世界熱推薦：火眼金睛 ——石油的自述?我的傳奇之四

人類居住的地球，表層是由巖石圈組成的地殼，而我——石油，億萬年來就一直埋藏于地殼的巖石中，深度可深達數千米，眼看不到，手摸不著，所以，想找到我首先需要搞清地下巖石的情況。這就需要用到地球物理勘探技術，這是一種以巖石間物理性質差異為基礎，以物理方法為手段的勘探技術，稱得上找油找氣的“火眼金睛”，主要包括重力勘探、電法勘探、地震勘探。

重力勘探

【資料圖】

說起重力，人們最先想到的是什么？沒錯，就是大科學家牛頓被蘋果砸中腦袋的故事。樹上的蘋果熟透了落到地上，拋出的物體仍然回到地面，而不會飛向空中。這種司空見慣的現象通常不會激發人們的好奇心。但是牛頓不是一般人，他認為地球一定有一種奇異的力在吸引著蘋果。后來，牛頓經過大量的天文觀測和艱苦的探索，終于于1687年總結出萬有引力定律。他解釋了蘋果落地是因為地球與蘋果之間有吸引力，也就是人們常說的“地心引力”，物理學上稱之為重力。

思考蘋果的牛頓

重力實際上是物體與地球之間的引力和地球自轉離心力的合力。相對于引力來說，離心力十分微弱，即使在離心力最大的赤道上，它也只是地球引力的1/300，所以，重力基本上就是地球的引力。由于重力的作用，物體從高處下落時，總是越落越快，產生一種朝向地心的重力加速度。在實際應用中，都是用重力加速度數值大小來表示重力的大小。

那么，地球上的重力（重力加速度）是否處處一樣呢？不是的，因為地球是個橢球體，兩極稍扁平，赤道略突出。離心力從赤道到兩極逐漸減少，因而地面上重力便隨著緯度的增高而變大。已經證明，在赤道重力最小，在兩極重力最大，它們的比值為99.5∶100，這就能夠解釋，1911年4月，利比里亞商人哈桑在挪威購買了12000噸魚，一帆風順運到利比里亞首府蒙羅維亞城后，魚數未少，重量卻輕了很多，這顯然是重力同這位商人開了一個大玩笑。

重力不但隨緯度變化而變化，而且隨高度增加而減小，物體到了一定高度以后，就會出現失重現象。一個體重80千克的人，當他乘火箭飛到離地面6370千米的高空時，他的體重就只有20千克了。所以我們看到太空中的宇航員在飛船里輕松自如地游弋，正是失重現象的奇妙表現。除此之外，人們還了解到地殼內部物質的密度變化、地表物質分布的不均勻性、太陽和月亮等天體對地球的引力作用都會造成地球重力值的變化。

由此可見，重力和人類生活有著非常密切的關系，在科學研究和生產實踐中都有廣泛的應用。地球物理學家在研究地球的形狀和結構、探測地下不同巖層的性質和起伏變化、了解油氣構造的特征及其埋藏深度時，必須利用精確的重力數據。

野外重力勘探

當我們去菜市場買菜時，商販用秤為我們稱取各種食品和蔬菜。也就是說，商品的重量是用秤稱出來的。那么，地球的重力能不能“稱”出來呢？

人們在長期的勘探實踐中了解到地下不同地質結構會引起地球重力的變化，比如在一個大的沉積盆地中，地層的起伏變化、巖體和斷層發育的規模和特征等都有不同的重力反映。當然，這種變化是非常微小的。為了測量這種變化，人們根據力的平衡原理制造出一種儀器——重力儀，它能“稱”出地下重力的大小。實際上，最簡單的重力儀就像一桿彈簧秤，而且十分靈敏。勘探工作者按照設計好的測點用重力儀在野外逐一觀測，記錄下每個測點的重力值，利用計算機進行一番處理，然后，把各點的重力值形象地繪成有峰有谷、高低不平的地下“地形圖”。科技人員就可以用它結合其他資料來分析研究地下的地質結構，并推斷出哪些地方可能會存在油氣藏，這就是重力勘探。

