科普图文 | 回望地球物理勘探一百年

       近现代石油勘探始于19世纪中叶。早期多依赖于油苗、地面地质调查和钻探等手段寻找石油，地球物理勘探方法直到20世纪才被引入石油勘探。重力、磁法、电法（电磁法）、地震等勘探方法的出现，使得在覆盖区查明地下地质构造，并以此为基础寻找圈闭和油气藏成为可能，从地面发展到地下，从地表、浅层发展到深层，显著拓展了找油找气范围。

重磁电勘探进入石油工业

       最早引入石油勘探的地球物理方法是重力勘探法。针对重力现象的研究起源于伽利略时代（1564-1642年），后人为了纪念他，特意把重力加速度的原始单位定为“伽”。17世纪，牛顿用著名的万有引力定律把引力概念定量化，现今几乎所有关于地球重力的现代分析方法都来源于牛顿和其他17~18世纪的著名科学家，如法国数学家拉普拉斯、泊松、勒让德尔、克莱劳特、布伽等人在万有引力定律的基础上创立的经典场论。为了测量地球重力异常，科学家们根据力平衡原理制造出一种精密仪器——扭称，它能“称”出地面上重力加速度的微小变化。

       扭称的历史可追溯至英国化学与物理学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）于1791年发明的重力测量仪器。因此项发明，卡文迪许被称为历史上第一个为地球称重的人。19世纪末20世纪初，匈牙利物理学家厄缶（R.Von.Eotvos）对卡文迪许的扭称进行了改进，研制出适用于野外作业的扭秤，并在匈牙利进行了持续10年的重力观测，结果表明扭秤可以测量到地壳不同部位的岩石密度变化。1901年，厄缶用他发明的仪器测量了湖底的深度。1922年，利用扭秤在墨西哥湾沿岸成功探测到和盐丘构造有关的油藏，使扭称成为最早应用于石油勘探的地球物理探测仪器。

       由于扭称这种仪器在每个测点上测量一次要花费大约5个小时，导致重力勘探的效率很低。鉴于扭称存在的低效率问题，1934年，美国地球物理学家拉科斯特（J.B.Lacoste）发明了金属弹簧重力仪，美国地球物理学家沃登（Sam.P.Worden）发明了石英弹簧重力仪。由于这类重力仪相比扭称使重力测量精度得到显著提高，且一个测点的平均观测时间可以缩短到10~30分钟，到1930年代末已完全取代扭秤而得到大规模应用，标志着重力勘探走向了实用化。石油勘探工作者按照设计好的测点用重力仪在野外逐一观测，并记录下重力值，然后回到室内进行处理和分析，地质学家们就可以用它来研究地下的地质结构，并根据捕捉到的重力异常的位置来推测地层岩性和它们的深度。

       磁力勘探作为一种地球物理勘探方法，始于瑞典人塔伦（Thalen）和铁贝尔（Tiberg）于1870年制造的万能磁力仪，该仪器使磁力勘探走向实用化。1915年，德国地球物理学家施密特（Schmidt）制成石英刃口式磁力仪，大大提高了磁测精度，使磁力勘探不仅用于寻找铁矿，而且还用来研究地质构造、寻找盐丘和油气田。1936年，苏联地球物理学家罗加乔夫（A.A.Rogachev）研制了感应式航空磁力仪，大大扩展了磁力勘探的应用范围，提升了效率。

       电法和电磁法勘探自19世纪初开始实验性研究。1815年首先在英国库瓦尔铜矿上观测到由矿体产生的自然电位，1919—1922年间瑞典科学家福克斯(R.W.Fox)通过进一步研究建立了自然电场法勘探方法，并利用自然电场法于1835年找到了第一个硫化矿。19世纪中叶至20世纪初，多种电法及电磁勘探方法被提出，如1883年提出了电阻率法、1900年提出了交流电法、1917年提出了电磁感应法、1933年提出了瞬变电磁法、1934年提出了大地电流法、1950年提出了大地电磁法等。其中，电磁感应法于1925年首次获得找矿效果，1929年法国斯伦贝谢公司实现了井中自然电位法和电阻率法测量，形成了电测井技术。1924年，苏联组建了世界上第一个电法勘探队并首次用于石油勘探。在众多科学家的努力下，电法勘探得到了快速发展，至20 世纪40 年代已得到普及，被广泛应用于金属和石油勘探。

