火眼金睛 ——石油的自述?我的傳奇之四

人類(lèi)居住的地球，表層是由巖石圈組成的地殼，而我——石油，億萬(wàn)年來(lái)就一直埋藏于地殼的巖石中，深度可深達(dá)數(shù)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(shù)，這是一種以巖石間物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，以物理方法為手段的勘探技術(shù)，稱(chēng)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

說(shuō)起重力，人們最先想到的是什么？沒(méi)錯(cuò)，就是大科學(xué)家牛頓被蘋(píng)果砸中腦袋的故事。樹(shù)上的蘋(píng)果熟透了落到地上，拋出的物體仍然回到地面，而不會(huì)飛向空中。這種司空見(jiàn)慣的現(xiàn)象通常不會(huì)激發(fā)人們的好奇心。但是牛頓不是一般人，他認(rèn)為地球一定有一種奇異的力在吸引著蘋(píng)果。后來(lái)，牛頓經(jīng)過(guò)大量的天文觀測(cè)和艱苦的探索，終于于1687年總結(jié)出萬(wàn)有引力定律。他解釋了蘋(píng)果落地是因?yàn)榈厍蚺c蘋(píng)果之間有吸引力，也就是人們常說(shuō)的“地心引力”，物理學(xué)上稱(chēng)之為重力。

思考蘋(píng)果的牛頓

重力實(shí)際上是物體與地球之間的引力和地球自轉(zhuǎn)離心力的合力。相對(duì)于引力來(lái)說(shuō)，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(shí)，總是越落越快，產(chǎn)生一種朝向地心的重力加速度。在實(shí)際應(yīng)用中，都是用重力加速度數(shù)值大小來(lái)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?yàn)榈厍蚴莻€(gè)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(jīng)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?zhuān)?911年4月，利比里亞商人哈桑在挪威購(gòu)買(mǎi)了12000噸魚(yú)，一帆風(fēng)順運(yùn)到利比里亞首府蒙羅維亞城后，魚(yú)數(shù)未少，重量卻輕了很多，這顯然是重力同這位商人開(kāi)了一個(gè)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(huì)出現(xiàn)失重現(xiàn)象。一個(gè)體重80千克的人，當(dāng)他乘火箭飛到離地面6370千米的高空時(shí)，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(xiàn)象的奇妙表現(xiàn)。除此之外，人們還了解到地殼內(nèi)部物質(zhì)的密度變化、地表物質(zhì)分布的不均勻性、太陽(yáng)和月亮等天體對(duì)地球的引力作用都會(huì)造成地球重力值的變化。

由此可見(jiàn)，重力和人類(lèi)生活有著非常密切的關(guān)系，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中都有廣泛的應(yīng)用。地球物理學(xué)家在研究地球的形狀和結(jié)構(gòu)、探測(cè)地下不同巖層的性質(zhì)和起伏變化、了解油氣構(gòu)造的特征及其埋藏深度時(shí)，必須利用精確的重力數(shù)據(jù)。

野外重力勘探

當(dāng)我們?nèi)ゲ耸袌?chǎng)買(mǎi)菜時(shí)，商販用秤為我們稱(chēng)取各種食品和蔬菜。也就是說(shuō)，商品的重量是用秤稱(chēng)出來(lái)的。那么，地球的重力能不能“稱(chēng)”出來(lái)呢？

人們?cè)陂L(zhǎng)期的勘探實(shí)踐中了解到地下不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)引起地球重力的變化，比如在一個(gè)大的沉積盆地中，地層的起伏變化、巖體和斷層發(fā)育的規(guī)模和特征等都有不同的重力反映。當(dāng)然，這種變化是非常微小的。為了測(cè)量這種變化，人們根據(jù)力的平衡原理制造出一種儀器——重力儀，它能“稱(chēng)”出地下重力的大小。實(shí)際上，最簡(jiǎn)單的重力儀就像一桿彈簧秤，而且十分靈敏?？碧焦ぷ髡甙凑赵O(shè)計(jì)好的測(cè)點(diǎn)用重力儀在野外逐一觀測(cè)，記錄下每個(gè)測(cè)點(diǎn)的重力值，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行一番處理，然后，把各點(diǎn)的重力值形象地繪成有峰有谷、高低不平的地下“地形圖”?？萍既藛T就可以用它結(jié)合其他資料來(lái)分析研究地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并推斷出哪些地方可能會(huì)存在油氣藏，這就是重力勘探。

