CN1062950A - 探测裂缝的测井仪 - Google Patents

Abstract

一种识别有裂缝的岩层并可确定裂缝方位的方 法和仪器，包括两个与一个井下轨道振动器配用的正 交运动传感器。该井下振动器具有一个用于传感器 定向的定向器。传感器的输出以李沙约图形来显 示。在井孔中遇有地下裂缝时，图形的形状将发生变 化，这种仪器和方法能识别有裂缝的岩层，并确定裂 缝的方位角。

Description

本发明涉及识别地下地层裂缝并确定其方位的方法和仪器，更具体说，涉及井孔中用以确定裂缝的位置，使我们可以为油井套管正确打眼，从而使油气层流出的油气流量达到最大的测井仪。

数十年来识别地下裂缝一直是油井开采的一个目标。地下裂缝除形成流入油井的油气通路之外，还会带来许多问题。井下声波电视系统是识别地下裂缝的一种系统，这种系统应用高频声波探测与油井相交的裂缝，并将裂缝的影象显示出来。此外，迄今人们已研究出许多探测裂缝的方法和系统，有的是间接探测，有的是采用各种典型的信号进行探测。

美国专利4，452，488“产生PPI（平面位置显示）的方法和系统”（Clishem等人）是这样一种系统，该系统的井下测井仪采用一个能量发射机和接收机，以便用能量脉冲来扫描井孔。测井仪每次转动而通过一个预定的方位时就产生一个定位脉冲。测出各定位脉冲之间的间隔时间，并将其划分成多个不连续的时间间隔。给出正弦和余弦函数，使所测出的间隔时间具有对应于各不连续时间间隔的正弦和余弦值。用这个正弦和余弦函数产生的扫描函数来控制PPI显示装置的电子束向外的扫描过程，从而产生一个圆形的旋转图形，图形每转一圈，在时间上相当于定位脉冲之间的测量时间。接收机的输出对电子束的扫描进行调制，产生人眼可看到的显示，显示出对井孔方位角的扫描过程。

美国专利3，668，619（Dennis）介绍了一种转动式测井仪，该测井仪有一个依靠反射回来的声能进行工作而探测裂缝的声换能器。美国专利4，542，488（Clishem等人）提出了一种通过提供一个参考圆来控制Dennis的专利中的CRT的电子束向外扫描过程的方法和设备。这两个专利都涉及井下声波电视，因而是密切相关的。它们都介绍了确定裂缝的方法和设备，因而是与本发明有关的。但这两个专利只采用一个声换能器，因而并不能教导或启发我们提出本发明。

美国专利4，874，061“井下轨道震源”（Cole）是关于一种同时产生椭圆偏振地震剪切波和压缩波以便在井下将能量通过流体而耦合到井孔壁的设备。这种设备包括一个细长框架，在井孔中起支撑作用，该框架包含一个驱动装置，驱动装置启动之后能使框架的至少一部分产生一种轨道运动，从而产生一个轨道剪切波。

美国专利4，802，144“裂缝的水力学分析方法（Hydraulic  Fracture  Analysis  Method）”（Holzhausen等人）是一种应用以下原理的方法：含液裂缝（hydraulic  fracture）的增长会延长与裂缝连接的井中自由振荡的周期。同时，自由振荡的衰减率（decay  rate）下降。在裂缝增长的过程中，井中强道振荡的性质也起变化。所有这些效果是由于与井孔相交的含液裂缝的阻抗发生变化引起的。含液裂缝的阻抗可以用裂缝的流体阻力和流体容量表示。裂缝阻抗可以通过测定井下压力与流体振荡的比值直接测出，或用阻抗传递函数对井口阻抗进行测定而间接测出。井口压力的测量结果也可用来估算裂缝阻抗。将这些测量结果与具有不同阻抗的裂缝的水力试验模型计算出来的压力波动进行比较即可估算裂缝阻抗。因为阻抗是裂缝大小和周围岩石弹性的函数，因此可以通过阻抗分析来估算裂缝的几何结构。分析从井中自由振荡和强迫振荡得出的数据，再看这些数据与裂缝投影形状的哪一个理论模型一致，即可估算裂缝的几何结构。

