CN107420094A - 井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井中随钻雷达实时预报前方地层界面的金属导波探测方法。由于井中雷达使用的是沿钻井方向的电偶源，故一般的井中雷达只能探测井旁与井不正交方向的界面，对垂直于井的界面是不能探测的。所以普通的井中雷达技术是无法探测与钻井正交的地层界面的，需要新的方法或技术来实现实时预报前方界面。本发明提出在雷达发射源和钻头之间增加一个金属波导，它是一个圆柱状金属杆，在雷达钻进过程中，金属杆或金属钻头会导致雷达剖面上产生大量的倾斜的反射导波。一般的处理人员主要把它们当作噪声去除掉，而本发明则利用它实现对前方界面的预报，思路新颖，效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种雷达金属导播探测方法，具体涉及井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法及装置。
背景技术
井中雷达能够在矿井或油井中对井旁介质进行探测，随钻雷达则在钻井过程中对井外围岩进行成像，以获得实时探测效果，因而在具有钻进安全问题的施工生产有广泛的应用价值。我们希望在掘进过程中，随钻雷达能够实时获得前方围岩的界面，根据简单的界面成像过程，可以实时快速识别前方的危险介质边界面(如含水、稀泥或瓦斯等)。但井中雷达使用与钻井同方向的电偶源，它只能探测到井旁与井不正交的界面，而不能识别与井正交的界面，无疑从根本上限制了它的实时成像的功能。另外，钻头、电缆等金属的作用，使得雷达剖面上产生很多倾斜的同相轴，这些同相轴非常强，掩盖了地层界面的有效同相轴，目前的学者都将其视为噪声而滤掉，或改进仪器材料补偿这种异常同相轴的影响，这也使得井中雷达的实时成像功能受到严重的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过金属雷达导波及时识别钻头下方危险介质边界面，目的在于提供井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法及装置，解决上述的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测装置，其特征在于，包括一端连接有钻头的金属杆，金属杆另一端连接有井中雷达仪。
所述金属杆选用实心结构或者空心结构；选用实心结构时，整个装置的稳定性增强；让整个装置在钻井时更为平稳，更难偏离预设轨迹；选用空心结构时，能够减少装置重量，在更加复杂的地形上使用时，能够方便运输。
所述金属杆长度为2～3米，形状为圆柱型。选择为圆柱型是为了配合钻头使用，能够与钻头相匹配，长度设置在2～3米是依据一般的地下介质电性和雷达仪器所能接收信号信噪比情况，通过计算机仿真计算后分析得到的，如果金属杆过短，金属杆辐射的导波信号会较弱，无法进行远距离的界面预报；如果界面过长，导波信号需要传播相对较长的距离才能到达到接收天线处，接收天线采集的反射导波信号也会较弱，同样也不能进行远距离界面预报。
所述金属杆空心结构壁厚大于1cm。选择壁厚在1cm以上，在最大限度的减轻整个装置的重量情况下，壁厚适当的加厚，可以让整个装置更加稳定。
所述金属杆通过螺栓连接方式与井中雷达仪连接。使用螺栓连接能够让井中雷达仪与金属杆方便拆卸，在工作完成后，进行运输时，可以将装置的部件分开装运，节约空间。
所述雷达井中仪外部包装有PVC材料，所述雷达井中仪外部包装有PVC材料，具有良好的化学稳定性，材料软化点在75～80℃，在工作过程中，因工作不会发热，所以采用PVC材料来进行防水、防尘工作。
井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法，所述方法包括如下步骤：
S1：探测装置通过吊装架放置在垂直于水平地面掘进的矿井中，钻头向下进行掘进；
S2：钻头向下进行掘进时，井中雷达仪发射雷达波，金属杆的波导作用，会产生在金属杆两端来回传播、并依次在金属杆两个端点处以球面波方式向四周辐射的导波。每次端点辐射的导波遇到到B对应的地下界面时会发生反射现象，并依次传回雷达接收天线处，从而在雷达剖面上可以看到各个导波同相轴。如一次反射导波C，它是从金属杆下端点辐射处的导波遇到反射界面B的反射回波；二次反射导波E是在金属杆上往返传播的导波D从另一个端点辐射处理，向下传播到反射界面B而后在传播回到收发点的导波。如此下去，可以接收到反射界面B的多次反射导波信号，从而可以根据它们计算界面B距离雷达或钻头的大小，进而准确进行地下与井正交的界面的位置。
S3：实际生产中往往要在距离界面较远的地方进行雷达观测而得到预报信息，钻杆尚未接触到界面，提取此段的导波同相轴的雷达剖面来分析。通过拾取反射导波同相轴F的时距曲线，同时依据往返导波同相轴D的走时，根据几何直线方程关系，可以得到反射界面到收发点的位置关系。从而能够实时预测钻头下方地层界面，快速识别钻头下方的危险介质边界面。
