CN209911570U - 井中光纤时频电磁和四分量地震数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种井中光纤时频电磁和四分量地震数据采集装置，应用于井筒地球物理勘探领域，针对常规井下电磁和地震数据采集仪器不能在高温井里作业的困难问题，本实用新型在井下采用了耐高温的光纤地震检波器、光纤磁场传感器和光纤电场传感器，且井下的光纤电磁和光纤地震数据采集装置里不再有任何电子器件和动圈式或压电式或加速度式或MEMS式检波器、感应线圈式或磁通门式的磁场传感器，可使井中阵列式光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置下到所有的高温井里采集井中三分量时频电磁和井中四分量地震数据，并且可以获取井下的多种地球物理数据，为后续储层参数的综合解释与评价提供准确丰富的数据来源。

Description

井中光纤时频电磁和四分量地震数据采集装置

技术领域

本实用新型属于井筒地球物理勘探技术领域，特别涉及一种阵列式地－井(地面激发－井中接收)三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集技术。

背景技术

地球物理勘探方法主要有地震法、直流电法、磁法、重力法和电磁法等勘探方法。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找矿勘探的方法，统称为电磁法。

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(井中激发－地面接收)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。

实用新型内容

为了解决常规井下电磁和地震数据采集仪器不能在高温井里作业的困难问题，本实用新型提出了一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，通过在井中阵列式光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置采用了耐高温的光纤检波器、光纤水听器、光纤陀螺仪、光纤磁场传感器和光纤电场传感器，极大地降低地面各种工业和人文的电磁和地震干扰的影响，提高井中时频电磁和地震数据的信噪比。

本实用新型采用的技术方案为：一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，包括：地面人工震源(4)、地面大功率电磁脉冲发射源(1)和井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)，所述井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)通过铠装光纤缆(12)与地面上的仪器车(5)连接，所述连接仪器车(5)的铠装光纤缆(12)控制井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)在井中的深度位置；

所述地面人工震源(4)向地面以下激发地震波，地面大功率电磁脉冲发射源包括大功率电磁脉冲发射控制装置(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)；

所述井中阵列式光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)包括若干数据采集短节(11)、以及安装于数据采集短节(11)中的三分量光纤磁场传感器(7)、三分量光纤电场传感器(8)、四分量光纤地震信号传感单元(9)、三分量光纤姿态传感器(10)；阵列式布设的数据采集短节之间通过铠装光纤缆(12)相连接；

数据采集短节(11)中，三分量光纤电场传感器(8)安置于数据采集短节(11)的上端，三分量光纤磁场传感器(7)安置于数据采集短节(11)的下端，所述四分量光纤地震信号传感单元(9)安装在数据采集短接(11)的中部，紧挨着四分量光纤地震信号传感单元(9)安装一个三分量光纤姿态传感器(10)。

所述阵列中相邻两个三分量光纤磁场传感器(7)之间的距离为10m，阵列中相邻两个三分量光纤电场传感器(8)之间的距离为10m。

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为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采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。

所述四分量光纤地震信号传感单元由包括三分量光纤检波器和光纤水听器的四分量光纤矢量水听器基元组成，单矢量探测基元采用了三轴分立式结构。

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、沿井眼径向方向布设的接地长导线、以井眼为中心的方形大回线线圈、以井眼为中心的圆形大回线线圈中的一种；

若发射天线(2)为以井眼为中心的两条相互正交接地长导线，或沿井眼径向方向布设的接地长导线，则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；

若发射天线(2)为以井眼为中心的方形大回线线圈或以井眼为中心的圆形大回线线圈；则通过将大功率脉冲激励电流(3)接入方形大回线线圈或圆形大回线线圈激励电磁场。

本实用新型的有益效果：本实用新型通过在井下采用了耐高温的光纤地震检波器、光纤磁场传感器和光纤电场传感器，井下的光纤电磁和光纤地震数据采集装置里不再有任何电子器件和动圈式或压电式或加速度式或MEMS式检波器、感应线圈式或磁通门式的磁场传感器，此井中阵列式光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置可以下到所有的高温井里采集井中电磁和井中地震数据，并提供了数据采集方法，克服了常规井下电磁和地震数据采集仪器不能在高温井里作业的困难；本实用新型的采集装置极大地降低地面各种人为噪音对井下三分量时频电磁和井中四分量地震数据的干扰。

