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具有挑战性环境下的石油勘探前沿技术第一期


1 O  

具 有挑 战性 环 境 下 的石 油 勘探 前 沿 技 术 
苏兆斌’   刘景利 编译  邓   瑞。 校 
( 1 大庆油田第十采油厂 2大庆物探公司 3中国海洋大学 )  



要  目的一 旨在研 究当前应 用在油 气地质勘探 方面的技术。  
设计/ 研 究方法/

途径一 在对地震学的原理 与 实践进行概括 描述后 , 接 下来描 述地震 阵 台阵技术 

的最新进展 , 并考虑 用软件 分析 其数据 。本文描 述 了非接 触重力梯度成像技 术 , 并探讨一 些仪 器在地 
震仪质量控制方 面的应用。  

发现—2 0 世纪5 0年代开发 了基本地震技 术, 但是现代计 算机技术拓展 了其技术实力和 即时I } 生 。基  于 ME MS 技 术的地震探 测器具有工作在任何倾斜 角度 的技术优势 , 无线连接技 术可使其 工作在勘察难  度大的地 带。重力梯度测量在从飞机或者海洋勘测船检测地表层异常状况方 面具有较强的技术优势。   独创性/ 价值一 为广大科技 读者介绍地震 学及探讨石油勘探技 术。  
关键词 地球物理 学; 计算机软 件 ; 能源技 术 ; 矿 物油 

0引  言 
石油 、 天然气和煤炭工业 广泛应用地质 勘探技术 
进行新储量探测 。 目前 , 地质学家已经绘制 出了地球  表面大部分岩层 的地质 图。通 过绘 制表 面岩 层 图和 

竖 向射孑 L 他们 能够算 出各岩层位于地 表下的深 度 , 并  且能通 过培养岩心 样 品进 行分析 。微 体化 石 能够有  助于确定岩石的年代 和它们 的含油潜 能 。无论如何 ,   大多数 容易探 明的储 量均 已被发现 和开 发 , 勘探工作  正在向深海底部和丛林这些勘察难度大的地带挺进 。  
本文焦点集 中在更多间接性 、 有 时甚 至是非接 触 
图I   工作 人 员在 沙特 阿 拉伯 沙 漠地 带 安装 用 以测 量的  小型 地震 仪 , 并用 感应 型 荷 兰 S M T一 3 0 0地震 仪 检测 器  检 查 组 装的 地震 仪 连线 

式的勘 测地下 地质状况 , 这与射孑 L 和制 图方 式相 比将 

波穿越不 同类型岩石 的传输速度是不一样 的 , 在  不同岩层交界处发生折射和反射 。有三种类型的地震 

是更廉 价 、 迅捷 , 并且能让 人们 到达更 具挑 战性 的地  带。地震学 在测量岩石 属性 和岩层形 状方 面一 直 以 
来是常规 的技术手段 , 但是分布式 处理和无线 传输技  术的开发 提高了技术的便 利性 和经 济性。最近 , 为 了 

波: 传输最快 的是通过纵 向压缩传输 的 P型波。其次 
是通过横切力穿过岩层的 S型波。传输最慢的是穿过  表面壳层并引起大量破坏性地震 的 L型波。要解析不  同的波并推断次表层地 质需 要复杂的数学数据处理 ,   包括傅里叶分析。演 算法 于 5 0年前或更 多年前被开 

地质学研究 目的重 力梯 度测量技术 已经 被引 入该领  域。软 硬件设施 的 改进 可以提 供更复 杂数 据 的采集 
和 自动化分析以及重新计算过去采集的数据 。   2 0世纪 5 0年代地震学 的进 展 , 通过 发送 穿越地 
层的弹性波的地震学 方式探 测某一 区域 的地 质状况 
( 见图 1 ) 。  

发, 石油工业 已经 大规模应用 计算机 长达 4 0多年了。  
现在个人电脑具有足够高的性能用来解释和预测地震  数据, 并且有多家公司销售相关 的电脑软件。   在寻找油 、 气 和矿物 资源时 , 工作人 员会采 用地 

译者 简介 苏兆斌( 1 9 7 4 一 ) , 工程师, 毕业于大庆石油学院, 现主要 从 事地面工程专业工作 

石 油 工 业计算机 应 用   总第6 1 期 2 0 0 9 年 第l 期  
震源 , 像小型射孔弹 、 落锤或震动板 挤压或撞击地 面。   在海里他们使 用能 瞬间 释放 高压 空气 的 气枪。这些 

