CN1034435A - 井下轨道式地震源 - Google Patents

Abstract

一种在井下同时发生椭圆极化地震模波与纵波、 将能量偶合穿过井液进入井壁的装置。这装置包括 有一个长骨架件以支撑在井眼内，这骨架件包括有一 个可激励的驱动装置以将一种轨道式运动传递到至 少一部分的骨架件从而发生轨道式横波。

Description

本发明涉及井下地震源，具体涉及但不限于一种改进型的用以产生偶合进入井眼壁的切变波（横波）与压缩波（纵波）能量的轨道式（orbital）地震源。

在先有技术中已经有多种不同的井下地震源用于不同型式的发射/接收式测井系统中。有很多种不同型式的地震源装置被利用来导使声能进入井眼壁并随后分析所接收的能量的速度与/或相位以确定一些岩石资料。许多单位正在致力于发展能够发生高信杂比的、较大的能量输入的功率以实现取得地震数据的一些新途径的、发生横波与/或纵波的合适的井下地震源。这样，目前的研究采取各种不同形式并使用各种不同装置，试图传递一种洁净的、简单的地震能量输入穿过井眼壁或在有些情况下通过井套，并且设想这种地震源的发展一定会给地震数据的取得与阐明打开新的局面。

本发明涉及一种利用一种反应质量与运动发生器以将纵波与/或横波的地震能量偶合进入眼壁的改进的井下振动器件，并且所发生的能量具有足够的功率与确定的波形以实现扩展了很多的地震能量检测的形式。本发明基本上用一般是圆筒形的探测器壳体作为能量源的反应质量，同时其内装有一个相互作用的旋转盘之类的物体将横向轨道运动穿过偶合的井眼液体进入井眼壁。本发明设想了许多种不同型式的基本轨道式运动发生器，包括电动机驱动偏心盘、压电位移发生器、电磁位移发生器、和各种控制装置和保护装置。

因此，本发明的一个目的是提供一种有效地用于获得反向垂直地震纵剖面（vertical    seismic    profile    VSP）的、测井的、井间（cross-hole）地震截面的、与有关的数据取得的井下轨道式地震源。

本发明还有一个目的是提供一种用以同时产生高信杂比的横波与纵波的井下振动器。

本发明的另一个目的是提供一种能够容易操纵来将能量穿过井眼液体偶合进入周围的地层内的井下振动器，井眼加套不加套都可以用。

本发明还有另一个目的是发生椭圆极化地震横波进入灌液井眼壁以进行随时间位移的轨道式传播。

本发明的最后一个目的是提供一种不需要水平定向的井下振动器，即其地震波输出在所有辐射方向都能够是一样的。

对本发明的其它目的与优点从下面结合说明本发明的附图进行的详细描述就会清楚。

图1A是一段含有部分剖开以示出其内另部件的轨道式地震源和分开隔离的探测器的井眼的理想化的剖视图;

图1B是沿图1A的1B-1B线取的剖视图;

图2描绘了能量从一个轨道式地震源沿井眼朝上向地球表面的传播;

图3A是一个另一种形式的轨道式地震源的上部的纵剖视图;

图3B是图3A的轨道式地震源的下部的纵剖视图;

图3C是沿图3B的3C-3C线取的剖视图;

图4A是一种其主要作用力是由电磁作用产生的井下地震源的一部分的纵剖视图;

图4B是沿图4A的4B-4B线取的剖视图;

图5是一种主要激励力是由压电作用产生的井下地震源的一部分的纵剖视图。

图1A与1B示出一种悬挂在一个含有井内液体14的井眼12内的轨道式地震源10。这地震源10用一条电缆16和一个未示出的、将任何对接收探测器18有影响的振动阻尼掉的隔离器悬挂拧：幸桓龌蚨喔鼋邮仗讲馔返恼鎏讲馔反⒏衾牍辜偷卣鹪?0随后用一根地面控制的测井电缆20支持着在井下井眼液体14内。

