阅读说明：本技术 随钻声波远探测系统及方法 (While-drilling sound wave remote detection system and method ) 是由 曾义金 朱祖扬 李丰波 张卫 吴海燕 赵文杰 李三国 米金泰 崔谦 廖东良 于 2018-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种随钻声波远探测系统,其包含：随钻声波测量仪,其用于在接收测量指令后,通过地层声速测量模式以及储层界面探测模式获取地层的声波速度数据以及储层界面的反射波数据；综合处理装置,其用于在接单根间隙或起钻前发送测量指令,并接收随钻声波测量仪传送的声波速度数据以及反射波数据,根据声波速度数据以及反射波数据确定储层界面的位置；传输装置,其连接在随钻声波测量仪以及综合处理装置之间,用于传送测量指令、声波速度数据以及反射波数据。本发明解决了由于随钻地球物理数据欠缺,不能高精度定位井下地层速度模型,导致对地层界面识别失效的难题,在钻井过程中可以快速获取大量的井下探测数据,能够对储层界面精准定位。(The invention provides a while-drilling acoustic wave remote detection system, which comprises: the acoustic measurement while drilling instrument is used for acquiring acoustic velocity data of the stratum and reflected wave data of a reservoir interface through a stratum acoustic velocity measurement mode and a reservoir interface detection mode after receiving a measurement instruction; the comprehensive processing device is used for sending a measurement instruction before a single joint gap is connected or tripping is carried out, receiving acoustic velocity data and reflected wave data transmitted by the acoustic wave while drilling measuring instrument and determining the position of a reservoir interface according to the acoustic velocity data and the reflected wave data; and the transmission device is connected between the acoustic wave while drilling measuring instrument and the comprehensive processing device and is used for transmitting the measuring instruction, the acoustic wave speed data and the reflected wave data. The method solves the problem that the identification of the stratum interface is invalid due to the fact that the underground stratum speed model cannot be accurately positioned due to the lack of geophysical data while drilling, can quickly acquire a large amount of underground detection data in the drilling process, and can accurately position the reservoir interface.)

随钻声波远探测系统及方法

技术领域

本发明涉及石油工程领域，具体地说，涉及一种随钻声波远探测系统及方法。

背景技术

随着页岩气、致密油气等非常规油气田的开发，大斜度井和水平井钻井技术得到了快速发展。水平井带来的经济效益是显而易见的，由于水平井横穿地下裂缝和地下油气层，油气采收率得到了很大提高，单井产量要远远高于直井的产量。然而由于非常规油气藏薄、储层非均质性强，导致油气层钻遇率低，对水平井钻井技术提出了严峻的挑战。在近钻头地质导向钻井技术还不成熟的情况下，在水平井钻井过程中钻头很容易钻出油气层，而钻井轨迹又来不及调整造成了巨大的钻井成本，其根本原因是钻井时不能实时追踪储层的上下界面，不能保证钻头沿着产层方向钻进。

目前在钻头的附近安装许多传感器以测量井眼和地层的相关参数，例如利用方位电磁波电阻率探测地层的深度，能够识别几米远的地层边界和方位信息，从而进行地质导向钻井。虽然方位电磁波电阻率解决了地层边界的识别问题，但是由于其探测深度仍然有限，并不能得到一个最佳的井眼钻井轨迹。

因此，本发明提供了一种随钻声波远探测系统及方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种随钻声波远探测系统，所述系统包含：

随钻声波测量仪，其用于在接收测量指令后，通过地层声速测量模式以及储层界面探测模式获取地层的声波速度数据以及储层界面的反射波数据；

综合处理装置，其用于在接单根间隙或起钻前发送所述测量指令，并接收所述随钻声波测量仪传送的所述声波速度数据以及所述反射波数据，根据所述声波速度数据以及所述反射波数据确定储层界面的位置；

