马特·霍尔：地震勘探方法涉及人工产生“地震波”

在所有月球化学钻探方式中，水灾钻探无疑是最重要的技术，由于它才能测量大尺度到小尺度的地下特点。简单地说，水灾钻探方式涉及人工形成“地震波”，借助精密仪器采集通过月球传播反射回去的数据，经过计算机处理、成像和解释，来恐怕月球地下土层的形状和数学特点。马特·霍尔在一篇博客中说：“有没有像水灾反射法一样看似不可能、一样困难、一样神奇的遥感技术？好吧，其实是中微子断层扫描。但无论怎样应用地球物理学，水灾技术对社会作出了巨大贡献——帮助我们发觉和描述碳溴化合物资源、含水层、地热异常、海底水灾等等。”（参考资料[1]）

日本石油工程师商会（SPE）网站提供的《石油技术史》（参考资料[2]），从“1848年7月14日世界第一口油井——阿列夫耶夫上校在俄罗斯的阿塞拜疆，使用起源于中国唐代的原始线缆工具钻井技术，钻出了世界上第一口油井”开始，介绍石油技术创新，有关水灾钻探的介绍则是从1970年起，摘记如下： #

1970年：水灾技术——亮点水灾技术用于评估澳大利亚湾租赁销售（美孚、美孚）提供的区域。 #

1982年：三维水灾——三维水灾处理开始()。 #

1991年：三维水灾模型——在超级计算机工作站处理的3D水灾模型。

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1994年：四维水灾检测——首次执行四维水灾延时检测(CGG)。 #

2000年：海洋水灾——首次使用单传感、校准源和可操纵拖缆()进行海洋水灾采集。

的确，只有在20世纪70年代之后，因为现代高性能计算机在水灾数据处理和成像中应用，水灾技术才开始真正成为石油和天然气钻探的主要工具。并且，实际上，水灾钻探技术的发展，起码可以溯源到20世纪20年代，也就是说，有百年发展历史。

这篇博客介绍100年前水灾钻探的先驱，简略回顾百年来水灾技术创新。在第一次世界大战期间，声学作为一种遥感方式出现了。战后，有进取心的科学家们开始找寻该技术的商业应用。其中，卢杰·明特罗普被觉得是初期商业水灾方式的发明者，该方式用于钻探碳溴化合物和矿物，并于1919年获得专利。约翰·克拉伦斯·卡彻被觉得是反射水灾方式的发明者，并在1929年递交了第一项反射方式的专利的申请。

卢杰·明特罗普 #

卢杰·明特罗普（，1880.7.18-1956.1.1），美国检测工作者、采矿工程师和月球化学学家，是亚洲最早提倡将水灾技术应用于采矿业的科学家。 #

图1明特罗普

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明特罗普出生在埃森附近，在德累斯顿学习煤矿检测，此后赶赴哥廷根，埃米尔·维切特（Emil）一起工作，前者是对月球化学学作为一门独立学科的发展作出了巨大贡献的科学家。1911年明特罗普获得博士学位，其论文主题为“人工形成的地面震动”。之后，他成为多特蒙德矿业大学的讲师，并开发了一种便携式水灾仪，他用它来呈现可用于地质和采矿的水灾方式。

第一次世界大战期间，明特罗普先在飞艇部门兼任化学学家，后来在陆军控制委员会兼任化学学家。明特罗普把他的便携式水灾仪，用于快速确切地确定敌人的战火位置。

1917年，那还是在战争期间，明特罗普申请了光场地震仪（“振动计，一种确定人工震动位置的现场水灾仪”）和确定人工形成的震动位置的技术的专利。1919年12月7日，他申请了关于水灾“地层结构调查方式”的知名专利。明特罗普被觉得是用于钻探碳溴化合物和矿物的初期商业水灾方式的发明者，该方式首先在美国用于定位盐丘，之后是法国内外的石油、天然气和矿石。

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1921年，明特罗普成立了专门从事月球化学铜矿研究的“GmbH”公司，并成功地服务于世界许多地方的石油公司。1924年在得克萨斯州借助水灾技术获得了有史以来第一个小型石油发觉。明特罗普的声誉在1924年6月达到顶峰，当时水灾小组在佛罗里达州本德堡县发觉了知名的含有石油的盐丘。这一发觉标志着新的水灾方式开始代替不太精确的磁力和重力检测系统。 #

在日本以及亚洲、拉丁欧洲和美洲，与许多石油和采矿公司的协议进行了广泛的工作。到1930年，法国湾沿岸的大部份浅穹顶早已被发觉。同年，为了嘉奖他在月球化学学方面的突破性成果，明特罗普被选为新组建的钻探月球化学学家商会的第一位荣誉会员。1934年，进行了自我重组，并开始提供另一种更有前途的余震技术——反射水灾。这标志着应用水灾学在找寻油层方面取得成功的开始。

图2明特罗普水灾图及其解释 #

在他的企业经历期间，明特罗普于1928年至1945年被委任为布雷斯劳学院月球数学学和煤矿钻探院士，并于1946年至1948年被委任为德累斯顿工业学院院长。1955年9月9日，他获得了法兰西联邦共和国首相西奥多·赫斯(Heuss)颁授的法兰西联邦共和国战功勋章。1963年在法兰克福的公司与公司（于1937年3月23日在柏林创立）合并，组成-公司，旨在于在陆地、空中和海上月球化学钻探。 #

明特罗普被觉得是应用月球化学学的先驱之一。他为测井作出两项贡献：首先是具有高精度的光场仪器（其实是相对而言的）；其次是明天被称为折射水灾的技术。明特罗普了解这些珠状波或“间接波”的性质和传播路径——正如他所说的那样——我们明天的月球化学学家将其称为明特罗普波，使用时间-距离图，走时曲线。他估算了折射层的深度和路线。 #

月球化学学科的初期化学学家几乎没有应用地质学的概念应用地球物理学，而关注月球化学问题的初期地质学家对于工作仪器及其使用几乎毫无所知。明特罗普的情况则不同。他对地质的理解是完善和充分的，同时他对化学学有足够的理解，可以制做仪器（水灾仪），这将有助于解决采矿和地质问题。明特罗普在化学和地质原理方面都具备良好的跨学科基础，因而有很大的机会在石油发觉方面有所作为，成为石油和天然气研究中应用月球化学方式的先驱和领先的营运商。

约翰·卡彻 #

水灾钻探技术分为折射法和反射法。初期应用的是折射法，但很快就被反射法所取代。日本俄克拉荷马州历史学会觉得，反射水灾钻探应当归功于法国标准局的雇员约翰·克拉伦斯·卡彻（John，1894-1978），其设计可以溯源到1917年。 #

卡彻1916年在俄克拉荷马学院获得化学和电气工程学士学位。1917年6月，卡彻接受了德国标准局的助理化学学家职位。他的任务是设计和制造一种设备，该设备通过使用空气中的声波来测量和记录野战火箭炮枪口的爆燃声。作为这项研究的结果，反射水灾仪应运而生。回到宾夕法尼亚学院后不久，卡彻博士开始研究使用水灾反射法确定硬岩层深度的看法。1919年4月12日—卡彻在芝加哥特区的国家标准局（现为NIST）附近记录了第一个钻探水灾仪记录。1920年，卡彻获得宾夕法尼亚学院化学学博士学位。在完成博士学位期间，他与两位前任院长一起成立了地质工程公司，这是第一家将这一概念商业化的公司。1919年到1920年——卡彻继续他的实验。 #

1921年，科学家们选择俄克拉荷马州的阿尔布克尔山脉测试一项新技术——反射水灾勘察。参考资料[1]提供了一个时间表，列出卡彻和俄克拉荷马学院的克拉伦斯·卡彻（化学学家）、威廉·哈斯曼（化学学家）、欧文·佩林（地质学家）、威廉·凯特（地质学家）和后来的丹尼尔·奥赫恩（地质学家）——进行了以下实验： #

1921年4月—卡彻在芝加哥特区的国家标准局工作期间，设计和制造了用于记录余震反射的设备。

1921年6月4日——在俄克拉荷马城贝尔岛，使用雷管源对反射水灾仪进行了首次现场测试。6月6日至7月初——以不同的偏斜和宽度获得了各类剖面。

1921年7月14日——在阿巴克尔山脉进行测试。卡彻、哈斯曼、欧亨和佩林的团队确定了亨顿（）石灰岩、西尔万（）页岩和维奥拉（Viola）石灰岩的速率。

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1921年8月下旬——根据俄克拉荷马州I-35上的一块记念匾额（图3），世界上第一台反射水灾仪地质剖面于1921年8月9日在多尔蒂以北几英里的地方“勘测了世界上第一个反射水灾仪地质剖面”。该匾额宣称是8月9日，但也有8月5日的记录。记录并观察到维奥拉石灰岩的深度随地质结构而变化。 #

