石油勘探SQUID应用的可行性

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1引言

超导量子干涉仪，本质上是一种将磁通转化为电压的磁通传感器。由于它在微弱磁场探测方面具有极高的灵敏度，因而被广泛的运用于生物磁测量、大地勘测、无损探伤等领域。现今低温超导量子干涉仪的磁场灵敏度可达到1fT/Hz1/2量级，而高温超导量子干涉仪的磁场灵敏度也可达10fT/Hz1/2量级。油气藏上方岩石中广泛存在的磁学－地球化学－矿物学异常与烃类微渗漏作用之间的存在一定相互关系。烃渗漏可以通过改变油气藏上方空间氧化还原条件等造成磁性变化从而在近地表产生磁异常变化。运用微磁测量寻找油气藏，即通过一定探测手段取得近地表的磁异常数据，而这些磁异常在经过数据处理、分析之后，可以为石油勘探提供一定的相关依据。本文的主要工作是分别对squid的工作原理、发展现状以及微磁测量寻找油气藏的原理、方法进行介绍后，分析了SQUID在石油勘探中应用的可行性。

2SQUID的工作原理

SQUID是一种基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象的磁通传感器。约瑟夫森效应，是指电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。若通入不超过超导体临界电流的偏置电流，在隧道位垒两端将没有电位降，这就是产生零电位差的直流约瑟夫森效应。若隧道位垒两端维持一个恒定的零电位差，将有一个交变的超导电流流过位垒，这就是交流约瑟夫森效应［1］。SQUID通常含有一个或更多的约瑟夫森结，这些超导体之间的弱连接可以通过小于临界电流的超导电流。当含有约瑟夫森结的超导闭合环路通过一定的偏置电流后，会呈现一种宏观量子干涉的现象，具体的表现为该闭合环路中的磁通量呈周期性变化，其周期为单个磁通量子［2］。因此它的灵敏度非常高。按器件工作时偏置方式的区别，SQUID可以分为直流(DC－SQUID)和射频(RF－SQUID)两种。

2．1直流超导量子干涉仪

直流超导量子干涉仪(DC－SQUID)是由两个约瑟夫森结构成的超导圆环，如图1所示，两个约瑟夫森结并联在电感为L的超导环内。当SQUID的偏置电流I略大于两个结的临界电流之和I0时，该器件的阻抗与两端的电压均为穿过SQUID环路的外磁通量的周期函数，图2所示。周期为一个磁通量子。当I超过I0后，在外部磁通量变化时，结两端的电压U会以磁通量子产生周期性的变化，通过测量该电压U来测量出外磁场通过超导环的磁通量的变化［3］。

2．2射频超导量子干涉仪

射频超导量子干涉仪(RF－SQUID)的超导环内只有一个约瑟夫森结，如图3所示。超导环通过互感M与一个LC谐振回路耦合。谐振回路由RF端电流I驱动，其频率为几十兆赫到几千兆赫。回路的有效感抗随外磁场而改变，进而改变谐振频率。RF端电压是磁通的周期函数，周期同样是一个磁通量子。射频超导量子干涉仪造价要低一些，灵敏度也相对较低。

