智能导钻技术体系与相关理论研发进展

为满足国家高效低成本开发深层/超深层(埋深4500～9000 m)油气资源的战略需求,亟待发展适合我国地质禀赋的深层/超深层石油地质理论,创新支撑深层/超深层油气勘探开发的智能导钻技术体系.依托中国科学院A类战略性先导科技专项“智能导钻技术装备体系与相关理论研究”(简称智能导钻系统),面向深层/超深层系统性开展了油气成藏理论、旋转导向和地质导向钻进技术、远程决策系统和装备试验平台研究.深层/超深层特有的高温、高压环境和水的加氢作用能显著提高油气资源潜力,多类型优质规模储集体形成的主控因素为“先天基础、后期改造、深埋保持”,多期成藏改造过程控制了深层/超深层油气藏类型和分布的差异性.围绕智能导钻技术体系的旋转导向(钻)、地质导向(测)、高速传输(传)、地面控制(控)四大子系统,突破了旋转导向高精度动态测量与控制、非接触高效电能与信号传输,随钻方位电磁波测井全对称抗干扰天线系、高温高压仪器设计与封装,井地数据传输非线性流体负载高精度伺服控制、强畸变信道微弱信号提取等关键技术.研制了旋转导向、地质导向、井地传输等10余支井下仪器,实现了“钻-测-传-控”一体化智能导钻系统的集成总装.目前正在...     

海洋电磁低时钟漂移及自动增益采集技术研究

作为地震探测的有效补充,电磁法在海洋油气资源勘探中发挥着越来越重要的作用.本文针对海洋电磁法中极低时钟误差、大动态范围采集等要求,提出使用GPS和高精度原子钟解决低时钟漂移问题;采集电路中设计增益可调的放大电路,MCU通过对采集到的信号进行实时分析,实现增益动态调整,解决海洋电磁信号大动态范围采集问题;研制的海洋电磁信号数据记录单元每天时间误差小于0.3 ms、电场通道动态范围可以达到160 dB、磁场通道动态范围可以达到134 dB.通过在室内指标测试、室外试验,表明设计的数据记录单元能够稳定可靠工作.为证明数据纪录单元的有效性,将数据记录单元和国外商用MT仪器进行野外一致性对比实验,数据记录单元与商用仪器结果基本一致;在水深100 m海域进行了海底MT信号采集,得到了有效的结果.该研究为海洋电磁信号低时钟漂移、大动态范围采集提供了一种有效解决方案.     

海底地震观测的非接触连接器设计及试验

为了将有缆式海底地震仪连接到海底观测网,以便向地震仪提供电能并传输数据,提出一种非接触式水下连接器设计,并对该设计进行功能验证。非接触式连接器利用电磁耦合原理,采用特殊电磁线圈传输电能和信号,通过控制电能和信号传输的频谱分布来避免二者传输时的相互干扰。实验给出连接器的电磁线圈设计以及硬件电路设计,并通过实验测试来验证设计的正确性及可靠性。     

精密主动地震监测——系统构成与试验

本文介绍的精密主动地震监测系统以与GPS保持同步的电子系统控制的旋转质量体作为地震信号源,产生精确的、高度可重复的地震信号,这种信号经过地下介质传播到达观测点纪录,由专门的计算方法提取,观测距离可以达到150km,可以获得监视地下介质结构变化的有效信息,从而实现地下介质结构及物性的主动精确动态监测.     

