CN1089684A - 采用井底工作的钻头的地震探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

此方法包括利用在井底(2)工作的钻头(1)进行 地震探测工作，钻头产生强有力的声微动，实时或延 时传递由底孔传感器在紧邻钻头处拾取的钻头微动， 将由接收装置组拾取的地震信号与来自底部的参考 信号作相关。参考信号可由包含在钻具(3)内的线 (4)传至地面站。吸收构件最好置于钻具上以减轻沿 钻具直接传播至地面的振动。也可设置共振构件和 可能的声离散构件以有助于在地震频带内的共振。

Description

本发明涉及利用由井底工作的钻头产生的微动来探测地震的方法及装置。

根据一般采用的技术，钻井是通过将由一组相互连接的钻杆组成的钻杆管柱打过一在地面处的电动钻台来实现的，且管柱的下端有一钻头。

这类钻头可产生强大的地震波，且已设想利用此波来进行对钻头在钻井过程中所穿过的结构层的测量工作，尤其是地震探测工作（称作MWD工作），以减少油井探测费用，因为油井不会因此而停止向下钻孔。然而，这类工作因很多原因而很难进行。由钻头产生的微动的幅度在很大程度上取决于所穿过的结构层的硬度。信号由钻头一直传送，不可能确定一个恒定的参数。另外，所传播的频谱与很多因素有关：所采用的钻头的类型、其旋转速度、构成钻杆组的各种机械构件、所穿过的结构层的特性，等等。

由于发射点和地面站之间有一定距离，波源的形式及发射谱一般都不大熟悉。最多采用的是，微动由根据沿管状钻具的机械传播而布置在地面附近的加速度计来拾取。而且，所传递的信号被沿钻具的复杂的共振和吸收现象所严重扭曲，具取决于地面设备的结构。由于组件的传递函数不太熟悉，因此，没有用来处理地震信号的精确的参数。

另一种熟知的方法包括将一传感器固定至钻杆底部以产生代表所发射的微动的信号并且用来通过调制波将它们传送至地面，比如沿钻井内的流体传播的声波。当数据传送率较低时采用这种方法，但当所获取的信号在较大的探测工作范围内，它就不适用了，除非有一非常大能量的底孔储存装置。

数据处理的困难还在于微动并不只在钻头的高度处发射。已观察到沿钻具的许多部位都是次级微动源。在地面的钻井平台也是这样的情况，它会将沿钻具传播的机械能量通过其支脚部传送至结构层，因此也起到一个次级微动源的作用。

此领域内的实施例子描述于专利US  4，965，774、4，926，391、4，718，048、4，675，852等中。

本发明的方法通过利用由连接在穿过结构层的井底的管形钻具的钻头所产生的微动进行在结构层中的地震探测工作。它包括将一组地震传感器设置成与结构层相接触且与控制及获取站连接，以获取并记录来自结构层的地震信号，它包括在钻头附近探测代表由钻头产生的且施加于结构层的参考信号、将它们传递至所述的控制及获取站并进行对所接收的地震信号的处理工作，比如将拾取的地震信号与所述参考信号作相关。

如果参考信号和地震信号是沿几个轴拾取的，则可分别作相关。

可利用沿管形钻具布置的材料传递通道来实现参考信号的传送。

根据一有利的实施步骤，此方法包括利用解耦装置来减轻由钻头产生的微动沿管形钻具的直接传播，比如套管构件，此构件有弹性冲击吸收装置，冲击吸收装置可在受拉或压缩状态下工作且置于离钻头有一些距离的钻具上，且最好选择成可主要用来衰减其频率在对地震探测有用的频带内的振动。

上述步骤也可以利用置于管形钻具上、靠近钻头之处的装置来得到改进，以通过共振构件和声学离散构件来修改所发射的频谱。

根据一实施例，此方法可以包括根据指令来加强在钻井期间产生的微动。

应用本发明方法可使地震数据记录的利用大为简化，因为所采用的源非常强大，它的发射很长并且因此可获得高的信噪比S/B，并且尤其是由于由工作钻头产生的信号在任何时候都是完全知道的。而且，当采用这个发射完全受限且定位的信号的源时，沿钻具的钻头振动的自由传播被阻止了，因此，许多引发的地震活动可以被压抑，且对所获得的地震记录的数据处理变得方便了。

