从海底到钻孔的CSEM技术：一项关于浅水区小电阻目标探测灵敏度的三维建模研究 Vikas C. Baranwal, Martin C. Sinha, Lucy M. MacGregor, Anna C. Maxey, Yang Su

《Geosciences》：Seafloor to Borehole CSEM: A 3D Modelling Study of Survey Sensitivity to Small Resistive Targets in Shallow Water Vikas C. Baranwal, Martin C. Sinha, Lucy M. MacGregor, Anna C. Maxey and Yang Su

　　摘要
海洋控制源电磁（CSEM）调查已被证明是烃类勘探的有效工具，这主要归功于该方法在适当条件下能够识别烃类饱和沉积层与盐水饱和沉积层之间的电阻率差异。然而，这种调查在浅水区、对于较深的目标以及水平范围有限的目标时，其灵敏度会降低。原则上，通过将发射偶极子或接收偶极子移入地下，可以提高调查的分辨率和灵敏度。因此，我们研究了海底至钻孔CSEM（sbCSEM）调查几何结构的灵敏度，特别是针对浅水区域中横向尺寸较小的简化目标——包括埋藏深度远大于其横向范围的目标。结果令人鼓舞。小目标尺寸和浅水环境原则上都不会妨碍这种方法的应用。我们的模型显示，在海底发射偶极子周围，电场和电流密度幅度模式中存在明显的瓣状结构。这些瓣状结构的形状、位置和幅度都受到一个或多个小电阻目标的影响，并且受到目标边缘位置的显著影响。这些效应显著改变了海底的电场模式，从而提高了实际调查几何结构的灵敏度。当海底发射偶极子位于目标横向一定距离之外时，可以检测到小目标——这为“步进式”勘探提供了潜在的应用。对于相对于发射器位置偏移的目标，海底响应的不对称性在野外评估中也有潜在应用，而在生产过程中监测储层则是另一种可能的应用。通过改变发射器在钻孔中的深度，可以生成垂直电磁剖面（VEMP）调查——类似于垂直地震剖面（VSP）——我们也证明了这种方法也有其用途。对更深的（3公里海底以下）目标的建模继续显示出令人鼓舞的结果，并表明步进式sbCSEM可能在传统海底-海底CSEM的检测极限之外仍然有效。

