СПОСОБ ОБРАЩЕННОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
INVERSE VERTICAL SEISMIC PROFILING METHOD AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к геофизическим методам исследования, в частности к модификации обращенного вертикального сейсмического профилирования (ВСП), использующей в качестве источника упругих колебаний работающее буровое долото, воспринимающее дополнительные ударные нагрузки от гидроударного устройства, устанавливаемого над долотом. В этой модификации упругие колебания, распространяющиеся от забоя бурящейся скважины по окружающим горным породам, регистрируются сейсмоприемниками, расположенными в приповерхностной зоне, а опорный сигнал, возбуждаемый долотом, регистрируется в верхней части бурильной колонны и непосредственно над долотом и используется сигнал от верхнего сейсмоприемника для предварительного выделения из записей, зарегистрированных сейсмоприемниками, полезных волн, несущих информацию о сейсмических параметрах горных пород, окружающих скважину, а также расположенных ниже ее забоя, а сигнал с нижнего сейсмоприемника - для окончательной обработки сигнала. Более конкретно изобретение относится к тому случаю, когда исследуемый геологический объект разбуривается более чем одной скважиной, и направлено на увеличение объема оперативно получаемой информации о разбуриваемом объекте и сокращение затрат на получение такой информации. Широкое внедрение обращенного ВСП в практику работ с использованием взрывных источников, опускаемых в скважину на кабеле, подтвердили высокую геологическую эффективность этой модификации метода (Силаев В.А. Сейсмическое торпедирование глубоких скважин при длительном изучении нефтеперспективных объектов. М. 1983, с.60, ил. (Регион, развед. и промысл. геофизика. Обзор./ВНИИ экон. минер, сырья и геол. - развед. работ ВИЭМС)). Однако экономическая эффективность применения взрывных источников при обращенном ВСП остается невысокой из-за малой канальности кабеля и ограниченной возможности осуществить накопление воздействий. Кроме того, при изучении больших глубин резко возрастает время на спуско-подъемные операции во время проведения обращенного ВСП, а следовательно, возрастают затраты на задалживание скважин. Следует также отметить опасность проведения взрывов в открытом стволе скважины, пересекающей терригенные породы.
тр
тр
Наиболее простым и эффективным глубинным источником колебаний является работающее буровое долото. Долото с работающим гидроударным устройством (далее - гидроударник) обладает всеми положительными качествами, присущими взрывным источникам, и отсутствием вышеперечисленных недостатков. В процессе воздействия долота с работающим гидроударником на забой скважины формируется квазислучайный процесс излучения упругих колебаний в окружающую среду, обусловленный главным образом ударами зубьев вращающегося долота о забой и режимом работы гидроударника. Возбуждаемые работающим долотом и гидроударником колебания распространяются также вверх по бурильной колонне. Регистрация этих колебаний датчиком, расположенным в верхней части бурильной колонны, позволяет судить о сигнале, распространяющемся от забоя в окружающие горные породы. Кроме того, сам по себе этот сигнал несет информацию о разбуриваемых породах, режиме бурения и состоянии бурового долота. Распространяющийся в окружающих горных породах сигнал, возбуждаемый буровым долотом и гидроударником, проходит к земной поверхности непосредственно или после отражения от сейсмических границ, расположенных ниже забоя скважины, и может быть зарегистрирован сейсмоприемниками, расположенными в приповерхностной зоне вблизи бурящейся скважины, а также на различных от нее удалениях и в различных азимутах. Используя регистрируемый в верхней части бурильной трубы сигнал в качестве опорного сигнала, можно, формируя функции взаимной корреляции (ФВК) этого сигнала и записей, полученных от сейсмоприемников, преобразовать эти записи в импульсную форму, аналогично тому, как это делают в вибросейсморазведке, где роль опорного сигнала играет свип. Поскольку глубина забоя и скорость распространения опорного сигнала вдоль бурильной трубы известны, то после формирования ФВК в каждую запись можно ввести статическую поправку, равную времени распространения опорного сигнала от долота до датчика опорного сигнала, приведя запись к отметке момента возбуждения, соответствующей началу очередного "свипа". Величина статической поправки равна Δt=l/v, где l длина бурильной колонны, а V - скорость распространения трубной волны.
