科普圖文 | 回望地球物理勘探一百年

近現(xiàn)代石油勘探始于19世紀(jì)中葉。早期多依賴于油苗、地面地質(zhì)調(diào)查和鉆探等手段尋找石油，地球物理勘探方法直到20世紀(jì)才被引入石油勘探。重力、磁法、電法（電磁法）、地震等勘探方法的出現(xiàn)，使得在覆蓋區(qū)查明地下地質(zhì)構(gòu)造，并以此為基礎(chǔ)尋找圈閉和油氣藏成為可能，從地面發(fā)展到地下，從地表、淺層發(fā)展到深層，顯著拓展了找油找氣范圍。

重磁電勘探進入石油工業(yè)

最早引入石油勘探的地球物理方法是重力勘探法。針對重力現(xiàn)象的研究起源于伽利略時代（1564-1642年），后人為了紀(jì)念他，特意把重力加速度的原始單位定為“伽”。17世紀(jì)，牛頓用著名的萬有引力定律把引力概念定量化，現(xiàn)今幾乎所有關(guān)于地球重力的現(xiàn)代分析方法都來源于牛頓和其他17~18世紀(jì)的著名科學(xué)家，如法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯、泊松、勒讓德爾、克萊勞特、布伽等人在萬有引力定律的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的經(jīng)典場論。為了測量地球重力異常，科學(xué)家們根據(jù)力平衡原理制造出一種精密儀器——扭稱，它能“稱”出地面上重力加速度的微小變化。

扭稱的歷史可追溯至英國化學(xué)與物理學(xué)家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）于1791年發(fā)明的重力測量儀器。因此項發(fā)明，卡文迪許被稱為歷史上第一個為地球稱重的人。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，匈牙利物理學(xué)家厄缶（R.Von.Eotvos）對卡文迪許的扭稱進行了改進，研制出適用于野外作業(yè)的扭秤，并在匈牙利進行了持續(xù)10年的重力觀測，結(jié)果表明扭秤可以測量到地殼不同部位的巖石密度變化。1901年，厄缶用他發(fā)明的儀器測量了湖底的深度。1922年，利用扭秤在墨西哥灣沿岸成功探測到和鹽丘構(gòu)造有關(guān)的油藏，使扭稱成為最早應(yīng)用于石油勘探的地球物理探測儀器。

由于扭稱這種儀器在每個測點上測量一次要花費大約5個小時，導(dǎo)致重力勘探的效率很低。鑒于扭稱存在的低效率問題，1934年，美國地球物理學(xué)家拉科斯特（J.B.Lacoste）發(fā)明了金屬彈簧重力儀，美國地球物理學(xué)家沃登（Sam.P.Worden）發(fā)明了石英彈簧重力儀。由于這類重力儀相比扭稱使重力測量精度得到顯著提高，且一個測點的平均觀測時間可以縮短到10~30分鐘，到1930年代末已完全取代扭秤而得到大規(guī)模應(yīng)用，標(biāo)志著重力勘探走向了實用化。石油勘探工作者按照設(shè)計好的測點用重力儀在野外逐一觀測，并記錄下重力值，然后回到室內(nèi)進行處理和分析，地質(zhì)學(xué)家們就可以用它來研究地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)捕捉到的重力異常的位置來推測地層巖性和它們的深度。

磁力勘探作為一種地球物理勘探方法，始于瑞典人塔倫（Thalen）和鐵貝爾（Tiberg）于1870年制造的萬能磁力儀，該儀器使磁力勘探走向?qū)嵱没?915年，德國地球物理學(xué)家施密特（Schmidt）制成石英刃口式磁力儀，大大提高了磁測精度，使磁力勘探不僅用于尋找鐵礦，而且還用來研究地質(zhì)構(gòu)造、尋找鹽丘和油氣田。1936年，蘇聯(lián)地球物理學(xué)家羅加喬夫（A.A.Rogachev）研制了感應(yīng)式航空磁力儀，大大擴展了磁力勘探的應(yīng)用范圍，提升了效率。

