CN105431612A

CN105431612A - 钻探方法及设备

Info

Publication number: CN105431612A
Application number: CN201480032625.4A
Authority: CN
Inventors: 博奇·艾特森; 西博乔·桑格斯兰德; 斯塔莱·埃米尔·约翰森
Original assignee: Norwegian University of Science and Technology NTNU
Current assignee: Norwegian University of Science and Technology NTNU
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2016-03-23
Also published as: BR112015030338A2; EP3330481A1; EP3004537B8; CA2914552A1; EP3004537A2; US20160138390A1; WO2014195495A3; RU2015154669A; EP3004537B1; WO2014195495A2; NO3004537T3

Abstract

一种在地下区域中定位钻探设备和/或钻孔的方法，该方法包括以下步骤：(A)在地下钻探操作中发送地震波到地下区域，该地震波从远离所述钻探设备的位置(8)发送；(B)检测(14)来自所述钻探设备或钻孔(5)的地震响应；和(C)将所述检测到的响应与所述地下区域的预定的地震探测数据比较,以确定所述钻探设备或钻孔的位置。

Description

钻探方法及设备

技术领域

本发明涉及地表下或地下钻探用的方法和设备。本发明特别但不排他地应用于碳氢化合物的勘探和抽采领域，并且也应用于减压井钻探。

背景技术

通常使用多种地球物理学的探测技术来定位碳氢化合物聚集或储藏。这些探测识别可能具有有价值的石油和天然气储量的岩石信息。

所采用的传统方式的探测是发送穿透岩石的地震波并测量在位于地表或海底的一个或多个间隔开的接收器(分别为地震检波器或水诊器)所接收的反射波。这通常从位于海面上的探测船来进行或者使用基于陆基的发射器和接收器来进行。不同的岩层和岩石构成例如通过使波反射或衰减而干扰波的传播。反射波数据可由地球物理学家来解读以建立被探测区域的地质模型。一旦探测数据被分析到所感兴趣的潜在构成，便钻探测试钻孔或井以期找到碳氢化合物储量。

抽采碳氢化合物分两阶段来进行。首先，根据探测数据来钻探勘探或测试井。将结构穿透以确定是否存在碳氢化合物。如果存在碳氢化合物，则钻探第二生产井并铺设管线以允许从地下储藏中抽采碳氢化合物。在各井钻过程(勘探或生产)中，由于一些原因，在钻头伸向所感兴趣的地质特征时确定钻头的位置是很关键的。例如，确保在合适的位置将该地质特征穿透是很重要的。这可使钻探时间最短。另一个重要考虑是避开能够损害钻探设备或打断钻探过程的地质灾害。

减压井钻探是另一个特别有挑战的过程，在该过程中，需要将钻探设备精确定位以快速安全地压住泄漏井(在下面将详细讨论)。

由于井的总直径，很难精确测量钻头的位置。通常，井的直径在井的顶部为90-100nm，但在井的底部减小到仅20cm，且井可在地表之下延伸数千米并且经常从井穿透海底之处开始水平延伸数千米(以海下钻探为例)。

在本领域中使用多种技术来指示钻头及钻柱的位置和路径。一个常用方法是使用随钻测井(LWD)测量技术来监视钻探操作。此处，数据从井内装置沿钻柱发送到地面，在地面，可将数据进行解读以确定钻头的位置。例如，全程地结合钻柱的长度来测量钻头的方向(倾斜度和方位角)就可以预测钻头和钻柱的路径。在钻头穿过岩石结构时，登记数据并预测路径。

井内装置可配备有多个传感器，该传感器可进行测量并沿钻柱发回数据。将从井内装置接收的数据与最初探测所测量的期望结构进行比较，为钻探操作者提供了位置数据，该位置数据允许钻探操作者在距离钻机或船非常远的距离处接近所感兴趣的结构。

发明内容

虽然本领域中可使用的系统是精确的且广泛应用于石油勘探工业，但是本发明的发明人们确信能实现钻探技术的显著进步。特别地，发明人们建立了一种方式来通过地质特征实时测量钻井孔的位置和路径并使其可视化，与之相对地，现有方法仅估计或预测钻头位置。

本发明的目的是带来钻探精确度的巨大和显著的进步，其提高了安全性和效率，且具有很多应用。

在此处所描述的本发明的第一方面，提供一种在地下区域定位钻探设备和/或钻孔的方法，该方法包括以下步骤：在地下钻探操作中发送地震波到地下区域，该地震波从远离所述钻探设备的位置发送；检测来自所述钻探设备或钻孔的地震响应；和将所述检测到的响应与所述地下区域的预定的地震探测数据比较以确定所述设备或钻孔的位置。

该方面的钻孔可以是正在进行的钻探所产生的钻孔，或者，也可以是第二钻孔，其例如为现有钻孔，所述现有钻孔期望连通到由所述钻探设备所产生的新钻孔。例如在发生漏油且需要将新钻孔导向漏油井时，能够进行上述操作是特别有利的。在这种情况下，现有的和/或新钻孔的位置的实时数据当然是很有益的。

如上所述，评估钻探操作过程的传统方式是通过钻柱接收数据(例如方向/角度)，并将该数据与钻柱的长度(已知的钻柱将进入井中的距离)和来自以前的勘探钻井探测的转变为深度数据的地震探测数据进行比较。这些已知的技术迄今为止已提供了监视钻探操作过程的最好、最准确的方式。

然而，这些可用的系统仍然具有其局限性。主要的不确定性是，地震数据用地震波的双程传播时间(地震信号向下传播然后返回)来测量到达(例如)储藏目标的深度。在将井打钻至同一目标时，对距离必须要知晓到以米为单位的程度。因此，该深度必须由岩石的声速和地震波的双程传播时间来计算。由于岩石的准确速度是不确定的，因此所测量的以米为单位的深度也将变得不确定。