20世紀(jì)初，匈牙利物理學(xué)家厄缶發(fā)明了測(cè)定重力變化率的扭秤，并首先在捷克、德國(guó)、埃及和美國(guó)用于尋找油氣藏，且獲得成功。1935年，第一臺(tái)能直接測(cè)出重力差的重力儀正式投入使用。此后，不同類(lèi)型的重力儀也得到迅速的發(fā)展。

磁力勘探

指南針是中國(guó)古代的四大發(fā)明之一。你知道它是根據(jù)什么制造的嗎？沒(méi)錯(cuò)，是磁性。早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，中國(guó)人就知道有一種石頭具有這種特性。到了公元前250年的戰(zhàn)國(guó)末期，中國(guó)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(pán)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(guó)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(jì)，中國(guó)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(guó)人威廉·吉爾伯特進(jìn)行了大量研究，他在1600年通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出，地球本身就是一個(gè)大磁鐵，具有南北不同的極性，并在其周?chē)纬闪说卮艌?chǎng)。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(xiàn)象。磁鐵沒(méi)有跟鐵釘接觸，就能把鐵釘吸了起來(lái)，就是通過(guò)這種看不見(jiàn)、摸不著的傳遞媒質(zhì)——磁場(chǎng)發(fā)生作用的。

地磁場(chǎng)的分布范圍很廣，從地核到地球以外幾萬(wàn)千米的空間都存在。地磁場(chǎng)對(duì)地下巖（礦）石也會(huì)產(chǎn)生作用，可使沒(méi)有磁性的巖（礦）石具有磁性，并形成了自己的磁場(chǎng)，這叫做磁化作用。一些鐵礦山周?chē)嬖诤軓?qiáng)的磁場(chǎng)就是這種磁化作用的結(jié)果。

地球磁力線

其實(shí)，這種現(xiàn)象也早為古人所知。相傳“一代天驕”成吉思汗在率領(lǐng)他的騎兵奔馳在烏蘭察布草原上時(shí)，看見(jiàn)遠(yuǎn)處一座高山，他們快馬加鞭直到山前，卻突然感到駿馬行動(dòng)緩慢，舉蹄艱難，經(jīng)一番催促到了山頂，居然定在了那里。后經(jīng)武士們奮力營(yíng)救，直至鐵馬掌全部脫落，駿馬才恢復(fù)了行動(dòng)自由。成吉思汗拿起烏亮沉甸的礦石，驚訝地稱(chēng)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(shuō)真實(shí)與否無(wú)從考證，但白云鄂博鐵礦確有非常強(qiáng)的磁性，堪稱(chēng)地殼中的一塊大磁鐵了。

人類(lèi)是如何根據(jù)磁性的特征找到礦藏的呢？在實(shí)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(lèi)巖石形成的礦藏和儲(chǔ)油構(gòu)造周?chē)痛嬖谳^強(qiáng)的磁場(chǎng)。同樣，磁場(chǎng)又會(huì)對(duì)一些鐵性物質(zhì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致地下存在磁力異常。人類(lèi)就是根據(jù)地磁的這種特性，早在17世紀(jì)初就想到用羅盤(pán)尋找磁鐵礦了。到了1915年，法國(guó)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(zhì)構(gòu)造和尋找油氣藏中得到了很好的應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們又陸續(xù)研制出精度高、重量輕，甚至能自動(dòng)記錄的重力、磁力儀器，并可適用于不同的工作環(huán)境。如在復(fù)雜的山地、林區(qū)，可以把儀器裝在飛機(jī)上進(jìn)行空中測(cè)量；在浩瀚的大海上，也可把儀器裝在輪船中進(jìn)行勘探，甚至可以把儀器放到海底和鉆井中觀測(cè)。盡管工作場(chǎng)所不同，但它都能探測(cè)出地下的地質(zhì)構(gòu)造，為人們找到更多更豐富的油氣藏和其他礦藏。

中國(guó)于1940年在玉門(mén)油礦進(jìn)行了磁測(cè)試驗(yàn)，1950年成立了第一個(gè)油氣勘探磁力隊(duì)。此后，隊(duì)伍不斷發(fā)展，幾十年來(lái)，磁力勘探配合其他勘探方法，為中國(guó)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(jì)，電機(jī)、電話、電燈三大發(fā)明促使人類(lèi)實(shí)現(xiàn)電氣化?，F(xiàn)在，世界進(jìn)入信息時(shí)代，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域都離不開(kāi)電。電也能用于找礦。借助于地表的巖石具有導(dǎo)電性能的特征，當(dāng)我們?cè)诘孛嫔蟽牲c(diǎn)通入直流電，地下立即會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)。如果地下的導(dǎo)電性是均勻的，電流線的分布就是規(guī)則的；如果地下埋藏著導(dǎo)電性與周?chē)鷰r石不同的礦體，電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生扭曲。人們通過(guò)分析地下電場(chǎng)的變化就可以發(fā)現(xiàn)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(gè)導(dǎo)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(zhì)巖和火成巖的電阻率較高，通過(guò)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(tài)。砂巖是很好的儲(chǔ)層，當(dāng)電阻率高的石油侵入后，就會(huì)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(guān)的地質(zhì)信息。

