钻探方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地表下或地下钻探用的方法和设备。本发明特别但不排他地应用于碳氢化合物的勘探和抽采领域，并且也应用于减压井钻探。
【背景技术】
[0002]通常使用多种地球物理学的探测技术来定位碳氢化合物聚集或储藏。这些探测识别可能具有有价值的石油和天然气储量的岩石信息。
[0003]所采用的传统方式的探测是发送穿透岩石的地震波并测量在位于地表或海底的一个或多个间隔开的接收器(分别为地震检波器或水诊器)所接收的反射波。这通常从位于海面上的探测船来进行或者使用基于陆基的发射器和接收器来进行。不同的岩层和岩石构成例如通过使波反射或衰减而干扰波的传播。反射波数据可由地球物理学家来解读以建立被探测区域的地质模型。一旦探测数据被分析到所感兴趣的潜在构成，便钻探测试钻孔或井以期找到碳氢化合物储量。
[0004]抽采碳氢化合物分两阶段来进行。首先，根据探测数据来钻探勘探或测试井。将结构穿透以确定是否存在碳氢化合物。如果存在碳氢化合物，则钻探第二生产井并铺设管线以允许从地下储藏中抽采碳氢化合物。在各井钻过程(勘探或生产)中，由于一些原因，在钻头伸向所感兴趣的地质特征时确定钻头的位置是很关键的。例如，确保在合适的位置将该地质特征穿透是很重要的。这可使钻探时间最短。另一个重要考虑是避开能够损害钻探设备或打断钻探过程的地质灾害。
[0005]减压井钻探是另一个特别有挑战的过程，在该过程中，需要将钻探设备精确定位以快速安全地压住泄漏井(在下面将详细讨论)。
[0006]由于井的总直径，很难精确测量钻头的位置。通常，井的直径在井的顶部为90-100nm，但在井的底部减小到仅20cm，且井可在地表之下延伸数千米并且经常从井穿透海底之处开始水平延伸数千米(以海下钻探为例)。
[0007]在本领域中使用多种技术来指示钻头及钻柱的位置和路径。一个常用方法是使用随钻测井(LWD)测量技术来监视钻探操作。此处，数据从井内装置沿钻柱发送到地面，在地面，可将数据进行解读以确定钻头的位置。例如，全程地结合钻柱的长度来测量钻头的方向(倾斜度和方位角)就可以预测钻头和钻柱的路径。在钻头穿过岩石结构时，登记数据并预测路径。
[0008]井内装置可配备有多个传感器，该传感器可进行测量并沿钻柱发回数据。将从井内装置接收的数据与最初探测所测量的期望结构进行比较，为钻探操作者提供了位置数据，该位置数据允许钻探操作者在距离钻机或船非常远的距离处接近所感兴趣的结构。
【发明内容】
[0009]虽然本领域中可使用的系统是精确的且广泛应用于石油勘探工业，但是本发明的发明人们确信能实现钻探技术的显著进步。特别地，发明人们建立了一种方式来通过地质特征实时测量钻井孔的位置和路径并使其可视化，与之相对地，现有方法仅估计或预测钻头位置。
[0010]本发明的目的是带来钻探精确度的巨大和显著的进步，其提高了安全性和效率，且具有很多应用。
[0011]在此处所描述的本发明的第一方面，提供一种在地下区域定位钻探设备和/或钻孔的方法，该方法包括以下步骤:在地下钻探操作中发送地震波到地下区域，该地震波从远离所述钻探设备的位置发送；检测来自所述钻探设备或钻孔的地震响应；和将所述检测到的响应与所述地下区域的预定的地震探测数据比较以确定所述设备或钻孔的位置。
[0012]该方面的钻孔可以是正在进行的钻探所产生的钻孔，或者，也可以是第二钻孔，其例如为现有钻孔，所述现有钻孔期望连通到由所述钻探设备所产生的新钻孔。例如在发生漏油且需要将新钻孔导向漏油井时，能够进行上述操作是特别有利的。在这种情况下，现有的和/或新钻孔的位置的实时数据当然是很有益的。
[0013]如上所述，评估钻探操作过程的传统方式是通过钻柱接收数据(例如方向/角度)，并将该数据与钻柱的长度(已知的钻柱将进入井中的距离)和来自以前的勘探钻井探测的转变为深度数据的地震探测数据进行比较。这些已知的技术迄今为止已提供了监视钻探操作过程的最好、最准确的方式。
[0014]然而，这些可用的系统仍然具有其局限性。主要的不确定性是，地震数据用地震波的双程传播时间(地震信号向下传播然后返回)来测量到达(例如)储藏目标的深度。在将井打钻至同一目标时，对距离必须要知晓到以米为单位的程度。因此，该深度必须由岩石的声速和地震波的双程传播时间来计算。由于岩石的准确速度是不确定的，因此所测量的以米为单位的深度也将变得不确定。
[0015]基于该原因，在很多情况下难以精确地命中目标。特别地，经常会算错到目标的深度。钻探的成本非常高，因此该问题会增加开支，且会增加风险。
