Способ обращенного вертикального сейсмического профилирования

 

Использование: изобретение относится к геофизическим методам исследования, в частности, к методу вертикального сейсмического профилирования. Сущность изобретения: в качестве упругих колебаний используют работающее буровое долото, регистрируют колебания сейсмоприемниками, расположенными в приповерхностной зоне вблизи устья бурящихся скважин и/или/ на различных от них удалениях и в различных азимутах. При этом опорный сигнал регистрируют датчиками, расположенными в верхней части по меньшей мере двух бурильных колонн. Одновременно регистрируют в виде суммарной записи колебания, возбуждаемые в различных скважинах. После этого путем формирования функций взаимной корреляции с каждым из опорных сигналов выделяют объемные волны, возбуждаемые долотом в каждой из бурящихся скважин. Так же дополнительно устанавливают приемники в продобуренные скважины под резкими акустическими границами, расположенными в верхней толще разреза. Приемники колебаний в пробуренной скважине перемещают вдоль ствола с шагом, позволяющим разделить падающие и восходящие волны в рабочем диапазоне частот. Квазисинусоидальные помехи от взаимодействия работающего долота с разбуриваемыми породами, а также электрические промышленные наводки подавляют. При этом настройку на помехи проводят до регистрации колебаний датчиком опорного сигнала и сейсмоприемниками. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к геофизическим методам исследования, в частности к модификации обращенного вертикального сейсмического профилирования (ВСП), использующей в качестве источника упругих колебаний работающее буровое долото. В этой модификации упругие колебания, распространяющиеся от забоя бурящейся скважины по окружающим горным породам, регистрируются сейсмоприемниками. расположенными в приповерхностной зоне, а опорный сигнал, возбуждаемый долотом, регистрируется в верхней части бурильной колонны и используется для выделения из записей, зарегистрированных сейсмоприемниками, полезных волн, несущих информацию о сейсмических параметрах горных пород, окружающих скважину, а также расположенных ниже ее забоя. Более конкретно, изобретение относится к тому случаю, когда исследуемый геологический объект разбуривается более чем одной скважиной и направлено на увеличение объема оперативно получаемой информации о разбуриваемом объекте и сокращение затрат на получение такой информации.

Известен метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП), в котором более высокой точности и детальности при изучении структуры околоскважинного пространства по сравнению с наземной сейсморазведкой достигают за счет того, что источник или приемник колебаний перемещают вдоль ствола скважины в процессе ее отработки.

При прямом ВСП, когда в скважину на кабеле помещают снаряд с сейсмоприемником, а источник колебаний размещают в приповерхностной зоне, записи упругих колебаний получают путем последовательного перемещения снаряда вдоль ствола скважины с определенным шагом в процессе ее отработки. Проведение прямого ВСП становится непрактичным, если количество пунктов возбуждения (ПВ), необходимых для решения задачи, становится большим. Это неизбежно при изучении пространственного строения сложнопостроенных геологических объектов. Увеличение числа ПВ приводит к росту затрат на задалживание вынужденной бездействовать скважины, а также на проведение работ ВСП с использованием дорогостоящей скважинной аппаратуры и бригад, обслуживающих источники колебаний. Кроме того, отработка необсаженных скважин снарядами ВСП, снабженными довольно жесткими прижимными устройствами, становится опасной для самих скважин и для снарядов, если сложность системы наблюдений предполагает длительное нахождение последних в скважине, особенно в условиях высоких гидростатических давлений, температур и агрессивных сред.

При обращенном ВСП источник колебаний помещают в глубокую скважину, а в приповерхностной зоне устанавливают сейсмоприемники. В кинематическом отношении система наблюдений аналогична прямому ВСП, однако использование многоканальных наземных сейсморегистрирующих систем обеспечивает требуемое число пар источник-приемник колебаний без больших затрат, присущих прямому ВСП (А. с. N 363951 (СССР). Способ сейсмической разведки. Г.А. Шехтман и др. Опубл. в БИ, 1973, N 18). Широкое внедрение обращенного ВСП в практику работ с использованием взрывных источников, опускаемых в скважину на кабеле, подтвердили высокую геологическую эффективность этой модификации метода (Силаев В. А. Сейсмическое торпедирование глубоких скважин при длительном изучении нефтеперспективных объектов. М. 1983, с. 60, ил. (Регион. развед. и промысл. геофизика. Обзор/ВНИИ экон. минер. сырья и геол. -развед. работ ВИЭМС). Однако экономическая эффективность применения взрывных источников при обращенном ВСП остается невысокой из-за малой канальности кабеля и ограниченной возможности осуществить накопление воздействий. Кроме того, при изучении больших глубин резко возрастает время на спуско-подъемные операции во время проведения обращенного ВСП, а следовательно, возрастают затраты на задалживание скважин. Следует также отметить опасность проведения взрывов в открытом стволе скважины, пересекающей терригенные породы.

