CN111364981A - 用于测量近钻头随钻岩性的方法及监测随钻岩性的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量近钻头随钻岩性的方法及监测随钻岩性的系统，包括：获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号；按照预设的采样频率，将音频时域信号进行频谱转换处理，得到含有地层岩性信息的音频信号频谱数据；根据音频信号频谱数据，得到用于描述当前随钻破岩位置处岩石性质的主成分频率数据和/或声压幅度变化数据，进一步将其整合成随钻破岩特征信息；将随钻破岩特征信息进行输出，以被地面设备接收并预测钻头前方地质信息。本发明能够实时准确反映钻头附近岩性，优化随钻测量数据，有利于井下复杂事故的预防。
Description
技术领域
本发明涉及油气井工程井下随钻测量领域，具体地说，是涉及一种用于获取近钻头随钻岩性的方法、装置及监测近钻头随钻岩性的系统。
背景技术
钻井过程中不仅需要实时监测近钻头工程参数，如井斜、方位、温度、压力、扭矩等，而且还需要实时测量近钻头地层参数(伽马、电阻率、声波等)，这些参数的获取对于高效钻井和安全钻井具有十分重要的意义。在地质导向钻井过程中，一般通过伽马计数来识别地层岩性，定位出钻头当前所在地层位置，从而指导钻头钻进方向，使得钻头在产层里穿过，提高了大斜度井特别是水平井钻井成功率。然而，通过伽马计数识别地层岩性的深度很有限，只能区分出井眼表层地层的岩性，而对于钻头前方和井眼周围几米远和十几米远的地层岩性划分则受到限制。如果钻井速度过快，钻头钻破高压地层、溶洞或者断层，必然会引起井喷、井漏和钻具磨损等重大钻井事故，给油气开发带来巨大损失。
随钻声波测井技术的发展使得利用音频信息来获取地层特性成为了一种常规测井手段，其技术特点是通过测量井眼表层地层的声速和幅度等信息来划分地层岩性，计算地层的杨氏模量和泊松比，从而间接获取地层压力状况。但在实际应用过程中的现实情况是，钻井工程中只是把声波速度和幅度信息利用起来了，而对声波的固有频率参数很少提及，任何一种介质或地层，抛开频率谈声波的传播速度和幅度衰减是毫无意义的。因此，利用非基于频率信号的声波传播速度和幅度衰减的参数来预测和评价随钻过程中钻头前方的岩石类型是不准确的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种通过采集到的破岩过程中产生的破岩振击力对应的音频信号的方式，测量并识别当前破碎岩石的岩性及类型，进一步通过随钻测量仪器中螺杆上方的具有电磁波无线传输功能的MWN短节内将预测结果传输至地面设备中，从而对井下地层岩性的固有频率进行实时的监测，用以对当前岩性进行判断并对钻头前方的地质特性进行预测。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测量近钻头随钻岩性的方法，包括：步骤一，获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号；步骤二，按照预设的采样频率，将所述音频时域信号进行频谱转换处理，得到相应的含有地层岩性信息的音频信号频谱数据；步骤三，根据所述音频信号频谱数据，得到用于描述当前随钻破岩位置处岩石性质的主成分频率数据和/或声压幅度变化数据，进一步将其整合成随钻破岩特征信息；步骤四，将所述随钻破岩特征信息进行输出，以被地面装置接收，用来对钻头前方地质信息进行预测。
优选地，所述步骤三包括：根据所述主成分频率数据，利用预设的主成分频率与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第一地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第一地层弹性模量和所述第一地层弹性模量对应的岩石类型信息。
优选地，所述步骤三包括：根据所述声压幅度变化数据，利用预设的声幅分贝与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第二地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第二地层弹性模量和所述第二地层弹性模量对应的岩石类型信息。
优选地，所述步骤三进一步包括：根据预设的主成分频率的阶数，从所述音频信号频谱数据中提取出与主成分频率阶数匹配的最大频谱分量，得到包括多个主频率数据的所述主成分频率数据。
优选地，当所述主成分频率阶数为1时，从所述音频信号频谱数据中提取峰值频谱分量，得到包括峰值主频率的所述主成分频率数据。
优选地，所述步骤三进一步包括：根据所述音频信号频谱数据得到所述音频信号频谱数据对应的电压幅度变化量；根据所述电压幅度变化量、以及用于采集所述音频时域信号的音频传感器的灵敏度，得到表征当前钻头破岩时产生的声场压力变化能量的所述声压幅度变化数据。
