專利名稱：基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油天然氣勘探領(lǐng)域，具體地涉及一種基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
石油測(cè)井被譽(yù)為“石油工業(yè)的眼睛”，傳統(tǒng)的電纜測(cè)井是利用聲、電、核、力、光等物理場(chǎng)并結(jié)合微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)在井下高溫、高壓、狹窄空間及復(fù)雜地質(zhì)條件等惡劣環(huán)境下對(duì)地層進(jìn)行各種測(cè)試的高科技工程技術(shù)，是人們精確了解地下結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的唯一手段。 石油鉆井是地下油氣資源勘探開發(fā)工程中必不可少的重要工序，是一項(xiàng)耗資巨大、技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)性很高的系統(tǒng)技術(shù)工程。目前，石油勘探、開采的難度越來(lái)越大，迫切需要了解低孔、低滲、非均質(zhì)、各向異性等復(fù)雜地層中的油氣藏分布規(guī)律和剩余油分布規(guī)律，因而，必須探索新的勘探方法和技術(shù)。電纜聲波測(cè)井技術(shù)在探測(cè)井外地層性質(zhì)時(shí)，使用多個(gè)發(fā)射和接收探頭。盡管電纜聲波測(cè)井技術(shù)可以作為地層評(píng)價(jià)的有效手段，但也存在很大的缺點(diǎn)。比如，要進(jìn)行電纜測(cè)井必須從井眼中提取出鉆具，這將導(dǎo)致相當(dāng)可觀的時(shí)間和財(cái)力浪費(fèi)。另外，也存在因測(cè)井過(guò)程需要花費(fèi)時(shí)間，從而不能在鉆井過(guò)程中對(duì)鉆井進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)等問(wèn)題。鑒于電纜測(cè)井技術(shù)存在的問(wèn)題，隨鉆測(cè)井技術(shù)引起了廣泛地重視和應(yīng)用。井下鉆柱(也稱為鉆具)是指鉆井水龍頭以下到鉆頭以上鉆具的總稱。它主要由一根四方方鉆桿(或六方方鉆桿)、若干圓形的鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、穩(wěn)定器、減震器和一系列配合接頭組成。在隨鉆條件下對(duì)地層的各種測(cè)量?jī)x器都是安裝在鉆頭附近的鉆鋌上。 隨鉆測(cè)井技術(shù)是一種集鉆井、測(cè)井、自動(dòng)控制、新材料、計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊碳呻娐返榷鄬W(xué)科為一體的高新技術(shù)，是隨著大斜度井、水平井以及海上鉆井的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的， 在鉆井工程及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)等領(lǐng)域中有越來(lái)越多的應(yīng)用需求te 11]。隨鉆測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用主要包括定向測(cè)斜/地質(zhì)導(dǎo)向功能可以提供精確的井眼軌跡測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)井身的實(shí)時(shí)控制，以便更好地鉆遇地質(zhì)勘探和油藏開發(fā)的目標(biāo)；地層評(píng)價(jià)功能可以在地層未受到污染的情況下提供實(shí)時(shí)和時(shí)間推移的地層物性測(cè)量和油氣藏分析，顯著增強(qiáng)地層評(píng)價(jià)能力；地質(zhì)導(dǎo)向功能則強(qiáng)化前導(dǎo)模擬技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，使鉆頭長(zhǎng)上“眼睛”，提高鉆井成功率，對(duì)油田的整體開發(fā)具有積極意義；通過(guò)隨鉆測(cè)井可以提高鉆井效率，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井安全，避免鉆井事故的發(fā)生，提升井的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在鉆井過(guò)程中及時(shí)探測(cè)到井眼底部附近的地層界面對(duì)于鉆井過(guò)程具有重要的工程意義。如果在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)了解到井眼底部周圍的地層界面分布情況，就有可能有效地預(yù)防鉆遇超壓地層所造成的井噴、井涌等一系列事故，降低鉆井的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，井眼底部旁邊的地層界面的探測(cè)也有利于井眼軌跡控制，使井眼軌跡始終處于人們所期望的地層之中。