CN212364605U - 阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，包括地面人工震源和井中四分量光纤地震信号接收采集短接，井中四分量光纤地震信号接收采集短接通过铠装光电复合缆与数据采集控制和调制解调仪器相连接，井中四分量光纤地震信号接收采集短接有多个；每个井中四分量光纤地震信号接收采集短接内设有四分量光纤地震信号传感单元、三分量光纤姿态传感器和光纤惯导陀螺仪。本实用新型在井下采用了耐高温三分量光纤检波器和光纤水听器，频带范围远远大于井中地震信号的频带响应，灵敏度高、且井下的四分量光纤地震数据采集装置十分简单，可以使得该采集装置下到所有的高温井里采集井中地震数据，为油气田的高效开发提供有力的技术支持。

Description

阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置

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井中四分量光纤地震数据采集装置。

背景技术

井中地震技术包括垂直地震剖面技术(VSP)、井间地震技术和井中微地震监测技术。垂直地震剖面技术是目前探测地下地质结构的最直接，有效和可靠的地球物理勘探方法之一。它的基本原理和实施方法是将多个井中三分量地震检波器按一定间隔放在钻井中不同深度，在地面或水面井口附近或其邻近区域进行单点或多点的地震震源激发。激发产生的地震波向地下传播，当地震波遇到不同的地质界面就形成折射和反射。所有的地震波信号经过钻井中的检波器时为检波器接收和记录。对接收的地震波信号进行数学处理我们可以得到地下不同深度岩石的物理特性。如果地下检波器和地面震源的数目足够多，我们就可计算出地下地质界面一维，二维或三维的几何位置和物理特性。这种方法的优点是所获得的地下地质构造物理特性的信息详细和准确。它的缺点是必须有钻井，而且只能得到钻井附近地下的地质构造物理特性的资料。

目前行业内使用最广泛的就是常规的井中三分量检波器采集井中地震(VSP)数据。三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器。与单分量的常规地震检波器不同，每个检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量，用于同时记录纵波、横波、转换波。常规的检波器主要是由外壳、圆柱行磁钢、环行弹簧片和线圈等组成。磁钢被垂直的固定在外壳中央，线圈通过上下两个弹簧片与外壳做软连接，使它置于磁钢和外壳之间环行磁通间隙间，能够上下移动。当地震波传到地表观测点时，检波器外壳连同磁钢随之发生震动，线圈则由于惯性而滞后于磁钢，形成二者之间的相对运动。在这样的运动中，线圈切割磁力线产生感应电动势，输出与震动周期相对应的电流信号，通过专门的仪器可将这些信号放大并记录下来，从而实现了将地面振动信号转化为电振动的机电转换，拾取到了地震波。这类检波器输出的信号电压和其振动的位移速度有关，因此称为速度检波器。这类检波器的特点是：它的输出电压反映检波器外壳的位移随时间的变化率即速度，其性能指标包括固有频率，灵敏度，线圈自流电阻，阻尼，谐波畸变和寄生共振。从实际上考虑还有耐用性，大小和形状。一般来说，对于检波器的大小和形状，用户没有多少选择的余地。通常选用灵敏度高(阻尼约为0.6)、谐波畸变小、寄生共振频率在记录频率之外，并且耐用性好的检波器。对不同型号的检波器的寄生噪声做对比，发现固有频率为100Hz的检波器不但可以消除低噪声，而且可将频带展宽到650Hz左右。为了记录井下检波器感应到的震动信号，井下检波器阵列内还设置有检波器输出的模拟信号放大、滤波、去噪、模数转换、数据存储和数据传输等电路模块，以便将井下三分量检波器阵列采集到的井中地震数据通过数千米长的铠装测井电缆传送到井口旁边仪器车上的采集控制计算机里存储起来。由于深井下的高温高压作业环境，要求井下三分量检波器阵列要能够在井下长期稳定可靠的工作，这样的要求给井下三分量检波器阵列的研制带来了很大的困难。井下常规三分量检波器阵列里面的电子器件难以在高温环境下长期工作，另外目前井下三分量检波器阵列采集的井中地震数据完全靠铠装测井电缆从井下向地面传输，由于长距离(数千米)电缆数据传输的局限性，没有办法实现井下大量数据向地面的高速传输。上面这些因素极大的限制了井下三分量检波器阵列技术的发展和推广应用。

