一种地层地震勘测方法

摘要

在随钻地震系统中使用一种可控的地震源用于获取VSP数据。向井下发送由所述可控地震源产生的信号的编码信息。使用该地震源的信息重建震源波形和处理VSP数据。任意地，利用在BHA的一个深度测得的参考信号处理位于后续深度的信号。

权利要求

1.一种地层地震勘测方法，该方法包括：

(a)在位于表面位置上或表面位置附近的第一位置处在第一时间产生第一地震信号，并使第一地震波传播通过所述地层；

(b)在距所述第一时间10秒钟之内的一时刻在第一深度处接收包含所述第一传播地震波到井底组件的直达波的第一信号；

(c)由所述第一接收信号确定参考子波；

(d)在第一位置处或其附近的位置在大于所述第一时间的第二时间产生第二地震信号，并将所述第二地震波传播通过所述地层；

(e)使用所述参考子波确定所述第二地震波在所述井底组件的到达时间；以及(f)在适当的介质上记录第二地震波的到达时间。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括向所述井底组件发送表示所述第一地震信号特征的第二信号。

3.根据权利要求1的方法，其中所述第一位置是如下之一：(i)位于水体表面附近，和(ii)位于水体表面。

4.根据权利要求1的方法，其中所述第一位置是如下之一：(i)位于陆地表面附近，和(ii)位于陆地表面。

5.根据权利要求1的方法，进一步包括利用所述到达时间确定更新的参考信号。

6.根据权利要求5的方法，进一步包括从所述参考信号和所述更新的参考信号确定衰减因子。

说明书

一种地层地震勘测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在用钻头钻探地层的同时确定地层内地质层位置的改良方法。更具体地，涉及一种用于提高参考信号品质的方法。

背景技术

[0002] 传统的反射地震学利用表面震源和接收器探测来自地表下阻抗差的反射。由于震源、反射器和接收器之间的传播路径较长，经常使所获图像的空间精度、分辨率和一致性变坏。特别地，由于地震信号以低的、横向变化的速度双路通过高吸收性的近表面风化层，使得地表下图像质量变差。为了克服这一困难，开发出了一种通常称作垂直地震剖面(VSP)的技术，对钻孔附近的地表下成像。利用VSP，使用表面地震源，并用单个的井下接收器或井下接收器阵列接收信号。对不同深度的接收器(或接收器阵列)重复该过程。在偏移VSP(offset VSP)中，按顺序激发多个在空间上相间的震源，从而使成像的距离范围超过单个震源的能力。

[0003] 在逆VSP中，震源和接收器的位置互换，也就是说，使用井下震源，并用表面接收器或接收器阵列进行记录。这种系统的一个具体实例是由Western Atlas International有限公司开发的，注册商标为 在该系统中，钻头自身用作地震源。使用钻头作为地震源的一个问题是震源不可重复。本领域技术人员知道，VSP数据分析优选地使用可重复的震源，以便使得VSP中任何波形的变化都可归因于地层特性。用钻头作为地震源，这是难以实现的。因此，理想的是能够在分析VSP数据之前适当地对震源变化进行补偿。

[0004] 对震源变化进行适当补偿存在的一个问题是钻井环境中遥感勘测能力极其有限，致使不可能将震源子波的表征信息发送到表面。授予Dubinsky的美国专利6,078,868讲授了一种实现随钻地震(SWD)测量的方法，该专利与本专利申请的受让人相同，本文引用其全部内容作为参考，在其方法中，对钻头附近井下的参考信号进行分析，用有限数目的传输头(transmission bit)将有关该信号的信息发送到表面。在一个实施例中，将一个预期钻头子波库(library of anticipated drillbit wavelet)存储在井下的存储器和表面的存储器内。该预期钻头子波库是基于收集井下钻头信号的长期实践(服务年限)及理论思考，并且实际上也可认为是这些所收集钻头信号的数据库。井下处理器识别出最佳的匹配子波，然后向表面发送识别该子波及缩放因子的编码。在表面，根据所接收的编码检索出最佳匹配子波，然后用检索出的子波和缩放因子产生重建信号。在另一个实施例中，在井下计算信号的关键特征，例如中心频率、频率带宽等，并发送到表面。然后使用这些关键特征重建参考信号，然后用它与表面探测的信号相关。一旦完成该相关，则用已知的技术在表面对数据进行分析。

