石油勘探SQUID應(yīng)用的可行性

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1引言

超導(dǎo)量子干涉儀，本質(zhì)上是一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器。由于它在微弱磁場(chǎng)探測(cè)方面具有極高的靈敏度，因而被廣泛的運(yùn)用于生物磁測(cè)量、大地勘測(cè)、無損探傷等領(lǐng)域。現(xiàn)今低溫超導(dǎo)量子干涉儀的磁場(chǎng)靈敏度可達(dá)到1fT/Hz1/2量級(jí)，而高溫超導(dǎo)量子干涉儀的磁場(chǎng)靈敏度也可達(dá)10fT/Hz1/2量級(jí)。油氣藏上方巖石中廣泛存在的磁學(xué)－地球化學(xué)－礦物學(xué)異常與烴類微滲漏作用之間的存在一定相互關(guān)系。烴滲漏可以通過改變油氣藏上方空間氧化還原條件等造成磁性變化從而在近地表產(chǎn)生磁異常變化。運(yùn)用微磁測(cè)量尋找油氣藏，即通過一定探測(cè)手段取得近地表的磁異常數(shù)據(jù)，而這些磁異常在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、分析之后，可以為石油勘探提供一定的相關(guān)依據(jù)。本文的主要工作是分別對(duì)squid的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及微磁測(cè)量尋找油氣藏的原理、方法進(jìn)行介紹后，分析了SQUID在石油勘探中應(yīng)用的可行性。

2SQUID的工作原理

SQUID是一種基于超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化現(xiàn)象的磁通傳感器。約瑟夫森效應(yīng)，是指電子能通過兩塊超導(dǎo)體之間薄絕緣層的量子隧道效應(yīng)。若通入不超過超導(dǎo)體臨界電流的偏置電流，在隧道位壘兩端將沒有電位降，這就是產(chǎn)生零電位差的直流約瑟夫森效應(yīng)。若隧道位壘兩端維持一個(gè)恒定的零電位差，將有一個(gè)交變的超導(dǎo)電流流過位壘，這就是交流約瑟夫森效應(yīng)［1］。SQUID通常含有一個(gè)或更多的約瑟夫森結(jié)，這些超導(dǎo)體之間的弱連接可以通過小于臨界電流的超導(dǎo)電流。當(dāng)含有約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)閉合環(huán)路通過一定的偏置電流后，會(huì)呈現(xiàn)一種宏觀量子干涉的現(xiàn)象，具體的表現(xiàn)為該閉合環(huán)路中的磁通量呈周期性變化，其周期為單個(gè)磁通量子［2］。因此它的靈敏度非常高。按器件工作時(shí)偏置方式的區(qū)別，SQUID可以分為直流(DC－SQUID)和射頻(RF－SQUID)兩種。

2．1直流超導(dǎo)量子干涉儀

直流超導(dǎo)量子干涉儀(DC－SQUID)是由兩個(gè)約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的超導(dǎo)圓環(huán)，如圖1所示，兩個(gè)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)在電感為L(zhǎng)的超導(dǎo)環(huán)內(nèi)。當(dāng)SQUID的偏置電流I略大于兩個(gè)結(jié)的臨界電流之和I0時(shí)，該器件的阻抗與兩端的電壓均為穿過SQUID環(huán)路的外磁通量的周期函數(shù)，圖2所示。周期為一個(gè)磁通量子。當(dāng)I超過I0后，在外部磁通量變化時(shí)，結(jié)兩端的電壓U會(huì)以磁通量子產(chǎn)生周期性的變化，通過測(cè)量該電壓U來測(cè)量出外磁場(chǎng)通過超導(dǎo)環(huán)的磁通量的變化［3］。

2．2射頻超導(dǎo)量子干涉儀

射頻超導(dǎo)量子干涉儀(RF－SQUID)的超導(dǎo)環(huán)內(nèi)只有一個(gè)約瑟夫森結(jié)，如圖3所示。超導(dǎo)環(huán)通過互感M與一個(gè)LC諧振回路耦合。諧振回路由RF端電流I驅(qū)動(dòng)，其頻率為幾十兆赫到幾千兆赫。回路的有效感抗隨外磁場(chǎng)而改變，進(jìn)而改變諧振頻率。RF端電壓是磁通的周期函數(shù)，周期同樣是一個(gè)磁通量子。射頻超導(dǎo)量子干涉儀造價(jià)要低一些，靈敏度也相對(duì)較低。

