ITMI941637A1 - SEISMIC SIGNALS DETECTION PROCEDURE FOR OBTAINING VERTICAL SEISM PROFILES DURING DRILLING OPERATIONS WITH A TOP-DRIVE EQUIPMENT - Google Patents

SEISMIC SIGNALS DETECTION PROCEDURE FOR OBTAINING VERTICAL SEISM PROFILES DURING DRILLING OPERATIONS WITH A TOP-DRIVE EQUIPMENT Download PDF

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ITMI941637A1
ITMI941637A1 IT001637A ITMI941637A ITMI941637A1 IT MI941637 A1 ITMI941637 A1 IT MI941637A1 IT 001637 A IT001637 A IT 001637A IT MI941637 A ITMI941637 A IT MI941637A IT MI941637 A1 ITMI941637 A1 IT MI941637A1
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signal
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seismic
drilling
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IT001637A
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Andrea Gallori
Sergio Persoglia
Flavio Poletto
Fabio Rocca
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Agip Spa
Osservatorio Geofisico Sperimentale
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Description

Descrizione Description

La presente invenzione riguarda un procedimento per la raccolta di dati sismici di pozzo, tra cui profili sismici verticali (VSP), che forniscono informazioni sulle formazioni geologiche del sottosuolo interessate dalla perforazione. The present invention relates to a process for collecting well seismic data, including vertical seismic profiles (VSP), which provide information on the geological formations of the subsoil affected by the drilling.

Più in particolare la presente invenzione riguarda un procedimento per la raccolta dei suddetti dati durante la perforazione di pozzi con impianti dotati di sistema "top drive". More specifically, the present invention relates to a process for collecting the aforementioned data during the drilling of wells with plants equipped with a "top drive" system.

La raccolta dei profili sismici verticali si basa essenzialmente sulla registrazione delle forme d'onda dei segnali diretti e riflessi corrispondenti ad un segnale generato da una sorgente sismica, costituito da vibrazioni o da impulsi di energia elastica, dopo il suo attraversamento di strati geologici a varie profondità. The collection of vertical seismic profiles is essentially based on the recording of the waveforms of direct and reflected signals corresponding to a signal generated by a seismic source, consisting of vibrations or pulses of elastic energy, after its crossing of geological layers at various depth.

La posizione dei vari strati del sottosuolo viene ricostruita in base ai tempi di ritardo con cui i segnali ritornano ai ricevitori. The position of the various subsoil layers is reconstructed on the basis of the delay times with which the signals return to the receivers.

La tecnica convenzionale della prospezione VSP (Vertical Seismic Profile) prevede di interrompere l'operazione di perforazione, estrarre la batteria di aste e lo scalpello di perforazione, introdurre uno o più geofoni rilevatori nel pozzo già perforato e generare in superficie, o a basse profondità, e nelle vicinanze del pozzo, uno o più impulsi acustici (ad esempio facendo brillare cariche esplosive) e rilevare i segnali che provengono ai geofoni posti all'interno del pozzo. Tale modo non dà incertezze circa il segnale "primario" generato in superficie e i segnali di ritorno rilevati non presentano grosse difficoltà di interpretazione, ma presenta ugualmente notevoli inconvenienti. Infatti risulta molto costoso, anche perché richiede l'interruzione delle operazioni di trivellazione per un lungo periodo di tempo, e quindi può essere applicato solo pochissime volte nel corso della perforazione. L'operazione di estrazione e reintroduzione della batteria di perforazione è assai disagevole e non priva di rischi, e quindi richiede procedure di sicurezza e precauzioni particolari. The conventional technique of VSP (Vertical Seismic Profile) prospecting involves interrupting the drilling operation, extracting the string of rods and the drilling bit, introducing one or more detector geophones into the already drilled well and generating on the surface, or at shallow depths, and in the vicinity of the well, one or more acoustic pulses (for example by shining explosive charges) and detect the signals coming from the geophones placed inside the well. This mode does not give uncertainties about the "primary" signal generated on the surface and the detected return signals do not present great difficulties in interpretation, but equally presents considerable drawbacks. In fact, it is very expensive, also because it requires the interruption of drilling operations for a long period of time, and therefore can be applied only very few times during drilling. The operation of extracting and reintroducing the drill string is very difficult and not without risks, and therefore requires special safety procedures and precautions.

In tempi più recenti è stato proposto di effettuare tali rilevamenti utilizzando come sorgente sismica lo stesso segnale generato dallo scalpello di perforazione durante la trivellazione. More recently it has been proposed to carry out such surveys using the same signal generated by the boring bit during drilling as a seismic source.

Ad esempio possono essere citati i sistemi di rilevamento descritti nei brevetti US-A-4,965,774, US-A-4,862,423, US-A-4,954,998 e US-A-4,718,048. For example, the detection systems described in US-A-4,965,774, US-A-4,862,423, US-A-4,954,998 and US-A-4,718,048 can be mentioned.

