地球物理勘探.pdf

本发明涉及地球物理勘探方法，特别涉及到地球物理勘探中通过电场产生的声响反应的探测。
    常规对地面的地震勘探技术是用一个适当的产生地震能量的源和沿着或者接近地面表层散开的接收器阵，以探测任何地震信号，因为地震能量从地下地质的分界面被反射回来。这些信号作为时间的函数被记录下来，然后这些信号即地震数据被用来重现合适的地下图象。简单地说，这种常规处理是使地震能量向下传入地下，从某一特定的地质层（阻抗对比）反射回来，并作为被反射的地震波回到接收器。

    地震能量可以是所谓的横波（S波），或者是所谓的纵波（P波）。横波和纵波的波速、反射角、振动方向是不同的，并且在某种程度上来说，从它们各自的地震数据类型获得的信息类型也是不同的。然而，两种类型的波经过地层时经受相似的衰减;就是说，地层往往衰减高频成份，而让低频成份相对不衰减地通过地层。这意味着对较深的地层来说，被反射的地震能量的低频内容包含着下伏地层的信息。然而，因为探测反射地震能量的信号频率比较低，被反射的地震能量的分辨率不足以探测很薄的地质层。

    另外，如果相邻但不同的地质层间的阻抗对比（impedance    contrast）很小，只有少量的地震能量被反射回来，这种地质层间的差别有可能不能从探测或者记录下来的地震数据中分辨出来。因此，应当继续作出努力，用地球物理勘探技术而不仅仅只用地震探测技术去对地下地层适当地成像。

    一项在1990年2月27日公开的专利号为US4，904，942、专利权人为A.H汤普森（A.H.Thompsm）的美国专利描述了一项地球物理勘探新技术。这项专利叙述了一种石油勘探的方法，其中涉及用地震波在含有流体的多孔岩层产生一个电场。更具体地说，伴随地震波的压力梯度引起多孔岩层细孔中的液体流动。当流体包含带电物质时，这种流动产生电偶极层（detric    dipole    layers）的扭曲，从而形成一个电场。由此产生的电场传播到地面，为地面的电磁传感器所探测到。

    这种所谓的电地震勘探技术可以提供更多关于地表下面地质层的信息，但只是对具高渗透性的充满流体的岩层才最敏感。这种电地震技术对具低渗透性的页岩或含页岩的岩层不敏感。因此，这种技术不能确定所探测的可能的多孔储蓄层是否被低渗透密封层所覆盖，如果在可能的储蓄层中有的话，也不能确定何种低渗透性的地层是石油流体源。

    此外，还有一些已经出版的讨论电动效应理论和应用的文章。总的来说，这些文章叙述的是用来将电能转换成声能或者电动机械能的实验装置。例如，一个此类的装置就是一个微量吸移管装置，用一种含液体的多孔物质，加一个电场使得多孔物质喷出很少量的液体。这些实验装置获得有限的适用范围，因为它们与传统的扬声器和泵相比效率要低。

    这些和那些先有技术的局限和缺点被本发明所克服，本发明提供了一种地球物理勘探的改进的方法和装置。

    本发明具体提供了一种新型的地球物理勘探的方法。具体说，用能量源产生电场，并与含流体的多孔地表下面地层互相作用，改变多孔地层细孔里流体偶极子的极化，引起流体压力脉冲。这种流体压力脉冲在地层的细孔内产生一个随时间变化的压力梯度，并传播到地层或岩层;然后这种岩层压力脉冲以地震波的形式通过地表下层传播。这些地震波可以通过一个适当的地震探测器或者地震探测器阵所探测到。

    本发明的目的之一是提供关于地球物理勘探的一种新的方法。

    本发明的目的之二是提供关于地球物理勘探的一种方法，包括产生电场、在至少含有一种流体的至少一个多孔地表下面地层里将所述电场转换成地震波以及探测这种地震波。

    本发明的目的之三是提供一种既利用电渗透又利用声电偶合技术的地球物理勘探的新的方法。

    本发明的目的之四是提供一种新的地震源。

    本发明目的之五是提供一种新的井测方法。

    所有以上本发明的目的和优点从接下来的详细叙述中会变得明显，并参照附图中的各个分图进行。

    图1是本发明优选实施例的简明工作原理图，在地层的横截面图上示出了装置和过程。

    图2是多孔地层的部分剖示图，这种地层能依照本发明教导的那样，适于在电场激励下产生地震波。

    图3是简略的方框图，图示依照本发明教导的地球物理勘探方法的步骤。

    图4是依照本发明的教导图1中部件的另外一种布置的简略示意图。

    图5是依照本发明的教导图1中的部件不同的布置的简略示意图。

    图6是依照本发明的教导图1中部件的另一种不同的布置的简略示意图。

    图7是依照本发明的教导图4中部件的改进的简略示意图。

    现在参考图1，图中可以显示本发明优选实施例的装置的简化的布置，具体地，可以看到天线110适当地放置在地面上面或者地表附近，产生电场111。图1中所示的“天线”为两个部分埋入地里的金属电极112、114。可以放置两个或者更多地象这样的电极，并且这些电极可以在水平面以上或者以下（未画出）。当放置两个电极时，这两个电极间的距离可以从约15英尺到约25，000英尺。较好的选择是电极都在第一个水平面以下。此外，一个大或者很大的金属环（未画出），放置在地面上，通上较大的电流，也可以作为天线使用。类似地，一个（或者更多）大的线圈（未画出），不管有没有铁磁芯，都可以埋入地下（最好是水平面之下）作为天线使用。

    一个脉冲直流源或者交流源116与天线连接产生电流（未画出），在地层里或者在地层附近产生作用电场111。电源的频率可以从1毫赫到30千赫。作用电场111与电流产生的电磁场111a相关。这个电场111然后向下传播进入地表下面地层。要说明的是这种电磁波不同于声波，它在地表下层是以光速传播的。在地表下层的光速要低于在真空或者空气中的光速。在地表下层传播的电磁波要比声波快大约100倍，这种声波是在地震波频率带约10至100赫兹之间。

    作用电场111对多孔地层中至少一种流体的流体偶极子120起作用。这种地层中的一部分118在图1中的部分分解图中被画出来。这个作用电场引起细孔流体偶极子120极化的变化，它反过来又引起流体的流动或者产生压力脉冲122。流动的流体（或者脉冲）产生随时间变化的压力梯度，然后传播进入地层（或岩层）。压力梯度然后传播通过地表下层，包括到达地表，形成地震波124。这里使用的“地震波”这个术语是指任何在地层内传播的机械波，包括但不仅仅局限于P波和S波。这地震波被放在地面或地里的适当的地震探测器126所探测到;这个地震探测器可能是探测器组，由诸如水中地震检波器（hydrophones）或者地震检波器（geophones）组成。地震检波器可以是单一的或者多组的地震检波器，即有象垂直、水平和正交的一个或者多个灵敏度的轴。

    代表地震波的信号可以通过常规的地震场记录仪（未画出）适当地记录下来，这些仪器通常放在记录车128里。这些信号可以按照常规的地震探测技术进行处理，可以得到行经时间，深度和/或速度信息，以及地表下层岩性信息。因为这种数据的记录、分析及显示（之前，过程中，和/或其后的处理）是公知的技术，这里就勿需详细讨论了。

    图2更清楚地说明了多孔地层的情况。就是说，有固体岩石部分201，处处散布沟状的细孔空间202。这里用的“多孔”这个术语，是指含有非土空间或者细孔空间的地层物质，包括但又不仅仅局限于坚固的、欠坚固的或者不坚固的泥土物质。在有含水或可极化的流体存在的地方，在这种含水或可极化的流体与固态的岩石部分201之间，可能形成一种电化学结合力（bond）。这些含水或可极化的流体可以是但不仅限于如水、盐水、碳氢化合物、石油或者它们的混合物。这种电化学结合力在流体部分用“+”号在岩石部分用“-”号来表示。一般说来，岩石部分201存在自然的表面电荷。这种电化学结合力可以形成局部细孔流体偶极子，这导致产生局部背景预先存在的电场。要说明的是，总的来说，在未受扰动的岩石及其周围流体里是没有净偶极子的。

