海洋油气勘探仪器参数设计研究

摘要

石油被誉为现代化工业发展的血液，近些年，随着我国经济的高速增长，石油在我国常规能源结构中所占的比重越来越大，中国石油需求的缺口也越来越大，石油已经威胁到了我国国家能源战略安全。现今我国陆上油田开发已经进入中后期，而近海海域油气资源相当丰富，如何开发这些海上油气资源已迫在眉睫。2001年，“863”国家高科技研究计划就立项开始研究具有自主知识产权的海上油藏勘探设备。我们实验室承担了子课题时移地震数据采集与记录系统(简称TMSDARS)的研究开发任务。在四年的研发实验过程中，我们认识到在地震仪器开发中，除了单纯的电子设备和用户界面之外，还有很多重要因素。勘探仪器的参数必须与实际的地层结构相配合。由于进行海上油气勘探需要花费大量的时间和资金，因此勘探前参数的预规划和在线修正就成为了必要。当前，TMSDARS系统并没有配套的预规划软件，用户界面程序也没有配备足够的在线数据处理功能。本论文即是基于以上背景，将研究重点放在海上地震数据处理和仪器参数设计上。 预规划软件与在线修正软件具有若干共同点，两者都需要对地质模型和海上油气勘探过程的理解。本文将先介绍这两条，然后讨论仪器参数与勘探分辨率的关系，接下去给出海上地震数据的基本处理算法和抗噪声技术，再结合其复杂度讨论如何选择和应用这些算法。最后给出将以上理论和算法结合入TMSDARS系统和单缆测试系统的软件规划方法。本文分为七章，各章的概要如下： 第零章导言本章是正篇论文的总领，首先介绍了开展此论文研究的背景和原因，然后评价了此项研究的亮点、介绍了已经完成的工作，最后给出了将来继续研究的可能方向。 第一章海洋地震勘探简介本章首先介绍了全球的石油产量和需求量，并特别讨论了中国的石油供需；然后介绍了海上地震勘探的主要三个步骤，即数据采集、信号处理和解释。勘探的主要思路是：先产生一个窄脉冲声波信号，然后将接下去的一段时间内的水压分布信息转化为数字信号。因为不同的地层结构将导致反射波的时间和幅度不同，所以根据这些数据可以反推出地下结构，而地质专家将根据这些结构，推测油气蕴藏的可能性与储量。本章最后还简要地介绍了本文的研究意义。 第二章地震勘探物理模型本章首先介绍了液体中和各项同性固体中的声波传播方程，然后根据水中无法存在P波的原理，将其作了简化。对于单次反射，不同位置的检波器上接收到的反射到达时间为双曲线。如果使用均方根速度代替单一地层速度，这个双曲线公式可以被推广到多层反射。本章最后简要介绍了正演和反演的思路，分别是根据地层结构推导可能的压力分布，和根据已经获得的压力分布推导可能的地层结构。 第三章地震勘探参数要求本章首先介绍了地震勘探的分辨率定义，即最终可以分辨的最小地下结构的尺寸，包括垂直分辨率和水平分辨率。然后归类介绍了地震勘探仪器的参数，包括：枪阵信号、检波器物理模型、模拟电路频率响应、FIR/IIR滤波器、采样率、信噪比、测量范围、电缆的近段偏移和远端偏移、放炮时间间隔、采集时间等。接下来具体给出了实际使用的仪器参数，主要依据是2005年海试使用的时移地震数据采集与记录系统参数，以及与其配套其他仪器参数。最后讨论了仪器参数与分辨率的制约关系。 第四章从地震数据中提取与仪器参数相关的信息本章首先介绍了地震数据处理的基本流程，然后重点研究了如何从地震数据中提取信息的方法。为了研究反射信号的特性，使用了频域和F-K域的分析与滤波。此外还给出了推导地层速度和厚度的方法。为了压制噪声，还讨论了噪声的分布特性以及对应的噪声压制方法。本章和第三章中的数据和参数均来源2005年11月使用时移地震数据采集系统在南中国海进行的海上试验。 第五章仪器参数规划软件设计本章首先给出了三个中国自主设计的地震数据采集系统，即时移地震数据采集与记录系统，单缆测试系统和深水石油高精度地震采集与记录系统。然后讨论了将第三章和第四章中各种算法结合到这些系统软件中的可能性。最后，规划了具体的算法实现软件结构，包括用户界面、核心算法、日志和报告。 第六章总结与展望本章比较了国产系统与国外系统的参数，总结了本论文工作的创新点，介绍了本人在与此论文相关项目中的工作，并给出了将来可以进一步改进的方向。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录

中国科学技术大学学位论文相关声明

致谢

第零章导言

0.1我们做过什么

0.2我们正在研究

0.3我们已经达到

0.4我们还会继续

第一章海洋地震勘探简介

1.1海洋地震勘探背景

1.2海洋地震勘探的步骤

1.2.1地震勘探—采集

1.2.2地震勘探—处理

1.2.3地震勘探—分析

1.3本文主要研究对象及研究意义

1.4小结

参考文献

第二章地震勘探物理模型

2.1波动方程、声波的折射与反射

2.2单界面与多界面的时距曲线

2.2.1单界面反射时距曲线

2.2.2水平层状界面的反射时距曲线

2.3正演与反演

2.4小结

参考文献

第三章地震勘探参数要求

3.1分辨率

3.1.1垂直分辨率

3.1.2水平分辨率

3.2地震勘探仪器原理和参数

3.2.1海上震源工作原理与参数

3.2.2检波器工作原理与参数

3.2.3模数转换电路工作原理和参数

3.2.4施工参数

3.3勘探仪器的典型参数值

3.3.1气枪阵列指标

3.3.2检波器指标

3.3.3采集系统指标

3.4勘探参数与分辨率关系分析

3.4.1地层滤波效应对分辨率的影响

3.4.2噪声对分辨率的影响

3.4.3勘探现场参数

3.5小结

参考文献

第四章从地震数据中提取与仪器参数相关的信息

4.1数据处理流程简介

4.2信号分布特征分析

4.2.1频谱分析

4.2.2二维谱分析

4.3速度分析

4.3.1初置波速度提取

4.3.2反射波速度提取

4.4抗干扰技术

4.4.1干扰源

4.4.2水平叠加和垂直叠加

4.4.3频域滤波与二维滤波

4.4.4检波器组合

4.4.5反卷积滤波

4.5 小结

参考文献

第五章仪器参数规划软件设计

5.1自主研发海上地震勘探系统

5.1.1时移地震数据采集与记录系统

5.1.2单缆测试系统

5.1.3深水石油高精度地震采集与记录系统

5.2在线与离线数据处理可能性分析

5.3软件框架

5.3.1用户界面设计

5.3.2核心算法设计

5.3.3日志和结果报告

5.4小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1总结

6.1.1本文的创新点

6.1.2本人的工作

6.2展望

附录一：攻读博士学位期间发表的论文专利

附录二：本论文中的彩图