天然气怎么勘探的？
在油气勘探的早期，人们观察地球的表面，以寻找可能含石油和天然气的地层证据。人们常常根据初步的推测而不是科学依据进行钻井。
地质学家们现在会进行一些实验，判定可能的油气资源。他们研究地面的岩石层，以确定何处的岩石层被褶皱形成了圈闭。不断发展的技术也被用来确定地下石油和天然气的位置。地震学就是研究声波如何穿过地壳的一门科学，是地质学家们手中无价的工具。声波振动受不同岩石类型的影响，可记录一套岩石是如何反射声波的，这将给经过特殊培训的地质学家们一些关于岩石类型及其深度的线索。计算机技术已溶入地震学中，三维地震数据已经投入使用。这一技术用大量的地震测量数据产生一幅地表之下的岩石层的三维图像。这些数据被输入计算机，分析并建立一套三维模型。使用传统的技术，在钻一口井的范围内发现石油的机会为10%～20%。而应用三维地震技术，发现石油和天然气的机会就大大增加了。然而，即使使用了当今所有新技术，要证实一个特殊区域的地表下面是否有天然气或石油的唯一可靠方式就是钻井。
北美有着丰富的天然气资源，它们分布在几个主要盆地内（图2.2） 。美国的天然气探明储量为4.7×1012m3，加拿大为1.9×1012m3，墨西哥为1.9×1012m3；北美总共为8.5×1012m3；全世界天然气探明储量为145×1012m3（表2.1）。
图2.2 北美主要产天然气的沉积盆地
表2.1 1997年北美的天然气探明储量 单位：×1012m3
绝大部分的北美天然气采自少数几个州和省，最著名的有美国得克萨斯州、路易斯安那州、俄克拉何马州、新墨西哥州和加拿大艾伯塔省（图2.3）。
图2.3 北美主要的天然气产出州和省
石油产品，包括天然气，是由远古时期的动植物遗体分解而形成的。冲刷作用将生物的遗体带到河流和靠近海岸线的地方，在那里，它们与泥和各种颗粒混合在一起。随着时间的推移，这些生物遗体被沉积物覆盖，并被其上覆的沉积物压实。久而久之，在压力和热的作用下，这些沉积物就形成了岩石。今天，石油产物常常在沉积岩层中被发现，比如砂岩、页岩和白云岩等。
石油和天然气在沉积岩的孔隙中向上、向地表运移。如果天然气或轻质石油到达地表，它们就会挥发掉。绝大多数油气从来就没有在地表聚集过。石油和天然气将在地下岩石层形成的圈闭中聚集，这些圈闭是在生成石油和天然气的沉积岩层之上形成的。
圈闭了石油和天然气的岩石层是非渗透性的岩石层，一般会在褶皱或断层的作用下形成穹隆。圈闭了石油和天然气的岩石层称为“盖层”，而该套地层统称为“圈闭”（图2.1）。
图2.1 能够保存油气沉积物的岩石层实例
a和b为一套背斜，一套大型向上隆起的沉积岩层，由褶皱形成。一套大型的向下弯曲的岩石层，称为向斜。一套圆柱形或椭圆形向上的隆起称为穹隆。c为褶皱的几部分示意图
在石油工业的早期，勘探所使用的就是铁锨和镐头这类简单的工具，石油和天然气往往是偶然被发现的。探井也是随意钻的，或者在地表出露的天然气苗附近钻一口井也可以获得较大的成功。
然而，到了近代，人们使用各种先进的技术勘探天然气。这些技术可以分类为地质学、地球化学、地球物理等方法。这些方法用于寻找具有孔隙和渗透性储集岩的地质圈闭。一般来讲，这些储集岩主要是古代的湖泊、河流和海洋中沉积形成的砂岩和碳酸盐岩类。
地质学方法
地质勘探技术包括绘制地表与地下的构造地质图、采集岩石样品等。地形图是用来表示地球表面演化的图件，用等值线来表征相同的高度。
一些地质图上标出了何处有岩石层的“露头”，或者它们在地层表面的分布。这些图是平面的，用两维图形来表示地球的表面，第三维表示岩层的方向，用一种称为“走向与倾向”的符号来表示，它可以显示岩石层面的水平与垂直方向。
用于地质制图的基本的岩石层是组，它具有标志明显的顶与底。地壳中的所有岩石都被地质学家划分到了组。每个组具有一个两重含义的名称：①它的地理分布位置，通常是一座小城镇的名称；②它的主要岩石类型，比如砂岩或灰岩。为了表示这些岩石层的垂直序列，地质家使用了地层柱状图，在这种图上，最年轻的地层出现在顶部而最古老的地层在底部 （图2.4） 。