震源被调谐 以产生 8到 8 0之间 的频率 : 低频能 量 脉 
冲穿越地层更 容易一 些 , 被 用来 进行 深层勘 探 , 但 是 

高频脉冲具有更好 的解析度 。   传统上是通过 小型 地震仪 检测 信号 。它 带有 低  成本 、 抗环境 干扰 、 被动敏感 的动探测器 , 其 内部有 一  永 磁铁 相对绕 组做 运 动 , 并将 地 壳运 动 转换 为 电压  ( 图2 ) 。荷兰 b . v . 型传感器采用灵敏度 为 2 8 . 8 V / m /   S 失真度低 的 S M一 2 4小 型地 震仪 ( 图3 ) , 并 能每 间  隔2 m s 取样, 且 能解析 位于地 下 3 0 , 0 0 0英尺 的 5 O英  尺方 圆范 围内的油气储 层 。小型 地震仪 在地 面沿 直  线排列 , 能够探 测下方 的不 同岩 层 的分界 面 , 并能 画 
出2 D图形 断面( 图4 ) 。通过测绘 多个断面 , 一个 3 D   模型 即被建立。一个 现代 3 D陆上测量系统可能要 使 
图4  I , y n x信 息 系统 有限公 司 生产 的 地震 示 波器 显 示如 何  通 过 地震 波传 输 时 闻揭 示地 表 下岩 层 构造 

用1 0 0 , 0 0 0台小型地 震仪 。数据 采集 系 统采集 数 据 
用以稍后进行分析 , 1 0多年来 , 一直采用 2 4位模拟 一  

1地震 台阵开发状 况 
法国 S e r c e l 公 司 开发 地震 源 、 探 测 器 和相 关 软 

数字转换器完成这些数据处 理工作 , 所 以海量 的勘 测 
数 据已被处理 。  

件 。其生产 的 S C一1 0型 小型 地震 仪使 用 稀 土磁 技 
术, 在 0到 1 5摄氏度 范围内实现失真度降至 0 . 0 7 5 %  

以下 , 采 用 盒式设 计 可使其 应用 在 硬地 或者 沼泽地  上 。该公 司生 产可 在 海底 使用 的检漏 器 , 例如, P一  
3 0 0 M 型号可运 行 在深度 3 0 0 m、 温度 0至 l 5摄 氏度 

的条件下 。从探测 器到数 据采集 单元 的 电缆可采 用  超轻 的或重 型的 、 潜水的或者海底 型的。  
在4 0 8 U L采集 系统 , 沿 每条 电缆全长有 4 8 个 微  型集成采集部件 , 这提供了一 个更 轻的系统 和更 为简  化的 台阵构造 。此外 , 台阵组成一 个传输 网络为数 据 
图 2 此剖面 图显 示 了来 自荷 兰 b . v . 型 传 感器 
S M一 2 4小 型地 震 仪 的 内部 线圈 缠绕 构 造 

和控制信号提 供多重传 输路径 。附带 的地震 网软 件 
运行于 中央处理器 , 同时也被 分布运 行在 台阵所有 处 
理器上 。  

新型 4 2 8 X L数 据 采 集 系 统 甚 至 使 用更 轻 的 电 

缆, 信道容量增 加到 1 0 0 , 0 0 0 , 同时使用 更少 的 电能 ,  
可在野外运行更 长时 间。他能够 和最新 引进 的基 于  M E M S的加 速 度表 兼 容 。S e r c e l 公 司的 D S U 3— 4 2 8  

通过集成电子部件整合三个 ME M S加速度表 , 并能工 
作在任意倾斜 角度 。它 能记 录地 面沿三 条正 交轴线 

的运动状况 , 提供 P型和 S型波数 据 , 从而 提高地 震 
分析能力 。相 比之下 , 小 型地震仪受 限于纵 向 P型波 

构造 , 传输范围被 限制在仅 几毫 米范 围 内. 在 倾角 超 
图 3 具有 盒体 和连 接 电缆 的 S M一 2 4小 型地 震 仪 

过2 0 度 时将 出现运行不正常 的状况 。   联合使用无 线系统 使勘测工 作 更为便 利 。苏 格  兰震动技术有限公 司设计 了一个 连接地 震传感 器 的 

注意 : 制 造 商估 计 在 世 界 范 围 内 通 常 采 用 超 过 它 们 
8 M 的安装 基础 

1 2  

无 线传 输 系统 , 允许 每一 个传 感器 被 放 置在 任意 位 
置 。这在有植 物或其他 障碍 阻隔 的地 面 上具 有独 特 
的优势 , 例如在丛林 。S e r c e l 公司于 2 0 0 6年 就已拥 有 

