油燃而声 第11期 | 寻找地下油气的先锋——地球物理勘探技术
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《油气简史》
（第二版 富媒体）
油燃而声 第11期
油气藏深埋于地下几百米、几千米甚至上万米的岩石中，因此，要找到油气首先必须搞清楚地下的岩石情况。深埋地下的岩石，人们看不见、摸不着，没有孙悟空的火眼金睛，没有千里眼，通过什么手段、什么方式在地面就可以获取地下岩石的情况呢？
地球物理勘探技术
地下的不同岩石往往在密度、弹性、导电性、磁性、地震波传播、放射性以及导热性等特性方面存在差异，这些特性人们称之为岩石的地球物理性质，不同的岩石组合往往表现为一种或多种物理性质。通过物理的方法、手段获取地下岩石物理性质的油气勘探技术，称之为地球物理勘探技术，简称物探技术。该技术包括重力勘探、磁力勘探、电法勘探、地震勘探技术等。地震勘探技术目前应用最为广泛。
重力，简言之重量。大家很容易想到苹果落地，也不会质疑高处物体下落越落越快，这说明地球上重力并不是处处相同。地球上的纬度不同，重力就不同（随纬度增加而变大）。换言之，你身处在赤道和你身处在北极，你的重量是不同的，在赤道比在北极轻一些。高度不同，重力也不同（随高度增加而变小）。例如，人到一定高度就处于失重现象。地壳内部岩石的密度不同，会影响局部的重力，而产生变化，反之，重力的变化反映了测量点下面地壳岩石密度的差异。通过观测地下不同岩石引起的重力差异来了解地下不同岩层的性质和起伏变化、了解油气构造及其埋藏深度的方法，称为重力勘探。应用重力勘探可以确定有利的沉积盆地范围。20 世纪初，已经有人根据重力原理发明了重力仪，用于寻找油气藏，获得了成功。20 世纪 50 年代以来重力勘探为我国各油气田的发现发挥了重要的作用。
磁力勘探
说起磁性，大家立刻会想到磁铁和指南针。一块磁铁能把铁钉吸起来，说明它具有一定的磁性。地球本身就是一个大磁 场，具有南北不同的极性，并在周围形成了地磁场。地磁场的分布范围很广，从地核到地球以外的几万千米的空间都存在。地磁场能使地下没有磁性的岩（矿）石具有磁性，产生磁场。岩（矿）石的磁性不同，对同一磁铁的作用力不同 , 这些岩石反过来对磁场造成影响，从而形成局部的变化。通常，那些容易被磁化的岩石形成的矿场和储油气构造的周围存在较强的磁场。通过观测不同岩石的磁性差异，来了解地下岩石情况的方法，称为磁力勘探。在沉积盆地中，往往分布着各种磁性地质体，通过磁力勘探可以确定地质体范围和性质。早在 17 世纪人们就想到用罗盘寻找磁铁矿了。磁力勘探配合其他油气勘探方法，为我国各大油气田的发现奠定了重要的基础。
▲地球磁力线示意图
大家都知道，金属是能导电的，那么岩石能导电吗？回答是肯定的。导电性不同的岩石，在相同的电压下，具有不同的电流分布。其实，地球就是一个导电体，不同岩石的导电性存在差异。通过观测不同岩石的导电性差异来了解地下地层岩石情况的方法，称为电法勘探，与油气有关的沉积岩往往导电性良好（电阻率低），变质岩和火成岩导电性差一些（电阻率高），应用电法勘探可以寻找和确定这类地层，当岩石中含油气时，由于油气的电阻率高（相当于绝缘体），因此，可以利用这些特征进行油气判断。电法勘探容易获得油气沉积盆地范围、有利的油气富集区域、沉积岩厚度及起伏变化。我国大多数盆地都开展过电法勘探，为我国油气勘探做出了重要的贡献，电法勘探已成为油气发现不可缺少的手段。
▲电法勘探施工示意图
A 与 B 为供电电极；M 与 N 为测量电极