地震勘探成为石油勘探主力军

       地震勘探技术发端于19世纪中叶。1845年，爱尔兰地球物理学家罗伯特·马利特（Robert Mallet）曾经用人工激发的地震波来测量弹性波在地壳中的传播速度，标志着地震勘探方法的萌芽。第一次世界大战期间的1913年，德国地球物理学家卢杰·明特罗普（L. Mintrop）及其合作者麦卡伦姆（B. McCollum）、约翰·克拉伦斯·卡彻尔（J. C. Karcher）等人等研制了一套利用火炮发射时因反冲力而产生的地震波确定炮群位置的方法和仪器，它通过接收大炮发射后后坐力产生的地震波，并根据地震波的到达时间确定火炮位置，这是人类历史上首次将地震波与人类的生产、生活挂钩。

       第一次世界大战结束后，发明了利用地震波确定炮群位置的方法和仪器的明特罗普将他的技术应用到地下地质构造探测中，根据记录到的信息计算出地震波在地层中的传播速度和穿透深度，从而准确地计算出地层的厚度和空间形态。1919年，明特罗普在德国申请了折射波法地震勘探专利，同年他和莱曼（Lehmann）一起改进了他发明的地震仪，并成功进行了煤层深度测定试验。1920年10月，明特罗普在德国汉堡附近一口气井中进行了地震折射波法测量。1921年4月他成立了一家地震勘探公司，从此地震勘探正式开始工业化应用。1924年6月，明特罗普的地震勘探公司为海湾石油公司在美国得克萨斯海湾地区的奥查德（Orchard）发现了一个盐丘，并于1926年钻探见油，发现井井深1150米，日产油400吨，这是世界上第一个通过地震勘探发现的油田，从此开创了利用地震勘探技术寻找石油的先河。截至1930年，明特罗普的地震勘探公司在墨西哥湾沿岸地区先后为9家石油公司服务，共找到了22个盐丘构造。1930年，苏联地球物理学家甘布尔采夫等人吸收了反射波法地震勘探的优点对折射波法地震勘探做了相应改进。早期的折射波法只能记录最先到达的直达波，而改进后的折射地震法还可记录后到的各个折射波，可更细致地研究地震波形传播特征，为折射波法地震勘探技术的成熟做出了贡献。

       反射波法比折射波法地震勘探技术出现要晚一些。在折射波法地震勘探技术逐渐发展与成熟的同时，约翰·克拉伦斯·卡彻尔（J．C．Karcher）等人于1921年开展了反射波法地震勘探现场试验，在俄克拉荷马州首次清晰地记录到人工地震产生的反射波，证明了利用反射地震波可以获得地球地下的地质构造图像，并于1929年申请了有关反射波法地震成像的专利。

       1926年，卡切尔等人成立了地质工程公司（Geological Engineering Company），并用他们生产的反射波地震仪样机对已知的田纳西盐丘穹隆进行了试验性探测，效果良好。1928年，他们成功研制全套反射波地震勘探装备，建立了世界上第一支反射波法地震队，在美国开始了反射波法地震勘探的商业化应用。1930年，卡切尔等人成立了著名的GSI（Geophysical Service Inc.）地球物理服务公司，在俄克拉荷马州塞米诺尔（Seminole, Oklahoma）使用反射波法地震勘探技术发现了三个油气藏，确立了其作为最有效和最实用石油勘探技术的地位。尽管旧的折射波法地震勘探仍然可有效地用于寻找盐丘，但反射波法地震勘探技术对复杂地质结构的探测更加精确，进一步扩大了地震勘探技术的知名度，使地震勘探进入了快速推广应用阶段，后来一些大名鼎鼎的国际地球物理服务公司，如法国地球物理公司（CGG）、西 方 地 球 物 理 公 司 （ W e s t e r nGeophysical），都是在那时候成立的。截至1937年，美国已有250个地震队，地震勘探全面进入了大规模工业化应用阶段。

