现各传感器信号的高精度采集、存储、传输；所述电极组由6支电极组成三轴正交电极对、实现三分量Ex、Ey、Ez电场测量；磁通门传感器完成三轴正交Ex、Ey、Ez三分量磁场测量；高度计用于获取拖体离底高度数据；定位信标实现拖体的水下定位，可获取拖体精确位置；浮体为采集站提供浮力，使得采集站浮力为中性；等浮缆将多台采集站链接，实现多台采集站之间的牵引、供电和通讯。

采集舱内控制电路由通讯电路、电源管理电路、锂电池组、前置放大器、采集电路和本地SD卡组成；

采集电路分别和通讯电路、磁通门传感器和高度计连接，并通过前置放大器连接电极组，前置放大器对电极组的三分量电场信号进行低噪声放大，再与三轴磁通门传感器的三分量磁场信号一起送至采集电路；采集电路采集三分量电场信号和三分量磁场信号，并接收高度数据，打包后通过通讯电路发送至上一级采集站直至甲板监控端；数据存储至本地SD卡中；通讯电路通过电源管理电路和锂电池组连接，实现各采集站之间的通讯、将前端采集站网络数据包分发，发送至采集电路及下一台采集站；电源管理电路连接锂电池组或24V电源，实现深拖缆中的48V直流电压向各模块所需的24V及12V转换。

等浮缆自外向内包括聚酯外壳、凯夫拉绳、两对双绞电缆线和一对电源线，聚酯外壳和凯夫拉绳之间填充有玻璃微珠浮体，两对双绞电缆线外设置有屏蔽层，凯夫拉绳和一对电源线及屏蔽层之间填充有填充物；聚酯外壳具有较好的耐腐蚀、耐磨特性；玻璃微珠浮体为等浮缆提供浮力；凯夫拉绳为等浮缆提供牵引力；填充物隔离两对双绞电缆线和一对电源线；屏蔽层为内部通讯的双绞电缆线提供电磁屏蔽；两对双绞电缆线实现数据传输，一对电源线实现直流48V电力传输。

电极为AgCl材质电极，体积约为φ1cm×20cm，本底噪声1nV/rt(Hz)@1Hz，具有低噪声、小体积的特点。

磁通门磁传感器，体积约为φ3.2cm×25cm，本底噪声6pT/rt(Hz)@1Hz，具有低噪声小体积的特点。

定位信标为USBL信标，水下重量为3kg，体积约为φ10cm×40cm，具有定位精度高、水下工作时间长、小体积的特点。

浮体为玻璃微珠材质的浮体材料，水下密度0.5g/cm³，根据拖体内部布局进行填充。浮体位于拖体的上部，使得整体浮心向上。

采集舱采用7075铝棒加工而成，外径8cm，外长66cm，内置电子部件，两端安装有水密电缆，与链缆相连。位于拖体的下部，使得整体重心向下。

拖体采用尼龙材料加工，尼龙材料具有优良的抗腐蚀、抗低温、韧性、机械强度。外观呈现流线型，具有较好的水下流体稳定性。电极与拖体之间采用玻璃钢管固定连接，使其保持姿态相对稳定。

本发明将大功率发射机置于近海底拖曳的同时，增配若干拖曳多分量电磁采集站，发射接收由两条船各自执行，发射源与观测点的距离、方位在平面上可以任意变化，时间域频率域混合发射接收，在海上作业效率、探测深度、横向分辨率方面均得以改善。

采集站工作于近海底，高精度采集电磁场信号。单台采集站分别观测三分量正交电场、三分量磁场信号。将多个采集站组成一串，动态拖曳采集作业，可以同步观测6分量电、磁信号，具有海上作业效率高、高精度、分量多的优势。工作船一般工作在2-3节，按照预定的测线行进，对目标区域进行详细勘查，查明海底以下介质电性结构。采集站同步记录拖体三轴姿态，用于数据的方位矫正。采集站安装有USBL定位信标，实时跟踪采集站水下位置。本发明相比以往研究成果具有多分量、海上快速高效勘查、小体积、水下定位精度高的特点；仪器具有很低的本底噪声，电场为0.1nV/m/rt(Hz)@1Hz，磁场为6pT/rt(Hz)@1Hz，适用海底油气、水合物探测，以及水下舰艇泄漏电磁场监听等军事目的。

