具有极高分辨率的在水平钻孔中的地震勘探方法

专利名称:具有极高分辨率的在水平钻孔中的地震勘探方法
本发明涉及一种在水平的或高度倾斜的钻孔中具有极高分辨率的地震勘探方法。
在下面的叙述中，“水平钻孔”是指一个相对水平而言略呈倾斜或毫不倾斜的钻孔，或者是一个相对垂直钻井而言有严重倾斜或偏离的钻孔。
目前越来越广泛地钻水平钻孔，尤其是在生产性油田中，为使储油流过比油层厚度大得多的距离需钻水平钻孔，而垂直钻孔只能使储油流过与油层厚度相当的距离。在储油区域中，一个水平钻孔以一个小角度穿过地质地层，甚至以数百米量级的可观距离通过同一地层，所说的钻孔的轴大体上平行于所说的地质地层的边界。
从一个垂直的井出发钻的水平孔通常是处在由界面分隔开的重迭地层所构成的生产性结构中相当深的地方。
为了得到关于岩石的岩性性质(化学成分)，沉积性质和断裂性质，流体容量和岩石物理参数(多孔性，渗透性，可压缩性等)方面的信息，对位于水平钻孔上面，因而被垂直钻井穿过的地层进行研究是十分重要的。
这种研究可用称为测井技术的尤其是可能具有声学形式的常用方法来进行。用法国专利№FR2，431，710(EVA
工艺)所描述的声学测井装置所测得的声学量实质上是压缩波和剪切波的速度和衰减(其代表声波路径所通过的岩石)，以及Stoneley波和Pseudo-Rayleigh波的速度和衰减(其代表所通过的岩石和钻井的几何形状)。
测量是通过从一个或多个发送源发送一个声波，穿过充满垂直钻井的流体，并由一个或多个接收器由所发送的波产生的各种形式的波来进行的。到达一个或多个接收器的各种波由接收器(例如，压电式的)转变为电信号。该电信号由一根电缆传送到地面，最好以数字形式记录在一个适当的记录仪器中。然后，用计算机处理这些记录下来的信号以便鉴别每一种形式的波特别是压缩波和剪切波的到达，并确定诸如传播速度(或到达的时间)、振幅、周期等感兴趣的性质。可以进行各种处理以改善所要进行的测量的精度和质量。在已经提出的处理方法中，法国专利№8118672中描述的一种合适的处理方法是值得注意的。
所有测井测量方法的一个特有的性质在于它们是在垂直钻井中进行的，并且它们涉及所说的垂直钻井周围空间的一小部分。这适用于所有测井系统，不论它们是声学型的，电子型的，核型的或其它形式的。具体地说，在声学测井的情况下，这是因为声波所经过的是折射型的路径。事实上，通过垂直钻井内的流体传播的波在井壁处折射，沿井壁传播一段距离，然后再折射，最后到达测井工具的接收器。
所以，到达接收器的波实际上是沿垂直钻井的井壁走了一段路的那些波。结果，这样的测量仅仅涉及位于测井工具的发送器和接收器之间的地质地层物质的很小的横向部分。“物质的横向部分”是指沿基本上垂直于钻井的垂直轴方向考虑的，由发送的声波穿过的物质的厚度。十分明显，这样的测量主要是针对地质地层的垂直厚度的，所以是针对位于发送器和接收器之间的地层的垂直部分的。
虽然所发送的声波在垂直钻井周围的介质中传播了可观的距离，但是事实上证明，除极少数情况由于诸如缺陷、断裂或盐丘等不均匀性以外，不可能接收和记录反射波。
至今，构造分析不能得到直接与水平钻孔下面的地质地层有关的数据。为了能得到这些数据，需要进行一种十分粗糙的研究，它基于地质勘测图假设，在水平钻孔内或钻孔间(干涉)的动态测量(压力-流量关系)，地震的地面测量。不幸，地面测量的选择性差并且不确定，首先，这是由于在地表处有一个畸变区，其次，这是由于前述波必须穿过在地面和极深的地质地层之间的相当大的距离。除了必须产生大的能量使波动传播到最深的地层外，还要指出，由于使用的频率必须相当低，测量的精度是比较差的。实际上，测量仅在大约几十米之内是精确的。
再者，对传统的测井而言，由于位于水平钻孔下的地层离测井钻孔太远，因而关于这些地层的数据即使不是不能得到，也是十分难于得到的。
本发明的目的在于提出一种新的地震勘探方法，它使得能够建立一种名符其实的孔底地震记录，并且为构造分析者提供许多好处。
在水平钻孔中使用的本发明方法基本上包含下述步骤-在水平钻孔内放置一个测量工具，它至少由三个用来发送和接收声波的传感器组成并且其最大长度等于钻孔与感兴趣的介质区域的最远界面之间的距离，-由至少一个发送器产生声波，所述声波的波长在几厘米到几米的范围内，
