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1引言

超導量子干涉儀，本質上是一種將磁通轉化為電壓的磁通傳感器。由于它在微弱磁場探測方面具有極高的靈敏度，因而被廣泛的運用于生物磁測量、大地勘測、無損探傷等領域。現今低溫超導量子干涉儀的磁場靈敏度可達到1fT/Hz1/2量級，而高溫超導量子干涉儀的磁場靈敏度也可達10fT/Hz1/2量級。油氣藏上方巖石中廣泛存在的磁學－地球化學－礦物學異常與烴類微滲漏作用之間的存在一定相互關系。烴滲漏可以通過改變油氣藏上方空間氧化還原條件等造成磁性變化從而在近地表產生磁異常變化。運用微磁測量尋找油氣藏，即通過一定探測手段取得近地表的磁異常數據，而這些磁異常在經過數據處理、分析之后，可以為石油勘探提供一定的相關依據。本文的主要工作是分別對squid的工作原理、發展現狀以及微磁測量尋找油氣藏的原理、方法進行介紹后，分析了SQUID在石油勘探中應用的可行性。

2SQUID的工作原理

SQUID是一種基于超導約瑟夫森效應和磁通量子化現象的磁通傳感器。約瑟夫森效應，是指電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層的量子隧道效應。若通入不超過超導體臨界電流的偏置電流，在隧道位壘兩端將沒有電位降，這就是產生零電位差的直流約瑟夫森效應。若隧道位壘兩端維持一個恒定的零電位差，將有一個交變的超導電流流過位壘，這就是交流約瑟夫森效應［1］。SQUID通常含有一個或更多的約瑟夫森結，這些超導體之間的弱連接可以通過小于臨界電流的超導電流。當含有約瑟夫森結的超導閉合環路通過一定的偏置電流后，會呈現一種宏觀量子干涉的現象，具體的表現為該閉合環路中的磁通量呈周期性變化，其周期為單個磁通量子［2］。因此它的靈敏度非常高。按器件工作時偏置方式的區別，SQUID可以分為直流(DC－SQUID)和射頻(RF－SQUID)兩種。

2．1直流超導量子干涉儀

直流超導量子干涉儀(DC－SQUID)是由兩個約瑟夫森結構成的超導圓環，如圖1所示，兩個約瑟夫森結并聯在電感為L的超導環內。當SQUID的偏置電流I略大于兩個結的臨界電流之和I0時，該器件的阻抗與兩端的電壓均為穿過SQUID環路的外磁通量的周期函數，圖2所示。周期為一個磁通量子。當I超過I0后，在外部磁通量變化時，結兩端的電壓U會以磁通量子產生周期性的變化，通過測量該電壓U來測量出外磁場通過超導環的磁通量的變化［3］。

2．2射頻超導量子干涉儀

射頻超導量子干涉儀(RF－SQUID)的超導環內只有一個約瑟夫森結，如圖3所示。超導環通過互感M與一個LC諧振回路耦合。諧振回路由RF端電流I驅動，其頻率為幾十兆赫到幾千兆赫。回路的有效感抗隨外磁場而改變，進而改變諧振頻率。RF端電壓是磁通的周期函數，周期同樣是一個磁通量子。射頻超導量子干涉儀造價要低一些，靈敏度也相對較低。

