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家們夢寐以求的技術[1] [2] [3]，為了直接找油，石油地球物理學家開展了諸多探索，提出了一些方法，如激發(fā)極化法[4] [5]、復電阻率法[6]和時頻電磁法[7] [8] [9] [10]，在多個油田進行了試驗和實際應用，效果爭議很大。一個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，因為其基礎都是激發(fā)極化效應，而該效應并不是油氣藏的本質特征。石油的一個本質特征是旋光性，也就是可見光經過石油后，其偏振面發(fā)生變化。既然石油對可見光具有旋光性，而可見光是一種高頻電磁波，石油對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直接探測油氣藏。從國內外文獻來看，石油對低頻電磁波的旋光性，目前研究還處于空白領域。為此，筆者在該領域進行首次探索，采用大地電磁測深方法[11] [12]的觀測裝置，在3個試驗地點記錄了時間序列的電磁場數據，研究了磁場矢量的方位角隨頻率的變化，其中1個試驗點位于油氣藏上方；對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。研究結果初步表明，在低頻電磁波段，油氣藏具有旋光性。在該基礎上，提出了一條利用大地電磁測深方法直接探測油氣藏的新途徑。

2. 旋光性

電磁波是由電場和磁場2種矢量場構成，并在空間中沿波矢方向傳播。對于平面電磁波而言，在電磁波傳播過程中，空間任意一個點上的電場矢量、磁場矢量和波三者相互垂直。而且，電磁場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，電磁波通過油氣藏后，電場矢量的方向在水平面內(或者說以電磁波傳播方向為旋轉軸)旋轉一定的角度，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，其在真空中的波長約為400～760 nm(可見光波長)之間，石油對該波段的電磁波的旋光性已被試驗證實，不存在任何異議。但對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道。如果石油對低頻電磁波仍然具有旋光性，即可利用該特性來直接檢測油氣圈閉的含油性，既能降低油氣勘探的風險，又能大大減少勘探成本。

衡量旋光性的參數是旋光度。旋光度為電場或磁場經過單位長度物質后旋轉的角度。旋光度不僅與物質有關，而且與電磁波的頻率有關。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

利用大地電磁測深的觀測裝置，分別在有油氣藏和沒有油氣藏的地面上，觀測時間序列的電磁場；然后對其進行頻譜傅里葉變換，得到頻率域中的電磁場分量；再由南北和東西方向的電場分量計算出不同頻率的電場矢量的方位角。觀察電場強度方位角隨頻率的變化，若油氣藏上方測點的電場強度方位角隨頻率的變化而變化，而無油氣藏上方測點的電場強度方位角不隨頻率的變化而變化，則表明油氣藏對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，既無法觀測電磁波，也無法發(fā)送電磁波，因此無法直接觀測到旋轉角。但是，電磁波具有趨膚效應，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，沒有穿過油氣藏的高頻電磁波與穿過油氣藏的低頻電磁波，其電場矢量的方向不一樣，體現在頻率域，就是不同頻率的電磁波，電場強度的方位角有一定程度的差異。

4. 試驗方案

4.1. 時間序列電磁場數據觀測

選取幾個觀測點，采用加拿大鳳凰地球物理公司的V5-2000系統(tǒng)觀測時間序列的電磁場數據。采樣率為24 Hz，觀測時間大于4 h。觀測時，電極布設如圖2所示，X軸沿東西方向，Y軸沿南北方向，獲得南北方向時間域的電場分量Ex(t)和東西方向時間域的電場分量Ey(t) (其中t為時間變量)。圖3是一個觀測點記錄的部分電場數據。

Figure 2. The sketch of detection point deployment圖2. 測點部署示意圖

Figure 3. The electric field of time series圖3. 時間序列的電場

4.2. 時頻轉換

采用快速傅里葉變換，將時間序列觀測的電場分量Ex(t)和Ey(t)轉化成頻率域的電場分量Ex(f)和Ey(f)(其中，f為頻率)。變換時，Ex(f)和Ey(f)要采用相同的時間段，且采用分段轉換方式，每段數據的點數N =4096，采樣頻率Fs= 24 Hz。分段變換的目的是壓制隨機噪聲，提高數據的可靠性，要將多段變換的結果進行疊加獲得平均值。疊加之后的Ex(f)也是一個數據序列，包含4096個復數，第i個數據(i從1開始)對應的 f = ( i - 1 )× FsN；第i個復數數據的模值除以N/2 (直流信號除以N)就是對應該頻率下的信號幅度。第1個數據點f = 0，表示直流信號，第2個數據點f = Fs/N = 0.0059 Hz，第3個數據點f = 2Fs/N = 0.0117 Hz，第N/2個數據點f = 12 Hz。因快速傅里葉變換的周期平移，其后數據不用。

4.3. 電場矢量方位角的計算

由頻率域疊加后的電場分量Ex(f)和Ey(f)計算電場矢量方位角。頻率域的電場分量Ex(f)和Ey(f)都是復數，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，再轉化成用度表示。計算公式為：

式中：α為電場強度矢量的方位角，(°)。

4.4. 方位角曲線繪制

以頻率為橫坐標，電場強度矢量方位角為縱坐標，繪制電場強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強度的方位角。

5. 結果分析

選取了3個觀測地點，分別位于杭州西湖附近、河北南皮縣、新疆某油田，觀察了磁場強度并計算了磁場強度方位角，觀察的日期不相同。由于電場易受工業(yè)用電的干擾，而磁場相對不受干擾，所以該次研究主要針對磁場。

3個地方的磁場強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. 杭州西湖磁場強度方位角-頻率曲線圖

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

Figure 6. The curve of azimuth-frequency of magnetic field intensity of an oilfield in Xinjiang圖6. 新疆某油田磁場強度方位角-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，呈現出傾斜線的特征。初步證明了油氣藏對低頻電磁波具有旋光性。

目前該項研究只在1個油田進行了試驗驗證，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油氣的理論基礎、基本原理和試驗分析，均證實該方法具有較好的可行性，有望將大地電磁測深方法的應用效果提高到一個新的高度。

6. 結論

采用加拿大鳳凰地球物理公司的V5-2000儀器觀測系統(tǒng)，按照大地電磁測深的測站布設方式，觀測了杭州西湖、河北南皮、新疆某油田3個不同地點的時間序列的電磁場數據，利用快速傅里葉變換把時間域的電磁場變化到頻率域的電磁場，計算了磁場矢量方位角隨頻率的變化特性，得出以下認識：① 電場或磁場在水平面內的方位角，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，油氣藏具有旋光性；③ 由于蘇曼諧振的影響，在8 Hz附近會導致旋光效應的畸變；④ 基于低頻電磁波的旋光性，利用大地電磁測深的觀察裝置，可望直接探測油氣藏。

大地電磁測深方法經過60多年的發(fā)展，一方面其技術不斷完善，應用領域不斷擴大[15]；另一方面生產實踐的要求越來越高，技術的發(fā)展不能滿足勘探實踐的要求，亟需開發(fā)新的技術。筆者從石油的旋光性出發(fā)，通過對比試驗初步證實油藏對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。

基金項目

國家自然科學基金項目(4157406)；中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(2017E-015)。

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