CN1871409A - 井下应用的原子钟 - Google Patents

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CN1871409A CNA2004800306971A CN200480030697A CN1871409A CN 1871409 A CN1871409 A CN 1871409A CN A2004800306971 A CNA2004800306971 A CN A2004800306971A CN 200480030697 A CN200480030697 A CN 200480030697A CN 1871409 A CN1871409 A CN 1871409A
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Abstract

本发明公开了一种用来采集地震数据的系统和方法。该系统包含用来产生地震信号的控制器(18)，其中控制器具有用来对产生的地震信号记录进行时间标记的第一时钟。地震接收器(158)被布置在井筒中，以便于检测产生的地震信号。原子钟(205)被布置在地震接收器中，用来对检测的地震信号记录进行时间标记。原子钟在被布置到井下之前，与第一时钟保持同步。

Description

井下应用的原子钟
技术领域
本发明涉及地球物理勘查领域，更具体地，涉及用于同步化井下和地表获得的数据的系统和方法。
背景技术
地震接收器通常被布置在井筒中，用来确定地面对井筒附近的地震能的响应，该响应能够确定井筒附近的某些大地特征，例如地质构造和可能自然发生的地球的物质特性的变化位置。
使用钻孔地震接收器的一个原因是为了使井筒所穿过的大地内的各种深度，与大地表面所产生的地震能的特定传播时间相匹配。在相关的未勘查区域，地球物理测量通常全部在地面进行。使用地面地震勘测能够确定地震能传播到大地内的特定深度所需的时间，这取决于部分具有声阻抗失谐的大地区域所反射的勘测地面产生的地震能。阻抗失谐，被称为反射体，通常是在地球物质成分或物质特性变化的边界处出现。
反射体对地球内部可能的勘查目标的鉴定是尤其重要的。每个反射体都与地面地震勘测中确定的地震传播时间联系在一起。为了计算特定的反射体的深度，有必要确定地震能通过地球的传播速度。地震能通过地球的传播速度与地球的成分和物质特性密切相关。地球的物质特性在井筒所穿过的深度范围内的不同地层中，可能会有很大的变化。
只依靠地面地震勘测来明确而精确地确定地层的地震传播速度，即使不是完全没有可能，也是非常困难的，因此当将井筒钻到相对的未勘查区域时，使用钻孔地震接收器来进行测量以确定地层中的地震能传播速度。
在钻井筒时，而不是在钻井完成以后确定地层中的速度，在某些实例中可以是特别有价值的。例如，某些井筒的钻孔要针对勘查目标定向进行，这是因为勘查目标与地面的井筒位置有水平偏移。如果只是以到反射体的地震传播时间为基础来选择目标，那么在从地面到目标的地层中的速度未知的情况下，目标的深度就不能得到精确地确定。缺乏这方面的知识可能会导致计划的井身轨道完全偏离目标。
井筒地震接收器在钻井期间，与布置在地面、直接位于井筒地震接收器位置上方的地震能量源一起周期使用，能够实现对地震能到布置在井筒中的地震接收器所在深度的传播时间的测量。不同深度的地震传播时间的测量能够实现对地面地震勘测传播时间的深度校准，从而增加了井筒穿过目标的概率。
地面地震勘测中观察到的某些反射体在钻井筒中有特殊的意义。例如，反射体有时与某些地层所包含的流体压力梯度中存在的重大变化相关。反射体精确深度的知识可以避免出现钻井问题，钻井问题可能是由非计划地穿过流体压力梯度与预期梯度有显著不同的地层所引起的。使用钻孔地震接收器对到井筒深度的地震传播时间进行校准，能够更精确地确定反射体深度，由此避免非计划地穿过具有异常流体压力的地层。
本领域中同样公知的是通过使用钻孔地震接收器来在井筒周围区域产生地震反射区段。来自地震能量源的地震能也要传播到达比井筒中的接收器更深的深度，并且可以被具有声学阻抗失谐的较深地域反射，正如地面地震区段那样。通过对接收器所检测的能量记录的适当处理，可以确定反射能量。所确定的反射能量可以被显示在一个表格上，用来将钻孔地震勘测与地面地震勘测做比较。
