CN102562049A - 一种随钻预测地层变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻预测地层变化的方法，利用钻柱振动声波录井技术，测量不同井深位置的岩性破碎声波信号，计算并分析其振动声波频谱之间的相关函数；当岩性交叠过渡时，相关函数出现相应的平滑过渡曲线，说明钻头即将钻遇新的岩层，从而确定地层岩性变化的具体位置，并实现对地层岩性变化的预测。本发明能够确定岩层的变化的井深位置，还能够及早发现油气藏及其厚度，对油气储层的发现和提前预测具有积极意义。

Description

一种随钻预测地层变化的方法

技术领域

本发明涉及一种随钻地质岩性识别技术，特别涉及一种随钻预测地层变化的方法。

背景技术

我国蕴藏着丰富的油气资源，为了提高探井成功率和油田开发的采收率，水平井和定向井等先进的钻井技术得到了大规模的推广和应用。随着钻井技术的发展和应用，在地质录井和测井技术应用的同时，井下随钻测量技术也广泛应用于钻井工程中，例如随钻测量（MWD）、随钻录井（LWD）和随钻地震（SWD）、随钻伽马（Gamma ray）测量技术等等。

然而，在地层预测方面，上述提到的随钻测量技术都不具备完成地层预测的功能，虽然这些井下测量技术在生产实践中逐步得到完善和发展，但由于井下测量工具作业成本高，风险大，实际应用中受到一定的限制；另外，井下测量工具一般安装在钻头之后的几米，这就造成探测地层信息落后于实际钻进地层的信息，无法即时提供所钻地层的信息，岩屑录井技术更是迟到一个泥浆循环时间。由于测井（Well Logging）技术必须离线作业，提供的资料更是一种事后分析系统。

在这种背景条件下，1994年，一项新的录井技术－钻柱振动声波录井技术（DVL）开始在现场应用，它是通过安装在钻柱顶部的随钻测量仪器，目的是通过钻柱直接感受来自钻头与地层作用时产生的岩石破碎声波，由此解释地层的岩性和地层变化特性。它就像一个地层听诊器，测量卡箍中镶嵌了一组高灵敏度的三维振动声波传感器，接受轴向、横向和扭向的振动波信号，除此之外还有一个专门用于提取地层信号的地层滤波器，以及用于信号无线传输的信号采集节点；其在现场计算机指令的控制下，结合地面安装的无线绞车计数传感器和无线大钩负荷传感器，用来计算实时井深，以便将采集的地层信息进行井深归位。通过DVL技术获取的大量数据资料，对资料的分析发现，DVL技术在第一时刻发现油气层，以及地层岩性预测方面具有广泛的研究潜力。

发明内容

本发明的目的是给出一种随钻预测地层变化的方法，通过对钻柱振动声波信号的分析，从中识别信号交叉过渡带，并计算地层岩层之间的相关函数，以确定地层岩性变化的具体位置，从而实现对地层变化进行预测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种随钻预测地层变化的方法，利用钻柱振动声波录井技术，在钻进到不同的井深位置时，对应测到多个岩性破碎声波信号，获取与之对应的振动声波频谱的特性曲线；计算其中任意两个岩性破碎声波信号的振动声波频谱之间的相关函数，并绘制相关函数的曲线；

所述相关函数的曲线中至少包含以下若干线段中的一种线段或其中相邻的若干种线段：在第一硬度的第一岩层内钻进时出现的第一数值段，在第二硬度的第二岩层内钻进时出现的第二数值段，以及使曲线由第一数值段平滑过渡到第二数值段的平滑过渡段；

所述第一岩层的深度小于所述第二岩层的深度；所述第一岩层与第二岩层之间为岩性交叉过渡带，其所对应的岩性破碎声波信号的振动声波频谱，具有将第一、第二岩层各自频谱相互交叉混合的特性；所述相关函数曲线中的平滑过渡段，与所述岩性交叉过渡带的混合的振动声波频谱特性相对应；