В патентной и технической литературе описаны способы обращенного ВСП, использующие работающее буровое долото в качестве источника упругих колебаний (А.с. СССР N 1035549. Способ скважинной сейсморазведки. Г.А.Шехтман и М.Б.Шнеерсон. Опубл. в БИ, 1983, N 30; Rektor III J.W. Marion B.P. Extending VSP to 3-D and MWD: using the drill bit as downhole seismic source. // Oil and Gas J. 1989, v.87, N 25; Rector III H.W. Marion B.P. The use of drill-bit energy as a downhole seismic source. // Geophysics, v.56, N 5, 1991). Общим в этих способах является использование бурового долота, работающего в нестационарном режиме, в качестве источника упругих колебаний, регистрируемых сейсмоприемником в приповерхностной зоне, а также датчика опорного сигнала, расположенного в верхней части бурильной колонны. Опорный сигнал используют как аналог свипа в вибросейсморазведке для выделения из записей сигналов, возбуждаемых буровым долотом. Принципы, положенные в основу этих способов, детально описаны выше.
Ближайшим к предлагаемому техническим решением является способ обращенного ВСП, в котором упругие колебания возбуждают работающим буровым долотом, регистрируют записи колебаний при помощи сейсмоприемников, расположенных в приповерхностной зоне вблизи устья бурящейся скважины и (или) на различных от нее удалениях и в различных азимутах, регистрируют возбуждаемый долотом опорный сигнал при помощи датчика, расположенного в верхней части бурильной колонны, выделяют по функциям взаимной корреляции между опорным сигналом и записями объемные волны, по которым определяют сейсмические параметры среды и формируют ее изображение (Патент США N 4926391 от 15.05.1990, заявл. 21.10.1988, авторы: J.Rektor, B.Marion, B.Widrow, J.A.Salehi). Наиболее существенным отличием данного технического решения, убедительно подтвержденным экспериментально (см. статью: J.W.Rector III, B.P.Marion and R.A.Hardage. The use of an active drill bit for inverse VSP measurements. // Explor. geophys. 1989, v.20, N 1-2), является использование непрерывного квазислучайного процесса, которым характеризуется излучаемый работающим долотом сигнал, для его выделения из записи, сформированной из объемных волн, распространяющихся от долота по окружающим горным породам, и различных помех, интерферирующих с этими волнами. Изображение среды, полученное путем миграции записей, зарегистрированных при возбуждении колебаний буровым долотом, по качеству и главным образом разрешенности оказалось не хуже, чем изображение, полученное при прямом НВСП в результате отработки скважины после завершения ее бурением. Тем самым была показана конкурентоспособность данной модификации метода ВСП, открывающей, как отмечалось первыми двумя авторами прототипа в одной из их статей, "новую эру" в скважинной сейсморазведке (см. в журнале: Oil and Gas J. 1989, v.87, N 25, p.55-58).
Явным ограничением области применения этого способа является изучение в нем околоскважинного пространства лишь одной бурящейся скважины. Между тем при разведке и эксплуатации месторождений углеводородов, а также других интересных для геологии и геофизики объектов нередко одновременно забуривается несколько скважин, по меньшей мере, две. В этих случаях непосредственное применение известного способа приводит к затратам, кратным числу бурящихся скважин, так как в окрестности каждой из них необходимо устанавливать сейсмостанцию с обслуживающим ее персоналом. Учитывая, что продолжительность бурения довольно велика, может оказаться, что расходы по изучению одновременно разбуриваемой площади станут не под силу геофизическому предприятию, проводящему обращенное ВСП в процессе бурения. Между тем информацию о режиме бурения и оперативный прогноз геологического разреза, особенно о той его части, которая расположена ниже скважины, крайне желательно иметь по каждой из бурящихся скважин своевременно. Крайне необходимо это в тех районах, где залежам углеводородов сопутствуют зоны аномально высокого пластового давления, в частности рапоопасные зоны. Своевременный прогноз наличия таких зон позволяет вовремя изменять режим бурения (в основном плотность бурового раствора) и избежать тем самым аварии скважины, связанных с нею огромных расходов, а возможно и человеческих жертв.
