專利名稱：聲學(xué)測(cè)井裝置及鉆井環(huán)箍上使用聲學(xué)測(cè)井裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于測(cè)量并處理井眼穿透的地表下地球地層特征的方法和裝置。更具體說(shuō)，本發(fā)明涉及的方法和裝置，是用于聲波橫越毗鄰井眼的地球地層，或聲波穿過(guò)地表下一部分之后，測(cè)量并處理諸如地表下聲波的地層剪切波速度等聲學(xué)特征。
背景技術(shù)：
為獲取碳?xì)浠衔锶缡秃吞烊粴?，通過(guò)旋轉(zhuǎn)附著在鉆井機(jī)組末端的鉆頭，鉆該鉆井(也稱為井眼)，該鉆井機(jī)組一般稱為“井底機(jī)組”(BHA)或就稱“鉆井機(jī)組”。這種井的井身路線，要在鉆這種井身之前，用地球地表下的地震圖，和以前鉆過(guò)的有關(guān)油田井身的井?dāng)?shù)據(jù)，仔細(xì)計(jì)劃。由于這種井身非常高昂的鉆井費(fèi)用，以及必須降低實(shí)際消耗在鉆井和電纜測(cè)井的時(shí)間，在鉆該井身時(shí)，獲取盡可能多的信息是十分必要的。關(guān)于井底條件和資料的信息，可以用電纜井下測(cè)井儀或井底機(jī)組(BHA)獲得。在鉆出井身之后，一般都要用電纜井下測(cè)井儀，而當(dāng)該井正在鉆時(shí)，則用井底機(jī)組作為鉆具組的一部分。其中，可以利用從BHA部件獲得的井底井身信息，監(jiān)控并調(diào)整井身的鉆井方向，或檢測(cè)出現(xiàn)的地質(zhì)地層與碳?xì)浠衔铩?br> 在鉆通地球地層同時(shí)測(cè)井中，有必要測(cè)量地層剪切波的速度。地球地層剪切波速度提供的信息，對(duì)探測(cè)并從地層生產(chǎn)石油和天然氣至關(guān)重要。剪切波速度剖面圖能使地震剪切波的時(shí)間剖面轉(zhuǎn)換為深度剖面，并被用于解釋地震波振幅變化與檢測(cè)器偏離的關(guān)系曲線。剪切波速度與壓縮波速度的比值，與巖石的巖性學(xué)緊密相關(guān)，也與碳?xì)浠衔锏娘柡椭涤嘘P(guān)。剪切波速度還用于評(píng)價(jià)水庫(kù)工程應(yīng)用中地層的機(jī)械性質(zhì)。
由于地球地層剪切速度的重要性，已經(jīng)發(fā)展了各種方法來(lái)測(cè)量它。在常規(guī)的用單極子聲學(xué)井下測(cè)井儀的電纜測(cè)井，如果地層剪切波速度大于井眼液體聲速，那么，剪切速度能夠用剪切波沿井眼壁的折射測(cè)量。剪切波速度比井眼液體速度快的地層，被稱為′快地層′。但是，在剪切波速度比井眼液體速度慢的地層中，即′慢地層′中，剪切波不再沿井眼壁折射，從而剪切速度不能用單極子測(cè)井直接測(cè)量。因?yàn)楸仨氃诼貙又袦y(cè)量剪切速度，特別是在深水水庫(kù)的軟沉積物中，所以發(fā)展了偶極子聲學(xué)測(cè)井的井下測(cè)井儀。偶極子井下測(cè)井儀誘發(fā)并測(cè)量地層中撓曲或彎曲波的運(yùn)動(dòng)。在足夠低的頻率范圍(1-3kHz)，彎曲波以地層的剪切速度傳播，不論地球地層是快的或慢的。這樣，用偶極子聲學(xué)井下測(cè)井儀，能直接測(cè)量地層的剪切速度?，F(xiàn)在，偶極子聲學(xué)測(cè)井是一種世界范圍的商業(yè)應(yīng)用的成熟技術(shù)。
一種有前途的剪切波速度測(cè)量技術(shù)，是用四極子剪切波。四極子聲學(xué)井下測(cè)井儀誘發(fā)并測(cè)量地層中四極子剪切波。該波的低頻部分按地層剪切波速度傳播，能從四極子波直接進(jìn)行剪切速度測(cè)量。雖然四極子剪切波已經(jīng)在理論上廣泛研究，且一種電纜四極子測(cè)井的井下測(cè)井儀也已提出(Window等人，1991年的US Patent No.5,027,331)，但該技術(shù)尚未在商業(yè)上用于石油和天然氣工業(yè)。大部分原因是，偶極子剪切波技術(shù)的廣泛接受和成功，滿足了在慢地層中測(cè)量剪切速度的需求。
近年來(lái)，由于需要節(jié)省安裝時(shí)間和其中諸如地震方向操縱(geosteering)和孔隙壓力確定的實(shí)時(shí)應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展了聲學(xué)測(cè)井同時(shí)鉆井(LWD)技術(shù)。LWD聲學(xué)技術(shù)的目標(biāo)，是在鉆井時(shí)測(cè)量地球地層的壓縮波和剪切波速度。該技術(shù)已經(jīng)成功測(cè)量地球地層的壓縮波速度。在慢地層中必須確定剪切波速度，要求進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)對(duì)剪切波的測(cè)量能力。因?yàn)榕紭O子剪切波技術(shù)在電纜測(cè)井中的知名度和成功，該技術(shù)自然推廣到LWD情況，同時(shí)，LWD偶極子聲學(xué)井下測(cè)井儀已經(jīng)制造并供商業(yè)應(yīng)用。
如本申請(qǐng)后面所指出，應(yīng)用于LWD的偶極子聲學(xué)技術(shù)，由于鉆井環(huán)箍與占據(jù)井眼大部分的BHA同時(shí)存在，所以產(chǎn)生嚴(yán)重的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)在于，沿井眼傳播的地層偶極子剪切波，被環(huán)箍中偶極子波的傳播嚴(yán)重污染。當(dāng)存在沿鉆井環(huán)箍傳播的井下測(cè)井儀模的波時(shí)，需要一種確定地球比較硬的地層剪切波速度的方法。在地層剪切速度小于壓縮波在井眼液體中的傳播速度時(shí)，這種需要特別強(qiáng)烈。本發(fā)明滿足這種需求，并且，另外還提供一種在剪切速度超過(guò)井眼液體壓縮速度的“快”地層中，確定剪切速度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種裝置和方法，用于在鉆井同時(shí)測(cè)井的環(huán)境中，確定地層的剪切性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了、一種聲學(xué)測(cè)井裝置，包括(a)在鉆井圓管上送進(jìn)地層內(nèi)井眼中的鉆井環(huán)箍，所述鉆井環(huán)箍具有對(duì)于其內(nèi)的環(huán)箍模波的截止頻率；(b)產(chǎn)生信號(hào)的環(huán)箍上的發(fā)射器，所述信號(hào)包括地層模式和環(huán)箍模；(c)在環(huán)箍上的至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，用于檢測(cè)所述信號(hào)，所述至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器沿軸向離開(kāi)發(fā)射器設(shè)置并接收包括地層模式和環(huán)箍模的信號(hào)；和(d)包括濾波器的處理器，所述濾波器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行截止頻率以下頻率分量的低通濾波。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種在鉆井環(huán)箍上使用聲學(xué)測(cè)井裝置的方法，所述鉆井環(huán)箍在鉆井圓管上送進(jìn)地層內(nèi)的井眼中，所述方法包括
