在井孔中进行声波勘探的设备和方法技术

一种对井孔所贯穿的地下地质结构进行声波勘探的设备，包括一纵向延伸的实体；一装在所述实体上供发射声能的发信机，该声能的频率选择在该实体所呈现的自然发送衰减带内；以及一装在所述实体上且与该发信机间隔一段距离用于接收具有所选取频率的声能的接收机。该实体包括在发信机和接收机间具有不同声波传播特性的周期性重复排列的一系列分段，从而在所选择的频率下在该实体中产生声波干扰，使沿实体传播的所选频率的声能衰减。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及烃源的勘探，特别涉及那种借助于声波勘测对井孔所贯穿的地层性质所进行的勘探。更具体说，本专利技术提出了一种装置和方法，使声波信号射入地层，当它穿过地层传播之后，以一个相隔一定间距的检测器来检测该声波信号。井钻好之后，通常可取得许多电缆测井(Wirelinelogs)记录，由此可揭示出地层的某些物理特性。一般说来，为取得足够的资料以推算地层的孔隙率和含水饱和度的数值，要进行电阻率、中子和r射线探测，即所谓“三重联合”勘探。如果还需要其它资料，有时就要进行声波勘探，以获得孔隙率、声波在岩层中的传播速度以及有关地层的综合弹性的其他数值。声波记录得出的资料可用于各种不同的用途，包括井与井之间的相互关系，测定孔隙率，测定岩层的力学参数或弹性参数从而测定岩性，检测超压地层区，以及利用所获取的声波在地层中的传播速度的有关资料将地震时间曲线转换成深度曲线等等。过去，电缆测井是就地获取上述地层资料的唯一方法，目前，随着油田服务业的发展，出现了可代替“三重联合”电缆测量法(即在钻井过程中在钻杆柱上进行的电阻率、中子和r射线密度测量的方法)的方案“钻探时测量的三重联合”法(MWDTripleCombo)。迄今，油田服务业还没有研究出一种“在钻井过程中测量”的可取代这种第四种最通用的测井法的方法。声波测井的基本原理是，由发信换能器产生声波信号，该信号经地层传播到至少一个收信换能器，然后检测首先到达的声波信号。知道声能的发信时刻和通过地层后第一次到达收信机的时刻，就可以推定信号经地层传播的时间，即所谓传播间隔时间△t，然后将△t应用于怀利(Wyllie)时间平均值方程△t＝△t固体(1-φ)+△t流体(φ)，以求出孔隙率φ。根据声波在各种固体和流体中的传播速度预先测定的数据，且知道要进行勘探的岩层和流体的类型后，就可以知道△t固体和△t流体数值。作为代替怀利时间平均值关系式的另一公式，可采用更新的“雷默、享特、加纳”(Raymer，Hunt，Gardner)关系式。为使声学仪器能检测出首先到达的来自地层的信号，该检测信号必须是真正不含发信机射入仪器本体的、然后沿仪器本体传播到收信机位置的能量。由于声波在仪器本体(通常是钢)中传播的速度可能比在地层岩石中的传播速度高得多，因而仪器本身所传播的信号必然比通过地层传播的先到达。在电缆测井行业中已有人研究出减小和/或放慢经由仪器传播的信号，从而可以检测出由地层传播所到达的信号而不太受由仪器的传播信号干扰的方法。在这种电缆勘测过程中，仪器无需起承载构件的作用，因而历来都可以在仪器外壳侧壁的宽度方向上形成一系列交错排列的孔口。设置这些孔口的目的是用以延长经外壳传播的声波信号的传播路径的总长度，从而不仅延长了频率范围极宽的该信号通过交错排列的孔口的时间，而且由于路径长度的延长和孔口所引起的信号散射，也使信号本身减弱。美国专利3，191，143、3，190，388、3，271，733、3，493，921、3，381，267和3，213，415都曾试图解决信号沿仪器本体传播所带来的问题。这些现有技术提出的方法都是依靠使信号经仪器传播的路径长度弯曲或延长而促使该信号在地层传播的信号到达之后才到达检测器。它们之中没有一个提到使用声能无需偏离的具有“直通”声波传播路径的仪器本体。因此，以上列举的专利所教导的都是通过迫使声能沿着延长了的路径传播来使声能(无论其频率多少)衰减下来的原理，但它们都没有认识到通过确定声波“障碍物”的尺寸和间距来设定声波衰减带从而对散射和反射的声波形成破坏性干扰所带来的优点。美国专利2，757，358公开了一种应用周期性质量加载的设计，而不是应用长度增加的曲折路径，来使由仪器传播的信号衰减的电缆测井装置。