CN103782199A - 斜井眼中的井间地震勘测 - Google Patents

Abstract

通过从位于钻过地层的第一井眼的偏斜部分中的第一源位置阵列发射第一地震信号，并由从位于钻过地层的第二井眼的偏斜部分中的第一接收器位置阵列接收来自反射特征的该第一地震信号的第一反射，来从位于地层中的反射特征上的多个点处收集该第一地震数据。通过从位于第一井眼的偏斜部分中的第二源位置阵列发射第二地震信号，其中第二源位置阵列不同于第一源位置阵列，并由从位于第二井眼的偏斜部分中的第二接收器位置阵列接收来自反射特征上的多个点处的该第二地震信号的第二反射，来从位于地层中反射特征上的多个点处收集第二地震数据。分析所收集的第一地震数据和所收集的第二地震数据以得出关于地层的结论。关于地层的结论被用于采取关于该地层的动作。

Description

斜井眼中的井间地震勘测

背景技术

在井间（或井-间或井眼间）地震勘测中，接收器放置在第一井眼中并用放置在第二井眼中的直接地构建或数字化构建的一个或多个源来执行地震勘测。这种勘测技术有时用于收集关于两个井眼附近地层的地震数据。该信息有时用于改进从这些地层生产碳氢化合物。例如，在水平分层地下的简单情况下，两个垂直井眼之间的井间勘测记录了从薄二维地下片内穿过井眼的多折地震反射，而垂直与水平井眼之间的井间勘测记录了来自每个反射器上的三角楔形的单折反射。使用井眼间地震勘测技术收集地震数据，特别是多折的地震数据（说明穿过井眼的不止一个薄二维片）是一个挑战，目前使用伴随着有花费的多个附加井眼来解决该挑战。

附图说明

图1示出两个井眼的构造。

图2示出图1所示的井眼的方向矢量在平面反射器上的投影的和。

图3示出图1所示的井眼构造的旋转。

图4示出井眼的双螺旋构造。

图5示出单螺旋井眼。

图6示出螺旋状螺旋井眼。

图7示出图8所示数据在该条件下被收集的条件。

图8示出使用螺旋井眼收集的数据位置图案。

图9示出井眼中的地震源和地震接收器。

图10是流程图。

图11示出从反射器下方和从反射器上方收集地震数据。

图12示出地震数据的被动收集。

图13是包括远程实时运行中心的环境。

具体实施方式

考虑图1所示的井眼构造，其中，两个井眼105和110分别在点(x₀,y₀,z₀)和(x₁,y₁,z₀)处钻孔通过平面反射器（例如，诸如如砂岩和泥岩之类的两个不同的岩性之间的边界）115。井间技术，使用（a）以交叉为“对称X图案”的井眼，（b）布置为双螺旋的两个井眼，（c）单个螺旋井眼，以及（d）一般地，单个斜井眼，提高了多折地震数据收集能力。

声能量从各点沿井眼之一发射出并在沿其他井眼的各点处接收。在一个实施例中，井眼可相对于彼此和相对于反射器部署为几何图形，从而沿其中两个井眼穿透反射器处的点之间的线的各点接收多折地震覆盖。

为了说明，假设恒定的速度（直射线）地层和直线井眼，在z=z₀处具有水平反射器，如图1所示。各井眼的参数描述可如下写出：

$(x,y,z)=(x_0,y_0,z_0)+s(m_0,n_0,p_0)---\left(1\right)$

$(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=(x_1,y_1,z_0)+s^{\′}(m_1,n_1,p_1)---\left(2\right)$

其中：

井眼与水平反射器的交点分别位于(x₀,y₀,z₀)和(x₁,y₁,z₀)处。

m、n、p是从那些交点引出的相对应的方向矢量，以及

s和s'是确定沿线的位置的标量参数。

由于反射器115是水平的，反射的射线对于镜像的井眼具有传输的镜像图像，该镜像图像p正负号相反。从而连接（x,y,z）至镜像井眼点（x',y',z'）的射线由以下给出：