附图说明

图1是本实用新型井中阵列式光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置的第一种实施方式的结构示意图。

图2是本实用新型井中阵列式光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置的第二种实施方式的结构示意图。

图3是图1和图2中井下阵列式光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置的结构示意图。

图中：大功率发电机和脉冲发射控制装置1、发射天线2、大功率脉冲激励电流波形3、地面人工震源4、仪器车5、井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集阵列6、三分量光纤磁场传感器7、三分量光纤电场传感器8、四分量光纤地震信号传感单元9、三分量光纤姿态传感器(光纤陀螺仪)10。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型的技术内容，下面结合附图对本实用新型内容进一步阐释。

本实用新型一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，包括：地面人工震源4、地面大功率电磁脉冲发射源1和2、井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置6，所述井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置6通过铠装光纤缆12与地面上的仪器车5连接，所述连接仪器车5的铠装光纤缆12控制井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置6在井中的深度位置；

所述地面人工震源4向地面以下激发地震波，地面大功率电磁脉冲发射源包括大功率电磁脉冲发射控制装置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，或者通过接入绕井方形大回线或绕井圆形大回线激励电磁场；

所述井中阵列式光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置6包括若干数据采集短节11、以及安装于数据采集短节11中的三分量光纤磁场传感器7、三分量光纤电场传感器8、四分量地震信号传感单元9、三分量光纤姿态传感器10；阵列式布设的数据采集短节之间通过铠装光纤缆12相连接；本实施例中的三分量光纤姿态传感器10为光纤陀螺仪。

数据采集短节11中，三分量光纤电场传感器8安置于数据采集短节11的上端，三分量光纤磁场传感器7安置于数据采集短节11的下端，所述四分量光纤地震信号传感单元9安装在数据采集短接11的中部，紧挨着四分量光纤地震信号传感单元9安装一个三分量光纤姿态传感器10。

四分量光纤地震信号传感单元9由三分量光纤检波器和光纤水听器构成的四分量光纤矢量水听器基元组成，单矢量探测基元采用了三轴分立式结构。

三分量光纤磁场传感器7为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器或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8为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采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。

由于在井下采用了耐高温的光纤检波器、光纤陀螺仪、光纤磁场传感器和光纤电场传感器，井下的光纤电磁地震数据采集装置里不再有任何电子器件和动圈式或压电式检波器、感应线圈式或磁通门式的磁场传感器，此井中阵列式光纤时频电磁和和四分量光纤地震数据采集装置可以下到所有的高温井里采集井中电磁和地震数据，克服了常规井下电磁和地震数据采集仪器不能在高温井里作业的困难；井中电磁和地震数据极大地降低了地面各种工业和人文的电磁和地震干扰的影响，提高了数据的信噪比，可以实现大功率电磁发射和高地震能量激发，有利于探测埋藏更深或离接收井距离更远的勘探目标。

本实用新型的三分量光纤检波器，可以采用基于光栅技术的全光学地震加速度检波器，该检波器是专门为永久性井下测量而设计的，在单根光纤上能布置多传感器阵列，包括光纤温度计、压力计、多相流量计和分布式温度传感器系统。光线从地面沿光缆向下传播到井内并反射回到地面，光学信号被转换成测量数据，用常规方法解释获取的测量资料。井下地震加速度检波器接收地震波，可处理成地层和流体前缘图像。永久井下光纤3分量(3C)地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度空间图像，不仅能提供近井眼图像，而且能提供井眼周围地层图像，在某些情况下测量范围能达数千英尺。光纤地震测量系统在油井的整个寿命期间运行、能经受恶劣的环境条件(温度达250℃，压力达30000psi)，测量系统没有可移动部件和井下电子器件。每个3C地震加速度检波器被封装在直径1英寸的保护外壳中，能安装到复杂的完井管柱及小的空间内。地震检波器非常坚固，能经受强的冲击和振动。光纤地震检波器还具有动态范围大和信号频带宽的特点，该系统的信号频带宽度为3～800Hz，能记录从极低到极高频率的等效响应。

