22、胜利局钻井信息中心]钻井工程领域随钻地震技术(RVS.doc

第六届全国石油钻井院所长会议论文集钻井工程领域随钻地震技术（RVSP）应用研究魏茂安 孙正义（胜利石油管理局钻井信息中心，257000）【摘 要】 在钻井过程中，如何不中断钻井作业，通过实时地震测量，及时预测钻头前方地层压力及监测井下状态，并通过井旁构造成像等技术为井队提供井下实时工作参数，为决策者在钻井过程中及时调整钻井方案，已成为现代钻井工程越来越迫切需要解决的问题。本文在分析国内外随钻地震发展现状及发展趋势基础上，研究传统随钻地震技术局限性，提出了基于钻井工程环境的随钻RVSP技术，改进了检测系统构建体系，并针对性实施现场实验，取得了理想的效果。【关键词】 随钻RVSP 参考信号 地面测线 钻井工程环境 地层孔隙压力预测引言石油钻井工程是一项高投入、高风险的地下隐蔽工程，地下情况具有很大的模糊性和不确定性，给钻井作业带来了极大风险，井下事故和复杂情况时有发生，增加了钻井成本，影响了勘探效益。因此，实时掌握地层各种参数、预测地层压力、监控井下状态等有着极其重要的作用，是十分必要的。而且，全球油气资源的可持续利用问题日益突出，油气勘探开发朝着新探区及深井、超深井等方向发展，对钻井效率、成本、安全及油气层保护等方面提出了更高的技术要求，所以必须采取积极有效的勘探手段，科学地进行钻井工程设计和施工，避免和减少各种钻井事故。垂直地震剖面技术(VSP)是一种有效的井旁地震勘探方法，在勘探开发中发挥了巨大的作用，但VSP数据的采集需中断钻井过程，在钻井到达某一阶段时进行，这种测量的滞后性使得人们在钻井过程中无法及时掌握钻头与目的层的相对位置，如果此时钻头已偏离目的层，就失去了调整钻头轨迹的最佳时机。而更多的情况则可能会因为费用太高或在地表条件不允许安置地面震源时，无法得到所需的井旁地震资料。因此，在钻井过程中，如何不中断钻井作业，通过实时地震测量，及时预测钻头前方地层压力情况以及进行井下状态监测，并通过井旁构造成像等技术为井队提供井下实时工作参数，为决策者在钻井过程中及时调整钻井方案，保证钻井安全、提高钻井效率和优化套管设计提供依据等，已成为越来越迫切需要解决的问题。随钻地震技术正是适应这种需要而发展起来的一种技术。目前，发达国家的一些石油公司，如Schlumberger、IFP等研发的随钻地震装置已投入现场应用，并取得了巨大的社会效益和经济效益。我国虽也进行此项技术研究，但由于起步较晚，迄今尚未取得突破性的进展。本文涉及的研究课题，在深入研究并吸取国内外成功经验的基础上，基于钻井工程环境，并立足于钻井工程应用，成功构建了随钻RVSP检测系统，在不同钻井工程环境下进行了四次现场试验。1 随钻RVSP原理随钻RVSP是以钻井作业中钻头破岩时产生的振动作为地下震源，通过安装在井架和钻杆顶端的传感器采集由钻杆传送上来的钻头振动信号，并通过地面测线上的检波器排列采集经地层传播上来的钻头信号的直达波和反射波，见图1。由钻杆上采集到的信号通常称为参考信号或导航信号，进行各种去噪处理后，将参考信号经过预处理与地面检波器的信号互相关和时移转换，获得井旁区域地震剖面。随钻地震技术是地震勘探技术与石油钻井技术相结合的产物，是国外近年来发展起来的一种新的井中地震方法。应用随钻地震，可以获得地震波的旅行时间、传播方向、频率、相位(波形特征)、极性、偏振等，从而反映岩层的波阻抗、反射系数、衰减、层速度、泊松比、地层各向异性等地球物理特征。因此，随钻地震作为钻井过程实时监测的手段，能及时为钻井工程师和决策者提供相关信息，作为一种新的低成本的勘探手段，能为油田开发或储层描述提供进一步的补充信息。图1 随钻RVSP示意图2 随钻RVSP系统构建随钻地震数据采集系统主要由参考信号传感器、地面测线和数据采集控制单元组成。在测量开始之前必须先进行参数试验，针对不同的钻井条件及井周围的地震、地质情况，确定野外观测系统参数，在采集软件中设置采集参数，并记录井场提供的其它钻井参数，如钻机钻速、钻杆长度等。数据采集过程由采集控制单元自动控制进行。2.1 参考信号传感器系统配置参考信号传感器参数的选择及其在钻井架上的安装位置，对于记录高质量的参考信号起着关键的作用。