CN113655516B - 一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法，先确定多个地质构造靶区，然后通过定向钻进使相变矢量测震装置到达第一个地质构造靶区，先向储液腔内注入液态CO2并加热相变气化增压，通过电控阀门的开闭对喷出孔正对的地层进行高压气体冲击产生地震波；接着矢量采集器将采集的绕射波信号传递给控制中心，通过定位算法进行分析处理，从而完成下方区域的地质构造精准探测；然后使相变矢量测震装置旋转多个角度，并进行多次气体冲击及信号处理过程，最终完成对该地质构造靶区的360°全方位精准探测；重复上述过程多次，能完成所有地质构造靶区的360°全方位精准探测。因此其既能进行大范围全方位的地质构造探测，还能有效保证探测精度。

Description

一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法
技术领域
本发明涉及一种地质构造精准探测方法，具体是一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法。
背景技术
目前三维地震技术常用于地质构造探测，但复杂地形、黄土覆盖、基岩裸露、地表水体等不利因素的影响，三维地震勘探精度受到了限制，三维地震结果可圈定地质构造区域，但难以精准探测。与三维地震方法相比，钻探是最直接方法，但存在一孔一见的局限性，在地质构造复杂区域，由于难以取芯，分辨地质构造十分困难。为了解决此问题，测井技术得以发展，但其受到方法、功率等客观条件限制，测井技术仅能识别钻孔岩性及钻孔周边极近距离的地质构造情况，难以识别较远距离的地质构造。因此如何提供一种方法，既能进行大范围全方位的地质构造探测，还能保证探测精度，是本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法，既能进行大范围全方位的地质构造探测，还能有效保证探测精度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法，具体步骤为：
步骤一、初步划定探测区域：在地面采用地球物理探测方法查明地下的地质构造大致分布规律，圈定多个待精准探测的地质构造靶区；
步骤二、组装定向探测设备：将无磁钻杆的前端与定向钻头连接，常规钻杆的后端与钻机连接，在常规钻杆和无磁钻杆之间安装相变矢量测震装置，相变矢量测震装置的前端与无磁钻杆的后端通过前端旋转装置同轴连接，相变矢量测震装置的后端与常规钻杆的前端通过后端旋转装置同轴连接，使相变矢量测震装置能以其轴线为轴相对常规钻杆和无磁钻杆旋转；所述相变矢量测震装置包括圆柱形储液腔、加热管、矢量采集器、输液管和多芯电缆，加热管固定在圆柱形储液腔内，矢量采集器固定在圆柱形储液腔的内侧壁；圆柱形储液腔的外侧壁开设喷出孔，喷出孔上装有电控阀门；输液管一端伸入圆柱形储液腔、另一端与处于地面的液态CO2存储罐连通，用于为圆柱形储液腔内注入液态CO2，加热管、矢量采集器、电控阀门、前端旋转装置和后端旋转装置均通过多芯电缆与处于地面的控制中心连接，使控制中心对加热管、电控阀门、前端旋转装置和后端旋转装置的工作状态进行控制，并能接收矢量采集器反馈的采集数据；
步骤三、定向钻孔探测：开启钻机使定向钻头进行钻孔，直至相变矢量测震装置达到第一个地质构造靶区，此时停止钻进，开始对该地质构造靶区进行360°全方位精准探测，具体过程为：
A、喷出孔的初始位置正对下方地层，将液态CO2存储罐内的液态CO2通过输液管注入相变矢量测震装置的圆柱形储液腔，达到设定量后停止注入；
B、控制中心通过多芯电缆控制加热管开始加热，加热后液态CO2产生相变，由液体变为气态，储液腔内压力持续升高，通过控制加热管的加热温度对储液腔内的CO2气体的压力进行调整；
C、达到设定压力后，控制中心通过多芯电缆控制电控阀门开启，此时储液腔内的高压CO2气体从喷出孔排出储液腔，对喷出孔正对的下方地层进行一次冲击，产生强烈的地震波；完成后关闭电控阀门；