地震勘探就是人工制造地震，对产生地震波进行地质探测，以此来研究地下岩石的性质并寻找石油和天然气的一种方法。地震勘探是在油气田中广泛应用的一种方法，因此，这里我们做比较详细的介绍。
简单来说，地震勘探技术就是在地表以人工方法（用炸药或非炸药方式）产生地震，形成地震波。地震波在向地下传播时，遇到不同的岩层、流体分界面，地震波会发生反射与折射。地球物理学家们通过地面布置的大量的高精度传感器接收这种反射或折射地震波，通过对记录的地震波信息和数据进行计算机处理和解释，形成地下结构、岩石性质甚至流体性质的三维图像，根据这些图像地球物理学家、地质家就可以结合地质理论解释地下深部的地层结构、地层高低起伏、有什么样的岩层存在（比如说能够生成油气的烃源岩、能够储集油气的储层、能够保护油气的盖层）、地下油气的可能位置和范围等。
▲油气地下构造示意图
人工产生震源的方法有哪些呢？
可以是采用炸药爆炸的方法产生震源，例如，浅井孔中激发，先打一口较为浅的井孔，大小有手臂那么粗，有 15m 左右的深度，将 5～7kg 炸药放到井中，用泥土焖实，点燃炸药（这就是老百姓说的“放炮”，只是药量比开山炮少得多，开山炮一般是几十千克至几百千克，所以，地震勘探是很安全的），优点是简单、易行，但也有许多缺点。例如钻炮眼和用炸药的费用较高；在人口稠密区等使用炸药不安全，对环境造成污染等。也可以是采用非炸药的震源，称之为可控震源，即用可控震源车特制底部钢板，通过和地面接触并按一定频率震动，形成往地下传播的地震波。简言之，就是控制重物连续地夯砸，类似过去农村的打夯。该种方式克服了炸药爆炸产生震源的不利因素，不过体积大、重量大，在海上无法使用。在海上，由于特殊的地理条件，人工激发地震波与陆上有所不同，全部采用非炸药的震源。在海上使用炸药产生震源，一方面会对海洋造成污染，造成海洋生物死亡、破坏环境等，另一方面，在海水中爆炸产生的冲击波会对有效波形成干扰，导致勘探失败。目前，在海洋地震勘探中的非炸药的震源主要是空气枪震源。该方法将空气储存在一个高压容器中，然后加压，当压力达到一定程度后，突然将其在水中释放，产生强大的冲击波向水下和海底地层传播。
▲陆地和海洋上的勘探
地震勘探有哪些方法呢？
根据人工产生的地震波向四周传播的波形特征，将地震勘探分为三类：反射波法、转换波法和透射波法。
日常生活中，我们站立在山谷中喊话，很快就能听到山那边传过来的回音，这是因为声波遇到障碍物发生反射的缘故。同样地，通过人工地震产生的地震波从震源向地下传播到不同地层界面后，发生反射，依次反射回来的地震波被地面检测仪器（称之为检波器）接收到的时间各不相同，不同的接收时间代表了浅、中、深地层在地下埋藏深度的差异，这种差异实际上也就反映出了地层的起伏变化，即地下构造，这些构造形态和油气的运移、保存有着直接的关系，因而可以用来寻找地下油气。这就是反射波法地震勘探的基本思路，该法应用很广泛。
日常生活中，将筷子插在玻璃杯中，发现筷子折了，这是因为发生了光的折射，实际上筷子仍然是直的。通过人工地震产生的地震波从震源向地下传播到不同地层界面后，一部分地震波发生了反射，返回到了地面，还有一部分地震波会沿着分界面向下面地层中传播，即折射，碰到下一个界面再反射回来。然而，在这个反射和折射的位置，会发生振动的转换，即产生横波，因此在地面除放置纵波接收器接收反射回来的同一个波，再放置横波接收器，接收横波，就可以实现 转换波勘探，如果震源也是横波，则可以实现横波勘探。
▲波在传播过程中的折射现象
简而言之，人工地震波激发点与地震波接收点分别处于地质体的两侧，地震波直接穿过地质体，这就是透射波法地震勘探的思路，该法是一种地震勘探的辅助方法，比如井间地震，可以实现在一口井内激发，另一口井中接收。