附图说明

图1为本发明深水双船拖曳式电磁勘探系统示意图；

图2为本发明采集站原理框图；

图3为采集舱内设置的控制电路原理框图；

图4为本发明等浮缆横截面图。

具体实施方式

如图1所示，图1中，10为海面，20为海水，30为海底，40为沉积层，50为目标储层。

如图1所示，本发明一种深水双船拖曳式电磁勘探系统，所述系统包括发射作业船101和接收作业船102，两只作业船的距离、方位在海平面上可以任意变化；发射作业船通过深拖缆1连接发射机2，所述发射机连接有发射天线3和尾标4；发射作业船设置有甲板发射监控端、通过深拖缆及通讯电路和发射机通讯、向发射机提供电源、供电，对发射机进行控制、状态显示，拖曳发射机按照预定的路线行进；接收作业船通过深拖缆1串连多台采集站5，多台采集站之间通过等浮缆6连接，最后一台采集站连接有尾标4；接收作业船设置有甲板接收监控端、通过深拖缆、等浮缆及通讯电路和各采集站通讯、向各采集站提供电源、向各采集站供电，对各采集站进行控制、状态显示，拖曳各采集站按照预定的路线行进；深拖缆和等浮缆实现电力输送及作业船甲板端与水下设备通信；采集站完成多分量信号采集、存储、数据及指令传输功能；尾标实现整个水下设备的流体稳定性以及水下定位。

如图2所示，每台采集站均设置有拖体5-1，所述拖体为承载平台；拖体上集成采集舱5-2、电极组5-3、磁通门传感器5-4、高度计5-5、定位信标5-6、多个浮体5-7和等浮缆6；采集舱内设置有控制电路，所述控制电路分别和电极组、磁通门传感器、高度计和等浮缆电连接、实现各传感器信号的高精度采集、存储、传输；所述电极组由6支电极组成三轴正交电极对、实现三分量Ex、Ey、Ez电场测量；磁通门传感器完成三轴正交Ex、Ey、Ez三分量磁场测量；高度计用于获取拖体离底高度数据；定位信标实现拖体的水下定位，可获取拖体精确位置；浮体为采集站提供浮力，使得采集站浮力为中性；等浮缆将多台采集站链接，实现多台采集站之间的牵引、供电和通讯。

电极为AgCl材质电极，体积约为φ1cm×20cm，本底噪声1nV/rt(Hz)@1Hz，具有低噪声、小体积的特点。

磁通门磁传感器，体积约为φ3.2cm×25cm，本底噪声6pT/rt(Hz)@1Hz，具有低噪声小体积的特点。

定位信标为USBL信标，水下重量为3kg，体积约为φ10cm×40cm，具有定位精度高、水下工作时间长、小体积的特点。

浮体为玻璃微珠材质的浮体材料，水下密度0.5g/cm³，根据拖体内部布局进行填充。浮体位于拖体的上部，使得整体浮心向上。

采集舱采用7075铝棒加工而成，外径8cm，外长66cm，内置电子部件，两端安装有水密电缆，与链缆相连。位于拖体的下部，使得整体中心向下。

拖体采用尼龙材料加工，尼龙材料具有优良的抗腐蚀、抗低温、韧性、机械强度。外观呈现流线型，具有较好的水下流体稳定性。电极与拖体之间采用玻璃钢管固定连接，使其保持姿态相对稳定。