优选地，根据波阻抗系数、声波传播距离系数和声波在地层中的传播速度，得到频率与地层弹性模量关系式，用以构建所述主成分频率与岩样类型映射模型。
优选地，所述步骤一包括：通过按照预设的传感器设置距离安装在螺杆钻具与钻头之间的近钻头短节侧壁内的音频传感器，实时采集钻头破岩过程中产生的破岩振击力的音频原始信号；将所述音频原始信号进行包括放大、模数转换的预处理后，得到所述音频时域信号。
另一方面，本发明还提出了一种用于测量近钻头随钻岩性的装置，包括：音频数据采集模块，其用于获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号；音频数据转换模块，其用于按照预设的采样频率，将所述音频时域信号进行频谱转换处理，得到相应的含有地层岩性信息的音频信号频谱数据；音频数据分析模块，其用于根据所述音频信号频谱数据，得到用于描述当前随钻破岩位置处岩石性质的主成分频率数据和/或声压幅度变化数据，进一步将其整合成随钻破岩特征信息；信息传输发射模块，其用于将所述随钻破岩特征信息进行输出，以被地面装置接收，用来对钻头前方地质信息进行预测。
优选地，所述音频数据分析模块包括：第一分析单元，其中，所述第一分析单元，其用于根据所述主成分频率数据，利用预设的主成分频率与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第一地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第一地层弹性模量和所述第一地层弹性模量对应的岩石类型信息。
优选地，所述音频数据分析模块还包括：第二分析单元，其中，所述第二分析单元，其用于根据所述声压幅度变化数据，利用预设的声幅分贝与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第二地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第二地层弹性模量和所述第二地层弹性模量对应的岩石类型信息。
优选地，所述音频数据采集模块包括：音频传感器，其按照预设的传感器设置距离安装在螺杆钻具与钻头之间的近钻头短节侧壁内，用于实时采集钻头破岩过程中产生的破岩振击力的音频原始信号；信号调理单元，其用于将所述音频原始信号进行包括放大、模数转换的预处理后，得到所述音频时域信号。
另外，本发明提供了一种用于监测近钻头随钻岩性的系统，所述系统包括：如上述所述的用于测量近钻头随钻岩性的装置，其安装于螺杆钻具与钻头之间的近钻头短节侧壁内；随钻测量装置，其安装在所述螺杆钻具远离钻头侧的随钻测量短节侧壁内，所述随钻测量装置具备信息传输接收模块和MWD模块，用于利用所述信息传输接收模块接收从所述用于测量近钻头随钻岩性的装置内的信息传输发射模块处获得的随钻破岩特征信息，并通过所述MWD模块将其转发至地面装置，用来对钻头前方地质信息进行预测。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明提出了一种用于获取近钻头随钻岩性的方法、装置及监测近钻头随钻岩性的系统。该方法和系统可以直接通过采集到的音频信号的频谱数据判断出破岩位置处的岩样性质及所属类型。进一步基于向地面传输的随钻破岩特征信息，来预测钻头前方裂缝、溶洞等的地质信息，用于实时指导优化钻井参数。本发明具有机械结构简单，提前预判钻头前方地质特征的优点，适用于石油和天然气钻井过程中钻井参数优化，有利于井下复杂事故的预防。另外，本发明所述装置位于近钻头位置，具体是螺杆钻具与钻头之间，能够及时准确反映钻头附近岩性。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请实施例的用于监测近钻头随钻岩性的系统的总体结构示意图。
图2为本申请实施例的用于测量近钻头随钻岩性的装置101的结构示意图。
图3为本申请实施例的用于测量近钻头随钻岩性的装置101的安装示意图。
图4为本申请实施例的音频时域信号的波形示意图。
图5为本申请实施例的音频时域信号的频谱示意图。
图6为本申请实施例的用于测量近钻头随钻岩性的方法的步骤图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
随钻声波测井技术的发展使得利用音频信息来获取地层特性成为了一种常规测井手段，其技术特点是通过测量井眼表层地层的声速和幅度等信息来划分地层岩性，计算地层的杨氏模量和泊松比，从而间接获取地层压力状况。但在实际应用过程中的现实情况是，钻井工程中只是把声波速度和幅度信息利用起来了，而对声波另外固有的频率参数很少提及，任何一种介质或地层，抛开频率谈声波的传播速度和幅度衰减是毫无意义的。因此，利用非基于频率信号的声波传播速度和幅度衰减的参数来预测和评价随钻过程中钻头前方的岩石类型是不准确的。
