22勝利局鉆井信息中心鉆井工程領(lǐng)域隨鉆地震技術(shù)RVSP應(yīng)用研究.

1、第六屆全國(guó)石油鉆井院所長(zhǎng)會(huì)議論文集鉆井工程領(lǐng)域隨鉆地震技術(shù)（RVSP）應(yīng)用研究魏茂安孫正義（勝利石油管理局鉆井信息中心，257000）【摘 要】在鉆井過(guò)程中，如何不中斷鉆井作業(yè)，通過(guò)實(shí)時(shí)地震測(cè)量，及時(shí)預(yù)測(cè)鉆頭前方地層壓力及監(jiān)測(cè)井下 狀態(tài)，并通過(guò)井旁構(gòu)造成像等技術(shù)為井隊(duì)提供井下實(shí)時(shí)工作參數(shù)，為決策者在鉆井過(guò)程中及時(shí)調(diào)整鉆井方案，已成 為現(xiàn)代鉆井工程越來(lái)越迫切需要解決的問(wèn)題。本文在分析國(guó)內(nèi)外隨鉆地震發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上，研究傳統(tǒng)隨鉆地震技術(shù)局限性，提出了基于鉆井工程環(huán)境的隨鉆RVS P技術(shù)，改進(jìn)了檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建體系，并針對(duì)性實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了理想的效果?！娟P(guān)鍵詞】隨鉆RVSP參考信號(hào)地面測(cè)線鉆

2、井工程環(huán)境地層孔隙壓力預(yù)測(cè)引言石油鉆井工程是一項(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的地下隱蔽工程， 地下情況具有很大的模糊性和不確定性，給鉆井作業(yè)帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)，井下事故和復(fù)雜情況時(shí)有發(fā)生，增加了鉆井成本，影響了勘探效益。因此，實(shí)時(shí)掌握地層各種參數(shù)、預(yù)測(cè)地層壓力、監(jiān)控井下?tīng)顟B(tài)等有著極其重要的作用，是十分必要 的。而且，全球油氣資源的可持續(xù)利用問(wèn)題日益突出，油氣勘探開(kāi)發(fā)朝著新探區(qū)及深井、超深井等 方向發(fā)展，對(duì)鉆井效率、成本、安全及油氣層保護(hù)等方面提出了更高的技術(shù)要求，所以必須采取積 極有效的勘探手段，科學(xué)地進(jìn)行鉆井工程設(shè)計(jì)和施工，避免和減少各種鉆井事故。垂直地震剖面技術(shù)（VS P）是一種有效的井旁地震勘探方法，在勘

3、探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用， 但VSP數(shù)據(jù)的采集需中斷鉆井過(guò)程，在鉆井到達(dá)某一階段時(shí)進(jìn)行，這種測(cè)量的滯后性使得人們?cè)阢@ 井過(guò)程中無(wú)法及時(shí)掌握鉆頭與目的層的相對(duì)位置，如果此時(shí)鉆頭已偏離目的層，就失去了調(diào)整鉆頭 軌跡的最佳時(shí)機(jī)。而更多的情況則可能會(huì)因?yàn)橘M(fèi)用太高或在地表?xiàng)l件不允許安置地面震源時(shí)，無(wú)法 得到所需的井旁地震資料。因此，在鉆井過(guò)程中，如何不中斷鉆井作業(yè)，通過(guò)實(shí)時(shí)地震測(cè)量，及時(shí) 預(yù)測(cè)鉆頭前方地層壓力情況以及進(jìn)行井下?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)井旁構(gòu)造成像等技術(shù)為井隊(duì)提供井下實(shí) 時(shí)工作參數(shù)，為決策者在鉆井過(guò)程中及時(shí)調(diào)整鉆井方案，保證鉆井安全、提高鉆井效率和優(yōu)化套管 設(shè)計(jì)提供依據(jù)等，已成為越來(lái)越迫切需要解決的