1. 引言
在传统的海底-海底CSEM调查中，水平电偶极子（HED）发射器被拖曳在海底附近并发射低频电磁（EM）信号。这些信号传播一定距离后，使用放置在海底的HED接收器在适当的位置进行测量。信号从发射位置传播到接收位置过程中幅度和相位的改变构成了调查的CSEM响应，其中包含了关于海底以下电阻率结构的信息。在经济背景下，CSEM响应在适当条件下可以提供关于是否存在与烃类储层相关的薄电阻层的约束[1,2,3]。Chave和Cox[4]表明，在海底存在较大电阻率对比的情况下（例如年轻的洋壳上，那里几乎没有或没有沉积物覆盖火成岩基底），CSEM的调查源耦合和灵敏度得到了优化。然而，在沉积盆地中，海底的电阻率对比要小得多，这倾向于改善垂直电偶极子（VED）发射器的耦合[5]。VED几何结构也很有用，因为它们受海面相互作用或“空气波”效应的影响较小，从而提高了浅水区HED-HED调查对埋藏电阻结构的灵敏度[6,7,8,9]。
研究VED几何结构的另一个动机是实际可行性，即可以将VED发射器或接收器放置在钻孔内——例如，为勘探、评估或生产目的而钻的现有井中。尽管地质物理成像和地质风险分析领域取得了巨大进展，但并非所有井都能达到预期目标；无疑，许多小型、未被发现或未证实的含有商业可行烃类聚集的储层，靠近现有和生产中的井，仍然未被开发。因此，我们的目标是评估sbCSEM调查是否以及如何能够为现有井、正在钻探的井，或者由于未能穿透含烃结构而被认为不成功的井增加价值。
多项研究表明，可以使用开放式井和玻璃纤维套管井进行钻孔电磁测量，以评估和监测烃类储层[10]。Tseng等人[11]成功地使用钻孔至地面CSEM调查定位了一个盐水体。Patzek等人[12]、Wilt和Morea[13]以及Colombo和McNeice[14]使用跨孔CSEM调查进行了储层特征分析和水驱监测。最重要的是，在海洋环境中，Scholl和Edwards[15]以及Maxey等人[16,17,18]和Baranwal和Sinha[19,20]研究了海底至钻孔CSEM调查对电阻目标的一般行为。在过去的十年中，模拟钢套管钻孔中的VED源用于CSEM建模和反演方面也有了更多发展[21,22]。
钻孔通常也用钢套管进行套管，钢的导电性很高。已经有多项研究对钢套管效应进行了建模，并将钢套管纳入了正向建模和反演中[21,22,23,24,25,26,27]。钢套管通常被认为是一种障碍，但它有助于将低频信号深入地层，使其作为导电源/天线，增强周围电阻率差异的检测。它也会扭曲电磁场。在距离井较近（200-300米）的地方，套管效应占主导地位，但对于足够远的距离（>500米）以及发射器放置在套管鞋以下的情况，地层的响应仍然可以很好地被检测到且未受影响。
在本文中，我们展示了一个数值建模研究的结果，该研究使用位于钻孔中的VED发射器和在海底测量的接收器响应。为了保持正向建模的简单性并直接与玻璃纤维套管或开放式井相关联，我们没有考虑钢套管效应。由于发射和接收偶极子的互易性原理适用[28,29,30]，我们的结果同样可以用于海底移动发射偶极子和钻孔内VED接收器的情况。对于这项建模研究，单个VED源配置在计算上最有效，并且实际上可以同时从多个水柱接收器收集调查数据，从而最小化调查所需的井时间。然而，在钻孔中操作强大的电偶极子发射器在后勤、工程和安全方面面临巨大挑战。从工程角度来看，在钻孔内使用VED接收器和一个或多个在水柱中的移动发射器会更简单，但可能需要更多的井时间来完成调查。
我们选择关注一组特定的情况，这些情况都对应于传统海洋CSEM调查中的“困难”或“具有挑战性”的目标。这些情况包括：代表大陆边缘上部或大陆内盆地浅水区的浅水；横向尺寸与其埋藏深度相当或更小的目标；以及在后面的部分，相对较深的目标（2至3公里海底以下）。我们的研究结果可能特别适用于已经建立大量生产基础设施的成熟油田，如北海；在那里已经钻了许多井；并且可能存在靠近现有井的小型、未证实因此未开发的储层或区块。
除了建模最有利的情况（即VED可以穿透电阻储层目标的情况外，我们还模拟了钻孔完全错过目标的情况，或者钻孔的最大深度小于目标深度的情况。我们还研究了两个偏移目标结构彼此靠近的情况，其中钻孔穿透了一个目标但未穿透另一个目标的情况，以及钻孔未能穿透任一目标的情况。基于这种方法的sbCSEM的潜在未来应用可能包括从现有井进行步进式勘探；“向下看”的sbCSEM，以细化井前的结构知识；以及垂直CSEM剖面（VEMP）。
最后，需要提高我们使用地球物理方法进行监测的能力，特别是为了审计和验证目的，以及量化为长期地质储存（“封存”）而捕获并注入储层的二氧化碳的安置和迁移情况。这包括井不希望穿透储层上方盖层的情况（例如Sleipner CO2储存项目[31]），在这些情况下，放置在地下但位于储层密封层以上的发射或接收偶极子可能会产生比海底-海底调查更高的分辨率结果。

2. 地球电阻率模型
我们的目标是评估海底至钻孔CSEM调查是否可以在特定的地质和经济条件下得到有用应用。因此，我们选择了特定的电阻率结构和调查布局进行建模，尽管这些在几何上很简单，但与实际情况相关。图1a示意性地展示了我们建模调查的基本布局和背景电阻率结构。一层100米厚、电阻率为0.3 Ω·m的海水覆盖在固体地球之上，对于这种情况，固体地球由电阻率为1 Ω·m的均匀半空间组成。这构成了我们的半空间参考模型。发射器由一个25米长的垂直电偶极子（VED）组成，我们假设它位于钻孔内的海底。多个接收器放置在海底正上方，使其传感器位于水柱内，与发射器位置有各种水平的偏移。我们模拟了接收器处的电场的水平和垂直分量。发射器位于x-y平面的原点，接收器位于y = 0。电阻目标结构关于y = 0对称分布，接收器处的电场水平分量通常是x分量（在这种情况下，也是径向分量）。
图1. (a) 我们的半空间参考模型和(b) 我们的中心电阻盘模型的电阻率结构和调查布局示意图（未按比例绘制）。虚线表示水面，三角形表示发射器（Tx）和接收器（Rx）。我们建模的基本目标是一个100米厚、埋藏深度为1.1公里的电阻盘（图1b）。该电阻盘的电阻率为100 Ω·m，半径为712.5米（直径为1425米）。在中心电阻盘模型中，VED发射器位于目标盘的中心。在第5.1节中，我们还模拟了目标盘沿x轴相对于发射器横向位移的几种情况。两种特殊情况是：刚好在目标内部的模型，其中发射器位于电阻盘边缘内12.5米处；以及刚好在目标外部模型，其中发射器位于目标边缘外12.5米处。
除了小型电阻盘目标外，我们还模拟了（仅用于比较）1D情况（电阻率仅沿z轴变化），即一个在x和y方向无限延伸的层，其电阻率、埋藏深度和厚度与中心电阻盘模型中的目标相同。我们将其称为薄电阻层模型。
在第5.4节中，我们还研究了一个堆叠储层模型。在这里，向结构中添加了第二个与中心电阻盘模型具有相同尺寸和属性的电阻盘目标，其深度比第一个目标深200米。第二个较深的电阻目标在水平方向上与第一个目标偏移，其中心位于标准目标沿x方向的1400米处。它的尺寸和电阻率与第一个目标相同，因此两个电阻特征的边缘在x方向上正好重叠。在第5.5节中，我们研究了目标电阻体深度增加到2公里或3公里的各种情况。表1总结了本研究中使用的标准模型参数。所有模型都具有以下共同参数：发射器——长度为25米的VED，位于(0, 0, ?1250)；半空间电阻率——1 Ω·m；海水电阻率——0.3 Ω·m；海水厚度——100米；圆盘厚度——100米；圆盘电阻率——100 Ω·m；圆盘直径——1425米（图1）。薄电阻层模型由x和y方向上的无限层组成，厚度为100米，电阻率为100 Ω·m。在这些模型中，低电阻率的背景材料代表饱和了水的海洋沉积物。电阻圆盘结构对应于具有经济价值的目标。在烃类勘探的情况下，这些目标可能是小型的石油或天然气储层，或者是未开发的藏量，靠近现有的勘探或评估井或生产系统。或者，它们可能是已知的石油或天然气聚集区，进行勘探可能是为了在开发前进行现场评估，或者是在生产期间进行储层监测。此外，电阻圆盘目标也可以代表用于长期地质储存（封存）CO2的储层，在这种情况下，我们的建模目的是监测和验证这些方案，包括定量评估CO2从其注入点的迁移速率和方向。

