震电研究新书推荐——《震电勘探方法》

作者:
André Revil
Associate Professor at the Colorado School of Mines
Directeur de Recherche at the National Centre for Scientific Research (CNRS)

Abderrahim Jardani
Associate Professor at the University of Rouen

Paul Sava
Associate Professor of Geophysics at the Colorado School of Mines

Allan Haas
Senior Engineering Geophysicist

The edition first published 2015 © 2015 by John Wiley & Sons, Ltd.

震电勘探原理

       所谓震电效应,就是大地孔隙介质中弹性波场与电磁场之间相互作用,引起大地介质中这两种地球物理场特性发生变化的物理效应。在地球物理勘探理论中,震电效应则特指在弹性波场作用下大地电磁场特性发生变化。

       地下含流体孔隙介质中产生的震电信号较强主要是由于在孔隙介质的固-液交界面上存在双电层现象。在初始平衡状态下,岩石颗粒表面通常吸附负离子,在其周围溶液的界面上则分布正离子,这样便在固-液间形成了双电层。当地震波在地下含流体饱和孔隙介质中传播时,带电液体和骨架会产生非同相振动,引起孔隙流体与固体骨架的相对运动,导致电荷密度发生波动,从而使孔隙流体中的带电离子形成微电流并在不连续边界处将会激发电磁波。




       当地震波在含水的地下介质中传播时,颗粒之间有三种运动与振电信号有关:岩石的运动,水的运动和电荷的运动。在地震波场中,岩石的运动引起水的运动;水和岩石之间的相对运动扰乱双电层,引起电荷的运动。震电信号是电荷的运动的结果。

       地震勘探是用检波器在一点接收地震波的信号,而震电信号是用两个电极测量电极之间的电位差。

       如何放置两个电极的是很重要的。如果一个电极放在离地震震源很远的地方,另一个发在震源附近;所得震电信号的速度和频率就会很接近在那个近震源电极的位置的地震检波器得到地震波信号的速度和频率。可是在实际测量中如果一个电极放在离地震震源很远的地方,震电信号就会由于内阻太大变的很小、以至难以测量。

       实际震电信号测量中,总是把两个电极都放在地震波场中。这时得到的震电信号就与检波器得到的地震信号有所不同了。地震检波器只接收它所在的那一点的地震波的信号,震电信号电极接收到的信号是由两个电极之间的整体介质运动产生的振电信号。这个整体可以大约看作以两个电极的距离为直径的半个球形。在地震波从一个电极传播向另一个电极的时候震电信号都可以测量到。当电极的距离增大时,地震波穿透的深度也增加。把哈姆霍特兹(Hmlholtz)振电公式发展到整体效应的关系,并用岩石的应力来表示震电信号,得到关系式:

       E(t)= [ω2Δρ(p1(t)-p2(t))εζ]/[4πση]

E是流动电位,ω是地震波频率,Δρ是岩石和水的比重差;P1和P2是电极1和2处的岩石应力;ε是流体的介电常数;ζ是济特电位;η是黏度系数;σ是流体的导电率。

       当外力作用在含水柱状岩石的单位面积上时,用压力来表示,产生岩石的位移。根据虎克定理,这种关系是由拉梅常数决定的。岩石的位移扰动双电层是从不可移动层开始的,然后位移传递到扰动层,产生流动电位。这个过程是和哈姆霍特兹(Helmlholtz)振电公式中的液体压力是等价的。

       用黏弹性应力和应变的关系(维哥特固体—Voigt’s-solid)代入哈姆霍特兹(Helmlholtz)震电公式,可以得到两维的震电信号传播公式:

       E(x12)=(ω2Δρ∈ζ/(4πησ))[∈xx(e1)+∈zz(e1)+∂∈xx(e1)/∂t + ∂∈ zz(e1)/∂t−∈ xx(e2)−∈zz(e2) −∂∈xx(e2)/∂t−∂∈ zz(e2)/∂t]

       E(z12)=(ω2Δρ∈ζ/(4πησ))[∈zz(e1)+∈xx(e1)+∂∈zz(e1)/∂t + ∂∈ xx(e1)/∂t−∈ zz(e2)−∈xx(e2) −∂∈zz(e2)/∂t−∂∈ xx(e2)/∂t]


E(x12)沿着X轴方向电极1和2之间的流动电位;E(zl2)沿着Z轴方向电极1和2之间的流动电位;εxx(e1)是在电极1的位置沿X轴方向的位移。εxx(e2)是在电极2的位置沿X轴方向的位移。εzz(e1)是在电极1的位置沿Z轴方向的位移。εzz(e2)是在电极2的位置沿Z轴方向的位移。其他符号和等式1中注解一样。

       有了以上的公式,我们就可以利用地震波运动的时间函数来计算震电信号传播函数。这里只是两维的公式,进一步可以发展成三维方程。在一些简单的问题中,也可以简化成一维方程。


震电信号与渗透率的关系



              震电信号ζ与孔隙通道半径的相关图(Parkhomenko 1971)



       电动耦合系数是渗透率与电阻率为200 Ωm的流体的函数。图中空心方形为石灰岩的测量值。星形为Jouniaux的计算值。 K0.33与K0.23为对应直线的斜率。

       震电效应的幅度与流体在多孔介质的孔隙度成正比,因而有可能通过震电效应信号幅值的大小直接探测含油气地层孔隙度的相对大小。