1921年9月1日——卡彻、哈斯曼、和雷克斯·瑞恩（地质学家）在庞卡市附近的纽柯克背斜进行实验。 #

1921年9月13日——马兰石油公司的水灾钻探开始，并持续到10月。成功虽然喜忧参半。

图32023年8月反射水灾勘察试验记念牌（左），当初水灾反射法发明者赖安、卡彻和哈斯曼在现场 #

1928年卡彻研发成功全套武器，并创立了第一支反射水灾队，开始商业化应用。1928年12月，反射水灾仪发觉的第一口油井竣工（该发觉井由俄克拉荷马州公司的工作人员勘探的）。 #

1929年5月1日，第一个反射水灾专利，日本专利号，由约翰·克拉伦斯·卡彻提出（图4）。该专利说：“本发明涉及用于确定地表下地质构造位置和深度的方式和设备，尤其是那些地下构造中地质下摆的确定。本发明在背斜、断层和其他有利构造的位置有特殊应用与石油的集聚有关。”

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图41929年5月1日，第一个反射水灾专利

1930年卡彻创立自己的测井公司Inc.（GSI）。1933年用反射法发觉了一个大的天然气及凝析气田，然后又相继发觉好几个油田。因为反射法比折射法优越，加之仪器的不断改进，1933年因日本经济大潇条，GSI公司业务不景气，卡彻的助手亨利·萨尔瓦托里（Henry）从GSI公司分离下来，并自办了Co.。这就是后来成为全球最大的测井公司——西方月球化学公司。1937年在德国就有250个反射法水灾队。

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卡彻博士是钻探月球化学学家商会的前任主席和荣誉终生会员。自1928年以来，卡彻仍然是俄罗斯矿业工程师商会（AIME）的成员。1976年，“因为他在开发反射水灾仪方面的开创性努力造成发觉了世界石油储量的主要贡献，”获得AIMEF.Lucas银奖。 #

水灾钻探技术创新

在卢杰·明特罗普和约翰·克拉伦斯·卡彻发明水灾钻探方式半个世纪后，水灾钻探技术成为石油和天然气钻探的主要工具。这首先归功于20世纪60年代数字革命深刻地改变了水灾采集。之后，我们就能通过降低通道数目和覆盖范围，来记录更多数据。数字革命带来了使用数字计算机来剖析记录数据的需求。这发生在20世纪70年代。许多数据处理算法，包括反频域、速度剖析、折射和残余静校准、正时差校准和叠加，甚至波动多项式偏斜成像，都是在这些年实现的。20世纪70年代之后，因为具备了数据（野外数字记录）、算法（处理成像方式）、算力（高性能计算机）三方面基础，水灾技术得以在油气钻探中发挥越来越大作用。

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如下简略列出水灾行业发展若干里程碑：20世纪60年代——从模拟记录到数字记录；20世纪70年代——数字计算机水灾数据处理；20世纪80年代——从二维钻探到三维钻探；20世纪90年代——从时间域成像到深度成像；21世纪00年代——从三维钻探到四维信噪比水灾油层检测；21世纪10年代——从四维到四维四份量水灾；21世纪20年代——智能数据采集、处理和解释。

新中国的第一个水灾队是1949年6月由我国知名月球化学学家翁文波先生设立的，使用一台英制轻便24道光点水灾仪，在北京闵行黄村做水灾钻探试验（水灾队工程师有孟尔盛等）。20世纪60年代中，水灾采集采用模拟磁带记录代替光点技术。1973年10月，石油测井局开始应用上海学院研发的我国第一台集成电路百万次150计算机，将水灾反射的模拟磁带记录的讯号转化为数字讯号，进行混频和去假频，动校准叠加，提高有效讯号。1974年4月2日，150计算机成功处理了我国南海第一条借助数字强震仪器采集的数字强震剖面，促使开创了我国水灾钻探数字化（对此，马在田教授在《学海回望》中以前给与高度评价，说是“取得具有相当难度的、具有前沿性的科技成果。由于不仅日本和西方几个发达国家才有这些技术，南斯拉夫当时也未有”）。1974年，李庆忠组织了世界上第一片束状三维水灾钻探，1980年代早期马在田创造性地提出了高阶多项式分裂偏斜成像方式。（后来李庆忠和马在田分别连任中国工程院和中国科大学教授）。现今中国石油集团东方月球化学公司，以水灾方式钻探油气资源作为核心业务，早已成为全球最大测井公司之一。 #

百年来，借助水灾技术发觉世界上最大的石油和天然气田，其中许多油田蕴涵着数十亿桶石油和数万亿立方公尺的天然气。

参考资料：

[1]MattHall.100yearsof.09,2023

[2]石油工程师商会（SPE）网站：）

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[3]F.(2023).,andWiki.[]: #

[4]钻探月球化学商会网站TheSEGWiki： #