我们模型的一个局限性在于，我们将发射偶极子直接放置在地质结构内部，而没有考虑钻孔本身的电阻率结构或可能存在的套管。井套管及其对地球物理结果的影响是一个复杂的问题[22,32]。井本身的电磁效应将取决于它是否充满油基或水基泥浆，或者它是否用于烃类生产或注入目的。因此，需要对井及其套管的效应进行详细的建模，但这超出了本研究的范围。然而，许多井即使在完成之后，底部仍然有一段未套管的部分——有时长达数百米。在勘探和评估井的钻井过程中，通常也会在至少需要完成电缆测井的时间内保持下部未套管。因此，一些未套管的井段可能适用于sbCSEM研究。

我们使用不列颠哥伦比亚大学地球物理反演设施开发的EH3D代码[33]进行了数值建模。EH3D代码基于有限体积，使用交错网格，使我们能够计算每个网格节点处的电场和磁场的所有分量。在这项研究中，我们仅关注电场。我们建模的第一阶段是通过将3D代码的预测结果与1D代码对相同地球模型的预测结果进行比较来验证网格的稳定性和分辨率。为此，我们使用了Chave和Cox[4]的HED 1D代码的版本，并进行了扩展和修改（Andreis和MacGregor[9]），以允许计算VED源和接收器。在所有情况下，验证比较都使用了VED发射器。第一次比较是接收器处的水平电场的x分量或径向分量，我们将其表示为Ezx，其中第一个下标表示发射器的方向，第二个下标表示接收器的方向。第二次比较是接收器处的垂直电场，表示为Ezz。

图2和图3分别显示了使用EH3D和1D代码计算的位于海面下150米、450米、850米和1250米深度的VED发射器的Ezx和Ezz的振幅和相位图。对于每个源深度，线条代表EH3D的结果，符号代表1-D代码的结果。两种代码之间有很好的一致性，至少在Ezx的水平偏移量为5公里和Ezz的6公里范围内。超出这些偏移量后，3D网格边界的边缘效应开始产生畸变。我们得出结论，我们的建模程序和网格结构对于水平偏移量达到5公里是有效的。

第二项任务是为后续研究选择合适的频率。对于海洋CSEM建模，通常使用的频率范围是0.1到10 Hz[23,26,27]。因此，我们对中心电阻圆盘模型进行了从0.03 Hz到3.16 Hz的各种频率的3D建模。理想情况下，任何调查的最佳频率应结合海床处与目标边缘相关的可观察到的场弯曲点（在高频率下最明显）以及足够大的接收器振幅（在低频率下最明显）。图4绘制了在不同频率下计算的海床处水平和垂直电场的对数振幅。0.31 Hz的频率在这种情况下代表了曲率和响应振幅之间的最佳折中；因此，所有进一步的建模都使用了这个频率。

