鹿蔚旭，趙發(fā)明，閻治安 ，馮寶文，季明月

(1中國(guó)電建青?；痣姽こ坦?，青海西寧 810000；2西京學(xué)院，陜西西安 710123)

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震源為直線電動(dòng)機(jī)的單井地震測(cè)井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鹿蔚旭1，趙發(fā)明2，閻治安2，馮寶文2，季明月2

(1中國(guó)電建青?；痣姽こ坦?，青海西寧 810000；2西京學(xué)院，陜西西安 710123)

針對(duì)雙井(震源井和接收井)地震系統(tǒng)所存在地震波分辨率不高、高頻成分損失的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種震源為直線電動(dòng)機(jī)的新型單井地震測(cè)井系統(tǒng)，揭示了系統(tǒng)的組成及工作原理，設(shè)計(jì)出了切實(shí)可行的整體方案，解決了單井可以替代雙井的難題。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性，對(duì)我國(guó)油氣田勘探開(kāi)發(fā)以及地震勘探技術(shù)具有一定的推動(dòng)作用。

直線電動(dòng)機(jī)；單井地震測(cè)井；組成及工作原理

0 引言

油氣田的勘探開(kāi)發(fā)在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)和發(fā)展的進(jìn)程中有著及其重要的意義，近幾年出現(xiàn)的地震勘探技術(shù)在國(guó)內(nèi)外被廣泛采用，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前景的測(cè)井技術(shù)[1]。地震勘探中普遍采用的一種方法就是井中地震勘探，井中地震勘探又包含井間(雙井)地震和單井地震等形式[2]。井間地震是指在相距一定距離的兩口井中分別置入地震波激發(fā)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)獲取井下或井地間數(shù)據(jù)資料的一種勘探技術(shù)；單井地震是指將地震波激發(fā)裝置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相互連接，置于同一井中進(jìn)行數(shù)據(jù)資料采集工作的技術(shù)。由于單井地震技術(shù)是將地震波激發(fā)裝置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放在同一口井中工作，可避免地表低速帶將地震信號(hào)中的高頻成分吸收掉，因此，單井地震技術(shù)的分辨率比地面地震技術(shù)的分辨率高出數(shù)百倍[3，4]，但是后者技術(shù)難度較大。

為此，本文設(shè)計(jì)出了用于勘測(cè)溶洞、巖鹽等特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的震源為直線電動(dòng)機(jī)的單井地震測(cè)井系統(tǒng)，得出了該系統(tǒng)的組成及其機(jī)理，解決了單井地震測(cè)井在我國(guó)的理論與實(shí)踐的結(jié)合，進(jìn)一步推進(jìn)了地質(zhì)勘探事業(yè)在我國(guó)的發(fā)展。

1 單機(jī)地震測(cè)井系統(tǒng)的組成及工作原理

單井(Single Well)地震測(cè)井技術(shù)目前尚沒(méi)有明確的定義，通常把將地震波激發(fā)系統(tǒng)(震源)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)通用七芯測(cè)井電纜連接在一起置于同一井中進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集，從而得到井下或井地聯(lián)合地震數(shù)據(jù)的方法稱為單井地震測(cè)井技術(shù)。單井地震測(cè)井系統(tǒng)采集示意圖如圖1所示。

圖1 單井地震測(cè)井系統(tǒng)采集示意圖

單井地震測(cè)井系統(tǒng)主要包括地震波激發(fā)(震源)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，地震波激發(fā)是影響資料分辨率的主要因素，高分辨率地震勘探震源激發(fā)的地震波應(yīng)滿足寬頻帶、高主頻、高信噪比等條件。震源主要是將直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)錘桿提升后做自由落體運(yùn)動(dòng)錘擊錘砧座所產(chǎn)生的能量波，由井壁傳遞出去，從而使采集系統(tǒng)又通過(guò)同一個(gè)井能夠接收到這種地震勘測(cè)的震動(dòng)波。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集單元來(lái)進(jìn)行，主要由微控制器(單片機(jī))、數(shù)字檢波器、Σ-Δ型Α/D轉(zhuǎn)換器、前置放大器、溫度檢測(cè)單元、供電電源和推靠電機(jī)等部分組成，控制命令的發(fā)送及傳輸任務(wù)主要由電子線路部分來(lái)完成，整個(gè)系統(tǒng)的供電和信號(hào)傳輸均由七芯測(cè)井電纜來(lái)完成。

2 單井地震測(cè)井系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工程要求單井地震測(cè)井系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 單井地震測(cè)井系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 震源設(shè)計(jì)

對(duì)于震源的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)完成管狀直線電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)結(jié)果為：管狀直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)選用橫向疊片式的結(jié)構(gòu)形式，初級(jí)鐵心是由硅鋼片疊壓而成的，單片厚度為0.35mm，每組有15片。初級(jí)繞組一共有30組，與初級(jí)鐵心交替排列，它們之間用耐高溫導(dǎo)熱膠絕緣。管狀直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。管狀直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)長(zhǎng)度約為2200mm，外徑為φ46.4mm，選用鋼-銅復(fù)合材料，即在35#圓鋼上包裹了一層厚度約為1.5mm的H62型黃銅。由于鋼的導(dǎo)磁性能好，而黃銅的導(dǎo)電性能好，這樣就可以使管狀直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)既具有良好的導(dǎo)磁性能又能產(chǎn)生較大的激磁電流，使其在同樣的磁場(chǎng)中可以收到更大的電磁推力。管狀直線電動(dòng)機(jī)次級(jí)的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖2 管狀直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)結(jié)構(gòu)形式