(a)利用所述測(cè)井裝置上的發(fā)射器，產(chǎn)生包括地層模式和井下測(cè)井儀模的四極子信號(hào)；(b)利用所述鉆井環(huán)箍上沿軸向與所述發(fā)射器分開(kāi)的至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，檢測(cè)所述信號(hào)；和(d)利用處理器對(duì)所述檢測(cè)的信號(hào)的頻率分量進(jìn)行低通濾波，其中所述檢測(cè)的信號(hào)具有低于所述鉆井環(huán)箍中的井下測(cè)井儀模的截止頻率的頻率。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)射器的工作頻率，在通過(guò)鉆井環(huán)箍傳播的信號(hào)的截止頻率以下，于是，接收器接收的信號(hào)，不會(huì)被環(huán)箍模污染。截止頻率由鉆井環(huán)箍的厚度決定。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)射器是四極子發(fā)射器。環(huán)箍中的四極子模的截止頻率，高于地層中四極子模的頻率，所以，令四極子發(fā)射器工作在該截止頻率以下，提供的信號(hào)大致不被井下測(cè)井儀模污染。在地層剪切速度超過(guò)井眼液體壓縮速度的快地層中，可以分析更高階的四極子模，以確定該地層的剪切速度。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器的工作不考慮截止頻率，而接收的信號(hào)則通過(guò)低通濾波來(lái)抑制井下測(cè)井儀模。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)射器包括八個(gè)按方位分段的單元。接收器可以是四極子接收器也可以是偶極子接收器。當(dāng)使用偶極子接收器時(shí)，四極子發(fā)射器以不同的極化工作兩次，然后，處理該兩個(gè)接收的信號(hào)，給出接收的四極子信號(hào)。
接收器最好放在發(fā)射器與鉆頭之間。鉆頭產(chǎn)生的噪聲，傳播到接收器被接收的方向，與發(fā)射器產(chǎn)生的信號(hào)相反?？梢园聪嗫仃嚵胁僮鹘邮掌?，以抑制鉆頭產(chǎn)生的噪聲。


我們確信，作為本發(fā)明特征的新穎特性，涉及組織和操作方法兩方面，連同本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，可以從下面的詳細(xì)說(shuō)明更好地了解，并且，本發(fā)明中的圖解，僅為說(shuō)明和演示而以舉例方式畫出，從而不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限定。
圖1A畫出鉆井系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)采用本發(fā)明在鉆井同時(shí)測(cè)井(LWD)實(shí)施例中的裝置。
圖1B畫出在鉆井環(huán)箍上的LWD井下測(cè)井儀。
圖2畫出地層及鉆井環(huán)箍偶極子模的速度頻散曲線。
圖3畫出有鉆井環(huán)箍時(shí)的偶極子聲學(xué)波形。
圖4A畫出四極子波場(chǎng)的示意圖。
圖4B畫出地層及鉆井環(huán)箍四極子模的速度頻散曲線。
圖5A畫出靠近井眼的聲能的波場(chǎng)瞬時(shí)圖形，圖中顯示與四極子波運(yùn)動(dòng)有關(guān)的徑向質(zhì)點(diǎn)速度。
圖5B畫出各種偏離的四極子波形。
圖6A畫出靠近井眼的聲能的波場(chǎng)瞬時(shí)圖形，圖中顯示薄環(huán)箍管中與四極子波運(yùn)動(dòng)有關(guān)的徑向質(zhì)點(diǎn)速度。
圖6B畫出圖6A中數(shù)據(jù)的時(shí)域表示。
圖7畫出連同鉆井環(huán)箍一起的聲源橫截面透視圖。
圖8畫出聲源分段成環(huán)的發(fā)射裝置的詳細(xì)橫截面圖。
圖9是聲源隔間化分段的發(fā)射裝置的詳細(xì)橫截面圖。
圖10是傳感器圍繞環(huán)箍的布置的透視圖。
圖11畫出分段成環(huán)的接收傳感器裝置的詳細(xì)橫截面圖。
圖12畫出隔間化分段的接收傳感器裝置的詳細(xì)橫截面圖。
圖13A和13B畫出用兩個(gè)接收器單元來(lái)檢測(cè)四極子信號(hào)的本發(fā)明。
圖14畫出圖12裝置的一部分的側(cè)視圖。
圖15A和15B畫出在快地層中更高階的四極子模。
圖16畫出四極子與一對(duì)偶極子的等價(jià)性。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種方法、系統(tǒng)、和裝置，用于在鉆井的同時(shí)測(cè)量地層剪切波速度。下面的說(shuō)明，是專門針對(duì)特定的實(shí)施例或本發(fā)明的特定應(yīng)用，就此而言，下面的說(shuō)明意在演示而不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
圖1A畫出有井底機(jī)組(BHA)或鉆井機(jī)組90的鉆井系統(tǒng)10的示意圖，該機(jī)組90包括用于井底井身調(diào)節(jié)和位置測(cè)量的傳感器。BHA90被送進(jìn)井眼26。鉆井系統(tǒng)10包括常規(guī)的立在鉆臺(tái)12上的鉆井架11，鉆臺(tái)支承旋轉(zhuǎn)平臺(tái)14，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)由主推進(jìn)器如電機(jī)(未畫出)按需要的轉(zhuǎn)速使之旋轉(zhuǎn)。鉆具組20包括從地面向下伸進(jìn)井眼26的管路(鉆桿或旋管)22。附于鉆具組20末端的鉆頭50，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)鉆該井眼26時(shí)，粉碎地質(zhì)地層。鉆具組20經(jīng)凱氏聯(lián)軸節(jié)(kalley joint)21、旋轉(zhuǎn)接頭28、和作業(yè)繩29，通過(guò)滑輪(未畫出)與提拉機(jī)構(gòu)30連結(jié)。提拉機(jī)構(gòu)30的工作，是控制鉆頭上的重量(“WOB”)，該重量是影響穿透速率(“ROP”)的重要參數(shù)。當(dāng)用旋管作為輸送單元22時(shí)，用插管機(jī)14a和輪(未畫出)代替旋轉(zhuǎn)平臺(tái)14把BHA插入井身。提拉機(jī)構(gòu)30和插管機(jī)14a，本領(lǐng)域是熟知的，因此這里不詳細(xì)說(shuō)明。
鉆井時(shí)，用泥漿泵34從泥漿坑(源)32把一種合適的鉆井液體31泵出，在壓力下通過(guò)鉆具組20循環(huán)。鉆井液體從泥漿泵34，經(jīng)過(guò)消浪涌器(desurger)36和液體管線38，進(jìn)入鉆具組20。鉆井液體31在井眼底部51經(jīng)鉆頭50中的開(kāi)孔排出。鉆井液體31通過(guò)鉆具組20與井眼26之間的環(huán)形空間27，向井上循環(huán)，然后經(jīng)回流管線35與鉆井巖屑濾網(wǎng)85，返回泥漿坑32，鉆井巖屑濾網(wǎng)85從返回的鉆井液體31b中除去鉆井巖屑86。管線38中的傳感器S1提供關(guān)于液體流動(dòng)速率的信息。地面上的力矩傳感器S2和伴隨鉆具組20的傳感器S3，分別提供關(guān)于力矩和鉆具組20轉(zhuǎn)速的信息。管路插入速度由傳感器S5確定，同時(shí)，傳感器S6提供鉆具組20的掛鉤荷載。
在某些應(yīng)用中，只有旋轉(zhuǎn)的鉆桿22把鉆頭50旋轉(zhuǎn)。但是，在許多其他的應(yīng)用中，在鉆井機(jī)組90中放一井底電機(jī)55(泥漿電機(jī))，用于旋轉(zhuǎn)鉆頭50，通常還旋轉(zhuǎn)鉆桿22，以補(bǔ)充旋轉(zhuǎn)功率，如有必要，還對(duì)鉆井方向的變化產(chǎn)生影響。在每一種情況中，對(duì)給定BHA的ROP，很大程度上依賴于WOB或施于鉆頭50的推力及鉆頭50的轉(zhuǎn)速。
