CN102156301A - 一种随钻超前预报观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻超前预报观测系统，其特征在于，在已成孔钻井的底部设置供电电极，在已成孔钻井内、供电电极的上方设有测量电极组，远参考电极和供电电极分别通过电缆与电法仪器相连，测量电极组通过测量电缆以及电极转换开关与电法仪器相连；在电法仪器中设有视电阻率计算单元或激发极化幅频率计算单元；该随钻超前预报观测系统检测准确度高，且操作施工简单，施测成本低，具有很好的应用价值。

Description

一种随钻超前预报观测系统

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，涉及一种随钻超前预报观测系统，特别涉及一种用于金属、油气等矿产资源勘查钻井内实施测量的物探方法技术，用于预测预报钻孔周围或孔底一定深度范围内可能被漏钻漏探的隐伏矿体，在水资源钻探开采中也有应用前景。

背景技术

隐伏矿产资源在电阻率和激发极化率性质上与周围围岩体介质存在差异。利用低电阻率吸引电流，高电阻率排斥电流的特点可以通过逐步逼近对象时的测量电位异常来反映隐伏矿体的迫近程度；金属矿体、储水构造往往具有良好的激发极化效应，越接近矿体，其激电异常幅度越大，同样，通过逐步逼近的测量技术，通过激发极化异常大小及变化来反映隐伏矿体的迫近程度。

钻探在油气以及金属、非金属矿产资源勘查中广泛采用，根据地质勘探或开采施工需要生产的钻孔有其设计的深度，到达深度后往往选择终孔结束。一个钻井生产来之不易，少则数十米，深则数百上千米，是否在钻孔周围存在隐伏目标、是否需要再进行更深的钻进？也许就在当前钻孔周围或孔底数十米乃至十几米深度范围内就隐伏着我们所要勘探的目标！探测出当前钻孔周围以及底部一定深度范围内隐伏的目标意义重大。

各种物探技术在隐伏矿产资源勘探中发挥着重要作用，但当目标体距离较远、深度太大时，物探对规模相对较小的对象勘探能力和分辨能力都受到局限，如果能够接近目标实施探测，则信息的获取和可信度的把握能力将大大增强；在钻进中实施探测是一种当然选择，有很多物探测井方法；但现有的物探测井方法往往局限于对钻孔穿透介质浅表的物理性质测量，电极极距尺度小，只能反映井周围的情况，所反映的范围过小。

现有的电阻率法和激电法测井，采用的是小极距装置，测量信号弱，容易受到钻井周围浅部介质影响，测量数据很难用于钻井周围大半径范围内隐伏对象的探测解释；出于对大半径范围内隐伏目标的探测，需要有大功率和信噪比高的探测方法和观测系统。。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种随钻超前预报观测系统，该随钻超前预报观测系统检测准确度高，且操作施工简单，施测成本低，具有很好的应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种随钻超前预报观测系统，在已成孔钻井的底部设置供电电极，在已成孔钻井内、供电电极的上方设有测量电极组，远参考电极和供电电极分别通过电缆与电法仪器相连，测量电极组通过测量电缆以及电极转换开关与电法仪器相连；

在电法仪器中设有视电阻率计算单元或激发极化幅频率计算单元；

所述的视电阻率Ps的计算公式为：

Ps＝2×pi×R×V(i)/I，

式中：pi＝3.1415926，R为测量电极组的当前工作的测量电极所在点到供电电极的距离，V(i)为测量电极组中第i个测量电极相对于远参考电极的电位值，I为供电电极向钻孔底部供电时的供电电流；

激发极化幅频率Fs的计算公式为：

Fs＝(V_低-V_高)/(V_低+V_高)×100％，向待测介质中同时【由井中电极和远参考电极组成的供电电极组一次同时供入两个频率电流，即叠加电流信号】供入两个不同频率的电流，V_高和V_低表示在测量电极测量的两个频率下的电位差【即供电电极与远参考电极之间的电位差】。