L'uso dello stèsso scalpello di perforazione come sorgente sismica presenta il vantaggio di permettere misure di superficie durante la perforazione senza interferire con le attività di cantiere e di raccogliere molti dati a basso costo e con pochi rischi, con campagne di rilevamento frequenti o addirittura in continuo. Il segnale generato dallo scalpello presenta però l'inconveniente di essere continuo nel tempo, ed è quindi assai difficile stabilire quale sia il segnale attendibile generato dallo scalpello per poterlo utilmente confrontare con i segnali di ritorno rilevati dai sensori posizionati sul terreno nell'area circostante al pozzo in perforazione. The use of the same boring bit as a seismic source has the advantage of allowing surface measurements during drilling without interfering with site activities and of collecting a lot of data at low cost and with few risks, with frequent or even inexpensive survey campaigns. continuous. However, the signal generated by the bit has the drawback of being continuous over time, and it is therefore very difficult to establish which is the reliable signal generated by the bit in order to be able to usefully compare it with the return signals detected by the sensors positioned on the ground in the area surrounding the well being drilled.

Il segnale di ritorno che viene misurato è generalmente legato al segnale emesso dallo scalpello tramite una funzione di trasferimento ed è generalmente rumoroso. Questa sorgente sismica offre quindi grandi vantaggi se si riesce ad individuare il segnale dello scalpello che si presenta distribuito nel tempo e disturbato da forti rumori ambientali, ad esempio il rumore generato da altre macchine del cantiere e dalle pompe, separandolo da tale disturbo. The return signal that is measured is generally related to the signal emitted by the bit via a transfer function and is generally noisy. This seismic source therefore offers great advantages if it is possible to identify the signal of the bit which is distributed over time and disturbed by strong environmental noises, for example the noise generated by other construction machinery and pumps, separating it from this disturbance.

La domanda di brevetto italiana a nome della richiedente ΙΤ-Α-ΜI 93A00196 del 5/02/93 risolve il problema di ottenere un rapporto Segnale/ Rumore sufficientemente elevato per ottenere informazioni significative sulla natura e configurazione delle formazioni litologiche interessante dalla trivellazione. La suddetta domanda risolve il problema della definizione di un segnale pilota rappresentativo del segnale dello scalpello, utilizzando una pluralità di misure congiunte del "rumore" dello scalpello mediante una pluralità di sensori posti sull'impianto di perforazione. The Italian patent application in the name of the applicant ΙΤ-Α-ΜI 93A00196 dated 05/02/93 solves the problem of obtaining a sufficiently high Signal / Noise ratio to obtain significant information on the nature and configuration of the lithological formations interesting from drilling. The above application solves the problem of defining a pilot signal representative of the bit signal, using a plurality of joint measurements of the bit "noise" by means of a plurality of sensors placed on the drilling rig.

E' stato ora trovato che utilizzando la tecnica di perforazione cosiddetta "top drive" è possibile ottenere risultati altrettanto efficaci utilizzando uno o più sensori di vibrazione, posti sul top-drive o sulla slitta che scorre sulle rotaie, e/o sensori di intensità di corrente posizionati sul motore o sul suo cavo di alimentazione. It has now been found that using the so-called "top drive" drilling technique it is possible to obtain equally effective results by using one or more vibration sensors, placed on the top-drive or on the slide that slides on the rails, and / or intensity sensors of current placed on the motor or its power cable.

In accordo con ciò e con riferimento alla figura 1, la presente invenzione riguarda un procedimento per l'ottenimento dei profili sismici verticali (VSP) durante la perforazione di pozzi con impianti dotati di top-drive, utilizzando come sorgente sismica le vibrazioni prodotte dallo scalpello di perforazione, crosscorrelando i segnali (i) raccolti da una pluralità di ricevitori disposti a costituire una o più linee sismiche di ricevimento in superficie delle onde sismiche che sono state generate dallo scalpello in funzione, con un segnale pilota (ii) rappresentativo del segnale generato dallo scalpello, propagatosi lungo la batteria di perforazione e registrato da uno o più sensori, In accordance with this and with reference to Figure 1, the present invention relates to a process for obtaining vertical seismic profiles (VSP) during the drilling of wells with plants equipped with top-drives, using the vibrations produced by the bit as a seismic source. drilling, by cross-correlating the signals (i) collected by a plurality of receivers arranged to form one or more seismic lines for receiving on the surface of the seismic waves that have been generated by the working bit, with a pilot signal (ii) representative of the signal generated by the bit, propagated along the drill string and registered by one or more sensors,

caratterizzato dal fatto che i suddetti sensori sono scelti tra: characterized by the fact that the aforementioned sensors are chosen from:

a) sensori di vibrazione (13), a) vibration sensors (13),

b) sensori di intensità di corrente (14), preferibilmente una pinza amperometrica, b) current intensity sensors (14), preferably an amperometric clamp,

con l'ulteriore vincolo che: with the further constraint that:

1) i sensori (a) sono posizionati sul top-drive (4) o sulla slitta, ad esso solidale, che scorre sulle rotaie (5), 1) the sensors (a) are positioned on the top-drive (4) or on the slide, integral with it, which slides on the rails (5),

2) i sensori (b) sono posizionati sul motore o sono ad esso collegati, preferibilmente sono posizionati sul suo cavo di alimentazione (11) che da terra giunge sino al motore attraverso la mandata fanghi. 2) the sensors (b) are positioned on the motor or are connected to it, preferably they are positioned on its power supply cable (11) which reaches the motor from the ground through the sludge delivery.