实用新型内容

为了解决常规井下常规三分量检波器地震数据采集仪器不能在高温井里长时间作业和长距离电缆数据传输能力有限的困难瓶颈问题，本实用新型提出了一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，通过在井中阵列式光纤地震信号接收采集装置内采用耐高温的三分量光纤检波器、耐高温的光纤水听器、耐高温的三分量光纤姿态传感器和耐高温的光纤陀螺仪，实现超深超高温井里的井中四分量地震数据的采集和高密度高频率采集的大量数据从井下到井口的高速传输，解决井下常规三分量检波器阵列里面的电子器件难以在高温环境下长期工作和井下大量数据通过测井电缆向地面的高速传输的瓶颈问题。

本实用新型还提供基于井中阵列式四分量光纤地震信号接收采集装置的多分量地球物理数据采集方法，可采集地下全波场地震信号，对后续实现储层参数的解释与评价、对地层含油气的解释与评价以及井周围高分辨率地质构造成像提供参考数据。

光纤地震检波器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、井下无源，耐腐蚀、耐高温的优势，是地震检波器技术的发展方向。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。

具体的技术方案为：

一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，包括：地面人工震源和井中四分量光纤地震信号接收采集短接，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接通过铠装光电复合缆与井口附近的数据采集控制和调制解调仪器相连接，所述的铠装光电复合缆控制井中四分量光纤地震信号接收采集短接在井中的深度位置；

所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接有多个；

每个井中四分量光纤地震信号接收采集短接内设有四分量光纤地震信号传感单元、三分量光纤姿态传感器和光纤惯导陀螺仪。

多个所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接按照阵列式布设，相邻的井中四分量光纤地震信号接收采集短接之间通过铠装光电复合缆相连接，间距从几米到几十米之间。

进一步的，所述四分量光纤地震信号传感单元包括三分量光纤地震信号传感单元和光纤水听器，所述的三分量光纤地震信号传感单元采用了三轴分立式结构且互相垂直。

其中，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接内自上到下依次为：光纤惯导陀螺仪、三分量光纤地震信号传感单元、三分量光纤姿态传感器、光纤水听器；三分量光纤地震信号传感单元、光纤水听器分别依次通过耐高温光纤和铠装光电复合缆与数据采集控制和调制解调仪器相连接。

具体的，所述三分量光纤地震信号传感单元包括六个光纤检波器，分成三个相互垂直的分量方向，每个分量方向各由两个光纤检波器串联叠加构成。

优选的，所述三分量光纤地震信号传感单元的光纤检波器为强度调制型光纤检波器、相位调制型光纤检波器、波长调制型检波器、分布型光纤检波器中的任一种。

所述光纤水听器为调幅型光纤水听器、调相型光纤水听器、偏振型光纤水听器中的任一种，光纤水听器外面紧密包裹有耐高温耐高压防水的保护橡胶套，保护橡胶套外的高强度合金材料(比如钛合金)仪器保护外壳上开有槽，便于井液中的压力波直接传递到紧密包裹光纤水听器的保护橡胶套上。

进一步的，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接中部外壁设有一个推靠装置，所述的推靠装置为机械推靠装置、机电推靠装置、电磁推靠装置、液压推靠装置中任一种；推靠装置由铠装光电复合缆控制；在井中地震数据采集过程中，所述的推靠装置将井中四分量光纤地震信号接收采集短接紧紧的推靠在井下套管内壁上或井壁上，保证井中四分量光纤地震信号接收采集短接和套管内壁或井壁的紧贴和良好的波阻抗耦合。