[0005] Dubinsky的专利在逆VSP内容中致力于遥感勘测发送到表面的震源子波的问题。本发明是在传统VSP环境中(也就是表面震源和井下接收器)Dubinsky的装置和方法的修改。本发明的方法和装置与Dubinsky的技术还有其它的不同。这些将在下文加以说明。

发明内容

[0006] 在地层地震勘测系统和方法中，使用可控的震源在第一位置处产生地震波，使地震波传播通过所述地层。利用井下接收器接收指示正在传播的地震波的第一信号。将指示所产生地震波的特征的第二信号发送到井下位置。然后用第二信号处理第一信号。第一位置可以位于陆地或水体表面或者附近。选择地，第一位置可以位于预先存在的井筒内。该方法所接收的信号可以是直接信号或者反射信号。可以产生压缩或剪切地震信号。第二信号可以是可控震源控制信号的一个参数。选择地，第二信号至少部分地基于由震源位置附近参考探测器测得的信号。震源可以是扫描频率源。选择地，震源可以是气枪阵列。利用不同深度的测量结果，可以从直达波(direct arrival)推导出衰减因子。当在多个深度获得测量时，可以获得垂直地震剖面。

[0007] 在本发明的另一个实施例中，在表面位置或者其附近产生地震波。由位于浅层深度的井底组件(BHA)上的接收器接收的信号确定参考子波。然后使用该参考子波确定位于更深位置处BHA的直接信号的到达时间。该参考子波可以在每个深度加以更新。

附图说明

[0008] 参考附图将能够最好地理解本发明，其中相似的数字表示相似的元件，其中：

[0009] 图1(现有技术)显示了适合于使用本发明的随钻测量设备；

[0010] 图2图解了本发明震源和传感器的布局；

[0011] 图3(现有技术)显示了垂直地震剖面的一个实例；

[0012] 图4显示了本发明一个实施例所执行处理的流程图；

[0013] 图5显示了扫描频率源输出的频谱的一个实例；

[0014] 图6示意地图解了本发明第二实施例的布局；和

[0015] 图7是图解本发明第二实施例的流程图。

具体实施方式

[0016] 图1显示了钻井系统10的示意图，它具有一个钻柱(drillstring)20，其携带钻井组件90(也称作井底组件或”BHA”)，该钻井组件在“井筒”或“钻孔”26内别传送而用于钻探井筒。钻井系统10包括一个传统的井架11，其垂直于支持着旋转台(rotary table)14的平台(floor)12，该旋转台用一个主推动器例如电动马达(未显示)以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括一个管道，例如钻管22或盘旋管道(coiled-tubing)，从表面向下延伸进入井筒26。当使用钻管22作为管道时，钻柱20被推进到井筒26内。然而对于盘旋管道应用，则使用管道注入机(tubing injector)，例如注入机(未显示)将管道从其源头，例如卷轴(reel)(未显示)，移动到井筒26。钻头50固定在钻柱末端，当其旋转钻探井筒26时破碎地层。如果使用钻管22，则钻柱20通过凯利接头(kelly joint)21、旋转轴承28和通过滑轮23的线缆29与绞车30相连。在钻井操作中，绞车30工作以控制施加给钻头的重量，这是一个影响穿透速度的重要参数。绞车的工作在技术上是熟知的，因此在这里不再详细说明。

