智能导向钻井一体化软件系统平台研发

导向钻井技术的智能化是实现复杂油气藏高效开发的重要途径.本文面向智能导钻系统的实际需求,基于云平台、大数据及人工智能等技术,开展了一体化软件系统的研发.针对整套系统模块众多、功能复杂的问题,首先研发了可扩展模块化底层软件平台,在此基础上建立起集成数据采集、传输、存储、应用与决策为一体的工业化软件系统.本文详细介绍了整套软件系统的研发思路、架构设计、实现方式及各模块主要功能,同时开展了人工智能算法研发和软件平台的集成测试.研发的各软件系统模块不仅实现了现有功能的工程实用化,而且具备良好的扩展性,能够为智能导钻技术的持续性发展奠定基础.

可控源音频大地电磁法多通道观测的电容耦合效应与电容去耦研究

可控源音频大地电磁法通常采用多通道模式进行数据采集,而多通道的多条接收导线和接收电极与大地之间经常形成一种电容耦合效应,导致观测的视电阻率和相位曲线出现畸变。本文用等效电路模型对观测模式的电容耦合进行正演模拟,通过几个典型模型的正演模拟,分析了接收导线长度、电极接地电阻对电容耦合效应的影响特征。研究了可控源音频大地电磁法观测装置的电容去耦方法,并应用于辽宁省红透山矿区的实测数据处理,有效地削弱了电容耦合效应,提高了观测质量,反演结果与已知地质信息吻合较好。本文通过试验验证了电容去耦方法的可操作性,为规范可控源音频大地电磁法数据采集技术提供了科学依据。

横向各向同性介质中用于井-地传输的电磁波的准确快速计算

井-地电磁传输系统是解决随钻测量(MWD)中观测的各种参数(井斜、井周速度、电导率、孔隙度)和井场的指令在井-地间实时传输问题的新思路,应用潜力巨大,受到了相关研究人员的广泛关注.本文提出了一种在横向各向同性介质中精确、快速地模拟井-地电磁传输中电磁波传播、分布的方法,为井-地电磁传输系统的设计、开发提供必要的支持.该方法利用矩量法将沿钻杆分布的电流离散,并基于钻杆上电流分布与格林函数的乘积的积分对散射电磁场进行计算,经过与基于有限元法的COMSOL软件模拟结果对比,验证了该方法的有效性.同时还讨论了钻杆电导率、工作频率、横向各向同性异常层、目标层电导率等参数对电磁场的影响.研究发现高电导率的钻杆能提高电磁波的辐射能力,钻杆上电流分布、地面接收的电压信号对地层模型横向电导率的变化较电导率垂向分量变化更敏感.

海洋可控源电磁法三维数值模拟

本文利用美国Sandia国家实验室Weiss编写的3D有限差分程序,通过建立的正演模型,开展3D水平电偶源电磁场特征与异常体空间展布特征(几何特征、埋藏特征)关系的实例研究,并对模型进行了正演数值模拟,得到以下几点认识:①同一位置处接收到的电场强度随着异常体半径的增大而增大,高阻体的存在能够增大电场强度,且异常体越大,场强也越大;②归一化后的电场曲线特征表明,随着发射电流频率的降低,异常体引起的异常越来越小;随着异常体半径增大,引起的异常也逐渐增大;③当异常体半径不变而埋深改变时,随着埋深的增加电场强度逐渐减小,对异常体的分辨力越来越小。文中所得结果对MCSEM电磁场基本传播特性的认识和MCSEM观测资料的解释提供了依据。

计算层状介质中电磁场的层矩阵法

现有人工源频率域电磁法的研究大多仅针对某种具体的方法,而较少将问题综合起来分析.本文综合多种方法的共同点提出了层矩阵法,它采取了源置于层间的模型进行公式的推导,理论上可以计算任意层状介质中任意位置的任意场源在空间中任意位置产生的场强,可适用于多种电磁法的正演模拟计算.层矩阵法的核心是对空间域的变量x,y,z中的x和y变量进行傅氏变换后转换到波数域k_x和k_y中,在波数域利用边界条件,用层矩阵建立起各层的关系后计算得到各层的波数域电磁场值,然后经过二维反傅氏变换最终得到空间域中任意位置的场值.因为文中定义的层矩阵是建立层关系的关键,所以称此方法为层矩阵法.本文以水平电偶源为例独立推导了层状介质中人工源频率域电磁场解的理论公式.为了验证方法的正确性,文中建立了多种模型,利用自行编排的程序将层矩阵法与现有文献的各种解析公式的解进行了对比,结果表明本文提出的层矩阵法是灵活的、可靠的.