泥漿電機(jī)55通過(guò)放在軸承機(jī)組57中的裝置與鉆頭50連結(jié)。當(dāng)鉆井液體31在壓力下通過(guò)泥漿電機(jī)55時(shí)，泥漿電機(jī)55使鉆頭50旋轉(zhuǎn)。軸承機(jī)組57支承鉆頭50的徑向和軸向力、泥漿電機(jī)55的下推力、和由于向鉆頭施加重量而產(chǎn)生向上的反作用荷載。與軸承機(jī)組57連結(jié)的更靠下的穩(wěn)定器58a，用作鉆具組20最靠下部分的定心夾具。
地面上的控制單元或處理器40，經(jīng)過(guò)置于液體管線38中的傳感器43，從井底傳感器及裝置接收信號(hào)，還從傳感器S1-S6和系統(tǒng)10中使用的其他傳感器接收信號(hào)，并按照提供給地面上的控制單元40的編程指令，處理這些信號(hào)。地面上的控制單元40在顯示/監(jiān)控器42上，顯示需要的鉆井參數(shù)及其他信息，操作員用顯示/監(jiān)控器42來(lái)控制鉆井操作。地面上的控制單元40包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、記錄數(shù)據(jù)的記錄器、和其他外圍設(shè)備。地面上的控制單元40還包括模擬模型，并按照編程指令處理數(shù)據(jù)。該控制單元40最好能在某種不安全或不需要的操作條件出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)警報(bào)器44。
BHA還可以包括地層評(píng)估傳感器或裝置，以便確定BHA周圍地層的電阻率、密度、和孔隙率。測(cè)量伽馬射線強(qiáng)度的伽馬射線裝置，和其他核的或非核的裝置，作為測(cè)量同時(shí)鉆井的裝置，可以適當(dāng)包括在BHA 90中。作為例子，圖1A畫出BHA 90中的電阻率測(cè)量裝置64的例子。從該裝置提供的信號(hào)，可以確定靠近鉆頭50或在鉆頭50前面的地層的電阻率。電阻率裝置64有發(fā)射天線66a和66b，與接收天線68a和68b隔開(kāi)。操作時(shí)，當(dāng)發(fā)射的電磁波通過(guò)圍繞電阻率裝置64的地層時(shí)，經(jīng)受擾動(dòng)。接收天線68a和68b檢測(cè)受擾動(dòng)的波。從檢測(cè)信號(hào)的相位和振幅中，導(dǎo)出地層的電阻率。檢測(cè)的信號(hào)被井底的計(jì)算機(jī)70處理，以確定電阻率及介電值。
傾角儀74和伽馬射線裝置76適當(dāng)?shù)仨樦娮杪蕼y(cè)量裝置64放置，分辨用于確定靠近鉆頭50的鉆具組部分的傾角和地層的伽馬射線強(qiáng)度。但是，任何合適的傾角儀和伽馬射線裝置，都可以用于本發(fā)明的這一目的。此外，各種位置傳感器，如加速度計(jì)、磁力儀、或回轉(zhuǎn)裝置，可以放進(jìn)BHA內(nèi)，用于確定鉆具組在井身26中的方位、真坐標(biāo)、和方向。該類裝置本領(lǐng)域是熟知的，這里不再詳細(xì)說(shuō)明。
在上述配置中，泥漿電機(jī)55經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)貫穿電阻率測(cè)量裝置64的中空軸，把功率傳送至鉆頭50。中空軸能使鉆井液體從泥漿電機(jī)55通至鉆頭50。在鉆具組20的另外實(shí)施例中，泥漿電機(jī)55可以在下面或任何適當(dāng)?shù)牡胤脚c電阻率測(cè)量裝置64連結(jié)。上述電阻率測(cè)量裝置、伽馬射線裝置、和傾角儀，最好放在能與該電機(jī)連結(jié)的共用的箱體內(nèi)。用于測(cè)量地層孔隙率、滲透性、和密度(總的由數(shù)字78表示)最好放在泥漿電機(jī)55以上。這類裝置本領(lǐng)域是熟知的，因此不再詳細(xì)說(shuō)明。
如前面指出的，目前鉆井系統(tǒng)的重要部分，特別對(duì)鉆十分偏斜和水平的井身，是用旋管管路把鉆井機(jī)組傳送到井底。在這種應(yīng)用中，鉆具組90中采用頂推器71來(lái)提供對(duì)鉆頭需要的力。為本發(fā)明的目的，鉆頭上重量一詞，用來(lái)表示鉆井操作時(shí)施加于鉆頭上的鉆頭上的力，不論是通過(guò)調(diào)整鉆具組的重量或通過(guò)頂推器而施加的。同樣，當(dāng)使用旋管管路時(shí)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)不旋轉(zhuǎn)管路；代替的是由適當(dāng)?shù)牟骞軝C(jī)14a把管路插進(jìn)井身，同時(shí)由井底電機(jī)55旋轉(zhuǎn)鉆頭50。
圖1B是示意圖，畫出的聲學(xué)測(cè)井同時(shí)鉆井的井下測(cè)井儀系統(tǒng)，是裝在包含鉆頭50的BHA鉆井環(huán)箍90上的。該系統(tǒng)安裝在BHA鉆井環(huán)箍90上，以便對(duì)地層鉆井的同時(shí)，進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量。聲學(xué)測(cè)井同時(shí)鉆井的井下測(cè)井儀系統(tǒng)，有一聲源105，發(fā)射可以穿越地層95且可以沿井眼壁傳播的聲振動(dòng)106，然后由傳感器A和B接收，傳感器A和B可以是陣列形式的。這些傳感器在本申請(qǐng)后面討論。應(yīng)當(dāng)指出的一點(diǎn)是，這些傳感器放在發(fā)射器與接收器之間。這一點(diǎn)的重要好處是，發(fā)射器產(chǎn)生需要的信號(hào)的傳播方向，與鉆頭50產(chǎn)生的噪聲方向相反。這樣就有可能使用適當(dāng)?shù)臑V波技術(shù)，包括相控陣列，來(lái)極大地降低鉆頭的噪聲。在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，發(fā)射器105可以放在各傳感器與鉆頭50之間。
把偶極子聲學(xué)技術(shù)應(yīng)用于LWD，由于鉆井環(huán)箍與占據(jù)井眼大部分的BHA同時(shí)存在，所以產(chǎn)生嚴(yán)重的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)在于，沿井眼傳播的地層偶極子剪切波，被環(huán)箍中傳播的偶極子波嚴(yán)重污染。這一點(diǎn)由下面理論上的分析/數(shù)字模型的結(jié)果表明。
下面對(duì)具有鉆井環(huán)箍的井眼，分析偶極子波的激發(fā)和傳播特征。利用已知的分析方法，例如在Schmitt(1988)中說(shuō)明的那種分析方法，能夠?qū)Φ貙雍铜h(huán)箍的偶極子剪切(彎曲)波計(jì)算速度頻散曲線。該頻散曲線描述波模速度隨頻率的變化。在該例子中，井眼直徑是23.84cm，而環(huán)箍的內(nèi)直徑和外直徑分別是5.4和1.8cm。環(huán)箍與井眼之間的內(nèi)環(huán)箍柱體與環(huán)帶柱體用鉆井泥漿填充，鉆井泥漿的聲速和密度分別為1,470m/s和1g/cc。環(huán)箍由鋼制成(鋼的壓縮速度、剪切速度、和密度分別為5,860m/s、3,130m/s、和7.85g/cc)。地層在聲學(xué)上是慢的，壓縮速度為2,300m/s，剪切速度為1,000m/s，而密度為2g/cc。應(yīng)當(dāng)指出，本例僅用于說(shuō)明，不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。