传输装置，其连接在所述随钻声波测量仪以及所述综合处理装置之间，用于传送所述测量指令、所述声波速度数据以及所述反射波数据。

根据本发明的一个实施例，所述随钻声波测量仪包含：

声源系，其包含声源发生装置，用于发射不同频率的横波；

接收器阵列，用于接收所述声源系发射的横波。

根据本发明的一个实施例，所述声源系包含：

第一横波发生装置，其用于在所述地层声速测量模式下发射第一横波，其中，所述第一横波沿井壁传播；

第二横波发生装置，其用于在所述储层界面探测模式下发射第二横波，其中，所述第二横波向井外地层传播，到达储层上界面以及储层下界面后反射回井内。

根据本发明的一个实施例，所述接收器阵列包含：

常规接收换能器，其用于在所述地层声速测量模式下接收所述第一横波，获取所述声波速度数据，在所述储层界面探测模式下接收所述第二横波，获取所述反射波数据。

根据本发明的一个实施例，所述接收器阵列还包含：

噪声衰减器，其包含音频传感器，用于在所述声源系不工作时，采集井筒内的环境噪声，并对所述环境噪声进行处理，剔除掉噪声。

根据本发明的一个实施例，所述接收器阵列还包含：

刻槽，其设置在所述常规接收换能器以及所述音频传感器之间，用于阻隔声源。

根据本发明的一个实施例，所述随钻声波测量仪包含：

方位模块，其包含微型三轴向磁通门，用于测量地球磁场，从而对所述随钻声波测量仪进行高精度方位检测，标定出储层界面与井眼的相对位置。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种随钻声波远探测方法，所述方法包含以下步骤：

在接单根间隙或起钻前通过综合处理装置发送测量指令，并通过传输装置传输至随钻声波测量仪；

在接收测量指令后，通过地层声速测量模式以及储层界面探测模式获取地层的声波速度数据以及储层界面的反射波数据，并通过所述传输装置传输至综合处理装置；

接收所述随钻声波测量仪传送的所述声波速度数据以及所述反射波数据，根据所述声波速度数据以及所述反射波数据确定储层界面离井眼或钻头的位置。

根据本发明的一个实施例，在所述地层声速测量模式下发射第一横波，其中，所述第一横波沿井壁传播；

在所述储层界面探测模式下发射第二横波，其中，所述第二横波向井外地层传播，到达储层上界面以及储层下界面后反射回井内。

根据本发明的一个实施例，在所述地层声速测量模式下接收所述第一横波，获取所述声波速度数据，在所述储层界面探测模式下接收所述第二横波，获取所述反射波数据。

本发明提供的随钻声波远探测系统解决了由于随钻地球物理数据欠缺，不能高精度定位井下地层速度模型，导致对地层界面识别失效的难题，在钻井过程中可以快速获取大量的井下探测数据，能够对储层界面精准定位，从而为优化井眼轨迹，实施高精度钻井提供了基础数据,提升了测量的精度，实现了高精度钻井的目标。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的随钻声波远探测系统结构示意图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的随钻声波远探测方法流程图；以及

图3显示了根据本发明的一个实施例的随钻声波远探测方法原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的随钻声波远探测系统结构示意图。

如图1所示，系统包含综合处理装置101、传输装置102以及随钻声波测量仪103。另外，图1中的图标表示为：钻井平台104、地层105、钻杆106、储层上界面107a、储层下界面107b、钻铤108以及钻头109。

在本发明提供的随钻声波远探测系统中，随钻声波测量仪103用于在接收测量指令后，通过地层声速测量模式以及储层界面探测模式获取地层的声波速度数据以及储层界面的反射波数据。

如图1所示，综合处理装置101用于在接单根间隙或起钻前发送所述测量指令，并接收随钻声波测量仪传送的声波速度数据以及反射波数据，根据声波速度数据以及反射波数据确定储层界面的位置。

传输装置102连接在随钻声波测量仪以及综合处理装置之间，用于传送测量指令、声波速度数据以及反射波数据。根据本发明的一个实施例，传输装置102可以通过泥浆脉冲传输方式传输测量指令、声波速度数据以及反射波数据。

根据本发明的一个实施例，随钻声波测量仪包含：声源系(T1、T2)以及接收器阵列(R1-R6)。其中，声源系包含声源发生装置，用于发射不同频率的横波。接收器阵列用于接收声源系发射的横波。