Наиболее простым и эффективным глубинным источником колебаний является работающее буровое долото. Использование бурового долота в качестве источника снимает ряд проблем, сопутствующих применению скважинной аппаратуры на кабеле, включая такую важную проблему, как термобаропрочность.

В процессе воздействия долота на забой скважины формируется квазислучайный процесс излучения упругих колебаний в окружающую среду, обусловленный главным образом ударами зубьев вращающегося долота о забой. Возбуждаемые работающим долотом колебания распространяются также вверх по бурильной колонне. Регистрация этих колебаний датчиком, расположенным в верхней части бурильной колонны, позволяет судить о сигнале, распространяющемся от забоя в окружающие горные породы. Кроме того, сам по себе этот сигнал несет информацию о разбуриваемых породах, режиме бурения и состоянии бурового долота. Распространяющийся в окружающих горных породах сигнал, возбуждаемый буровым долотом, проходит к земной поверхности непосредственно или после отражения от сейсмических границ, расположенных ниже забоя скважины, и может быть зарегистрирован сейсмоприемниками, расположенными в приповерхностной зоне вблизи бурящейся скважины, а также на различных от нее удалениях и в различных азимутах. Используя регистрируемый в верхней части бурильной трубы сигнал в качестве опорного сигнала, можно, формируя функции взаимной корреляции (ФВК) этого сигнала и записей, полученных от сейсмоприемников, преобразовать эти записи в импульсную форму, аналогично тому, как это делают в вибросейсморазведке, где роль опорного сигнала играет свип. Поскольку глубина забоя и скорость распространения опорного сигнала вдоль бурильной трубы известны, то после формирования ФВК в каждую запись можно ввести статическую поправку, равную времени распространения опорного сигнала от долота до датчика опорного сигнала, приведя запись к отметке момента возбуждения, соответствующей началу очередного "свипа". Величина статической поправки равна Δt = l/v_тр, где l длина бурильной колонны, а V_тр скорость распространения трубной волны. После этого сейсмограммы, составленные из ФВК с введенными статическими поправками, практически не отличаются от сейсмограмм обращенного ВСП, полученных путем возбуждения импульсных колебаний источником, размещенным на той же глубине, что и забой бурящейся скважины. Многоканальные записи, полученные при различной глубине работающего бурового долота, в кинематическом отношении аналогичны записям уровенного прямого ВСП, или метода обращенного годографа (МОГ). Записи же, сгруппированные для каждого сейсмоприемника, расположенного на фиксированном удалении от скважины, будут аналогичны в кинематическом отношении записям непродольного ВСП (НВСП). Это находится в полном соответствии с принципом взаимности. Однако в динамическом отношении записи прямого и обращенного ВСП будут резко различаться по форме, спектральному составу, интенсивности, поляризации. Полярность отраженных волн (по отношению к полярности вступлений прямой волны) в прямом и обращенном ВСП противоположна, потому что при прямом ВСП приемник находится между источником колебаний и отражающими границами, а при обращенном ВСП источник колебаний (долото) и нижерасположенные отражающие границы находятся по одну и ту же сторону от приемника колебаний. Группируя записи по схеме с общей точкой приема (ОТП), с общей точкой возбуждения (ОТВ) либо с общей глубинной точкой (ОГТ), можно, привлекая дополнительно транспозиционную корреляцию для выделения полезных волн, определять сейсмические параметры разреза и формировать его изображение, применяя миграцию записей после выделения отраженных волн.

