0 引言

地层结构的不确定性给钻井工程带来了极大风险^[1]。钻具进入地层后，有可能遇到特高压层等特殊的地质地层，这容易引起钻井事故，并影响勘探生产效率。因此，在钻井过程中需要实时了解地层的工程和地质参数，对未知地层的压力进行监控。垂直地震剖面技术(VSP) 可通过地震波获取地层信息，将其运用于随钻工程领域，可形成随钻垂直地震剖面技术^[2]。该技术能够连续测量，对钻井过程不会产生干扰，同时能实时监测钻具的井下作业进度，获取钻进过程中的地质信息; 实时预测钻头前方未钻地层的地质构造和压力情况^[3]，及时调整钻井工程方案，最大程度地降低钻探过程中的风险，减少经济损失，提高生产效率。

利用垂直地震剖面技术分析地震波信号，能得到井下岩层构造和岩石孔隙等信息，这些信息可以指导钻井工程师进行钻前预测，从而尽快找到油气储层。通过井下传感器阵列测量并分析地震信号，能避免地面其他噪声源的影响，更有利于研究地震波在不同地层中的传播规律^[4]。在随钻垂直地震剖面测量系统中，将地震震源放置地面井口附近，其产生的地震波沿各个方向传播，如图 1所示。地面震源产生震源扫描信号az，该信号同时被地面检波器阵列测量并记录。检波器阵列测量到震源经过地层传输下来的初至波信号bz^[5]，信号az到信号bz所经历的时间为t_z1。震源信号az向下继续传输到地层界面会产生反射波信号cz和dz。信号cz和dz到井下检波器阵列的时间为t_z2和t_z3。由于信号bz、cz和dz都是被同一检波器阵列检测记录，所以信号bz、cz和dz相互叠加在一起无法进行区分^[6]。需要将信号az、bz、cz和dz进行互相关运算处理，得到信号fz。信号fz在时域上分得到与时间t_z1、t_z2和t_z3相关的3个特征信号，分别对应初至波信号az、反射波信号bz和cz。这样由时间和地震波波速就能推断出钻头前方的地层位置结构情况。

图 1 垂直地震剖面测量原理 Fig.1 Measuring principle of vertical seismic profile

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随钻垂直地震剖面测量系统分地面和井下2部分。地面系统由地震车和检波器阵列组成。井下部分即随钻垂直地震剖面测量装置，由3个分布在不同轴向的检波器阵列和控制处理电路组成，如图 2所示。接收地震信号的检波器阵列处于井下地层内部，根据地震检波器在垂直空间上的分布来采集不同垂直位置上的地震信号，根据该信号来研究地质剖面的变化情况。井下检波器阵列工作于接单根期间，井下和地面其他震源对其影响非常小。3个轴向检波器可以同时测量地震的纵波和横波，便于以后对数据进行分析^[7]。

图 2 随钻垂直地震剖面测量装置 Fig.2 Measurement while drilling device for vertical seismic profile

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如图 3所示，垂直地震测量装置的电路系统按照功能划分为4个单元，即系统主控通信单元、信号采集单元、地震信号存储单元、系统电源检测及数据回放单元。井下主控电路板单元负责其他单元的协同工作，可利用钻井液脉冲信息传输系统与地面进行通信。

图 3 垂直地震测量装置的电路系统 Fig.3 Circuit system of the vertical seismic measuring device

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井下主控电路板单元通过数字加速度传感器采集振动加速度信号，并对该信号进行处理分析。当加速度信号功率谱小于实际设定的阈值时^[8]，可判断为地面钻具处于钻进、停泵和安装单根钻杆操作时间段，在此期间地面地震源也将产生地震信号，井下主控电路板单元将通知信号采集电路板单元进行地震检波器信号采集。垂直地震剖面测量系统对地面和井下地震信号采集时间的同步要求很高，需要一个在井下高温环境下稳定工作的精密时钟晶振源作为时间记录的基准，因此使用Symmetricom公司原子钟模块，其温度稳定性很好，能耐受1 000g的加速度冲击。

地震信号数据采集电路板单元将控制井下三通道24位AD进行地震检波器信号采集，并将其存入串行SRAM芯片阵列中，数据采集电路如图 4所示。电路中高精度24位AD的最高采样率可达144 kb/s，带宽70 kHz，可满足采集15~200 Hz地震扫频信号的要求，其工作于高分辨率模式时信噪比可达到111 dB。三轴检波器阵列检测到地震信号后由前方进行放大，它采用极低功耗轨至轨输出全差动放大器THS4521。控制ADS1278HT工作在同步采集方式，控制器通过SPI端口读取采样后的数据，并将数据存入SPI接口的SRAM芯片阵列中。SRAM芯片阵列采用8片1 Mb高温SRAM芯片，存储阵列存储深度可达128 kb，满足地震信号存储要求^[9]。