$\begin{array}{c}(\hat{x},\hat{y},\hat{z})=(x_0,y_0,z_0)+s(m_0,n_0,p_0)+[(x_0,y_0,z_0)+s(m_0,n_0,p_0)-(x_1,y_1,z_0)+\\ s^{\′}(m_1,n_1,-p_1)]---\left(3\right)\end{array}$

对于另一标量参数r。为了找到该线在何处与水平面相交，在下面的式对中找到解：

$z0=(1+r)(z_0+{\mathrm{sp}}_0)-r(z_0-s^{\′}{p}_1)---\left(4\right)$

$0=(1+r){\mathrm{sp}}_0+{\mathrm{rs}}^{\′}{p}_1---\left(5\right)$

对于参数r，获得：

$r=\frac{{-\mathrm{sp}}_0}{{\mathrm{sp}}_0+s^{\′}{p}_1}$ 以及    (6)

$1+r=\frac{s^{\′}{p}_1}{{\mathrm{sp}}_0+s^{\′}{p}_1}---\left(7\right)$

以及在平面上的相交点在：

$\hat{x}=(1+r)(x_0+{\mathrm{sm}}_0)-r(x_1+s^{\′}{m}_1)---\left(8\right)$

$\hat{y}=(1+r)(y_0+{\mathrm{sm}}_0)-r(y_1+s^{\′}{n}_1)---\left(9\right)$

将r从式（6）代入式（8）和（9）并重新整理项，获得：

$({\mathrm{sp}}_0+s^{\′}{p}_1)\hat{x}={\mathrm{sp}}_1(x_0+{\mathrm{sm}}_0)+{\mathrm{sp}}_0(x_1+s^{\′}{m}_1)---\left(10\right)$

$({\mathrm{sp}}_0+s^{\′}{p}_1)\hat{y}={\mathrm{sp}}_1(y_0+{\mathrm{sn}}_0)+{\mathrm{sp}}_0({\mathrm{yx}}_1+s^{\′}{n}_1)---\left(11\right)$

除以s's并重新整理，获得：

$0=(p_1{m}_0+p_0{m}_1)+\frac{1}{s}{p}_1(x_0-\hat{x})+\frac{1}{s^{\′}}{p}_0(x_1-\hat{x})---\left(12\right)$

$0=(p_1{n}_0+p_0{n}_1)+\frac{1}{s}{p}_1(y_0-\hat{y})+\frac{1}{s^{\′}}{p}_0(y_1-\hat{y})---\left(13\right)$

这是两个未知数1/s和1/s'的一对线性式。对于在水平反射平面中的任何给定固定交点，该系统式通常具有单个解，除非2×2矩阵的行列式：

$\left|\begin{array}{cc}{p}_1(x_1-\hat{x})& p_0(x_1-\hat{x})\\ p_1(y_0-\hat{y})& p_0(y_1-\hat{y})\end{array}\right|---\left(14\right)$

是零。该情形中，存在着无限多的解，即多折和/或多方位角覆盖或根本没有光照。使行列式为零，获得：

$0=p_1{p}_0[(x_0-\hat{x})(y_1-\hat{y})-(x_1-\hat{x})(y_0-\hat{y})]---\left(15\right)$

不算在反射平面中水平井的情形（即p₀=0或p₁=0），这给出关系：

$\frac{y_0-\hat{y}}{x_0-\hat{x}}=\frac{y_1-\hat{y}}{x_1-\hat{x}}---\left(16\right)$

意味着点

位于将(x₀,y₀,z₀)连接至(x₁,y₁,z₀)的线上。为了确定是否存在着从该线反射出去的射线，该线的斜率由q表示并被代入式（12）和（13），得到：

$0=(p_1{m}_0+p_0{m}_1)+\frac{1}{s}{p}_1(x_0-\hat{x})+\frac{1}{s^{\′}}{p}_0(x_1-\hat{x})---\left(17\right)$

