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何展翔研究员（简介附后）

时频电磁(TFEM)勘探技术：数据采集系统

何展翔＊①②③，陈忠昌①③，任文静④，庞恒昌④，田志权④，沈义斌①

①南方科技大学前沿与交叉科学研究院

②南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）

③南方科技大学深圳市深远海油气勘探技术重点实验室

④东方地球物理公司综合物化探处

导读：

物探异常具有多解性，往往需要多方法联合勘探，有利于物探异常推断解释。如果一套仪器同时能获得两种方法的数据，将能节约大量勘探生产成本和野外工作时间。

目前，人工源电磁仪器系统都能够完成时间域或频率域电磁数据的采集，但是多数只能采用分立作业方式，即施工时只能选择频率域、时间域或者复电阻率探测方法中的一种，因为这些方法对仪器系统功能、传感器频带范围以及采集参数的设计要求等各不相同。

时频双域电磁勘探系统(TFEM)具有完全自主知识产权和完全国产化，一次采集能同时获得时间域和频率域电磁数据，其技术指标达到了国际同类仪器水平，可为深部资源勘探提供有力支撑，适用于深部油气、矿产、地热等资源勘探。

本文主要介绍仪器原理及其关键技术，并有实际数据采集测试成果，欢迎读者阅读全文：

１方法原理

前已述及，人工源电磁法有两个重要分支，即时间域和频率域。频率域电磁法(FEM)最具代表的是可控源音频大地电磁法（CSAMT）以及近年发展起来的广域电磁法；时间域电磁法（TEM）则以长偏移距瞬变电磁法（LOTEM）及磁源瞬变电磁法为代表。研究表明，电性源瞬变电磁法与CSAMT对特定目标的探测能力具有明显差异。由于FEM观测的是总场（即一次场和二次场的叠加），而LOTEM观测的是二次场，这就决定了前者只适用于中区和远区探测，而后者可对全区（全期）进行观测。而且，电场和磁场对低阻和高阻目标的分辨率也有差别。因此，电法与磁法、时间域与频率域的一体化是可控源电磁勘探技术的发展方向。

时频电磁（TFEM）法工作方式与常规CSAMT或LOTEM类似，利用两个接地电极A和B连接长导线进行大功率的电脉冲方波激发，在一定距离处接收电磁场。TFEM工作原理如图1所示，其数据采集步骤简述如下。

图１时频电磁仪器系统工作原理

Ｉ表示电流；ｔ表示时间；ｈｚ和ｅｘ分别表示时间域叠加后的垂直磁感应分量和水平电场分量；Ｈｚ和Ｅｘ分别表示频率域垂直磁感应分量和水平电场分量；ω表示角频率；τ表示时间延迟；ΔＵ（ｔ）ＭＮ和ΔＵ（ｔ）ｄＢ/ｄｔ分别表示接收点记录的时间序列电位差和磁感应电动势。

（1）数据采集与控制软件系统中的控制模块将设计好的采集参数发送到发射系统和接收系统。大功率恒流发射机按照控制指令启动恒流方波发送机制，根据设计好的激发参数（包括多个激发频率及每个激发频率的叠加次数等参数）自动发送连续正、负非间隙方波序列（波形如图1所示），也可发送间隙方波序列和伪随机方波系列。

（2）电流通过接地长导线供入地下；通过布设在发射系统附近的采集站记录激发的方波电流信号Ｉ（ｔ）。

（3）输入地下的电流经过大地后形成激励响应Z（t），被布设在地面的接收系统记录。在每个测点都要布设水平电偶极MN和垂直磁探头，同步、高采样率地记录时域地电信号ΔU（t），包括电偶极接收的电位差ΔU（t）ＭＮ和磁探头接收的感应电动势ΔU（t）ｄＢ/ｄｔ，其波形如图１所示。

（４）对记录的ΔU（ｔ）和Ｉ（t－τ）做反褶积处理，获得大地响应R（τ）。对于一个线性、时不变系统，任何时间序列输入信号Ｉ（t）与输出信号ΔU（t）之间的关系可用卷积积分形式表示为

可见，时频电磁法与常规电磁方法不同之处是可同时获得时、频域两套数据。其中，时间域主要为长周期信号，对应的激发周期大于4S。一般包括4、8、10、16、20、32、40、64、ｓ等多条衰减曲线，每条曲线都是由包括数条较短周期的信号叠加而成，资料处理中可以对长周期衰减曲线进行处理；频率域为从高频（Hz）到低频（1／Hz）的一条频谱曲线，为了加密频率点，除基频外，频率点还包括3次和5次谐波频率。

