專利名稱：利用非破壞性井下地震源獲得地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用非破壞性的液壓的井下地震源獲得被至少一個鉆井穿過的地下結(jié)構(gòu)的信息的方法。
在鉆一口井的過程中或鉆完了一口井后，常常希望得到關(guān)于該鉆井周圍的結(jié)構(gòu)的信息，在所鉆的井進入或穿過含有碳氫化合物的結(jié)構(gòu)的區(qū)域時，要求具有得到有關(guān)這些生產(chǎn)區(qū)的信息的技術(shù)。測井曲線圖常常被用來決定諸如電阻率、電導(dǎo)率等參數(shù)，以及可用來導(dǎo)出油和產(chǎn)油結(jié)構(gòu)的特性，給出該鉆井周圍環(huán)境的較清楚的圖案的其它一些參數(shù)。
一種測量技術(shù)包括在地面地震源產(chǎn)生穿過該地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震波的同時，使用放入鉆井下面的地震探測器，該地震探測器感受這些波，對由這些波所產(chǎn)生的記錄進行隨后的處理，提供鉆井周圍環(huán)境的較清楚楚的圖案。然而，地殼的風(fēng)化層使地震源的能量在到達鉆井周圍感興趣的結(jié)構(gòu)區(qū)域之前顯著地減弱了。在風(fēng)化層以下，在鉆井內(nèi)提供一個地震源并在離開一段距離的另外的鉆井中放置地震探測器可以消除風(fēng)化層的影響。
典型地，通過在鉆井內(nèi)用水泥固定一個套筒形成一口井的結(jié)構(gòu)。在鉆井中使用的任何源必須能夠把所需量的能量傳入將要在地面或者在鄰近的鉆井中檢測的結(jié)構(gòu)中。然而，能量的形式必須不產(chǎn)生能使套筒和水泥分離的剪切或壓縮鉆孔的應(yīng)力。這種應(yīng)力應(yīng)小于推薦的在套管水泥界面上的最大剪切應(yīng)力，它大約為20磅/平方英寸(pSi)，這是由美國石油學(xué)會提出的(API，RP2A，1984年10月22日)。


圖12與圖13中比較了已知的破壞性井下源，即1.1磅(500克)的甘油炸藥，40立方英寸(655立方厘米)的氣槍和本發(fā)明的輸出為4，000磅(18，000牛頓)的地震源之間在鉆孔應(yīng)力和有效能量上的區(qū)別。這些值適用于100赫茲附近，這頻率處于常用的頻帶之間。這些圖表明該地震振動源達到了高的有效能量而具有低的鉆孔應(yīng)力。由本發(fā)明的地震源產(chǎn)生的10pSi的鉆孔應(yīng)力只是根據(jù)美國石油學(xué)會標準(API RP2A 1984年10月22日)推薦的在套管水泥界面上的最大允許剪切應(yīng)力的一半。
當前，采用一種稱為“垂直地震剖面”(VSP)的技術(shù)獲得關(guān)于鉆井周圍結(jié)構(gòu)內(nèi)感興趣的特殊區(qū)域的信息。典型地，這種技術(shù)要求在提供諸如甘油炸藥那樣的各種地面地震能源的同時在鉆井內(nèi)放入地震探測器，把地震能量傳入結(jié)構(gòu)中，被地震探測器接收。該地震探測器放在鉆井中的指定深度處，一個地面地震能源放在地面上，把地震能量傳入結(jié)構(gòu)中，由地震探測器檢測與記錄。把地震探測器移到不同的深度，并重復(fù)此過程。把地面地震能源移到離鉆井不同距離的各種位置，并重復(fù)此過程。這種過程是極其費錢和費時的。這樣重復(fù)地使用破壞性的地面源使得這種方法不宜用于人口稠密地區(qū)，并且不受土地所有的歡迎。
如果能把一個非破壞性的地震源放入鉆井中并使用逆VSP(RVSP)方法，可以節(jié)省大量時間與費用。RVSP方法需要在鉆井中的一個源和在地面上的許多地震探測器，由地面上的地震探測器來檢測地震源所產(chǎn)生的地震能量。由于大量的地震探測器可以相對于鉆井放置成一個兩維列陣，因而可以移動地震源，同時，保持地震探測器的位置不動，而不是要求同時移動地震源和地震探測器。
假定可以將一個非破壞性的地震源放在一個鉆井中，而在分開一段距離的一個鄰近的鉆井中放置一個或多個地震探測器，由于源可以放在引起衰減的地殼風(fēng)化層之下，所以可以使用生產(chǎn)井的井間層面照相的高級方法。