由于不同地层都有自己的固有频率，在这个频率上传播的声波幅度是最大的，具备这两个要素(频率和幅度)就引出了本发明实施例中的频谱测量方法，而通过近钻头音频随钻测量来预测随钻岩性就是这种方法在钻井工程中的实际应用。音频信号和地层岩性密切相关，钻头切割和震碎砂岩、页岩、灰岩的声音是不同的，有的很刺耳，有的很沙哑，根据这个特征则可以对地层的岩性进行划分，从而为钻前地层预测提供服务。
因此，为了克服上述技术问题，本发明提供了一种用于获取近钻头随钻岩性的方法、装置及监测近钻头随钻岩性的系统。该方法和系统通过安装在近钻头位置处(螺杆钻具和钻头之间)的音频传感器获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号，对该信号进行频谱分析，进一步通过主成分频率分析和/或声幅数据变化量分析的方式对当前破岩位置处的岩石类型及性质进行识别，得到相应的包括：主成分频率数据、主成分频率数据对应的地层弹性模量、声幅数据变化量和声幅数据变化量对应的地层弹性模量在内的随钻破岩特征信息。而后，通过位于螺杆钻具上方的MWD短节内的设备将上述分析结果实时转发至地面设备中，实现了对井下地层岩性的固有频率和岩性评价结果的实时监测。
实施例一
图1为本申请实施例的用于监测近钻头随钻岩性的系统的总体结构示意图。如图1所示，该系统自下而上依次包括：钻头300、近钻头短节(也称“近钻头音频随钻监测短节”)100、螺杆钻具400和随钻测量短节200。其中，随钻测量短节200位于螺杆钻具400的上方。随钻测量短节200侧壁内设置有随钻测量装置201，随钻测量装置201至少包括信息传输接收模块210和MWD模块220。具体地，信息传输接收模块210，用于通过电磁波无线传输方式实时获得从下述近钻头短节100内的信息传输发射模块140发送的随钻破岩特征信息，并将该信息转发至MWD模块220。而后，MWD模块220，用于将从信息传输接收模块210获取到的随钻破岩特征信息与其他随钻测量数据进行整合，将整合后的信息传输至地面装置(未图示)，以被地面设备接收存储，进而利用地面装置根据这些信息对钻头300前方(钻进方向)的地质信息进行预测。其中，该地质信息为预测前方裂缝、溶洞等信息。
近钻头短节100设置于上述钻头300和螺杆钻具400之间。近钻头短节100包括短节本体(未图示)、短节本体侧壁内设置有随钻岩性测量装置的凹槽骨架(未图示)、安装在上述凹槽骨架内的用于测量近钻头随钻岩性的装置(以下简称“随钻岩性测量装置”)101、以及安装在随钻岩性测量装置101外侧的外层保护套筒(未图示)。其中，外层保护套筒的外侧边缘与短节本体外侧壁边缘齐平。进一步，随钻岩性测量装置101用于实时采集钻头300在实时钻进过程中产生的音频原始信号，根据该信号进行调理、频谱转换和频谱分析后得到描述当前破岩位置处的岩石性质的主成分频率数据、主成分频率数据对应的地层弹性模量数据、声压幅度变化数据和声压幅度变化数据对应的地层弹性模量，进一步识别出当前岩样的类型，得到相应的随钻破岩特征信息。其中，岩石类型至少包括砂岩、泥岩和灰岩。
图2为本申请实施例的用于测量近钻头随钻岩性的装置101的结构示意图。如图2所示，该装置101至少包括：音频数据采集模块110、音频数据转换模块120、音频数据分析模块130、信息传输发射模块140和电源模块150。图3为本申请实施例的用于测量近钻头随钻岩性的装置101的安装示意图。图3为近钻头短节100的横截面示意图，展示了随钻岩性测量装置101内各个模块的安装位置。下面对随钻岩性测量装置101内的各模块的结构和功能进行说明。
参考图6，在步骤S610中音频数据采集模块110用于获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号。其中，音频数据采集模块110包括音频传感器111和信号调理单元112。
具体地，音频传感器111按照预设的传感器设置距离安装在螺杆钻具400与钻头300之间的近钻头短节100侧壁内。音频传感器111用于实时采集钻头破岩过程中产生的破岩振击力的音频原始信号。在本发明实施例中，传感器设置距离的范围为：0.2～1m。优选地，该距离为0.4米。
在一个实施例中，音频传感器111采用如PCB压电传感器公司的音频传感器，本实施例采用型号为HT378C20的PCB压电式音频传感器，灵敏度为50mV/Pa，测量频率范围为3.5-16000Hz，输出信号为mV级信号，经过OP27运算放大后可以直接送入模数转换器进行数据采集。
需要说明的是，当钻头300切割岩石时，钻头300连接在钻铤上，在破岩时有两个方向的作用力，一个是沿着钻头300前方的振击力，另一个是钻头300侧向的切割力，振击力能够在时间域瞬时产生很大的能量(参考图4)。因此，在频率域上包含了所有的频率成分(参考图5)，即