分析绘制出的所述相关函数曲线，若在其中识别出所述平滑过渡段，说明钻头正在所述岩性交叉过渡带内钻进，也说明即将钻遇新的岩层，从而实现对地层变化的预测。

所述两个振动声波频谱之间的相关函数，是计算所述两个频谱之间相位差的互相关函数                                               

：

其中，设不同井深位置测到的两个岩性破碎声波信号，分别为

和

，其频谱特性曲线函数分别为

和

；所述相关函数曲线是描述所述两个振动声波频谱曲线函数的相位差随井深变化的曲线。

根据所述互相关函数的公式，当两个频谱特性曲线函数完全相似时，其互相关函数的最大值对应的自变量，即对应的相位差f为零，表明这两个函数具有完全相似性，即说明所述两个振动声波频谱是在同一硬度的岩层内钻进到不同深度时对应获得的，此时所述相关函数的曲线表现为所述第一数值段或第二数值段中的至少一部分。

当两个频谱特性曲线函数发生一定的相位差时，其互相关函数的最大值对应的自变量不为零，即说明所述两个振动声波频谱是在不同硬度的岩层内钻进时分别获得的；

并且，若两个频谱特性曲线函数的相似性越差，其互相关函数的相位差就越大，说明钻进的钻头越接近新的岩层，此时所述相关函数的曲线表现为所述平滑过渡段中的至少一部分。

所述方法还根据井深、振动声波的频率和频谱特性来绘制井深频率瀑布图，通过识别所述井深频率瀑布图中色度或灰度的变化，来表现钻进不同地层段时振动声波频谱的强度变化，进而表现地层岩性的突变及渐变。

所述方法还通过绘制与所述振动声波频谱的相关函数相匹配的频矩曲线，来反映声波频率集中度的相对变化：

当频矩曲线平滑变化时，是地质岩性的过渡表现，当频矩曲线发生突变时，是地质岩性的突变表现；并且，当钻遇到致密的地层时，频矩值变大，当钻遇到松软的地层时，频矩值变小。

所述方法还通过绘制与所述振动声波频谱的相关函数相匹配的能聚曲线，来反映地层的振动能量的相对强度：钻遇的地层越硬，能聚曲线的数值越大；钻遇的地层越软，能聚曲线的数值越小。

获取所述岩性破碎声波信号的装置，是装设在钻柱顶部的随钻测量仪器，或者是安装在钻头之后一定距离的井下测量设备。

本发明公开的一种随钻预测地层变化的方法，利用钻柱振动声波录井技术获取对应各个井深的地层破碎声波信号，在信号分析上，采用相关函数等计算方法，对数据进行相位差比较给出地层变化特点和预测趋势；当探测到相关函数的曲线具有平滑过渡的特性时，说明钻头正在具有混合声波频谱特性的岩性交叉过渡带内钻进，也就预示着即将钻遇到新的岩层。优选地通过井深频率瀑布图作为识别地层岩性变化的主要解释和阅读工具，这种图语般的解释阅读方法改变了人们长期以来通过阅读曲线识别地层的方法，用直观易懂的布图形式了解地层，配合参考例如频矩、能聚等与相关函数对应的参数曲线，为从不同角度了解地层变化提供了可能。因而，本发明具有如下积极效果：1、能够确定岩层的变化的井深位置；2、能够及早发现油气藏及其厚度。

附图说明

图1是本发明所述随钻预测地层变化的方法中地层变化原理示意图；

图2~图4是本发明所述随钻预测地层变化的方法中具体实施例的示意图；图2、图3中分别示出有井深频率分布图的三维视图，以及与之对应的频矩曲线和能聚曲线，图4中示出有某一特定井深的频率特性曲线。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

首先介绍预测地层变化的物理方法：当钻头敲击地层时会产生一种岩性破碎声波信号；如果在这个地层下方还有一个新的岩层，它的破碎声波信号有别与当前地层的岩石破碎声波信号；并且，当钻头即将钻遇这个新地层之前，它们的声波信号会发生一个交叉或混合声波信号，这种混合声波信号称为过渡声波信号。在实际钻进过程中，这种现象表现明显。