本实用新型采集装置包括以下两种实施方式：

实施例1

参考图1和图3，井中阵列式光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，包括地面大功率发射源控制装置1、发射天线2、地面人工震源4、井中光纤电磁信号接收采集阵列6，四分量光纤地震信号传感单元9、光纤陀螺仪10、光纤电磁和光纤地震数据采集短节11和铠装光纤缆12。井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集阵列5通过铠装光纤缆12与地面上的仪器车5连接，仪器车5上的铠装光纤缆12控制井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集阵列6在井中的深度位置。

地面地震震源4为地面重锤震源或炸药震源或可控震源或在水池中激发的气枪震源或电火花震源。

井下光纤四分量地震信号传感单元9的工作原理是：从光源光调制系统发出的多波长调制激光通过传输光缆中的多芯光纤传送到井下的四分量光纤矢量水听器阵列中，四分量光纤矢量水听器将所在的空间位置点水声场x，y，z振动加速度信号和声压信号以光相位调制的方式加载到对应激光载波信号中。通过传输光缆上传光纤，将各路光信号传输到光电接收系统，经光电转换放大和AD变换得到多路带光学调制的数字载波检测信号。经光学调制解调，还原出各路高保真的四分量地震检测数字信号。

地面大功率电磁脉冲发射源包括大功率电磁脉冲发射控制装置1和发射天线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，或者沿井眼径向方向布设的接地长导线、沿井眼径向方向布设的接地长导线，接地长导线的长度为1000m～10000m，大功率电磁脉冲发射控制装置1通过换向开关向两条接地长导线交替供电。大功率电磁脉冲发射控制装置1向发射天线2提供大功率电磁脉冲激励电流3，发射天线2通过接地长导线两端的接地电极将大功率电磁脉冲激励电流3直接馈入地中。

井中光纤电磁信号接收采集阵列6包括一个或数个光纤电磁和光纤地震数据采集短节11、每个光纤电磁地震数据采集短节包括一个光纤四分量地震信号传感单元9、一个三分量光纤磁场传感器7、一个三分量光纤电场传感器8和一个光纤陀螺仪10。三分量光纤电场传感器8安置于数据采集短节11的上端，三分量光纤磁场传感器7安置于数据采集短节11的下端，光纤四分量地震信号传感单元9安装在数据采集短节11的中部，光纤陀螺仪10紧靠着四分量地震信号传感单元9。每个光纤电磁地震数据采集短节11相距10米左右，四分量光纤地震信号传感单元由三分量光纤检波器和光纤水听器构成的四分量光纤矢量水听器基元组成，单矢量探测基元采用了三轴分立式结构。三分量光纤磁场传感器7由相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器或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8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6之间由铠装光纤缆12相连接。

实施例2

参考图2和图3，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。

基于本实用新型的阵列式光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置(6)的数据采集过程，包括以下步骤：

a、所述地面人工震源4按照施工计划在钻井周围设置的震源点逐点依次进行激发，所述四分量光纤地震信号传感单元9在待测井段按一定的点距(10米左右)逐点采集地面人工震源激发的直达波信号和来自地层的反射波、折射波、绕射波和面波等全波场地震信号；

b、紧挨着四分量光纤地震信号传感单元9安装的光纤陀螺仪10同步采集数据采集短节11的三分量姿态数据(倾角、倾向、方位角)；

c、大功率电磁脉冲发射控制装置1持续发射大功率电磁脉冲激励电流3，大功率电磁脉冲激励电流3的波形为归零半占空双极性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0.01～100s，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；

d、三分量光纤磁场传感器7和三分量光纤电场传感器8在待测井段按一定的点距逐点采集步骤c中的井中三分量磁场(H_x，H_y，H_z)和三分量电场(E_x、E_y、E_z)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的井中三分量磁场信号和三分量电场信号；