▲井间地震勘探示意图
什么是一维、二维、三维、四维地震勘探？
简言之，就是观察一个点的地下情况，即沿着地面一个点，将地震波检波器由浅至深放到井中不同深度，每改变一次深度或在多个深度放置检波器，在地面放上一炮，然后记录地震波从炮点位置直接传播到检波器的时间。一维地震勘探技术能确定出各个地层的深度和厚度。
简言之，就是观察一条线下面的地下情况，即将炮点与多个检波器按照一定的规则沿着一条直线（称之为测线）布置，在测线上完成打井、放炮产生地震波、检波器接收地震波。二维地震勘探技术可获得每条测线垂直下方地层剖面情况的变化。
简言之，就是观察一个面下面的地下情况。三维是在二维基础上发展起来的，和二维最大的不同是，炮点与检波点在同一块面积上，按一定的形状排列（例如十字状、方格状、环状或线束状）接收地下返回地面的地震波。三维地震勘探可以更准确地确定地下油气藏的位置和立体图像，而且，准确、省时、省力，自20世纪70年代提出以来，经历了10多年的发展才被各大油气田广泛接受。
简言之，就是观察在不同时间（可以相隔几个月，也可以是几年）一个面积（或称之为工区）下面的地下情况，时间是第四维。这种方法可以获得油气田不同开发阶段三维地震信息的差异，通过对比，可以获得油气田的开采状况。三维空间中油、气、水的运动、变化、分布情况，地层水的运动轨迹，沿着哪个方向跑得最快？目前剩余油气在哪里？哪里油气最富集、最多？可有效提高钻井的成功率，大大增加油气产出量。四维地震勘探始于20世纪80年代末期，90年代后逐步发展，是三维地震的延续。由于该技术能带来颇丰的经济利益，在油气田的运用也逐渐增多。
为什么要提高地震分辨率？
地震分辨率通常是指用地震反射波区分地下两个靠近物体的能力。度量地震波分辨能力的强弱通常有两种方式：一是距离表示，分辨的垂向距离（如地下地层的厚度）或横向范围（地质体的大小与宽度，如断层、地层的尖灭点等）越小，则分辨力越强；二是时间表示，在地震时间剖面上，相邻地层的两个反射波的时间间隔Δt越小，则分辨能力越强。类似于雷达在屏幕上要能分辨的两个目标物体的最小实际距离一样，地震勘探的分辨率，也是要使两个地质体反射回来的地震波完全分开，要使两个反射地震子波脉冲的包络完全分开，如果两个子波的包络连在一起，必然互相干涉，两个波的振幅、频率必然含糊不清，也就无法使我们能够清晰地认识地下地质情况。目前，地震勘探技术在油气勘探中发挥了重要作用，可以较好地识别地下大厚地层，但是在分辨几米、十几米厚的薄储层或薄互层、 发现薄储层和薄互层中油气层方面还存在差距，也就是说分辨率亟待提高。例如，当地质体在地下埋深为3～5km时，一般可以分辨20m以上厚的地层，但当油气储层在几米厚的薄储层或薄互层中时，目前地震勘探技术还难以识别。特别是随着地震勘探向陆上深层超深层、海上深水超深水领域进军，对地下地质体的识别尤其是薄储层、薄互层的识别，及时发现里边油气，提高地震分辨率更是迫在眉睫。
▲雷达屏幕上分辨物体示意图
如何提高地震勘探的分辨率呢？
大家熟知的是，我们的视力实际上就是双眼的分辨率，它与我们与观测物体的距离有关。日常生活中，我们看远处山上的物体，如果想看得更清楚，就需要离山更近一点，如果还看不清，就需要借助放大镜、望远镜等来看清楚肉眼分辨不出来的物体，实际上就是提高了分辨率。类似地，我们用肉眼难以观察到岩石中的小孔隙，但是当放到显微镜下，放大 100 倍、1000 倍甚至更大倍数时，我们就可以很容易分辨出里边的小孔隙空间，这也是提高了分辨率。那么，如何提高地震勘探的分辨率呢？一般认为，地震震源激发时所产生的地震波仅是一个延续时间极短的尖脉冲，但随着这个尖脉冲在地下介质中传播，尖脉冲的高频成分会很快衰减，地面检测仪器通常只能接收到中、低频成分的地震波，接收不到高频信号或者接收到了高频信号但清晰度很差，因此，要想提高地震勘探的分辨率，就是要提高高频成分的清晰度。
