基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法和装置 技术领域 本发明属于石油天然气勘探领域， 具体地涉及一种基于撞击法评价井眼底部附近 地层界面性质的方法和装置。
背景技术 石油测井被誉为 “石油工业的眼睛” ， 传统的电缆测井是利用声、 电、 核、 力、 光等物 理场并结合微电子和计算机技术在井下高温、 高压、 狭窄空间及复杂地质条件等恶劣环境 下对地层进行各种测试的高科技工程技术， 是人们精确了解地下结构和性质的唯一手段。 石油钻井是地下油气资源勘探开发工程中必不可少的重要工序， 是一项耗资巨大、 技术复 杂、 风险性很高的系统技术工程。目前， 石油勘探、 开采的难度越来越大， 迫切需要了解低 孔、 低渗、 非均质、 各向异性等复杂地层中的油气藏分布规律和剩余油分布规律， 因而， 必须 探索新的勘探方法和技术。
电缆声波测井技术在探测井外地层性质时， 使用多个发射和接收探头。尽管电缆 声波测井技术可以作为地层评价的有效手段， 但也存在很大的缺点。 比如， 要进行电缆测井 必须从井眼中提取出钻具， 这将导致相当可观的时间和财力浪费。 另外， 也存在因测井过程 需要花费时间， 从而不能在钻井过程中对钻井进行实时指导等问题。鉴于电缆测井技术存 在的问题， 随钻测井技术引起了广泛地重视和应用。
井下钻柱 ( 也称为钻具 ) 是指钻井水龙头以下到钻头以上钻具的总称。它主要由 一根四方方钻杆 ( 或六方方钻杆 )、 若干圆形的钻杆、 加重钻杆、 钻铤、 稳定器、 减震器和一 系列配合接头组成。在随钻条件下对地层的各种测量仪器都是安装在钻头附近的钻铤上。 随钻测井技术是一种集钻井、 测井、 自动控制、 新材料、 计算机、 大规模可编程集成电路等多 学科为一体的高新技术， 是随着大斜度井、 水平井以及海上钻井的发展而逐步发展起来的， 在钻井工程及储层评价等领域中有越来越多的应用需求 [6 ～ 11]。随钻测井技术的应用主要 包括 ： 定向测斜 / 地质导向功能可以提供精确的井眼轨迹测量， 实现对井身的实时控制， 以 便更好地钻遇地质勘探和油藏开发的目标 ； 地层评价功能可以在地层未受到污染的情况下 提供实时和时间推移的地层物性测量和油气藏分析， 显著增强地层评价能力 ； 地质导向功 能则强化前导模拟技术在现场的应用， 使钻头长上 “眼睛” ， 提高钻井成功率， 对油田的整体 开发具有积极意义 ； 通过随钻测井可以提高钻井效率， 降低钻井风险， 提高钻井安全， 避免 钻井事故的发生， 提升井的经济价值。
在钻井过程中及时探测到井眼底部附近的地层界面对于钻井过程具有重要的工 程意义。如果在钻井过程中实时了解到井眼底部周围的地层界面分布情况， 就有可能有效 地预防钻遇超压地层所造成的井喷、 井涌等一系列事故， 降低钻井的风险 ； 另一方面， 井眼 底部旁边的地层界面的探测也有利于井眼轨迹控制， 使井眼轨迹始终处于人们所期望的地 层之中。 已有利用随钻地震勘探方法来评价井眼底部旁边的地层界面的方法存在 [12 ～ 13] 分 辨率很低、 可靠性差的缺点， 而利用随钻声波测井方法评价地层界面的方法 [14 ～ 16] 则需要在 钻铤上安装大功率声源等复杂的声学测量系统， 这在实际工程中很难实现。
发明内容 本发明的目的在于， 提供一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质的方法 和装置， 为钻井过程中的井眼轨迹控制和安全钻井提供技术保障。
为达上述目的， 一方面， 本发明实施例提供了一种基于撞击法评价井眼底部附近 地层界面性质的方法， 所述方法包括 ：
在停钻期间， 利用钻具撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波， 所述钻具包括钻 柱和钻铤， 所述脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面 被反射而产生反射波 ；
利用安装在钻铤上的接收换能器阵接收所述反射波 ；
通过井下以内嵌 CPU 为核心的可编程数字电子电路处理和分析所述反射波， 评价 井眼底部附近的地层界面的距离、 方位和倾角。
另一方面， 本发明实施例提供了一种基于撞击法评价井眼底部附近地层界面性质 的装置， 所述装置包括 ：
钻具， 所述钻具包括钻柱和钻铤， 所述钻铤上安装有接收换能器阵， 所述钻具用于 在停钻期间， 撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波， 所述脉冲弹性波在井眼底部附近的 地层中传播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波 ； 所述安装在钻铤上的接 收换能器阵用于接收所述反射波 ；
分析处理设备， 用于通过处理和分析所述反射波， 评价井眼底部附近的地层界面 的距离、 方位和倾角。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益技术效果在于 ： 通过井下以内嵌 CPU 为 核心的可编程数字电子电路处理和分析反射声波信号可以评价井眼底部附近的地层界面 的性质， 提前发现超压地层， 预防钻遇超压地层产生井喷、 井涌等事故， 为钻井过程中的井 眼轨迹控制和安全钻井提供技术保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下， 还 可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1 是依据本发明实施例撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法的测量原理 示意图 ；
