CN110208866B - 地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置及其数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，仪器车通过铠装光纤缆控制井中光纤电磁信号接收采集装置并用于在井中下放或提升井中数据采集装置；地面大功率脉冲电流发射源包括大功率脉冲发射控制装置和发射天线，大功率脉冲发射控制装置向发射天线提供大功率脉冲激励电流；井中光纤电磁信号接收采集装置包括至少一个数据采集短节，每个数据采集短节的中部安装有三分量光纤陀螺仪，上下端分别安装有三分量光纤磁场传感器和/或三分量光纤电场传感器。本发明用于探测待测井段的井周围更大范围内的地层复电阻率分布规律和地层极化率分布规律及其与地下油气和矿产资源之间的关系，提高对目标地质体的分辨能力。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘探技术和井孔地球物理(电磁)勘探领域，具体地是指一种地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置及其数据采集方法。
背景技术
井孔地球物理勘探方法主要有地震法、直流电法、磁法、重力法、电磁法和放射性等勘探方法。其中电磁法又称“电磁感应法”，根据岩石或矿石的导电性和导磁性的不同，利用电磁感应原理进行井中找矿勘探的方法，统称为井孔电磁勘探法。
其中，地面时频电磁勘探技术的应用，在构造带和特殊目标联合解释、油气圈闭联合检测评价等方面发挥了重要的作用。井地电磁勘探技术经过了近二十年的研究和发展，已经形成为较成熟的方法。电磁场激励的方法可以分为频率域激励和时间域激励。频率域(连续波)激励的局限是发射器和接收器之间有很强的耦合，使得从发射器直接到接收器的源场信号远比来自地层中的信号强，因而难以准确地测量从地层接收到的电磁场信号。尽管采用多目标处理技术和应用多组测量数据相结合的方法，能提供我们所关注的目标地层的信息，但得到的净信号与总测量信号相比仍然较小，有用信息微乎其微。
美国专利说明书US6739165B1公布了一个井地电磁测量系统和测量方法用于确定储层流体性质。该系统首先通过布设在地面的大地电磁数据采集设备采集最初的天然大地电磁场，通过布设在地面和井下的电磁传感器测量储层最初的电磁场，然后通过反演计算出地下储层的电阻率或电导率，并据此推导出最初的地电模型和最初的地下流体如油水或气水的最初接触面。间隔一段时间以后，重复上述地面和井中的储层电磁场测量，反演计算出地下储层的电阻率或电导率，并据此推导出此时的地电模型和此时地下流体和不同流体接触面的空间分布。通过监测地下储层中流体和不同流体接触面的空间分布变化来监测油气藏的生产情况。但这种井地电磁测量系统容易受地面上的人为噪音干扰，降低电磁数据的信噪比。
中国专利ZL201520648262.9公布了一个地井时频电磁勘探数据采集装置。该装置包括地面大功率发射源和井中时频电磁信号接收采集装置，井中时频电磁信号接收采集装置通过测井电缆与地面上的仪器车连接，仪器车控制井中时频电磁信号接收采集装置在井中的深度位置，地面大功率脉冲发射源包括大功率脉冲发射控制装置、发射天线，井中时频电磁信号接收采集装置包括数据采集和传输短节、一对三分量磁场传感器和垂直分量电场传感器。此装置用安置在数据采集短节外面的一对不极化电极环或不极化电极块只能测量垂直电场分量。另外井下的数据采集和传输短节以及三分量磁场传感器受内部电子器件和磁感应线圈或磁通门传感器材料耐温能力的限制，不能在高温井里正常工作，影响了此仪器装置的应用范围。此外，由于此系统采用的是铠装电缆连接井下的四分量时频电磁信号接收采集装置，其所采集的阵列(多级)四分量时频电磁数据只能依赖于铠装电缆向井孔附近仪器车里面的时频电磁数据采集控制系统进行长达数千米的传输。由于受长距离载波电缆数据传输速率的限制，此系统无法实现井下阵列(多级)四分量时频电磁数据采集装置数据向地面控制系统的高速实时数据传输，降低了作业效率，增加了占井时间和生产成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种阵列式地井光纤六分量时频电磁勘探数据采集装置及数据采集方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，包括地面大功率脉冲电流发射源和井中光纤电磁信号接收采集装置，所述井中光纤电磁信号接收采集装置通过铠装光纤缆与地面上的仪器车连接，所述仪器车通过铠装光纤缆控制井中光纤电磁信号接收采集装置，并用于在井中下放或提升井中光纤电磁信号接收采集装置。