基于该原因，在很多情况下难以精确地命中目标。特别地，经常会算错到目标的深度。钻探的成本非常高，因此该问题会增加开支，且会增加风险。

在勘探钻井之前首先进行地震探测、然后进行地球物理学分析的惯例在该产业中被广泛接受，实际上在全球范围内也被广泛接受。事实上，本领域长时间存在的一个观点是，准确实时的地震定位是不可能的，特别是对于钻孔之类相对较小目标而言。然而，本发明的发明人们已经完成的是，当钻头和/或井孔在地下区域中穿行时，钻头和/或井孔的实时地震定位与地震可视化实际上是可行的。

如上所述，根据本发明，将地震波发送到被勘探的地下区域中。所介绍的方式中，有两个重要因素。第一，从远处的位置、即远离被钻探的井孔的端部的位置产生地震波。第二，至少根据优选实施方式，在钻探自身的操作过程中(即同时地)发送远处的地震波。因此，当正在进行钻探时，可发送地震波且可在相同时间接收地震响应。这些步骤都不是传统的。

通过以上述方式发送地震波到所感兴趣的区域、然后同时地测量反射，不仅能定位钻头，还能识别穿过该区域的井孔的路径。这通过将探测到的地震响应数据与由原始地震探测所确定的地震数据进行比较来实现。

实际上，实时比较这两个数据可以识别地下区域中的变化，这显示着钻头的位置及钻头行进的路径。

由于许多原因，该新技术以前没有使用。最引人注目的原因是：井孔的直径相对于井孔将要穿过的区域、井孔将要延伸的深度和地震波的波长而言非常小。因此，以前从未想过这种可能，即能以此方式来识别井孔且实现实时地震井监视系统。

根据第一方面，得到了一种实时地震井孔监视系统，其允许操作者在地震数据显示监视器或类似物体上精确地观看钻头的位置及钻头行进的路径。这具有很多有益应用，下面将要详细描述。

重要的是，可与井孔的远端相隔一段距离而发射地震波且检测地震响应。一个或多个探测器可位于地面、海床、海面、海中、或者适于运载探测器(实际上还有发射器)的海底运载工具表面或内部。

就是说，可利用地面地震探测和数据，其中发射器和探测器均远离钻探设备和/或钻孔。与之相对，在钻孔地震探测中，发射器或探测器之一远离钻探设备和/或钻孔，发射器或探测器中的另一个位于钻孔内。

例如，在北极地区，海下运载工具能方便地使发射器和/或接收器位于冰盖下。使发射器和/或接收器位于海床上，如此可通过除去信号通常会传播经过的水相而提高所接收的信号的质量。

探测器和发射器自身在本领域内是公知的。典型的发射器包括由博尔特科技公司(BoltTechnologyCorporation)制造的博尔特气枪(BoltAirGun)系统。典型的探测器包括由地球空间技术制造的探测器。

探测器和发射器不需要严格竖直地位于钻头上方，而是仅仅大体位于延伸到地下地层中的钻头和井孔的上方。原则上，发射器和探测器当然也可以位于地层内，但是，由于需要额外的钻探，这会不必要地增加勘探成本。

可使用单个发射器，且多个探测器可与发射器间隔已知的距离。探测器可为二维或三维探测器阵列的形式。有利的是，三维探测器阵列更精确。二维阵列或三维阵列可方便地由探测船或海下船只来拖拽，从而能跟踪或跟随井孔的路径，并向钻探操作者传输数据。

在一种设置中，探测器可在预定的位置处固定于或连接到探测船或潜艇的艇体。在海下运载工具的应用中，运载工具能以更优化的精度来跟踪钻孔的移动。自主运载工具能用来运载接收器/发射器或将接收器/发射器放在适当位置。

总之，可从地面(海床或陆地)深入地层而发送地震波并接收地震响应。就是说，发射器和探测器远离钻孔和/或钻探设备。描述本发明的一个方式是地面随钻地震(SSWD)。

然而，在一个备选的稍作修改的设置中，地震波可发送到井孔自身。因此，地震波可沿井孔的长度传播并辐射到地层中。实际上，井孔作为细长的地震发送天线而发挥作用。

将检测到的信号与对于同一位置所测量的(或预计的/模拟的)作为在钻探勘探井之前所收集的地震探测的一部分的相应的信号进行比较，也就是说，地下区域会已经被钻头和井孔隔断。在钻头穿入地球时重复地进行测量，且实际的测量不仅与在打钻开始前进行的测量进行比较，也与以前的测量进行比较。在钻头和钻孔穿过地层时，这两者在地表下造成变化，这会导致返回到接收器(探测器)的地震反射产生变化。

