Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Обращенное ВСИ с использованием в качестве источника работающего бурового инструмента

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Обращенное ВСИ с использованием в качестве источника работающего бурового инструмента"

министерство науки, ВЫСШЕЙ школы и технической политики российской федерации

московский геологоразведочный институт

На правах рукописи

ПЕВЗНЕР Сергей Львович

$ / №

■■У У/ ■> (

ОБРАЩЕННОЕ ВСП С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА РАБОТАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность: 04.00.12 — Геофизические методы поисков и разведки месторождении полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

■4

Москва — 1992

Работа выполнена на кафедре ядерно-радиометрических методов н геофизической информатики Московского геологоразведочного института и в научно-исследовательском отделении сверхглубокого бурения Государственного научно-производственного предприятия «Недра».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

профессор Л. А. Н и к и т и н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук М. Б. 111 нее рс он,

кандидат технических наук, доцент Г. Н. Бога ник.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский горный институт.

Защита диссертации состоится /9 <¿«,^4.1993 г. и часов на заседании специализированного совета Д.063.55.03 ирн Московском геологоразведочном институте по адресу: 117485, г.'Москва, ГСП-7, В-485, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, зуд. 6-38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » -/и^ ?о^ ^ 199^ г.

Ваши отзывы и замечания, заверенные подписью и печатью, и двух экземплярах, просим высылать ученому секретарю.

Ученый секретарь

специализированного совета, профессор

10. и. блох.

Актуальность pjßoru. Повышение эффектиспости остовнзго структурного метода геофизики - еейсморлзкшси и эозможиоск» управления не.кхредствгно процессом бурения глубоких и, в особенности, сверхглубоких скважин в значительнолй степени связано с возможностью дательного кцчеиия околосквьжииного и, в -ом числс.прйдзабойного прострчнспа •

В иастоидсл «ремя асе отечествен»« к tf рубежные сверхглубокие скважины бурятся арак1Ячессл дважды. Перми; бурение ссупнствляегеь опережающим столом малого диаметра дл* изучения разреза я только после этого выполняется бурение стволом осюяного дпажтра, обеспечивающим нреектиую конструкцию еккиишы.

Згфгты на проведение вертикального сейсмического профилирования <ВСП), позволяющего и>/чалъстроение околоехдажинного и предзабойного пространства, по прежнему очень зшнятелы:ы за счет прамекения специальных источников, екпажикного оборудования и большого времени простое буровой, необходимого дли подготовки и провесета исследований. Кроме толу,во многих скважинах со сложными термодинамическими усломвми к агрессивными средами иа&г.оденнк ме выполняются из-за orcyicr-оия необходимых технических средств.

Одним из путей преодоления указанных проблем лвлаегзе создание технологии непрерывных обращенных наблюдений ВСП. выполняемых я процессе бурения с использованием а качеелге источника упругих вол» работающего Сурового породораэрушаюшегт» инструмента (РБПИ).

Цель днссгртацнонний работы состоит в разработке технологии (аппаратуру и комплекса методических приемов), позволяющей проводить в процессе бурения екэажин работа способов обретенного ВСП с использованием в качестве нсточдька сейсмических сигналов РБПИ.

Основные шги исследований:

1. Исследование поля упругих колебаний, возбуждаемых РБПИ,» «кике егг> информативности длз создания промышленной технологии проведения ВСП а процессе бурения скважин.

2. Обоснование тре(н)ьаний к информационному сейсмическому «¿налу и разработка регистрирующей аппаратуры.

3. Выбор и опробозанне методики полевых плблгодений н обработки целевых сигналов.

4. Экспериментальная оцени, разработанной технологии в реальных условиях бурения скважин в различных разрезах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

t Теоретически и эксперикеитвльпо нсследогянн структура и состяя яслнового поля, возбуждаемого различными элементами бурового оборудовьния при буреяип разведочных и сверхглубоких скважин.

2. Обосиоапны технические требования и создай широкая рггистрируюиая система, поззоляюииз осущсталяп. хоррславдоииое прсобр;.зог1л.ч;:с и реальном времени слабых сигналов большой длительности и накапливать результа т корреляции.

3. Разработаны основные приемы ксто^ики иабл-одекий и обработки сейсмических СМП1.ШОВ, возбуждаемых РБПИ, обеспечиьагащне оперативное освещение околоскаа-жиниого проегриисгва,

4. Впервые в отечественной практике создана технология оперативного освещения стрости околоскважииисго пространства на основе использования упругой энергии, возбуждаемой 1'оЛИ.