Наиболее близким способом является способ (Патент РФ №2066469 авторы: Михальцев А.В.; Шехтман Г.А.; Федотов С.А), взятый за прототип. В нем дополнительно регистрируют опорный сигнал при помощи датчика, установленного, по меньшей мере, еще на одной бурящейся скважине, и одновременно регистрируют в виде суммарной записи колебания, возбуждаемые в различных скважинах, после чего на суммарной записи путем формирования функций взаимной корреляции с каждым из опорных сигналов выделяют объемные волны, возбуждаемые долотом в каждой из бурящихся скважин. Кроме того, при наличии на разбуриваемом объекте уже пробуренной скважины в нее устанавливают приемники колебаний на глубину, расположенную под резкими акустическими границами, расположенными в верхней толще разреза. Приемники, расположенные в уже пробуренных скважинах, в одном из воплощений этого способа в процессе бурения могут перемещаться вдоль ствола скважины с шагом, позволяющим разделить между собой в рабочем диапазоне частот падающие и восходящие волны. Максимально полная информация об изучаемом объекте в процессе его разбуривания несколькими скважинами обеспечивается путем регистрации опорных сигналов и суммарных записей при возбуждении колебаний работающим долотом во всех скважинах, разбуривающим изучаемый объект; по выделенным при этом волнам определяют сейсмические параметры и (или) формируют пространственное изображение объекта. Повышение помехоустойчивости способа достигается путем подавления квазисинусоидальных помех, возбуждаемых в бурильной колонне, а также промышленных электрических помех в каналах датчиков опорных сигналов и в каналах сейсмоприемников в процессе регистрации колебаний, возбуждаемых работающим долотом. В прототипе точное определение временной поправки опорного сигнала на датчике, установленном на устье бурильной колоны, столкнулось с большими неразрешимыми проблемами, так как скорость звука по колоне зависит от ряда параметров, которые непредсказуемо меняются в процессе бурения, такие как напряженное состояние труб от колебаний давления рабочей жидкости и нагрузки на долото, от траектории бурильной колоны в скважине и т.п. Ошибка могла достигать очень больших величин, что и привело к фактическому отказу от применения этого метода на практике. Также в процессе воздействия долота на забой скважины в прототипе формируется квазислучайный процесс излучения упругих колебаний в окружающую среду, обусловленный главным образом ударами зубьев вращающегося долота о забой. Устойчивость процедуры селекции этого сигнала при работающей буровой установке (насосные агрегаты, лебедки, генераторы, транспорт и т.п.) сильно зависит от отношения сигнал/шум. При реализации прототипа приходилось для уменьшения воздействия шумов приемники заглублять в грунт, что приводит к дополнительным затратам.
Задачей настоящего изобретения является сокращение затрат на оперативное получение геологической и технологической информации об одновременно разбуриваемом объекте. Кроме того, цель изобретения - повышение разрешающей способности способа. Еще одной целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости способа.
Поставленная цель достигается тем, что дополнительно регистрируют опорный сигнал при помощи автономной сейсмостанции с внутренними часами и блоком памяти, установленной в непосредственной близости с работающим долотом.
Повышение помехоустойчивости способа достигается путем увеличения сигнала от долота, что достигается установкой гидроударника с блоком привода и управления по гидравлическому каналу, который с регулируемой частотой будет создавать дополнительную ударную нагрузку на забой через долото.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. При бурении одновременно нескольких скважин в пределах одного и того же объекта, представляющего разведочный интерес, работающее долота с включенными на различных режимах гидроударниками, установленными в непосредственной близости от своего долота, каждой из бурящихся скважин излучает упругие колебания, форма которых существенно отличается от таковой для колебаний, излучаемых в других скважинах, так как режимы бурения в каждой из скважин, определяемые глубиной забоя и литотипом разбуриваемой породы и еще режимом работы гидроударника, различны. При этом существенно, что на квазисинусоидальные колебания, частота которых определяется главным образом частотой вращения бурового инструмента, его параметрами, а также типом разбуриваемой горной породы, накладываются отдельные удары зубьев бурового долота о забой скважины, формирующие квазислучайный процесс, характеризующийся широкополосным спектром, осложненным резонансными пиками, будут сильно зависеть от параметров работы гидроударника. Квазислучайные процессы, характеризующие сигналы, возбуждаемые буровым долотом с работающим гидроударником в различных скважинах, различаются между собой существенно, поэтому опорные сигналы, зарегистрированные датчиками, установленными в верхней части бурильной колонны и в станции над долотом в каждой из бурящихся скважин, также будут резко различаться между собой. Что же касается сейсмоприемников, установленных в пределах разбуриваемого объекта, то они будут регистрировать суммарный сигнал, сформированный как результат суперпозиции помех и объемных волн (проходящих, отраженных, головных и др.), распространяющихся в окружающих породах от забоя каждой из бурящихся скважин. Ясно, что уровень сигналов, приходящих от каждой из скважин, будет определяться интенсивностью возбуждаемых сигналов (в более крепких породах она выше; при работе гидроударника на максимальных расходах - она максимальная), удаленностью от скважины сейсмоприемника, а также близостью забоя к целевому объекту, отражение упругих волн от которого требуется выделить для формирования изображения объекта.
