CN107165623B - 与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪、测量慢地层横波速度的方法 - Google Patents

与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪、测量慢地层横波速度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪、测量慢地层横波速度的方法。与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪中的底部钻具组合包括钻铤和钻头，钻铤的端部上安装钻头，钻铤上连接的单极随钻声波测井仪包括：安装在钻铤上的声波接收器；安装在钻铤上的单极子声源，并且单极子声源发出预定频率范围的声波；单极子声源与声波接收器之间由隔声体连接；钻铤的外直径D1与钻头的外直径D2的比值为d，则0.75＜d＜1。应用本技术方案能够解决现有技术中存在的对于慢地层横波速度测量，需同时使用单极子测井和四极子测井来分析地层纵波与横波速度，操作过程与数据处理复杂导致测量精度不高和效率降低的技术问题。

Description

与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪、测量慢地 层横波速度的方法
技术领域
本发明属于石油钻井测井技术领域，更具体地说，是涉及一种与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪、测量慢地层横波速度的方法。
背景技术
根据测井方式，油田测井可分为电缆测井和随钻测井。电缆测井是通过电缆把声波测井仪下放到油井中采集数据，测井操作过程要求停止钻井作业并把钻杆抽出，才能把声波测井仪放进油井内。随钻测井则能够实现边钻井边测量数据。因为随钻测井不会影响钻井作业的进度，所以可以缩短工程项目整体的完成时间，从而降低成本。
声波测井的主要目的是应用声波方法测量地层的纵波速度与横波速度。这些数据可以用于计算地层的弹性参数、孔隙度、孔隙压力等。
随钻声波测井中对声波在地层中井孔响应特征的很多认识，都是基于电缆声波测井研究延伸得到的。为了减少声波测井仪对数据测量的干扰，电缆声波测井仪会采用特殊的结构设计和材料器件来实现声源与接收器间的隔音。而随钻声波测井仪是直接安装在钻铤上，因为钻铤需要保证有足够的强度来支撑钻头的钻井活动，所以随钻声波测井仪很难实现很好的隔音效果，并且随钻声波测井仪整体的声阻抗比较高。因此随钻声波测井仪与电缆声波测井仪之间，两者对数据测量的影响存在非常大的差异。
现代随钻声波测井方法主要包括单极子(monopole)测井和四极子 (quadrupole)测井。当地层横波速度大于油井中钻井液波速时，该地层称为快地层，此时，单极子测井通过测量油井中接收到的滑行纵波与滑行横波的走时差，即可获得该地层的纵波速度与横波速度信息。当地层横波速度小于钻井液波速时，该地层称为慢地层，只有纵波能在慢地层的油井壁上形成滑行纵波而无法形成滑行横波，此时单极子测井仅可获得地层纵波速度。对于慢地层横波速度的测量，需要通过四极子测井来分析四极子源产生的螺旋波(screwwave) 来测量。因此，想要通过随钻测井来获得地层的纵波速度与横波速度信息，在快地层中只需要使用单极子测井，但慢地层中需要同时使用单极子测井和四极子测井。不少松软的泥岩层或压力较高的砂岩层的横波速度都小于钻井液的波速，为典型的慢地层。
在慢地层中，传统单极子源只能用于测量纵波速度，需要另外应用四极子源产生的螺旋波才能获得地层横波速度信息。但螺旋波的波速是与波的频率相关的，不同频率的波以不同的速度传播(这种现象称为频散)。四极子源产生的螺旋波包含很多频率成分，只有当频率接近于低频截止频率时，它对应的波速才是真实的地层横波波速。因此四极子测井数据需要进行一些专门的数据处理，用于修正频散的影响，才能获得真实的地层横波速度。而螺旋波的频散特性同时还受随钻声波测井仪结构与属性的影响，因此应用四极子测井测量地层横波速度需要进行比较复杂的数据处理，这可能会导致结果的可靠性降低。因此，同时使用单极子测井和四极子测井来分析地层横波速度，操作过程和数据处理复杂导致测量精度不高且效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪(也可简称为“与钻具组合配合的测井仪”，即底部钻具组合简称为钻具组合，单极随钻声波测井仪简称为测井仪)、测量慢地层横波速度的方法，以解决现有技术中存在的对于慢地层横波速度测量，需同时使用单极子测井和四极子测井来分析地层横波速度，操作过程与数据处理复杂，导致测量效率降低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪，包括钻铤和钻头，钻铤的端部上安装钻头，钻铤上连接有单极随钻声波测井仪，单极随钻声波测井仪包括：声波接收器，声波接收器安装在钻铤上；单极子声源，单极子声源安装在钻铤上，单极子声源发出预定频率范围的声波；其中，钻铤的外直径D1与钻头的外直径D2的比值为d，则0.75＜d＜1。