实时比较和数据处理允许钻探操作者在钻探开始时观察地层变化，用这种方法，操作者能跟踪地表下的钻头。

如上所述，管用技术中，不能检测由井孔和钻头在地层内产生的变化。本方法可通过以下面一个或多个形式来检测地震响应而生成地震数据组。

(i)搜索/检测由从所述区域内的地质边界和从在钻探操作中形成的井孔的外表面所反射的地震波所导致的棱形波；

(ii)搜索/检测例如通过来自井孔交叉于(穿过)地质边界的一个或多个点的反射而产生的衍射波；

(iii)反射，其来自钻孔的底部；

(iv)地震能量，其在表面处传送到钻孔中，且沿钻孔传输到地表下，并携带着关于钻头和钻孔的位置的信息通过地表下地层辐射回到远处的(例如位于地表的)接收器；和/或

(v)波信号，其与由井孔的声阻抗和井孔周围地下地层的声阻抗的差异所导致的反射和/或折射相关。

地震数据组可在钻探过程中创建。

衍射波也可从钻孔的底部产生，且该波也可被检测到。

衍射波通常可在不规则的点处(例如，从井孔交叉于地质边界的一个或多个点，或者从钻孔的底部)产生。

地震能量也可携带关于底部孔总成、钻柱、钻液、水泥、套管、对比流体(还有气体)的信息。

与反射、折射和/或表面波相关的波信号也可由底部孔总成、钻柱、钻液、水泥、套管、对比流体(以及气体)的声阻抗和井孔周围的地下地层的声阻抗的差异所产生。

本方法可有利地在钻探中通过以下内容的一个或全部来生成地震数据组。

(i)搜索/检测由从所述区域内的地质边界和从在钻探操作中形成的井孔的外表面反射的地震波所导致的棱形波；

(ii)搜索/检测通过来自井孔交叉于(穿过)地质边界的一个或多个点的反射而产生的衍射波；

(iii)反射，其来自钻孔的底部；

(iv)地震能量，其在表面处发送到钻孔，且沿钻孔传输到地表下，并携带着关于钻头和钻孔的位置的信息而穿过地表下地层辐射回到远处的(例如位于地表的)接收器。

发明人们已经完成了非显而易见的成就，这些类型的信号以前在很多情况中被看做“噪声”并被从现有技术的数据组中除去，现在这些信号提供了检测对地震响应的影响的方法，所述地震响应由相对较小的对象、例如钻探设备或钻孔产生。可以认为这些影响通过使用此处建议的远离钻孔/钻探设备的传感器而被尤其增强了。实际上，使用该技术不仅可以检测钻探设备或钻孔，还允许在地震响应中检测其他小的对象。因此，在优选实施方式中，方法包括检测其他小的对象，例如卵石等。

然后，可从参照数据组减去生成的地震数据组，该参照数据组可以是在钻探开始前产生的地震数据。备选地，参照数据可以是在钻探中在之前生成的地震数据组。因此，在整个钻探时间上进行增量的比较。实际上，4D钻探模型具有作为第四维的时间。然后，生成的地震数据组表现以前的数据组之间的差别。然后，能检测到细微变化。

在一个备选方案中，可使用地震模型数据来代替所测量的参照数据，地震模型数据也就是用地表下地形的地质模型进行正演而生成的数据。可将这些数据放大以更清楚地确定钻探设备的位置。

另外，还可将返回的地震数据中的信号进行进一步处理，以更精确地定位钻头和井孔。例如，对于给定的井孔和井孔所穿过的给定的已知地层而言，可以建立这样的波信号，所述波信号与由井孔的声阻抗和井孔周围的地下地层的声阻抗的差异所导致的反射和/或折射相关。

通过检测这些信号、然后可选地放大这些信号，而能进一步增强钻头和井孔的定位的精确度。

检测当然可是连续的或以谨慎的时间间隔进行。检测可以是自动的或响应于来自钻探操作者的位置更新请求。

有利的是，在钻探操作中连续地进行发送、检测和比较，以提供实时位置数据。例如，这可利用数据处理器和靠近钻探操作者的显示器来完成。

数据可以与由传统的随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)技术所接收的额外数据相结合以向钻探操作者提供一系列信息，如本发明提供的，该信息包括精确测量的钻头的位置和井孔的路径(即，不像传统的那样仅仅是预测的)。

因此，本发明的另一个方面提供一种地下钻探监视设备，包括：至少一个地震发射器，其设置成从远离地下钻探的位置发送地震波到地下区域；多个地震探测器，其设置成检测来自所述地震发射器的反射和/或衍射响应；处理装置，其设置成执行钻探定位方法；和显示构件，其设置成输出所述地下钻探的位置的可视化信息。

本发明的另一个方面提供一种地下钻探操作的实时监视的方法，该方法包括以下步骤：(A)在钻探操作中，从远离井孔的远端的位置发送地震波；(B)同时地检测来自所述所发送的地震波的响应；和(C)将所钻探的区域的预定地震探测数据减去所检测到的响应，以描绘钻探操作的通过所钻探的区域的路径。

术语“预定”趋向于指从(钻探前的)原始地震数据中减去的所检测到的响应或从在钻探进行中产生的先前的地震探测数据中减去的所检测到的响应。

本发明的应用很多，然而在需要精确和高效的钻探时特别有用。墨西哥湾的泄漏井就是一个例子，其中，减压井到达生产井的延迟导致了进一步的环境损害，本可通过使减压井和生产井尽快相交而将所述环境损害降至最低。

因此，本发明的又一个方面提供一种减压井钻探方法，包括以下步骤：(A)在地下钻探操作中从远离所述钻探设备的位置发送地震波到地下区域；(B)检测来自所述所发送的地震波的响应；(C)将所述所检测到的响应与所述地下区域的预定的地震探测数据比较，以确定钻头在所述区域内的位置；和(D)根据所述比较来将钻头定向以在套管鞋附近贯穿井孔。

此处所提及的预定的探测数据可以是对该区域的充分探测的结果，所述结果例如通过适于进行地震海下探测的专用探测船而得到。或者，可根据地震数据和基于区域中的已知岩石类型的算法的结合而使用数学模型。

本发明向钻探操作者提供的钻探控制的精确度还有其他应用，包括：

避免不必要的钻探撤销；

精确定位注水井以增加产量；

精确定位聚合物井(用于将井或其一部分密封)；

在盐层结构或其他地质灾害周围导航。

本发明的再一个方面提供一种地下钻探监视方法，其中，在钻探操作的同时从相对于钻探设备较高的位置将地震波引入到地下区域；以及检测由于波与钻探设备、地质边界和/或井孔的相互作用所产生的地震波的衍射和棱形波反射，并将其与预定的地震数据比较以在地下区域内定位钻探设备。