計(jì)算的鉆井環(huán)箍和地層對(duì)偶極子模的彎曲波頻散曲線，示于圖2，頻率范圍作為水平軸，從0至14kHz。沿垂直軸表示的環(huán)箍偶極子波頻散曲線201表明，環(huán)箍偶極子波的速度如何在0至14kHz范圍上隨頻率而變化。地層偶極子波頻散曲線203表明，除在該范圍的低頻外，在速度上的變化相對(duì)地小。地層與環(huán)箍彎曲波模對(duì)整個(gè)頻率范圍幾乎同時(shí)存在，但在非常低的頻率上例外，在非常低的頻率上，環(huán)箍彎曲模似乎終止在地層的剪切速度上。在環(huán)箍模終止的頻率以下，地層彎曲模的速度似乎延續(xù)環(huán)箍彎曲模的行為，該種行為是在沒(méi)有地層時(shí)應(yīng)當(dāng)存在的，即在零頻率時(shí)速度下降至零。這種跨接現(xiàn)象，是在此種偶極子激發(fā)狀態(tài)中，由于環(huán)箍與地層之間的強(qiáng)聲學(xué)互作用而產(chǎn)生的。
在有鉆井環(huán)箍的井眼中，偶極子聲波的傳播可以用數(shù)字有限差分技術(shù)模擬，例如用Cheng等人(1995)說(shuō)明的技術(shù)。模型參數(shù)與上述速度頻散計(jì)算的例子相同。偶極子聲源和接收器陣列放在環(huán)箍邊緣。聲源激發(fā)的中心頻率是2kHz。圖3畫出模擬的沿水平時(shí)間軸顯示的偶極子聲波波形。偶極子聲波波形，用與圖3垂直軸上對(duì)應(yīng)的接收器偏離聲源的距離表示。接收器位置相隔0.1524m，從在1.833m的近的記錄線波形301開(kāi)始，到偏離聲源2.9m的303。偶極子聲波波形由環(huán)箍彎曲波支配，該環(huán)箍彎曲波有較快的速度和頻散的特性。頻散的環(huán)箍彎曲波的開(kāi)始強(qiáng)脈沖305，在時(shí)間上由頻散的能量跟隨，該頻散的能量比有價(jià)值的代表地層S波的彎曲波更強(qiáng)。虛線335表示地層彎曲波到達(dá)的位置和速度。對(duì)準(zhǔn)虛線335的有價(jià)值的地層彎曲波，在振幅上小于環(huán)箍的彎曲波，并被環(huán)箍彎曲波的互作用嚴(yán)重污染。
上述速度頻散的計(jì)算及波傳播的模擬結(jié)果，表明在地層與鉆井環(huán)箍彎曲波之間，存在強(qiáng)的互作用?；镜脑蚴?，兩個(gè)波模共同存在于有價(jià)值的同一頻率范圍。LWD偶極子技術(shù)對(duì)剪切速度測(cè)量有許多缺點(diǎn)。第一個(gè)缺點(diǎn)是，由于存在從環(huán)箍彎曲波來(lái)的嚴(yán)重污染，難以獲得高質(zhì)量的地層彎曲波測(cè)量。低頻模的環(huán)箍波，用諸如在環(huán)箍開(kāi)槽和/或插入吸收材料等衰減技術(shù)等等，是很難抑制的。第二個(gè)缺點(diǎn)是，地層彎曲波，即使能可靠地測(cè)量，但因環(huán)箍的互作用，也不能產(chǎn)生精確的地層剪切速度信息。如從圖2可見(jiàn)，環(huán)箍模的高頻極限，接近環(huán)箍剪切速度并在頻率205上，在該頻率上環(huán)箍偶極子模消失，環(huán)箍偶極子模速度就是地層剪切速度207。地層偶極子模速度203，在所有頻率上，都在地層剪切速度205以下。不存在環(huán)箍的情況下，當(dāng)激發(fā)低頻時(shí)，地層偶極子模將以等于地層剪切速度的速度傳播。從地層偶極子?；颦h(huán)箍偶極子模二者之一的頻散曲線，確定地層剪切速度，不是容易的事。此外，在鉆井工作期間，存在產(chǎn)生附加噪聲的鉆頭激發(fā)的強(qiáng)偶極子模。由于前述理由，如果不是不可能，也難于在LWD環(huán)境下，用偶極子聲學(xué)技術(shù)測(cè)量地層剪切波速度。
現(xiàn)在將說(shuō)明，例如在圖1A和1B的鉆具組BHA 90中，采用一定數(shù)量的傳感器為L(zhǎng)WD剪切波采集數(shù)據(jù)的較好方式。在特定應(yīng)用中使用的實(shí)際BHA，除本發(fā)明說(shuō)明的傳感器之外，還可以包括背景技術(shù)部分說(shuō)明的某些或所有的傳感器。對(duì)于本發(fā)明，任何該種BHA應(yīng)包含一個(gè)或多個(gè)震源和接收器(圖中總的以數(shù)字88表示)，放在BHA 90中適當(dāng)位置。
本發(fā)明對(duì)LWD剪切速度測(cè)量，采用四極子聲學(xué)技術(shù)。圖4a畫出四極子場(chǎng)的圖例。圖上畫出特征的四波瓣圖，該圖基本上以cos 22的方位變化為特征。在本例中，該場(chǎng)可以與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)或壓力有關(guān)。使用四極子波的最大好處是，環(huán)箍的四極子波只在某一頻率以上存在，該頻率稱為截止頻率。該頻率與鉆井環(huán)箍的厚度和井眼大小有關(guān)。因此，通過(guò)確定該環(huán)箍及該井眼尺寸的截止頻率，我們可以選擇某一頻帶，在該頻帶中只激發(fā)地層的四極子剪切波。確定地層四極子波的速度，將滿足在LWD環(huán)境中測(cè)量剪切波速度的需要。這一點(diǎn)與電纜測(cè)井的情況不同雖然Winbow確曾討論在電纜裝置上使用四極子測(cè)井，但沒(méi)有討論四極子波的截止頻率。Winbow教導(dǎo)一種電纜測(cè)井裝置。本領(lǐng)域熟練人員熟知，電纜裝置中井下測(cè)井儀的直徑，通常比井眼直徑小很多。Chen還討論了使用四極子聲源進(jìn)行剪切波測(cè)井，并對(duì)井眼內(nèi)的Stoneley波，出示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論頻散曲線的比較。Chen模型的測(cè)井儀直徑，小于井眼直徑的一半。本領(lǐng)域熟練人員熟知，Stoneley波是沿井眼壁傳播的邊界波。相反，本發(fā)明涉及的MWD裝置，其中鉆井環(huán)箍的直徑幾乎與井眼直徑相同。在這樣的情況下，環(huán)箍模變得重要。該環(huán)箍模不同于Chen討論的Stoneley波。
用四極子波的測(cè)量來(lái)確定地層剪切速度的可行性，可用理論上的/數(shù)值分析的例子證明。圖4-b畫出地層401與環(huán)箍四極子波403及405的速度頻散曲線。速度以米每秒(m/s)為單位，畫在垂直軸，頻率以千赫(kHz)為單位，沿水平軸畫出。對(duì)一示例性厚度35mm的環(huán)箍，其速度頻散曲線以曲線403表示。對(duì)一示例性厚度63mm的環(huán)箍，其速度頻散曲線以曲線405表示。地層四極子波略有頻散，并在低的截止頻率上(在本例中約為2kHz)達(dá)到地層的剪切波速度。這一點(diǎn)表明，地層剪切波速度，能夠作為地層四極子波速度的低頻極限而確定。環(huán)箍四極子波速度曲線，由于鉆井環(huán)箍高的剪切剛性(鋼)和厚的壁(63mm)，表現(xiàn)出十分高的值。但是，對(duì)63mm厚的環(huán)箍405的環(huán)箍波，僅存在于約10kHz以上的頻率范圍中，然而，對(duì)地層剪切速度測(cè)量要求的頻率，約為2kHz，因此與環(huán)箍波的頻率范圍(＞10kHz)分得很開(kāi)。利用這一頻率分隔，能夠設(shè)計(jì)一種方法和裝置，只在預(yù)定的頻帶內(nèi)(在本例中是0-10kHz)產(chǎn)生四極子波。在該頻帶中，只產(chǎn)生地層的四極子波。該波的激發(fā)/產(chǎn)生方案，可以用有限差分模擬來(lái)演示。