-接收传感器一方面接收从钻孔壁以及从所述钻孔的十分邻近的地质地层折射回来的波动，另一方面接收从离开所述钻孔一段距离的地质地层反射回来的波动，-以电信号的形式记录所说的折射波与反射波;
-记录所发送的声波的产生时刻;
-处理所记录的信号以便分别确定上述折射波与反射波的至少是平均的传播速度;
-从对应于反射波的信号确定至少一个时间截面图;
-利用反射波的平均传播速度至少把该时间截面图转换为深度截面图，以便构成确定位于所述钻孔水平穿过的地质区域内的界面位置的深度截面图。
本发明的一个优点在于在油田的储油部分确实得到了变焦效果(Zoom effect)，该效果在厚度和性质两方面均以高精度描述了反射物的几何形状和结构。
本发明方法的进一步优点是它可以确定水平钻孔的邻近地层的顶部和底部边界的位置。
本发明的方法的另一个十分重要的优点在于现在提供了从几厘米到水平引流管长度即几百米量级的变化尺度上研究地质地层的不均匀性的可能性。
图1是一个垂直钻井和一个水平钻孔的局部显示。
图2是一张时间截面图，其中作为水平钻孔的曲线横坐标的函数，画出了从水平钻孔壁折射的波的到达时间，以及从所说的钻孔周围界面反射的波的到达时间。
本发明的方法在水平钻孔1中实施，该钻孔相对于水平轴有一个小的倾斜角，或者相对于垂直轴有一个大的倾斜角，并且一般说来偏离在介质3中钻的垂直钻井2，在介质3中有一个含有或可能含有碳氢化合物贮藏的区域4。
在水平钻孔1中运行着以数字5总体标明的由一组传感器组成的测量工具，这些传感器在有些场合被用作发送器，而在另外一些场合被用作接收器。测量工具5最好包含互相隔开相同间距(例如0.25米)的四个发送器E1到E4，以及互相隔开相同间距(例如1米)的12个接收器R1到R12。在最后一个发送器E4与第一个接收器R1之间的距离为1米。
测量工具5安装在钻索30的末端，该钻索由已知的驱动装置(没有画出)与钻井架31相连接，以便在垂直井孔2和水平钻孔1内移动测量工具。
由界面分隔开的分层的地质地层位于水平钻孔1和介质3的表面9之间。为了更清楚起见，在附图中只画出了由界面12和13分隔开的地层10和11，而水平钻孔1所处的区域4可以具有许多重迭的地质地层，在区域4的下面，介质3由一个被界面15与区域4分隔开的单独的底部地质地层14来表示。
根据本发明，工具5的总长度最大等于水平钻孔1和感兴趣的最远界面例如界面13或15之间的距离。
当把工具5从图1的右端位置拉到地面9的同时，一个接一个地或实际上同时地激励发送器E1到E4，使每一个发送器发射一个声波。具体地，发送器E1到E4是压电式的或磁力控制的发送器。所发送的声波在到达每一个接收器R1到R12之前，沿两种不同类型的路径在区域4内传播。
由虚线代表的第一类路径16相应于从位于十分靠近所述水平钻孔的地质地层产生的沿水平钻孔1的壁的折射。由实线代表的第二类路径17相应于所发射的波从例如界面13上产生的反射。
为简化起见，只画出了几条折射与反射路径。同样，没有必要在相应于从界面15产生反射的那一侧画出沿水平钻孔1的折射。
上述折射和反射波由压电型接收器R1到R12检出，并被转换为电信号。利用装于钻索30内且绕过滑轮7的电缆6，所说的电信号被传送到以方框8表示的记录单元。这些信号最好以数字形式记录下来，以便接着在以方框28表示的单元中进行数据处理。
以均匀的间隔一个接一个地发送(发射)上述声波，此间隔可以超过也可以不超过监听时间，视所发送的信号种类而定。例如，波以70毫秒的间隔一个接一个地发送，这对应于测量工具5的8毫米量级的馈送长度，由单元8记录每一个波的起始时刻或发射时刻。类似地，所发送的声波的波长在几厘米到几米的范围内，最好在15到75厘米范围内。
对以扫描曲线形式记录的电子信号进行处理，使该处理过程的最后结果一方面应产生关于折射波的数据，另一方面应产生关于反射波的数据。
因为已经记录了发射时刻，并且鉴别出了产生扫描曲线的发送器-接收器对。所以有可能使用在法国专利№2514152和欧洲专利EP0170582中描述的基于所记录的扫描线的特殊处理方法，测量压缩波、剪切波和泥浆的参数，以及诸如振幅、衰减、周期和传播时间(速度)等与环绕水平钻孔1的紧邻区域的地质地层有关的其它参数，这些参数对完成构造的更有效开发是必需的。本说明书中包括了专利№2514152和№170582的要点。通过前面提到的处理工作，可以确定折射波在水平钻孔周围地层中的平均传播速度。图2中的曲线20代表一个被折射的压缩波P的到达，由它可以导出沿水平钻孔的局部传播速度。在曲线20的上部20a和下部20b之间产生的时间变化，以及因此引起的速度变化对应于在水平钻孔1内从区域4进入地质地层3，在这两个区域中波的传播速度是不同的，分别等于V2和V1且V2＜V1。图中点21代表穿越界面13。