電法和電磁法勘探自19世紀(jì)初開始實驗性研究。1815年首先在英國庫瓦爾銅礦上觀測到由礦體產(chǎn)生的自然電位，1919—1922年間瑞典科學(xué)家?？怂?R.W.Fox)通過進一步研究建立了自然電場法勘探方法，并利用自然電場法于1835年找到了第一個硫化礦。19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)初，多種電法及電磁勘探方法被提出，如1883年提出了電阻率法、1900年提出了交流電法、1917年提出了電磁感應(yīng)法、1933年提出了瞬變電磁法、1934年提出了大地電流法、1950年提出了大地電磁法等。其中，電磁感應(yīng)法于1925年首次獲得找礦效果，1929年法國斯倫貝謝公司實現(xiàn)了井中自然電位法和電阻率法測量，形成了電測井技術(shù)。1924年，蘇聯(lián)組建了世界上第一個電法勘探隊并首次用于石油勘探。在眾多科學(xué)家的努力下，電法勘探得到了快速發(fā)展，至20 世紀(jì)40 年代已得到普及，被廣泛應(yīng)用于金屬和石油勘探。

地震勘探成為石油勘探主力軍

地震勘探技術(shù)發(fā)端于19世紀(jì)中葉。1845年，愛爾蘭地球物理學(xué)家羅伯特·馬利特（Robert Mallet）曾經(jīng)用人工激發(fā)的地震波來測量彈性波在地殼中的傳播速度，標(biāo)志著地震勘探方法的萌芽。第一次世界大戰(zhàn)期間的1913年，德國地球物理學(xué)家盧杰·明特羅普（L. Mintrop）及其合作者麥卡倫姆（B. McCollum）、約翰·克拉倫斯·卡徹爾（J. C. Karcher）等人等研制了一套利用火炮發(fā)射時因反沖力而產(chǎn)生的地震波確定炮群位置的方法和儀器，它通過接收大炮發(fā)射后后坐力產(chǎn)生的地震波，并根據(jù)地震波的到達時間確定火炮位置，這是人類歷史上首次將地震波與人類的生產(chǎn)、生活掛鉤。

第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，發(fā)明了利用地震波確定炮群位置的方法和儀器的明特羅普將他的技術(shù)應(yīng)用到地下地質(zhì)構(gòu)造探測中，根據(jù)記錄到的信息計算出地震波在地層中的傳播速度和穿透深度，從而準(zhǔn)確地計算出地層的厚度和空間形態(tài)。1919年，明特羅普在德國申請了折射波法地震勘探專利，同年他和萊曼（Lehmann）一起改進了他發(fā)明的地震儀，并成功進行了煤層深度測定試驗。1920年10月，明特羅普在德國漢堡附近一口氣井中進行了地震折射波法測量。1921年4月他成立了一家地震勘探公司，從此地震勘探正式開始工業(yè)化應(yīng)用。1924年6月，明特羅普的地震勘探公司為海灣石油公司在美國得克薩斯海灣地區(qū)的奧查德（Orchard）發(fā)現(xiàn)了一個鹽丘，并于1926年鉆探見油，發(fā)現(xiàn)井井深1150米，日產(chǎn)油400噸，這是世界上第一個通過地震勘探發(fā)現(xiàn)的油田，從此開創(chuàng)了利用地震勘探技術(shù)尋找石油的先河。截至1930年，明特羅普的地震勘探公司在墨西哥灣沿岸地區(qū)先后為9家石油公司服務(wù)，共找到了22個鹽丘構(gòu)造。1930年，蘇聯(lián)地球物理學(xué)家甘布爾采夫等人吸收了反射波法地震勘探的優(yōu)點對折射波法地震勘探做了相應(yīng)改進。早期的折射波法只能記錄最先到達的直達波，而改進后的折射地震法還可記錄后到的各個折射波，可更細致地研究地震波形傳播特征，為折射波法地震勘探技術(shù)的成熟做出了貢獻。

