雷小青潘中印馬啟曉

(1.貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州貴陽) (2.東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西西安)

淺談石油井下地震儀器技術(shù)

雷小青1潘中印2馬啟曉2

(1.貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州貴陽) (2.東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西西安)

垂直地震剖面(VSP)勘探方法在我國使用已有近20年的歷史,由于勘探設(shè)備的限制和對其方法應(yīng)用認(rèn)識不足,還是從勘探設(shè)備及應(yīng)用方法發(fā)展的緩慢,都大大滯后于地面勘探設(shè)備的發(fā)展。近幾年來,隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展,井下勘探有了很大的進(jìn)步,勘探方法也呈現(xiàn)多樣化,VSP儀器從最初笨重的單級模擬傳輸逐步發(fā)展到今天的多級數(shù)字傳輸,VSP方法從最初簡單的求速度到今天的二維以及三維高分辨率成像勘探。文章對近年來VSP采集技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析,并在此基礎(chǔ)上提出了多級數(shù)字VSP采集儀器設(shè)計(jì)思路。

石油;地震;采集技術(shù)

0 引 言

地震勘探的重點(diǎn)將進(jìn)一步向增大勘探深度和高精度、高分辨率勘探方向發(fā)展,主要體現(xiàn)在兩個方面:第一,物探新方法、新技術(shù)的應(yīng)用:如多波勘探、開發(fā)地震(時移地震、垂直地震剖面VSP、井間地震、井地聯(lián)合3D勘探和隨鉆勘探等);第二,水陸過度等復(fù)雜地區(qū)的聯(lián)合勘探。油氣田開發(fā)過程中面臨的核心問題是提高采收率,要提高采收率就要解決較小尺度的非均質(zhì)性問題。目前,地面地震資料的分辨率有限,無法有效解決這樣的地質(zhì)問題。在新的勘探區(qū)域越來越小,勘探費(fèi)用不斷上升,尋找新儲量越來越困難的情況下,如何充分利用現(xiàn)有儲量,提高采收率是油氣開采面臨的嚴(yán)峻課題。

1 多級數(shù)字 VSP采集技術(shù)

20世紀(jì)90年代初開始的VSP勘探,使波受近地表層的影響由雙程變成單程,使分辯率大大提高。和地面地震相比,3D-VSP具有更高的信噪比和分辨率,能提供高質(zhì)量的多波數(shù)據(jù)體、準(zhǔn)確的三維速度場及深度域成像;可以有效降低時間-深度的不確定性,幫助量化各向異性,準(zhǔn)確檢測裂隙分布,進(jìn)行含油氣預(yù)測,降低多解性。資料表明:老油田仍然有著60%以上的石油儲量在現(xiàn)有技術(shù)條件下難以開采出來。傳統(tǒng)的依靠注水驅(qū)油增產(chǎn)不僅難以湊效,而且可能破壞油藏特性。

1.1 國內(nèi)外數(shù)字VSP儀器系統(tǒng)現(xiàn)狀[1]

目前,VSP和井間地震儀器分為兩大類:井下模擬多極VSP系統(tǒng)(井下檢波器采用單分量(壓電)、3、4分量動圈檢波器,最大級數(shù)160極;)和井下數(shù)字多級VSP系統(tǒng)(井下檢波器采用3、4分量動圈檢波器,最大級數(shù)32極)。國內(nèi)外VSP儀器生產(chǎn)廠家主要有英國AVALON公司、美國 GEOSPACE公司、法國SERCEL公司和原中國西安石油勘探儀器總廠生產(chǎn)的VSP儀器系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)對比見表1。英國AVALON公司VSP儀器最大級數(shù)可達(dá)32級,但使用32級數(shù)時采樣率只能達(dá)到4ms,這在目前VSP勘探中不能使用。美國GEOSPACE公司VSP產(chǎn)品的一個顯著的優(yōu)點(diǎn)就在于下井電纜采用了鎧裝光纜,使得長線(7000m)傳輸?shù)乃俾矢哌_(dá)12.5Mb/s,1/4ms采樣時實(shí)時可達(dá)到32級,從根本上解決了井下儀器數(shù)傳率低的問題,為井下儀器級數(shù)的擴(kuò)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。法國SERCEL公司VSP產(chǎn)品在國內(nèi)銷售最多,也是唯一在國內(nèi)使用過的多級數(shù)字VSP儀器,國內(nèi)用戶一般使用四級下井。為了提高數(shù)傳輸率,SERCEL已開始使用鎧裝光纜。美國TOMOSEIS公司2003年首先將壓電檢波器陣列用于了VSP和井間地震勘探,其最大的優(yōu)點(diǎn)在于去掉了煩瑣笨重、技術(shù)難度較大的井下推靠系統(tǒng),極大地提高了生產(chǎn)效率。