Il cosiddetto top-drive è un sistema mobile di trasmissione del moto alla batteria di aste di perforazione. Esso è costituito da un motore elettrico , sostenuto dai cavi (10), azionato in continuo che scorre su delle guide (binari) sostenute a loro volta dalla struttura della torre ed al cui rotore è calettato l'albero che trasmette, attraverso le ruote dentate, la rotazione alle aste. The so-called top-drive is a mobile system for transmitting motion to the string of drill rods. It consists of an electric motor, supported by cables (10), operated continuously which runs on guides (rails) supported in turn by the structure of the tower and whose rotor is keyed to the shaft that transmits, through the toothed wheels , rotation at the rods.

Esso è dotato di freni ad aria e raffreddamento ad olio; essendo un motore elettrico funzionante in zona di potenziali deflagrazioni, è ventilato continuamente allo scopo di eliminare eventuali accumuli di gas nelle sue cavità. It is equipped with air brakes and oil cooling; being an electric motor operating in the area of potential deflagrations, it is continuously ventilated in order to eliminate any accumulation of gas in its cavities.

Nella figura 1 è riportata la configurazione top-drive dotata del sistema di raccolta dei dati sismici, dove: Figure 1 shows the top-drive configuration equipped with the seismic data collection system, where:

-- (1) indica la struttura della torre di perforazione, - (1) indicates the structure of the drilling tower,

-- (2) indica la batteria di aste di perforazione che porta alla sua estremità lo scalpello di perforazione, - (2) indicates the string of drill rods which carries the drill bit at its end,

-- (3) indica lo scalpello di perforazione, - (3) indicates the drill bit,

-- (4) indica il top-drive che mette in azione la batteria di aste (2), - (4) indicates the top-drive which activates the battery of rods (2),

-- (5) indica le guide (rotaie) su cui scorre il top-drive (4), - (5) indicates the guides (rails) on which the top-drive (4) slides,

-- (6) indica il pozzo scavato dallo scalpello (3) nella sua discesa nel terreno, - (6) indicates the pit dug by the chisel (3) in its descent into the ground,

-- (7) indica una linea dei sensori di rilevamento (8) che ricevono i segnali sismici sia diretti che riflessi originati dalla sorgente sismica scalpello che attraversano il terreno e vengono raccolti e registrati con un registratore (9), - (7) indicates a line of detection sensors (8) which receive both direct and reflected seismic signals originating from the seismic bit source that cross the ground and are collected and recorded with a recorder (9),

-- (10) indica i cavi di sostegno del motore, -- (11) indica i cavi di alimentazione del motore, -- (12) è la mandata dei fanghi, - (10) indicates the motor support cables, - (11) indicates the motor power cables, - (12) is the sludge delivery,

(13) rappresenta i sensori di vibrazione posizionati sul motore o sulla sua slitta, (13) represents the vibration sensors positioned on the motor or its slide,

-- (14) indica i sensori di intensità di corrente. - (14) indicates the current intensity sensors.

La linea o le linee dei sensori di rilevamento sono correntemente indicate semplicemente come linea sismica e sono in genere poste ad una certa distanza dal cantiere di perforazione, secondo criteri di ottimizzazione che rendono possibile l'acquisizione dei dati sismici da un'area di una certa estensione attorno al pozzo in trivellazione. Tale linea sismica è generalmente costituita da geofoni, nel caso in cui si operi in terraferma, o da idrofoni, nel caso di perforazioni off-sbore. The line or lines of the detection sensors are currently indicated simply as a seismic line and are generally placed at a certain distance from the drilling site, according to optimization criteria that make it possible to acquire seismic data from an area of a certain extension around the borehole. This seismic line is generally made up of geophones, in the case of onshore operations, or of hydrophones, in the case of off-shore drilling.

La fig.2 rappresenta un esempio dei risultati ottenuti utilizzando come sensore pilota# secondo una delle forme preferite di realizzazione della presente invenzione, una pinza amperemetrica. In particolare la fig.2a rappresenta le crosscorrelazioni di un singolo ricevitore superficiale (8) della linea sismica (7) con il segnale della pinza amperametrica (14) raccolto a profondità di perforazione crescente da sinistra verso destra. La scala verticale della figura rappresenta il tempo di correlazione in secondi, mentre lo zero dei tempi di correlazione corrisponde a 2.0 secondi nella scala della figura stessa. La fig.2b riporta la crosscorrelazione di tutti i ricevitori (8) di una linea sismica (7) con il segnale pilota della pinza amperometrica (14) registrata ad un'unica profondità dello scalpello (3). Il problema tecnico ebe si intende risulvere con la presente invenzione è quello di poter disporre di un metodo atto ad ottenere misure con un rapporto Segnale/Rumore sufficientemente elevato per ottenere informazioni significative sulla natura e sulla configurazione delle formazioni litologiche interessate dalla trivellazione con top-drive. Fig. 2 represents an example of the results obtained using an amperemeter clamp as the pilot sensor # according to one of the preferred embodiments of the present invention. In particular, figure 2a represents the cross-correlations of a single surface receiver (8) of the seismic line (7) with the signal of the amperameter clamp (14) collected at an increasing drilling depth from left to right. The vertical scale of the figure represents the correlation time in seconds, while the zero of the correlation times corresponds to 2.0 seconds in the scale of the figure itself. Fig. 2b shows the cross-correlation of all the receivers (8) of a seismic line (7) with the pilot signal of the amperometric clamp (14) recorded at a single depth of the bit (3). The technical problem which the present invention intends to solve is that of having a method suitable for obtaining measurements with a sufficiently high Signal / Noise ratio to obtain significant information on the nature and configuration of the lithological formations involved in top-drive drilling. .

