Устройство для прогнозирования литологического разреза скважины в процессе бурения

Устройство для прогнозирования литологического разреза скважины
в процессе бурения
Предлагаемое изобретение относится к области геологотехнологических исследований скважин и предназначено для прогнозирования в процессе бурения литологического разреза пластов, расположенных в области ниже забоя скважины, с использованием виброакустического метода.
Известно устройство для определения литологического разреза в процессе бурения скважин, включающее приемный электрод, регистрирующий электрические сигналы, возникающие в результате взаимодействия бурового инструмента и разбуриваемой породы, и приемник упругих колебаний бурового инструмента, преобразующий их в электрические сигналы см. SU 608915 Е 21 В 47/00, 1978.
В известном устройстве после усиления передающим усилителем, указанные сигналы передаются по проводному или радио-каналу связи на дневную поверхность, где после приемного усилителя, поступают в согласующее устройство, а затем в параллельный анализатор частот сигналов, который подает результаты анализа сигналов на самописец, а преобразованные сигналы в двоичный код - в вычислительную машину. В вычислительной машине производится определение отношения амплитуд электрических и упругих колебаний одинаковой частоты и сравнение полученных отношений с известными отношениями, характерными для каждой горной породы типичного геологического разреза, заложенными в память вычислительной машины,
К недостаткам этого устройства относятся обеспечение получения текущей информации непосредственно в точке нахождения бурового инструмента, погрешность, обусловленная типом используемого канала связи, короткий срок службы вибродатчика, установленного в буровом наконечнике.
Таклсе известно устройство для прогнозирования литологического разреза и его объемного расчленения по вертикали до любой глубины в заданной области, которое включает источник возбуждения упругих колебаний в пунктах, расположенных вдоль прогнозируемого разреза и систему приема отраженных волн, состоящих из отрезков совмещенных продольных и поперечных профилей, по каждой расстановке которых определяют пластовые скорости, по величине и характеру которых судят о степени неоднородности пласта и прогнозируют геологический разрез SU № 1427312, G01V 1/00, 1988.
2003111619
111
11 619
г О О 3 1
В 47/00 G 01 В 1/00
к недостаткам описанного устройства следует отнести неоднозначность в определении коэффициента неоднородности пород, что отражается на точности прогнозирования, невозможность определения маломощных пластов (меньше 100 м).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения литологических свойств горных пород, использующее вибродатчики, регистрирующие вибрации бурильного инструмента на вертлюге, блок первичного приема и обработки сигналов, выполняющий функции усиления сигналов, ограничения их по амплитуде и фильтрации в частотной полосе, центрированной на частоту вращения инструмента, и блок привязки измеренных сигналов к глубине, причем амплитуда полученных сигналов непосредственно коррелируется с литологическими свойствами разбуриваемых горных пород US № 3626482, Е 21В 47/00, 1972.
К недостаткам данного устройства относятся невозможность прогнозирования литологического разреза в области, расположенной ниже забоя скважины, что снижает точность прогнозирования, неучет износа бурильного инструмента, а также влияние на результаты интерпретации большого многообразия конструктивных исполнений режущего инструмента.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности прогнозирования литологического разреза скважин в области, расположенной ниже ее забоя, за счет учета взаимодействия вибрационных сигналов, возникающих при разбуривании пластов, и корреляции получаемой информации с опорной.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для прогнозирования литологического разреза скважин в процессе бурения, включающее последовательно соединенные вибродатчик, установленный на вертлюге, блок частотной модуляции и передатчик с усилителем, канал связи, и соединенные последовательно приемник с усилителем, блок частотной демодуляции сигнала и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к информационному входу блока управления и к входу блока обработки сигналов вибрации, выход которого подсоединен ко второму информационному входу блока управления, согласно полезной модели, введены задатчик шага по глубине, блок прерывателя и генератор временного интервала, а блок обработки сигналов вибрации выполнен в виде последовательно соединенных блока преобразования Фурье сигналов вибраций и блока попарного вычитания сигналов вибраций, вход первого и выход второго которых соответственно являются входом и выходом блока обработки сигналов вибраций, и блока оперативной памяти, подключенного по входу с выходом блока преобразования Фурье сигналов вибраций и по выходу с входом блока попарного вычитания сигналов, при этом выход датчика глубины подключен к третьему информационному входу блока управления и к входу блока прерывателя, к другому входу которого подсоединен выход задатчика шага, выход которого подключен к входу
генератора временного интервала, выход которого подсоединен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к информационному входу блока управления, управляющие выходы которого подсоединены к задатчику шага и генератору временного интервала.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - показана блок-схема алгоритма работы блока управления, на фиг. 3 - представлен геолого-технологический наряд на гипотетическую скважину,
на фиг. 4 - представлены исходные кривые, регистрируемые вибродатчиком на скважине,
на фиг. 5 - результаты обработки этих данных блоком обработки, на фиг. 6 - результаты подробной обработки сигналов вибраций, на фиг. 7 - кривая мощности сигналов вибраций с привязкой по глубине.