[0017] 在钻井操作期间，通过泥浆泵34使合适的钻浆(drilling fluid)31在压力作用下从泥浆坑(源)32循流通过钻柱20内的管道。钻浆从泥浆泵34经由消涌器(desurger)(未显示)、流体管线28和凯利接头21进入钻柱20。钻浆31在钻孔底部51通过钻头50内的开孔加以释放。钻浆31通过钻柱20与钻孔26之间的环形空间27向上流动，并经由返回管线35返回到泥浆坑32。钻浆起润滑钻头50的作用，并携带钻孔碎块或碎片离开钻头50。布置在管线38内的传感器S1能够提供有关流体流动速度的信息。表面扭矩传感器S2和与钻柱20相连的传感器S3分别提供有关钻柱扭矩和旋转速度的信息。此外，使用一个与线缆29相连的传感器(未显示)提供钻柱20的钩起载荷(hook load)。

[0018] 在本发明的一个实施例中，仅通过旋转钻管22来旋转钻头50。在本发明的另一个实施例中，在钻井组件90中设置一个井下马达55(泥浆马达)来旋转钻头50，并且如果需要的话，通常通过旋转钻管22来补充旋转力和影响钻井方向的改变。

[0019] 在图1的一个实施例中，泥浆马达55通过一个布置在轴承组件57内的驱动轴(未显示)与钻头50相连。当钻浆31在压力下通过泥浆马达55时，泥浆马达旋转钻头50。轴承组件57支持钻头的径向和轴向力。一个与轴承组件57相连的稳定器58对泥浆马达组件的最下端部分起定中心器(centralizer)的作用。

[0020] 在本发明的一个实施例中，在钻头50附近布置一个钻井传感器模块59。该钻井传感器模块含有传感器、电路系统和处理软件以及与动态钻井参数有关的算法。这些参数能够包括钻头状况的钻头反跳、钻井组件粘滑、后向旋转、扭矩、冲击、钻孔和环面压力、加速度量度和其它量度。还提供了一个适当的遥感勘测或通信段(communication sub)72，其使用例如双向遥感勘测，如在钻井组件90内所示。该钻井传感器模块处理传感器信息，并通过遥感勘测系统72将其发送到地面控制单元40。

[0021] 通信段72、功率单元78和MWD工具79均与钻柱20串连。使用例如弯曲段将MWD工具79连接在钻井组件90内。这些段和工具构成了钻柱20与钻头50之间的井底钻井组件90。钻井组件90在钻探钻孔26的同时可进行多种测量，包括脉冲核磁共振测量。通信段72获取信号和测量结果，并使用例如双向遥感勘测将信号发送到表面进行处理。选择地，可以用位于钻井组件90内适当位置(未显示)处的井下处理器对信号进行处理。

[0022] 表面控制单元或处理器40还接收来自其它井下传感器和设备的信号以及来自在系统10中使用的传感器S1-S3和其它传感器的信号，并根据表面控制单元40内的编程指令对这些信号进行处理。表面控制单元40在显示器/监视器42上显示理想的钻井参数及其它信息，操作员利用它们控制钻井操作。表面控制单元40能够包括计算机或基于微处理器的处理系统、用于存储程序或模型及数据的存储器、用于记录数据的记录器和其它外围设备。当出现某些不安全或不理想的工作条件时，控制单元40可被采用来触发报警器44。

[0023] 可用于本发明的装置还包括井下处理器，其可位于井底组件内任何合适的位置或位于井底组件附近。该处理器的使用如下。

[0024] 现在转到图2，其显示了使用本发明方法的震源和接收器配置的一个实例。图中显示了位于钻孔26’底部附近的钻头50。表面地震源用S表示，位于表面的参考接收器用R1表示。井下接收器用53表示，而55显示了在震源S处产生的并被接收器53接收的地震波的一个示例性波束路径(raypath)。接收器53通常与井底组件内的钻头保持固定的关系。图2还显示了从震源S到钻孔底部附近另一个位置53’的波束路径55’。这另一个位置53’相应于本发明一个实施例中的第二接收器，在这一实施例中在井下使用多个地震接收器。在本发明的一个可选择实施例中，位置53’相应于当钻头和BHA处于不同深度时接收器53的另一个位置。

