阅读说明：本技术 一种walkround随钻实时地质导向技术及装置 (Walkround while-drilling real-time geosteering technology and device ) 是由 刘柏根 王保利 金丹 崔伟雄 张鹏 巨朝晖 于 2020-10-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种walkround随钻实时地质导向技术及装置。包括：检波器安置步骤,在地面上以钻孔为中心的多个圆周上安置和定位检波器装置,同一圆周上的检波器以钻孔为中心对称分布；平面位置确定步骤,记录预定时间间隔ΔT内钻头到接收点i和接收点j之间的相对延迟时间Δτ_(ij),基于优化反演得到t时刻钻头的平面坐标钻孔深度确定步骤,基于相邻时刻钻头的平面坐标和钻头进尺计算出钻头的实时空间位置及轨迹。因此,本发明具备以下优点：(1)不需要在井下钻头附近安装接收器接收近场信号,免去了施工以及涉及到的数据实时回传难题；(2)通过walkaround多测线观测方式,较好地提高了钻头的空间定位精度和钻头前方的成像精度。(The invention relates to a walkround while-drilling real-time geosteering technology and a walkround while-drilling real-time geosteering device. The method comprises the following steps: a step of arranging detectors, in which the detector devices are arranged and positioned on a plurality of circumferences on the ground by taking the drill hole as the center, and the detectors on the same circumference are symmetrically distributed by taking the drill hole as the center; a plane position determining step of recording relative delay time delta tau from the drill bit to the receiving point i and the receiving point j in a preset time interval delta T ij Obtaining the plane coordinates of the drill bit at the time t based on the optimized inversion And a drilling depth determining step, namely calculating the real-time spatial position and track of the drill bit based on the plane coordinates of the drill bit at adjacent moments and the drill bit footage. Therefore, the invention has the following advantages: (1) need not be downholeA receiver is arranged near the drill bit to receive the near-field signal, so that the problems of construction and related data real-time return are avoided; (2) through walkaround multi-measuring-line observation mode, the space positioning precision of drill bit and the imaging precision in front of the drill bit have been improved better.)

一种walkround随钻实时地质导向技术及装置

技术领域

本发明涉及一种探测方法，属于地质探测领域，具体是涉及一种walkround随钻实时地质导向技术及装置。

背景技术

钻井通道常用于营救井下被困人员。“小直径保命孔与大直径救命孔”的钻孔救援模式是矿山灾害救援的一种有效途径。施工救援钻孔有如下几个特点：(1)在灾变条件下，井下被困人员位置对应的地面救援井的施钻场地可选择余地不多，钻遇地层的复杂性常常难以避免；(2)钻进过程中要尽可能避免钻井事故，不管是处理钻井事故还是重新选址开钻，都会耽搁救援的最佳时间；(3)时间就是生命，实时性高；(4)钻头定位精度要求高，救援钻目标通常在巷道内(巷道宽度一般为3米)。因此，在钻井过程中，对钻头底下即将钻遇地层的预测，提前采取防御措施，防止钻井事故的发生显得尤为重要。采取一些额外的措施方法可能会适当增加钻井成本，但在救人第一的原则背后，应不惜一切代价。

常规的随钻地震往往仅在地表布置一条测线，采用随钻RVSP技术来完成钻头前方地层成像，这种观测方式的钻头定位准确度、速度分析精度以及成像质量均难以满足救援钻孔要求。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种随钻实时地质导向方法及装置。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，包括：

检波器安置步骤，在地面上以钻孔为中心的多个圆周上安置和定位检波器装置，同一圆周上的检波器以钻孔为中心对称分布；

平面位置确定步骤，记录预定时间间隔ΔT内钻头到接收点i和接收点j之间的相对延迟时间Δτ_ij，基于下式优化反演得到t时刻钻头的平面坐标

式中，X_i，X_j分别表示第i和j个检波器的平面坐标；K为常数；

钻孔深度确定步骤，基于相邻时刻钻头的平面坐标和钻头进尺计算出钻头的实时空间位置及轨迹。

优选的，上述的一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，所述检波器安置步骤中，在三个圆周(可以大于三个，为方便说明，实施例中以3进行说明)上设置检波器，每个圆周上设置8个检波器；其中，最外圈圆周的半径R₁＝H/2，中间圈半径R₂＝H/3，内圈半径R₃＝H/6，其中，H为救援钻目标层深度。

优选的，上述的一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，所述平面位置确定步骤中，基于下确定预定时间间隔ΔT:

式中，V位地震波传播平均速度，f为地震波主频，v为钻头钻进速度。

优选的，上述的一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，所述平面位置确定步骤中，预定时间间隔ΔT内钻头到接收点i和接收点j的时间信号进行互相关以得到两者之间的相对延迟时间Δτ_ij。

优选的，上述的一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，所述平面位置确定步骤中，

利用每个接收点记录到的一段时间信号(长度ΔT，记录起始时刻为t，第k个检波器记录信号表示为X_k(t+τ))，进行两两互相关，求得钻头到两者之间的相对延迟时间Δτ_ij；