进一步地，单极子声源所发出的声波的预定频率范围是5kHz至10kHz。
进一步地，声波接收器的数量为多个，多个声波接收器沿钻铤的中心轴线方向间隔排列。
进一步地，单极子声源的声波激发方向与油井井壁表面的法向方向成30°至60°夹角。
进一步地，单极子声源与声波接收器之间由隔声体衔接。
进一步地，单极随钻声波测井仪还包括控制电路模块和数据记忆模块，控制电路模块与声波接收器、单极子声源、数据记忆模块均电连接，控制电路模块与数据记忆模块均设置在钻铤的内腔中。
根据本技术方案的另一方面，提供了一种测量慢地层横波速度的方法，应用前述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪进行钻井操作与测量操作，在进行钻井操作的过程的同时实现同步测量地层纵波速度和横波速度，其中测量操作包括以下步骤：
步骤S10：利用单极子声源激发声波信号；
步骤S20：通过声波接收器接收经过地层传播来的声波数据；
步骤S30：当所测量地层为快地层时，利用滑行纵波来计算地层纵波速度，利用滑行横波来计算地层横波速度；
步骤S40：当所测量地层为慢地层时，利用滑行纵波来计算地层纵波速度，通过直接测量地层中透过横波来计算地层横波速度。
利用钻头、钻铤组成的钻井工装进行油井钻井工作，同时，利用由声波接收器与单极子声源所组成的测量工装对地层纵波速度与地层横波速度进行测量，通过设计钻铤的外直径D1与所钻得油井的井口直径D2的比值d大于0.75，并同时设定单极子声源所激发的声波频率范围，这样以使声波接收器能够接收地层中的透过横波，从而利用透过横波来测量地层横波速度。如此，测量地层横波速度的操作只需应用单极子测井即可，而无需再将单极子测井与四极子测井相结合来测量地层横波速度，简化了测量地层横波速度的操作难度，从而提高了地层横波速度测量的效率和测量数据的稳定性、准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明实施例的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪位于油井中的侧面剖视结构示意图；
图2为本发明实施例的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪位于油井中的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪中单极子声源的装配结构示意图；
图4为本发明实施例的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪中的单极随钻声波测井仪进行测量过程的流程框图；
图5为本发明实施例的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪中的单极随钻声波测井仪进行测量获得的声波测量图。
其中，图中各附图标记：
100、地层； 10、隔声体；
20、钻铤； 30、钻头；
40、声波接收器； 50、单极子声源。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1和图2所示，本实施例的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪包括，其中底部钻具组合钻铤20、钻头30，钻铤20上安装了单极随钻声波测井仪，其中单极随钻声波测井仪包括声波接收器40和单极子声源50，钻头30连接在钻铤20的端部上，声波接收器40安装在钻铤20上，单极子声源 50安装在钻铤20上，单极子声源50与声波接收器40间隔设置在钻铤20上，并且单极子声源50发出预定频率范围的声波，其中，钻铤20的外直径D1与钻头30的外直径D2的比值为d，则0.75＜d＜1。