3SQUID的发展现状

SQUID因其高精度的优良性能，在弱磁测量方面有广泛的运用［4］。在计量测试领域中，低温SQUID主要用于量子化霍尔电阻基准的测试，而高温SQUID研制的检流计，精度也能够达到10－12A。SQUID磁强计也因其作的心磁图是封闭的二次信息，反映出的信息更为全面。在大地磁测勘探中，SQUID磁强计比起常规测量仪器，同样具有更高的测量准确度、更宽的频带以及更高的信噪比［5］。SQUID磁强计在低频段的灵敏度很高，在4K条件下可达1fT/Hz1/2，而且测量量程大，频带很宽(0～n×106Hz)，能响应快速变化的磁场。美国QuantumDesign公司生产的SQUID磁学测量系统MPMS(MagneticPropertyMeasurementSystem)已经成为世界公认的顶级测量平台，广泛的分布于世界上几乎所有材料、物理、化学、纳米等研究领域尖端的实验室。该公司基于SQIUD开发出来的MPMS灵敏度可高达10－9emu(工程中常用磁矩单位，1emu=10－3A•m2)，系统的测量温度范围在1．9K到400K(另有选件可拓展至0．48K～1000K)，同时设备由超导磁体提供最高到7特斯拉的外加磁场。此系统是由一个基系统及各种测量拓展选件构成的。基系统在功能上主要包含了内置超导磁体、低温杜瓦、温控系统、磁场控制系统、MPMS系统中央控制平台及SQUID探测单元，从而实现在此低温强磁场平台上的更多测量功能［6］。QuantumDesign公司目前提供两个系列的MPMS磁学测量系统:MPMS(SQUID)XL系列和MPMS(SQUID)VSM系列。其中MPMS(SQUID)XL系列是开发比较早且目前使用最为广泛的SQUID磁学测量系统，而MPMS(SQUID)VSM是2006年QuantumDesign公司在美国物理协会APS年会上的最新设计的基于SQUID磁学测量系统，较前者最大的特点在于具有极高灵敏度的同时又有非常高的测量速度。表1是二者关于磁学参数的简要比较。

4石油勘探的主要方法

石油勘探主要是指为了寻找和查明油气的资源，利用各种勘探手段来了解地下地质状况，更为全面的认识生油、储油等一系列条件，从而得以综合分析含油气远景，最终确定油气聚集的有利地区、找到油气田的工作过程。在寻找油气田的过程中，不同的地区、不同的地质条件、不同类型的油气田采用的勘探找油方法是不尽相同的。在非磁测的勘探方法中，主要包括重力勘探、电法勘探、地震反射法和地震折射法等［7］。这些方法均主要用于了解地壳深部结构和基底表面起伏，从而划分区域构造单元继而为寻找油气提供一定有利信息。目前磁测在油田勘探中的运用主要是依据地下油气藏的存在而引起微磁异常的特性，通过一些手段测量地表的磁异常，然后根据相关异常数据进行综合分析，为石油勘探提供一定相关性信息。研究结果表明:油气藏上方岩石中广泛的存在磁学－地球化学－矿物学异常与烃类微渗漏作用之间的关系。烃渗漏可以通过改变油气藏上方空间氧化还原条件等造成磁性变化从而在近地表产生磁异常变化。而这些磁异常在经过数据处理之后，可以提供微磁异常与油气藏之间高度的相关性［8］。依据磁性参量的测量结果，利用各种合理的数学物理模型，计算他们在近地表空间产生的磁异常。现今进行地表磁异常测量主要有两种方法，分别是:(1)直接进行航磁测量对各含油气盆地进行一定比例尺的航空磁测，综合由遥感技术中发展起来的计算机图像显示与处理技术的研究，还原所测地带的区域磁异常等磁性信息。(2)对地表浅层土壤及沉积盖层中的岩石样品磁性特征综合分析此时的研究对象主要是地表近地表的土壤、沉积盖层中的岩石样品。对土壤进行磁化率、磁滞回线、居里点测量，对岩石进行重矿物分析、X射线等一系列分析，利用各种合理的数学物理模型，计算它们在近地表空间产生的磁异常，为找油提供可靠的理论基础与方法技术。

