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 ） 　

摘

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　
一

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 ）