本发明的另一个方面提供一种监视地下地层中的钻探操作的方法，包括以下步骤：在进行地下钻探操作的同时，从的陆地或海床表面检测地震反射中的衍射波和/或棱形波。

最后，本发明的另一个方面提供一种地下钻探控制设备，包括：数据处理器和可视显示构件，其中，处理器设置成执行根据上述任一方法权利要求所述的方法，并在所述显示构件上显示钻探设备通过地下区域和位于地下区域中的路径以及即时位置。

可选地，可以将对比气体或流体引入井孔中或引入地质构造中以增加信号和生成的可视性。气体的目的是改变钻孔的声学特性并特别提高反射率。可使用任何合适的气体，例如具有惰性的氮气十分有利。该对比气体可采用较小的百分比，例如井容积的2-3％。此外，可在注入气体前或注入气体后收集数据，从而使钻孔的声学特性的差异体现在收集的数据中。

附图说明

下面将参照附图仅以示例性的方式来对本发明的特定优选实施方式进行描述。其中：

图1表示可使用本发明的典型的环境。

图2表示传统的探测图像。

图3表示来自井的棱形波反射。

图4表示来自井的衍射波反射。

图5表示用作地震发射器的井。

图6表示根据本发明的优选实施方式的钻探操作。

图7A和图7B是本发明的优选实施方式的方法的流程图。

图8是SSWD设备的要素的概要图。

图9表示来自本发明的优选实施方式的图像输出的例子。

图10表示减压井钻探应用。

图11表示地质灾害钻探应用。

图12A和图12B(分别地)表示来自层界面和钻孔的地震波反射。

具体实施方式

图1表示采用传统探测来定位近海碳氢化合物的方式。此处，探测船只1在地下区域3上方拖拽水诊器2的阵列，该地下区域被认为聚集有石油或天然气储藏。

船只1还拖拽发射器4，该发射器向下发射声波，声波穿过水而进入地下区域3。声波经过地层并与地层发生相互作用。从地层返回的反射由阵列2接收，并被储存以用于后续的处理和分析。接收器和发送器的位置使用GPS进行登记，从而能记录任何所检测的储藏的准确位置。这就是本文所指的预定的地震探测数据。可以认为，同样可使用其他类型的地震探测。然后将数据进行处理以对该地区绘制地图。

使用本领域公知技术由原始探测数据来生成该图像，所述公知技术例如逆时偏移RTM，此处省略详细描述。然而，过程可概括为，将从探测船只接收的和由地震检波器/水诊器(构成的阵列)所记录的原始数据在时间和深度上进行逆推并集中到发生反射的位置。这就是逆时偏移，也就是说，像透镜将摄影图像聚焦在屏幕上那样进行聚焦。因而，从钻孔反射和衍射的波被重新定位(偏移)回该波的产生之处。这是能用来分析由阵列接收的原始数据的多种方法之一。

图2表示RTM分析方法的结果，y轴为深度，x轴为横向距离。如图所示，图像在深度上延伸6000米、在水平方向上延伸过数十千米。能够清晰地看到地下岩石的地质特征。地球物理学家能解读这些图像来识别可能会出现碳氢化合物的聚集的位置。地球物理学家也能识别不适于(或不理想的)钻探的区域。这允许地球物理学家识别目标位置(目标地质构造)和到达目标的最佳钻探路线(例如避开地质灾害)。由于探测船只所探测的面积的尺寸，图2中的图像比例尺非常大。

一旦识别出感兴趣的结构且设置好钻探路径，则将勘钻船派遣到该地区并开始勘钻。尽管进行了大量的地质探测和分析，这仍然是极为昂贵的操作且找到碳氢化合物的成功率相对较低(通常为25％左右)。

如上所述，使用预定的地质探测数据和钻探路线来进行钻探操作。在现有系统中使用多种测量来估测钻探的位置，该测量包括钻柱的长度、钻头的方向、关于钻头工作条件的登记数据。

然而，利用当前可用的技术，钻探操作者并不能直接看到钻头和钻柱相对于图2中所示地震剖面的实际位置。这就是本发明现在要解决的。在勘探碳氢化合物时，一切都基于地震数据，且非常有利的是，在钻头穿过地表下时还能直接在图2所示的地震剖面中看到钻头和钻孔。这样，能直接控制钻探。在图2中，可能在距离剖面底部一半的距离处出现强反射物。利用根据本发明的技术，钻探操作者将能够在钻头接近该反射时直接在地震剖面上看到钻头。钻头在地震剖面上的位置必须使用在钻机上测量的岩石的声速和以米为单位的距离来计算。这是个不确定的方法，特别是在新的地区钻探时更是如此。

钻探操作者可获得如图2所示的视图，并带有覆盖于图像上的钻柱的位置和路径。在另一构造中，可提供地面下的3D模型，以允许钻探操作者通过所述模型移动并旋转图像，以精确地使钻头的位置和路径可视化。给出本发明的时基要素，则可将本发明限定为如下方式：四维地震可视化工具，即三个传统的坐标维x、y和z以及时间t的分量(第四维)。钻柱的前进和位置可全程可视化并进行监视。

图3和4表示根据本发明所使用的两个波模态，其用来在原始的地震数据内定位钻孔。首先应该弄清楚的是，根据传统的数据分析，执行预处理步骤来除去“噪声”并提高从探测接收的原始数据的质量。根据本发明，不执行该预处理步骤。反之，保留全部数据，实际上，是该噪声数据部分地允许实时地确定位置和钻孔。

使用波动方程的数值有限差分法来计算从源位置传播到钻孔的正向波场。使用波动方程的有限差分法将在接收器处记录的数据在时间上逆推且在深度上向下推算。然后，使正向波场和反向波场在零时滞处相关联，以生成钻孔的图像。

