CN1009965B - 产生地震波的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了在井眼地层中产生地震波的方法和装置。选择井眼的某一部位，可以是井底，也可以是沿井身高度的任何其它部位，作为产生地震波的区段。提供了某种装置来激振处于所选井眼部位中的井眼液体，从而在液体中产生所需频率的稳定谐振压力波。通过不断地对液体供给能量来补偿因液体摩擦、结构损失和声能辐射的损失，使波形保持稳定。如此产生的稳定波通过井眼壁被辐射到地层中去，并最终为设置于地面上的地震波检测仪所接收。

Description

本发明涉及在地层中产生地震波的技术，尤其涉及在地面下，如在一油井井眼中实地产生地震波的技术。

在勘探石油和天然气的过程中，人们希望尽可能多地揭示感兴趣地区地下结构的性质。这些年来已经发展了众多的技术，对形成这些资料是有帮助的。一种普遍使用的，并极其成功的技术是地震勘探法：将许多种称为地音探测器的传感器，成一排地放在地表面上。在地音探测器附近的地表层内，产生某种类型的地震波，地音探测器随后对来自各地层的反射波进行探测和记录。根据这些记录数据，地质学家和地球物理学家便能确定出该地层的某些特性。

一旦在一选定地点正式开始钻井，人们通常试图尽可能多地搜集到有关井眼本身的地下结构的资料。因此，人们不时地将各种专用仪器放入井眼中，以便测定各种物理参数，例如电阻。不时地从井眼壁上取下岩芯样品并进行分析。另一种很有用的技术是在井眼周围的地面上，放置一排地震检波器，然后从井眼深处产生一地震波。这种技术可以提供有关该处地下结构性质的很有价值的补充资料。

在过去，存在的主要问题之一始终是在井眼中产生该种地震波的技术。曾有限地试用过爆炸法，因为要产生具有足够强度地震波所需的炸药量，同时会严重地损坏井眼本身。人们还提出了一些别的技术，例如，使一通常挂在钻具上的重物跌落到井底以产生地震波。人们还知道，可以将专门的装置安装于钻具的端部，它可以借助通过钻具的钻井冲洗液来旋转，并产生声波，这有些象气笛和哨子的作用。

所述的这些技术中，没有一个被证明是完全令人满意的。因而在石油工业中，长期存在一种需要：研究出在井眼下产生强烈地震波的一种更好的方法。

本发明提出了一种在地层中产生地震波的方法和装置，该装置安置于钻井眼中。井眼的某个部位，可以是井底，也可以是井身的任一处，都可以作为产生地震波的部位。提出了一种在选定的井眼部位激振井眼液体，从而在液体中产生一种具有所需频率的稳定谐振压力波的装置。通过对液体不断地供给能量以补偿液体摩擦的损失、结构损失和辐射声能的损失，来保持波形稳定。如此形成的恒定波可通过井眼壁辐射到地层中，并最终为安置于地面上的地音探测仪所接收。

此种装置可采用各种结构，下面将详述。通常，选用的是半波，或是四分之一波振荡器。在选用半波振荡器情况下，一对可压缩的充气囊被安置在井眼中，相隔一预定的垂直距离。将二气囊之间井眼内空间中的液体激振产生稳定谐振波。在选用四分之一振荡器情况下，只安置单个充气囊，它在井下跟不可压缩的阻挡件垂直相距一规定距离。然后，激振阻挡件和充气囊之间的液体以产生稳定谐振波。

本发明的一个重要特点是，通过激振在垂直方向上隔开的两部件之间的井眼液体，在钻井眼的某一部位产生一稳定谐振波。上述的部件即可为可压缩充气囊。但是，本发明并不仅限于使用充气囊，还可使用其他的井内技术，其中将同样的液体柱激振 到谐振振荡。至于井眼中液体，我们指的是各种各样的普遍液态流体，可以是在井眼中原来就存在的，也可以是灌入到井眼中的，所指液体不限于钻井冲洗液，有时是钻井泥浆，海水、水、油、完井液以及它们的混合液。