探测器18含有一个装有一个或多个安装成跟井眼液体14有能量偶合关系的隔振的地震能量检测器24a至24n的管状构件22。可以根据需要从井眼发生的能量里得到什么样的资料来选用不同的探测器。在另一些应用中，接收探测器18可以取消掉，将地震源10放置到井下发生纵波与轨道式横波，而使用配置好来检测垂直地震纵剖面（VSP）的地面检测器阵。在又另一些应用中，接收探测器18可以取消掉，地震源10放置到井下发生地震横波与纵波，地震能量检测器则设置在该井眼12附近的一个或多个分立的井眼中以检测跨井眼（crosshole）地震镜象活动。

地震源10由在上段28与下段30成形以含有相当质量的骨架件26构成。骨架件26构成震源反应的隔离质量，并且上下骨架质量构件28与30通过结构笼罩32与33保持刚性对准。内结构笼罩32可由多根沿圆周排列的连接棒形成，这些棒固定住以形成一个在质量构件28与30之间的一个圆柱形腔室34。

一个带有内装反馈编码器的交流或直流电动机36固定在上骨架质量构件28内以轴向地通过一个挠性联轴器38向驱动轴40提供旋转驱动。驱动轴40有一个偏心盘42固定在其上以在轴40在上下轴承件44与46内旋转时随着旋转。盘42偏心地装在驱动轴40上，如图1B所示，但是它相对于驱动轴40是找过动平衡的，在空气中转动是不发生振动的。因此，偏心盘42在旋转时就扫出一个如图1B所示的由虚线48表示的圆形轨道，形成一个偏心盘42的最大半径点50处的液体压力升高的圆周运动。这样，偏心盘42旋转并扫出一个包络48按轨道方式围绕着电动机轴40的中心线或轴线，在半径点50的位置上压力升高，而在180°的盘42的另一面压力降低。

由棒构件32构成的内结构笼罩将上下反应质量骨架件28与30刚性地连接起来，并由一个由弹性体薄膜制成的套筒52沿圆周固定住以复盖在结构笼罩的外面并包封着充灌有经高度过滤的低粘度油的空间34。一个未示出的压力补偿装置在探测器在井眼内垂直运动时自动平衡掉加在薄膜上的压力。弹性体薄膜52可以用合适的环形夹之类的夹子紧密地固定住将上下骨架质量构件28与30密封住。由棒构件33构成的外结构笼罩防止弹性体薄膜52接触井眼侧壁并进一步将上下反应质量骨架件28与30刚性地连接起来。可选用未示出的本领域现有的井下定中心器来保持地震源与/或接收探测器在井眼内定中心并防止探测器在工作过程中转动。

在偏心盘42转动时，最大半径点50迫使油向外压到薄膜52上从而在薄膜52内加入了一个局部的压力升高。同时，在盘42离得最远的、跟最大半径点50相对180°的区域压力降低。薄膜52的外部随即在最接近盘42的最大半径点50的区域内向外移动，同时在盘42上点50的相对侧向内移动。这样，薄膜52的外部起一个通过井眼液体按轨道运动方式进入井眼壁12的旋转偶极横波扰动作用。

图2示出轨道式横波能量从一个选定井下部位沿着井眼朝上传播的可能方式的理想化形式。这样，一个在井眼12下面某一点上连续地产生的轨道式横波将成为一个椭圆极化横波沿着旋转的或螺旋传播路线54朝上传播。这样，能量就沿着光线路线（ray    path）56或井眼12的轴线传播。由于粒子运动按地球粒子运动在一个垂直于光线路线56的平面上连续地传播，粒子运动的代表性的矢量58围绕着光线路线56旋转。这位移矢量58在它向上前进时扫出一个螺旋线并且根据发生方式的椭圆函数在短轴与长轴之间变化。在大多数旋转盘式地震源情况中，横波的椭圆极化将采取圆形或特殊情况。螺旋线的左右旋向可以通过将地震源的旋转方向反转而很容易地反转过来。对这种椭圆极化横波的公开是题目为“用椭圆极化横波的地震勘探方法”的同时待决的美国专利申请987，488号的主题。虽然图2示出了一个朝上的螺旋形传播路线，但是应当理解到也可以存在一个朝下的螺旋形传播路线，从地震源中心来看，这个路线将是图2所示的路线的镜象。

