CN105353404B - 一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，它包括短接本体、气缸体、活塞（3）和配气装置，气缸体安装在外壳（1）内，活塞（3）安装在气缸体内，气缸体与外壳（1）之间设置下进气通道（8），活塞（3）下端与外壳（1）内壁之间形成下气室（2），下进气通道（8）与下气室（2）连通，气缸体底部（7）上设有上进气通道（9），活塞（3）上端与气缸体之间形成上气室（6），上进气通道（9）与上气室（6）连通，配气装置设置在汽缸体的上部。该震源短节将地震勘探中的震源应用到井底近钻头附近，将可控震源线性（Chirp）扫描技术与Mini‑SOSIE技术结合，通过脉冲编码技术使震源向地下激发出线性扫描脉冲信号，提高地震波的激发品质。

Description

一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井装备技术领域，具体涉及一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，该连续冲击震源短节主要用于气体钻井井底近钻头处产生地震波，获取的地震波信息可用于随钻地层信息和钻头位置的预测。

背景技术

近年来在用气体钻水平井、大斜度井的过程中时常会发生钻头偏离钻井轨迹的现象，导致该现象发生的原因通常是井眼轨迹设计过程中产生的设计误差。为解决上述问题，在钻井期间可以利用井底钻头附近振动产生的地震波实现对钻头轨迹的定位，并及时修改井眼轨迹。如在钻直井段时，利用在井底近钻头处和地表放置检波器的方式接收井底附近的振动，并对接收到的地震波信息进行处理，可以获取实时的地层参数，根据获取的地层参数可以预测钻头前方岩石类型、地层孔隙压力、地层出水层段、目的层的位置以及应力特殊的层段，减少钻井过程的资源物力的浪费；同时，也极大地避免了钻井事故的发生。

目前，上述随钻地震的井下震源是利用钻头轴向冲击产生的振动作为震源，利用钻头齿轮与地层的接触向地层发射地震波，通过在井口和地表放置检波器的方式接收地层反射回来的地震波，并对接收到地震波信息进行处理来预测地层信息和钻头轨迹。这种方式在使用过程中存在以下问题：（1）只适用于牙轮钻头，无法用于PDC钻头；（2）钻头的振动是随机的、冲击能量较小；（3）井底钻头的旋转会影响井底反射波的接收，同时，井底钻具组合的振动也会对钻头的振动产生影响；（4）井下钻头振动不适用于软地层、深井段和水平井段，在斜井和大位移井中地表采集的反射波信息衰减大。因此这种方式不利于对井底地层信息和钻头轨迹的预测。

基于上述钻头震源的不足，考虑将地震勘探震源用于井底钻头附近来产生地震波。同时，为避免井底钻具组合振动和钻头旋转对井底震源激发和接收的影响，井底钻头附近震源的激发和地震信号测量必须安排在钻井暂停或进行其它作业等相对安静的情况下进行，不干扰正常的钻井工作，不占用钻井时间。 现有常用的地震勘探震源包括电火花震源、空***震源、气动震源和重锤震源等多种类型。其中，电火花震源和空***震源适用于海上作业，不适用于气体钻井过程中；气动震源是将可燃气体导入***室，然后由电火花引爆，***时产生的脉冲由***室底板传至地下，该震源反作用力较大对钻压要求高，对***室的强度要求也高，影响钻井安全，且单次冲击激发能量低，需要多次激发；重锤震源要求重锤的质量大，不易用于井下作业，且单次冲击的能量有限，一致性较差。