在测量电极组与供电电极之间设有电流阻隔气囊，该电流阻隔气囊通过导气管道与已成孔钻井井口外的充气装置相连。

测量电极组包括2-16个测量电极，相邻的测量电极间距为1～10米。

电极转换开关为将一路切换到多路中的任一路的切换开关。

远参考电极设置于离已成孔钻井井口500米以上或大于已成孔钻井深度2倍距离的地表。

有益效果：

本发明公开了一种随钻超前预报观测系统，包括供电电极组、电流阻隔气囊、测量电极组、电极转换装置、激电仪(电法勘探仪器)、电源。本发明通过由无穷远供电电极和钻孔孔底电极组成的供电电极组对钻孔进行供电并记录供电电流I，置于井中贴井壁的多路测量电极引入电场信号【即测量电极引入电场信号输入到电法仪器测量电极所在位置的电压】，由导线顺井孔传至地表多路电极转换开关，经过电极转换开关切换，分别进入电阻率仪或激发极化法测量仪器，测量各电极相对于供电电极无穷远处的电位大小V(i)，计算出归一化电位V(i)/I以及测量电极组所在位置极化率ηs(i)或幅频率Fs(i)，形成多路测量电极覆盖在钻井区段上的电位和极化率分布，将其分布记录存储作为测量解译数据，钻孔继续钻进一段距离，提钻后，测量各电极与A极相对距离保持不变，测量电极系下井，重复观测过程记录测试数据。若钻孔孔底或周围存在大规模低阻或高极化异常体，则随钻测量的实测数据异常幅度渐进增大，能够清晰反映异常体的存在。由此可以发现可能被漏钻的隐伏矿体，同时作为参考，为是否继续钻探提供参考依据。本发明采用近异常供电和近异常测量原理，测量数据信噪比高【因为测量装置或电极靠近被测目标，相比地面观测(离目标远)信噪比高很多。】，异常明显，且操作施工简单，施测成本低，具有很好的应用价值。

本发明的随钻超前预报观测系统，本发明的技术效果在于：通过供电电极组对钻孔下部或底部进行供电并记录供电电流I，同时由测量电极组(i＝1，2，...，N)同步测量各电极相对于供电电极组中远参考电极的电位大小V(i)，计算出归一化电位V(i)/I后，再计算出极化率ηs(i)或幅频率Fs(i)，作为当前钻孔底部实测数据，同时也作为钻孔内电场、激发极化率分布背景数据库资料之一。随着钻进深度的增大，供电电极组和测量电极组随之同步向前移动，再次进行归一化电位测量并进行激发极化率参数计算，该计算结果与钻孔内电场分布背景数据库资料进行差异对比，根据差异大小实现对隐伏矿体的探测预报工作。本装置以钻孔内供电点为中心，可准确预报半径或深度与隐伏矿体的规模和构造方式有关，探测半径一般可以达到10～30米，对于大型矿体或储水构造可以达到50米以上。由于采用远参考点电位测量取代传统有限距离电极间的电位差测量，使得电场测量的幅度要增大许多，很大程度上克服了钻井液和局部地层的影响，从而大大提高了信噪比；采用多道电场数据电极切换采集模式，实现一段观测区间内激发极化参数测量，从而方便数据的对比分析，提高了资料的采信度；采用随钻井跟进测量方式，用每一组新的测量数据与前次众多测量背景数据进行比较，激发极化异常分布差异有了明确的参照系；根据实际测量的电位和激发极化异常分布数据参考当前井内电极坐标进行适当校正，测试资料可直接用于隐伏矿体的预报评价。

其中实测V(i)/I可通过公式转换成视电阻率Ps进行异常分析，计算公式为：

Ps＝2×pi×R×V(i)/I

式中：pi＝3.1415926，R为测量点到供电电极A的距离。对于良导体，随着供电极A迫近隐伏矿体，视电阻率以观测点深度坐标为参照系，呈不断增大的趋势。

附图说明

图1为本发明的现场测试布置示意图；

图2(a)为水槽模拟试验电场随电极深度变化实测曲线；

图2(b)为由水槽模拟试验电场实测数据转换而成的视电阻率曲线；

图3为水槽模拟试验幅频率Fs实测异常曲线；(图2和图3使用的激电仪器场为中南大学研制的SQ-3C型双频道激电仪。)

图4为多路电极转换装置(开关)原理图。

标号说明：1-已成孔钻井；2-测量电极组；3-电流阻隔气囊；4-隐伏矿体；5-供电电极；6-充气管道；

7-充气装置；8-远端参考电极；9-激发极化电法勘探仪器；10-电极转换开关；11-测量电缆，12-供电电缆，M-第一输入端，N-第二输入端。

图2和图3中的数据是在以下条件下获得的：

试验在长5米、宽4米、深2米的大水槽中完成，模拟断层为厚1.5毫米、长1米、宽60厘米的铝板，铝板水平放置于水中，深度78厘米，供电电极和测量电极组在垂直于铝板中心的轴向上移动。图中横坐标为测量电极相对于水面的距离；图2中纵坐标为测量电极电位，单位mV；图3中纵坐标为幅频率异常Fs，单位：％。从图2(a)和图3可以看出，随着供电电极A迫近铝板，电场电位分布异常和幅频率异常幅度增大明显。利用幅频率参数(如图3)异常和由电位参数、视电阻率参数(如图2(b))，异常可以反映铝板异常；幅频率异常不断增大，视电阻率参数不断增大，则反映测量点位越来越迫近铝板。

data1～data7分别代表供电点A距离水面20厘米、30厘米、40厘米、50厘米、60厘米、70厘米和75厘米时的测量数据。由于测量点不超过供电点A的深度，因此图中A越浅测量点位的深度越短。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

