СПОСОБ СКВАЖИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ Российский патент 1998 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к сейсмической разведке и может быть использовано при изучении геологического строения и физических свойств среды околоскважинного пространства в процессе бурения скважины.

Известен способ изучения околоскважинного пространства, согласно которому используют генератор сейсмических импульсов, пригодный для работы на глубине и помещенный рядом с буровым инструментом. При этом сейсмоприемники размещаются на поверхности земли симметрично относительно устья скважины. Колебания возбуждают в скважине по мере проходки в перерывах между бурением. По временам прихода и амплитудам прямых, отраженных и преломленных волн определяют параметры разреза [1]
Недостатками этого способа являются: необходимость использования специального источника, работающего на больших глубинах в условиях высоких температур и давлений, а также приостановка бурения на время проведения сейсмических наблюдений. Это обусловливает высокую стоимость и большие затраты времени на производство работ, что заметно снижает эффективность сейсморазведочных исследований на скважине.

Известен способ скважинной сейсморазведки, согласно которому 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 взаимно корреляционную функцию двух волновых процессов, распространяющихся по буровой колонне и по породам, а по времени запаздывания одного процесса относительно другого вычисляют скорость распространения сейсмических волн в горных породах [2]
К недостаткам этого способа относится то, что изучается скоростная характеристика среды лишь покрывающей толщи, а прогнозирование свойств среды и ее геологического строения ниже забоя скважины не предполагается, а также то, что разность времен распространения сейсмических волн по колонне бурильных труб и по горным породам, вычисленная с использованием взаимнокорреляционной функции для регистрируемых волновых полей, отличающихся высоким уровнем шумов, связанных с работой наземного бурового оборудования, а также высокоамплитудных квазигармонических колебаний, определяется с большой погрешностью, что заметно снижает разрешающую способность и точность способа.

Наиболее близким прототипом к заявляемому техническому решению является способ скважинной сейсморазведки [3] Способ базируется на возбуждении упругих колебаний на различных глубинах путем воздействия бурового инструмента на забой скважины в процессе бурения, предусматривает трехкомпонентную регистрацию колебаний при разных удалениях точек приема от устья скважины. Выделение полезных сигналов основано на формировании взаимнокорреляционных функций, по которым определяются сейсмические скорости и положения сейсмических границ, пересеченных скважиной, а также расположенных глубже ее забоя. Процесс бурения на время регистрации колебаний переводят в нестационарный режим. При этом нестационарный режим получают путем изменения частоты вращения бурового инструмента по линейному закону в пределах, ограниченных частотным диапазоном сейсморегистрирующего канала, и/или путем изменения давления на забой от нулевого значения до максимального, определяемого весом бурового инструмента.

Недостатками этого способа являются: необходимость изменения технологических параметров бурения в предварительно согласованные моменты времени, совпадающие с началом регистрации сейсмических колебаний, а также низкая помехоустойчивость применяемого способа обработки регистрируемых волновых полей.

Экспериментальное опробование данного способа позволило убедиться в том, что и без управления процессом бурения (при постоянной скорости вращения бурового инструмента) взаимодействие долота с породой приводит к возбуждению колебаний сложной формы. Образующиеся при этом сейсмические колебания содержат квазислучайную широкополосную составляющую, которая является наиболее информативной для способов решения задач, связанных с изучением геологического строения и физических свойств горных пород в процессе бурения, базирующихся на принципах корреляционного анализа [4]
Задачей изобретения является повышение точности и надежности определения геологического строения и физических свойств горных пород в околоскважинном пространстве, а также определение координат забоя в процессе бурения исследуемой скважины.

Поставленная задача решается следующим образом. В способе скважинной сейсморазведки, включающем возбуждение упругих колебаний бурильной колонны путем воздействия бурового инструмента на забой скважины в процессе бурения, трехкомпонентную регистрацию колебаний при разных удалениях точек приема от устья скважины, формирование взаимно-корреляционных функций, определение физических свойств среды в околоскважинном пространстве и ниже ее забоя, осуществляют прием упругих колебаний на дневной поверхности по радиальным профилям, проходящим через устье скважины, интерференционными системами, параметры которых выбирают в диапазоне рабочих частот в интервале от 20 Гц до 100 Гц в соответствии с формулами
D 2V_к.отр/(f_рез1 + f_рез3) (1)
d V /(f_рез1 + f_рез3) (2)
n D/d + 1 (3)
где D длина базы группы;
d расстояние между элементами в группе;
n количество элементов в группе;
V_к.отр минимальная кажущаяся скорость отраженной волны;
V_к.min минимальная кажущаяся скорость волн-помех;
f_рез1, f_рез3 первая и третья резонансные частоты регистрируемых квазигармонических колебаний,
формируют взаимно-корреляционные функции зарегистрированного волнового поля, проводят спектральный анализ, выделяют квазигармонические составляющие наиболее интенсивных резонансных частот, для каждой из которых формируют монохроматические коррелограммы, затем преобразуют их в импульсную форму, по которой определяют строение и физические свойства околоскважинной среды.

