RU2292063C1

RU2292063C1 - Mode of borehole seismic exploration

Info

Publication number: RU2292063C1
Application number: RU2005121154/28A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Владимирович Григорьев (RU); Геннадий Владимирович Григорьев; Александр Владимирович Кусевич (RU); Александр Владимирович Кусевич; Николай Григорьевич Мельничук (RU); Николай Григорьевич Мельничук
Original assignee: Общество с Ограниченной Ответственностью "УренгойАудитГеоСервис"
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-01-20

Abstract

FIELD: the invention refers to seismic exploration and may be used for receiving speedy characteristics of the upper part of the section- the zone of small velocities and also for studying geological structure and physical properties of the zone of small velocities.

SUBSTANCE: in the process of boring elastic vibrations are excited by way of impacting of a rock destructing instrument of a mobile rig on the researched environment. Simultaneously elastic vibrations are registered with a sensor of a reference signal consisting of four transformers, evenly distributed along the perimeter of the site of the rig frame, and ground receiving arrangement. The ground receiving arrangement is installed on the day surface at a distance from the wellhead of no less then 5-10 meters on the rods sunken into the ground to the depth exceeding the power of the soil layer. The range of the working frequencies from 100Hz to 350Hz in whose limits useful signals are picked out. Mutually correlated functions are formed and according to them seismic velocities and position of seismic frontiers are defined.

EFFECT: increases accuracy and trustworthiness of construction of speedy characteristics of the researched environment.

Description

Изобретение относится к сейсмической разведке и может быть использовано для получения скоростной характеристики верхней части разреза - зоны малых скоростей (ЗМС), а также изучения геологического строения и физических свойств ЗМС.The invention relates to seismic exploration and can be used to obtain speed characteristics of the upper part of the section - the zone of low speeds (ZMS), as well as studying the geological structure and physical properties of the ZMS.

Известен способ скважинной сейсморазведки, в котором одновременно регистрируют колебания, возникающие при работе бурового инструмента и распространяющиеся от забоя скважины по колонне бурильных труб и в толще горных пород. При обработке определяют взаимокорреляционную функцию двух волновых процессов, а по времени запаздывания одного процесса относительно другого вычисляют скорость распространения сейсмических волн в породах (Авторское свидетельство СССР, №643819, кл. G 01 V 1/00, 1977).A known method of downhole seismic exploration, in which simultaneously record the vibrations that occur during the operation of the drilling tool and propagating from the bottom of the well along the string of drill pipes and in the thickness of the rocks. During processing, the inter-correlation function of two wave processes is determined, and the propagation velocity of seismic waves in the rocks is calculated from the time delay of one process relative to the other (USSR Author's Certificate, No. 643819, class G 01 V 1/00, 1977).

Недостаток способа состоит в том, что разность времени распространения сейсмических волн по колонне бурильных труб и по горным породам определяется с большой погрешностью, что снижает разрешающую способность и точность метода.The disadvantage of this method is that the time difference between the propagation of seismic waves along the drill string and rocks is determined with a large error, which reduces the resolution and accuracy of the method.

Известен способ скважинной сейсморазведки, который базируется на возбуждении упругих колебаний бурильной колонны путем воздействия бурового инструмента на забой скважины в процессе бурения. Предусматривается одновременная регистрация колебаний на дневной поверхности в диапазоне частот от 20 Гц до 100 Гц и датчиком опорного сигнала. При обработке осуществляется формирование взаимокорреляционных функций зарегистрированного волнового поля, проводится спектральный анализ и выделяются квазигармонические составляющие наиболее интенсивных резонансных частот в выбранном диапазоне частот, для каждой из которых формируют монохромные коррелограммы. Затем преобразуют их в импульсную форму, по которой определяют параметры исследуемой среды (патент РФ №2101733, кл. G 01 V 1/40, 1998).A known method of downhole seismic exploration, which is based on the excitation of elastic vibrations of the drill string by the action of a drilling tool on the bottom of the well during drilling. Simultaneous registration of fluctuations on the day surface in the frequency range from 20 Hz to 100 Hz and a reference signal sensor is provided. During processing, the mutual correlation functions of the registered wave field are formed, spectral analysis is performed, and the quasiharmonic components of the most intense resonant frequencies are selected in the selected frequency range, for each of which monochrome correlograms are formed. Then they are converted into a pulse form, which determines the parameters of the test medium (RF patent No. 2101733, CL G 01 V 1/40, 1998).