[0025] 图示中，波束路径55和55’是弯曲的。该弯曲的波束路径通常是由于如下的事实产生的，即地震波在地层中的传播速度通常随深度而增加。图2还显示了反射波束61，其相应于由震源产生、被界面例如63反射并被53处的接收器接收的地震波。

[0026] 图3显示了由这种配置记录得到的VSP的一个实例。纵轴121相应于深度，而横轴123相应于时间。图3的示例性数据是用分布接收器的线缆(wireline)获得的。测量结果是在大量不同深度获得的，提供了如图3所示的大量地震记录线。

[0027] 即使对于未经训练的观察者，从图3中也可以显见如下几点。其中一个兴趣点是用101表示的直接压缩波(direct compressionalwave)(P波)波至(arrivaD。这相应于一般作为P波传播到地层内能量。从图3还可以显见到由103表示的直接剪切波(S波)波至。因为S波的传播速度比P波慢，所以它们的到达时间晚于P波到达时间。

[0028] 压缩和剪切波的直达波均是感兴趣的，因为它们可以指示波所传播经过的岩石的类型。对于本领域的技术人员，在图3中还可以看到其它的可视信息。其中一个实例用105表示，其相应于从更低层面例如图2中的63反射的、并沿钻孔向上传播的能量。因此，其“移出”也与直达波(P或S)的移出相反。这种反射是VSP数据分析的重要部分，因为它们提供了观察钻头前方的能力。

[0029] 现在转到图4，其显示了本发明方法一个实施例的流程图。203产生表面信号。在任何VSP采集中，在数据采集中所用的震源都可以有多种选择。广而言之，有两种类型的震源：脉冲源和非脉冲源。在海洋环境中，通常使用的脉冲源是气枪或气枪阵列。气枪是一种具有相对低能量的设备(相对于高能量爆炸源，例如炸药)。使用低能量源如气枪是出于多种原因，包括降低对海洋生命的伤害和安全问题。单一的气枪产生一个气泡，其产生连续的脉冲，因此对于VSP数据采集而言是不理想的：连续的振动导致频谱带宽相当窄，使得难以精确地获取地震信号的到达时间。出于这个原因，通常在海洋数据采集中使用具有相当宽带宽的气枪阵列。使用气枪阵列可以灵活地调谐气枪阵列的频谱，从而获得期望的带宽，并使接收器处的信号水平最大化。可调谐气枪阵列的一个实例在授予Dragoset的美国专利4,739,858中给出。

[0030] 用于海洋地震数据采集的非脉冲源是海中振荡器。海中振荡器在地震数据采集中具有悠久的历史。更新的发展，例如授予Sallas的美国专利4,918,668中所公开的，包括可调谐海中振荡器阵列。在振动勘探中，震源发出一个低功率扫描频率信号，持续时间为10-20秒量级。接收的信号与扫描信号(与扫描信号相关的信号)相关，以便回收地层的脉冲响应。在传统的表面地震数据采集中对海洋振动数据的处理需要对震源的运动进行多普勒补偿。这对于在固定震源位置执行的VSP数据采集而言不是问题。然而，如果使用移动震源执行偏移VSP勘测(offset-VSP survey)，则必须进行多普勒修正。在例如授予Dragoset等的美国专利4,809,235中对多普勒补偿方法进行了讨论。

[0031] 使用振荡器作为陆地地震勘探的地震源也具有同样长的历史。授予Broding的美国专利3,701,968和授予Miller的美国专利3,727,717公开了使用具有垂直运动从而适合于用作压缩波源的振荡器。授予Fair的美国专利3,159,232公开了使用水平振荡器用于产生剪切波能。

[0032] 上述震源的一个共同特征是，输出信号的方向性特别是频谱是可控的。在这种意义上，地震源是可控的。在本发明的一个实施例利用了控制频谱特征的能力，如下所述。