图3表示波如何从钻孔反射。钻孔5从地面6延伸到地下表面7。震源8发射地震波9到地下表面7。该波穿过岩石且与两个不同地层11a和11b之间的边界10相互作用。波12的一部分被该边界反射并改变方向。然后，反射波12与钻孔5相互作用，钻孔5是延伸到岩石中的狭长圆柱体。然后，反射波12的一部分被钻孔5进一步反射13并回到地面。此处，反射波13由地震检波器14或其他合适的探测器检测。该类型的波因其形状而称为“棱形波”。可在不同的位置(使用多个地震检波器)重复进行该处理并收集数据。该数据称为井反射数据。

图4显示了第二类钻孔数据。该数据称为井衍射数据。

在图4中，井5从地面6延伸到岩石7中。钻孔5再次穿过两个不同的岩石类型或岩石构造11a和11b之间的边界10。由源8发射地震波且地震波在钻孔穿过两个岩石类型11a和11b之间的边界的位置处反射/衍射。信号被反射和衍射并随后被位于地面的接收器14检测到。

为了记录这两种情况的波形并生成能提取钻孔的原始数据，将多个接收器置于地面并用于记录反射和衍射的波数据。

发射器可以是标准的地震发射器，例如博尔特气枪。类似地，接收器可以是由地球空间技术(GeospaceTechnologies)制造的地震检波器或水诊器。

接收器设置成阵列，每个接收器互相之间间隔有预定的距离。

可使用单个源和多个接收器来生成数据。有利的是，将源移动到不同位置以建立三维的反射波和衍射波的高分辨率数据组。然后，数据的总容量将包括大量记录，每个记录包括在所有接收器处测量的针对单个源位置的数据。将源重新定位，记录源位置，并进行数据再收集。

相对于出现在记录数据中的其他反射波，棱形波和衍射波的反射强度会相对弱。在钻孔处，反射的强度取决于以下参数：

钻孔内和周围岩石之间弹性系数的差；

发射的波的频率；和

钻孔的半径。

棱形波和衍射波的形式对于钻孔的定位很关键，且在数据内增强的是这些信号。如上所述，在传统数据分析和特定的地震成像方法中，棱形波和衍射波被删除并且没有形成所生成图像的一部分。棱形波和衍射波被删除，因为这两者代表噪声且降低了地质构造的正常分辨率。

为了将钻孔定位，首先将该棱形波和衍射波放大。然后，使用逆时偏移来在探测的区域内生成图像和钻孔的位置。

图5显示了地震发射器和接收器的不同布置。在图5中，发射器8直接位于邻近钻孔5的顶部处。地震波直接进入钻孔且径向向外发射，钻孔作为地下地震发射器而发挥功能。信号可由位于地面的探测器14的阵列来检测。有利的是，该构造方式中，仅接收器需要置于远离井孔处。此外，有利的是，地震波不会干扰钻探操作或流体等在钻柱中的流动。

图6显示了较长的钻探路径。在图6中，钻孔竖直地延伸，然后相对于竖直方向以某角度延伸向某地质构造(未图示)。发射器8位于钻孔的顶部且沿钻柱引入地震波。地震波随后由钻孔发射，如三个波传播路径15、16、17所示。这些信号随后可由位于地面(或者也可能是海床)的形成为阵列的接收器14来检测。有利的是，接收器阵列可在钻探操作中移动，以跟随钻柱18的远端。这可进一步提高生成图像的分辨率(在下面会描述)。

分辨率还能通过将棱形波、衍射和地下发射结合而进一步提高。在这样的布置中，可使用另外的发射器19来收集上述棱形波和衍射波。可以通过与上面参照图4所描述的内容相同的方式来检测钻探路径上的不同的边界20、21。因此，可形成复合发送器/接收器模式，且根据实际位置处的地面下的声学特性来对其进行调整，以改善地面下的图像。

接收器14可设置成同时从主发射器8(经钻柱)和第二地面发射器19收集反射波数据。备选地，可以设置两个发射器/接收器对，也就是说，主发射器与接收器14成对，第二发射器19与第二接收器22的阵列成对。这两者可以不同频率操作，从而允许生成高分辨率数据(和图像)。现在将参照图7A和图7B来描述根据本发明的钻探过程的步骤。

本发明通过两个阶段来实现：

第一阶段，钻探前地震探测和分析；

第二阶段，实时钻探地震探测和分析。

参照图7A，在预钻探阶段，进行传统的探测以生成感兴趣的地质构造的地质图。此外，确定最佳钻探路径。这两个步骤在本领域是常用的。

在第二阶段中，除了像传统技术那样装配钻探设备和相关的安全系统之外，还在钻探设备周围设置地面随钻地震(以下简写为SSWD)设备。特别地，讲水诊器/地震检波器设置在预定的位置处，将且相关的地震发射器设置在钻柱的顶端或设置得远离钻机或者钻船。

下吗将参照图8来描述SSWD设备。

SSWD装备包括与信号处理器24相联通的多个地震接收器(地震检波器或水诊器)23。所述联通可以是有线的，或者也可以有利地为无线电或无线的。信号处理器与数据处理器25和系统控制器联通，该系统控制器设置成控制地震波发生器26，该地震波发生器向地震发射器27供给能量。数据处理器也与显示控制器28和合适的视觉显示单元29连接。最后，数据处理器具有数据存储介质30以存储用于处理的探测数据。显示单元在钻探操作过程中位于钻探操作者附近。系统的其他部分从某种意义来讲是无源的，因为不需要由钻探或钻机操作者控制，其仅设置成向钻探操作者提供信息。地震数据的更新率必须足以向操作者提供合理的最新可视画面。

在使用中，信号处理器从阵列接收地震波数据。将棱形波和衍射波数据识别并放大。将已放大的数据输出到数据处理器和系统控制器。数据处理器首先分析棱形波和衍射波数据来确定钻孔相对于接收器/发射器的位置，从而确定钻孔的三维路径(发射器和接收器的位置已知)。

