專利名稱：聲頻輻射在巖層分析中的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)定含流體測(cè)井周圍的巖層的特性曲線的方法。鉆井的設(shè)計(jì)通常需要有關(guān)巖石特性的數(shù)據(jù)，比如巖層強(qiáng)度，即被鉆探的巖層所能承受而不導(dǎo)致破裂的最大壓強(qiáng)。在鉆井的打眼階段，已有幾種用來(lái)測(cè)定巖層強(qiáng)度的方法，這些方法通常包括對(duì)直接位于最低的套管靴之下的一短截裸井段進(jìn)行的逐級(jí)或連續(xù)的加壓過(guò)程。加壓的強(qiáng)度隨測(cè)試類型的不同而變化，但一般都要低于巖層的破裂壓強(qiáng)，因?yàn)閹r層的破裂會(huì)對(duì)鉆井過(guò)程不利。巖層強(qiáng)度的估測(cè)可以通過(guò)漏泄測(cè)試進(jìn)行，后者要將測(cè)井壓強(qiáng)升高到泄漏壓強(qiáng)。所謂泄漏壓強(qiáng)，是指井口壓強(qiáng)隨注入的測(cè)井流體的體積的變化曲線變?yōu)榉蔷€性處的壓強(qiáng)。曲線非線性化的開始被認(rèn)為標(biāo)志著巖層中發(fā)生了臨界力學(xué)現(xiàn)象，比如巖層中微裂隙的擴(kuò)展，或者預(yù)示著即將發(fā)生巖層破裂的鉆井的劇烈變形。從所述泄漏壓強(qiáng)，就可以確定鉆井流體壓強(qiáng)的最大容許梯度。但是，所述流體壓強(qiáng)非線性變化的開始也可能是流體現(xiàn)象造成的，比如流體向巖層中的漏失，或者流體在膠結(jié)不好的套管靴周圍的流動(dòng)。而且，所述泄漏測(cè)試的結(jié)果高度依賴于進(jìn)行測(cè)試所采用的方法，所獲得的精度對(duì)于孔隙壓力和破裂壓強(qiáng)的差值不大的巖層中的鉆井可能是不夠的，尤其在高壓巖層中更是如此。
本發(fā)明的一個(gè)目的是克服所述方法中的上述缺點(diǎn)，并提供一種改進(jìn)了的測(cè)定巖層的特性曲線的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種測(cè)定含流體測(cè)井周圍的巖層和膠結(jié)物兩種物質(zhì)之一的特性曲線的方法，該方法包括——將一聲波傳感器置于測(cè)井中的選定位置，該聲波傳感器適于提供代表來(lái)自所述物質(zhì)的聲波的信號(hào)；——向所述流體施加一選定的壓強(qiáng)，從而在所述物質(zhì)中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，所述應(yīng)力導(dǎo)致所述物質(zhì)輻射出聲波；——使所述傳感器探測(cè)所述聲頻輻射，并提供一代表所述聲頻輻射的信號(hào)；和
——從所述信號(hào)和所述施加于流體的壓強(qiáng)確定出特性曲線。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，所述特性曲線構(gòu)成用來(lái)確定所述物質(zhì)是否破裂的力學(xué)特性曲線。
所述特性曲線可以產(chǎn)生下列參數(shù)中的至少一個(gè)巖石強(qiáng)度、巖石類型、巖石孔隙度、巖層泄漏壓強(qiáng)、巖層破裂壓強(qiáng)、原始巖石應(yīng)力以及膠結(jié)物與巖石之間的差異。
通過(guò)將聲波傳感器置于測(cè)井無(wú)套管的下部或接近于該位置，可以使聲能衰減最小，從而測(cè)定環(huán)繞所述測(cè)井無(wú)套管下部的巖層的力學(xué)特性曲線。
本發(fā)明的方法適合應(yīng)用于測(cè)井的鉆井過(guò)程中，其中，測(cè)井的上部是裝有套管的。
為了測(cè)定鉆井過(guò)程中流體壓強(qiáng)的最大容許梯度，在泄漏測(cè)試過(guò)程中向所述流體施加所述選定的壓強(qiáng)，從而將流體泵入測(cè)井，在泵的過(guò)程中及之后，監(jiān)測(cè)測(cè)井中壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化。流體可以，例如以逐級(jí)或者連續(xù)的方式泵入測(cè)井。而且，可以在單個(gè)加載循環(huán)中，或者在測(cè)井的循環(huán)加載中施加所述選定壓強(qiáng)。