应用本技术方案的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪进行油井钻探并同时进行地层的随钻测量，利用钻头30、钻铤20组成的钻井工装进行油井钻井工作(钻铤20连接在钻杆上，通过动力机构驱动钻杆以带动钻铤20、钻头30转动)，同时，利用由声波接收器40、单极子声源50所组成的测井工装对地层纵波速度与地层横波速度进行测量，通过设计钻铤20的外直径D1与所钻得油井的井口直径(即钻头30的外直径D2)的比值d大于0.75(即0.75 ＜d＜1)，并同时设定单极子声源50所激发的声波频率范围，这样以使声波接收器40能够接收地层中的透过横波，从而利用透过横波来测量地层横波速度。如此，测量地层横波速度的操作只需应用单极子测井即可，而无需再将单极子测井与四极子测井相结合来测量地层横波速度，简化了测量地层横波速度的操作难度，从而提高了地层横波速度测量的效率和测量数据的稳定性、准确性。
研究实验结果证明，在随钻测井过程中，当钻铤20的外直径D1与油井的直径即钻头30的外直径D2的比值d达到一定的比例范围，即0.75＜d，并且相配合地设定单极子声源50所激发声波源的频率在合适的频率范围时，高声阻抗的钻铤20会使慢地层中的斯通利波与透过横波解耦，使得地层透过横波可以被声波接收器40所探测到。由于地层透过横波没有频散影响，即所有频率的透过横波都是以地层横波速度进行传播，因此，地层透过横波速度可以直接用于测量地层横波速度。
在本实施例中，单极子声源50所发出的声波的预定频率范围是5kHz至 10kHz，例如所激发的声波频率为5kHz、5.5kHz、6kHz、6.5kHz、7kHz、7.5kHz、 8kHz、8.5kHz、9kHz、9.5kHz、10kHz，当然也可以设定为在该频率范围内的其他频率的声波，例如5.6kHz、7.8kHz等等，在此声波频率范围进行激发声波，能够降低油井内其他信号波的干扰。优选地，在实际进行测量的过程中，选用声波频率范围为7kHz至9kHz的声波进行激发测量。
如图1所示，本实施例的单极随钻声波测井仪中声波接收器40的数量为多个，多个声波接收器40沿钻铤20的中心轴线方向间隔排列。如此，在钻铤20 上形成由上至下的阵列式排布，当声波由单极子声源50激发出去并传播至油井地层形成纵向、横向偏振的地层波传播之后，利用阵列式排布的声波接收器40 能够提高接收到由地层传播过来的滑行纵波、滑行横波或者地层透过横波的信噪比，从而测量获得地层纵波速度和地层横波速度。
如图3所示，为了增加地层透过横波的强度，单极子声源50的声波激发方向与油井井壁表面的法向方向成30°至60°夹角。单极子声源50激发出所需声波并在地层中转化为相应的穿透波，由于声波激发角度的设置，能够使所激发的声波在地层中转化为透过横波的波能量更高，从而增强地层透过横波的强度，使得声波接收器40能够更清晰地接收地层透过横波。优选地，将单极子声源50的声波激发方向设计成与油井井壁表面的法向方向成40°至50°夹角，更优选为45°。
单极子声源50激发时会同时在钻铤上形成钻铤波，钻铤波在一定程度上将影响声波接收器40接收到的地层有效信号，因而，为了减弱钻铤波的影响，单极随钻声波测井仪还包括隔声体10，隔声体10连接在钻铤20上，并且隔声体 10位于声波接收器40与单极子声源50之间，此时，声波接收器40与单极子声源50之间通过隔声体10形成声波阻隔状态，从而减弱钻铤波对声波接收器40 对地层波的接收影响。
钻铤20是由多节具有较大重量和刚度的钢制杆状件组合形成，钻头30连接在钻铤20的端部上，单极随钻声波测井仪是组成整个钻铤组合中的一节(即单极随钻声波测井仪是安装在该钢制杆状件上的)，并且单极随钻声波测井仪的单极子声源50与钻头30的距离一般为十几米或更大。
进一步地，单极随钻声波测井仪还包括控制电路模块(未图示)和数据记忆模块(未图示)，控制电路模块与声波接收器40之间、控制电路模块与单极子声源50、控制电路模块与数据记忆模块之间均电连接，控制电路模块与数据记忆模块均设置在测井仪所安装的钻铤20的内腔中。在进行随钻测井的操作过程中，钻头30进行钻进油井的操作，并同时利用控制电路模块开启单极子声源 50进行激发测量声波，通过控制电路模块开启声波接收器40对由地层传播来的滑行纵波、滑行横波或者地层透过横波进行测量，并将测量所得数据通过控制电路模块将测量所得的声波压力信号转换成电信号，然后通过控制电路模块记录到数据记忆模块中。在最后的数据处理中：对快地层，直接利用记录到的滑行纵波计算地层纵波速度，直接利用记录到的滑行横波计算地层横波速度；对慢地层，地层纵波速度仍利用所记录的滑行纵波进行计算，地层横波速度则是通过分析所记录的地层透过横波来获得。