La quantità di rumore che contamina il segnale primario (-segnale pilota-) causa un deterioramento della qualità del rilevamento, pertanto il segnale deve essere misurato nelle condizioni più favorevoli in modo da individuare la componente di segnale e di ridurre la componente di rumore. The amount of noise contaminating the primary signal (-driver signal-) causes a deterioration in the detection quality, therefore the signal must be measured under the most favorable conditions in order to identify the signal component and reduce the noise component.

Secondo quanto riportato nella domanda di brevetto italiano a nome della richiedente IT-A-MI 93 A 00196 del 5/02/93, il procedimento si basa sulla tecnica di sommare il contributo di molti dati raccolti dai sensori di rilevamento in periodo discreto di tempo, in modo da rafforzare il suddetto rapporto segnale / rumore. La durata di detto periodo in cui i dati si possono sommare è limitata dal fatto che nel tempo lo scalpello avanza sprofondando. Tale tecnica trova dei limiti applicativi di ordine pratico, ad esempio la perforazione di strati più teneri o meno compatti genera segnali più deboli e le misure devono essere protratte per periodi più lunghi per essere significative. In tale evenienza, però, la perforazione è più veloce e si hanno limitazioni di durata del periodo per non perdere in risoluzione spaziale, per l'eccessivo sprofondamento dello scalpello durante la misura. According to what is reported in the Italian patent application in the name of the applicant IT-A-MI 93 A 00196 dated 5/02/93, the procedure is based on the technique of adding the contribution of many data collected by the detection sensors in a discrete period of time , in order to strengthen the aforementioned signal / noise ratio. The duration of said period in which the data can be added is limited by the fact that over time the bit sinks in. This technique has practical application limits, for example the drilling of softer or less compact layers generates weaker signals and the measurements must be continued for longer periods to be meaningful. In this case, however, the drilling is faster and there are limitations in the duration of the period in order not to lose spatial resolution, due to the excessive sinking of the bit during the measurement.

Il disturbo impedisce un chiaro ascolto del segnale dello scalpello e risulta solo parzialmente eliminabile con la tecnica di sommare il contributo di molte misure ripetute in periodi discreti di tempo: il risultato raggiungibile è un migliore rapporto segnale / rumore ma non ancora sufficientemente elevato se l'acquisizione avviene in posizione non favorevole. The disturbance prevents clear listening to the chisel signal and can only be partially eliminated with the technique of adding the contribution of many repeated measurements in discrete periods of time: the achievable result is a better signal / noise ratio but not yet sufficiently high if the acquisition takes place in an unfavorable position.

Il presente procedimento di rilevazione si basa sulla raccolta del segnale (o meglio dei segnali) di ritorno con i rilevatori (8) e sulla sua correlazione con una misura del segnale emesso dallo scalpello dopo averlo misurato (sul top-drive o lungo il suo cavo di alimentazione) ed eventualmente preliminarmente elaborato, in modo da ottenerne una misura significativa e fatta in condizioni estremamente favorevoli (segnale pilota) . The present detection procedure is based on the collection of the return signal (or better the signals) with the detectors (8) and on its correlation with a measurement of the signal emitted by the bit after having measured it (on the top-drive or along its cable power supply) and possibly preliminarily processed, in order to obtain a significant measurement and made under extremely favorable conditions (pilot signal).

L'operazione di correlazione, già descritta nella sopracitata domanda di brevetto italiano a nome della Richiedente, consiste qualitativamente nel far scorrere temporalmente l'uno rispetto all'altro due segnali da confrontare fin quando essi sono allineati con andamenti di forte somiglianza. Se l'operazione non dà risultato utile si ha incorrelazione tra i segnali confrontati. L'operazione di autocorrelazione consiste nel confronto del segnale con se stesso per identificare eventuali echi o riverberazioni. The correlation operation, already described in the aforementioned Italian patent application in the name of the Applicant, qualitatively consists in making two signals to be compared flow temporally with respect to each other until they are aligned with strongly similar trends. If the operation does not give a useful result, there is an incorrelation between the signals compared. The autocorrelation operation consists in comparing the signal with itself to identify any echoes or reverberations.

La crosscorrelazione è l'operazione di correlazione tra il segnale pilota ed i segnali raccolti con la linea sismica. Cross-correlation is the correlation operation between the pilot signal and the signals collected with the seismic line.

Secondo la procedura sopradescritta, si identifica il segnale costituito da una sequenza temporale di impulsi (picchi di ampiezza con segno positivo o negativo): esso viene concentrato in un unico segnale impulsivo per ogni evento geofisico misurato, per esempio il segnale diretto dello scalpello seguito dalle sue riflessioni. Questo segnale è in genere costituito da una serie di impulsi di ampiezza relativa e coordinata temporale ben identificati. According to the procedure described above, the signal consisting of a temporal sequence of pulses (amplitude peaks with positive or negative sign) is identified: it is concentrated in a single pulse signal for each measured geophysical event, for example the direct signal of the bit followed by the his reflections. This signal is usually made up of a series of well identified relative amplitude and time coordinate pulses.