液柱的两端可以借助于一相对可压缩部件，或一不可压缩部件来限定。在使用可压缩部件时，选用比液柱液体的声阻抗小的部件，这样，当压力波冲击后，从可压缩部件上反射回来和入射波相位约差180°。可压缩部件最好是充气囊，但也可以采用其他种可压缩容积。在使用不可压缩部件时，选用的是较液柱液体声阻抗大的部件，这样，当压力波冲击后，被反射回来大致与入射波同相。如在随后的说明中指出那样，恰当地选用可压缩部件或不可压缩部件，这是很重要的。

本发明的一个优点是具有高效能。因为使液柱在共振或接近共振时振荡，便能用很小的输入功率来产生相当大的压力振荡。

本发明的另一个优点是提出了可用在井下的装置，它可很容易地改变其谐振频率，这样，产生的地震波可具有从数种频率中选定的一种频率，或按要求扫过宽频带。

下面将通过最佳实施例的说明和附图对本发明作进一步详细说明。

图1示意地示出了在一井眼中，按本发明提出的方法和装置按半波型式进行操作的情况;

图2示意地示出了按四分之一波形式操作的情况;

图3为一实施例的正视图，所示装置的两端为气囊，中间部位为一驱动机构;

图4所示为图3中所示装置的中间部位的放大垂直剖面;

图5所示为第二个实施例的正视图，所示装置仅在一端有一充气气囊;

图6所示为上述装置一端的放大剖面图，示出了用于移动气囊的一种方法;

图7所示为移动气囊的另一种方法的放大断面图;

图8所示为图3所示装置的另一实施例;

图9所示为在另一实施例中的上述装置的中间部位的部分剖面图;

图10示意地表示出液态流体在上述装置内的工作情况。

最佳实施方案说明

图1和2示意地说明了本发明的基本工作原理。在图中，自地表面钻出了一井眼14，通常是垂直的。在井眼内人们感兴趣的部位，安放一个示意表示的、以18代表的操作头，其中包括一个相对可压缩气囊，第二个操作头16，放置在井眼的上部，它与操作头18相距一预定的距离。装置16和18之间的空间为钻井液充满。在图1所示的本发明实施例中，装置16应包括一个与操作头18中的气囊相类似的第二个可压缩充气气囊。在图2中示意表示的实施例中，装置16是放置于井眼14中的不可压缩的阻挡装置。

如前所述，本发明产生这样一种结果，即井眼中的液体跟装置16和18之间产生一种所希望的声阻抗失配。在图1所示的实施例中，装置16和18与钻井液体比较，具有较小的声阻抗。在图2所示的实施例中，装置16较钻井液体具有较大的声阻抗，而装置18则较液体具有较小的声阻抗。为说明问题，从备有可压缩充气气囊的观点看，具有本发明虽被说成是低声阻抗的部件，但也可以使用另外的部件，如一浮动活塞装置，它随作用于其有效面上的入射压力波自由移动。

在图1所示的方法中，装置16和18要有一定间隔，这样，当它们之间的液体被激振到振荡状态时，它们之间将产生一稳定的半波。图2所示的装置16和18之间的距离是这样选定的，即它们之间的液体被激振到振荡状态时，在它们之间将产生稳定的四分之一波。当希望按本发明提出的方法和装置以四分之一波型进行操作时，两端部件中的一个，例如图2中的16和图5中的44，必须是相对不可压缩的，从而使井液产生大的声阻抗，这样，当入射波碰到该部件后，基本上以同相位被反射回来。图2中的部件16和图5中的部件44其形状要与井眼相适应，使保持液体密封。但它们在井眼中可以是不动的，就是说，在垂直方向上的位置是固定的，也可以在井眼中是滑动的。