Предлагаемое устройство включает в себя вибродатчик 1, установленный на вертлюге, блок частотной модуляции 2 и блек передатчика с усилителем 3, установленные на скважине, радио-канал связи, блок приемника с усилителем 4 и блок частотной демодуляции сигнала 5, установленные на станции ГТК, причем выход блока частотной модуляции 5 соединен с информационным входом аналогово-цифрового преобразователя 6, а также датчик глубин 7, установленный на скважине. Указанное устройство оснащено блоком задатчика шага по глубине 8, блоком прерывателя 9, с входом которого соединены выходы блока задатчика шага 8 и датчика глубин 7, генератором временного интервала 10, выход которого подключен ко входу управления аналого-цифровым преобразователем 6, блоком обработки 11, включающим блок преобразования Фурье сигналов вибраций 12, блок оперативной памяти 13, блок попарного вычитания сигналов вибраций 14, выполненного на базе специализированного микропроцессора ADSP-2189M и связанным с ним блоком управления 15, представляющим собой персональный компьютер на базе Intel Pentium III, на входы которых подается выходной сигнал аналогово-цифрового преобразователя 6, причем информационный выход блока управления 15 подключен к устройству для отображения или вывода на носитель полученной информации 16, а управляющие - к блокам задатчика шага 8 и генератору временного интервала 10.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что амплитуда и частота сигналов вибраций, как верха буровой колонны, так и регистрируемых вблизи бурильного инструмента, несут определенную информацию о литологическом строении горных пород. В ходе аналитических и экспериментальных исследований авторами установлено, что информативные составляющие таких спектральных сигналов вибраций лежат в области высоких частот - от 3 кГц и выше, где происходит сдвиг по амплитуде и частоте (см. фиг. 4).
Поскольку радиус распространения упругих колебаний бурильного инструмента может составлять от десятков сантиметров до нескольких метров в зависимости от твердости пород, связанной с их литологией (см. Б.Н. Ивакин, Е.В. Карус, О.Л. Кузнецов Акустический метод исследования скважин), естественно, что при нахождении в этом радиусе пород разной твердости, они все в той или иной степени влияют на спектральный состав вибрационных сигналов. При приближении бурильного инструмента к подошвенной породе, она все более будет влиять на амплитуду и частоту измеряемого сигнала. Это дает возможность прогнозировать приближение бурильного инструмента к пласту, лежащему глубже исследуемого.
Таким образом, вычитая спектральные кривые (в информационном частотном диапазоне) через определенные кванты глубины, можно оценить динамику приближения бурильного инструмента к подошвенному пласту. Осуществляя попарное вычитание спектральных кривых сигналов и рассматривая полученный результат в области высоких частот, получим картину на фиг. 5.
Так как процесс бурения осуществлялся от пласта песчаников к глинистому пласту, то пока режущий инструмент еще целиком находится в пласте песчаников, видно, что влияние акустических волн песчаника достаточно сильно и составляет порядка 40 отн. единиц величины А/4. Что касается глин, то их влияние еще слабо и практически незаметно. По кривым фиг. 4 видно, что характеристическая частота для песчаников составляет около 3 кГц, а для глин - 3,2 кГц.