即是说，根据钻柱振动声波的物理原理，当钻遇的地层硬度发生变化时，它们的振动声波频谱会发生偏移，振动能量也随之发生变化；而在新的岩层特征逐渐显露出来的时候，也即岩性交替过渡过程中，岩性的振动声波频谱也具有一个交叉频谱特性。对钻柱振动声波录井技术（DVL）频谱检测资料的研究发现，当一个未知岩层即将到来时，它的频谱特性也随着钻头即将钻遇这个新岩层而表现在当前的岩层谱图上，这个岩层交叉频谱一般约在10m左右。借助过渡带地层的参数特征，就能够实现DVL的地层预测目的。

本发明所述随钻预测地层变化的方法，正是利用上述原理，通过测量地层岩性破碎声波信号，计算并分析不同井深的两个振动声波频谱之间的互相关函数，通过所述两个频谱之间的相差，判断岩性的分层或地层的变化特征。

设采集到的两个振动声波信号分别为

和

，它们的频谱特性曲线分别为

和

。具体的，对于两个不同深度下实测的振动声波信号

和

，

和

可以是其对应的傅立叶变换函数。

之后，根据公式[1]，计算出它们的互相关函数为

；

   ------------------- [1]  

根据公式[1]，

和

两个函数完全相似时，其互相关函数的最大值对应的自变量f或称为相位差为零，表明这两个函数具有完全相似性；但是当两个函数具有一定的相位差时，它们的相关性就可以通过互相关函数表现出来，即它们的互相关函数的最大值对应的自变量不为零。相似性越差，相位差就越大。

根据这个原理，本发明通过对两个井深连续的频率谱进行互相关函数的计算，确定地层的变化。如果将相位差通过曲线表现出来，就可以看出地层的交叉渐变特性，为预测地层变化提供了理论依据。

图1所示，假设地层岩性变化由砂岩到泥岩变化，砂岩和泥岩的具有各自的频率特性；当钻头在砂岩地层中钻进中，地层的频率特性表现为砂岩频率特性，但是泥岩岩层位于砂岩底部，当钻头钻遇泥岩之前，频率特性表现为过渡带特性，即地层频率特性具有砂岩和泥岩的混合频率特性。通过相关函数计算，这一现象可以明显地表现出来，虽然地层具有突变性，频率特性也应该具有突变型，但是，在曲线的过渡带特性上，当钻头钻遇泥岩之前，泥岩的频率特性已经提前表现在砂岩层的频率特性上，因此，相关曲线具有平滑特性，这也意味着新的地层岩性即将到来，这就是本发明的关键所在。

本发明也适应于井下测量技术，当获取信号的方式为井下测量设备时，采用同样的方法，也可以随钻预测地层变化。

以下请配合参加图2至图4所示，介绍本发明所述方法对地层岩性和油藏特性进行识别阅读的应用实例。其特征是以井深频率瀑布图方式，给出地层随井深增加而变化的阅读方法，通过对井深频率瀑布图图形的变化，例如颜色，峰值位置等等形式达到对不同深度各种地层岩性，以及可能存在的煤层和油气藏流体等特殊地质特征识别的目的。

如图2所示，该图的左半边是所述的井深频率瀑布图，其以井深为纵坐标，频率为横坐标；井深频谱瀑布图是根据井深、频率和频谱特性等主要参数构成的三维视图，其中频谱特性的表现方式主要是谱峰位置，强度和能量等。井深频谱瀑布图中的每一行代表相应井深的采集信号随频率变化的频谱特性曲线，频谱特性曲线数值的变化控制了频谱瀑布图显示的颜色（图中表现为灰度）。

对该井深频谱瀑布图的绘制可参见图4所示。图4是井深为4660.01m时的频谱特性曲线，图4中左上角的振动信号曲线是地层破碎声波时域信号的加速度。左下角和右下角分别是信号频谱分析图和谱峰排序图，可见井深4660.01m的主频谱峰为5781.25Hz；而4121.09Hz，4355.47Hz和3925.78Hz组成的谱峰是该谱图频率的主要集中表现。将该频谱曲线的顶视图用一行色度不等的线段表示出来（谱峰越高，颜色越黑）就构成了图2所示频谱瀑布图中与井深对应的一行。即，随着井深的增加，岩性的变化就可以清楚地表现在图2所示的频谱瀑布图上。