Occorre anche tenere in conto il fatto che il segnale pilota non è nei fatti un segnale ideale perché: It is also necessary to take into account the fact that the pilot signal is not in fact an ideal signal because:

il segnale pilota ha un suo ritardo dovuto alla propagazione del segnale dallo scalpello al sensore che lo misura. Poiché il tempo di correlazione è un ritardo relativo tra due segnali, per ottenere il ritardo assoluto del dato geofisico misurato sul terreno bisogna compensare il ritardo già contenuto nel segnale pilota; the pilot signal has its own delay due to the propagation of the signal from the bit to the sensor that measures it. Since the correlation time is a relative delay between two signals, in order to obtain the absolute delay of the geophysical data measured on the ground, it is necessary to compensate for the delay already contained in the pilot signal;

il segnale pilota non è solo la sequenza degli impulsi generata dallo scalpello ma contiene anche le sue ripetizioni dovute a fenomeni di riverberazione all'interno dell'impianto di perforazione, che ha una caratteristica propria di vibrazione elastica; il segnale raccolto dai sensori deve essere per questo deriverberato in fase di elaborazione, prima o dopo la crosscorrelazione, per poter ricostruire un segnale significativo dovuto allo scalpello. the pilot signal is not only the sequence of impulses generated by the bit but also contains its repetitions due to reverberation phenomena inside the drilling rig, which has its own characteristic of elastic vibration; the signal collected by the sensors must therefore be reverberated during the processing phase, before or after the cross-correlation, in order to be able to reconstruct a significant signal due to the bit.

Ciascuna misura che viene utilizzata per la determinazione del segnale pilota contiene disturbi ambientali e spuri che si sovrappongono al segnale dello scalpello; i segnali raccolti possono essere trattati per ridurre la presenza di tale rumore e rafforzare il segnale. Each measurement that is used for the determination of the pilot signal contains environmental and spurious disturbances which overlap the bit signal; the collected signals can be processed to reduce the presence of such noise and strengthen the signal.

Sulla base dei termini del problema tecnico fin qui esposti e delle linee generali della tecnica di rilevamento sismico utilizzando lo scalpello come sorgente sismica, il sistema di rilevamento secondo la presente invenzione viene descritto nei suoi contenuti caratteristici, con riferimento allo schema di figura 1 che ne illustra una Bua tipica realizzazione a scopo illustrativo ma non limitativo. On the basis of the terms of the technical problem set out up to now and of the general lines of the seismic detection technique using the bit as a seismic source, the detection system according to the present invention is described in its characteristic contents, with reference to the diagram of figure 1 which illustrates a good typical realization for illustrative but not limitative purposes.

Già nel citato brevetto US-A-4,954,998 viene proposta una soluzione di sottrazione attiva del rumore del segnale pilota, secondo la quale il rumore viene raccolto con un sensore posto sulla batteria delle aste e considerato come sostanzialmente insensibile al segnale dello scalpello, selezionando la banda di frequenza di tale rumore, amplificando e poi sottraendolo dal segnale pilota. Tale soluzione tecnica considera le vibrazioni orizzontali misurate sulla testa della batteria delle aste (swivel) in un impianto dotato di tavola rotary, come rumore da sottrarre alla componente verticale, misurata sulla testa medesima. In un impianto dotato di tavola rotary, infatti, la parte superiore esterna delle aste è vincolata all'altezza del piano sonda della tavola rotary, ma è relativamente libera di oscillare lateralmente all'altezza della testa con conseguente disturbo per le misure del segnale dello scalpello. Al contrario in un impianto di perforazione dotato di top-drive, invece, la estremità superiore della batteria delle aste è solidamente connessa al motore che a sua volta è vincolato dalle rotaie. Already in the aforementioned patent US-A-4,954,998 a solution of active subtraction of the noise of the pilot signal is proposed, according to which the noise is collected with a sensor placed on the battery of the rods and considered as substantially insensitive to the signal of the bit, selecting the band frequency of this noise, amplifying and then subtracting it from the pilot signal. This technical solution considers the horizontal vibrations measured on the head of the rod battery (swivel) in a system equipped with a rotary table, as noise to be subtracted from the vertical component, measured on the head itself. In fact, in a system equipped with a rotary table, the upper external part of the rods is constrained to the height of the probe plane of the rotary table, but is relatively free to oscillate laterally at the height of the head with consequent disturbance for the measurements of the bit signal. . On the contrary, in a drilling rig equipped with a top-drive, on the other hand, the upper end of the battery of the rods is solidly connected to the engine which in turn is constrained by the rails.

La presente invenzione, limitata agli impianti di perforazione dotati di top-drive, consiste essenzialmente nell'utilizzazione del motore per ottenere almeno un segnale pilota che deve essere correlato poi ai segnali raccolti dai sensori sismici (8). The present invention, limited to drilling rigs equipped with top-drives, essentially consists in using the engine to obtain at least one pilot signal which must then be correlated to the signals collected by the seismic sensors (8).