Эффеиньность разработанной техиалони экспериментальна подтверждена при изучении скважин, проОурсиых в оздоЧ1ш\ ь кристаллических пародах.

Фактические материалы и jiii'iiijiii еклад автора. В основе диссертации лежат результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором в 1985-52 г.г, в призьодстветю-геологичгском тб'едшкмши "Волконгеолошя"(В11ГО), в научно-исследовательском отделении сверхглубокого бурения ШИО СГБ) Госудгрственкего иаучно-проимодственого предприятия <ГИПП)"Недра" и нз'ка4кдре адерчо-рддкомет-р..веских методов и геофизической ннформгтнкн (ЯРМ в ГИ) Моохоьского геологоразведочного института (КГРШ.

Автор о качестве соисполнителя, а с 1939 г. ответственного исполнителя тем, налрао-' ленных на выполнение задании межведомственной шушо-технической программы 05001, осуществлял руководство к непосредственно проводил эксисримеитзлышг исследования и обработку все* первичных матернгмоз. выполнил сбесисваниг в разработку основных элементов методики наблюдений м обработки, а также участвовал в постановке задачи, формировании технических требований, отладке и ксл'гмнигх pent-стрирующей аппаратуры.

] . Обобщение всех результатов работ шпо чнено лично автором.

Научные положения, защищаемые в работе: 1. ?ВПИ в процессе бурения скважиаы яозбуидаегг мкэнгармоиачееше еейашчесхиг сигналы и последовательное™ импульсов в диапазоне часто г и энергий, пригодном для оперативного изучения околосквазкинногс пространства в скважинах глубиной, ¡¡о крайней мере, до Л км.

% Выделение целевых сигналов, агмбуэкдасмих РБПИ, из сложного поля волн-помех, создаваемых наземным буровым оборудованием,эффективно осуществляется разработанными техническими средствами на основе корреляционного преобраззвання.

3. Аппаратурко-методчческнй комплекс, состоящий из специальной технологам наблюдений, регистрирующей и обрабатывающей сшюрагуры и графа обработки, обеспечивает, за счет использования колебаний, возбуждаемых РБПИ, изучение сколоскважинного пространства в широком диапазоне тех «логических и геологических условий бурения.

Практическая ценность работы заключается в том,что разработанная технолога:: обращенного BCFT с использованием в качестве источник;' сейсмических колебаний РБПИ позволяет повысить яффектчиноегь всего комплекса Г?Р.

Внедрение результатов исследования осуществлялось в процессе буренчя глубоких и опорных гхважин ГНПП "Недра*.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы накладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых ПГО "Волковгеология"<г. Алма-Ата, 1987 »1958 г.г.), нт научных конфернычмх профессорско-преподавательского состава МП'И (г.Москвл. 1990« 1992г.г.), на международной конференции общества кзфиэнков-разведчиксв ScO-92 (г.Москва, 1997 г.), >л научно-технических советах ГНПП "Недра", а также па рабочих совещаниях в НПО "Нгфгегеофизика".

Отдельные псло^с,,и> работы изложены з 11 научных работах. 4 tu которых опубли-

КОВаИЫ.

Структура работы. Диссертация состоит из вгедсиия, заключения, четырех глав, 45 рисунков и 4 таблиц. Список литературы включает 102 наименовании.

А ff гор выражает глубокую признательность за направление работы н постоянную помощь а ее разработке научному руководителю профессору, д.ф.-х.н. Никитину А .А., а также пользуется случаем отметить большой вклад с.н.с. Казахского филиала ВИРГ Дика П.И. исоздьние регистрирующей аппаратуры нсотруднигоя Центральной геолога-разведочной экспедиции сверхглубокого бурения (ЦГРЭ СГВ) и НИО СГБ ГНПП "Недра* в осуществление экспериментальных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Гласа I. Современное состояние сейсмических исследований в процессе бурения скважин.