另外，根据本发明的一个实施例，声源系包含：第一横波发生装置T1以及第二横波发生装置T2。

其中，第一横波发生装置T1用于在地层声速测量模式下发射第一横波，其中，第一横波沿井壁传播。例如，第一横波可以为6-10kHz的中高频横波。

第二横波发生装置T2用于在储层界面探测模式下发射第二横波，其中，第二横波向井外地层传播，到达储层上界面以及储层下界面后反射回井内。例如，第二横波可以为2kHz的低频横波。

相应的，根据本发明的一个实施例，接收器阵列包含：常规接收换能器(R1-R4)。其用于在地层声速测量模式下接收第一横波，获取声波速度数据，在储层界面探测模式下接收第二横波，获取反射波数据。

为了减少噪声，根据本发明的一个实施例，接收器阵列还包含：噪声衰减器(R5-R6)。噪声衰减器(R5-R6)包含音频传感器，用于在声源系不工作时，采集井筒内的环境噪声，并对环境噪声进行处理，剔除掉噪声。

为了阻隔声源，根据本发明的一个实施例，接收器阵列还包含：刻槽。其设置在常规接收换能器以及音频传感器之间，用于阻隔声源。在一个实施例中，刻槽设置在R4与R5以及R5与R6之间。

在本发明提供的随钻声波远探测系统中，随钻声波测量仪还可以包含：方位模块。方位模块设置在随钻声波测量仪103内，包含微型三轴向磁通门，用于测量地球磁场，从而对随钻声波测量仪进行高精度方位检测，标定出储层界面与井眼的相对位置。

如图1所示，声源系(T1、T2)和接收器阵列(R1-R6)均安装在钻铤108上。声源系包含两个声源T1和T2，接收器阵列包含R1、R2、R3和R4常规接收换能器，以及R5和R6大动态范围音频传感器，在R4和R5之间以及R5与R6之间设置有隔声用的刻槽。声源T2发射2kHz的低频横波，该横波向井外地层105传播，到达储层上界面107a和储层下界面107b，并反射回井内并被接收器阵列接收到，声源T1发射6-10kHz的中高频横波，该横波沿着井壁传播，然后到达接收器阵列。

在钻井接单根的间隙，钻头108停止旋转，在钻井平台104上，新的一柱钻杆106将被下入到井下，在这个过程中，由地面的综合处理装置101发送指令，通过传输装置102送给井下随钻声波测量仪103，随钻声波测量仪103依序进入T1发射模式和T2发射模式。

本发明提供的随钻声波测量仪具有扫频宽带大探测范围的工作特点，至少有两种声波发射模式。第一种是发射中高频横波，在井壁附近传播，测量井壁附近地层的声波速度；第二种是发射低频横波，从井眼内向外辐射，穿透井外地层，并被地层界面反射回井内，从而获取储层界面位置信息。

另外，随钻声波测量仪还具有多种数据采集模式。当工作在第一种声波发射模式时，数据采样频率较高，采样时间较短；当工作在第二种声波发射模式时，数据采集频率较低，采样时间较长。

在本发明中，为了获取储层界面位置，由第一种声波发射模式获取井外地层的声波速度，由第二种声波发射模式获取井眼——地层界面——井眼的反射波走时，根据声波速度和反射波走时可以确定反射波行程。在综合处理装置101内对多道反射波行程进行(偏移成像)综合处理，可以获得储层界面位置。

本发明提供的噪声衰减器在随钻声波测量仪的接收器阵列内，设置有大动态范围的音频传感器模块，该模块在两种发射模式都不工作时，负责采集井筒的环境噪声，并把采集的噪声作为背景噪声，通过互相关、滤波等信号处理手段剔除掉声波处于发射模式时，接收器阵列接收到的声波信号里的噪声。

本发明提供的方位模块设计有微型三轴向磁通门，可以测量地球磁场从而对仪器进行高精度方位检测，可以标定出地层界面与井眼的相对位置。

本发明提供的随钻声波远探测系统解决了由于随钻地球物理数据欠缺，不能高精度定位井下地层速度模型，导致对地层界面识别失效的难题，在钻井过程中可以快速获取大量的井下探测数据，能够对储层界面精准定位，从而为优化井眼轨迹，实施高精度钻井提供了基础数据,提升了测量的精度，实现了高精度钻井的目标。

图2显示了根据本发明的一个实施例的随钻声波远探测方法流程图。如图2所示，在步骤S201中，在接单根间隙或起钻前通过综合处理装置发送测量指令，并通过传输装置传输至随钻声波测量仪。

