CN105863613A - 套管式ct成像窥视测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

套管式CT成像窥视测试系统及其测试方法，属于岩土工程测量技术领域，能够实现在单个钻孔中对地下岩体三维空间进行CT探测成像及近钻头随钻测量。包括固定在低高度钻塔的底座上的超深钻机系统、数据传输线缆和数据分析显示装置，还包括第一钻杆以及与其相连的后续钻杆，所述后续钻杆为若干根且相互套接相连，第一钻杆前端安装有钻头，第一钻杆内靠近前端部分设置有近钻头窥视测量模块，近钻头窥视测量模块包括传感器及探头，第一钻杆上还设置有CT信号发射模块及CT信号接收模块，CT信号发射模块与CT信号接收模块之间设有CT信号绝缘套，钻杆上还设置有数据整合中继器与无线传输模块。本发明适用于钻井探测技术研究。

Description

套管式CT成像窥视测试系统及其测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程测量技术领域，涉及一种能够对岩体进行CT探测成像与窥视测试的套管式系统及其测试方法。

背景技术

在地下岩体开发与开采过程中，通常会遇到诸多不良地质体问题，如断层破碎带、溶洞、裂隙、软弱夹层、地下空洞和不明埋设物等，而这些问题对地下资源开发与利用的顺利实施极为不利，会造成施工困难或工程质量隐患，因此，需要必须对工程区域进行地质勘察。地下工程CT探测成像方法是实现地质勘察的方法之一，其原理是发射物理信号，并使该信号穿过探测目标，而后根据接收观测到的物理信号，反演求取其结构的几何形态分布和物理参数。然而，现有技术中，在对岩体进行CT探测成像方法时，需要钻取两个或两个以上的钻孔才能进行探测，这必然大大增加勘察工作量与难度。

通常采用随钻测量技术来解决测量地下岩体特性时需要钻取多个钻孔进行探测的问题，利用该技术能够确定钻杆周围地下构造的类型及基本物理参数，可向从事地下固体矿开采、油气勘探开采、地热资源开发应用等领域的工程人员提供非常有用的信息。然而，传统的随钻测量一般都是在螺杆以后设置传感器进行测量，距离钻头较远，由于测量点偏离钻头较远，实时导向过程容易偏离设计轨道，在薄层油气资源的开发中尤其不便，且距离钻头较远的传感器测得的随钻测量资料对于钻井钻进过程的指导意义有限。

因此，亟需一种能够将上述两种技术结合的方法及装置以便在单个钻孔中利用CT探测成像技术便捷准确地实现更接近钻头位置的随钻测量，以便使得所测参数对钻井过程更具参考性与指导性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了填补现有技术的空白，提供一种套管式CT成像窥视测试系统及其测试方法，能够实现在单个钻孔中对地下岩体三维空间进行CT探测成像及近钻头随钻测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：套管式CT成像窥视测试系统，包括超深钻机系统、低高度钻塔、数据传输线缆和数据分析显示装置，超深钻机系统固定在低高度钻塔的底座上，超深钻机系统通过数据传输线缆与数据分析显示装置相连，还包括第一钻杆以及与其相连的后续钻杆，所述后续钻杆为若干根且相互套接相连，第一钻杆前端安装有钻头，第一钻杆内靠近前端部分设置有近钻头窥视测量模块，近钻头窥视测量模块包括传感器及探头，传感器用于获取随钻测量数据，探头用于实时获取地下岩体钻孔孔壁的成像，第一钻杆上还设置有CT信号发射模块及CT信号接收模块，CT信号发射模块与CT信号接收模块之间设有CT信号绝缘套，CT信号发射模块释放的CT信号由CT信号接收模块接收，构成信息回路；钻杆上还设置有数据整合中继器与无线传输单元，CT信号接收模块及近钻头窥视测量模块分别与数据整合中继器与无线传输单元相连,数据整合中继器与无线传输单元包括数据整合中继器及无线传输单元，数据整合中继器采集到的数据经信号放大后，通过无线传输单元无线发送到地面超深钻机系统。

具体的，所述CT信号绝缘套及CT信号接收模块的个数为两个，CT信号发射模块的两端分别设有CT信号绝缘套，CT信号绝缘套远离CT信号发射模块的一侧设有CT信号接收模块，CT信号发射模块释放的CT信号以涡形路径传输，透过钻杆周围的岩体后，由CT信号接收模块接收，构成信息回路，CT信号接收模块将接收到的具有不同衰减程度的CT信号转换为数字信号，并传送到数据整合中继器与无线传输单元。