4、問(wèn)題。隨鉆地震技術(shù)正是適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來(lái) 的一種技術(shù)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的一些石油公司，如Schlumberger、IFP等研發(fā)的隨鉆地震裝置已投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)雖也進(jìn)行此項(xiàng)技術(shù)研究，但由于起步較晚，迄今尚 未取得突破性的進(jìn)展。本文涉及的研究課題，在深入研究并吸取國(guó)內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于鉆井工程環(huán)境，并立 足于鉆井工程應(yīng)用，成功構(gòu)建了隨鉆 RVSP檢測(cè)系統(tǒng)，在不同鉆井工程環(huán)境下進(jìn)行了四次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。1 隨鉆RVSP原理隨鉆RVSP是以鉆井作業(yè)中鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)作為地下震源，通過(guò)安裝在井架和鉆桿頂端 的傳感器采集由鉆桿傳送上來(lái)的鉆頭振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)地面測(cè)線

5、上的檢波器排列采集經(jīng)地層傳播上 來(lái)的鉆頭信號(hào)的直達(dá)波和反射波，見(jiàn)圖1。由鉆桿上采集到的信號(hào)通常稱(chēng)為參考信號(hào)或?qū)Ш叫盘?hào),進(jìn)行各種去噪處理后，將參考信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理與地面檢波器的信號(hào)互相關(guān)和時(shí)移轉(zhuǎn)換，獲得井旁區(qū)域地震剖面。隨鉆地震技術(shù)是地震勘探技術(shù)與石油鉆井技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是國(guó)外近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的井中地震方法。應(yīng)用隨鉆地震，可以獲得地震波的旅行時(shí)間、傳播方向、頻率、相位（波形特征）、極性、偏振等，從而反映巖層的波阻抗、反射系數(shù)、衰減、層速度、泊松比、地層各向異性等地球 物理特征。因此，隨鉆地震作為鉆井過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的手段，能及時(shí)為鉆井工程師和決策者提供相關(guān) 信息，作為一種新的低成本的勘探手段，

6、能為油田開(kāi)發(fā)或儲(chǔ)層描述提供進(jìn)一步的補(bǔ)充信息。、# 一 二=4數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸鉆井參數(shù)參考信號(hào)遠(yuǎn)程工作站采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 存儲(chǔ)設(shè)備 預(yù)處理 軟件k直達(dá)波 反射波監(jiān)視設(shè)備實(shí) 時(shí) 處 理 結(jié) 果工程應(yīng)用常規(guī)VSP處理軟件SWD特殊處理軟件及結(jié)果141 /反射界面圖1隨鉆RVSP示意圖2 隨鉆RVSP系統(tǒng)構(gòu)建隨鉆地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由參考信號(hào)傳感器、地面測(cè)線和數(shù)據(jù)采集控制單元組成。在測(cè)量開(kāi) 始之前必須先進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)，針對(duì)不同的鉆井條件及井周?chē)牡卣稹⒌刭|(zhì)情況，確定野外觀測(cè)系統(tǒng) 參數(shù)，在采集軟件中設(shè)置采集參數(shù)，并記錄井場(chǎng)提供的其它鉆井參數(shù)，如鉆機(jī)鉆速、鉆桿長(zhǎng)度等。 數(shù)據(jù)采集過(guò)程由采集控制單元自動(dòng)控制進(jìn)行。

7、2.1參考信號(hào)傳感器系統(tǒng)配置參考信號(hào)傳感器參數(shù)的選擇及其在鉆井架上的安裝位置，對(duì)于記錄高質(zhì)量的參考信號(hào)起著關(guān)鍵 的作用。系統(tǒng)在鉆井井架底部和中間支架上安置2個(gè)三分量檢波器；在泥漿傳送管路上安置一個(gè)壓力計(jì)量器，以便測(cè)出液體中聲波傳播引起的壓力變化；在頂部驅(qū)動(dòng)器上安置 2對(duì)三軸加速度傳感器,并確保它們與鉆桿之間是緊密接觸，使得它們記錄的數(shù)據(jù)能夠與軸向、橫向以及徑向上鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，并辨認(rèn)、識(shí)別出由于鉆頭鉆壓作用于地層而產(chǎn)生的振動(dòng)。2.2地面測(cè)線設(shè)計(jì)在地面布置地震測(cè)線是為了記錄經(jīng)地層傳播到地面的鉆頭信號(hào)。根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)，可以設(shè) 計(jì)多種不同形式的測(cè)線，一般設(shè)計(jì)2條測(cè)線，也可以設(shè)計(jì)成多道測(cè)