在一有限差分模型中，四極子聲源和按0.1524m間隔的接收器陣列，放在環(huán)箍邊緣。該聲源子波的中心頻率選為2kHz，聲源子波的幅頻譜在約5kHz時(shí)減少至零，該頻率在環(huán)箍四極子波的截止頻率10kHz以下。圖5a畫出四極子聲源產(chǎn)生的三個(gè)波場(chǎng)強(qiáng)度在時(shí)間上的瞬時(shí)圖形。每一瞬時(shí)圖形，501、503、和505是截面圖，表示在鉆井環(huán)箍?jī)?nèi)的液體521、鉆井環(huán)箍90、在鉆井環(huán)箍外的液體523、和地層95的截面。與四極子波運(yùn)動(dòng)有關(guān)的徑向質(zhì)點(diǎn)速度，以陰影507、509表示。圖5a的這些瞬時(shí)圖形，表明在若干瞬時(shí)(分別是，對(duì)501是0.24毫秒，對(duì)503是1.22毫秒，和對(duì)505是2.21毫秒)的波場(chǎng)強(qiáng)度位置。在井眼的液體環(huán)帶內(nèi)，可以看見(jiàn)高的波場(chǎng)強(qiáng)度507，在地層內(nèi)，也可以看見(jiàn)高的波場(chǎng)強(qiáng)度509。在液體環(huán)帶內(nèi)波的運(yùn)動(dòng)，和在地層內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是同相的，以地層剪切速度傳播，如對(duì)所有三個(gè)瞬時(shí)圖形501、503、和505的液體與地層中高波場(chǎng)強(qiáng)度507和509的同時(shí)并列所示。這就是與圖4相關(guān)的討論中的地層四極子波。在聲源周圍，除開(kāi)始時(shí)(0.24毫秒的瞬時(shí)圖形501)例外，環(huán)箍?jī)?nèi)任何位置幾乎不存在可看見(jiàn)的波強(qiáng)度，這一點(diǎn)證明了，對(duì)該環(huán)箍厚度(2.48英寸)，該頻帶沒(méi)有激發(fā)環(huán)箍四極子波。
接收器陣列的時(shí)域四極子波形畫在圖5B，圖上，時(shí)間以水平軸表示。四極子聲學(xué)波形，用與圖5垂直軸上對(duì)應(yīng)的接收器偏離聲源的距離表示。接收器位置相隔0.1524m，從在1.833m的近的記錄線波形531開(kāi)始，到偏離聲源2.9m的533。圖5B只畫出一種波，即地層四極子波，以地層的剪切速度在該陣列上傳播。虛線535標(biāo)明該地層四極子波首次到達(dá)。該時(shí)域波的模擬結(jié)果，與圖4的頻域頻散分析結(jié)果是一致的。這些例子表明，選擇合適的波激發(fā)頻帶，能夠消除環(huán)箍四極子波。
激發(fā)頻帶應(yīng)根據(jù)鉆井環(huán)箍與井眼尺寸選擇。在鉆井實(shí)踐中，井眼大小是變化的，以適應(yīng)勘探/生產(chǎn)的需要和/或?qū)⒁@的井的地質(zhì)環(huán)境。因此，鉆井環(huán)箍的大小也要變化。環(huán)箍與井眼尺寸的改變，特別是前者的改變，將明顯改變環(huán)箍四極子波的特征。這一點(diǎn)能夠再次用理論上的/數(shù)值上的分析例子演示。圖4畫出厚度35mm的鉆井環(huán)箍(虛的曲線)的四極子頻散曲線。用較薄的環(huán)箍，地層四極子頻散曲線(虛線403)也改變。地層模式的截止頻率升至約3kHz，且整個(gè)曲線比厚環(huán)箍情況(實(shí)曲線405)顯示出更高的值。該曲線在低頻時(shí)，接近地層剪切波速度。另一方面，環(huán)箍四極子波速度，比厚的環(huán)箍情況(實(shí)曲線405)大大降低，而且表現(xiàn)出低得多的截止頻率(約6kHz)。圖4表現(xiàn)的一般趨勢(shì)是，增加環(huán)箍厚度，將把環(huán)箍四極子波頻帶，移離地層四極子波頻帶。當(dāng)環(huán)箍四極子波頻帶接近地層四極子波頻帶時(shí)，地層四極子波的測(cè)量將受到嚴(yán)重?fù)p害，如下面的波模擬例子所示。
要舉的例子是，環(huán)箍管比較薄(厚度僅16mm或0.63英寸)。環(huán)箍四極子波的截止頻率，現(xiàn)在約3.5kHz。其他參數(shù)如圖5B所使用的一樣，保持不變。用2kHz中心激發(fā)頻率，激發(fā)地層與環(huán)箍四極子波。圖6A與圖5A對(duì)應(yīng)，畫出16mm厚的環(huán)箍的波場(chǎng)瞬時(shí)圖形。圖6A畫出四極子聲源產(chǎn)生的三個(gè)波場(chǎng)強(qiáng)度在時(shí)間上的瞬時(shí)圖形。每一瞬時(shí)圖形，601、603、和605是截面圖，表示在鉆井環(huán)箍?jī)?nèi)的液體621、鉆井環(huán)箍90、在鉆井環(huán)箍外的液體625、和地層95的截面。與四極子波運(yùn)動(dòng)有關(guān)的徑向質(zhì)點(diǎn)速度，以陰影611、613表示。圖6A的這些瞬時(shí)圖形，表明在若干瞬時(shí)(分別是，對(duì)601是0.24毫秒，對(duì)603是1.22毫秒，和對(duì)605是2.21毫秒)的波場(chǎng)強(qiáng)度位置。在井眼液體625的環(huán)帶內(nèi)，可以看見(jiàn)高的波場(chǎng)強(qiáng)度611，在環(huán)箍?jī)?nèi)，也可以看見(jiàn)高的波場(chǎng)強(qiáng)度613。對(duì)所有三個(gè)瞬時(shí)圖形601、603、和605，在包含環(huán)箍的整個(gè)井眼中的波場(chǎng)強(qiáng)度，由環(huán)箍四極子波支配。地層四極子波是弱激發(fā)的，與環(huán)箍波反相。
時(shí)域的陣列波形畫在圖6B。接收器陣列的時(shí)域四極子波形，畫在圖6B，圖上，時(shí)間以水平軸表示。四極子聲學(xué)波形，用與圖6B垂直軸上對(duì)應(yīng)的接收器偏離聲源的距離表示。接收器位置相隔0.1524m，從在1.833m的近的記錄線波形631開(kāi)始，到偏離聲源2.9m的633。時(shí)域波形由環(huán)箍四極子波支配，該波向外移動(dòng)的速度約1,300m/s。虛線635表示地層四極子波的到達(dá)時(shí)間。在此情況中，由于存在強(qiáng)的環(huán)箍波，難以測(cè)量地層四極子波。對(duì)于LWD四極子波的產(chǎn)生和測(cè)量裝置，該例表明頻帶選擇的重要性。
上述例子表明，在LWD環(huán)境中四極子剪切波的優(yōu)點(diǎn)，以及促進(jìn)LWD四極子波測(cè)量的要求。因此，可以構(gòu)建四極子LWD剪切波系統(tǒng)。在LWD環(huán)境中的四極子剪切波，能夠用安裝在鉆井環(huán)箍90上的四極子聲源產(chǎn)生。圖7是簡(jiǎn)化的透視圖，畫出該聲源與鉆井環(huán)箍一起的橫截面。如圖7所示，四極子聲源包括鉆井環(huán)箍90和等尺寸的八個(gè)單元。這些截面編號(hào)701-708。這些編號(hào)是聲源柱體的八個(gè)相等的扇形區(qū)。這些柱體部分，或者由電致伸縮材料(或壓電材料)，或者由磁致伸縮材料制成，這些材料能夠從輸入的電脈沖產(chǎn)生應(yīng)力/壓力波信號(hào)。在本發(fā)明另外的一個(gè)實(shí)施例中(未畫出)，這些部分包括一種機(jī)電裝置，該種機(jī)電裝置在頒發(fā)給Gill的美國(guó)專利US Patent 5,852,262中說(shuō)明，本文引用該專利的內(nèi)容，供參考。包括在Gill教導(dǎo)中的，是一種產(chǎn)生壓力脈沖的致動(dòng)器。通過(guò)利用適當(dāng)配置的通道孔，可以產(chǎn)生偶極子或四極子脈沖。也可以用彎曲桿(bender bar)。雖然把聲源柱體分為四個(gè)相等扇形區(qū)，就足以產(chǎn)生四極子聲源，但聲源用八個(gè)(或任何四的倍數(shù))扇形區(qū)，降低了每一扇形區(qū)的質(zhì)量，使它們更易于抵抗鉆井時(shí)的振動(dòng)。雖然這里說(shuō)明的聲源是以八段聲源分段為例，但本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)知道，如何激發(fā)四個(gè)聲源的任何倍數(shù)，使之產(chǎn)生四極子信號(hào)。