本领域中已知的系统和工具是用来检测和存储用于地面上检出和处理的井下地震信号。Minto的美国5,555,220号专利，被转让给本申请的受让人，并且以参考方式包括到本申请中，该专利描述了布置在斯利克线上的钻柱底部的地震接收器，用来获取地震勘测数据。地震数据被接收和存储，而接收器返回到地面。地面控制器中的时钟与所利用的接收器中的时钟同步。利用地面时钟对源数据进行时间标记。利用井下时钟对接收数据进行时间标记。所得到的地震分布的准确度取决于时钟的准确同步。井下时钟特别容易发生井下环境中温度的重大变化引起的偏移。两个时钟通常要求1-2毫秒或更好的同步，以实现可接受的分布准确度。
另一种这类系统在Jackson的美国10/108,402的专利申请中做出了描述，该专利被转让给本申请的受让人，并且以参考方式包括到本申请中。Jackson描述了将地震接收器布置在钻柱中的一种方法，即通过将接收器降落和/或泵送到底部，其中接收器在该底部与钻柱锁定。地震信号被接收，通过井下时钟进行时间标记，并且在将钻柱从孔中松开脱离的过程中，在多个预定位置被存储到接收器的存储器中。信号返回到地面，并且与已通过地面时钟进行时间标记的地面源数据结合起来。所得到的分布准确度再次取决于地面和井下时钟的同步。
上述工具的典型利用时间是12-48小时。该事实转化为对利用时间内优于1×10-8的时钟稳定度的需要。井下时钟通常使用压电式晶体振荡器，该振荡器易于随着温度和使用时间而发生偏移。这种时钟同样容易发生在利用期间的由冲击和振荡引起的误差。通过使用本领域中已知的最佳技术，井下时钟的稳定度很少会超过1×10-7。井下时钟偏离与地面时钟同步，会导致不能接受的输出地震分布数据的恶化。
地震勘测也可以通过随钻测量(MWD)系统来进行，随钻测量(MWD)系统也被称为是随钻测井(LWD)系统。在这些应用中，利用时间可以有数百个小时，使时钟偏离问题更加恶化。已经提出了若干个再同步技术，但是这些技术并不总是在操作上可接收和/或成功。
有对这样一种井下时钟的需要，该井下时钟用于井下系统，包括井下地震系统，对操作引起的误差和偏离有抵抗作用。
发明内容
本发明考虑了一种地震探测系统，该系统具有用来保持与地面时钟同步的井下地震接收器原子钟。
在本发明的一个实施例中，地震探测系统包含用来使地面产生地震信号的控制器，其中控制器具有用来对所产生的地震信号的记录进行时间标记的时钟。在井筒内布置至少一个地震接收器，用来检测地震信号。原子钟被布置在地震接收器中，用来对检测到的地震信号记录进行时间标记。原子钟与利用之前的第一时钟同步。
在本发明的另一方面，用于井下工具的原子钟包含内部有铷(Rb)蒸汽的共振室。光源照射共振室中的Rb蒸汽。光检测器与共振室接合，并且适合于接收来自共振室的光。第一热控制装置与光源接合，并且适合于使光源保持在第一预定温度。第二热控制装置与共振室和光检测器接合，从而使共振室和光检测器保持在第二预定温度。第一和第二热控制装置可以是吸收装置或通过设计以保持恒定温度的其它装置。
在本发明另一方面的一个实施例中，获取地震资料的方法包含使地面产生地震信号的控制器。地面控制器中的第一时钟对所产生的地震信号的记录进行时间标记。至少一个地震接收器装备着与第一时钟同步的原子钟，被布置在井筒中，以便于检测生成的地震信号。原子钟被用来对所检测的地震信号记录进行时间标记。
对本发明的更重要特征的实例做了广泛的概述，以便于使下文中的详细说明可以得到更好的理解，并且使该发明对本领域的贡献可以得到认识。当然，本发明还有附加的特征和可选实施例，这些特征和实施例将在下文中做出描述，并且将进一步形成附加的权利要求的主题。
附图说明
为了更详细地理解本发明，参照下文中与附图相结合的优选实施例的详细说明，在附图中类似的数字表示类似的元件，其中：
图1是用于本发明的一个实施例的地震探测系统的示意图；
图2是用于本发明的一个实施例的地震接收器的结构框图；
图3是用于本发明的一个实施例的井下原子钟系统的示意图；以及
