CN1015837B - 震电勘探法 - Google Patents

Abstract

一种震电勘探方法，用于探测多孔地下岩层中两种不溶混流体的存在或者主要包含水相物的高渗透力岩石层的存在。一个地震源产生声波波前，当它遇到上面描述的地层之一时便产生放大了的电磁信号。这样造成的电磁信号可以被探测到，作为可能存在碳氢化合物贮藏的一种指示，从而为地球物理勘探人员提供传统地震数据的同时，还提供了额外的信息数据。

Description

本发明涉及震电数据的获取方法，更具体地说，涉及由电磁波的产生和检测来获取这类数据的方法。

大多数地震勘探是由设在地面或地面附近的一个或多个震动源产生声波来完成的。大家都知道这些声波被地下岩层的界面或间断面反射，从而返回地面并被适当分布的一个或多个地震检波器或声波检测器（通常是地震检波器）检测到。已知这些反射波中有些称为剪切波（S波），而另外一些反射波称为压缩波（P波），这两种波的区别在于它们的反射角不同，而且在波通过的各地层中这两种波造成的质点声振动的方向也不同。十分重要之点是，这两种类型的波基本上以声速传播，在波所通过的地层中，它们的衰减方式与其他同频段声波相同。对于较深部勘探，其波动是在低频段，因为大家都知道高频段的波在地层介质中衰减得厉害。

多年来，人们一直试图利用另外一种地震勘探方法，它所利用的现象不同于上面描述的由地震检波器来检测声波。例如，早在1936年，L.W.布劳等人的一种方法获得了专利，其美国专利号为2，054，067，它利用由地震爆破冲击造成的地表附近的阻抗调制来产生可以检测到的电磁响应。从本质上讲，在地表附近的地下结构分层若干个具有不同密度的岩层。一个地震爆破冲击会使具有特定组成结构的每一岩层按其密度（也就是它的孔隙结构）进行调制。这样，在特定位置检测到的电磁场（它与电磁场内的阻抗调制成正比）便指出了在那个具体位置上具有不同密度的各岩层的厚度。在2054067 号专利中所描述的技术并没有广泛地商品化（如果说有也是极少的），这可能是因为它只能用于地表附近很浅的深度，而对于石油和天然气勘探中主要感兴趣的任何较大的深度这种方法却不适用。布劳等人的这项早期工作在于测量由于地振动引起的地层阻抗调制效应，其作法是在地下通过电流（或施加电压）然后测量该电流的调制效应（或结果电压的调制效应）。如下面将证明的那样，该方法与本文描述的作法有显著的不同，其根本原因是后者不需在地下或地表加电流。

已经用于探测某些矿藏的另一种技术利用一个连续波振动源，由于压电效应该振动源在矿藏中会感应出电压。在这种情况下，地震波使类似石英那样的压电构造发生变形，从而被极化，并辐射出电磁波。这里不涉及任何流体。这种技术利用了较高的频率，所以只限于很短的穿透深度，而且只能用于探测有限的几种显示出压电效应特性的矿藏。

为发展与标准地震声波技术不同的其他技术的若干最有意义的尝试之一是由W.O.Bazhaw等人在美国专利2，354，659号中描述的。该专利发布于1944年8月1日。根据这一方法，一个向下传播的地震爆破冲击会遇到地下构造中在一层气体下面的一层液体，并使液体迅速上升到可能是多孔的含气层中。由于这些液体（油或水）会比较缓慢地稳定下来，这种缓慢向下的液体运动会在埋于地表下并与适当的电子放大器及记录器相连的两电极之间的路径上感应出电流变化。如果没有液体存在，便没有电流变化，如果存在液体，便会出现电流变化，其变化大小取决于液体及构造各自的参数。在爆炸冲击之后直至达到平衡之间的一个相当长时间内，这种变化能作为直流电压被测量出来。尽管此法与布劳等人的方法不同，但该项 技术所涉及的作法只能应用于很浅的深度，因此几乎没有实际的商业应用。这是因为：（1）直流电压不能象电磁波那样传播，所以只能用于较浅的深度，（2）很低的频率，实质上是直流，波长很长，这意味着深度分辨力极差。将会看到，与这种情况相反，本文所描述的方法保持了地震波的频率特征。

