A New Method for Oil and Gas Exploration Based on Rotary Polarization

Zijing Chen, Qingli Chen, Bin Xiong, Jianzhang Tian

1College of Earth Sciences, Guilin University of Technolog, Guilin Guangxi

2Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources, Ministry of Education (Yangtze University), Wuhan Hubei

3Institute of Geophysical Exploration, Huabei Oilfield Company, PetroChina, Renqiu Hebei

Abstract In order to explore the effective methods to find oil and gas reservoirs by using electromagnetic wave, according to the rotary polarization of petroleum and the skin effect of electromagnetic wave, the feasibility of direct oil searching by electromagnetic wave is analyzed and studied by contrast test. Oil has rotary polarization to the visible band of high frequency electromagnetic wave, but there is little research on whether the low frequency electromagnetic wave has optical rotation up to now. Therefore, the rotary polarization of low frequency electromagnetic waves in 0.5 - 12 Hz band is studied; the preliminary results show that petroleum has rotary polarization to the low frequency electromagnetic wave band of this band. On this basis, a new way to directly detect oil reservoirs by magnetotelluric sounding is proposed.

Keywords Oil and Gas Exploration, Electromagnetic Wave, Oil Rotary Polarization

1. 引言

直接找油是地球物理學(xué)家們夢(mèng)寐以求的技術(shù)[1] [2] [3]，為了直接找油，石油地球物理學(xué)家開展了諸多探索，提出了一些方法，如激發(fā)極化法[4] [5]、復(fù)電阻率法[6]和時(shí)頻電磁法[7] [8] [9] [10]，在多個(gè)油田進(jìn)行了試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，效果爭(zhēng)議很大。一個(gè)重要的原因是上述方法都不是真正意義上的直接找油方法，因?yàn)槠浠A(chǔ)都是激發(fā)極化效應(yīng)，而該效應(yīng)并不是油氣藏的本質(zhì)特征。石油的一個(gè)本質(zhì)特征是旋光性，也就是可見光經(jīng)過(guò)石油后，其偏振面發(fā)生變化。既然石油對(duì)可見光具有旋光性，而可見光是一種高頻電磁波，石油對(duì)于低頻段的電磁波是否也具有旋光性呢，是否可以利用電磁波來(lái)直接探測(cè)油氣藏。從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看，石油對(duì)低頻電磁波的旋光性，目前研究還處于空白領(lǐng)域。為此，筆者在該領(lǐng)域進(jìn)行首次探索，采用大地電磁測(cè)深方法[11] [12]的觀測(cè)裝置，在3個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)記錄了時(shí)間序列的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究了磁場(chǎng)矢量的方位角隨頻率的變化，其中1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位于油氣藏上方；對(duì)比了有油與沒油處角度隨頻率的變化特征；分析了0.5～12 Hz波段的低頻電磁波的旋光性。研究結(jié)果初步表明，在低頻電磁波段，油氣藏具有旋光性。在該基礎(chǔ)上，提出了一條利用大地電磁測(cè)深方法直接探測(cè)油氣藏的新途徑。

2. 旋光性

電磁波是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)2種矢量場(chǎng)構(gòu)成，并在空間中沿波矢方向傳播。對(duì)于平面電磁波而言，在電磁波傳播過(guò)程中，空間任意一個(gè)點(diǎn)上的電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和波三者相互垂直。而且，電磁場(chǎng)的極化模式由電磁波的輻射源決定，一般而言是橢圓極化。如圖1所示，電磁波通過(guò)油氣藏后，電場(chǎng)矢量的方向在水平面內(nèi)(或者說(shuō)以電磁波傳播方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸)旋轉(zhuǎn)一定的角度，即為石油的旋光性。

Figure 1. The sketch of rotary polarization圖1. 旋光性示意圖

光波是頻率范圍在3.9 × 1014～7.5 × 1014Hz之間的一種電磁波，其在真空中的波長(zhǎng)約為400～760 nm(可見光波長(zhǎng))之間，石油對(duì)該波段的電磁波的旋光性已被試驗(yàn)證實(shí)，不存在任何異議。但對(duì)于頻率更低的電磁波，石油是否也具有旋光性，目前暫沒有任何研究報(bào)道。如果石油對(duì)低頻電磁波仍然具有旋光性，即可利用該特性來(lái)直接檢測(cè)油氣圈閉的含油性，既能降低油氣勘探的風(fēng)險(xiǎn)，又能大大減少勘探成本。

衡量旋光性的參數(shù)是旋光度。旋光度為電場(chǎng)或磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度物質(zhì)后旋轉(zhuǎn)的角度。旋光度不僅與物質(zhì)有關(guān)，而且與電磁波的頻率有關(guān)。在光波段，石油的旋光度一般在0.1～1.2°/m之間。