上述的阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置的数据采集方法，包括以下步骤：

a、停在井口旁边的仪器车逐级将井中四分量光纤地震信号接收采集短接下放到待测井段，仪器车内的数据采集控制和调制解调仪器通过铠装光电复合缆启动推靠装置将井中四分量光纤地震信号接收采集短接紧紧的推靠在套管内壁或井壁上，然后启动井中四分量光纤地震信号接收采集短接进行仪器状态自检，确保每级井中四分量光纤地震信号接收采集短接都与套管内壁或井壁有良好的推靠耦合并且工作正常；

b、所述地面人工震源按照施工计划在钻井周围预先设计的震源点逐点依次进行激发，地面人工震源为地面重锤震源或炸药震源或可控震源或在水池中或湖泊中或海洋中激发的气枪震源或电火花震源。所述四分量光纤地震信号传感单元在待测井段按一定的点距逐点采集地面人工震源激发的全波场四分量井中地震数据；

c、所述三分量光纤姿态传感器同步采集四分量光纤地震信号传感单元在数据采集位置的三分量姿态数据；

d、所述光纤惯导陀螺仪同步采集四分量光纤地震信号传感单元在数据采集位置的方位数据；

e、将步骤b采集的四分量井中地震数据、将步骤c采集的三分量姿态数据和步骤d采集的方位数据通过铠装光电复合缆传输至数据采集控制和调制解调仪器，然后经过调制解调转换成相应深度的井下四分量地震数据；

f、根据数据采集位置的三分量姿态数据和方位数据，将步骤e中相应深度的井下三分量地震数据通过旋转投影变换成相应深度的井下三分量地震数据，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三分量井中地震数据；

g、将步骤f中转换成相应深度且进行了旋转投影变换的井下四分量地震数据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、井周围高分辨率地质构造成像、获取反褶积算子、进行井控速度建模、地层划分、层析成像，以及对地面地震数据进行静校正处理、高频恢复、多次波消除、反褶积处理、各向异性偏移、Q补偿或Q偏移，提高地面地震数据的处理精度和品质。

本实用新型的有益效果：本实用新型通过在井中阵列式光纤地震信号接收采集装置内采用耐高温的三分量光纤检波器、耐高温的光纤水听器、耐高温的三分量光纤姿态传感器和耐高温的光纤陀螺仪，实现超深超高温井里的井中四分量地震数据的采集和高密度高频率采集的大量数据从井下到井口的高速传输，解决井下常规三分量检波器阵列里面的电子器件难以在高温环境下长期工作和井下大量数据向地面的高速传输的瓶颈问题。光纤地震检波器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、井下无源，耐腐蚀、耐高温的优势。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。本实用新型还可以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。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型井中四分量光纤地震信号接收采集短接的结构示意图。

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。

如图1所示，一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，包括：地面人工震源和井中四分量光纤地震信号接收采集短接1，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接1通过铠装光电复合缆2与井口附近的数据采集控制和调制解调仪器16相连接，所述的铠装光电复合缆2控制井中四分量光纤地震信号接收采集短接1在井中的深度位置，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接1有多个；

多个所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接1按照阵列式布设，相邻的井中四分量光纤地震信号接收采集短接1之间通过铠装光电复合缆2相连接，间距从几米到几十米之间。

图2所示，每个井中四分量光纤地震信号接收采集短接1内设有四分量光纤地震信号传感单元、三分量光纤姿态传感器20和光纤惯导陀螺仪30。

所述四分量光纤地震信号传感单元包括三分量光纤地震信号传感单元3和光纤水听器9，所述的三分量光纤地震信号传感单元3采用了三轴分立式结构且相互垂直。

所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接1内自上到下依次为：光纤惯导陀螺仪30、三分量光纤地震信号传感单元3、三分量光纤姿态传感器20、光纤水听器9；三分量光纤地震信号传感单元3、光纤水听器9分别依次通过耐高温光纤11和铠装光电复合缆2与数据采集控制和调制解调仪器16相连接。