При движении бзфильного инструмента дальше по рассматриваемому интервалу (50 см), кривая вычитаний будет принимать все более пологий вид и амплитуда М. будет сдвигаться по оси частот в сторону 3,2 кГц, что будет говорить о приближении к пласту с глинами и, соответственно, уменьшению влияния пласта песчаников.
В конце концов, амплитуда кривой будет находиться на частоте 3,2 кГц, что будет указывать на вхождение бурового инструмента в глинистый пласт.
Для более точного прогнозирования литологического разреза разбуриваемых пород, в качестве определяющего тип породы параметра была выбрана мощность спектрального сигнала вычитаний.
Устройство (см. фиг. 1) работает следующим образом.
Информационный параметр - сигнал вибраций верха буровой колонны регистрируется вибродатчиком 1, установленным на вертлюге скважины. Измеренный вибрационный сигнал частотно модулируется блоком 2 и поступает на блок передатчика с усилителем 3. После передачи сигнала по радио-каналу связи в аппаратную часть, установленную на станции геологотехнологического контроля, сигнал усиливается блоком приемника с усилителем 4, демодулируется блоком 5 и преобразуется в двоичный код аналогово-цифровым преобразователем 6 в течение времени, задаваемое управляющим сигналом генератора временного интервала 10.
Датчик глубин 7 позволяет привязывать измеренные вибрационные сигналы к текущей глубине бурения, выходной сигнал которого также через прерыватель 9 управляет включением генератора временного интервала 10 длительностью Л через определенный интервал глубины д/, который задает блок задатчика шага 8. Выходной сигнал генератора 10 задает время работы аналогово-цифрового преобразователя 6, таким образом, обеспечивая передачу в блок обработки 11 и блок управления 15 вибрационные сигналы определенной длительности д/. Блок обработки 11 оснащен встроенной оперативной памятью, что позволяет осуществлять прямое преобразование Фурье сигналов вибраций и производить последовательное попарное вычитание вибрационных сигналов в информационной частотной области с запоминанием полученных результатов. Последовательные сигналы вычитаний с выхода блока обработки 11 передаются в блок управления 15, который осуществляет расчет мощности сигналов вычитаний и выдачу их на устройство отображения 16. Блок управления 15 также осуществляет анализ дискретных вибрационных сигналов с выхода аналогово-цифрового преобразователя 6 и сигналов вычитаний, по результатам которого задает оптимальные параметры работы блока задатчика шага 8 и генератора временного интервала 10.
Для иллюстрации функционирования предлагаемого устройства рассмотрен литологический разрез гипотетической скважины с чередованием пластов - песчаник, легкая глина, известняк и легкий песчаник (см. геологотехнологический наряд на фиг. 3). Кривые вычитаний спектральных сигналов, поступающие на вход блока управления показаны на фиг. 6. На фиг. 7 показана функция спектральной мощности в зависимости от глубины.
Сопоставляя полученную характеристику спектральной мощности с геолого-технологическим нарядом, можно отметить, что в пласте песчаников (7700-7720 м) и известняков (7770-7800 м) отмечаются максимальные значения спектральной мощности, в то время как в пласте глин (7730-7760 м) значение мощности имеет минимальное значение.
Таким образом, данный способ обработки сигналов вибраций верха буровой колонны позволяет прогнозировать литологический разрез впереди забоя скважины в процессе бурения.
Предлагаемый способ отличается тем, что с целью прогнозирования литологического разреза через каждые л/ (/г - глубина) берутся временные последовательности сигналов вибраций длительностью Д/, которые затем подвергаются прямому преобразованию Фурье. Затем полученные данные последовательно попарно вычитаются в информационных частотных областях, определяется спектральная мощность полученных сигналов, строится кривая мощности в зависимости от глубины скважины и по полученным результатам судят о приближении границы подошвенного пласта.