火眼金睛 ——石油的自述•我的传奇之四

人类居住的地球，表层是由岩石圈组成的地壳，而我——石油，亿万年来就一直埋藏于地壳的岩石中，深度可深达数千米，眼看不到，手摸不着，所以，想找到我首先需要搞清地下岩石的情况。这就需要用到地球物理勘探技术，这是一种以岩石间物理性质差异为基础，以物理方法为手段的勘探技术，称得上找油找气的“火眼金睛”，主要包括重力勘探、电法勘探、地震勘探。

重力勘探

说起重力，人们最先想到的是什么？没错，就是大科学家牛顿被苹果砸中脑袋的故事。树上的苹果熟透了落到地上，抛出的物体仍然回到地面，而不会飞向空中。这种司空见惯的现象通常不会激发人们的好奇心。但是牛顿不是一般人，他认为地球一定有一种奇异的力在吸引着苹果。后来，牛顿经过大量的天文观测和艰苦的探索，终于于1687年总结出万有引力定律。他解释了苹果落地是因为地球与苹果之间有吸引力，也就是人们常说的“地心引力”，物理学上称之为重力。

思考苹果的牛顿

重力实际上是物体与地球之间的引力和地球自转离心力的合力。相对于引力来说，离心力十分微弱，即使在离心力最大的赤道上，它也只是地球引力的1/300，所以，重力基本上就是地球的引力。由于重力的作用，物体从高处下落时，总是越落越快，产生一种朝向地心的重力加速度。在实际应用中，都是用重力加速度数值大小来表示重力的大小。

那么，地球上的重力（重力加速度）是否处处一样呢？不是的，因为地球是个椭球体，两极稍扁平，赤道略突出。离心力从赤道到两极逐渐减少，因而地面上重力便随着纬度的增高而变大。已经证明，在赤道重力最小，在两极重力最大，它们的比值为99.5∶100，这就能够解释，1911年4月，利比里亚商人哈桑在挪威购买了12000吨鱼，一帆风顺运到利比里亚首府蒙罗维亚城后，鱼数未少，重量却轻了很多，这显然是重力同这位商人开了一个大玩笑。

重力不但随纬度变化而变化，而且随高度增加而减小，物体到了一定高度以后，就会出现失重现象。一个体重80千克的人，当他乘火箭飞到离地面6370千米的高空时，他的体重就只有20千克了。所以我们看到太空中的宇航员在飞船里轻松自如地游弋，正是失重现象的奇妙表现。除此之外，人们还了解到地壳内部物质的密度变化、地表物质分布的不均匀性、太阳和月亮等天体对地球的引力作用都会造成地球重力值的变化。

由此可见，重力和人类生活有着非常密切的关系，在科学研究和生产实践中都有广泛的应用。地球物理学家在研究地球的形状和结构、探测地下不同岩层的性质和起伏变化、了解油气构造的特征及其埋藏深度时，必须利用精确的重力数据。

野外重力勘探

当我们去菜市场买菜时，商贩用秤为我们称取各种食品和蔬菜。也就是说，商品的重量是用秤称出来的。那么，地球的重力能不能“称”出来呢？

人们在长期的勘探实践中了解到地下不同地质结构会引起地球重力的变化，比如在一个大的沉积盆地中，地层的起伏变化、岩体和断层发育的规模和特征等都有不同的重力反映。当然，这种变化是非常微小的。为了测量这种变化，人们根据力的平衡原理制造出一种仪器——重力仪，它能“称”出地下重力的大小。实际上，最简单的重力仪就像一杆弹簧秤，而且十分灵敏。勘探工作者按照设计好的测点用重力仪在野外逐一观测，记录下每个测点的重力值，利用计算机进行一番处理，然后，把各点的重力值形象地绘成有峰有谷、高低不平的地下“地形图”。科技人员就可以用它结合其他资料来分析研究地下的地质结构，并推断出哪些地方可能会存在油气藏，这就是重力勘探。