在本节中，我们展示了半空间参考模型和中心电阻圆盘模型在y = 0的xz平面上电场振幅的x分量和z分量图。由于对称性，所有模型中该平面上电场振幅的y分量处处为零。如上所述，我们将这两个分量分别表示为Ezx和Ezz，其中第一个下标对应于发射器的方向（VED为z），第二个下标对应于接收器的方向。图5显示了半空间参考模型中电场x分量和z分量的振幅，振幅归一化到单位源偶极矩。由于感应损耗以及任何偶极场的1/r3振幅行为，振幅从发射器向外迅速减小，每个图的中心和边缘之间的振幅差约为1012倍。此外，还可以清楚地看到预期的瓣状振幅模式，在Ezx图中，最大值出现在与垂直方向成45°和135°的方向上，在Ezz图中则相反。还可以看出，水柱中的垂直场振幅明显小于地下。这主要是由于海床和海面之间的电阻率对比引起的电流响应。

图6显示了中心电阻圆盘模型的等效图。有几个明显的差异。首先，振幅在所有地方都更大。这部分是因为发射器周围的感应损耗较小，因为它位于模型的电阻率较高的部分。然而，大部分差异仅仅是因为图5和图6之间的偶极矩没有变化，因此从偶极子两端发出的电流是相同的。由于在图6中，偶极子位于电阻率高100倍的局部介质中，因此需要更大的电位差来驱动发射器电流。图6中的电场振幅在所有地方都比图5中的大，主要是因为在图6的情况下，需要施加更大的电压（从而功率）来维持偶极子的偶极矩。

在后续图中，我们绘制了电场水平分量和垂直分量的无量纲振幅[34]。无量纲振幅的优点在于它们补偿了从偶极源向外振幅的1/r3减小——实际上是一种“几何扩散”校正。其次，它们考虑了假设或实际接收器位置的局部电阻率变化，因此它们对应于电流密度的变化，而不是电场的变化。在低频极限下，两个电阻率不同区域边界处的电流密度是连续的，而同一方向上的电场是不连续的，并且与电阻率对比成反比变化。这使得无量纲振幅对纯电流行为（即即使在直流情况下也会发生的现象）不那么敏感，而对感应行为相对更敏感。无量纲振幅表示为：
(1)
其中S是无量纲振幅，E是电场振幅（单位Vm?1），M是发射器偶极矩（单位Am），rs是发射器和接收器之间的斜距（单位m），ρr是接收器处的局部电阻率。归一化到单位偶极矩的振幅，单位为VA?1m?2，等于E/M。