8、線和環(huán)狀測(cè)線。對(duì)于2條測(cè)線的盡管多道測(cè)線的采集和處理的費(fèi)用較高，并能提供有利于地震成像（尤其對(duì)于三維目情況，當(dāng)井中目標(biāo)深度約為 5000m時(shí)，則需要排設(shè)足夠長(zhǎng)的測(cè)線，以保證目的層中的探測(cè)范圍足夠 大。較短的測(cè)線可用于評(píng)價(jià)井周剖面頂部的各向異性情況。 但多道數(shù)據(jù)處理可以改善分辨率和減小記錄的時(shí)間長(zhǎng)度，標(biāo))的多次覆蓋數(shù)據(jù)。2.3施工方案設(shè)計(jì)因此,隨鉆地震的野外資料采集的過(guò)程影響原始資料的質(zhì)量， 也關(guān)系到以后的資料處理和解釋。 精心地設(shè)計(jì)野外資料采集方法并嚴(yán)格地進(jìn)行施工，是隨鉆地震測(cè)量能否達(dá)到預(yù)期目的的首要條件。隨鉆地震的采集是在井場(chǎng)周?chē)牡乇砻嫔下裰玫卣饳z波器，接收來(lái)自地下的鉆頭振動(dòng)信息。通 常，

9、檢波器是按一條直線等距布置，進(jìn)行二維觀測(cè)；也可按面積布置，進(jìn)行三維觀測(cè)。由于隨鉆地 震的采集是在有井壁碰撞、泵、發(fā)電機(jī)及動(dòng)力設(shè)備、車(chē)輛及人為因素等強(qiáng)噪聲的背景下進(jìn)行的，所 以要進(jìn)行干擾波分析。在觀測(cè)方法中通過(guò)檢波器組合和增加接收排列的偏移距來(lái)消除地表干擾波 要是面波)。2.4數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)隨鉆地震是在強(qiáng)噪聲背景下完成資料采集的。原始資料中既包含有用信息，也包含各種相干和 隨機(jī)的噪聲。有用信息往往被噪聲掩蓋。隨鉆地震資料處理的重點(diǎn)是消除干擾和提取最佳鉆頭信號(hào)。 由于隨鉆地震是反向 VSP,可以將常規(guī) VSP處理方法和軟件進(jìn)行修改， 引入到隨鉆地震資料處理中 使用。但是，應(yīng)考慮隨鉆地震資料處理的特殊

10、性。隨鉆地震的數(shù)據(jù)處理主要由預(yù)處理和應(yīng)用處理組成。隨鉆地震數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)首先需將加速度檢 波器記錄到的參考信號(hào)通過(guò)積分變換為速度信號(hào)值，使得參考信號(hào)與地面檢波器信號(hào)有著相同的數(shù) 據(jù)類(lèi)型。其關(guān)鍵在于壓制存在于參考信號(hào)以及地面檢波器信號(hào)中的各種強(qiáng)振幅干擾，并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間 記錄的數(shù)據(jù)疊加，增強(qiáng)有效信號(hào)能量，提高信噪比。3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析與國(guó)家地震局地球物理研究所、勝利物探公司、鄭州物探局等單位合作，勝利石油管理局鉆井 工藝研究院結(jié)合鉆井領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展需求，構(gòu)建了完善的隨鉆地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)隨鉆地震技術(shù) 進(jìn)行了深入研究，并于 2005年8月下旬、9月下旬、12月初分別在史3-8斜7、義深7- 1、車(chē)4

11、0-31-25 井位作了 3次試驗(yàn)，獲得了正常鉆進(jìn)、不同鉆壓、轉(zhuǎn)速等條件鉆頭信號(hào)及停鉆時(shí)的環(huán)境噪聲，分別 對(duì)采集的信號(hào)分析處理，取得較大進(jìn)展。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。地震觀測(cè)采用德國(guó) SUMMIT數(shù)字地震儀(10Hz高頻檢波器)，觀測(cè)時(shí)共使 用了 60個(gè)地震道，其中，CH1、CH2接鉆桿頂部的檢波器，CH3、CH4接柴油機(jī)旁邊的檢波器，CH5、CH6、CH7、CH8分別與鉆臺(tái)四個(gè)腳點(diǎn)的檢波器相聯(lián)結(jié)，CH9和CH10接位于泥漿泵旁邊的檢波器。另外50個(gè)地震道(即CH11CH60)組成一個(gè)道間距30m的測(cè)線，其最小偏移距為300m(即CH11到鉆孔 間的距離為300m)。觀測(cè)時(shí)采用的儀器采樣率為 2m