提高地震勘探的分辨率，可以通过选择合适的激发和接收条件。激发时，在保证能量足够强的条件下，尽量减少炸药的用量（达到提高野外激发的地震波主频和频带宽度的目的）。在接收时，采用适合接收宽频带的检波器；另外，也可以通过增加地震仪器的接收道数并减少采样之间的间隔。也可以采用横波勘探或者井间地震勘探等方法来提高地震勘探的分辨率（有兴趣的读者请参见相关专业书籍）。通过这些方法，可以把地震波中微弱的高频信号接收到，就能提高分辨率，找到几米甚至更小的薄地层、更小的断层、更小的砂体，并从中找到油气。
地震勘探的基本环节有哪些？
第一个环节是野外数据采集。
在野外初步确定的可能含油气的地区，使用人工的方法（如炸药、重锤等）使地表的岩石产生振动，振动向地下传播就产生了地震波，当地震波遇到地下岩层的分界面时要产生反射返回到地面，被埋在地表岩土中检波器接收到并传到仪器车，仪器车将检波器传来的信号转变为数字记录到一个磁带（盘）上，也就得到了野外地震数据，简称为地震记录。
第二个环节是地震资料的处理。
野外地震已经采集到了反映地下地质情况的地震记录，为何还要进行进一步的处理呢？目前我们在野外得到的是一炮一炮的单炮地震记录（只是把来自地下的各种信息以数码形式记录在磁带上或光盘上），有很多反射波都呈现出数学上的一种双曲线特征，这种形态不能直接反映出地下地层的埋深及起伏状况，因而，与实际的地下地质形态完全不能对应上，因此我们需要将原始采集的野外地震记录拿到室内用运算速度非常快、存储量非常大、专业功能超强的计算机进行一定的处理，才可以获得直接反映地下真实情况的数据和图像（地震剖面），由此才有可能进行地下地层形态的解释与识别，此过程称之为地震资料的处理。为了提高复杂构造的处理水平，在处理技术上 发展了正反演技术。
▲单炮地震记录图
▲缝洞型气藏典型地震反射特征图
（张烈辉等，2018）
由于洞的强反射等原因，
在地震剖面上容易形成“串珠状”
特征，通常诙谐地叫作“羊肉串”
专业上把反映地层的埋藏深度、厚度及形态的图件称之为水平叠加剖面（简称叠加剖面）、偏移剖面；把反映地层岩石（如砂岩、泥岩等）组成及其物理性质（速度大小、孔隙大小）等的成果称之为地震属性资料。
另外，地震资料处理还可以消除野外地表起伏引起的畸变，野外各种噪声引起的干扰，野外采集引起的地下形态的失真等情况，为地震资料的地质解释提供高质量高清晰的图像。
▲经过处理得到的一条地震偏移剖面
可明显看出某油藏的地下构造形态
第三个环节是地震资料解释。
针对计算机处理后的地震数据（也称为地震剖面），借助计算机方面的专业设备与软件，结合一些地质知识、勘探经验和岩心信息、钻井信息和测井信息（详见第三章），对地震资料进行综合分析、模拟计算和反复对比，即地震资料解释，由此得到较为全面的比较符合地下实际的地质认识，找到油气埋藏的准确位置。
地震资料解释工作一般包括：在地震剖面上确定与油气相关的地质界面；识别来自同一个地质界面的反射信息；解释地下断层的空间展布特征及地层的相关物理性质。实际勘探中，有时还要分析地层形态的构造演变过程和可能的沉积环境等。
▲层位标定示意图
▲我国某沉积盆地构造演化图
▲中国某盆地构造发展史切面图
（孟立丰，2019，略改）
说明这个构造从距今2亿多年
到现在是怎样一步一步演变过来的
科普内容介绍