20世紀初，匈牙利物理學家厄缶發明了測定重力變化率的扭秤，并首先在捷克、德國、埃及和美國用于尋找油氣藏，且獲得成功。1935年，第一臺能直接測出重力差的重力儀正式投入使用。此后，不同類型的重力儀也得到迅速的發展。

磁力勘探

指南針是中國古代的四大發明之一。你知道它是根據什么制造的嗎？沒錯，是磁性。早在春秋戰國時期，中國人就知道有一種石頭具有這種特性。到了公元前250年的戰國末期，中國人用天然磁石做成湯匙狀，然后放在刻有方位文字的光滑銅盤上，用它指示方向，這就是世界上最早的指南針——“司南”。大約在公元838年，中國首先把指南針用于航海，而且在其他方面，指南針的使用也非常盛行。直到公元12世紀，中國的指南針才由阿拉伯商人傳到歐洲。

指南針傳入歐洲以后，英國人威廉·吉爾伯特進行了大量研究，他在1600年通過實驗提出，地球本身就是一個大磁鐵，具有南北不同的極性，并在其周圍形成了地磁場。這就解釋了指南針一端指向地磁南極，另一端指向地磁北極的現象。磁鐵沒有跟鐵釘接觸，就能把鐵釘吸了起來，就是通過這種看不見、摸不著的傳遞媒質——磁場發生作用的。

地磁場的分布范圍很廣，從地核到地球以外幾萬千米的空間都存在。地磁場對地下巖（礦）石也會產生作用，可使沒有磁性的巖（礦）石具有磁性，并形成了自己的磁場，這叫做磁化作用。一些鐵礦山周圍存在很強的磁場就是這種磁化作用的結果。

地球磁力線

其實，這種現象也早為古人所知。相傳“一代天驕”成吉思汗在率領他的騎兵奔馳在烏蘭察布草原上時，看見遠處一座高山，他們快馬加鞭直到山前，卻突然感到駿馬行動緩慢，舉蹄艱難，經一番催促到了山頂，居然定在了那里。后經武士們奮力營救，直至鐵馬掌全部脫落，駿馬才恢復了行動自由。成吉思汗拿起烏亮沉甸的礦石，驚訝地稱贊“白云博格都，白云博格都！”（意思是：“寶山啊，寶山！”）。雖然白云鄂博鐵礦吸掉成吉思汗馬掌的傳說真實與否無從考證，但白云鄂博鐵礦確有非常強的磁性，堪稱地殼中的一塊大磁鐵了。

人類是如何根據磁性的特征找到礦藏的呢？在實際中，最容易被磁化的是含有鐵磁性礦物的巖石，所以，在這類巖石形成的礦藏和儲油構造周圍就存在較強的磁場。同樣，磁場又會對一些鐵性物質產生影響，導致地下存在磁力異常。人類就是根據地磁的這種特性，早在17世紀初就想到用羅盤尋找磁鐵礦了。到了1915年，法國人施密特制造了精度較高的磁秤，并在圈定磁性巖體、研究地質構造和尋找油氣藏中得到了很好的應用。

隨著科學技術的不斷發展，人們又陸續研制出精度高、重量輕，甚至能自動記錄的重力、磁力儀器，并可適用于不同的工作環境。如在復雜的山地、林區，可以把儀器裝在飛機上進行空中測量；在浩瀚的大海上，也可把儀器裝在輪船中進行勘探，甚至可以把儀器放到海底和鉆井中觀測。盡管工作場所不同，但它都能探測出地下的地質構造，為人們找到更多更豐富的油氣藏和其他礦藏。

中國于1940年在玉門油礦進行了磁測試驗，1950年成立了第一個油氣勘探磁力隊。此后，隊伍不斷發展，幾十年來，磁力勘探配合其他勘探方法，為中國各大沉積盆地的油氣勘探立下了汗馬功勞。

電法勘探

19世紀，電機、電話、電燈三大發明促使人類實現電氣化。現在，世界進入信息時代，工業、農業、國防及日常生活的各個領域都離不開電。電也能用于找礦。借助于地表的巖石具有導電性能的特征，當我們在地面上兩點通入直流電，地下立即會形成一個電場。如果地下的導電性是均勻的，電流線的分布就是規則的；如果地下埋藏著導電性與周圍巖石不同的礦體，電場就會發生扭曲。人們通過分析地下電場的變化就可以發現礦體的存在，這就是人工電法勘探的基本思想。

