第二章 充電法和自電法

第二章充電法和自然電場法

§2-1充電法一、充電法的基本原理二、充電法的應用§2-2自然電場法一、穩(wěn)定自然電流場的成因及分布規(guī)律二、自然極化球體的電場三、工作方法四、自然電場法的應用§2-1充電法

以人工供電（或稱:充電）體相對周圍介質(zhì)呈理想良導體為物質(zhì)基礎，通過觀測和研究向目標體供電后的人工電流場在充電體周圍的分布規(guī)律，達到查明充電目標體的空間分布和某些地質(zhì)現(xiàn)象為目的的一種電法勘探方法。如(圖2-1)

屬傳導類、主動源直流電法1.理想導體：所謂理想導體是指導體本身的電阻率為零。其特征該導體位于一般導電介質(zhì)中，向其導體上任何一部位接通外加電源供電時（充電），導體均為電壓等位體；電流遍及整個導體，無電位降，而后垂直表面流向周圍介質(zhì)之中。如右圖所示

充電導體附近電流線和等電位線的分布

(a)剖面圖;(b)平面圖;1—電流線;2—等電位線一、充電法的基本原理

理想導體的充電場（在介質(zhì)中的電流場），與充電點的位置無關(guān)，僅與充電電流強度，理想導體的位置，形狀，大小，產(chǎn)狀及周圍介質(zhì)的電性分布有關(guān)。若圍巖為均勻電性介質(zhì)，其空間等位面分布與充電導體形狀相似；其相似程度與相距充電體的距離成反比。對有限三度體不論其外形如何，若相距充分大的條件下，其電位等值面趨于球形分布。2.充電球體的電流場（a）電流場表達式設：球體半徑為r0，中心埋深為h0，球心地面投影點為坐標原點。由于球體的對稱性，其充電電流場的球體外分布與位于球心的點電流場沒有區(qū)別（條件r0/h0<0.5）。利用簡單加倍法，電位公式有：充電球體沿X方向的電位梯度為：

（b）電流場分布規(guī)律①平面分布規(guī)律

地面等位線方程為

一簇同心圓，(x0,y0)

點處為極大值。(x0,y0)充電球體等位面②剖面分布規(guī)律在主剖面上，電位曲線成軸對稱正異常，球心投影點處為極大值，兩側(cè)電位對稱減小趨于零；電位梯度曲線成左正右負點對稱異常,球心投影點處為零，兩側(cè)電位梯度絕對值對稱減小趨于零；旁側(cè)剖面上，其電位和電位梯度的分布與主剖面相似，但其強度減弱，范圍變大。（c）球體中心埋深計算式利用主剖面上的電位曲線的半極值弦長q和電位梯度曲線的極值點水平間距p，估算球體中心埋深充電球體解釋3.橢球體的電流場這是具有普遍意義的地質(zhì)體模型。設三軸半徑分別為：a，b，c。若:a=b=c，為球體；a>>b=c，為圓柱體；a>>

b≠

c，為脈（板）狀體。（a）電流場表達式設：坐標原點位于橢球體的中心，x，y，z坐標軸分別與3個半徑重合。橢球體表面方程為:充電橢球體求解橢球坐標系的拉普拉斯方程，得出

球外任一點電位：t0為M點的橢球坐標，若M的笛卡爾坐標（x，y，z），則t0為方程

的最大實根。（b）電流場分布規(guī)律①平面分布規(guī)律由電位式可知：t0=常數(shù)，則U=常數(shù)。故，等位面方程為：

t0=常數(shù)地表電位等值線呈同心橢圓曲線。在橢球體附近，橢圓曲線的長、短軸之比和橢圓率分別為：

與橢球?qū)w的水平截面相近，電位等值線基本上反映了充電橢球體的形狀、產(chǎn)狀和空間位置。但隨著遠離充電橢球體，電位等值線趨于圓形。②剖面分布規(guī)律