因为参考信号真正代表了传递的地震能，此方法也可包括对参考信号进行直接分析以确定由钻头穿过的岩石的特性。

它也可包括对由记录所接收的信号所定位的地震活动的后处理以及对地震波在油井周围的结构层的传播速度的变化的确定。

实施装置包括一组与结构层接触的地震传感器，一用来获取和记录由地震传感器接收的以及来自结构层的地震信号的控制及获取站。它包括布置在钻头附近的传感装置以产生代表由钻头产生并施加于结构层的微动的参考信号、以及比如一包含在钻具内的传送通道将所述参考信号实时传递至所述控制及获取站的传送装置，或者可能延时传递，控制及获取站包括信号处理装置，比如用来将参考信号与地震信号作相关的装置。

此装置包括用来拾取几个参考信号组成及几个地震信号组成的装置，而且在此例子中，控制台包括用来对这些信号分别作相关的装置。

此装置最好包括用来减轻由钻头产生的微动沿管形钻具的直接传播的解耦装置。

这些解耦装置包括比如具有弹性冲击吸收装置的套管构件，最好可主要减轻其频率在对地震探测有用的频带内的振动。

根据一有利的实施例，此装置包括置于钻头附近的管形钻具上用来修改由钻头发射频谱的装置，这些装置比如是可能包含在用于地震探测的频带内的频率处回荡的共振构件，比如具有不同声阻的钻头套筒和/或声离散构件，以产生反射并加强由共振构件在有用于地震探测的频带内产生的共振。

如果产生的地震能量不够，有可能利用一具有用来随意加强所产生的微动的装置的钻头，通过传递通道从地面进行控制，比如冲击钻头或一与声波源相结合的钻头。

本发明的方法及装置的其它特点及优点通过阅读下面的结合附图对作为非限定性的例子的实施例所进行的描述就很清楚了。

图1简要地显示了探测井底钻头所产生的微动的整个装置。

图2简要地显示了地面站的布置。

图3、4表示了用作底孔源的钻头所获得的记录，是地面处所接收的一组信号，图中，x是相对于油井位置的横向距离，t是传播时间，此记录分别与一底孔加速度计及一钻具顶部的加速度计作相关。

图5、6显示了在滤去低频后的同一记录。

图7、8分别显示了通过底孔加速度计信号与钻具头部加速度计的信号作相关所得到的功率谱，以及用底孔加速度计所测得的谱。

本发明的方法用一地震传递一接收装置来实现，此装置包括一地震微动源，地震微动源由一沿油井2延伸的并连接至驱使其转动的装置相连接的钻头1所构成。这些装置通常可由一在地面与驱使其转动的动力装置（未示）相连的钻具3所组成。

钻具3由端与端相连的许多管段构成。最好重用如授予申请人的专利US-4，806，115中所述的管段。这些管段的内部有一传递线4的构件以及在每一边缘侧、其管端安装成当它们机构相连时实现传递线4内的构件的自动相连。

一壳体6位于钻头套管5内并靠近钻头，以将一包括测量设备特别是至少有一传感器的传感装置7的底孔组件放在其内，以提供表示由钻头产生的微动的信号。传感装置7包括比如一个或几个加速度计。也可能采用一个或几个提供表示一施加于钻头上的重量的连续信号和一与加速度信号相似是变化信号的应变计。在同一壳体6内的底孔组件也包括一电子元件8，它适用于获得所拾取的信号并将其编码以传递至线4上，还包括一馈给电子元件的电调节元件9。线4的地面处连接至一转动连接器10，以将其永久地连接至一线11，线11连接至一控制站12。利用线4和11，地面站12将电能送至底孔组件内的调节元件9，还有已编码的命令。结果，底孔组件将信号从各传感器7以编码的方式送向地面站12。