D、地震波传播到下方区域的地质构造时，地质构造的上盘、下盘产生绕射波并反射，反射回来的绕射波被矢量采集器接收，矢量采集器将绕射波信号传递给控制中心，控制中心通过定位算法对绕射波信号进行分析处理，最终确定上盘、下盘位置，从而完成下方区域的地质构造精准探测；
E、控制中心通过多芯电缆控制前端旋转装置和后端旋转装置开始转动，使喷出孔相对于初始位置旋转90°后停止；此时重复步骤A至D完成喷出孔正对一侧地层区域的地质构造精准探测；接着使喷出孔相对于初始位置旋转180°和270°分别重复上述精准探测过程，从而完成对该地质构造靶区的360°全方位精准探测；
步骤四、开启钻机使定向钻头继续钻进，直至相变矢量测震装置达到第二个地质构造靶区，此时停止钻进并重复步骤三，完成第二个地质构造靶区360°全方位精准探测；如此重复，直至完成所有地质构造靶区的360°全方位精准探测。
进一步，所述步骤D的定位算法具体为：
1)对上盘绕射波信号进行包络计算，确定包络最大值对应的时刻t，计算距离S，S＝v*t/2，其中v为绕射波在地层的传播速度；
2)矢量采集器获取的上盘绕射波为三分量信号，对上述t时刻的三分量信号做复数域Hilbert变换，变换后构建一个3行3列的协方差矩阵，求解该矩阵的主特征向量θ；
3)根据距离S及主特征向量θ，能定位上盘位置；
4)重复步骤1)至3)，能确定下盘位置。
进一步，所述前端旋转装置和后端旋转装置均由旋转电机和轴承组成，这种结构稳定性更好，也可以采用其他现有旋转机构。
进一步，所述矢量采集器由三分量加速度传感器和存储器组成，采用三分量加速度传感器能保证获得所需的三分量信号，便于后续对信号的处理。
与现有技术相比，本发明先在地面采用地球物理探测方法对地下进行勘探，获得地质构造大致分布规律，进而确定多个待精准探测的地质构造靶区，然后将相变矢量测震装置安装在现有定向钻孔设备的常规钻杆和无磁钻杆之间，然后通过定向钻头定向钻进使相变矢量测震装置到达第一个地质构造靶区停止，先向相变矢量测震装置的储液腔内注入液态CO2并加热相变气化增压，通过电控阀门的开闭对喷出孔正对的地层进行高压气体冲击，产生地震波；地震波传播至地质构造位置后会反射绕射波，此时矢量采集器将采集的绕射波信号传递给控制中心，通过定位算法进行分析处理，从而完成下方区域的地质构造精准探测；然后使相变矢量测震装置相对常规钻杆旋转多个角度，并进行多次气体冲击及信号处理过程，最终完成对该地质构造靶区的360°全方位精准探测；重复上述过程多次，能完成所有地质构造靶区的360°全方位精准探测；这种方式具有如下优点：
(1)地质构造复杂区域，地面地形通常复杂，传统垂直钻探难以布置钻机施工，本发明利用定向钻进技术，可选取地面地形有利区域通过定向钻进方式对地质构造进行探测，不受地面地形影响；
(2)定向随钻探测，一方面不需要钻进取芯，另一方面无需退钻杆在钻进停止后即能探测，并且探测完成后能继续向下一个目标区域继续进行钻进，因此能持续对多个地质构造靶区进行精准探测，从而提高探测效率；
(3)液态CO2相变产生的高压气体冲击岩体能量强且压力可调，产生的地震波传播距离远且距离可随压力控制，从而能实现对相变矢量测震装置周围地层的大范围探测。
(4)矢量地震波具有运动学、动力学双重敏感属性，通过对矢量地震波(绕射波)进行采集并数据处理，从而能保证对地质构造精准识别的灵敏度；
(5)通过相变矢量测震装置的旋转，可对相变矢量测震装置的左、上、右、下等360°全方位区域进行地质构造探测，其方向性强且方位全覆盖，可更精准地把控地质构造情况。
附图说明
图1是本发明的整体布设示意图；
图2是本发明中相变矢量测震装置的结构示意图。
图中：1、液态CO2存储罐，2、控制中心，3、常规钻杆，4、相变矢量测震装置，5、无磁钻杆，6、定向钻头，7、输液管，8、圆柱形储液腔，9、多芯电缆，10、后端旋转装置，11、加热管，12、矢量采集器，13、喷出孔，14、前端旋转装置。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，以定向钻头的钻进方向为前方进行描述，本发明的具体步骤为：