美国专利2，244，484“地下地质岩层（geologic  strata）的分析和测定方法及装置”（Beers）是用地震测定地下地层物理特性的一种方法和装置，其中方法包括以下步骤：在地层的附近发出声波，借助一个电力声频发生器将其传送到地层中，发生器的电参量可在发生器的端子上测出，它取决于传送到发生器的声能为周围或邻近地层所吸收的程度，这样，所测出的电参量的变化可表示出各地层的物理特性和岩石特性（lithologic  characteristics）的变化;该测量结果由相关的地质剖面各相继位置的曲线图、录井图或其它方式记录下来。该专利还提出了应用地震测定地质岩层物理特性变化的方法，该方法包括以下步骤：在紧靠所测定的地层附近发射声波，测定该声波通过地层的传播速度，并在地面上予以显示，于是根据声波通过地层传播所需要的时间不难确定该地层的特性。

美国专利3，344，881“地震探测法”（White）是关于一种探测质点运动波的探测器，用来在有不希望有的噪声存在时探测象地震波之类的质点运动波。质点运动的三个分量分别由三个坐标变换器检测，再将各变换器的电压输出以这样的方式混合起来：使得从四面八方无规律到达的噪声波受到抑制，而且能显示出任何具体的波系（例如可能由地震、爆破或行驶中的车辆引起的波系）到来的方向。用电子电路将质点运动的各水平分量与垂直分量相乘起来（通过或不通过移相），然后将得出的两个乘积以指向地震波源的矢量形式显示出来。

美国专利4，802，144（Holzhausen等人）应用液流阻抗的测定结果确定裂缝。美国专利2，244，484（Beers）通过测定传播速度而测量井下阻抗（阻抗测井），从而确定裂缝的位置。美国专利3，344，881（White）采用三个坐标方位传感器测定地震能量的传播方向。这三个专利只表现出目前的技术水平。

美国专利4，870，627“井孔壁裂缝的探测和评价方法及设备”（Hsu等人）是一种快速直观显示声波井下试验结果的方法和设备，其中有关的参数是从垂直方向上间隔配置的一些声波接收机获得，再显示在水平连续显示测井曲线上，来自各接收机的参数值即记录在曲线的预定位置上。测定象低频斯通利波（Stoneley  wave）中的能量之类的对裂缝敏感的参数，则当横向记录出各参数值时，就可以明显看出裂缝的各个部位，特别是以横向扩展的测井曲线表示时更为清楚。该专利介绍了裂缝的探测和评价方法。

美国专利4，885，723“竖向裂缝之类的井孔壁不连续性的声学测定设备及方法”（Havira等人）是探测穿过地层的井孔壁上裂缝的一种设备及方法。由一个声换能器产生具有各种频率的声能波束脉冲，该波束能以在井孔壁内优先发出横波的方式取向。横波因裂缝之类的不连续性而反射，检测出这些反射的横波时就表明有裂缝存在。采用扫描声波束、同时保持其优先增强横波的取向这类设备和方法，就能探测出具有各种倾斜角的裂缝。这样，为了增强横波的反射波以便将其检测出来，可以使横波垂直于裂缝取向。该专利介绍了采用可单独加以激励的声学元件阵列及其有关的控制机构。

美国专利4，020，451“测井测量值的记录方法和设备”（Elliott）涉及这样一种系统，该系通由一个CRT（阴极射线管）记录器根据测井数据的变化调制扫描电子束的强度和位置，由此产生表示测井数据的三维的特殊标记。此外，通过CRT电子束的扫描使其形成增大的螺旋形也可产生以矢量或箭头形式表示测井数据的特殊标记。然后，令电子束在该螺旋各周期的同一角度位置处转向，历时一个短脉冲的时间。为达到同步化，在上述各实施例中由一个重复性过程来引发波束的扫描，该重复性过程可以是例如一个脉冲，该脉冲表示出获取测井数据所在深度处的给定的增大的变化值。在另一个实施例中，上述方法之一与现行的一些方法结合起来可得到一种联合测井记录，该记录在CRT屏幕的一部分上记录有特殊标记，在同一屏幕的另一部分上记录有规则的图形。在另一个实施例中，CRT电子束的交替扫描转移到CRT屏上的两个记录部位或记录带之间。毗邻两个记录带中每一个处设有不同的记录媒体，从而可以产生两个分开的记录。记录在各媒体上的数据可能完全不同，也可能完全相同，但以不同的比例系数来记录。