通过多年的试验总结，钻柱振动声波录井技术（DVL）给出了一些计算参数，像频矩Fm、能矩Em、瞬时钻时ROP和相关系数等，它们都是随地层声波频谱的变化而变化，为DVL技术在地层识别标准化上提供理论依据。在图2的右半边依次给出所述的频矩Fm（%）、能聚Em（%）和瞬时钻时ROP(min/m)的曲线，该些曲线分别是声波频谱相关函数的间接表现，其中频矩Fm用以反映信号频率的集中度，能聚Em是信号强弱的平均表现。

随着井深加深，岩性变化，信号的频谱也随之变化，由于大多数频谱特性中表现出多个频谱峰，为了用一个参数来表述谱峰位置或称为频率重心的变化，在频率域内对信号频率进行加权处理给出频率的重心偏移，这种偏移就通过频矩Fm（Frequency moment）来表示，单位为百分比（%），当频率偏移达到10kHz是为100%。

频矩Fm是频率的线性函数，当频率偏移的重心向频率减少的方向变化时，频矩值将变小；反之亦然。假设钻头钻遇砂岩，砂岩的颗粒大小和组成成分等因素将决定频谱特性谱峰数目的多少，而砂岩由于孔隙、含油水不同其硬度不同；软性物质的频谱谱峰重心往往趋于频率减少的方向，这样其频矩值将变小。由此推断，泥岩由于致密，频矩值将趋于频率增加的方向变化。即是说，地层信号音频越高，频矩值越高；那么当看到频矩Em曲线升高时，说明振动声波频谱升高，也就是说地层趋于致密；反之亦然。

能矩Em（Energy moment）是对振动声波信号的能量进行频率的加权计算，能量是信号强弱的平均表现，当地层硬度发生变化时，信号的能量强弱随之发生变化。能矩Em即是以信号的强弱变化而改变的参数，它是一个相对硬度，单位为百分比（%），如果以摩式硬度定义，摩式7级硬度为100%。值得注意的是，敲击物体的力度只能改变声波的能量，而产生声波的频率并没有改变，因此，声波能量只能影响传输的距离，而频谱特性没有变化。实际应用中，由于施加在钻头上的钻压不同，破碎声波信号的强弱也不同，在这种情况下，频谱特性不会发生变化，但是当地层地质硬度不同时，信号的强弱也随之变化，地层越硬信号越强，曲线的数值就越大。由于图2中该能聚Em曲线的零点基线设置在右边，所以表现为数值越大，曲线变化趋势越向左。

砂岩段和泥岩段岩层的交叠互层也可以由图2中的井深频谱瀑布图等看出，例如其中4872～4918 m是一段砂岩为主的层段，4927~4943m是一段以泥岩为主的层段，4918～4927m一段即是砂岩段和泥岩段岩层的交叠互层。

如图3所示，是另一井深段内三维的井深频谱瀑布图、频矩Fm曲线和能聚Em曲线。所述井深频谱瀑布图的横坐标是振动声波频率（Frequency），图中示出为0~10kHz；纵坐标为井深（Depth）图中示出为4807~4957米。井深频谱瀑布图的颜色（或灰度）即表示了振动声波频谱的强度，根据不同的调色板，其颜色有不同表现，就当前这张图所示，颜色越亮，频率强度越强。这种灰度的变化实际上就是地层不同岩性的表现，例如是砂岩到泥岩的变化，等等。

进一步通过频矩Fm曲线（最大值为100%），来反映声波频率的相对变化：当曲线平滑变化时，实际上是地质岩性的过渡表现，当曲线发生突变时，实际上岩性的突变；例如，当钻遇泥岩为主的地层时，地层较为致密，频矩值变大，而钻遇砂岩为主的岩层时，频矩值变小。还通过能聚Em曲线（最大值100%），对振动声波的相对强度进行表示，其示出了地层的振动能量强度；一般地层越硬，曲线数值越大，由于本图中该曲线的零点设置为右边基线，所以表现为数值越大，曲线向左变化。