其中，切割力的频率和钻头旋转速度有关。沿钻头300前方的振击力会使得钻进的当前地层岩石产生振动，从而产生包含有固有频率信息的相应的音频信号(音频原始信号)，该音频信号被按照传感器设置距离设置在近钻头短节100侧壁内的音频传感器111接收到，进一步使得随钻岩性测量装置101能够利用音频传感器111采集到的包含有当前地层固有频率的音频原始信号，进行主成分频率提取，以获得当前破岩位置所在地层的固有频率数据，用以描述随钻岩石的性质及类型。
进一步，信号调理单元112与音频传感器111连接，用于实时获取音频传感器111采集到的音频原始信号，并将该音频原始信号进行包括放大、模数转换的预处理工作，而后，得到相应的音频时域(数字)信号。
参考图6，在步骤S620中音频数据转换模块120用于按照预设的采样频率，将音频时域信号进行频谱转换处理，得到相应的含有地层岩性信息的音频信号频谱数据。具体地，通过傅里叶变换等数字信号时域频域转换方法进行频谱转换处理。优选地，在本发明实施例中，音频数据转换模块120采用快速傅里叶变换法进行频率转换处理。
图4为本申请实施例的音频时域信号的波形示意图。图5为本申请实施例的音频时域信号的频谱示意图。如图4所示，当前音频时域信号在时域上看不出任何与地层岩性有关的信息，但是从如图5所示的频谱示意图中，则可以看出当前音频信号频谱数据的声波频率为10Hz左右，根据该频率可以初步判断当前破岩位置处的地层弹性模量较低，因此，所钻地层可能是泥岩地层。
接着，对音频数据分析模块130进行说明。再次参考图2，音频数据分析模块130包括第一分析单元131、第二分析单元132和结果整合单元133。参考图6，在步骤S630中音频数据分析模块130用于根据音频信号频谱数据，得到用于描述当前随钻破岩位置处岩石性质的主成分频率数据和/或声压幅度变化数据，进一步将其整合成相应的随钻破岩特征信息。
具体地，第一分析单元131用于根据主成分频率数据，利用预设的主成分频率与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第一地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型。其中，上述随钻破岩特征信息不仅包括的主成分频率数据、声压幅度变化数据，还包括第一地层弹性模量和第一地层弹性模量对应的岩石类型信息。
进一步的，首先，第一分析单元131用于根据预设的主成分频率的阶数，从上述音频信号频谱数据中提取出与主成分频率阶数匹配的最大频谱分量，得到包括多个主频率数据的主成分频率数据。在实际应用过程中，为了保障对岩石性质描述的精确性和准确性，设置有针对主成分频率的阶数N，阶数数据越高对岩石性质的描述精细化程度越高。尤其是更加利于具有过渡性岩石的性质的描述。第一分析单元131从实时获得的上述音频信号频谱数据中提取出与主成分频率阶数个的最大频谱分量，得到与主成分频率阶数数据的个数匹配的主频谱(分量)，也就是多个主频率数据。在一个实施例中，若该阶数为3，则需要从当前音频信号频谱数据中提取出三个主频率数据，即f1、f2和f3(参考图5)，也就是主成分频率数据。
然后，根据当前包括多个主频率数据的主成分频率数据，利用频率与地层弹性模量关系式，计算出每个主频率数据对应的地层弹性模量数据(即K1、K2和K3)，进一步利用主成分频率与岩样类型映射模型，确定出与当前多个地层弹性模量数据对应的第一地层弹性模量，从而确定出了当前钻头破岩位置处的岩石类型。其中，主成分频率与岩样类型映射模型为通过多个主频率数据对应的综合描述当前地层岩石类型的地层弹性模量数据，包括：第一阶主频率、第二阶主频率、第三阶主频率、……第N阶主频率、多个主频率数据对应的地层弹性模量(也就是上述第一地层弹性模量)。
进一步，在主成分频率与岩样类型映射模型构建过程中，需要根据波阻抗系数、声波传播距离系数和声波在地层中的传播速度，得到频率与地层弹性模量关系式，也就是关系式(1)，用以构建表征地层岩性的主成分频率与岩样类型映射模型。其中，上述关系式(1)用如下表达式表示：
在式(1)中，K表示地层弹性模量，a表示波阻抗，该参数岩石中的纵波速度与岩石密度的乘积，它反映了岩石对动量传递的抵抗能力，d表示声波传播距离，i表示虚数单位，v表示声波在地层中的传播速度，f表示含有地层岩性信息的主频率数据。在本发明的一个实施例中，在通过关系式(1)计算出每个主频率数据对应的地层弹性模量数据后，再将多个地层弹性模量数据进行均值化处理，得到均值化的地层弹性模量数据，并将该均值化的地层弹性模量作为上述多个主频率数据对应的地层弹性模量(也就是上述第一地层弹性模量)。其中，在本发明实施例中，利用地层弹性模量的范围来划分岩石类型，以确定当前破岩位置处对应的岩石类型。这样，在确定出第一地层弹性模量数据后，便通过地层弹性模量的划分范围确定出当前破岩位置处岩样所属的类型。
另外，在上述构建多阶主成分峰值频率与岩样类型映射模型过程中，如果确定出当前地层岩样是完全弹性的，也可以利用关系式(2)表示频率与地层弹性模量关系式。其中，上述关系式(2)用如下表达式表示：