在研究陸下結(jié)構(gòu)時，要求接收并分析許多不同類型的地震波，例如P-波，SV-波，SH-波。這樣，極其希望有一種儀器能夠在一個鉆井中非破壞性地產(chǎn)生一種或幾種這樣類型的波，由放在地面或一個鄰近的鉆井中的地震探測器接收以推斷出關(guān)于結(jié)構(gòu)的信息。還希望有一個能在風(fēng)化層以下非破壞性地產(chǎn)生頻率超過100赫茲的源，以進行井間層面照相和井間剖面圖。目前不能用油井來實現(xiàn)相鄰鉆井之間的井間層面照相，是因為現(xiàn)在市售的井下地震源(諸如甘油炸藥或空氣槍)為得到可檢測的地面地震波都是產(chǎn)生超過API標準規(guī)定的剪應(yīng)力的脈沖力。用地面數(shù)據(jù)采集源(例如地震探測器)形成層面照相圖象庫的企圖已經(jīng)失敗，其原因是風(fēng)化層的衰減效應(yīng)和高頻濾波性質(zhì)以及不恰當?shù)脑?接收器的結(jié)構(gòu)。
我已經(jīng)發(fā)明了一種非破壞性的井下地震源，它能夠產(chǎn)生可檢測的地震波，亦即，可被放在鉆井本身內(nèi)、地面上或一個鄰近的鉆井內(nèi)的敏感裝置所檢測的波。該源可單獨地或組合地產(chǎn)生P-波，SV-波和SH-波以完成RVSP，井間層面照相和其它為確定關(guān)于結(jié)構(gòu)的信息的有用操作。通過用與井下振動器放在同一井內(nèi)的接收器記錄地震信號，該地震源還可以被用來記錄井內(nèi)的日常地震狀況。該接收器應(yīng)以夾緊的方式離開地震源一段距離但與地震源相連。在源與接收器之間有一個衰減隔離物，阻尼沿著含源與接收器的器具傳播的振動。該非破壞性井下地震源最好不僅產(chǎn)生低頻振動，還產(chǎn)生超過100赫茲直到500赫茲或更高的高頻振動，隨著所產(chǎn)生的地震波的頻率增加，任何測量的分辨率也增加，因而可以分析結(jié)構(gòu)中更細小的區(qū)域的性質(zhì)，這將使生產(chǎn)工程師可以研究一種特殊的技術(shù)，使生產(chǎn)區(qū)之間的碳氫化合物的產(chǎn)量達到最大和/或延長生產(chǎn)區(qū)的壽命。另外，該地震源可以從僅約300磅(136公斤)的作用質(zhì)量獲得4000磅(18，000牛頓)的非破壞性輸出力，這個功率在數(shù)量級上大于迄今存在的可用的井下振動源，諸如氣動振動器，其它具有高振動功率輸出的脈沖源會破壞鉆井。
圖1表示在鉆井剖面圖中的井下地震源的一個實施例。
圖2表示在鉆井中的井下地震源的又一個實施例。
圖3表示在鉆井中的由圖2表示的井下地震源的頂視圖。
圖4表示在鉆井剖面圖中的井下地震源的又一個實施例。
圖5表示圖4表示的實施例的頂視圖。
圖6表示在鉆井剖面圖中的井下地震源的另一個實施例。
圖7給出由圖2表示的一個井下液壓式地震源的力輸出圖。
圖8說明井下地震源如何產(chǎn)生地震SV-波和P-波。
圖9說明由井下地震源產(chǎn)生的另一個地震波。
圖10說明使用井下地震源的三維逆垂直地震剖面圖;以及圖11說明使用井下地震源的井間層面照相。
圖12是使用甘油炸藥、空氣槍和本發(fā)明的4，000磅地震源的井下源所產(chǎn)生的鉆孔應(yīng)力的比較圖;以及圖13是比較使用甘油炸藥、空氣槍和本發(fā)明的振動源的井下源所產(chǎn)生的有效能量的比較圖，參照著附圖可以更清楚地說明本發(fā)明的各種方法和裝置的實施例，圖1表示在一個被鉆井500穿過的地球結(jié)構(gòu)100內(nèi)的井下地震源10。放入鉆井500中的地震源10帶有一根與一個適當?shù)腻^具28連結(jié)的纜繩29。
該地震源10包括一個與適當?shù)膴A具結(jié)合在一起的上體12、以保持該源可靠地放于鉆井內(nèi)預(yù)先確定的位置上，該夾具應(yīng)產(chǎn)生足夠的力在套管或鉆井中固定源10，但不打破鉆井、套管、套筒或破壞水泥，該夾具產(chǎn)生的力應(yīng)該至少大于地震源運行狀態(tài)下產(chǎn)生的力輸出。通常比所產(chǎn)生的振動力大一倍，但在任何情況下要小于使套管或鉆井套筒破裂或使水泥破壞所需要的力，源10中的一種適用的夾具表示為由板16連結(jié)在一起的液壓活塞14a和14b組成的液壓夾具。夾具工作期間，作為纜繩29的一部分的輸液管道18由地面加壓，強制活塞14a與14b從它們的套筒中伸出，使平板17頂住鉆井500。