12、s，記錄長(zhǎng)度64s。取得正常鉆進(jìn)時(shí)的隨鉆地震信號(hào)；獲取手錘擊鉆桿時(shí)的參考信號(hào)，用于分析鉆柱傳遞函數(shù)；停鉆時(shí)采集環(huán)境噪聲信號(hào)；采集不同鉆壓鉆進(jìn)時(shí)隨鉆地震信號(hào)，用于分析鉆壓與地震信號(hào)頻譜的關(guān)系；采集不同鉆速鉆進(jìn)時(shí)隨鉆地震信號(hào)，分析鉆速對(duì)地震信號(hào)的影響；3所示，圖中上面的三行為 3D參考信號(hào)，下為研究鉆井狀態(tài)對(duì)隨鉆 RVSP信號(hào)的影響，制定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案如表1所示。其目的在于：(1)(2)(3)(4)(5)以5T鉆壓鉆壓正常鉆進(jìn)時(shí)采集隨鉆地震信號(hào)如圖 面的各行為測(cè)線隨鉆地震信號(hào)。對(duì)此信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理如下：(1) 頻譜分析：確定有效信號(hào)主頻譜范圍。(2) 小波去噪：根據(jù)上述主頻譜范圍，利用DB4小波對(duì)

13、原始信號(hào)作 3級(jí)小波分解，并對(duì)小波系數(shù)閾值處理，重構(gòu)獲得去噪的隨鉆地震信號(hào)。（3）低頻信號(hào)提?。涸O(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器，完成有效主頻譜信號(hào)的提取。 處理結(jié)果如圖4所示，從圖中基本可以看出多道鉆頭震動(dòng)波變化規(guī)律。 在距離井口 （震源處）1.5km處布置高分辨率程狀態(tài)變化而發(fā)生的變化。測(cè)得信號(hào)如圖4所示。GURALP地震計(jì)，測(cè)量單道鉆頭地震波隨鉆井工 從信號(hào)波形清晰看出鉆頭震動(dòng)波差異，此差異準(zhǔn)5所示，鉆頭地震波主頻譜在10Hz以下，在此泥漿泵I*_*_CH7, CH8CH9,0.0 CH1, CH20 0 CH5, CH6-CH1CH1ECH5 CH6確反映了地震波初至。對(duì)此信號(hào)作能譜分析，如圖 頻段

14、，沖擊信號(hào)的能譜明顯高于停鉆時(shí)的能譜，因而，通過(guò)設(shè)計(jì)高性能數(shù)字濾波器，可從中分離出 鉆頭地震波有效信號(hào)。CH3, CH4圖2隨鉆地震觀測(cè)工作布置示意圖表1隨鉆RVSP現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容序號(hào)序號(hào)試驗(yàn)過(guò)程1正常鉆進(jìn)10正常鉆進(jìn)，鉆壓15噸2手錘擊試驗(yàn)11正常鉆進(jìn)，鉆壓14噸，鉆速603停鉆觀測(cè)12正常鉆進(jìn)，鉆壓15噸，鉆速1004正常鉆進(jìn)13正常鉆進(jìn)，鉆壓14噸，鉆速1005正常鉆進(jìn)，鉆壓10噸14停鉆敲擊，鉆壓15噸，敲擊5次6正常鉆進(jìn)，鉆壓15噸15停鉆敲擊，鉆壓15噸，敲擊6次7正常鉆進(jìn)，鉆壓15噸，鉆速8416停鉆敲擊，鉆壓15噸，敲擊7次8正常鉆進(jìn)，鉆壓15噸17停鉆敲擊，鉆壓15噸，敲擊6次