已有利用隨鉆地震勘探方法來(lái)評(píng)價(jià)井眼底部旁邊的地層界面的方法存在[12 13]分辨率很低、可靠性差的缺點(diǎn)，而利用隨鉆聲波測(cè)井方法評(píng)價(jià)地層界面的方法[14 16]則需要在鉆鋌上安裝大功率聲源等復(fù)雜的聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，這在實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的方法和裝置，為鉆井過(guò)程中的井眼軌跡控制和安全鉆井提供技術(shù)保障。為達(dá)上述目的，一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的方法，所述方法包括在停鉆期間，利用鉆具撞擊鉆開的井眼底部以產(chǎn)生脈沖彈性波，所述鉆具包括鉆柱和鉆鋌，所述脈沖彈性波在井眼底部附近的地層中傳播時(shí)遇到聲阻抗不連續(xù)的地層界面被反射而產(chǎn)生反射波；利用安裝在鉆鋌上的接收換能器陣接收所述反射波；通過(guò)井下以內(nèi)嵌CPU為核心的可編程數(shù)字電子電路處理和分析所述反射波，評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面的距離、方位和傾角。另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的裝置，所述裝置包括鉆具，所述鉆具包括鉆柱和鉆鋌，所述鉆鋌上安裝有接收換能器陣，所述鉆具用于在停鉆期間，撞擊鉆開的井眼底部以產(chǎn)生脈沖彈性波，所述脈沖彈性波在井眼底部附近的地層中傳播時(shí)遇到聲阻抗不連續(xù)的地層界面被反射而產(chǎn)生反射波；所述安裝在鉆鋌上的接收換能器陣用于接收所述反射波；分析處理設(shè)備，用于通過(guò)處理和分析所述反射波，評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面的距離、方位和傾角。本發(fā)明實(shí)施例提供的上述技術(shù)方案的有益技術(shù)效果在于通過(guò)井下以內(nèi)嵌CPU為核心的可編程數(shù)字電子電路處理和分析反射聲波信號(hào)可以評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面的性質(zhì)，提前發(fā)現(xiàn)超壓地層，預(yù)防鉆遇超壓地層產(chǎn)生井噴、井涌等事故，為鉆井過(guò)程中的井眼軌跡控制和安全鉆井提供技術(shù)保障。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面的方法的測(cè)量原理示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面的方法的測(cè)量流程圖。附圖標(biāo)號(hào)1-鉆柱；2-鉆開井眼；3-鉆鋌；4-接收換能器陣；5-地層1 ；6_鉆開井眼與地層1 的界面；7-地層2 ；8-地層1與地層2的界面。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面的方法和裝置，主要是在鉆井的停鉆期間，禾ι傭包含鉆柱和鉆鋌的鉆具撞擊鉆開的井眼底部，以此作為聲源，產(chǎn)生的彈性波(聲波)將在井內(nèi)鉆井液和井眼底部附近的地層中傳播。在井眼底部附近的地層中傳播的聲波遇到聲阻抗不連續(xù)的地層界面時(shí)將被反射，該反射波一方面直接進(jìn)入到與地層耦合良好的鉆鋌、另一方面進(jìn)入井眼中鉆井液，從不同途徑傳來(lái)的、攜帶地層界面信息的反射波被安裝在鉆鋌上的多個(gè)(兩個(gè)或兩個(gè)以上)三分量聲波接收器所接收，通過(guò)處理和分析這些反射聲波信號(hào)可以評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面的性質(zhì)，包括距離、方位和傾角。這種方法在鉆井過(guò)程中的地質(zhì)導(dǎo)向中有良好的應(yīng)用前景。較佳地，聲波測(cè)量是在鉆井停鉆的間歇時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的，這避免了鉆進(jìn)噪聲、水流噪聲、地面噪聲等不利因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量系統(tǒng)中的聲源由連接鉆柱的鉆具撞擊鉆開的井眼底部產(chǎn)生。 本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量系統(tǒng)中的接收器陣由多個(gè)三分量接收換能器組成，如圖1所示，接收換能器的工作頻率的范圍約為0. 5kHz 3kHz，也可以使用多個(gè)不同主頻和帶寬的接收器同時(shí)工作來(lái)接收聲波信號(hào)。接收器陣可以進(jìn)行三分量數(shù)據(jù)采集，處理這些數(shù)據(jù)可以對(duì)井眼底部附近的包括地層界面離鉆頭的距離、方位及傾角等地層界面性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面的測(cè)量裝置的原理示意圖。