一個液壓致動器裝置22用任何適當?shù)姆绞?，諸如螺栓、焊接等與上體12相連接，在致動器裝置22中的活塞26可以使平行于鉆井與其相連的作用質(zhì)量24運動，產(chǎn)生如圖8所示的水平方向的SV-波以及從垂直到接近垂直(離垂直0-45度)的P-波，所述方向(例如水平，垂直)適用于典型的垂直定向井。作用質(zhì)量24產(chǎn)生地震波的運動表示為1000。液壓致動器22由通過管路20從地面來的高壓流體所驅(qū)動。該質(zhì)量的大小以及移動的距離是要求產(chǎn)生的地震波的振幅與頻率的函數(shù)。
可以期望致動器22能夠適于使與它相連的作用質(zhì)量24在垂直于鉆井的方向上運動，產(chǎn)生水平壓縮的P-波(如圖9所示)和從垂直到接近垂直(離垂直0-45度)的垂直剪切波(SV-波)。在圖9中以2000表示作用質(zhì)量24產(chǎn)生地震波的運動。
裝置10還可按另一方式運行以產(chǎn)生地震波，即通過對活塞14a和14b加壓，使夾板16去頂鉆井500，以掃頻方式改變由活塞14a及14b所施加的力將產(chǎn)生水平壓縮的P-波(如圖9所示)和從垂直到接近垂直(離垂直0-45度)的垂直剪切波(SV-波)以2000表示活塞產(chǎn)生地震波的運動。雖然可以由夾板16撞擊鉆井500來產(chǎn)生地震波，但是，較好的方法是使板16始終以必需的力與鉆井500相接觸以保持該源于固定位置。然后。以脈沖的、定常的或振蕩的方式通過板16對該鉆井施加附加壓力，以便在結(jié)構(gòu)100中產(chǎn)生要求的地震波，自然，地震波2000的強度和幅度受不破壞鉆井套管或結(jié)構(gòu)的要求所限制。
圖2與3表示另一種地震源30。源30包含一個殼體或主體32，它包括兩個連在夾板36上的液壓致動活塞34a和34b，使源30在鉆井500內(nèi)處于固定位置。在此實施例中，一個標為38的由電動機驅(qū)動的液壓泵與活塞34a和34b相連，通過纜繩58中的電線54使得液壓泵38中的閥門引起液壓活塞34a及34b的運動，活塞34a和34b的運動強制夾具36與鉆井500相接?？蛇xVicker′s Inc，Jackson，Mississippi或Moog，Inc，Buffalo，NeW York的適用的電動機和液壓泵裝置，能夠在100°F下工作并在5gpm液體流量下產(chǎn)生5，000psi壓力的任何泵與電機的組合對本發(fā)明均是適用的。
主體32還包含一個運動檢測裝置50，它在電氣上與地面聯(lián)絡(luò)，以便在運動期間能夠測量鉆井內(nèi)的該裝置的運動。用于鉆井環(huán)境的標準加速度計與地震探測器適用于本申請。
與主體32的基礎(chǔ)相連的是一個電子控制的液壓致動器40，它能夠通過在線性加速裝置42中的液壓驅(qū)動活塞44的運動使作用質(zhì)量46運動，一個適于用作液壓致動器線性加速裝置組合的源是由Moog Corporation，Buffalo，N.Y.所制造的，此致動器一加速裝置組合可以把在很大范圍內(nèi)變化的頻率傳送給作用質(zhì)量46，它們通過導(dǎo)線56送來的電信號由地面控制。導(dǎo)線54和56是纜繩58的電氣部分，纜繩58具有足夠的強度可在鉆井500內(nèi)放下和提升源30。纜繩58在纜繩錨具52處與源30相連。
作用質(zhì)量46應(yīng)該另外提供包含運動檢測裝置48(例如一個加速度計)的空間，以便為運行時產(chǎn)生的頻率提供基線測量。
圖3表示放在鉆井中的源30的頂視圖。主體32的邊沿具有鋸齒狀或者雉堞狀的部分32a和32b，以使對夾板36加壓時主體32可靠地定位在鉆井500內(nèi)。夾板36也可以有鋸齒形的表面36a，當夾板36接觸鉆井500時，鋸齒36a，32a和32b產(chǎn)生很高的點力，從而消除或者大大減小滑動，有效地使該夾具成為一個機械剛性裝置在圖2中以30表示的實施例具有不要求從地面來的液壓管道的附加好處。源30是由地面進行電力驅(qū)動的，并且有一個為使作用質(zhì)量46往復(fù)運動和使夾具頂住鉆井所必需的獨立的液壓功率源裝置。此實施例避免了當源放在一個深井中而由地面提供液壓功率，在長流體管道中遇到的十分嚴重的壓力損失?？s短流體管道，即使儀器成為獨立的，避免了在長流體管道中發(fā)生的液體摩擦損失，并且可以以更高頻率使作用質(zhì)量46往復(fù)運動和使板36運動，以產(chǎn)生更高頻率的更大的力，具有來目地面的流體管道的示于圖1的實施例對于淺的應(yīng)用場合是更方便的。