В патентной и технической литературе описаны способы обращенного ВСП, использующие работающее буровое долото в качестве источника упругих колебаний (А. с. СССР N 1035549. Способ скважинной сейсморазведки. Г.А. Шехтман и М.Б. Шнеерсон. Опубл. в БИ, 1983, N 30; Rektor III J.W. Marion B.P. Extending VSP to 3-D and MWD: using the drill bit as downhole seismic source // Oil and Gas J. 1989, v. 87, N 25; Rector III H.W. Marion B.P. The use of drill-bit energy as a downhole seismic source // Geophysics, v. 56, N 5, 1991). Общим в этих способах является использование бурового долота, работающего в нестационарном режиме, в качестве источника упругих колебаний, регистрируемых сейсмоприемником в приповерхностной зоне, а также датчика опорного сигнала, расположенного в верхней части бурильной колонны. Опорный сигнал используют как аналог свипа в вибросейсморазведке для выделения из записей сигналов, возбуждаемых буровым долотом. Принципы, положенные в основу этих способов, детально описаны выше.

Ближайшим к предлагаемому техническим решением (прототипом) является способ обращенного ВСП, в котором упругие колебания возбуждают работающим буровым долотом, регистрируют записи колебаний при помощи сейсмоприемников, расположенных в приповерхностной зоне вблизи устья бурящейся скважины и (или) на различных от нее удалениях и в различных азимутах, регистрируют возбуждаемый долотом опорный сигнал при помощи датчика, расположенного в верхней части бурильной колонны, выделяют по функциям взаимной корреляции между опорным сигналом и записями объемные волны, по которым определяют сейсмические параметры среды и формируют ее изображение (Патент США N 4926391 от 15.05.1990, заявл. 21.10.1988, авторы: J. Rektor, B.Marion, B.Widrow, J.A. Salehi). Наиболее существенным отличием данного технического решения, убедительно подтвержденным экспериментально (см. статью: J.W. Rector III, B.P. Marion and R.A. Hardage. The use of an active drill bit for inverse VSP measurements // Explor. geophys. 1989, v. 20, N 1-2), является использование непрерывного квазислучайного процесса, которым характеризуется излучаемый работающим долотом сигнал, для его выделения из записи, сформированной из объемных волн, распространяющихся от долота по окружающим горным породам, и различных помех, интерферирующих с этими волнами. Изображение среды, полученное путем миграции записей, зарегистрированных при возбуждении колебаний буровым долотом, по качеству и главным образом разрешенности оказалось не хуже, чем изображение, полученное при прямом НВСП в результате отработки скважины после завершения ее бурением. Тем самым была показана конкурентоспособность данной модификации метода ВСП, открывающей, как отмечалось первыми двумя авторами прототипа в одной из их статей, "новую эру" в скважинной сейсморазведке (см. в журнале: Oil and Gas J. 1989, v. 87, N 25, p. 55-58).

Явным ограничением области применения прототипа является, однако, изучение в нем околоскважинного пространства лишь одной бурящейся скважины. Между тем при разведке и эксплуатации месторождений углеводородов, а также других интересных для геологии и геофизики объектов нередко одновременно забуривается несколько скважин, по меньшей мере две. В этих случаях непосредственное применение известного способа (прототипа) приводит к затратам, кратным числу бурящихся скважин, так как в окрестности каждой из них необходимо устанавливать сейсмостанцию с обслуживающим ее персоналом. Учитывая, что продолжительность бурения довольно велика, может оказаться, что расходы по изучению одновременно разбуриваемой площади станут не под силу геофизическому предприятию, проводящему обращенное ВСП в процессе бурения. Между тем информацию о режиме бурения и оперативный прогноз геологического разреза, особенно о той его части, которая расположена ниже скважины, крайне желательно иметь по каждой из бурящихся скважин своевременно. Крайне необходимо это в тех районах, где залежам углеводородов сопутствуют зоны аномально высокого пластового давления, в частности рапоопасные зоны. Своевременный прогноз наличия таких зон позволяет вовремя изменять режим бурения (в основном плотность бурового раствора) и избежать тем самым аварии скважины, связанных с нею огромных расходов, а возможно, и человеческих жертв среди буровой бригады.