20世纪初，匈牙利物理学家厄缶发明了测定重力变化率的扭秤，并首先在捷克、德国、埃及和美国用于寻找油气藏，且获得成功。1935年，第一台能直接测出重力差的重力仪正式投入使用。此后，不同类型的重力仪也得到迅速的发展。

磁力勘探

指南针是中国古代的四大发明之一。你知道它是根据什么制造的吗？没错，是磁性。早在春秋战国时期，中国人就知道有一种石头具有这种特性。到了公元前250年的战国末期，中国人用天然磁石做成汤匙状，然后放在刻有方位文字的光滑铜盘上，用它指示方向，这就是世界上最早的指南针——“司南”。大约在公元838年，中国首先把指南针用于航海，而且在其他方面，指南针的使用也非常盛行。直到公元12世纪，中国的指南针才由阿拉伯商人传到欧洲。

指南针传入欧洲以后，英国人威廉·吉尔伯特进行了大量研究，他在1600年通过实验提出，地球本身就是一个大磁铁，具有南北不同的极性，并在其周围形成了地磁场。这就解释了指南针一端指向地磁南极，另一端指向地磁北极的现象。磁铁没有跟铁钉接触，就能把铁钉吸了起来，就是通过这种看不见、摸不着的传递媒质——磁场发生作用的。

地磁场的分布范围很广，从地核到地球以外几万千米的空间都存在。地磁场对地下岩（矿）石也会产生作用，可使没有磁性的岩（矿）石具有磁性，并形成了自己的磁场，这叫做磁化作用。一些铁矿山周围存在很强的磁场就是这种磁化作用的结果。

地球磁力线

其实，这种现象也早为古人所知。相传“一代天骄”成吉思汗在率领他的骑兵奔驰在乌兰察布草原上时，看见远处一座高山，他们快马加鞭直到山前，却突然感到骏马行动缓慢，举蹄艰难，经一番催促到了山顶，居然定在了那里。后经武士们奋力营救，直至铁马掌全部脱落，骏马才恢复了行动自由。成吉思汗拿起乌亮沉甸的矿石，惊讶地称赞“白云博格都，白云博格都！”（意思是：“宝山啊，宝山！”）。虽然白云鄂博铁矿吸掉成吉思汗马掌的传说真实与否无从考证，但白云鄂博铁矿确有非常强的磁性，堪称地壳中的一块大磁铁了。

人类是如何根据磁性的特征找到矿藏的呢？在实际中，最容易被磁化的是含有铁磁性矿物的岩石，所以，在这类岩石形成的矿藏和储油构造周围就存在较强的磁场。同样，磁场又会对一些铁性物质产生影响，导致地下存在磁力异常。人类就是根据地磁的这种特性，早在17世纪初就想到用罗盘寻找磁铁矿了。到了1915年，法国人施密特制造了精度较高的磁秤，并在圈定磁性岩体、研究地质构造和寻找油气藏中得到了很好的应用。

随着科学技术的不断发展，人们又陆续研制出精度高、重量轻，甚至能自动记录的重力、磁力仪器，并可适用于不同的工作环境。如在复杂的山地、林区，可以把仪器装在飞机上进行空中测量；在浩瀚的大海上，也可把仪器装在轮船中进行勘探，甚至可以把仪器放到海底和钻井中观测。尽管工作场所不同，但它都能探测出地下的地质构造，为人们找到更多更丰富的油气藏和其他矿藏。

中国于1940年在玉门油矿进行了磁测试验，1950年成立了第一个油气勘探磁力队。此后，队伍不断发展，几十年来，磁力勘探配合其他勘探方法，为中国各大沉积盆地的油气勘探立下了汗马功劳。

电法勘探

19世纪，电机、电话、电灯三大发明促使人类实现电气化。现在，世界进入信息时代，工业、农业、国防及日常生活的各个领域都离不开电。电也能用于找矿。借助于地表的岩石具有导电性能的特征，当我们在地面上两点通入直流电，地下立即会形成一个电场。如果地下的导电性是均匀的，电流线的分布就是规则的；如果地下埋藏着导电性与周围岩石不同的矿体，电场就会发生扭曲。人们通过分析地下电场的变化就可以发现矿体的存在，这就是人工电法勘探的基本思想。