根据本申请者的发明，震电勘探（或称为ESP）所要求的基本物理过程在于地震能量能够转换成显著大小的电磁能量。尽管有几种可能的理论转换机制可能引起所观测到的现象，例如上面讨论过的阻抗调制、自然电位（spontaneous potentials）以及电毛细管现象（elactrocapillarity），但是能够最好地解释申请者的观测结果并在应用本文所描述的方法时有用处的理论是所谓“冲流电位（streaming potential）”^（＊）。由地震波能量到电磁能量的这种转换模式看来是分析多孔岩石构造中存在流体运动时所发生情况的最有效的理论，并且当存在至少两种不溶混流体（如油和水或气和水）时这种现象最显著。这种现象也存在于有高渗透力的岩石构造中，在这种构造中有孔隙流体。从本质上说，根据这一理论，在流体与固体构造的多孔表面之间有分子化学键吸引，与声波波前接触的流体发生快速运动会使这种化学键变形或断开，结果以偶极子方式引起电磁响应。M.A.Biot在文章中描述过伴随地震波压强梯度的流体运动，他的文章发表在1956年和1962年的美国声学协会杂志上，分别在第28卷第168页和34卷第1254页。其他人，如J.O.Bockris和A.K.N.Raddy，做过冲流电位实验并在1973年前后报告了他们的发现，但至今这种效应还没有应用于象这里提出的震电勘探法。

所以，本发明的一个特点正是在震电勘探中应用“冲流电位”效应，借以产生一个可以检测到的电磁场，由此能够直接揭示出是否存在两种不溶混流体（如油和水或气和水）或者在高渗透力构造中的孔隙空间里是否存在某种流体。

正如前面指出的，本发明涉及震电数据的获取方法，并在本文中有时称为震电勘探或ESP。震电勘探与运用电磁式检波器是可以区分开的，电磁式检波器在地面上检测反射地震波（或者说声波）的存在。尽管首次研究电磁式检波器是在1950年之前，它们的运用并没有导致震电勘探法的诞生。

在ESP数据和地震数据之间有本质的区别。地震数据只揭示出与两个不同岩石区域之间的弹性差异有关的构造信息。它没有揭示出任何信息来指出所研究区域存在哪种岩石或在其孔隙中间存在什么。与此相反，ESP只用于所研究地层里的孔隙空间中存在可流动的导电水的地方或者有水与碳氢化合物混合在一起的地方。所以很清楚，ESP不是地震学的一个特例，而是与其有本质的区别。ESP对孔隙流体的类型敏感这一事实是ESP可用性的根源。

所以，本发明的另一个特点是：它以改进了的方式来检验所研究的岩层里孔隙空间中可流动的导电水的存在，或者水与碳氢化合物混合体的存在。

这里描述的技术用于多孔地下岩层中存在两种不溶混流体或在高渗透力岩层的孔隙空间中存在流体的震电探测。其操作过程要产生一个地震冲击，例如采用黄色炸药爆炸、锤击或其他类似方法，以传统方式在地面或接近地面的一个或多个震源处产生地震冲击。或者，震源也可以放在较浅的或者甚至较深的（即穿透地层的）井孔中。这样 产生的地震波（或者说声波）的波前面向前传播穿过地下的地层，直至遇到存在上面描述的可探测地层之一。在这个地层处，存在于岩石孔隙空间的一种或几种流体便会显著地运动，于是由于“冲流电位”效应造成（或者说诱发）出电磁响应。在有两种流体的情况下，有显著体积的流体将相对于多孔岩层迅速移动，从而在与固体表面相邻的导电流体组分中造成瞬时的以垂直向占优势的偶极子。在单一导电流体的情况下，有显著体积的流体将相对于多孔岩层迅速移动，在导电流体被吸引到固体上的地方也会造成瞬时的以垂直向占优势的偶极子。由这个偶极子发射出来的电磁辐射，其效果是一种以光速传播的波，它穿过地下的地层返回地面，穿过了反射点和检测点之间的岩石物质。

在地面，一个适当的检测器对这种电磁场作出响应。适当的检测器主要是电子检测器，尽管磁传感器也能使用。业已发现，最简单和最灵敏的传感器的形式是两根棒状电极，其间距为15-2000英尺（4.6-610米）。棒状电极插入地下适当的深度，使之埋入地下第一潜水面之下。实际电极间距取决于：（1）电极与大地接触点产生的电噪声;（2）环境噪声;（3）信号强度;（4）感兴趣地层的深度。电磁场产生一个可以测出的电位差或者说电压，它可被检测到并以标准方式来放大和最终记录下来。