[0016]在勘探钻井之前首先进行地震探测、然后进行地球物理学分析的惯例在该产业中被广泛接受，实际上在全球范围内也被广泛接受。事实上，本领域长时间存在的一个观点是，准确实时的地震定位是不可能的，特别是对于钻孔之类相对较小目标而言。然而，本发明的发明人们已经完成的是，当钻头和/或井孔在地下区域中穿行时，钻头和/或井孔的实时地震定位与地震可视化实际上是可行的。
[0017]如上所述，根据本发明，将地震波发送到被勘探的地下区域中。所介绍的方式中，有两个重要因素。第一，从远处的位置、即远离被钻探的井孔的端部的位置产生地震波。第二，至少根据优选实施方式，在钻探自身的操作过程中(即同时地)发送远处的地震波。因此，当正在进行钻探时，可发送地震波且可在相同时间接收地震响应。这些步骤都不是传统的。
[0018]通过以上述方式发送地震波到所感兴趣的区域、然后同时地测量反射，不仅能定位钻头，还能识别穿过该区域的井孔的路径。这通过将探测到的地震响应数据与由原始地震探测所确定的地震数据进行比较来实现。
[0019]实际上，实时比较这两个数据可以识别地下区域中的变化，这显示着钻头的位置及钻头行进的路径。
[0020]由于许多原因，该新技术以前没有使用。最引人注目的原因是:井孔的直径相对于井孔将要穿过的区域、井孔将要延伸的深度和地震波的波长而言非常小。因此，以前从未想过这种可能，即能以此方式来识别井孔且实现实时地震井监视系统。
[0021]根据第一方面，得到了一种实时地震井孔监视系统，其允许操作者在地震数据显示监视器或类似物体上精确地观看钻头的位置及钻头行进的路径。这具有很多有益应用，下面将要详细描述。
[0022]重要的是，可与井孔的远端相隔一段距离而发射地震波且检测地震响应。一个或多个探测器可位于地面、海床、海面、海中、或者适于运载探测器(实际上还有发射器)的海底运载工具表面或内部。
[0023]就是说，可利用地面地震探测和数据，其中发射器和探测器均远离钻探设备和/或钻孔。与之相对，在钻孔地震探测中，发射器或探测器之一远离钻探设备和/或钻孔，发射器或探测器中的另一个位于钻孔内。
[0024]例如，在北极地区，海下运载工具能方便地使发射器和/或接收器位于冰盖下。使发射器和/或接收器位于海床上，如此可通过除去信号通常会传播经过的水相而提高所接收的信号的质量。
[0025]探测器和发射器自身在本领域内是公知的。典型的发射器包括由博尔特科技公司(Bolt Technology Corporat1n)制造的博尔特气枪(Bolt Air Gun)系统。典型的探测器包括由地球空间技术制造的探测器。
[0026]探测器和发射器不需要严格竖直地位于钻头上方，而是仅仅大体位于延伸到地下地层中的钻头和井孔的上方。原则上，发射器和探测器当然也可以位于地层内，但是，由于需要额外的钻探，这会不必要地增加勘探成本。
[0027]可使用单个发射器，且多个探测器可与发射器间隔已知的距离。探测器可为二维或三维探测器阵列的形式。有利的是，三维探测器阵列更精确。二维阵列或三维阵列可方便地由探测船或海下船只来拖拽，从而能跟踪或跟随井孔的路径，并向钻探操作者传输数据。
[0028]在一种设置中，探测器可在预定的位置处固定于或连接到探测船或潜艇的艇体。在海下运载工具的应用中，运载工具能以更优化的精度来跟踪钻孔的移动。自主运载工具能用来运载接收器/发射器或将接收器/发射器放在适当位置。
[0029]总之，可从地面(海床或陆地)深入地层而发送地震波并接收地震响应。就是说，发射器和探测器远离钻孔和/或钻探设备。描述本发明的一个方式是地面随钻地震(SSWD)ο
[0030]然而，在一个备选的稍作修改的设置中，地震波可发送到井孔自身。因此，地震波可沿井孔的长度传播并辐射到地层中。实际上，井孔作为细长的地震发送天线而发挥作用。
[0031]将检测到的信号与对于同一位置所测量的(或预计的/模拟的)作为在钻探勘探井之前所收集的地震探测的一部分的相应的信号进行比较，也就是说，地下区域会已经被钻头和井孔隔断。在钻头穿入地球时重复地进行测量，且实际的测量不仅与在打钻开始前进行的测量进行比较，也与以前的测量进行比较。在钻头和钻孔穿过地层时，这两者在地表下造成变化，这会导致返回到接收器(探测器)的地震反射产生变化。
[0032]实时比较和数据处理允许钻探操作者在钻探开始时观察地层变化，用这种方法，操作者能跟踪地表下的钻头。
[0033]如上所述，管用技术中，不能检测由井孔和钻头在地层内产生的变化。本方法可通过以下面一个或多个形式来检测地震响应而生成地震数据组。
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