一般来说，在接单根间隙测量，钻头不转，钻井噪声处于最小值，最有利于在井眼内获取由井外地层界面反射回来的声波信号，保证具有较高的信号质量。因此，在步骤S201中，综合处理装置101在接单根间隙或起钻前向随钻声波测量仪103发送测量指令。

随后，在步骤S202中，在接收测量指令后，通过地层声速测量模式以及储层界面探测模式获取地层的声波速度数据以及储层界面的反射波数据，并通过传输装置传输至综合处理装置。

在本发明的一个实施例中，随钻声波测量仪103包含两种测量模式，第一种为地层声速测量模式，第二种为储层界面探测模式。在随钻声波测量仪103接收到测量指令后，首先开启地层声速测量模式获取井外地层的声波速度，然后开启储层界面探测模式获取反射波信息。

在地层声速测量模式下，声源T1发射6-10kHz的中高频横波，该横波沿着井壁传播，然后到达接收器阵列。通过地层声速测量模式获取井外地层的声波速度。

在储层界面探测模式下，声源T2发射2kHz的低频横波，该横波向井外地层105传播，到达储层上界面107a和储层下界面107b，并反射回井内并被接收器阵列接收到。通过储层界面探测模式确定反射波走时。

最后，在步骤S203中，接收随钻声波测量仪传送的声波速度数据以及反射波数据，根据声波速度数据以及反射波数据确定储层界面离井眼或钻头的位置。

在本步骤中，根据声波速度和反射波走时可以确定反射波行程。在综合处理装置101内对多道反射波行程进行(偏移成像)综合处理，可以获得储层界面位置。

如图2，在井中发射横波，并在井中接收来自井旁地质异常体的反射波，从而确定地质体的位置。这类地质异常体包括地层边界、裂缝、溶洞和断层等，因此可以探测储层边界和裂缝分布等情况，本发明的显著特点是探测的距离可达几十米远，从而为地质导向钻井提供服务，同时可以为优化储层改造工艺提供技术支撑。

本发明的优势在于，声波测井的主频逐步降低，工作频率范围在逐步向宽频带方向发展，数据采集的采样间隔不断变小而采样长度不断增加，从而为扩大声波测井的探测范围提供了保障。

图3显示了根据本发明的一个实施例的随钻声波远探测方法原理图。

如图3所示，在接单根间隙或起钻前，可以通过综合处理装置101从地面发送测量指令，发送的测量指令可以通过泥浆脉冲进行传送。

当测量指令传送至随钻声波测量仪103时，随钻声波测量仪103开启工作模式。其包含两种工作模式，分别是地层声速测量模式以及储层界面探测模式。

随钻声波测量仪首先开启常规测井模式即地层声速测量模式，获得井底地层的声速，然后开启远探测模式即储层界面探测模式，采集储层界面的反射波信号，地层声速和反射波时差通过泥浆脉冲被实时上传到地面。在地面上的综合处理装置101对多通道反射波信号进行快速处理，可以提取出储层界面的位置。

为了提高反射波信号质量和识别储层界面的上下位置，在随钻声波测量仪内还集成有钻井噪声衰减器和方位模块。能够准确获取井下地层声速和井周围储层界面位置，从而提取出地层声波/地震波速度剖面，为地球物理导向钻井提供可靠的基础数据。

如图3，在地层声速测量模式下，测量井壁附近地层的声波速度，该地层声波速度可以用于修正地震波速度模型。在储层界面探测模式下，可以快速获取地层界面反射波数据。根据地震波速度模型和反射波数据，可以基本确定地层界面离井眼或者钻头的距离，根据方位测量模块，则可以确定地层界面的位置。为了提高反射波数据信噪比，在预处理时把钻井噪声压制掉了。

本发明提供的随钻声波远探测系统解决了由于随钻地球物理数据欠缺，不能高精度定位井下地层速度模型，导致对地层界面识别失效的难题，在钻井过程中可以快速获取大量的井下探测数据，能够对储层界面精准定位，从而为优化井眼轨迹，实施高精度钻井提供了基础数据,提升了测量的精度，实现了高精度钻井的目标。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。