图3所示装置对图1概略所示方法是有用的。该装置包括一个细长装置10，适于被安置到井眼14的下面。装置的下端为操作头18，详图可见图6。工具的上端为一与18类似的操作头16。管子20将操作头16和18连接起来，其中间部位为扩大的管颈22， 图4为其放大图。管颈22中装有电动机28，活塞室26和一平衡室30，后面将对它们的功能做详细的介绍。在管颈22的中间部位装有一个或几个与液体接触的柔性膜盒24，它通过导管25与活塞室26连通。

后面将对操作头16和18的运动情况做更详细的说明。然而应该指出的是，在图3中，上操作头16中的波纹管53a基本上处于压缩状态，而下操作头中的波纹管53b则处于张开状态。在实际的操作过程中，操作头16和18相对于管颈22是做对称运动的，图3中所示的波纹管53a和53b状态，只是为了说明它们的功能。

通常，在油井和天然气井的钻井操作过程中，一般是向钻孔14中灌入钻用冲洗液，通常称为钻井泥浆。因此，在操作头16和18之间的空间中，以及操作头周围的空间和井眼内操作头上、下部的空间中，通常都注满了钻井泥浆。然而正如前面指出的那样，本发明在实际操作中采用的钻井液体，可以是在钻井、产油、试验或油和气井完井过程中，常见的或备有的任一种液体。如图4所示，管颈22中装有电动机28，它通过电线40和40′与电源（未示出）连接，电动机28驱动室26（见图10）中的活塞27。与导管25连通的活塞的一侧，那里通常充有液体，例如液压油。在室26中的活塞的另一侧，通常充有气体，其压力可通过平衡室30和气压调节器36进行调节。

当室26中的活塞由电动机28驱动做往复运动时，即可将液压油从导管25中泵入和抽出，这样便对柔性膜片24交替地施加高压和低压。活塞两侧的压力为井眼中该处的环境压力。这样，由电动机产生的仅仅是振荡压力负荷，而不是井中的静负荷。平衡室30的容积较活塞室26和导管25液压油一侧的容积大得多，因而，活塞27的小量运动对活塞的充气一侧不产生明显的压力变化。膜片24（在管颈22外表面上的一侧膜片表面，被钻井泥浆所包围）的运动，引起了操作头16和18之间的钻井冲洗液柱的相应运动。对振荡频率进行控制，使在操作头18和16之间的空间中产生一稳定谐振波。要是装置按图3所示的方式配置时，操作头16和18之间的距离以及膜片24的振荡频率便可选定，结果二操作头之间的液体中就会产生稳定的半波。

图5所示为装置的一种改型。如果希望在液体中产生一种四分之一波振荡时，可选用这种装置。此时，装置包括单个操作头18，其结构与前述的另一种实施例中的装置结构是等同的。然而，装置的上端为一固定式操作头44。操作头44的外围是栓塞46和48，它们能使操作头44牢固地压在井眼14的侧壁上，从而可阻止栓塞46和48周围的钻井冲洗液通过。

与前述的装置类似，在操作头44中也装有一驱动机构，即电动机28，活塞室26，平衡室30和调节器36。在本实施例中，柔性膜片24安装在操作头44的下端面上。在操作头44和18之间延伸的导管20，在此情况下在其全长上是连续的，而不像前述的实施例那样有扩大的管颈22。图5所示实施例是按照图2示意说明的原理工作的：在位于操作头44和18之间的钻井液体中产生的振荡，将形成四分之一波长的稳定波。在本实施例中，重要的是，该装置的一端正如本文已说明过的，包括具有一可压缩气囊的操作头，装置的另一端则包括具有一不可压缩的操作头，它与井眼14保持液体密封，如上所述，它可以是固定不动的，也可以在井眼中滑动。

如前述，图1和图2示意地表示了该装置的操作原理。X表示沿井眼垂直轴线的距离。数字0表示自下操作头上端面计算的长度起始点。字母L表示沿X轴线的长度，其中出现正弦波的最高压力幅值。符号2L表示这样一点，即在该点压力幅值衰减到0。按图1所示的产生半波的情况下，在共振时，此点位于上操作头的底部。