研究表明，地球是一個導電體，各巖層的電性（電阻率、極化率等）存在差異，沉積巖的電阻率一般較低，變質巖和火成巖的電阻率較高，通過電法能較容易地確定沉積盆地范圍、沉積巖厚度及其起伏形態。砂巖是很好的儲層，當電阻率高的石油侵入后，就會形成高阻層或高阻異常體，這就為尋找油氣提供了電性異常以及有關的地質信息。

中國大多數盆地都開展過電法勘探工作，應用電法勘探結果不僅可以對盆地進行構造研究，還可以圈定油氣有利富集區，為油氣勘探作出積極貢獻。隨著電法勘探方法的更新、儀器精度的提高和計算機技術的進步，電法勘探能解決的地質問題越來越多，已成為探測油氣藏不可缺少的手段。

沙漠電法勘探

地震勘探

有史以來，古今中外發生過大大小小不勝枚舉的地震，給人類的生命、財產帶來極大災害。幾千年來，人們不斷地研究這種地質現象。公元前1177年，中國就有關于地震的記載，是世界上最早記載地震的國家。公元132年，東漢時期杰出的科學家張衡制造出世界上第一臺觀測地震的候風地動儀，儀器設在洛陽，曾記錄到發生在千里之外的甘肅地震。這臺儀器觀測地震的成功是人類認識地震的開始。

用地震儀器將天然地震發生時產生的地震波記錄下來之后，地震學家用這些資料就可以推斷災區地下地質結構和巖石性質。如今地震勘探工作者就是利用地震波來研究地下巖石性質并尋找石油和天然氣的。所不同的是，他們不是利用天然地震時產生的地震波，而是用人工制造的、可移動的、可控制振動能量的地震波。用人工制造的地震波進行的地質探測叫作地震勘探。

地震勘探工作是一個系統工程，包括地震資料采集、地震資料處理、地震資料解釋。地震資料采集是在野外進行的，之后將野外采集的資料帶回室內用計算機進行資料處理加工，提取有用信息，然后再由石油物探專家和地質專家根據處理后的資料所提供的信息及其他有關資料研究地下地質形態、巖石性質，并找出有利于油氣儲存的場所，提供鉆探井位。根據震源激發出的振動（也稱地震波）向四周傳播的波型特征，地震勘探可分為三種基本方法，它們是反射波法、折射波法、透射波法。

野外地震布線

（1）反射波法。日常生活中大家可能都有這樣的感受，在湖邊玩耍時，將一粒石子投入湖中，平靜的湖面在激起浪花的同時，還會產生向四周傳播的波紋。水波傳到對岸或遇到障礙物時，又會掉轉頭來反向傳播。又如站在山前喊話，頃刻間會聽到山那邊傳過來自己的聲音。以上現象是因為水波和聲波在傳播時遇到障礙物會發生反射的緣故。與此相似，如果我們在離震源較近的若干接收點上布置檢波器，就可以測出地震波從震源出發向地下傳播遇到不同地層界面時反射回來的地震波及其依次回到地面各檢波點的傳輸時間，反射回來的時間的不同代表了淺、中、深地層在地下的埋藏深度的不同，運用這些微小差異就能直觀地反映出地層的起伏變化。這就是反射波法地震勘探所依據的原理。

小貼士：地震檢波器是用于地質勘探和工程測量的專用傳感器，是一種將地面振動轉變為電信號的傳感器。

（2）折射波法。如果將一根筷子插入盛水的玻璃杯中，咦！筷子入水后魔術般地變折了？從水中取出筷子仍然是直的，這種奇怪現象可能大家都曾見到過，這就是光的折射現象。現在讓我們看一看如何進行折射波法地震勘探。炸藥爆炸后，激發的地震波向四面八方傳播，遇到地層分界面時，除有一部分反射波返回地面外，還有一部分地震波透過分界面并沿著該分界面在下面地層中傳播。在一定條件下，這種沿分界面傳播的地震波也會返回地面，這種地震波叫折射波。通過接收這種波來分析地層情況的方法就叫折射波法地震勘探。