实际上，图2、图3中，所述井深频谱瀑布图中的灰度/颜色已经可以直接反映相关曲线的变化，频矩Fm曲线和能聚Em曲线亦作为岩性的相关函数的间接表现，因此通过识读图像中沿井深（纵坐标）变化表现出的岩性突变或渐变，就能够直接看出地层的变化并进行预测。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

利用钻柱振动声波录井技术，在钻进到不同的井深位置时，对应测到多个岩性破碎声波信号，获取与之对应的振动声波频谱的特性曲线；计算其中任意两个岩性破碎声波信号的振动声波频谱之间的相关函数，并绘制相关函数的曲线；

所述相关函数的曲线中至少包含以下若干线段中的一种线段或其中相邻的若干种线段：在第一硬度的第一岩层内钻进时出现的第一数值段，在第二硬度的第二岩层内钻进时出现的第二数值段，以及使曲线由第一数值段平滑过渡到第二数值段的平滑过渡段；

所述第一岩层的深度小于所述第二岩层的深度；所述第一岩层与第二岩层之间为岩性交叉过渡带，其所对应的岩性破碎声波信号的振动声波频谱，具有将第一、第二岩层各自频谱相互交叉混合的特性；所述相关函数曲线中的平滑过渡段，与所述岩性交叉过渡带的混合的振动声波频谱特性相对应；

分析绘制出的所述相关函数曲线，若在其中识别出所述平滑过渡段，说明钻头正在所述岩性交叉过渡带内钻进，也说明即将钻遇新的岩层，从而实现对地层变化的预测。

2.如权利要求1所述随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

所述两个振动声波频谱之间的相关函数，是计算所述两个频谱之间相位差的互相关函数                                               

：

其中，设不同井深位置测到的两个岩性破碎声波信号，分别为

和

，其频谱特性曲线函数分别为和

；

所述相关函数曲线是描述所述两个振动声波频谱曲线函数的相位差随井深变化的曲线。

3.如权利要求2所述随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

根据所述互相关函数的公式，当两个频谱特性曲线函数完全相似时，其互相关函数的最大值对应的自变量，即对应的相位差f为零，表明这两个函数具有完全相似性，即说明所述两个振动声波频谱是在同一硬度的岩层内钻进到不同深度时对应获得的，此时所述相关函数的曲线表现为所述第一数值段或第二数值段中的至少一部分。

4.如权利要求2或3所述随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

当两个频谱特性曲线函数发生一定的相位差时，其互相关函数的最大值对应的自变量不为零，即说明所述两个振动声波频谱是在不同硬度的岩层内钻进时分别获得的；

并且，若两个频谱特性曲线函数的相似性越差，其互相关函数的相位差就越大，说明钻进的钻头越接近新的岩层，此时所述相关函数的曲线表现为所述平滑过渡段中的至少一部分。

5.如权利要求4所述随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

所述方法还根据井深、振动声波的频率和频谱特性来绘制井深频率瀑布图，通过识别所述井深频率瀑布图中色度或灰度的变化，来表现钻进不同地层段时振动声波频谱的强度变化，进而表现地层岩性的突变及渐变。

6.如权利要求5所述随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

所述方法还通过绘制与所述振动声波频谱的相关函数相匹配的频矩曲线，来反映声波频率集中度的相对变化：

当频矩曲线平滑变化时，是地质岩性的过渡表现，当频矩曲线发生突变时，是地质岩性的突变表现；并且，当钻遇到致密的地层时，频矩值变大，当钻遇到松软的地层时，频矩值变小。

7.如权利要求6所述随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

所述方法还通过绘制与所述振动声波频谱的相关函数相匹配的能聚曲线，来反映地层的振动能量的相对强度：钻遇的地层越硬，能聚曲线的数值越大；钻遇的地层越软，能聚曲线的数值越小。

8.如权利要求7所述随钻预测地层变化的方法，其特征在于，

获取所述岩性破碎声波信号的装置，是装设在钻柱顶部的随钻测量仪器，或者是安装在钻头之后一定距离的井下测量设备。

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