[0001] 本申请属于石油钻井测井技术领域， 更具体地说， 是涉及一种与底部钻具组合 配合使用的单极随钻声波测井仪、 测量慢地层横波速度的方法。

背景技术

[0002] 根据测井方式， 油田测井可分为电缆测井和随钻测井。 电缆测井是通过电缆把 声波测井仪下放到油井中采集数据， 测井操作过程要求停止钻井作业并把钻杆 抽出， 才能把声波测井仪放进油井内。 随钻测井则能够实现边钻井边测量数据 。 因为随钻测井不会影响钻井作业的进度， 所以可以缩短工程项目整体的完成 吋间， 从而降低成本。

[0003] 声波测井的主要目的是应用声波方法测量地层 的纵波速度与横波速度。 这些数 据可以用于计算地层的弹性参数、 孔隙度、 孔隙压力等。

[0004] 随钻声波测井中对声波在地层中井孔响应特征 的很多认识， 都是基于电缆声波 测井研究延伸得到的。 为了减少声波测井仪对数据测量的干扰， 电缆声波测井 仪会采用特殊的结构设计和材料器件来实现声 源与接收器间的隔音。 而随钻声 波测井仪是直接安装在钻铤上， 因为钻铤需要保证有足够的强度来支撑钻头的 钻井活动， 所以随钻声波测井仪很难实现很好的隔音效果 ， 并且随钻声波测井 仪整体的声阻抗比较高。 因此随钻声波测井仪与电缆声波测井仪之间， 两者对 数据测量的影响存在非常大的差异。

[0005] 现代随钻声波测井方法主要包括单极子 （monopole) 测井和四极子 （quadmpol e) 测井。 当地层横波速度大于油井中钻井液波速吋， 该地层称为快地层， 此吋 ， 单极子测井通过测量油井中接收到的滑行纵波 与滑行横波的走吋差， 即可获 得该地层的纵波速度与横波速度信息。 当地层横波速度小于钻井液波速吋， 该 地层称为慢地层， 只有纵波能在慢地层的油井壁上形成滑行纵波 而无法形成滑 行横波， 此吋单极子测井仅可获得地层纵波速度。 对于慢地层横波速度的测量 ， 需要通过四极子测井来分析四极子源产生的螺 旋波 （screw wave) 来测量。 因 此， 想要通过随钻测井来获得地层的纵波速度与横 波速度信息， 在快地层中只 需要使用单极子测井， 但慢地层中需要同吋使用单极子测井和四极子 测井。 不 少松软的泥岩层或压力较高的砂岩层的横波速 度都小于钻井液的波速， 为典型 的慢地层。

[0006] 在慢地层中， 传统单极子源只能用于测量纵波速度， 需要另外应用四极子源产 生的螺旋波才能获得地层横波速度信息。 但螺旋波的波速是与波的频率相关的 ， 不同频率的波以不同的速度传播 （这种现象称为频散） 。 四极子源产生的螺 旋波包含很多频率成分， 只有当频率接近于低频截止频率吋， 它对应的波速才 是真实的地层横波波速。 因此四极子测井数据需要进行一些专门的数据 处理， 用于修正频散的影响， 才能获得真实的地层横波速度。 而螺旋波的频散特性同 吋还受随钻声波测井仪结构与属性的影响， 因此应用四极子测井测量地层横波 速度需要进行比较复杂的数据处理， 这可能会导致结果的可靠性降低。 因此， 同吋使用单极子测井和四极子测井来分析地层 横波速度， 操作过程和数据处理 复杂导致测量精度不高且效率降低。

技术问题

[0007] 本申请的技术方案能够解决现有技术中存在的 对于慢地层横波速度测量， 需同 吋使用单极子测井和四极子测井来分析地层横 波速度， 操作过程与数据处理复 杂， 导致测量效率降低的技术问题。

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 为实现上述目的， 本申请提供一种与底部钻具组合配合使用的单 极随钻声波测 井仪 （也可简称为 "与钻具组合配合的测井仪"， 即底部钻具组合简称为钻具组合 ， 单极随钻声波测井仪简称为测井仪） ， 底部钻具组合包括钻铤和钻头， 钻铤 的端部上安装钻头， 钻铤上安装有单极随钻声波测井仪， 单极随钻声波测井仪 包括： 声波接收器， 声波接收器安装在钻铤上； 单极子声源， 单极子声源安装 在钻铤上， 单极子声源发出预定频率范围的声波； 其中， 钻铤的外直径 D1与钻 头的外直径 D2的比值为 d， 贝 lJ0.75 < d< l。 [0009] 进一步地， 声波接收器和单极子声源沿着钻铤至钻头的方 向间隔安装。