（3）透射波法。如果我們將激發點和接收點分別放在地質體的兩側，直接接收透過地質體的波，這種勘探方法叫透射波法地震勘探。目前，反射波法應用最廣，折射波法次之，透射波法只作為輔助手段。

縱波與橫波。當我們拉伸或壓縮彈簧的時候，彈簧會沿著用力的方向振動，這是縱波。如果我們將橡皮筋的一端綁在柱子上，沿水平方向拉直，然后向上拉其另一端后突然松手。這時，橡皮筋的每一點呈上、下運動，看上去好像有個波沿皮筋方向傳播，這種波叫橫波。縱波和橫波有先后相繼發生的現象。發生天然地震時，人們可能有這種感受，首先感到地面上下振動，這是垂直地面振動的、傳播速度較快的縱波首先到達造成的；過后又會感到左右搖晃，這是平行地面振動的、傳播速度較慢的橫波接踵而來造成的。地震勘探可用縱波進行勘探，也可用橫波進行勘探。二者相同之處是均為用人工方法激發地震波，又都是接收由地下反射回來傳到地面的波。所不同的是激發和接收地震波的形式不同，各有其專門的震源和接收器。

不同維度的地震勘探

人類生活的空間有一維、二維、三維和多維之說，地震勘探也是如此。地震勘探中的一維勘探是觀測一個點的地下情況；二維勘探是觀測一條線下面的地下情況；三維勘探是觀測一塊面積下面的地下情況；若在同一地區不同時間重復做三維地震勘探，則可稱之為四維地震勘探。四維堪探是觀測同一塊面積下不同時間的地下變化情況。根據地質任務和達到的目的不同，可采用不同維度的勘探方法。

那么，怎樣進行一維地震勘探呢？將檢波器由深至淺放在井中不同深度，每改變一次深度在井口放一炮，記錄地震波由炮點直接傳到檢波器的時間，借此可以確定各個地層的深度和厚度。

如何實現二維地震勘探呢？將多個檢波器與炮點按一定的規則沿直線（稱測線）排列，在測線上打井、放炮和接收。采集完一條測線再采集另一條測線。最后得出反映每條測線垂直下方地層變化情況的剖面圖。這種方法從20世紀20年代初期開始使用直至今天。

如果你想看地下物體真實的立體圖像就需要做三維地震勘探。它是由二維地震發展來的。三維地震主要在地下條件更復雜的地區或地表難以進行二維地震勘探的地區采用；另外，在已發現油田的地方，為優化油田的勘探開發方案可進行三維地震勘探。三維與二維的主要差別是激發點與接收點的相對位置不同。二維地震要求炮點和檢波點沿同一直線；而三維地震則是將多道（必要時可達上千道、上萬道）檢波器布成十字狀、方格狀、環狀或線束狀等，炮點與檢波點在同一塊面積上，形成以面積形狀接收由地下返回地面的地震波。其效果可以大大改善記錄質量，提高信號的清晰度和分辨率，從而提高解決地質問題的能力，能把油氣田的位置確定得更準確。由于三維地震最后得到的是一組立體的數據，根據這個數據體就能給出地層的立體圖像（三維立體圖）。同時，也可以給出由淺至深，一層層的水平切片圖，將這些圖制成動畫，人們就能像看電影一樣來解釋地下地質情況，既省時省力，又精確。這種方法在20世紀70年代一經提出就得到了廣泛應用。

四維地震勘探始于20世紀90年代初，是三維地震的延續。它要求在同一塊工區不同時間（可能相隔幾個月或幾年，時間為第四維）用相同的采集和處理方法將所得到的三維地震勘探成果進行比較。猶如將人物傳記的立體電影一幀幀放一遍，細看每幀之間的不同就可以看出人物的成長過程。用這種方法研究油氣田開采前后三維資料間的差異就能得出油田的開采情況，找出尚未開采或漏采的剩余油區，達到少鉆井、低成本、多采油的目的。這種方法給石油開采商帶來很大經濟利益，因此，他們都愿意開展四維地震觀測。

作者：馬新福

標簽： 地震勘探 電法勘探 折射波法