无线电电子学和石油勘探

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石油蕴藏在地下,有时深达好几千米。在广阔的陆地和海洋上,怎样知道哪里有石油矿藏呢?过去只依靠一些简单的地质调查,推测哪一地区可能有石油,就在那里打井探测。这样的准确程度很低,浪费很大。无线电电子学的发展给石油勘探工作提供了有效的工具。应用电子技术和精密的电子仪器来寻找石油,准确程度大为提高,节约了资金,加速了石油工业的发展速度。这里把电子学在石油勘探中的应用情况,作一简单介绍。

地震勘探

石油主要是藏在地下深处有渗透性的砂层或多孔石灰岩中。经常和石油伴随在一起的有天然气和水。由于石油和天然气比水轻,所以在同一个油层中,下面是水,上面是石油和天然气。在渗透性含油地层的上下,必须被复着没有渗透性的地层,例如粘土屋,这样石油和天然气才能在渗透层中聚集起来。因此,石油和天然气一般都是聚集在由粘土及砂层(或多孔石灰岩)组成的穹窿形地层构造里(图1)。利用地震勘探法,就可以找出这种地层构造,确定出它的位置和深度。

图1
图1 🔍原图 (438×318)

地震勘探在原理上和雷达探索空中目标以及超声探测器探测海洋深度相似。图2是地震勘探的示意图。在要探测地区的某一地点,利用爆炸产生机械的弹性振动——地震波。这种地震波自震源出发向四周传播,能穿透几公里厚的地层,遇到地层界面时会产生反射或折射。在爆炸点附近按一定的距离和顺序在地面上布置许多地震检波器,这种检波器在原理上和拾音器相似,能够把微弱的机械振动变成微弱的电振荡。爆炸时产生的地震波由地层界面反射到检波器,被转换成为电振荡,经过滤波和放大后,再送到示波仪去进行照像,把反射波的形状及其到来时刻记录出来。另外,在记录纸上还记有表明爆炸瞬间的爆炸信号。根据两者的时间差可以确定出地震波从震源出发,再经过反射而到达检波器所需的传播时间,从而求得地层界面的深度。根据各个检波器所得到的记录,就可以画出地下地层界面的图形,判断出有利于蕴藏石油的地区,为进一步钻井勘探提供确定钻井位置的资料。

图2
图2 🔍原图 (658×604)

勘探仪器中的电子线路应用了电子技术中的新成就。它不但能把由地下深处反射回来的微弱信号放大到我们所需要的强度,而且能十分精确地选择我们需要的信号,抑制那些不需要的干扰信号,同时又能精确地计算各个反射波的传播时间,误差不超过千分之一秒。这都是由于在地震勘探仪器中采用了自动延时控制线路、自动振幅控制线路、滤波线路和频率非常稳定的低频振荡器所致。同时为了工作的方便,在仪器上还附设有通信设备。

在交通困难的地区,可以使用轻便的磁带记录地震仪。这种地震仪的原理和磁带录音机相同。在野外工作时,检波器的电振荡经宽频带放大器放大后,不接到示波仪而是和磁头相接,由磁头把信号记录到磁带上。以后可以把所得到的磁带纪录带回室内用标准地震仪回放。这种地震勘探仪有很大的经济价值,它能降低勘探费用,加速偏僻地区的勘探工作。

放射性勘探

在储油地层构造上面,土壤放射的γ射线强度比一般地面上弱。因此,利用放射性勘探找出γ射线的低值区,就有助于发现新油田。有油和无油地区的γ射线强度的差别很小,必须用精密的仪器才能测查出来,这就又要依靠电子学来帮忙了。放射性勘探用的仪器由γ计数管组及多级的电子线路组成,把它放在飞机或汽车上,就可以很快地对大片地面进行勘探,找出新的油田。

