震电效应研究在资源勘探中的应用前景

1、刘洪( 中国科学院地质与地球物理研究所 , 北京 100101) 摘 要 石油 、天然气和水的储层主要为含流体多孔介质 . 由于油气和水资源勘探的日益增长的需要 ,与含流体多孔介质密切相关的震电效应研究在我国得到了迅速发展. 针对声电测井探测 渗透率 、地震波传播的损耗及其控制 、天然电磁波与电磁场的产生机制及其利用等问题 ,已对第一 类震电效应 (震阻效应或 i 效应) 、第二类震电效应 ( 流动电势效应或 e 效应) 以及充放电 ( 激发极 化) 效应 ,开展了理论和实验研究 ,取得了相当大的进展 . 随着油气勘探二次创业的到来 ,将为震电 效应在资源勘探中的应用带来巨大的机遇和挑战 .

2、关键词 震电效应 ;含流体多孔介质 ;油气勘探 中图分类号 p631 文献标识码 a 文章编号 100422903 (2002) 02202112071震电效应的研究奠定了多孔介质波动理论的基础震电效应的发现已有近 70 年历史. 1936 年 blau 、statham 、thomp son 等人发现了第一类震 电效应 i 效应1 ;1939 年 ,苏联 ivannov 发现了第二类震电效应 e 效应2 ; 随后 ivan2 nov (1940) 和 frenkel ( 1944) 3 分别用震阻效应和流动电势效应理论解释了实验发现. 1951 年 ,傅承义先生运用 frenkel 的第二类

3、震电效应的理论计算了地表层地震波的速度及其影响 因素4 ,有关结果的提出比在 frenkel 理化基础上发展起来的 biot 多孔介质波动方程理论要早5.虽然 biot 理论是以 frenkel 的震电效应理论为基础发展起来的 ,但震电波动方程到 20世纪 70 年代才初步提出 (dmowska ,1977) 6 . 原因是一直难以确定第一类震电效应与第二类震电效应的逆效应. 1961 年 ,安茨费洛夫在甘布尔采夫的建议下通过实验证实了第二类震 电效应的逆效应 电震效应 ,即电磁振动可引起发声. 为了证实这种效应并非物理上的电 致伸缩效应 ,根据电致细缩与极化有关的原理7 加入了 600 伏的

4、直流电场 ,发现电磁振动引 起的声发射水平没有变化 ,因此确认此效应并非电致伸缩8 . 1975 年 ,切尔尼雅克发现了弹性振荡频率比激励频率增大一倍的现象 ,将电致伸缩的问题重新提出. 1976 年 ,米古诺夫 、索波列夫 、弗罗洛夫发现 ,加入直流电场使频率加倍现象减弱8 ,实验说明其机制不是电致伸缩 ,而可能是 i 效应. 现已认识到 ,frenkel 和 biot 的理论已被证明只在流体流动方向比较 平行 (孔隙度 10 %以上) 的介质 (即 biot 介质) 中有效 ; 而对孔隙度为 12 %的样品 ,流体局部流动是喷流 ( squirt) ,方向分布是随机的 , e 效应非常小

5、, i 效应比较大. 由于预见到地下深部地层的 e 效应可能较小 ,前苏联的研究在 80 年代后期主要转向两个方面 ,第一个是研究 i效应即直流电场对地震波的影响 ,随着这方面研究的深入 ,震波与充放电 (激发极化) 9 10 收稿日期 基金来源 2001212226 ; 修回日期 2002201226 .中国科学院知识创新工程重大项目资助课题 ( 项目编号 kzcxl2y01) 和国家自然科学基金委和大庆石油管 理局联合资助项目 ( 项目编号 49894190)刘洪 ,男 ,1959 年 9 月生 ,1988 年毕业于清华大学无线电电子学系电磁波专业获博士学位 ,现为中国科学院 地质与地球物