图2只示出了围绕着一个跟井眼同轴的光线路线的传播形式。如果从地震源来的轨道式输入是圆形的，围绕任何倾斜于井眼轴线的光线路线的传播将沿着一条螺旋线，当光线路线到达垂直于井眼轴线的平面时椭圆的短轴缩成零。就是说，在通过地震源的中心并垂直于井眼轴线的平面上，只会发生平面极化横波。

应当强调，轨道式井下地震源对发生地震纵波也是有效的。已公知一个水平偶极地震源产生成两瓣对称于震源运动沿着它发生的水平轴线淖莶āＨ缜八觯斓朗骄抡鹪词导噬鲜且桓鲂技?因此此地震源将在所有围绕着井眼垂直轴线的径向方向产生纵波。这种波是由旋转压力直接施加到井眼的侧壁上而产生的。此外，实验数据表明切变作用同时发生以45°倾斜于井眼的中心线的所有光线路线为中心的纵波。这样，这井下轨道式振动器是一个有效的万用井下地震源。

图3A至3C示出另外一种形式的轨道式横波振动器，这种振动器利用一个不平衡质量在一个反应质量内旋转的原理发生对应于反应质量外壁的轨道式运动的地震能量。在这个例子中，轨道式横波振动器60包括一个也构成反应质量的管状壳体62，在此应用中质量应尽可能地低。管状壳体62由节段构成，包括一个用螺纹密封固定到一个上套管66上的冕状套管64，上套管66又用螺纹密封地连接到一个中套管68，中套管68又通过螺纹容纳在一个底套管70内（图3B），底套管用螺纹跟一个带着伸出一个下垂吊环76的盖帽74的底盖帽套管72接合。

带有一根多芯测井电缆的接头78通过配对连接器88用一个跟连接器88成一整体的螺柱82连接到震源60内。旋转质量体84适应于通过接头套管64跟上套管66的螺纹连接来固定住，同时限定一个带螺纹中心孔86用来容纳螺柱82。一个跟螺柱82同样的并与之对准的螺柱从连接器88另一端伸展，形成一个密封间跟被止动螺钉92固定在接头套管64上部内的螺纹接头90成牢固的螺纹结合。这样，质量体84不但提供一个跟上电缆组件的刚性连接，而且也给至少一个地震检波器94提供支撑结构，这地震检波器通过质量体84的选择性转动保持在一个选定的横向调准位置。定位销85防止质量体84相对于上套管66转动。

地震源60的下部是类似的结构，质量体96通过盖帽套管72与下套管70的螺纹装配固定住。一个电缆连接器98通过螺纹容纳在质量体96的螺纹中心孔100内以提供电连接通到下电缆102。下电缆组件可能用在某些结构中，但不是所有结构都用，而是用一个合适的插塞构件代替。吊环96用来悬挂选定的稳定重。质量体96还保持住至少一个地震检波器104在规定的水平方向，其用处将在下面进一步描述。用一个未示出的分度销来保持定向。

中套管68适应于装有一个具有双端心轴108的可变速交流或直流电动机106以给偏心转子提供旋转驱动功率。电动机106含有一个未示出的内装编码器以提供为速度与相位控制所用的反馈。电动机106的下部（图3B）刚性地固定到一个横向环状凸缘110上，而其转轴108则连接到有一输出轴114连接到一个偏心转子116上的挠性联轴器112上。一个圆形壳体构件118合适地通过一个定位圈119固定在中套管68与下套管70接合处，形成一个圆柱形腔120。一对轴向对准的轴承122与124固定在壳体118内，给偏心转子116提供旋转支承。如图3C所示，偏心转子116是一个带有在轴114处的偏心驱动点的圆盘。当然其它形式的偏心质量转子也可以用。图示的形式为提供高的质量偏心度为降低的空气阻力的折衷方案。