采集舱内控制电路由通讯电路、电源管理电路、锂电池组、前置放大器、采集电路和本地SD卡组成。

如图3所示，采集电路分别和通讯电路、磁通门传感器、高度计及定位信标连接，并通过前置放大器连接电极组，前置放大器对电极组的三分量电场信号进行低噪声放大，再与三轴磁通门传感器的三分量磁场信号一起送至采集电路；采集电路采集三分量电场信号和三分量磁场信号，并接收高度数据、定位信标的水下定位数据，打包后通过通讯电路发送至上一级采集站直至甲板监控端；本地存储至本地SD卡中；通讯电路通过电源管理电路和锂电池组连接，实现各采集站之间的通讯、将前端采集站网络数据包分发，发送至采集电路及下一台采集站；电源管理电路连接锂电池组或24V电源，实现深拖缆中的48V直流电压向各模块所需的24V及12V转换。

如图4所示，等浮缆自外向内包括聚酯外壳6-1、凯夫拉绳6-2、两对双绞电缆线6-3和一对电源线6-4，聚酯外壳和凯夫拉绳之间填充有玻璃微珠浮体6-5，两对双绞电缆线外设置有屏蔽层6-6，凯夫拉绳和一对电源线及屏蔽层之间设置有填充物6-7；聚酯外壳具有较好的耐腐蚀、耐磨特性；玻璃微珠浮体为等浮缆提供浮力；凯夫拉绳为等浮缆提供牵引力；填充物隔离两对双绞电缆线和一对电源线；屏蔽层为内部通讯的双绞电缆线提供电磁屏蔽；两对双绞电缆线实现数据传输，一对电源线实现直流48V电力传输。

本发明将感应式磁传感器更换为磁通门传感器，省去了玻璃球、水泥块、电腐蚀结构及声学释放器，并增加了水下定位。以上措施实现水下拖曳电磁数据采集，提高了海上作业效率，节省了海上作业成本。可以实现可控源电磁信号观测，满足海底油气资源探测等地球物理研究需求及水下舰艇泄漏电磁场监听等军事用途。

再参见图1，本发明深水双船拖曳式电磁勘探系统海上作业包括如下步骤：

1、在到达制定海域工区点位之前，通过上位机对采集舱内的控制电路进行GPS对钟、设置采集参数、查询舱内工作状态，确认温度、舱压、存储空间、电池余量，启动采集，电路准备完毕；

2、准备投放，吊机下放多台采集站至水面，放深拖缆，采集站自由下沉，根据深拖缆长度与水深的关系，小于200m后开启高度计，通过水下定位信标实时监控拖体水下位置，借助姿态传感器监控拖体姿态；