供 了一个获利 的市场 。L y n x公 司 已编制 了一款 叫做  L y n x 扫描和引导地震数据勘探 档案系统( L E A S S V) 的  软件程序 , 这款程序能从硬拷 贝的地震剖 面图像 中还 

震动技术 , 目前其 占据组装系统“ 手持式地震仪 ” 的技 

原数字数据。由于 目前 的油价使得重新开发过去 已经 
遗弃 的区域变得 有利可 图, 因此石油公司不 断地重新 

术市场 。中央记 录单 元通 过 光 纤 电 缆 或 者 5 . 8 G H z  
的无线信号 与分布在地 面上 的访 问节点单元 ( C A N s )   取得联 系。每一个 C A N将 一套 地面采集 单元控制 在 


估算它们的历史勘测数据 。重新评估历史数据要 比开 
始—个新的勘测便宜的多。原始 的数字数据可能已经 

个独 立的无 线传 感器 内。地 面采 集 系统 由蓄 电池 

丢失 , 但 是在 旧的记 录里仍然 可能有一份地震 剖面的 
拷贝文件。这可 以通过 L E A S S V软件进行扫描和处理 

供电 , 具 有四条模拟输入信道 和 1 6 G b的闪存 , 全球 同  步定位系统和 以太 网连 接。在每一 射孔 循 环 内均 可  以通过 实时可视化显示看到实时传输 的数据 , 或将 数  据存储用 以稍 后分析 。无线 系统更 为轻便 , 更容 易被 
运送 到遥远偏 僻的地 区。  

来重新引导数据并输出结果作为工业上兼容的 S E G—   Y跟踪文件 。之后 , 石油公 司可将获得 的结 果应用 在  第三方地震解 释软 件包 上来重新 检查原 有地层 的 潜  能。L y n x 公 司也生产地震示波器 , 它 能以各种形式显 
示S E G— Y数据 , S e i s m a p ( 图5 ) 是一款可应用 于 E S R I   A r c G I S 软件的实用插件程序 。  

无线地震 公 司 也提 供无线 地 震 仪 , 并声 称 其 简  单、 轻便 和灵 活放置的系统能力使其成 本降 为有线 系  统的 5 0 %, 同时 降低运 输成 本 4 0 % 。与 电缆相 关 的  电干扰 也被降低 , 这对 2 4位采集 系统来 说是重要的 。  

2软

件 

勘探地球物理学家协会 于 1 9 7 3年 开发 了 S E G—  

Y输 出格式 , 将数字化地震数据存储在 I B M 主机的磁 
盘上。在地震 勘测期 间 , 通过小型地震仪 以时间取样 
方式进行地震 跟踪记 录。例如 , 它 可能包 含 以 2 m s间 

隔取样 的 4秒钟时长 的记 录。2 0 0 2年 的更新换 代 型 
号将采 集系统 拓展到 3 D技术领 域 , 并将 比特数 据 流 

形式应 用在 高速 、 高容量存储设备 。  
许多 公司生产 的软件能通过输 入 S E G—Y数 据 

图5  L y n x公 司 应用 于 G I S软件 用 以整 合地 震和 
地 图数 据 的实 用插 件程 序 

呈现 2 D和 3 D可视地 质 图像 。S c h l u m b e r g e r 公 司提  供的可应 用在基 于 Wi n d o w s 操作 系统个 人 电脑上 的  P e t r e l 地 球物理地 震解释软件 , L a n d m a r k的 2 D地 震  检 波器可运 行 在 基 于 L i n u x 、 S o l a r i s和 I R I X操 作 系  统 的服务器 工作 站 。 目前 , 地 理信 息 系统 被广 泛 应  用 于石油勘探用 来 汇编 、 操控 和 显示 来 自某 一 具 体  领域 的数据 库的信息 。通过对地形 、 射孔 、 化石和 地  质数 据进行 汇编和查询 来建立详 细的地质 图形 。来  自环境 系统研 究所 ( E S R I ) 的A r c G I S是一 流 的地 理 

注意 : 屏幕截图上的红点显示了勘测时地震源和接收 
器的 位置 , 绿线标 出了地震断面 2 D图 形 的 位 置 , 具体 2 D   图形 如图 4窗 口内所 示 。  

3重 力遥感 
在油气勘探方 面一 项相对 较新 的技 术是重 力梯 

度成像技术。A R K e X有 限公 司使用创新技术 勘测地 
球重力场的微 妙变化用 以绘制地 质密度变化 图, 从而  制作高清晰的地 质结构 图。重力梯 度传感 器在 冷战  期间首先被开 发应用 在操纵核潜 艇 , 但是 目前该技术  已不是机 密技 术了。  
A R K e X公 司 的 B l u e Q u b e系统 被 放置 在 轻 型 飞  机上 , 飞机在低海拔 飞行 即可迅速地测量 大面积的领 