$0=\frac{(p_1{n}_0+p_0{n}_1)}{q}+\frac{1}{s}{p}_1(x_0-\hat{x})+\frac{1}{s^{\′}}{p}_0(x_1-\hat{x})---\left(18\right)$

由此要求：

$q=\frac{(p_1{n}_0+p_0{n}_1)}{(p_1{m}_0+p_0{m}_1)}---\left(19\right)$

几何解释中，p₀和p₁可归一化为1，在该情形中，关系简化至：

$q=\frac{(n_0+n_1)}{(m_0+m_1)}---\left(20\right)$

如图2所示，这指示方向矢量(m₀,n₀,p₀)和(m₁,n₁,p₁)分别在平面反射器115上的投影205和210的矢量和覆盖将(x₀,y₀,z₀)连接至(x₁,y₁,z₀)的线120。两个井眼105与110之间的关系被定义为“对称X图案”。更一般的“对称图案”包括“波浪状的”井眼，该“波浪状的”井眼不是直线而是在穿过反射器的法线的平面的相反侧上的彼此的镜像图像。例如，如果波浪状井眼1包括井段S₁₁和S₁₂，而波浪状井眼2包括井段S₂₁和S₂₂，井段S₁₁和S₂₁可形成对称X图案，且井段S₁₂和S₂₂可形成对称X图案。以其中q=0为例；则

，意味着各y分量点在相同和相反的方向。

本实施例提供了具有线性子集的多折覆盖的反射器的梯形面积覆盖（连接了在每个井眼终止的该梯形的相对角），而不需要附加井眼。至少一些设置中，这足以分析井眼周围的地层以及碳氢化合物勘探和生产的目标区域。

如果相对于平面反射器115旋转两个井眼，例如如图3所示，从105至105'以及从110至110'，同时保持它们的“对称X图案”关系，在平面反射器115上由图3的交叉阴影所指示的区域将具有多折覆盖。在一个实施例中，两个井眼配置为如图4所示的双螺旋配置。在一个实施例中，一个或多个地震源，诸如声发射器，固定或在井眼之一（比如井眼105）内上下移动，且诸如声接收器之类的声传感器阵列固定或者在其他井眼（比如井眼110）内上下移动。在一个实施例中，该配置导致如图1所示的沿双螺旋路径前进的多折覆盖的线。

在一个实施例中，图4所示的双螺旋合并成单螺旋井眼505，如图5所示。在一个实施例中，地震接收器固定在螺旋井眼内且地震源（或多个源）在井眼505内移动。在一个实施例中，地震接收器在井眼505内移动而地震源（或多个源）被固定。在一个实施例中，地震源和接收器都在其对应的井眼中移动。一个实施例中，接收器和源都固定在其对应的井眼中，其中源分别致动而不是如前面实施例中那样移动。一个实施例中，源或接收器在表面上并在虚拟井眼中被数值地构建以实现所期望的图案。

一个实施例中，使用诸如图6所示的具有“螺旋状螺旋”形状的井眼。在一个实施例中，使用任意三维形状（即不是诸如位于单个平面中的弧的两维形状）的斜井眼。在一个实施例中，可使用以类似于图4-6所示的方式围绕地弯曲的几乎任何井眼。在其中地震发射器和接收器沿斜井眼形成阵列的这些情形中，实现密集多折、多方位覆盖。

为了说明可实现的覆盖类型，考虑具有图7所示半径r的螺旋井眼705。对于在螺旋结构705上的固定的源位置S和在该螺旋结构上的任何给定接收器R'，可通过将来自源的直线连接至在Z₀处关于平面的接收器的镜像R来确定从在Z₀水平处反射器710反射出并达到接收器R'的射线。

连接两点(X_S,Y_S,Y_S)和(X_R,Y_R,Z_R)的线的参数式如下给出：

$\frac{X-X_S}{X_R-X_S}=\frac{Y-Y_S}{Y_R-Y_S}=\frac{Z-Z_S}{Z-Z_S}---\left(21\right)$