根据我们的研究，发现金属钻头或电缆产生的强同相轴是与井正交的地层界面引起的，所以可以通过金属的雷达波反射响应信号来识别地层，而不是简单地把这些信号去除。通过模拟分析，我们在源和钻头之间增加一个金属杆，雷达波作用下，金属杆两个端点处生成了由钻头正前方地层反射的导波信号，通过处理可以很容易地得到地层的位置，因此可以由此方法实时快速地获得钻进前方垂直于井的地层界面的位置。这是一个新颖的雷达超前预报方法，本领域现有技术尚未发现此方法，依据本方法能够快速进行探测，提高了钻井时工作效率，以及能够有效保护钻头在钻井时的安全，可以预测钻头下方与钻井垂直正交面的地层信息，在煤矿等矿井安全钻进方面有很大的作用。
所述步骤2井中雷达仪发射的雷达波选用主频范围在60MHz～500MHz之间，雷达波主频越低，则理论上探测范围就大，但分辨率相对较低；主频较高时，分辨率较高，但雷达波衰减较大，不能做远距离的界面位置预报，需根据实际情形进行选择。
所述步骤3的算式为zi＝at+b+D，其中a是斜率，b是截距，t是走时，D为半个天线长度和金属波导长度之和，得到反射波导的界面纵坐标位置。该计算公式简单，计算速度很快，能够实时得到界面位置，实现超前预报。
本发明的方法，即使用金属波导置于源于钻头之间，生成的雷达剖面上有界面的信息，而传统的井中雷达仪却无法获得与井正交的地层信息。根据本发明所介绍的带金属杆的井中雷达剖面数据，用本发明给出的预测公式，不但简单直观，而且完全可以进行实时预测界面位置。能够给予钻头下方地层实时地层信息，方便施工人员操作。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明安装示意图；
图2为带金属杆的井中雷达剖面响应简图；
图3为本发明雷达剖面响应灰度图；
图4为预测钻头前方界面用的金属杆引起的导波简图；
图5为预测钻头前方界面用的金属杆引起的导波灰度图；
图6为有金属杆的井中雷达剖面响应简图；
图7为无金属杆的井中雷达剖面响应简图；
图8为有金属杆和无金属杆雷达剖面响应对比灰度图；
附图中标记及对应的零部件名称：
1-金属杆，2-井中雷达仪，3-钻头，4-吊装架，5-吊线，6-地层界面，A-直达波，B-界面位置，C-一次金属导波，D-往返导波，E-二次金属导波，F-反射导波，G-二次往返导波。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一
如图1～8所示，井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法及装置，包括一端连接有钻头3的金属杆1，金属杆1另一端连接有井中雷达仪2，所述金属杆1选用实心结构或者空心结构；选用实心结构时，整个装置的稳定性增强；让整个装置在钻井时更为平稳，更难偏离预设轨迹；选用空心结构时，能够减少装置重量，在更加复杂的地形上使用时，能够方便运输。
所述金属杆1长度为2～3米，形状为圆柱型。选择为圆柱型是为了配合钻头使用，能够与钻头相匹配，长度设置在2～3米是依据典型的地下介质电性参数用计算机仿真计算，并进行对比分析后做的最佳长度选择。
所述金属杆1空心结构壁厚大于1cm。选择壁厚在1cm以上，在最大限度的减轻整个装置的重量情况下，适当加大壁厚，可使整个装置更加稳定。
所述金属杆1通过螺栓连接方式与井中雷达仪连接。使用螺栓连接能够让井中雷达仪2 与金属杆1方便拆卸，在工作完成后，进行运输时，可以将装置的部件分开装运，节约空间。
井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法及装置，所述方法包括如下步骤：
S1：探测装置通过吊装架4放置在垂直于水平地面掘进的矿井中，钻头3向下进行掘进；
S2：钻头3向下进行掘进时，井中雷达仪2发射雷达波，金属杆1的导波作用，使得雷达波在其两个端点间做往返传播，并依次在2个端点处以球面波形式辐射导波各次导波遇到钻头前方的地层界面6的反射时，会依次产生多次反射导波，如一次金属导波C同相轴、二次金属导波E同相轴，依次类推，但导波的幅度依次减小。在雷达剖面上它们是界面位置B的反映。
S3：实际预报往往是测点距离界面位置较远，需要通过图3中的反射导波F同相轴来预测钻头前方界面位置。在雷达剖面上拾取导波的走时参数，根据直线方程计算预测界面的位置。无论是一次导波还是高次导波，只要导波信号的信噪比较好，通过雷达波的时距曲线来估算的界面位置都是几乎一致的。该方法计算简单，处理速度很快，能够实时预测钻头下方地层界面6，快速识别钻头下方的危险介质边界面。
实施例二
如图6～8所示，本实施例通过预设值进行验证，设金属钻杆长度为2.5m，半径为3cm，其下端点与井底的纵坐标是一致的。金属杆上端点以上是长度为0.2m的垂直电偶极子源，激励中心频率为75MHz的微分高斯电压脉冲。井底到z＝0m界面的距离分别为1.5m和0.2m。二层介质的相对介电常数分别为16和8，电导率分别为1mS/m和0.1mS/m。井的半径为5cm，井中介质相对介电常数为60，电导率为0.1S/m，半径为5cm。图4是带金属波导的井中雷达的剖面响应模拟结果，作为对比，图5是传统的井中雷达的模拟结果。显然金属波导引起了很多与界面有关的导波，而传统井中雷达剖面上仅有直达波，没有界面的任何信息。按步骤 5中的计算方法，本发明的金属导波信号预测的界面位置为z＝-0.01m，与真实位置仅相差1cm。从上述的模拟结果可知，本发明的方法，即使用金属波导置于源与钻头之间，生成的雷达剖面上有界面的信息，而传统的井中雷达却无法获得与井正交的地层信息。根据本发明所介绍的带金属杆的井中雷达剖面数据，用本发明方法的预测公式，不但简单直观，而且完全可以进行实时预测界面位置。仿真结果显示，用距离界面7米内的导波数据，预测误差仅为1cm，效果十分明显，充分说明本发明方法的有效性。