电离层影响下不同类型源激发的电磁场特征

大地电磁法(MT)和可控源音频大地电磁法(CSAMT)虽然在多种勘探领域均得到了广泛的应用,但是也存在着一些问题.于是结合了这两种勘探方法的优点,一种采用固定的大功率源进行电磁波发射,在全国范围内进行电磁信号接收的人工源电磁法得到了发展.此方法中收发距可达上千公里,在此大尺度范围下如何保证电磁信号的强度成为一个关键问题,而其中发射源的类型是决定着信号强度的重要因素.当收发距很大时,电离层的存在将影响到电磁信号的传播,为了探讨适合于大功率固定源方法的发射源类型,本文将大功率固定源方法模型抽象为地-电离层模型,研究电离层影响下的三维积分方程法,其中地-电离层模式背景模型的格林函数用波数域中的层矩阵法获得.利用此正演方法模拟对比了发射源分别为水平长线源、环状源和L型源时电离层影响下的电磁场传播特征,并初步探讨了L型发射源对三维异常体的分辨能力.综合分析认为L型源是较优的发射源,有利于在大功率固定源方法中进行实际应用.

高密度电法数值模拟及其在寻找北京人头盖骨化石中的应用

为寻找埋藏在地下两米以内深度装有文物的木箱,采用高密度电阻率方法进行了探测.在完成三维正演与二维反演数值模拟的基础上进行了野外数据的反演解释工作,利用三维局部异常体的正演响应特征及二维反演结构与真实模型的对应关系,对实际的数据进行了认识解释,得到了目的层的异常体可能是地道而不是木箱的初步结论.实际表明,利用高密度电法来进行浅层的探测是可行的.

地面电磁探测(SEP)系统对比试验——内蒙曹四夭钼矿

为了检验自主研制的地面电磁探测(SEP)系统各组成部分在实际勘查中的性能与可靠性,以及整体系统的野外实际工作能力,在内蒙古乌兰察布市兴和县的曹四夭钼矿开展了SEP不同类型磁传感器之间以及SEP整套系统与国外商业仪器系统的全面对比试验.试验采用多种方案,分别进行了高温超导磁传感器和感应式磁传感器之间的性能对比试验;磁通门磁传感器和感应式磁传感器之间的性能对比试验;SEP发射机与GGT-30发射机、TXU-30发射机的发射性能对比试验;SEP系统与V8、GDP-32II等国际先进仪器的CSAMT法综合对比试验;以及SEP系统和V8系统的MT法对比试验.本文对试验结果进行了分析,表明自主研制的SEP系统已经基本达到甚至优于国外同类产品的性能,能够很好地胜任野外实际勘查工作.

高密度电阻率法在海底金矿含水构造探测中的应用

海底金矿上覆岩层中含水直接对矿床的开采构成威胁,选择山东三山岛金矿新立矿区海底-135m水平沿脉巷道,采用地球物理高密度电阻率法对该巷道635m测线以下200m深度范围内岩体中的含水构造进行了坑道探测,利用三种装置(温纳装置(Wenner)、偶极装置(Dipole-Dipole)、Schlumberger装置)进行实施,相互验证,取得了很好的探测结果.温纳、偶极和Schlumberger三种装置的视电阻率反演结果反映在测线(-135m沿脉巷道)以下至30m深度为一高阻层,表明自-135^-165m的岩体中已不含水或含少量的水;测线以下30~60m段为低阻层,反映-165^-200m的岩体中含基岩裂隙水;测线以下大于60m的地段为特高阻层,反映-200m以下岩体含水性逐渐变差.该探测结果与矿区水文地质结构调查分析结论具有很好的一致性,表明了坑道高密度电阻率法探测含水构造是可行的.

大功率激发极化法在额尔古纳成矿带中段找矿中的应用

工区位于额尔古纳中段的铜-铅锌-银-钼-铀成矿带.自上世纪80年代在该区发现化探异常以来,一直没有找到主矿体.为了解决该区的找矿问题,在充分研究工作区的地质、地球物理特征前提下,采用了大功率激发极化中梯装置和激发极化测深相结合的方法进行勘察.在12线758点布置了一个倾斜度为83°的钻井,并在100 m左右深度见到了侵染状矿体.证实了分析的正确性,达到了找矿目的.

基于遗传算法CSAMT反演计算研究

提出了CSAMT方法测深的遗传算法反演,比较传统的线性反演方法,其对初始模型依赖性小,全局寻优能力强,适用于在地下电性参数比较模糊的条件下对测深曲线进行反演.本文设计多种理论模型进行模拟,证明该算法精度高,可行性强.

