震源為直線電動機的單井地震測井系統(tǒng)設計

鹿蔚旭，趙發(fā)明，閻治安 ，馮寶文，季明月

(1中國電建青海火電工程公司，青海西寧 810000；2西京學院，陜西西安 710123)

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震源為直線電動機的單井地震測井系統(tǒng)設計

鹿蔚旭1，趙發(fā)明2，閻治安2，馮寶文2，季明月2

(1中國電建青海火電工程公司，青海西寧 810000；2西京學院，陜西西安 710123)

針對雙井(震源井和接收井)地震系統(tǒng)所存在地震波分辨率不高、高頻成分損失的問題，設計了一種震源為直線電動機的新型單井地震測井系統(tǒng)，揭示了系統(tǒng)的組成及工作原理，設計出了切實可行的整體方案，解決了單井可以替代雙井的難題。實驗測試結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性，對我國油氣田勘探開發(fā)以及地震勘探技術具有一定的推動作用。

直線電動機；單井地震測井；組成及工作原理

0 引言

油氣田的勘探開發(fā)在我國現(xiàn)代化建設和發(fā)展的進程中有著及其重要的意義，近幾年出現(xiàn)的地震勘探技術在國內(nèi)外被廣泛采用，被認為是一種很有發(fā)展前景的測井技術[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)來獲取井下或井地間數(shù)據(jù)資料的一種勘探技術；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，置于同一井中進行數(shù)據(jù)資料采集工作的技術。由于單井地震技術是將地震波激發(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中的高頻成分吸收掉，因此，單井地震技術的分辨率比地面地震技術的分辨率高出數(shù)百倍[3，4]，但是后者技術難度較大。

為此，本文設計出了用于勘測溶洞、巖鹽等特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的震源為直線電動機的單井地震測井系統(tǒng)，得出了該系統(tǒng)的組成及其機理，解決了單井地震測井在我國的理論與實踐的結(jié)合，進一步推進了地質(zhì)勘探事業(yè)在我國的發(fā)展。

1 單機地震測井系統(tǒng)的組成及工作原理

單井(Single Well)地震測井技術目前尚沒有明確的定義，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)通過通用七芯測井電纜連接在一起置于同一井中進行地震數(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井技術。單井地震測井系統(tǒng)采集示意圖如圖1所示。

圖1 單井地震測井系統(tǒng)采集示意圖

單井地震測井系統(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機的次級錘桿提升后做自由落體運動錘擊錘砧座所產(chǎn)生的能量波，由井壁傳遞出去，從而使采集系統(tǒng)又通過同一個井能夠接收到這種地震勘測的震動波。

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

2 單井地震測井系統(tǒng)整體設計方案

根據(jù)工程要求單井地震測井系統(tǒng)的主要技術指標如表1所示。

表1 單井地震測井系統(tǒng)的主要技術指標

2.1 震源設計

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

圖2 管狀直線電動機的初級結(jié)構(gòu)形式

圖3 管狀直線電動機次級的結(jié)構(gòu)形式

管狀直線電動機的主要設計參數(shù)表如表2所示。

表2 管狀直線電動機的主要設計參數(shù)表

2.2 系統(tǒng)供電方案

單井地震測井系統(tǒng)的供電方案圖如圖4所示。

圖4 單井地震測井系統(tǒng)的供電方案圖

由圖4可見，單井地震測井系統(tǒng)的工作過程主要包括以下步驟。

(1)接通電纜外鎧和6號線，同時給2號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)的直流推靠電動機依次開始工作，直至推靠工作結(jié)束。

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

(3)當擊錘直線電動機向上提錘到頂位后斷開擊錘電機電源，再給3、4號線通電使繼電器K2工作，延時開關S2經(jīng)過接收處理單元的復位時間(16s)后閉合，反向加壓后使擊錘直線電動機的次級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)過接收處理單元的復位時間(16s)后開始等待接收震波信號和TB信號。

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

(6)當采集工作結(jié)束后交換3、4、5號線中的任意兩根的線序，使得擊錘直線電動機反向向上運行，錘桿上升至上限位處被延時裝置卡住后斷電。

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

以上過程中如果起井收臂不成功，則需要起動安全解鎖裝置。給電纜外鎧和6號線通電使繼電器K1工作從而使開關S1閉合，然后給5號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)設計

本文在分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的基礎上提出了此地震數(shù)據(jù)采集單元的設計方案，即采用新型AD轉(zhuǎn)換器ADS1282，可以對單道地震信號進行拾取、存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的傳輸，同時通過集成的校準引擎以及數(shù)據(jù)選擇器，還可實現(xiàn)系統(tǒng)校準和自檢功能。通過獲得高分辨率、高保真、高信噪比的數(shù)字信號，保證了所采集的信號質(zhì)量不受到時間、環(huán)境、地點以及條件的影響，并且可以濾除模擬信號傳輸過程中的干擾信號，提高所采集的地震信號的質(zhì)量。

2.4 控制系統(tǒng)設計

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

圖5 單井地震測井系統(tǒng)的工作流程圖

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

(1)系統(tǒng)啟動之后先使直流推靠電動機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)部檢測電路來完成的。當推靠臂緊貼管道壁時，推靠電機相當于堵轉(zhuǎn)，電機電樞繞組的電流會增大，當檢測電路檢測到電流有明顯增大時，就切斷外部供電電源，使機械“鎖死”，推靠過程結(jié)束。

(2)接通直線電機電源，直線電機的次級錘桿就向上運動，當直線電機的次級所帶錘桿的上限位檢測裝置檢測到錘桿已運行至頂位時，自動切斷直線電動機的三相電源，同時延時裝置也能使錘桿機械卡扣。

(3)接通采集系統(tǒng)和CCL電源，使采集系統(tǒng)復位，復位時間設計為16s。

(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)復位后(16s)接通延時裝置電源，延時裝置中的卡扣打開，直線電機的錘桿就會自由下落。錘擊到震波發(fā)生器的錘砧座上面激發(fā)出地震波，同時震波發(fā)生器發(fā)出TB信號，當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到TB信號后，就開始采集數(shù)據(jù)。

(5)當數(shù)據(jù)采集工作結(jié)束后，再次接通直線電機電源，使直線電機的次級錘桿上升至上限位處并被延時裝置的卡扣卡住，同時，系統(tǒng)接收到上限位檢測裝置會發(fā)出的信號之后就會切斷直線電機的三相電源。

(6)上述單個工作周期按照實際需求工作N個周期后，整個系統(tǒng)工作結(jié)束時，再使直流推靠電動機1、2反向旋轉(zhuǎn)工作，使推靠臂收回，整個系統(tǒng)便可以開始向上提升。

(7)若推靠臂遇卡不能成功收回時，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，以完成單井地震測井工序。

3 實驗結(jié)果分析

為了驗證單井地震測井系統(tǒng)的性能，選擇了一口氣井來進行單井地震系統(tǒng)的模擬測試，一組單井地震測井系統(tǒng)測試實況照片如圖6所示。

圖6 一組單井地震測井系統(tǒng)測試實況照片

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

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場測試表明，本文所設計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)能夠按照預先設定好的控制程序穩(wěn)定運行，各儀器設備之間能夠協(xié)調(diào)工作，運行狀況良好，解決了單井可以替代雙井進行地震測井的難題。

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

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

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

[4] 陳越峰.地震勘探技術的發(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在伺服電機位置控制中的應用[J].自動化儀表,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)于四川大學電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)在從事電氣技術工作.

2016-07-26