系统在钻井井架底部和中间支架上安置2个三分量检波器；在泥浆传送管路上安置一个压力计量器，以便测出液体中声波传播引起的压力变化；在顶部驱动器上安置2对三轴加速度传感器，并确保它们与钻杆之间是紧密接触，使得它们记录的数据能够与轴向、横向以及径向上钻机结构的振动进行对比，并辨认、识别出由于钻头钻压作用于地层而产生的振动。2.2 地面测线设计在地面布置地震测线是为了记录经地层传播到地面的钻头信号。根据不同的地质任务，可以设计多种不同形式的测线，一般设计2条测线，也可以设计成多道测线和环状测线。对于2条测线的情况，当井中目标深度约为5000m时，则需要排设足够长的测线，以保证目的层中的探测范围足够大。较短的测线可用于评价井周剖面顶部的各向异性情况。尽管多道测线的采集和处理的费用较高，但多道数据处理可以改善分辨率和减小记录的时间长度，并能提供有利于地震成像(尤其对于三维目标)的多次覆盖数据。2.3 施工方案设计随钻地震的野外资料采集的过程影响原始资料的质量，也关系到以后的资料处理和解释。因此，精心地设计野外资料采集方法并严格地进行施工，是随钻地震测量能否达到预期目的的首要条件。随钻地震的采集是在井场周围的地表面上埋置地震检波器，接收来自地下的钻头振动信息。通常，检波器是按一条直线等距布置，进行二维观测；也可按面积布置，进行三维观测。由于随钻地震的采集是在有井壁碰撞、泵、发电机及动力设备、车辆及人为因素等强噪声的背景下进行的，所以要进行干扰波分析。在观测方法中通过检波器组合和增加接收排列的偏移距来消除地表干扰波(主要是面波)。2.4 数据处理系统随钻地震是在强噪声背景下完成资料采集的。原始资料中既包含有用信息，也包含各种相干和随机的噪声。有用信息往往被噪声掩盖。随钻地震资料处理的重点是消除干扰和提取最佳钻头信号。由于随钻地震是反向VSP，可以将常规VSP处理方法和软件进行修改，引入到随钻地震资料处理中使用。但是，应考虑随钻地震资料处理的特殊性。随钻地震的数据处理主要由预处理和应用处理组成。随钻地震数据预处理时首先需将加速度检波器记录到的参考信号通过积分变换为速度信号值，使得参考信号与地面检波器信号有着相同的数据类型。其关键在于压制存在于参考信号以及地面检波器信号中的各种强振幅干扰，并通过长时间记录的数据叠加，增强有效信号能量，提高信噪比。3 现场试验及结果分析与国家地震局地球物理研究所、胜利物探公司、郑州物探局等单位合作，胜利石油管理局钻井工艺研究院结合钻井领域的技术发展需求，构建了完善的随钻地震数据采集系统，对随钻地震技术进行了深入研究，并于2005年8月下旬、9月下旬、12月初分别在史38斜7、义深71、车40-31-25井位作了3次试验，获得了正常钻进、不同钻压、转速等条件钻头信号及停钻时的环境噪声，分别对采集的信号分析处理，取得较大进展。系统设计如图2所示。地震观测采用德国SUMMIT数字地震仪（10Hz高频检波器），观测时共使用了60个地震道，其中，CH1、CH2接钻杆顶部的检波器，CH3、CH4接柴油机旁边的检波器，CH5、CH6、CH7、CH8分别与钻台四个脚点的检波器相联结，CH9和CH10接位于泥浆泵旁边的检波器。另外50个地震道(即CH11CH60)组成一个道间距30m的测线，其最小偏移距为300m(即CH11到钻孔间的距离为300m)。观测时采用的仪器采样率为2ms，记录长度64s。为研究钻井状态对随钻RVSP信号的影响，制定现场试验方案如表1所示。其目的在于：（1）取得正常钻进时的随钻地震信号；（2）获取手锤击钻杆时的参考信号，用于分析钻柱传递函数；（3）停钻时采集环境噪声信号；（4）采集不同钻压钻进时随钻地震信号，用于分析钻压与地震信号频谱的关系；（5）采集不同钻速钻进时随钻地震信号，分析钻速对地震信号的影响；以5T钻压钻压正常钻进时采集随钻地震信号如图3所示，图中上面的三行为3D参考信号，下面的各行为测线随钻地震信号。对此信号进行数据预处理如下：（1）频谱分析：确定有效信号主频谱范围。（2）小波去噪：根据上述主频谱范围，利用DB4小波对原始信号作3级小波分解，并对小波系数阈值处理，重构获得去噪的随钻地震信号。（3）低频信号提取：设计低通数字滤波器，完成有效主频谱信号的提取。