Несмотря на то, что идея исчользоваиия сигналов, возбуждаемых РБПИ, для »»учения в процесса бурения окодосквахинного пространства впервые была выдвинута почти J0 лег назад (F.Willis, 1943г.) и затем неоднократно изучалась многочисленными отечестве-ными (Рукавицын П.Н.,П>рбовнцкиЗ Г.Б-.Кулюцоп О.Л., Лукь£»юй Э.Е, Копылсв В.Н., Гурееа И_Л.. КаГданов Э.П. и др.) и зарубежными (J.G.Scott, M.Gay, S.Gsalder, J.Rayr.al, C.Quichaud, M.Raynald и др.) исследователями, создать промышленную технологию использования сигналов РБПИ не удавалось по многом причинам.

Главными среди них являются следующие:

1. Сложный характер регистрируемого волнового пол«, одновременно создаваемого многочислеными разнообразными источниками, расположенными как в стволе cxiiаяси-ны, так и ка дневной пооерхкостл вблизи устья.

?.. Отсутствие мощных технических средств селекции и подавления неннформативных источников поля.

3. Отсутствие надежного канала связи РБПИ с дневной поверхностью.

По мере совершенствования регистрирующего сейсмического канала и исследования процессов распространения упругих волн, возбуждаемых РБПИ, появляются более кон-кретныз предложения ло использованию РБПИ в качеств» источника сейсмических сигналов (Рукавииын В.Н., Кузнецов О. Л., M.Gay, G.Raynal и др.). В результате были разработаны и внедрены аппаратура и методика сейсмоакустических исследований в процессе буриыя. Эти исследования, при всех своих достоинствах (высокая оператив-

tmcib получении информации, возможность контроля за цроцессоы бурсиив), sa предусматривают изучения.сгросшш околосхм»ичкого пространства, и, по кругу решаемых гесыого-геоф.штских задач, арак."ичсосы аналогичны акустическому хзрошху (ЛК).

Следующим шагом в изучении возможностей применения РБПИ о качестве сейсмического источника стили исследования нацелеипые tu иепшьзоздиие возбуждаемых км упругих воли для изучении строения охолосквахштого пространства (Руказлцш H.H.,Гвоздев П Л., Л.Kkvernes). Большой об'ем теоретических лсслелсзанаД ( Рукавицы« В.Н., Жукоа Л.Ы., Шехтмиа Г.А., Шнеерсоа М.Б., B.Wklrovv, D.Lcvt, J.W.Rector, В Р.Висе и др.? и единичные успешно осулествлгниые эксперимент (Шсхгшн Г.Л,Рукавицы» В.Н.), привели, в 1955 г., к практической реиллзацней обращенного ВСП « процессе буре-.ии фирмой Westoro Attas latcrmUotul (США) в результате разработки методик« ТОМЕХ. Одшхо результаты орпиеисша этой методики предегазлеиы шлии числом экспериментов, и, кроме тога, сим рассчитана ш регистрацию енгнглоз возбуждаемых РБ1Ш только при буреккм забойными машюшш.

На основе фактов, нэложешшх а главе делшотса следующие синоды:

1. Возможность использования РБПИ в качестве источника сейсмических сигналов при ■лсследосаиизх скв&зиш s процессе бурею« практически доказала разработкой н внедрением методики а аппаратуры для сейсмеахустических исследований.

2. Специфика наблюдений ВСП.трсбуюшая рсгисграцик и лзучення lie только первых вступлений, по к осей последующей части записи (к, s осбешюстн, отраженных вели), приводи г к существенным затруднении« при использовании РБПИ в кячал зе скважил-пого сейсмического источника при проведении исследошдшй в процессе буренна. '

3. Для успешного приысисыш РБПИ а г.счсспщ с «а хинного сейсмического источника при проведеиик ВСП необходимо учитывать особенности возбуждаемых им упругих колебаний, а также разработать специолыше ариеыи, позколзющне выделять целевые сигналы иа фоне помех от других элемеягол бурового оборудования.

Глава 2. Структура и основные особенности полкового поля,возбуждаемого РБПИ.

В первом разделе главы ряссмитрлва.отся явления, происходящие и процессе бурсинь в результате взаимодействия РРПИ с забоем скважины, и приводящие к тому, что часть энергии бурового привода расходуется на возбуждение в околоскважиниой среде у пругих колебаний.

Упругое дшашческог взиийодействне РБПИ с забоем, возбуждающее в среде сейсмические сигналы различного теаа, в болышшегае случаев обусловлен-о регулярными вынужденными колебзкикми бурильной колонны (БК), вызываемыми различными причинами.