此外，气体钻井过程中所用的空气锤通过活塞连续冲击锤头产生脉冲震源，扫频水力脉冲震击器通过自驱动分流阀将流道中的泥浆流迅速切断从而产生脉冲震击，虽然空气锤和扫频水力脉冲震击器都可以用作井下震源，但是这两种震源在应用中也会遇到困难。首先，要想得到冲击速率的随机分布，需要几百次甚至上千次的冲击次数，接收时间通常可达几分钟，常规的地震记录仪器无法满足要求，需要专门的地震记录仪器才能实现，而且由于冲击时间很长也降低了勘探施工效率，增加了施工成本，对钻井的作业时间和安全性产生了影响。其次，尽管冲击次数很多，由于空气锤和扫频水力脉冲震击器的固有限制难以得到一个真正意义下的随机序列，因此，严重的相关噪声会对地震记录的信噪比产生较大影响。由于气体存在高压缩性，扫频水力脉冲震击器并不适用于在气体钻井中产生井下震源。

基于上述各种震源存在的问题，考虑采用带阀门的连续冲击震源短节，将可控震源线性（Chirp）扫描技术与Mini-SOSIE技术（以冲击夯作为震源）结合，产生由低频到高频的冲击，形成的冲击序列随机性好，冲击次数可以显著减少。通过脉冲编码技术使震源向地下激发出线性扫描脉冲信号，并采用解码技术将这种连续多次小能量激发情形的原始地震记录转换为等价的单次大能量激发的地震记录，可以压制相关噪声，提高地震记录的信噪比，从而实现对井底地层信息和钻头轨迹更加可靠、准确的预测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，在钻直井段时可利用本发明产生的地震波来预测钻头前方的地层岩性、地层孔隙压力、地层出水层段，定位钻头位置，优化套管下入深度，降低钻遇危险层段的风险；在钻水平井段时可利用本发明产生的地震波来探测钻头到储层顶底边界的距离，保证钻头在储层的最佳位置钻进；并可用于邻井防碰检测。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，它包括短接本体、气缸体、活塞和配气装置；短接本体由外壳和上接头连接而成，气缸体安装在外壳内，气缸体包括气缸体外壁、气缸体内壁和气缸体底部，活塞配合安装在气缸体外壁和气缸体内壁之间，活塞可在气缸体内往复运动；气缸体外壁与外壳内壁之间设置下进气通道，活塞下端与外壳内壁之间形成下气室，下进气通道与下气室连通，气缸体底部上设置有上进气通道，活塞上端与气缸体之间形成上气室，上进气通道与上气室连通；配气装置包括配气盘、步进电机A、配气底座和流量阀，所述的配气盘安装在气缸体上部，配气盘还配合安装在配气底座内，所述的配气盘与步进电机A的输出轴连接，组成电控开关阀，配气底座配合安装在外壳内，配气盘与配气底座之间形成配气腔室，配气底座的上部设置有配气底座进气口，配气底座进气口处设置有流量阀。流量阀控制配气底座进气口的进气量，使气体以一定流量进入配气腔室，步进电机A带动配气盘旋转一定角度，使配气腔室内的气体分别通过不同的进气口进入上气室、下气室，驱动活塞做往复运动。

优选地，所述的外壳和上接头通过螺纹连接。

优选地，所述的螺纹为锥螺纹。锥螺纹连接可有效提高连接密封性能。

优选地，所述的外壳内壁与活塞下端配合处设置有密封圈。

优选地，所述的配气盘上沿圆周方向分别设置有若干个上进气口和若干个下进气口，上进气口设置在配气盘的内圆环上，下进气口设置在配气盘的外圆环上，所述的上进气口与上进气通道相对应；所述的下进气口与下进气通道相对应。