3SQUID的發(fā)展現(xiàn)狀

SQUID因其高精度的優(yōu)良性能，在弱磁測(cè)量方面有廣泛的運(yùn)用［4］。在計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域中，低溫SQUID主要用于量子化霍爾電阻基準(zhǔn)的測(cè)試，而高溫SQUID研制的檢流計(jì)，精度也能夠達(dá)到10－12A。SQUID磁強(qiáng)計(jì)也因其作的心磁圖是封閉的二次信息，反映出的信息更為全面。在大地磁測(cè)勘探中，SQUID磁強(qiáng)計(jì)比起常規(guī)測(cè)量?jī)x器，同樣具有更高的測(cè)量準(zhǔn)確度、更寬的頻帶以及更高的信噪比［5］。SQUID磁強(qiáng)計(jì)在低頻段的靈敏度很高，在4K條件下可達(dá)1fT/Hz1/2，而且測(cè)量量程大，頻帶很寬(0～n×106Hz)，能響應(yīng)快速變化的磁場(chǎng)。美國(guó)QuantumDesign公司生產(chǎn)的SQUID磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)MPMS(MagneticPropertyMeasurementSystem)已經(jīng)成為世界公認(rèn)的頂級(jí)測(cè)量平臺(tái)，廣泛的分布于世界上幾乎所有材料、物理、化學(xué)、納米等研究領(lǐng)域尖端的實(shí)驗(yàn)室。該公司基于SQIUD開發(fā)出來的MPMS靈敏度可高達(dá)10－9emu(工程中常用磁矩單位，1emu=10－3A•m2)，系統(tǒng)的測(cè)量溫度范圍在1．9K到400K(另有選件可拓展至0．48K～1000K)，同時(shí)設(shè)備由超導(dǎo)磁體提供最高到7特斯拉的外加磁場(chǎng)。此系統(tǒng)是由一個(gè)基系統(tǒng)及各種測(cè)量拓展選件構(gòu)成的?；到y(tǒng)在功能上主要包含了內(nèi)置超導(dǎo)磁體、低溫杜瓦、溫控系統(tǒng)、磁場(chǎng)控制系統(tǒng)、MPMS系統(tǒng)中央控制平臺(tái)及SQUID探測(cè)單元，從而實(shí)現(xiàn)在此低溫強(qiáng)磁場(chǎng)平臺(tái)上的更多測(cè)量功能［6］。QuantumDesign公司目前提供兩個(gè)系列的MPMS磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng):MPMS(SQUID)XL系列和MPMS(SQUID)VSM系列。其中MPMS(SQUID)XL系列是開發(fā)比較早且目前使用最為廣泛的SQUID磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，而MPMS(SQUID)VSM是2006年QuantumDesign公司在美國(guó)物理協(xié)會(huì)APS年會(huì)上的最新設(shè)計(jì)的基于SQUID磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，較前者最大的特點(diǎn)在于具有極高靈敏度的同時(shí)又有非常高的測(cè)量速度。表1是二者關(guān)于磁學(xué)參數(shù)的簡(jiǎn)要比較。