不失一般性，取螺旋的中心作为其起点为原点X=Y=Z=0，且螺旋与平面在Z₀的交点有Y=0。则镜像螺旋的式可写为：

$\begin{array}{c}{X}_R=r\cos \mathrm{\θ}\\ Y_R=r\sin \\ Z_R=Z_0+\mathrm{ar\θ}\end{array}---\left(22\right)$

其中，其非镜像坐标使用-θ而不是θ。将式（22）代入式（21）并设定Z=Z₀给出：

$X_0=r\cos \frac{Z_0-Z_S}{\mathrm{ar}}+r(\cos \frac{X_R-Z_0}{\mathrm{ar}}-\cos \frac{Z_0-Z_S}{\mathrm{ar}})\frac{Z_0-Z_S}{Z_R-Z_S}---\left(23\right)$

反射点在平面上的位置的参数表示。数值地估算式（23），其中，r=1,Z₀=10,a=0.645、且Z_R从30至100，获得在如图8所示的位于源正下方的点处相切于螺旋外周的向内螺旋轨迹。

图9所示的一个实施例中，一串地震接收器905（仅一个被标记）被放置在井眼705中。将理解，图9所示的地震接收器数量是任意的且可远大于或远少于所示的。在一个实施例中，地震接收器是磁性地震检波器。在一个实施例中，地震接收器是光纤声接收器。在一个实施例中，声接收器使用另一类似技术。

在一个实施例中，如图9所示，地震源910被放置在井眼705中。在一个实施例中，地震源是诸如火花发生器或振动器之类的受控源。一个实施例中，地震源是诸如钻头之类的非受控但直接测量的源。将理解，图9所示的地震源910的数量是任意的且可多于所示。另外，在一个实施例中，地震源的数量大于地震接收器的数量。例如，在一个实施例中，图9的指定者905称为地震源，而指定者910称为地震接收器。

在一个实施例中，一串地震接收器905和地震源910耦合至位于图7所示的表面上的或安装在井眼705中的计算机系统715。在一个实施例中，计算机系统包括需要与地震接收器905和地震源910接口且特定地执行上述的计算以提供在所调查的地层范围上的多折、多方位地震覆盖的所有装备。

在一个使用实施例中，如图10所示，沿井眼705的偏斜部分放置地震源（框1005）。在一个实施例中，还沿井眼705的偏斜部分放置地震接收器（框1010）。在一个实施例中，然后通过从地震源发射地震信号并由地震接收器接收来自反射特征的地震信号的反射，从诸如两个沉积层之间的边界之类的反射特征中收集第一组地震数据（框1015）。在一个实施例中，然后沿井眼705的偏斜部分重新放置地震源（或者地震接收器）（框1020）。在一个实施例中，然后通过从地震源发射地震信号并由地震接收器接收来自反射特征的地震信号的反射，来从该反射特征收集第二组地震数据（框1025）。在一个实施例中，然后例如如上所述地分析第一组地震数据和第二组地震数据，从而得出关于地层的结论（框1030），诸如图7中反射器710的位置，或者在所调查的地层中的位置和其他特征的特性。在一个实施例中，然后基于该结论采取动作（框1035）。例如，在一个实施例中，该结论被用于决定是否钻井、在哪里钻井、是否从地层继续生产、和/或各种其他类似决定。

在一个实施例中，如图11所示，所调查的反射器1105相比地震源或地震接收器而言更接近地表1110，如图11的上面一组箭头所指示。在一个实施例中，如图11所示，所调查的反射器1110在相比地震源或地震接收器位于距离表1110更远处，如图11的下面一组箭头所指示。