反射波法比折射波法地震勘探技術(shù)出現(xiàn)要晚一些。在折射波法地震勘探技術(shù)逐漸發(fā)展與成熟的同時，約翰·克拉倫斯·卡徹爾（J．C．Karcher）等人于1921年開展了反射波法地震勘探現(xiàn)場試驗，在俄克拉荷馬州首次清晰地記錄到人工地震產(chǎn)生的反射波，證明了利用反射地震波可以獲得地球地下的地質(zhì)構(gòu)造圖像，并于1929年申請了有關(guān)反射波法地震成像的專利。

1926年，卡切爾等人成立了地質(zhì)工程公司（Geological Engineering Company），并用他們生產(chǎn)的反射波地震儀樣機對已知的田納西鹽丘穹隆進行了試驗性探測，效果良好。1928年，他們成功研制全套反射波地震勘探裝備，建立了世界上第一支反射波法地震隊，在美國開始了反射波法地震勘探的商業(yè)化應(yīng)用。1930年，卡切爾等人成立了著名的GSI（Geophysical Service Inc.）地球物理服務(wù)公司，在俄克拉荷馬州塞米諾爾（Seminole, Oklahoma）使用反射波法地震勘探技術(shù)發(fā)現(xiàn)了三個油氣藏，確立了其作為最有效和最實用石油勘探技術(shù)的地位。盡管舊的折射波法地震勘探仍然可有效地用于尋找鹽丘，但反射波法地震勘探技術(shù)對復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測更加精確，進一步擴大了地震勘探技術(shù)的知名度，使地震勘探進入了快速推廣應(yīng)用階段，后來一些大名鼎鼎的國際地球物理服務(wù)公司，如法國地球物理公司（CGG）、西 方 地 球 物 理 公 司 （ W e s t e r nGeophysical），都是在那時候成立的。截至1937年，美國已有250個地震隊，地震勘探全面進入了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用階段。

中國地球物理勘探技術(shù)發(fā)展歷程

與西方國家相比，我國正式開展地球物理勘探技術(shù)研究的起步時間要晚近半個世紀(jì)。據(jù)有關(guān)史料記載，最早將現(xiàn)代地球物理方法引入中國石油勘探的時間可追溯至1939年。是年，著名地球物理學(xué)家翁文波從英國倫敦大學(xué)獲得博士學(xué)位回國后，在國立中央大學(xué)（現(xiàn)南京大學(xué)和東南大學(xué)）物理系任教，最早在中國開設(shè)了地球物理勘探課程，培養(yǎng)和吸收了一批愛好地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的師生，先后數(shù)次組織去玉門油礦開展重力、磁力等勘探方法的試驗。這一事件標(biāo)志著我國地球物理勘探事業(yè)的開端。

我國第一個地球物理勘探隊于1945年9月在玉門油礦正式成立，當(dāng)時稱為重力勘探隊，同時開展重力和磁力探測，在甘肅玉門至張掖之間進行了比例尺為1∶10萬的重力和磁力普查。1946年6月，在上海又新建了兩個重力勘探隊，先在江蘇南部的太湖一帶開展勘探，后于1950年5月赴陜西延長一帶開展地質(zhì)普查。

新中國第一個地震勘探隊自1949年起即開始籌備，于1951年3月正式成立，1951年9月從上海開赴陜北四郎廟地區(qū)開展黃土塬地震勘探試驗，1952年春開赴甘肅酒泉盆地青草灣一帶開展勘探。1952年春，西北石油管理局勘探處籌建了第二地震勘探隊，并在陜西延長胡家村一帶施工，夏季后轉(zhuǎn)赴酒泉盆地大紅圈和文殊山施工。1952年末又成立了第三和第四地震隊，分別在潮水盆地窖水一帶和酒泉盆地老君廟附近施工。此外，中國和蘇聯(lián)聯(lián)合設(shè)立的中蘇石油公司還于1952年在新疆建立了地質(zhì)調(diào)查處，在其下成立了兩個重力勘探隊、兩個磁力勘探隊、一個電法勘探隊和一個地震勘探隊，分別在北疆的呼圖壁地區(qū)和烏蘇-獨山子地區(qū)、南疆的巴楚一喀什地區(qū)和英吉沙地區(qū)施工。