根据本技术方案的另一方面，提供了一种测量慢地层横波速度的方法。如图4所示，本实施例的测量慢地层横波速度的方法应用前述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪进行钻井操作与测量操作，其中该测量慢地层横波速度的方法包括以下步骤：
步骤S10：利用单极子声源50激发声波信号，利用前述的单极随钻声波测井仪中的单极子声源50激发的声波频率设定为5kHz至10kHz，而且单极子声源50所激发声波方向与油井表面的法向方向成30°至60°夹角，并且结合其钻铤20的外直径D1与油井的孔径(即钻头30的外直径D2)的比值d为0.75 ＜d＜1；
步骤S20：通过声波接收器40接收经过地层传播来的声波数据，这样，单极子声源50所激发声波在经过地层转换并传播后，声波接收器40接收获得地层的滑行纵波、滑行横波或地层透过横波；
步骤S30：在数据分析阶段，当所测量地层为快地层时，利用滑行纵波来计算地层纵波速度，利用滑行横波来计算地层横波速度；
步骤S40：同样是在数据分析阶段，当所测量地层为慢地层时，利用滑行纵波来计算地层纵波速度，通过直接测量地层中透过横波来计算地层横波速度。
如图5所示，本技术方案的测量慢地层横波速度的方法利用前述所提供的单极随钻声波测井仪进行随钻测井操作，获得了其中某地层的滑行纵波、透过横波以及斯通利波与相关计量参数(时间参数/ms、单极子声源与声波接收器之间的距离/m)的声波测量图，通过图中所得到的地层透过横波，能够方便地计算获得该地层横波速度。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪，底部钻具组合包括钻铤(20)和钻头(30)，所述钻铤(20)的端部上安装钻头(30)，其特征在于，所述钻铤(20)上安装有单极随钻声波测井仪，所述单极随钻声波测井仪包括：
声波接收器(40)，所述声波接收器(40)安装在所述钻铤(20)上；
单极子声源(50)，所述单极子声源(50)安装在所述钻铤(20)上，所述单极子声源(50)发出预定频率范围的声波；
其中，所述钻铤(20)的外直径D1与所述钻头(30)的外直径D2的比值为d，则0.75＜d＜1。
2.如权利要求1所述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪，其特征在于，所述单极子声源(50)所发出的声波的预定频率范围是5kHz至10kHz。
3.如权利要求1所述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪，其特征在于，所述声波接收器(40)的数量为多个，多个所述声波接收器(40)沿所述钻铤(20)的中心轴线方向间隔排列。
4.如权利要求1所述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪，其特征在于，所述单极子声源(50)的声波激发方向与油井井壁表面的法向方向成30°至60°夹角。
5.如权利要求1至4中任一项所述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪，其特征在于，所述单极子声源(50)与所述声波接收器(40)之间由隔声体(10)衔接。
6.如权利要求5所述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪，其特征在于，所述单极随钻声波测井仪还包括控制电路模块和数据记忆模块，所述控制电路模块与所述声波接收器(40)、单极子声源(50)、数据记忆模块均电连接，所述控制电路模块与所述数据记忆模块均设置在所述钻铤(20)的内腔中。
7.一种测量慢地层横波速度的方法，其特征在于，应用权利要求1至6中任一项所述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波测井仪进行钻井操作与测量操作，在进行钻井操作的过程的同时实现同步测量地层纵波速度和横波速度，其中测量操作包括以下步骤：
步骤S10：利用单极子声源(50)激发声波信号；
步骤S20：通过声波接收器(40)接收经过地层传播来的声波数据；
步骤S30：当所测量地层为快地层时，利用滑行纵波来计算地层纵波速度，利用滑行横波来计算地层横波速度；
步骤S40：当所测量地层为慢地层时，利用滑行纵波来计算地层纵波速度，通过直接测量地层中透过横波来计算地层横波速度。
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