当不需要短节内部的活塞运动时，步进电机A带动配气盘旋转一定角度，使上进气口与上进气通道对齐，气体经过上气室直接进入短节中心的流体通道，最终经钻头喷嘴进入环空。

当钻头遇到特殊地层需要进行随钻地震勘探时，停止钻井并对钻头施加足够的钻压，防止钻头在活塞强大冲击力的作用下与地层脱耦。步进电机A带动配气盘转动，使得配气盘外圆环上的下进气口与下进气通道对齐，下气室开始进气，推动活塞向上运动，当活塞运动到一定距离时，下气室开始排气，在惯性的作用下活塞继续向上运动；运动一段距离后，通过步进电机A带动配气盘旋转一定角度使得配气盘内圆环上的上进气口与上进气通道对齐，上气室开始进气，活塞先做减速运动，然后加速向下冲击短节内部的砧板，同时通过步进电机A带动配气盘旋转关闭上进气口，上气室开始排气，依次循环上述过程，使活塞往复运动产生满足地震勘探需要的频率和振幅。虽然上气室开始进气的时候，进入上气室的气体会流入下进气通道，但因下进气通道是封闭的，所以不会影响上气室进气推动活塞的向下运动。停钻接收地震波是考虑到井下钻头旋转和井下钻具组合的振动对地震波激发和接收的影响，提高接收到的地震反射波品质。当钻遇到坚硬的地层，需要提高钻头的破岩能力时，活塞在气体作用下的往复运动连续冲击短节内部的砧板还可以提高钻头的破岩能力，从而提高钻井速度。

优选地，所述的步进电机A输出端设置安装轴，安装轴安装在配气盘的中心处。

优选地，所述的流量阀为电控流量阀，所述的电控流量阀包括密封胶塞、调节杆、阀体、步进电机B和控制***；所述的阀体安装在配气底座上，阀体下端设置有阀体进气口，阀体进气口与配气底座进气口连通，调节杆配合安装在阀体内，调节杆的下端设置有密封胶塞，密封胶塞的最大直径处与阀体的内表面密封接触，调节杆的上端与步进电机B的输出端连接，调节杆在步进电机B的带动下在阀体内做升降运动以实现精确调节气体流量的作用；阀体上部设置定位部，定位部控制调节杆向下移动的距离，当调节杆的顶端底面碰触到定位部时，调节杆的继续选入受阻，步进电机B感受应力自动停止运行，起到归零作用。其中，步进电机B通过螺栓固定到阀体上，步进电机B还与控制***连接。

在短节内部安装电控开关阀、电控流量阀和控制***，是为了保证每次冲击的激发能量稳定，多次冲击的激发能量一致性好；且冲击间隔可以有控制的线性增加；产生的信号频带宽，其低频成分穿透能量强，可穿透较厚的覆盖层，而高频成分能够细致分辨覆盖层中的小阻抗层，可用于高分辨率勘探。

优选地，所述的控制***安装在外壳的内壁上，控制***外侧设置有控制***外壳。

优选地，所述的调节杆与阀体的配合安装面为螺纹配合面。以所旋的螺距来控制调节杆的上下，进一步控制密封胶塞的上下，达到精确控制流量的目的。

本发明具有以下优点：

1、地震波信号综合性能好，便于可靠、准确地预测井底地层信息和钻头轨迹，作业方式简捷、经济、安全可靠：国内外现有的随钻地震勘探技术，大多是利用牙轮钻头微弱的随机振动，产生地震波，信号不稳定，这给地面地震波的采集、处理和解释带来难以克服的困难，导致随钻地震技术难以应用到钻井决策中。本发明的震源短节将可控震源线性（Chirp）扫描技术与Mini-SOSIE技术（以冲击夯作为震源）结合，通过脉冲编码技术使震源向地下激发出可控的线性扫描脉冲信号，震源每次冲击的激发能量稳定，多次冲击的激发能量一致性好；且可在不干扰钻井作业时间的情况下，根据地质勘探的需要，通过调节电控流量阀和电控开关阀来设置不同的冲击器频率和振幅，使冲击间隔有控制的线性增加；产生的信号频带宽，其低频成分穿透能量强，可穿透较厚的覆盖层，而高频成分能够细致分辨覆盖层中的小阻抗层，可用于高分辨率勘探。通过在井底近钻头处和地表放置检波器的方式接收地层反射回来的地震波，并对接收到的地震波信息进行处理。