优选的，CT信号发射模块位于第一钻杆的近钻头窥视测量模块上方。

进一步的，近钻头窥视测量模块设置在第一钻杆环向外壁。

优选的，所述近钻头窥视测量模块与钻头的距离小于0.5m。

进一步的，数据整合中继器与无线传输单元设置于第一钻杆上。

具体的，所述传感器包括力学传感器、温度监测传感器、成分分析传感器、电阻率传感器、方位传感器、井斜传感器的一个或多个。

优选的，所述探头为随钻侧向电阻率成像仪。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：基于上述套管式CT成像窥视测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.确定钻井经纬，安装低高度钻塔和超深钻机系统，并布置数据传输线缆和数据分析显示装置；

B.开始钻井作业，利用钻机带动钻杆和钻头向下进行钻进；

C.通过近钻头窥视测量模块，在钻进过程中对地下岩体钻孔进行窥视探测成像与随钻测量，并将钻孔孔壁成像与随钻测量数据发送给数据整合中继器与无线传输单元；

D.CT信号发射模块持续发射涡形CT信号，结合CT信号接收模块，构成信息回路，CT信号接收模块将接收到的具有不同衰减程度的CT信号转换为数字信号，并存储到数据整合中继器与无线传输单元；

E.将存储在数据整合中继器与无线传输单元中的数据无线传输到超深钻机系统，经由数据传输线缆传输到数据分析显示装置上，通过数据分析显示装置分析并整合数据，获得随钻测量数据、钻孔孔壁图像以及CT三维岩体重构图像。

本发明的有益效果是：结构简单，易于制作，便于操作，该装置能够在单个钻孔中对地下岩体三维空间进行CT探测成像，其测试结果能反映孔壁外围一定范围的岩体结构状态，实现高效探测的目的；同时，由于随钻测量的探测器更加接近钻头，能够实现近钻头随钻测量，实时导向中更容易控制钻头在储层中的行进轨迹，实时测量地层岩石物理参数，并将数据实时线传输到地面进行信息分析处理，有效克服现有随钻测量技术的缺陷。本发明适用于钻井探测技术研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明随钻测量模块对地下岩体的弹性模量测量结果示意图；

图3是本发明的钻进过程钻杆周围岩体示意图；

图4是本发明的钻井孔壁窥视探测成像示意图；

图5是本发明的地下三维岩体环境CT成像重构示意图；

图中，1为低高度钻塔，2为超深钻机系统，3为钻杆，4为钻头，5为CT信号发射模块，6为CT信号接收模块，7为CT信号绝缘套，8为近钻头窥视测量模块，9为数据整合中继器与无线传输单元，10为数据传输线缆，11为数据分析显示装置，12为CT信号，13为钻井孔壁，100为岩体，200为裂隙。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的套管式CT成像窥视测试系统，包括超深钻机系统1、低高度钻塔2、数据传输线缆10和数据分析显示装置11，超深钻机系统1固定在低高度钻塔2的底座上，超深钻机系统1通过数据传输线缆10与数据分析显示装置11相连以便降低数据传输成本，此外，也可以考虑不用数据传输线缆10，而使得超深钻机系统1与数据分析显示装置11无线相连的方式。使用时，超深钻机系统1、低高度钻塔2、数据传输线缆10和数据分析显示装置11位于地面上。低高度钻塔2是高度控制在13m以内的钻塔。还包括第一钻杆以及与其相连的后续钻杆3，所述后续钻杆为若干根且相互套接相连，第一钻杆前端安装有钻头4，第一钻杆内靠近前端部分设置有近钻头窥视测量模块8。第一钻杆前端集成有近钻头窥视测量模块8，第一钻杆与近钻头窥视测量模块8为一体式结构。钻头4通过螺纹固定在第一钻杆前端，第一钻杆环向外壁近钻头处安装有近钻头窥视测量模块8。近钻头窥视测量模块8包括传感器及探头，传感器用于获取随钻测量数据，传感器位于近钻头窥视测量模块中，传感器包括力学传感器、温度监测传感器、成分分析传感器、电阻率传感器、方位传感器、井斜传感器的一个或多个。因此随钻测量数据包括岩石成份、弹性模量、温度、密度、孔隙度、渗透率、电阻率、泊松比和钻孔方位等，压力大小随深度情况、地质状况发生变化，无法补充具体数值，只能现场实测。弹性模量与泊松比通过力学传感器测量，力学传感器可测得地下岩体的应力与变形，进而算出弹模与泊松比；探头用于实时获取地下岩体钻孔孔壁成像，探头可选用钻探工程中现有的随钻侧向电阻率成像仪，其窥视成像功能可提供准确高分辨率的随钻测量电阻率成像。常规钻探钻杆与钻头采用中空设计，探头可以直接窥视到钻孔孔壁情况。考虑到测试数据指导钻进的功能，所述近钻头窥视测量模块8与钻头的距离小于0.5m。

