基于MEMS陀螺的高温随钻定向测斜仪研究

针对油气井测量时所面临的小孔径、超深井、温度范围广、温度变化率高、工作时间长等挑战,研究了基于MEMS陀螺仪的定向测斜仪,设计了MEMS陀螺定向测斜仪软硬件系统.为确保该环境下的测量精度提出了一种动态温度补偿方案,并采用基于小波滤波多尺度分析的方法对动态温变环境下陀螺输出信号进行去噪滤波处理,以实现定向测斜仪系统的测量精度.论文给出了定向测斜仪硬件系统方案、定向测斜算法、小波多尺度滤波算法.测试结果表明:该系统在常温和动态温变环境下井斜方位角精度优于±2°,井斜角精度优于±0.1°,工作温度最高150℃,可适应我国深层油气井勘探开发的应用场景需求.

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.目前正在开展系统实钻联调测试,力图研发“理论研究-技术研发-装备研制-生产应用”全链条自主知识产权的智能导钻装备,为保障国家能源安全提供理论与技术体系的支撑.

面向地质导向的地层智能评价解决方案

地质导向系统基于井下实时测量的地质、地球物理和钻井参数,优化三维井轨迹到油气藏指定位置以获得最大的泄油面积和最佳的采收率,成为提高单井油气产量和油田开发效益的前沿技术,面临低孔-低渗-强非均质储层等地质难题和高温-高压-强振动等钻井工程难题.本文在梳理地质导向系统硬件、软件和人员等组成的基础上,将地质导向系统划分为基于地层构造的轨迹地质导向、识别储层岩性的油藏地质导向和面向地层成分的产能地质导向三个阶段;以分辨率更高、更直观的露头为例,阐述了地质导向系统“构造-岩性-成分”三个层次的逻辑关系.本文提出“数据采集-信息融合-态势感知-地层智能评价”的地质导向智能评价方案:按照学科门类,考虑数据的来源、采集时间和空间分辨率等因素,梳理出地层智能评价所需的数据类型与数据特征;提出地质导向多源异构数据“数据级-特征级-决策级”信息融合分类,并梳理了相关算法;根据数据模型与先验经验对当前钻井状态、地质环境进行态势评估,采用机器学习等算法对钻井模型和地质模型进行态势预测;提出“初导”和“精导”的理念,按照“构造-岩性-成分”三个层次厘定了地层智能评价的“精导”技术要点.该地质导向智能评价方案应用到实际油田的地质导向作业,验证了技术方案的可靠性和实用性,可为未来的井下智能闭环研究提供借鉴.

基于循环神经网络的大地电磁信号噪声压制研究

由于天然电磁场源信号微弱,观测数据极易受到噪声干扰,严重影响反演和解释结果.传统去噪方法依赖于人工对时间序列和功率谱的筛选,去噪效率低,主观性强.本文提出利用循环神经网络对大地电磁时域信号进行特征噪声的识别和提取,进而重构出去噪后的大地电磁信号.在对大地电磁时域信号进行大量分析的基础上,对噪声进行分类并搭建含噪信号数据库,利用该数据库训练了两个循环神经网络,并选取长短时记忆单元优化循环神经网络结构,分别实现含噪数据段筛选和噪声形态提取.对仿真和实测数据分别进行了测试,循环神经网络均能准确筛选出大地电磁信号中的噪声段,本方法在避免人为操作主观性的同时提高了工作效率,视电阻率和相位曲线质量得到明显改善.

旋转导向系统中非接触电能与信号一体化传输技术

旋转导向系统可有效提高钻井速度、安全性和井眼轨迹控制精度,是油气行业尤其是复杂环境下油气勘探开发的核心设备之一.非接触电能和信号传输单元是旋转导向系统中将电能和信号从旋转主轴传输至非旋转外套的重要单元.为了保证高温下大负载时电压输出的稳定性以及信号同步传输的可靠性,本文提出一种载波调制式电能与信号一体化的传输方法,在信号并联注入并联拾取的同步传输拓扑结构基础上,增加隔离电感与谐振电容,对新的拓扑结构进行数学建模,对电压增益、电流增益以及效率进行仿真,并通过仿真结果选择最优电路参数.实验验证该电路拓扑和传输方法在175℃环境温度下带载可到150 W,在150 W动态带载下输出电压的变化幅值小于输入电压的8%、传输速率115200 bps(bit per second,比特率)且误码率低于百万分之一.