在式(2)中，对于等体积的岩样，M表示岩样质量，单位为kg。
由于地层弹性模量越高，岩样的硬度越大，岩样的固有频率就越大。岩样质量越大，岩样的固有频率就越小。这样，当采集到近钻头音频原始信号时，由主频率数据f可以反推出每个主频率数据对应的表征岩样类型的弹性模量，进一步得到多个主频数量数据对应的地层弹性模量，即第一地层弹性模量，从而确定出当前破岩位置处对应的岩样类型。
更进一步地说，当上述主成分频率阶数为1时，第一分析单元131只需用于从实时获得的音频信号频谱数据中提取峰值频谱分量，得到包括峰值主频率的主成分频率数据。而后，第一分析单元131用于利用主成分频率与岩样类型映射模型，由当前峰值主频率得到相应的表征岩样类型的地层弹性模量数据，即第一地层弹性模量，基于此，确定出当前钻头破岩位置处的岩石类型。此时的主成分频率与岩样类型映射模型仅包括：峰值主频率、峰值主频率对应的地层弹性模量。其中，峰值主频率对应的地层弹性模量，利用关系式(1)或关系式(2)根据峰值主频率得到，也就得到了这种情况下的第一地层弹性模量。
进一步的，第二分析单元132用于根据声压幅度变化数据，利用预设的声幅分贝与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第二地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型。其中，上述随钻破岩特征信息不仅包括主成分频率数据、声压幅度变化数据，还包括第二地层弹性模量和第二地层弹性模量对应的岩石类型信息。
首先，第二分析单元132用于根据音频信号频谱数据得到音频信号频谱数据对应的电压幅度变化量，进一步根据电压幅度变化量、以及用于采集音频时域信号的音频传感器111的灵敏度，得到表征当前钻头破岩时所产生的声场压力变化能量的声压幅度变化数据。
具体地，还可以利用音频信号频谱数据的幅度计算钻头300破岩瞬间声场的压力变化，由于钻头300破开具有不同弹性模量的岩石所需要的能量不同，因而产生的声场压力变化也不相同，所以根据音频信号频谱数据幅度变化可以获得相应的声场压力变化量，用声场压力变化量即声幅分贝数，来对待钻岩石岩性的弹性模量进行精细描述，从而达到实时判断岩性的目的，进一步根据每种岩石类型所属的声幅分贝数范围，识别砂岩、泥岩和灰岩，从而预测钻头前方裂缝、溶洞等地质信息。
根据音频原始信号的测量原理，经过时域频域转换后得到的音频信号频谱数据，不仅包含与上述采样频率对应的单位频率变化量，还包括单位频率变化量对应的电压幅度变化量参数。因此，第二分析单元132需要先从实时获取到的音频信号频谱数据得到相应的电压幅度变化量。而后，根据电压幅度变化量，利用频率幅度与声压幅度关系式，也就是关系式(3)，计算当前声压幅度变化数据。其中，关系式(3)用如下表达式表示：
SPL＝V/S (3)
在式(3)中，SPL表示声幅变化数据，V表示电压幅度变化量，S表示音频传感器111的灵敏度。通常，用声幅分贝数来表征声幅变化数据的大小，根据钻头破开具有不同弹性模量的岩样时所产生不同的声幅分贝数，进一步得到能够表征当前岩石岩性的第二地层弹性模量。需要说明的是，第二地层弹性模量反映的是地层的非均质性，即地层内有孔隙结构存在，孔隙内含有油气等流体。具体地，地层孔隙越大，孔隙数量越多，则地层的第二弹性模量就越小，那么在破岩时刻所产生的声幅分贝数就越小。因此，根据地层孔隙结构与声幅分贝数的关系，便构建出了声幅分贝与岩样类型的映射模型，用关系式(5)来表示。其中，关系式(5)表示为：SPL～Kv(Φ)，在式(5)中，Kv表示与孔隙度有关的第二地层弹性模量，Φ表示孔隙度。因此，利用上述关系式(5)可以通过声幅分贝数计算出第二地层弹性模量。
在本发明实施例中，利用地层弹性模量的范围来划分岩石类型，以确定当前破岩位置处对应的岩石类型。这样，在确定出第二地层弹性模量数据后，便通过地层弹性模量的划分范围确定出当前破岩位置处岩样所属的类型。
在一个实施例中，也可以利用关系式(4)表示频率幅度与声压幅度关系式。其中，关系式(4)用如下表达式表示：
在式(4)中，Vrms表示电压幅度变化量均值，单位为mV；S表示音频传感器111的灵敏度，单位mV/Pa；Pref表示空气中的参考压力(一般为20*10-6Pa)。
上述结果整合单元133与第一分析单元131和第二分析单元132连接，用于接收各单元的计算结果，从第一分析单元131处获得主成分频率数据、和/或主成分频率数据对应的第一地层弹性模量、和/或第一弹性模量对应的岩样类型信息，并且从第二分析单元132处获得声幅数据变化量、和/或声幅数据变化量对应的第二地层弹性模量、和/或第二弹性模量对应的岩样类型信息，进一步将上述信息进行整合，得到相应的随钻破岩特征信息。而后，结果整合单元133将整合完成的随钻破岩特征信息发送至信息传输发射模块140。另外，上述结果整合单元133将实时整合完成的随钻破岩特征信息进行时间和/或深度的标记，将标记后的随钻破岩特征信息存储于随钻岩性测量装置101内的存储器(未图示)内。