中国地球物理勘探技术发展历程

       与西方国家相比，我国正式开展地球物理勘探技术研究的起步时间要晚近半个世纪。据有关史料记载，最早将现代地球物理方法引入中国石油勘探的时间可追溯至1939年。是年，著名地球物理学家翁文波从英国伦敦大学获得博士学位回国后，在国立中央大学（现南京大学和东南大学）物理系任教，最早在中国开设了地球物理勘探课程，培养和吸收了一批爱好地球物理学和地质学的师生，先后数次组织去玉门油矿开展重力、磁力等勘探方法的试验。这一事件标志着我国地球物理勘探事业的开端。

       我国第一个地球物理勘探队于1945年9月在玉门油矿正式成立，当时称为重力勘探队，同时开展重力和磁力探测，在甘肃玉门至张掖之间进行了比例尺为1∶10万的重力和磁力普查。1946年6月，在上海又新建了两个重力勘探队，先在江苏南部的太湖一带开展勘探，后于1950年5月赴陕西延长一带开展地质普查。

       新中国第一个地震勘探队自1949年起即开始筹备，于1951年3月正式成立，1951年9月从上海开赴陕北四郎庙地区开展黄土塬地震勘探试验，1952年春开赴甘肃酒泉盆地青草湾一带开展勘探。1952年春，西北石油管理局勘探处筹建了第二地震勘探队，并在陕西延长胡家村一带施工，夏季后转赴酒泉盆地大红圈和文殊山施工。1952年末又成立了第三和第四地震队，分别在潮水盆地窖水一带和酒泉盆地老君庙附近施工。此外，中国和苏联联合设立的中苏石油公司还于1952年在新疆建立了地质调查处，在其下成立了两个重力勘探队、两个磁力勘探队、一个电法勘探队和一个地震勘探队，分别在北疆的呼图壁地区和乌苏-独山子地区、南疆的巴楚一喀什地区和英吉沙地区施工。

       在20世纪50年代以前，受各种因素影响，中国的石油工业非常落后。1950年，中国仅有玉门老君庙、陕北延长和新疆独山子三个小油田，以及四川自流井、圣灯山和石油沟等几个小气田，年产量最高仅为30万吨。以上所述重力、磁力、电法、地震等勘探队伍的建立，为20世纪50年代在中国西北地区开展大规模石油勘探打下了基础。1952年，采用从苏联和匈牙利进口的新型重力仪、51型地震仪和钻井新技术，在玉门油田先后发现了石油沟、白杨河、鸭儿峡油田。1955年，在新疆准噶尔盆地西北缘开展了重力、磁力、电法和地震勘探。首先根据获得的地球物理资料发现了黑油山潜伏构造，确定了黑油山1号井并见到工业油流。此后在该地区进一步加密重力勘探及电法勘探，发现了克乌断裂带及断裂带附近发育的五个鼻状构造。1958年，基于重磁电勘探资料在柴达木盆地发现了冷湖构造带，在四川盆地发现了南充、桂花等7个油田。到1959年，全国原油产量达到373万吨，天然气产量2.5亿立方米。

       重点开展西部勘探的同时，从1955年起实施石油勘探战略东移，在松辽盆地和渤海湾盆地全面开展综合地质调查。由于现今渤海湾盆地和松辽盆地的主体为华北和东北大平原，沃野千里，一马平川，地面上几乎看不到地质露头，也很少能够发现油气苗，故地球物理方法在油气地质调查中占有绝对主导地位。1956-1957年间，在松辽盆地开展了大规模的地面重力和航空磁力勘探，完成了横贯全盆地的3条电法测深大剖面，并进行了少量的二维地震勘探和钻探，初步证实松辽盆地是一个大型的中新生带沉积盆地，并发现盆地中央存在一个大型的背斜构造带，即著名的大庆长垣。1958年9月，在根据电法异常发现的高台子背斜构造隆起部位上，初步拟定了松基三井井位，之后又根据二维地震资料确定的高台子构造图对拟定井位进行了微调，最终确定将松基三井部署在高台子镇永跃村旁，并于1959年4月11日正式开钻。1959年9月26日，松基3井喷出油流，标志着大庆油田被正式发现。大庆油田是中国石油勘探史上第一个成功利用地球物理勘探方法发现的特大型油田。