    背景预先存在的电场的符号或电场极性方向，依赖于固体表面的电荷和流体筛分电荷的方式。在粘土中，电荷是典型地如图2所示。然而，在碳酸盐中，刚好反过来，即“+”电荷在固体上面。

    当作用电场111与地层相互作用时，如图示地层的部位，背景电场有一个改变，背景电场作用于已建立的流体偶极子120或者伴随那个偶极子的电荷，引起流体流动，如图1和图2中由电磁波111a引起的作用电场111所示。尽管作用电场111可以是“脉冲”或者“交变”电场（即由脉冲的直流源或由交流源产生），为了便于说明，图1和图2中所示的作用电场为静电场。作用电场111起到改变电化学结合力或者移动电荷的效果（由图2中流体里电荷上面和下面画出的小箭头表示），因而在结合力被改变或者破坏的地方实际上造成一个压力脉冲。这个作用电场111遍及流体区域，并主要影响偶极子120的电荷，这些电荷在流体表面或者流体附近或者在岩石的界面。因此，细孔流体压力脉冲是由造成的电荷运动产生的，所形成的压力脉冲传到地层的固态岩石部分。依次地，压力脉冲以地震波124的形式被传播通过岩石部分。因此，相应的地表下面地层可成为一个地下地震能量源。

    地震能量的一部分从地层（地震波124）向上向地表传播，在地面被一个地震探测器或探测器阵所探测到。当然，如果在地层和地表之间存在一个通常的地震波反射面，会产生地震波反射，这种反射也可以用常规的方式通过探测器阵探测到。在多孔地层中，特别是具有低渗透性的地层中，只要有流体就能进行地下地层所产生的地震波的探测。

    因此，本发明的一个实施例，就是提供一种通过在地表上或地表里的电极之间产生电场从而产生地表下层地震能量的方法。这里一会还要提到，也可以将电极放进钻孔以产生地震能量。这种电场当它与在至少包含一种流体的多孔地表下地层中细孔流体偶极子相互作用时，便被转换成地震能量。

    如图1所示，当探测器和电极都在地表时，探测到的地震响应表明存在含有流体的地层。通过分析探测到的地震响应，能够确定存在多少这样的地层以及这些地层的深度。

    通过“调节”作用电场的波长和/或振幅去选择电场有效地穿过地层的深度是可能的。一般来说，强电流产生的电场和长波电场能穿过更深的地层。

    一般认为含流体地表下面地层中产生的地震波的振幅及频率。由作用电场的频率、地层的厚度及地层的深度决定。通过分析探测到的地震波的频率内容，产生地震波的地层的渗透性程度就可以被确定。

    如前所述，这个电场是伴随着电磁波的电场。相应地，脉冲直流源或交流源适当地与天线或电极相连产生电磁场。脉冲频率或交流频率可以调节，电流的大小也可以调节。

    对于交流源来说，频率可以在一系列频率扫描，与地震振动器的扫描频率相似。交流源可以由一个信号发生器和一个放大器组成，放大器足够将交流信号放大到在地表下面感兴趣的地层区产生足够强度的电场所需要的电流和电压。交流源也可以由恒速或变速的电机驱动发生器组成。

    直流脉冲源可以由一个信号脉冲发生器和一个放大器组成，放大器足够将直流脉冲信号放大到在地表下面感兴趣的地层区产生足够强度的电场所需要的电流和电压。

    这种电源的频率范围为从约1毫赫到约30千赫;传统地震学采用的频率范围是从约1赫到约100赫。如前所述，选择的电源频率受电场所需穿越的深度的影响;对于深或很深的地层所使用的频率低到约0.1赫。