如果采用全电缆的钻具，线4可永久地将底孔组件连接至转动连接器。也可以采用转让给同一受让人的专利申请FR  2688027或2688028中所描述的设备来建立用于暂时地震工作的暂时的组合连接。

根据一实施例，传感装置包括一安排成用来探测钻杆轴向运动的加速度计。

根据另一实施例，传感装置7包括两个用转动中的钻杆固定的两个另外的加速度计。这些加速度计布置在钻杆的横向平面内且相互正交。方向传感器（未示）也位于壳体6内以确定由三个加速度计的轴所构成的三面体相对于固定的地理标志的方向。这些方向的测量可通过比如采用专利FR  2，670，532（美国专利申请SN  912，084）中所描述的方法来进步。电子底孔组件8可对所有由传感装置提供的信号进行编码并且将它们通过传递线4传送至地面。

本发明的装置还包括一组用来接收在钻孔所穿过的结构层中传播的地震信号的一套装置13，此信号是由钻头施加于结构层的微动的结果。此接收装置组包括比如本领域内熟知的许多由传递电缆15连接至地面站12的地震仪14。这些地震仪可根据一维和二维布置而分布在地面上，以允许进行所知的3维地震探测法的地震探测工作。接收装置组也可以在近海钻井工作的范围内包括一个或几个由船拖动的或置于海底的地震接收筒（seismic  streamer）。接收装置组也可以允许包括布置在一个或几个其他井内的传感器。钻探中的油井的上部已装套管，可比如用来根据转让给同一受让人的专利FR  2，593，292（美国专利申请SN  004，554）中所描述的方法来设置传感器，其中，传感器嵌于浇注在套管后面的混凝土内并由此与所穿过的结构层相连。

地面站12包括（图2）一控制计算机16，此计算机16引导着一获取装置组17、一记录装置组18和一显示元件19，获取装置组用来一方面获取从井底通过线4、11实时传递的信号而另一方向获取由接收装置组13拾取并由传递电缆15传递的地震信号，记录装置组18用来记录所获取的信号。地面站12也包括一连接至电缆11，并为其提供交流或直流电的供电组件20。

控制计算机16可以将由上述传感装置7传递的各种信号相结合，并确定加速度矢量的分量。

本发明方法包括：一对由中心站直接实时获取的底孔传感器产生的信号进行调节并使其同步，此信号精确地一方面表示由工作钻头施加于结构层的微动，另一方面表示由接收装置组13接收的信号;

一将所接收的信号与产生它们的实时微动作相关，以建立由油井穿过的结构层地的地震记录。

如果此接收系统包括能测量沿三个正交轴的地震信号的组成的三轴传感器，则对所接收的地震信号和各组成与加速度矢量的各组成进行相关。当剪力波被记录下来或用来补偿由钻头对轴向发射的方向性影响、尤其是在偏斜的或水平的油井中时，这项工作证明是非常正确的。

相关最好是由底孔传感器提供的信号的自相关峰点的每侧上分配足够时间间隔内进行，以计入多个前波（forrunner）的影响，这是考虑到记录的地震数据的后面的处理工作。

经验显示，获得的结果与那些由钻具顶部的加速度计拾取考虑信号的已有技术相比有了显著的改进，如图3至图8所示。

在图3至图6中，参数ACF和ACFS分别指底孔加速度计信号的自相关和来自此加速度计的信号与来自钻具顶部处的加速度计的信号的互相关。钻头微动直接到达地面的ADF可见于图3（与底孔加速度计作相关），而不是示于图4。响应于由钻具传递的微动的井架的振动所产生的折射到达的AR的最大峰值也可得到。这是由于用来记录的钻具在这里没有装备有上述的衰减装置21。图5显示出，当采用底孔加速度计而不是在其他例子中（图6）采用钻具顶部的加速度计时，从底部直接到达的ADF就更明显了。也可以看到，当采用底孔加速度计作相关时，频率范围更高了。

将图8（底孔加速度计表示由钻头有效发射的微动）与图7（加速度计在钻具顶部）相比，显示出钻具比如加强了15Hz以下的频率而减轻了35至69Hz之间的高频。

通过修改前面的地震传递接收系统以通过防止整个钻具振动将传递区更好地限制在所产生的微动的结构层，甚至可获得好得多的结果。为此，在钻具上装入阻尼装置21以限制微动向上部的传播。