Задачей настоящего изобретения является сокращение затрат на оперативное получение геологической и технологической информации об одновременно разбуриваемом объекте. Кроме того, цель изобретения повышение разрешающей способности способа, а также его информативности при наличии на объекте уже пробуренных скважин. Еще одной целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости способа.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно регистрируют опорный сигнал при помощи датчика, установленного по меньшей мере еще одной бурящейся скважине, и одновременно регистрируют в виде суммарной записи колебания, возбуждаемые в различных скважинах, после чего на суммарной записи путем формирования функций взаимной корреляции с каждым на опорных сигналов выделяют объемные волны, возбуждаемые долотом в каждой из бурящихся скважин. Кроме того, при наличии на разбуриваемом объекте уже пробуренной скважины в нее устанавливают приемники колебаний на глубину, расположенную под резкими акустическими границами, расположенными в верхней толще разреза. Приемники, расположенные в уже пробуренных скважинах, в одном из воплощений предлагаемого способа в процессе бурения могут перемещаться вдоль ствола скважины с шагом, позволяющим разделить между собой в рабочем диапазоне частот падающие и восходящие волны. Максимально полная информация об изучаемом объекте в процессе его разбуривания несколькими и более скважинами обеспечивается путем регистрации опорных сигналов и суммарных записей при возбуждении колебаний работающим долотом во всех скважинах, разбуривающий изучаемый объект; по выделенным при этом волнам определяют сейсмические параметры и (или) формируют пространственное изображение объекта. Повышение помехоустойчивости способа достигается путем подавления квазисинусоидальных помех, возбуждаемых в бурильной колонне, а также промышленных электрических помех в каналах датчиков опорных сигналов и в каналах сейсмоприемников в процессе регистрации колебаний, возбуждаемых работающим долотом.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

При бурении одновременно нескольких скважин в пределах одного и того же объекта, представляющего разведочный интерес, работающее долото каждой из бурящихся скважин излучает упругие колебания, форма которых существенно отличается от таковой для колебаний, излучаемых в других скважинах, так как режимы бурения в каждой из скважин, определяемые глубиной забоя и литотипом разбуриваемой породы, различны. При этом существенно, что на квазисинусоидальные колебания, частота которых определяется главным образом частотой вращения бурового инструмента, его параметрами, а также типом разбуриваемой горной породы, накладываются отдельные удары зубьев бурового долота о забой скважины, формирующие квазислучайный процесс, характеризующийся широкополосным спектром, осложненным резонансными пиками (см. например, статью: J. Lutz et al. gnstantaneous logging based on a dynamic theory of drilling //Journal of Petroleum Technology, N 6, 1972). Квазислучайные процессы, характеризующие сигналы, возбуждаемые буровым долотом в различных скважинах, различаются между собой существенно, поэтому опорные сигналы, зарегистрированные датчиками, установленными в верхней части бурильной колонны в каждой из бурящихся скважин, так же будут резко различаться между собой. Что же касается сейсмоприемников, установленных в пределах разбуриваемого объекта, то они будут регистрировать суммарный сигнал, сформированный как результат суперпозиции помех и объемных волн (проходящих, отраженных, головных и др.), распространяющихся в окружающих породах от забоя каждой из бурящихся скважин. Ясно, что уровень сигналов, приходящих от каждой из скважин, будет определяться интенсивностью возбуждаемых сигналов (в более крепких породах она выше), удаленностью от скважины сейсмоприемника, а также близостью забоя к целевому объекту, отражение упругих волн от которого требуется выделить для формирования изображения объекта.

Если сформировать ФВК одного из опорных сигналов, зарегистрированных на одной из бурящихся скважин, с суммарной записью зарегистрированной одним из сейсмоприемников, расположенным на исследуемом объекте в приповерхностной зоне, то выделены из суммарной записи будут только те волны, которые пришли к данному сейсмоприемнику от работающего бурового долота именно той из бурящихся скважин, на которой был зарегистрирован данный опорный сигнал; при этом сигналы от других бурящихся скважин будут подавлены как нерегулярные помехи, поскольку их форма будет существенно иной. Поочередно формируя ФВК каждого из опорных сигналов с суммарной записью, в результате получают раздельные записи в импульсной форме, число которых равно числу буpящихся скважин. Вводя в каждую из полученных ФВК временной статический сдвиг, равный времени распространения продольной волны вдоль бурильной колонны от долота датчика опорного сигнала, получают записи в импульсной форме, на которых время прихода волн отсчитывается от момента их возбуждения на забое соответствующей скважины. Положение забоя каждой из одновременно бурящихся скважин в момент регистрации суммарной записи различно, и его координаты учитывают в процессе обработки. Координаты забоя можно также определить совместно с сейсмическими параметрами околоскважинного пространства путем решения трехмерной обратной кинематической задачи, обеспечив для этого необходимое число пар источник-приемник и соответствующее их пространственное расположение.

