第二章 充电法和自电法

第二章充电法和自然电场法

§2-1充电法一、充电法的基本原理二、充电法的应用§2-2自然电场法一、稳定自然电流场的成因及分布规律二、自然极化球体的电场三、工作方法四、自然电场法的应用§2-1充电法

以人工供电（或称:充电）体相对周围介质呈理想良导体为物质基础，通过观测和研究向目标体供电后的人工电流场在充电体周围的分布规律，达到查明充电目标体的空间分布和某些地质现象为目的的一种电法勘探方法。如(图2-1)

属传导类、主动源直流电法1.理想导体：所谓理想导体是指导体本身的电阻率为零。其特征该导体位于一般导电介质中，向其导体上任何一部位接通外加电源供电时（充电），导体均为电压等位体；电流遍及整个导体，无电位降，而后垂直表面流向周围介质之中。如右图所示

充电导体附近电流线和等电位线的分布

(a)剖面图;(b)平面图;1—电流线;2—等电位线一、充电法的基本原理

理想导体的充电场（在介质中的电流场），与充电点的位置无关，仅与充电电流强度，理想导体的位置，形状，大小，产状及周围介质的电性分布有关。若围岩为均匀电性介质，其空间等位面分布与充电导体形状相似；其相似程度与相距充电体的距离成反比。对有限三度体不论其外形如何，若相距充分大的条件下，其电位等值面趋于球形分布。2.充电球体的电流场（a）电流场表达式设：球体半径为r0，中心埋深为h0，球心地面投影点为坐标原点。由于球体的对称性，其充电电流场的球体外分布与位于球心的点电流场没有区别（条件r0/h0<0.5）。利用简单加倍法，电位公式有：充电球体沿X方向的电位梯度为：

（b）电流场分布规律①平面分布规律

地面等位线方程为

一簇同心圆，(x0,y0)

点处为极大值。(x0,y0)充电球体等位面②剖面分布规律在主剖面上，电位曲线成轴对称正异常，球心投影点处为极大值，两侧电位对称减小趋于零；电位梯度曲线成左正右负点对称异常,球心投影点处为零，两侧电位梯度绝对值对称减小趋于零；旁侧剖面上，其电位和电位梯度的分布与主剖面相似，但其强度减弱，范围变大。（c）球体中心埋深计算式利用主剖面上的电位曲线的半极值弦长q和电位梯度曲线的极值点水平间距p，估算球体中心埋深充电球体解释3.椭球体的电流场这是具有普遍意义的地质体模型。设三轴半径分别为：a，b，c。若:a=b=c，为球体；a>>b=c，为圆柱体；a>>

b≠

c，为脉（板）状体。（a）电流场表达式设：坐标原点位于椭球体的中心，x，y，z坐标轴分别与3个半径重合。椭球体表面方程为:充电椭球体求解椭球坐标系的拉普拉斯方程，得出

球外任一点电位：t0为M点的椭球坐标，若M的笛卡尔坐标（x，y，z），则t0为方程

的最大实根。（b）电流场分布规律①平面分布规律由电位式可知：t0=常数，则U=常数。故，等位面方程为：

t0=常数地表电位等值线呈同心椭圆曲线。在椭球体附近，椭圆曲线的长、短轴之比和椭圆率分别为：

与椭球导体的水平截面相近，电位等值线基本上反映了充电椭球体的形状、产状和空间位置。但随着远离充电椭球体，电位等值线趋于圆形。②剖面分布规律

若充电椭球体在地下成轴对称分布，则主剖面上，电位曲线成轴对称正异常分布，椭球体的中心投影点处为极大值，两侧对称减小趋于零。水平椭球体的异常范围比直立椭球体的异常范围大。电位梯度异常呈点对称分布.极值点位于椭球体边界外侧附近。对倾斜分布的充电椭球体，其电位异常呈现非对称分布，倾斜一侧异常曲线变缓，电位梯度曲线在倾斜一侧异常极值幅度变小。不论是对称分布的、还是倾斜分布的充电椭球体，其剖面异常的电位异常曲线的拐点和电位梯度曲线的极值点基本上反映了地下充电体的地面水平投影边界。4.非等位导体的充电电场所谓非等位导体，是指充电导体电阻非零，被充电后，在其内部将产生电位差。从而外电场分布除受围岩介质电性，充电体形状、产状、大小、及充电流强度等因素影响外，还与充电体的电阻率和充电点位置有关。主剖面上的异常特征：（1）充电点在地表投影处，为电位曲线极大值，电位梯度零值点；（2）充电点不对称导体几何形状，非对称导体电位和电位梯度仅与理想导体相似，在充电点处强度最强，随着远离充电点其强度减弱。并在外侧电位曲线变化陡，相应位置处电位梯度曲线出现极大值；内侧电位曲线相对较缓，电位梯度曲线有两个极小值，最外侧的极小值和零点外侧极大值分别大致为充电体的边部地面投影位置。（3）充电体对称，充电位置对称于导体的几何形状充电电流场呈对称分布，并与理想导体条件的电流场分布相近，但其电场分布值和变化率与充电导体的电阻率有关。

