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聊聊海洋找油与南海油气勘探(三) (1643 查看)
发布: 愚人+
日期: October 31, 2014 06:57PM

  (三)石油地球物理勘探

一、石油地球物理勘探是地球物理勘探的技术之一。当代地球物理勘探已经发展了不少手段,主要原理就是使用当代物理技术来查明埋藏在地面以下物质结构和性质的信息,其中之一就是用来找矿,其他也应用到建筑,包括大型建筑,如修建水坝,或者地震预测上。由于石油作为一种矿藏的特殊性,以及它一般埋藏深度不小这一特征,因此石油物理勘探技术又与其它矿物探寻的技术有所区别。

地球物理勘探技术包括了电法、磁法、重力法、放射性法,以及卫星遥感(包括有红外线遥感和可见光遥感)等。它们都是针对特定一类矿物的方法,例如电法,适用于地下浅层水资源的勘探;磁法,适用于某些具有磁性的金属矿藏,例如铁镍等矿的勘探;放射性法,适用于放射性矿物;重力法,适用于某些比重较大的金属矿物的勘探。这些手段都要求矿物埋藏在地面下深度较浅的地层里。

然而对于埋藏深度较深的石油来说,上述方法都无能为力。几十年来,用于石油物理勘探的手段主要是地震波法,目前这个基本手段尚未被突破。

二、地震波法。地震波法的原理是很简单的,它采用人工爆炸,产生机械波,沿着地层深度传播。当地震波遇到一些质地相对坚密的岩石层后,部分被其反射回到地面,地面通过布线,在一定距离内布满机械波接收器(检波器),然后机械波接收器把接收到的机械振动变成电信号,再沿着电缆线被输送到一个电子放大器里。这个放大器通过把来自不同位置的检波器的信号记录在照相纸上。由于各检波器位置不同,因此接收到的信号与自反射层点上的时间不同,在根据波速和双曲线归位计算,可以把波前到达时间折算成地面距离反射点的深度。这样,把不同位置(实际上在地面上连成一条线,称为剖面线)波前在照相纸上连接起来,遂形成了一条地下岩层的深度线。当然,地震波并非被一层岩石层全部反射,它还要继续穿透到纵深深度,继续被下面的岩层反射上来,因此也一样可以在照相纸上形成下面的地层,只不过由于机械波受到相当大的岩石的阻尼,因此衰减很快,如果使用一般收音机或电视机的信号放大器,后面的地层反射信号是无法读出的,实在太微弱了。因此地震波放大器要求相当大的灵敏度,又同时要求相当强大的自动增益控制,它强力地压制初到的强波,又强力地抬高后到的弱波,要知道,强波和弱波的信号强度相差达几十分贝!

早期地震波法得到的一条剖面线长度可达几十公里(一般是逐渐延长爆炸点,连续布置剖面线接收地震信号)。使用几十公斤高爆炸力炸药制造地震波。这样,将若干张接收到的照相纸拼接起来,就可以大致看出方圆几十公里地下岩层的空间形态了。要知道的是,早期的方法所得到的是二维剖面,只能看出岩层在地下一个横截面的形态,如果还要看与它垂直的横截面的形态,那就要在地面另外布置一个剖面布线,这根布线与前面的布线呈直交。

目前的先进技术是,布置剖面线不再是我在野外工作时的单线了,而是一开始便布置网状测线,于是归位后的地层图是三维图。

然后,技术进展到不再使用照相纸来表现地层,放大器采用数字接收,因而动态增益提高得很大,且不再人工用尺子在照相纸上测点计算,而是采用自动数字归位,这就避免了人眼和操作的误差。

不要小看这么简单的原理,什么技术说穿了似乎都很简单,但一应用到实践上,就变得麻烦了。比如银行的财会,也就是四则运算吧?可是成千上万的用户的账目的统计就变得极其复杂了。地震信号处理也一样,当接收到地震波信号以后,尤其采用精细的数字表达,数据量十分海量,人工实际上是无法胜任的。举个例子,七十年代末期,北大制造的当时中国运算最快的数字计算机150号,首批问世以后,就服务于三个领域:核爆炸计算、地震波归位和滤波计算、气象数据的计算。