6、理研究所研究员. 主要从事地震波成像和震电效应研究. 作者简介 的联系已开始被注意. 另一个是转向声电测井. 即通过第二类震电效应的观测 ,探测井壁附近的高渗透层11 15 . 20 世纪 90 年代初 ,三个领域的应用前景促进了震电效应研究在我国 的兴起 : (1) 声电测井探测渗透率 ; (2) 地震波传播损耗的控制和减少 ; (3) 天然电磁场与波的多样性生成机制及其利用 . 经过近十年的研究 ,无论从实验室实验 、现场实验还是理论计算方面 ,都取得了很大进展.2声电测井理论取得重要突破声电测井 ,由于研究频段与尺度均与实验室实验接近 ,因此很容易与模型实验研究实现 互动. 又由于测井与

7、油气开发关系密切 ,容易找到研究资助 ,因此这个方向是震电研究中发 展最快的. 在声波测井频率范围内 ,孔隙介质中弹性波与电磁波的耦合现象称为声电效应 ; 声电效应的理论基础是 frenkel 、brot 的理论16 . 但由于多孔介质理论的迅速发展 ,特别是弯 曲度因子的发现和局部喷流机制的发现 ,已使得做为原型的震电方程组的细节要做一定修 改才能用于实际. 由于震电方程组过于庞大 ,其实际计算 ,也要进行有效的简化.美国的震电效应研究主要是采用在 e 效应 ,虽然 thomp son (1991) 17 的第二类震电效应 野外地面实验对促进有关研究起很大作用 ,但经过 mit 的 prid

8、e 、朱正亚 、haartsen 、mihailov 的一系列相互配合的实验室 、野外 、理论计算研究后发现18 24 ,弹性波诱导的电场信号比较弱 ,随传播距离的增大而减小 ,认为在地面观测震电转换波不是一个聪明的想法 ,从而提出 井中震电剖面的想法25 . mikhailov 等进行了井中的低频 (150 hz) 斯通利波转换电场测量 ,并采用唐晓明的斯通利波低频近似公式 ,在忽略了斯通利波衰减的条件下 ,进行了理论分析 ,朱正亚等人系统地进行了声电模型实验研究 . 利用类似的方法 , 牟永光26 、胡恒山 、周成当27等人也观测到了声电转换波波形. 因此 ,声电测井的实验基础比较牢固 ,

9、于是国内外(牟永光 ,唐晓明) 都申请了声电测井的专利 .为了建立声电测井的理论 ,胡恒山对原有具有定性作用的震电效应方程进行了定量的 考察 ,将美国 pride 的震电方程组与俄国 potapof 的方法组比较后 ,得出 potapof 震电方程组缺少了频率的弯曲度因子 ,因此按 potapof 方程组计算震电转换波量级可能过大28 . 不过 , pat2apof 方程组考察了 i 效应 ,这可能对不满足 biot 方程的多孔介质喷流机制以及介质内存在 自然电场的情况更为有效 ,这是 pride 方程组的不足 .完整的震电方程相当复杂 ,其计算要用到相当复杂的数学技巧. 由于电磁波与地震波波

10、速不同 ;时间域网格很难同时满足电磁与地震波计算的稳定性经济性要求. 对于水平层状介 质 , haarteren 发展了本征模式分解的方法19 ,求出了震电波的各个模式的波速表达式 ,并用稳相法进行层状介质中震电波场的计算. 刘澜波则尝试了用拟谱法进行震电波场计算. 戴世坤发展了一种用一维频率域有限差分计算层状介质中震电波场的方法29 . 这些方法给出了 震电转换波的幅值 ,对理论与实验资料的对比起了重要作用.胡恒山提出在计算震电波时的似稳场近似30 32 . 首先忽略电磁波对地震波的作用 ,从而可以用传统的方法计算多孔介质中的地震波 ,然后将该地震波解通过震电耦合代入到电 磁场方程中 ,所得