处理扫描曲线，以便另外确定反射波的平均速度，以及建立一张反映一时间截面图，在进行静态及动态校正后，它类似于图2中由曲线18和19所表示的图。
从所记录的扫描曲线得到的反映-时间截面图以下述方式建立-对所记录的扫描曲线按公共反射点分类汇总，这些反射点分属于不同界面但排列在产生该类每一条扫描线的发送器-接收器对的一条共同的中值线上，-对两个预定界限中的不同速度(介质内的平均传播速度处于这两个预定界限之间)，使用一系列不同的动态校正。对于每一个速度，构成与公共反射点的线有关的校正扫描线的累加，因此，对于每一时刻选择在该时刻产生具有最大能量的累加扫描线的速度，-相应于每一组具有共同反射点的扫描线，构成代表介质中的平均传播速度的速度规律，
-对同一组的每一条扫描线利用针对该组所确定的速度规律做动态校正，-将同一组的所有校正好的扫描线相加，得到每一组的累加扫描线，-把所有组的累加扫描线作为时间的函数并列起来。
所有这些并列起来的累加扫描线给出了多重复盖的时间截面图。
图2中的曲线18和19表示作为对应于从界面13和15反射的时间截面图累加扫描线的能量峰值时间间隔的函数的曲线横坐标。
在考虑一条沿水平钻孔1的曲线横坐标移动的路径时，曲线18有一段对应于从钻孔1到界面13的距离在减少的上升部分18a，以及一段对应于从同一个钻孔1到界面13的距离在增加的下降部分18b。曲线19给出了界面15相对于水平钻孔1的位置，它表明在考虑一条沿所说的钻孔1的曲线横坐标移动的路径时，水平钻孔1越来越靠近界面15。
在相应于点21的曲线横坐标21′处，钻孔1穿过界面13，它使得曲线18的反射到达的时间间隔为零。
曲线18和19的交点22对应于水平钻孔1离界面13和15等距的部分。
利用在数据处理时确定的与折射和/或反射波有关的平均速度，把图2中的图形转换成一张深度截面图。事实上，深度截面图有两条类似于曲线18和19的曲线，且分别由对应于所测得的速度V1及V2的预定因子所变换。为此，没有画出深度截面图，而且，是在深度截面图上而不是在时间截面图上确定限定区域4的界面13和15的位置。
值得指出，本发明的方法可以克服在地面地震学中通常称为穿透深度的障碍，它是指这样的深度，超过它以后构造的性质不再对测量或记录产生明显影响，或者超过它以后不能安全可靠地指示反射。在地震反射中，事实上，所考虑的深度主要取决于在地质构造或地层中地震波的衰减，取决于波的发送功率，同时也取决于噪声的相对功率，它使信噪比随发送信号振幅的减小而下降。尽管在数据处理时已作了最大努力来取得更好的噪声衰减以及更好的频率滤波，但是，不同起因的噪声信号仍然存在(发射噪声和处理后的残余噪声)，且这些噪声信号的电平随深度(以及时间)而增长。
因为发送信号和背景噪声的变化在深度达到穿透深度这一极限值之前将使信噪比随深度的增加而下降，所以容易理解为何传统的地震方法不适用于或不能用于水平钻孔。
相反，本发明的方法可以得到极好的信噪比，因为有规律的地面噪音对测量没有任何影响，并且由于所用的测量工具工作于5，000到10，000赫兹的频率范圈内，发送器噪声被高度衰减。此外，利用这样高的频率，区域4的界面相对于水平钻孔的位置的定位精度得到更大改善。此精度取决于所使用的波长，在所指出的频率情况下，它在1米的量级或甚至更小。
前面参考的是在水平钻孔中移动的测量工具。工具可以按7米/分量级的速率连续移动，而以70毫秒的时间间隔记录发送时刻。也可以按非连续方式移动测量工具，换言之，在每一发送时刻使工具停住而馈送长度可以变化也可以不变。在工具馈送长度不变的情况下，可以这样移动测量工具，保证每一个发送器到达前一个发送器曾占据的位置上。为了用前面引用过的专利中描述的某一种方法来进行处理，也可以把折射波的声路记录一对一对地进行归类。发送波由给定时刻发射的在时间上均匀间隔开的脉冲所产生，或者由与钻孔中的工具深度有关的脉冲所产生。
产生所发送的声波的另一个方法是按照事先规定的随机编码，例如法国专利№FP1583239和2123839中描述的标为SOSIE