用于电磁法观测系统开机自检的信号发生器实现方法

针对电磁法观测系统在使用过程中的开机自检要求,分析常用测量系统及地球物理仪器的检测信号特征,通过对已有机制进行研究和对比,结合现有信号产生电路的优势,提出一种功耗低、精度高、设计简单的自检信号发生器实现方案.基于该方案设计了一套实现电路,其以CPLD为核心,由精密参考电压源、模拟开关及运算放大器等器件构成,并对该电路进行仿真与测试.通过系统稳定性分析,采用波特图与奈奎斯特图表明信号发生电路的稳定性符合设计要求.经仿真与测试,能够通过换挡开关产生幅值为20μV～2 V、频率范围在1 Hz～100 kHz的自检脉冲信号,频率稳定在1%,重复测试相位稳定度小于1.5%,幅值误差可以优化到1%以内,且能通过其稳定的谐波分量来获取该系统带宽更宽的通道测试响应.测试结果表明,该自检信号发生器电路实际功耗小于0.3 W,20μV～2 V幅值范围和1 Hz～100 kHz频率范围内性能指标的测量结果和仿真结果相符,并成功应用于某监控系统.利用该信号发生器电路实现自检具有操作方便、成本低、易于设计等优点,能够有效的弥补其它自检模式的缺陷.     

高速铁路地震监测系统中降低信号远程传输失真的技术探讨

当前信号远程传输方法,没有实现传输通道能量与传输通道信号并行,导致信号远程传输失真性较高。为提高地震信号远程传输的效率,提出新的高速铁路地震监测系统中信号远程传输技术。采用信号传输通道中地震信号能量的并行方法,通过信号传输通道中信号并行传输结构,实现信号在传输通道中双向传输;利用高频阻波电路阻断信号的高频载波通过谐振补偿电容,确保传输通道能量传输不受干扰;根据通道能量传输结构与信号传输过程,实现传输通道能量、信号并行,完成高速铁路地震信号远程传输中的失真控制。实验结果表明,所提方法丢包率较低,均值约为3%,远程传输时延仅为0.9s,是一种低误差、高效率的高速铁路地震信号远程传输方法。     

ZZD-周期地震仪时间程序自动控制标定电路

1.引言在整个传输系统中,由输入到输出是在一定的动态精度下工作的。为了对有线遥测传输、无线遥测传输、有线短中长距离直接传输等进行系统的幅频特性监视和维修,采用低功耗CMOS集成电路设计了长周期、中长(强)周期、短周期拾震器三分向时间程序自动控制标定电路。在电路中设有768—编码遥控接收机的接口电路,可进行自动和手工立即遥控标     

基于逆重复m序列的精细探测电法发送机设计

介绍了基于伪随机相关辨识理论的电法发送机设计思想.通过分析逆重复m序列伪随机信号的性质，产生原理，以及伪随机信号系统辨识的原理，研究了其在电法勘探应用中的可行性.用工程软件MATLAB仿真产生了逆重复m信号的波形，并分析了频谱和自相关函数，对产生伪随机信号的序列长度和时钟频率等参数的选择作出讨论，以说明其作为电法勘探场源的优良特点.作出了电法发送机系统初步设计，包括主控单元、逆变器、GPS同步，电流测量等模块，发送机信号控制单元采用硬件描述语言VHDL设计，并用CPLD可编程逻辑器件LC4256V实现了硬件产生m序列和逆重复m序列，及各种控制信号.宽频带、密频比，抗干扰能力强是其主要特点，在电法勘探中有良好的应用前景.     

近钻头井斜动态测量重力加速度信号提取方法研究

利用加速度计进行近钻头井斜动态测量时,钻具的高速旋转,井下强振动、强冲击环境给重力加速度测量带来极大干扰,如何从干扰噪声中有效提取重力加速度信号对于提高井斜角和工具面角的测量精度至关重要.根据重力加速度径向和切向分量为周期性信号,轴向分量为近似直流信号,离心加速度为缓慢变化信号,振动和冲击加速度为随机信号的特征,提出一种基于互相关检测的重力加速度信号提取方法,选择径向或切向磁力计信号作为参考信号.利用相关检测方法分别对仿真数据、实验室旋转测试数据和振动测试数据进行处理,并计算了井斜角和工具面角,结果表明相关检测方法可以有效提取重力加速度信号,基于MEMS加速度计的井斜角测量精度优于0.5°,工具面角变化连续平滑,满足井斜动态测量需求.通过进一步开展实际钻井环境测试,该方法有望应用于近钻头地质导向系统或旋转导向钻井系统等需要近钻头井斜动态测量的场合.     