这种结构产生波的干扰，并起一种低通滤波器的作用，它与高通滤波器配合工作，而对收信机所收到的信号起作用。这种联合使用机械式低通滤波器和电子高通滤器的目的是要消除经由仪器传播的信号。沿构件侧壁厚度方向开设若干孔口或切口的措施对在钻杆柱或钻铤上进行声波勘测来说显然是不能令人满意的。在“钻探时测量”(MWD)的环境中，勘测仪器必须装在能承受钻井过程中所遇到的巨大作用力和加速度的钻铤中。若透过钻铤的侧壁设置大量的孔眼，则钻铤会被削弱到再也承受不了钻井过程中作用于其上的力的程度。此外在钻铤内外侧之间起隔离作用的流体可能会流失。因此在钻铤侧壁整个厚度方向上开设电缆测井般的孔是不合适的。只通过钻铤宽度一部分而延伸的凹口历来都被认为是起不了作用的，因为以前就认为，钻铤的其余部分形成了声波信号不衰减的“直通”传播路径。此外，现有技术将仪器本体侧壁制成“回旋形”从而使仪器本体厚度均匀但纵向截面曲折的措施也是不能令人满意的，因为这些形状不是不结实就是需要在仪器本来有限的直径上占据太大的部分。再有，专利2，757，358设有多个质量加载杆的方法显然是不容易适应钻井时测井的环境的。然而，无论是理论上或实验室中试验的结果都表明，仪器本体光滑时，经仪器传播的信号就会在收信机所收到的波形中处于支配地位，因此为了能够进行声波测井，就非抑制这种信号不可。通过对圆柱形钻铤进行数学模拟发现，由于钻铤的圆柱形几何形状，对于所限定的、预先测定了频率的井来说存在自然的陷波带或衰减带，在此预定频率下，在钻铤中传播的声波自然衰减。这种衰减带出现在由一种缓慢度(slowness)方式到另一种缓慢度方式的缓慢度传播过程的频率过渡段附近。在此频率下，声能与周围的介质耦合良好，因而可传入该介质中。因此我们提出利用这个自然衰减带的现象在钻井环境中进行声波式的测量。所以本专利技术的一个目的是优先以衰减带频率传输声能，并在衰减带频率下检测声能，作为鉴别经钻铤传播的声波信号和提高经地层传播的声波信号的可检测性的方法。此外还发现，在确定自然衰减带频率之后，可以将具有不同于钻铤本身声波传输特性的、轴向重复的、基本上沿圆周方向连续的钻铤的多个分段(例如呈周边环或螺旋形状的沟槽或脊条)配备成使在衰减带频率下的声能能够通过反射和破坏性干扰的联合作用而进一步衰减。周期性分段的钻铤减慢和减弱了声能到达钻铤的速率和强弱，从而可以在钻铤衰减频率下检测经地层传播的声波的到达情况。这些分段只需要有钻铤侧壁半个壁厚不到的厚度。这些分段可以取在钻铤上呈周向质量加载的形式或呈切入钻铤侧壁厚度方向上的周边沟槽形式。这些分段可以在钻铤内部或外部交替形成，而且可以是圆形的或螺旋形的。另一种对防止声能沿钻铤的长度方向进行干扰传播的有利措施是将声波发信器和声波收信器都与钻铤隔离开来安装。发信机和收信机最好是与钻铤的纵向轴线横交取向，从而使声波信号能优先朝地层方向而不是沿钻铤的长度方向发射。附图说明图1是一个钻井装置和带有一个在井眼中的井底声波测井仪的钻杆柱的总示意图。图2是带内沟槽的设有周期性重复的沟槽的钻铤的一个分段的示意图。图3是带外沟槽的设有周期性重复的沟槽的钻铤一个分段的示意图，图中示出了横向装配的发信机和收信机。图4是声波在管形钻铤中传播时频率和传播缓慢度的关系曲线图，图中示出了从较小的缓慢度至较高缓慢度的各过渡区。图5是一个种钻铤的示意图，该钻铤具有许多无规则分布的伸入钻铤材料中达一段厚度的凹口。图6是各种钻铤样品(包括光滑的钻铤、在圆周方向上有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对井孔所贯穿的地下地质构造进行声波勘探的设备，其特征在于，该设备包括：ａ）一纵向延伸的实体，供在所述井孔中定位之用，所述实体有一个纵轴；ｂ）一发信机，装在所述实体上，供发送声能之用；ｃ）一收信机，装在所述实体上，且与所述发信 机相隔一段距离，供接收预定频率的声能之用；和ｄ）声波衰减装置，装在所述实体上的所述发信机与所述收信机之间，供在覆盖所述预定频率的衰减带范围内引起声波衰减之用。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：塞尔焦科斯特克，张世恭，戈登麦丹尼尔，托马斯普朗拿，柯蒂斯兰德尔，
申请(专利权)人：施户默格海外有限公司，
类型：发明
国别省市：PA[巴拿马]