    合适的放大器可以是我们在剧院、体育场、或者其它公共集会场所看到的大功率有线广播或音乐放大系统的那种典型的放大器。本发明所使用的电极的类型就是那些用来于作为声频大地磁场或电磁勘探或测量的控制源的电极。当使用两个电极时，电极间的距离可以是从约15英尺到约25，00英尺。当使用两个以上的电极时，极间空间可以偏离这个范围，但电极阵总的长度及/或宽度应该大体在同样的范围。

    可以用电极阵来产生特定类型或定向的电场。特别地，电极阵可以是类似于固定相位的电极阵，通过适当调节电子延迟，便可产生容易调控的电场。有可能出现的另一个情况是产生向下传播进入地表下层的平面波。

    现在参考图3，所示的是依照本发明的地球物理勘探方法最佳步骤的简化方框图。具体地，可以看到第一步301是产生电场。电场可以按照前面所述的方法产生，即通过将电极放入或放在地面，然后将这些电极通上电流。电流产生电磁波，伴随电磁波的电场然后穿过地表下面地层。这些电极最好应当部分地埋入地里，更可取的是，放在第一个水平面之下。

    本发明优选方法的第二步302，是通过至少含有一种流体的多孔地表下面地层里的流体偶极子，将电场转换成地震能量。如前所述，这种流体可以是碳氢化合物、水盐水、其余与石油有关的流体或者这些流体的混合物。如前所述，作用电场作用于至少有一种流体的多孔地层的流体偶极子。作用电场引起流体偶极子极化的改变，结果形成压力脉冲，然后再形成地震波。

    本发明优选方法的第三步303，是探测这种产生的地震能量。这种地震能量可以通过地表上面或附近放置的探测器或探测器阵探测到。这个探测器和/或探测器阵可以由任何适当的地震探测器组成。特别地，适当的地震探测器可以是水中地震检波器或地震检波器。地震检波器可以有一个或多个轴的敏感度。这种探测器或探测器阵接收地震能量，这种地震能量是在至少包含一种流体的多孔地表下面地层中从电场转换过来的。

    简单地说，本发明关于地球物理勘探的方法是先产生电场，在至少含有一种流体的多孔地表下面地层中将电场转换成地震能量，然后探测这些所产生的地震能。

    实现此方法必须的装置基本上由以下组成，天线、电极或电极阵、脉冲的直流或交流的电流或功率源、放在地面上或附近的合适的地震探测器或探测器阵。很明显，在没有穿过地下的钻孔时，这是实现本发明最有效的方法;当有钻孔时，方法和装置都有所改变，这要在下面继续讨论。

    为了使本发明的基本点更清楚，还要作以下的简短解释。当压力梯度作用于充满流体的多孔岩层时，可以产生电场。这种偶合可以叫作声电偶合或者叫作流动位差。当时充满液体的多孔岩层施加电场时，可以产生压力梯度。这种偶合可叫做电声偶合或者电渗透效应。偶合系数可以用来说明这两个偶合过程的大小和程度。

    目前认为对于具有高渗透性即几毫达西（mD）以上的岩石来说，声电偶合系数要比电声偶合系数大得多，这是因为对激励作出的反应的细孔流体的体积不同。在声电偶合情况下，整个的流体容量对施加的压力梯度作出反应。在电声偶合情况时，只有直接邻靠细孔壁的带电流体才对作用电场作出反应。因为这个原因，由作用电场产生流体运动的效率与通过压力波引起的流体流动而产生电磁波的效率是不一样的。

    为了更清楚地了解本发明的基本点，还要作如下详细的说明。在多孔介质中流体电动效应的唯象模型（pnenomenological    models）已有过多年详细的研究。特别地，John    L.Anderson和Wei-Hwkoh的一篇论文讨论了这些模型（胶体和截面科学杂志Journal    of    Colloid    and    Interfacl    Sciencl），59，149〔1977〕。联系电流和场的基本方程叫作Onsager方程。在直管中流体流和电流的关系如下：

