专利名称：基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于石油天然气勘探领域，具体地涉及一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法和装置。
背景技术：
石油测井被誉为“石油工业的眼睛”，传统的电缆测井是利用声、电、核、力、光等物理场并结合微电子和计算机技术在井下高温、高压、狭窄空间及复杂地质条件等恶劣环境下对地层进行各种测试的高科技工程技术，是人们精确了解地下结构和性质的唯一手段。 石油钻井是地下油气资源勘探开发工程中必不可少的重要工序，是一项耗资巨大、技术复杂、风险性很高的系统技术工程。目前，石油勘探、开采的难度越来越大，迫切需要了解低孔、低渗、非均质、各向异性等复杂地层中的油气藏分布规律和剩余油分布规律，因而，必须探索新的勘探方法和技术。电缆声波测井技术在探测井外地层性质时，使用多个发射和接收探头。尽管电缆声波测井技术可以作为地层评价的有效手段，但也存在很大的缺点。比如，要进行电缆测井必须从井眼中提取出钻具，这将导致相当可观的时间和财力浪费。另外，也存在因测井过程需要花费时间，从而不能在钻井过程中对钻井进行实时指导等问题。鉴于电缆测井技术存在的问题，随钻测井技术引起了广泛地重视和应用。井下钻柱(也称为钻具)是指钻井水龙头以下到钻头以上钻具的总称。它主要由一根四方方钻杆(或六方方钻杆)、若干圆形的钻杆、加重钻杆、钻铤、稳定器、减震器和一系列配合接头组成。在随钻条件下对地层的各种测量仪器都是安装在钻头附近的钻铤上。 随钻测井技术是一种集钻井、测井、自动控制、新材料、计算机、大规模可编程集成电路等多学科为一体的高新技术，是随着大斜度井、水平井以及海上钻井的发展而逐步发展起来的， 在钻井工程及储层评价等领域中有越来越多的应用需求te 11]。随钻测井技术的应用主要包括定向测斜/地质导向功能可以提供精确的井眼轨迹测量，实现对井身的实时控制，以便更好地钻遇地质勘探和油藏开发的目标；地层评价功能可以在地层未受到污染的情况下提供实时和时间推移的地层物性测量和油气藏分析，显著增强地层评价能力；地质导向功能则强化前导模拟技术在现场的应用，使钻头长上“眼睛”，提高钻井成功率，对油田的整体开发具有积极意义；通过随钻测井可以提高钻井效率，降低钻井风险，提高钻井安全，避免钻井事故的发生，提升井的经济价值。在钻井过程中及时探测到井眼底部附近的地层界面对于钻井过程具有重要的工程意义。如果在钻井过程中实时了解到井眼底部周围的地层界面分布情况，就有可能有效地预防钻遇超压地层所造成的井喷、井涌等一系列事故，降低钻井的风险；另一方面，井眼底部旁边的地层界面的探测也有利于井眼轨迹控制，使井眼轨迹始终处于人们所期望的地层之中。已有利用随钻地震勘探方法来评价井眼底部旁边的地层界面的方法存在[12 13]分辨率很低、可靠性差的缺点，而利用随钻声波测井方法评价地层界面的方法[14 16]则需要在钻铤上安装大功率声源等复杂的声学测量系统，这在实际工程中很难实现。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法和装置，为钻井过程中的井眼轨迹控制和安全钻井提供技术保障。为达上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法，所述方法包括在停钻期间，利用钻具撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波，所述钻具包括钻柱和钻铤，所述脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波；利用安装在钻铤上的接收换能器阵接收所述反射波；通过井下以内嵌CPU为核心的可编程数字电子电路处理和分析所述反射波，评价井眼底部附近的地层界面的距离、方位和倾角。另一方面，本发明实施例提供了一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的装置，所述装置包括钻具，所述钻具包括钻柱和钻铤，所述钻铤上安装有接收换能器阵，所述钻具用于在停钻期间，撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波，所述脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波；所述安装在钻铤上的接收换能器阵用于接收所述反射波；分析处理设备，用于通过处理和分析所述反射波，评价井眼底部附近的地层界面的距离、方位和倾角。本发明实施例提供的上述技术方案的有益技术效果在于通过井下以内嵌CPU为核心的可编程数字电子电路处理和分析反射声波信号可以评价井眼底部附近的地层界面的性质，提前发现超压地层，预防钻遇超压地层产生井喷、井涌等事故，为钻井过程中的井眼轨迹控制和安全钻井提供技术保障。