最后，对信息传输发射模块140进行说明。再次参考图6，在步骤S640中信息传输发射模块140用于通过电磁波无线传输方式将从音频数据分析模块140实时获得的随钻破岩特征信息输出至上述随钻测量短节200内的信息传输接收模块210，用以对钻头300前方地质信息进行预测。另外，电源模块150用于为上述音频数据采集模块110、音频数据转换模块120、音频数据分析模块130和信息传输发射模块140提供相应的工作电源。
需要说明的是，由于采集的原始音频数据的数据量非常大，无法直接通过随钻测量短节200直接上传，因此，需要将随钻破岩特征信息内的数据(主成分频率数据、主成分频率数据对应的第一地层弹性模量、第一弹性模量对应的岩样类型信息、声幅数据变化量、声幅数据变化量对应的第二地层弹性模量、第二弹性模量对应的岩样类型信息)进行实时上传即可。优选地，也可只将峰值频率和声压幅度变化数据SPL这两个最重要的特征值，经过信息传输发射模块140和信息传输接收模块210，发送至随钻测量装置201，并由随钻测量装置201上传至地面。而原始测量数据中的随钻破岩特征信息内的四类数据均实时存储到随钻岩性测量装置101内的存储器(未图示)中，用以在后期出井回放时，通过时间-深度转换，回放随钻监测数据。
实施例二
另一方面，本发明还提出了一种用于获取近钻头随钻岩性的方法，该方法利用上述用于监测近钻头随钻岩性的系统内的随钻岩性测量装置101进行实时获取近钻头随钻岩性的特征信息，其中，该方法中所涉及的装置、设备、模块和单元等部件均具备上述随钻岩性测量装置101内相应设备的功能。图6为本申请实施例的用于测量近钻头随钻岩性的方法的步骤图。
如图6所示，在步骤S610中，音频数据采集模块110获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号。具体地，音频数据采集模块110通过按照预设的传感器设置距离安装在螺杆钻具400与钻头300之间的近钻头短节100侧壁内的音频传感器111，实时采集钻头破岩过程中产生的破岩振击力的音频原始信号。而后，音频数据采集模块110将该音频原始信号进行包括放大、模数转换的预处理后，得到音频时域信号。
在步骤S620中，音频数据转换模块120按照预设的采样频率，将实时获得的音频时域信号进行频谱转换处理，得到相应的含有地层岩性信息的音频信号频谱数据。在一个实施例中，音频数据转换模块120采用快速傅里叶变换进行时域频域转换处理。
接着，在步骤S630中，音频数据分析模块130根据上述经过转换处理的音频信号频谱数据，得到用于描述当前随钻破岩位置处岩石性质的主成分频率数据和/或声压幅度变化数据，进一步将其整合成相应的随钻破岩特征信息。
具体地，音频数据分析模块130内的第一分析单元131根据主成分频率数据，利用预设的主成分频率与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第一地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，上述随钻破岩特征信息不仅包括的主成分频率数据、声压幅度变化数据，还包括第一地层弹性模量和第一地层弹性模量对应的岩石类型信息。
进一步的，首先，第一分析单元131根据预设的主成分频率的阶数，从上述音频信号频谱数据中提取出与主成分频率阶数匹配的最大频谱分量，得到包括多个主频率数据的主成分频率数据。然后，根据当前包括多个主频率数据的主成分频率数据，利用频率与地层弹性模量关系的关系式(1)或关系式(2)，计算出每个主频率数据对应的地层弹性模量数据，进一步利用主成分频率与岩样类型映射模型，确定出与当前多个地层弹性模量数据对应的第一地层弹性模量，从而确定出了当前钻头破岩位置处的岩石类型。其中，主成分频率与岩样类型映射模型为用多个主频率对应的描述当前地层岩石类型的地层弹性模量数据，包括：第一阶主频率、第二阶主频率、第三阶主频率、……第N阶主频率、多个主频率数据对应的地层弹性模量(也就是上述第一地层弹性模量)。
在对主成分频率与岩样类型映射模型构建过程中，需要根据波阻抗系数、声波传播距离系数和声波在地层中的传播速度，得到频率与地层弹性模量关系式，也就是关系式(1)，用以构建表征地层岩性的主成分频率与岩样类型映射模型。而后，在通过关系式(1)计算出每个主频率数据对应的地层弹性模量数据后，再将多个地层弹性模量数据进行均值化处理，得到均值化的地层弹性模量数据，并将该均值化的地层弹性模量作为上述多个主频率数据对应的第一地层弹性模量。其中，在本发明实施例中，利用地层弹性模量的范围来划分岩石类型，以确定当前破岩位置处对应的岩石类型。这样，在确定出第一地层弹性模量数据后，便通过地层弹性模量的划分范围确定出当前破岩位置处岩样所属的类型。