在本技术中熟知冲击吸收器，但它们通常只用于与钻井活动相关的原因。这些吸收器的目的比如用来增加钻头的寿命或更好地控制可能的钻井偏差。

在本发明的方法中，冲击吸收器比如用来限制纵向振动向地面的传播和获得一个最好位于钻头高度处的微动源。适合于在压缩状态下工作的吸收器可以靠近钻具底部设置。为了提高其效率，更适合于在受拉状态下工作的冲击吸收器可高于钻具设置。

最好选择的衰减装置设计成用来吸收最好是与地震学相关的频带，比如用来进行油井和地面之间的地震探测的10至150Hz，以及用来进行油井之间地震探测的可能更高的频率。

这些阻尼装置防止了由于钻具共振或地面钻井设备的腿部引发的振动施加到结构层，从而不会干扰获得的地震记录。从而，使图3至图6中可见的折射到达的AR为最小。

本发明方法还有一个改进包括通过修改钻具来修改施加于结构层的微动的频谱。这可通过在钻具上一些选择位置处安置可能在地震频带内回荡的构件。尤其对于钻头套管，它起着声学共振器的作用并且发射有助于拓宽源频谱的基频和谐频。为了实现本发明方法，在钻头套管的最佳处安置具有不同声阻的构件，以产生反射和有助于一些由钻头套管产生的有益的共振。

对上述各种衰减或共振构件及其特定参数的选择可由一计算机建立模型和进行确定，计算机有一专门的软件来获得一足以有效地进行钻井并且同时使地震功能优化的工作钻具。

由钻头产生的地震能量有时不是足够的。原因可能常常是所使用的钻头所造成的。有时也由于由工具所穿过的地层的性质所决定，其地层太软。在这种情况下，最好采用已经熟知类型的钻头，可用来在地面站由传递线4传递的命令下在孔底处产生冲击力。也可能采用一包括诸如申请人提交的专利申请EN92/04，502中所述的振动源的底孔组件。

除了应用于完成一维或多维的地下地震反射装置的描述，本发明的方法也可以用来便于钻井操作或用来获得关于所穿过的结构层的特性的各种信息。具体地震活动的记录通过相关进行的随后处理给出了波的传播速度方面的信息，如同可由一专门的声音型的测程装置，并能因此建立速度的测量记录。在孔底和传感器之间的直接传递时间的精确测量还提供了关于钻头的位置和钻孔的速度。由于由钻头产生的微动的形式或“釜字”完全如在井底测量的那样，上述方法也可用来确定所穿过的岩石的特性以及用来确定钻头磨损到需要更换的时间。

与上述刚性钻具传递线的方式不同，此方法可以采用一钻头作为地震源，其钻头由孔下马达驱动、并由许多从储藏卷筒（线圈管）上解下的软管组成的一连续管连接到地面。在这种情况下，更简单地，由一与连接管成一体的电缆可实现底孔传感器7和地面站之间的直接连接。

上面已对此方法的实施例进行了描述，其中，由底孔传感器7接收的信号直接实时传递最好用来与地震记录作相关。

然而，不偏离本发明范围，底孔组件可有储存装置用来储存表示钻头微动的信号，而且，只要能精确地建立一允许进行上述相关工作的共同参考常数，则可实现这些信号至地面站的延时传递。

Claims (27)

1、一种在结构层中进行地震探测的工作方法，利用由连接至一位于钻过结构层的井底处的管形钻具的钻头产生的微动来进行，其特征在于，此方法包括设置一组与结构层相接触且连接至一用来获取并记录来自结构层的地震信号的控制及获取站的地震传感器，还包括在钻头附近探测代表由钻头产生且施加于结构层的微动的参考信号，将它们传递至所述控制及获取站，并对这些接收的地震信号进行处理工作。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的处理工作包括对所拾取的地震信号与所述参考信号作相关。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，参考信号代表沿至少两个轴的由钻头产生的微动的组成，此组地震传感器包括用来拾取沿至少两个轴的地震信号的组成的敏感构件，微动组成与接收的信号的组成分别作相关。