在一个实施例中，如图12所示，该技术用于调查在图12中由边界1205和1210所界定的感兴趣的区域。例如，在环境应用中，诸如隔离来自诸如发电厂之类的工业源的二氧化碳，重复的主动源调查的费用可使这些项目经济上不可行。从地震界（earthquake community）改变而来的地震干涉测量领域，提供了各种方式来使用地球环境噪声的被动记录、作为原型的远程地震到来，来估算主动信号调查将记录什么。一些海底的海洋记录已显示出可喜的成果，虽然环境噪声的随机性严重限制了重复被动调查可比较的程度。在地面上的干涉测量更困难，因为在地表上记录的很多地震能量源自诸如交通和风的文化和环境源，其经由表面波到达仪器，这些表面波从不探测期望被成像和监测的地下储层（1205-1210）。通过在储层下方螺旋式上升记录电缆，如图12所示，避免了表面噪声且更容易捕获即将到来的体波1215和反射1220。

因为可被部署在井眼中的基于光纤的记录仪器和电缆的最近的技术进步，用于长期监测二氧化碳的这种结构的经济性是令人感兴趣的。这种电缆不需要井下电源且纯用基于表面的激光来探测。这使得电缆能够永久地留在原位并在需要时探测和记录。这允许在很多年的低成本重复被动调查中摊销了钻螺旋井眼等的更高端的成本。

在一个实施例中，用于控制图7所示的系统之一的操作的计算机程序被存储在计算机可读介质1305上，诸如CD或DVD，如图13所示。在一个实施例中，计算机1310，其可以是计算机715、或者位于地表下方的计算机，通过输入/输出设备1315从计算机可读介质1305读取计算机程序并将其存储在存储器1320中，在存储器1320中该程序准备通过编译来执行，在必要时通过链接然后执行。在一个实施例中，该系统通过诸如键盘之类的输入/输出设备1315接受输入，并通过诸如监视器或打印机之类的输入/输入设备1315提供输出。在一个实施例中，该系统在存储器1320中存储计算结果或修改已经存在于存储器1320中的计算。

在一个实施例中，使得驻留于存储器1320中的计算结果通过网络1325提供至远程实时操作中心1330。在一个实施例中，远程实时操作中心1330通过网络1335使得计算结果可获得以帮助规划油井1340、钻油井1340、或者从油井1340中产油。类似地，在一个实施例中，如图7、11、和12所示的系统可受控于远程实时操作中心1330。

上面的文本描述了宽泛的发明的一个或多个具体实施例。本发明还在各种可选实施例中执行且因此不限于这里所描述的那些实施例。为了说明和描述，已经呈现了本发明的优选实施例的前述描述。这不旨在排他性或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上面的教导，很多修改和变型是可能的。本发明的范围不旨在由该详细描述限定，而是由所附的权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种基于计算机的方法，包括：

通过从位于钻在地层内的第一井眼的偏斜部分中的第一源位置阵列处发射第一地震信号，并由位于钻在所述地层内的第二井眼的偏斜部分中的第一接收器位置阵列接收来自反射特征的所述第一地震信号的第一反射，计算机从位于地层中的所述反射特征上的多个点处收集第一地震数据；

通过从位于所述第一井眼的所述偏斜部分中的第二源位置阵列发射第二地震信号，所述第二源位置阵列不同于所述第一源位置阵列，并由从位于所述第二井眼的所述偏斜部分中的第二接收器位置阵列接收来自所述反射特征上的多个点的所述第二地震信号的第二反射，所述计算机从位于所述地层中的所述反射特征上的多个点处收集第二地震数据；

所述计算机分析所收集的所述第一地震数据和所收集的所述第二地震数据以得出关于所述地层的结论；

使用所述关于地层的结论来采取关于所述地层的动作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二接收器位置阵列不同于所述第一接收器位置阵列。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一井眼的一部分具有围绕所述地层中所述反射特征上多个点的大致螺旋形状；且

所述第二井眼的一部分具有围绕所述地层中所述反射特征上多个点的大致螺旋形状。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一源位置阵列和所述第一接收器位置阵列相对于所述反射特征上多个点形成对称图案；且