[0010] 进一步地， 单极子声源所发出的声波的预定频率范围是 7kHz至 9kHz。

[0011] 进一步地， 单极子声源所发出的声波的预定频率范围是 5kHz至 10kHz。

[0012] 进一步地， 声波接收器的数量为多个， 多个声波接收器沿钻铤的中心轴线方向 间隔排列。

[0013] 进一步地， 单极子声源的声波激发方向与油井井壁表面的 法向方向成 40°至 50° 夹角。

[0014] 进一步地， 单极子声源的声波激发方向与油井井壁表面的 法向方向成 30°至 60' 夹角。

[0015] 进一步地， 单极子声源与钻头之间的距离大于十米。

[0016] 进一步地， 钻铤包括依次相接的多节钢制杆状件， 且声波接收器与单极子声源 均安装于多节钢制杆状件中的一节上。

[0017] 进一步地， 单极子声源与声波接收器之间由隔声体衔接。

[0018] 进一步地， 单极随钻声波测井仪还包括控制电路模块和数 据记忆模块， 控制电 路模块与声波接收器、 单极子声源、 数据记忆模块均电连接， 控制电路模块与 数据记忆模块均设置在钻铤的内腔中。

[0019] 根据本技术方案的另一方面， 提供了一种测量慢地层横波速度的方法， 应用前 述的与底部钻具组合配合使用的单极随钻声波 测井仪进行钻井操作与测量操作

， 在进行钻井操作的过程的同吋实现同步测量地 层纵波速度和横波速度， 其中 测量操作包括以下步骤：

[0020] 步骤 S10: 利用单极子声源激发声波信号；

[0021] 步骤 S20: 通过声波接收器接收经过地层传播来的声波数 据；

[0022] 步骤 S30: 当所测量地层为快地层吋， 利用滑行纵波来计算地层纵波速度， 利 用滑行横波来计算地层横波速度；

[0023] 步骤 S40: 当所测量地层为慢地层吋， 利用滑行纵波来计算地层纵波速度， 通 过直接测量地层中透过横波来计算地层横波速 度。

发明的有益效果

有益效果 [0024] 利用钻头、 钻铤组成的钻井工装进行油井钻井工作， 同吋， 利用由声波接收器 与单极子声源所组成的测量工装对地层纵波速 度与地层横波速度进行测量， 通 过设计钻铤的外直径 D1与所钻得油井的井口直径 D2的比值 d大于 0.75， 并同吋设 定单极子声源所激发的声波频率范围， 这样以使声波接收器能够接收地层中的 透过横波， 从而利用透过横波来测量地层横波速度。 如此， 测量地层横波速度 的操作只需应用单极子测井即可， 而无需再将单极子测井与四极子测井相结合 来测量地层横波速度， 简化了测量地层横波速度的操作难度， 从而提高了地层 横波速度测量的效率和测量数据的稳定性、 准确性。

对附图的简要说明

附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本申请的实施例， 下面将对实施例或现有技术描述中所需要 使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本申请的一 些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0026] 图 1为本申请实施例的与底部钻具组合配合使用� �单极随钻声波测井仪位于油 井中的侧面剖视结构示意图；

[0027] 图 2为本申请实施例的与底部钻具组合配合使用� �单极随钻声波测井仪位于油 井中的俯视结构示意图；

[0028] 图 3为本申请实施例的与底部钻具组合配合使用� �单极随钻声波测井仪中单极 子声源的装配结构示意图；

[0029] 图 4为本申请实施例的与底部钻具组合配合使用� �单极随钻声波测井仪中的单 极随钻声波测井仪进行测量过程的流程框图；

[0030] 图 5为本申请实施例的与底部钻具组合配合使用� �单极随钻声波测井仪中的单 极随钻声波测井仪进行测量获得的声波测量图 。

[0031] 其中， 图中各附图标记：

[0032] 100、 地层； 10、 隔声体；

[0033] 20、 钻铤； 30、 钻头；

[0034] 40、 声波接收器； 50、 单极子声源。 本发明的实施方式

[0035] 为了使本申请所要解决的技术问题、 技术方案及有益效果更加清楚明白， 以下 结合附图及实施例， 对本申请进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的 具体实施例仅仅用以解释本申请， 并不用于限定本申请。

[0036] 需要说明的是， 当元件被称为 "固定于"或"设置于"另一个元件， 它可以直接在 另一个元件上或者间接在该另一个元件上。 当一个元件被称为是 "连接于"另一个 元件， 它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至 该另一个元件上。