大闭环伺服控制随钻智能导向钻井方法

深层油气资源量巨大,是全球油气开发的重要方向.随着钻井朝着深层(＞4500 m)和超深层(＞6000 m)发展,地质条件更加复杂,深层钻井泥浆信号传输速率受限,井下随钻测井等数据传输延迟,增加了钻井事故的频率及钻出储层的风险.当前井场智能决策钻井的方法不适用,井下自主智能钻进是未来深层超深层高效钻进的发展方向.本文借鉴无人驾驶汽车的理论技术架构,提出了一种大闭环伺服控制随钻智能导向钻井方法,集旋转导向、地质导向、随钻地震、电磁前探、随钻测量、信号传输、自动钻机等技术于一体,利用"边钻边学"的人工智能评价与决策方法,智能识别钻头前方油气藏甜点,智能决策钻进方向和钻速,并利用大闭环伺服控制实现井下钻头的自主智能导向和钻进.大闭环伺服控制随钻智能导向钻井架构包括钻进感知、智能决策与大闭环控制3个部分.钻进感知部分通过随钻测井数据获取钻头定位信息、井周地层及钻头前方特性参数,智能决策部分依据钻进感知部分获取的信息通过人工智能决策模型修正轨道和优化钻进策略,大闭环控制部分根据智能决策指令调整钻进方向和速度.本文在钻进感知部分采用支持向量机算法利用随钻测井数据进行岩性智能识别,优选随机森林算法和长短期记忆(Long Short Term Memory,LSTM)循环神经网络对孔隙度、渗透率、饱和度和泥质含量进行评价.在智能决策部分优选随机森林算法对机械钻速进行预测与优化,均获得了高准确率.     

水下金属管线埋深探测仪发送机输出回路特性研究

信号输出回路特性是影响电磁法水下金属管线探测仪探测深度和探测精度的重要因素,本文针对人工源电磁法探测水下金属管线埋伏深度的问题,建立了电磁信号发送机输出回路的物理模型,推导了信号输出回路基本特性的数学表达式,计算了不同长度金属管线输出回路的截止频率,并对不同激励信号下输出回路的响应进行了计算机仿真,为人工源电磁法水下金属管线埋深探测的方法选择、发送机设计与开发、输出回路布设提供依据.     

基于地层孔隙结构的饱和度评价方法

油气勘探开发中阿尔奇公式是评价油气含量的经典模型,该模型适用于粒间孔隙的纯砂岩地层.然而实际油气评价中更多时候是以复杂孔隙结构地层为对象,复杂孔隙结构地层岩电关系却呈现出非阿尔奇特性,这意味着利用阿尔奇公式求取这类储层饱和度的可靠性大大降低.针对以上问题,采用变m、n指数和根据孔隙结构分类建立饱和度模型的方法一定程度上满足了此类地层饱和度评价的要求.但以上方法具有很强的区域性和经验性,没有从根本上解决复杂孔隙结构地层饱和度的准确评价问题.等效岩石组分模型将岩石等效为规则的圆柱体,由串联孔隙体积、并联孔隙体积和骨架体积构成,由许多这样大小不一的孔隙分量并联/串联构成整个岩石的导电体系,并引入孔隙结构系数表示不同孔隙的体积比,精确地描述了由复杂孔隙结构引起的非阿尔奇特性.其应用瓶颈是孔隙结构系数、饱和度因子等关键参数的确定方法.本文以等效岩石组分模型为基础。利用核磁测井资料和球管模型确定孔隙结构系数,根据孔隙结构寻优路径对地层进行分类,以岩电实验数据为基础利用阻尼最小二乘法分类确定模型参数,用等效岩石组分模型迭代计算地层饱和度,从而配套形成基于孔隙结构的饱和度评价方法.岩心实验数据分析和实际应用效果表明基于孔隙结构的饱和度模型与阿尔奇公式相比在复杂孔隙结构地层饱和度评价中具有优越性,在复杂孔隙结构地层含油气饱和度评价中具有良好的应用前景.     