11、结果与包含了电磁波对地震波的作用计算的结果数值上是一样的. 这就大 大简化了震电波的计算. 似稳场近似的成功表明 ,在没有直流电场的情况下 ,震电波的产生 机制受第二类震电效应的逆效应影响不大 ,从而可以这样描述震电波的 ,弹性波在地下传播 ,在含流体多孔介质中发生动电损耗 (假如介质为 biot 介质 ,渗透率比较大) ,从而携带一个伴随流动电势 ,弹性波在地层边界上是满足连续性条件的 ; 而伴生的流动电势是不连续 的 ,为了使电磁场的连续性满足 ,应存在一个电磁波 ,这是电磁首波 . 这个计算虽然是在井中 条件下进行的 ,对地面也完全类似 ,这就为天然电磁场的解释提供了一个新的机制 ,这在

12、第3 节将会提到.目前震电波的计算还都是适合于水平层状介质 ,并假定弹性波到达前介质内没有其它 电磁场. 当考虑介质内其它电磁场 ,并考虑 i 效应时 ,震电波的计算将更为复杂 ,可能需要求 解横向非均匀介质的频率域方法法 . 目前在地震波的频域计算中 ,已发展出一种求解多维 helmholz 方程的谱分解法 ,能够比较快速地求出一次散射或反射波 ,但将其应用于震电波的 计算还有大量具体问题需解决. 为了井中震电方法的发展 ,地震波速 、电导率的估计和转换 波成像是进一步研究需要考虑的问题 .3 地震波的损耗研究与控制正在深入进行根据 biot 理论 ,当地震波在多孔介质中传播时 ,流体和固体

13、发生相对运动 ,从而使地震 波的幅值下降 . 根据原始的 biot 理论进行介质损耗研究 ,就相当于研究 e 效应对地震波的影 响 . 傅承义先生早年的文章就是循此途径. pride 与 morgan (1991) 22 等人曾按此计算了地震 波的损耗. 如果说声电测井的理论目前是考虑 e 效应的话 ,地震波损耗的研究已从单纯地 考虑 e 效应到综合考虑 i 效应和充放电效应.前苏联学者考虑了 i 效应对地震波的影响 . 康德拉特 ( 1987) 根据震阻电渗效应理论提 出 ,既使对于比较弱的直流电场 ( 1v/ m) ,也会对声波的衰减产生明显的影响. 在该研究中 , 电渗效应还是依据了 f

14、renkel 和 biot 的理论8 . 多孔介质的实验研究表明 ,地震波的损耗并不完全象 biot 理论所预测的那样 ,人们提出的所谓喷流机制 ,即流体可能在局部从大孔隙向 四周喷射33 36 . 这种局部流理论已很好地解释了油气储层上的“气烟囱”现象 ,即准 p 波比准 sv 波损耗大的现象. 库兹涅佐夫和西姆金 (1990) 发表了孔隙系统的渗透性在电场作用下 发生变化的研究成果 ,他们发现 ,当电力线的方向与之渗透方向一致时 ,渗透率随电场强度 的增大而增大 ,当两方向垂直时 ,没有发现渗透率的变化 ,这表明电场可以改变渗透率 ,从而 改变局部喷流的方式 、增大电场方向的渗流 ,据此就

15、可能平行于喷流理论导出直流电场对地震波损耗的另一种影响.震阻 电渗以及电场控制喷流的理论适于渗透率比较大的岩石37 ,与电场施加时间长 短无关 ,与施加方向有关 ,具有可逆性 (指加场和减场时的状态轨迹重复) . 如果流体被束缚不能移动 ,则震阻 电渗以及电场控制喷流的理论都难以凑效 ,这时需要考虑充放电 (极化)效应38 39 . 它主要由电荷储能效应传递电流 ; 电荷储能后改变了介质的力学性质 ,从而改 变地震波的损耗. 该效应与电场施加时间长短有关 ,具有不可逆性 ( 指加场和减场时的状态轨迹不重复) ,与施加方向无关.1996 年 ,波达波夫给出了受电场作用的含流体介质中弹性振动的最新