4石油勘探的主要方法

石油勘探主要是指為了尋找和查明油氣的資源，利用各種勘探手段來了解地下地質(zhì)狀況，更為全面的認(rèn)識(shí)生油、儲(chǔ)油等一系列條件，從而得以綜合分析含油氣遠(yuǎn)景，最終確定油氣聚集的有利地區(qū)、找到油氣田的工作過程。在尋找油氣田的過程中，不同的地區(qū)、不同的地質(zhì)條件、不同類型的油氣田采用的勘探找油方法是不盡相同的。在非磁測(cè)的勘探方法中，主要包括重力勘探、電法勘探、地震反射法和地震折射法等［7］。這些方法均主要用于了解地殼深部結(jié)構(gòu)和基底表面起伏，從而劃分區(qū)域構(gòu)造單元繼而為尋找油氣提供一定有利信息。目前磁測(cè)在油田勘探中的運(yùn)用主要是依據(jù)地下油氣藏的存在而引起微磁異常的特性，通過一些手段測(cè)量地表的磁異常，然后根據(jù)相關(guān)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為石油勘探提供一定相關(guān)性信息。研究結(jié)果表明:油氣藏上方巖石中廣泛的存在磁學(xué)－地球化學(xué)－礦物學(xué)異常與烴類微滲漏作用之間的關(guān)系。烴滲漏可以通過改變油氣藏上方空間氧化還原條件等造成磁性變化從而在近地表產(chǎn)生磁異常變化。而這些磁異常在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后，可以提供微磁異常與油氣藏之間高度的相關(guān)性［8］。依據(jù)磁性參量的測(cè)量結(jié)果，利用各種合理的數(shù)學(xué)物理模型，計(jì)算他們?cè)诮乇砜臻g產(chǎn)生的磁異常?，F(xiàn)今進(jìn)行地表磁異常測(cè)量主要有兩種方法，分別是:(1)直接進(jìn)行航磁測(cè)量對(duì)各含油氣盆地進(jìn)行一定比例尺的航空磁測(cè)，綜合由遙感技術(shù)中發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)圖像顯示與處理技術(shù)的研究，還原所測(cè)地帶的區(qū)域磁異常等磁性信息。(2)對(duì)地表淺層土壤及沉積蓋層中的巖石樣品磁性特征綜合分析此時(shí)的研究對(duì)象主要是地表近地表的土壤、沉積蓋層中的巖石樣品。對(duì)土壤進(jìn)行磁化率、磁滯回線、居里點(diǎn)測(cè)量，對(duì)巖石進(jìn)行重礦物分析、X射線等一系列分析，利用各種合理的數(shù)學(xué)物理模型，計(jì)算它們?cè)诮乇砜臻g產(chǎn)生的磁異常，為找油提供可靠的理論基礎(chǔ)與方法技術(shù)。

5SQUID的石油勘探中的應(yīng)用

5．1航磁測(cè)量航磁測(cè)量，即航空磁力測(cè)量，主要方法是將航空磁力儀及其相關(guān)的輔助設(shè)備裝載在飛行器上，然后再測(cè)量地區(qū)的上空按照事先設(shè)定完備的測(cè)線和高度對(duì)地磁場(chǎng)強(qiáng)度或梯度進(jìn)行地球物理測(cè)量。它的優(yōu)點(diǎn)在于不受地面水域、沼澤、高山等地理?xiàng)l件的限制，亦可減弱地表磁性不均勻體的影響。對(duì)各含油氣盆地進(jìn)行一定比例尺的航空磁測(cè)，再綜合由遙感技術(shù)中發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)圖像顯示與處理技術(shù)的研究，可以還原所測(cè)地帶的區(qū)域磁異常等磁性信息。此過程即為航磁測(cè)量技術(shù)在油氣勘探方面的應(yīng)用。對(duì)于用SQUID來進(jìn)行磁法勘探，國(guó)外有類似的研究［9－10］。19世紀(jì)60年代，我國(guó)已經(jīng)利用自行研發(fā)的數(shù)碼式核子旋進(jìn)航空磁力儀(靈敏度為0．3nT)完成了大陸上各主要油氣盆地的1∶100萬航空磁測(cè)工作和相當(dāng)數(shù)量的1∶20萬航空磁測(cè)工作。并在80年代末完成全國(guó)主要油氣盆地的1∶20萬航空磁測(cè)工作。這些工作的完成，標(biāo)志著我國(guó)石油航空磁測(cè)工作一個(gè)歷史階段的結(jié)束［11］。磁測(cè)儀器記錄系統(tǒng)由開始的單純模擬記錄逐步采用磁帶數(shù)字記錄，且開展和使用了計(jì)算機(jī)圖像顯示與處理技術(shù)。對(duì)于航空磁力儀來說，80年代末使用的HC－85型光泵磁力儀(顯示精度為0．1nT，甚至可達(dá)到0．01nT)能夠滿足我國(guó)面積廣大弱磁場(chǎng)中各種比例尺航空磁測(cè)工作［12］。因此在此層面上可以考慮利用SQUID在航空磁測(cè)的運(yùn)用。