图2.4 地层柱状图（引自Norman Hyne所著《石油勘探与开发》，PennWell， 1995）
除了对地表或近地表的地质构造进行制图之外，地质家还用等值线来表示地下的构造。这些地下的地质图件包括三种重要的类型：
（1）构造，表示岩石层的高程；（2）等值线，表示岩石层的厚度；（3）岩相，表示在单一岩石层内的相变。
除了地质制图之外，地质家还从地下岩石层中提取岩心并收集“岩屑”。岩心和岩屑提供了极为有用的、可供评价岩石组的岩相学、烃含量以及储集层和产出天然气能力的信息。地质家用这些样品来确定地下岩石层形成的条件并评价这些条件是否有利于油气的生成、聚集和成藏。
不论何人所钻，大量的来自钻井的地下资料最终都会公开的。法律要求一些井的“测井”记录在一个特定的时间内解密 （这个时间跨度从数月到数年不等，取决于具体的地域）。这些可能来源于钻井的地质信息亦可用于其他研究，比如水、盐、煤和其他矿产。
地质信息的另外一个重要来源是当地的测井资料图书馆。几乎每个县一级的钻井区域都有一座测井图书馆，但要成为其会员须付费。同样，这些图书馆还收集其他的钻井资料，比如钻井的岩屑和岩心。通常，这些资料是可以免费查询的。
为了帮助勘探地质学家，天然气工业已经汇编了一些尚未开发区域的资料。许多天然气盆地的图件已经出版，以减少或避免对天然气储集层的重复制图工作。这些图件和相似的数据库包括了6个区域的天然气勘探：落基山脉、阿巴拉契亚山脉、得克萨斯、墨西哥湾、东部与中部的海湾沿岸以及中部大陆区。在这些出版物中所收集的数据有助于人们了解这些具有最大勘探潜力的区域和已经发现的天然气田中那些最有可能找到尚未发现油气的地域。这些图件还有助于揭示构造与岩石类型的组合特征。
地球化学方法
地球化学方法的基础是对地表和地下油气储集层之上或者附近的细菌与化学组成所进行的分析。这种组成往往会因地下油气极为缓慢地向地表渗漏而发生改变。对采自这些区域的土壤或者水样品的地球化学分析，如果发现了微量的烃类物质，则可以表征下伏岩石中油气的存在。在许多情况下，出现在地表的极少的油气苗都可以由肉眼发现。这种“微油气苗”常常以一种被称为“油气晕”的圆形出现。
一种用于准确确定烃源岩成熟度的地球化学方法是镜质组反射率。镜质组是在页岩中发现的一种来自植物体的有机质类型。将烃源岩抛光，然后在显微镜下观测镜质组的反射率。镜质组所反射的光的百分比取决于烃源岩的成熟度。镜质组的反射率可以表征是否有天然气或者石油已经生成。
地球物理方法
地球物理勘探是由美国人Everette DeGolyer最先开展的。他于1924年探明了一个含油的盐丘。他还发明了一种名为地震反射的地球物理技术，该技术迄今依然是勘探地质家最重要的工具之一。地震技术和其他地球物理方法能够使地质家确定岩石层的深度、厚度与构造，并评价它们是否能够圈闭油气。实际上，地震技术使得地质家可以“看到”地球表面之下的情况 （图2.5）。
图2.5 陆上地震勘探方法（引自Norman Hyne所著《石油勘探与开发》，PennWell， 1995）
地震反射技术揭示了地下的构造，其原理是以爆炸的方式产生强烈的声波（地震波），然后检测这些波是如何被地下的岩石反射上来的。地震技术通过产生一幅地下岩石层的影像而帮助勘探家发现油气圈闭。在过去的几十年中，油气勘探领域最伟大的进步就是使用计算机获得地震数据并进行分析。这些进展提高了在越来越大的深度显示更加清晰的地下构造影像。
在油气勘探中所使用的地震设备就像安装在一条小船上的一台深度探测器，它发射出周期性的声波束，这些声波束又被海底反射。深度是由这种声音发出以后并被反射回来的时间来确定的，不同的物质反射声波的速度不同。设在地表的检测器记录了来自地下的信号，其中一些不需要的噪声则必须被滤掉。
在陆地上，产生地震能量的最常用的方法是爆炸和振动。炸药是最早使用的地震源，当然，还使用了一些其他的地震源，比如导爆索等。然而，爆炸是危险且昂贵的，这就是Conoco发明VibroseisTM仪器的原因。这项技术使用了装备有一台振动器的卡车，在卡车的底部有多个液压发动机。从卡车的前方向地下伸出一个踏板，该踏板承受了卡车的全部重量。然后，液压发动机用这些重量来撞击地面，由于这种装置便于携带且可在许多区域使用，所以是十分方便的。
