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用于油气勘探的光纤地震检波系统

技术简介

技术研发背景、技术突破、实现的原理和途径等。

       技术研发背景:石油、天然气是国民经济和社会发展的重要能源和战略物资。随着中国经济长期持续发展,对油气资源的需要量越来越大,导致我国进口原油增幅逐年增大,2012年已经达到2.7109亿吨,对外原油依存度为56.4%,带来了巨大的能源安全问题。中国经济快速发展,对油气资源的需求越来越迫切。加大国内油气资源的勘探开发力度,提高油气产量,成为国家重大战略任务。

       微地震监测需要高灵敏度的检波器,目前常规的检波器无法满足要求,国外高灵敏度检波器引进费用极高,国内一些油田曾聘请国外技术服务公司,采用邻井监测技术进行压裂监测施工,但国外公司只提供昂贵的工程服务,并且提交的监测成果周期不定。检波器技术落后,极大限制了微地震技术的应用。因此,必须研发高性能的检波器系统。


技术突破:

1)阵列工程化技术

       基于原有的光纤水听器制造工艺,保证光纤地震检波器的皮实耐用。同时,研发适用于地震勘探领域野外作业的轻型光缆,既满足现场耐压防磨的使用要求,又方便搬运安装。

2)光纤地震检波器阵列的一致性控制技术

       通过优化阵列的光路结构,最大限度的减少串扰对各检波器一致性的影响;再基于原有成熟的光纤水听器单元及阵列制造工艺,保证阵列光路和单元的损耗控制和相位的一致性。

3)光纤地震检波器的高分辨率低频地震波探测技术

       通光光源波长控制等技术,传感器光路结构的优化和噪声抑制,以及专门研发的信号处理技术,最大限度的实现低频噪声抑制。

4)基于FPGA的光电集成信号解调电路

       利用光电集成设计技术,合理布局光路和电路,优化印刷电路连线,减少光路连线,减小系统与外部器件的耦合,使系统可靠性大幅度提高。利用大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)高密度的计算资源完成多路干涉光信号的同步解调,。对于硬件部分实现的解调数据,转换为地震勘探领域通用的SEGD格式,再采用标准以太网数据传输协议,供后续信号处理使用。

实现的原理和途径:



 

       本项目研制的光纤地震检波器是干涉型三维光纤振动传感器结构,如上图所示。其中,VxVyVz分别是XYZ三个方向的加速度传感器。传感器基于光纤相位调制原理,采用了推挽式结构,外壳是一个密封壳体。工作时,传感器外壳随土壤振动,三个光纤传感器根据同振原理测到各自方向上的加速度。

干涉型光纤三维振动传感器光路结构如上图所示。光源发出的宽谱光经光纤环路器和光缆传输至DWDM(波分复用器),分成λ1、λ2、λ3三个波长分量,分别供VxVyVz三个光纤振动传感器使用。3个光纤传感器的输出信号经光缆和环路器返回,经解波分复用器后,再分别进行相位解调,得到VxVyVz的加速度信息,供后续信号处理系统分析和



干涉型光纤三维振动传感器光路结构如上图所示。光源发出的宽谱光经光纤环路器和光缆传输至DWDM(波分复用器),分成λ1、λ2、λ3三个波长分量,分别供VxVyVz三个光纤振动传感器使用。3个光纤传感器的输出信号经光缆和环路器返回,经解波分复用器后,再分别进行相位解调,得到VxVyVz的加速度信息,供后续信号处理系统分析和使用。)


技术指标

主要技术指标。

1)频响范围:5 Hz800 Hz

2)加速度相移灵敏度:≥30dBre 1rad/g

3)加速度灵敏度一致性:-1.5dB1.5dB

4)等效噪声加速度:<1 μg/Hz@100 Hz

5)动态范围:≥120 dB@100 Hz

6)检波器类型:三分量加速度

7)道数:井下光纤微地震检波器阵列8级、地面光纤微地震检波器阵列64道。

8)道距:25m


技术特点

技术特点和优势,国内外情况对比。

       微地震采集以光纤地震检波器技术为主体,与传统电子检波器技术相比,光纤检波器具有其天然的优越性,其井下传感器不含电子元件,长期稳定性好,具有温度、振动等多项监测功能。同时,光纤是一种高效的介质,其信号衰减量低,尤其光纤具有特别高的带宽,可以快速连续传递大量的数据,为建设数字化油田提供了技术可能性。这种连续、实时的监测能力和在任何地方均可快速获取数据是其他测试技术无法相比的。

       目前国外各大石油公司均在积极开展压裂监测、控制等非常规油气开发关键技术的研究,国内外很多学者都格外关注光纤检波器等新型地震检波器的研究,国外一些大石油物探公司也投入巨额经费开展光纤检波器的研究。胜利油田在此研究领域处于国内同行业领先地位,早在2002年,胜利物探就已经开始了微地震压裂监测技术的探索工作,经过近10年的发展,完成了50余口井的微地震监测采集工作量。但是一直受限于设备条件的限制,工作开展难度较大,主要表现在一是设备的引进,监测使用的井下检波器需要从国外引进,成本高,引进周期长;二是设备的性能指标不能满足微地震监测的需要,微地震监测需要高灵敏度的检波设备,常规井下设备基于井下地震需要研发,不能满足微地震监测的需要。

 

预期效果

       采用光纤地震采集系统在线对水力压裂效果进行多参量综合监测和远程控制,进行油气开发施工优化,该技术的成功应用能够大幅提高压裂效果和油气开采率,避免施工盲目性,节省成本,提高开发效果等;而且在线监测技术能够了解整个油区的开发动态,为调整、优化油田开发方案及提高原油采收率提供科学依据。这对实现非常规油气的经济开发、提升整个石油产业整体竞争力具有举足轻重的作用,也填补了国内在该技术领域的空白,具有非常可观的经济效益和社会效益。

       国内大部分油田已经进入“低品位”非常规油气藏勘探开发阶段,也需要压裂施工。目前的压裂裂缝监测急需微地震技术和产品,具有很大的市场需求。对于常规油气资源勘探,市场需求更大。我国估计约有近200套地震仪系统,如果再计算三维地震勘探的需求,以及地震检波器的消耗(一般寿命为2-3年),每年对地震检波器的需求保守估计在1000万只以上,常规油气勘探市场地震检波器的规模应该在几十亿元以上。)