Основные типы колебаний БК, возникающие ори бурении шарошечными и твердосплавными лопастными долотами, а также причины их вызывающие, приведены в таблице

Таблица I

Характеристика колебаний бурильной колонны

. и Источник колебаний .Тип колеба ним .Частот« . (Гц* Амплитуда сксщешш корпуса РПБИ(мм)

1. Перекатывание шарошек с зубца на зубец Квазискиус оидальимс f, -100-50» А/*0.»5

2. Перекатывание шарошек но ухаСо-обрпзилму забою или врезание лезвий Ккмисинус обильные 10-100 Аг < 20-25

3. Крутильные авто колебания Квазкскнус оидальные f3 - 1 - 10 А, <20

4. Пульсация промывочной жидкости (Свнзисипус оидальные ft »s 0.9

5. Отскоки РБПИ при: а)резонансе; б) превышении критической скорости вращения. Последоват слыюсть импульсов 6) f,» хг Л5 <30-50

В целом, параметры колебаний БК зависит от многих факторов, осиоэными из которых хвлаютси типоразмер аородоразрущзюшета инструмента , степень era изношенности, значения параметров режима бурения (частоты сращения a и нагрузки на забой Pc), компоновка БК и физике -механические свойства разбуриваемой породы.

Пра работе породоразрушающего инструмент в реальных условиях обычно наблюдается наложение друг на друга нескольких типов колебаний, и, фактически, в среду посылается некоторый полипной пакет S'(t) .прсдсгаачаюиц»'« собой аддипчшую смесь:

* S,(l)™S1{0+...+SiC0+...+S,(t), Ш

где - колебания различных типов.

Таким образом, взаимодействующий с горным» породами РБПИ возбуждает в около-скаажннноП среде упругие квазкгармоиичсскне колебания с частотой от единиц до сотен герц, и (или) последовательности упругих импульсоясдостаточио широким спектром (10 - 100 Гц) и частотой следования от единиц до десятков герц.

3 качестве основного критерия, по которому тот или иной источник можно огнести к вибрационным или импульсным (Шнсерсои М.Б., Майоров В.В., 1980 г.), можно использовать значение иронззедения средней частоты £рСНгнала, посылаемого в среду, на его алнтельность Т. Для вибрационных источников должно выполниться соотношение:

Поскольку РБПИ в процессе бурения непрерывно возбуждает в околоскважшшой среде колебании, и веднчтшТстремится кбескочечнссти.томв любого типа колгбалия £>Л0 будет верно соотношение (2>. Следовательно РБПИ удовлетворяет требованиям вибрационного источника.

Оценка энергии Ер продольных волн, возбуждаемых РБПИ и сколоскшжшмом пространстве, проведенная с учетом реального диапазона динамических нагрузок на забой для серим ого Сурового оборудования, показала, что за один период колебаний бурового инструмента в среду будет излучпться от пх! до пх100 Дж, а мощность Jp, уносимая иродольнымп волнами, соспшит пх0,1 - вкЮ КВт.

Рассчитдная на основе оценки энергии излучаемых РБПИ упругих волн, амплитуда смещений, вызываемых ими на различных удалениях от источника (до 5000 м).имеет величину 0,02 - 20,0 мкм, что достаточно для регистрации существующими сеасмопри-емнихамн.

Делается вывод, что РБПИ .можно рассматривать в качестве вибрационного источник», характеризующегося параметрами, приведенными в таблице 2.

Основные технические данные РБПИ как источника сейсмических

Таблица 2 колебаний.

. N • • Параметр Значение параметра

1. Тип источника Сквзжинный. вибрационный

2. Форш возбуждаемых сигналов Последовательности иыпульсон и хсазк-гармонические сигналы

3. Частотный диапазон, Гц 0.9 - 5011

4. Максимальное рабочее уси-лие.КН 5-20

5. Тип преобразуемой энергии Энергия буоового привода

б. Возможность управления сигналом Ограниченная , за счет изменения частоты вращения РБПИ и статической нагрузки на забой

Солоягавление максимального рабочего усилия и частотного диапазон». ?Б1Ш и серийных сейсмических вибраторов СВ-5-151) и ВСК-2 позволяет, а соответствии с классификацией, предложенной М.Б.Шнеерсоно*:, отнести РБПИ к третьему классу вибрационных источников непрерывного и дискретного действии.

Таким образом, РВП11 в процессе бурения скважшш возбуждает кьазигармошшс-ские ссйсмнчсскке ашши н нослсдоаатслыиости штульсоь в диапазоне частот и экершй, пригодно» для оперативного изучения скслосккахслииого пространства а скважинах глубиной, по кравшей мере, до 5 км.

