與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀、測量慢地層橫波速度的方法與流程

2023-12-10 14:24:27 4

本發明屬於石油鑽井測井技術領域，更具體地說，是涉及一種與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀、測量慢地層橫波速度的方法。

背景技術：

根據測井方式，油田測井可分為電纜測井和隨鑽測井。電纜測井是通過電纜把聲波測井儀下放到油井中採集數據，測井操作過程要求停止鑽井作業並把鑽杆抽出，才能把聲波測井儀放進油井內。隨鑽測井則能夠實現邊鑽井邊測量數據。因為隨鑽測井不會影響鑽井作業的進度，所以可以縮短工程項目整體的完成時間，從而降低成本。

聲波測井的主要目的是應用聲波方法測量地層的縱波速度與橫波速度。這些數據可以用於計算地層的彈性參數、孔隙度、孔隙壓力等。

隨鑽聲波測井中對聲波在地層中井孔響應特徵的很多認識，都是基於電纜聲波測井研究延伸得到的。為了減少聲波測井儀對數據測量的幹擾，電纜聲波測井儀會採用特殊的結構設計和材料器件來實現聲源與接收器間的隔音。而隨鑽聲波測井儀是直接安裝在鑽鋌上，因為鑽鋌需要保證有足夠的強度來支撐鑽頭的鑽井活動，所以隨鑽聲波測井儀很難實現很好的隔音效果，並且隨鑽聲波測井儀整體的聲阻抗比較高。因此隨鑽聲波測井儀與電纜聲波測井儀之間，兩者對數據測量的影響存在非常大的差異。

現代隨鑽聲波測井方法主要包括單極子(monopole)測井和四極子(quadrupole)測井。當地層橫波速度大於油井中鑽井液波速時，該地層稱為快地層，此時，單極子測井通過測量油井中接收到的滑行縱波與滑行橫波的走時差，即可獲得該地層的縱波速度與橫波速度信息。當地層橫波速度小於鑽井液波速時，該地層稱為慢地層，只有縱波能在慢地層的油井壁上形成滑行縱波而無法形成滑行橫波，此時單極子測井僅可獲得地層縱波速度。對於慢地層橫波速度的測量，需要通過四極子測井來分析四極子源產生的螺旋波(screwwave)來測量。因此，想要通過隨鑽測井來獲得地層的縱波速度與橫波速度信息，在快地層中只需要使用單極子測井，但慢地層中需要同時使用單極子測井和四極子測井。不少鬆軟的泥巖層或壓力較高的砂巖層的橫波速度都小於鑽井液的波速，為典型的慢地層。

在慢地層中，傳統單極子源只能用於測量縱波速度，需要另外應用四極子源產生的螺旋波才能獲得地層橫波速度信息。但螺旋波的波速是與波的頻率相關的，不同頻率的波以不同的速度傳播(這種現象稱為頻散)。四極子源產生的螺旋波包含很多頻率成分，只有當頻率接近於低頻截止頻率時，它對應的波速才是真實的地層橫波波速。因此四極子測井數據需要進行一些專門的數據處理，用於修正頻散的影響，才能獲得真實的地層橫波速度。而螺旋波的頻散特性同時還受隨鑽聲波測井儀結構與屬性的影響，因此應用四極子測井測量地層橫波速度需要進行比較複雜的數據處理，這可能會導致結果的可靠性降低。因此，同時使用單極子測井和四極子測井來分析地層橫波速度，操作過程和數據處理複雜導致測量精度不高且效率降低。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀(也可簡稱為「與鑽具組合配合的測井儀」，即底部鑽具組合簡稱為鑽具組合，單極隨鑽聲波測井儀簡稱為測井儀)、測量慢地層橫波速度的方法，以解決現有技術中存在的對於慢地層橫波速度測量，需同時使用單極子測井和四極子測井來分析地層橫波速度，操作過程與數據處理複雜，導致測量效率降低的技術問題。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：提供一種與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀，包括鑽鋌和鑽頭，鑽鋌的端部上安裝鑽頭，鑽鋌上連接有單極隨鑽聲波測井儀，單極隨鑽聲波測井儀包括：聲波接收器，聲波接收器安裝在鑽鋌上；單極子聲源，單極子聲源安裝在鑽鋌上，單極子聲源發出預定頻率範圍的聲波；其中，鑽鋌的外直徑d1與鑽頭的外直徑d2的比值為d，則0.75＜d＜1。

進一步地，單極子聲源所發出的聲波的預定頻率範圍是5khz至10khz。

進一步地，聲波接收器的數量為多個，多個聲波接收器沿鑽鋌的中心軸線方向間隔排列。

進一步地，單極子聲源的聲波激發方向與油井井壁表面的法向方向成30°至60°夾角。

進一步地，單極子聲源與聲波接收器之間由隔聲體銜接。

進一步地，單極隨鑽聲波測井儀還包括控制電路模塊和數據記憶模塊，控制電路模塊與聲波接收器、單極子聲源、數據記憶模塊均電連接，控制電路模塊與數據記憶模塊均設置在鑽鋌的內腔中。