Nei procedimenti descritti nella tecnica nota i sensori destinati a rilevare il segnale pilota generato dallo scalpello sono tipicamente posti sulla batteria delle aste. In the processes described in the prior art, the sensors intended to detect the pilot signal generated by the bit are typically placed on the battery of the rods.

La scelta dei sensori risulta importante usando un singolo sensore pilota, con il quale è importante individuare un segnale dello scalpello non solo forte (nel senso che i suoi picchi significativi abbiano ampiezze significative) ma soprattutto buono (nel senso che tali picchi significativi non siano inquinati da rumori che li rendano poco identificabili). The choice of sensors is important using a single pilot sensor, with which it is important to identify a signal from the bit that is not only strong (in the sense that its significant peaks have significant amplitudes) but above all good (in the sense that these significant peaks are not polluted. from noises that make them unidentifiable).

Nel caso del top-drive il motore soddisfa queste caratteristiche poiché la misura delle vibrazioni dello scalpello, effettuata direttamente sul top-drive o sulla sua slitta o mediante collegamento al motore stesso, permette di rilevare sia vibrazioni longitudinali che vibrazioni torsionali che si trasmettono lungo le aste sino al blocco motore ed alla slitta che lo sostiene, con ciò fornendo segnali pilota di buona qualità. Anche la misura della corrente assorbita dal motore eseguita con una pinza amperometrica serve a tale scopo. Le misure di torsione sono utili per identificare il segnale di scalpelli che emettono vibrazioni torsionali, come ad esempio quelle di tipo PDC (Polycristalline Diamond Compacts), oltre che assiali nelle aste. In the case of the top-drive, the motor satisfies these characteristics since the measurement of the vibrations of the bit, carried out directly on the top-drive or on its slide or by connection to the motor itself, allows to detect both longitudinal vibrations and torsional vibrations that are transmitted along the rods up to the engine block and the slide that supports it, thereby providing good quality pilot signals. The measurement of the current absorbed by the motor carried out with an amperometric clamp also serves this purpose. Torsion measurements are useful for identifying the signal of bits that emit torsional vibrations, such as those of the PDC type (Polycrystalline Diamond Compacts), as well as axial in the rods.

La soluzione sopraesposta per l’impianto top-drive non è soddisfacente nel caso di un impianto con tavola rotary. Infatti in questa ipotesi l’utilizzo di sensori posti al di sopra della tavola rotary (come accelerometri sulla testa della batteria delle aste od anche sensori nella batteria stessa) permette di misurare le vibrazioni longitudinali (assiali) nelle aste, ma mal si adatta a rilevare il carico torsionale, che si scarica sulla tavola rotary stessa. I sensori per la misura della torsione, ad esempio accelerometri od estensimetri, devono in tal caso essere ubicati al di sotto della tavola rotary, perciò nelle aste, modificando la batteria ed utilizzando un collegamento radio. The above solution for the top-drive system is not satisfactory in the case of a system with a rotary table. In fact, in this hypothesis, the use of sensors placed above the rotary table (such as accelerometers on the head of the battery of the rods or even sensors in the battery itself) allows to measure the longitudinal (axial) vibrations in the rods, but it is not suitable for detecting the torsional load, which is discharged on the rotary table itself. The sensors for measuring the torsion, for example accelerometers or strain gauges, must in this case be located below the rotary table, therefore in the rods, modifying the battery and using a radio link.

Secondo la presente invenzione, il segnale pilota viene ottenuto ed elaborato sulla base dei rilevamenti di un uno o più sensori, anche di tipo diverso, scelti tra: According to the present invention, the pilot signal is obtained and processed on the basis of the detections of one or more sensors, even of different types, selected from:

a) sensori di vibrazione (13) posti sul top-drive (4) o sulla slitta che scorre sulle rotaie (5), ad esempio geofoni, accelerometri o comunque sensori mono- o tri-assiali che danno informazioni sugli impulsi generati dal moto dello scalpello, per rilevare il segnale trasmesso al motore od alla sua slitta tramite la batteria di aste per l'accoppiamento diretto tra top-drive (4) e batteria (2); b) sensori di intensità di corrente (14), ad esempio una pinza amperometrica posizionata sul motore o ad esso collegata, ad esempio sul cavo di alimentazione che da terra giunge sino al motore lungo la mandata dei fanghi; detti sensori hanno lo scopo di misurare l'assorbimento istantaneo di corrente elettrica da parte del motore (4). Gli sforzi torsionali delle aste si trasmettono attraverso la batteria sino al motore. Tali sensori forniscono la misura di una grandezza variabile ma di tipo diverso da quella misurata dai sensori di vibrazione (13), alla quale però risulta strettamente correlata. a) vibration sensors (13) placed on the top-drive (4) or on the slide that slides on the rails (5), for example geophones, accelerometers or mono- or tri-axial sensors that give information on the impulses generated by the motion of the chisel, to detect the signal transmitted to the motor or its slide through the battery of rods for direct coupling between the top-drive (4) and the battery (2); b) current intensity sensors (14), for example an amperometric clamp positioned on the motor or connected to it, for example on the power cable that reaches the motor from the ground along the sludge delivery; said sensors have the purpose of measuring the instantaneous absorption of electric current by the motor (4). The torsional forces of the rods are transmitted through the battery to the motor. These sensors provide the measurement of a variable quantity but of a different type from that measured by the vibration sensors (13), to which however it is strictly correlated.