16、实验结果. 超声 实验表明 ,电场对弹性场参量的影响 ,实际上是通过电流作用产生的 ,当介质中没有电流通过时 ,电场强度实际上不起作用 . 当电流与波速一致时 ,随着电流增加 ,声波震幅单调增加达 到饱和 ,当方向相反时 ,振幅先有不明显增加 ,然后衰减以至消失 ; 方向垂直时电场没有影响 . 这表明 ,电场对声波的作用是非线性 、不可逆的. 这种不可逆过程与双电层中的束缚层 、不连通的孔隙中电荷的交换有关 ,即与激发极电法中的极化现象有关39 .1996 、1997 年在大庆开展了直流电场对地震勘探影响的实验40 43 ,实验发现 ,有些部位 加正电和加负电均引起振幅增强 ,有些部位加正电信

17、号增强 ,加负电信号减弱. 后者符合震阻电渗效应方程的预测 ,前者符合极化效应的预测 .2001 年 ,李建勇等对大庆 1999 年的实验进行了深入分析44 ,研究了电场条件下对面波 相对反射波的变化. 为了排除两次放炮激发条件变化的影响 ,依据浅层反射波进行两次放炮 的归一化运算 . 通过研究发现 ,当施加不同电流时 ,归一后的反射波频谱变化不大 ,而面波频 谱发生了显著的有规律的变化. 这说明 ,直流电场确实改变了地震波中面波与反射波的比 例 ,电场对面波的影响至少比对反射波强 .4 多源天然电磁场研究值得重视长期以来 ,人们只考虑天然电磁场中的大地电磁场和自然电位. 根据国内目前的试验研

18、 究 ,地下信息有关的地面天然电磁场至少应包含以下几部分 :(1) 从大气中入射的电磁波在导电介质中的反射 ,遵循导电介质中的麦克斯韦方程.(2) 从大气中入射的电磁波在导电极化介质中的激发极化 ( 充放电) ,其源的频谱遵循cole2cole 模型44 .(3) 震动 (如雷声) 引起的 biot 流 、喷流 、形变引起的极化介质中的充放电电流8 ,29 ,45 .(4 ) 震 动 ( 如 雷 声 ) 引 起 的 biot 流 产 生 流 动 电 势 , 由 于 电 流 不 连 续 造 成 的 电 磁 辐射20 ,21 ,39,遵循 pride 也就是 frenkel 和 biot 方程.(

19、5) 伴随震动 (如雷声) 及其反射地震波的流动电势 18 21 ,42 .加入直流电场 ,地下就会出现充放电现象 ,这就是众所周知的激发极化现象. 直流电场 对地震勘探影响的实验表明 ,激发极化现象确实影响了地震波的损耗 ,这可以从激发极化改 变了力学形变性质来解释 . 从 onsarger 互逆原理可知 ,力学形变也可以改变激发极化性质 , 从而造成充放电. 石昆法进行了实验室试验46 、戴世坤给出了理论描述29 ,野外试验也证实这一推测45 . 第 4 和 5 种波场是理论和实践都已预测到的.这几种现象出现的条件是不同的. 第 5 种波场要求地面有较大的流动电势效应 ,第 4 种 波场要

20、求反射层有较大的流动电势效应 ,第 3 种波场要求有较大的极化效应且充放电条件 受震动影响大 ;第 2 种波场要求有较大的极化效应. 大型振动并不是一个必须的条件 ,通过 开展随机信号处理研究 ,可以将小的振动源合成为大的振动源 .值得注意的是 ,第 3 5 种波场的脉冲响应的运动学特性都与声波波速有关 ,因而有可 能据此进行地下探测. 第 5 种波场反映的是地下弹性信息 ; 第 3 4 种波场则反映了地下弹性与电性耦合的信息. 如果第 3 4 种波场能提取 ,则有可能探测地下多孔介质信息. 由于声速较电磁波速慢的多 ,第 3 4 种波场的分辨率比第 1 2 种波场要高得多.为了有效地利用天然