К недостаткам способа следует отнести невысокую точность исследования, ограниченный рабочий частотный диапазон и большой объем вычислений, которые приходится вести в стационарных условиях с привлечением специализированных средств обработки по завершению работ на отрабатываемой скважине.The disadvantages of the method include the low accuracy of the study, the limited working frequency range and the large amount of calculations that have to be carried out in stationary conditions with the use of specialized processing tools to complete work on the well being worked out.

В качестве прототипа может быть выбран способ скважинной сейсморазведки, основанный на возбуждении упругих колебаний на различных глубинах путем воздействия бурового инструмента на забой скважины в процессе бурения, предусматривающий регистрацию колебаний при разных удалениях точек приема от устья скважины, выделение полезного сигнала, формирования взаимокорреляционных функций, по которым определяются сейсмические скорости и положение сейсмических границ, пересеченных скважиной.As a prototype, a method of downhole seismic exploration can be selected, based on the excitation of elastic vibrations at various depths by the impact of a drilling tool on the bottom of the well during drilling, providing for the registration of vibrations at different distances of the receiving points from the wellhead, the selection of a useful signal, the formation of cross-correlation functions, according to which determines the seismic velocity and the position of the seismic boundaries crossed by the well.

Недостатком этого способа является то, что исследование ведется в нестационарном режиме бурения. В результате чего изменяется частота вращения бурового инструмента, давление инструмента на забой, что приводит к снижению рабочего частотного диапазона, точности исследования, ухудшению помехоустойчивости при регистрации колебаний и последующей обработки регистрируемых волновых полей (Авторское свидетельство СССР, №1035549, кл. G 01 V 1/40, 1983).The disadvantage of this method is that the study is conducted in an unsteady mode of drilling. As a result, the rotational speed of the drilling tool, the pressure of the tool at the bottom, change, which leads to a decrease in the operating frequency range, accuracy of research, deterioration of noise immunity during registration of vibrations and subsequent processing of recorded wave fields (USSR Author's Certificate, No. 1035549, class G 01 V 1 / 40, 1983).

Эти недостатки связаны с технологическими особенностями глубокого бурения, а также с тем, что зарегистрировать колебания более 100 Гц с помощью традиционных технических средств, используемых в сейсморазведке, сложно либо невозможно вообще. Причиной тому существенное затухание высокочастотных колебаний, распространяющихся от бурового инструмента, невысокая чувствительность используемых в сейсморазведке регистрирующих средств, искажение амплитудно-частотной характеристики из-за плохого контакта сейсмоприемника с почвой.These shortcomings are associated with the technological features of deep drilling, as well as the fact that it is difficult or impossible to record oscillations of more than 100 Hz using traditional technical means used in seismic exploration. The reason for this is the significant attenuation of high-frequency oscillations propagating from the drilling tool, the low sensitivity of the recording means used in seismic exploration, and the distortion of the amplitude-frequency characteristics due to poor contact of the seismic receiver with the soil.

Технический результат, на реализацию которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении точности и достоверности построения скоростной характеристики исследуемой среды и, как следствие, в повышении информативности геологоразведочных работ.The technical result, the implementation of which the claimed invention is directed, is to increase the accuracy and reliability of constructing the speed characteristics of the medium under study and, as a result, to increase the information content of exploration work.

Для этого в способе скважинной сейсморазведки, включающем возбуждение упругих колебаний буровой установкой в процессе бурения, регистрацию упругих колебаний при разном удалении точек приема, выделение полезных сигналов, формирование взаимокорреляционных функций и определение по ним сейсмических скоростей и положения сейсмических границ, упругие колебания возбуждают мобильной буровой установкой путем воздействия породоразрушающего инструмента на исследуемую среду, одновременно регистрируют колебания датчиком опорного сигнала, состоящим из четырех преобразователей, равномерно распределенных по периметру площадки рамы буровой установки, и наземным приемным устройством, установленным на дневной поверхности на расстоянии от устья скважины не менее 5-10 м, на стержнях, заглубленных в грунт на глубину, превышающую мощность почвенного слоя, выбирают диапазон рабочих частот от 100 Гц до 350 Гц, в пределах которого выделяют полезные сигналы.To do this, in a method of downhole seismic exploration, which includes the excitation of elastic vibrations by a drilling rig during drilling, registration of elastic vibrations at different distances of receiving points, the selection of useful signals, the formation of cross-correlation functions and the determination of seismic velocities and the position of seismic boundaries, elastic vibrations are excited by a mobile drilling rig by the influence of the rock cutting tool on the medium under study, simultaneously detect the oscillations of the reference signal sensor, consisting of four transducers uniformly distributed around the perimeter of the platform frame of the drilling rig, and a ground receiving device installed on the day surface at a distance from the wellhead of at least 5-10 m, on rods buried in the ground to a depth exceeding the thickness of the soil layer, choose operating frequency range from 100 Hz to 350 Hz, within which useful signals are emitted.