所述地面大功率脉冲电流发射源包括大功率脉冲发射控制装置和发射天线，所述大功率脉冲发射控制装置向发射天线提供大功率脉冲激励电流；
所述井中光纤电磁信号接收采集装置包括至少一个数据采集短节，每个数据采集短节的中部安装有三分量光纤陀螺仪，上下端分别安装有三分量光纤磁场传感器和/或三分量光纤电场传感器。
所述发射天线为以井眼为中心的两条相互正交接地长导线，或围绕井四周的四条两端接地长导线，或沿井四周的径向方向分布的多条两端接地长导线，或绕井方形大回线或绕井圆形大回线。
具体的，所述接地长导线的长度为1000m～10000m，所述大功率脉冲发射控制装置通过换向开关向多条两端接地长导线交替供电。
所述绕井方形大回线的边长为500m～3000m，所述绕井圆形大回线的半径为500m～1000m。
优选的，所述三分量光纤磁场传感器为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器，或为三个相互正交的采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成。
所述三分量光纤电场传感器由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器，或由三个相互正交的采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。
所述数据采集短节有多个的时候，相邻的数据采集短节之间相距5米到10米，并通过铠装光纤缆相连接。
本发明还提供一种阵列式地井光纤六分量时频电磁勘探数据采集方法，包括以下步骤：
a、所述地面大功率发射电流源控制装置持续发射大功率脉冲激励电流，经所述发射天线的接地电级或绕井圆形大回线或方形大回线传至地中并在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向半空间地下扩散和衰减，扩散的速度和衰减的幅度与地下介质的电导率有关；
b、数据采集短节的三分量光纤磁场传感器和三分量光纤电场传感器在待测井段按一定的点距逐点采集步骤a中感应涡流产生的三分量磁场(Hx，Hy，Hz)和三分量电场(Ex、Ey、Ez)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的三分量磁场信号和三分量电场信号；
c、三分量光纤陀螺仪同步同时采集步骤b中数据采集短节在每个时频电磁数据采集点的实时位置、速度和三分量姿态数据；
d、数据采集短节将步骤b采集到的六分量时频电磁数据和步骤c采集到的每个时频电磁数据采集点的实时位置、速度三分量姿态数据通过铠装光纤缆实时传输至地面的仪器车里的光纤激光信号调制解调器，然后转换成相应深度的井下三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号；
e、将步骤d中转换成相应深度的井下三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号经过叠加处理，得到时间序列数据；对得到的时间序列时频电磁数据根据步骤c中采集的同位置的三分量姿态数据进行旋转处理，获得垂直于地面(水平面)的时频电磁场分量(EZ、HZ)，与地面长发射导线平行的水平时频电磁场分量(EX、HX)，与地面长发射导线垂直的水平时频电磁场分量(EY、HY)；
f、在时间域和频率域处理步骤e中的时间序列数据，得到各测点的时频电磁场量和时频电磁场量的梯度，提取与地层电学性质有关的参数；
g、将步骤f的各测点的场量和梯度进行反演成像，获取井周径向一定距离范围内的地层复电阻率分布；
h、根据地层复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地层频率域复电阻率的关系进行反演，获得地层极化率的分布变化规律。
在上述步骤a中，所述大功率脉冲激励电流的波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机码脉冲序列，所述方波周期或单位脉冲宽度为0.01～64s。
在上述步骤b中，每个测点测量和记录10～50个周期的磁场信号和电场信号用来进行信号叠加，消除测量系统记录的随机噪声。
在上述步骤f中，根据得到的地层复电阻率分布指示地层复电阻率的各向异性特性，提供地层的产状和井眼偏移的信息，并实现对储层参数的解释与评价。
在上述步骤g中，根据得到的地层极化率分布规律，并实现对地层中含油气或高极化矿物分布的解释与评价。
本发明提供的地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置及其数据采集方法，可以探测待测井段的井周围更大范围内的地层复电阻率分布规律和地层极化率分布规律及其与地下油气和矿产资源之间的关系，还可以提高对目标地质体的分辨能力，极大地降低地面各种人为噪音对井下时频电磁数据的干扰，提高电磁数据的信噪比，并能指示地层电阻率的各向异性特性，提供地层的产状和井眼偏移的信息，并实现对储层参数的综合解释与评价。由于在井下采用了耐高温的光纤磁场传感器和光纤电场传感器，井下的光纤电磁数据采集装置里不再有任何电子器件和感应线圈式或磁通门式的磁场传感器，此地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置可以下到所有的高温高压井里采集地井电磁数据，并可以利用井下铠装光缆实现井下和地面的大数据高速实时传输，一举克服了常规井下电磁数据采集仪器不能在高温高压井里作业和铠装电缆无法进行大数据快速传输的困难。
附图说明
图1是本发明实施方式之一的结构示意图；
图2是本发明实施方式之二的结构示意图；
图3是本发明实施方式之三的结构示意图；
图4是本发明实施方式之四的结构示意图；
图5是本发明数据采集短节的结构示意图之一；
图6是本发明数据采集短节的结构示意图之二。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施方式，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
本发明地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置具有两种实施方式，如下所示：
实施例1
参考图1、图5、图6，地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，包括地面大功率脉冲电流发射源和井中光纤电磁信号接收采集装置5，所述井中光纤电磁信号接收采集装置5通过铠装光纤缆6与地面上的仪器车4连接，所述仪器车4通过铠装光纤缆6控制井中光纤电磁信号接收采集装置5并用于在井中下放或提升，并用于在井中下放或提升井中光纤电磁信号接收采集装置5；
所述地面大功率脉冲电流发射源包括大功率脉冲发射控制装置1和发射天线2，所述大功率脉冲发射控制装置1向发射天线2提供大功率脉冲激励电流3；
如图2，发射天线2为以井眼为中心的两条相互正交接地长导线，两端接地长导线的长度为1000m～10000m；或者围绕井四周的四条两端接地长导线，如图3，两端接地长导线的长度为5000m～10000m；或沿井四周的径向方向分布的多条两端接地长导线，如图4，两端接地长导线的长度为1000m～5000m；或沿井四周的径向方向分布的多条两端接地长导线，如图4，两端接地长导线的长度为1000m～2000m。
大功率脉冲发射控制装置1通过换向开关向多条两端接地长导线交替供电。大功率脉冲发射控制装置1向发射天线2提供大功率脉冲激励电流3，发射天线2通过接地长导线两端的接地电极将大功率脉冲激励电流3直接馈入地中。
井中光纤电磁信号接收采集装置5包括一个或数个数据采集短节10、每个数据采集短节10包括一个三分量光纤陀螺仪7、一个三分量光纤磁场传感器8和一个三分量光纤电场传感器9。三分量光纤陀螺仪7安装在数据采集短节10的中部，三分量光纤磁场传感器8安置于数据采集短节10的上端，三分量光纤电场传感器9安置于数据采集短节10的下端，每个数据采集短节10相距5米到10米左右，三分量光纤磁场传感器8由三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器或由三个相互正交的采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成。三分量光纤电场传感器9由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器或三个由相互正交的采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。每个数据采集短节10之间由铠装光纤缆6相连接。
实施例2
参考图2和图5与图6，实施例2与实施例1的区别在于，发射天线2为以井眼为中心的绕井方形大回线或圆形大回线，绕井方形大回线的边长为500m～3000m，绕井圆形大回线的半径为500m～1000m。其他与实施例1相同。
下面对本发明地井时频电磁勘探数据采集方法进行具体说明，其包括以下步骤：
a、大功率脉冲发射控制装置1持续发射大功率脉冲激励电流3，大功率脉冲激励电流3的波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，方波周期或单位脉冲宽度为0.01～64s，经发射天线2在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，感应涡流逐渐向半空间地下扩散和衰减，扩散的速度和衰减的幅度与地下介质的电导率有关；
b、三分量光纤磁场传感器8和三分量光纤电场传感器9在待测井段按一定的点距逐点采集步骤a中的三分量时频磁场(Hx，Hy，Hz)和三分量时频电场(Ex、Ey、Ez)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号；
c、三分量光纤陀螺仪同步同时采集步骤b中数据采集短节10在每个时频电磁数据采集点的实时位置、速度和三分量姿态数据；
d、数据采集短节10将步骤b采集到的时频电磁数据和步骤c采集到的每个时频电磁数据采集点的实时位置、速度三分量姿态数据通过铠装光纤缆6实时传输至地面的仪器车4里的光纤激光信号调制解调器，然后转换成相应深度的井下三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号；
e、将步骤d中转换成相应深度的井下三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号经过叠加处理，得到时间序列数据；对得到的时间序列时频电磁数据根据步骤c中采集的同位置的三分量姿态数据进行旋转处理，获得垂直于地面(水平面)的时频电磁场分量(EZ、HZ)，与地面长发射导线平行的水平时频电磁场分量(EX、HX)，与地面长发射导线垂直的水平时频电磁场分量(EY、HY)；
f、在时间域和频率域处理步骤e中的时间序列数据，得到各测点的时频电磁场量值和时频电磁场量的梯度值，提取与地层电学性质有关的参数；
g、将步骤f的各测点的时频电磁场量和时频电磁场梯度进行反演成像，获取井周径向一定距离范围内的地层复电阻率分布；根据得到的地层复电阻率分布指示地层复电阻率的各向异性特性，提供地层的产状和井眼偏移的信息，并实现对储层参数的解释与评价。
h、根据地层复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地层的频率域复电阻率的关系进行反演，获得地层极化率的分布变化规律。根据得到的地层极化率分布规律，并实现对地层中含油气或高极化矿物参数的解释与评价。
图5和图6是两种不同构成的数据采集短节10的结构示意图。
图5结构示意图表示每级数据采集短节10里面有一个三分量光纤陀螺仪7、一个三分量光纤磁场传感器8和一个三分量光纤电场传感器9。三分量光纤陀螺仪7安装在数据采集短节10的中部，三分量光纤磁场传感器8安置于数据采集短节10的上端，三分量光纤电场传感器9安置于数据采集短节10的下端。
图6结构示意图表示每级数据采集短节10里面有一个三分量光纤陀螺仪7、两个三分量光纤磁场传感器8和两个三分量光纤电场传感器9。三分量光纤陀螺仪7安装在数据采集短节10的中部，其中一个三分量光纤磁场传感器8和一个三分量光纤电场传感器9安置于数据采集短节10的上端。另外一个三分量光纤磁场传感器8和另外一个三分量光纤电场传感器9安置于数据采集短节10的下端。每个数据采集短节10里面的三分量光纤磁场传感器8和三分量光纤电场传感器9除了可以测量各传感器所处位置的三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号外，利用上端和下端的三分量光纤磁场传感器对和三分量光纤电场传感器对，可以测量在每个三分量光纤磁场传感器对和三分量光纤电场传感器对的中间位置的时频磁场梯度值和时频电场梯度值。所测量的时频电磁场梯度值表示的是井下时频电磁场沿不同分量方向上的变化率，有其特殊的地质和地球物理意义。
其它未详细说明的部分均属于现有技术。
Claims (5)
1.地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，包括地面大功率脉冲电流发射源和井中光纤电磁信号接收采集装置（5），所述井中光纤电磁信号接收采集装置（5）通过铠装光纤缆（6）与地面上的仪器车（4）连接，所述仪器车（4）通过铠装光纤缆（6）控制井中光纤电磁信号接收采集装置（5），并用于在井中下放或提升井中光纤电磁信号接收采集装置（5）；
其特征在于：所述地面大功率脉冲电流发射源包括大功率脉冲发射控制装置（1）和发射天线（2），所述大功率脉冲发射控制装置（1）向发射天线（2）提供大功率脉冲激励电流（3）；