同步提取三参数小波变换及其在储层含气性检测中的应用

随着我国石油勘探程度的不断加深,非常规油气藏逐步成为了油气勘探的重点.由于致密砂岩具有低孔、低渗、非均质性强等特性,因此迫切需要高精度时频分析后处理方法对该类气藏进行有效表征.本文提出了一种同步提取三参数小波变换(Synchroextracting Three-Parameter Wavelet Transform, SETPWT)新方法,该方法具有小波变换多尺度多分辨率的特性,通过改变三个参数来调节小波基的主频、带宽及相位,灵活匹配多种类型的合成信号以及地震子波;与传统时频分析方法相比,同步提取三参数小波变换在三参数小波变换结果的基础上引入同步提取算子(Synchronous Extraction Operator, SEO),通过SEO提取与信号理想时频谱高度相关的时频信息,去除多余能量,从而实现非平稳信号的高精度时频表征.合成信号算例表明,同步提取三参数小波变换的分辨率不但明显高于常用时频变换,同时具有优于同步提取变换(Synchroextracting Transform, SET)的抗噪性能;将同步提取三参数小波变换应用到地震资料含气性检测中,进一步验证了该时频算法在致密砂岩...     

无线遥测式数字地震仪关键技术

介绍了一种完全自主开发的便携无线遥测式浅层数字地震仪.系统以无线自组网为核心,基于双ARM和FPGA平台,采用多功能IP软核驱动方式及嵌入式操作系统,从硬件方面提高系统的集成化程度,缩小设备体积.设计可动态配置信号调理单元保证系统前端的动态范围和保真性,采用并行双缓存循环预采集存储技术,实现不确定传输延时情况下的多道严格并行采集.文中详细分析了适合于地震数据传输的无线射频和无线以太网两种传输方式,以及相应的组网方案和关键技术难点,解决了分布式无线信号采集站的采集同步和非均匀采样问题.信号采集站单站集成12路并行采集道,各通道在4 k采样率时有效分辨率达18位,且参数可远程配置.软件中所集成的现场质量控制功能,非常适于复杂环境下的工程勘探,且由于移除了多个附加配件,从而缩小了设备的体积和重量,降低施工布线的复杂性,提高环境适应能力和勘探效率.     

475型静态推靠式旋转导向钻具组合的弯曲应力分布规律

旋转导向钻井系统(RSS)是定向钻井的核心装备.经过多年攻关,中海油田服务股份有限公司(简称中海油服)研制出了475型旋转导向钻井系统.为了降低该系统在高造斜率井段的疲劳失效风险,本文采用纵横弯曲梁理论建立了475型静态推靠式旋转导向钻具组合(RSBHA)力学分析模型,模拟分析了RSBHA的弯曲应力总体分布规律、最大弯曲应力影响因素及变化规律.研究表明,限定导向头结构参数条件下,适当加长挠性短节并合理调控钻压和导向合力有助于获得较高造斜率并降低BHA(Bottom-Hole Assembly,底部钻具组合)最大曲率和弯曲应力,最终降低挠性短节疲劳失效风险.研究成果能够为提升该系统的工作能力和安全可靠性提供支持.     

半航空瞬变电磁接收机的测试装置研制

半航空瞬变电磁信号源是调试与验证半航空瞬变电磁接收机的信号灵敏度、频率响应和噪声水平等关键性能指标的重要设备.无人机电磁干扰和线圈运动噪声是半航空瞬变电磁接收系统相对于地面瞬变电磁接收系统"特有"的噪声,目前通用信号源无法满足半航空瞬变电磁接收机室内调试和标定的需求.首先通过分析半航空瞬变电磁信号模型和无人机电磁干扰及线圈运动噪声模型,建立了输出信号及噪声的产生方法,再基于现场可编程门阵列(FPGA),运用DDS技术和SOPC技术,调用Nios II软核设计了信号产生模块,能够产生瞬变电磁信号并叠加无人机电磁干扰和线圈运动噪声,并在此基础上结合PC机和D/A电路研制了半航空瞬变电磁接收机专用测试装置.测试结果表明:测试装置的信号分辨能力达到100μV,同步触发信号与信号输出时延小于2μs,满足仪器测试与标定需求.     