如圖1所示，該裝置包括鉆具，鉆具包括鉆柱1和鉆鋌3，鉆鋌3上安裝有接收換能器陣4，鉆具用于在停鉆期間，撞擊鉆開的井眼底部以產(chǎn)生脈沖彈性波，該脈沖彈性波在井眼底部附近的地層中傳播時(shí)遇到聲阻抗不連續(xù)的地層界面被反射而產(chǎn)生反射波；安裝在鉆鋌3上的接收換能器陣 4用于接收該反射波；分析處理設(shè)備(未繪示)，指的井下以內(nèi)嵌CPU為核心的可編程數(shù)字電子電路，用于處理和分析反射波，以評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面性質(zhì)。其中，分析處理設(shè)備可完成通用的首波識(shí)別、濾波等處理技術(shù)。較佳地，該鉆具可用于在鉆井停鉆期間，撞擊鉆開的井眼底部以產(chǎn)生彈性波?？蛇x地，接收換能器陣4包括至少兩個(gè)三分量聲波接收器。具體地，三分量聲波接收器的工作頻率的范圍為0. 5kHz 3kHz。可選地，接收換能器陣4還可以包括多組不同主頻和帶寬的三分量聲波接收器。井眼底部附近的地層界面的性質(zhì)包括地層界面離開井底的距離、方位和傾角。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面的方法的測(cè)量流程示意圖。如圖2所示，該方法包括210、在鉆開井眼2中，在停鉆間歇利用連接著鉆柱1和鉆鋌3的鉆具撞擊鉆開井眼的底界面6以產(chǎn)生脈沖彈性波，產(chǎn)生的聲波不但在鉆開井眼的井液中(T波)傳播，還可以在井外地層5中傳播。其中，P是入射縱波，PP是反射縱波。220、井眼底部附近的兩種不同聲學(xué)性質(zhì)的地層(如地層5和地層7)的接觸界面 8也被稱作聲阻抗不連續(xù)界面。在井眼底部附近的地層5中傳播的聲波當(dāng)遇到井外的聲阻抗不連續(xù)界面8時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)生聲波的透射和反射。反射波PPS—方面直接進(jìn)入到與地層耦合良好的鉆鋌、另一方面反射波PPT進(jìn)入井眼的鉆井液中。230、從不同途徑傳來(lái)的、攜帶地層界面信息的反射波被安裝在鉆鋌上的多個(gè)(兩個(gè)以上)三分量聲波接收器4所接收。M0、通過(guò)處理和分析這些反射聲波信號(hào)可以評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面的距離、方位角和傾角。在本實(shí)施例中，接收換能器的工作頻率約為0. 5kHz 3kHz，其能探測(cè)到的井眼底部附近的地層界面的距離約為IOm 50m。接收器陣可使用多組不同主頻和帶寬的接收器同時(shí)工作來(lái)接收聲波信號(hào)，更為重要的是接收器陣可以進(jìn)行三分量數(shù)據(jù)采集，這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可以對(duì)井眼底部附近的地層界面進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。由于鉆頭與地層是處于密切接觸的耦合狀態(tài)，因此，地層界面反射波可以直接傳到鉆鋌中來(lái)，利用加速度計(jì)之類的接收器就可以接收到該反射波。相關(guān)的引用文獻(xiàn)列舉如下[l]Tom Schroeder等著，吳官生譯，朱鉉校.地質(zhì)導(dǎo)向法用于鉆頭前方地質(zhì)情況預(yù)測(cè)·石油物探譯叢· 1998，(6) :76-82.[2]孫顯宏編譯，于秀娥審校.超深度電阻率測(cè)井儀和方位電阻率測(cè)井儀組合的地質(zhì)導(dǎo)向.國(guó)外油田工程，2010，洸(5) =28-31,54.[3]趙平，王龍嬌，周利軍.地質(zhì)導(dǎo)向和油藏描述新一代LWD儀器的威力.國(guó)外油田工程，2010,26(11) :51-55.[4]李善云，鐘安武.地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)及其應(yīng)用.內(nèi)蒙古石油化工，2010,23 :78-80.[5]魏忠利.地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009，11 :136[6]高德利.21世紀(jì)油氣鉆井技術(shù)展望.石油化工動(dòng)態(tài)，2000,8 (2) =31-34, 50.[7]方朝亮，吳銘德，馮啟寧.測(cè)井關(guān)鍵技術(shù)展望.石油科技論壇，2005，(2) 32-35.[8]秦緒英，肖立志，索佰峰.隨鉆測(cè)井技術(shù)最新進(jìn)展及其應(yīng)用.勘探地球物理進(jìn)展，2003，26 ) :313-322.[9]鄒德江，范宜仁，鄧少貴.隨鉆測(cè)井技術(shù)最新進(jìn)展.石油儀器，2005，19 (5) 1-4.[10] 丁永浩，李舟波，馬宏宇.隨鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展.世界地質(zhì)，2004，23 (3) 270-274.[11]張辛耘，王敬農(nóng)，郭彥軍.隨鉆測(cè)井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì).測(cè)井技術(shù)，2006， 30(1) :10-15.[12]Masak, Peter C, Malone, David L. Inverse vertical seismic profiling. EP0795764 A2,1997.