Если сформировать ФВК одного из опорных сигналов, зарегистрированных на одной из бурящихся скважин, с суммарной записью, зарегистрированной одним из сейсмоприемников, расположенным на исследуемом объекте в приповерхностной зоне, то выделены из суммарной записи будут только те волны, которые пришли к данному сейсмоприемнику от работающего бурового долота именно той из бурящихся скважин, на которой был зарегистрирован данный опорный сигнал; при этом сигналы от других бурящихся скважин будут подавлены как нерегулярные помехи, поскольку их форма будет существенно иной. Поочередно формируя ФВК каждого из опорных сигналов с суммарной записью, в результате получают раздельные записи в импульсной форме, число которых равно числу бурящихся скважин. Вводя в каждую из полученных ФВК временной статический сдвиг, равный времени распространения продольной волны вдоль бурильной колонны от долота датчика опорного сигнала, получают предварительные записи в импульсной форме, на которых время прихода волн отсчитывается от момента их возбуждения на забое соответствующей скважины. Положение забоя каждой из одновременно бурящихся скважин в момент регистрации суммарной записи различно, и его координаты учитывают в процессе обработки. Координаты забоя можно также определить совместно с сейсмическими параметрами околоскважинного пространства путем решения трехмерной обратной кинематической задачи, обеспечив для этого необходимое число пар источник-приемник и соответствующее их пространственное расположение.
После подъема инструмента вводят в каждую из полученных ФВК временной статический сдвиг, полученный с записи по внутренним часам со станции над долотом, получают окончательные записи в импульсной форме, на которых время прихода волн отсчитывается от момента их возбуждения на забое соответствующей скважины.
Расположение сейсмоприемников в окрестности исследуемых бурящихся скважин и между ними определяется решаемыми задачами, оно аналогично двумерным и трехмерным системам наблюдений прямого ВСП. Квазислучайный характер колебаний, возбуждаемый работающим буровым долотом и усиленный работающим гидроударником, позволяет одновременно регистрировать записи от любого числа бурящихся скважин при условии, что на каждой из них установлен датчик опорного сигнала в непосредственной близости от работающего долота. В одном из предлагаемых конкретных воплощений изобретения регистрируют опорные сигналы на каждой из скважин, разбуривающих изучаемый объект, а также суммарную запись, из которой изложенным выше способом выделяют колебания, возбуждаемые в каждой из скважин; по выделенным при этом волнам определяют пространственное изображение объекта, обладающее максимальной информативностью. Наличие записей, полученных из различных скважин при различной глубине работающего бурового долота, создает предпосылки для повышения качества изображений путем их накапливания. Последнее осуществляют известным путем, применяя суммирование накапливаемых сигналов или медианную фильтрацию.
Предлагаемый способ реализуется при помощи современных рабочих станций, устанавливаемых на разбуриваемом объекте. Формирование ФВК записей с опорными сигналами, поступающими на рабочую станцию с каждой из бурящихся скважин, и накапливание полученных ФВК с целью повышения отношения сигнал/помеха выполняют известными способами. Передачу опорных сигналов с каждой из бурящихся скважин на рабочую станцию целесообразно осуществлять по радио, используя для этого известные современные устройства, применяющиеся при режимных наблюдениях над процессом бурения по акустическим сигналам, регистрируемым в верхней части бурильной колонны (см. например, статью: K.Rappold. Drilling optimized with surface measurement of dounhole Vibrations. // Oil Gas J. Feb. 15, 1993).