图7、图8和图9分别显示了半空间参考模型、薄电阻层模型和中心电阻圆盘模型的Szx和Szz的模式。请注意，在这些和后续图中，S是以线性尺度而不是对数尺度表示的。为了便于比较，三张图中的颜色刻度是相同的。(a) 通过发射器的电场在xz平面上的水平分量和(b)垂直分量的无量纲振幅，针对半空间参考模型。水层由白色虚线表示。发射器由白色标记表示。图8。(a) 通过发射器的电场在xz平面上的水平分量和(b)垂直分量的无量纲振幅，针对薄电阻层模型。圆盘和源的位置也被标出。水层由白色虚线表示。发射器和薄电阻层的位置分别用白色标记和白色虚线标出。图9。(a) 通过发射器的电场在xz平面上的水平分量和(b)垂直分量的无量纲振幅，针对中心电阻圆盘模型。水层由白色虚线表示。发射器和电阻圆盘的位置分别用白色标记和白色虚线标出。这三个对比模型的场行为有明显差异，在这些图中可以清楚地看到。在图7中，可以清楚地看到上述两个分量的瓣状图案。我们还可以从图7中注意到，水柱中的垂直电流密度非常小，而在上层瓣状区域上方的水层中的水平电流密度较大。导电水层内的电流通道效应与极端电阻性大气层的电流阻挡作用共同作用，导致这些位置的电流主要在水平方向上流动。在图8中，我们注意到薄电阻层显著改变了场模式。在水层中，中等和较远的偏移距离处水平电流密度增加，而在电阻层正上方和正下方的背景沉积物中的水平电流密度也增加（图8a）。相比之下，在较远的偏移距离处，电阻层内的垂直电流密度大大增加（图8b）。在中心电阻圆盘模型中（图9），Szx和Szz的分量都明显受到电阻目标边缘位置的影响。在图9a中，最大值瓣状区域向外移动，而上方水柱中的电流密度再次在上层瓣状区域最大。这表明Szx分量应该对目标体的空间范围具有很好的敏感性。在图9b中，电阻目标的边缘似乎表现为垂直电流密度的环形发射源。这表明Szz分量也应该对目标的横向范围具有很好的敏感性。从图7、图8和图9中可以清楚地看出，无量纲振幅分量能够更好地揭示源与电阻结构之间的相互作用。我们注意到使用无量纲振幅有以下优点：首先，它校正了由于几何扩散引起的巨大振幅变化，从而使我们观察到的模式不再受这种效应的支配；其次，无量纲振幅的值不再变化很多个数量级；最后，观察到的模式更接近于感应行为和次级场的存在，而不是主场的几何减小。因此，我们只对后续模型展示无量纲振幅的图表。5. 建模结果 5.1. 偏移目标 图10和图11展示了刚好在内部模型和刚好在外部模型的无量纲振幅模式。我们可以清楚地观察到两个图中的振幅不对称性，反映了目标的位置偏移；请注意，这种不对称性在海底以及地下都对两个分量都可见——这对于实际可行的调查来说是一个积极的结果。图10. 通过发射器的电场在xz平面上的(a)水平分量和(b)垂直分量的无量纲振幅，针对刚好在内部模型。水层由白色虚线表示。发射器和电阻圆盘的位置分别用白色标记和白色虚线标出。图11. 通过发射器的电场在xz平面上的(a)水平分量和(b)垂直分量的无量纲振幅，针对刚好在外部模型。水层由白色虚线表示。发射器和电阻圆盘的位置分别用白色标记和白色虚线标出。两种情况之间的一个重要区别是，在图10中，发射器仍在电阻目标内部，而在图11中，发射器位于目标外部。如上所述，这种差异的电动效应（即，在更具导电性的背景沉积物中驱动源电流所需的电压和功率的降低）是导致图11中振幅普遍低于图10的主要原因（注意刻度尺的差异）。然而，在图11中，我们仍然看到两组响应中都有明显的不对称性。特别是，目标体的远边缘再次表现为两个分量的感应发射源。这对勘探、评估和监测有重要的实际意义——即使一个井在横向“错过”了目标，它仍然可以对sbCSEM调查有用，无论是检测电阻目标还是划定其横向边界。虽然这些图表有用地展示了地下发生的感应模式，但任何实际的sbCSEM应用都依赖于在水柱中进行的测量。因此，在本节的其余部分，我们提取了海底上方12.5米处的一组节点点的响应。5.2. 标准模型的海底响应 图12绘制了各种模型在海底上方的Szx和Szz响应，沿着一条平行于x轴且经过目标和发射器位置的线性剖面。由于模型的对称性，中心电阻圆盘和半空间参考模型在发射器的两侧是对称的。响应的幅度以及响应中的最大值和最小值的横向位置既受到VED偶极源深度的影响（尽管这里没有展示），也受到电阻体边缘的影响。图12. 各种模型在海底的(a)水平分量和(b)垂直分量的无量纲振幅。圆盘的位置也用相应的颜色标记标出，它们仅在水平方向上变化，而在垂直方向上不变。刚好在内部和刚好在外部模型的响应沿剖面是不对称的。对于对称模型，在源位置（x = y = 0）正上方观察到的最小值（对于Szx）和最大值（对于Szz）在非对称模型中发生了横向偏移。这种行为在水库监测和评估应用中显然非常有用。为了说明海底在x和y方向上的响应如何变化，图13展示了刚好在外部模型的两个平面视图。对于y不等于0的情况，将水平分量分解为径向和切向分量是有用的——因此两个面板分别显示了Sz,rad和Sz,tan分量。面板(a)非常清楚地展示了与电阻目标相对于发射VED的偏移位置相对应的响应的不对称模式。面板(b)显示了不同的情况。在一个一维或径向对称（关于VED发射器）的电阻结构中，电场的切向水平分量为零。因此，面板(b)对应于一个“零耦合”的场分量。在这种情况下，由于电阻结构既不是一维的也不是径向对称的，非零的切向分量因此突出了电阻体最接近发射器的边缘。这种使用零耦合切向分量的方法可以为划定异常电阻体的边界提供另一个有价值的sbCSEM应用。图13. 刚好在外部模型的海底水平无量纲振幅响应的等高线图。(a) Sz,rad分量。(b) 零耦合的Sz,tan分量。圆盘和源的位置也分别用白色标记和白色虚线标出。5.3. 目标从发射器的最大可检测偏移距离 在研究了刚好在内部和刚好在外部模型的响应之后，我们将小电阻目标逐渐远离发射器位置，同时保持其尺寸和其他属性不变。这模拟了发射器放置在井中但横向错过了电阻目标几百米的情况。我们模拟了三个新的偏移位置，其中小电阻体边缘到钻孔的距离分别增加了400米、700米和1000米。25米长的VED发射器像之前一样放置在网格的中心，深度为海底下方1150米。图14绘制了海底处电场的水平分量和垂直分量的无量纲振幅。在所有情况下，响应中的振幅和局部最大值和最小值的横向位置都显著受到电阻体的影响。据报道，海洋CSEM中可检测到的最小电场振幅为10^-14–10^-15 V/Am^2，不确定性为5–10% [35,36]。因此，我们假设噪声底限为10^-14 V/Am^2。图14中的噪声底限（相当于电场中的10^-14 V/Am^2）用虚线表示，与y轴上的0水平线重合。不同偏移位置的源偶极子位置以及圆盘的位置及其横向范围也进行了绘制。图14. 不同钻孔水平偏移距离下电阻圆盘模型的(a)水平分量和(b)垂直分量的无量纲振幅。偏移源的位置用相应的颜色标记标出，电阻目标用黑色‘x’标记标出。图15显示了相对于相应的半空间参考模型响应，海底电场水平分量和垂直分量的无量纲振幅的百分比差异。我们假设噪声底限为10^-14 V/Am^2。请注意，由于在相对于半空间或其他模型进行比率计算时共同参数相互抵消，无量纲振幅的百分比差异与电场的百分比差异本质上是相同的。这再次表明，放置在不同偏移位置的标准电阻圆盘可以从建模的场分量中被检测到。对于Szx和Szz，5%的不确定性水平在图15中表现为振幅的5%。这些模型的响应在可检测范围内。在垂直分量中比在水平分量中更容易区分，但垂直分量的幅度较小。半空间参考模型在大约1000米水平偏移处的垂直电场振幅约为10^-12 V/Am^2（相当于图14b中Szz的约0.1）——使用实际可实现的接收器灵敏度、噪声水平和发射器偶极矩，这仍然是容易检测到的。图15。(a)水平分量和(b)垂直分量在海底的电场，模型响应与半空间参考模型之间的百分比差异，针对电阻盘模型的不同变体，以及钻孔与目标最近边缘的水平偏移范围。偏移源的位置用相应的颜色标记绘制，电阻目标用黑色‘x’标记表示。在靠近模型的情况下，关于电阻目标的横向范围（而不是存在和方向）的信息在很大程度上被源深度相关的场行为所掩盖。然而，在目标距离钻孔较远（700米和1000米）时，电阻目标的横向范围和位置变得更加明显，但在海底响应中仍然不精确。响应显示电阻体已经移动，但无法精确定位。