21、电磁场进行地下成像 ,并突破导电介质波动现象的分辨率限制 ,需 要重视第 3 4 种波场的研究47 55 . 我们来考虑如何将第 3 4 种波场提取出来. 首先 ,通过 随机信号相关处理 ,有可能提取出 5 种信号的脉冲响应. 第 5 种波场的地震波脉冲响应横向 传播时差较大 ,而第 1 4 种时差较小 ,通过多道接收有可能加以区分 ;由于振动源的空间位置可能是随机的 ,对同一接收点 ,第 5 种波场的脉冲响应有可能不同 ,取不同的时间段进行随机信号处理 ,也可能将第 5 种波场分离开 . 由于第 2 3 种是极化响应 ,因此每一个子波延 时较长 ,在频率域它们有一个优势带通频带 ,第 1 和

22、 4 种每一个子波延时较短 、频带则较宽. 将第 3 4 种波场提取出来是可能的 .表 1 多源电磁场的特征ta ble 1 characteristics of multi2origenal electromagnetic f ield波 场方 程子 波时 差频 谱大地电磁被动极化 振动放电动电转换 伴随电势麦克斯韦cole2cole 模型 戴世坤pridepride短延时 、单子波长延时 、单子波 长子波 、多子波短子波 、多子波 短子波 、多子波小小 小小 大宽窄 窄宽 宽5 震电效应的应用前景目前 ,中国石油勘探二次创业需要解决前新生代海相残留盆地的油气勘探问题56 . 中 国西北 、

23、四川 、渤海湾已显示出前新生代海相残留盆地的巨大油气潜力. 但上扬子地区存在 山地复杂近地表影响深部成像问题 ,下扬子地区存在印支面内幕反射图像不清问题 ,渤海湾 则存在火山岩屏蔽和古潜山内幕不清的问题. 目前利用高分辨率三维地震 ,进行精细的共反 射叠加和保幅的叠前深度成像是可能的新型地球物理手段. 震电效应研究能否在前新生代 海相残留盆地的油气勘探中发挥作用 ,是一个值得探讨的问题.声电测井有较清楚的理论 ,如能投产 ,可以在井中直接探测裂缝带 ,并推断地层渗透率 , 这对前新生代海相残留盆地研究无疑是有意义的. 但目前资料采集和处理还缺乏科研和产 业部门支持 ,江汉测井所 、大庆物探公司

24、比较感兴趣 ,但力量仍不够 .利用震电效应进行地震波的损耗研究与控制 ,对前新生代海相残留盆地深部油气储层探测有较大意义 ,因为有可能在采集阶段减少地震波的损耗 ,提高接收的地震波主频. 目前 这个方面已取得宝贵的野外数据 ,但分析和理论研究都显得不够. 某些理论工作开了一个良 好的头 ,但与大庆及物探局五处采集的实际资料分析研究相结合还显得不够 ,震电效应与多 孔介质喷流理论 、激发极化理论的关系尚需阐明.多源天然电磁场的研究是一项探索性比较强的工作 ,如能从天然电磁场中提取出震电信号 ,则对山地复杂近地表深部成像 、印支面成像有较大意义 . 这项工作投入少 、可以利用现 有设备 ,开展野外

25、试验比较容易 ,在资料处理上需要解决一些难题 ,如在共接收点道集上随 机震源信号的静校正问题 . 在理论上 ,也需要震电效应与多孔介质喷流理论 、激发极化理论 的关系的深入研究.总之 ,随着油气勘探二次创业的到来 ,将为地球物理工作带来巨大的机遇和挑战 ,地球物理学界应借此机会将有关震电效应的研究组织起来 ,争取在应用上取得突破 ,并带动理论 研究.参考thompson ,r. r. the seismoelectric effect j . geophysics ,1936 ,1 :327 .ivannov , a. g. effect of electriczation of earth

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