智能导钻井下随钻单芯总线信道特征及接口驱动

随钻总线系统实时收集上传井下随钻测井数据与钻井工程参数以及下达地面控制命令,通过井地传输系统,实现地面与井下之间的数据与命令交换,形成钻井控制大闭环,是完成智能导钻的关键技术环节.本文从随钻单芯总线的信道特征、总线电路及其等效模型几方面介绍智能导钻井下随钻单芯总线系统,总结了总线的最佳工作频率及负载特征,分析了总线接口的简单可靠的驱动方法,通过电路测试,验证其可靠性.研究发现单芯总线信道的特征阻抗随分布参数变化很大,导致仪器横卧与竖立状态下,通信信道特性明显不同,本文根据信道特性变化规律,避开敏感频带,并将信道特征转换成等效电路模型,进一步明确了总线系统正常工作的参数设置方法.设计的总线系统已开展井下实钻试验连续工作3口井,累计工作时间超过270 h,累计钻进5300 m以上,未发现故障,系统工作稳定.

利用多通道瞬变电磁法识别深部矿体——以内蒙兴安盟铅锌银矿为例

多通道瞬变电磁法由于采用伪随机编码发射、最佳匹配相干解码技术,所以相比于传统时间域电磁方法勘探深度大且抗干扰能力强,是目前地面资源勘查领域的研究热点.针对内蒙兴安盟某铅锌银矿埋藏深度大等特点,首先根据矿区资料建立一维以及二维模型,数值计算脉冲响应并分析其特征,说明多通道瞬变电磁对于大埋深低阻异常体有良好的反映,随后通过多通道瞬变电磁技术对矿区进行实例勘查,数据处理过程中利用了反卷积的方法提取大地脉冲响应,根据轴向大地脉冲响应的峰值时刻计算视电阻率,通过对视电阻率进行全波形反演得到解释剖面,与测区钻孔资料对比分析证明,多通道瞬变电磁法是反映深部低阻异常体的有效手段.

地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地-空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.

多通道瞬变电磁法2D有限元模拟

多通道瞬变电磁法的反演工作是在大地脉冲响应的基础上进行的,因此本文用2D有限元正演来求取大地脉冲响应,实现多道瞬变电磁法的正演模拟研究.研究工作首先在有源大地电磁法2D有限元模拟的基础上进行,原有2D有限元法的频带相对于多通道瞬变电磁法的频带是窄频的,为此采用校正法将其扩展到所需的宽度,实现了频率域宽频带有源电磁勘探方法的正演模拟;然后通过频时变换变换到时间域,得到瞬变电磁法的阶跃响应;最后通过求取阶跃响应的时间导数,得到大地脉冲响应.针对多通道瞬变电磁方法的装置特点,用有一定埋深的顺层成矿模型分析了大地脉冲响应特征,发现对有一定埋深的顺层产出的矿脉模型来说,频率域电磁场结果以及时间域大地脉冲响应结果均需移除背景场才能突出异常体的存在,然而,在实际工作中,未知的背景场限制了其实用性.为此,本文利用多通道瞬变电磁方法数据量大的特点,提出用不同偏移距的等时曲线与等时断面来展示脉冲响应模拟结果,事实表明这两种展示方式可以清晰地分辨出矿体引起的异常,且能准确定位矿体的中心在地面的投影位置,从而说明多通道瞬变电磁方法相对于频率域有源电磁方法,对有一定埋深的顺层矿床有更高的分辨能力.

成矿模式与找矿模式研究的现代科学技术

为保障资源的可持续发展,地下深部资源勘探与开发是当前国内外许多国家重要的战略选择。地下深部是否存在优质矿产资源研究是开展深部找矿的前提。理想的成矿模式对指导找矿模式的构建具有重要的理论意义,而合理找矿模式的建立对于深部找矿具有重要的指导意义。随着现代科学技术的持续发展,各种新技术不断用于地质研究及勘探中,使深入理解成矿作用,建立理想的成矿模式成为可能。目前,一些新技术如矿物原位U-Pb定年、原位成分、原位同位素分析等在成矿模式研究中已发挥重要作用,指导人们重新建立新的成矿模式;同样一些地球物理探测技术、地球化学探测技术等也正在找矿模式的建立中发挥重要作用,为深部矿的找寻提供更可靠的依据。因而成矿理论及综合地球物理、综合地球化学等现代科学技术的应用是当前及未来深部矿找矿工作的趋势。

瞬变电磁波场转换算法的改进

地球物理电磁场数据与虚拟地震波场数据之间存在数学上的等效转换关系,通过这种等效转换,可有效提高地球物理电磁法对地下目标体分界面的辨识度.但是这种转换在数学上属于不适定问题,可采用奇异值分解法处理.由于大奇异值控制计算矩阵的主要信息,小的奇异值控制计算矩阵的次要信息,传统的截断奇异值分解法只保留大奇异值,而忽略小的奇异值,导致数值解不够精确.本文提出一种新的修正方案——改进截断奇异值法,采用岭估计方法计算由小的奇异值引起的虚拟波场.模型计算结果表明:改进截断奇异值法比传统的奇异值分解法得到的波场转换结果更好,对某煤矿采空区探测数据进行了处理,成功分辨出采空区分界面.