Существенными отличительными признаками в заявляемом способе являются:
регистрация одновременно с опорным сигналом упругих колебаний, распространяющихся по горным породам, наземной многоканальной расстановкой, которую формируют из нескольких радиальных профилей, проходящих через устье исследуемой скважины, а прием колебаний осуществляют трехкомпонентными интерференционными системами, параметры которых выбирают в диапазоне рабочих частот в интервале от 20 до 100 Гц в соответствии с формулами (1), (2), (3), что позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость наземной многоканальной системы регистрации и неискаженный прием квазигармонических составляющих наиболее интенсивных резонансных частот, образующихся в процессе бурения и распространяющихся по горным породам и по буровой колонне;
выбранные параметры группирования сейсмоприемников в интерференционной системе в соответствии с формулами (1), (2), (3) обеспечивают эффективное подавление поверхностных волн-помех, а также неискаженный прием полезных сигналов (прямая и отраженные волны) на всех каналах наземной расстановки;
выделение из зарегистрированных сейсмозаписей наземной расстановки квазигармонических составляющих наиболее интенсивных резонансных частот и последующее их преобразование в импульсную форму на основе принципов монохроматической обработки обеспечивает повышение соотношения сигнал/помеха, динамическую и временную разрешенности сигналов прямой и отраженных волн по сравнению со способом выделения полезных сигналов путем формирования взаимно-корреляционных функций между опорным сигналом и сейсмозаписями наземной расстановки.

Из изученной научно-технической и патентной литературы не известно о существовании технического решения с перечисленной совокупностью признаков. Это дает основание сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критериям изобретения.

Использование квазигармонических составляющих наиболее интенсивных резонансных частот, регистрируемых в процессе бурения колебаний обосновывается результатами экспериментального опробования данного способа, которые свидетельствуют о том, что при взаимодействии бурового инструмента с горной породой в спектре регистрируемых волновых полей присутствуют высокоамплитудные квазигармонические составляющие, характеризующиеся острорезонансной формой амплитудно-частотного спектра.

Распространяясь в околоскважинном пространстве, эти квазигармонические колебания несут полезную информацию об особенностях строения и физических свойствах излучаемой среды, а также они могут быть использованы для решения задачи контроля траектории ствола бурящейся скважины.

Частота квазигармонических колебаний зависит от ряда технологических факторов, сопровождающих бурение, а также от физико-механических свойств разбуриваемых горных пород.

Важную роль при этом играет утяжелитель буровых труб (УБТ), который может рассматриваться как упругий стержень с закрепленным нижним и свободным верхним концами.

Ряд резонансных частот продольных колебаний, возникающих в таком стержне, описывается известным выражением (5):
f V_р/4L(2N + 1) (4)
где V_р скорость продольных волн в стержне,
L длина стержня,
N целые числа,
f резонансная частота собственных колебаний.

В качестве примера определим резонансные частоты продольных колебаний для УБТ длиной L 60 м и V_р 4875 м/с.

Из соотношения (4) получим: при N 0 f_рез1 20,3 Гц; при N 1 f_рез2 60,9 Гц; при N 3 f_рез3 101,5 Гц и т.д.

На нижнем прижатом к забою скважины конце стержня возникающие резонансные колебания характеризуются максимальным упругим сжатием (напряжением), которое частично передается в горную породу в виде упругих колебаний. Эти колебания распространяются в среде в виде суперпозиции продольных и поперечных волн, которые регистрируются на дневной поверхности приемными датчиками.

Квазигармонический характер возбуждаемых в горных породах упругих сейсмических колебаний приводит к необходимости применения способов обработки, обеспечивающих преобразование выделенных квазигармонических сигналов в импульсную форму.

На фиг. 1-3 представлены результаты экспериментального опробования заявляемого способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Упругие колебания, возбуждаемые в призабойной зоне при взаимодействии бурового инструмента с горными породами, регистрируются несколькими контрольными трехкомпонентными датчиками опорного сигнала, расположенными на удалении 50-100 м от устья исследуемой скважины в специально пробуренных скважинах. Один из контрольных датчиков располагается в верхней части бурильной колонны (например, на вертлюге).