Предлагаемое изобретение, в отличие от прототипа, позволяет в дополнение к перечисленным выше преимуществам исключить влияние фактора времени на результаты обращенного ВСП, получаемые в каждой из бурящихся скважин. Более того, одновременная регистрация колебаний, возбуждаемых в процессе бурения различных скважин, расположенных в пределах целевого геологического объекта, позволяет осуществлять наблюдение за объектом во времени (мониторинг) по изменению значений сейсмических параметров, обусловленному, например, перемещением контура залежи углеводородов в процессе эксплуатации месторождения. Тем самым дополнительно обеспечиваются новые возможности для решения технологических задач нефтегазовой геологии.
Регистрация в предлагаемом изобретении суммарной записи, включающей одиночные квазислучайные процессы, создает предпосылки для одновременной регистрации практически неограниченного числа таких процессов, каждый из которых характеризует режим бурения в соответствующей скважине, а также освещает геологический разрез ниже забоя и в ее окрестности.
Данный способ искусственно управляемого процесса возбуждения колебаний при помощи управляемого гидроударника и регистрации опорного сигнала датчиком автономной станции, установленной в непосредственной близости от долота, позволяет уменьшить отношение сигнал/шум, ликвидировать ошибку определения времени прихода опорного сигнала, что повышает достоверность определения геологического разреза ниже забоя и в ее окрестности.
Гидроударник с отсеком управления и регистрации опорного сигнала, закрепляемый над забойным инструментом, управляется по гидравлическому каналу. Это позволяет проводить искусственно управляемый процесс возбуждения колебаний в любой момент работы долота и на любую необходимую по времени продолжительность, что позволит проводить накопление и рационально использовать внутреннюю память автономной сейсмостанции, запись параметров которой проводится по команде на включение гидроударника и заканчивается по команде на выключение гидроударника. При работе гидроударника на забой создаются ударные нагрузки в (3…9) кН с частотой ударов (15…25) Гц в зависимости от расхода рабочей жидкости (1…3 л/с), подаваемой на него. Лопастные долота по ОСТ 26-02-1282-75, ОСТ 39-110-80, ТУ 41-01-45 7-82 имеют допускаемую нагрузку, к примеру, для П-215,9 - 60 кН. Допускаемая нагрузка для долота 3Л-215,9 - 150 кН. Допускаемая нагрузка для долота 3ИР-215,9 - 150 кН. Допускаемая нагрузка для долота 6ИР-215,9 - 220 кН. Из графика режимов отработки алмазных долот фирмы «Даймонд Боот» нагрузка на долото для диаметра 215 мм - 40 кН (армированные сплавом «Стратипекс»), 80 кН (импрегированные), 150 кН (армированные алмазами). Пульсация нагрузки на долото при работе гидроударника в самом тяжелом случае не превышает 10% от допускаемой нагрузки, что отрицательно не отразится на его работе. Работа ударника потребует дополнительного увеличения расхода на 10% или будут снижены на эту величину обороты забойного двигателя, к примеру, номинальный расход на забойный двигатель Т12М3Б-195 (ТУ 26-02-367-79, ТУ 26-02-809-78, ТУ 26-02-823-78) составляет 30…35 л/с. Из опыта применения гидроударников при бурении: они превосходят результаты вращательного бурения: по механической скорости в 1,3-1,8 раза; по рейсовой проходке в 1,2-1,3 раза; по производительности на 25-40%. Следовательно, кратковременное включение в работу гидроударников не приведет к ухудшению показателей бурения.