e、数据采集短节11将步骤a采集的四分量井中地震数据、将步骤b采集的三分量姿态数据和将步骤d采集到的时频电磁数据通过铠装光纤缆12传输至地面的仪器车5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四分量地震信号、三分量磁场信号和三分量电场信号；

f、根据光纤陀螺仪10采集的数据采集短节11的三分量姿态数据(倾角、倾向、方位角)，将步骤e中地震数据旋转变换成相应深度的井下四分量地震信号，将三分量磁场信号和三分量电场信号进行叠加处理和旋转变换，得到井下沿垂直方向和与地平面平行的两个正交水平方向的时频电磁和地震数据的时间序列数据；

g、在时间域或频率域处理步骤f中的时间序列三分量时频电磁数据，得到各测点的电磁场量和电磁场梯度，提取与地层电学性质有关的参数；

h、将步骤g的各测点的电磁场量和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；

i、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；

j、将步骤e中转换成相应深度的井下四分量地震信号进行井中地震数据处理，获得地下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据以及井周围高分辨率地质构造成像。

在上述步骤a中，地面人工震源4为地面重锤震源或炸药震源或可控震源或在水池中激发的气枪震源或电火花震源。

在上述步骤c中，大功率电磁脉冲激励电流的波形为归零半占空双极性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0.01～100s。

在上述步骤d中，每个测点测量和记录10～50周期的磁场信号和电场信号。

在上述步骤h中，根据得到的地层复电阻率分布变化规律获取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i中，根据得到的地层极化率分布规律，并实现对地层含油气或高极化矿物参数的解释与评价。

在上述步骤j中，根据得到的地下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据，实现井周围高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，包括：地面大功率电磁脉冲发射源(1)、地面人工震源(4)和井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)，所述井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)通过铠装光纤缆(12)与地面上的仪器车(5)连接，所述连接仪器车(5)的铠装光纤缆(12)控制井中光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)在井中的深度位置，其特征在于，

所述地面人工震源(4)向地面以下激发地震波，地面大功率电磁脉冲发射源包括大功率电磁脉冲发射源(1)和发射天线(2)，所述大功率电磁脉冲发射源(1)向发射天线(2)提供大功率脉冲激励电流(3)；

所述井中阵列式光纤电磁和光纤地震信号接收采集装置(6)包括若干数据采集短节(11)、以及安装于数据采集短节(11)中的三分量光纤磁场传感器(7)、三分量光纤电场传感器(8)、四分量光纤地震信号传感单元(9)、三分量光纤姿态传感器(10)；阵列式布设的数据采集短节之间通过铠装光纤缆(12)相连接；

数据采集短节(11)中，三分量光纤电场传感器(8)安置于数据采集短节(11)的上端，三分量光纤磁场传感器(7)安置于数据采集短节(11)的下端，所述四分量光纤地震信号传感单元(9)安装在数据采集短节(11)的中部，紧挨着四分量光纤地震信号传感单元(9)安装一个三分量光纤姿态传感器(10)。

2.根据权利要求1所述的一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述阵列中相邻两个三分量光纤磁场传感器(7)之间的距离为10m，阵列中相邻两个三分量光纤电场传感器(8)之间的距离为10m。

3.根据权利要求2所述的一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，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采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成。

4.根据权利要求2所述的一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述三分量光纤电场传感器为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采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。

5.根据权利要求2所述的一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述四分量光纤地震信号传感单元由包括三分量光纤检波器和光纤水听器组成的四分量光纤矢量水听器基元，单矢量探测基元采用了三轴分立式结构。

6.根据权利要求1所述的一种阵列式井中三分量光纤时频电磁和四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，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、沿井眼径向方向布设的接地长导线、以井眼为中心的方形大回线线圈、以井眼为中心的圆形大回线线圈中的一种；

若发射天线(2)为以井眼为中心的两条相互正交接地长导线，或为沿井眼径向方向布设的接地长导线，则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；

若发射天线(2)为以井眼为中心的方形大回线线圈或以井眼为中心的圆形大回线线圈；则通过将大功率脉冲激励电流(3)接入方形大回线线圈或圆形大回线线圈激励电磁场。

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