3. 基本原理

利用大地電磁測(cè)深的觀測(cè)裝置，分別在有油氣藏和沒有油氣藏的地面上，觀測(cè)時(shí)間序列的電磁場(chǎng)；然后對(duì)其進(jìn)行頻譜傅里葉變換，得到頻率域中的電磁場(chǎng)分量；再由南北和東西方向的電場(chǎng)分量計(jì)算出不同頻率的電場(chǎng)矢量的方位角。觀察電場(chǎng)強(qiáng)度方位角隨頻率的變化，若油氣藏上方測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方位角隨頻率的變化而變化，而無(wú)油氣藏上方測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方位角不隨頻率的變化而變化，則表明油氣藏對(duì)低頻電磁波具有旋光性。

由于油氣藏位于地面以下某一深度范圍，在地下深處，既無(wú)法觀測(cè)電磁波，也無(wú)法發(fā)送電磁波，因此無(wú)法直接觀測(cè)到旋轉(zhuǎn)角。但是，電磁波具有趨膚效應(yīng)，高頻電磁波的穿透深度小而低頻的穿透深度大。地面上觀測(cè)的電磁波是入射波與反射波的疊加，不同頻率的電磁波的穿透深度不同，沒有穿過(guò)油氣藏的高頻電磁波與穿過(guò)油氣藏的低頻電磁波，其電場(chǎng)矢量的方向不一樣，體現(xiàn)在頻率域，就是不同頻率的電磁波，電場(chǎng)強(qiáng)度的方位角有一定程度的差異。

4. 試驗(yàn)方案

4.1. 時(shí)間序列電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)

選取幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，采用加拿大鳳凰地球物理公司的V5-2000系統(tǒng)觀測(cè)時(shí)間序列的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。采樣率為24 Hz，觀測(cè)時(shí)間大于4 h。觀測(cè)時(shí)，電極布設(shè)如圖2所示，X軸沿東西方向，Y軸沿南北方向，獲得南北方向時(shí)間域的電場(chǎng)分量Ex(t)和東西方向時(shí)間域的電場(chǎng)分量Ey(t) (其中t為時(shí)間變量)。圖3是一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)記錄的部分電場(chǎng)數(shù)據(jù)。

Figure 2. The sketch of detection point deployment圖2. 測(cè)點(diǎn)部署示意圖

Figure 3. The electric field of time series圖3. 時(shí)間序列的電場(chǎng)

4.2. 時(shí)頻轉(zhuǎn)換

采用快速傅里葉變換，將時(shí)間序列觀測(cè)的電場(chǎng)分量Ex(t)和Ey(t)轉(zhuǎn)化成頻率域的電場(chǎng)分量Ex(f)和Ey(f)(其中，f為頻率)。變換時(shí)，Ex(f)和Ey(f)要采用相同的時(shí)間段，且采用分段轉(zhuǎn)換方式，每段數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)N =4096，采樣頻率Fs= 24 Hz。分段變換的目的是壓制隨機(jī)噪聲，提高數(shù)據(jù)的可靠性，要將多段變換的結(jié)果進(jìn)行疊加獲得平均值。疊加之后的Ex(f)也是一個(gè)數(shù)據(jù)序列，包含4096個(gè)復(fù)數(shù)，第i個(gè)數(shù)據(jù)(i從1開始)對(duì)應(yīng)的 f = ( i - 1 )× FsN；第i個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的模值除以N/2 (直流信號(hào)除以N)就是對(duì)應(yīng)該頻率下的信號(hào)幅度。第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)f = 0，表示直流信號(hào)，第2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)f = Fs/N = 0.0059 Hz，第3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)f = 2Fs/N = 0.0117 Hz，第N/2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)f = 12 Hz。因快速傅里葉變換的周期平移，其后數(shù)據(jù)不用。

4.3. 電場(chǎng)矢量方位角的計(jì)算

由頻率域疊加后的電場(chǎng)分量Ex(f)和Ey(f)計(jì)算電場(chǎng)矢量方位角。頻率域的電場(chǎng)分量Ex(f)和Ey(f)都是復(fù)數(shù)，用Ey(f)的模值除以Ex(f)的模值后再取反正切，獲得用弧度表示的方位角，再轉(zhuǎn)化成用度表示。計(jì)算公式為：

式中：α為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方位角，(°)。

4.4. 方位角曲線繪制

以頻率為橫坐標(biāo)，電場(chǎng)強(qiáng)度矢量方位角為縱坐標(biāo)，繪制電場(chǎng)強(qiáng)度矢量方位角隨頻率而變化的曲線圖，分析研究方位角隨頻率變化的特征。頻率與深度之間存在一定的關(guān)系，高頻電磁波的穿透深度小，低頻的穿透深度大，因此，方位角隨頻率的變化間接反映了方位角隨深度的變化。以同樣的方法亦可獲得磁場(chǎng)強(qiáng)度的方位角。