所述三分量光纤地震信号传感单元3包括六个光纤检波器，分成三个相互垂直的分量方向，每个分量方向各由两个光纤检波器串联叠加构成。

所述三分量光纤地震信号传感单元3的光纤检波器为强度调制型光纤检波器、相位调制型(干涉型)光纤检波器、波长调制型(光纤光栅型及光纤激光型)检波器、分布型光纤检波器中的任一种。

所述光纤水听器9为是调幅型光纤水听器(强度型光纤水听器)、调相型光纤水听器(干涉型光纤水听器)、偏振型光纤水听器(光纤光栅水听器)中的任一种，光纤水听器9外面紧密包裹有耐高温耐高压防水的保护橡胶套，保护橡胶套外的高强度合金材料(比如钛合金) 仪器保护外壳上开有槽10，便于井液中的压力波直接传递到紧密包裹光纤水听器9的保护橡胶套上。

所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接1中部外壁设有一个推靠装置15，所述的推靠装置15为机械推靠装置、机电推靠装置、电磁推靠装置、液压推靠装置中任一种；推靠装置15由铠装光电复合缆2控制；在井中地震数据采集过程中，所述的推靠装置15将井中四分量光纤地震信号接收采集短接1紧紧的推靠在井下套管内壁上或井壁上，保证井中四分量光纤地震信号接收采集短接1和套管内壁或井壁的紧贴和良好的波阻抗耦合。

所述的阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置的数据采集方法，包括以下步骤：

a、停在井口旁边的仪器车逐级将井中四分量光纤地震信号接收采集短接1下放到待测井段，仪器车内的数据采集控制和调制解调仪器16通过铠装光电复合缆2启动推靠装置15将井中四分量光纤地震信号接收采集短接1紧紧的推靠在套管内壁或井壁上，然后启动井中四分量光纤地震信号接收采集短接1进行仪器状态自检，确保每级井中四分量光纤地震信号接收采集短接1都与套管内壁或井壁有良好的推靠耦合并且工作正常；

b、所述地面人工震源按照施工计划在钻井周围预先设计的震源点逐点依次进行激发，地面人工震源为地面重锤震源或炸药震源或可控震源或在水池中或湖泊中或海洋中激发的气枪震源或电火花震源。所述四分量光纤地震信号传感单元在待测井段按一定的点距逐点采集地面人工震源激发的全波场四分量井中地震数据；

c、所述三分量光纤姿态传感器20同步采集四分量光纤地震信号传感单元在数据采集位置的三分量姿态数据；

d、所述光纤惯导陀螺仪30同步采集四分量光纤地震信号传感单元在数据采集位置的方位数据；

e、将步骤b采集的四分量井中地震数据、将步骤c采集的三分量姿态数据和步骤d采集的方位数据通过铠装光电复合缆2传输至数据采集控制和调制解调仪器16，然后经过调制解调转换成相应深度的井下四分量地震数据；

f、根据数据采集位置的三分量姿态数据和方位数据，将步骤e中相应深度的井下三分量地震数据通过旋转投影变换成相应深度的井下三分量地震数据，得到数据采集位置井下沿垂直方向和与地平面平行的两个正交水平方向的三分量井中地震数据；

g、将步骤f中转换成相应深度且进行了旋转投影变换的井下四分量地震数据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、井周围高分辨率地质构造成像、获取反褶积算子、进行井控速度建模、地层划分、层析成像，以及对地面地震数据进行静校正处理、高频恢复、多次波消除、反褶积处理、各向异性偏移、Q补偿或Q偏移，提高地面地震数据的处理精度和品质。