美国专利4，870，627（Hsu等人）和4，885，723（Havira等人）都是通过测定反射回来的声波的幅值确定裂缝的实例。美国专利4，020，451（Elliott）中，在记录井下信息时应用反射波的幅值来控制CRT的电子束。这三个专利都涉及用反射的压缩波对裂缝进行测定。

美国专利3，688，619“井下测井数据的三维表示法”（Dennis）介绍了在二维记录媒体上记录数据的一种方法和系统，该数据是从围绕井孔壁按角度在各个不同深度处进行的周期性扫描操作中获得的。在每次扫描期间，都可检测出地层下的各个参数。在一个实施例中，是以螺旋的形式记录出表示井孔壁的多个环形的记录图形，该图形最好为椭圆形。螺旋的不同侧可以加深，或者记录出螺旋的半个部分，以表示井孔壁的不同部分。

本发明提供了一种识别有裂缝的岩层并确定这些裂缝的方位的方法和仪器。本发明将两个正交运动传感器与一个井下轨道振动器配用，该轨道振动器有一个使两个传感器定向的装置。这两个传感器的输出以李沙约图形显示出来。在井孔中遇到地下裂缝时，李沙约图的形状就发生变化。因此，由本发明可得到一种能识别出有裂缝的岩层存在并能确定这些裂缝的方位取向的仪器。

图1是井下测井仪的平视图，其中装有可实施本发明方法的传感器。

图2是图1所示的井下测井仪的剖视图。

图3A至3C是相位角与方位角的关系曲线图。

图4是没有裂缝存在时的轨道运动的李沙约图。

图5是周围有裂缝的轨道运动的李沙约图。

图6是井下测井仪在无裂缝的地层中取向的平视图。

图7是图6所示的无裂缝地层中的传感器输出的李沙约图。

图8是井下测井仪在有垂直裂缝或接近垂直裂缝的地层中取向的平视图。

图9是图8所示的在有垂直裂缝或接近垂直裂缝的地层中的传感器输出的李沙约图。

现在参看图1，图中示出了井下测井仪12的平视图。测井仪12包括钢管14，其中有若干排气孔16，并设有供连接用的标准测井仪接头18。测井仪12的底部设计成锥形，使其容易下到井孔中，使井孔壁的防碍最小。锥形部分20的正上方有一个丝网部分22，从钢管14各边插入，供防止堵泥之用。

图2为图1所示测井仪的剖视图。钢管14内有一个发动机22，例如液压马达、电动机等，用以使读出不同方位角用的井下轨道源24转动。0形密封环26使发动机22隔离，防止钻井泥浆污染发动机周围区域。从图中可以看到，一条柔性丝束28与定向器30连接。定向器30可以是本技术领域中常用的任何定向器，例如陀螺仪、罗盘等。定向器30对用以计算任何探测出的裂缝方位的轨道源24的取向进行检测。定向器30通过软管32与井下轨道源24连接。

操作时，将测井仪下到所要求的深度之后，定向器30就测出位于轨道源24中的两个正交地震检波器的方位。轨道源24投入工作，测定出两个地震检波器之间的相位角。在同一深度处，轨道源靠发动机22而不断地转动或逐渐增加其转速，测出相位角和方位角。求出给定深度处的相位角与方位角的关系曲线。这条曲线用来确定有无裂缝存在、裂缝的大小和裂缝的方位。

图3A至3C示出了相位角与方位角的关系曲线。如图3A所示，没有裂缝存在时，就没有相位角对方位角的关系曲线。在图3B中，开始有裂缝时，相位角与方位角的关系曲线就呈正弦函数，表示出裂缝平面。在图3c中，裂缝大，因而相位角与方位角的正弦曲线峰值大。由此可见，本发明的测井仪能清楚地表明是否有裂缝存在、裂缝的大小以及它们的方位。

图4示出了井孔中没有裂缝时轨道源24的圆形轨道运动。图5示出了有裂缝时轨道源24的轨道运动，可以看出运动的轨迹是个椭圆，这个椭圆会随着振动器的转动而转动，这时可看出是一个李沙约图。