压力作为在操作头之间的井眼方向上的位移和时间的函数，由下列方程式给出：

P_（x·t）＝P₀Sin (πct)/(2L) Sin (πX)/(2L) +P_B

其中，C＝井眼液体受压时的音速;

P_B＝井眼静压;

P₀＝所受最大被驱动动压;

t＝时间;

x＝沿井眼的距离。

所以，振荡体的频率由下列方程式给定：

f＝C/4L

在图1所示的装置中，在X＝L处，液体运动为0，在X＝0和X＝2L处，达到最大值。在图2所示的实施例中，在X＝L处，液体运动亦为0，在X＝0处达到最大值。

为了使液体能在操作头之间产生振荡，需要在 液体最大运动处设置一低声阻抗体。所以，在图1所示的实施例中，正如后面要说明的那样，二操作头16和18应备有可压缩气囊。而在图2所示的实施例中，操作头16是刚性的，操作头18则备有可压缩气囊。

从上述说明可以看出，可以用几种方法对二操作头之间液体的振荡谐振频率进行控制。方法之一是改变二操作头之间的距离。参看图6和7，图中示出了操作头的详细构造。可以推断熟知该技术的人可以选用不同的操作头。如图6所示，有一种操作头的结构是，一端为一刚性室50，另一端为刚性管套52。管套52面向振荡液体的端部是敞口的。管套52中安装一可压缩气囊64。虽然在图6和7中是以剖面表示的，但可以看出，管套52和气囊64是环形的，并在导管20周围扩大。由气源或调节器60处伸出一气管62，它与气囊64连通，并用于使气囊保持在所希望的充气程度。气源可装在标有标号60的该装置中或其表面上，在后一种情况下，该装置中须装有一调节器60。

可以使用各种气体使气囊充气，这取决于装置操作环境的实际情况。例如，装置的工作位置非常靠近地表面，即很浅的井眼，可以利用空气或氮气。然而，为了使装置用在低于地面5，000～15000英尺的普通工作深度的井眼中，便需要采用非常轻的气体，它在极限工作压力下仍保持一定的可压缩性。因此，希望采用轻气体，如氦、氢或甲烷，最好使用氦，因为它的分子量小，并是惰性的。气囊本身是用高温合成橡胶制成的。

在两个操作头都装有可充气气囊的实施例中，气体可以从气源60，经过阀门61和导管34充入到第二个气囊中。

液体箱66中装有液压液体，液体可通过小孔65流入到伸缩式气缸58和56之中。通过小孔65调节液压液体的压力，即可使伸缩式气缸54、56和58彼此间相对移动，从而使管套52膨胀和收缩，进而使充气囊64膨胀和收缩。这种运动有效地改变了井眼中操作头之间的距离。操作头上装有波纹管53，用于保护操作头的内部运动部分，使它们与外面的钻井冲洗液隔开。

图7示出了另一运动机构，它有一条钢索70，固定在管套52的顶部表面（以76a表示）上，穿过支承于支架74上的惰轮72，再穿过该装置的整个长度而后绕过一操作机构（图7中未示出，但示于图8中）在该处再次固定在管套52的底部，以76b表示。

由齿轮箱80和齿轮82组成的传动机构，由一动力装置（未示出）带动转动，以便在某个方向或另一个方向上，带动跑道形的钢索。当钢索移动时，根据其移动方向，管套52便沿导管20上下移动。

使操作头彼此间产生相对移动的目的是要改变它们之间液体的谐振频率。所以，可以这样移动操作头：或者扫过感兴趣的各个频率，或在操作过程中，按预定的距离进行移动，以产生感兴趣的个别频率。由于不需在井眼中移动装置，就很方便地移动操作头，因而操作是极其灵活的。

可以采用图9所示的技术，它以另一种方式移动操作头来改变装置的共振频率。在本实施例中，在导管20的外围装有一个由橡胶或其它弹性材料制成的可膨胀的套筒。用卡环86沿套筒长度，在各间断点上将其固定在适当的位置。可以在套筒和导管20之间泵入气体将套管充气，使各卡环86之间的套筒部分鼓起来，如图9所示。当装置位处于钻井中的工作位置时，套筒膨胀会使某些原为井眼液体所占据的空间被气体占据，这样，便改变了钻井液体的视在压缩性。用这种方法，即可改变振荡的谐振频率。