4、如权利要求1至3中任意一个所述的方法，其特征在于，所述参考信号的传递是利用一沿管状钻具布置的材料传递通道来实现的。

5、如权利要求1至4中任意一个所述的方法，其特征在于，包括采用解耦装置来减轻由钻头产生的微动沿管状钻具的直接传播。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的解耦装置包括采用弹性冲击吸收装置的套管构件。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，套管构件采用可压缩状态下工作且位于钻头附近的弹性装置，弹性装置可主要减轻频率在有用于地震探测的频带内的振动。

8、如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，套管构件采用可在受拉状态下工作且离开钻头一段距离的弹性装置，弹性装置可主要减轻其频率在有用于地震探测的频带内的振动。

9、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，包括采用一设置在管状钻具上靠近钻头部分的装置来修改频谱。

10、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，包括根据指令加强在钻井期间产生的微动。

11、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，包括直接分析参考信号以确定由钻头穿过的岩石的特性。

12、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，包括通过记录接收的地震信号所探测的地震活动进行后处理以及确定地震波在油井周围的结构层内的传播速度的变化。

13、如上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，包括分析参考信号以确定随钻头状态的时间上的变化。

14、一种在结构层中进行地震探测工作的装置，利用由连接至钻过结构层的井底处的管状钻具的钻头产生的微动来进行探测，其特征在于，该装置包括一组用来接收来自结构层的地震波的地震传感器，一用来获取和记录由所述地震传感器接收的来自结构层的地震信号的控制及获取站，还包括布置在钻头附近以提供代表由钻头产生且施加于结构层的微动的参考信号的传感装置，用来将所述参考信号传递至包括信号处理装置的所述控制及获取站的装置。

15、如权利要求14所述的装置，其特征在于，控制及获取站包括用来将参考信号与地震信号作相关及记录所获得的相关结果的装置。

16、如权利要求14或15所述的装置，其特征在于，传感装置包括响应于沿至少两个轴的微动的组成的第一构件，地震传感器包括响应于沿至少两个轴的地震信号的组成的第二构件，所述相关装置可在分别由第一和第二响应构件拾取的组成之间作相关。

17、如权利要求14至16中任一权利要求所述的装置，其特征在于，包括至少一个沿管状钻具布置用来将所述传感装置直接连接至控制及获取站的材料传递通道。

18、如权利要求17所述的装置，其特征在于，包括用来减轻由钻头产生的微动沿管状钻具的直接传播。

19、如权利要求18所述的装置，其特征在于，解耦装置包括具有弹性冲击吸收装置的套管构件。

20、如权利要求19所述的装置，其特征在于，套管构件具有可在压缩状态下工作且位于钻头附近的弹性装置，弹性装置可主要减轻频率在有用于地震探测的频带内的振动。

21、如权利要求19或20所述的装置，其特征在于，套管构件具有可在受拉状态下工作且离开钻头一段距离的弹性装置，弹性装置可主要减轻其频率在有用于地震探测的频带内的振动。

22、如权利要求14至21的任一权利要求所述的装置，其特征在于，包括安置于管状钻具的钻头附近处以修改所发射的频谱的装置。

23、如前一权利要求所述的装置，其特征在于，用来修改频谱的装置包括可能在包含于有用于地震探测的频带的频带处回荡的共振构件，比如钻头套筒。

24、如前一权利要求所述的装置，其特征在于，包括具有不同声阻的声离散构件，用来产生反射及加强在有用于地震探测的频带内由共振构件产生的共振。

25、如权利要求14至24中的任意一个所述的装置，其特征在于，包括一具有随意加强所产生的微动的装置的钻头，所述装置从地面通过传递通道进行控制。

26、如前一权利要求所述的装置，其特征在于，包括一可利用所述传递通道进行控制的冲击钻。

27、如权利要求26所述的装置，其特征在于，包括与一可通过所述传递通道控制的声波源相连的钻头。

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