    Q＝ (A)/(l) （ (K)/(η) △P+α△V） （1）

    I＝ (A)/(l) （α△P+βσ₀△V） （2）

    这里，Q＝流量〔m³/Sec〕，A＝细孔面积〔m²〕，

    l＝细孔长度〔m〕，K＝渗透率〔m²〕= (r²)/8 （管子）

    （1m²＝10¹⁵mD），η＝绝对粘滞余数〔Kg/m·Sec〕

    △P＝样品间的压差〔N/m²〕，

    α＝电渗透系数或电渗透迁移率〔m²/V·Sec〕，

    △V＝样品间电压差〔V〕，

    I＝电流（离子流）〔C/Sec〕，

    β＝导电率增加率〔无量纲〕＝ (带电荷管导电率)/(不带电荷的同样管子的导电率) ，

    σ₀＝盐水导电率〔Ω·m^-1〕

    电声系数可以从令等式1的流体流动为零得到

    (△V)/(△P) ＝ (-K)/(ηα) （3）

    对于在圆柱形的石英管（半径10微米）中水的典型值，我们可以得到：

    (△V)/(△P) ＝10⁴V/bar

    因此，在半径10微米时石英直管中，需要10⁴伏才产生1个大气压的压强。如果毛细管再小些而表面电荷更多一些，这样变化会产生非常大的效果使得这个系数小于10V/bar。这小于10V/bar的系数使得用适当的电压产生较大的声压梯度成为可能。同样，对于渗透率为300mD的砂岩及具典型值的水，电声偶合系数的数量级为10³V/bar。然而，对于渗透率数量级在3×10^-3mD的有细孔结构的岩层，电声系数大约为0.3V/bar。

    因此，对具有低或很低渗透性的岩层来说，0.3伏就能产生1个大气压的压强。在细管流体中产生的这个压力能有效地传递给脉石，产生地震能量源。偶合或转换流体压力变化成声波的问题，在A.N.Norris著的“多孔固体饱和流体中点源辐射和散射理论”（“Radiation    from    a    Point    Source    and    Scattering    Theory    in    a    Fiuid    Saturated    Porous    Solid”）（美国声学协会期刊（Journal    of    Acoustic    Society    of    America）77（6），2012〔1985〕中已经讨论了。Norris讨论了两种脉冲源：（1）仅作用于固态组分的点载荷位移（Point    load    displacement），和（2）作用于流体的点载荷位移。这两种源都产生P波和S波。对于适合地震勘探的频率来说，对纵波来说流体位移与固体的位移的比率大约是1，就是说，当同样的压差（压强变化）施加于流体和施加于固体会产生同样的P波。一般说来，对于S波来说也有相同效果。

    因此，如果电声偶合系数大，则产生地震波的效率更高。特别是，从流体中局部压力变化到传播的地震波的转换，与渗透性无关。因此，具低渗透性的岩层可以被认为是这种电声转换的较好的源。

    实验结果证实，在地层中通过电磁波产生的感生压力，可以从前述的方程估算。用这些方程，所期望的地表下面地层的声波响应（通过作用电场激励），已经与常规的地震反射大小作过比较。就一个特别的模型来说，采用的参数如下：天线为100米长，通以100安培的交流电，其频率在地震频带（10-100赫）之间。在1，000米深处地层由电磁感生的压力梯度，与1磅火药爆炸所产生的压力是同一数量级。

    因此，这个模型表明，由电磁感生的地震波幅度与从同一地层的常规的地震反射波幅具有同一数量级。另外，在非均匀岩层或有细孔分布的岩层，电声效应可望有某种频率相关性（对地震勘探合适的频率）。感生压力梯度与作用电场的频率成正比。因此，通过电场产生的地震波应该有足够高的频率（达到约电场的两倍），以便增加对薄地质层的分辨能力。

    因此，还会看到在本发明的另外一个实施例中，本发明提供了一种地球物理勘探方法，它是通过产生电波，在含流体的地表下面多孔地层中将电波转换成地震波，然后探测这样产生的地震波。另外，电波同时伴有电磁波，并可由穿过地层的适当的电流产生。