强调：若地表不水平，充电体的围岩介质不均匀，会导致充电场的分布复杂化。二、充电法的应用应用条件①研究物体有充电揭露或出露点，以便设置充电点；②充电体视为良导体，一般为：③浅埋、规模大，则效果好，一般勘探深度为充电体延伸长度的一半；④地形起伏小，围岩较均一，各向同性。

2.充电法的观测方法与技术①

工作方法：地表、井中。②观测网布置：垂直导体走向，至少有三条测线出现异常，每条线上至少有5—10个异常点。③观测类型及参数：，分别为电位测量法、追踪等位线法和梯度测量方法。④资料整理与图示a)归一化资料

绘制剖面图，平剖图，平面等值图。

⑤资料解释a）由平面等值图的密集带、剖面图的拐点划定充电体的分布范围；b）利用剖面异常特征点，求取埋深。如梯度曲线：球体水平柱体式中：m为异常曲线弦切距；q为半极值点水平间距。充电球体解释应用领域（1）确定已被部分揭露矿体的地下伸布范围，形状，埋深和产状；（2）确定相邻矿体的连通性及发现已知矿旁的盲矿体(a)是地质队根据钻孔资料编制的

。(b)根据上述充电法成果编绘了电法推断的地质剖面。加密了ZK59孔，钻探表明，根据充电法资料提供的矿体连接关系是正确的。

452线电位梯度曲线及其推断结果

（3）确定地下水流向、流速V=(M1–

M2)/(t2–t1)4.用充电法测试油田压裂施工中的裂隙方法

充电法测试技术在油气田的开发中有较大优势，可直接接触异常体，为提取微弱信号创造了条件。另外，均以井筒为中心开展工作，测量电极是分布在以被测井井口为圆心呈放射状对应的测量环上，而测量环随测量参数的不同与被测井井口之间又有一定距离，故测试资料所反映的信息与通常井点测试资料所反映的信息相比，具有井间监测的含义，它可解决常规测井解决不了的生产实际问题。因此，在油田中得到广泛应用。

这种测试的原理是：在压裂缝施工中，如果所用的工作液相对于地层为一个良导体，即液体电阻率与地层介质的电阻率相比差异较大时，利用被测井套管向地层供以高稳定的电流，这部分液体在地层中即可看成一个场源。

由于它的存在将使原电场（未注工作液前的地面电场）的分布形态发生变化，大部分电流集中到低阻体中，使地层表面的电流密度减小，即造成地面的电位也发生变化。若在被测井周围环形布置多组测点，采用高精度的电位观测系统，观测注入工作液施工前后的地面电位变化，并通过一定的数据处理，就可达到解释推断压裂裂缝(注水扩散)方位的目的。下面以大庆油田采油四厂杏7—2—更24井为例来说明充电法的具体应用。大庆采油四厂杏北油田由于基础井网采油速度较低，于1999年开展了提液试验，将采油速度由原来的0.63％提高到0.66％，取得了一定效果，但又出现了含水上升加快的问题。针对这一情况地质上决定对该区块进行井网细分开采综合治理试验，其中包括对部分注水井进行深部调剖扩大注水波及范围，充分挖掘剩余油潜力的措施。调剖测试结果从图中可看出：注水波及区域很窄，呈现出单点突进趋势，即沿着No.4和No.17方向突进，表现出有大孔道迹象。调试后为该井注入2000m3调剖液时的视纯异常环形图，从图中可以看出：注入水波及范围在近井地带扩大，即注入2000m3调剖剂后有效地堵住了大孔道，改变了地层吸水状况。即从调剖前的单点突进转变为地层吸水面积呈扇形扩大(从No.4点突进转变为向No.3～No.5呈30°范围的扇形波及。从No.17点突进转变为向No.15～No.22多点105°范围的扇形波及)，从宏观上可以看出经过初步调剂，注水效果得到了明显改善。