圖7的下面部分，是四極子剪切波聲源在垂直于鉆井環(huán)箍軸的平面上的剖面圖。在一個(gè)實(shí)施例中，聲源裝置的單元是標(biāo)記701、702、703、704、705、706、707、和708的扇形區(qū)。當(dāng)電脈沖加在該聲源上時(shí)，每一扇形區(qū)將沿徑向向外或向內(nèi)膨脹或收縮。具體說(shuō)，可以這樣施加電脈沖，使扇形區(qū)(701、702)與沿直徑相對(duì)的扇形區(qū)(705、706)膨脹，同時(shí)使扇形區(qū)(703、704)與扇形區(qū)(707、708)收縮，如圖7所示。于是，在圍繞井眼的液體/地層中，同時(shí)在鉆井環(huán)箍中，產(chǎn)生四個(gè)應(yīng)力/壓力波。還應(yīng)指出，當(dāng)使用諸如Gill教導(dǎo)的裝置時(shí)，可能只用單個(gè)致動(dòng)器，從適當(dāng)?shù)耐ǖ揽桩a(chǎn)生四極子信號(hào)。
當(dāng)所有八個(gè)扇形區(qū)都用相同材料制成，且加在它們上的電脈沖有基本相同的振幅，那么，鉆井環(huán)箍?jī)?nèi)和圍繞井眼/地層內(nèi)的四個(gè)應(yīng)力/壓力波的互作用，將產(chǎn)生四極子剪切波。更具體說(shuō)，如果電脈沖的調(diào)制，能使產(chǎn)生應(yīng)力/壓力波的頻帶，在鉆井環(huán)箍四極子剪切波的截止頻率以下，那么，四個(gè)應(yīng)力波在環(huán)箍?jī)?nèi)的互作用將彼此抵消。應(yīng)力/壓力波在井眼和地層內(nèi)的互作用，將產(chǎn)生沿井眼縱向傳播的地層四極子剪切波。聲源脈沖的這一頻帶調(diào)制，是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一部分。
現(xiàn)在來(lái)詳細(xì)說(shuō)明四極子剪切波聲源的一個(gè)實(shí)際裝置。圖8畫出分段成環(huán)的發(fā)射器裝置的詳細(xì)截面圖。該裝置在圍繞環(huán)箍90連續(xù)的容器803中，有分段的環(huán)，安裝在彈性上隔離的部件801上。該隔離部件用于降低鉆具組誘發(fā)的聲信號(hào)。傳感器組件如圖所示，可以用有蓋套筒充油807，或者，它可以是不需要油的裝在罐里的組件。電子驅(qū)動(dòng)電路809與發(fā)射器單元811耦合，用于激發(fā)送進(jìn)井眼和地層的聲信號(hào)。有蓋的套筒815覆蓋發(fā)射器單元811。電子驅(qū)動(dòng)電路809可以放在內(nèi)心軸813內(nèi)。發(fā)射單元811可以用多種形式實(shí)現(xiàn)，包括環(huán)、柱、板、和活塞或螺線管單元。如有必要，可以沿周邊或軸向增加分段的數(shù)目。
圖9畫出隔間化分段的發(fā)射裝置的詳細(xì)截面圖，各分段在圍繞環(huán)箍90的隔間化的容器903中，安裝在各個(gè)彈性隔離部件901上。在發(fā)射單元911與有蓋的套筒915間，可以用油填料907。發(fā)射的電子電路909，可以放進(jìn)內(nèi)心軸813內(nèi)。
由上述四極子聲源在地球地層中產(chǎn)生的四極子剪切波，可以在沿井眼縱向隔開(kāi)的位置上檢測(cè)，如在圖1B中大略所示。圖1B是示意圖，畫出的聲學(xué)測(cè)井同時(shí)鉆井的井下測(cè)井儀系統(tǒng)，是裝在包含鉆頭50的BHA鉆井環(huán)箍90上的。該系統(tǒng)安裝在BHA鉆井環(huán)箍90上，用于在鉆地層的同時(shí)，進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量。聲學(xué)測(cè)井同時(shí)鉆井的井下測(cè)井儀系統(tǒng)，可以有聲源105，發(fā)射可以穿越地層95的聲振動(dòng)106，然后由可以排成陣列的傳感器A和B接收。如圖1B所示，使用沿軸向分開(kāi)的單元陣列，有可能利用熟知的相控陣列濾波技術(shù)，以便衰減指定速度范圍的沿特定方向傳播的信號(hào)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該相控陣列濾波用于衰減井眼產(chǎn)生的噪聲。還可以通過(guò)規(guī)定要衰減的速度范圍，用相控陣列濾波衰減環(huán)箍模。在本發(fā)明一個(gè)另外的實(shí)施例中，使用多個(gè)軸向分開(kāi)的發(fā)射器單元，并用相控陣列濾波，以降低環(huán)箍模信號(hào)的產(chǎn)生。
如圖10所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，各聲檢測(cè)器可以安裝在鉆井環(huán)箍邊緣。每一檢測(cè)器包括四個(gè)相同的傳感器，圍繞環(huán)箍周邊分開(kāi)放置，例如按順序稱為A、B、C和D。圖10是傳感器圍繞環(huán)箍相對(duì)于圖7所示聲源單元的布局的透視圖。每一傳感器的中心，沿縱向與兩個(gè)同時(shí)膨脹/收縮的聲源扇形區(qū)的連線排成直線。例如，傳感器A與聲源扇形區(qū)701和702間的連線排成直線，傳感器B與聲源扇形區(qū)703和704間連線排成直線，等等。四個(gè)傳感器檢測(cè)器的作用，是增強(qiáng)四極子聲源的效率，同時(shí)除去來(lái)自波信號(hào)單極子分量的可能的污染。
現(xiàn)在更詳細(xì)地說(shuō)明，一種實(shí)際的作為四極子檢測(cè)器陣列的四極子剪切波接收器裝置。圖11畫出分段的環(huán)接收器傳感器裝置的詳細(xì)截面圖，該裝置在圍繞環(huán)箍90的連續(xù)容器1103中，有分段的環(huán)，安裝在彈性隔離部件1101上。該隔離部件用于降低鉆具組誘發(fā)的信號(hào)。傳感器組件如圖所示，可以用有蓋套筒1115充油1107，或者，它可以是不需要油的裝在罐里的組件。電子信號(hào)調(diào)節(jié)電路1109與接收器單元1111耦合，用于檢測(cè)井眼和地層中的聲信號(hào)。接收器電路1109可以放進(jìn)內(nèi)心軸813內(nèi)。接收單元可以用多種形式實(shí)現(xiàn)，包括環(huán)、柱、板、和活塞或螺線管單元。如有必要，可以沿周邊或軸向增加分段的數(shù)目。接收器單元的材料可以從壓電材料、電致伸縮材料、及磁致伸縮材料中選擇。
圖12畫出隔間化分段的接收傳感器裝置的詳細(xì)截面圖，該裝置在圍繞環(huán)箍90的隔間化的容器1203中，有接收器分段1211，安裝在各個(gè)彈性隔離部件1201上。內(nèi)心軸813內(nèi)裝與接收器單元1211耦合的接收器電路1209。接收器單元1211有一有蓋的套筒1215，其中有用油填充的空間1207。
共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)，序號(hào)No.09/590,906，其內(nèi)容這里全文收入，供參考，該專利教導(dǎo)如何用一個(gè)四極子發(fā)射器兩種不同的激發(fā)，通過(guò)適當(dāng)組合兩個(gè)接收單元接收的信號(hào)，從而獲得四極子模。
前面的教導(dǎo)畫在圖13a中，圖中畫出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中，由發(fā)射器的四個(gè)分段1401a-1401d提供四極子激發(fā)。另外，該四極子信號(hào)也可以由上述八單元發(fā)射器配對(duì)的相鄰分段提供。此后，當(dāng)談及四個(gè)單元的發(fā)射器和接收器時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解為同樣包括八個(gè)單元的發(fā)射器和接收器。該信號(hào)經(jīng)過(guò)地層傳播之后，由偶極子接收器1410檢測(cè)，該偶極子接收器包括接收器單元1403a和1403c。接著，如同圖13b所示，由發(fā)射器1400激發(fā)四極子模，并由相同的接收器單元1403a和1403c接收。接收器單元1403a和1403b為圖13a中發(fā)射器觸發(fā)而接收的記以A和C的信號(hào)，與由圖13b中接收器單元1403a及1403b接收的記以A*和C*的信號(hào)，執(zhí)行運(yùn)算S＝(A+C)-(A*+C*)，該信號(hào)S將是具有所有公共模的四極子信號(hào)，包括被衰減的BHA/鉆頭信號(hào)。這些公共模包括通過(guò)井下測(cè)井儀的體波、通過(guò)地層的單極子信號(hào)(P和S)、和井眼內(nèi)的Stoneley波。由于井下測(cè)井儀與井眼壁之間較小的環(huán)帶，使該Stoneley波與MWD井下測(cè)井儀比與電纜井下測(cè)井儀更難對(duì)付因此，公共模的去除比電纜測(cè)井更為重要。