5.4. 多个堆叠储层目标
我们研究的下一部分调查了不同深度下堆叠储层的情况。为此，我们在模型中包含了两个电阻体，每个电阻体的尺寸和属性都与之前模型的标准电阻盘相同。这些电阻体被横向放置，使得包含发射器的钻孔穿过第一个体的中心，而第二个体的最近边缘从钻孔处偏移700米（因此其中心横向偏移接近1400米）。两个电阻盘被垂直放置，使得它们的中心分别位于海底以下1150米和1350米的深度。对两个VED源深度进行了建模：1150米（在中央的较浅的第一个体内）和1350米（在第一个体下方的第二个体的深度）。
双体模型的响应（图16）与相应源深度的单中心电阻盘模型响应大致相似。等效噪声水平由虚线表示。因此，我们在图17中绘制了双体模型响应与单中心电阻盘模型之间的百分比差异。这些结果表明，即使在中央目标存在的情况下，也可以检测到额外的、更深的偏移目标。然而，当发射器位于两个深度中较浅的中央体内时，对较深目标的敏感性更大，而当发射器位于更深的位置且不在任何电阻体外时则较小。特别是当百分比差异是相对于中央体的响应计算时（图17），这些响应是可以检测和区分的。在Szz的百分比差异图中（图17b）可以更清楚地看到偏移体的位置；然而，很难估计其确切的范围。

5.5. 更深的目标
传统的海底到海底的CSEM调查随着目标深度的增加而逐渐失去对电阻目标的敏感性；敏感性也扩展到更长的源接收器偏移距离。因此，检测到位于海底以下约3公里深度的具有实际且有限横向范围的电阻目标是一个严峻的挑战。为了研究这种情况下sbCSEM的额外价值，我们将钻孔-海底建模扩展到了包括更深的目标。我们重复了整个模型运行，包括多个和偏移目标，目标深度为海底以下3公里。它们的模式与源位于1.1公里深度时的情况相似，但振幅较低，因此这里不再展示。我们仅在图18、图19和图20中展示了3公里深度的偏移和堆叠目标的响应。

5.5.1. 深度为3公里的单一偏移目标
如前所述，对于更深的目标，一个更有用的应用情况是已经钻探到目标深度但由于横向定位错误而未能穿透电阻体的情况。为了研究这种最深目标的情况，我们重复了对之前相同偏移模型的建模，但深度为3公里。标准电阻盘目标放置在400米、700米和1000米的偏移位置。图18和图19分别显示了与半空间模型的水平分量和垂直分量的无量纲振幅及百分比差异。结果与1.1公里深度的偏移模型非常相似。现在的响应幅度较小，但仍处于可检测范围内。例如，在4公里接收器偏移位置处，Szz的值约为0.025，对应于Ezz的振幅约为10^-13 V/Am^2。