5．2土壤、巖石磁性分析

利用對(duì)地表淺層土壤及沉積蓋層中的巖石樣品磁性特征進(jìn)行綜合分析，主要是通過分析配套樣品的磁學(xué)、礦物學(xué)以及地球化學(xué)的參量并利用它們的變異特征，再次結(jié)合區(qū)域石油地質(zhì)背景，來綜合分析并評(píng)價(jià)油氣藏在地底深部的分布［13］。其主要目的也是依據(jù)磁性參量，利用各種合理的數(shù)學(xué)物理模型計(jì)算出近地表空間產(chǎn)生的磁異常。此種方法較于航磁測(cè)量來說受外界環(huán)境影響較小。對(duì)土壤磁性特征的分析，主要是測(cè)量土壤的磁化率、磁滯回線參數(shù)以及居里點(diǎn)。其中樣品土壤磁化率表明樣品在磁化場(chǎng)中獲得磁化強(qiáng)度的能力，它的數(shù)量級(jí)在10－6SI。磁滯回線及其參量主要指樣品的磁化強(qiáng)度隨磁化場(chǎng)變化的一條封閉曲線，包含豐富的地質(zhì)信息。目前主要使用的兩類儀器為:(1)美國(guó)LDJ公司生產(chǎn)的LDJ－9500型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，儀器的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)測(cè)量精度均為1%，靈敏度為0．1A/m，最大外加場(chǎng)1．2T。(2)日本株式會(huì)社玉川制作所生產(chǎn)的TM－VSM2050型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，儀器靈敏度為2×10－2A/m，精度≤±1%，最大外加場(chǎng)為2．6T。我國(guó)運(yùn)用此方法在油田區(qū)域?qū)ふ矣蜌獠匾呀?jīng)積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)。例如，在對(duì)鄂爾多斯盆地大型含油氣盆地地表巖石土壤進(jìn)行磁性分析過程中，勘探隊(duì)在盆地南部黃土區(qū)元城油田進(jìn)行分析時(shí)，在均為黃土、巖性單一的地面覆蓋層發(fā)現(xiàn)厚度相差很大。采取樣品時(shí)，取樣深度在1．5～2．0m，面積為88km2。共取得樣品180個(gè)。經(jīng)過對(duì)土壤磁化率測(cè)量，繪制土壤磁化率平面等值線圖后發(fā)現(xiàn)幾個(gè)明顯局部高磁性異常區(qū)域。經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理及分析，可以進(jìn)而得到更為清晰顯示環(huán)狀磁性異常分布的剩余磁性異常圖［14］。此類磁異常強(qiáng)度較小，一般在nT級(jí)次。因此在磁測(cè)量?jī)x器的精度上也需要精益求精。綜上所述，盡管超導(dǎo)量子干涉儀磁強(qiáng)計(jì)不能像其他磁強(qiáng)計(jì)那樣在掃場(chǎng)的過程中進(jìn)行測(cè)量，限制了它的測(cè)量速度，測(cè)一條磁滯回線大約需要一個(gè)半小時(shí);而由于它的靈敏度高、可靠性以及重復(fù)性非常好的特性，并且可以在微量樣品或弱磁性測(cè)量領(lǐng)域有很強(qiáng)的優(yōu)越性，因此可以考慮其在石油勘探中的運(yùn)用。