研究表明，地球是一个导电体，各岩层的电性（电阻率、极化率等）存在差异，沉积岩的电阻率一般较低，变质岩和火成岩的电阻率较高，通过电法能较容易地确定沉积盆地范围、沉积岩厚度及其起伏形态。砂岩是很好的储层，当电阻率高的石油侵入后，就会形成高阻层或高阻异常体，这就为寻找油气提供了电性异常以及有关的地质信息。

中国大多数盆地都开展过电法勘探工作，应用电法勘探结果不仅可以对盆地进行构造研究，还可以圈定油气有利富集区，为油气勘探作出积极贡献。随着电法勘探方法的更新、仪器精度的提高和计算机技术的进步，电法勘探能解决的地质问题越来越多，已成为探测油气藏不可缺少的手段。

沙漠电法勘探

地震勘探

有史以来，古今中外发生过大大小小不胜枚举的地震，给人类的生命、财产带来极大灾害。几千年来，人们不断地研究这种地质现象。公元前1177年，中国就有关于地震的记载，是世界上最早记载地震的国家。公元132年，东汉时期杰出的科学家张衡制造出世界上第一台观测地震的候风地动仪，仪器设在洛阳，曾记录到发生在千里之外的甘肃地震。这台仪器观测地震的成功是人类认识地震的开始。

用地震仪器将天然地震发生时产生的地震波记录下来之后，地震学家用这些资料就可以推断灾区地下地质结构和岩石性质。如今地震勘探工作者就是利用地震波来研究地下岩石性质并寻找石油和天然气的。所不同的是，他们不是利用天然地震时产生的地震波，而是用人工制造的、可移动的、可控制振动能量的地震波。用人工制造的地震波进行的地质探测叫作地震勘探。

地震勘探工作是一个系统工程，包括地震资料采集、地震资料处理、地震资料解释。地震资料采集是在野外进行的，之后将野外采集的资料带回室内用计算机进行资料处理加工，提取有用信息，然后再由石油物探专家和地质专家根据处理后的资料所提供的信息及其他有关资料研究地下地质形态、岩石性质，并找出有利于油气储存的场所，提供钻探井位。根据震源激发出的振动（也称地震波）向四周传播的波型特征，地震勘探可分为三种基本方法，它们是反射波法、折射波法、透射波法。

野外地震布线

（1）反射波法。日常生活中大家可能都有这样的感受，在湖边玩耍时，将一粒石子投入湖中，平静的湖面在激起浪花的同时，还会产生向四周传播的波纹。水波传到对岸或遇到障碍物时，又会掉转头来反向传播。又如站在山前喊话，顷刻间会听到山那边传过来自己的声音。以上现象是因为水波和声波在传播时遇到障碍物会发生反射的缘故。与此相似，如果我们在离震源较近的若干接收点上布置检波器，就可以测出地震波从震源出发向地下传播遇到不同地层界面时反射回来的地震波及其依次回到地面各检波点的传输时间，反射回来的时间的不同代表了浅、中、深地层在地下的埋藏深度的不同，运用这些微小差异就能直观地反映出地层的起伏变化。这就是反射波法地震勘探所依据的原理。

小贴士：地震检波器是用于地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的传感器。

（2）折射波法。如果将一根筷子插入盛水的玻璃杯中，咦！筷子入水后魔术般地变折了？从水中取出筷子仍然是直的，这种奇怪现象可能大家都曾见到过，这就是光的折射现象。现在让我们看一看如何进行折射波法地震勘探。炸药爆炸后，激发的地震波向四面八方传播，遇到地层分界面时，除有一部分反射波返回地面外，还有一部分地震波透过分界面并沿着该分界面在下面地层中传播。在一定条件下，这种沿分界面传播的地震波也会返回地面，这种地震波叫折射波。通过接收这种波来分析地层情况的方法就叫折射波法地震勘探。