该装置的工作情况示意地示于图10中。借助于由电动机28驱动的适当的曲柄机构29，气缸26中的活塞27便产生往复运动。在活塞27的一侧，例如图10所示的左侧，盛有来自液压源、并经过导管38的液体，例如液压液体。液压源可根据需要安置在地面上或装置上。活塞27注有液体的一侧，经导管25与膜片24连通。在活塞27的另一侧，即图10中所示的右侧，为一充气空间30，它由调节器36进行控制，使其中的压力等于井眼该点的环境压力，并经供气管34向其中供气。充气空间30平衡井眼静压力，从而使电动机28仅产生振荡压力负荷。这样，当活塞27在气缸26中进行往复运动时，膜片24按相应的振荡型式运动，从而使井眼中液体中产生相似的振荡。

装置中还装有一传感器42，用于测定井眼液体的压力。压力信号随后馈送至控制器88，控制器又改变电动机28的转速，从而控制液体的激振频率，进而控制压力偏离幅度。装置上安装一转速计90，用于精确显示转速，并将信号反馈给控制器88。

来自置于地面上或该装置上的气源的适当的气 体，通过供气管34、阀61而后按上述方式被馈送到充气气囊64中。

前已述及，操作头间的距离直接影响到它们之间液体的自然谐振频率。当操作头相对于膜片24对称地相互靠近时，该自然谐振频率即增大。观察活塞27与井眼压力的激发交变分量之间的相对相位关系，即可导出激振频率与气囊64间谐振腔瞬时自然频率的关系表达式。利用相对于谐振峰值时换相来产生电动机指令，使其提高或降低激振频率，从而使激振保持或接近于谐振腔的自然谐振频率，结合相对于给定的输入能量可产生最大的或所希望的压力响应。

可以用二种方法中的一种来控制井眼中交变压力幅度。可利用反馈幅度测量值的办法来控制活塞移动量。在另一实施例中，振幅信号可用于控制相对于峰值谐振处换相的相位，使其在稍偏离共振处工作，这样便控制了增益而不是控制激振强度。

由此可见，本发明所提出的是在土壤中产生地震波的技术，方法是在井眼中安置一种装置，它可以精确地控制在井眼中产生的压力幅度，和地震波的频率。借助控制被泵送到液体压力的方法可改变峰值压力。或借助改变操作头之间距离的办法，或改变上述已详述的液体视在压缩性的方法，可改变谐振频率。

虽然在前面的详细说明中对本发明做了相当详细的说明，目的仅是为了说明，而不是为了限制，发明本身是由另附的权利要求范畴限定的。

Claims (19)

1、从井眼地层中产生地震波的一种方法包括以下步骤：

(a)在所述井眼中放入第一端部装置和第二端部装置，所述第一和第二端部装置在垂直方向上彼此隔开一预选的距离以限定它们之间的井眼空间，其中所述的预选的距离的决定是为了提供一个在用于地震迅号的频率范围内的谐振频率；

(b)在所述井眼空间盛有液体；

(c)在第一和第二端部装置之间所述井眼空间内激振所述液体，使所述液体被脉冲所激以相应的频率振荡以产生并保持一稳定谐振压力波，因而在所述第一和第二端部之间的井眼空间中产生谐振。

本发明的特征在于：

(d)可直接在井下改变位于井眼中的第一和第二端部装置的预选的距离使振荡的谐振频率在一个频率范围内变化。

2、按权利要求1所述的方法，其特征为所述预选距离是用于地震信号的某一预选谐振频率波长的一半。

3、按权利要求1所述的方法，其特征为所述预选距离是用于地震信号的某一预选谐振频率波长的四分之一。

4、按权利要求1所述的方法，其特征为预选的距离的选择是为了提供一个谐振频率于该第一和第二端部装置之间，谐振频率的范围大约为10赫兹至200赫兹。

5、一种在盛有液体的井眼中使用权利要求1的方法的装置包括：

（a）一对可置于所述井眼中的端部装置，能以预选的垂直距离彼此相隔，其中所述预选的垂直距离的决定是为了提供一个在用于地震讯号的频率范围内的谐振频率;