5SQUID的石油勘探中的应用

5．1航磁测量航磁测量，即航空磁力测量，主要方法是将航空磁力仪及其相关的辅助设备装载在飞行器上，然后再测量地区的上空按照事先设定完备的测线和高度对地磁场强度或梯度进行地球物理测量。它的优点在于不受地面水域、沼泽、高山等地理条件的限制，亦可减弱地表磁性不均匀体的影响。对各含油气盆地进行一定比例尺的航空磁测，再综合由遥感技术中发展起来的计算机图像显示与处理技术的研究，可以还原所测地带的区域磁异常等磁性信息。此过程即为航磁测量技术在油气勘探方面的应用。对于用SQUID来进行磁法勘探，国外有类似的研究［9－10］。19世纪60年代，我国已经利用自行研发的数码式核子旋进航空磁力仪(灵敏度为0．3nT)完成了大陆上各主要油气盆地的1∶100万航空磁测工作和相当数量的1∶20万航空磁测工作。并在80年代末完成全国主要油气盆地的1∶20万航空磁测工作。这些工作的完成，标志着我国石油航空磁测工作一个历史阶段的结束［11］。磁测仪器记录系统由开始的单纯模拟记录逐步采用磁带数字记录，且开展和使用了计算机图像显示与处理技术。对于航空磁力仪来说，80年代末使用的HC－85型光泵磁力仪(显示精度为0．1nT，甚至可达到0．01nT)能够满足我国面积广大弱磁场中各种比例尺航空磁测工作［12］。因此在此层面上可以考虑利用SQUID在航空磁测的运用。

5．2土壤、岩石磁性分析

利用对地表浅层土壤及沉积盖层中的岩石样品磁性特征进行综合分析，主要是通过分析配套样品的磁学、矿物学以及地球化学的参量并利用它们的变异特征，再次结合区域石油地质背景，来综合分析并评价油气藏在地底深部的分布［13］。其主要目的也是依据磁性参量，利用各种合理的数学物理模型计算出近地表空间产生的磁异常。此种方法较于航磁测量来说受外界环境影响较小。对土壤磁性特征的分析，主要是测量土壤的磁化率、磁滞回线参数以及居里点。其中样品土壤磁化率表明样品在磁化场中获得磁化强度的能力，它的数量级在10－6SI。磁滞回线及其参量主要指样品的磁化强度随磁化场变化的一条封闭曲线，包含丰富的地质信息。目前主要使用的两类仪器为:(1)美国LDJ公司生产的LDJ－9500型振动样品磁强计，仪器的磁感应强度与磁场测量精度均为1%，灵敏度为0．1A/m，最大外加场1．2T。(2)日本株式会社玉川制作所生产的TM－VSM2050型振动样品磁强计，仪器灵敏度为2×10－2A/m，精度≤±1%，最大外加场为2．6T。我国运用此方法在油田区域寻找油气藏已经积累了相当多的经验。例如，在对鄂尔多斯盆地大型含油气盆地地表岩石土壤进行磁性分析过程中，勘探队在盆地南部黄土区元城油田进行分析时，在均为黄土、岩性单一的地面覆盖层发现厚度相差很大。采取样品时，取样深度在1．5～2．0m，面积为88km2。共取得样品180个。经过对土壤磁化率测量，绘制土壤磁化率平面等值线图后发现几个明显局部高磁性异常区域。经过一系列数据处理及分析，可以进而得到更为清晰显示环状磁性异常分布的剩余磁性异常图［14］。此类磁异常强度较小，一般在nT级次。因此在磁测量仪器的精度上也需要精益求精。综上所述，尽管超导量子干涉仪磁强计不能像其他磁强计那样在扫场的过程中进行测量，限制了它的测量速度，测一条磁滞回线大约需要一个半小时;而由于它的灵敏度高、可靠性以及重复性非常好的特性，并且可以在微量样品或弱磁性测量领域有很强的优越性，因此可以考虑其在石油勘探中的运用。