第一钻杆上还设置有高精度的CT信号发射模块5及CT信号接收模块6，CT信号发射模块5与CT信号接收模块6之间设有用于隔绝CT信号的CT信号绝缘套7。CT信号发射模块5释放的CT信号12由CT信号接收模块6接收，构成信息回路。所述CT信号接收模块6可以为一个，但为了增强信号接收量，在CT信号发射模块5上下各设置一个及CT信号接收模块6，CT信号发射模块5的两端分别设有CT信号绝缘套7，CT信号绝缘套7远离CT信号发射模块5的一侧设有CT信号接收模块6，CT信号发射模块5释放的CT信号12以涡形路径传输，透过钻杆周围的岩体后，由CT信号接收模块6接收构成信息回路，CT信号接收模块6将接收到的具有不同衰减程度的CT信号转换为数字信号，从而对地下岩体进行三维空间CT成像重构，重构由数据分析显示装置完成，其中配套有相应的软件。钻杆上还设置有数据整合中继器与无线传输单元9，数据整合中继器与无线传输单元9包括数据整合中继器及无线传输单元，数据整合中继器采集到的数据经信号放大后，通过无线传输单元无线发送到地面超深钻机系统1。为了提高第一钻杆的集成度及信号传递的稳定性与可靠性，优选设置在第一钻杆上，此外，也可以设置在后续钻杆上，CT信号接收模块6及近钻头窥视测量模块8分别与数据整合中继器与无线传输单元9相连，数据整合中继器与无线传输单元9将近钻头窥视测量模块8测得的随钻测量数据及CT信号接收模块6接收到的CT信号12通过无线传输发送传递给超深钻机系统1。

由于钻杆为空心管且各个钻杆为套接模式，本发明所述CT探测成像与窥视测量模块集成与钻杆外壁，因此可以看做是套管，因此把本申请的结构成为套管式。数据分析显示装置11能够根据CT信号对钻井区域的地下岩体三维空间状态进行重构成像，并对其余随钻测量数据进行分析存储并予以展示。

本发明的操作过程如下：

1.根据待测区域的野外地质资料确定钻井位置，在平坦地面上确定钻井井位，在井位处打好基础、安装低高度钻塔和超深钻机系统，布置好数据传输线缆和数据分析显示装置；

2.开始钻井作业，利用钻机带动钻杆和钻头向下进行钻进，当钻杆钻钻进过程钻杆周围岩体的示意图如图3所示，可以看到钻杆3钻进时，岩体结构为100，裂隙展布情况为200；

3.通过近钻头窥视测量模块，在钻进过程中对地下岩体钻孔进行窥视探测成像与物性测量，由于在本技术方案中将随钻测量与窥视探测成像融合在一起了，因此此处的物性测量是随钻测量；同时，在钻进过程中，钻杆前端的高精度CT信号发射模块持续发射涡形CT信号，并经CT信号接收模块，构成信息回路，CT信号接收模块将接收到的具有不同衰减程度的CT信号转换为数字信号；

4.如步骤3测量到的近钻头随钻测量与CT信号(即CT探测成像信号)被存储在数据整合中继器与无线传输单元，再无线传输到超深钻机系统，经由数据传输线缆传输到数据分析显示装置上，获得如图2的随钻测量模块对地下岩体的弹性模量测量结果，以及如图4的钻孔孔壁探测示意图。图2为随钻测量模块对地下岩体的弹性模量测量结果，可获得不同深度条件下岩体弹模大小，其中，横坐标的单位为m，纵坐标的单位为GPa。如图2所示，钻探经过软弱地层到达h₁开始进入岩层，开始测得岩体弹模，从h₁到h₅的深度，可以看出有E₁到E₅不断发生变化，这对掌握钻井过程中地下岩体的力学性质有重要作用。图4为钻孔孔壁的图像，其中圈部分黑色通孔为钻杆与钻头，所测得为孔壁裂隙分布、孔壁破碎等情况，图4中中圈以上部分可清晰呈现钻孔孔壁发育的裂隙情况。通过对地下岩体进行系统分析，获得岩石成份、温度、密度、孔隙度、渗透率、电阻率、弹性模量、泊松比和钻孔方位等岩体参数，并结合确定的岩体物性参数采用反演算法定性钻进过程中岩体性质情况，并进行钻井范围内三维岩体环境CT成像重构，其重构成像如图5所示，其获取过程如下：通过CT探测成像，在数据分析显示装置中，将接收到的CT信号进行重构，同时结合随钻测量数据，可对地下岩体性质判别，推算出地下岩体的层面岩石性质与层高，获得图5所示的CT三维岩体重构示意。