图 4 地震数据采集存储电路框图 Fig.4 Circuit block diagram of the seismic data acquisition and storage

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地震信号数据存储电路板单元用于存储井下三轴检波器阵列采集的地震信号，以便起钻后在井场进行数据回放。地震信号存储单元采用MICROCHIP公司的高温控制器DSPIC33FJ128MC710A作为主控芯片，用于对存储芯片阵列进行读写控制，并接收由信号采集单元主控芯片发送过来的缓存数据。地震信号存储单元采用1片高温CPLD芯片进行存储器芯片阵列的管理，采用VERILOG语言对其编程，实现5输入32输出功能。

对井下32片高温NORFLASH存储芯片进行片选管理。主控芯片负责协同CPLD与NORFLASH芯片的工作，完成对每1片NORFLASH芯片的SPI读写控制。高温存储芯片阵列由32片64 Mb存储芯片构成，总存储容量可达2 Gb。对于地震采集信号的存储可以达到200 h，满足随钻地震测量的要求。

系统电源检测及数据回放单元负责记录井下电池组的工作时间，并将其存储下来，用于计算电池的使用寿命，作为起钻后是否更换电池的依据; 还可回放存储数据, 并将数据上传到电脑中，进行数据互相关处理，提取出与地层有关的地震波特征，其结构如图 5所示。数据回放采用FPGA芯片、高速USB2.0芯片CY7C68013A和2片512 kb的SRAM^[10]，回放速度可以达到32 Mb/s。FPGA芯片用于读取2 Gb数据存储单元的数据并缓存到512 kb的SRAM中。2片512 kb的SRAM用做数据FIFO，即当1片SRAM存储满后由USB2.0芯片CY7C68013A发送到上位PC机，而FPGA芯片继续读取存储器并缓存到另外一片SRAM存储器中，当存储满后同样由USB2.0芯片CY7C68013A发送到上位PC机上。2片SRAM做“乒乓”操作模式，可以提高数据传输的速度。

图 5 数据回放单元结构图 Fig.5 Structural schematic of data playback unit

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由三轴机械振动台在试验车间产生2路扫频振动信号，2路振动信号的延时时间可以控制。随钻地震测量系统测量2路振动信号产生的地震信号，并将这2路信号进行互相关计算，可以从处理后的波形信号得到准确的振动源所产生的延时时间。用此方法可以测试随钻地震测量系统测量震源直达信号和地层反射信号时间差。三轴振动台产生的第1路扫频振动信号、第2路经过600 ms延时的扫频振动信号及进行互相关处理后的波形信号如图 6所示。从图可以看出，2路信号经过互相关后，在600 ms后的波形有明显变化。因此，经互相关信号处理后，可得到准确的600 ms初至延时。

图 6 随钻垂直地震剖面测量装置测试数据处理 Fig.6 Test data processing of the vertical seismic profiling measuring device

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2016年1月16日至22日，随钻垂直地震剖面测量装置在华北油田的石探1井开展了现场试验。2支仪器各下1趟钻，入井2次，连续工作109 h，从井深900~1 400 m进行随钻地震信号测量，累计进尺500 m。试验中该装置工作正常，测量数据完整。经起钻后高速回放数据，并进行互相关信号处理后，得到的地震信号随测量深度变化情况如图 7所示。试验结果表明：该装置记录的地震信号符合地震波特征，能够反映该井段的地质结构。

图 7 地震信号随测量深度变化情况 Fig.7 Depth change of seismic signal measurement

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随钻地震勘探开发可以利用地震波信号对钻头前方的地层地质情况进行探测，根据测量到的信息可以及时发现钻头前方的地层岩性、裂缝和压力异常等情况。因此设计了用于随钻垂直地震剖面测量装置的机械结构和相关电路。该装置通过测量人工地震源的直达地震波信号和各个地层界面的反射波信号，并对信号进行互相关处理得出地震波传输的时间信息，为判断钻头前方地层提供资料。对随钻垂直地震剖面测量装置进行了钻井现场试验，将装置安装于扶正器钻具上方，由地面震源产生地震信号，可探测到直达波和地层界面的反射波。