所選定的壓強(qiáng)可以構(gòu)成所述泄漏壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)定義為井口壓強(qiáng)隨注入的流體體積而變化的曲線變?yōu)榉蔷€性處的壓強(qiáng)。
另外，所選定的壓強(qiáng)也可以是巖層破裂壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)是所述巖層發(fā)生破裂時(shí)的壓強(qiáng)。
從所述信號(hào)測(cè)定特性曲線的步驟最好包括從下述量中的至少一個(gè)來(lái)測(cè)定特性曲線，這些量是信號(hào)振幅、信號(hào)能量、信號(hào)持續(xù)時(shí)間、信號(hào)超過(guò)一選定閾值的次數(shù)，以及信號(hào)的振幅分布(例如B值)。
測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)室分析可以這樣進(jìn)行記錄下作為時(shí)間函數(shù)的選定的信號(hào)和流體壓強(qiáng)記錄曲線，然后，從二者的比較而確定巖石的力學(xué)特性曲線。
下面，通過(guò)后面的例子，并參照所附附圖詳細(xì)闡釋本發(fā)明。附圖中

圖1，簡(jiǎn)要示出了實(shí)施本發(fā)明而測(cè)得的一次聲頻輻射的記錄的例子；圖2，示出了作為時(shí)間函數(shù)的孔隙壓力和累積聲波撞擊曲線的一個(gè)例子；和圖3，示出了作為時(shí)間函數(shù)的孔隙壓力和聲波撞擊頻度曲線的一個(gè)例于。
例子在一測(cè)井的一裸井段中，在2325m的深度，在裝在測(cè)井中的13 3/8″的套管之下，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。裝有聲波傳感器的裝備被安放到所述133/8″的套管之下的一個(gè)10m的豎直鉆井段中。測(cè)試裝備包括一個(gè)井下111/16"聲波測(cè)井工具、兩個(gè)置于測(cè)井中的壓力計(jì)和一個(gè)Locan 320聲頻輻射采集系統(tǒng)。所述聲波測(cè)井工具經(jīng)過(guò)了稍許改造，使其發(fā)射器和兩個(gè)水下聽(tīng)音器之一不工作，從而使得它在連續(xù)不斷的監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)下工作。所述Locan 320聲頻輻射采集系統(tǒng)放置在地表，并通過(guò)一電線與所述聲波測(cè)井工具相聯(lián)絡(luò)。在鉆井地點(diǎn)，將所述聲波測(cè)井工具置于測(cè)井中，使聲波閾值稍高于由Locan 320系統(tǒng)測(cè)得的背景噪聲級(jí)，并將內(nèi)部增益按照制造商的建議設(shè)置，再精細(xì)調(diào)節(jié)該Locan 320系統(tǒng)。在測(cè)試中，必須滿足下列設(shè)置——井下預(yù)放大增益10000(80dB)——Locan 320內(nèi)部放大增益10(20dB)——背景噪聲閾值設(shè)置49dB(30mV)盡管上述設(shè)置取決于當(dāng)?shù)氐臈l件，例如巖層特性和深度，為了最好地使用Locan 320系統(tǒng)，其內(nèi)部增益一般而言應(yīng)低于45dB，其內(nèi)部增益和閾值總共的強(qiáng)度應(yīng)在60-70dB之間。
測(cè)試程序包括三個(gè)主要階段1).常規(guī)的泄漏測(cè)試。其間，0.016m3的鉆井流體以0.04m3/分的速度被分步逐漸注入測(cè)井中。每步注入之后，都進(jìn)行2分鐘的流體壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)。從所記錄的壓強(qiáng)即得到泄漏壓強(qiáng)。
2).通過(guò)繼續(xù)向測(cè)井中逐漸注入流體而進(jìn)一步提高流體壓強(qiáng)，直到巖層發(fā)生破裂。破裂時(shí)的流體壓強(qiáng)即被認(rèn)為是破裂壓強(qiáng)。