图 2 是本发明实施例的撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法的测量流程图。
附图标号 ：
1- 钻柱 ； 2- 钻开井眼 ； 3- 钻铤 ； 4- 接收换能器阵 ； 5- 地层 1 ； 6- 钻开井眼与地层 1 的界面 ； 7- 地层 2 ； 8- 地层 1 与地层 2 的界面。 具体实施方式
为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例是 本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法和装置， 主要 是在钻井的停钻期间， 利用包含钻柱和钻铤的钻具撞击钻开的井眼底部， 以此作为声源， 产 生的弹性波 ( 声波 ) 将在井内钻井液和井眼底部附近的地层中传播。在井眼底部附近的地 层中传播的声波遇到声阻抗不连续的地层界面时将被反射， 该反射波一方面直接进入到与 地层耦合良好的钻铤、 另一方面进入井眼中钻井液， 从不同途径传来的、 携带地层界面信息 的反射波被安装在钻铤上的多个 ( 两个或两个以上 ) 三分量声波接收器所接收， 通过处理 和分析这些反射声波信号可以评价井眼底部附近的地层界面的性质， 包括距离、 方位和倾 [1 ～ 5] 角。这种方法在钻井过程中的地质导向 中有良好的应用前景。较佳地， 声波测量是在 钻井停钻的间歇时间内进行的， 这避免了钻进噪声、 水流噪声、 地面噪声等不利因素对测量 结果的影响。
本发明实施例的测量系统中的声源由连接钻柱的钻具撞击钻开的井眼底部产生。 本发明实施例的测量系统中的接收器阵由多个三分量接收换能器组成， 如图 1 所示， 接收 换能器的工作频率的范围约为 0.5kHz ～ 3kHz， 也可以使用多个不同主频和带宽的接收器 同时工作来接收声波信号。接收器阵可以进行三分量数据采集， 处理这些数据可以对井眼 底部附近的包括地层界面离钻头的距离、 方位及倾角等地层界面性质进行评价。 图 1 为本发明实施例的撞击法评价井眼底部附近地层界面的测量装置的原理示 意图。如图 1 所示， 该装置包括 ：
钻具， 钻具包括钻柱 1 和钻铤 3， 钻铤 3 上安装有接收换能器阵 4， 钻具用于在停钻 期间， 撞击钻开的井眼底部以产生脉冲弹性波， 该脉冲弹性波在井眼底部附近的地层中传 播时遇到声阻抗不连续的地层界面被反射而产生反射波 ； 安装在钻铤 3 上的接收换能器阵 4 用于接收该反射波 ；
分析处理设备 ( 未绘示 )， 指的井下以内嵌 CPU 为核心的可编程数字电子电路， 用 于处理和分析反射波， 以评价井眼底部附近的地层界面性质。 其中， 分析处理设备可完成通 用的首波识别、 滤波等处理技术。
较佳地， 该钻具可用于在钻井停钻期间， 撞击钻开的井眼底部以产生弹性波。
可选地， 接收换能器阵 4 包括 ： 至少两个三分量声波接收器。
具体地， 三分量声波接收器的工作频率的范围为 0.5kHz ～ 3kHz。
可选地， 接收换能器阵 4 还可以包括 ： 多组不同主频和带宽的三分量声波接收器。
井眼底部附近的地层界面的性质包括 ： 地层界面离开井底的距离、 方位和倾角。
图 2 为本发明实施例的撞击法评价井眼底部附近地层界面的方法的测量流程示 意图。如图 2 所示， 该方法包括 ：
210、 在钻开井眼 2 中， 在停钻间歇利用连接着钻柱 1 和钻铤 3 的钻具撞击钻开井 眼的底界面 6 以产生脉冲弹性波， 产生的声波不但在钻开井眼的井液中 (T 波 ) 传播， 还可 以在井外地层 5 中传播。其中， P 是入射纵波， PP 是反射纵波。
220、 井眼底部附近的两种不同声学性质的地层 ( 如地层 5 和地层 7) 的接触界面 8 也被称作声阻抗不连续界面。在井眼底部附近的地层 5 中传播的声波当遇到井外的声阻
抗不连续界面 8 时， 会同时发生声波的透射和反射。反射波 PPS 一方面直接进入到与地层 耦合良好的钻铤、 另一方面反射波 PPT 进入井眼的钻井液中。
230、 从不同途径传来的、 携带地层界面信息的反射波被安装在钻铤上的多个 ( 两 个以上 ) 三分量声波接收器 4 所接收。
240、 通过处理和分析这些反射声波信号可以评价井眼底部附近的地层界面的距 离、 方位角和倾角。
在本实施例中， 接收换能器的工作频率约为 0.5kHz ～ 3kHz， 其能探测到的井眼底 部附近的地层界面的距离约为 10m ～ 50m。接收器阵可使用多组不同主频和带宽的接收器 同时工作来接收声波信号， 更为重要的是接收器阵可以进行三分量数据采集， 这些数据进 行处理后可以对井眼底部附近的地层界面进行准确评价。
由于钻头与地层是处于密切接触的耦合状态， 因此， 地层界面反射波可以直接传 到钻铤中来， 利用加速度计之类的接收器就可以接收到该反射波。
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以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案， 而非对其限制 ； 尽管参照前述 实施例对本发明实施例进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解 ： 其依然可以 对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换 ； 而 这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精 神和范围。