Известен ряд гидроударников и гидровибраторов (см. Эпштейн Е.Ф., Дудля Н.А. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками. - М.: Недра, 1967. - 167 с.). Скважинный гидровибратор конструкции ДПИ: ВГ-57; ВГ-73; ВГ-89; ВГ-108; ВГ-146 применяют как техническое средство по ликвидации прихватов. Все они не имеют регулируемого пуска и не имеют обходного канала достаточной площади для прохода рабочей жидкости к забойному оборудованию: двигателю и долоту. Применяемый в изобретении гидроударник оборудован отсеком привода, который при помощи автономного питания открывает и закрывает клапан подачи рабочей жидкости из общего канала в гидроударник. В отсеке установлена автономная сейсмостанция с внутренними часами и блок управления, который проводит по команде, принятой от излучателя управления, установленного на устье скважины, по гидравлическому каналу пуски и остановки записи получаемых станцией опорных сигналов одновременно с пуском и остановкой гидроударника. Гидроударник и отсек закреплены в общем кожухе устройства и сдвинуты от его оси в крайнее положение, что обеспечивает свободный проход рабочей жидкости к забойному оборудованию. Часть рабочей жидкости, которая используется для работы гидроударника, отводится непосредственно в скважину.
На фиг.1 изображен поперечный разрез всего устройства, на фиг.2 - поперечный разрез отсека привода и управления, на фиг.3 - местный разрез по датчику положения винта управления. Нумерация позиций в чертежах общая.
Устройство содержит гидроударник 14, который посредством деталей кожуха 8 крепится к буровой колонне 5, которая спущена в обсадную колонну 6. Нижний конец гидроударника хвостовиком 16 жестко крепится к забойному двигателю 17 с долотом 18. Сейсмоприемники 1 расположены на исследуемом объекте в приповерхностной зоне, сейсмоприемник 4 закреплен на буровой колонне 5, автономный сейсмоприемник 21 закреплен внутри отсека 7. Отсек содержит трубу 22, которая герметично с уплотнениями закрыта крышками 19 и 31 и жестко крепится в кожухе 8. Внутри отсека установлены датчик 20, принимающий гидравлический сигнал управления от излучателя управляющего сигнала 3. Также внутри отсека установлен блок управления 24 с внутренними часами и автономным питанием для привода мотора редуктора 23, который жестко крепится посредством опоры 28 к крышке 31. В осевое отверстие крышки 31 установлен с возможностью возвратно-поступательного движения винт 30, который приводится в движение гайкой-шестерней 29 на подшипниках 27 через зубчатую передачу вал-шестерни 26 и шестерни 25 от мотора редуктора 23. Винт 30 жестко связан с пусковым клапаном 9 муфтой 32.
Гидроударник содержит боек 15, который при возвратно-поступательном движении стучит по наковальням 13 и 16. Это движение обеспечивается работой переключающих подпружиненных клапанов 11 и 12. Осевое отверстие в верхней крышке 10 перекрывается пусковым клапаном 9.
Для проведения очередного этапа обращенного вертикального сейсмического профилирования необходимо при производстве бурильных работ включить гидроударники на всех оборудованных скважинах посредством подачи сигнала излучателями 3. При этом включается мотор редуктора 23 и через зубчатую и винтовую передачу перемещает винт 30 вверх. Остановка мотора 23 производится по команде датчика положения 33, который срабатывает при приближении к нему магнита 34, жестко закрепленного на винте 30. Команда ПУСК на излучатели является командой на включение в работу всех сейсмоприемников 1, 4 и 22. Регистрируют записи колебаний при помощи сейсмоприемников 1, расположенных в приповерхностной зоне вблизи устья бурящихся скважин или на различных от них удалениях и в различных азимутах, регистрируют возбуждаемый долотом и гидроударником опорный сигнал при помощи датчика 4, расположенного в верхней части бурильной колонны, и при помои автономного сейсмоприемника 22, выделяют по функциям взаимной корреляции между опорным с датчика 4 сигналом и записями объемной проходящей и отраженной волны, по которым определяют сейсмические параметры среды и формируют ее предварительное изображение. Далее проводят остановку регистрации совместно с остановкой гидроударника по сигналу излучателя 3. Включение гидроударника проводят необходимое для накопления число раз в любой момент работы забойного оборудования вплоть до момента подъема инструмента для замены изношенных частей. После подъема забойного инструмента вместе с устройством проводят корреляцию опорного сигнала с сейсмоприемника 22 с опорным сигналом с сейсмоприемника 4. При этом настройку на подавляемые помехи проводят до регистрации суммарной записи.