Глубина погружения контрольных трехкомпонентных датчиков опорного сигнала определяется строением верхней части разреза. При этом датчики желательно располагать в коренных породах, то есть ниже подошвы зоны малых скоростей.

Одновременно с опорным сигналом осуществляют регистрацию упругих колебаний на дневной поверхности наземной многоканальной расстановкой, состоящей из нескольких радиальных профилей, проходящих через устье исследуемой скважины. Прием колебаний осуществляют трехкомпонентными интерференционными системами.

Сейсмозаписи, зарегистрированные наземной многоканальной расстановкой, преобразуют в импульсную форму. Данное преобразование осуществляется в результате выполнения следующих процедур обработки.

Формируют коррелограммы путем расчета взаимно-корреляционных функций между одноименными компонентами опорного сигнала и сейсмозаписями наземной расстановки. Затем выполняют спектральный анализ полученных коррелограмм, в результате которого выделяют квазигармонические составляющие наиболее интенсивных резонансных частот, для каждой из которых формируют монохроматические коррелограммы. Путем монохроматического преобразования полученные коррелограммы преобразуют в импульсную форму. Сформированные для различных глубин воздействия бурового инструмента на забой скважины импульсные сейсмозаписи наземной расстановки преобразуют известными в скважинной сейсморазведке приемами во временные и глубинные изображения околоскважинного пространства.

По сигналам прямой волны определяют координаты долота в пространстве, а по сигналам отраженных волн определяют геологическое строение и физические свойства изучаемой среды в околоскважинном пространстве.

Величина интервала между группами приема наземной расстановки определяется исходя из известных в сейсморазведке условий непрерывного фазового прослеживания волн, а протяженность профилей исходя из решаемых задач, глубины разреза и сейсмогеологических условий района работ.

Параметры интерференционных систем приема выбирают в соответствии с формулами (1), (2), (3), что обеспечивает эффективное подавление регулярных низкоскоростных и нерегулярных волн-помех при минимальной степени амплитудно-фазовых искажений, вносимых группой в суммарный полезный сигнал в интервале рабочих частот от 20 до 100 Гц.

Пример. Пусть минимальная кажущаяся скорость отраженной волны V_к.отр 2000 м/с, которая соответствует отражению от наиболее мелкой и крутой границы раздела (прослеживание которой необходимо для решения геологической задачи) в случае наиболее удаленного канала от устья исследуемой скважины. При этом диапазон рабочих частот полезных сигналов, определяемый по формуле (4), либо оцениваемый по результатам спектрального анализа регистрируемых волновых полей, допустим, изменяется в интервале от 20 до 100 Гц. Причем f_рез1 20 Гц, а f_рез3 100 Гц.

Минимальная кажущаяся скорость регулярных низкоскоростных волн-помех положим равной 300 м/с. Для заданных параметров полезных волн и волн-помех величина базы группы (интерференционной системы приема) определяется из формулы (1) и составит:
D 2•2000/(20 + 100)≈ 33 м
Расстояние между элементами в группе в соответствии с формулой (2) составит
d 300/(20 + 100) 2,5 м
Количество элементов в группе в соответствии с формулой (3) составит
n 33/2,5 + 1≈ 14
По мере увеличения глубины забоя бурящейся скважины величину базы группы приема D желательно увеличивать в соответствии с формулой (1), поскольку при этом будет возрастать величина минимальной кажущейся скорости отраженной волны от наиболее близкой к забою исследуемой границы раздела.

Так, например, для V_к.отр 2800 м/с, величина базы группы составит: D 2•2800/(20 + 100)≈ 47 м. При этом расстояния между элементами в группе сохраняются неизменными, то есть d 2,5 м, а количество элементов n увеличивается и становится равным
n 47/2,5 + 1≈ 20.

Увеличение базы D и количества элементов в группе n при сохранении расстояния между элементами d по мере возрастания глубин забоя бурящейся скважины приводит к дополнительному повышению направленного и статического эффектов приемной интерференционной системы, что обеспечивает увеличение помехоустойчивости применяемой системы наблюдений при регистрации волновых полей с больших глубин.

На фиг. 1 приведены коррелограммы, полученные в процессе бурения исследуемой скважины на глубине Н 855 м по двум радиальным профилям, соответственно: а) после расчета взаимно-корреляционных функций между опорным сигналом и сейсмозаписями наземной расстановки; б) монохроматические коррелограммы для резонансной частоты 30 Гц; в) результаты монохромной корреляции.