地震能量向下穿过岩石层，一部分能量以一种反射波的形式被反射回地面，剩下的能量继续向下运动，直到被更深部的岩石层所反射或消失。反射波被设在地表的地震检波器接收，从而确定声波到达每层岩石顶部的时间。震源和地震检波器的位置由勘探人员确定。
在海上的地震作业与陆地的作业原理相同，但所用的工具却不同。通常用空气枪产生地震能量，将高压的气泡射入水体中， 由Loran无线电发射器或全球定位系统 （GPS）来完成勘探。其震源用船发射，采用水下地震检波器检测。
地震监测的结果被记录下来用于分析地下的岩石层。岩石层的任何变形，比如倾斜、断层或褶皱等，在地震记录上都可以清晰地反映。“亮点”常常可以成功地揭示天然气盖层的位置。亮点是地震剖面上一个强反射区域 （图2.6）。这是地震能量中大约20%的反射波所产生的。然而，并不是所有的亮点都是具有商业性开发的气藏。另外一个指标是扁平点，它是一个气—油或气—水交界面的反射波。
图2.6 海湾地区一个天然气田的地震记录（由VibroseisTM获得）（引自Norman Hyne所著《石油勘探与开发》，PennWell，1995）
地震技术的最新进展是AVO（振幅随炮检距变化），这可以加强地表地震数据亮点分析的能力。另外一项进展是GRIP。地下地质学常常表现出构造与岩性的复杂性，这会掩盖勘探目标。GRIP方法通过将地质信息直接加入地震勘探设计而增强地震成像的分辨率。
除了二维的地震成像方法之外，地质家还能够使用三维技术，它可以给出一个三维的、高清晰的地下地震图像。该方法与CAT扫描 （计算机辅助层析成像）技术相似，还与MRI（磁共振成像）技术相似，二者都是用来获得人体内部影像的。三维技术正在帮助地质家学会如何校正那些由于岩石的厚度与压实之间的变化而产生的噪音 （不需要的信号）。
另外一项进步是“联井”地震技术，即在一口井中发射地震能量，在另一口井或相邻的多口井中安置信号接收器。所获得的数据影像可以用来确定钻井之间的岩石特征。连井地震成像的分辨率要大大高于地表地震数据的分辨率。连井地震成像已在石油勘探中获得了成功，但是在天然气勘探中仅仅在近期才开展应用的。
除地震技术之外，地球物理方法还包括了重力与磁力的测量。地质家们的重力计揭示了地下重力的变化，而磁力计则可以测量出地球磁场的强度与方向。
重力计对地下岩石的密度是非常灵敏的。它可以测出密度相对较小的岩石，比如盐丘或多孔的珊瑚礁，也可以灵敏地测出密度较大的岩石，比如一个盐丘或背斜的核部。磁力仪主要用于测定基岩层的海拔高度。磁力仪数据被用于推测充填在盆地中的沉积岩的厚度并判定基岩的变形程度。
建模
在上述所有技术都存在局限性的情况下，勘探地质家又转向使用数学模型来对地下地质构造和沉积条件进行“成像”。为了精确地建立这些计算机模型，勘探家将钻井数据与地球物理信息汇成一幅假设的地下图像。最新的进展已经极大地增加了计算机建模的成功率。
探井
地质学、地球化学和地球物理技术无论达到何等的精度，也仅仅能够做到确定在何处能够发现油气的沉积岩。证实地下有油气真正存在的唯一方法就是打一口井并检测靶区地层所含物质的性质。
由于钻井是非常昂贵的，用各种勘探技术所获得的资料往往要进行对比，以供选出最可能的位置。发现了新的油气的钻井称为探井或“野猫井”。一口野猫井的费用从100000～15000000美元。即使地质家做了大量的前期工作，也仅仅有 15%～20%的钻井能够发现有商业价值的油气。
如果一口野猫井发现一个新的气田，它就被称为该气田的发现井。一个气田的最终范围是在其发现井四周钻更多的探井来确定的。一旦气田被确定，就要打一些井来进行开发或者增加其天然气的采出率 （打加密井）。钻井人员用来评价井的生产能力的方法将在第3章“钻井、开采与处理”中讨论。
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