       大庆油田勘探成功后，石油勘探队伍挥师南下，依据同样的勘探思路在渤海湾盆地开展勘探。1961年，位于东营坳陷的华八井获得日产8.1吨的工业油流，拉开了华北地区大规模石油勘探会战的序幕。华八井是整个华北平原的第一口发现井，实现了渤海湾盆地早期找油的新突破，为胜利油田的诞生及后续发现的华北、大港、冀东、南阳、中原等大油田的建设奠定了基础。

地球物理勘探技术与中国油气大发现

       在20世纪60年代至80年代中期的基于地球物理勘探技术所实现的一系列找油大突破、大发现之后，我国的原油产量迅速增长。1963年全国原油产量达到648万吨，1978年达到1.04亿吨（其中大庆油田的年产量突破了5000万吨），1985年达到1.25亿吨。

       进入20世纪80年代以来，由于地理条件好且易勘探的大油田已基本发现殆尽，中国的石油新增储量增长缓慢，再加上老油田逐步进入衰退期，中国石油勘探遭遇了严重的瓶颈期。为此，中国石油勘探者们提出了“稳定东部、发展西部、油气并举、大力发展海洋勘探”的新思路，利用三维地震勘探技术在东部地区继续开展勘探的同时，重点加强西部地区特别是塔里木、准噶尔、吐哈、柴达木、鄂尔多斯和四川等盆地的石油勘探工作，发现了一大批新的油气田。大力开展陆上石油勘探的同时，在海洋石油勘探和天然气勘探方面也取得了重大进展。在海上相继发现了位于渤海湾的蓬莱19-3、绥中36-1、秦皇岛32-6、渤中25-1、金县1-1、锦州25-1，位于中国南海的涠洲11-4、崖城13-1等油田；在鄂尔多斯盆地的靖边、苏里格，在塔里木盆地的塔中、轮南、克拉2，在四川盆地的大川中、普光、广安、大天池、合川等地区发现了一大批天然气田，形成了海陆同进、油气并举的勘探开发新局面，保证了我国石油天然气年产量的稳步增长。

       进入21世纪，世界范围内的多数主力油气田已进入成熟期和衰退期，而新的勘探目标区正变得复杂隐蔽，目标层系越来越深，在陆地上发现大油气田的难度越来越大，常规油气发现有日益下降的趋势。在这种勘探形势下，新的油气勘探目标越来越难以发现，高陡构造、复杂构造、岩性圈闭、致密性、深层与超深层等地质条件对地球物理勘探技术提出了更高的需求。此外，提高勘探效率也成为迫切要求。针对以上难题，中国的地球物理勘探工作者们在继续发展常规地球物理勘探技术的同时，还创新提出了划时代的时频电磁勘探技术、多波多分量地震勘探技术和宽频带、宽方位、高密度的“两宽一高”地震勘探技术，实现了我国陆海油气勘探技术的升级换代，油气勘探成效得到显著提高，新发现了一批油气田，使我国的石油天然气产量达到并保持在2亿吨，有效支撑了石油工业的高质量发展。

结语

       自1919年明特罗普申请地震折射波法专利和1921年约翰·克拉伦斯·卡彻尔（J.C.Karcher）等人开展反射波法地震勘探现场试验，1922年首次成功应用重力勘探技术在墨西哥湾沿岸探测到和盐丘构造有关的油藏以来，地球物理勘探技术被引入石油勘探已过去了一百年。一百年来，世界范围内80%以上的油气田、我国90%以上的油气田都是通过地球物理勘探发现的，彰显了地球物理勘探的巨大威力和历史性成就。

作者：陈茂山 宋强功 王成祥（中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司）

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