通过以上方案，可有效解决以下问题：（1）得到更确切的时深信息和钻头前地震图像，准确确定穿越多个储层的井眼位置；（2）用钻头前孔隙压力预测结果，避开钻井危险，以及实时测量近程盐体；（3）根据观察的地质层位，在地面地震剖面上确定钻头位置，使下套管深度和取心深度选择更加准确；（4）若在震源短节上安装检波器采集地层界面反射回来的波，在钻水平井段时还可以确定钻头到储层顶底边界的距离，用于邻井防碰监测，保证钻头在储层的最佳位置钻进。

2、压制噪声，避免干扰：本发明的震源短节将可控震源线性（Chirp）扫描技术与Mini-SOSIE技术（以冲击夯作为震源）结合，通过脉冲编码技术使震源向地下激发出线性扫描脉冲信号，采用解码技术将这种连续多次小能量激发情形的原始地震记录转换为等价的单次大能量激发的地震记录，可压制相关噪声，避免噪声对信号采集的影响，采集信号更加准确、可靠。

3、克服气体介质对波的影响：该震源短节连接在钻头与井下动力工具之间，通过钻头与地震的接触把振动波传入地层，可以克服气体介质对波的衰减，以及气体与地层界面较大的反射系数对地震波的影响。

4、提高破岩能力，加快钻井速度：该震源短节不仅可以产生线性扫描脉冲信号，同时还可以像空气锤一样，连续冲击地层提高钻头的冲击破岩能力，加快钻井速度。

5、活塞往复运动良好：该震源短节可以克服空气锤在水平井钻井过程中存在死区的问题，所谓的死区问题即在水平井钻井过程中空气锤的活塞不能正常的做往复运动。

6、应用范围广：该震源短节不仅适用于牙轮钻头，也适用于PDC钻头产生线性扫描脉冲信号。

附图说明

图1是本发明一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节的总装结构示意图；

图2是本发明一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节下气室进气的结构示意图；

图3是本发明一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节上气室进气的结构示意图；

图4是本发明中电控流量阀主视图的半剖图；

图5是本发明中汽缸体底部与配气底座之间未安装配气盘时主视图的半剖图和A-A剖面视图；

图6是本发明中配气盘的俯视图；

图中：1-外壳，2-下气室，3-活塞，4-气缸体外壁，5-气缸体内壁，6-上气室，7-气缸体底部，8-下进气通道，9-上进气通道，10-配气底座，11-配气底座进气口，12-密封胶塞，13-调节杆，14-定位部，15-阀体，16-步进电机B，17-上接头，18-密封圈，19-步进电机A，20-安装轴，21-配气盘，22-上进气口，23-配气腔室，24-阀体进气口，25-控制***，26-控制***外壳，27-下进气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、图2和图3所示，一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，它包括短接本体、气缸体、活塞3和配气装置。短接本体由外壳1和上接头17连接而成，所述的连接方式为锥螺纹，利用锥螺纹连接，密封性能好，可有效防止气体泄漏。

气缸体安装在外壳1内，气缸体包括气缸体外壁4、气缸体内壁5和气缸体底部7，活塞3配合安装在气缸体外壁4和气缸体内壁5之间，在气体的作用下活塞3可在气缸体内往复运动。

气缸体外壁4与外壳1内壁之间设置下进气通道8，活塞3下端与外壳1内壁之间形成下气室2，外壳1内壁与活塞3下端配合处设置有密封圈18防止气体泄漏，下进气通道8与下气室2连通；气缸体底部7上设置有上进气通道9，活塞3上端与气缸体之间形成上气室6，上进气通道9与上气室6连通，具体结构如图1、图2、图3和图5所示。