[13]Benjamin Peter Jeffryes. Seismic detection apparatus and method. US006166994A,2000.[14]Carl Arthur Robbins, A. J. Mallett,John Wesley Minear,et al. Acoustic logging while drilling tool to determine bed boundaries. US005678643A,1997.[15]Benjamin Peter Jeffryes. Acoustic measurement while drilling systemusing compressional waves reflected from within formation. GB 2333155A,1999.[16] James V. Leggett, III ；Vladimir Dubinsky, John W. Harrel 1, et al. Drillingsystem with an acoustic measurement-while-driving system for determining parameters of interest and controlling the drilling direction. US006088294A,2000.以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的方法，其特征在于，所述方法包括在停鉆期間，利用鉆具撞擊鉆開的井眼底部以產(chǎn)生脈沖彈性波，所述鉆具包括鉆柱和鉆鋌，所述脈沖彈性波在井眼底部附近的地層中傳播時(shí)遇到聲阻抗不連續(xù)的地層界面被反射而產(chǎn)生反射波；利用安裝在鉆鋌上的接收換能器陣接收所述反射波；通過(guò)井下以內(nèi)嵌CPU為核心的可編程數(shù)字電子電路處理和分析所述反射波，評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面的距離、方位和傾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收換能器陣包括至少兩個(gè)三分量聲波接收器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述三分量聲波接收器的工作頻率的范圍為 0. 5kHz 3kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收換能器陣包括多個(gè)不同主頻和帶寬的三分量聲波接收器。
5.一種基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的裝置，其特征在于，所述裝置包括鉆具，所述鉆具包括鉆柱和鉆鋌，所述鉆鋌上安裝有接收換能器陣，所述鉆具用于在停鉆期間，撞擊鉆開的井眼底部以產(chǎn)生脈沖彈性波，所述脈沖彈性波在井眼底部附近的地層中傳播時(shí)遇到聲阻抗不連續(xù)的地層界面被反射而產(chǎn)生反射波；所述安裝在鉆鋌上的接收換能器陣用于接收所述反射波；分析處理設(shè)備，用于通過(guò)處理和分析所述反射波，評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面的距離、方位和傾角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述接收換能器陣包括至少兩個(gè)三分量聲波接收器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述三分量聲波接收器的工作頻率的范圍為 0. 5kHz 3kHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述接收換能器陣包括多個(gè)不同主頻和帶寬的三分量聲波接收器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述分析處理設(shè)備包括井下以內(nèi)嵌CPU 為核心的可編程數(shù)字電子電路。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于撞擊法評(píng)價(jià)井眼底部附近地層界面性質(zhì)的方法和裝置，所述方法包括利用鉆具撞擊鉆開的井眼底部以產(chǎn)生脈沖彈性波，所述鉆具包括鉆柱和鉆鋌，所述脈沖彈性波在井眼底部附近的地層中傳播時(shí)遇到聲阻抗不連續(xù)的地層界面被反射而產(chǎn)生反射波；利用安裝在鉆鋌上的接收換能器陣接收所述反射波；通過(guò)井下以內(nèi)嵌CPU為核心的可編程數(shù)字電子電路處理和分析所述反射波波形資料，可以評(píng)價(jià)井眼底部附近的地層界面的距離、方位和傾角等性質(zhì)。本專利的實(shí)施可為鉆井過(guò)程中的井眼軌跡控制和安全鉆井提供技術(shù)保障。
文檔編號(hào)E21B47/18GK102518430SQ20111043336
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者喬文孝, 盧俊強(qiáng), 車小花, 鞠曉東 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京), 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司