3SQUID的發展現狀

SQUID因其高精度的優良性能，在弱磁測量方面有廣泛的運用［4］。在計量測試領域中，低溫SQUID主要用于量子化霍爾電阻基準的測試，而高溫SQUID研制的檢流計，精度也能夠達到10－12A。SQUID磁強計也因其作的心磁圖是封閉的二次信息，反映出的信息更為全面。在大地磁測勘探中，SQUID磁強計比起常規測量儀器，同樣具有更高的測量準確度、更寬的頻帶以及更高的信噪比［5］。SQUID磁強計在低頻段的靈敏度很高，在4K條件下可達1fT/Hz1/2，而且測量量程大，頻帶很寬(0～n×106Hz)，能響應快速變化的磁場。美國QuantumDesign公司生產的SQUID磁學測量系統MPMS(MagneticPropertyMeasurementSystem)已經成為世界公認的頂級測量平臺，廣泛的分布于世界上幾乎所有材料、物理、化學、納米等研究領域尖端的實驗室。該公司基于SQIUD開發出來的MPMS靈敏度可高達10－9emu(工程中常用磁矩單位，1emu=10－3A•m2)，系統的測量溫度范圍在1．9K到400K(另有選件可拓展至0．48K～1000K)，同時設備由超導磁體提供最高到7特斯拉的外加磁場。此系統是由一個基系統及各種測量拓展選件構成的。基系統在功能上主要包含了內置超導磁體、低溫杜瓦、溫控系統、磁場控制系統、MPMS系統中央控制平臺及SQUID探測單元，從而實現在此低溫強磁場平臺上的更多測量功能［6］。QuantumDesign公司目前提供兩個系列的MPMS磁學測量系統:MPMS(SQUID)XL系列和MPMS(SQUID)VSM系列。其中MPMS(SQUID)XL系列是開發比較早且目前使用最為廣泛的SQUID磁學測量系統，而MPMS(SQUID)VSM是2006年QuantumDesign公司在美國物理協會APS年會上的最新設計的基于SQUID磁學測量系統，較前者最大的特點在于具有極高靈敏度的同時又有非常高的測量速度。表1是二者關于磁學參數的簡要比較。

4石油勘探的主要方法

石油勘探主要是指為了尋找和查明油氣的資源，利用各種勘探手段來了解地下地質狀況，更為全面的認識生油、儲油等一系列條件，從而得以綜合分析含油氣遠景，最終確定油氣聚集的有利地區、找到油氣田的工作過程。在尋找油氣田的過程中，不同的地區、不同的地質條件、不同類型的油氣田采用的勘探找油方法是不盡相同的。在非磁測的勘探方法中，主要包括重力勘探、電法勘探、地震反射法和地震折射法等［7］。這些方法均主要用于了解地殼深部結構和基底表面起伏，從而劃分區域構造單元繼而為尋找油氣提供一定有利信息。目前磁測在油田勘探中的運用主要是依據地下油氣藏的存在而引起微磁異常的特性，通過一些手段測量地表的磁異常，然后根據相關異常數據進行綜合分析，為石油勘探提供一定相關性信息。研究結果表明:油氣藏上方巖石中廣泛的存在磁學－地球化學－礦物學異常與烴類微滲漏作用之間的關系。烴滲漏可以通過改變油氣藏上方空間氧化還原條件等造成磁性變化從而在近地表產生磁異常變化。而這些磁異常在經過數據處理之后，可以提供微磁異常與油氣藏之間高度的相關性［8］。依據磁性參量的測量結果，利用各種合理的數學物理模型，計算他們在近地表空間產生的磁異常。現今進行地表磁異常測量主要有兩種方法，分別是:(1)直接進行航磁測量對各含油氣盆地進行一定比例尺的航空磁測，綜合由遙感技術中發展起來的計算機圖像顯示與處理技術的研究，還原所測地帶的區域磁異常等磁性信息。(2)對地表淺層土壤及沉積蓋層中的巖石樣品磁性特征綜合分析此時的研究對象主要是地表近地表的土壤、沉積蓋層中的巖石樣品。對土壤進行磁化率、磁滯回線、居里點測量，對巖石進行重礦物分析、X射線等一系列分析，利用各種合理的數學物理模型，計算它們在近地表空間產生的磁異常，為找油提供可靠的理論基礎與方法技術。