中國(guó)大多數(shù)盆地都開(kāi)展過(guò)電法勘探工作，應(yīng)用電法勘探結(jié)果不僅可以對(duì)盆地進(jìn)行構(gòu)造研究，還可以圈定油氣有利富集區(qū)，為油氣勘探作出積極貢獻(xiàn)。隨著電法勘探方法的更新、儀器精度的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，電法勘探能解決的地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越多，已成為探測(cè)油氣藏不可缺少的手段。

沙漠電法勘探

地震勘探

有史以來(lái)，古今中外發(fā)生過(guò)大大小小不勝枚舉的地震，給人類(lèi)的生命、財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大災(zāi)害。幾千年來(lái)，人們不斷地研究這種地質(zhì)現(xiàn)象。公元前1177年，中國(guó)就有關(guān)于地震的記載，是世界上最早記載地震的國(guó)家。公元132年，東漢時(shí)期杰出的科學(xué)家張衡制造出世界上第一臺(tái)觀測(cè)地震的候風(fēng)地動(dòng)儀，儀器設(shè)在洛陽(yáng)，曾記錄到發(fā)生在千里之外的甘肅地震。這臺(tái)儀器觀測(cè)地震的成功是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地震的開(kāi)始。

用地震儀器將天然地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的地震波記錄下來(lái)之后，地震學(xué)家用這些資料就可以推斷災(zāi)區(qū)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖石性質(zhì)。如今地震勘探工作者就是利用地震波來(lái)研究地下巖石性質(zhì)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(shí)產(chǎn)生的地震波，而是用人工制造的、可移動(dòng)的、可控制振動(dòng)能量的地震波。用人工制造的地震波進(jìn)行的地質(zhì)探測(cè)叫作地震勘探。

地震勘探工作是一個(gè)系統(tǒng)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(jìn)行的，之后將野外采集的資料帶回室內(nèi)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行資料處理加工，提取有用信息，然后再由石油物探專(zhuān)家和地質(zhì)專(zhuān)家根據(jù)處理后的資料所提供的信息及其他有關(guān)資料研究地下地質(zhì)形態(tài)、巖石性質(zhì)，并找出有利于油氣儲(chǔ)存的場(chǎng)所，提供鉆探井位。根據(jù)震源激發(fā)出的振動(dòng)（也稱(chēng)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(shí)，將一粒石子投入湖中，平靜的湖面在激起浪花的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生向四周傳播的波紋。水波傳到對(duì)岸或遇到障礙物時(shí)，又會(huì)掉轉(zhuǎn)頭來(lái)反向傳播。又如站在山前喊話，頃刻間會(huì)聽(tīng)到山那邊傳過(guò)來(lái)自己的聲音。以上現(xiàn)象是因?yàn)樗ê吐暡ㄔ趥鞑r(shí)遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射的緣故。與此相似，如果我們?cè)陔x震源較近的若干接收點(diǎn)上布置檢波器，就可以測(cè)出地震波從震源出發(fā)向地下傳播遇到不同地層界面時(shí)反射回來(lái)的地震波及其依次回到地面各檢波點(diǎn)的傳輸時(shí)間，反射回來(lái)的時(shí)間的不同代表了淺、中、深地層在地下的埋藏深度的不同，運(yùn)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(jù)的原理。

