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大地电磁法在石油勘探中的应用

2018-7-27 9:04:08 来源:中国矿业报 作者:徐馨远

对于我们所居住的地球,人类始终没有放弃对它的探索,而且随着科技的逐渐发展。地球的“身体”太过庞大,无法将地球全部塞进一个检查仪器中。因此,通过不同的物理方法对地球的不同性质进行探测,进而对地球内部进行探索,是较好的方法。常用的地球物理勘探手法有重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探法和测井勘探法。

地球是个大电球?

早在19世纪,人们就观测到在固体地球表层、大气和海洋中都有电流流动,这种天然的电场被称为大地电场。地球本身可以近似看作一个偶极子,而太阳无时无刻不在向外“刮”出太阳风,即超声速等离子体带电粒子流,地球的偶极磁场因不能穿过太阳风而发生畸变,在导电的电离层中形成很强且变化迅速的电流,这些电流主要集中在靠近地极70°纬度带附近。由于大地电磁场源相对于目标地质体可以认为是无限大,因此可将其视为平面波。这种平面电磁波在铅直方向上穿透地层的过程中,由于地质体间导电性、导磁性、介电性的差异,会在导电地层内激发出涡旋电流。

再加上雷电等因素的作用,地球上空将分布一个区域性乃至全球性的天然交变电磁场,其频率范围很宽,不同频率的电磁波相互叠加在一起,形成一个非常复杂的电磁振动。这一来自空中的交变电磁波入射到地下时,一部分被介质吸收,另一部分反射在地表形成含有地下介质电性特征信息的电磁场。

大地电磁法是什么?

大地电磁法就是以上述天然交变电磁场为场源来研究地球内部典型结构的一种重要的地球物理手段,是电法勘探的分支。

当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导线内部实际上电流较小,结果导致导体的电阻增加,这种现象叫做趋肤效应。而当交变磁场在地下介质中传播时,由于趋肤效应的作用,频率越高,导体的有效电阻会越大,探测深度越小,因此不同频率的信号具有不同的穿透深度。在地面上观测不同频率的大地电磁场分量,即可获取不同深度范围的电阻率信息。

大地电磁法于20世纪50年代初,由前苏联学者Tikhonov和法国学者Cagniard分别提出。20世纪五六十年代,我国开始展开对大地电磁法的研究,原地质部和石油部利用前苏联的电测站,在我国各大盆地开展了大量的垂向电测深的普查和勘探工作,为我国石油勘探的进一步部署起到了重要作用。由于当时的设备较为简陋,数据处理手段较为基础,技术难度大,该方法的研究进展缓慢。但由于其具有成本低、工作方便、探测深度大、不受高阻层屏蔽影响、对低阻层反应灵敏等优点,该方法始终为人们所关注。

随着对该方法研究的不断深入和电子技术突飞猛进的发展,大地电磁日渐发展成电法勘探中最成熟的一种,被广泛应用于石油和天然气的普查与勘探、地热与地下水勘查、地壳与上地幔探测以及石油勘探等。

大地电磁法可勘探石油?

大地电磁不仅可以用来勘探石油,且在石油勘探中有着举足轻重的地位。

关于石油的形成,科学家们提出了两种观点:“无机成因说”认为,石油是由地下深处的岩浆等物质发生一系列化学反应形成的。然而,石油中富含的生物成因信息则支持了石油的“有机成因说”,这些有机质主要来自于四种生物,即细菌、浮游植物、浮游动物、高等植物。这些生物死后,尸体一部分会被氧化破坏,但仍然有一部分会在适宜的条件下在泥沙等沉积物中保存下来,随着时间的流逝这些沉积物会越埋越深,在埋藏的过程中这些有机物经历了复杂的生物化学和化学变化,通过腐泥化和腐殖化过程形成了干酪根,随着埋藏深度的进一步加大,在一定的温度和压力条件下干酪根逐步形成了最初的原石油。随着油气在泥岩有机质中不断生成,它们在泥岩的微小孔隙中越积越多,积聚的压力也越来越大,最终突破泥岩阻力,通过泥岩的微小孔缝“溜”出来。于是,这些油气从泥岩中进入到砂岩等孔隙较多的地层(称作“储集层”)中。在浮力的作用下,它们在连通孔隙或断裂、裂缝等通道中继续向上移动(称为“运移”),直至遇到致密地层不能再移动时,便在这些孔隙或裂缝中聚积起来。

可见,除了有机质的积累,储集层和盖层是油气聚集成藏所必须的两个基本要素,再加上阻止油气继续运移的遮挡物,就构成了圈闭,圈闭中聚集油气便形成了油气藏。

针对现实中不同的勘探需求,采取不同的勘探方法。例如,若需详细了解测点下岩层层序,则选择地震勘探,但地震勘探造价昂贵,且不适合在地形、地质条件复杂的地区开展,而重力、磁法勘探所采集到的数据不携带纵向信息,无法有效识别地层及圈闭,因此无法在石油勘探中取得较好的效果。而大地电磁法根据大地对天然电磁场频率的响应特征进行研究,经过相关的资料处理后,就可获得地表以下不同深度的介质的电阻率分布信息情况。岩性不同的储集层拥有不同的电性特征,不同的盖层也是如此,导致垂深方向电阻率有明显差异,有利于电磁方法将它们分辨出来。因此大地电磁法在石油勘探方面有着明显的优势,可以有效确定沉积盆地沉积厚度、基底起伏和断层分布,提供区域构造框架,以帮助圈定进一步勘探的远景区。□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局油气资源调查中心)

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