5．3應(yīng)用分析

在諸多已經(jīng)進(jìn)行航磁測(cè)量分析的文獻(xiàn)中談到，對(duì)已經(jīng)進(jìn)行磁測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果，我們?nèi)鄙俚闹饕墙忉屌c分析的深度。正如上文已經(jīng)提到，我國(guó)在60年代就已經(jīng)完成了大陸上各主要油氣盆地的1∶100萬航空磁測(cè)工作和相當(dāng)數(shù)量的1∶20萬航空磁測(cè)工作，并在80年代末完成全國(guó)主要油氣盆地的1∶20萬航空磁測(cè)工作。因此在磁性測(cè)量的方面基本不存在過大的難題，重點(diǎn)就在于對(duì)這些測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并通過一定手段找到它們與油氣藏存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而如果對(duì)航空磁測(cè)結(jié)果不深入分析研究，反復(fù)重測(cè)、過分強(qiáng)調(diào)精度和數(shù)字收錄的價(jià)值是沒有意義的。因此盡管SQUID在航空磁測(cè)的過程中能夠提供一定的高精度、高靈敏度等優(yōu)良特性，然而在石油勘探上來講，我們現(xiàn)有的設(shè)備已經(jīng)能夠滿足各種比例尺磁測(cè)的要求，剩余主要工作是在于對(duì)航磁結(jié)果的數(shù)據(jù)處理并結(jié)合各不同的盆地地質(zhì)進(jìn)行深刻分析。不同的數(shù)據(jù)處理方法以及不同的地理分析都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。況且，航磁測(cè)量也只能客觀反映近地表面地磁的一些基本信息，而地磁信息還受外界各種環(huán)境因素所干擾，并不能完全反映地質(zhì)下真實(shí)情況。對(duì)于尋找油氣藏來說，這些數(shù)據(jù)也只能幫助我們對(duì)地質(zhì)構(gòu)造有一定的認(rèn)識(shí)，一定程度上圈定凹陷地帶，也即成油的可能性地帶。即缺少確切的證明條件。與航磁方案分析的結(jié)果類似，在對(duì)油氣田周圍的土壤、巖石進(jìn)行磁性測(cè)量并分析時(shí)，我們所需要的是測(cè)量土壤的磁化率、磁滯回線參數(shù)以及居里點(diǎn)。如上文所述，現(xiàn)有的磁強(qiáng)計(jì)精度可以達(dá)到繪制土壤磁化率平面等值線圖及顯示環(huán)狀磁性異常分布的剩余磁性異常圖的要求，基于SQUID的磁強(qiáng)計(jì)固然擁有提高測(cè)量精度、靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)的綜合分析上并不占明顯優(yōu)勢(shì)，在此時(shí)的主要分析任務(wù)仍然是:(1)對(duì)于土壤磁性及巖石參量的綜合分析，大量的數(shù)據(jù)處理，繪制出高精度磁測(cè)測(cè)線分布圖(一般磁測(cè)精度在1∶50000)以及運(yùn)用各種濾波手段提取出高磁剩余異常分布圖(異常值介于－1．5～+1．5nT之間)。(2)通過這些資料再對(duì)比、分析高磁剩余異常特征與油井及干井分布特征，兩者之間呈現(xiàn)出一定的規(guī)律與油井具有一定的相關(guān)性。資料顯示:高頻、低幅度、高值異常帶以及高值環(huán)帶包圍低值區(qū)塊的環(huán)帶異常與油氣藏有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系。此項(xiàng)任務(wù)對(duì)于整個(gè)過程至關(guān)重要。而且鑒于SQUID磁強(qiáng)計(jì)造價(jià)較普通磁強(qiáng)計(jì)高昂，適用環(huán)境要求更為嚴(yán)格，其測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)未能完全掩蓋在石油勘探中的不足，也未能解決尋找油氣藏的根本性難題。因此就其綜合價(jià)值而言，SQUID磁強(qiáng)計(jì)目前而言運(yùn)用于油田找油的可行性不大。

6結(jié)論

SQUID以其高精度、高靈敏度的磁測(cè)性能正在逐漸成為弱磁領(lǐng)域中有效的測(cè)量手段，亦可為石油勘探取得相關(guān)弱磁信息，從而更準(zhǔn)確的尋找油氣藏。因此它在油田勘探上是有一定的應(yīng)用價(jià)值的。然而經(jīng)過對(duì)石油尋找油氣藏方面的研究發(fā)現(xiàn)，盡管SQUID能夠一定程度上提高油田地區(qū)磁測(cè)精度并在低頻段優(yōu)勢(shì)明顯，卻未能解決油田勘探中最為核心與關(guān)鍵的磁測(cè)數(shù)據(jù)處理分析與油氣藏對(duì)應(yīng)問題。另外，鑒于SQUID價(jià)格高昂并且在使用過程中需要低溫冷卻設(shè)備、地磁屏蔽等一系列嚴(yán)格要求，綜合分析來看在目前運(yùn)用到油田領(lǐng)域?qū)ふ矣蜌獠氐膬r(jià)值不大。隨著目前對(duì)于SQUID的不斷研究發(fā)展來看，高溫SQUID的研究不斷取得進(jìn)展［15］(使用液氮的高溫SQUID磁強(qiáng)計(jì)日臻成熟)、多種數(shù)據(jù)處理研究及算法改進(jìn)也逐漸能消除一定的外界環(huán)境產(chǎn)生的磁測(cè)影響(M．BICK等人提出的頻率自適應(yīng)決定電子梯度計(jì)系數(shù)的方法取得較好效果)等，SQUID在今后的發(fā)展中是能夠在石油勘探領(lǐng)域取得一定成效并具有應(yīng)用前景的。但是，對(duì)于測(cè)量之后的數(shù)據(jù)處理及分析等一系列工作也是極為關(guān)鍵的課題。

作者：周奧波 石晶 許君 周曉 任麗 李敬東 唐躍進(jìn) 單位：強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 華中科技大學(xué))