震源为直线电动机的单井地震测井系统设计

鹿蔚旭，赵发明，阎治安 ，冯宝文，季明月

(1中国电建青海火电工程公司，青海西宁 810000；2西京学院，陕西西安 710123)



震源为直线电动机的单井地震测井系统设计

鹿蔚旭1，赵发明2，阎治安2，冯宝文2，季明月2

(1中国电建青海火电工程公司，青海西宁 810000；2西京学院，陕西西安 710123)

针对双井(震源井和接收井)地震系统所存在地震波分辨率不高、高频成分损失的问题，设计了一种震源为直线电动机的新型单井地震测井系统，揭示了系统的组成及工作原理，设计出了切实可行的整体方案，解决了单井可以替代双井的难题。实验测试结果证明了该系统的可行性，对我国油气田勘探开发以及地震勘探技术具有一定的推动作用。

直线电动机；单井地震测井；组成及工作原理

0 引言

油气田的勘探开发在我国现代化建设和发展的进程中有着及其重要的意义，近几年出现的地震勘探技术在国内外被广泛采用，被认为是一种很有发展前景的测井技术[1]。地震勘探中普遍采用的一种方法就是井中地震勘探，井中地震勘探又包含井间(双井)地震和单井地震等形式[2]。井间地震是指在相距一定距离的两口井中分别置入地震波激发装置和数据采集系统来获取井下或井地间数据资料的一种勘探技术；单井地震是指将地震波激发装置与数据采集系统相互连接，置于同一井中进行数据资料采集工作的技术。由于单井地震技术是将地震波激发装置与数据采集系统放在同一口井中工作，可避免地表低速带将地震信号中的高频成分吸收掉，因此，单井地震技术的分辨率比地面地震技术的分辨率高出数百倍[3，4]，但是后者技术难度较大。

为此，本文设计出了用于勘测溶洞、岩盐等特殊地质结构的震源为直线电动机的单井地震测井系统，得出了该系统的组成及其机理，解决了单井地震测井在我国的理论与实践的结合，进一步推进了地质勘探事业在我国的发展。

1 单机地震测井系统的组成及工作原理

单井(Single Well)地震测井技术目前尚没有明确的定义，通常把将地震波激发系统(震源)和数据采集系统通过通用七芯测井电缆连接在一起置于同一井中进行地震数据采集，从而得到井下或井地联合地震数据的方法称为单井地震测井技术。单井地震测井系统采集示意图如图1所示。

图1 单井地震测井系统采集示意图

单井地震测井系统主要包括地震波激发(震源)系统和数据采集系统，地震波激发是影响资料分辨率的主要因素，高分辨率地震勘探震源激发的地震波应满足宽频带、高主频、高信噪比等条件。震源主要是将直线电动机的次级锤杆提升后做自由落体运动锤击锤砧座所产生的能量波，由井壁传递出去，从而使采集系统又通过同一个井能够接收到这种地震勘测的震动波。

数据采集系统是由数据采集单元来进行，主要由微控制器(单片机)、数字检波器、Σ-Δ型Α/D转换器、前置放大器、温度检测单元、供电电源和推靠电机等部分组成，控制命令的发送及传输任务主要由电子线路部分来完成，整个系统的供电和信号传输均由七芯测井电缆来完成。

2 单井地震测井系统整体设计方案

根据工程要求单井地震测井系统的主要技术指标如表1所示。

表1 单井地震测井系统的主要技术指标

2.1 震源设计

对于震源的设计，主要是根据技术指标完成管状直线电动机的设计，具体设计结果为：管状直线电动机的初级选用横向叠片式的结构形式，初级铁心是由硅钢片叠压而成的，单片厚度为0.35mm，每组有15片。初级绕组一共有30组，与初级铁心交替排列，它们之间用耐高温导热胶绝缘。管状直线电动机的初级结构形式如图2所示。管状直线电动机的次级长度约为2200mm，外径为φ46.4mm，选用钢-铜复合材料，即在35#圆钢上包裹了一层厚度约为1.5mm的H62型黄铜。由于钢的导磁性能好，而黄铜的导电性能好，这样就可以使管状直线电动机的次级既具有良好的导磁性能又能产生较大的激磁电流，使其在同样的磁场中可以收到更大的电磁推力。管状直线电动机次级的结构形式如图3所示。

图2 管状直线电动机的初级结构形式

图3 管状直线电动机次级的结构形式

管状直线电动机的主要设计参数表如表2所示。

表2 管状直线电动机的主要设计参数表

2.2 系统供电方案

单井地震测井系统的供电方案图如图4所示。

图4 单井地震测井系统的供电方案图

由图4可见，单井地震测井系统的工作过程主要包括以下步骤。

(1)接通电缆外铠和6号线，同时给2号线和电缆外铠加入推靠电压，震源和数据采集与传输系统的直流推靠电动机依次开始工作，直至推靠工作结束。

(2)仅给3、4、5号线通电，接通击锤电机电源使击锤电机工作，由于S1的隔离作用，2号线正常输出TB信号，数据采集与传输系统接收到TB信号便开始工作。

(3)当击锤直线电动机向上提锤到顶位后断开击锤电机电源，再给3、4号线通电使继电器K2工作，延时开关S2经过接收处理单元的复位时间(16s)后闭合，反向加压后使击锤直线电动机的次级锤杆下落到总行程的2/3处断电再自由落体，以保证足够能量锤击锤砧座。