Существенными отличительными признаками в заявляемом способе являются:Salient features in the present method are:

- расположение наземных приемных устройств на дневной поверхности на расстоянии 5-10 м от устья скважины позволяет уменьшить влияние поверхностных волн - помех и, как следствие, повысить информативность получаемых сигналов;- the location of ground-based receivers on the day surface at a distance of 5-10 m from the wellhead can reduce the influence of surface waves - interference and, as a result, increase the information content of the received signals;

- выполнение датчика опорного сигнала в виде четырех преобразователей, равномерно распределенных по периметру площадки рамы буровой установки, способствует компенсации помех, не связанных с продольными колебаниями, и более четкому выделению полезного сигнала;- the implementation of the reference signal sensor in the form of four transducers uniformly distributed around the perimeter of the platform frame of the drilling rig, helps to compensate for interference not associated with longitudinal vibrations, and a clearer selection of the useful signal;

- заглубление металлических стержней для установки наземных сейсмоприемников на глубину, превышающую мощность почвенного слоя, позволяет скомпенсировать поглощение средой высокочастотных колебаний и, как следствие, повысить информативность получаемых результатов геологоразведочных работ.- deepening of metal rods for installing ground-based seismic receivers to a depth exceeding the thickness of the soil layer makes it possible to compensate for the absorption of high-frequency oscillations by the medium and, as a result, increase the information content of the obtained exploration results.

Из изученной научно-технической и патентной литературы не выявлено существование технического решения с перечисленной совокупностью признаков. Это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критериям изобретения.From the studied scientific, technical and patent literature, the existence of a technical solution with the listed set of features is not revealed. This gives reason to conclude that the claimed object to the criteria of the invention.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Упругие колебания, возбуждаемые мобильной буровой установкой при взаимодействии бурового породоразрушающего инструмента с исследуемой средой, одновременно регистрируются датчиком опорного сигнала, состоящим из четырех преобразователей, равномерно распределенных по периметру площадки рамы буровой установки, и наземным приемным устройством, установленным на дневной поверхности на расстоянии от устья скважины не менее 5-10 м. При этом влияние поверхностных волн - помех уменьшается и не препятствует выделению полезного сигнала. Одновременно с этим ведется также регистрация глубины бурения датчиком, связанным с буровой колонной. При этом датчик опорного сигнала может быть выполнен состоящим из 4-х преобразователей, равномерно распределенных по периметру площадки рамы буровой установки с целью компенсации помех, не связанных с продольными колебаниями, и более четкого выделения полезного сигнала. Наземное приемное устройство может быть выполнено, например, в виде бонной косы, перемещаемой вслед за буровой установкой. Количество каналов - приемников в бонной косе должно быть не менее двух для осуществления уверенной корреляции первых вступлений прямой волны, являющейся основной при обработке. Выбор минимального количества каналов существенно сокращает объем вычислений, которые производятся непосредственно в полевых условиях в процессе бурения скважины. Заглубление металлических стержней для установки наземных приемников должно производится на глубину, превышающую мощность почвенного слоя, и не менее 0,5 м и, например, с помощью тех же шнеков буровой установки, которые используются при бурении. Использование в качестве датчиков приемного устройства акселерометров, выходной сигнал у которых пропорционален второй производной от смещения, наиболее предпочтительно при регистрации высоких частот. Они позволяют скомпенсировать поглощение средой высокочастотных колебаний. Далее сейсмические записи зарегистрированных колебаний в выбранном диапазоне частот преобразуют в импульсную форму с использованием стандартных процедур обработки. По импульсным сейсмическим записям определяется время запаздывания волновых процессов, полученных с помощью датчика опорного сигнала и наземных приемников. Отсчет времени производится от первых вступлений наиболее интенсивной прямой волны. Сформированные для различных глубин воздействия бурового инструмента на исследуемую среду импульсные сейсмограммы служат основой для построения скоростной характеристики разреза.Elastic vibrations excited by a mobile drilling rig during the interaction of a rock cutting tool with the test medium are simultaneously detected by a reference signal sensor consisting of four transducers uniformly distributed along the perimeter of the platform frame of the drilling rig and a ground-based receiving device installed on the day surface at a distance from the wellhead not less than 5-10 m. At the same time, the influence of surface waves - interference is reduced and does not prevent the selection of a useful signal. At the same time, drilling depth is also recorded with a sensor connected to the drill string. In this case, the reference signal sensor can be made up of 4 transducers uniformly distributed along the perimeter of the platform frame of the drilling rig to compensate for interference not related to longitudinal vibrations and to more clearly isolate the useful signal. The ground receiving device can be made, for example, in the form of a braid, which is moved after the drilling rig. The number of receiver channels in the bonnet should be at least two in order to ensure a reliable correlation of the first arrivals of the direct wave, which is the main one during processing. The choice of the minimum number of channels significantly reduces the amount of calculations that are performed directly in the field during the drilling process. The deepening of metal rods for the installation of ground-based receivers should be carried out to a depth exceeding the thickness of the soil layer and not less than 0.5 m and, for example, using the same rig screws used for drilling. The use of accelerometers as sensors of the receiving device, the output signal of which is proportional to the second derivative of the bias, most preferably when registering high frequencies. They make it possible to compensate for the absorption of high-frequency oscillations by the medium. Next, seismic records of recorded oscillations in the selected frequency range are converted into a pulsed form using standard processing procedures. Pulse seismic records determine the delay time of wave processes obtained using the reference signal sensor and ground receivers. The countdown is made from the first arrivals of the most intense direct wave. Pulse seismograms formed for various depths of the impact of the drilling tool on the medium under study serve as the basis for constructing the velocity characteristics of the section.