Ciascuno di questi diversi tipi di sensore, che possono essere usati da soli o in combinazione tra loro, rileva un segnale che ha percorso un diverso mezzo di trasmissione, quali l'acciaio della sonda ed il collegamento elettrico del motore . Each of these different types of sensors, which can be used alone or in combination with each other, detects a signal that has traveled through a different transmission medium, such as the steel of the probe and the electrical connection of the motor.

Ognuno di questi sensori fornisce un segnale, o meglio una traccia, da utilizzare per la crosscorrelazione. Un sensore fornisce così una sequenza di misure, espresse in valori digitali o analogici, correntemente detta traccia. Each of these sensors provides a signal, or rather a trace, to be used for cross-correlation. A sensor thus provides a sequence of measurements, expressed in digital or analogue values, currently called trace.

Ogni traccia è costituita da una serie di misure in valori digitali o analogici, caratterizzate da due dati essenziali, un valore di intensità ed un valore di coordinata temporale, che può ridursi ad un numero ordinale della misura nel corso della determinazione. Each trace consists of a series of measurements in digital or analog values, characterized by two essential data, an intensity value and a time coordinate value, which can be reduced to an ordinal number of the measurement during the determination.

Il valore di intensità può essere espresso, a seconda dei sensori considerati, come velocità delle particelle per effetto delle onde elastiche dovute alla propagazione del suono (misurata dai geofoni), come pressione (misurata dai pressurometri posti in circuiti idraulici), come accelerazione (misurata dagli accelerometri) od infine dalla corrente assorbita dai motori elettrici (misurata con la pinza amperometrica). Un altro parametro misurabile può essere la deformazione, utilizzando estensometri di precisione. The intensity value can be expressed, depending on the sensors considered, as the speed of the particles due to the elastic waves due to the propagation of sound (measured by the geophones), as pressure (measured by the pressurometers placed in hydraulic circuits), as acceleration (measured by accelerometers) or finally by the current absorbed by the electric motors (measured with the amperometric clamp). Another measurable parameter can be strain, using precision extensometers.

Le tracce ottenute dai citati sensori consentono di identificare, mediante correlazione, i picchi determinati dagli impulsi dello scalpello. Secondo una realizzazione preferita dell'invenzione, il rilevamento e la registrazione dei dati vengono condotti con valori digitali. Le misure, eventualmente elaborate preliminarmente con operazioni di filtraggio o deconvoluzione, vengono successivamente usate per preparare un segnale pilota molto significativo, da utilizzare per la sua correlazione con i segnali rilevati con la linea sismica. The traces obtained by the aforementioned sensors make it possible to identify, by means of correlation, the peaks determined by the pulses of the bit. According to a preferred embodiment of the invention, the detection and recording of the data are carried out with digital values. The measurements, possibly processed in advance with filtering or deconvolution operations, are subsequently used to prepare a very significant pilot signal, to be used for its correlation with the signals detected with the seismic line.

Ad esempio si può adottare come traccia di riferimento la traccia ottenuta dal sensore (13). Poiché è nota la lunghezza della batteria di perforazione e la velocità del suono nell'acciaio, si può ricavare un valore attendibile del ritardo reale tra un colpo dello scalpello e l'arrivo al sensore (13) dell'impulso che gli corrisponde. For example, the trace obtained from the sensor (13) can be adopted as the reference trace. Since the length of the drill string and the speed of sound in the steel are known, it is possible to obtain a reliable value of the real delay between a blow of the bit and the arrival at the sensor (13) of the corresponding impulse.

Come già illustrato, il sensore (13) per l'ascolto del segnale destinato a produrre il segnale pilota riceve la traccia P( ). Questa traccia si Utilizza come trasformata nel dominio di frequenze ( indica frequenza). As already illustrated, the sensor (13) for listening to the signal intended to produce the pilot signal receives the trace P (). This trace is used as a transform in the frequency domain (indicates frequency).

Per trasformata nel dominio delle frequenze si intende generalmente la scomposizione del segnale nelle oscillazioni sinusoidali elementari che sono presenti in esso, ciascuna con la sua fase e la sua ampiezza. Per descrivere ciascuna componente sono allora necessari due numeri reali e si fa perciò uso di numeri complessi (cfr. Prodi G., Analisi matematica, 1976 pag 91/97). La trasformata è ben nota con il nome di trasformata di Fourier (cfr. Bracewell R., The Fourier transform and its application, 1985). By transform in the frequency domain we generally mean the decomposition of the signal into the elementary sinusoidal oscillations that are present in it, each with its phase and its amplitude. Two real numbers are then necessary to describe each component and therefore complex numbers are used (cf. Prodi G., Mathematical Analysis, 1976 p. 91/97). The transform is well known as the Fourier transform (see Bracewell R., The Fourier transform and its application, 1985).

Il dominio delle frequenze costituisce un parametro molto utile per la determinazione dei segnali per la semplicità dell'operazione di correlazione tra due segnali, che consiste nel fare il prodotto frequenza per frequenza del primo segnale per il complesso coniugato del secondo. The frequency domain is a very useful parameter for the determination of signals due to the simplicity of the correlation operation between two signals, which consists in making the frequency product by frequency of the first signal by the complex conjugate of the second.