通过参照本文附图描述本发明的具体实施方案，可以得到对本发明（前面简要介绍过）的更具体的描述，从而能全面理解如何实现本发明上述特点、优点和目标（以及其他显而易见的方面）的方式方法。本文中的附图构成了本说明书的一部分。然而，值得指出的是，所加附图只表示出本发明的最佳实施方案，所以不能理解为是对本发明范围的限定，因为本发明可以适用于其他同样有效的实施方案。

图1给出本发明的最佳实施方案中各组成部分典型的程序性配置的截面图。

图2是部分截面图，显示出根据本发明适于由地震波前激发电磁波的多孔岩层，也显示出“冲流电位”效应。

图3是本发明的另一种最佳配置的示意图，这里的震源位于一口较浅井孔的底部附近。

图4是管状波前由震源沿井孔向上运动并在一些地点产生电磁响应的示意图。

图5是如图4所示实际配置所产生的野外记录电磁数据的可见图形表示。

图6是适用于本发明一种最佳实施方案的电磁检测器的简化电路图。

现在参考附图，首先看图1，它绘出了本发明的一种典型的最佳实施方案。震源10位于地球表面或地表附近，它也可以放在浅井孔12之中。与震源隔开一定距离放置适于检测地震反射的一些检测器。它们包括一个由检波器14A-F组成的检波器阵列，用于检测现有技术中为人熟知的通常的声反射，还包括一个电磁检测器16，这里将对它作更全面的描述。检测器阵列和电磁检测器都能和记录器车18中的记录器相连。

根据使用者的愿望，震源10可以是黄色炸药源、发声“锤击”或者更复杂的震源。然而，当震源发震时通常都是由震源向外发射地震波能或者说声能，以地震波20的形式穿过震源所在点下面的地下岩石层。为便于讨论，在图1中存在一个地层区，那里有一层气与一层水接触。图中这两层的界面用参考标号22来标识。根据本发明的操 作程序，这个存在两种不溶混流体的地层是可检测地层。图中这个可检测地层的一部分被放大显示出来。为了方便，把这一部分地层描绘成一个二维立方体。

这个地层是多孔的，图2中描绘得更清楚。就是说，这里有固体岩石部分23，其中散布着管道似的孔隙空间25。因为气和水不能混合在一起，水下沉并充满空间25中分界线22的下部，而气充满空间25中分界线的上部。在有水存在的地方，便在水（气和水两种流体中的较重者）和固体岩石部分23之间存在电化学键。在流体部分用符号“+”表示，而在地层的固体部分用符号“-”表示。

电场的符号或者说电场的极化方向取决于固体表面电荷种类及流体筛去那些电荷的方式。在粘土中，其电荷的典型情况如图2所示。但在碳酸岩中，电荷会是反号的，即在固体上是“+”电荷。

当声振波20冲击地层中如图所示部分的时候，在深度P₁和深度P₂建立起一个压强梯度，它向下推向水体，从水面开始，基本上沿着垂直方向穿过流体，使流体向下运动，在图1中用流动的孔隙流体箭头26表示。将会看到，这一向下运动起了分离电化学键的作用，其效果是建立起基本上是垂直方向的偶极子，那里的电化学键被变形或断开。这个偶极子并不是只存在于水面（或者界面）22附近地区，而是穿过图示岩石所在的整个地层深度。这样，在具有显著大小的冲击力（或者说冲击强度）的那一点诱发出沿垂直向上方向的垂直电场28，在图1所示实施例中，这个电场的极化方向是由负到正沿着持续向上的方向。

如上面描述的那样，一般地震波的初动到达将使流体向下位移。然而，如下面将描述的那样，按图4所示事例，其初动到达会相应于 向上运动。再有，当初动到达之后，流体松弛了，并向相反方向运动。然而，一般情况下流体沿压强梯度方向运动，这与美国专利2，354，659号中Bazhaw的指教相反。

显然，不论分界线22之上的孔隙中充满气体还是这些孔隙中既无气体也无液体，都会产生电场28。当有两种液体（例如油和水）时，这两种流体向下运动的速率相似，但只有导电液体的运动才产生电场，结果在这两种液体相遇的分界线处将会出现电场的不连续。