配气装置包括配气盘21、步进电机A19、配气底座10和流量阀。所述的配气盘21安装在气缸体上部，配气盘21还配合安装在配气底座10内，配气底座10配合安装在外壳1内，配气盘21与配气底座10之间形成配气腔室23，配气底座10的上部设置有配气底座进气口11，配气底座进气口11处设置有流量阀。所述的步进电机A19输出端设置安装轴20，配气盘21上设置方形安装孔，安装轴20安装在配气盘21的方形安装孔内，步进电机A19和配气盘21组成电控开关阀。

如图6所示，所述的配气盘21上内圆周上设置四个上进气口22、外圆周上设置四个下进气口27，上进气口22与上进气通道9的大小一致，下进气口27与下进气通道8的大小一致。流量阀控制配气底座进气口11的进气量，使气体以一定流量进入配气腔室23，步进电机A19带动配气盘21旋转一定角度，使配气腔室23内的气体分别通过上进气口22和下进气口27进入上气室6和下气室2，驱动活塞3做往复运动。

如图1所示，当不需要短节内部的活塞3运动时，步进电机A19带动配气盘21旋转一定角度，使上进气口22与上进气通道9对齐，气体经过上气室6直接进入短节中心的流体通道，最终经钻头喷嘴进入环空。

如图2和图3所示，当钻头遇到特殊地层需要进行随钻地震勘探时，停止钻井并对钻头施加足够的钻压，防止钻头在活塞强大冲击力的作用下与地层脱耦。步进电机A19带动配气盘21转动，使得配气盘21上外圆环上的下进气口27与汽缸体底部上的下进气通道8对齐，下气室2开始进气，推动活塞3向上运动，当活塞3运动到一定距离时，下气室2开始排气，在惯性的作用下活塞3继续向上运动；运动一段距离后，通过步进电机A19带动配气盘21旋转一定角度使得配气盘21内圆环上的上进气口22与汽缸体底部的上进气通道9对齐时，上气室6开始进气，活塞3先做减速运动，然后加速向下冲击短节内部的砧板，同时通过步进电机A19带动配气盘21旋转关闭上进气口22，上气室6开始排气，依次循环上述过程，使活塞3往复运动产生满足地震勘探需要的频率和振幅。虽然上气室6开始进气的时候，进入上气室6的气体会流入下进气通道8，但因下进气通道8是封闭的，所以不会影响上气室6进气推动活塞3的向下运动。停钻接收地震波是考虑到井下钻头旋转和井下钻具组合的振动对地震波激发和接收的影响，提高接收到的地震反射波品质。

当钻遇到坚硬的地层，需要提高钻头的破岩能力时，活塞3在气体作用下的往复运动连续冲击短节内部的砧板还可以提高钻头的破岩能力，从而提高钻井速度。

如图1和图4所示，所述的流量阀为电控流量阀，它包括密封胶塞12、调节杆13、阀体15、步进电机B16和控制***25。所述的阀体15安装在配气底座10上，阀体15下端设置有阀体进气口24，阀体进气口24与配气底座进气口11连通，调节杆13配合安装在阀体15内，调节杆13的上端与步进电机B16的输出端连接，调节杆13在步进电机B16的带动下在阀体15内做升降运动以实现精确调节气体流量的作用。调节杆13与阀体15的配合安装面为螺纹配合面，调节杆13的下端设置有密封胶塞12，密封胶塞12的最大直径处与阀体15的内表面密封接触，以所旋的螺距来控制密封胶塞12的上下，达到精确控制流量的目的。阀体15上部还设置有定位部14，定位部14控制调节杆13向下移动的距离，当调节杆13的顶端底面碰触到定位部14时，调节杆13的继续选入受阻，步进电机B16感受应力自动停止运行，起到归零作用。其中，步进电机B16通过螺栓固定到阀体15上，步进电机B16还与控制***25连接。