２时频双域探测可行性分析

众所周知，CSAMT和LOTEM两种方法采用的装置类型完全一样，但业内对可控源电磁勘探一直是时域和频域分立作业。其原因在于时域方法一般测量垂直磁感应分量，而频域方法主要测量电场水平分量，两者的信号量值差异较大，传统仪器动态范围难以两全其美。但是，随着现代电子仪器技术的进步，仪器动态范围已经得到极大的扩展。为了进一步研究时频双域探测的条件和可行性，本文进行相应目标的数值模拟研究，以分析频域电场和时域磁场信号的差异以及量值变化范围。

设计一个电阻率为Ω·ｍ的均匀半空间模型，在4km深处存在一维低阻薄层（厚度为深度的1／10，电阻率为10Ω·ｍ），这样就构成了一个三层模型。采用大场源，发射电极的极距AB＝8km，接收点在AB垂直平分线上0.5km和10.0km处（即收发距ｒ＝0.5或10.0km），模拟计算该薄层对电场和磁感应分量影响的频率范围、强度和薄层产生的扰动异常。

ｒ＝10.0km时的电、磁场模拟结果如图2所示。

图2收发距为10km时的电场（左）和磁场（右）模拟曲线（ａ振幅，ｂ差值）

模拟计算的低阻薄层的扰动频率范围是1～30Hz。1Hz时磁场振幅和电场振幅分别为3×10－5ｎT／S、2×10－5V·A－1·ｍ－2，对应的异常变化幅度分别为0.ｎT／S和4×10－6V·A－1ｍ－2。

当收发距ｒ很小时（0.5km），模拟计算结果如图3所示。模型中低阻薄层的扰动频率范围是1～30Hz。

1Hz时磁场和电场振幅分别为8×10－5ｎT／S、4×10－4V·A－1·ｍ－2，异常扰动幅度分别为2×10－4ｎT／S、2×10－5V·A－1·ｍ－2。

图3收发距为0.5km时的电场（左）和磁场（右）模拟曲线（ａ振幅，ｂ差值）

根据目前最新电磁仪器的行业水平，能够检测到的电场强度最小值为0.1μV／m，对应导线源激发下的感应电场强度为1×10－7V·A－1·ｍ－2；

能够检测到的磁场强度最小值与频率相关，在1Hz时低频磁棒的灵敏度能够达到0.1ｐT，即1×10－5ｎT。由模拟结果对比可见，无论在收发距为10ｋｍ的远处，还是在0.5km的近处，时频双域电磁仪都能够进行有效的信号检测。

可见，目前的电磁勘探仪器系统的灵敏度足以有效检测到微弱的电磁信号。现在电磁勘探的主要难点是从含噪信号中检测并分离出有效信号，这需要设计合理的采集参数。

３时频仪器系统关键技术及主要指标

大功率时频双域电磁勘探仪器主要包括大功率恒流发射系统和节点式／组网式时频电磁采集系统。其中发射系统包括发电机、逆变器及接地长导线等。逆变器主要由恒流输出、整流逆变和控制三部分构成。节点式／组网式时频电磁采集系统包括采集站、电磁探头和数据采集与控制软件等。其中，电磁探头包括测量磁感应的垂直磁探头和测量水平电场分量的电偶极。数据采集与控制软件是时频双域电磁仪器的核心部分，该软件系统通过GPS控制发射和接收的同步并按照设计参数完成整个数据采集工作，可同时完成现场数据的处理和分析。主要关键技术及技术指标分述如下。

3.1大功率励磁反馈恒流发射技术

时频双域电磁仪可以分为恒流和恒压两种。早期主要发展的是恒压时频双域电磁仪，近年开始研发恒流式时频双域电磁仪。时频电磁发电机输出电流是稳流发射，输出电流纹波幅度变化小于２％，发射波形可以是正负方波、间歇方波、伪随机波等。恒流发射原理如图４所示。在工作之前设置好每个激发频率的工作电流。工作时，实时对发电机的输出电流取样，并与设置电流进行比较：若负载增大，发电机电流下降，这时励磁控制器里的移相触发脉冲前移，增加可控硅的导通时间，使励磁电流增大，发电机输出电压升高，负载电流上升；反之，则降低发电机电压，电流下降，维持发电机输出负载电流不变。