电法精细探测在雄安新区的应用展望

从国家建设雄安新区的目的标准及措施看,对浅层地球物理的探测标准和水平提到了史上最严、精度最高的世界级标准。为此,本文对电法勘探中的高密度电阻率法及中国科学院自主研发的多通道大功率电法系统这两种方法进行了对比与总结,并对这两种方法在雄安新区的应用和进一步创新进行了展望。由于这两种方法都采用仿反射地震勘探方法的布极方式,一次性布设电极,通过改变电源的位置,得到一条剖面下由浅到深多个点的高密度电法资料,因此,横向分辨率都较同类方法高。通过这两种方法相结合的方式,可获得由浅入深不同垂向分辨率的电法资料,从而实现电法的精细探测,有望为雄安新区建设中遇到的水文、地质构造等勘查任务提供物探方法支撑。

高速公路隧道岩溶区地质结构电磁法精细探测研究

在岩溶区修建隧道时,需要获知隧道洞线附近的地质结构,特别是要了解是否有岩溶和破碎带的发育,这些不良地质结构体对于隧道安全施工有着重要的影响。在勘查深埋长隧道不良地质体的研究中,可控源音频大地电磁法(CSAMT)是比较有效的一种方法。本文结合频率-电阻率测深曲线,将之与钻孔标本的电阻率相比较,检验原始数据的可靠性和真实性。然后对CSAMT数据进行了反演及地质解释和验证。研究结果表明,CSAMT法在岩溶区进行隧道围岩地质结构探测具有很好的效果,对于隧道施工有着一定的指导意义。

大功率长偶极与环状电流源电磁波响应特征对比

为了在深部第二成矿带找矿,需要进一步提高电磁法可控源的强度,因此,一种新的大功率固定发射源的电磁法正在孕育之中.该方法采用长偶极源或者环状电流源,为了提高发射源的强度,偶极长度L或者环状源半径R需要非常大.然而,电磁场信号的强度不仅仅依赖于发射源,当L或者R为数十公里时,接收点的位置远离发射源,电离层对电磁场的影响不可以忽略.电离层的影响既可能是增强信号,也可能是削弱信号,这依赖于不同类型源产生的电磁波.本文利用三维积分方程法对包含电离层、空气层、固体地球层(简称地-电离层模型)的线状和环状大功率电流源电磁波响应进行了三维数值模拟,对两种源的电磁波的响应特征进行了对比研究.研究表明虽然磁性源的发射效率高于电性源,但是由于发射源在波导区产生的直达波经电离层的反射波要产生相长相消干涉,波导区的场特征既和发射源的特征有关,也和电离层有关.对比研究发现对于x方向的水平长偶极源电离层对电磁场Ex和Hy的影响是使场的幅值增强,即波导场的Ex和Hy的衰减是减缓的.而对于水平环状电流源,电离层对水平方向的电磁场的影响是使场的幅值减弱,即波导场的Ex和Hy的衰减是增大的.为此,认为采用大功率固定源在波导场工作时应该采用线状电流源.

基于CSAMT法的地基基础评价

针对规划中的唐山市中心高层建筑工区内存在采空塌陷、岩溶塌陷和隐伏构造及地裂缝等不良地质隐患,对地基基础及上层建筑物构成安全威胁等问题,为了给后续施工提供基础地质资料,查明场区内的不良体地质,采用CSAMT进行探测,并采用多种数据处理办法,多测线比较,获取场区内可靠的三维电阻率。通过研究断面图和不同深度的水平切片图的电性分布,对场区的地基进行合理划分与评价。研究结果表明:采用CSAMT探测结果能区分多种不同类型的不良地质结构与构造,并可合理布置钻探位置。

基于云端大数据的智能导向钻井技术方法

导向钻井技术方法是21世纪全球石油工业最重要的技术之一,也是美国"页岩气革命"核心技术水平钻井的关键组成部分。当前,导向钻井的主要研究目标是提高钻井速度、降低钻井时间和风险,智能化是目标实现的重要途径。文章分析了国内外大数据与人工智能在石油工业应用情况,建立了云端大数据智能导向钻井方法架构,提出了随钻测井参数人工智能反演与识别方法,指出了云端大数据与智能算法管理的实现途径,得出如下结论:(1)基于云端大数据智能导向钻井方法主要包括物联网感知层、大数据存储层和云平台决策层。物联网感知层实现井场关键信息的采集并传输至大数据中心;大数据中心支持数据存储与云管理;云平台决策层依托大数据中心的海量数据,进行云端地面软件控制、人工智能决策以及云平台管理。(2)采用机器学习的方法智能反演与识别地层岩性,选择自然电位、自然伽马、密度、声波、补偿中子、电阻率等6条随钻测井数据,分别采用不同的机器学习算法进行地层岩性反演与识别,决策树模型和随机森林模型分别达到0.81和0.89的准确度,形成了一套可快速自动描述岩性特性分类的方案。(3)云端平台管理决策可进行井下实时数据解码,获取钻井轨迹和测井曲线,其中云端人工智能决策模块对地层及钻井参数进行智能反演预测,可实现钻井轨迹智能修正和钻井参数智能优化,保证智能导向工程钻得准、钻得快。