Для успешного пиделенив на диммой nuocpxi.ocni сигналов, необходимо иметь ояиду следующие особенности этого источника:

1. Поскольку РБПИ яплается вибрационным источником, то для преобразования сигналов, возбуждаемых им, целесообразно использовать тот же пришит, что и п способе "виброссйс'-то есть "сжатие" сигналов путем вычисления фуькцпб взаимной корреляции (ИПЮ сигналов, регистрируемых на дневной поверхности, с модельным (опорным) сигналом.

2. Помимо нелепых поли, возбуждаемых РБПИ, на дневной поверхности регистрируются золны-поыехн, возбуждаемые другими элементами бурового оборудования, и мик-росейсмы, что существенно осложняет пил слепне целевых сигналов.

Для решения этих вопросов необходима разработка и применение ряда технических приемов.

Осуществление корреляционного преобразования требует знания формы сигнала, возбуждаемого в среде РБПИ (опорного сигнала). При этом с>шсстиеш1ш1 является вопрос о таком канале передачи этого сигнала на дневную иогцрхнрсть, который сносил бы минимальные искажения в передаваемую информацию, обладил бы невысокой стоимостью и.кром« того, в минимальной степени затруднял бы процесс бурения. С эшх позиций наиболее удачным оказался акустический канал связи по бурнльным'трубам, позволяющий передавать упругие колебания в диапазоне частот до 500 Гц с относительно небольшим затуханием.

Необходимо также учитывать, что по колоане бурильных труб будет распространиться сигнал, искаженный передаточной характеристикой системы "горная порода-РБПИ" н в процессе распространения на него будут накладываться помехи, вызванные взаимодействием холочны с окружающей ее средой. Таким образом, в результат корреляционного преобразования заведомо будуг вносится искажении. Однако многолетний успешный опыт применения вибрационной сейсморазведки показывает, что использование в качество опорного сигнала вместо колебаний посылаемых в среду, сигналов снимаемых с управляющего органа вибратора, с его платформы или В произнольнкхточках вблизи нее, позволяет, с необходимой точностью, получать целевую информацию (Шнсерсон M.G., Майоров В.В., Колесов С.Б., Гродаенский В.Л. и др). Возможность использования в качестве опорного сигнала колебаний, регистрируемых в различных точках среды подтверждается и последними исследованиями Г.И.Пстрвшеня. Это позволило предположить, что использование в качестве опорного сигнала колебаний, регистрируемых в верхней части бурильной колонны,также позволит решить задачу выделения целевых сигналов, что и подтвердилось в дальнейшем при экспериментальных исследоааннях.

Регистрируемый иа днеечой поверхности сигнал Sit), в условиях реальной буровой можно представить как сумму:

S(t)=S"(i)+Srt<t)+N(t), (3)

где S"(t) - сигнал от РБПИ, регистрируемый на поверхности при отсутствии помех;

S„(t) - сигналы,возбуждаемые комплексом насемно-о оборудования;

N(t) - ынкросе.Чмы.

Абсолютные смещения, вызываемые михрпсейсмами, оцениваются величинами 0,002 - 10,0 мкч (ШнеерсонМ.Б., Майоров В.В., 1980 г.), а смещения, вызываемые волнами or наземного бурового оборудования - 2,0 - 5,0 мкм (Васильев IO.C. н др., 1978 г.).

Сопоставление указанных параметров с амплитудой смещений, вызываемых волнами от РБПИ, позволяет рассчитывать sa выделение, последних с применением спецнальиих методических приемов.

Для выделения слабых сигналов на фоне нерегулярных помех с широким спектром (мнкросснсм) наиболее часто применяется накопление данных, одним из вариантов которого язлвется корреляционное преобразование (Шнсерсон М.Б. и др., 1990 г.).

При наличии источников регулярна no>.icx (таких кг.к комплекс иаземнзго бурового оборудован««) выделение целевых сигналов на этапе регистрации градицношю осуществляется прл помощи различных видов дннейиоЗ иеоптималькоЯ и оптимальной фильтрации. Основными из них звляются частотная, скоростная и поляризационная, а также оптимальна? обнаруживающая.