地球物理学家和地质学家利用地震勘探技术给地球做“B超”，找到石油与天然气在哪里，在什么地方聚集，最有可能在哪个区域集中等，然后，通过钻井，建造一个从地面到地下的通道，进一步确定这些岩层中是否含有石油与天然气，这些石油与天然气究竟在什么深度、大概有多少、是否具有工业开采价值等。那么，钻井完工以后，地下的油气是否就乖乖地、自发地冒到地面呢？这个问题还要进一步探讨。
我们知道，地球内部的热能是一种天然的能量，火山喷发就是其最强烈的显示，比如，2022年1月15日发生的汤加火山喷发，就是如此。高温熔融状态的岩浆主要集中在离地表几百千米以下的上地幔层内，由于受到沉重的上覆岩层的压力，处于一种强烈的压缩状态，一旦出现裂缝，岩浆会沿着压力较弱的裂缝和地层浅薄处猛烈地喷发出来，喷出地面几千米高，气势壮观。同样地，油气深埋地下几百米、几千米甚至上万米，油气藏中也存在天然能量。而且，不同的深度所蕴藏的能量也不一样。世界上已发现的油气藏温度最高达200℃，地层压力接近200兆帕，这相当于2万米海水深处的压力，是异常高温高压油气藏。例如，我国塔里木油田的克深区块油气藏深度达7000米，温度达193℃，地层压力达165兆帕，相当于16500米海水深处的压力，比马里亚纳海沟最深处11034米的压力还大，其中克深902井钻井深度达8028米，是世界上典型的高温高压油气藏。油气藏深埋在地下，储层岩石，岩石中的流体如石油、天然气和地层水都具有弹性，在上覆沉积岩层的重压下处于高度压缩状态，聚集较大的弹性能量，一旦油气层找到通道与地面连通，例如钻井建造的井眼、断层、裂缝等，地下能量就会释放，如果控制不好，就会造成重大的灾难。2010年4月20日，英国石油公司位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生井喷爆炸着火事故，钻井平台沉入海底，大面积海域受到严重污染。2003年12月23日，轰动全国的重庆开县罗家16H井重大井喷事故，65000人被紧急疏散安置。与此同时，地下的油气一旦找到流动的通道，有的就会因为地面、地下的压力差，势不可挡地喷出地面。好比液化罐中的天然气，一旦罐子的阀门打开，罐中的气体将带着巨大的“嘶嘶”声喷薄而出。随着地层中的流体沿着井筒通道源源不断地“涌”到地面，靠近井筒的地层压力自然就会下降，地下又会形成各种各样动力推动远离井筒的油气流向井底。
因此，人们在初期采掘地下油气，就是利用油气藏自身的天然能量来实现的。通常，地下油气藏有五种天然能量助力油气采掘。
一是靠油气藏的弹性能量。地下油气藏能膨胀、可收缩。为什么这么讲呢？因为它里边的液体是可压缩的，它里边坚硬如铁板的岩石也是可压缩的。一个四周完全封闭的油气藏可以简单地看成是一个充满了气的皮球，如果我们在这个皮球上刺一个小孔，皮球里面受压缩的气体就会喷出来。同样的道理，当钻井工人从地面钻一口井到地下油层，地面压力低，但是油层是高压，地下地面就会有很大的压力差，在这个压力差的作用下，上覆地层就像挤海绵一样将石油从油层挤到油井，并通过井眼“冒”出地面。其实，这个“挤海绵”的过程，有两个推手。一是地层压力下降，液体自身体积膨胀，二是岩石进一步被压缩，充满液体的空隙逐渐减小。这一“胀”一“缩”共同作用，迫使地层原油最终“冒”到地面，这种方式也俗称为弹性驱动。这种驱动方式有时威力很大，破坏性很强，可能会导致地面下沉。例如，加利福尼亚州的长滩惠明顿油田开采就造成了城市下降。