5. 結(jié)果分析

選取了3個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)，分別位于杭州西湖附近、河北南皮縣、新疆某油田，觀察了磁場(chǎng)強(qiáng)度并計(jì)算了磁場(chǎng)強(qiáng)度方位角，觀察的日期不相同。由于電場(chǎng)易受工業(yè)用電的干擾，而磁場(chǎng)相對(duì)不受干擾，所以該次研究主要針對(duì)磁場(chǎng)。

3個(gè)地方的磁場(chǎng)強(qiáng)度的方位角隨頻率的變化曲線分別如圖4～6所示，頻率范圍為0.5～12 Hz，0.5 Hz在電阻率為50 Ωm的地區(qū)，其勘探深度可達(dá)5 km。

由圖4可見，除了在8 Hz附近以外，方位角基本在40°附近，不隨頻率的變化而變化。由圖5可見，從0.5～7 Hz，方位角大約為52°，基本不隨頻率的變化而變化，從9～12 Hz也沒有明顯變化；8 Hz附近的變化是由蘇曼諧振[13] [14]引起，在電離層和地球組成的諧振腔中，蘇曼諧振的前5個(gè)頻率是7.8、14.1、20.3、26.3、32.5 Hz，正是由于7.8 Hz的蘇曼諧振導(dǎo)致方位角在7～9 Hz之間劇烈變化。圖6是在油氣藏上方得到的結(jié)果，其方位角從0.5 Hz的53°逐漸降低到7 Hz的40°，變化幅度達(dá)13°，方位角變化比較明顯，曲線不是水平而是向下傾斜的一條斜線。

Figure 4. The curve of azimuth-frequency of magnetic field intensity of Xihu Lake in Hangzhou圖4. 杭州西湖磁場(chǎng)強(qiáng)度方位角-頻率曲線圖

Figure 5. The curve of azimuth-frequency of magnetic field intensity of Nanpi County in Hebei Province圖5. 河北南皮縣磁場(chǎng)強(qiáng)度方位角-頻率曲線圖

Figure 6. The curve of azimuth-frequency of magnetic field intensity of an oilfield in Xinjiang圖6. 新疆某油田磁場(chǎng)強(qiáng)度方位角-頻率曲線圖

圖4 ～6表明，在沒有油氣藏的地方，方位角基本不隨頻率的變化而變化，呈現(xiàn)出水平線的特征，而有油氣藏的地方，方位角隨頻率的變化而變化，呈現(xiàn)出傾斜線的特征。初步證明了油氣藏對(duì)低頻電磁波具有旋光性。

目前該項(xiàng)研究只在1個(gè)油田進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，有待在更多的已知油田上開展研究。筆者提供了一種新的直接找油的思想，利用旋光性直接檢測(cè)油氣的理論基礎(chǔ)、基本原理和試驗(yàn)分析，均證實(shí)該方法具有較好的可行性，有望將大地電磁測(cè)深方法的應(yīng)用效果提高到一個(gè)新的高度。

6. 結(jié)論

采用加拿大鳳凰地球物理公司的V5-2000儀器觀測(cè)系統(tǒng)，按照大地電磁測(cè)深的測(cè)站布設(shè)方式，觀測(cè)了杭州西湖、河北南皮、新疆某油田3個(gè)不同地點(diǎn)的時(shí)間序列的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用快速傅里葉變換把時(shí)間域的電磁場(chǎng)變化到頻率域的電磁場(chǎng)，計(jì)算了磁場(chǎng)矢量方位角隨頻率的變化特性，得出以下認(rèn)識(shí)：① 電場(chǎng)或磁場(chǎng)在水平面內(nèi)的方位角，在沒有油氣藏的地方，不隨電磁波頻率的變化而變化，而在有油氣藏的地方卻隨頻率的變化而變化；② 在 0.5～12 Hz的低頻電磁波波段范圍內(nèi)，油氣藏具有旋光性；③ 由于蘇曼諧振的影響，在8 Hz附近會(huì)導(dǎo)致旋光效應(yīng)的畸變；④ 基于低頻電磁波的旋光性，利用大地電磁測(cè)深的觀察裝置，可望直接探測(cè)油氣藏。

大地電磁測(cè)深方法經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，一方面其技術(shù)不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[15]；另一方面生產(chǎn)實(shí)踐的要求越來(lái)越高，技術(shù)的發(fā)展不能滿足勘探實(shí)踐的要求，亟需開發(fā)新的技術(shù)。筆者從石油的旋光性出發(fā)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)初步證實(shí)油藏對(duì)低頻電磁波具有旋光性，基于該特性提出了一種嶄新的油氣勘探新思想。

基金項(xiàng)目

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4157406)；中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)(2017E-015)。

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