Расположение сейсмоприемников в окрестности исследуемых бурящихся скважин и между ними определяется решаемыми задачами, оно аналогично двумерным и трехмерным системам наблюдений прямого ВСП. Квазислучайный характер колебаний, возбуждаемый работающим буровым долотом, позволяет одновременно регистрировать записи от любого число бурящихся скважин при условии, что на каждой из них установлен датчик опорного сигнала. В одном из предлагаемых конкретных воплощений изобретения регистрируют опорные сигналы на каждой из скважин, разбуривающих изучаемый объект, а также суммарную запись, из которой изложенным выше способом выделяют колебания, возбуждаемые в каждой из скважин; по выделенным при этом волнам определяют пространственное изображение объекта, обладающее максимальной информативностью. Наличие записей, полученных из различных скважин при различной глубине работающего бурового долота, создает предпосылки для повышения качества изображений путем их накапливания. Последнее осуществляют известным путем, применяя суммирование накапливаемых сигналов или медианную фильтрацию.

Кроме сейсмоприемников, расположенных в приповерхностной зоне, предлагается дополнительно устанавливать приемники колебаний в уже пробуренные скважины под резкие акустические границы, расположенные в верхней толще разреза. Кроме того, предлагается также в процессе проводки бурящихся скважин в пробуренных скважинах приемники колебаний перемещать вдоль ее ствола с шагом, позволяющим разделить падающие и выходящие волны в рабочем диапазоне частот. Последнее означает, что после формирования записей в импульсной форме волновые поля можно будет разделить на падающие и восходящие волны без формирования ложных осей синфазности за счет аляйсинг-эффекта; для этого шаг приемников по стволу скважины не должен превышать четверти минимальной длины волны. Отработку уже пробуренных скважин по методике прямого ВСП в процессе бурения остальных скважин можно при необходимости проводить неоднократно, учитывая большую продолжительность проводки скважин, расположенных в пределах изучаемого объекта.

Целесообразность в отработке уже пробуренных скважин при использовании в качестве источника колебаний бурового долота бурящихся скважин определяется тем, что в этом случае и источники, и приемники колебаний расположены ниже верхней толщи разреза, характеризующейся большим затуханием сейсмической энергии и наличием резких кратнообразующих границ. Тем самым достигается более высокая помехоустойчивость и разрешенность этих записей по сравнению с записями, полученными наземными сейсмоприемниками. Сочетание записей, полученных внутри среды и на поверхности, повышает достоверность результата. Кроме того, многократная обработка уже пробуренных скважин в процессе бурения соседних скважин позволяет применить на этапе обработки мощный аппарат компьютерной томографии, предполагающий достаточно густую систему наблюдений при просвечивании объектов, расположенных в межскважинном пространстве.

Наличие в опорных сигналах и записях, регистрируемых сейсмоприемниками, квазисинусоидальных колебаний, накладывающихся на квазислучаный процесс, приводит к снижению разрешенности результатов. Кроме того, повышаются требования к величине динамического диапазона сейсморегистрирующей аппаратуры, поскольку квазисинусоидальный сигнал-помеха может существенно превышать по интенсивности информативный квазислучайный процесс. Поэтому подавление квазисинусоидальных помех предлагается проводить на этапе регистрации колебаний. Для этого рекомендуется в каждом из каналов, предназначенных для регистрации опорных сигналов, до регистрации последних провести настройку на подавляемые квазисинусоидальные помехи и после определения их параметров вычитать эти помехи из сигнала, регистрируемого датчиком опорного сигнала. При последующем формировании ФВК записей сейсмоприемников с опорным сигналом, очищенным предлагаемым способом от квазисинусоидальных помех, аналогичные помехи регистрируемые сейсмоприемниками, подавляются.