然后，数据处理器将在上面确定的钻孔位置数据与在探测步骤中生成的原始探测数据进行比较，并将钻孔路径覆盖到原始探测图上。这可通过用一个减去另一个来完成。

然后，将生成数据以图表形式输出，该图表显示钻孔相对于地下剖面(如图2所示)的路径或者钻孔位于3D地震模型或立方体中的路径。在图9中显示了如何向钻探操作者显示该状况的例子。

回到图7B，图7B中显示了操作的步骤。首先，将发射器和接收器定位。然后开始传统的钻探，唯一不同的是，额外地向钻探操作者提供SSWD显示，该显示在钻探的同时是可视的。

然后，在钻探过程中同时进行地震探测。如上面参照图8所述，使用波形分析法来识别用来识别井孔的位置的棱形波和衍射波，并进行放大。将生成数据与原始探测进行比较以生成钻孔的路径的图像。

减压井

下面将参照图10来描述用于减压井的钻探的第一应用。

图10可表示泄漏的油井，非常类似于墨西哥湾的马科多油田。钻机的爆炸导致了防喷器的失效，否则防喷器能将石油储藏密封。不幸的是，防喷器失效且大约490万加仑的石油注入海湾。

为了密封或压住井，必须要钻探减压井以在储藏附近交叉于主钻孔，并注入高密度钻探泥浆以使流动停止。需要认识到的是，根据本发明教授的内容的优点，通过此处描述的本发明而提供了改善的钻探技术，能大幅减少压住漏井的时间。

参照图10，图10中显示了在海面32上的浮动的钻机31。钻机31包括钻柱33，钻柱33穿过海洋钻井立管34并进入海床35。钻柱的理想路径由路径线36表示，且目标是储藏27。储藏的内压(典型地为500-800bar)使石油通过勘探或生产井38上升到海39。

勘探或生产井38包括外套管40、套管鞋41和插入储藏的裸眼段42。勘探或生产井的结构在本领域是公知的。

减压井钻探领域的本领域技术人员将会知道，钻探的速度和精确度对于压井和尽可能减小漏油而言是非常重要的。

根据本发明的减压井钻探方法和设备，地震接收器阵列43a、43b位于海床32。这使得精确度最优。同样地，该地震接收器阵列也可安装于有人驾驶的或自动的海下运载工具。例如，当在海上浮冰下钻探时，这是特别有利的。

例子中所示的发射器44被拖拽于海面上的支援船只45后面，其位置可从GPS信号得知。然而，可以认为，接收器和发射器可相对于钻探设备位于任何地方。

可以认为，所提及的任何地方当然意指位于钻探设备的操作范围内。

还可以认为，此处描述的本发明的使用不限于特定环境，也就是说，本发明可用于陆地或海下勘探，也可用于海上或陆地上的冰盖下勘探。

以与上述内容相同的方式操作系统。就是说，与钻探操作同时地操作发射器和接收器阵列，且向钻探操作者提供钻柱相对于生产井的位置的实时可视图像。

减压井和生产井的交点是至关重要的。减压井必须避开金属壳体且尽可能靠近储藏地插入裸眼段。因此，如图10所示，根据本发明的方法，使用两对接收器阵列来使减压井钻探过程的控制的精确度最高。第一阵列43a设置成位于减压井和储藏的低段位置。第二阵列43b设置成监视钻柱的前进。如图10所示，可使用单个发射器。

因此，根据本发明，钻探操作者能实时观察钻柱相对于泄漏井和储藏的移动。这阻止了失效减压井的不必要的撤销和密封，且使速度最快。此处描述的系统的速度和可靠性也使得免去了第二后备减压井。这实质上降低了成本。

根据本发明，快速响应时间和额外的直接测量使得更好实现了快速密封井泄漏。当在例如北极地区那样更有挑战性的环境下钻探时，这允许操作者满足严格的安全要求。在这些条件下，检测泄漏井的传统手段(用于控制定向钻探的磁力测量)的精确度差很多。

此外，磁力测量技术需要井孔中有钢铁才能发挥功能。如果泄漏发源于井中的最后的钢铁壳体之下，则不能使用磁力控制。此处，SSWD变得非常重要，因为其能直接通过声波的使用而将钻孔定位。井的底部和最后的钢铁壳体之间可能会有长达1000米。从底部压井比从钻孔上部的位置压井更有效。由于依赖钢铁的磁力特性，传统的磁力技术无法提供将钻孔导向到井的底部所需的控制。

地质灾害钻探

下面将参照图11来描述第二应用。

图11显示了地下区域，该地下区域包括位于两个巨大盐层结构47、48下方且靠近一对天然气沉积49、50的石油聚集。

盐层结构和天然气窝代表通常来讲最好要避开的“地质灾害”。例如，如果钻头插入盐层结构，则钻探变得更困难，且会对钻头施加更大的力，这加速磨损并使钻探减速。类似地，如果钻头插入加压的天然气窝，则这可能导致天然气泄漏或钻柱中压力骤增。因此包含有地质灾害的区域的钻探非常成问题且一些政府实施了严格的安全规定。

例如，当期望获取地质灾害附近的石油或天然气的聚集时，国家法律经常强制要求钻探设备具有压力控制系统，因而，如果钻探插入加压的窝，则压力可从地面进行控制。可以认为，根据本发明的教授内容的优点，SSWD的方法和设备不仅允许钻探操作者在盐层沉积周围进行导航，还能在危险的浅层气和储藏周围进行导航。这意味着能进入在其他情况下会很困难的沉积，且这也意味着并不是总需要压力受到控制的钻机。

方法和设备还允许自动化的钻探/减压井钻探系统，其中钻探操作者总览钻探操作，但钻探的实际控制可由计算机使用通过所述方法确定的数据来控制。

另外，方法和设备允许以更精确和安全的方式在难以引入新井的密集钻探的油田中钻探井。例如，新井可用来注入水或气体以增强老井的产量。新井也可用来引入液化的二氧化碳以进行碳捕获。