所述的控制***25安装在外壳1的内壁上，控制***25外侧设置有控制***外壳26。

在短节内部安装控制***25、电控流量阀和电控开关阀，是为了保证震源每次冲击的激发能量稳定，多次冲击的激发能量一致性好；且使得冲击间隔可以有控制的线性增加；产生的信号频带宽，其低频成分穿透能量强，可穿透较厚的覆盖层，而高频成分能够细致分辨覆盖层中的小阻抗层，可用于高分辨率勘探。

具体使用本发明时，将连续冲击震源短节接在钻头与井下动力钻具之间，并与钻头和井下钻具组合一起下入井中。在钻井勘探新区时，不清楚待钻地层的地质构造、应力特殊地层段，在钻入需要随钻勘探井段前，需要依据井深、井型、井径、地层压力、空气压缩机的功率、气体注入压力，钻井段使用的钻头结构、钻压等现场资料，设置随钻震源发生器产生满足地震勘探需要的振动频率和振幅。

最后应该说明，以上实施方案仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，不脱离本发明技术方案实质的修改或者同等替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，其特征在于：它包括短接本体、气缸体、活塞（3）和配气装置，短接本体由外壳（1）和上接头（17）连接而成，气缸体安装在外壳（1）内，气缸体包括气缸体外壁（4）、气缸体内壁（5）和气缸体底部（7），活塞（3）配合安装在气缸体外壁（4）和气缸体内壁（5）之间，活塞（3）可在气缸体内往复运动，气缸体外壁（4）与外壳（1）内壁之间设置有下进气通道（8），活塞（3）下端与外壳（1）内壁之间形成下气室（2），下进气通道（8）与下气室（2）连通，气缸体底部（7）上设置有上进气通道（9），活塞（3）上端与气缸体之间形成上气室（6），上进气通道（9）与上气室（6）连通，配气装置包括配气盘（21）、步进电机A（19）、配气底座（10）和流量阀，所述的配气盘（21）安装在气缸体上部，配气盘（21）还配合安装在配气底座（10）内，所述的配气盘（21）与步进电机A（19）的输出轴连接，配气盘（21）与步进电机A（19）组成电控开关阀，配气底座（10）配合安装在外壳（1）内，配气盘（21）与配气底座（10）之间形成配气腔室（23），配气底座（10）的上部设置有配气底座进气口（11），配气底座进气口（11）处设置有流量阀；

所述的配气盘（21）上沿圆周方向分别设置有若干个上进气口（22）和若干个下进气口（27），所述的上进气口（22）与上进气通道（9）相对应，所述的下进气口（27）与下进气通道（8）相对应；

所述的流量阀为电控流量阀，所述的电控流量阀包括密封胶塞（12）、调节杆（13）、阀体（15）、步进电机B（16）和控制***（25），所述的阀体（15）安装在配气底座（10）上，阀体（15）下端设置有阀体进气口（24），阀体进气口（24）与配气底座进气口（11）连通，调节杆（13）配合安装在阀体（15）内，调节杆（13）的上端与步进电机B（16）的输出端连接，调节杆（13）的下端设置有密封胶塞（12），阀体（15）上部设置定位部（14），定位部（14）控制调节杆（13）向下移动的距离，步进电机B（16）还与控制***（25）连接。

2.根据权利要求1所述的一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，其特征在于：所述的外壳（1）和上接头（17）通过螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，其特征在于：所述的螺纹为锥螺纹。

4.根据权利要求1所述的一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，其特征在于：所述的外壳（1）内壁与活塞（3）下端配合处设置有密封圈（18）。

5.根据权利要求1所述的一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，其特征在于：所述的步进电机A（19）输出端设置安装轴（20），安装轴（20）安装在配气盘（21）的中心处。

6.根据权利要求1所述的一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，其特征在于：所述的控制***（25）安装在外壳（1）的内壁上，控制***（25）外侧设置有控制***外壳（26）。

7.根据权利要求1所述的一种气体钻井井底近钻头连续冲击震源短节，其特征在于：所述的调节杆（13）与阀体（15）的配合安装面为螺纹配合面。