E ancora, l'operazione di filtraggio si esegue semplicemente moltiplicando frequenza per frequenza lo spettro del filtro per lo spettro del segnale da filtrare. And again, the filtering operation is performed simply by multiplying frequency by frequency the spectrum of the filter by the spectrum of the signal to be filtered.

I segnali misurati vengono eventualmente deconvoluti (per deconvoluzione si intende correntemente un'operazione di filtraggio inverso che rimuove efficacemente le riverberazioni e le "multiple” del segnale dello scalpello) per eliminare le riverberazioni in loro presenti ed eventualmente filtrati per eliminare componenti in frequenza dovute al disturbo oppure per modificare le risposte all'impulso di singoli canali. Se un evento istantaneo genera un segnale che viene misurato in un canale, esso produce non propriamente un impulso ma un segnale con una forma d'onda, generalmente molto breve nel tempo, che dipende da una molteplicità di fattori come, ad esempio, le caratteristiche del sensore, la grandezza che viene misurata, l'accoppiamento tra il sensore ed il mezzo al quale esso è applicato, e così via. Si possono persino creare degli operatori di filtraggio che modificano queste risposte, sia dalla conoscenza delle caratteristiche della strumentazione che con misure dirette, come la stima di filtri di adattamento tra segnali. The measured signals are eventually deconvoluted (by deconvolution we currently mean an inverse filtering operation that effectively removes the reverberations and "multiples" of the chisel signal) to eliminate the reverberations present in them and possibly filtered to eliminate frequency components due to the disturbance or to modify the impulse responses of individual channels. If an instantaneous event generates a signal that is measured in a channel, it produces not really a pulse but a signal with a waveform, generally very short in time, which depends on a multiplicity of factors such as, for example, the characteristics of the sensor, the quantity that is measured, the coupling between the sensor and the medium to which it is applied, etc. You can even create filtering operators that modify these responses, both from the knowledge of the characteristics of the instrumentation and with direct measurements, such as the estimation of matching filters between signals.

Il segnale pilota misurato ed eventualmente elaborato con i metodi fin qui descritti viene utilizzato quindi nella crosscorrelazione tra il segnale pilota rappresentativo del segnale primario e i segnali raccolti dai geofoni (8) della linea sismica (7). The pilot signal measured and possibly processed with the methods described up to now is then used in the cross-correlation between the pilot signal representative of the primary signal and the signals collected by the geophones (8) of the seismic line (7).

Il risultato che si ottiene con le elaborazioni fin qui descritte è un segnale sismico di buona qualità rappresentativo degli impulsi dello scalpello. The result obtained with the elaborations described up to now is a good quality seismic signal representative of the pulses of the bit.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l'ottenimento dei profili sismici verticali (VSP) durante la perforazione di pozzi con impianti dotati di top-drive, utilizzando come sorgente sismica le vibrazioni prodotte dallo scalpello di perforazione, crosscorrelando i segnali (i), raccolti da una pluralità di ricevitori disposti a costituire una o più linee sismiche di ricevimento in superficie delle onde sismiche che sono state generate dallo scalpello in funzione, con un segnale pilota (ii) rappresentativo del segnale generato dallo scalpello, propagatosi lungo la batteria di perforazione e registrato da uno o più sensori, caratterizzato dal fatto che i suddetti sensori sono scelti tra: a) sensori di vibrazione (13), b) sensori di intensità di corrente (14), con l'ulteriore vincolo che: 1) i sensori (a) sono posizionati sul top-drive (4) o sulla slitta, ad esso solidale, che scorre sulle rotaie (5), 2) i sensori (b) sono posizionati sul motore o sono ad esso collegati, preferibilmente sono posizionati sul suo cavo di alimentazione (11) che da terra giunge sino al motore attraverso la mandata fanghi. CLAIMS 1. Procedure for obtaining vertical seismic profiles (VSP) during the drilling of wells with plants equipped with top-drives, using the vibrations produced by the drilling bit as a seismic source, cross-correlating the signals (i), collected from a plurality of receivers arranged to constitute one or more seismic lines for receiving on the surface the seismic waves that have been generated by the bit in operation, with a pilot signal (ii) representative of the signal generated by the bit, propagated along the drill string and recorded by one or more sensors, characterized by the fact that the aforementioned sensors are chosen from: a) vibration sensors (13), b) current intensity sensors (14), with the further constraint that: 1) the sensors (a) are positioned on the top-drive (4) or on the slide, integral with it, which slides on the rails (5), 2) the sensors (b) are positioned on the motor or are connected to it, preferably they are positioned on its power supply cable (11) which reaches the motor from the ground through the sludge delivery. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il segnale pilota è sufficientemente rappresentabile dalla registrazione di un unico sensore. Method according to claim 1, characterized in that the pilot signal is sufficiently representable by the recording of a single sensor. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il sensore di intensità di corrente è una pinza amperometrica. Method according to claim 1, characterized in that the current intensity sensor is an amperometric clamp. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i sensori di intensità di corrente sono posti sul cavo di alimentazione che da terra giunge sino al motore lungo la mandata dei fanghi. 4. Process according to claim 1, characterized by the fact that the current intensity sensors are placed on the power supply cable which reaches from the ground to the motor along the sludge delivery.
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