处理结果如图4所示，从图中基本可以看出多道钻头震动波变化规律。在距离井口（震源处）1.5km处布置高分辨率GURALP地震计，测量单道钻头地震波随钻井工程状态变化而发生的变化。测得信号如图4所示。从信号波形清晰看出钻头震动波差异，此差异准确反映了地震波初至。对此信号作能谱分析，如图5所示，钻头地震波主频谱在10Hz以下，在此频段，冲击信号的能谱明显高于停钻时的能谱，因而，通过设计高性能数字滤波器，可从中分离出钻头地震波有效信号。CH7, CH8柴油机泥浆泵地震仪CH9, CH10CH3, CH4CH1, CH2CH5, CH6CH11CH12CH59CH60NE图2 随钻地震观测工作布置示意图表1 随钻RVSP现场实验内容序号序号试验过程1正常钻进10正常钻进，钻压15吨2手锤击试验11正常钻进，钻压14吨，钻速603停钻观测12正常钻进，钻压15吨，钻速1004正常钻进13正常钻进，钻压14吨，钻速1005正常钻进，钻压10吨14停钻敲击，钻压15吨，敲击5次6正常钻进，钻压15吨15停钻敲击，钻压15吨，敲击6次7正常钻进，钻压15吨，钻速8416停钻敲击，钻压15吨，敲击7次8正常钻进，钻压15吨17停钻敲击，钻压15吨，敲击6次9正常钻进，钻压15吨18正常钻进，钻压15吨，钻速90图3 钻压5T时参考信号和各道地震信号图4 起下钻时随钻RVSP信号图5 停钻及冲击时随钻RVSP信号PSD图4 随钻地震技术难题及解决思路4.1 随钻地震技术难题随钻地震技术与传统VSP技术相比具有许多优势，在钻井过程中随钻地震技术可以实时地提供地层信息，而不必中断钻井过程，无需安放井下仪器。但是随钻地震技术也受到钻井条件的限制。凭借钻柱本身巨大的重量，钻头的振动可以看成是一个有力的震源。然而，它的特性随着许多参数的变化而变化，如：钻头的重量、钻头的转速、地层特性、钻头的类型和磨损程度、以及钻柱和井底钻管系统（BHA）的几何形状和尺寸。上述因素的总体效应必定影响到震源信号振幅和频率的变化。从根本上讲，随钻地震技术难题主要包括：（1）钻头地震波为非冲击信号，无时间原点，因而难以确定波初至；（2）地震波信号弱，被强噪音淹没；（3）震源波形信息获取困难；（4）钻头震源、地质条件及钻进深度不同导致的地震信号一致性差异。4.2 解决方案针对上述难点，拟采取解决方案如下，部分措施已在现场试验中采用，有效改进了系统的可靠性和采集精度。（1）多点参考信号采集，运用自适应滤波去除噪声；（2）基于数据融合理论的参考信号处理，实现有效信号分离；（3）无线Modem 3D加速度检波器研制，采集高精度参考信号；（4）伪随机序列锤击参考信号的取得钻柱传递函数；（5）参数仪环境参数修正地震信号；（6）多道大排列，面积组合检波器，有效抑制环境噪声；（7）测线布置研究；（8）改变钻压获取波的初至；（9）水力脉冲波的使用，增加地震波信噪比。5 结论本研究的主要目标是研制随钻RVSP监测系统，通过安装在井架和钻杆顶端的传感器采集由钻杆传递的钻头振动信号，并通过地面测线检波器排列采集经地层传播上来的钻头信号直达波和反射波，经过各种预处理、信号互相关和时移转换，获得井旁区域地震剖面。由此准确实时预测钻头下方及近区域地层压力，形成规律性的认识，有效指导钻井工程，完善和优化钻井工艺技术，达到减少钻进事故、提高钻井速度、降低钻井成本、减少钻井过程对油藏污染的目的。目前该课题研究在随钻RVSP系统构建、地震信号采集、处理、识别等方面已取得突破性进展。此项目的成功，将填补我国随钻RVSP钻井工程领域应用空白，产生巨大的经济效益和社会效益。参考文献1 韩继勇，随钻地震的钻头震源研究，西安石油学院学报.1998，13(2)，7112 张绍槐，朱根法，随钻地震技术的理论及工程应用，石油学报.1999，20(2)，67723 鲍洪志，应用随钻地震技术认识钻井地层环境因素，石油钻探技术.2001，29(2)，3234 Philip Armstrong，Leslie Nutt，在墨西哥湾深水中利用钻头地震技术优化钻进，石油勘探开发情报.2001，（1）5 Giancarlo Bernasconi, Massimiliano Vassallo ,Efficient