[0037] 需要理解的是， 术语"长度"、 "宽度"、 "上"、 "下"、 "前"、 "后"、 "左"、 "右"、 "竖直"、 "水平"、 "顶"、 "底"、 "内"、 "外"等指示的方位或位置关系为基于附图 所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本申请和简化描述， 而不是指示或 暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此 不能理解为对本申请的限制。

[0038] 此外， 术语"第一"、 "第二 "仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重 要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。 由此， 限定有 "第一"、 "第二 "的特 征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该 特征。 在本申请的描述中， "多个" 的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。

[0039] 如图 1和图 2所示， 本实施例的与底部钻具组合配合使用的单极随 钻声波测井仪 ， 其中底部钻具组合钻铤 20、 钻头 30， 钻铤 20上安装了单极随钻声波测井仪， 其中单极随钻声波测井仪包括声波接收器 40和单极子声源 50， 钻头 30连接在钻 铤 20的端部上， 声波接收器 40安装在钻铤 20上， 单极子声源 50安装在钻铤 20上 ， 单极子声源 50与声波接收器 40间隔设置在钻铤 20上， 且声波接收器 40和单极 子声源 50是沿着钻铤 20至钻头 30的方向安装的， 并且单极子声源 50发出预定频 率范围的声波， 其中， 钻铤 20的外直径 D1与钻头 30的外直径 D2的比值为 d， 贝 1J0. 75 < d< l。

[0040] 应用本申请的与底部钻具组合配合使用的单极 随钻声波测井仪进行油井钻探并 同吋进行地层 100的随钻测量， 利用钻头 30、 钻铤 20组成的钻井工装进行油井钻 井工作 （钻铤 20连接在钻杆上， 通过动力机构驱动钻杆以带动钻铤 20、 钻头 30 转动） ， 同吋， 利用由声波接收器 40、 单极子声源 50所组成的测井工装对地层 纵波速度与地层横波速度进行测量， 通过设计钻铤 20的外直径 D1与所钻得油井 的井口直径 (即钻头 30的外直径 D2) 的比值 d大于 0.75 (即 0.75 < d< l， 其中 d= D1/D2) ， 并同吋设定单极子声源 50所激发的声波频率范围， 这样以使声波接收 器 40能够接收地层 100中的透过横波， 从而利用透过横波来测量地层横波速度。 如此， 测量地层横波速度的操作只需应用单极子测井 即可， 而无需再将单极子 测井与四极子测井相结合来测量地层横波速度 ， 简化了测量地层横波速度的操 作难度， 从而提高了地层横波速度测量的效率和测量数 据的稳定性、 准确性。

[0041] 研究实验结果证明， 在随钻测井过程中， 当钻铤 20的外直径 D1与油井的直径即 钻头 30的外直径 D2的比值 d达到一定的比例范围， 即 0.75 < d， 并且相配合地设 定单极子声源 50所激发声波源的频率在合适的频率范围吋， 高声阻抗的钻铤 20 会使慢地层中的斯通利波与透过横波解耦， 使得地层透过横波可以被声波接收 器 40所探测到。 由于地层透过横波没有频散影响， 即所有频率的透过横波都是 以地层横波速度进行传播， 因此， 地层透过横波速度可以直接用于测量地层横 波速度。

[0042] 在本实施例中， 单极子声源 50所发出的声波的预定频率范围是 5kHz至 10kHz， 例如所激发的声波频率为 5kHz、 5.5kHz 6kHz ^ 6.5kHz ^ 7kHz、 7.5kHz ^ 8kHz 、 8.5kHz. 9kHz. 9.5kHz. 10kHz, 当然也可以设定为在该频率范围内的其他频 率的声波， 例如 5.6kHz、 7.8kHz等等， 在此声波频率范围进行激发声波， 能够降 低油井内其他信号波的干扰。 优选地， 在实际进行测量的过程中， 选用声波频 率范围为 7kHz至 9kHz的声波进行激发测量。

[0043] 如图 1所示， 本实施例的单极随钻声波测井仪中声波接收器 40的数量为多个， 多个声波接收器 40沿钻铤 20的中心轴线方向间隔排列。 如此， 在钻铤 20上形成 由上至下的阵列式排布， 当声波由单极子声源 50激发出去并传播至油井地层 100 形成纵向、 横向偏振的地层波传播之后， 利用阵列式排布的声波接收器 40能够 提高接收到由地层 100传播过来的滑行纵波、 滑行横波或者地层透过横波的信噪 比， 从而测量获得地层纵波速度和地层横波速度。

[0044] 如图 3所示， 为了增加地层透过横波的强度， 单极子声源 50的声波激发方向与 油井井壁表面的法向方向成 30°至 60°夹角。 单极子声源 50激发出所需声波并在地 层 100中转化为相应的穿透波， 由于声波激发角度的设置， 能够使所激发的声波 在地层 100中转化为透过横波的波能量更高， 从而增强地层透过横波的强度， 使 得声波接收器 40能够更清晰地接收地层透过横波。 优选地， 将单极子声源 50的 声波激发方向设计成与油井井壁表面的法向方 向成 40°至 50°夹角， 更优选为 45°

[0045] 单极子声源 50激发吋会同吋在钻铤上形成钻铤波， 钻铤波在一定程度上将影响 声波接收器 40接收到的地层 100有效信号， 因而， 为了减弱钻铤波的影响， 单极 随钻声波测井仪还包括隔声体 10， 隔声体 10连接在钻铤 20上， 并且隔声体 10位 于声波接收器 40与单极子声源 50之间， 此吋， 声波接收器 40与单极子声源 50之 间通过隔声体 10形成声波阻隔状态， 从而减弱钻铤波对声波接收器 40对地层波 的接收影响。

[0046] 钻铤 20是由多节具有较大重量和刚度的钢制杆状件� ��合形成， 钻头 30连接在钻 铤 20的端部上， 单极随钻声波测井仪是组成整个钻铤组合中的 一节 （即单极随 钻声波测井仪是安装在该钢制杆状件上的） ， 并且单极随钻声波测井仪的单极 子声源 50与钻头 30的距离一般为十几米或更大。

[0047] 进一步地， 单极随钻声波测井仪还包括控制电路模块 （未图示） 和数据记忆模 块 （未图示） ， 控制电路模块与声波接收器 40之间、 控制电路模块与单极子声 源 50、 控制电路模块与数据记忆模块之间均电连接， 控制电路模块与数据记忆 模块均设置在测井仪所安装的钻铤 20的内腔中。 在进行随钻测井的操作过程中 ， 钻头 30进行钻进油井的操作， 并同吋利用控制电路模块幵启单极子声源 50进 行激发测量声波， 通过控制电路模块幵启声波接收器 40对由地层 100传播来的滑 行纵波、 滑行横波或者地层透过横波进行测量， 并将测量所得数据通过控制电 路模块将测量所得的声波压力信号转换成电信 号， 然后通过控制电路模块记录 到数据记忆模块中。 在最后的数据处理中： 对快地层， 直接利用记录到的滑行 纵波计算地层纵波速度， 直接利用记录到的滑行横波计算地层横波速度 ； 对慢 地层， 地层纵波速度仍利用所记录的滑行纵波进行计 算， 地层横波速度则是通 过分析所记录的地层透过横波来获得。 [0048] 根据本申请的另一方面， 提供了一种测量慢地层横波速度的方法。 如图 4所示 ， 本实施例的测量慢地层横波速度的方法应用前 述的与底部钻具组合配合使用 的单极随钻声波测井仪进行钻井操作与测量操 作， 其中该测量慢地层横波速度 的方法包括以下步骤：

[0049] 步骤 S10: 利用单极子声源 50激发声波信号， 利用前述的单极随钻声波测井仪 中的单极子声源 50激发的声波频率设定为 5kHz至 10kHz， 而且单极子声源 50所激 发声波方向与油井表面的法向方向成 ₃₀ °至 ₆₀ °夹角， 并且结合其钻铤 20的外直径 D1与油井的孔径 （即钻头 30的外直径 D2) 的比值 d为 0.75 < d< l ;

[0050] 步骤 S20: 通过声波接收器 40接收经过地层传播来的声波数据， 这样， 单极子 声源 50所激发声波在经过地层 100转换并传播后， 声波接收器 40接收获得地层 10 0的滑行纵波、 滑行横波或地层透过横波；

[0051] 步骤 S30: 在数据分析阶段， 当所测量地层 100为快地层吋， 利用滑行纵波来计 算地层纵波速度， 利用滑行横波来计算地层横波速度；

[0052] 步骤 S40: 同样是在数据分析阶段， 当所测量地层 100为慢地层吋， 利用滑行纵 波来计算地层纵波速度， 通过直接测量地层 100中透过横波来计算地层横波速度

[0053] 如图 5所示， 本申请的测量慢地层横波速度的方法利用前述 所提供的单极随钻 声波测井仪进行随钻测井操作， 获得了其中某地层 100的滑行纵波、 透过横波以 及斯通利波与相关计量参数 （吋间参数 /ms、 单极子声源与声波接收器之间的距 离 /m) 的声波测量图， 通过图中所得到的地层透过横波， 能够方便地计算获得 该地层横波速度。

[0054] 以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案 ， 而非对其限制； 尽管参照前述 实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改， 或者对其中部分技术特征进 行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的精神和范围， 均应包含在本发明的保护范围之内。