电场28产生相应的电磁波30，它从刚才描述的受冲击区域向外辐射。电磁波不同于反射的声波，它以光速相对于存在的岩石地层传播。当然，如果存在通常的地震波反射界面，也会发生声反射并被检波器阵列以传统方式检测到。然而，每当在高渗透力的多孔地层中存在液体或在地层中有两种不溶混流体时，就会检测到电磁波。

当存在两种流体时，两种流体以近似相同的速度运动。两种流体的重要性多少有些难于捉摸，而且至今仍未认清两种流体的效应究竟是什么。因此，这里所描述的科学上的进展只有现在才成为可能。当在两种流体之间存在界面（如气-水接触面）时，界面是地震波能量的反射面，而部分能量转变成流体运动。由于这种地震波能量的转换，才出现了大的ESP（震电勘探）信号。

当在同一孔隙构造中有两种流体时（即水中有油滴或水中有气泡时），任何流体运动都会产生出大的电场，因为液滴或气泡形状的变化对电场有贡献。这是前面提到过的“电毛细”效应。与冲流电位相似，电毛细效应在电化学领域已经知道多年了，但它对于ESP的重要性一直未认识到。

现在参考图3，给出震源10的另一种放置方式，这里它放在一 口井中，放在这口500英尺（152.4米）深井的井底附近。这个位置处在气和水界面22以下。放在井口附近地面上的检波器14将会检测到震源起爆引起的声波，沿井孔向上运动的声波称为“管道（tube）”波。声波冲击界面22限定的区域，产生一个如前而描述的电磁响应，它能被适当的检测器16检测到。

如图4更清楚显示的那样，在井孔中以及在井孔附近的岩石中能够产生电磁响应并以图3所示方式检测到这些电磁波。图4中的实际配置所产生的电响应的图形表示在图5中。假定在高渗透力地层中位置50的地方存在含盐的水液体。来自震源50的声压的冲击将在那一点造成向外方向的流体运动，它转换成可检测到的电磁响应。

在界面52，有一个气体层被声波P的冲击激发。那里也产生一个在地面可检测到的电磁波响应。

在点54处，管道波达到井孔中的流体表面，再次产生一个向上响应进入地层，结果在界面56和58处产生电磁响应，这与两种不溶混流体相遇的界面22处相似。通过同时监测声波和电磁波，便有可能确定在不同层位上所发生的情况。应该记住，声波以声速传播，而电磁波以光速传播，于是当出现对声波波前的电磁响应时，它便立即出现。这样，在井口处对震源的电磁检测由图5中的垂直线51表示，这条线垂直的原因是电磁波以光速沿井孔向上运动。图5中的线53是当声管道波在井中向下传播、冲击井底并在地层中引起流体向下流动时产生的ESP信号的电磁响应。

在图5中线55表示对流体表面54的电磁响应，线57表示对地层56的电磁响应，线59表示对地层58的响应，线61表示对气体层面52的响应。在产生图5所示响应的实验事例中，井中震源 是19克重塑性炸药。图5中的典型信号响应使15英尺（4.6米）长的天线上产生几十毫伏的电压。

图5中所画的线在解释信号时有用，因为它们的斜率是地震波速的度量。如图中所指出的，线53、55、57和59相应于井孔中的管道波。众所周知，如本实施例所示地层中的管道波速度是每秒4500英尺（每秒1372米）。与此相反，线61相应于井孔周围地层中传播的地震波，那里已知特征性压缩波速度是5700英尺/秒（1738米/秒）。线61的斜率是5700英尺/秒（即1738米/秒）。

图6是电磁检测的简单配置图。需要指出的是，检测器可以容易地由分开放置的不锈钢管电极60和62构成，最好是插入地下的深度达到潜水面。也可用其他金属管，如钢管或铅管。图中假定潜水面在15英尺（4.6米）深处，因此20英尺（6.1米）长的电极是适宜的。然而，用没有插到潜水面以下的电极也可能检测到信号。两个电极一般相距15-2000英尺（4.6-610米）。两个电极相联，一种任选方式是与一电池组串联并穿过一变压器的原线圈64。与之耦合的次级线圈66与适当的陷波滤波器相连，用于去掉送回放大器的杂散噪声频率。例如，如果在其附近有输电线，就需要一个60赫兹陷波滤波器。放大器可根据意愿连接显示器71、记录用计算机72或其他类似设备。这些设备通常放在附近的篷车里或其他适宜的掩蔽物里。