    现在参照图4，图中画出了产生电场111的电极412、414相对于地震探测器426的另一种放置。图4中，电极412、414放置在穿过地表下层的井孔中。虽然图中只画出了两个电极，但多于两个的电极也可以同样使用。另外，尽管画出的两个电极一个靠近井孔的顶端而另一个靠近井孔底部，电极可以放置在彼此相隔很近的地方，并可沿着井孔放置在任何深度。图4也画出了布置在地面的地震探测器阵426。显然，电极（在钻孔里的）和探测器阵（在地面上的）可以互换，让探测器阵在钻孔里而电极在地面上或附近。

    现在参考图5，地震探测器阵526和电极512、514都在同一个钻孔里。显然，探测器阵与电极的相对位置可以互换。另外，电极与探测器阵完全可以部分或全部交错。再者，可以使用任何数量的电极。而且，电极和探测器阵可以作为测井工具的一部分（未图示出），这种工具可以使用常规方法、用本发明的电声效应对被钻孔穿过的含流体的多孔地层进行井测。

    因此，本发明的另一个实施例提供了一种井测钻孔的方法，它是通过在邻近井孔的地方产生电场，在邻近井孔含流体的多孔地表下面地层将电场转换成地震波，然后在井孔中探测所形成的地震波。另外，需要注意的是，因为所产生的地震波的频率与常规地震勘探技术的地震波在同一频率范围，用这种方法井测所获得的信息与常规井测的信息相比，它更容易和地震横截面一致或“联结”;地震横截面可以在已井测过的钻孔开钻之前、过程中或者以后获得。

    用类似的方式，图6画出了在一个钻孔620内电极612，614的位置和在邻近钻孔630中地震探测器阵626的位置。再者，根据本发明的教导，可以采用多个电极，钻孔中各个电极和/或所有电极的位置可以改变。

    因此，本发明附加实施例提供了一种采用横孔层析X射线摄影法的方法。特别是，本发明的这个实施例是使用电场在邻靠的一个钻孔里产生地震波，然后可以通过适当处理在第二个邻近的钻孔里为探测器所接收到的层析X射线摄像方法所得到的数据，用来产生图象。处理层析X射线摄像方法所得数据而获得关于钻孔间的地层下层材料的信息是常规的公知技术，这里就不再赘述了。

    现在参考图7，可以看到对图4中的构件作了一些改变。特别是，图7中采用了套管钻孔720，而图4中采用的是无套管钻孔420。就是说，钻孔还包含延伸到钻孔某一深处的套管（或管子（750。这个套管750可以用作天线将电场辐射到地表下面地层。这个套管用作一个电极712，而将第二个电极714放置在离钻孔有一定距离（可达1英里甚至更多）的地方。套管及第二个电极714适当地与电源716相连，如前所述的那样。图7还画出了探测器阵726。

    根据类似的方法，为了能在套管钻孔中使用图5和图6中的部件可以作一些改变。就是说，图中的一个电极可以是套管，而另一个电极可以放在钻孔里或者放在地表上。显然，图4-6中画出的构件的配置仍可使用，而不管钻孔加或不加套管作为电极;在这些情况下，电极必须放置在钻孔中未加套管的部分。

    另外，本发明技术可以与美国专利专利号为US4，904，942中的技术结合，这项专利较早介绍了声电效应。声电技术可以用来探测更多的多孔地层即可能储藏有石油和天然气的高渗透性地层。本发明技术用来勘探同样的地表下面区域时，能提供对在可能的储蓄层顶上覆以一层低渗透性岩层情况下的探测，及对覆盖岩层渗透性的估计。不管是可能的储蓄层还是覆盖岩层，它们都很容易通过联合使用这两种技术探测到，但都不能用常规的地震勘探技术探测到。特别是，直接指示渗透性（从常规地表数据是不能得到的）可以从联合使用这两种技术得到。因此，联合使用两种技术，就能得到否则只有钻钻孔才能得到的信息。同样，这两项技术也可以用作钻孔井测。

    对这项技术已有经验的人来说，只要不违背本发明的基本原理，对于前述装置和技术还可作出许多其它的改变和改进。因此，附图和前边文字所描述的装置和方法，显然只是为了解说，这并不意味着本发明就局限于此范围。