图4恒流发射系统的工作原理图

图中Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3分别代表交流电的三相输出

3.2微弱电磁信号抑噪采集技术

时频双域电磁采集系统可分为多道模拟传输时频双域电磁仪、节点式数字时频双域电磁仪和分布式时频双域电磁仪等，可以形成多种不同的激发—接收组合。时频电磁采集系统具有高密采样、数据存储快、实时传输、自标定、GPS同步、阻抗测量等优势，任意一个采集站可以设置为汇聚站，主机与汇聚站之间通过WIFI连接，汇聚站与其他采集站之间通过大线电缆连接。感应磁探头包括感应磁传感器及与之配套的电池盒及多路充电器。

时频接收系统在采集控制软件下工作。在数据采集前进行采集参数设计，并检查仪器状态和各道的接通情况，然后采集背景信号（一般为5min），并分析噪声的主要频率fR（ｉ）（ｉ表示频点号），同时与发射系统通信，进行同步，即可进行数据采集。采集控制部分采用高性能芯片，用于控制采样时钟的生成、实时时钟等与时间相关任务的调度和执行，电压、电流、温度等传感器数据的采集，采集系统的控制和数据缓冲，有线数据的通信，以及GPS信息解码和标定信号的生成等复杂控制与数据通信任务。其工作原理见图5。

图5接收系统工作原理

当24位数字信号进入DSP后，首先根据实测干扰测试频率fR（ｉ）的多重陷波，压制相关干扰；然后针对周期信号检测梳状滤波增强信噪比，并同时采用其他针对微弱电磁信号检测的数字滤波算法；再进行时间域的相关检测，以及频率域的傅里叶变换、叠加等处理；最后输出电磁场数据。其工作原理见图6。

图6采集站电磁信号处理系统原理

3.3时频电磁仪器系统主要性能指标

时频电磁仪器系统的发射系统已经推出多个类型的产品，目前最新的为第三代，即TFEM－T3型时频发射系统。该系统为超高压电磁发射仪，可实现最大负载电压V、最大功率kw，具备紧急制动和长时间输出等功能。该系统的主要指标见表1～表3。

４试验及应用效果

4.1仪器系统试验

为了对比测试仪器的数据采集效果，东方地球物理公司（BGP）在河北任丘油田附近对自主研发的时频电磁采集仪器与凤凰公司Ｖ８系统所采集的时序信号进行了对比试验，这两套系统采用相同的电磁感应器（电极和磁探头）。

试验装置参数：场源AB＝6.3km，收发距为7.2km，发射电流为A。图7所示是这两套系统在相同装置参数下采集的一个周期的电场和磁感应场信号的对比，可见两者获得的时序信号完全一致，均方误差在2％以内，表明BGP自主研发的时频电磁采集仪器系统性能总体上达到了国际同类仪器水平。

图7BGP公司与凤凰公司生产的TFEM采集系统所采集的时序信号曲线对比（a:Ｅｘ，ｂ:Ｈｚ）

4.2产业化应用

经过十余年的研究、试验和应用，时频电磁技术及仪器系统得到不断完善，应用效果明显。目前，BGP已经生产大功率时频电磁发射系统十二套，形成了从TFEM－1到TFEM－3型等多种型号，功率从kw到kw、输出电流从80A到A等系列产品。时频电磁采集站包括模拟、组网式和节点式多种类型，可以适应不同探区地形地貌，总道数可达近道。截止年底，BGP开展的时频电磁剖面采集长度超过0km，涉及10块面积性的三维时频勘探。其中年在新疆某油田区的三维时频电磁勘探为世界上首次开展三维时频电磁勘探，共动用时频电磁节点仪器道，布设了四方位激发场源，实现四次覆盖激发，完成三维面积.7km2、测点个。

图8是在新疆山前MS地区采集的时频电磁测深剖面。偏移距为8.3km，最大激发周期为40ｓ，低频发射电流为A。根据工区资料，探区的平均电阻率为73.5Ω·ｍ，根据前面模拟方法，可以计算出有效探测深度超过10km。