上端（图3A）采用类似结构，电动机106固定在环状凸缘126上。一个圆筒形定位圈128支承在一个合适的圆筒壳体130下面，这壳体130又通过定位圈129固定在上套管66与中套管68的螺纹接口处。转轴108的上端连接到有一个输出轴134连接到偏心转子140上的挠性联轴器132上。壳体130形成一个圆柱形空间137，偏心转子140用键连接到输出轴134上在空间137内旋转。偏心转子140与136用键连接到相应输出轴134与114上，相位相同或轴向对准。

在工作中，轨道式横波地震源60悬挂在灌液井眼（未示出）中的规定位置上，骨架壳体62的外圆柱壁跟井眼壁成能量偶合关系。电动机106驱动的偏心盘140与116的同相旋转带来骨架壳体质量62的反应轨道式运动，产生一个轨道式横波偶合到井眼壁，按图2所示方式朝外朝上传播。如前所述，还发生纵波。两个地震检波器94与104以完全一样的取向装在靠近骨架壳体62两相对端头上，这两个地震检测器提供输出控制信号用于地震源输出信号的监测、地震源旋转的转位、折回（replica）信号的检测、等等。外加一对例如跟地震检波器94与104成90°的地震检波器是可以很容易地加进去的。

图4A与4B示出另一种形式的低惯性式功率发生源，即类似于图1所示的形式，其中转子是经过平衡的但能量偶合运动是通过轨道式薄膜运动传递的。轨道式横波地震源140包括有一个具有互成90°沿圆周排列的线圈的圆筒形骨架部分142。多个由选定线号的线绕在高导磁率的铁芯上的线圈144、146、148和150以提供所要求的电磁性能。骨架壳体142由非磁性金属制成，其上极靴152、154、156、与158和下极靴160、162、164、与166则由高导有效率材现瞥伞Ｕ庋恳豢榧ザ挤直鹎度牍羌芸翘?42内壁的合适的弧形槽167与168内固定住以支承贴近骨架壳体142内壁的相应的线圈144至150。

一个具有上下倒棱边缘172、174的非磁性不锈钢环170围绕着骨架壳体142合适地固定在其上并伸展在上下铁极靴152至158与160至166之间。一个具有比不锈钢环170外径稍大的内径轨道表面177与179的反应环176设置来包住不锈钢环170但又跟它不接触。软铁环176可以有较厚的上下轨道177与179以保证跟相应的上下极靴磁性对准。一个弹性体上套管178合适地固定住将骨架壳体142与软铁环176的上部之间的空间密封住，而一个弹性体下套管180同样地固定住以在靠近软铁环176的下缘处的空间密封住。形成在弹性体套内的腔穴182用一种合适的低粘度油充灌以提供跨弹性体套两边的压力平衡并保证平稳接触和降低噪声与干扰。

在工作中，多个相位相错的交流电源按激励电压的相位关系接到井下选定的相应电磁线圈144至150上，各相应电磁线圈的激励按一个预定的顺序围绕着骨架壳体142进行。这样，当软铁环176在一侧被吸向内靠向不锈钢环170时，其另一侧则是最大限度地外伸，在井眼液体内提供一个压力的局部提高，这个局部压力提高又将横波粒子能量传递到该点上的井壁上。按照激励电压的相位关系，软铁环176可以围绕骨架壳体按轨道式旋转，在井壁内发生一个椭圆极化横波。