所述第二源位置阵列和所述第二接收器位置阵列相对于所述反射特征上多个点形成对称图案。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

与所述第一源位置阵列基本上共线的线在第一点处穿过所述反射特征；

与所述第一接收器位置阵列基本上共线的线在第二点处穿过所述反射特征；

第一方向矢量与所述第一源位置阵列以及地表方向上的点基本上共线；

第二方向矢量与所述第一接收器位置阵列以及地表方向上的点基本上共线；

所述第一方向矢量在所述反射特征上的投影与所述第二方向矢量在所述反射特征上的投影的矢量和沿着将所述第一点连接至所述第二点的线；

与所述第二源位置阵列基本上共线的线在第三点处穿过所述反射特征；

与所述第二接收器位置阵列基本上共线的线在第四点处穿过所述反射特征；

第三方向矢量与所述第二源位置阵列以及地表方向上的点基本上共线；

第四方向矢量与所述第二接收器位置阵列以及地表方向上的点基本上共线；

所述第三方向矢量在所述反射特征上的投影与所述第四方向矢量在所述反射特征上的投影的矢量和沿着将所述第三点连接至所述第四点的线；且

所述将第一点连接至第二点的线与所述将第三点连接至第四点的线相交。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一井眼和所述第二井眼是相同的井眼。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述井眼的多个第一井段与所述井眼的多个对应第二井段形成对称的X图案。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一井眼和所述第二井眼具有大致双螺旋形状。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述反射特征相比所述第一源位置阵列和所述第一接收器位置阵列而言更靠近地表。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述源位置阵列的一个源位置在用于钻所述第一井眼的钻头处。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述动作是钻井。

12.一种存储在非瞬态有形计算机可读存储介质中的计算机程序，所述程序包括可执行指令，所述可执行指令使计算机：

通过从位于钻过地层的第一井眼的偏斜部分中的第一源位置阵列发射第一地震信号，并由位于钻过地层的第二井眼的偏斜部分中的第一接收器位置阵列接收来自反射特征的所述第一地震信号的第一反射，来从在所述地层中的所述反射特征上的多个点处收集第一地震数据；

通过从位于所述第一井眼的偏斜部分中的第二源位置阵列处发射第二地震信号，所述第二源位置阵列不同于所述第一源位置阵列，并由位于所述第二井眼的偏斜部分中的第二接收器位置阵列接收来自所述反射特征上的多个点的所述第二地震信号的第二反射，从在所述地层中的所述反射特征上的多个点处收集第二地震数据；

分析所收集的所述第一地震数据和所收集的所述第二地震数据，来得出关于所述地层的结论；

使用所述关于地层的结论来采取关于所述地层的动作。

13.如权利要求12所述的计算机程序，其特征在于：所述第二接收器位置阵列不同于所述第一接收器位置阵列。

14.如权利要求12所述的计算机程序，其特征在于：

所述源位置阵列和所述第一接收器位置阵列相对于所述反射特征上多个点形成对称图案；且

所述源位置阵列和所述第二接收器位置阵列相对于所述反射特征上多个点形成对称图案。

15.如权利要求12所述的计算机程序，其特征在于：

所述第一井眼和所述第二井眼是相同的井眼。

16.如权利要求12所述的计算机程序，其特征在于：

所述反射特征相对于所述第一源位置阵列和所述第一接收器位置阵列而言更靠近地表。

17.如权利要求12所述的计算机程序，其特征在于：所述源位置阵列的一个源位置在用于钻所述第一井眼的钻头处。

18.一种方法，包括：

计算机通过位于钻在地层内的至少一个井眼的偏斜部分中的接收器位置阵列接收来自从所述地层中的发射特征上的多个点处的地震数据；

所述计算机分析所收集的所述地震数据以得出关于所述地层的结论；

所述计算机使用所述关于地层的结论来采取关于所述地层的动作。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：

所述井眼的所述偏斜部分是大致螺旋形。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：

所述反射特征相对于所述接收器位置阵列而言更接近地表。

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