更进一步地说，当上述主成分频率阶数为1时，第一分析单元131只需用于从实时获得的音频信号频谱数据中提取峰值频谱分量，得到包括峰值主频率的主成分频率数据。而后，第一分析单元131用于利用主成分频率与岩样类型映射模型，由当前峰值主频率得到相应的表征岩样类型的地层弹性模量数据，基于此，确定出当前钻头破岩位置处的岩石类型。此时的主成分频率与岩样类型映射模型仅包括：峰值主频率、峰值主频率对应的地层弹性模量。其中，峰值主频率对应的地层弹性模量，利用关系式(1)或关系式(2)根据峰值主频率得到，也就得到了这种情况下的第一地层弹性模量。
进一步的，在步骤S630中，音频数据分析模块130内的第二分析单元132根据声压幅度变化数据，利用预设的声幅分贝与岩样类型映射模型(关系式5)，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第二地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型。其中，上述随钻破岩特征信息不仅包括的主成分频率数据、声压幅度变化数据，还包括第二地层弹性模量和第二地层弹性模量对应的岩石类型信息。具体地，第二分析单元132需要先根据音频信号频谱数据得到音频信号频谱数据对应的电压幅度变化量，进一步根据电压幅度变化量、以及用于采集音频时域信号的音频传感器111的灵敏度，并利用频率幅度与声压幅度关系式，也就是关系式(3)或关系式(4)，得到表征当前钻头破岩所产生的声场压力变化能量的声压幅度变化数据。
然后，第二分析单元132需要利用根据音频原始信号的测量原理而构建的声幅分贝与岩样类型映射模型，得到了声幅变化数据对应的第二地层弹性模量。其中，声幅分贝与岩样类型映射模型为：声幅变化数据、声幅变化数据对应的地层弹性模量(也就是上述第二地层弹性模量)。在本发明实施例中，利用地层弹性模量的范围来划分岩石类型，以确定当前破岩位置处对应的岩石类型。这样，在确定出第二地层弹性模量数据后，便通过地层弹性模量的划分范围确定出当前破岩位置处岩样所属的类型。
进一步的，在步骤S630中，音频数据分析模块130内的结果整合单元133接收各单元的计算结果，从第一分析单元131处获得主成分频率数据、和/或主成分频率数据对应的第一地层弹性模量、和/或第一弹性模量对应的岩样类型信息，并且从第二分析单元132处获得声幅数据变化量、和/或声幅数据变化量对应的第二地层弹性模量、和/或第二弹性模量对应的岩样类型信息，进一步将上述信息进行整合，得到相应的随钻破岩特征信息。
最后，进入到步骤S640。在步骤S640中，随钻岩性测量装置101内的信息传输发射模块140将实时获得的随钻破岩特征信息通过电磁波无线传输方式进行输出，以被地面装置接收，用来对钻头300前方地质信息进行预测。
本发明涉及一种用于获取近钻头随钻岩性的方法、装置及监测近钻头随钻岩性的系统。该方法和系统利用音频信号的频谱分布，通过提取多阶主成分频率的方法，建立了主成分频率与岩样类型映射模型，还利用音频信号计算钻头破岩瞬间的声幅分贝数，据此，建立破开具有不同地层弹性模量的岩样性质时，可以获得不同的声幅分贝数，从而建立声幅分贝与岩样类型映射模型，这样，便可以直接通过采集到的音频信号的频谱数据判断出破岩位置处的岩样性质及所属类型。进一步基于向地面传输的随钻破岩特征信息，来预测钻头前方裂缝、溶洞等的地质信息，用于实时指导优化钻井参数。本发明具有机械结构简单，提前预判钻头前方地质特征的优点，适用于石油和天然气钻井过程中钻井参数优化，并有利于井下复杂事故的预防。另外，本发明所述的随钻岩性测量装置位于近钻头位置，具体是螺杆钻具与钻头之间，能够及时准确反映钻头附近岩性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种用于测量近钻头随钻岩性的方法，其特征在于，包括：
步骤一，获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号；
步骤二，按照预设的采样频率，将所述音频时域信号进行频谱转换处理，得到相应的含有地层岩性信息的音频信号频谱数据；
步骤三，根据所述音频信号频谱数据，得到用于描述当前随钻破岩位置处岩石性质的主成分频率数据和/或声压幅度变化数据，进一步将其整合成随钻破岩特征信息；
步骤四，将所述随钻破岩特征信息进行输出，以被地面装置接收，用来对钻头前方地质信息进行预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：
根据所述主成分频率数据，利用预设的主成分频率与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第一地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第一地层弹性模量和所述第一地层弹性模量对应的岩石类型信息。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：