3).隨后，進(jìn)行一系列的流體注入/封井循環(huán)，以得到最小原始應(yīng)力。這些循環(huán)的目的是將已產(chǎn)生的裂隙從測(cè)井向外擴(kuò)展，并測(cè)量裂隙張開和閉合時(shí)的流體壓強(qiáng)。裂隙擴(kuò)展循環(huán)是在流體注入速率為0.16m3/分的情況下進(jìn)行的。該速率盡可能維持恒定不變，以便能夠測(cè)定裂隙的再?gòu)堥_。持續(xù)注入流體，直到觀測(cè)到相對(duì)穩(wěn)定的裂隙擴(kuò)展。每次流體注入步驟之后都封井一段時(shí)間，觀測(cè)壓強(qiáng)的下降。
圖1簡(jiǎn)要示出了實(shí)施本發(fā)明而測(cè)得的一次聲波撞擊的例子。所述Locan 320系統(tǒng)識(shí)別出每一次聲波撞擊，并測(cè)得其下列特性參數(shù)(i).起始時(shí)間T，即一次聲波撞擊中越過(guò)信號(hào)閾Tr的第一個(gè)信號(hào)的時(shí)刻。
(ii).次數(shù)，即在每一次聲波撞擊中強(qiáng)信號(hào)越閾的次數(shù)。
(iii).振幅A，即在一次聲波撞擊中的越閾峰值(peak crossing)。
(iv).能量，即在自首次越閾起的時(shí)間范圍內(nèi)經(jīng)整流的信號(hào)的包絡(luò)線下所測(cè)得的面積。該測(cè)量值與系統(tǒng)放大成正比。
(v).持續(xù)時(shí)間D，即第一次和最后一次越閾之間的時(shí)間。
(vi).上升時(shí)間R，即從第一次越閾到越閾峰值之間的時(shí)間。
(vii).峰前次數(shù)，即從首次越閾到越閾峰值的越閾次數(shù)。
從上述特性參數(shù)，可以確定幾個(gè)參數(shù)，其中最重要的是作為時(shí)間的函數(shù)的累積撞擊次數(shù)和撞擊頻度。這兩個(gè)參數(shù)的曲線示于圖2和圖3中，其中，圖2和圖3中的曲線A表示壓強(qiáng)的變化，圖2中的曲線B表示累積聲波撞擊次數(shù)，圖3中的曲線C表示聲波撞擊頻度。所述累積撞擊次數(shù)變化曲線表明，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，聲波撞擊頻度尚算穩(wěn)定。但是，從圖3中的曲線C卻可以看出，還是存在某些聲波撞擊頻度升高的區(qū)域。
第一個(gè)頻度升高的區(qū)域是在約2000s處，對(duì)應(yīng)于在封井時(shí)間里壓力降的一次非常輕微的增加(5-7psi，而在上一次流體注入步驟時(shí)為0-3psi)，不過(guò)，該區(qū)域不可能與任何重要力學(xué)現(xiàn)象有關(guān)，因?yàn)榇藭r(shí)的壓力水平仍然較低。第二個(gè)聲波撞擊頻度升高的區(qū)域約在4000s處。該區(qū)域與封井時(shí)間里有所增大的約7-9psi的壓力降相一致。對(duì)壓強(qiáng)記錄曲線的分析表明，該第二聲波撞擊頻度升高區(qū)對(duì)應(yīng)于在到達(dá)泄漏壓強(qiáng)之前不久巖層破壞的開始。因此，該第二聲波撞擊頻度升高區(qū)就可以作為流體泄漏點(diǎn)的早期征兆。
第三個(gè)聲波撞擊頻度升高的區(qū)域約在5500s處。該第三區(qū)比前兩區(qū)高出一個(gè)量級(jí)，精確對(duì)應(yīng)于巖層的破裂。因此，該第三區(qū)就是巖層破裂的確切標(biāo)志。
在巖層破裂后，巖層裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。在此階段，聲頻輻射活動(dòng)保持于較低水平，這是因?yàn)殡S著聲源(即裂隙擴(kuò)展前沿)與傳感器之間的距離的增加，因高頻的選擇性吸收而導(dǎo)致了衰減效應(yīng)。
聲頻輻射的密集區(qū)在圖3中分別用編號(hào)1、2和3標(biāo)出。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)定含流體測(cè)井周圍的巖層和膠結(jié)物兩種物質(zhì)之一的特性曲線的方法，該方法包括——將一聲波傳感器置于測(cè)井中的選定位置，該聲波傳感器適于提供代表來(lái)自所述物質(zhì)的聲波的信號(hào)；——向所述流體施加一選定的壓強(qiáng)，從而在所述物質(zhì)中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，所述應(yīng)力導(dǎo)致所述物質(zhì)輻射出聲波；——使所述傳感器探測(cè)所述聲頻輻射，并提供一代表所述聲頻輻射的信號(hào)；和——從所述信號(hào)和所述施加于流體的壓強(qiáng)確定出特性曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述特性曲線構(gòu)成用來(lái)確定所述物質(zhì)是否破裂的力學(xué)特性曲線。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述特性曲線產(chǎn)生下列參數(shù)中的至少一個(gè)巖石強(qiáng)度、巖石類型、巖石孔隙度、巖層泄漏壓強(qiáng)、巖層破裂壓強(qiáng)和原始巖石應(yīng)力。