它是以介质发生电极化现象为物质基础，通过研究稳定自然电流场的分布规律，达到勘查某些目标物的目的一种电法勘探方法。自然电场——在一定地质或地质—地下水动力条件下，不需人工向地下供电，在自然条件下，地中存在的电流场。按其随时间的变化规律，又可分稳定与非稳定电流场，自然电场法研究的是稳定电流场。属于传导类，被动源直流电法。导体周围的自电场§2-2自然电场法一、自然电流场的成因及分布规律地下产生稳定自然电流场的直接原因是地下介质内存在着电极化现象。

所谓电极化是指呈现电中性（正负电荷保持平衡）物质或系统在一定条件下其正、负电荷（电子或离子）产生彼此分离，偏离平衡状态的现象。按其产生极化的机制，可分氧化-还原效应和过滤电动效应，前者产生电子导体自然极化，后者产生离子导体自然极化。氧化还原效应——电子导体自然极化

导体与溶液接触时，由于热运动或化学反应。导体的金属离子式自由电子可能有足够的能量，以致克服晶格间的结合力束缚而越出导体进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性。分别带异性电荷，并在其界面处形成双电层，产生电极电位。

若导体外溶液是均匀的，则界面上的双电层也是均匀而封闭形式分布，故该系统对外仍呈电中性，而不会产生自然电场。若溶液不均匀，界面上的偶电层分布不均匀，则产生极化，系统对外将产生自然电场，在自然电场作用下的电荷流动，将导致不均匀性降低，极化消失。因此，产生稳定自然电流场的条件是：外界条件能保持导体外溶液这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。地下导体产生稳定的自然电场的条件是：基于电子导体被地下潜水面截过，其潜水面上部为大气降雨的渗透带，因靠近地表而含氧量较高，其氧化性强，呈氧化性。相反，潜水面之下含氧量低，相对应那里的水溶液呈还原性。

潜水面上下溶液性质的差异。通过大气降水的循环总能长期保持不断的向地下补充氧气，从而在潜水面上下不同部位的导体上形成了不均匀的双电层，产生了自然极化，在其周围空间产生了“氧化-还原”自然电场。

在地表观测到的为负自然电位异常。2.过滤电动效应——离子导体自然极化离子导体与溶液接触后，在其表面吸附作用下形成双电层，对石英、硫化物、泥质页岩靠近离子导体之侧带阴离子，液体一侧带阳离子（注：石灰岩、白云岩吸附阳离子，液体内呈阴离子）。

在离子导体的裂（孔）隙处，双电离相互之间靠的很近，在液体流动时，扩散带阳离子将被带走。相对而言，此处出现了极化，在水流上游呈现负电位，而下游正离子相对集中呈正电位——电化学称之为流动电位。上述极化过程，如同水流过岩石，岩石颗粒滤掉阳离子，剩下阴离子—称为过滤电场。图4-2-9过滤电场的形成二、

自然极化球体的电场

边值问题设：极坐标原点选在球心。2.地面自然电位表达式

由分离变量法得通解:球内、外电位:利用边值问题求解:式中：解得：3.地面自然电位的分布特征

（1）电流偶极电场特征自然电场的极化源等效为位于球心的电流偶极源，其偶极子的方向与极化轴的方向一致。主剖面自然电位，由y=0有:主剖面上不同倾角时的电位曲线特征①α=90时

电位曲线沿剖面呈轴对称的负异常分布，负极值位于球心在地表的投影点（x=0），其负极值为分析推论：（a）U０与△U０，(r0/h0)2成正比；（b）U0与ρ2/ρ1成反比，故自然电场法对于寻找极化良导体有利。

（c）利用主剖面上的电位曲线半极值弦长q和过拐点切线的弦切距，可估算出球体中心埋深：

h0≈0.65qh0≈0.86m

0<α<900时(a)电位曲线仍以负为主，在极化轴倾斜方向伴有正异常的不对称异常，其不对称性与α成反比；(b)U０与△U０，(r0/h0)2成正比，与ρ2/ρ1成反比。

(c)利用不对称电位曲线两侧的过拐点切线的弦切距平均值，则可利用垂直极化下的球体中心埋深公式估算其近似球体中心埋值。强调：一般为垂直极化现象