根据所述声压幅度变化数据，利用预设的声幅分贝与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第二地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第二地层弹性模量和所述第二地层弹性模量对应的岩石类型信息。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：
根据预设的主成分频率的阶数，从所述音频信号频谱数据中提取出与主成分频率阶数匹配的最大频谱分量，得到包括多个主频率数据的所述主成分频率数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述主成分频率阶数为1时，从所述音频信号频谱数据中提取峰值频谱分量，得到包括峰值主频率的所述主成分频率数据。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：
根据所述音频信号频谱数据得到所述音频信号频谱数据对应的电压幅度变化量；
根据所述电压幅度变化量、以及用于采集所述音频时域信号的音频传感器的灵敏度，得到表征当前钻头破岩时产生的声场压力变化能量的所述声压幅度变化数据。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
根据波阻抗系数、声波传播距离系数和声波在地层中的传播速度，得到频率与地层弹性模量关系式，用以构建所述主成分频率与岩样类型映射模型。
8.根据权利要求1～7中任一项所述方法，其特征在于，所述步骤一包括：
通过按照预设的传感器设置距离安装在螺杆钻具与钻头之间的近钻头短节侧壁内的音频传感器，实时采集钻头破岩过程中产生的破岩振击力的音频原始信号；
将所述音频原始信号进行包括放大、模数转换的预处理后，得到所述音频时域信号。
9.一种用于测量近钻头随钻岩性的装置，其特征在于，包括：
音频数据采集模块，其用于获取钻头实时到达破岩位置处产生的沿钻头前进方向的破岩振击力对应的音频时域信号；
音频数据转换模块，其用于按照预设的采样频率，将所述音频时域信号进行频谱转换处理，得到相应的含有地层岩性信息的音频信号频谱数据；
音频数据分析模块，其用于根据所述音频信号频谱数据，得到用于描述当前随钻破岩位置处岩石性质的主成分频率数据和/或声压幅度变化数据，进一步将其整合成随钻破岩特征信息；
信息传输发射模块，其用于将所述随钻破岩特征信息进行输出，以被地面装置接收，用来对钻头前方地质信息进行预测。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述音频数据分析模块包括：第一分析单元，其中，
所述第一分析单元，其用于根据所述主成分频率数据，利用预设的主成分频率与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第一地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第一地层弹性模量和所述第一地层弹性模量对应的岩石类型信息。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述音频数据分析模块还包括：第二分析单元，其中，
所述第二分析单元，其用于根据所述声压幅度变化数据，利用预设的声幅分贝与岩样类型映射模型，得到表征当前随钻破岩位置处岩石性质的第二地层弹性模量，进一步识别出对应的岩石类型，其中，所述随钻破岩特征信息还包括所述第二地层弹性模量和所述第二地层弹性模量对应的岩石类型信息。
12.根据权利要求9～11中任一项所述的装置，其特征在于，所述音频数据采集模块包括：
音频传感器，其按照预设的传感器设置距离安装在螺杆钻具与钻头之间的近钻头短节侧壁内，用于实时采集钻头破岩过程中产生的破岩振击力的音频原始信号；
信号调理单元，其用于将所述音频原始信号进行包括放大、模数转换的预处理后，得到所述音频时域信号。
13.一种用于监测近钻头随钻岩性的系统，其特征在于，所述系统包括：
如权利要求9～12中任一项所述的用于测量近钻头随钻岩性的装置，其安装于螺杆钻具与钻头之间的近钻头短节侧壁内；
随钻测量装置，其安装在所述螺杆钻具远离钻头侧的随钻测量短节侧壁内，所述随钻测量装置具备信息传输接收模块和MWD模块，用于利用所述信息传输接收模块接收从所述用于测量近钻头随钻岩性的装置内的信息传输发射模块处获得的随钻破岩特征信息，并通过所述MWD模块将其转发至地面装置，用来对钻头前方地质信息进行预测。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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