图4是根据本发明的一个实施例的随钻测量(MWD)工具中利用的地震接收器的示意图。
具体实施方式
在一个实施例中，参照图1，根据本发明的系统100包括具有管状附加构件例如钻柱120的钻架110。钻头155穿过周围的地层140，形成了井筒130，其中地层140还可以包括与例如超压地域145对应的地层边界。地震接收器158在这里被配置为探测装置，具有合适的地震传感器，并且被插入到钻柱120内。地震接收器158可以借助重力下落到钻头155附近的联顶接头(landing sub)150。或者，可以通过使用钻探液135来布置地震接收器158，从而将接收器158有效地泵送到联顶接头150。或者，接收器158可以通过本领域中公知的方式与任意MWD或有线系统结构集成到一起。
地震接收器158从地震源170，例如位于地面的机械振动器中接收地震信号160。机械振动器的使用只是示例性的，并不是要对本发明的范围做出限制。本领域技术人员在得到本公开教导的情况下，将会意识到所公开的系统可以是基于陆地或海上的系统，而不是特定的地震源类型。例如，可以使用近海系统，并且可以包括悬吊在近海平台上或位于服务船或锚泊浮标附近的空气枪阵列。地震源170提供了合适的垂直地震分布品质的源信号。
深度指示器115同样位于地面，用来测量钻柱120的深度。在测井通过线缆利用地震接收器158的实施例中，深度指示器115可以是这样一种类型，即用来确定井筒内的测井有线工具的深度。深度指示器信号被传递到地面控制器118，这些信号在那里被时间标记(timestamped)，并且被存储在存储器中。
控制器118与地震源170建立数据通信，并且控制地震信号的产生。控制器118可以位于钻孔所在位置或在钻孔附近，或者可以远离钻孔。本公开和附加权利要求所使用的术语“控制器”是要表示提供控制地震信号产生和记录它们的产生记录的功能的任何一种单元。在图示的实例中，控制器118包含具有处理能力的电路，例如一个或多个微处理器，以及存储器存储，从而允许指令的程序设计以控制地震信号的产生。或者，存储器存储还可以适合存储表示所产生的地震信号的数据，它们的特征(周期，振幅，时间标记，信号品质(signaturetraits)，近场传感器读数等等)以及其它相关的信息。控制器电路包含时钟，该时钟可以被参考用来提供与所传输的源信号有关的时间编码。控制器118和地震源170之间的实际连接可以是硬接线，无线电频率(RF)，红外线(IR)或其它任何合适的通信系统连接。本领域中的技术人员将会意识到许多种不同配置的控制器，这些控制器中的每一种都可被认为是“控制器”。
近场传感器180可以位于地震源170附近以记录地震源170的地震信号。传感器180的输出被传送到控制器118，在那里被时间标记并且被存储到存储器中。用来存储地面处理器中的数据的存储器可以是内部随机存取存储器，磁存储器，光存储器，或这些存储器的任意组合。或者，传感器180的输出可以被传送到控制器118，被时间标记，并且通过计算机通信系统(未示出)，例如计算机网络，异步连接或卫星传送，被发送到远程存储位置(未示出)。
参照图2，地震接收器158可以包括各个传感器201的组合(例如水下测音器和地震检波器)连同合适的传感器接口电路202、处理器203和用来存储程序指令和存储所接收的地震数据的存储器204。接收器158中同样包括时钟电路205，以提供与所接收的地震信号有关的时间标记。在将地震接收器158布置到井筒130中以前，在地面使地面时钟与接收器时钟205同步。所包括的通信端口206是用来使程序指令更容易下载到存储器204中，并且使所存储的地震数据(连同相关的时间标记)更容易上载到地面系统(例如地面处理器118)。本领域中的技术人员将会意识到，可以通过本领域中任何公知的方式，例如串联或并联计算机传输，RF传输，IR传输等等来操作通信端口206。
可以通过本领域中任何公知的方式，包括通过电池(未示出)来驱动接收器158。接头150适合于与地面接收器158物理锁定，从而充分避免当钻柱120从井筒130中松开时发生接收器158的弹跳。应当清楚的是在某些实施例中，例如接收器158被利用为有线工具的部件的实施例中，可以不需要接头150。