关于计算机程序产品，可以认为，计算机指令可由任何合适的载体介质来承载，该载体介质例如为盘或存储卡或者其他非暂态介质。指令也可以是信号的形式，这样，根据本发明的钻探设备的控制可远离钻机地进行，从而减少钻机或钻探船只上的作业人员数量。

图12A和图12B进一步提供了地震波反射的细节，且表示来自层界面(图12A)和钻孔(图12B)的地震波反射。

图12A显示了如何在地震探测中使用参照数据。为了提供精确的参照地震数据组，期望使真实信号最大化，且减小噪声。这通过从地表下的同一个点尽可能多地收集反射来实现。这些点称为CDP，即共深度点(commondepthpoints)(图12A中，水平的CDP，点X)。在该处理中，将来自这些CDP的反射加起来。在该过程中，信噪比显著增加。这些CDP或多或少可用于识别水平的地质面。这用来生成参照数据组。

参照图12B，在钻探钻孔的同时进行地震测量需要不同的路径。此处，目标对象是钻孔，该钻孔在其前进时可以是竖直的、倾斜的或二者结合的。

沿竖直面建立CDP是新颖的，且其不同于上述用来生成参照地震数据的方法，其在地面上使用不同的获取模式，这是由于地震能量既从竖直的钻孔反射又从水平面反射。

模式可根据地质和钻孔的倾斜而改变。该模式可描述为“用于沿竖直面的CDP的最优化的密集几何获取模式和程序”。图12B显示了输入波和输出波之间的关系。最佳获取模式的正确计算取决于关于地表下的信息。该信息可从现有的地震参照数据和正在进行的钻探获得，该正在进行的钻探在钻探进行过程中产生新的地震数据。对于特定的地理区域，使用声学特性、密度和地表下地质面这些参数来使地震数据的获取最优化。

如图12B另外所示，发射波和接收波之间的水平间隔(在地面上)(距离b)与钻孔和地震波从层1及层2之间的界面进行反射的点的水平间隔(距离a)相关，符合以下关系：

b＝2a

下面多个项目限定了一些优选实施方式。

1.一种在地下区域中定位钻探设备和/或钻孔的方法，该方法包括以下步骤：

(A)在地下钻探操作中从远离所述钻探设备的位置发送地震波到地下区域；

(B)检测来自所述钻探设备的地震响应；和

(C)将所述检测到的响应与所述地下区域的预定的地震探测数据比较以确定所述钻探设备的位置。

2.根据项目1所述的方法，其中，在地下区域的地面检测地震波。

3.根据项目1或2所述的方法，其中，在海床处或海床附近检测地震波。

4.根据项目1或2所述的方法，其中，在大致位于地下区域之上的海面处或在大致位于地下区域之上的海中检测地震波。

5.根据上述任一项目所述的方法，其中，由多个间隔开的探测器来检测地震波。

6.根据项目5所述的方法，其中，间隔开的探测器形成为二维或三维探测器阵列。

7.根据上述任一项目所述的方法，其中，从地下区域的地面发送地震波。

8.根据上述任一项目所述的方法，其中，将地震波发送到井孔中，该井孔从地下区域的地面延伸到所述钻探设备的远端位置。

9.根据上述任一项目所述的方法，其中，比较所述检测到的响应的步骤包括以下其他步骤：

通过搜索从所述区域内的地质边界处反射和从在钻探操作中形成的井孔处反射而形成的棱形波和/或通过搜索从井孔和地质边界的交点处反射而产生的衍射波来生成地震数据组；和

用参照地震数据组减去所述地震数据组，其中参照地震数据组是在钻探前确定的数据组或在钻探中生成的先前的地震数据组之一。

10.根据上述任一项目所述的方法，其中，比较所述检测到的响应的步骤包括以下其他步骤：

搜索与由于井孔的声阻抗和井孔周围地下地层的声阻抗的差异所导致的反射和/或折射相关的波信号；和

可选地放大所述信号以确定钻探设备的位置。

11.根据上述任一项目所述的方法，其中，检测来自所述所发送的地震波的响应的步骤在钻探过程中连续地实时进行或者在钻探过程中以预定的时间间隔来进行。

12.根据项目1-10中任一个所述的方法，其中，步骤(A)、步骤(B)和步骤(C)同时进行。

13.根据上述任一项目所述的方法，其中，通过从预定的地震探测数据中减去来自所发送的地震波的检测到的响应来确定钻探设备的位置。

14.根据上述任一项目所述的方法，其中，数据处理器设置为接收预定的探测数据并将所述数据与来自所述所发送的地震波的检测到的响应数据比较。

15.一种地下钻探监视设备，包括：

至少一个地震发射器，其设置成从远离地下钻探的位置发送地震波到地下区域；

多个地震探测器，其设置成检测来自所述地震发射器的反射和/或衍射响应；

处理装置，其设置成执行根据项目1-14中任一个所述的方法；和

显示构件，其设置成输出地下钻探的位置的可视化信息。

16.一种实时监视地下钻探操作的方法，包括以下步骤：

(A)在钻探操作中，从远离井孔的远端的位置发送地震波；

(B)同时，检测来自所述所发送的地震波的响应；和

(C)用钻探区域的预定地震探测数据减去所检测到的响应，以描绘钻探操作的通过已钻探区域的路径。

17.根据项目16所述的方法，其中，地震波进入井孔的开口端，使得井孔成为地震发射器。

18.一种决定地下区域中的第一井孔和第二井孔的交叉的方法。

19.一种减压井钻探方法，包括以下步骤：

(B)检测来自所述所发送的地震波的响应；

(C)将所述所检测到的响应与所述地下区域的预定的地震探测数据比较，以确定所述钻头在所述区域内的位置；和

(D)根据所述比较来将钻头定向以在套管鞋附近贯穿井孔。

20.根据项目19所述的方法，其中，预定的地震探测数据是利用地下区域内的预期的地质条件的数学模型来生成的数据。

21.一种地下钻探监视方法，其中，地震波在进行钻探操作的同时从相对于钻探设备较高的位置进入地下区域；以及，其中，检测由于波与钻探设备、地质边界和/或井孔的相互作用所产生的地震波的衍射和棱形波反射，并将其与预定的地震数据比较以在地下区域内定位钻探设备。