3、采集站到达近海底后，具体工作流程是：甲板端发起上电命令，查询各采集站状态，确认状态后开启采集，采集站将多通道数据本底保存并通过深拖缆发送至甲板监控端；

4、数据采集过程中，船载终端可通过实时获取工作状态及信号波形，了解采集站当前的采集进度、姿态信息、电池电量等信息。可通过水下信标获取拖体实时位置。

5、作业船拖曳采集站按照既定的路线行进，待所有测区路线采集完毕后，甲板监控端发起停止采集命令，断电，绞车收深拖缆。

6、打捞采集站时，借助船载吊机将采集站打捞至甲板，收起测量臂，固定于甲板，淡水清洗采集站外表海水，上位机通过以太网下载数据，GPS对钟，将采集站进入休眠状态；

7、通过分析处理原始数据，获得地下的介质电性成像，从而推断被测区域的矿产资源分布，或者发现异常的水下舰艇泄漏电磁场信号。

本发明的特点有：

a) 采用拖体集成电极、磁通门传感器、采集电路；

b) 三轴电极及三轴磁通门传感器实现6分量电磁信号采集；

c) 集成高度计、水下定位、姿态传感器，实现运动状态有效控制；

d) 集成通讯电路、电源电路、采集电路、前置放大器、锂电池组等；

e) 集成多链缆，实现多台采集站若干分量数据的实时上传至甲板端；

f) 等浮缆集成两对双绞线及一对电源线，两对双绞线实现数据传输，一对电源线实现直流48V电力传输。

本发明达到了如下技术指标：

Ø频率范围：DC-100Hz；

Ø测量电路中包含有六路数据采集通道，其中分别采集水平与垂直相互正交的三路电场（Ex、Ey、Ez）、正交三轴磁场（Bx、By、Bz）；

Ø全频段采用高速度高精度24位模拟数字转换；

Ø实现不同采样率切换（2400Hz、150Hz两档）；

Ø采用32位嵌入式ARM9控制芯片，实现智能化自动操作、记录和存储；

Ø通道测量动态范围：120dB；

Ø本底噪声：电场小于 0.1nV/m/rt(Hz)@1Hz；磁场小于6pT/rt(Hz)@1Hz

Ø存储空间：大于32GB；

Ø时钟稳定度：优于1ms/day；

Ø电场传感器：Ag/AgCl电极；

Ø磁场传感器：磁通门传感器；

Ø辅助信息测量：方位角、横滚角、俯仰角、温度、电池电量、水下定位、离底高度等参数；

Ø整机连续工作时间：大于24小时；

Ø最大工作水深：2000m；

Ø体积：主体框架为30*30*100cm；

Ø重量：空气：30kg，水中：2kg；

作为满足海洋可控源电磁法对微弱信号提取的技术要求—在深水拖曳环境下获取幅值在N×nV～N×100mV范围、频带在DC～100Hz范围内的人工场源电磁信号，并且考虑到海底观测设备的可靠性、易用性、海上作业效率、噪声、动态范围、带宽等因素，设计了一种用于近海底拖曳观测电磁场的装置，即深水拖曳式多分量多链缆采集站。

目前还没有双船深水拖曳电磁勘探系统，有也仅是单船。现有成熟的是拖曳发射、静止接收，这种作业方式采集站数量有限，横向分辨率降低，作业效率受限。本发明的双船区别于单船拖曳系统的优势是可以实现变收发距，收发两条船之间的空间位置可变，实现发射源与接收装置的位置变化，从而实现多种观测方式，作业灵活性、探测深度、效率均有大幅提升。

本发明稳定工作主要实现机械的稳定性，主要包括拖体的流体稳定性（不能在水下翻转）、多台接收装置的抗拉性能；电路的稳定性，主要包括电路硬件的稳定可靠性设计、软件可靠性设计等。电极是在依靠海水离子交换实现电场信号观测的，一定是伸在采集站外部，并且电极之间有一定的距离。

本发明高分辨率主要是电磁场观测的低噪声特性，体现在低噪声传感器、低噪声放大器、低噪声采集电路方面。正交三轴主要是实现多分量观测，相比单轴信息量更丰富。

横向分辨率受限于静止的采集站的数量，拖曳作业实现动态拖曳观测，横向观测点大幅增加，提高横向分辨率。

本发明双船深水拖曳电磁勘探系统将大功率发射器置于近海底拖曳的同时，增配若干拖曳多分量电磁采集站，发射接收由两条船各自执行，发射源与观测点的距离、方位在平面上可以任意变化，时间域频率域混合发射接收，在海上作业效率、探测深度、横向分辨率方面均得以改善。

本发明将多个采集站链接在一起，由工作船将多台采集站拖曳前进。采集站工作与近海底，高精度采集电磁场信号。单台采集站观测三分量正交电场、三分量磁场信号。将多个采集站组成一串，动态拖曳采集作业，可以同步观测6分量电磁信号，具有海上作业效率高、高精度、分量多的优势。工作船一般工作在2-3节，按照预定的测线行进，对目标区域进行详细勘查，查明海底以下介质电性结构。该采集站同步记录拖体三轴姿态，用于数据的方位矫正。该采集站安装有USBL定位信标，实时跟踪采集站水下位置。本发明相比以往研究成果具有多分量、海上快速高效勘查、小体积、水下定位精度高的特点；仪器具有很低的本底噪声，电场为0.1nV/m/rt(Hz)@1Hz，磁场为6pT/rt(Hz)@1Hz，适用海底油气、水合物探测，以及水下舰艇泄漏电磁场监听等军事目的。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。