圖14畫出接收傳感器分段的側(cè)視圖。環(huán)箍90包括換能器單元1211，換能器單元又有多個(gè)有源單元1251。圖14的其他部件如在圖12中的相同，不再討論。
從例如圖10傳感器A、B、C、和D接收的信號(hào)，可以組合成(A+C)-(B+D)。對(duì)圖7所示的聲源配置和觸發(fā)方案產(chǎn)生到達(dá)傳感器A、B、C、和D的四極子波，可以描述如下。傳感器A和C將分別看到相同極化和振幅的壓力波，而傳感器B和D則看到相同振幅但相反極化的壓力波。因此，把A和C的信號(hào)相加，然后減去B和D的信號(hào)，即(A+C)-(B+D)，將產(chǎn)生比一個(gè)傳感器獨(dú)自的信號(hào)強(qiáng)四倍的信號(hào)。此外，LWD四極子聲源，當(dāng)位置偏離井眼軸時(shí)，如在鉆井時(shí)常常發(fā)生的那樣，也將產(chǎn)生沿井眼傳播的單極子分量。在低的頻率上，單極子波將作為管波傳播，污染地層的四極子剪切波。該低頻管波的運(yùn)動(dòng)，基本上在井眼內(nèi)是均勻的，于是，每一個(gè)別的傳感器將測(cè)量到基本上相同的管波信號(hào)。該單極子管波通過(guò)組合(A+C)-(B+D)能夠消除。
本發(fā)明另外的一個(gè)實(shí)施例，是對(duì)每一傳感器記錄的信號(hào)，進(jìn)行環(huán)箍四極子波截止頻率以下的低通濾波。如果聲源脈沖有高的頻率，且沒(méi)有被調(diào)制，或者，如果鉆井噪聲的四極子分量有環(huán)箍四極子波截止頻率以上的頻率分量，那么，將激發(fā)環(huán)箍四極子波并被各傳感器記錄。因?yàn)榄h(huán)箍四極子波只存在于它的截止頻率以上，所以能夠通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)，進(jìn)行截止頻率以下的低通濾波，除去該環(huán)箍四極子模。如上所述，該截止頻率能夠從井眼和鉆井環(huán)箍尺寸確定。因此，能夠設(shè)計(jì)并安裝該低通濾波器，作為傳感器數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的一部分。
為了信號(hào)相干增強(qiáng)和處理的目的，把上述檢測(cè)器/接收器陣列沿鉆井環(huán)箍的縱向放置。相鄰檢測(cè)器的間隔，通常在0.5到1英尺(0.1524至0.3048m)的范圍。地層剪切波速度可以把越過(guò)接收器陣列的四極子剪切波，用任何標(biāo)準(zhǔn)的陣列處理方法進(jìn)行相關(guān)操作而確定，標(biāo)準(zhǔn)的陣列處理方法，在頒發(fā)給Tang的美國(guó)專利5,441,890中有教導(dǎo)。
上面已經(jīng)針對(duì)地層剪切速度的確定進(jìn)行了討論，本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)明白，使用的是第一階模。在“快”地層中，剪切速度超過(guò)井眼中的液體壓縮速度，可能存在更高階的模。這一點(diǎn)在圖15a中說(shuō)明。橫軸是頻率，縱軸是速度。1301a和1301b畫出第一階四極子模的相速度和群速度的例子，而1303a和1303b畫出第二階模的相速度和群速度。地層剪切和壓縮波速度分別是4,500和2,500m/s；鉆井環(huán)箍和井眼尺寸及其他有關(guān)參數(shù)，與圖5B相同。波形模擬使用5kHz的中心頻率聲源。在21kHz以下的頻率范圍，存在兩種四極子模。它們分別稱為第一和第二四極子模，更高階模存在于更高的頻率范圍。對(duì)圖15A中的例子，第一和第二模分別從約3和8kHz開(kāi)始出現(xiàn)。第一模表現(xiàn)出陡下降的相速度頻散曲線1301a，有十分確定的群速度1301b的極小。群速度極小的存在，產(chǎn)生稱為艾里相位(Airy phase)的現(xiàn)象。有關(guān)的波形畫在圖15B。與艾里相位有關(guān)的波能量支配該波形并顯著滯后于地層剪切到達(dá)時(shí)間1311，如在圖15B中所示。在這種情況下，如果不是不可能，也是難以從第一模的波形數(shù)據(jù)測(cè)量快地層剪切波速度的。
測(cè)量第二四極子波模的波形，能夠直接確定快地層剪切速度。如在圖15A中所示，在截止頻率以上的寬頻率范圍，第二模的相速度曲線，十分接近地層剪切速度(本例中是2,500m/s)。第二模的相速度和群速度曲線，兩者都很平坦，表明小的頻散效應(yīng)。事實(shí)上，在該更高頻率范圍中激發(fā)的與第二模有關(guān)的四極子波，以地層剪切波速度傳播，如圖15B所示。因?yàn)榈貙拥牡诙臉O子模，在環(huán)箍四極子頻率范圍以下，能夠有效激發(fā)，所以來(lái)自后一種模的干擾，仍能避免或使之最小。如圖15B所示，沒(méi)有可看見(jiàn)的與環(huán)箍四極子有關(guān)的波能量。圖15A、15B中舉出的例子表明，通過(guò)激發(fā)并測(cè)量與快地層有關(guān)的第二四極子波模，我們能夠可靠地確定地層剪切波速度。
上面各例使用單一的鉆井環(huán)箍，說(shuō)明在LWD環(huán)境中，用四極子模激發(fā)來(lái)確定地層剪切性質(zhì)的原理。為實(shí)際的理由，本發(fā)明的測(cè)井井下測(cè)井儀，可以包括鉆井環(huán)箍的多個(gè)分段，在鉆井環(huán)箍的不同分段上有發(fā)射器和接收器。上面說(shuō)明的原理，同樣可應(yīng)用于該種分段的鉆井環(huán)箍，并且包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。截止頻率和頻散曲線，對(duì)鉆井環(huán)箍的每一分段，可能有所不同。這一點(diǎn)不影響測(cè)井的井下測(cè)井儀的工作原理。
上述各例還進(jìn)一步說(shuō)明，四極子的實(shí)現(xiàn)，可以用至少兩對(duì)匹配的“單極子”單元，其中每一對(duì)內(nèi)各單元的運(yùn)動(dòng)是完全協(xié)調(diào)的。一種用于激發(fā)四極子信號(hào)或接收四極子信號(hào)可能的另外的方法，是用兩個(gè)偶極子，如彎曲桿。這一方法示于圖16。單元1401-1403包括一個(gè)偶極子，如第一彎曲桿，而單元1405-1407包括第二偶極子，如第二彎曲桿。彎曲桿的運(yùn)動(dòng)不是沿徑向的它垂直于從井下測(cè)井儀中心到彎曲桿中點(diǎn)的徑向連線；然而，一種有意義的四極子信號(hào)可以由圖16所示的配置激發(fā)或接收。該種裝置理應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
上面已經(jīng)對(duì)本發(fā)明對(duì)LWD的應(yīng)用作了說(shuō)明。本發(fā)明也可以在換鉆頭(Tripping)的同時(shí)測(cè)井中使用。本領(lǐng)域熟練人員都知道，鉆頭通常都會(huì)磨損，為了更換鉆頭而換鉆頭鉆具組的過(guò)程，稱為“換鉆頭(tripping)”。在換鉆頭的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量還有另外的優(yōu)點(diǎn)，就是鉆井沒(méi)有完成，所以現(xiàn)在測(cè)井的井下測(cè)井儀不會(huì)被鉆頭產(chǎn)生的噪聲污染。