时钟205是原子钟，例如铷钟或以相似的原理运行的其它时钟，具有低于常用晶体振荡器若干个数量级的长时间偏移。虽然前述的实例是参照铷钟而提供的，但是应当清楚的是可以使用基于氢，铯或者其它元素或分子运行的时钟，只要这些时钟的尺寸可以适合于被传送到井筒内。应当清楚的是，本公开和附加权利要求中所使用的术语“原子钟”是指工作频率受原子或分子过程的频率控制的任一种时钟。
在为了演示而装备的铷原子钟中，晶体振荡器被频率锁定为高稳定的蒸汽原子共振跃迁，例如铷87(Rb87)蒸汽的6.834GHz的跃迁频率。蒸汽跃迁频率大体上对温度，冲击和振荡不敏感。这些时钟在商业上是可获得的，例如加利福尼亚州Irvine的Datum Inc.制造的型号X72，以及以色列Jerusalem的Accubeat Ltd.公司制造的型号AR-100A。常用的核心部件是包含光源、填充Rb87的共振腔和光检测器的共振器模块。相关的驱动电子和频率锁定晶体振荡器驱动RF发生器。在操作中，光源激发共振腔和光检测器内的Rb87原子。频率锁定振荡器驱动RF发生器以使共振腔内的原子共振。当RF发生器被设定为6.834GHz的Rb87跃迁频率时，光检测器的输出发生变化。光检测器的输出反馈到驱动电子电路，以使晶体振荡器频率锁定在6.834GHz。然后晶体振荡器输出可以被用作稳定的时钟信号。
在操作中，光源的温度保持在约140℃，而共振腔的温度保持在约90℃。这些在商业上可获得的系统可以在高达85℃的环境温度下运行。但是，井下的环境温度范围通常是在100℃到175℃，并且在某些情况中可以高于200℃。
在存在显著较热的外部环境下使时钟部件的温度保持在预期的水平，可能需要使用各种主动和/或被动的热控制系统，这些系统在商业上是可以获得的，并且不再对它们的运行做具体的讨论，这是因为考虑到这些系统在本领域中是众所周知的。这样的控制系统包括，但并不局限于：(i)吸收冷却，(ii)热电冷却，(iii)热绝缘和(iv)相变冷却系统。某些可利用的冷却方法是依赖于应用的。例如，由于这类冷却器的低效率，电池驱动的接收器系统的可利用功率可能不足以使用热电冷却。但是某些MWD系统包含井下发生器，它可以提供足够的功率来使用热电冷却器。
在具有电池驱动的接收器的实施例中，例如接收器158(参看图1)，原子钟部件被包装起来，使得可以使用吸收冷却技术来对这些部件进行冷却，参照图3所示。热绝缘腔301包含光源304，适合于照射共振腔305中的Rb87蒸汽306。光检测器307如前文中所述检测共振腔305中的光。频率锁定晶体振荡器(未示出)和相关的电子电路可以被容纳在绝缘腔或井下工具中的一些其它位置。光源304与包含第一氢氧化物材料303的热壑302热连接。共振腔305和光检测器307同样与包含第二氢氧化物材料309的热壑(heat sink)308热连接。在氢氧化物的相变温度下转移到氢氧化物材料303和309的能量将会从氢氧化物中释出水，吸收预定量的能量而不是升高相应的氢氧化物303，309和热壑302，308的温度。所释放的水蒸汽通过导管311和313传送到具有适合于吸收水蒸汽的干燥剂的吸收腔314。吸收腔314位于腔301的外部。
使用这样的系统，每个热壑302，308，以及关键部件的温度可以保持在合适的预定温度T1，T2，T1和T2实际上与变化的外部环境温度无关。氢氧化物303，309被选择以保持预定的温度T1，T2。例如，释出接近80℃的水合的水的石膏，是可用来冷却原子钟一部分的(例如充满铷的振荡腔305和光探测器307)一种氢氧化物。对于与氢氧化物和它们在冷却系统中的使用有关的附加细节，参看美国6,341,498B1号专利，“有线测井和随钻测量中的井下电子吸收冷却”，以及美国20030085039A1号专利申请公开，“有线测井和随钻测量中的井下吸收冷却和加热”，这两个申请都被转让给本申请的受让人，并且都以参考方式包括进本申请。或者，本领域中已知的相变材料可以单独使用，或者与这里被描述为原子钟的部件的冷却法的其它技术结合在一起使用。加热器(未示出)可以与光源304和共振腔305连接，从而在当外部环境温度低于预期的工作温度时，保持工作温度。这种加热器包括，但不局限于：(i)电阻加热器和(ii)吸收加热器，如前文中以参考方式包括进本申请的公开申请‘039中所述的那样。本领域技术人员将会意识到，这些加热器不会相互排斥冷却装置的存在。