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是依据本发明实施例撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法的测量原理示意图；图2是本发明实施例的撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法的测量流程图。附图标号1-钻柱；2-钻开井眼；3-钻铤；4-接收换能器阵；5-地层1 ；6_钻开井眼与地层1 的界面；7-地层2 ；8-地层1与地层2的界面。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例提供的一种撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法和装置，主要是在钻井的停钻期间，禾ι佣包含钻柱和钻铤的钻具撞击钻开的井眼底部，以此作为声源，产生的弹性波(声波)将在井内钻井液和井眼底部附近的地层中传播。在井眼底部附近的地层中传播的声波遇到声阻抗不连续的地层界面时将被反射，该反射波一方面直接进入到与地层耦合良好的钻铤、另一方面进入井眼中钻井液，从不同途径传来的、携带地层界面信息的反射波被安装在钻铤上的多个(两个或两个以上)三分量声波接收器所接收，通过处理和分析这些反射声波信号可以评价井眼底部附近的地层界面的性质，包括距离、方位和倾角。这种方法在钻井过程中的地质导向中有良好的应用前景。较佳地，声波测量是在钻井停钻的间歇时间内进行的，这避免了钻进噪声、水流噪声、地面噪声等不利因素对测量结果的影响。本发明实施例的测量系统中的声源由连接钻柱的钻具撞击钻开的井眼底部产生。 本发明实施例的测量系统中的接收器阵由多个三分量接收换能器组成，如图1所示，接收换能器的工作频率的范围约为0. 5kHz 3kHz，也可以使用多个不同主频和带宽的接收器同时工作来接收声波信号。接收器阵可以进行三分量数据采集，处理这些数据可以对井眼底部附近的包括地层界面离钻头的距离、方位及倾角等地层界面性质进行评价。图1为本发明实施例的撞击法评价井眼底部附近地层界面的测量装置的原理示意图。如图1所示，该装置包括钻具，钻具包括钻柱1和钻铤3，钻铤3上安装有接收换能器阵4，钻具用于在停钻期间，撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波，该脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波；安装在钻铤3上的接收换能器阵 4用于接收该反射波；分析处理设备(未绘示)，指的井下以内嵌CPU为核心的可编程数字电子电路，用于处理和分析反射波，以评价井眼底部附近的地层界面性质。其中，分析处理设备可完成通用的首波识别、滤波等处理技术。较佳地，该钻具可用于在钻井停钻期间，撞击钻开的井眼底部以产生弹性波。可选地，接收换能器阵4包括至少两个三分量声波接收器。具体地，三分量声波接收器的工作频率的范围为0. 5kHz 3kHz。可选地，接收换能器阵4还可以包括多组不同主频和带宽的三分量声波接收器。井眼底部附近的地层界面的性质包括地层界面离开井底的距离、方位和倾角。图2为本发明实施例的撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法的测量流程示意图。如图2所示，该方法包括210、在钻开井眼2中，在停钻间歇利用连接着钻柱1和钻铤3的钻具撞击钻开井眼的底界面6以产生脉冲弹性波，产生的声波不但在钻开井眼的井液中(T波)传播，还可以在井外地层5中传播。其中，P是入射纵波，PP是反射纵波。220、井眼底部附近的两种不同声学性质的地层(如地层5和地层7)的接触界面 8也被称作声阻抗不连续界面。在井眼底部附近的地层5中传播的声波当遇到井外的声阻抗不连续界面8时，会同时发生声波的透射和反射。反射波PPS—方面直接进入到与地层耦合良好的钻铤、另一方面反射波PPT进入井眼的钻井液中。230、从不同途径传来的、携带地层界面信息的反射波被安装在钻铤上的多个(两个以上)三分量声波接收器4所接收。M0、通过处理和分析这些反射声波信号可以评价井眼底部附近的地层界面的距离、方位角和倾角。在本实施例中，接收换能器的工作频率约为0. 5kHz 3kHz，其能探测到的井眼底部附近的地层界面的距离约为IOm 50m。接收器阵可使用多组不同主频和带宽的接收器同时工作来接收声波信号，更为重要的是接收器阵可以进行三分量数据采集，这些数据进行处理后可以对井眼底部附近的地层界面进行准确评价。由于钻头与地层是处于密切接触的耦合状态，因此，地层界面反射波可以直接传到钻铤中来，利用加速度计之类的接收器就可以接收到该反射波。相关的引用文献列举如下[l]Tom Schroeder等著，吴官生译，朱铉校.地质导向法用于钻头前方地质情况预测·石油物探译丛· 1998，(6) :76-82.[2]孙显宏编译，于秀娥审校.超深度电阻率测井仪和方位电阻率测井仪组合的地质导向.