步骤一、初步划定探测区域：在地面采用地球物理探测方法查明地下的地质构造大致分布规律，圈定多个待精准探测的地质构造靶区；
步骤二、组装定向探测设备：将无磁钻杆5的前端与定向钻头6连接，常规钻杆3的后端与钻机连接，在常规钻杆3和无磁钻杆5之间安装相变矢量测震装置4，相变矢量测震装置4的前端与无磁钻杆5的后端通过前端旋转装置14同轴连接，相变矢量测震装置4的后端与常规钻杆3的前端通过后端旋转装置10同轴连接，使相变矢量测震装置4能以其轴线为轴相对常规钻杆3和无磁钻杆5旋转；所述相变矢量测震装置4包括圆柱形储液腔8、加热管11、矢量采集器12、输液管7和多芯电缆9，加热管11固定在圆柱形储液腔8内，矢量采集器12固定在圆柱形储液腔8的内侧壁；圆柱形储液腔8的外侧壁开设喷出孔13，喷出孔13上装有电控阀门；输液管7一端伸入圆柱形储液腔8、另一端与处于地面的液态CO2存储罐1连通，用于为圆柱形储液腔8内注入液态CO2，加热管11、矢量采集器12、电控阀门、前端旋转装置14和后端旋转装置10均通过多芯电缆9与处于地面的控制中心2连接，使控制中心2对加热管11、电控阀门、前端旋转装置14和后端旋转装置10的工作状态进行控制，并能接收矢量采集器12反馈的采集数据；所述矢量采集器12由三分量加速度传感器和存储器组成；
步骤三、定向钻孔探测：开启钻机使定向钻头6进行钻孔，直至相变矢量测震装置4达到第一个地质构造靶区，此时停止钻进，开始对该地质构造靶区进行360°全方位精准探测，具体过程为：
A、喷出孔13的初始位置正对下方地层，将液态CO2存储罐1内的液态CO2通过输液管7注入相变矢量测震装置4的圆柱形储液腔8，达到设定量后停止注入；
B、控制中心2通过多芯电缆9控制加热管11开始加热，加热后液态CO2产生相变，由液体变为气态，储液腔内压力持续升高，通过控制加热管11的加热温度对储液腔内的CO2气体的压力进行调整；
C、达到设定压力后，控制中心2通过多芯电缆9控制电控阀门开启，此时储液腔内的高压CO2气体从喷出孔13排出储液腔，对喷出孔13正对的下方地层进行一次冲击，产生强烈的地震波；完成后关闭电控阀门；
D、地震波传播到下方区域的地质构造时，地质构造的上盘、下盘产生绕射波并反射，反射回来的绕射波被矢量采集器12接收，矢量采集器12将绕射波信号传递给控制中心2，控制中心2通过定位算法对绕射波信号进行分析处理，最终确定上盘、下盘位置，从而完成下方区域的地质构造精准探测；
E、控制中心2通过多芯电缆9控制前端旋转装置14和后端旋转装置10开始转动，使喷出孔13相对于初始位置旋转90°后停止；此时重复步骤A至D完成喷出孔13正对一侧地层区域的地质构造精准探测；接着使喷出孔13相对于初始位置旋转180°和270°分别重复上述精准探测过程，从而完成对该地质构造靶区的360°全方位精准探测；
步骤四、开启钻机使定向钻头6继续钻进，直至相变矢量测震装置4达到第二个地质构造靶区，此时停止钻进并重复步骤三，完成第二个地质构造靶区360°全方位精准探测；如此重复，直至完成所有地质构造靶区的360°全方位精准探测。
进一步，所述步骤D的定位算法具体为：
1)对上盘绕射波信号进行包络计算，确定包络最大值对应的时刻t，计算距离S，S＝v*t/2，其中v为绕射波在地层的传播速度；
2)矢量采集器12获取的上盘绕射波为三分量信号，对上述t时刻的三分量信号做复数域Hilbert变换，变换后构建一个3行3列的协方差矩阵，求解该矩阵的主特征向量θ；
3)根据距离S及主特征向量θ，能定位上盘位置；
4)重复步骤1)至3)，能确定下盘位置。
进一步，所述前端旋转装置14和后端旋转装置10均由旋转电机和轴承组成，这种结构稳定性更好，也可以采用其他现有旋转机构；控制中心2可以为计算机或其他现有数据处理设备。
上述圆柱形储液腔8、加热管11、输液管7、多芯电缆9、电控阀门和液态CO2存储罐1均为现有设备或部件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、初步划定探测区域：在地面采用地球物理探测方法查明地下的地质构造大致分布规律，圈定多个待精准探测的地质构造靶区；