小貼士：地震檢波器是用于地質(zhì)勘探和工程測(cè)量的專(zhuān)用傳感器，是一種將地面振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)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(shù)般地變折了？從水中取出筷子仍然是直的，這種奇怪現(xiàn)象可能大家都曾見(jiàn)到過(guò)，這就是光的折射現(xiàn)象。現(xiàn)在讓我們看一看如何進(jìn)行折射波法地震勘探。炸藥爆炸后，激發(fā)的地震波向四面八方傳播，遇到地層分界面時(shí)，除有一部分反射波返回地面外，還有一部分地震波透過(guò)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?zhèn)鞑サ牡卣鸩ㄒ矔?huì)返回地面，這種地震波叫折射波。通過(guò)接收這種波來(lái)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(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)分別放在地質(zhì)體的兩側(cè)，直接接收透過(guò)地質(zhì)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(yīng)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(dāng)我們拉伸或壓縮彈簧的時(shí)候，彈簧會(huì)沿著用力的方向振動(dòng)，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(shí)，橡皮筋的每一點(diǎn)呈上、下運(yùn)動(dòng)，看上去好像有個(gè)波沿皮筋方向傳播，這種波叫橫波?？v波和橫波有先后相繼發(fā)生的現(xiàn)象。發(fā)生天然地震時(shí)，人們可能有這種感受，首先感到地面上下振動(dòng)，這是垂直地面振動(dòng)的、傳播速度較快的縱波首先到達(dá)造成的；過(guò)后又會(huì)感到左右搖晃，這是平行地面振動(dòng)的、傳播速度較慢的橫波接踵而來(lái)造成的。地震勘探可用縱波進(jìn)行勘探，也可用橫波進(jìn)行勘探。二者相同之處是均為用人工方法激發(fā)地震波，又都是接收由地下反射回來(lái)傳到地面的波。所不同的是激發(fā)和接收地震波的形式不同，各有其專(zhuān)門(mén)的震源和接收器。

不同維度的地震勘探

人類(lèi)生活的空間有一維、二維、三維和多維之說(shuō)，地震勘探也是如此。地震勘探中的一維勘探是觀測(cè)一個(gè)點(diǎn)的地下情況；二維勘探是觀測(cè)一條線下面的地下情況；三維勘探是觀測(cè)一塊面積下面的地下情況；若在同一地區(qū)不同時(shí)間重復(fù)做三維地震勘探，則可稱(chēng)之為四維地震勘探。四維堪探是觀測(cè)同一塊面積下不同時(shí)間的地下變化情況。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)和達(dá)到的目的不同，可采用不同維度的勘探方法。

那么，怎樣進(jìn)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(diǎn)直接傳到檢波器的時(shí)間，借此可以確定各個(gè)地層的深度和厚度。

如何實(shí)現(xiàn)二維地震勘探呢？將多個(gè)檢波器與炮點(diǎn)按一定的規(guī)則沿直線（稱(chēng)測(cè)線）排列，在測(cè)線上打井、放炮和接收。采集完一條測(cè)線再采集另一條測(cè)線。最后得出反映每條測(cè)線垂直下方地層變化情況的剖面圖。這種方法從20世紀(jì)20年代初期開(kāi)始使用直至今天。

如果你想看地下物體真實(shí)的立體圖像就需要做三維地震勘探。它是由二維地震發(fā)展來(lái)的。三維地震主要在地下條件更復(fù)雜的地區(qū)或地表難以進(jìn)行二維地震勘探的地區(qū)采用；另外，在已發(fā)現(xiàn)油田的地方，為優(yōu)化油田的勘探開(kāi)發(fā)方案可進(jìn)行三維地震勘探。三維與二維的主要差別是激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)的相對(duì)位置不同。二維地震要求炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)沿同一直線；而三維地震則是將多道（必要時(shí)可達(dá)上千道、上萬(wàn)道）檢波器布成十字狀、方格狀、環(huán)狀或線束狀等，炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)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(zhì)量，提高信號(hào)的清晰度和分辨率，從而提高解決地質(zhì)問(wèn)題的能力，能把油氣田的位置確定得更準(zhǔn)確。由于三維地震最后得到的是一組立體的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)體就能給出地層的立體圖像（三維立體圖）。同時(shí)，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(dòng)畫(huà)，人們就能像看電影一樣來(lái)解釋地下地質(zhì)情況，既省時(shí)省力，又精確。這種方法在20世紀(jì)70年代一經(jīng)提出就得到了廣泛應(yīng)用。

四維地震勘探始于20世紀(jì)90年代初，是三維地震的延續(xù)。它要求在同一塊工區(qū)不同時(shí)間（可能相隔幾個(gè)月或幾年，時(shí)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(jìn)行比較。猶如將人物傳記的立體電影一幀幀放一遍，細(xì)看每幀之間的不同就可以看出人物的成長(zhǎng)過(guò)程。用這種方法研究油氣田開(kāi)采前后三維資料間的差異就能得出油田的開(kāi)采情況，找出尚未開(kāi)采或漏采的剩余油區(qū)，達(dá)到少鉆井、低成本、多采油的目的。這種方法給石油開(kāi)采商帶來(lái)很大經(jīng)濟(jì)利益，因此，他們都愿意開(kāi)展四維地震觀測(cè)。

作者：馬新福