對于圖2和圖3描述的裝置，圖7中給出了作用質(zhì)量為25磅(11公斤)和75磅(34公斤)時的作用力頻率范圍。這些曲線代表了作用質(zhì)量平行于鉆井500的振動，它產(chǎn)生圖2中由運動1000所表示的S波。
圖4和圖5說明本發(fā)明的一個較佳實施例。該井下地震源被標為60。源60有一個帶有四個夾板66a，66b，66c和66d的主體62，它們對稱地徑向分布在該源的外面，平板66a-d通過活塞64a-h與鉆井500緊緊相接，從而形成一個把源60可靠地夾緊在鉆井500內(nèi)的裝置。該夾緊裝置可以把來自源60的地震SV波，SH波和徑向的P-波傳入該結(jié)構(gòu)，在一個較佳的脈動模式中，活塞64a-h可以同時徑向脈動，改變加于鉆井500上的力，產(chǎn)生地震波并傳入該結(jié)構(gòu)中，當然，如果證明在三角形對心上有優(yōu)點，源60最好可以設(shè)計為僅有三個夾板。此裝置的一個優(yōu)點是可以通過全向型板對該結(jié)構(gòu)施加振蕩形的力來產(chǎn)生徑向地震波。避免單向地震波產(chǎn)生時的問題，具有一個或幾個夾板的該裝置可以用來實現(xiàn)本發(fā)明的方法。
該裝置的功能如下，從地面來的信號通過纜繩58送到電動機67，電動機67使液壓泵68工作，伺服控制閥69(伺服閥)通過液壓管道72和活塞致動器閥門74來推動活塞64a-h?；钊聞悠鏖y門74還控制活塞64a-h的作用，通過反向的各對活塞的脈動來產(chǎn)生徑向地震波。伺服閥69將流體引向與作用質(zhì)量73相連的垂直致動器70或者轉(zhuǎn)動致動器71。一個運動檢測裝置50(例如一個加速度計)監(jiān)測地震源60的輸出，該電動機和該液壓泵組合的適用來源包括Reda pump，Bartlesville，Okla-homa和Vickers，Inc.由Moog，Inc提供的伺服閥和帶有有液壓活塞的致動器是合用的。
井下地震源60還包含運動檢測裝置79，它由可擴展的保護罩78固定于鉆井壁500。適用的檢測裝置79包括為檢測鉆井壁500的振動而設(shè)計的地震探測器和加速度計。檢測裝置79通過一個隔聲裝置75與地震源的其它部分隔離開來，但由電線76與裝置60相連。電線76的終端在組件77中，它包含檢測裝置79的電氣部分。可擴展的保護罩78的一個合適的來源是得克薩斯州休斯敦的Baker Tool。
在地震源60中的另一個運動檢測裝置50并不與該裝置地震源發(fā)生部分相隔離。比較來自被隔離的檢測裝置79的信號和來自沒隔離的裝置50的信號，可以得到關(guān)于夾具的有效性以及能量傳入該結(jié)構(gòu)的信息。電子組件77接收來自地面的指令信號，并控制地震源的各個部件。該電子組件還接收來自運動檢測裝置79和50的信號，并將它們傳送到地面最好用聲頻隔離裝置75把電子組件77與致動器的振動隔離開來，以避免震壞靈敏的電子儀表，將電子組件77安放在保護罩78和運動檢測裝置79的下面可以達到進一步的防震作用。
在這一較佳實施例中，源60是用一個與上面實施例中的夾具不同的獨立的夾具來固定位置的。分成不同的部分來分別完成產(chǎn)生地震源和夾具的功能，可以更可靠地把地震源60卡緊在鉆井500內(nèi)，使得產(chǎn)生地震波時地震源60沒有產(chǎn)生滑動的潛在危險，在夾具的主體部分80內(nèi)有一個與液壓驅(qū)動雙向活塞81相連的傳動楔82，通過82的金屬對金屬的接觸產(chǎn)生可靠的卡緊動作，當傳動楔82向下運動時，它強制楔子83a和83b與鉆井500接觸;當傳動楔82向上移動時，它使楔子83a及b與鉆井500脫離接觸，傳動楔82與接觸楔83a和83b之間金屬對金屬的接觸比在活塞氣缸中流體運動產(chǎn)生更為可靠的卡緊動作。接觸楔83a和83b上還可以裝有彈簧，以便當鉆井500中的源60不可靠時縮回到源60內(nèi)(例如，在工具斷電時這是有好處的)。當然，在任何其它的實施例中，若要求更為可靠的卡緊動作，均可采用這種楔子卡緊裝置。
圖4中的楔子卡緊設(shè)計特別適用于致動器垂直定向情況下，致動器的振動運動方向和夾具致動器相同的工況，夾具致動器的充滿液體的活塞起著振動吸收器的作用，它破壞或吸收原應(yīng)傳入該結(jié)構(gòu)的振動能量。一個諸如液壓活塞81或機械螺旋(沒有畫出)的驅(qū)動機構(gòu)用來驅(qū)動平行于鉆孔500的傳動楔82，傳動楔82又推動接觸楔83a和83b，楔83a和83b與傳動楔82楔形接合，向外與鉆井500相接觸。這樣的楔子卡緊設(shè)計不依賴于振動運動方向上的液體壓力，因而使該工具更可靠。
該較佳實施例按如下方法工作。本發(fā)明的裝置60將能夠每次一種地發(fā)生徑向的、扭轉(zhuǎn)的或垂直的力，作用質(zhì)量73既作為垂直伺服致動器70的，又作為轉(zhuǎn)動(扭轉(zhuǎn))伺服致動器71的負載，為了滿足尺寸上的限制，作用質(zhì)量可用重金屬，例如Kennertium(R)來制造。一個由Kennertium(R)制作的300磅(1.36公斤)的作用質(zhì)量大約是直徑3.5英寸(9厘米)，長45英寸(114厘米)的園柱體，工作時，在質(zhì)量73上面的垂直伺服致動器70軸向地上下驅(qū)動質(zhì)量73。用來驅(qū)動質(zhì)量73的力通過裝置殼體62、夾具64/66，反作用于鉆井壁500。同一個作用質(zhì)量73與轉(zhuǎn)動伺服致動器71相連。工作時，轉(zhuǎn)動伺服致動器71扭轉(zhuǎn)地驅(qū)動作用質(zhì)量73。
徑向力最好由獨立的作用質(zhì)量來產(chǎn)生，同步工作和直接作用在井筒壁上的一些線性伺服致動器產(chǎn)生徑向力。這些致動器安放在上述質(zhì)量的下面，它們徑向地動作，并且互相對稱地分開安置。如圖5所示，四個夾具64/66互相分開90°地安放。三夾具方案(沒有畫出)時夾具應(yīng)互相分開120°地安放。這樣定位可以提供多方向力的輸出。
產(chǎn)生力的每個軸需要適當?shù)碾娮友b置來驅(qū)動相應(yīng)的伺服閥和提供控制那個軸的閉環(huán)伺服致動器，垂直伺服致動器是一個位置控制伺服系統(tǒng)。一個裝在作用質(zhì)量底部的線性可變位移傳感器(LVDT位置傳感器)給出該軸伺服控制系統(tǒng)的質(zhì)量位置反饋，一個加在垂直伺服致動器上的正弦形位置指令將使得質(zhì)量的位置、速度和加速度波形也是正弦形的。
轉(zhuǎn)動伺服致動器也是一個位置控制伺服系統(tǒng)，一個裝在作用質(zhì)量底部的轉(zhuǎn)動LVDT位置傳感器給出該轉(zhuǎn)動伺服致動器的角位置反饋。在繞該轉(zhuǎn)動軸往復(fù)運動之前，在垂直位置回路上加一個恒定的位置指令，使上述質(zhì)量處于某個軸端停止位的額定位置上，這樣，加在轉(zhuǎn)動伺服致動器上的正弦形角位置指令將使得質(zhì)量的角位置、速度和加速度波形也是正弦形的，該正弦形的加速度通過夾具裝置反作用于井筒的壁上，其力矩等于該質(zhì)量的轉(zhuǎn)動貫量和該角加速度的乘積。
徑向伺服致動器是一個壓力控制伺服系統(tǒng)，一個獨立的三路操作方式的伺服閥驅(qū)動三個致動器的每一個的控制側(cè)。一個用于檢測這個共同的控制壓力的壓力傳感器給出徑向伺服致動器的壓力反饋。在沿徑向軸往復(fù)運動之前，施加一個額定的壓力指令，使徑向致動器通過襯墊壓緊在井筒壁上。一個疊加在該額定負載指令信號上的正弦形壓力指令信號使一個正弦形變化的力徑向地施加在井筒壁上，每一個致動器襯墊上的力等于控制壓力和每個致動器的凈面積的乘積。利用制動彈簧，徑向致動器可以縮回到每個襯墊的中心處。對每一正弦形的位置指令信號，質(zhì)量的位置為Xmsin(ωt)，Xm是質(zhì)量位移的峰值，ω是振動的角頻率。該質(zhì)量的速度為Xmcos(ωt)。該質(zhì)量的加速度為-Xmω2sin(ωt)。所以，最后輸出的力是F＝mXmω2sin(ωt)通過限制脈動量、壓力源、伺服閥流量和伺服閥動態(tài)特性，對作為頻率之函數(shù)的最大輸出力加以限制。
如前所述，轉(zhuǎn)動軸力矩(力)發(fā)生器使用一個位置伺服系統(tǒng)，對于正弦形的角位置指令信號，該質(zhì)量的角位置將是θmsin(ωt)。θm是質(zhì)量角位移的峰值。ω是振動的角頻率。該質(zhì)量的角速度是θmωcos(ωt)，該質(zhì)量的角加速度是一θmω2sin(ωt)。所以，最后輸出的力矩是T＝Jθmω2sin(ωt)
其中J是作用質(zhì)量關(guān)于垂直軸的轉(zhuǎn)動慣量。最后在筒壁上的扭轉(zhuǎn)力是F＝T/γ。
其中γ是井筒壁的內(nèi)徑通過限制脈動量、壓力源、伺服閥流量和伺服閥動態(tài)特性，對作為頻率的函數(shù)的最大輸出力矩(力)加以限制。
如前所述，徑向力發(fā)生器是一個壓力控制伺服系統(tǒng)。一個額定的靜態(tài)壓力指令信號產(chǎn)生一個對所有三個致動器共同的控制壓力(PC)。附加于此額定指令上的正弦形壓力指令信號給出共同的輸出壓力Pc+Pcsin(ωt)。Pc是輸出壓力對于額定值(Pc)的變化量的峰值，ω是振動的角頻率。所以，在三個徑向致動器的各自的板和筒壁界面處的力是F＝PcA+PcAsin(ωt)，其中A是每個徑向致動器的凈面積。
通過限制壓力源、伺服閥流量和伺服閥動態(tài)特性，對作為頻率的函數(shù)的最大徑向輸出力加以限制，徑向力是真正直接傳向筒壁的，它不依賴于力通過夾具裝置傳遞的途徑。
可以期望本發(fā)明的致動器能夠產(chǎn)生1000到18，000牛頓(220到4000磅)甚至更高的力。對于許多應(yīng)用而言，較佳的功率水平是4000到18000牛頓，而對于諸如深的VSP測定這種要求高功率的應(yīng)用場合，較佳的功率范圍是12000到18000牛頓、產(chǎn)生大于18000牛頓的力將對套筒水泥發(fā)生近于最大允許的應(yīng)力。在所有情況下，特別是當產(chǎn)生近于18000牛頓或更高的力時，應(yīng)該檢查水泥的工作情況，以保證不毀壞水泥。
圖6說明非破壞性井下地震源90的又一個實施例。地震源90包含一個殼體91，91包括一個通過液壓活塞92a和92b與結(jié)構(gòu)100中的鉆井500卡緊的夾具(92a和b以及93)。液壓泵88對活塞92a及92b和伺服閥95提供功率，伺服閥95通過活塞96使作用質(zhì)量97振動，形成SH-波，活塞96產(chǎn)生SH-波的扭轉(zhuǎn)運動標為3000。
當然，上述任一個產(chǎn)生SV-波，徑向P-波，SH-波和P-波的實施例可以和各種實施例一起使用，以滿足井下液壓源所需的特殊應(yīng)用。
圖8以圖形形象地說明本發(fā)明的井下源30(諸如圖1中的源10，圖2中的源30，圖4中的源60，或圖6中的源90)在鉆井中產(chǎn)生地震波的工作情況。帶有纜繩300的測井卡車200通過一個適當?shù)你@塔400把源30吊裝入鉆井500。形象的圖形說明表示出作用質(zhì)量在鉆井中作標為1000的往復(fù)運動時，所產(chǎn)生的徑向SV-波和P-波分量。該作用質(zhì)量的運動產(chǎn)生SV-波和一個較弱的P-波分量。
圖9以圖形形象地說明本發(fā)明的井下源30(諸如圖1中的源10，圖2中的源30，圖4中的源60，或圖6中的源90)在運行以產(chǎn)生水平方向的主體P-波(相對于垂直鉆井)時，所產(chǎn)生的P-波和S-波分量。由源30所產(chǎn)生的反作用力垂直于鉆井。該運動在圖9中被標為2000，這里的水平P-波分量比圖8中的明顯增大了。
圖10形象地給出了使用本發(fā)明的井下源30(諸如圖1中的源10，圖2中的源30，圖4中的源60，或圖6中的源90)進行RVSP運行時的三維截面圖，通過使用井下地震源30產(chǎn)生地震波，以及使用表示為一串地震探測器650a-d的與記錄用卡車600相連的許多地面地震探測器675，RSVP可以容易且快速地完成，并得到比SVP更有利的結(jié)果。測井卡車200放下地震源30，該地震源工作時產(chǎn)生感興趣的地震波，亦即SV-波，P-波或SH-波，同時地震探測器記錄直接的與反射的地震波(1000/2000)。因為不必把精巧的地震探測器放入鉆井環(huán)境中，并且可以使用地面地震探測器的龐大列陣，所為可以比VSP更快且更有效地做出該結(jié)構(gòu)的剖面。
圖11說明利用本發(fā)明的井下地震源30(諸如圖1中的源10，圖2中的源30，圖4中的源60，或圖6中的源90)完成井間的層面照相，在井間層面照相中，包含鉆井500a的第一口井400a包括至少一個或多個地震源，例如30，產(chǎn)生要求的地震波，亦即SV-波，SH-波，或P-波，并將這些波傳入該結(jié)構(gòu)中，傳向至少一個包含鉆井500b的接收井400b。
井400b含有懸掛在里面但與地面上適當?shù)挠涗浻每ㄜ?沒有畫出)相連的地震探測器650a-n。當?shù)卣鹪椿蛘哒f在井400a中的源30產(chǎn)生地震波時，這些波由鉆井400b中的接收器650a-n所記錄，并產(chǎn)生一幅在井400a和400b之間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震圖。因為風(fēng)化層通常使地面上產(chǎn)生的地震波嚴重衰減，所以使得地面的層間照相不能在頻率大于約100赫茲的情況下進行。當然，頻率越低，讀數(shù)精度越差，因為這時地震波的波長越長，分辨率越低，使用井下地震源能夠產(chǎn)生高頻的，亦即大于100赫茲的地震波來提高分辨率，因而可以識別給定結(jié)構(gòu)中越來越小的異常區(qū)域。這對生產(chǎn)區(qū)域相當小的應(yīng)用情況是極其有價值的，它們難于得到這樣的信息。
利用液壓泵和致動器產(chǎn)生的力輸出是用已有的氣動致動器的力輸出的100倍，是用已有的電磁致動器的力輸出的20-40倍。液壓致動器的頻率輸出在10赫茲到1500赫茲之間，氣動振動器的最大頻率約為100-200赫。這一頻率輸出的差異是由于氣體與液體在剛性上有巨大差異。
圖1中所示的運動檢測裝置78還使本發(fā)明可以當作一個井下地震探測工具來使用，由致動器30所產(chǎn)生的地震振動傳入結(jié)構(gòu)100中，它們被折射或反射回來，并由檢測裝置78所檢測。分析所檢測到的信號，可以導(dǎo)出關(guān)于鉆井周圍結(jié)構(gòu)的信息，大多數(shù)地面地震記錄在10赫茲到200赫茲的范圍內(nèi)。本發(fā)明的井下振動器可以產(chǎn)生與地面地震源記錄到的同樣頻率的地震信號。在使用和地面產(chǎn)生的地震數(shù)據(jù)相同的頻率時，由本發(fā)明得到的測井數(shù)據(jù)比起在更高頻率下工作的已有探測工具所得到的測井數(shù)據(jù)，更相符于地面產(chǎn)生的地震數(shù)據(jù)，因為具有更大的功率輸出能力，本發(fā)明和已有的工具相比，還具有更強的波穿透能力。
對運動傳感器78而言，用三個分地震探測器更好。雖然圖4只給出了一個運動傳感器組件(76和78)，但是可以設(shè)想有一串獨立的栓在一起的傳感器組件，每一個傳感器組件對于其它傳感器組件和地震源殼體32都是聲頻隔離的。
參考使用井下地震源的具體的較佳方法和井下液壓地震振動源的具體的較佳實施例敘述了本發(fā)明，對本領(lǐng)域中一般技術(shù)人員來說是顯然的修改，都認為屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種從被鉆井穿透的結(jié)構(gòu)中得到信息的方法，包括如下步驟把一個非破壞性的井下地震源放入穿過一個結(jié)構(gòu)的鉆井中；把上述地震源逐次停放在鉆井中預(yù)定的位置上；停下地震源，并將它卡緊在鉆井上；當?shù)卣鹪幢豢ňo后，用液壓產(chǎn)生具有預(yù)定形狀的地震波；以及在所需位置處檢測該地震波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括下述步驟記錄該地震波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中檢測在一組位置上進行，它們可在地面上，在同一個鉆井內(nèi)，在一個鄰近的鉆井內(nèi)，以及它們的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所說的產(chǎn)生地震波的步驟產(chǎn)生從一組SV-波，SH-波，P-波，和這些波的組合中選出的地震波。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中檢測的步驟由地震探測器來完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中檢測與記錄的步驟包括沿著從鉆井向外延伸的地面安置一串地震探測器;用這些地震探測器檢測直接的和反射的地震波;記錄該直接的和反射的地震波;以及處理該記錄的地震波以產(chǎn)生RVSP圖象。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中檢測在一個鄰近的井內(nèi)進行，并且對該記錄的地震波進行處理，以產(chǎn)生關(guān)于該源井和該接收井之間的結(jié)構(gòu)的井間層面照相的圖象。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所說的地震波的最大頻率在大約10赫茲到1500赫茲之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中該地震波可從0赫茲直到大約10赫茲到1500赫茲之間的一個頻率掃頻地產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中該地震波可以從大約10赫茲到1500赫茲之間的一個頻率下降到10赫茲掃頻地產(chǎn)生。