22.一种监视地下地层中的钻探操作的方法，包括下述步骤：在进行地下钻探操作的同时从陆地或海床表面检测地震反射中的衍射波和/或棱形波。

23.一种地下钻探控制设备，包括：数据处理器和可视显示构件，其中，处理器设置成执行根据上述任一方法项目所述的方法并在所述显示构件上显示钻探设备经过地下区域和位于地下区域中的路径和即时位置。

24.一种计算机程序产品，包括：计算机能够实施的指令，其用于使能编程的计算机执行根据上述任一方法项目所述的方法。

25.一种计算机程序产品，包括：计算机能够实施的指令，其用于使能编程的计算机构造为根据上述任一设备项目所述的设备。

26.根据上述任一方法项目所述的方法，其中，将对比气体或流体引入井孔中以增加井孔的反射率。

Claims

1.一种在地下区域中定位钻探设备和/或钻孔的方法，所述方法包括以下步骤：

(A)在地下钻探操作中发送地震波到地下区域，所述地震波从远离所述钻探设备的位置发送；

(B)检测来自所述钻探设备或钻孔的地震响应；和

(C)将所检测到的所述响应与所述地下区域的预定的地震探测数据比较，以确定所述钻探设备或钻孔的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在远离所述钻探设备或钻孔的位置接收所述地震波，更优选从大体上位于钻探设备和/或钻孔之上的位置接收所述地震波，最优选从位于所述地下区域的地面上的位置接收所述地震波。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从所述地下区域的地面发送所述地震波。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，将所述地震波发送到井孔中，所述井孔从所述地下区域的地面延伸到所述钻探设备的远端位置。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中，优选在钻探过程中通过用以下形式中的至少一个检测地震响应来生成地震数据组：

(i)搜索/检测由从所述区域内的地质边界和从在钻探操作中所形成的井孔的外表面反射的地震波所形成的棱形波；

(ii)搜索/检测例如通过来自所述井孔交叉于(穿过)地质边界的一个或多个点处的反射而产生的衍射波；

(iii)来自所述钻孔的底部的反射；

(iv)地震能量，其在地面处发送到所述钻孔中，且沿钻孔传输到地表下，并携带着关于钻头和所述钻孔的位置的信息穿过地表下地层而辐射回到远处的(例如位于地表处的)接收器；和/或

(v)波信号，其与由所述井孔的声阻抗和所述井孔周围地下地层的声阻抗的差异所导致的反射和/或折射相关。

6.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，比较所述所检测到的地震响应的步骤包括：

通过搜索由来自所述区域内的地质边界的反射和来自在所述钻探操作中所形成的井孔的反射而形成的棱形波和/或通过搜索由来自所述井孔和地质边界的交点的反射而产生的衍射波来生成地震数据组；和

用处于参照地震数据组的形式的预定的地震探测数据减去所述地震数据组，其中，所述参照地震数据组是在钻探前确定的数据组或在钻探中生成的先前的地震数据组之中的一个。

7.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，比较所述所检测到的响应的步骤包括以下其他步骤：

搜索与由所述井孔的声阻抗和所述井孔周围地下地层的声阻抗的差异所导致的反射和/或折射相关的波信号；和

可选地放大所述信号以确定所述钻探设备的位置。

8.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，检测来自所述所发送的地震波的地震响应的步骤在钻探过程中连续地实时进行或者在钻探过程中以预定的时间间隔来进行。

9.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，通过用所述预定的地震探测数据减去来自所发送的地震波的所检测到的地震响应来确定所述钻探设备的位置。

10.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，数据处理器构造成接收所述预定的探测数据，并将所述数据与来自所述所发送的地震波的所检测到的响应数据进行比较。

11.根据上述任一权利要求所述的方法，其用于地下钻探操作的实时监视，其中，使用步骤(C)来描绘钻探操作的穿过已钻探区域的路径。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述地震波进入所述井孔的开口端，使得所述井孔成为地震发射器。

13.根据上述任一权利要求所述的方法，其用于决定地下区域中的第一井孔和第二井孔的交叉。

14.一种减压井钻探方法，其在地下区域中使用带钻头的钻探设备，所述方法包括：使用根据上述任一权利要求所述的方法来确定钻头的位置，并根据所述所确定的位置来引导所述钻头，以使所述钻头能在已有的井孔的套管鞋附近贯穿已有的井孔。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述预定的地震探测数据是利用所述地下区域内的预期的地质条件的数学模型来生成的数据。

16.根据上述任一方法权利要求所述的方法，其中，将对比气体或流体引入所述井孔中以增加所述井孔的反射率。

17.一种地下钻探监视设备，包括：

处理装置，其设置成执行根据上述任一权利要求所述的方法；和

显示构件，其设置成输出所述地下钻探的位置的可视化信息。

18.一种地下钻探控制设备，包括：数据处理器和可视显示构件，其中，所述处理器设置成执行根据权利要求1到16中任一项所述的方法，并在所述显示构件上显示钻探设备的通过所述地下区域和位于所述地下区域中的路径和即时位置。

19.一种计算机程序产品，包括计算机能够实施的指令，其用于使能编程的计算机实施根据权利要求1到16中任一项所述的方法。