(4)随即接通6号线为接收处理单元电源和CCL电源供电，接收处理单元经过接收处理单元的复位时间(16s)后开始等待接收震波信号和TB信号。

(5)当锤杆自由下落砸到底部锤震板后产生TB信号和震波信号，接收处理单元通过1、7号线上传数据，开始采集、显示、自检工作。

(6)当采集工作结束后交换3、4、5号线中的任意两根的线序，使得击锤直线电动机反向向上运行，锤杆上升至上限位处被延时装置卡住后断电。

(7)工作结束起井收臂时，同时给继电器K1和直流推靠电动机1、2加上工作电压，使其反向旋转工作，通过电路操作实现使震源推靠电机1在60s内收臂，使采集推靠电机2在15s内收臂(两种臂的结构不同，故收臂时间也不同)，则一个工作过程完成。

以上过程中如果起井收臂不成功，则需要起动安全解锁装置。给电缆外铠和6号线通电使继电器K1工作从而使开关S1闭合，然后给5号线通电接通解锁装置电源，使震源的安全解锁装置工作从而使仪器顺利起井。

2.3 数据采集系统设计

本文在分布式地震数据采集系统设计的基础上提出了此地震数据采集单元的设计方案，即采用新型AD转换器ADS1282，可以对单道地震信号进行拾取、存储、数据转换以及数据的传输，同时通过集成的校准引擎以及数据选择器，还可实现系统校准和自检功能。通过获得高分辨率、高保真、高信噪比的数字信号，保证了所采集的信号质量不受到时间、环境、地点以及条件的影响，并且可以滤除模拟信号传输过程中的干扰信号，提高所采集的地震信号的质量。

2.4 控制系统设计

勘探用单井地震系统控制系统的控制器选用西门子公司的S7-200型PLC，选用CPU的型号为226，该型号的PLC具有体积小、结构紧凑、控制速度快、性价比高等特点[5]，而且控制功能也及其强大，足以满足本系统的使用性能要求。 单井地震测井系统控制系统的工作流程图如图5所示。

图5 单井地震测井系统的工作流程图

由此，单井地震测井系统控制系统的具体工作过程包括以下步骤。

(1)系统启动之后先使直流推靠电动机1、2加正向旋转工作，使推靠臂紧贴管道壁，推靠臂是否紧贴管道壁是由推靠装置的内部检测电路来完成的。当推靠臂紧贴管道壁时，推靠电机相当于堵转，电机电枢绕组的电流会增大，当检测电路检测到电流有明显增大时，就切断外部供电电源，使机械“锁死”，推靠过程结束。

(2)接通直线电机电源，直线电机的次级锤杆就向上运动，当直线电机的次级所带锤杆的上限位检测装置检测到锤杆已运行至顶位时，自动切断直线电动机的三相电源，同时延时装置也能使锤杆机械卡扣。

(3)接通采集系统和CCL电源，使采集系统复位，复位时间设计为16s。

(4)数据采集系统复位后(16s)接通延时装置电源，延时装置中的卡扣打开，直线电机的锤杆就会自由下落。锤击到震波发生器的锤砧座上面激发出地震波，同时震波发生器发出TB信号，当数据采集系统接收到TB信号后，就开始采集数据。

(5)当数据采集工作结束后，再次接通直线电机电源，使直线电机的次级锤杆上升至上限位处并被延时装置的卡扣卡住，同时，系统接收到上限位检测装置会发出的信号之后就会切断直线电机的三相电源。

(6)上述单个工作周期按照实际需求工作N个周期后，整个系统工作结束时，再使直流推靠电动机1、2反向旋转工作，使推靠臂收回，整个系统便可以开始向上提升。

(7)若推靠臂遇卡不能成功收回时，需接通解锁装置的电源，安全栓被推断后，推靠臂便可收回，保证系统整体可以安全向上提升，以完成单井地震测井工序。

3 实验结果分析

为了验证单井地震测井系统的性能，选择了一口气井来进行单井地震系统的模拟测试，一组单井地震测井系统测试实况照片如图6所示。

图6 一组单井地震测井系统测试实况照片

图6中(a)为仪器的吊装；(b)为所使用的测试设备，其中有一辆吊车和一辆系统控制车；(c)为测试仪器的调试；(d)为所测得的数据波形实况。

4 结语

通过现场测试表明，本文所设计的勘探用单井地震系统基本上能够实现地震数据资料采集的功能，其控制系统能够按照预先设定好的控制程序稳定运行，各仪器设备之间能够协调工作，运行状况良好，解决了单井可以替代双井进行地震测井的难题。

[1] 王炳章,王丹.油气勘探技术发展趋势和发展水平[J].油气勘探与开发, 2011,16(5):46-55.

[2] 撒利明,董世泰,李向阳.中国石油物探新技术研究及展望[J].石油地球物理勘探, 2012(06).

[3] 许大伟.地震勘探技术及发展趋势研究[J].科技资讯,2013,14:237-238.

[4] 陈越峰.地震勘探技术的发展及前景分析[J].煤田地质与勘探,2013,A27:61-62.

[5] 胡佳丽,闫宝瑞,张安震，等.S7-200 PLC在伺服电机位置控制中的应用[J].自动化仪表,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；毕业于四川大学电气自动化专业，现在从事电气技术工作.

2016-07-26