钻头前方地质情况井下声波实时探测的理论和实验研究

Real-time and accurate predications of the geological conditions ahead of drill bit are the basis of geologic steering drilling, which also play an important role in improving exploratory well efficiency, increasing proved reserves and recovery ratio. Seismic While Drilling technology is the key technology used in predications, however, the application effect and scope are restricted by a variety of factors such as long travel signal attenuation and noise aliasing. The project provides a method of detecting geological conditions by transmitting and receiving acoustic waves underground. The investigations related to the project are carried out in terms of theoretical analyses, numerical simulations and laboratory experiments. These investigations include optimization design of the directional acoustic sources to meet the detection requirements，thorough study of the wave propagation characteristics of directional acoustic energy in complicated formation layers and geological structures, showing the physical mechanism of elastic wave propagations in complex media, and exploring methods and steps to achieve real-time detection of geological conditions ahead of drill bit and providing suggestions for future development based on numerical and experimental results. The method proposed can compensate deficiencies caused by long distance separation of transmitters and receivers, the results involved can provid methodology and theoretical foundation for the development of our own geological steering drilling technology with independent intellectual property rights.

钻头前方地质情况的实时准确预测是发展地质导向钻井技术的基础，在提高探井效率、增加能源探明量和采收率等方面具有重要作用。目前，能够实现钻头前方地质情况实时预测的主要工程技术是随钻地震技术，但由于该技术存在诸如传播距离长引起的信号衰减大和噪声混叠等问题，导致其应用效果和范围受到多种因素的制约。本项研究提出采用地下发射和接收声波的方式来探测钻头前方地质情况的变化。项目从理论分析、数值模拟和实验测量的角度开展相应的基础问题研究，包括优化设计达到探测要求的定向声源，深入研究方向性声波能量在复杂地层条件和地质构造中的传播特点，揭示其中的声场演化规律，并基于正演模拟和实验测量的结果，探索实现钻头前方地质情况实时探测的方法和步骤，以及未来需要完善的技术和方向。本项研究提出的方法可以弥补声波发射和接收长距离分离造成的缺陷，其成果可为发展我国具有自主知识产权的地质导向钻井技术提供方法及理论依据。

在油气勘探与开发过程中，准确的获得钻头前方地质信息对于钻井作业有着重要的指导意义。随钻地震技术是目前实现钻前预测的一种主要方法，针对该技术在声波长距离传播中导致的衰减和信号混叠等问题，本项目提出一种井下发射和接收声波的方式对钻头前方地质情况进行探测的新方法。通过对钻前存在反射面的钻孔-地层模型下的井孔声场进行数值模拟，考察了多种井下发射接收方式情况下，探测钻前界面的可行性。.首先，阐述了井下声波实现钻前探测的基本原理。钻孔中产生的导波在钻井底部与地层交界面处会发生透射，部分能量进入钻头前方地层中，应用声波的远场辐射特性可以实现对钻前地质体的探测。. 其次，研究了单极子源以及偶极子声源在钻头前方地质情况探测中的应用，结合有限差分数值计算方法，模拟了单极声波在钻前水平反射面处产生的反射声场，详细分析了反射波的幅度、到时等特征。结果表明，单极源产生的P-P反射波在钻头前方的覆盖范围广、辐射强度大，尤其是钻头正前方，因此适合用来探测钻前地质交界面。偶极横波在低倾角反射面的反射强度较大，尤其是SH波具有振幅强、倾角覆盖范围大的特点，可以用于前方地质情况探测。与单极声波相比，偶极横波不仅在钻前地层中的辐射强度更大，还表现出了较高的方位灵敏度，有助于识别前方反射体的方位。. 此外，设计了向钻头前方辐射能量的相控线阵和参量相控阵，并分别考察了两种声源在钻前探测方面的效果。研究结果表明，两种声源都可以用于钻前地质情况的探测，各有利弊。同时，借鉴过钻头的技术，考察了放置在钻孔底部的自发自收的平面波换能器在钻前界面探测上的应用效果。.最后，制作了偶极子换能器发射和接收系统以及实验模块，开展了实验室实验。实验结果表明，小样模型井实验有效的论证了偶极子声源在钻前探测上的可行性。. 本项目的研究成果，对以后继续开展该方面的工作研究，实现钻前探测的工程化提供了理论支撑，具有重要的参考价值。