图5示出又另一种形式的使用压电元件的井下使用低惯性轨道式横波地震源。井下横波地震源190包括有一个适用的管状骨架壳体192与多个沿着壳体中心固定住的、方向变位的压电元件。这样，位于最中心部位的一对反应质量194与196由相应的低摩擦直线型轴承198与200横向地支承在骨架壳体192内，平行并列。选定直径与长度的直线型轴承可从纽约西保利的直线旋转轴承公司购得。压电元件202与204合适地粘在反应质量194的两端上，而压电元件206与208则同样地粘在反应质量196的两端上。压电元件202至208的外端合适地刚性接触地粘到管状骨架壳体192上。电接线210与212控制着交变的压电激励。一对反应质量214与216间隔相等但成直角地随后分别设置在质量194与196的上下。每个质量214、216由一个低摩擦直线型轴承218、220悬挂着，相对端有压电元件按反应质量194与196同样的方式装配在一起。电气控制连线219与221向压电元件施加交变的激励。

地震源190是另一种形式的能输出较好的功率的低惯性地震源。横向反应质量与激励元件成对设置使它们能够在骨架壳体中心线222的两侧相等地设置，从而提供平衡的横向力到骨架壳体192上并且避免了对其纵向轴线产生任何扭转运动。尽管示出了四个元件，但是很容易在壳体中心线222的两侧外加相等的、成90°设置的这种元件以提供提高的功率输出能力。这样，在导线212施加一个激励电压而在导线210施加一个相反相位的同样电压，就导致压电元件204与208产生晶体伸长而在压电元件202与206则产生晶体压缩，从而在靠近压电元件204与208的井壁处发生压力的局部提高。横向反应质量214与216用同样的控制相应压电元件的交变供电相位的方法来在井壁上产生同样的横波力。这样，协调地控制两对成90°设置的反应质量的选定相位关系以在靠近的井壁上发生一个椭圆极化或圆极化的横波是有效的。这种类型的相位调节电子控制装置在前述的题目为“用椭圆极化横波的地震勘探方法”的美国专利申请897，448号里有更清楚的讨论。

以上公开了一种新型的井下轨道式地震振动器，在其中地震横波，具体是椭圆极化地震横波，可以带着相当大的功率偶合穿过井眼液体进入井壁内，同时发生相当大功率的地震纵波。在井下发生这样的横波与纵波使多种新的声测技术可能应用，在这些技术里数据可以编成反向垂直地震纵剖面（VSP）的形式，或是地震纵剖面可在一个选定地带内从一个井眼到一个井眼地建立起来。此外，这种振动器还可用于沿着一个单个井眼进行声测以建立不同地层的速度关系。

可以将上面在说明书和附图里列出的元件的排列和组合进行改变，应当理解到可在公开的实施例中进行改变，但是并没有脱离由下述的权利要求所限定的精神与范围。

Claims (16)

1、一种用于同时发生轨道式横波地震能量与纵波地震能量进入一个灌液井眼井壁的井下地震源，其特征在于含有：

一个长圆柱形骨架装置，它具有一条中心轴线和一个獗诳芍С旁谘刈鸥镁郾诘囊坏闵希?