由于在井下采用了耐高温的三分量光纤地震信号传感单元3、光纤水听器9、三分量光纤姿态传感器20和光纤惯导陀螺仪30，阵列式井中四分量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检波器；此阵列式井中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地震数据，克服了常规井下地震数据采集仪器不能在高温井里作业的困难。

本实用新型的三分量光纤地震信号传感单元3，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。永久井下光纤三分量(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米。

阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置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300℃，压力达30000psi)，测量系统没有可移动部件和井下电子器件。每个三分量光纤地震信号传感单元3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。三分量光纤地震检波器非常坚固，能经受强的冲击和振动。三分量光纤地震信号传感单元3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1～ 1000Hz，能记录从极低到极高频率的等效响应。

阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置的工作原理是：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三分量光纤地震信号传感单元3和光纤水听器9中，三分量光纤地震信号传感单元3和光纤水听器9将所在的空间位置点的震动加速度信号和水声场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。

对获得的井下四分量地震数据进行井中地震数据处理，得到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、井周围高分辨率地质构造成像、获取反褶积算子、进行井控速度建模、地层划分、层析成像，以及对地面地震数据进行静校正处理、高频恢复、多次波消除、反褶积处理、各向异性偏移和Q补偿或Q偏移，提高地面地震数据的处理精度和品质，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 (8)

1.一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，包括：地面人工震源和井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)通过铠装光电复合缆(2)与井口附近的数据采集控制和调制解调仪器(16)相连接，所述的铠装光电复合缆(2)控制井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)在井中的深度位置，其特征在于，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)有多个；

每个井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)内设有四分量光纤地震信号传感单元、三分量光纤姿态传感器(20)和光纤惯导陀螺仪(30)。

2.根据权利要求1所述的一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，多个所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)按照阵列式布设，相邻的井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)之间通过铠装光电复合缆(2)相连接，间距从几米到几十米之间。

3.根据权利要求1所述的一种阵列式井中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包括三分量光纤地震信号传感单元(3)和光纤水听器(9)，所述的三分量光纤地震信号传感单元(3)采用了三轴分立式结构且相互垂直。

4.根据权利要求3所述的一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)内自上到下依次为：光纤惯导陀螺仪(30)、三分量光纤地震信号传感单元(3)、三分量光纤姿态传感器(20)、光纤水听器(9)；三分量光纤地震信号传感单元(3)、光纤水听器(9)分别依次通过耐高温光纤(11)和铠装光电复合缆(2)与数据采集控制和调制解调仪器(16)相连接。

5.根据权利要求3所述的一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述三分量光纤地震信号传感单元(3)包括六个光纤检波器，分成三个相互垂直的分量方向，每个分量方向各由两个光纤检波器串联叠加构成。

6.根据权利要求3所述的一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述三分量光纤地震信号传感单元(3)的光纤检波器为强度调制型光纤检波器、相位调制型光纤检波器、波长调制型检波器、分布型光纤检波器中的任一种。

7.根据权利要求4所述的一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述光纤水听器(9)为调幅型光纤水听器、调相型光纤水听器、偏振型光纤水听器中的任一种，光纤水听器(9)外面紧密包裹有耐高温耐高压防水的保护橡胶套，保护橡胶套外的高强度合金材料仪器保护外壳上开有槽(10)，便于井液中的压力波直接传递到紧密包裹光纤水听器(9)的保护橡胶套上。

8.根据权利要求1所述的一种阵列式井中四分量光纤地震数据采集装置，其特征在于，所述井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)中部外壁设有一个推靠装置(15)，所述的推靠装置(15)为机械推靠装置、机电推靠装置、电磁推靠装置、液压推靠装置中任一种；

推靠装置(15)由铠装光电复合缆(2)控制；在井中地震数据采集过程中，所述的推靠装置(15)将井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)紧紧的推靠在井下套管内壁上或井壁上，保证井中四分量光纤地震信号接收采集短接(1)和套管内壁或井壁的紧贴和波阻抗耦合。

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