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(wú)損探傷等領(lǐng)域?，F(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)超導(dǎo)體臨界電流的偏置電流，在隧道位壘兩端將沒(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)測(cè)量該電壓U來(lái)測(cè)量出外磁場(chǎng)通過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)程。在尋找油氣田的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?！，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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(wàn)航空磁測(cè)工作和相當(dāng)數(shù)量的1∶20萬(wàn)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(wàn)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wàn)航空磁測(cè)工作和相當(dāng)數(shù)量的1∶20萬(wàn)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(wàn)航空磁測(cè)工作。因此在磁性測(cè)量的方面基本不存在過(guò)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(guò)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(guò)分強(qiáng)調(diào)精度和數(shù)字收錄的價(jià)值是沒(méi)有意義的。因此盡管SQUID在航空磁測(cè)的過(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題。另外，鑒于SQUID價(jià)格高昂并且在使用過(guò)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(lái)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(lái)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))