本发明致力于在高温高压随钻条件下，探测钻井区域岩体分层分类、断层破碎带、溶洞、裂隙、软弱夹层、地下空洞和不明埋设物等地质构造情况，利用CT探测成像重构直观反映地下岩体地质构造分布形态和特征；实时测试和分析岩石成份、温度、密度、孔隙度、渗透率、电阻率、弹性模量、泊松比和钻孔方位等数据，为研究地下岩体原位岩体环境奠定基础。该技术可用于地质导向，指导钻井，又可用于分辨地层，确定地层岩性，预测高压地层，实现无风险钻井，并且能对复杂井、复杂地层的岩体情况和矿藏情况进行评价。

Claims (9)

1.套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，包括超深钻机系统(1)、低高度钻塔(2)、数据传输线缆(10)和数据分析显示装置(11)，超深钻机系统(1)固定在低高度钻塔(2)的底座上，超深钻机系统(1)通过数据传输线缆(10)与数据分析显示装置(11)相连，

还包括第一钻杆以及与其相连的后续钻杆(3)，所述后续钻杆为若干根且相互套接相连，第一钻杆前端安装有钻头(4)，第一钻杆内靠近前端部分设置有近钻头窥视测量模块(8)，近钻头窥视测量模块(8)包括传感器及探头，传感器用于获取随钻测量数据，探头用于实时获取地下岩体钻孔孔壁的成像，

第一钻杆上还设置有CT信号发射模块(5)及CT信号接收模块(6)，CT信号发射模块(5)与CT信号接收模块(6)之间设有CT信号绝缘套(7)，CT信号发射模块(5)释放的CT信号(12)由CT信号接收模块(6)接收，构成信息回路；钻杆上还设置有数据整合中继器与无线传输单元(9)，CT信号接收模块(6)及近钻头窥视测量模块(8)分别与数据整合中继器与无线传输单元(9)相连,数据整合中继器与无线传输单元(9)包括数据整合中继器及无线传输单元，数据整合中继器采集到的数据经信号放大后，通过无线传输单元无线发送到地面超深钻机系统(1)。

2.如权利要求1所述的套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，所述CT信号绝缘套(7)及CT信号接收模块(6)的个数为两个，CT信号发射模块(5)的两端分别设有CT信号绝缘套(7)，CT信号绝缘套(7)远离CT信号发射模块(5)的一侧设有CT信号接收模块(6)，CT信号发射模块(5)释放的CT信号(12)以涡形路径传输，透过钻杆周围的岩体后，由CT信号接收模块(6)接收，构成信息回路，CT信号接收模块(6)将接收到的具有不同衰减程度的CT信号转换为数字信号，并传送到数据整合中继器与无线传输单元。

3.如权利要求2所述的套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，CT信号发射模块(5)位于第一钻杆的近钻头窥视测量模块上方。

4.如权利要求1所述的套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，近钻头窥视测量模块(8)设置在第一钻杆环向外壁。

5.如权利要求1所述的套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，所述近钻头窥视测量模块(8)与钻头的距离小于0.5m。

6.如权利要求1所述的套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，数据整合中继器与无线传输单元(9)设置于第一钻杆上。

7.如权利要求1所述的套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，所述传感器包括力学传感器、温度监测传感器、成分分析传感器、电阻率传感器、方位传感器、井斜传感器的一个或多个。

8.如权利要求1所述的套管式CT成像窥视测试系统，其特征在于，所述探头为随钻侧向电阻率成像仪。

9.基于如权利要求1至8任意一项所述的套管式CT成像窥视测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.确定钻井经纬，安装低高度钻塔和超深钻机系统，并布置数据传输线缆和数据分析显示装置；

B.开始钻井作业，利用钻机带动钻杆和钻头向下进行钻进；

C.通过近钻头窥视测量模块，在钻进过程中对地下岩体钻孔进行窥视探测成像与随钻测量，并将钻孔孔壁成像与随钻测量数据发送给数据整合中继器与无线传输单元；

D.CT信号发射模块持续发射涡形CT信号，结合CT信号接收模块，构成信息回路，CT信号接收模块将接收到的具有不同衰减程度的CT信号转换为数字信号，并存储到数据整合中继器与无线传输单元；

E.将存储在数据整合中继器与无线传输单元中的数据无线传输到超深钻机系统，经由数据传输线缆传输到数据分析显示装置上，通过数据分析显示装置分析并整合数据，获得随钻测量数据、钻孔孔壁图像以及CT三维岩体重构图像。