信息 系统制 图软件 , 该版 本可运行在 个人 电脑 、 移 动 
P C和网络上 。  

L y x 信息系统公司是一 家小型服务公司 , n 成立于  2 o世纪 9 o年代初期 , 为石油公 司提供 契 约和咨询 服  务。大的石油公司频繁的合并和重组通常会导致一些  历史数字数据的丢失或损坏 , 这也为这个技 术领域提 

域, 然而显示 图像却是 高清晰的。传感器包括重力梯 

石 油工 业计算 机 应 用   总第6 1 期 2 0 0 9 年 第1 期  
度仪 、 磁力梯度仪 、 激光 测距 和数字视频 , 既绘制地表 

也绘制地下的地质 构造 。这些勘测 通常 连 同地 震数 
据一起用来制作 完整的地下地 质图像 。  

4质量控 制 
V e r i f —i 有 限公司为地震数据采集装置制作质量  控制 系统 , 测量前检查工 作人员 的装备 。它的“ S a n d —   w i c h箱 ” ( 图8 ) 是一款应用于地震震动 器的耐 环境干 
扰 的测试 系统 , 带 有 两个 标 准 化 的 3 0 m V / g加 速 度 

重力梯 度成像通过使用全张量重力梯度仪 ( 全张 
量重力梯度仪具有 四个 加速度 表均匀 分布在 一个 空  间圆环上 ) 将测量 的重力 信号从 因飞机扰动而产生 的 

惯性加速度 中分离开来 , 并用来 抵制普通模式 的加 速 
和旋转 。它 测量 了重 力场 的所 有 九个 组成 向量 ( 图  6 ) 。激光探测地貌 能够 消除山体 附近的重力牵 引 , 同  时全 张量重力梯 度仪技 术 已经用来解 决 了地 表 以下 
2 5 0 0英尺的极其反常的状 况。  

表, 测量频率范围从 3 H z 到1 , 6 0 0 H z 。它对波 的无失  真和 同相性进行检查 。它 通过 P C控制 , 并对其八条 

输入通 道动 态值 进行 自动 最大 化 。另一 部 仪器 ( 图 
9 ) 对地震冲击波控制 系统 的输 出时间 和高 电压进行 
检查 。炸药必须在一个 控制 的时刻 点 火 以便 所有 的 

反射峰值能被正确地破译 。  

图 6 应 用在 A R K e X公 司 的 B l u e Q u b e 系统 的全 张 量 
重 力梯 度仪 测 量重 力梯 度 张 量的 全 部九 个组 成 向量 

A R K e X公司正在开发 自己的仪器一勘探 重力梯  度仪 , 该仪器将提供更高的灵敏度 和图像清晰度 。该  公司 目前正在西非工作 , 那里传统 勘探 因茂密 的丛林 
和缺少畅通 的公 路 而受 阻。该技术 也可 应用 在跨越 
图8  V e i f f —i 公 司 的“ S a n d w i c h 箱” 使 用标 准化 的  加 速 度表 测试 地震 震 源 的输 出量 

高山的领域 ( 图7 ) 。  

图9  V e i f f —i 公司的 T B U H测 试 器 对地 震冲 击 波 

系统 进 行质 量 检查 

该公 司生产 了精 准的 时钟用来 为记 录设备控 制 
图7  A R K e X有 限公 司在 轻 型 飞机 上携 带重 力 梯度 仪 、   地表 制 图和 成像 传 感器 对 崎岖 地 形进 行地 质勘 测 

取样间隔时间。采用 0 . 1   p p m精度 的石英提供输 出频  率为 1 0 , 1 0 0 H z 和l , 0 0 0 H z 三组方 波信 号 。输入这些 

G e o s o f t 欧 洲公 司 有 一 款 模拟 软 件 包 能 够 读 取  重力张量数据 并将 其 与磁 力和射孔数 据整合 。全 张  量重力梯 度仪 技 术 可应 用 在 勘 测 船上 来 绘 制 海 底  图, 在此 , 通 过软 件 能够 整 合 声 波定 位 仪 和 G P S测 
量的数据 。  

到采集系统确定其 取样精 度。时钟 也可 参N i e . 录器 
提供一个固定的频率 。  
参考 文 献 f 略)  
编译 自《 S e n s o r R e  ̄ i c w > 2 0 0 8 ( 2 8 ) , 4 ( 2 8 8— 2 9 3 )  


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