5．3应用分析

在诸多已经进行航磁测量分析的文献中谈到，对已经进行磁测的数据结果，我们缺少的主要是解释与分析的深度。正如上文已经提到，我国在60年代就已经完成了大陆上各主要油气盆地的1∶100万航空磁测工作和相当数量的1∶20万航空磁测工作，并在80年代末完成全国主要油气盆地的1∶20万航空磁测工作。因此在磁性测量的方面基本不存在过大的难题，重点就在于对这些测量的数据进行分析、处理并通过一定手段找到它们与油气藏存在的对应关系。而如果对航空磁测结果不深入分析研究，反复重测、过分强调精度和数字收录的价值是没有意义的。因此尽管SQUID在航空磁测的过程中能够提供一定的高精度、高灵敏度等优良特性，然而在石油勘探上来讲，我们现有的设备已经能够满足各种比例尺磁测的要求，剩余主要工作是在于对航磁结果的数据处理并结合各不同的盆地地质进行深刻分析。不同的数据处理方法以及不同的地理分析都会对结果产生很大的影响。况且，航磁测量也只能客观反映近地表面地磁的一些基本信息，而地磁信息还受外界各种环境因素所干扰，并不能完全反映地质下真实情况。对于寻找油气藏来说，这些数据也只能帮助我们对地质构造有一定的认识，一定程度上圈定凹陷地带，也即成油的可能性地带。即缺少确切的证明条件。与航磁方案分析的结果类似，在对油气田周围的土壤、岩石进行磁性测量并分析时，我们所需要的是测量土壤的磁化率、磁滞回线参数以及居里点。如上文所述，现有的磁强计精度可以达到绘制土壤磁化率平面等值线图及显示环状磁性异常分布的剩余磁性异常图的要求，基于SQUID的磁强计固然拥有提高测量精度、灵敏度等优点，在数据的综合分析上并不占明显优势，在此时的主要分析任务仍然是:(1)对于土壤磁性及岩石参量的综合分析，大量的数据处理，绘制出高精度磁测测线分布图(一般磁测精度在1∶50000)以及运用各种滤波手段提取出高磁剩余异常分布图(异常值介于－1．5～+1．5nT之间)。(2)通过这些资料再对比、分析高磁剩余异常特征与油井及干井分布特征，两者之间呈现出一定的规律与油井具有一定的相关性。资料显示:高频、低幅度、高值异常带以及高值环带包围低值区块的环带异常与油气藏有较好对应关系。此项任务对于整个过程至关重要。而且鉴于SQUID磁强计造价较普通磁强计高昂，适用环境要求更为严格，其测量精度高的优点未能完全掩盖在石油勘探中的不足，也未能解决寻找油气藏的根本性难题。因此就其综合价值而言，SQUID磁强计目前而言运用于油田找油的可行性不大。

6结论

SQUID以其高精度、高灵敏度的磁测性能正在逐渐成为弱磁领域中有效的测量手段，亦可为石油勘探取得相关弱磁信息，从而更准确的寻找油气藏。因此它在油田勘探上是有一定的应用价值的。然而经过对石油寻找油气藏方面的研究发现，尽管SQUID能够一定程度上提高油田地区磁测精度并在低频段优势明显，却未能解决油田勘探中最为核心与关键的磁测数据处理分析与油气藏对应问题。另外，鉴于SQUID价格高昂并且在使用过程中需要低温冷却设备、地磁屏蔽等一系列严格要求，综合分析来看在目前运用到油田领域寻找油气藏的价值不大。随着目前对于SQUID的不断研究发展来看，高温SQUID的研究不断取得进展［15］(使用液氮的高温SQUID磁强计日臻成熟)、多种数据处理研究及算法改进也逐渐能消除一定的外界环境产生的磁测影响(M．BICK等人提出的频率自适应决定电子梯度计系数的方法取得较好效果)等，SQUID在今后的发展中是能够在石油勘探领域取得一定成效并具有应用前景的。但是，对于测量之后的数据处理及分析等一系列工作也是极为关键的课题。

作者：周奥波 石晶 许君 周晓 任丽 李敬东 唐跃进 单位：强电磁工程与新技术国家重点实验室( 华中科技大学)