和SEISCODE
的编码来发射脉冲，发射时刻的记录使记录与发射时刻序列联系起来。
根据本发明的其它目的，还可以用单个发送器和单个接收器得到简单复盖的地震图，或者由于有4个发送器和12个接收器因而有48条可用的扫描曲线而得到多重复盖的地震图。多重复盖图在测量的信噪比方面产生了十分显著的改进。在使用多重复盖时，还能够在不受任何钻井操作和充满钻孔的液体引起测量扰动的情况下计算不同于水平钻孔的某个方向上的平均传播速度，而如果只是测量直接围绕水平钻孔的地层，这样的扰动是不可避免的。
当在截面图上看到非连续的地层时会产生困难，这困难在于鉴别这类地层的起始点。在这种情况下，预先用传统方法进行测量是有帮助的。如果水平钻孔上升一个很小的量时，从地层到水平钻孔的距离增加，则其原因是该地层在钻孔的下面。相反地，也可以在地震截面图上查出与所说钻孔的纵剖面相比到钻孔的距离的逐渐变化。特别是，钻孔倾斜部分穿过的所有界面在与水平钻孔的交点处产生离钻孔距离为零的反射。这样，由于当测量工具在水平钻孔倾斜部分中的深度增加时，在地震截面图上测到的界面到水平钻孔的距离减少，可以断定该界面在水平钻孔的下面。
在比较薄的地层中，可能发生导波或壁波的传播，这可以很容易地利用本发明的方法来观察，并且可以提供关于所考察的地层的有价值的数据。
最后应该指出，本发明的方法适用于加固的钻井，尽管从加固件上会产生寄生信号。事实上，这样的寄生信号具有折射的形式，因而对反射波的处理没有明显影响。进而，这些信号比反射信号到得早得多，并且具有比反射信号高得多的频率，因而可以容易地去掉它们。
除了如前面提到的变焦效果，可以在生产性构造中在厚度和性质两方面同时精密地鉴别反射物的几何形状和结构以外，本发明的方法还可以在几厘米到几百米之间的变化范围内对不均匀性进行研究。
权利要求
1.一种在水平钻孔中具有极高分辩率的地震勘探方法，该水平钻孔钻在由界面分隔的分层地层组成的地质介质中，其特征在于该方法包含下述步骤--在水平钻孔内放置一个测量工具，它至少由三个用来发送和接收声波的传感器所组成，并且其最大长度等于钻孔与感兴趣的介质区域的最远界面之间的距离。--由至少一个发送器产生声波，所说声波的波长在几厘米到几米的范围内，--接收传感器一方面接收从钻孔壁及紧邻所说的钻孔的地质地层折射回来的波动，另一方面接收从离开所说钻孔有一段距离的地质地层反射回来的波动，--以电信号的形式记录所说的折射波与反射波；--记录所发送的声波的产生时刻；--处理所记录的信号以便分别确定上述折射波与反射波的至少是平均的传播速度；--从对应于反射波的信号确定至少一个时间截面图，--利用反射波的平均传播速度至少把该时间截面图转换为深度截面图，以便构成一张深度截面图，由它可以确定位于所说钻孔水平穿过的地质区域内的界面的位置。
2.根据权利要求
1的方法，其特征在于波长在5厘米到3米的范围内。
3.根据权利要求
1的方法，其特征在于所发送的波由脉冲信号产生，每次发送的持续时间长于监听时间。
4.根据权利要求
1的方法，其特征在于发送是按事先确定的编码进行的，并且对记录信号的处理包括一个把反射信号与反射时刻的顺序联系起来的步骤。
5.根据权利要求
1的方法，其特征在于测量工具由4个发送器和12个接收器组成，发送器之间的距离比接收器之间的距离短。
6.根据权利要求
1或权利要求
2的方法，其特征在于波长在15到75厘米的范围内。
7.根据权利要求
1的方法，其特征在于测量工具在钻孔内连续地移动。
8.根据权利要求
1的方法，其特征在于测量工具以非连续的方式在钻孔内移动。
9.一种在水平钻孔中具有极高分辨率的地震勘探方法，其实质正如在上文中参考附图描述的并且在附图中说明了的。
专利摘要
一种特别适用于勘探生产性油田的具有极高分辩率的地震勘探方法，主要包括发送和接收声波，记录发射时刻，确定折射波与反射波的平均传播速度，以及建立深度截面图，以便确定水平钻孔水平穿过的地质区域内的界面位置。
文档编号G01V1/40GK87103519SQ87103519
公开日1987年11月25日 申请日期1987年5月15日
发明者菲利浦·斯塔伦 申请人:阿坤庭埃尔夫国营公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan