隨鑽地震技術

在鑽井作業中利用地震波感測器對常規地震震源（如氣槍、可控震源或炸藥震源）或非常規震源（鑽頭振動）產生的地震波信號進行記錄並獲取VSP或逆VSP數據的技術被稱為隨鑽地震技術。

基本介紹

• 中文名：隨鑽地震技術
• 外文名：Seismic While Drilling technology
• 英文簡稱：SWD
• 套用：鑽井作業
• 包含：鑽頭隨鑽地震等
• 學科：地質科學

釋義

在鑽井作業中利用地震波感測器對常規地震震源（如氣槍、可控震源或炸藥震源）或非常規震源（鑽頭振動）產生的地震波信號進行記錄並獲取VSP或逆VSP數據的技術被稱為隨鑽地震技術。

發展概況

涉及術語

廣義的隨鑽地震包括了鑽頭隨鑽地震（Drill-Bit SWD，DB-SWD）和隨鑽垂直地震剖面（VSP While Drilling，VSP-WD）。鑽頭隨鑽地震（DB-SWD）利用鑽頭破岩振動作為震源，在地面布置改造過的地震檢波器進行記錄，大部分文獻中提到SWD就是指DB-SWD。由於其觀測系統幾何形式與常規VSP互逆並且基於互等原理（Reciprocity principle），DB-SWD又被稱為Reverse VSP或Reciprocal VSP（R-VSP）。套用該技術的商業化產品有Western Atlas公司的TOMEXTM系統以及IFP-France的TRAFORTM系統。隨鑽VSP採用的是常規VSP的觀測系統，它利用炸藥、氣槍等地面常規震源，利用集成於井下隨鑽工具上的地震波感測器進行記錄來獲取VSP數據，該技術也被歸為隨鑽地震，又被稱為隨鑽地震測量（Seismic Measurement While Drilling，SMWD），Schlumberger是該技術的倡導者，其Seismic Vision TM產品就是基於該技術發展起來的。

發展歷程

利用鑽頭振動作為震源信號來研究地下信息的構想要追溯到1930年。初始構想來自鋼絲繩衝擊鑽產生的脈衝信號，這種方式獲取的波形數據處理起來相對簡單，但當旋轉鑽井技術普及後，該技術就不再發展了。

1968年，IFP（Institut Françaisdu Pétrole）的地質學家M.Chapuis開始利用鑽頭的振動信號作為震源，他發現近鑽頭地層中“地層越堅硬，振動信號越強烈”，於是在井架附近的地面用地震波信號來採集這些信號。

1972年，Elf-Aquitaine的JeanLutz聯合鑽井工程、地球物理專家，開始通過在鑽柱頂部安裝加速度計，來測量通過鑽柱傳輸的振動。

80年代初，Elf-Aquitaine與CGG的地球物理學家認識到鑽柱頂部的加速度計接收到的連續信號與地表檢波器接收到的信號是類似的，只是傳播路徑的速度不同，即兩道信號存在時移，通過互相關運算，可以得到該時移量。1985年Elf申請了此項技術的專利。

1986年Western-Atlas發表了一口油井利用TOMEXTM技術的測量結果，但很快多個地震服務承包商就發現TOMEXTM技術得到的結果並不理想：比如當使用PDC鑽頭時無法獲得滿意數據，即使在理想條件下（比如在中硬地層、鑽頭牙齒足夠長、合適的鑽井參數、簡單井眼軌跡的情況下）使用牙輪鑽頭也不一定能得到理想的結果。

90年代初，IFP測試了新的TRAFORTM系統，該系統是由IFP鑽井部的機械工程師與電子工程師設計的，可以利用埋設導線的鑽桿進行有線連線，實時傳輸數據，以便實時分析鑽井過程中的井下振動，提高鑽井作業的安全性。

1997年，為了突破DB-SWD的局限性，Schlumberger開始對利用隨鑽VSP對鑽頭前方預測的研究，並對“鑽柱集成檢波器、地面設定震源”這一方案的可行性進行了研究，於1998年完成了實驗樣機的測試，並取得了較好效果。1999年，BP開始與Schlumberger合作進行研發隨鑽VSP產品，對改進樣機進行測試並獲得成功。此後，Schlumberger公司加大研發力度，並加強了野外實驗，推出了名為SeismicMWDTM的隨鑽VSP測量系統，經過改進發展成現在的SeismicVisionTM。該系統包括：集成了地震波感測器的LWD工具、地表震源以及用來向地面傳輸信息的MWD系統。

近年來TEMPRESS公司引入了一種名為SweptImpulseTool（SIT）的掃頻脈衝震擊震源，克服了鑽頭隨鑽地震套用中震源強度不足等問題，使得利用PDC鑽頭進行斜井隨鑽地震探測成為可能。

國內，韓繼勇等對鑽頭隨鑽地震的原理、功能、系統組成等進行了介紹。

張紹槐等對鑽頭隨鑽地震技術中的原理、處理方法等關鍵內容進行了理論研究及數值模擬，對鑽頭隨鑽地震與隨鑽錄井、隨鑽測井的集成與發展方向進行了探討，1996年在江漢油田范3井2250m左右井段上，獲得了有效實測信號，並對其進行特徵分析。

楊進等給出了利用SWD採集數據進行地層壓力計算的理論模型，通過對南中國海域某試驗井SWD採集信息的處理和分析，闡述了預測地層孔隙壓力和確定技術套管的下入深度的方法。

朱鍵等研究了鑽頭隨鑽地震數據與垂直地震剖面（VSP）數據的關係，給出了適用於SWD的波動理論模型，提出了一種可用於鑽頭前方預測的波阻抗反演方法。

羅斌等通過對鑽頭隨鑽地震中的直達波、反射波旅行時的計算研究了其空間傳播特性，討論了干擾波的分離和衰減方法。

楊微等利用高靈敏度流動數字地震儀連續檢測鑽井過程中的鑽頭振動信號，現場試驗獲得了高信噪比信號。

王鵬等在Seismod地震波場模擬軟體和Matlab信號分析軟體的基礎上，利用交錯格線高階有限差分求解鑽頭隨鑽地震的黏彈性介質地震波動方程，對SWD波場傳播、直達波與反射波時距曲線特徵、數據處理方法等進行了數值實驗。

2005年起中石化勝利鑽井院與國家地震局地球物理研究所、勝利物探公司、鄭州物探局等單位對隨鑽地震技術開展聯合攻關，2007年該研究被列入863十一五重點攻關項目，目前在系統構建、儀器研製及信號處理方面取得了重要進展，通過現場實驗獲取了大量基礎數據。

李興龍等根據鑽頭隨鑽地震信號記錄和地層相關資料建立模型，利用時間序列建模方法，對待鑽地層的地層壓力、流體性質、岩性等性質的識別方法進行了說明。

主要隨鑽地震技術及其套用

鑽頭隨鑽地震

鑽頭隨鑽地震系統由以下部分組成：置於地面的地震檢波器；置於方鑽桿上方的參考信號感測器；用來控制系統、處理數據的工作站。其工作原理是：（1）利用牙輪鑽頭破岩時產生的振動能量作為震源（旋轉牙輪鑽頭可以看作P波偶極源）。（2）利用地面地震檢波器記錄經過地層傳播的地震波信號。檢波器被埋入地面淺孔中以確保與地面間的耦合，提高數據質量。在垂直鑽井中，檢波器從井眼開始以輻射狀布置，偏移距範圍一般在200~300m；在斜井與定向井中，檢波器被置於井眼軌跡上方。利用安裝在頂驅裝置上的加速度計來記錄經鑽柱傳播的參考信號（鑽桿的軸向振動）。（3）利用鑽頭直達波可以獲得時深轉換信息，利用時深轉換信息可以將時間域的地面地震剖面轉化到深度域，並用於實時更新速度模型。（4）反射波波場數據經過處理可用於鑽頭前方地層深度預測與成像。當與地面地震剖面聯合使用時，可增加成像結果的可靠性，其數據處理方法與常規VSP數據相同。

水力脈衝震擊器工具作為震源的隨鑽地震

Tempress Technologies公司研發了一種安裝在鑽頭上方的掃頻水力脈衝震擊器（Swept Impulse Tool，SIT），該工具可在鑽頭處產生強大的負壓脈衝（Suction Pulses），其高速流道中安裝有自驅動分流閥，可將流道中的泥漿流迅速切斷從而產生脈衝震擊，並造成鑽頭工作面的局部欠平衡鑽井條件，不僅可以提高破岩效率，還可以替代鑽頭作為震源用於隨鑽地震。該技術克服了鑽頭隨鑽地震的一些局限性，特別是在軟地層、斜井\水平井及採用PDC鑽頭等情況下，可作為震源產生足夠能量。其震源強度與流速、泥漿密度的平方根成正比，與流道面積成反比，可以通過改變分流閥流道面積及長度來改變脈衝強度。多項測試表明，採用水力脈衝震擊器作為震源，可以從超過830m深度將信號傳回地面，其輸出脈衝的頻率範圍為11~19Hz，工作原理與可控震源原理類似。破岩時該工具可同時產生壓縮波（P波）和剪下波（S波），當鑽頭離開工作面後就不再產生剪下波，因此可以根據需要選擇P波或S波對孔隙油藏進行探測成像。

隨鑽VSP

VSP-SWD Schlumberger是該技術的倡導者，其隨鑽VSP技術又被稱為鑽地震測量（Seismic Measurement While Drilling，SMWD）技術。隨鑽VSP的觀測系統與常規VSP類似：在地面設定震源，利用井下檢波器記錄P波或S波；數據處理後主要結果包括：時深轉換關係、地層速度、反射界面深度位置以及結合測井信息得到的合成地震圖。與前面兩種在地面採集的隨鑽地震技術相比，隨鑽VSP的優勢是能夠在低噪音環境下記錄地震波信號，採集的數據可直接進行標準VSP處理。

系統構成：（1）震源：在海上作業時為氣槍，陸上作業時為炸藥、可控震源或泥槍。（2）井下隨鑽工具：包括高靈敏度信號接收器（檢波器）、處理器與存儲器。隨鑽VSP使用的檢波器及震源與電纜VSP幾乎完全相同，主要區別在於井下測量工具與地面沒有電纜相連，檢波器安裝於井下鑽具組合上來接收地面震源釋放的能量。存儲器可以存儲大量VSP數據，處理器需具備自動提取初值波時間的功能。（3）用於信號傳輸的MWD系統：將關鍵實時分析結果（校驗炮時間、質量控制因子等）上傳至地面。（4）基於GPS的地震導航系統：在進行諸如垂直入射VSP或含偏移距VSP的數據採集時，需要用GPS對震源進行動態定位。（5）地面軟體系統：處理顯示現場數據。

工作原理：在工具下井進行數據採集之前，首先需要對工具進行設定（包括啟動時間、記錄時間、啟動深度等）。當工具到達預定深度，便可在連線鑽桿過程中激發震源並記錄數據，因為此時泥漿循環暫停、鑽柱靜止不動，採集數據的信噪比高。