根據本技術方案的另一方面，提供了一種測量慢地層橫波速度的方法，應用前述的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀進行鑽井操作與測量操作，在進行鑽井操作的過程的同時實現同步測量地層縱波速度和橫波速度，其中測量操作包括以下步驟：

步驟s10：利用單極子聲源激發聲波信號；

步驟s20：通過聲波接收器接收經過地層傳播來的聲波數據；

步驟s30：當所測量地層為快地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，利用滑行橫波來計算地層橫波速度；

步驟s40：當所測量地層為慢地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，通過直接測量地層中透過橫波來計算地層橫波速度。

利用鑽頭、鑽鋌組成的鑽井工裝進行油井鑽井工作，同時，利用由聲波接收器與單極子聲源所組成的測量工裝對地層縱波速度與地層橫波速度進行測量，通過設計鑽鋌的外直徑d1與所鑽得油井的井口直徑d2的比值d大於0.75，並同時設定單極子聲源所激發的聲波頻率範圍，這樣以使聲波接收器能夠接收地層中的透過橫波，從而利用透過橫波來測量地層橫波速度。如此，測量地層橫波速度的操作只需應用單極子測井即可，而無需再將單極子測井與四極子測井相結合來測量地層橫波速度，簡化了測量地層橫波速度的操作難度，從而提高了地層橫波速度測量的效率和測量數據的穩定性、準確性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀位於油井中的側面剖視結構示意圖；

圖2為本發明實施例的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀位於油井中的俯視結構示意圖；

圖3為本發明實施例的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀中單極子聲源的裝配結構示意圖；

圖4為本發明實施例的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀中的單極隨鑽聲波測井儀進行測量過程的流程框圖；

圖5為本發明實施例的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀中的單極隨鑽聲波測井儀進行測量獲得的聲波測量圖。

其中，圖中各附圖標記：

100、地層；10、隔聲體；

20、鑽鋌；30、鑽頭；

40、聲波接收器；50、單極子聲源。

具體實施方式

為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

需要說明的是，當元件被稱為「固定於」或「設置於」另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在該另一個元件上。當一個元件被稱為是「連接於」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接連接至該另一個元件上。

需要理解的是，術語「長度」、「寬度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

如圖1和圖2所示，本實施例的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀包括，其中底部鑽具組合鑽鋌20、鑽頭30，鑽鋌20上安裝了單極隨鑽聲波測井儀，其中單極隨鑽聲波測井儀包括聲波接收器40和單極子聲源50，鑽頭30連接在鑽鋌20的端部上，聲波接收器40安裝在鑽鋌20上，單極子聲源50安裝在鑽鋌20上，單極子聲源50與聲波接收器40間隔設置在鑽鋌20上，並且單極子聲源50發出預定頻率範圍的聲波，其中，鑽鋌20的外直徑d1與鑽頭30的外直徑d2的比值為d，則0.75＜d＜1。

應用本技術方案的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀進行油井鑽探並同時進行地層的隨鑽測量，利用鑽頭30、鑽鋌20組成的鑽井工裝進行油井鑽井工作(鑽鋌20連接在鑽杆上，通過動力機構驅動鑽杆以帶動鑽鋌20、鑽頭30轉動)，同時，利用由聲波接收器40、單極子聲源50所組成的測井工裝對地層縱波速度與地層橫波速度進行測量，通過設計鑽鋌20的外直徑d1與所鑽得油井的井口直徑(即鑽頭30的外直徑d2)的比值d大於0.75(即0.75＜d＜1)，並同時設定單極子聲源50所激發的聲波頻率範圍，這樣以使聲波接收器40能夠接收地層中的透過橫波，從而利用透過橫波來測量地層橫波速度。如此，測量地層橫波速度的操作只需應用單極子測井即可，而無需再將單極子測井與四極子測井相結合來測量地層橫波速度，簡化了測量地層橫波速度的操作難度，從而提高了地層橫波速度測量的效率和測量數據的穩定性、準確性。

研究實驗結果證明，在隨鑽測井過程中，當鑽鋌20的外直徑d1與油井的直徑即鑽頭30的外直徑d2的比值d達到一定的比例範圍，即0.75＜d，並且相配合地設定單極子聲源50所激發聲波源的頻率在合適的頻率範圍時，高聲阻抗的鑽鋌20會使慢地層中的斯通利波與透過橫波解耦，使得地層透過橫波可以被聲波接收器40所探測到。由於地層透過橫波沒有頻散影響，即所有頻率的透過橫波都是以地層橫波速度進行傳播，因此，地層透過橫波速度可以直接用於測量地層橫波速度。

在本實施例中，單極子聲源50所發出的聲波的預定頻率範圍是5khz至10khz，例如所激發的聲波頻率為5khz、5.5khz、6khz、6.5khz、7khz、7.5khz、8khz、8.5khz、9khz、9.5khz、10khz，當然也可以設定為在該頻率範圍內的其他頻率的聲波，例如5.6khz、7.8khz等等，在此聲波頻率範圍進行激發聲波，能夠降低油井內其他信號波的幹擾。優選地，在實際進行測量的過程中，選用聲波頻率範圍為7khz至9khz的聲波進行激發測量。