若充電橢球體在地下成軸對稱分布，則主剖面上，電位曲線成軸對稱正異常分布，橢球體的中心投影點處為極大值，兩側(cè)對稱減小趨于零。水平橢球體的異常范圍比直立橢球體的異常范圍大。電位梯度異常呈點對稱分布.極值點位于橢球體邊界外側(cè)附近。對傾斜分布的充電橢球體，其電位異常呈現(xiàn)非對稱分布，傾斜一側(cè)異常曲線變緩，電位梯度曲線在傾斜一側(cè)異常極值幅度變小。不論是對稱分布的、還是傾斜分布的充電橢球體，其剖面異常的電位異常曲線的拐點和電位梯度曲線的極值點基本上反映了地下充電體的地面水平投影邊界。4.非等位導體的充電電場所謂非等位導體，是指充電導體電阻非零，被充電后，在其內(nèi)部將產(chǎn)生電位差。從而外電場分布除受圍巖介質(zhì)電性，充電體形狀、產(chǎn)狀、大小、及充電流強度等因素影響外，還與充電體的電阻率和充電點位置有關(guān)。主剖面上的異常特征：（1）充電點在地表投影處，為電位曲線極大值，電位梯度零值點；（2）充電點不對稱導體幾何形狀，非對稱導體電位和電位梯度僅與理想導體相似，在充電點處強度最強，隨著遠離充電點其強度減弱。并在外側(cè)電位曲線變化陡，相應位置處電位梯度曲線出現(xiàn)極大值；內(nèi)側(cè)電位曲線相對較緩，電位梯度曲線有兩個極小值，最外側(cè)的極小值和零點外側(cè)極大值分別大致為充電體的邊部地面投影位置。（3）充電體對稱，充電位置對稱于導體的幾何形狀充電電流場呈對稱分布，并與理想導體條件的電流場分布相近，但其電場分布值和變化率與充電導體的電阻率有關(guān)。

強調(diào)：若地表不水平，充電體的圍巖介質(zhì)不均勻，會導致充電場的分布復雜化。二、充電法的應用應用條件①研究物體有充電揭露或出露點，以便設置充電點；②充電體視為良導體，一般為：③淺埋、規(guī)模大，則效果好，一般勘探深度為充電體延伸長度的一半；④地形起伏小，圍巖較均一，各向同性。

2.充電法的觀測方法與技術(shù)①

工作方法：地表、井中。②觀測網(wǎng)布置：垂直導體走向，至少有三條測線出現(xiàn)異常，每條線上至少有5—10個異常點。③觀測類型及參數(shù)：，分別為電位測量法、追蹤等位線法和梯度測量方法。④資料整理與圖示a)歸一化資料

繪制剖面圖，平剖圖，平面等值圖。

⑤資料解釋a）由平面等值圖的密集帶、剖面圖的拐點劃定充電體的分布范圍；b）利用剖面異常特征點，求取埋深。如梯度曲線：球體水平柱體式中：m為異常曲線弦切距；q為半極值點水平間距。充電球體解釋應用領域（1）確定已被部分揭露礦體的地下伸布范圍，形狀，埋深和產(chǎn)狀；（2）確定相鄰礦體的連通性及發(fā)現(xiàn)已知礦旁的盲礦體(a)是地質(zhì)隊根據(jù)鉆孔資料編制的

。(b)根據(jù)上述充電法成果編繪了電法推斷的地質(zhì)剖面。加密了ZK59孔，鉆探表明，根據(jù)充電法資料提供的礦體連接關(guān)系是正確的。

452線電位梯度曲線及其推斷結(jié)果

（3）確定地下水流向、流速V=(M1–

M2)/(t2–t1)4.用充電法測試油田壓裂施工中的裂隙方法

充電法測試技術(shù)在油氣田的開發(fā)中有較大優(yōu)勢，可直接接觸異常體，為提取微弱信號創(chuàng)造了條件。另外，均以井筒為中心開展工作，測量電極是分布在以被測井井口為圓心呈放射狀對應的測量環(huán)上，而測量環(huán)隨測量參數(shù)的不同與被測井井口之間又有一定距離，故測試資料所反映的信息與通常井點測試資料所反映的信息相比，具有井間監(jiān)測的含義，它可解決常規(guī)測井解決不了的生產(chǎn)實際問題。因此，在油田中得到廣泛應用。