5SQUID的石油勘探中的應用

5．1航磁測量航磁測量，即航空磁力測量，主要方法是將航空磁力儀及其相關的輔助設備裝載在飛行器上，然后再測量地區的上空按照事先設定完備的測線和高度對地磁場強度或梯度進行地球物理測量。它的優點在于不受地面水域、沼澤、高山等地理條件的限制，亦可減弱地表磁性不均勻體的影響。對各含油氣盆地進行一定比例尺的航空磁測，再綜合由遙感技術中發展起來的計算機圖像顯示與處理技術的研究，可以還原所測地帶的區域磁異常等磁性信息。此過程即為航磁測量技術在油氣勘探方面的應用。對于用SQUID來進行磁法勘探，國外有類似的研究［9－10］。19世紀60年代，我國已經利用自行研發的數碼式核子旋進航空磁力儀(靈敏度為0．3nT)完成了大陸上各主要油氣盆地的1∶100萬航空磁測工作和相當數量的1∶20萬航空磁測工作。并在80年代末完成全國主要油氣盆地的1∶20萬航空磁測工作。這些工作的完成，標志著我國石油航空磁測工作一個歷史階段的結束［11］。磁測儀器記錄系統由開始的單純模擬記錄逐步采用磁帶數字記錄，且開展和使用了計算機圖像顯示與處理技術。對于航空磁力儀來說，80年代末使用的HC－85型光泵磁力儀(顯示精度為0．1nT，甚至可達到0．01nT)能夠滿足我國面積廣大弱磁場中各種比例尺航空磁測工作［12］。因此在此層面上可以考慮利用SQUID在航空磁測的運用。

5．2土壤、巖石磁性分析

利用對地表淺層土壤及沉積蓋層中的巖石樣品磁性特征進行綜合分析，主要是通過分析配套樣品的磁學、礦物學以及地球化學的參量并利用它們的變異特征，再次結合區域石油地質背景，來綜合分析并評價油氣藏在地底深部的分布［13］。其主要目的也是依據磁性參量，利用各種合理的數學物理模型計算出近地表空間產生的磁異常。此種方法較于航磁測量來說受外界環境影響較小。對土壤磁性特征的分析，主要是測量土壤的磁化率、磁滯回線參數以及居里點。其中樣品土壤磁化率表明樣品在磁化場中獲得磁化強度的能力，它的數量級在10－6SI。磁滯回線及其參量主要指樣品的磁化強度隨磁化場變化的一條封閉曲線，包含豐富的地質信息。目前主要使用的兩類儀器為:(1)美國LDJ公司生產的LDJ－9500型振動樣品磁強計，儀器的磁感應強度與磁場測量精度均為1%，靈敏度為0．1A/m，最大外加場1．2T。(2)日本株式會社玉川制作所生產的TM－VSM2050型振動樣品磁強計，儀器靈敏度為2×10－2A/m，精度≤±1%，最大外加場為2．6T。我國運用此方法在油田區域尋找油氣藏已經積累了相當多的經驗。例如，在對鄂爾多斯盆地大型含油氣盆地地表巖石土壤進行磁性分析過程中，勘探隊在盆地南部黃土區元城油田進行分析時，在均為黃土、巖性單一的地面覆蓋層發現厚度相差很大。采取樣品時，取樣深度在1．5～2．0m，面積為88km2。共取得樣品180個。經過對土壤磁化率測量，繪制土壤磁化率平面等值線圖后發現幾個明顯局部高磁性異常區域。經過一系列數據處理及分析，可以進而得到更為清晰顯示環狀磁性異常分布的剩余磁性異常圖［14］。此類磁異常強度較小，一般在nT級次。因此在磁測量儀器的精度上也需要精益求精。綜上所述，盡管超導量子干涉儀磁強計不能像其他磁強計那樣在掃場的過程中進行測量，限制了它的測量速度，測一條磁滯回線大約需要一個半小時;而由于它的靈敏度高、可靠性以及重復性非常好的特性，并且可以在微量樣品或弱磁性測量領域有很強的優越性，因此可以考慮其在石油勘探中的運用。