地球物理测井

在勘探石油的过程中,为了进一步了解矿区地下的情况,常常要打许多探井。井深由几百米到四五千米,直径只有20~30厘米。把电子测量仪器或其他精密电气测量仪器放入井下,研究井下各个地层的各种物理性质,如电阻率、电化学性质、放射性性质、超声波性质等,以便估计各个地层的含油情况及油田的储量。这就是所谓地球物理测井。图3是地球物理测井工作的示意图。利用绞车和电缆把下井仪器放入井内,逐渐下降进行测量,把测量的结果用电缆送到地面记录仪器进行记录。地面记录仪器上的记录纸借助于深度传送器随着电缆的移动而移动,因此在下井仪器的移动过程中,就可以连续地进行记录,得出一条地层物理性质随下井仪器深度而变化的测井曲线。地球物理测井随着要测的物理最不同,有许多种方法,下面只讲两种比较重要的方法。

图3
图3 🔍原图 (563×666)

感应测井。这是用来研究地层电阻率的方法。下井仪器中有激励线圈、接收线圈、振荡器、放大器和相敏检波器等电子设备(图4)。激励线圈中通以电流很稳定的20千赫的交流,它在地层中感应出和激励线圈同轴的涡流,涡流的强度和地层的电阻率有关。这些涡流又在接收线圈中感应出电动势,因此这种感应电动势也和地层电阻率有关。由涡流感应出的电动势和激励线圈中的电流相位差180°。另一方面,激励线圈中的电流还直接在接收线圈中感应出电动势(不经过涡流),这种感应电动势和激励线圈中的电流相位差90°,它和地层的电阻率无关(而是和地层的磁化率有关)。因此可以利用相敏检波器把与电阻率有关的感应电动势检出来,通过电缆送入地面记录仪器。这样就得出了地层电阻率随深度变化的曲线。因为石油的电阻率很高,所以多孔地层中含油越多,地层的电阻率就越高。由此可见,利用电阻率曲线可以判断地层的含油情况。

图4
图4 🔍原图 (584×186)

放射性测井。在石油勘探中最常用的放射性测井是γ测井和中子γ测井。这两种测井所得的资料是彼此相辅的,因此总是同时并用。

γ测井用来测量井中地层自然放射性的强度。不同地层的γ射线强度不同。粘土的γ射线较强,而渗透性好易蕴藏石油的地层中γ射线较弱。

中子γ测井是先用中子轰击地层,然后测量地层中的原子核俘获中子时所放出的γ射线。地层中的含氢量越高,中子γ测井得出的读数就越低。所以地层中含有石油时,中子γ测井的读数就较低。当地层中含有天然气或地层很致密时,由于含氢量较少,所以中子γ测井读数较高。因此,利用中子γ测井可以找出油层中的油气接触面,还可以把致密的地层和多孔的油层划分开。

当地层中含有浓度很高的盐水时,由于含氯量高,中子γ测井的读数就高。因此,在地层水中含盐量很高的情况下,可以利用中子γ测井法找出油层中的油水接触面。

利用放射性测井还可以求出岩石中的孔隙的体积,估计油层中的储油时。

放射性测井仪器的方框图见图5,它包括用三心电缆放入井内的下井仪器和地面仪器。在下井仪器中,通常采用γ计数管组作为γ射线指示器。计数管所需的1000伏直流高压,是由电子管脉冲发生器的脉冲经变压器升压,再经过整流和滤波后来供给的。计数管受γ射线照射时,产生出电脉冲,经过放大后,通过电缆送到地面仪器中去。在地面仪器中,利用电子线路把脉冲的幅度和持续时间标准化,再用积分电路把电脉冲变为和脉冲频率(每秒脉冲数)成正比的直流电位差。然后用自动记录仪器,把这种直流电位差记录在和电缆相应移动的记录纸上,得到γ测井曲线。当井下仪器装有中子源时,就可以得到中子γ测井曲线。

图5
图5 🔍原图 (386×725)

在采油工艺中,还广泛使用放射性同位素测井,利用放射性同位素作为示踪原子,来检查油井的技术情况。

上面只讲了在石油勘探中使用电子技术的简单轮廓。同样地,电子学在石油工业的其他部门也获得了广泛的应用。例如:钻井、采油和练油过程的自动化;利用超声波打井;利用油井电视来观察井下的技术情况,测定油井储油地层的各种参数,记录整个油井的地层结构;利用电子计算机计算油田在开发期间的动态情况,选择合理的开发方案,确定油田上油井的最低数目和最合理的分布位置,计算产油地层的开采期限等等。(王日才 张光厚)