此外,隨鉆VSP技術(shù)正在興起發(fā)展,即以鉆頭震動作為震源,在地面進(jìn)行逆向VSP觀測,信號經(jīng)計(jì)算機(jī)處理和解釋后,預(yù)測鉆頭前方的地層情況。國外隨鉆井下儀器設(shè)計(jì)有3個加速度傳感器和1個水聽器,數(shù)據(jù)以1ms采樣,從鉆頭傳輸?shù)降孛鎯x器。

表1 國內(nèi)外VSP儀器系統(tǒng)對比表

綜上所述,提高VSP采集儀器的系統(tǒng)采樣率(例如1/16ms)、增大井中系統(tǒng)級數(shù)和采用光纜實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸代表了VSP、井中儀器的發(fā)展方向。

1.2 多級數(shù)字 VSP關(guān)鍵技術(shù)[2、3]

通常,VSP儀器系統(tǒng)由地面儀器、井下儀器和輔助設(shè)備組成。如圖1所示。

圖1 VSP系統(tǒng)組成框圖

再進(jìn)行井中地震數(shù)據(jù)采集時,用測井電纜絞車將井下接收器系統(tǒng)(井下儀器)送達(dá)到井中的設(shè)計(jì)深度;由地面儀器通過震源同步系統(tǒng)啟動震源,激發(fā)地震波;地震波通過地層傳播,以直達(dá)波和反射波等不同方式先后被井中的多級井下接收器接收,完成數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)通過電纜上傳到地面儀器記錄;通過多次重復(fù)采集和不斷改變井下接收器的深度,所獲得的數(shù)據(jù)即可進(jìn)行井中垂直地震剖面處理解釋。

多級數(shù)字VSP儀器系統(tǒng)要在高、高壓的井下工作,因此,其儀器設(shè)計(jì)和制造的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括:

(1)井下高溫高壓數(shù)據(jù)采集和24位ADC技術(shù);

(2)7000m長距離高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及供電技術(shù);

(3)級間多芯鎧裝電纜的密封設(shè)計(jì)以及多級機(jī)械推靠設(shè)計(jì)及可靠性技術(shù);

(4)采集站同步采集“時斷”T.B一致性技術(shù);分述如下。

1.2.1 地面儀器(中心站)

地面儀器主要包括工控機(jī)與井下數(shù)傳接口技術(shù)、輔助道采集技術(shù)、以及系統(tǒng)應(yīng)用軟件,即人機(jī)界面軟件;數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(記錄)、打印(繪圖)軟件;推靠、電源控制軟件;質(zhì)量控制軟件等。

多級數(shù)字VSP系統(tǒng)可采用面向?qū)ο蟮睦砟罴軜?gòu),用VC++6.0進(jìn)行編程。因其具有以下特點(diǎn):

采用面向?qū)ο蠹澳K化設(shè)計(jì),具有良好的繼承性和擴(kuò)展性;

簡捷、實(shí)用、友好的用戶界面;

具有極性反轉(zhuǎn)和單站3分量道數(shù)據(jù)交換的功能;具有數(shù)據(jù)抽道能力;

能進(jìn)行數(shù)據(jù)波形、測試報(bào)表的打印輸出,支持多種打印機(jī)、繪圖儀;

能進(jìn)行數(shù)據(jù)的SEG-Y格式存儲,支持硬盤、光盤存儲介質(zhì)。

1.2.2 井下儀器

井下儀器主要包括:高溫、高壓數(shù)據(jù)采集站、多級機(jī)械推靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)、采集站長距離直流供電技術(shù)的研制、7000m高速數(shù)據(jù)傳輸方法的研制、級間多芯鎧裝電纜的密封設(shè)計(jì)和高溫檢波器的設(shè)計(jì)。

一般地,井下采集儀器主要技術(shù)指標(biāo)要求如下:

溫度:不低于150℃

壓力:不低于100MPa

推靠力:不低于60kg

傳輸方式:數(shù)字;

傳輸率:不低于320kb/s

A/D:24bit

采樣率 :1/4ms、1/2ms、1ms、2ms

動態(tài)范圍:110dB

2 井下高溫高壓三分量采集部設(shè)計(jì)

可采用先進(jìn)的DSP2812作為主控制芯片,采用最新型的地震采集A/D芯片CS5372,并采用電子降溫技術(shù)。DSP2812具有以下優(yōu)點(diǎn):由于其運(yùn)算速度高,并且內(nèi)部運(yùn)算達(dá)32位,這樣就使得在井下相關(guān)運(yùn)算、數(shù)據(jù)壓縮運(yùn)算以及數(shù)字濾波等工作的時間大大減小;對外尋址范圍大,使得六道數(shù)據(jù)的緩存以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)信號的緩存成為可能;對外接口控制腳多可達(dá)56個,這樣外圍電路大大簡化(一些譯碼器、鎖存器都可以省去);內(nèi)部有128K×16ROM,可省去外圍ROM,不但可以降低成本,而且電路的穩(wěn)定性大大增加;自身帶有單端16通道、差分8通道的12位A/D,這為井下輔助道的采集帶來很大的方便;高溫芯片的價格很便宜。