5.5.2. 更深的堆叠储层目标
对于深度为3公里的目标，类似于较浅深度（1.1公里和1.3公里）的双体模型进行了建模。这些结果相对于相应的中心电阻盘模型在图20中绘制。尽管振幅较小，但这些响应与1.1公里和1.3公里深度的结果有些相似。假设噪声阈值对应于10^-14 V/Am^2，这些振幅应该是可以检测到的。

5.6. 垂直电磁剖面：VEMP
我们最后的一系列模型模拟了另一种潜在有趣的sbCSEM应用：垂直电磁剖面（VEMP），它是垂直地震剖面（VSP）的CSEM类似物。结果表明，即使在钻孔（或更准确地说，钻孔底部的发射器）到达目标之前至少300-400米处，也可以检测到一个小电阻目标。这种技术的应用可能包括在进入储层之前观察钻头前方的情况，或者改进对储层横向范围的估计，这可能会影响井的转向决策。这一系列模型运行也与某些场景（例如CO2封存项目）相关，在这些场景中，不希望井穿透储层上方的密封层，但需要最高分辨率来获取电阻材料的总量和横向分布信息，用于审计、监测或验证目的。
图21显示了中心电阻盘模型与半空间参考模型之间的百分比差异，用于通过发射器的x-z平面中的无量纲振幅，发射器位于海底以下350米处的覆盖层中[即偶极子的两端位于（0, 0, ?437.5）和（0, 0, ?462.5）]。我们可以清楚地观察到VED源位于?450米的位置，并且它的行为像一个辐射点。我们在电阻目标深度上方略微看到Szx的振幅较高（图21a）。这似乎是一种电流阻挡现象，电阻目标层阻碍了目标内部和上方的垂直电流流动，并倾向于使电流发生水平偏移。这种阻挡和引导电流的行为也可以在Szz的图中观察到（图21b）。

图21显示了中心电阻盘模型与半空间参考模型之间的百分比差异，用于通过位于海底以下350米处的发射器的x-z平面中的水平（a）和垂直（b）电场分量。水层由白色虚线表示。发射器和电阻盘的位置分别用白色标记和白色虚线标记。我们为一系列位于海底以下50米到1450米深度的VED发射器深度的中心电阻盘模型模拟了响应。随着我们在钻孔内上下移动源的位置，辐射中心的位置也随之移动，这是预期之中的。随着源深度的变化，海底Szx的最大积累的横向位置也会发生变化。除了这一点外，与电阻目标相关的电流阻挡和电流引导行为在所有源深度上大致相似。我们没有展示大量类似早期图形的结果图，而是展示了海底响应的水平分量和垂直分量的等高线图。
图22a显示了从海底以下50米到1450米的不同源深度的无量纲振幅Szx的百分比差异的等高线图。响应在目标中心是对称的；因此，只展示了响应的右侧。水平轴对应于水平源-接收器偏移，垂直轴对应于发射器深度。从零深度和零水平偏移（左上角）开始，振幅最初随着源深度的增加而减小。当源位于或接触电阻目标时（大约在海底以下1087米到1212米深度），振幅显著增加。只要VED源的至少一个极点位于电阻目标内部，振幅的增加就会持续。最后，当VED源完全离开目标后，振幅再次突然减小到较低的值。

图22显示了中心电阻盘模型与半空间参考模型之间的百分比差异的等高线图，用于海底的水平（a）和垂直（b）电场分量，作为发射器深度和水平发射器-接收器偏移的函数。电阻盘的位置用白色虚线标记。图22b以相同的方式显示了Szz响应的相应百分比差异。当发射器接触或位于目标体内时，再次观察到振幅的大幅增加。然而，在这种情况下，这种振幅增加的横向范围受到电阻体本身的限制，在电阻体边界之外会出现局部最小值。我们观察到，在中等接收器偏移（大约200到700米）时，调查至少在目标深度之前约300到400米处就能对电阻目标的存在敏感。有趣的是，在这种情况下，位于1162.5米偏移处的接收器对应于Sxz的最大灵敏度，而Szz的最小灵敏度——这一结果可以通过图21中观察到的现象来解释，即当发射器接近目标深度时所出现的情况。这也表明，由于互易性原理，该方法可以通过在钻孔中放置移动源并在海床上放置接收器来实现井下测井，反之亦然。