圖3 管狀直線電動(dòng)機(jī)次級(jí)的結(jié)構(gòu)形式

管狀直線電動(dòng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)表如表2所示。

表2 管狀直線電動(dòng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 系統(tǒng)供電方案

單井地震測(cè)井系統(tǒng)的供電方案圖如圖4所示。

圖4 單井地震測(cè)井系統(tǒng)的供電方案圖

由圖4可見(jiàn)，單井地震測(cè)井系統(tǒng)的工作過(guò)程主要包括以下步驟。

(1)接通電纜外鎧和6號(hào)線，同時(shí)給2號(hào)線和電纜外鎧加入推靠電壓，震源和數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的直流推靠電動(dòng)機(jī)依次開(kāi)始工作，直至推靠工作結(jié)束。

(2)僅給3、4、5號(hào)線通電，接通擊錘電機(jī)電源使擊錘電機(jī)工作，由于S1的隔離作用，2號(hào)線正常輸出TB信號(hào)，數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)接收到TB信號(hào)便開(kāi)始工作。

(3)當(dāng)擊錘直線電動(dòng)機(jī)向上提錘到頂位后斷開(kāi)擊錘電機(jī)電源，再給3、4號(hào)線通電使繼電器K2工作，延時(shí)開(kāi)關(guān)S2經(jīng)過(guò)接收處理單元的復(fù)位時(shí)間(16s)后閉合，反向加壓后使擊錘直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)錘桿下落到總行程的2/3處斷電再自由落體，以保證足夠能量錘擊錘砧座。

(4)隨即接通6號(hào)線為接收處理單元電源和CCL電源供電，接收處理單元經(jīng)過(guò)接收處理單元的復(fù)位時(shí)間(16s)后開(kāi)始等待接收震波信號(hào)和TB信號(hào)。

(5)當(dāng)錘桿自由下落砸到底部錘震板后產(chǎn)生TB信號(hào)和震波信號(hào)，接收處理單元通過(guò)1、7號(hào)線上傳數(shù)據(jù)，開(kāi)始采集、顯示、自檢工作。

(6)當(dāng)采集工作結(jié)束后交換3、4、5號(hào)線中的任意兩根的線序，使得擊錘直線電動(dòng)機(jī)反向向上運(yùn)行，錘桿上升至上限位處被延時(shí)裝置卡住后斷電。

(7)工作結(jié)束起井收臂時(shí)，同時(shí)給繼電器K1和直流推靠電動(dòng)機(jī)1、2加上工作電壓，使其反向旋轉(zhuǎn)工作，通過(guò)電路操作實(shí)現(xiàn)使震源推靠電機(jī)1在60s內(nèi)收臂，使采集推靠電機(jī)2在15s內(nèi)收臂(兩種臂的結(jié)構(gòu)不同，故收臂時(shí)間也不同)，則一個(gè)工作過(guò)程完成。

以上過(guò)程中如果起井收臂不成功，則需要起動(dòng)安全解鎖裝置。給電纜外鎧和6號(hào)線通電使繼電器K1工作從而使開(kāi)關(guān)S1閉合，然后給5號(hào)線通電接通解鎖裝置電源，使震源的安全解鎖裝置工作從而使儀器順利起井。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了此地震數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)方案，即采用新型AD轉(zhuǎn)換器ADS1282，可以對(duì)單道地震信號(hào)進(jìn)行拾取、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)通過(guò)集成的校準(zhǔn)引擎以及數(shù)據(jù)選擇器，還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)和自檢功能。通過(guò)獲得高分辨率、高保真、高信噪比的數(shù)字信號(hào)，保證了所采集的信號(hào)質(zhì)量不受到時(shí)間、環(huán)境、地點(diǎn)以及條件的影響，并且可以濾除模擬信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾信號(hào)，提高所采集的地震信號(hào)的質(zhì)量。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

勘探用單井地震系統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制器選用西門(mén)子公司的S7-200型PLC，選用CPU的型號(hào)為226，該型號(hào)的PLC具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、控制速度快、性價(jià)比高等特點(diǎn)[5]，而且控制功能也及其強(qiáng)大，足以滿足本系統(tǒng)的使用性能要求。 單井地震測(cè)井系統(tǒng)控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖5所示。