优选的，上述的一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，所述钻孔深度确定步骤中，基于下式计算出t时刻钻头深度Z_t：

式中，L为ΔT时间段内钻孔的进尺。

优选的，上述的一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，还包括：

地层探测步骤，基于下式计算出钻头处激发脉冲震源的频域表达：

式中，为R的频域表示，*表示共轭；为同一圆周上的检波器接收到钻头产生的地震波Z分量叠加后的频域表达；T_i为钻头到第i个圆周的直达波旅行时间，N为检波器布置圈数，N≥3；

将计算出的经过逆傅里叶变换回时间域得到的钻头处激发脉冲震源的时域表达Y_k(t)；

基于RVSP地震数据处理方法对钻头处激发脉冲震源的时域表达Y_k(t)进行反射波成像得到钻头下方的一维地层成像剖面I(z)。

优选的，上述的一种walkround随钻实时地质导向技术及装置，基于相邻时刻钻孔钻进深度和时间间隔计算钻头产生的地震波层状速度模型V(Z)；基于地震波层状速度模型V(Z)和钻头坐标，使用射线追踪计算出钻头到达各圆周的直达波旅行时间。

因此，本发明具备以下优点：(1)不需要在井下钻头附近安装接收器接收近场信号，免去了施工以及涉及到的数据实时回传难题；(2)通过walkaround多测线观测方式，较好地提高了钻头的空间定位精度和钻头前方的成像精度；

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1是本发明实施的Walkaround观测系统图(平面图)；

图2是本发明实施的随钻成像原理图；

图3是本发明实施的RVSP反射波成像原理图。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

Walkaround是一种VSP地震勘探中以井为中心的多环线观测方式，具有多偏移距和多方位信息的优点。

本实施例采用walkaround观测方式，如图1所示，并结合特殊处理技术提高随钻探测精度，以满足救援需求。

本实施例提供的随钻实时地质导向方法，包括以下步骤：

(1)、根据救援钻目标层深度H，确定walkaround的最外圈半径R₁(R₁＝H/2)，中间圈半径R₂＝H/3，内圈半径R₃＝H/6；

(2)、在每个walkaround的接收圈内等间隔布设8个Z分量检波器，3个接收圈上检波器布设的方位分布要一致；

(3)、确定最佳参数ΔT(用于分段截取连续时间记录)。ΔT选择较为关键，过小影响后续成像质量，过大同样也会影响成像效果。主要依据钻头钻进深度、波长进行确定：要求在ΔT时间内钻头移动距离远小于地震波波长，即其中λ为地震波波长(V位地震波传播平均速度，f为地震波主频)，v为钻头钻进速度。综合考虑取

(4)、每ΔT时间间隔，对钻头进行一次定位，定位算法如下：利用每个接收点记录到的一段时间信号(长度ΔT，记录起始时刻为t，第k个检波器记录信号表示为X_k(t+τ))，进行两两互相关，求得钻头到两者之间的相对延迟时间Δτ_ij；

(5)、建立方程组其中X_i，X_j分别表示第i和j个检波器的平面坐标(包含x和y坐标)，表示t时刻钻头的平面坐标，K为待求的常数(平均速度含义)。利用位置和速度联合优化反演可求出并利用上一时刻钻头平面坐标和深度Z_t-ΔT，结合公式计算出t时刻钻头深度Z_t，其中L表示该ΔT时间段内的进尺，可从救援钻机获取。最终可获得以ΔT为间隔的钻头离散坐标，并可实时绘制钻头轨迹，指导钻机调整方位，确保救援钻孔工作准确、快速到达预定位置；

(6)、上一步中，钻头从深度Z_t-ΔT到达深度Z_t，走时为ΔT，由此得到的该段地层地震波传播速度为

(7)、钻头产生的地震波包含纵波，也包含横波，因此地面检波器接收到的既有纵波也有横波。为了避免两种波场互相干扰，考虑到横波的偏振方向和传播方向相反，因而将三圈Z分量检波器记录分别叠加得到3道记录(叠加后横波相互抵消，而纵波能量则得到加强，有效提高信噪比)。其中k＝1、2、3，分别对应图2中的接收点R1、R2、R3；

(8)、利用第6步中获得到钻头以上地层的层状速度模型V(Z)和钻头坐标，使用射线追踪计算出钻头到R1、R2和R3的直达波旅行时T₁、T₂和T₃；

(9)、对每个接收点R，通过下式进行变换：

其中，为R的频域表示，*表示共轭。计算出的经过逆傅里叶变换回时间域，得到的Y_k(t)在运动学特征上等效于钻头处激发脉冲震源，第k个检波器处得到的反射地震记录(如图3)；

(10)、采用常规RVSP地震数据处理方法，对Y_k(t)进行反射波成像，得到钻头下方的一维地层成像剖面I(z)；

(11)、不断重复4-10步，随钻实时准确地对钻头进行定位并探测钻头下方地层构造情况，指导钻井过程，确保救援钻孔精确、高效地到达预定救援位置。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。