所述井中光纤电磁信号接收采集装置（5）包括至少一个数据采集短节（10），每个数据采集短节（10）的中部安装有三分量光纤陀螺仪（7），上下端分别安装有三分量光纤磁场传感器（8）和/或三分量光纤电场传感器（9）；
所述发射天线（2）为以井眼为中心的两条相互正交接地长导线，或围绕井四周的四条两端接地长导线，或沿井四周的径向方向分布的多条两端接地长导线，或绕井方形大回线或绕井圆形大回线；
所述三分量光纤磁场传感器（8）为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器，或三个相互正交的采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成；
所述三分量光纤电场传感器（9）由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器，或三个相互正交的采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成；
采用上所述的地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置的数据采集方法，包括以下步骤：
a、所述大功率脉冲发射控制装置（1）持续发射大功率脉冲激励电流（3），经所述发射天线（2）的接地电极或绕井圆形大回线或绕井方形大回线传至地中并在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向半空间地下扩散和衰减；
b、数据采集短节（10）的三分量光纤磁场传感器（8）和三分量光纤电场传感器（9）在待测井段按一定的点距逐点采集步骤a中感应涡流产生的三分量磁场（Hx，Hy，Hz）和三分量电场（Ex、Ey、Ez）数据，每个测点测量和记录10 ~ 50个周期的三分量磁场信号和三分量电场信号；
c、三分量光纤陀螺仪（7）同步同时采集步骤b中数据采集短节（10）在每个时频电磁数据采集点的实时位置、速度和三分量姿态数据；
d、数据采集短节（10）将步骤b采集到六分量时频电磁数据和步骤c采集到的每个时频电磁数据采集点的实时位置、速度和三分量姿态数据通过铠装光纤缆（6）实时传输至地面的仪器车（4）里的光纤激光信号调制解调器，然后转换成相应深度的井下三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号；
e、将步骤d中转换成相应深度的井下三分量时频磁场信号和三分量时频电场信号经过叠加处理，得到时间序列数据；对得到的时间序列数据根据步骤c中采集的同位置的三分量姿态数据进行旋转处理，获得垂直于地面的时频电磁场分量（EZ、HZ），与地面长发射导线平行的水平时频电磁场分量（EX、HX）、与地面长发射导线垂直的水平时频电磁场分量（EY、HY）；
f、在时间域和频率域处理步骤e中的时间序列数据，得到各测点的时频电磁场量和时频电磁场量的梯度，然后提取与地层电学性质有关的参数；
g、将步骤f的各测点的时频电磁场量和梯度进行反演成像，获取井周径向一定距离范围内的地层复电阻率分布；
h、根据地层复电阻率的分布变化规律和通过频率域处理方式获得的地层频率域复电阻率的关系进行反演，获得地层极化率的分布变化规律。
2.根据权利要求1所述的地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述接地长导线的长度为1000 m ~ 10000 m，所述大功率脉冲发射控制装置（1）通过换向开关向不同的两端接地长导线交替供电。
3.根据权利要求1所述的地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述绕井方形大回线的边长为500 m ~ 3000 m，所述绕井圆形大回线的半径为500 m ~ 1000 m。
4.根据权利要求1所述的地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，其特征在于，所述数据采集短节（10）有多个的时候，相邻的数据采集短节（10）之间相距5米到10米，并通过铠装光纤缆（6）相连接。
5.根据权利要求1所述的地井阵列式光纤时频电磁数据采集装置，其特征在于，步骤a中，所述大功率脉冲激励电流（3）的波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，所述方波周期或单位脉冲宽度为0.01 ~ 64 s。
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