[0033] 本发明使用的井下探测器典型地包括一个或多个水听器、地音探听器或加速度计。水听器对压力振动敏感，因此不需要与地层耦连。如果与地层良好耦连，则可以提高其它传感器(地音探听器和加速度计)的性能。当这些传感器在BHA上时，则难以获得耦连。在本发明的一个实施例中，井下探测器安装在非旋转套管(sleeve)上，该套管可以钳制在钻孔壁上。这种非旋转套管在授予Kruspe等的美国专利6,247,542中有公开，该专利与本发明的受让人相同，并且本文引用其内容作为参考。当用于剪切波VSP时，特别重要的是具有可响应水平运动的传感器，也就是x-和y-分量地音探听器或加速度计(位于垂直钻孔中)，因为垂直传播的剪切波具有很小的或者没有垂直运动。当执行P波VSP时，不需要使传感器处于固定位置。水听器的灵敏性是全方位的，并且可以用在一个旋转的传感器上，用于接收井下P波信号。

[0034] 另一个考虑是，利用扫描频率源，井下x-和y-传感器对剪切波信号到达的响应取决于传感器的方位。如果传感器随BHA旋转，则需要知道传感器在数据采集期间的方位。这可以用磁力计和/或加速度计实现。在进一步处理之前，所接收的信号的方位必须加以修正(利用坐标的直接旋转)，并且这一能力是井下处理器的一部分。另一方面，如果传感器位于非旋转套管上，则不需要该连续修正。

[0035] 应当注意，利用表面震源和井下探测器，表征震源子波所需的参数数目(可能子波波形的可能组合)少于Dubinsky所致力的问题。在Dubinsky中，钻头本身起地震源的作用，甚至在最简单的情况下，输出地震信号取决于需要参数，例如所钻探地层、钻头上的重量、施加在钻柱上的扭矩。震源子波进一步依赖于钻探模式(钻头的可能涡动、滑动等)另一方面，本发明的接收器由于接近钻头而处于极大的噪音环境中。在本发明的一个实施例中，使用衰减器衰减噪音。

[0036] 返回图2，激发震源使得地震波传播进入地层(如波束55、55’和61所示)。最终的数据由井下探测器接收，并可以存储在合适的井下存储器中。可以使用一个参考探测器R1测量下传信号，并且在205向井下传送所产生信号的关键特征。该遥感勘测可以通过例如使用泥浆脉冲遥感勘测加以实现，例如授予Gruenhagen的美国专利5,963,138中公开的。当参考探测器用在陆地VSP勘测中时，它可以是一个埋置探测器(地音探听器、水听器或加速度计)。当参考探测器用在海洋VSP勘测中时，它可以是水层之内的水听器，或埋置在水下底部内的探测器。

[0037] 利用扫描频率源，最通常使用的扫描是线性扫描，其中瞬时频率由如下的公式表达给出：

[0038] ω＝ω0+At (1)

[0039] 其中ω0是初始角频率，ω是时间t时的频率，A是角频率随时间变化率。扫描振幅典型地包括一个振幅均匀的中间部分，和一个趋向于0振幅的较早的和较晚的锥形。其如图5示意地显示。

[0040] 当使用线性频率扫描时，向井下传送的震源信号的关键特征是初始频率ω0、扫描速率A和扫描持续时间。本领域技术人员会意识到，扫描的总时间、初始和结束频率可传递基本上相同的信息。也可以使用其它等价的公式。此外，关键特征可以包括与图5中振幅锥形率相关的信息。需要注意的是，震源信号可以用有限数目的特征表征，从而在遥感勘测系统的有效遥感勘测能力内，向井下发送信息是可行的。

[0041] 一旦向井下传递了有关震源特征的这一关键信息。井下处理器就能够重建震源信号。向井下传递的另一条信息是信号的开始时间。在本发明的一个实施例中，使用铷钟保持表面地震源与井下处理器之间同步。这种铷钟在DiFoggio等的美国专利申请系列No.10/664,664有公开，其与本发明的受让人相同，本文引用其全部内容作为参考。