По сравнению с прототипом и другими известными способами предлагаемый способ позволяет повысить точность и надежность изучения верхней части разреза, существенно сократить время проведения работы и производить ее в режиме реального времени, т.е. в процессе бурения скважины, с выдачей конечного результата исследования.Compared with the prototype and other known methods, the proposed method allows to increase the accuracy and reliability of the study of the upper part of the section, significantly reduce the time of work and produce it in real time, i.e. in the process of drilling a well, with the issuance of the final result of the study.

Опробование технических средств и процедур обработки зарегистрированных сигналов был осуществлен мобильной буровой установкой ПБУ-2, используемой для бурения взрывных скважин, с использованием шнека-фрезы в качестве породоразрушающего инструмента. В качестве датчиков и приемников использовались акселерометры, разработанные в Нижне-Волжском НИИ геологии и геофизики. Датчик опорного сигнала был выполнен с возможностью ослабления помех, усиления полезного сигнала и регулируемой величиной выходного сигнала. Чувствительность приемников была выбрана 2B/G. Заглубление приемников осуществлялось с помощью металлических стержней на глубину 40 см, при удалении от устья скважины первого приемника на 5 м, второго на 10 м. Полученные сейсмические записи были преимущественно высокочастотными. Использовались различные стандартные процедуры обработки с использованием функции взаимной корреляции, спектральный анализ, монохромные преобразования, обеспечивающие улучшение соотношения сигнал-помеха, динамическую и временную разрешенность импульсной сейсмической записи. Все они позволили уверенно выделить прямую волну, являющуюся опорной для проведения построения скоростной характеристики исследуемой геологической среды.The testing of technical means and procedures for processing the recorded signals was carried out by the PBU-2 mobile drilling rig, used for drilling blast holes, using a screw cutter as a rock cutting tool. Accelerometers developed at the Lower Volga Research Institute of Geology and Geophysics were used as sensors and receivers. The sensor of the reference signal was made with the possibility of attenuation of interference, amplification of the useful signal and an adjustable value of the output signal. The sensitivity of the receivers was chosen 2B / G. The receivers were deepened with the help of metal rods to a depth of 40 cm, while the first receiver was 5 m away from the wellhead and the second 10 m away. The obtained seismic records were mostly high-frequency. Various standard processing procedures using the cross-correlation function, spectral analysis, monochrome transformations that improve the signal-to-noise ratio, dynamic and temporal resolution of pulsed seismic recordings were used. All of them allowed us to confidently isolate the direct wave, which is the reference wave for the construction of the velocity characteristics of the studied geological environment.

Claims

A method of downhole seismic exploration, including the excitation of elastic vibrations by a drilling rig during drilling, registration of elastic vibrations at different distances of receiving points, the selection of useful signals, the formation of cross-correlation functions and the determination of seismic velocities and the position of seismic boundaries, characterized in that the elastic vibrations excite the mobile rig installation by the influence of a rock cutting tool on the medium under study, simultaneously record the oscillations of the reference sensor with igna, consisting of four transducers uniformly distributed around the perimeter of the platform frame of the drilling rig, and a ground receiving device installed on the day surface at a distance from the wellhead of at least 5-10 m on rods buried in the ground to a depth exceeding the thickness of the soil layer, choose a range of operating frequencies from 100 to 350 Hz, within which useful signals are isolated.