Field testing of the surface electromagnetic prospecting system

To test the performance of the Chinese whole-surface electromagnetic prospecting （SEP） system, system integrations, instrument performances, and large-scale production viabilities in Liaoning province and Inner Mongolia were measured via extensive field tests. Resultant electric fields, magnetic fields, apparent resistivities, impedance phases, and inversion profiles compared favorably with results of commercial equipment from other countries. The inversion results agreed well with the geologic information from boreholes. Field tests showed that the SEP system is stable, reliable, lightweight, and easy to operate, making it suitable and ready for real-field exploration.

巷道CSAMT法的目标体分辨能力研究

目前地表矿、浅部矿越来越少,寻找深部盲矿体变得尤为重要.可控源音频大地电磁法(CSAMT)具有抗干扰能力强、分辨率高等特点,在探测矿产资源中已经取得了较好效果,但是通常CSAMT在矿区找深部矿时,由于在巷道上方的地表接收电磁信号会受到地面不同类型的强电磁干扰,同时由于该方法对深部矿体分辨率较低的缘故,大大影响了CSAMT的应用效果.本文尝试将CSAMT的接收系统置于巷道中,使得接收系统更加接近地下目标体,期望提高对于目标体识别的准确性,保证资源勘查的工作效率和成功率.基于积分方程法对不同类型地质模型进行了CSAMT正演模拟,并对不同模型不同深度接收的CSAMT响应特征进行了分析,同时以MARE2DEM软件模拟的二维模型响应加以验证积分方程结果的正确性.结果表明在无电磁干扰条件下,在巷道接收到的电磁场信号虽弱于地面,但其对于深部盲矿或目标体具有较强的识别度.

极低频电磁(WEM)法信号检测试验

极低频电磁方法是近几年来在我国首先发展起来的地球物理新方法,可以应用于资源、能源及深部工程地质勘查中,其特色之处是在高阻区建立近南北方向和近东西方向两个长达上百公里的人工固定发射源,发射大功率电磁信号。2015年11月底发射台建设完成后,首要任务是检测远处记录的极低频电磁信号的强度和有效性,为此,我们在距发射源960km的华北油田任丘盆地开展了首次信号测试试验:用高精度采集站接收发射信号,然后进行分段频谱分析,获得接收信号的频率谱,通过分析接收信号频谱的强度与信噪比评价发射信号的质量和有效性。在试验正式开始之前,先用10个均匀分布的频率确定最佳发射时间长度,其他频率的发射时间长度通过内插获得,以节省发射时间。通过试验,在离发射源960km处成功检测到了电磁场有效信号。当东西方向天线发射频率高于0.35378Hz和南北方向天线发射频率高于1.4151Hz时,与发射源方向一致的电磁场分量的信噪比都大于3,认为信号可靠可测。这次试验初步认定建成的发射台能够发射有效信号,可允许在全国各地进一步实施各种检测和联调试验研究。

浅海域海底极低频电磁响应特征研究

极低频电磁探测方法(WEM)是一种新型人工源低频电磁探测技术,目前尚未见极低频电磁探测方法的海区研究,缺少相关经验.为测试WEM在海洋环境中的电磁响应特征,本文将“地-电离层”全空间电磁波传播理论应用到含海水介质的“地-电离层”全空间模型,由地表处数值格林函数出发,利用空气层与海水层界面谢昆诺夫势函数满足的边界条件,推导了海底界面的场强表达式.采用高采样密度的Hankel数字滤波方法进行数值模拟计算.为探究WEM在海洋油气资源探测中的适用性,建立简化海洋地电模型,通过分析WEM对不含异常体的背景场和含高阻油气异常体时的电磁响应曲线差异来检测WEM探测海底高阻油气层的可行性.并讨论不同观测方式、不同收发距以及海水层厚度、油气层埋深和油气藏厚度对WEM电磁响应特征的影响.研究结果表明,WEM可在数百千米收发距下探测浅海区域海底下方电性异常体的存在.