尽管这里显示和描述了本发明的一种最佳实施方案，并已讨论过一些修改方案或替代方案，但可以理解，本发明并不局限于此。因为可以有多种修改方案，而且对于那些本领域的技术人员来说这是很显 然的。例如，这里只给出一种类型的电磁检测器。任何适用的电的或磁的检测器，只要能检测出如这里所讨论过的那样产生出来的电磁波，便能够被利用。同样，震源能够放在这里所描述的激发电磁波的区域内的一个较深位置上。

Claims (22)

1、一种震电勘探方法，通过检测在多孔地下岩层中存在的两种不溶混流体来检测碳氢化合物的存在，它包括：

在振源处产生地震冲击，由此产生的声波波前遇到的多孔地下岩层区域在其共同的孔隙空间里包含至少两种不溶混流体，并在所述区域由于双极运动产生一电磁信号从所述区域以光速向外传播；以及检测所述电磁信号，作为在所述区域周围可能存在碳氢化合物贮藏的一种指示。

2、根据权利要求1的震电勘探方法，其中的两种不深混流体是显著分开的，如此在所述孔隙空间的较浅部主要充满气态流体，而在所述孔隙空间的较深部主要充满水流体。这里所述电磁信号源是在所述孔隙空间中较浅部充满流体部分与较深充满流体部分的接触区域。

3、根据权利要求1的震电勘探方法，其中的两种不溶混流体是显著分开的，如此所述多孔空间的较浅部分主要充满液态碳氢化合物流体，而所述孔隙空间的较深部主要充满水流体;其中所述电磁信号的起源是所述孔隙空间中所述较浅部充满流体部分和较深部充满流体部分之间的接触区域。

4、根据权利要求1的振电勘探方法，其中的地震冲击是在地表或地表附近完成的。

5、根据权利要求1的震电勘探方法，其中的地震冲击是在井下，从穿入地下相当深的井孔内部发出。

6、根据权利要求5的震电勘探方法，其中的地震冲击是从穿入所述多孔地下岩层区域的井孔内部发出的。

7、根据权利要求1的震电勘探方法，其中所述不溶混流体包括一种气体和一种液体。

8、根据权利要求1的震电勘探方法，其中的电磁信号以磁法检测。

9、根据权利要求1的震电勘探方法，其中的电磁信号以电法检测。

10、根据权利要求9的震电勘探方法，其中的电磁信号以电法检测，使用埋入地表下面的两个电极，当电磁信号波前分别遇到这两个电极时，便在两电极之间检测到电压。

11、根据权利要求10的震电勘探方法，其中的两个电极埋在地下一定深度，使之穿入地表下存在的第一潜水层。

12、一种震电勘探方法，通过检测位于地表下面的高渗透力岩石体，来检测碳氢化合物的存在。该岩石体的孔隙空间中包含的基本上是水相物质（agueous  phase），该方法包括：

在震源处产生一个地震冲击，所产生的波前遇到高渗透力岩石体，该岩石体包含有孔隙流体，岩石孔隙空间主要是水相，于是从所述碉体中产生由于双极运动的电磁信号，它从该碉体中以光速向外传播;以及检测所述电磁信号，作为在高渗透力岩石周围可能存在碳氢化合物贮藏的一种指示。

13、根据权利要求12震电勘探方法，其中的地震冲击是在地表或地表附近完成的。

14、根据权利要求12的震电勘探方法，其中的地震冲击是在井下，从穿入地下相当深的井孔内部发出。

15、根据权利要求14的震电勘探方法，其中的地震冲击是从穿入所述的高渗透力岩石体的井孔内部发出的。

16、根据权利要求12的震电勘探方法，其中所述孔隙流体基上是含盐的水。

17、根据权利要求12的震电勘探方法，其中所述孔隙流体基上是含盐的水及少量溶解的气体成分。

18、根据权利要求12的震电勘探方法，其中所述孔隙流体基本上是含盐的水及少量溶解的碳氢化合物流体成分。

19、根据权利要求12的震电勘探方法，以磁法检测其中的电磁信号。

20、根据权利要求12的震电勘探方法，以电法检测其中的电磁信号。

21、根据权利要求20的震电勘探方法，以电法检测其中的电磁信号，使用埋入地表下面的两个电极，当电磁信号波前分别遇到这两个电极时，便在两电极之间检测到电压。

22、根据权利要求21的震电勘探方法，其中的两个电极埋在地下一定深度，使之穿入地表下存在的第一潜水层。

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