4.如權(quán)利要求1到3之任何一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述聲波傳感器置于測(cè)井無(wú)套管的下部，以測(cè)定環(huán)繞所述測(cè)井無(wú)套管下部的物質(zhì)的所述特性曲線。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，應(yīng)用于測(cè)井的鉆井過(guò)程中，其中，測(cè)井剩余的上部是裝有套管的。
6.如權(quán)利要求1到5之任何一項(xiàng)所述的方法，其中，在泄漏測(cè)試過(guò)程中向所述流體施加所述選定的壓強(qiáng)，從而將流體泵入測(cè)井，在泵的過(guò)程中及之后，監(jiān)測(cè)測(cè)井中壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所選定的壓強(qiáng)構(gòu)成所述泄漏壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)定義為井口壓強(qiáng)隨注入的流體體積而變化的曲線變?yōu)榉蔷€性處的壓強(qiáng)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所選定的壓強(qiáng)是巖層破裂壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)是所述巖層發(fā)生破裂時(shí)的壓強(qiáng)。
9.如權(quán)利要求1到8之任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述壓強(qiáng)這樣選擇，以能夠在所述巖層中產(chǎn)生裂隙，并能測(cè)得所述巖層的最小原始應(yīng)力。
10.如權(quán)利要求1到9之任何一項(xiàng)所述的方法，其中，從所述信號(hào)測(cè)定特性曲線的步驟包括從下述量中的至少一個(gè)來(lái)測(cè)定特性曲線，這些量是信號(hào)振幅、信號(hào)能量、信號(hào)持續(xù)時(shí)間、信號(hào)超過(guò)一選定閾值的次數(shù)。
11.如權(quán)利要求1到10之任何一項(xiàng)所述的方法，還包括下述步驟記錄下作為時(shí)間函數(shù)的選定的信號(hào)和流體壓強(qiáng)記錄曲線，其中，從前述二者的比較而確定所述特性曲線。
12.大體上如前文參照附圖所描述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)定含流體測(cè)井周圍的巖層和膠結(jié)物兩種物質(zhì)之一的特性曲線的方法。該方法包括:將一聲波傳感器置于測(cè)井中的選定位置,該聲波傳感器適于提供代表來(lái)自所述物質(zhì)的聲波的信號(hào);所述流體施加一選定的壓強(qiáng),從而在所述物質(zhì)中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,所述應(yīng)力導(dǎo)致所述物質(zhì)輻射出聲波;使所述傳感器探測(cè)所述聲頻輻射,并提供一代表所述聲頻輻射的信號(hào);從所述信號(hào)和所述施加于流體的壓強(qiáng)確定出所述特性曲線。
文檔編號(hào)E21B47/005GK1203670SQ96198855
公開日1998年12月30日 申請(qǐng)日期1996年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月7日
發(fā)明者雅各布斯·亨德里庫(kù)斯·皮特魯斯·瑪麗婭·艾曼, 克爾內(nèi)里斯·詹·肯特 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司