物探新方法——多通道瞬变电磁法在金属矿勘探中的应用

多通道瞬变电磁法是一种新的电磁勘探方法,具有分辨率高和探测深度大等优点。多通道瞬变电磁法同时记录发射电流和多道接收电压,通过接收电压和发射电流的互相关可以估计大地脉冲响应的峰值时刻,从而得到一种新的视电阻率剖面,能够很好地反映地下地电结构。通过对多通道瞬变电磁法野外工作与数据处理方法进行探讨,在内蒙古巴尔陶勒盖—复兴屯银铅锌多金属矿普查区进行了多通道瞬变电磁法实际勘探。野外数据采集时,通过240 m(或480 m)接地偶极子发射电流,180道60 m接收偶极沿10.8 km的接收剖面布设采集接收电压。对采集的数据进行处理获得了多通道瞬变电磁法视电阻率剖面,该剖面与已知钻孔资料吻合很好。研究认为多通道瞬变电磁法在未来金属矿勘探中具有良好的应用前景。

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。

我国深地资源电磁探测新技术研究进展

诸多研究表明我国深部资源潜力巨大,但目前的开发开采深度普遍停留在500m以浅,开展"攻深探盲"是构建国家资源安全体系的有效途径.应用最先进的科学技术手段,提取深部地质信息,已成为我国当前地球物理科学研究的发展方向.作为地球物理学的重要分支,电磁法是矿产资源探查的主体手段之一.在分析我国现阶段航空、地面及海洋电磁探测技术进展的基础上,本文重点说明了极低频电磁法(简称WEM法),多通道瞬变电磁法(简称MTEM)和电性源短偏移瞬变电磁法(简称SOTEM)等电磁探测新技术.WEM法建立一套包括岩石层、大气层和电离层在内的全空间电磁传播理论,通过新研制的观测系统,获取地下10km的地电信息;MTEM方法是地下埋深4km目标体精细勘查的有效手段;SOTEM实现地下1.5km深度范围内目标体的精细探测.通过多种电磁探测技术组合,可实现地下10km深度范围内多尺度探测,达到"望远镜+放大镜+显微镜"探测效果.同时,本文指出进一步研发与新方法配套的装备、资料处理技术和大数据人工智能识别等将是我国电磁法未来的发展方向.

基于牛顿迭代法和遗传算法的CSAMT近场校正

由于可控源音频大地电磁法(CSAMT)采用人工场源在大大增加信号强度的同时也带来了在近区产生非平面波效应的问题,其表现特征为在双对数坐标中卡尼亚电阻率曲线呈45°上升,即所谓的近场效应.本文首先提出了基于牛顿迭代法求解视电阻率方程的近场效应校正方法,通过对二层、三层理论模型试算验证了该方法的有效性;为进一步增强对噪声的压制能力,本文进一步引入了遗传反演的思想,将全频段误差最小作为目标函数,采用自适应正则化方法引入模型参数梯度最小作为稳定因子,由遗传算法求解得到校正后视电阻率,通过对理论模拟数据加随机噪声的校正结果,表明该方法在实现近场校正的同时能剔除噪声干扰,得到的结果与理论模拟曲线吻合度较高.通过对内蒙古曹四夭钼矿区实测CSAMT数据处理结果表明,牛顿法和遗传算法均能明显校正CSAMT因近场效应引起的假高阻异常,能更好地反映地电结构特征.

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.

基于多测点分析法的水平井高精度磁方位校正方法

随着水平井、多分支井等技术的出现,随钻测量技术对磁方位精度的要求越来越高.常规单测点磁方位校正法误差较大,无法满足复杂结构对磁方位精度的需求.近年来,国外围绕Brooks多测点分析法的基本公式,建立了一系列优化后的多测点分析法来提高磁方位的精度.本文以多测点分析法的公式为基础,结合常规单测点磁方位校正法,推导出一套收敛的改进多测点分析法.并通过实验来验证改进后的多测点分析法的效果.用改进后的多测点分析法得到的方位角精度在0.2°以内,达到或接近国际先进水平.通过进一步开展数据处理和分析,该套算法可以应用于水平井、多分支井等大斜度钻井工程中的精确定位和导向.

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.

瞬变电磁数据L-PSO反演方法

本文针对粒子群优化算法(PSO)搜索步长短的问题,提出将Lévy flight搜索策略引入其中.利用Lévy flight兼具短距离搜索与偶尔长距离游走的特点,在不降低PSO算法收敛效率的情况下赋予其大步长游走能力,提高了PSO算法搜索全局最优的能力,极大增加了PSO算法飞出局部最优的概率.最后本文将L-PSO算法应用于实际资料的反演中,结果表明L-PSO算法适用于瞬变电磁法的一维反演.