[0042] 本领域技术人员会意识到，地层是消耗介质，其选择性吸收高频率。通常使用的模型用品质因子Q表征地层。品质因子可以是深度的缓慢改变的函数，取决于地层岩性和流体内容物。利用这种模型，沿z向传播的地震波的传播波数可以写作：

[0043]

[0044] 其中kz是波数，ω是角频率，V是相速度，α是衰减因子。衰减因子α与品质因子Q相关如下：

[0045]

[0046] 通常使用的近似通过如下的相关公式将速度V与角频率ωr下的参考速度Vr相关联：

[0047]

[0048] 使用等式(2)-(4)和向井下发送的震源信号的关键特征，能够重建地震信号的波形。使用震源激发的时间确定用于在井下分析数据的窗口211。使用重建的波形作为过滤器，用于处理所记录的数据209，从而用已知的处理VSP数据的方法进一步进行分析213。

[0049] 利用上述的概念，下面参考图6讨论本发明的示例性应用。在VSP型测量中，在钻井同时借助多个井下声敏传感器(地音探听器、加速度计、水听器)记录由可重现标准表面地震源301如气枪或振荡器产生的地震信号。通过近震源接收器303在表面记录震源子波。在图6中，接收器305被显示位于地层表面上，但是它也能够埋置在(陆地上)、水中或水下底部内(用于海洋记录)。

[0050] 在向前钻进的同时在初始深度如305开始，记录由震源产生的地震信号。这可以在浅层深度和声“寂”环境内实现，从而使子波能够良好地代表从震源传出的信号。由已知的震源子波(或是预定的或是井下遥感勘测的)，可以确定路径351的衰减因子α。

[0051] 在下一个深度水平307，执行第二个测量周期。由于深度更大并且由钻井处理产生的噪音水平增大，因此这个水平上的信号比接收器在305获得的信号的衰减和失真要大得多。现在可以使用先前从深度305识别的子波通过互相关或相似技术确定新测量周期的第一到达时间。然后根据第一到达时间之后接收的信号识别实际测量结果中地震记录线内的子波。在本发明的一个实施例中，通过比较在305处得到的子波与在深度307处得到的子波确定衰减因子α。衰减因子可以看作地层的一个参数特征。

[0052] 然后在其它的深度，例如309...311，重复上述处理，从而用在较浅深度处测得的子波获得第一达到时间和衰减因子。

[0053] 确定第一到达时间的处理如图7示意地显示。如图7所示，在初始深度401，确定参考子波(信号)411。在此点还可以确定α的初始值。然后在下一深度403使用该参考子波确定第一到达时间405。一旦通过合适的开窗术(windowing)建立深度403处的到达时间，则可获得更新的子波407。如果钻井继续409，则在403重新开始该处理，用更新的子波407作为新的参考子波411。衰减因子α也可以被确定413。本领域技术人员能够意识到，在特别感兴趣的大多数情况下，直达波发生在表面地震源激发后的10秒钟内。

[0054] 在本发明的一个可选择实施例中，可以用来自表面的震源信号遥感勘测信息确定每个深度的平均α值。当使用后续深度的噪音子波确定α的增加值时，使用这种用于确定α平均值的遥感勘测信息可以避免可能出现的问题。

[0055] 本发明是在VSP数据采集环境中描述的，其中地震源位于表面位置或其附近。但是当地震源位于预先存在的钻孔内时，也可以使用本发明。利用这种配置，可以在钻探井筒期间进行跨井(crosswell)测量。根据这些跨井测量结果，能够确定从预先存在的井筒开始钻井的井筒的位置，并且根据所确定的距离，能够控制井筒的钻进方向。

[0056] 尽管前述公开致力于本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员而言显然存在各种各样的修改。需要注意，在附加权利要求书的范围和精神内的所有这些修改都在前述公开的范围之内。