這種測試的原理是：在壓裂縫施工中，如果所用的工作液相對于地層為一個良導體，即液體電阻率與地層介質(zhì)的電阻率相比差異較大時，利用被測井套管向地層供以高穩(wěn)定的電流，這部分液體在地層中即可看成一個場源。

由于它的存在將使原電場（未注工作液前的地面電場）的分布形態(tài)發(fā)生變化，大部分電流集中到低阻體中，使地層表面的電流密度減小，即造成地面的電位也發(fā)生變化。若在被測井周圍環(huán)形布置多組測點，采用高精度的電位觀測系統(tǒng)，觀測注入工作液施工前后的地面電位變化，并通過一定的數(shù)據(jù)處理，就可達到解釋推斷壓裂裂縫(注水擴散)方位的目的。下面以大慶油田采油四廠杏7—2—更24井為例來說明充電法的具體應用。大慶采油四廠杏北油田由于基礎井網(wǎng)采油速度較低，于1999年開展了提液試驗，將采油速度由原來的0.63％提高到0.66％，取得了一定效果，但又出現(xiàn)了含水上升加快的問題。針對這一情況地質(zhì)上決定對該區(qū)塊進行井網(wǎng)細分開采綜合治理試驗，其中包括對部分注水井進行深部調(diào)剖擴大注水波及范圍，充分挖掘剩余油潛力的措施。調(diào)剖測試結(jié)果從圖中可看出：注水波及區(qū)域很窄，呈現(xiàn)出單點突進趨勢，即沿著No.4和No.17方向突進，表現(xiàn)出有大孔道跡象。調(diào)試后為該井注入2000m3調(diào)剖液時的視純異常環(huán)形圖，從圖中可以看出：注入水波及范圍在近井地帶擴大，即注入2000m3調(diào)剖劑后有效地堵住了大孔道，改變了地層吸水狀況。即從調(diào)剖前的單點突進轉(zhuǎn)變?yōu)榈貙游娣e呈扇形擴大(從No.4點突進轉(zhuǎn)變?yōu)橄騈o.3～No.5呈30°范圍的扇形波及。從No.17點突進轉(zhuǎn)變?yōu)橄騈o.15～No.22多點105°范圍的扇形波及)，從宏觀上可以看出經(jīng)過初步調(diào)劑，注水效果得到了明顯改善。

它是以介質(zhì)發(fā)生電極化現(xiàn)象為物質(zhì)基礎，通過研究穩(wěn)定自然電流場的分布規(guī)律，達到勘查某些目標物的目的一種電法勘探方法。自然電場——在一定地質(zhì)或地質(zhì)—地下水動力條件下，不需人工向地下供電，在自然條件下，地中存在的電流場。按其隨時間的變化規(guī)律，又可分穩(wěn)定與非穩(wěn)定電流場，自然電場法研究的是穩(wěn)定電流場。屬于傳導類，被動源直流電法。導體周圍的自電場§2-2自然電場法一、自然電流場的成因及分布規(guī)律地下產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的直接原因是地下介質(zhì)內(nèi)存在著電極化現(xiàn)象。

所謂電極化是指呈現(xiàn)電中性（正負電荷保持平衡）物質(zhì)或系統(tǒng)在一定條件下其正、負電荷（電子或離子）產(chǎn)生彼此分離，偏離平衡狀態(tài)的現(xiàn)象。按其產(chǎn)生極化的機制，可分氧化-還原效應和過濾電動效應，前者產(chǎn)生電子導體自然極化，后者產(chǎn)生離子導體自然極化。氧化還原效應——電子導體自然極化