在20世紀(jì)50年代以前，受各種因素影響，中國的石油工業(yè)非常落后。1950年，中國僅有玉門老君廟、陜北延長和新疆獨山子三個小油田，以及四川自流井、圣燈山和石油溝等幾個小氣田，年產(chǎn)量最高僅為30萬噸。以上所述重力、磁力、電法、地震等勘探隊伍的建立，為20世紀(jì)50年代在中國西北地區(qū)開展大規(guī)模石油勘探打下了基礎(chǔ)。1952年，采用從蘇聯(lián)和匈牙利進口的新型重力儀、51型地震儀和鉆井新技術(shù)，在玉門油田先后發(fā)現(xiàn)了石油溝、白楊河、鴨兒峽油田。1955年，在新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北緣開展了重力、磁力、電法和地震勘探。首先根據(jù)獲得的地球物理資料發(fā)現(xiàn)了黑油山潛伏構(gòu)造，確定了黑油山1號井并見到工業(yè)油流。此后在該地區(qū)進一步加密重力勘探及電法勘探，發(fā)現(xiàn)了克烏斷裂帶及斷裂帶附近發(fā)育的五個鼻狀構(gòu)造。1958年，基于重磁電勘探資料在柴達木盆地發(fā)現(xiàn)了冷湖構(gòu)造帶，在四川盆地發(fā)現(xiàn)了南充、桂花等7個油田。到1959年，全國原油產(chǎn)量達到373萬噸，天然氣產(chǎn)量2.5億立方米。

重點開展西部勘探的同時，從1955年起實施石油勘探戰(zhàn)略東移，在松遼盆地和渤海灣盆地全面開展綜合地質(zhì)調(diào)查。由于現(xiàn)今渤海灣盆地和松遼盆地的主體為華北和東北大平原，沃野千里，一馬平川，地面上幾乎看不到地質(zhì)露頭，也很少能夠發(fā)現(xiàn)油氣苗，故地球物理方法在油氣地質(zhì)調(diào)查中占有絕對主導(dǎo)地位。1956-1957年間，在松遼盆地開展了大規(guī)模的地面重力和航空磁力勘探，完成了橫貫全盆地的3條電法測深大剖面，并進行了少量的二維地震勘探和鉆探，初步證實松遼盆地是一個大型的中新生帶沉積盆地，并發(fā)現(xiàn)盆地中央存在一個大型的背斜構(gòu)造帶，即著名的大慶長垣。1958年9月，在根據(jù)電法異常發(fā)現(xiàn)的高臺子背斜構(gòu)造隆起部位上，初步擬定了松基三井井位，之后又根據(jù)二維地震資料確定的高臺子構(gòu)造圖對擬定井位進行了微調(diào)，最終確定將松基三井部署在高臺子鎮(zhèn)永躍村旁，并于1959年4月11日正式開鉆。1959年9月26日，松基3井噴出油流，標(biāo)志著大慶油田被正式發(fā)現(xiàn)。大慶油田是中國石油勘探史上第一個成功利用地球物理勘探方法發(fā)現(xiàn)的特大型油田。

大慶油田勘探成功后，石油勘探隊伍揮師南下，依據(jù)同樣的勘探思路在渤海灣盆地開展勘探。1961年，位于東營坳陷的華八井獲得日產(chǎn)8.1噸的工業(yè)油流，拉開了華北地區(qū)大規(guī)模石油勘探會戰(zhàn)的序幕。華八井是整個華北平原的第一口發(fā)現(xiàn)井，實現(xiàn)了渤海灣盆地早期找油的新突破，為勝利油田的誕生及后續(xù)發(fā)現(xiàn)的華北、大港、冀東、南陽、中原等大油田的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

地球物理勘探技術(shù)與中國油氣大發(fā)現(xiàn)