圖5 單井地震測(cè)井系統(tǒng)的工作流程圖

由此，單井地震測(cè)井系統(tǒng)控制系統(tǒng)的具體工作過(guò)程包括以下步驟。

(1)系統(tǒng)啟動(dòng)之后先使直流推靠電動(dòng)機(jī)1、2加正向旋轉(zhuǎn)工作，使推靠臂緊貼管道壁，推靠臂是否緊貼管道壁是由推靠裝置的內(nèi)部檢測(cè)電路來(lái)完成的。當(dāng)推靠臂緊貼管道壁時(shí)，推靠電機(jī)相當(dāng)于堵轉(zhuǎn)，電機(jī)電樞繞組的電流會(huì)增大，當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到電流有明顯增大時(shí)，就切斷外部供電電源，使機(jī)械“鎖死”，推靠過(guò)程結(jié)束。

(2)接通直線電機(jī)電源，直線電機(jī)的次級(jí)錘桿就向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)直線電機(jī)的次級(jí)所帶錘桿的上限位檢測(cè)裝置檢測(cè)到錘桿已運(yùn)行至頂位時(shí)，自動(dòng)切斷直線電動(dòng)機(jī)的三相電源，同時(shí)延時(shí)裝置也能使錘桿機(jī)械卡扣。

(3)接通采集系統(tǒng)和CCL電源，使采集系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位時(shí)間設(shè)計(jì)為16s。

(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)復(fù)位后(16s)接通延時(shí)裝置電源，延時(shí)裝置中的卡扣打開(kāi)，直線電機(jī)的錘桿就會(huì)自由下落。錘擊到震波發(fā)生器的錘砧座上面激發(fā)出地震波，同時(shí)震波發(fā)生器發(fā)出TB信號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到TB信號(hào)后，就開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

(5)當(dāng)數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束后，再次接通直線電機(jī)電源，使直線電機(jī)的次級(jí)錘桿上升至上限位處并被延時(shí)裝置的卡扣卡住，同時(shí)，系統(tǒng)接收到上限位檢測(cè)裝置會(huì)發(fā)出的信號(hào)之后就會(huì)切斷直線電機(jī)的三相電源。

(6)上述單個(gè)工作周期按照實(shí)際需求工作N個(gè)周期后，整個(gè)系統(tǒng)工作結(jié)束時(shí)，再使直流推靠電動(dòng)機(jī)1、2反向旋轉(zhuǎn)工作，使推靠臂收回，整個(gè)系統(tǒng)便可以開(kāi)始向上提升。

(7)若推靠臂遇卡不能成功收回時(shí)，需接通解鎖裝置的電源，安全栓被推斷后，推靠臂便可收回，保證系統(tǒng)整體可以安全向上提升，以完成單井地震測(cè)井工序。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證單井地震測(cè)井系統(tǒng)的性能，選擇了一口氣井來(lái)進(jìn)行單井地震系統(tǒng)的模擬測(cè)試，一組單井地震測(cè)井系統(tǒng)測(cè)試實(shí)況照片如圖6所示。

圖6 一組單井地震測(cè)井系統(tǒng)測(cè)試實(shí)況照片

圖6中(a)為儀器的吊裝；(b)為所使用的測(cè)試設(shè)備，其中有一輛吊車和一輛系統(tǒng)控制車；(c)為測(cè)試儀器的調(diào)試；(d)為所測(cè)得的數(shù)據(jù)波形實(shí)況。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，本文所設(shè)計(jì)的勘探用單井地震系統(tǒng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)地震數(shù)據(jù)資料采集的功能，其控制系統(tǒng)能夠按照預(yù)先設(shè)定好的控制程序穩(wěn)定運(yùn)行，各儀器設(shè)備之間能夠協(xié)調(diào)工作，運(yùn)行狀況良好，解決了單井可以替代雙井進(jìn)行地震測(cè)井的難題。

[1] 王炳章,王丹.油氣勘探技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展水平[J].油氣勘探與開(kāi)發(fā), 2011,16(5):46-55.

[2] 撒利明,董世泰,李向陽(yáng).中國(guó)石油物探新技術(shù)研究及展望[J].石油地球物理勘探, 2012(06).

[3] 許大偉.地震勘探技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].科技資訊,2013,14:237-238.

[4] 陳越峰.地震勘探技術(shù)的發(fā)展及前景分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2013,A27:61-62.

[5] 胡佳麗,閆寶瑞,張安震，等.S7-200 PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2009,12:38-41.

Design on Single Well Earthquake Logging System of Taking Linear Motor as Earthquake Source

LuWeixu,ZhaoFaming,YanZhian,FengBaowen,andJiMingyue

(1.Powerchina Qinghai Power Engineering Co.,Ltd.,Xining 810000, China；2.Xijing University, Xi′an 710123, China)

Aiming at the problems of low resolution and high-frequency component loss of earthquake wave occurred in earthquake system of double wells (i.e.earthquake source well and receiving well), a new type of single well earthquake logging system of taking linear motor as earthquake source is designed. The composition and working principle of the system are revealed, a feasible whole scheme is designed, and the difficult problem of replacing double well with single well is solved. The experimental result proves feasibility of the system. It has a certain promoting role in the exploration and development of oil gas field and the exploration technique of earthquake in our country.

Linear motor；single well earthquake logging；composition and working principle

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.02

TM359.4

A

1008-7281(2016)05-0008-004

鹿蔚旭 男 1973年生；畢業(yè)于四川大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在從事電氣技術(shù)工作.

2016-07-26