图6示出了本发明另一个实施例的工作情况。从图中可以看出，井下测井仪40有一个配备有两个正交运动传感器44和46的水平振动器42。该轨道式井下测井仪40上附有测定传感器方位的定向器48。定向器48可以是一个罗盘、陀螺仪等，或者是本技术领域中常用的任何其它器件。从图中可以看出，轨道式井下测井仪40安置在井孔50中。图6中清楚地表明了轨道式井下测井仪40位于井孔50中没有裂缝存在的部分。图7表示出在此无裂缝地层中的正交传感器的李沙约图。

图8示出了轨道式井下测井仪下到井孔50中有裂缝存在的位置。图9示出了在地层中有裂缝的正交传感器的李沙约图。

本发明应用了一个井下轨道振动器，该振动器配有两个正交运动传感器和一个如罗盘之类的、用于使传感器定向的定向器。在无裂缝的地层中，两个运动传感器会显示出90度的相位差，而振动器将以圆形或轨道的形式振动。当传感器的输出是以李沙约图形（与X，Y输入无关）显示时，图形是圆的（见图4）。当测井仪在含有垂直或接近垂直的裂缝的地层中振动时，测井仪的运动呈椭圆形，椭圆运动传感器的各轴线平行于和垂直于地层裂缝取向。这种运动所形成的李沙约图形是个椭圆（见图5）。该椭圆将随振动器的转动而转动。当李沙约图示出传感器之间的相位差为90度时，则两传感器平行和垂直于地层裂缝排列。这种测井仪能快速识别有裂缝的地层，并能测定裂缝的方位。

测井仪12是用来确定地下垂直裂缝的位置和它们的取向的。将测井仪下到所要求的深度之后，可确定轨道源中两个正交地震检波器的方位。其次，启动轨道源24，并测定两个运动传感器之间的相位角（Φ）。在最佳实施例中，运动传感器44和46为地震检波器，也可以是加速度计。在同样的深度处，轨道源连续或逐步加快转动，测定相位角（Φ）和方位角（θ），于是可确定出给定深度处的Φ与θ的关系曲线。这条曲线可用来确定有无裂缝存在、裂缝的大小和裂缝的方位（见图3A-3C）。

尽管上面已就本发明的一个具体实施例作了图示和说明，但不言而喻，熟悉本技术领域的人士是可以对这个实施例进行各种修改的，然而由于这些更改和修改是属于本发明的精神实质和范围之内，所以应包括在本说明书所附的权利要求书中。

Claims (10)

1、一种确定地下裂缝的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

将一个配有两个正交运动传感器和一个方位定向器的轨道振动器下到井孔中；

令轨道振动器以轨道的形式转动；

接收来自每个所述正交运动传感器的输出；

将所述正交传感器的输出以李沙约图形显示出来；然后

看所显示的图形是否为椭圆，从而识别地下裂缝。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：

测定所述正交运动传感器之间的相位差;

当所述椭圆显示传感器之间的相位差为90度时，裂缝的方位就被识别出来。

3、一种探测地下地层裂缝的仪器，其特征在于它包括：

一个外壳;

轨道源装置，用以产生轨道旋转运动;

两个正交运动传感器，能形成90度相位差，用以检测固定到所述轨道源的运动;

发动机装置，用以带动所述轨道源转动;以及

定向器，与所述轨道源连接，用以确定所述运动传感器的方位。

4、根据权利要求3所述的探测仪，其特征在于，所述正交运动传感器为地震检波器。

5、根据权利要求3所述的探测仪，其特征在于，所述正交运动传感器为加速度计。

6、根据权利要求3所述的探测仪，其特征在于，所述定向器为陀螺仪。

7、根据权利要求3所述的探测仪，其特征在于，所述定向器为罗盘。

8、根据权利要求3所述的探测仪，其特征在于，所述发动机为液压马达。

9、根据权利要求3所述的探测仪，其特征在于，所述发动机为电动机。

10、一种探测地下地层裂缝的仪器，其特征在于它包括：

一个外壳;

轨道源装置，用以产生轨道旋转运动;

两个正交配置的地震检波仪，固定到所述轨道源上，该轨道源能形成90度的相位差，供检测运动之用;

液压马达，用以带动所述轨道源转动;以及

陀螺仪，与所述轨道源相连接，用以检测所述运动传感器的方位。

Images