二是靠与油气藏相连通的天然水域的能量采出部分油气。地下油气藏往往与一个很开阔的天然水域相连通，并非都是四周封闭的。与四周封闭的油藏不同，这类油藏采掘过程中，地层压力下降，与其连通水域的水会“侵”入油藏，填补被采掘后的原油空间，阻止压力下降，这种方式专业上称之为水压驱动。不过，有些情况下水域的存在并非是好事。例如，对于存在裂缝，尤其是存在大裂缝的油气藏，如果与其连通水域面积大、水体的能量很强，油气采掘过程中水会沿裂缝快速“突”进或“窜”进。当水“跑”得比油气更快，就可能导致油气井过早见水，甚至水淹油气藏，采掘出来的油气产量低。例如，菲律宾海上一个小的Nido油田就发生了这种情况，强烈的底水能量导致油井过早水淹，公司被迫关闭。我国四川威远震旦系气藏，由于强烈的底水作用和大裂缝的存在，气井过早见水、水淹，导致气藏全面停产并关闭。
三是靠原油中溶解的天然气也可采出部分油气。地下原油与地层水最大的区别就是溶解了天然气，有时溶解的天然气量还很大。一旦钻井钻开油层，便形成油层—井底—井筒—地面的原油流动通道。采掘原油过程中，当地层压力下降到某一压力值（称之为饱和压力）时，溶解在原油中的天然气就会挣脱束缚从原油中不断“逃逸”出来，成为一个一个独立的气泡。随采掘的进行，地层压力进一步降低，“逃逸”出来的一个一个独立、分散、自由流动的气泡变大、合并形成连续流动的气体，气体体积逐渐增大、膨胀将原油“推”向井底，这就是溶解在原油中的气体的作用，这种方式专业上称之为溶解气驱动。其实，这种方式也是弹性驱动的一种，不过它的弹性能量主要是气泡的膨胀，而不是液体和岩石的膨胀。因此，这种方式采掘过程中，压力下降很快，采掘出的原油量降得也快，特别是当“逃逸”出的气体进入井底后，气把油“排挤”到了一边，原油就几乎产不出来了，采掘出来的就基本上是气体了。
四是靠油藏顶部或上部的天然气可采出部分原油。有的油藏在油层的上方或顶部还有一个气层，就好像油层顶部戴了一顶“帽子”，“帽子”中的天然气处于高度压缩状态。原油采掘时，地层压力下降，它们会膨胀成为“推”动原油运动到井底，这种方式称为气顶膨胀驱动，也叫气压驱动。这种方式采掘过程中，地层压力和采掘出的原油量下降很快。当地层中膨胀的天然气到达井底后，气把油“排挤”到一边，油井就基本上只产气，几乎采不出油了。因此，对于这类油藏，石油工程师们绞尽脑汁想办法，先采掘油藏中的油，让气层中的天然气“均匀”膨胀推动油到井底，待将油“吃干榨尽”之后再来采掘帽子中的气。这种方式采掘出的原油可以达到整个油藏地质储量的20%～30%，一般高于溶解气驱动方式。
五是依靠油层自身的重力可采掘出部分油气。大家都知道，地球上任何物体都有重力，地下油、气也不例外。依靠油层中原油本身重力作用将油推入井中，称之为重力驱动。什么情况下重力“驱”油效果最好呢？通常，当油层渗透性较好、油层较厚、油层倾斜且较陡时，重力驱动是最有效的。重力作用有时威力很大，通常采掘出来的原油量可以达到总的地质储量的30%-60%，是非常可观的。
在油藏采掘的初期，通常依靠这五种天然能量中的一种或几种的共同作用采掘出地层中的部分原油，这种采掘方式被称为“一次采油”。显然，一次采油揭开了地下油气的神秘面纱，沉睡了数百万年甚至上亿年的油气依靠自身的天然能量摆脱各种束缚，沿着“井筒”这个通道“冒”到地面。可惜的是，这种方式由于没有任何外来的能量补充到油层中。随着原油采掘的不断进行，地层不断亏空，压力不断降低，最终只能采掘出原始地质储量的5%-20%。道理很简单，因为岩石、流体的弹性能量是有限的。这好比弹簧被压缩一样，开始弹力很强，随着弹簧体积扩展，弹力越来越弱，最终失去弹力。正因为如此，科学家们给这种方式又取了一个名字，叫“衰竭”开采方式。
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