图８MS地区时频电磁测深电阻率反演剖面

从该电阻率反演剖面可见，其有效探测深度达到10km，在深度5～7km仍然可清晰地看出深部上石炭统发育了上、下两套高阻火成岩岩层序列，其间为低阻沉积岩层。根据该地区地质资料，深部高阻团块状异常是火山岩（玄武岩、安山岩、流纹岩等）的反应。钻探证明，这些火山岩大多是油气储层。据此在该剖面圈定了9个有利储层目标（见图中圈码）。剖面中相对低阻的异常是碎屑岩、凝灰岩的反应，在该地区一般为良好盖层。另外，电性剖面对深层（大于7km）火山机构的发育特征也有所反应。剖面左段为山前逆掩带，清晰揭示出山前石炭系下伏的二叠系，并且可见多次叠置和高角度逆冲的特征，为该地区进一步开展三维地震勘探及钻探部署提供了非常有价值的资料。后续针对盆地腹部的⑤号和⑨号火山岩储层的钻探都获得了工业油气流。目前该探区已经形成探明地质储量达10亿吨的大型油气田，时频电磁资料起到了重要的参考作用。

５认识与结论

（1）时频电磁法是一种针对深部油气资源勘探的可控源电磁勘探方法。根据时频一体化探测理念，BGP时频电磁研发团队实现了时频双域电磁仪器系统的自主创新与研发。理论测试和实际试验对比表明，其发射系统和接收系统技术指标均达到国际同类仪器同等水平。

（2）大量的油田应用案例统计表明，时频电磁应用于目标含油气评价可以降低钻探风险，提高油气勘探开发效益。

（3）基于电磁法勘探的原理和方法技术，该仪器系统可大面积工业化推广应用于其他深部矿产及地热资源探测，能够有力地支撑国家“深地探测”战略，为中国深地资源勘探提供技术支撑。

感谢中科院电子所在磁探头研发中的创新和技术支持！

来源：

何展翔，陈忠昌，任文静，庞恒昌，田志权，沈义斌．时频电磁（TFEM）勘探技术：数据采集系统．石油地球物理勘探，，55（5）：1－8.

说明：本推文与缩减了部分原文内容，欢迎读者下载和引用原文。

第一作者：何展翔介绍

何展翔，男，年10月出生于湖南平江，博士，现为南方科技大学研究员，博士生导师。长江大学兼职教授，西南石油大学兼职教授；中国地球物理学会电磁专业委员会副主任、浅层地球物理专业委员会常务副主任、勘探地球物理专业委员会委员、第一届井孔地球物理专业委员会委员，石油学会物探专业委员会委员，中国科协科学传播专家团队全国首席科学传播专家。

-年在中国地质大学地球物理学专业获学士和硕士学位；6年在成都理工大学地球探测与信息学院获博士学位。5年-6年在美国休斯顿大学地球科学系访问和博士后研究，年-年长期在中石油东方地球物理公司担任综合物化探室主任、副总、研发中心主任和总工程师，及中石油集团高级技术专家。年后任南方科技大学研究教授，深圳市国家级领军人才。

主要研究领域为地球电磁探测理论方法，包括大地电磁测深法、可控源电磁法：时频电磁、建场测深、CSAMT、井地电磁法、海洋电磁法等；综合地球物理勘探方法，包括三维重磁电勘探技术、电磁-地震联合勘探技术、综合地球物理解释等。长期从事石油电磁及综合地球物理勘探方法研究，系统和创新性地发展了油气重磁电勘探方法系列，是我国石油电磁勘探领军人物，主要创新及贡献：1）提出并发展了我国自己的可控源时频电磁勘探新技术。形成了大功率、大深度、高精度时频一体化的电磁测深方法，并制定了技术规程，成为油气及深部勘探中一种重要手段。提出了储层顶底激发的井地时频电磁法，形成了圈定油气边界的实用技术。2）提出了新一代海洋电磁采集站及数据采集方法。系统提出适用于工业化生产的新型采集站设计思路，在国内首次完成实测海洋油气勘探数据处理，系统研究了海洋电磁识别油气的电磁异常规律。3）提出三维重磁电联合勘探方法，形成了针对复杂目标的重磁电一体化配套技术。提出了小面元3DMT勘探方法，发展了分块共轭梯度三维MT反演方法；针对深部目标发展了重磁电震联合勘探及数据处理反演方法。4）提出和创新了油气储层识别检测方法。创新了电磁法找油机理和模式，提出并形成了地震-电磁联合油气检测及圈闭评价新方法，在国内外得到推广应用。

在Geophysics等期刊发表论文60余篇，拥有授权发明专利46件；曾长期主持中石油综合物化探科研工作，主持完成国家重大专项及课题3项，省部级科研项目15项；主持和参加国自然基金项目4项、其它省市级项目5项。他曾获省部级科技一等奖5项、二等奖5项、孙越崎优秀科技奖、傅承义青年科技奖、中国石油优秀科技工作者和河北省劳动模范等多项荣誉。

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