На фиг. 2 приведены амплитудночастотные спектры по каждой из выше приведенных сейсмозаписей: а) по исходным коррелограммам; б) по монохроматическим коррелограммам; в) по результативной сейсмограмме. Они иллюстрируют импульсный характер формируемых сейсмозаписей полученных с использованием монохроматического преобразования для резонансной частоты 30 Гц.

На фиг. 3 представлены изображения околоскважинного пространства во временном (а) и глубинном (б) масштабах, полученные с использованием заявляемого способа скважинной сейсморазведки. Отчетливо прослеживаются оси синфазности по всему исследуемому разрезу, отображающие особенности его строения до глубин 5 км.

Регулируемые в процессе бурения свойства и статистический эффект интерференционных систем приема дают возможность обеспечить оптимальные условия для выделения полезных сигналов, регистрируемых на фоне интенсивных регулярных и нерегулярных волн-помех во всем интервале глубин бурящейся скважины.

По сравнению с прототипом и другими известными способами предлагаемый способ позволяет повысить точность и надежность изучения геологического строения и физических свойств горных пород в околоскважинном пространстве, а также повысить точность и надежность определения координат забоя в процессе бурения исследуемой скважины.

Использование данного способа позволяет существенно повысить эффективность геолого-разведочных работ при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых.

Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Патент США N 4207619, кл. 367-36, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР, N 643819, 1977.

3. Патент РФ N 1035549, 1983.

4. Потапов О.А. Будагов А.Г. Бекленишев А.Б. Гродзенский В.А. Шехтман Г. А. Новые направления в развитии наземной скважинной и дистанционной сейсморазведки //Прикладная геофизика, вып. 131, М. Недра, 1994, с. 41-56.

5. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Теория упругости. М. Наука, 1965, с. 144-151.

Использование: в сейсмической разведке. Сущность изобретения: возбуждают упругие колебания бурильной колонны путем воздействия бурового инструмента на забой скважины в процессе бурения. Осуществляют трехкомпонентную регистрацию колебаний при разных удалениях точек приема от устья скважины, формируют взаимно-корреляционные функции. Причем упругих колебаний на дневной поверхности осуществляют по радиальным профилям, проходящим через устье скважины, интерференционными системами, параметры которых выбирают в диапазоне рабочих частот от 20 до 100 Гц в соответствии с формулами D = 2V_к.отр/(f_рез1 + f_рез3) (1), d = V_к.min/(f_рез1 + f_рез3) (2), n = D/d + 1(3), где D - длина базы группы; d - расстояние между элементами; n - количество элементов в группе; V_к.отр - минимально-кажущаяся скорость отраженной волны; V_к.min - минимально-кажущаяся скорость волн-помех; f_рез1, f_рез3 - первая и третья резонансные частоты регистрируемых квазигармонических колебаний. Формируют взаимно корреляционные функции зарегистрированного волнового поля, проводят спектральный анализ, выделяют квазигармонические составляющие наиболее интенсивных резонансных частот, для каждой из которых формируют монохроматические коррелограммы, преобразуют их в импульсную форму, по которой определяют строение и физические свойства исследуемой околоскважинной среды. 3 ил.

Способ скважинной сейсморазведки, включающий возбуждение упругих колебаний бурильной колонны путем воздействия бурового инструмента на забой скважины в процессе бурения, трехкомпонентную регистрацию колебаний при разных удалениях точек приема от устья скважины, формирование взаимно корреляционных функций, определение физических свойств среды в околоскважинном пространстве и ниже ее забоя, отличающийся тем, что осуществляют прием упругих колебаний на дневной поверхности по радиальным профилям, проходящим через устье скважины, интерференционными системами, параметры которых выбирают в диапазоне рабочих частот в интервале от 20 до 100 Гц в соответствии с формулами
D = 2v_котр/(f_рез.1+f_рез.3);
d = v_кmin/(f_рез.1+f_рез.3);
n D/d + 1,
где D длина базы группы;
d расстояние между элементами в группе;
n количество элементов в группе;
v_котр - минимально кажущаяся скорость отраженной волны;
v_кmin - минимально кажущаяся скорость волн-помех;
f_рез.1 f_рез.3 первая и третья резонансные частоты регистрируемых квазигармонических колебаний,
формируют взаимно корреляционные функции зарегистрированного волнового процесса, проводят спектральный анализ, выделяют квазигармонические составляющие наиболее интенсивных резонансных частот, для каждой из которых формируют монохроматические коррелогаммы, затем преобразуют их в импульсную форму, по которой определяют строение и физические свойства околоскважинной среды.