CS5372A/D是CIRRUS公司專門為地震勘探生產(chǎn)的一種高動態(tài)范圍的A/D芯片,其特點(diǎn)有:動態(tài)范圍(SNR):124dB@411Hz帶寬,121dB@822Hz帶寬;

較低的諧波失真(THD):-118dB;

較低功耗:正常使用 25mW/ch,低電方式 15 mW/ch;

一個芯片可管理兩道數(shù)據(jù)采集。

這種A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)在于它有非常理想的外圍專用配套器件,比如數(shù)字濾波器CS5376、差分放大器、測試DAC等,這樣,采集前放的設(shè)計(jì)就會非常簡單、合理。另外,這種器件的過采樣率可達(dá)512kb/s,較以前采用的CS5321提高了一倍,相應(yīng)的采集精度大大提高。

3 井下三分量高溫檢波器

三分量地震加速度傳感器將多分量勘探中產(chǎn)生的加速度地震波轉(zhuǎn)換為電信號輸出,經(jīng)后續(xù)解釋處理獲得油氣儲藏的分布,因此三分量地震加速度傳感器是多波多分量地震勘探工程中重要的一環(huán)。三分量光纖加速度傳感器的共振頻率為3500Hz,在頻率小于3 000Hz的頻帶范圍內(nèi)有較好的線性頻響特性,同時由于采用雙彈簧的彈性系統(tǒng),提高了加速度傳感器的抗橫向諧振性,其交叉軸靈敏度遠(yuǎn)小于主軸靈敏度,其橫向靈敏度系數(shù)為0.11,滿足了三維加速度檢測的要求。因此,光纖加速度傳感器應(yīng)用于井下地震儀器成為了可能。

4 低損耗的供電系統(tǒng)

井下供電都要經(jīng)過七千米的鎧裝電纜。由于每芯電纜的直流電阻多達(dá)200多歐,假若井下用電的電流為I,則電纜上的損耗壓降為Vi=IR=200I。為了減少電纜上的損耗,一方面用多芯線并接向下供電,由于電纜芯數(shù)的限制,并接是有限的;另一方面在設(shè)計(jì)時,把每一級DC-DC轉(zhuǎn)換的入口電壓提高。

通常所用的DC-DC轉(zhuǎn)換的入口電壓比較低,在12V～60VDC之間,井下每級的功率一定,入口電壓低,電流就會大,電纜上的損耗就會加大。把電壓提高了一倍多,這樣電流相應(yīng)就會減少一倍多,損耗W=R按平方倍數(shù)減小。

5 可靠的安全保護(hù)電路

儀器在井下安全是第一位的,尤其是隨著級數(shù)的增多,安全措施更是第一位。為了保證儀器在出現(xiàn)故障后能安全收回,除了用傳統(tǒng)的安全銷剪切手段外,可考慮從電路上增加安全回收保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

長線數(shù)傳系統(tǒng)當(dāng)采用7000m電纜作數(shù)傳電纜時,數(shù)傳速率不應(yīng)低于320kb/s。另外,可考慮采用“光纜”數(shù)傳電纜作為長線數(shù)據(jù)傳輸使用。

6 結(jié)束語

提高VSP采集儀器的系統(tǒng)采樣率(例如1/16 ms)、增大井中系統(tǒng)級數(shù)和采用光纜實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸代表了VSP、井中儀器的發(fā)展方向。數(shù)字多級VSP儀器設(shè)計(jì)需要合理地解決高采樣率與多級數(shù)之間的矛盾,一要采用光纜”數(shù)傳電纜;二降低井下采集的功耗,使以后更多級數(shù)井下供電的矛盾得以解決;此外,需要使井下采集部件具有可靠的安全措施,當(dāng)井下采集站損壞后,地面也可強(qiáng)行給電機(jī)加電收回推靠臂,安全回收。

[1] 潘中印.地震勘探儀器系統(tǒng)測試技術(shù)[J].石油儀器,2009,23(1)

[2] 長春地質(zhì)學(xué)院教研室.地震勘探儀器,1980(資料)

[3] 朱光明.垂直地震剖面方法[M].北京:石油工業(yè)出版社,1988

P631.4+3

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1004-9134(2010)03-0023-03

2010-01-03 編輯:梁保江)

雷小青,女,1971年生,實(shí)驗(yàn)師,貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè),現(xiàn)為貴州大學(xué)通信與信息工程在職碩士。郵編:550003