国外油田工程，2010，洸(5) =28-31,54.[3]赵平，王龙娇，周利军.地质导向和油藏描述新一代LWD仪器的威力.国外油田工程，2010,26(11) :51-55.[4]李善云，钟安武.地质导向技术及其应用.内蒙古石油化工，2010,23 :78-80.[5]魏忠利.地质导向钻井技术研究与应用.中国新技术新产品，2009，11 :136[6]高德利.21世纪油气钻井技术展望.石油化工动态，2000,8 (2) =31-34, 50.[7]方朝亮，吴铭德，冯启宁.测井关键技术展望.石油科技论坛，2005，(2) 32-35.[8]秦绪英，肖立志，索佰峰.随钻测井技术最新进展及其应用.勘探地球物理进展，2003，26 ) :313-322.[9]邹德江，范宜仁，邓少贵.随钻测井技术最新进展.石油仪器，2005，19 (5) 1-4.[10] 丁永浩，李舟波，马宏宇.随钻测井技术的发展.世界地质，2004，23 (3) 270-274.[11]张辛耘，王敬农，郭彦军.随钻测井技术进展和发展趋势.测井技术，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.以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法，其特征在于，所述方法包括在停钻期间，利用钻具撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波，所述钻具包括钻柱和钻铤，所述脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波；利用安装在钻铤上的接收换能器阵接收所述反射波；通过井下以内嵌CPU为核心的可编程数字电子电路处理和分析所述反射波，评价井眼底部附近地层界面的距离、方位和倾角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收换能器阵包括至少两个三分量声波接收器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述三分量声波接收器的工作频率的范围为 0. 5kHz 3kHz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收换能器阵包括多个不同主频和带宽的三分量声波接收器。
5.一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的装置，其特征在于，所述装置包括钻具，所述钻具包括钻柱和钻铤，所述钻铤上安装有接收换能器阵，所述钻具用于在停钻期间，撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波，所述脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波；所述安装在钻铤上的接收换能器阵用于接收所述反射波；分析处理设备，用于通过处理和分析所述反射波，评价井眼底部附近的地层界面的距离、方位和倾角。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述接收换能器阵包括至少两个三分量声波接收器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述三分量声波接收器的工作频率的范围为 0. 5kHz 3kHz。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述接收换能器阵包括多个不同主频和带宽的三分量声波接收器。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述分析处理设备包括井下以内嵌CPU 为核心的可编程数字电子电路。
全文摘要
本发明实施例提供一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法和装置，所述方法包括利用钻具撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波，所述钻具包括钻柱和钻铤，所述脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波；利用安装在钻铤上的接收换能器阵接收所述反射波；通过井下以内嵌CPU为核心的可编程数字电子电路处理和分析所述反射波波形资料，可以评价井眼底部附近的地层界面的距离、方位和倾角等性质。本专利的实施可为钻井过程中的井眼轨迹控制和安全钻井提供技术保障。
文档编号E21B47/18GK102518430SQ20111043336
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者乔文孝, 卢俊强, 车小花, 鞠晓东 申请人:中国石油大学(北京), 中国石油天然气集团公司