三、进一步介绍地震波法。地震波法是人类目前唯一可以用来看到距离地面深度达几十公里地壳结构的方法,如果适当增加爆炸强度,甚至可以用来窥测地幔和地核部分性质(中科院地球物理所在七十年代末期在青藏高原使用大质量炸药探寻青藏高原深层结构和地幔形态)。但是,地震波法却存在很多问题,有些已经得到解决,有些一直没有进展。

第一,滤波问题,地震波沿着地层深度传播并反射的过程里,会出现各种各样的干扰,这些干扰包括了沿地面传播的表面波,以及地震波在地层各种形态下不可避免出现的二次反射和多次反射波,以及散射干扰。因此首要任务是滤波,以提高信噪比。地震波接收到的主频范围在28赫兹到56赫兹之间,早期的滤波技术采用门式滤波器,把不在这个范围内的杂波干扰一并滤掉。这个原理的问题是,也相应损失了有用信号的一部分。数字处理时采用了快速福式变换和反福式变换,进一步滤波技术也用到了地震波信号上,如已经采用了随机统计预测的卡尔曼滤波。

其次,针对波传播过程里在复杂地层结构下的折射(例如透镜现象)和散射,已经有专门的计算方法,消除波前归位里出现的距离误差。

三十年前,我最感兴趣的前景,就是试图利用非线性波动方程里的“孤立子”现象(此孤立子现象也在实践上被观察到),人工制造具有孤立子形状的地面震源,这个孤立子地震脉冲将较少衰减地到达地壳深度,不知这个构想现在实现得怎样了?

有一个最令人振奋的地震波技术,就是直接从波形看出地下构造里是否有油气水的信息。上面我已经说了,地震波法的目的就是通过剖面,寻找地下可能储油构造。我们知道,大量富集的油气储藏总是装在(穹隆)构造里,我们在日益先进的地震波数字技术下纵然可以较准确地复原地层在地下的形态,甚至可以看到构造的破坏情况(一般说来,如果构造被后来的地壳力破坏了,在剖面的构造形态上会出现杂乱的波形,但由于破坏处的乱反射,所以常常无法看见到底破坏成什么样子)。所以即使就算构造已经发现了,我们仍然无法确定构造里储存了油气没有?这种情况下,一般就是确定构造的地面位置和深度,找一个点打钻,以确定是否有油气储藏,此种钻井不是采油井,而被称为探井。一般地球物理勘探队都有普查探井队与之配合。很少听说在没有详细地震波勘探资料的情况下去打探井的,因为钻井费钱又费时(一个超深钻井的柴油发动机有三层楼房高,开动起来后方沿二十公里范围都会听见它的吼叫),一般打一口千米钻井至少要半年以上,这就是我为什么判定中海油981纯粹是政治肌肉做戏,今天外交部的解释什么发现了油气显示骗不过我的原因。

所以早就有科学家设想直接从接收到的反射信号上直接判断是否构造里有油气储藏。这个设想很诱人,因为它非常快,也节省了大量徒劳无功,耗资巨大的探井调查。

但是,由于至今科学家尚不能知道地下岩层的质量与地震波接触后对波形影响的因素,所以进展不大。想一想:为什么我们不能从脑电波里准确分析出人类思维?这个困难性类似于从地震波形里读出岩石性质一样,

把问题可以弱化到更简单的要求,亦即仅仅考虑多孔隙,富含石油的“泡沫”型沉积岩在收到地震波冲击后,其反射波回出现什么样的畸变?即使这个问题也无法先从材料力学的角度上从理论上事先预测,有之,大约是预言一种含油岩石对波的阻尼,使之变得“圆润”了。但造成这一现象却不是单因素的,也有可能是地下含水岩层对波起到同样作用。而事实上,储油构造里假如有油,则一般分为上中下三层,分别是水、油、气,这种混合方式对从地震波形上判断是否有油制造了困难。我在研究所的时候,读过一篇国外论文,上面说有一个实验的确发现一个已知油气构造里的水和油在波形上的迹象。有一个办法实现这一猜想就是建设一个实验室,这个实验室里用各种不同岩石的物质分层,分构造和非构造做个微型地层模型,然后使用超声波代替爆炸波,去研究岩层性质与机械波之间接触后的关系。我在的时候,国家有关单位正在模拟实施这个实验室。又几十年过去了,不知道实验方法有否实质上的突破,我猜还没有,原因我以为,除了前年提出的问题以外,可能是超声波(频率很高)的频率与低频地震波对岩石的作用有较大差异。

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