驱动装置，它设置在该骨架装置内并可激励以传递一个轨道式运动到骨架装置的外壁的至少一部分从而发生一个轨道式横波在该井壁内。

2、按权利要求1的井下地震源，其特征在于所述圆柱形骨架装置含有：

一个具有跟井眼液体接触的连续外壁的圆筒，和

固定在圆筒相对两端的顶端与底端盖帽结构。

3、按权利要求1的井下地震源，其特征在于所述驱动装置含有：

一个提供旋转输出的驱动电动机，和

接受该旋转输出的第一与第二偏心转子，所述转子沿所述骨架装置的中心轴线等间隔设置并成平行与轴向对准地排列以求得到同步偏心旋转。

4、按权利要求2的井下地震源，其特征在于所述驱动装置含有：

一个提供旋转输出的驱动电动机，和

接受该旋转输出的第一与第二偏心转子，所述转子沿所述骨架装置的中心轴线等间隔设置并成平行与轴向对准地排列以求得到同步偏心旋转。

5、按权利要求3的井下地震源，其特征在于所述第一与第二偏心转子各含有：

一个具有用以接受旋转输入的偏置转轴孔的圆盘。

6、按权利要求3的井下地震源，其特征在于所述驱动电动机是一个含有一个反馈编码器的可变速电动机。

7、按权利要求1的井下地震源，其特征在于所述圆柱形骨架装置含有：

至少两个质量较重的圆柱形骨架件，这两个骨架件通过一个大部分敞开的外围结构笼罩轴向对准地固定在一起，并在其间形成一个圆柱形腔穴，

一个柔韧套管封包着该腔穴外壁并在其内保持有液体，和

第一与第二端盖帽装置固定住的圆柱形骨架件的相对端头上。

8、按权利要求7的井下地震源，其特征在于所述驱动装置含有：

一个驱动电动机，它沿所述中心轴线提供旋转输出，和

一个转子盘，它具有选定的厚度并被该旋转输出偏心地驱动，该盘被设置在所述腔穴内使所述柔韧套管相对于井壁按轨道式扩张。

9、按权利要求7的井下地震源，其特征在于所述结构笼罩含有：

至少两个沿圆周等距设置的支杆纵向固定在相应的骨架件之间。

10、按权利要求7的井下地震源，其特征在于所述柔韧套管含有：

一个大致是圆筒形的弹性体薄膜围绕着相应骨架件的圆周在靠近所述圆柱形腔穴处密封地固定着。

11、按权利要求9的井下地震源，其特征在于所述柔韧套管含有：

一个大致是圆筒形的弹性体薄膜围绕着相应骨架件的圆周在靠近所述圆柱形腔穴处密封地固定着。

12、按权利要求8的井下地震源，其特征在于所述驱动电动机是一个带有至少一个内装反馈编码器的可变速电动机。

13、按权利要求2的井下地震源，其特征在于所述驱动装置含有：

至少两个同样的第一反应质量，它们具有相对着的两端并在所述骨架装置大致中心部位平行并列着并横向调准地固定住，

至少两个同样的第二反应质量，它们具有相对着的两端并在靠近所述两个第一反应质量的上下侧边固定住但跟第一反应质量成直角调准，

多个压电元件，每个粘结固定在所述第一与第二反应质量的相应端头上并粘结到骨架装置的圆筒上，和

用来按选定相位关系激励所述压电元件以施加预定旋转横向推力到上述圆筒形骨架装置的装置。

14、按权利要求13的井下地震源，其特征在于还包括：

至少四个直线式轴承固定着以支撑所述第一与第二反应质量。

15、按权利要求2的井下地震源，其特征在于所述驱动装置含有：

至少四个具有由高导磁率金属制成的上下极靴的电磁线圈，所述线圈由上下极靴支持着成90°排列，每个极靴在圆周上调准并且所有极靴固定在上述圆筒体内，

一个选定外径的非磁性环环绕着所述圆筒在圆周排列的极靴之间的圆周区域内粘结住，

一个选定内径大于所述非磁线性环外径的铁环跟非磁性环同心设置，

在该非磁性环每一侧的所述圆筒装置上固定着液密的柔韧套管装置以保持所述铁环同心，

选定粘度与压缩系数的液体放置在所述柔韧套管装置内，和

用来按选定90°相位关系激励所述电磁线圈以产生相对于所述圆筒骨架装置的旋转横向推力将所述软铁环推动的装置。

16、一种用于在灌液井眼内发生轨道式横波地震能量的井下地震源，其特征在于含有：

一个质量较重的长形骨架装置，形成一个内部空间并具有形成在沿装置大致中心的位置的圆周开口，

设置在所述内部空间内跟所述圆周开口连通用来发生一个椭圆极化横波穿过圆周开口传递到邻近的井壁内的装置，和

在所述井眼内一个选定部位上支撑着所述骨架装置的装置。

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