实施例三
本实施例与实施例一区别在于，所述金属杆直径小于矿井直径，所述金属杆长度为2～3 米，形状为圆柱型，所述金属杆空心结构壁厚大于1cm，所述金属杆通过螺栓连接方式与井中雷达仪连接。通过螺栓连接能够便于拆卸，能够让井中雷达仪与金属杆分开装运，在现场进行装配。
实施例四
本实施例与实施例一区别仅在于，所述雷达井中仪外部包装有PVC材料，具有良好的化学稳定性，材料软化点在75～80℃，在工作过程中，因工作不会发热，所以采用PVC材料来进行防水、防尘工作。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测装置，其特征在于，包括一端连接有钻头(3)的金属杆(1)，金属杆(1)另一端连接有井中雷达仪(2)。
2.根据权利要求1所述的井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测装置，其特征在于，所述金属杆(2)选用实心结构或者空心结构。
3.根据权利要求2所述的井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测装置，其特征在于，所述金属杆(1)空心结构壁厚大于1cm。
4.根据权利要求1所述的井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测装置，其特征在于，所述金属杆(1)长度为2～3米，形状为圆柱型。
5.根据权利要求1所述的井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测装置，其特征在于，所述金属杆(1)通过螺栓连接方式与井中雷达仪(2)连接。
6.根据权利要求1所述的井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测装置，其特征在于，所述雷达井中仪外部包装有PVC材料。
7.井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：探测装置通过吊装架(4)放置在垂直于水平地面掘进的矿井中，钻头(3)向下进行掘进；
S2：钻头(3)向下进行掘进时，井中雷达仪(2)按自激方式工作，其所发射的雷达波，与金属杆(1)相互作用，会生成雷达导波，在金属杆两个端点间来回传播；当雷达导波到达金属杆(1)下端点时，雷达导波以球面向地下传播，其中，一部分导波遇到钻头前方的地层界面6，生成的反射回波被接收天线记录到，即雷达剖面上的一次金属导波C同相轴，界面位置B时雷达剖面上对应的直线Z＝0m，即一次金属导波C同相轴预报的钻头前方界面位置B；另一部分雷达导波则受到金属杆(1)的导波作用，沿着金属杆(1)的端面向上移动，当到达上端点时，再次以球面波形式辐射导波，该导波中的一部分又沿着金属向下传播，在金属杆(1)下端点处再次以球面波向外辐射导波，遇到地层界面6后，生成的反射回波向雷达接收天线传播，接收天线则会收到二次金属导波E，从而会在雷达剖面上看到一次金属导波C同相轴和二次金属导波E同相轴；在金属杆(1)上的往返导波D作用下，雷达能够接收到很多次界面反射导波F信号，只是随着导波传播的时间增加，高次导波信号幅度会变得越来越弱，而在雷达剖面上越不明显；当往返导波D发生转折时，金属杆(1)下端点接触到界面位置B，随着井中雷达仪(2)向下移动，金属杆(1)跨越地层界面6，往返导波D传播路径上发现两种介质，往返波导D会出现转折，当金属杆(1)穿过介质后，往返波导D返回垂直状态。
S3：在雷达剖面上拾取倾斜的反射导波F同相轴和往返导波D的走时数据，能够推测反射导波F对应的前方界面的位置，通过往返导波D和反射导波F的走时曲线，结合金属杆(1)的长度通过算式进行处理，能够实时预测钻头下方地层界面(6)，快速识别钻头下方的危险介质边界面。
8.根据权利要求7所述的井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法，其特征在于，所述步骤3的算式为:
Zi＝at+b+D0
其中a是斜率，b是截距，t是走时，D0为井中雷达仪(2)天线的一半长度的和金属波导长度之和，得到反射波导的界面纵坐标位置。
9.根据权利要求7所述的井中随钻雷达实时预报地层界面位置的探测方法，其特征在于，所述步骤2井中雷达仪(2)选用主频范围在60MHz～500MHz之间。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210528 |