15、9正常鉆進(jìn)，鉆壓15噸18正常鉆進(jìn)，鉆壓15噸，鉆速90；|.| B I q n山廣 7 L 亠丄戶(hù).1.龍 h_J_+- T*-x L* =. 7 h -=F - -丄亠亠-亠工- -嚴(yán)= .*/* 4# 墓上土 .丄；亠-4*.-：_ C A :*花亞手如惠晉i嚴(yán)t曲.匕，妝少=? L +丄A-& ri ix _Lj_ 1. I k 亠 J . b,！,* riU - hh A ,_,： “a- I a-ri . a. J JL ,= hA * J _ L _ A _ .X A ri ._嚴(yán) i- h . h L - r i Li K J _ . _ x .hi IB b Ari TB I

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19、.1, , . -J1 : - -G r.圖3鉆壓5T時(shí)參考信號(hào)和各道地震信號(hào)鉆井工程領(lǐng)域隨鉆地震技術(shù)（RVS P）應(yīng)用研究14380zHBDP停鉆 沖擊1i.111IfrIIi lluJ-;m MrIlt E打“；T J Ip-llII 1111 III. iV, 1!i1706050403020101020405030frequency60停鉆及沖擊時(shí)隨鉆 RVSP信號(hào)PSD圖4隨鉆地震技術(shù)難題及解決思路4.1隨鉆地震技術(shù)難題隨鉆地震技術(shù)與傳統(tǒng) VSP技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢(shì)， 在鉆井過(guò)程中隨鉆地震技術(shù)可以實(shí)時(shí)地提 供地層信息，而不必中斷鉆井過(guò)程，無(wú)需安放井下儀器。但是隨鉆地震技術(shù)也受到鉆井條

20、件的限 制。憑借鉆柱本身巨大的重量，鉆頭的振動(dòng)可以看成是一個(gè)有力的震源。然而，它的特性隨著許第六屆全國(guó)石油鉆井院所長(zhǎng)會(huì)議論文集多參數(shù)的變化而變化，如：鉆頭的重量、鉆頭的轉(zhuǎn)速、地層特性、鉆頭的類(lèi)型和磨損程度、以及 鉆柱和井底鉆管系統(tǒng)（BHA ）的幾何形狀和尺寸。上述因素的總體效應(yīng)必定影響到震源信號(hào)振幅 和頻率的變化。從根本上講，隨鉆地震技術(shù)難題主要包括：(1)(2)(3)(4)鉆頭地震波為非沖擊信號(hào)，無(wú)時(shí)間原點(diǎn)，因而難以確定波初至； 地震波信號(hào)弱，被強(qiáng)噪音淹沒(méi)；震源波形信息獲取困難；鉆頭震源、地質(zhì)條件及鉆進(jìn)深度不同導(dǎo)致的地震信號(hào)一致性差異。4.2解決方案針對(duì)上述難點(diǎn)，擬采取解決方案如下，部分措施

21、已在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用，有效改進(jìn)了系統(tǒng)的可靠 性和采集精度。(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)多點(diǎn)參考信號(hào)采集，運(yùn)用自適應(yīng)濾波去除噪聲； 基于數(shù)據(jù)融合理論的參考信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)有效信號(hào)分離； 無(wú)線Modem 3D加速度檢波器研制，采集高精度參考信號(hào)； 偽隨機(jī)序列錘擊參考信號(hào)的取得鉆柱傳遞函數(shù)； 參數(shù)儀環(huán)境參數(shù)修正地震信號(hào)；多道大排列，面積組合檢波器，有效抑制環(huán)境噪聲； 測(cè)線布置研究；改變鉆壓獲取波的初至； 水力脈沖波的使用，增加地震波信噪比。5結(jié)論本研究的主要目標(biāo)是研制隨鉆RVSP監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)安裝在井架和鉆桿頂端的傳感器采集由鉆桿傳遞的鉆頭振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)地面測(cè)線檢波器排列采集經(jīng)地層傳播上來(lái)的鉆頭信號(hào)直達(dá)波和反射 波，經(jīng)過(guò)各種預(yù)處理、信號(hào)互相關(guān)和時(shí)移轉(zhuǎn)換，獲得井旁區(qū)域地震剖面。由此準(zhǔn)確實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)鉆頭下 方及近區(qū)域地層壓力，形成規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，有效