如圖1所示，本實施例的單極隨鑽聲波測井儀中聲波接收器40的數量為多個，多個聲波接收器40沿鑽鋌20的中心軸線方向間隔排列。如此，在鑽鋌20上形成由上至下的陣列式排布，當聲波由單極子聲源50激發出去並傳播至油井地層形成縱向、橫向偏振的地層波傳播之後，利用陣列式排布的聲波接收器40能夠提高接收到由地層傳播過來的滑行縱波、滑行橫波或者地層透過橫波的信噪比，從而測量獲得地層縱波速度和地層橫波速度。

如圖3所示，為了增加地層透過橫波的強度，單極子聲源50的聲波激發方向與油井井壁表面的法向方向成30°至60°夾角。單極子聲源50激發出所需聲波並在地層中轉化為相應的穿透波，由於聲波激發角度的設置，能夠使所激發的聲波在地層中轉化為透過橫波的波能量更高，從而增強地層透過橫波的強度，使得聲波接收器40能夠更清晰地接收地層透過橫波。優選地，將單極子聲源50的聲波激發方向設計成與油井井壁表面的法向方向成40°至50°夾角，更優選為45°。

單極子聲源50激發時會同時在鑽鋌上形成鑽鋌波，鑽鋌波在一定程度上將影響聲波接收器40接收到的地層有效信號，因而，為了減弱鑽鋌波的影響，單極隨鑽聲波測井儀還包括隔聲體10，隔聲體10連接在鑽鋌20上，並且隔聲體10位於聲波接收器40與單極子聲源50之間，此時，聲波接收器40與單極子聲源50之間通過隔聲體10形成聲波阻隔狀態，從而減弱鑽鋌波對聲波接收器40對地層波的接收影響。

鑽鋌20是由多節具有較大重量和剛度的鋼製杆狀件組合形成，鑽頭30連接在鑽鋌20的端部上，單極隨鑽聲波測井儀是組成整個鑽鋌組合中的一節(即單極隨鑽聲波測井儀是安裝在該鋼製杆狀件上的)，並且單極隨鑽聲波測井儀的單極子聲源50與鑽頭30的距離一般為十幾米或更大。

進一步地，單極隨鑽聲波測井儀還包括控制電路模塊(未圖示)和數據記憶模塊(未圖示)，控制電路模塊與聲波接收器40之間、控制電路模塊與單極子聲源50、控制電路模塊與數據記憶模塊之間均電連接，控制電路模塊與數據記憶模塊均設置在測井儀所安裝的鑽鋌20的內腔中。在進行隨鑽測井的操作過程中，鑽頭30進行鑽進油井的操作，並同時利用控制電路模塊開啟單極子聲源50進行激發測量聲波，通過控制電路模塊開啟聲波接收器40對由地層傳播來的滑行縱波、滑行橫波或者地層透過橫波進行測量，並將測量所得數據通過控制電路模塊將測量所得的聲波壓力信號轉換成電信號，然後通過控制電路模塊記錄到數據記憶模塊中。在最後的數據處理中：對快地層，直接利用記錄到的滑行縱波計算地層縱波速度，直接利用記錄到的滑行橫波計算地層橫波速度；對慢地層，地層縱波速度仍利用所記錄的滑行縱波進行計算，地層橫波速度則是通過分析所記錄的地層透過橫波來獲得。

根據本技術方案的另一方面，提供了一種測量慢地層橫波速度的方法。如圖4所示，本實施例的測量慢地層橫波速度的方法應用前述的與底部鑽具組合配合使用的單極隨鑽聲波測井儀進行鑽井操作與測量操作，其中該測量慢地層橫波速度的方法包括以下步驟：

步驟s10：利用單極子聲源50激發聲波信號，利用前述的單極隨鑽聲波測井儀中的單極子聲源50激發的聲波頻率設定為5khz至10khz，而且單極子聲源50所激發聲波方向與油井表面的法向方向成30°至60°夾角，並且結合其鑽鋌20的外直徑d1與油井的孔徑(即鑽頭30的外直徑d2)的比值d為0.75＜d＜1；

步驟s20：通過聲波接收器40接收經過地層傳播來的聲波數據，這樣，單極子聲源50所激發聲波在經過地層轉換並傳播後，聲波接收器40接收穫得地層的滑行縱波、滑行橫波或地層透過橫波；

步驟s30：在數據分析階段，當所測量地層為快地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，利用滑行橫波來計算地層橫波速度；

步驟s40：同樣是在數據分析階段，當所測量地層為慢地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，通過直接測量地層中透過橫波來計算地層橫波速度。

如圖5所示，本技術方案的測量慢地層橫波速度的方法利用前述所提供的單極隨鑽聲波測井儀進行隨鑽測井操作，獲得了其中某地層的滑行縱波、透過橫波以及斯通利波與相關計量參數(時間參數/ms、單極子聲源與聲波接收器之間的距離/m)的聲波測量圖，通過圖中所得到的地層透過橫波，能夠方便地計算獲得該地層橫波速度。

以上僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。