5．3應用分析

在諸多已經進行航磁測量分析的文獻中談到，對已經進行磁測的數據結果，我們缺少的主要是解釋與分析的深度。正如上文已經提到，我國在60年代就已經完成了大陸上各主要油氣盆地的1∶100萬航空磁測工作和相當數量的1∶20萬航空磁測工作，并在80年代末完成全國主要油氣盆地的1∶20萬航空磁測工作。因此在磁性測量的方面基本不存在過大的難題，重點就在于對這些測量的數據進行分析、處理并通過一定手段找到它們與油氣藏存在的對應關系。而如果對航空磁測結果不深入分析研究，反復重測、過分強調精度和數字收錄的價值是沒有意義的。因此盡管SQUID在航空磁測的過程中能夠提供一定的高精度、高靈敏度等優良特性，然而在石油勘探上來講，我們現有的設備已經能夠滿足各種比例尺磁測的要求，剩余主要工作是在于對航磁結果的數據處理并結合各不同的盆地地質進行深刻分析。不同的數據處理方法以及不同的地理分析都會對結果產生很大的影響。況且，航磁測量也只能客觀反映近地表面地磁的一些基本信息，而地磁信息還受外界各種環境因素所干擾，并不能完全反映地質下真實情況。對于尋找油氣藏來說，這些數據也只能幫助我們對地質構造有一定的認識，一定程度上圈定凹陷地帶，也即成油的可能性地帶。即缺少確切的證明條件。與航磁方案分析的結果類似，在對油氣田周圍的土壤、巖石進行磁性測量并分析時，我們所需要的是測量土壤的磁化率、磁滯回線參數以及居里點。如上文所述，現有的磁強計精度可以達到繪制土壤磁化率平面等值線圖及顯示環狀磁性異常分布的剩余磁性異常圖的要求，基于SQUID的磁強計固然擁有提高測量精度、靈敏度等優點，在數據的綜合分析上并不占明顯優勢，在此時的主要分析任務仍然是:(1)對于土壤磁性及巖石參量的綜合分析，大量的數據處理，繪制出高精度磁測測線分布圖(一般磁測精度在1∶50000)以及運用各種濾波手段提取出高磁剩余異常分布圖(異常值介于－1．5～+1．5nT之間)。(2)通過這些資料再對比、分析高磁剩余異常特征與油井及干井分布特征，兩者之間呈現出一定的規律與油井具有一定的相關性。資料顯示:高頻、低幅度、高值異常帶以及高值環帶包圍低值區塊的環帶異常與油氣藏有較好對應關系。此項任務對于整個過程至關重要。而且鑒于SQUID磁強計造價較普通磁強計高昂，適用環境要求更為嚴格，其測量精度高的優點未能完全掩蓋在石油勘探中的不足，也未能解決尋找油氣藏的根本性難題。因此就其綜合價值而言，SQUID磁強計目前而言運用于油田找油的可行性不大。

6結論

SQUID以其高精度、高靈敏度的磁測性能正在逐漸成為弱磁領域中有效的測量手段，亦可為石油勘探取得相關弱磁信息，從而更準確的尋找油氣藏。因此它在油田勘探上是有一定的應用價值的。然而經過對石油尋找油氣藏方面的研究發現，盡管SQUID能夠一定程度上提高油田地區磁測精度并在低頻段優勢明顯，卻未能解決油田勘探中最為核心與關鍵的磁測數據處理分析與油氣藏對應問題。另外，鑒于SQUID價格高昂并且在使用過程中需要低溫冷卻設備、地磁屏蔽等一系列嚴格要求，綜合分析來看在目前運用到油田領域尋找油氣藏的價值不大。隨著目前對于SQUID的不斷研究發展來看，高溫SQUID的研究不斷取得進展［15］(使用液氮的高溫SQUID磁強計日臻成熟)、多種數據處理研究及算法改進也逐漸能消除一定的外界環境產生的磁測影響(M．BICK等人提出的頻率自適應決定電子梯度計系數的方法取得較好效果)等，SQUID在今后的發展中是能夠在石油勘探領域取得一定成效并具有應用前景的。但是，對于測量之后的數據處理及分析等一系列工作也是極為關鍵的課題。

作者：周奧波 石晶 許君 周曉 任麗 李敬東 唐躍進 單位：強電磁工程與新技術國家重點實驗室( 華中科技大學)