操作中，在将接收器布置到井筒中之前，在地面使地面时钟和井下时钟同步。地面时钟是用来对地面信号的起始的记录进行时间标记。原子钟在24小时内具有2×10-11的稳定性，超过地震勘测的稳定性要求若干个数量级。所布置的井下原子钟在每天的连续井下利用中，与地面时钟保持3微秒以内的同步。井下时钟被用来对井下存储器中存储的接收信号的记录进行时间标记。当接收器被索回到地面时，所接收的信号数据被下载，并且依照时间标记与地面信号数据相关。通过这种系统得到的地震分布与使用常规井下时钟的系统相比较，具有增强的分辨率和准确度，这是因为原子钟是高稳定的，并且在整个井下利用期间与地面时钟保持同步。
在参照图4说明的一个实施例中，MWD工具450连接在钻柱120和钻头455之间。地震接收器458与MWD工具450集成。地震接收器458包含地震传感器(未示出)，例如地震检波器，和前文中所述类型和结构的原子钟(未示出)。原子钟还可以装备加热和/或冷却系统，用来使原子钟保持在可接受的工作温度。
接收器458在井下的多个位置，例如位置405a-c接收地面产生的地震信号。地震信号可以存储在井下存储器中，并且在MWD工具450从井筒松开脱离之后，从系统中索回。原子钟保持与地面时钟同步。
或者，MWD工具450可以利用本领域中已知的技术，被布置在盘绕管道(未示出)的末端。类似地，MWD工具450可以用在缆线或相似的测井利用中。
前文中的描述是针对本发明的特殊实施例，为了说明和解释的目的而提供的。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可以对上文中提出的实施例做出许多修改和变化。权利要求被解释为包含所有的这类修正和变化。

Claims (28)

1.一种用于采集测井数据的系统，包含：
a.控制器，用来使在井筒周围的地层中产生信号，所述控制器具有用来对所述产生的信号的记录进行时间标记的第一时钟；以及
b.布置在井筒中的至少一个接收器，所述至少一个接收器适合于检测所述信号，并且具有布置在其中的原子钟，其中在接收器布置到所述井筒中之前，原子钟与所述第一时钟同步，其中所述接收器参考所述原子钟以便记录与检测信号有关的时间标记。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述原子钟的偏移率小于每天3微秒。
3.根据权利要求1所述的系统，还包含热控制系统，用来使所述原子钟的至少一个部件保持在预定温度。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述热控制系统包含下列一组元件中的一种：(i)热电冷却器；(ii)吸收冷却器；(iii)吸收加热器；(iv)热绝缘器；(v)电阻加热器；(vi)相变加热器；以及(vii)相变冷却器。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述热控制系统包含吸收系统，所述吸收系统包括与所述原子钟的至少一个部件热接触的至少一种氢氧化物材料。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述至少一个部件包括共振腔和光检测器。
7.根据权利要求3所述的系统，其中所述至少一个部件是光源。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述原子钟基于下列一组元素中的至少一种的原子跃迁：(i)铷，(ii)铯和(iii)氢。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述原子钟基于铷的原子跃迁。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号是地震信号，而所述接收器是地震接收器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器是布置在井筒下的装置，用于当钻柱从井筒中松开脱离时接收信号。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收器适合于整体地固定在钻柱上，用来在钻孔时接收信号。