在20世紀(jì)60年代至80年代中期的基于地球物理勘探技術(shù)所實現(xiàn)的一系列找油大突破、大發(fā)現(xiàn)之后，我國的原油產(chǎn)量迅速增長。1963年全國原油產(chǎn)量達到648萬噸，1978年達到1.04億噸（其中大慶油田的年產(chǎn)量突破了5000萬噸），1985年達到1.25億噸。

進入20世紀(jì)80年代以來，由于地理條件好且易勘探的大油田已基本發(fā)現(xiàn)殆盡，中國的石油新增儲量增長緩慢，再加上老油田逐步進入衰退期，中國石油勘探遭遇了嚴(yán)重的瓶頸期。為此，中國石油勘探者們提出了“穩(wěn)定東部、發(fā)展西部、油氣并舉、大力發(fā)展海洋勘探”的新思路，利用三維地震勘探技術(shù)在東部地區(qū)繼續(xù)開展勘探的同時，重點加強西部地區(qū)特別是塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈、柴達木、鄂爾多斯和四川等盆地的石油勘探工作，發(fā)現(xiàn)了一大批新的油氣田。大力開展陸上石油勘探的同時，在海洋石油勘探和天然氣勘探方面也取得了重大進展。在海上相繼發(fā)現(xiàn)了位于渤海灣的蓬萊19-3、綏中36-1、秦皇島32-6、渤中25-1、金縣1-1、錦州25-1，位于中國南海的潿洲11-4、崖城13-1等油田；在鄂爾多斯盆地的靖邊、蘇里格，在塔里木盆地的塔中、輪南、克拉2，在四川盆地的大川中、普光、廣安、大天池、合川等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一大批天然氣田，形成了海陸同進、油氣并舉的勘探開發(fā)新局面，保證了我國石油天然氣年產(chǎn)量的穩(wěn)步增長。

進入21世紀(jì)，世界范圍內(nèi)的多數(shù)主力油氣田已進入成熟期和衰退期，而新的勘探目標(biāo)區(qū)正變得復(fù)雜隱蔽，目標(biāo)層系越來越深，在陸地上發(fā)現(xiàn)大油氣田的難度越來越大，常規(guī)油氣發(fā)現(xiàn)有日益下降的趨勢。在這種勘探形勢下，新的油氣勘探目標(biāo)越來越難以發(fā)現(xiàn)，高陡構(gòu)造、復(fù)雜構(gòu)造、巖性圈閉、致密性、深層與超深層等地質(zhì)條件對地球物理勘探技術(shù)提出了更高的需求。此外，提高勘探效率也成為迫切要求。針對以上難題，中國的地球物理勘探工作者們在繼續(xù)發(fā)展常規(guī)地球物理勘探技術(shù)的同時，還創(chuàng)新提出了劃時代的時頻電磁勘探技術(shù)、多波多分量地震勘探技術(shù)和寬頻帶、寬方位、高密度的“兩寬一高”地震勘探技術(shù)，實現(xiàn)了我國陸海油氣勘探技術(shù)的升級換代，油氣勘探成效得到顯著提高，新發(fā)現(xiàn)了一批油氣田，使我國的石油天然氣產(chǎn)量達到并保持在2億噸，有效支撐了石油工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

結(jié)語

自1919年明特羅普申請地震折射波法專利和1921年約翰·克拉倫斯·卡徹爾（J.C.Karcher）等人開展反射波法地震勘探現(xiàn)場試驗，1922年首次成功應(yīng)用重力勘探技術(shù)在墨西哥灣沿岸探測到和鹽丘構(gòu)造有關(guān)的油藏以來，地球物理勘探技術(shù)被引入石油勘探已過去了一百年。一百年來，世界范圍內(nèi)80%以上的油氣田、我國90%以上的油氣田都是通過地球物理勘探發(fā)現(xiàn)的，彰顯了地球物理勘探的巨大威力和歷史性成就。

作者：陳茂山 宋強功 王成祥（中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司）