雖然前面公開(kāi)的內(nèi)容是針對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的，但是，各種變化對(duì)本領(lǐng)域熟練人員是顯而易見(jiàn)的。我們認(rèn)為，所有在后面權(quán)利要求書的范圍和精神內(nèi)的變化，都應(yīng)被前面公開(kāi)的內(nèi)容覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種聲學(xué)測(cè)井裝置，包括(a)在鉆井圓管上送進(jìn)地層內(nèi)井眼中的鉆井環(huán)箍，所述鉆井環(huán)箍具有對(duì)于其內(nèi)的環(huán)箍模波的截止頻率；(b)產(chǎn)生信號(hào)的環(huán)箍上的發(fā)射器，所述信號(hào)包括地層模式和環(huán)箍模；(c)在環(huán)箍上的至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，用于檢測(cè)所述信號(hào)，所述至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器沿軸向離開(kāi)發(fā)射器設(shè)置并接收包括地層模式和環(huán)箍模的信號(hào)；和(d)包括濾波器的處理器，所述濾波器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行截止頻率以下頻率分量的低通濾波。
2.按照權(quán)利要求1的測(cè)井裝置，其中所述環(huán)箍模是四極子模，并且所述發(fā)射器是四極子發(fā)射器。
3.按照權(quán)利要求1的測(cè)井裝置，其中所述至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器還包括多個(gè)檢測(cè)器單元，這些檢測(cè)器單元圍繞環(huán)箍周邊設(shè)置。
4.按照權(quán)利要求3的測(cè)井裝置，其中所述發(fā)射器還包括多個(gè)發(fā)射器單元。
5.按照權(quán)利要求2的測(cè)井裝置，其中所述四極子發(fā)射器還包括2N對(duì)沿徑向相對(duì)的發(fā)射器單元，這些發(fā)射器單元圍繞所述環(huán)箍周邊設(shè)置，其中N是整數(shù)。
6.按照權(quán)利要求4的測(cè)井裝置，其中所述發(fā)射器單元還包括選自以下的材料(i)壓電材料、ii)電致伸縮材料和(iii)磁致伸縮材料。
7.按照權(quán)利要求4的測(cè)井裝置，其中所述發(fā)射器單元還包括選自以下裝置的裝置(i)彎曲桿、(ii)機(jī)電裝置和(iii)通道孔。
8.按照權(quán)利要求1的測(cè)井裝置，其中所述至少一個(gè)檢測(cè)器還包括多個(gè)包含選自以下的材料的檢測(cè)器單元(i)壓電材料、(ii)電致伸縮材料和(iii)磁致伸縮材料。
9.按照權(quán)利要求1的測(cè)井裝置，其中所述地層的剪切速度大于所述井眼中液體的壓縮速度，所述信號(hào)還包括第一四極子模和第二四極子模，所述處理器還包括濾波器，用于對(duì)高于與所述第一四極子模相關(guān)的艾里相位的信號(hào)進(jìn)行高通濾波。
10.一種在鉆井環(huán)箍上使用聲學(xué)測(cè)井裝置的方法，所述鉆井環(huán)箍在鉆井圓管上送進(jìn)地層內(nèi)的井眼中，所述方法包括(a)利用所述測(cè)井裝置上的發(fā)射器，產(chǎn)生包括地層模式和井下測(cè)井儀模的四極子信號(hào)；(b)利用所述鉆井環(huán)箍上沿軸向與所述發(fā)射器分開(kāi)的至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，檢測(cè)所述信號(hào)；和(d)利用處理器對(duì)所述檢測(cè)的信號(hào)的頻率分量進(jìn)行低通濾波，其中所述檢測(cè)的信號(hào)具有低于所述鉆井環(huán)箍中的井下測(cè)井儀模的截止頻率的頻率。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述發(fā)射器包括兩對(duì)沿徑向相對(duì)的發(fā)射器單元，并且產(chǎn)生所述信號(hào)，所述方法還包括啟動(dòng)這些單元，以產(chǎn)生按cos 22方位變化的信號(hào)。
12.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述發(fā)射器還包括兩個(gè)偶極子。
13.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器還包括在所述環(huán)箍周邊設(shè)置的多個(gè)檢測(cè)器單元。
14.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器還包括沿軸向分開(kāi)設(shè)置的多個(gè)信號(hào)檢測(cè)器。
15.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述至少一個(gè)發(fā)射器包括四極子發(fā)射器，所述至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器包括兩個(gè)檢測(cè)器單元，所述方法還包括在第一時(shí)間以一種極化方式，在第二時(shí)間以第二種極化方式來(lái)操作所述發(fā)射器。
16.按照權(quán)利要求14的方法，其中對(duì)所述信號(hào)的處理還包括利用所述多個(gè)沿軸向分開(kāi)設(shè)置的檢測(cè)器，進(jìn)行聲束方向操縱。
17.按照權(quán)利要求10的方法，其中所述地層的剪切速度大于所述井眼中液體的壓縮速度，所述信號(hào)還包括第一四極子模和第二四極子模，所述方法還包括利用所述處理器，對(duì)于高于與所述第一四極子模相關(guān)的艾里相位的信號(hào)進(jìn)行高通濾波。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種聲學(xué)測(cè)井裝置，包括(a)在鉆井圓管上送進(jìn)地層內(nèi)井眼中的鉆井環(huán)箍，所述鉆井環(huán)箍具有對(duì)于其內(nèi)的環(huán)箍模波的截止頻率；(b)產(chǎn)生信號(hào)的環(huán)箍上的發(fā)射器，所述信號(hào)包括地層模式和環(huán)箍模；(c)在環(huán)箍上的至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，用于檢測(cè)所述信號(hào)，所述至少一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器沿軸向離開(kāi)發(fā)射器設(shè)置并接收包括地層模式和環(huán)箍模的信號(hào)；和(d)包括濾波器的處理器，所述濾波器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行截止頻率以下頻率分量的低通濾波。
文檔編號(hào)G01V1/44GK1690729SQ20051007293
公開(kāi)日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2001年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月13日
發(fā)明者唐曉明, 竇格拉斯·派特森, 王自力, 杰姆斯·V·雷杰特三世, 弗拉迪米爾·杜賓斯基 申請(qǐng)人:貝克休斯公司