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該地震探測器安放在地面上，并且對記錄的震波進行處理以產(chǎn)生一個RVSP圖象。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用液壓產(chǎn)生的地震波由同一個鉆井中但在地震源上面或下面的探測器檢測。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用液壓產(chǎn)生地震波的步驟包括下述步驟以預(yù)定的頻率改變施加在鉆井上的夾緊力。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用液壓產(chǎn)生地震波的步驟包括(1)施加(a)一個較小的夾緊力，它至少等于為保持該源于固定位置所需的夾緊力;以及(b)一個比上述較小夾緊力大一些的夾緊力;(2)在上述兩個夾緊力之間以預(yù)定的頻率改變夾緊力。
15.一種產(chǎn)生一個地質(zhì)結(jié)構(gòu)的井間層面照相圖形的方法，該地質(zhì)結(jié)構(gòu)處于至少兩個穿過這結(jié)構(gòu)的鉆井之間，其中所說的一個鉆井是地震源井，而所說的另一個鉆井是與前一個井分離的接收井，所述方法包括;把一個井下液壓地震源放入所說的源井中;把所說的地震源逐次停放在所說的源井中的預(yù)定位置處;在所說的地震源停止后，把它卡緊在井中;在地震源卡緊在井內(nèi)后，用液壓產(chǎn)生具有預(yù)定形狀的地震波;在所說的接收井內(nèi)懸掛至少一個地震探測器;以及通過上述懸掛在所說的接收井內(nèi)的至少一個地震探測器來記錄由所說的地震源產(chǎn)生的地震波。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所產(chǎn)生的地震波是從SV-波，P-波，SH-波，和所說的這些波的組合中選擇的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所產(chǎn)生的初始地震波位于該地質(zhì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)化層下面的深處。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中多個地震探測器是在接收井中。
19.一種產(chǎn)生關(guān)于一個井的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震測量記錄的方法，所說的方法包括在所說的井內(nèi)放入一個井下液壓地震源;把所說的地震源逐次停放在所說的井中的預(yù)定位置處;在所說的地震源停止后，把它卡緊在井中;在地震源卡緊在井內(nèi)后，用液壓產(chǎn)生具有預(yù)定形狀的地震波;在所說的井內(nèi)懸掛至少一個運動檢測裝置，該運動檢測裝置與所說的地震源是聲頻隔離的;以及檢測由所說的地震源產(chǎn)生的地震波。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所說的運動檢測裝置從地震探測器，加速度計，或它們的組合中選擇。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進一步包括在所說的井中的一個懸掛的第二運動檢測裝置，所說的第二運動檢測裝置與所說的地震源以及其它運動檢測裝置是聲頻隔離的
全文摘要
本發(fā)明涉及利用一種非破壞性的井下地震源，它能夠單獨地或組合地產(chǎn)生SV-波，SH-波和P-波，以確定關(guān)于周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息的方法，包括實現(xiàn)井間層面照相和逆垂直地震剖面的方法，以及在鉆孔內(nèi)進行地震測井工作的方法。
文檔編號G01V1/145GK1053297SQ90102058
公開日1991年7月24日 申請日期1986年3月18日 優(yōu)先權(quán)日1986年3月18日
發(fā)明者比耶爾恩·保爾森 申請人:切夫倫研究公司