参见图1，本发明在远离井口500米以上选择一个人工电场干扰小、接地良好地点布置远参考电极；相对距离固定的供电电极、阻隔气囊和测量电极组随供电电极下放到钻孔中。孔底供电电极和远参考电极通过电缆与电法仪主机相连，通过岩土介质形成供电回路；测量电极组由16个电极组成，各个电极的间距为10米并在以后的测量中固定其与供电电极相对距离，形成一组测量电极组，测量电极组通过测量信号电缆与多路电极转换装置、电法仪器信号输入通道串联。对阻隔气囊进行充气，保证气囊与井壁密切接触【气囊的作用：阻隔井中电流，避免通过井中浆液直达接收电极】，开机启动仪器，接通供电电源，供电电极向钻孔底部供电并记录供电电流I，电法仪通过电极转换开关实现对各个测量电极电位的分步测量，获得各个测量电极相对于远参考电极B的电位大小V(i)，【V(i)的电压值是测量的，i是指测量电极组电极编号，自然也对应电极所在位置】计算V(i)/I并转换成视电阻率，计算激发极化幅频率Fs(i)，两种计算结果都可作为异常解释依据，实现钻孔周围或底部隐伏矿体的探测预报。

其中V(i)/I转换成视电阻率Ps的计算公式为：

Ps＝2×pi×R(i)×V(i)/I

式中：pi＝3.1415926，R(i)为测量点到供电电极A的距离，i为测量电极组电极编号。【测量点是指测量电极组中某一个电极所在位置】

激发极化幅频率Fs(i)的计算方法为行业熟悉算法；其测量原理是采用双频激电原理(也为行业熟悉)，向待测介质中同时供入高低两个频率的电流，如

或

【其中

表示1Hz和

是一对】等等，测量电极同时测量某测点高低两个频率下的电极电位差V_高和V_低【电位差即供电电极与远参考电极之间的电位差。】，通过公式：

Fs＝(V_低-V_高)/(V_低+V_高)×100％

来计算Fs。

供电电极与测量电极之间有柱状阻隔气囊将其隔离，阻隔气囊长度大于1米，位于供电电极A和测量电极组之间，下放前放气并随供电电极一起下放到孔底，电极下放到位后充气，测量完成后放气升井。

物探仪器为交直流激电电法仪器，本实例中采用重庆奔腾仪器场生产的WDJD-3型多功能数字直流激电仪或者中南大学研制的SQ-3系列双频道激电仪。

多路电极转换装置(即电极转换开关)可以是手动，也可以由电子开关实现切换。

Claims (5)

1.一种随钻超前预报观测系统，其特征在于，在已成孔钻井的底部设置供电电极，在已成孔钻井内、供电电极的上方设有测量电极组，远参考电极和供电电极分别通过电缆与电法仪器相连，测量电极组通过测量电缆以及电极转换开关与电法仪器相连；

在电法仪器中设有视电阻率计算单元或激发极化幅频率计算单元；

所述的视电阻率Ps的计算公式为：

Ps＝2×pi×R×V(i)/I，

式中：pi＝3.1415926，R为测量电极组的当前工作的测量电极所在点到供电电极的距离，V(i)为测量电极组中第i个测量电极相对于远参考电极的电位值，I为供电电极向钻孔底部供电时的供电电流；

激发极化幅频率Fs的计算公式为：

Fs＝(V_低-V_高)/(V_低+V_高)×100％，向待测介质中同时供入两个不同频率的电流，V_高和V_低表示在测量电极测量的两个频率下的电位差。

2.根据权利要求1所述的随钻超前预报观测系统，其特征在于，在测量电极组与供电电极之间设有电流阻隔气囊，该电流阻隔气囊通过导气管道与已成孔钻井井口外的充气装置相连。

3.根据权利要求1所述的随钻超前预报观测系统，其特征在于，测量电极组包括2-16个测量电极，相邻的测量电极间距为1～10米。

4.根据权利要求1所述的随钻超前预报观测系统，其特征在于，电极转换开关为将一路切换到多路中的任一路的切换开关。

5.根据权利要求1-4任一项所述的随钻超前预报观测系统，其特征在于，远参考电极设置于离已成孔钻井井口500米以上或大于已成孔钻井深度2倍距离的地表。

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