6. 讨论
我们的三维建模结果表明，海底到钻孔的控制源电磁（sbCSEM）配置对电阻性目标的几何形状和空间分布具有很强的敏感性。与传统的海底到海底的CSEM不同，在钻孔中使用垂直电偶极子（VED）引入了与地下不同的耦合机制，从而增强了对深度电阻率差异的敏感性。从结果中可以得出一个关键观察：海底处电场幅度的空间分布存在系统性变化。特别是，在与发射器深度大致相关的偏移处出现的局部最小值之后的次级最大值，反映了电磁响应中感应效应和几何效应之间的转变。这些特征受到电阻性体存在的强烈影响，并提供了关于它们位置和范围的诊断信息。在电阻性目标存在的情况下，幅度最大值的横向位移进一步表明，sbCSEM响应不仅对目标的存在敏感，也对它们的空间位置敏感。结果还显示，不对称的电阻率分布会在测量响应中产生相应的不对称性。对于钻孔没有直接穿过目标的场景，这种行为尤为重要。能够检测和表征横向偏移的电阻性体表明，sbCSEM可能非常适合用于扩展勘探，即利用现有井来调查周围区域是否存在额外的碳氢化合物聚集或其他电阻性结构。

即使在目标横向尺寸相对较小（几百米量级）的情况下，也能观察到电磁响应的可检测变化。这表明，sbCSEM配置在传统海洋CSEM方法难以处理的条件下仍能保持敏感性，尤其是在浅水环境中，因为空气波效应可能会限制分辨率。结果进一步证明，多个目标和复杂配置可以产生可区分的信号特征，表明其在更真实的地质环境中的潜在适用性。垂直电磁剖面（VEMP）配置的建模为sbCSEM在基于钻孔的应用中的潜力提供了额外的见解。结果表明，电阻性目标可以在直接穿过钻孔之前几百米就被检测到。这种“前瞻”能力在钻井操作期间非常有价值，可以实时改善决策并降低勘探风险。分析中使用无量纲幅度有助于通过减少几何扩散的影响并强调感应效应来简化解释。这种方法突出了导电层中的电流通道作用以及电阻性体对电流的阻挡作用，这两者共同控制了观察到的响应模式。此外，零耦合的切向电场分量对横向电阻率变化具有更高的敏感性，特别是在非轴对称情况下，可能有助于划定目标边界。

噪声和不确定性考虑对于评估该方法的实际适用性至关重要。在本研究中，使用大约10^-14 V/Am2的名义噪声底限和约5%的振幅测量不确定性来评估可检测性。这些值与现代海底电磁（OBEM）接收器在有利条件下的性能大体一致。建模结果表明，在考虑的范围内，预测的响应始终高于这些阈值，表明在实际操作中检测是可行的。然而，实际测量性能将取决于多个额外因素，包括接收器灵敏度、仪器稳定性、定位精度和环境噪声。固定采集几何结构通常提供更稳定和更低噪声的测量结果，而移动源配置可能会引入与导航和时间变化相关的额外不确定性。对于VEMP类型的调查，精确控制发射器深度和测量的重复性对于保持数据质量至关重要。尽管结果令人鼓舞，但仍存在一些局限性。本研究中考虑的模型是有意简化的，背景电阻率是均匀的，目标几何形状也是理想化的。钻孔套管效应可能会显著影响电磁响应，但并未包括在内。此外，分析仅基于正向建模，也没有解决通过反演恢复目标属性的问题。这些因素可能会影响该方法在实际应用中的分辨率和可靠性。

总体而言，结果表明，sbCSEM作为一种补充的地球物理技术，在勘探、评估和监测方面具有巨大潜力。它对小、深和横向偏移的电阻性目标的敏感性，加上基于钻孔的部署潜力，使其在传统方法效果较差的复杂环境中特别具有吸引力。需要进一步的工作来结合真实的地质复杂性、套管效应和基于反演的方法，以全面评估其实际应用。

7. 结论
本研究提出了一个三维建模调查，探讨了海底到钻孔的控制源电磁（sbCSEM）配置在浅水环境中检测电阻性目标的应用。结果表明，与传统的海洋CSEM方法相比，sbCSEM几何配置对小、深和横向偏移的电阻性体具有更高的敏感性。根据互易性原理，源和接收器的位置和方向可以互换。因此，该方法可以在实践中使用海底或略高于海底的HED或VED源，以及一个或多个放置在钻孔中的VED接收器。建模显示，电阻性目标会在海底的电场幅度和空间分布中产生可测量的扰动。特别是，无量纲幅度的变化及其相关的响应不对称性提供了目标存在、位置和横向范围的诊断指标。对于埋藏在大约3公里深度的目标以及与钻孔有显著横向偏移的目标，也可以获得可检测的响应，表明sbCSEM在扩展勘探和水库边界划分方面的潜力。分析进一步强调了测量几何形状和频率选择在平衡分辨率和信号强度方面的作用。使用无量纲幅度有助于通过减少几何扩散来更清晰地解释感应效应，从而提高对地下电阻率差异的敏感性。建模还突出了垂直电磁剖面（VEMP）在检测钻孔前方目标以及改进水库范围估计方面的潜力。零耦合的切向分量在划定目标边界方面提供了额外的潜力。需要进一步的工作来结合真实的地质复杂性、钻孔套管效应和基于反演的分析，以全面评估其实际适用性。