海底可控源电磁接收机的电场低噪声观测技术

海洋可控源电磁方法是近些年兴起的一种海底以下介质电性结构地球物理探测方法,已成为海底油气及水合物探测的有效手段之一.根据趋肤效应及可控源电磁方法的特点,海底电场信号具有幅值微弱且动态范围大的特征.低噪声记录海底电场信号是海洋可控源电磁方法必须解决的关键技术之一.本文首先通过建立特定地电模型并进行数值模拟,讨论了收发距、发射频率等场源参数与电场分布的关系;然后通过电解法制备了低噪声海底电场传感器,研制了低噪声斩波放大器,开发了大动态范围ADC电路.通过室内及海洋试验验证了接收机电场通道的低噪声特性,海试结果表明系统本底噪声小于0.1nV/m/sqrt(Hz)@1 Hz,电场信号观测动态范围优于110dB@(fs=150Hz).     

基于数字音频接口的地震数据采集电路板快速评估方法*

在宽频带数字地震观测技术领域,提出一种基于数字音频接口(S/PDIF接口)的数据采集电路板快速评估方法。该方法在数据采集电路设计过程中,在模拟/数字转换电路的输出端增加了一组S/PDIF数字音频接口,将模/数转换结果转换为符合音频传输标准的编码数据,并将此数据利用外置声卡同步传输到计算机,在计算机上进行数字抽取滤波、频谱分析等数据处理与解析,从而实现对地震数据采集电路板的快速评估。实验结果表明,该方法思路清晰,实现简便,结果有效可靠,能够解决常规测试评估方法中存在的问题,在高精度、高采样率数据采集技术研发和测试评估方面,具有比较强的实用性和应用前景。     

编码源地电阻率观测试验

地电阻率的高精度观测是实现地震预测预报的前提之一.面对日益严重的电磁干扰,提出了基于编码源循环互相关辨识技术的地电阻率观测方法,其实质是将待测地质体视为待辨识系统,利用编码源信号激励供电电极A和B产生的电流信号作为系统输入信号,测量电极M与N之间的电压信号作为系统响应输出,将输入和输出信号严格同步采样为时间序列,分别与参考信号进行循环互相关运算并转换至频率域计算获得待探测地电阻率谱(幅度和相位).由于系统环境的干扰和随机噪声与编码源信号不相关,通过循环互相关运算可以达到抑制环境随机噪声和干扰的目的.这种地电阻率观测体系在环境干扰较大的甘肃省兰州观象台和陇南汉王地震台站利用现有的观测场地和线路进行了观测试验,测量结果显示,数据的一致性好、均方差小,说明该方法在强干扰环境下具有较好的抗电磁干扰能力,观测频带较以往直流电法测量有较大的扩展.该方法为现有地面地电阻率台站持续发展提供了技术保障,可为地震预报与科学研究提供高质量的地电阻率观测数据.      

基于ABAQUS的真空-堆载联合预压法的仿真研究

利用有限元分析软件ABAQUS在仿真过程中直接模拟真空度,并通过ABAQUS的二次开发平台编写排水板单元子程序,对软土地基的真空-堆载联合预压进行仿真和固结分析,并与真空荷载换算为堆载方法进行对比。结果表明这种仿真模型更接近实际,分析地基变形与实际情况一致;塑料排水板单元子程序合理,可以有效减小分析误差。对天津港某软基的加固工程进行了建模仿真,其结果与实测数据相吻合,在误差允许范围内。通过计算不同泊松比、加固区宽度条件下真空-堆载联合预压的最终沉降量,分析得到了相应泊松比、加固区宽度的沉降修正系数,对类似的工程有一定的指导意义。