Предлагаемый способ реализуется при помощи современных рабочих станций, устанавливаемых на разбуриваемом объекте. Формирование ФВК записей с опорными сигналами, поступающими на рабочую станцию с каждой из бурящихся скважин, и накапливание полученных ФВК с целью повышения отношения сигнал/помеха выполняют известными способами. Передачу опорных сигналов с каждой из бурящихся скважин на рабочую станцию целесообразно осуществлять по радио, используя для этого известные современные устройства, применяющиеся при режимных наблюдениях над процессом бурения по акустическим сигналам, регистрируемым в верхней части бурильной колонны (см. например, статью: K. Rappold. Drilling optimized with surface measurement of dounhole Vibrations // Oil Gas J. Feb. 15, 1993).

Предлагаемое изобретение, в отличие от прототипа, позволяет в дополнение к перечисленным выше преимуществам исключить влияние фактора времени на результаты обращенного ВСП, получаемые в каждой из бурящихся скважин. Более того, одновременная регистрация колебаний, возбуждаемых в процессе бурения различных скважин, расположенных в пределах целевого геологического объекта, позволяет осуществлять наблюдение за объектом во времени (мониторинг) по изменению значений сейсмических параметров, обусловленному, например, перемещением контура залежи углеводородов в процессе эксплуатации месторождения. Тем самым дополнительно обеспечиваются новые возможности для решения технологических задач нефтегазовой геологии.

Регистрация в предлагаемом изобретении суммарной записи, включающей одиночные квазислучайные процессы, создает предпосылки для одновременной регистрации практически неограниченного числа таких процессов, каждый из которых характеризует режим бурения в соответствующей скважине, а также освещает геологический разрез ниже забоя и в ее окрестности. Известные в технике искусственно управляемые процессы возбуждения колебаний с одновременной записью суммарных колебаний, разделяемых затем так же путем формирования ФВК с опорным сигналом, имеют существенные принципиальные и практические ограничения. Так, при вибросейсморазведке с так называемыми "ортогональными" свипами практически используется лишь две группы источников колебаний, одна из которых излучает свип с увеличением частоты возбуждаемых колебаний (upsweep) а другая с понижением частоты (downsweep) (Technical series N 564.87.04 CGG).

Формула изобретения

1. Способ обращенного вертикального сейсмического профилирования, в котором упругие колебания возбуждают работающим буровым долотом, регистрируют записи колебаний при помощи сейсмоприемников, расположенных в приповерхностной зоне вблизи устья бурящейся скважины и/или на различных от нее удалениях и в различных азимутах, регистрируют возбуждаемый долотом опорный сигнал при помощи датчика, расположенного в верхней части бурильной колонны, выделяют по функциям взаимной корреляции между опорным сигналом и записями объемные проходящие и отраженные волны, по которым определяют сейсмические параметры среды и формируют ее изображение, отличающийся тем, что дополнительно одновременно регистрируют опорный сигнал при помощи датчика, установленного на по меньшей мере еще одной бурящейся на изучаемом объекте скважине, и одновременно в приповерхностной зоне и/или в ранее пробуренных скважинах под резкими акустическими границами, расположенными в верхней части разреза, регистрируют в виде суммарной записи колебания, возбуждаемые в скважинах, содержащих датчики опорного сигнала, после чего формируют функции взаимной корреляции суммарной записи с каждым из опорных сигналов, на которых выделяют объемные волны, возбуждаемые долотом в каждой из бурящихся скважин, по выделенным волнам определяют сейсмические параметры, формируют изображение объекта и накапливают изображения, полученные при положении работающего бурового долота в различных скважинах и/или на различных глубинах.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе разбуривания скважин, содержащих датчики опорного сигнала, приемники колебаний в ранее пробуренной скважине перемещают вдоль ее ствола с шагом, позволяющим разделить проходящие и отраженные волны в рабочем диапазоне частот.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе регистрации колебаний датчиком опорного сигнала подавляют квазисинусоидальные помехи, обусловленные процессом взаимодействия работающего долота с разбуриваемыми породами, а также электрические промышленные помехи, при этом настройку на подавляемые помехи проводят до регистрации суммарной записи.