步骤二、组装定向探测设备：将无磁钻杆的前端与定向钻头连接，常规钻杆的后端与钻机连接，在常规钻杆和无磁钻杆之间安装相变矢量测震装置，相变矢量测震装置的前端与无磁钻杆的后端通过前端旋转装置同轴连接，相变矢量测震装置的后端与常规钻杆的前端通过后端旋转装置同轴连接，使相变矢量测震装置能以其轴线为轴相对常规钻杆和无磁钻杆旋转；所述相变矢量测震装置包括圆柱形储液腔、加热管、矢量采集器、输液管和多芯电缆，加热管固定在圆柱形储液腔内，矢量采集器固定在圆柱形储液腔的内侧壁；圆柱形储液腔的外侧壁开设喷出孔，喷出孔上装有电控阀门；输液管一端伸入圆柱形储液腔、另一端与处于地面的液态CO2存储罐连通，用于为圆柱形储液腔内注入液态CO2，加热管、矢量采集器、电控阀门、前端旋转装置和后端旋转装置均通过多芯电缆与处于地面的控制中心连接，使控制中心对加热管、电控阀门、前端旋转装置和后端旋转装置的工作状态进行控制，并能接收矢量采集器反馈的采集数据；
步骤三、定向钻孔探测：开启钻机使定向钻头进行钻孔，直至相变矢量测震装置达到第一个地质构造靶区，此时停止钻进，开始对该地质构造靶区进行360°全方位精准探测，具体过程为：
A、喷出孔的初始位置正对下方地层，将液态CO2存储罐内的液态CO2通过输液管注入相变矢量测震装置的圆柱形储液腔，达到设定量后停止注入；
B、控制中心通过多芯电缆控制加热管开始加热，加热后液态CO2产生相变，由液体变为气态，储液腔内压力持续升高，通过控制加热管的加热温度对储液腔内的CO2气体的压力进行调整；
C、达到设定压力后，控制中心通过多芯电缆控制电控阀门开启，此时储液腔内的高压CO2气体从喷出孔排出储液腔，对喷出孔正对的下方地层进行一次冲击，产生强烈的地震波；完成后关闭电控阀门；
D、地震波传播到下方区域的地质构造时，地质构造的上盘、下盘产生绕射波并反射，反射回来的绕射波被矢量采集器接收，矢量采集器将绕射波信号传递给控制中心，控制中心通过定位算法对绕射波信号进行分析处理，最终确定上盘、下盘位置，从而完成下方区域的地质构造精准探测；
E、控制中心通过多芯电缆控制前端旋转装置和后端旋转装置开始转动，使喷出孔相对于初始位置旋转90°后停止；此时重复步骤A至D完成喷出孔正对一侧地层区域的地质构造精准探测；接着使喷出孔相对于初始位置旋转180°和270°分别重复步骤A至D完成各自的精准探测过程，从而完成对该地质构造靶区的360°全方位精准探测；
步骤四、开启钻机使定向钻头继续钻进，直至相变矢量测震装置达到第二个地质构造靶区，此时停止钻进并重复步骤三，完成第二个地质构造靶区360°全方位精准探测；如此重复，直至完成所有地质构造靶区的360°全方位精准探测。
2. 根据权利要求1 所述的一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法，其特征在于，所述步骤三的D中定位算法具体为：
1）对上盘绕射波信号进行包络计算，确定包络最大值对应的时刻t，计算距离S，S=v*t/2，其中v为绕射波在地层的传播速度；
2）矢量采集器获取的上盘绕射波为三分量信号，对上述t时刻的三分量信号做复数域Hilbert变换，变换后构建一个3行3列的协方差矩阵，求解该矩阵的主特征向量θ；
3）根据距离S及主特征向量θ，能定位上盘位置；
4）重复步骤1）至3），能确定下盘位置。
3. 根据权利要求1 所述的一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法，其特征在于，所述前端旋转装置和后端旋转装置均由旋转电机和轴承组成。
4. 根据权利要求1 所述的一种基于定向随钻相变矢量测震的地质构造精准探测方法，其特征在于，所述矢量采集器由三分量加速度传感器和存储器组成。
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