（3）透射波法。如果我们将激发点和接收点分别放在地质体的两侧，直接接收透过地质体的波，这种勘探方法叫透射波法地震勘探。目前，反射波法应用最广，折射波法次之，透射波法只作为辅助手段。

纵波与横波。当我们拉伸或压缩弹簧的时候，弹簧会沿着用力的方向振动，这是纵波。如果我们将橡皮筋的一端绑在柱子上，沿水平方向拉直，然后向上拉其另一端后突然松手。这时，橡皮筋的每一点呈上、下运动，看上去好像有个波沿皮筋方向传播，这种波叫横波。纵波和横波有先后相继发生的现象。发生天然地震时，人们可能有这种感受，首先感到地面上下振动，这是垂直地面振动的、传播速度较快的纵波首先到达造成的；过后又会感到左右摇晃，这是平行地面振动的、传播速度较慢的横波接踵而来造成的。地震勘探可用纵波进行勘探，也可用横波进行勘探。二者相同之处是均为用人工方法激发地震波，又都是接收由地下反射回来传到地面的波。所不同的是激发和接收地震波的形式不同，各有其专门的震源和接收器。

不同维度的地震勘探

人类生活的空间有一维、二维、三维和多维之说，地震勘探也是如此。地震勘探中的一维勘探是观测一个点的地下情况；二维勘探是观测一条线下面的地下情况；三维勘探是观测一块面积下面的地下情况；若在同一地区不同时间重复做三维地震勘探，则可称之为四维地震勘探。四维堪探是观测同一块面积下不同时间的地下变化情况。根据地质任务和达到的目的不同，可采用不同维度的勘探方法。

那么，怎样进行一维地震勘探呢？将检波器由深至浅放在井中不同深度，每改变一次深度在井口放一炮，记录地震波由炮点直接传到检波器的时间，借此可以确定各个地层的深度和厚度。

如何实现二维地震勘探呢？将多个检波器与炮点按一定的规则沿直线（称测线）排列，在测线上打井、放炮和接收。采集完一条测线再采集另一条测线。最后得出反映每条测线垂直下方地层变化情况的剖面图。这种方法从20世纪20年代初期开始使用直至今天。

如果你想看地下物体真实的立体图像就需要做三维地震勘探。它是由二维地震发展来的。三维地震主要在地下条件更复杂的地区或地表难以进行二维地震勘探的地区采用；另外，在已发现油田的地方，为优化油田的勘探开发方案可进行三维地震勘探。三维与二维的主要差别是激发点与接收点的相对位置不同。二维地震要求炮点和检波点沿同一直线；而三维地震则是将多道（必要时可达上千道、上万道）检波器布成十字状、方格状、环状或线束状等，炮点与检波点在同一块面积上，形成以面积形状接收由地下返回地面的地震波。其效果可以大大改善记录质量，提高信号的清晰度和分辨率，从而提高解决地质问题的能力，能把油气田的位置确定得更准确。由于三维地震最后得到的是一组立体的数据，根据这个数据体就能给出地层的立体图像（三维立体图）。同时，也可以给出由浅至深，一层层的水平切片图，将这些图制成动画，人们就能像看电影一样来解释地下地质情况，既省时省力，又精确。这种方法在20世纪70年代一经提出就得到了广泛应用。

四维地震勘探始于20世纪90年代初，是三维地震的延续。它要求在同一块工区不同时间（可能相隔几个月或几年，时间为第四维）用相同的采集和处理方法将所得到的三维地震勘探成果进行比较。犹如将人物传记的立体电影一帧帧放一遍，细看每帧之间的不同就可以看出人物的成长过程。用这种方法研究油气田开采前后三维资料间的差异就能得出油田的开采情况，找出尚未开采或漏采的剩余油区，达到少钻井、低成本、多采油的目的。这种方法给石油开采商带来很大经济利益，因此，他们都愿意开展四维地震观测。

作者：马新福