（b）连通所述端部装置之间的所述井眼空间中液体的装置，用来激振所述液体，所使用的脉冲所处的频率能在所述端部装置之间产生并保持一稳定谐振压力波。

本发明的特征在于：

（c）有装置用于可直接在井下改变位于井眼中的端部装置之间的预选的垂直距离。

6、按权利要求5所述的装置，其特征为所述端部装置中至少有一个包括某一可压缩容积，它和所述振荡液体连通。

7、按权利要求6所述的装置，其特征为所述可压缩容积，包括一充气气囊。

8、按权利要求7所述的装置，其特征为所述气体是从下列气体中选定的：氢、氦、甲烷、空气和氮。

9、按权利要求8所述的装置，其特征为所述气体是氦。

10、按权利要求5至9所述的装置，其特征为所述端部装置中，至少有一个相对于另一个是可移动的。

11、按权利要求5至9所述的装置，其特征为处于所述井眼空间内的液体是钻井泥浆。

12、按权利要求5所述的装置，其特征为所述端部装置中至少有一个与所述井眼保持严密的液体密封。

13、按权利要求12所述的装置，其特征为所述端部装置中的一个与所述井眼保持严密的液体密封，而另一个所述端部装置包括一可压缩气囊。

14、用于盛有液体的井眼内，在地层中产生地震波的装置，所述装置包括：

（a）配置于所述井眼中并彼此间隔一预定垂直距离的第一和第二端部装置，所述第一和第二端部装置各包括一可压缩充气气囊;

（b）在第一和第二端部装置之间的并包括一中心体的连接装置;

（c）安装于所述中间体内、用于在所述第一和第二端部装置之间的所述液体内产生振荡的装置，借助所述钻井液的振荡，产生一稳定谐振压力波，

本发明的特征在于：

（d）可直接在井下改变所述位于井眼中的第一和第二端部装置之间的预选的垂直距离从而使它们之间液柱振荡的自然谐振频率在一个频率范围内变化的装置。

15、按权利要求14所述的装置，其特征为所述用于产生振荡的装置包括一可动的膜片，其一端与所述液体接触，另一端跟能往复运动的活塞保持液体连通，这样，所述活塞的往复运动即可使所述可动膜片产生一相应的位移。

16、按权利要求14所述的装置，其特征为所述第一和第二端部装置彼此间可做相对移动，从而可改变它们之间液柱的自然谐振频率。

17、用于从盛有液体的井眼内在地层中产生地震波的装置，所述装置包括：

（a）配置在所述井眼中的第一不可压缩的端部装置，并保持液体密封状态;

（b）配置于所述井眼内在垂直方向上与所述第一端部装置保持间隔的第二端部装置，所述第二端部装置在面对所述第一端部装置的一侧，装有一可压缩的气囊;

（c）在所述第一端部装置内用于激振处于所述第一和第二端部装置间的所述井眼液体的装置，将液体激振到某一相应的振荡频率从而在第一和第二端部装置之间产生并保持一稳定谐振压力波，

本发明的特征在于：

（d）可直接在井下改变所述位于井眼中的第一和第二端部装置之间的预选的垂直距离从而使它们之间液柱振荡的自然谐振频率在一个频率范围内变化的装置。

18、按权利要求17所述的装置，其特征为用于激振所述井眼液体的所述装置，至少包括一个安装在所述第一端部装置中的，可动的膜片，其一侧与所述井眼液体接触，而其另一侧通过活塞的往复运动即可使所述可动膜片产生相应的微动。

19、按权利要求14中所述的装置，其特征为还包括一弹性套筒，和对所述套筒进行充气的装置，弹性套筒至少套住所述连接件的一部分表面。

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