導體與溶液接觸時，由于熱運動或化學反應。導體的金屬離子式自由電子可能有足夠的能量，以致克服晶格間的結(jié)合力束縛而越出導體進入溶液中。從而破壞了導體與溶液的電中性。分別帶異性電荷，并在其界面處形成雙電層，產(chǎn)生電極電位。

若導體外溶液是均勻的，則界面上的雙電層也是均勻而封閉形式分布，故該系統(tǒng)對外仍呈電中性，而不會產(chǎn)生自然電場。若溶液不均勻，界面上的偶電層分布不均勻，則產(chǎn)生極化，系統(tǒng)對外將產(chǎn)生自然電場，在自然電場作用下的電荷流動，將導致不均勻性降低，極化消失。因此，產(chǎn)生穩(wěn)定自然電流場的條件是：外界條件能保持導體外溶液這種不均勻性，使之不因極化放電而減弱。地下導體產(chǎn)生穩(wěn)定的自然電場的條件是：基于電子導體被地下潛水面截過，其潛水面上部為大氣降雨的滲透帶，因靠近地表而含氧量較高，其氧化性強，呈氧化性。相反，潛水面之下含氧量低，相對應那里的水溶液呈還原性。

潛水面上下溶液性質(zhì)的差異。通過大氣降水的循環(huán)總能長期保持不斷的向地下補充氧氣，從而在潛水面上下不同部位的導體上形成了不均勻的雙電層，產(chǎn)生了自然極化，在其周圍空間產(chǎn)生了“氧化-還原”自然電場。

在地表觀測到的為負自然電位異常。2.過濾電動效應——離子導體自然極化離子導體與溶液接觸后，在其表面吸附作用下形成雙電層，對石英、硫化物、泥質(zhì)頁巖靠近離子導體之側(cè)帶陰離子，液體一側(cè)帶陽離子（注：石灰?guī)r、白云巖吸附陽離子，液體內(nèi)呈陰離子）。

在離子導體的裂（孔）隙處，雙電離相互之間靠的很近，在液體流動時，擴散帶陽離子將被帶走。相對而言，此處出現(xiàn)了極化，在水流上游呈現(xiàn)負電位，而下游正離子相對集中呈正電位——電化學稱之為流動電位。上述極化過程，如同水流過巖石，巖石顆粒濾掉陽離子，剩下陰離子—稱為過濾電場。圖4-2-9過濾電場的形成二、

自然極化球體的電場

邊值問題設：極坐標原點選在球心。2.地面自然電位表達式

由分離變量法得通解:球內(nèi)、外電位:利用邊值問題求解:式中：解得：3.地面自然電位的分布特征

（1）電流偶極電場特征自然電場的極化源等效為位于球心的電流偶極源，其偶極子的方向與極化軸的方向一致。主剖面自然電位，由y=0有:主剖面上不同傾角時的電位曲線特征①α=90時

電位曲線沿剖面呈軸對稱的負異常分布，負極值位于球心在地表的投影點（x=0），其負極值為分析推論：（a）U０與△U０，(r0/h0)2成正比；（b）U0與ρ2/ρ1成反比，故自然電場法對于尋找極化良導體有利。

（c）利用主剖面上的電位曲線半極值弦長q和過拐點切線的弦切距，可估算出球體中心埋深：

h0≈0.65qh0≈0.86m

0<α<900時(a)電位曲線仍以負為主，在極化軸傾斜方向伴有正異常的不對稱異常，其不對稱性與α成反比；(b)U０與△U０，(r0/h0)2成正比，與ρ2/ρ1成反比。

(c)利用不對稱電位曲線兩側(cè)的過拐點切線的弦切距平均值，則可利用垂直極化下的球體中心埋深公式估算其近似球體中心埋值。強調(diào)：一般為垂直極化現(xiàn)象