13.一种用于井筒的原子钟，包含：
a.用来容纳所述原子钟的井下工具；
b.共振腔，内部有铷蒸汽；
c.光源，用来照射所述共振腔中的所述铷蒸汽；
d.光检测器，与所述共振腔接合，并且适合于从所述共振腔中接收光；以及
e.第一热控制装置，与所述共振腔和所述光检测器接合，以使所述共振腔和所述光检测器保持在第一预定温度。
14.根据权利要求13所述的原子钟，还包含第二热控制装置，与所述光源接合，并且适合于使所述光源保持在第二预定温度。
15.根据权利要求13所述的原子钟，其中所述第一热控制装置是下列中的至少一种：(i)热电冷却器；(ii)吸收冷却器；(iii)吸收加热器；(iv)热绝缘器；(v)电阻加热器；(vi)相变加热器；以及(vii)相变冷却器。
16.根据权利要求14所述的原子钟，其中所述第二热控制装置是下列中的至少一种：(i)热电冷却器；(ii)吸收冷却器；(iii)吸收加热器；(iv)热绝缘器；(v)电阻加热器；(vi)相变加热器；以及(vii)相变冷却器。
17.根据权利要求13所述的原子钟，其中所述第一热控制装置是包含至少一种氢氧化物的吸收装置。
18.根据权利要求14所述的原子钟，其中所述第二热控制装置是包含至少一种氢氧化物的吸收装置。
19.一种获取测井数据的方法，包含：
a.提供控制器，用来使在井筒周围的地层中产生信号；
b.提供与所述控制器建立数据通信的第一时钟；
c.利用所述第一时钟将所述信号的记录存储在介质中，从而获得与所述产生的地震信号有关的时间标记；
d.将接收器布置在井筒中，用来检测所述产生的信号；以及
e.布置与所述接收器建立数据通信的原子钟，所述原子钟适合于向所述接收器提供时间标记，所述原子钟与所述第一时钟大体上同步。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述原子钟的偏移率小于每天3微秒。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述原子钟包含热控制系统，用来使所述原子钟的部件保持在预定温度。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述热控制系统包含下列中的一种：(i)热电冷却器；(ii)吸收冷却器；(iii)吸收加热器；(iv)热绝缘器；(v)电阻加热器；(vi)相变加热器；以及(vii)相变冷却器。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述热控制系统包含具有氢氧化物材料的吸收装置，该方法还包含：
放置所述氢氧化物材料与所述原子钟的部件热接触。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述原子钟基于下列一组元素中一种的原子跃迁：(i)铷，(ii)铯和(iii)氢。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述原子钟基于铷的原子跃迁。
26.根据权利要求19所述的方法，其中所述接收器是布置在井下的装置，并且被设置为当从井筒中松开脱离时接收信号。
27.根据权利要求19所述的方法，其中所述接收器适合于整体地固定在插入到井筒中的管状构件底端附近。
28.根据权利要求19所述的方法，其中所述信号是地震信号，而所述接收器是地震接收器。
CNA2004800306971A 2003-09-18 2004-09-17 井下应用的原子钟 Pending CN1871409A (zh)

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