浅谈石油井下地震仪器技术.pdf

2 0 1 0年第 2 4卷第 3期 石油仪器 PE T R 0L E UM I NS TR UME N r S 2 3 仪器设备 浅谈石油井下地震仪器技术 雷小青 潘 中印 马启晓 1 ． 贵州大学职业技术学院贵州 贵阳 2 ． 东方地球物理公司西安物探装备分公司陕西 西安 摘 要垂直地震剖面 V S P 勘探方法在我国使用已有近 2 0年的历史， 由于勘探设备的限制和对其方法应用认识不 足 ， 还是从勘探设备及 应用方法发展 的缓慢 ， 都大大滞后于地面勘探设备的发展 。近几年 来， 随着 电子工业的 飞速发 展 ， 井下勘探有了很大的进步， 勘探方法也呈现多样化， V S P仪器从最初笨重的单级模拟传输逐步发展到今天的多级数字传 输 ， V S P方法从 最初 简单的求速度到今 天的二雏 以及 三维 高分辨率成像勘探 。文章对近年 来 V S P采集技 术进行 了总 结 分析， 并在此基础上提 出了多级数字 V S P采集仪器设计思路。 关 键 词 石 油；地震 ； 采 集技 术 中图法分类号 P 6 3 1 ． 4 3文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 4 ． 9 1 3 4 2 0 1 0 0 3 0 0 2 3 0 3 0 引 言 地震勘探的重点将进一步向增大勘探深度和高精 度、 高分辨率勘探方 向发展 ， 主要体现在两个方面 第 一 ，物探新方法、 新技术的应用 如多波勘探 、 开发地震 时移地震 、 垂 直地 震剖面 V S P 、 井 间地 震 、 井地 联合 3 D勘探和随钻勘探等 ； 第二 ， 水陆过度等复杂地 区的 联合勘探 。油气田开发过程中面临的核心问题是提高 采收率， 要提高采收率就要 解决较小尺度的非均质性 问题。 目前 ， 地面地震资料的分辨率有限 ， 无法有效解 决这样 的地质问题 。在新 的勘探 区域越来越小 ， 勘探 费用不断上升 ， 寻找新储量越来越困难的情况下 ， 如何 充分利用现有储量 ， 提高采 收率是油气 开采 面临的严 峻课题 。 1 多级数 字 VS P采集技术 2 O世纪 9 0年代初开始的 VS P勘 探 ， 使波受近地 表层 的影响由双程变成单程 ， 使分辩率大大提高。和 地面地震相 比，3 DV S P具有更 高的信噪 比和分辨 率 ， 能提供高质量的多波数据体 、 准确的三维速度场及 深度域成像 ； 可以有效降低时间 一深度的不确定性 ， 帮 助量化各向异性， 准确检测裂隙分布， 进行含油气预 测 ， 降低多解性。资料表 明 老油 田仍然有着 6 0 ％以 上的石油储量在现有技术条件下难以开采出来 。传统 的依靠注水驱油增产不仅难 以凑效 ， 而且可能破坏 油 藏特性 。 1 ． 1 国内外数字 V S P仪器 系统现状【 1 J 目前 ， V S P和井间地震仪器分为两大类 井下模拟 多极 V S P系统 井下检波器采用单分量 压电 、 3 、 4分 量动圈检 波器 ， 最大 级数 1 6 0极 ； 和井下数 字 多级 V S P系统 井下检波器采用 3 、 4分量动圈检波器 ， 最 大级数 3 2极 。国内外 V S P仪器 生产 厂家主要 有英 国 A V A L O N 公 司、美 国G E O S P A C E 公 司、法 国 S E R C E L公司和原中国西安石油勘探仪器总厂生产的 V S P仪器系统技术特点对 比见表 1 。英 国 A V A L O N公 司 V S P仪器最大级数可达 3 2级 ， 但使用 3 2级数时采 样率只能达到 4 m s ， 这在 目前 V S P勘探中不 能使用。 美国 G E O S P A C E公司 V S P产 品的一个显著 的优点就 在于下井电缆采用了铠装光缆 ， 使得长线 7 0 0 0 i n 传 输的速率高达 1 2 ． 5 Mb ／ s ， 1 ／ 4 m s采样 时实 时可达到 3 2级 ， 从根本上解决 了井下仪器数传率低 的问题 ， 为 井 下 仪 器 级 数 的 扩 展 打 下 了坚 实 的基 础。法 国 S E R C E L公司 V S P产品在国内销售最多 ， 也是唯一在 国内使用过的多级数字 V S P仪器 ， 国内用户一般使用 四级下井。为 了提高数传输率 ， S E R C E L已开始使用 铠装光缆 。美 国 T O MO S E I S公司 2 0 0 3年首先将压电 检波器阵列用于了 V S P和井间地震勘探 ， 其最大 的优 点在于去掉了烦琐笨重 、 技术难度较大的井下推靠系 统 ， 极大地提高了生产效率 。 此外 ， 随钻V S P 技术 正在兴起发展 ， 即以钻头震 第一作者简介 雷小青 ， 女 ， 1 9 7 1 年生 ， 实验师 ， 贵州大学职业技 术学院毕业 ， 现为贵州大学通信与信息工程在职硕士。邮编 5 5 0 0 0 3 石油仪器 P E T R O L E U M I N S T R U ME N T S 2 0 1 0年 0 6 月 表 1 国内外 VS P仪器 系统对 比表 动作为震源 ， 在地面进行逆 向 V S P观测 ， 信号经计算 机处理和解释后 ， 预测钻头前方的地层情况 。国外随 钻井下仪器设计有 3个加速度传感器 和 1个水听器 ， 数据以 1 m s 采样 ， 从钻头传输到地面仪器。 综上所述 ， 提高 V S P采集仪器的系统采样率 例 如 1 ／ 1 6 m s 、 增大井中系统级数和采用光缆实时数据 传输代表了 V S P 、 井中仪器的发展方向。 1 ． 2 多级数字 VS P关键技术【 、 3 j 通常， V S P仪器系统 由地面仪器 、 井下仪器和辅助 设备组成。如图 1 所示 。 图 1 VS P系 统组 成 框 图 再进行井中地震数据采集时， 用测井电缆绞车将 井下接收器系统 井下仪器 送达到井 中的设计深度 ； 由地面仪器通过震源同步系统启动震源， 激发地震波 ； 地震波通过地层传播 ， 以直达波和反射波等不同方式 先后被井 中的多级井下接收器接收， 完成数据采集 ， 并 将数据通过电缆上传到地面仪器记录； 通过多次重复 采集和不断改变井下接收器的深度 ， 所获得的数据即 可进行井中垂直地震剖面处理解释。 多级数字 V S P仪器 系统要 在高 、 高压 的井下工 作， 因此 ， 其仪器设计和制造 的设计关键技术主要包 括 1 井下高温高压数据采集和 2 4位 A D C技术； 2 7 0 0 0 m长距离高速数据传输技术 以及供电技 术 ； 3 级间多芯铠装 电缆的密封设计 以及多级机械 推靠设计及可靠性技术 ； 4 采集站同步采集“ 时断” T． B一致性技术； 分述如下。 1 ． 2 ． 1 地面仪器 中心站 地面仪器主要包括工控机与井下数传接 口技术、 辅助道采集技术 、 以及 系统应用软件 ， 即人机界面软 件； 数据采集、 处理 、 显示、 存储 记录 、 打印 绘图 软 件 ； 推靠 、 电源控制软件 ； 质量控制软件等。 多级数字 V S P系统可采用面向对象的理念架构 ， 用 V C “ 6 ． 0进行编程。因其具有以下特点 采用面向对象及模块化设计 ， 具有 良好 的继承性 和扩展性 ； 简捷 、 实用 、 友好的用户界面 ； 具有极性反转和单站 3分量道数据交换 的功能； 具有数据抽道能力； 能进行数据波形 、 测试报表的打印输出， 支持多种 打印机 、 绘图仪 ； 能进行数据的 S E GY格式存储 ， 支持硬盘、 光盘 存储介质。 1 ． 2 ． 2井下仪 器 井下仪器主要包括 高温、 高压数据采集站 、 多级 机械推靠系统设计及可靠性设计 、 采集站长距离直流 供电技术的研制 、 7 0 0 0 m高速数据传输方法 的研制 、 级间多芯铠装电缆的密封设计和高温检波器的设计。 一 般地， 井下采集仪器主要技术指标要求如下 温度 不低于 1 5 0 o C 压力 不低 于 1 0 0 MP a 推靠力 不低于 6 0 k g 传输方式 数字 ； 传输率 不低于 3 2 0 k b ／ s A／ D 2 4 b i t 采样率 1 ／ 4 m s 、 1 ／ 2 m s 、 1 m s 、 2 m s 动态范围 1 1 0 d B 2 0 1 0年第 2 4卷第 3期 雷小青等 浅谈石油井下地震仪器技术 2 5 2 井下高温高压三分量采集部设计 可采用先进 的 D S P 2 8 1 2作为主控制芯片 ， 采用最 新型 的地震采集 A ／ D芯 片 C S 5 3 7 2 ， 并采用 电子降温 技术 。D S P 2 8 1 2具有以下优点 由于其运算速度高 ， 并 且内部运算达 3 2位 ， 这样就使得在井下 相关运算 、 数 据压缩运算 以及数字滤波等工作的时间大大减小 ； 对 外寻址范围大 ， 使得六道数据的缓存 以及相关标准信 号的缓存成为可能 ； 对外接 口控制脚多可达 5 6个 ， 这 样外围电路大大简化 一些译码器 、 锁存 器都 可 以省 去 ； 内部有 1 2 8 K1 6 R O M， 可省去外 围 R O M， 不但可 以降低成本 ， 而且 电路的稳定性大大增加 ； 自身带有单 端 1 6通道 、 差分 8 通道的 1 2位 A ／ D， 这为井下辅助道 的采集带来很大的方便 ； 高温芯片的价格很便宜。 C S 5 3 7 2 A ／ D是 C I R R U S公 司专 门为地震 勘探 生 产的一种高动态范 围的 A ／ D芯 片， 其 特点有 动态范 围 S N R 1 2 4 d B 4 1 1 H z 带宽 ，1 2 1 d B 8 2 2 H z 带宽 ； 较低的谐波失真 T H D 一1 1 8 d B ； 较低 功 耗 正 常使 用 2 5 m W／ c h ， 低 电 方 式 1 5 mW ／c h； 一 个芯片可管理两道数据采集。 这种 A ／ D转换器 的最大优点在于它有非常理想 的外围专用配套器件 ， 比如数字滤波器 C S 5 3 7 6 、 差分 放大器 、 测试 D A C等 ， 这样 ， 采集前放 的设计就会非 常 简 单 、 合 理。 另 外，这 种 器 件 的 过 采 样 率 可 达 5 1 2 k b ／ s ， 较 以前采用 的 C S 5 3 2 1 提 高了一倍 ， 相应 的 采集精度大大提高。 3 井下三分量高温检波器 三分量地震加速度传感器将多分量勘探中产生 的 加速度地震波转换为电信号输 出， 经后续解释处理获 得油气储藏的分布 ， 因此三分量地震加速度传感器是 多波多分量地震勘探工程 中重要的一环。三分量光纤 加速度传感器的共振频率为 3 5 0 0 H z ， 在频率小于 3 0 0 0 Hz 的频带范围内有较好的线性频响特性 ， 同时由 于采用双弹簧的弹性系统 ， 提高 了加速度传感器 的抗 横 向谐振性 ， 其交叉轴灵敏度远小于主轴灵敏度 ， 其横 向灵敏度系数为 0 ． 1 1， 满足 了三维加速度检测 的要 求。因此 ， 光纤加速度传感器应用于井下地震仪器成 为了可 能 4 低损耗 的供 电系统 井下供 电都要经过七千米 的铠装电缆。由于每芯 电缆的直流电阻多达 2 0 0多欧 ， 假若井下用 电的电流 为 I ， 则 电缆上 的损耗压降为 V i _I R2 0 0 1 。为了减 少电缆上的损耗 ， 一方面用多芯线并接向下供电， 由于 电缆芯数 的限制 ， 并接是有限的； 另一方面在设计 时， 把每一级 D CD C转换的入 口电压提高。 通常所用 的 D CD C转换 的人 口电压 比较低 ， 在 1 2 V～6 0 V D C之间， 井下每级的功率一定 ， 入 口电压 低 ， 电流就会大 ， 电缆上的损耗就会加大。把电压提高 了一倍多， 这样电流相应就会减少一倍多 ， 损耗 W R 按平方倍数减小。 5 可靠的安全保护 电路 仪器在井下安全是第一位的， 尤其是 随着级数的 增多 ， 安全措施更是第一位。为 了保证仪器在 出现故 障后能安全收回， 除了用传统的安全销剪切手段外 ， 可 考虑从 电路上增加安全回收保障系统设计 。 长线数传系统 当采用 7 0 0 0 m 电缆作数传 电缆 时 ， 数传速率不 应低于 3 2 0 k b ／ s 。另外 ， 可考虑采用 “ 光缆” 数传电缆作为长线数据传输使用。 6 结束语 提高 V S P采集 仪 器 的系 统采 样 率 例 如 1 ／ 1 6 m s 、 增大井中系统级数和采用光缆实时数据传输代 表 了 V S P 、 井中仪器的发展方向。数字多级 V S P仪器 设计需要合理地解决高采样率与多级数之 间的矛盾 ， 一 要采用光缆” 数传 电缆 ； 二降低井下采集的功耗， 使 以后更多级数井下供 电的矛盾得以解决 ； 此外 ， 需要使 井下采集部件具有可靠 的安全措施 ， 当井下采集站损 坏后 ， 地面也可强行 给电机加 电收 回推靠臂 ， 安全 回 收 。 参 考 文 献 [ 1 ] 潘 中 印 ．地震 勘 探仪 器 系统 测 试技 术 [ J ] ．石 油仪 器 ， 2 0 0 9 ， 2 3 1 [ 2 ] 长春地质学院教研室． 地震勘探仪器， 1 9 8 0 资料 [ 3 ] 朱光 明 ．垂 直地 震 剖面方 法 [ M] ．北京 石油 工业 出版 社 ， 1 9 8 8 收稿 日期 2 o 1 0 一O l 一0 3 编辑 梁保 江