2 делыо оценки эффективности применения тех или шьи; способов выдслеимя uwisuui: сигналов на скважинах, бурящихся п различных геологических и технологических условиях, били выполнены экспериментальные работы по изучению помех от наземного бурового оборудования (Псвзнер СЛ.,1591 г.), и проведено сопоставление их характеристик с теоретическими и полученным',; экспериментально параметрами целевых сигналов. При этом было выяснено следующее:

1. Частотный спектр помех практически совпадает по ширине со спектром ц.-левых сигналов, причем как тот, т< и другой аиляются полимодальньшн. Характерной особа»-носгыо спехгра novex является доминирующая гармоника частотой 50 ГЧ

2. Интенсивность помех у устья скважины весьма высока < амплитуда смещений, по нашим оценкам, достигает 50 мкм), по сравнению с интенсивностью целевых чолн и существенно уменьшается (на 30 - 40 Дб) у/се на удалении .50 - 100 метров от устья, в то время, как интенсивность целевых волн практически не меняется.

3. С увеличением глубины источника (более 300 - 500 м. для исследуемых разрезов) увеличиваются и различна в кажущихся скоростях волн-помех и целевых волн.

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективными способами селекция, которые могуг позволить выделить целевые сигналы , возбуждаемые РБГШ, являются оптимальная обнаруживающая фильтрация, реализуемая корреляционным преобразованием, и, при достаточно больших глубинах бурения, фильтрация по кажущимся скоростям (поляризационная фильтрация не рассматривалась, так как изучение параметров поляризация волн, возбуждаемых РБПИ, является предметом отдельных исследований).

Делается вывод, что для выделения целевых сигналов на фойе помех от наземного бурового оборудования наиболее целесообразно применение корреляционного преоб-

разогшшя, а ттсже ряда дополнительных методических приемов, позволяющих повысить соотношение сигнал/помеха, основными из которых являются;

!. Применение специальных приемоз подавления промышленных помех Окриг.нро-5.1!.'кого оборудования и г.абслей, а также режекторноЛ фильтрации, для подавленна гармоники50 Гц).

2. Использование интерференционных систем, рассчитанных на снижение 1 ровня ишхоскорссыых волн-помех.

3. Выбор зоны приема целевых сигналов с учетом оптимальною соошошениа сиг-иал/аомеха.

Одвиха и выбор конкретных параметров перечисленных приемся должны прочодпгсг исходя из реальных условий наблюдений.

ТЗ конце главы формулируется второе защищаемое положение:

Выделение целевых сигналов, во?буждимых РБПИ, из сложного поля волн-поиех, создаваемых наземным буровым оборудованием, эффективно осуществляется разработанными техническими средствами на основе корреляционного преобразования.

Глам 3. Разработка и опробование аппаратурио-мстодического комплекса изучения строения околосквлжпшюго пространства с использованием сигналов РБПИ

Диализ структуры и особенностей волнового поля, возбуждаемого РБПИ, проведенный в предыдущей главе, позволяет сформулировать основные требования к технологии применения РБПИ в качестве скважшшогосейсмического источника в обращенном ВСП.

Технология должна отвечать следующим требованиям:

1. Позволять регистрировать (сиспользованием корреляционного приема) на различных удалениях от устья скважины сигналы, возбуждаемые РБПИ п процессе бурелил, с учетом следующих их особенностей:

-сигналы непрерывны во времени и имеют квазигармоничсскую форму или представ-л мот собой последовательности импульсов;

-частотный диапазон сигналов заключен в пределах 0,9 - 500 Гц, а их спектры имеют поли модальную форму;

-интенсивность целевых сигналов при регистрации на дневной поверхности сравнима, а во многих случаях не превышает интенсивности помех;

2. Обеспечивать высокую помехозащищенность за счет использования корреляционного преобразования и специальных методических приемов.

3. Предусматривать возможность выделения и анализа различных типов волн.

4. Не оказывать отрицательного влияния на процесс бурения.

5. Легко адаптироваться для применения а широком диапазоне геологических и технологических условий бурения.

Для практического доказательства возможности использовании волнового поля РБПИ ори изучении околосквзжинного пространства необходимо создание специального регистрирующего комплекса.

При разработке аппаратурного комплкеса основной задачей являлось создание экспериментального образца аппаратуры с широкими исследовательскими возможностями,

позволяющего оперативно изменять условия эксперимента и сохранить полупенную информацию для последующей углубленной обработки и анализа. , ,

С учетом всего вышеизложенного были сформулнропаны технические треЗования к регистрирующей аппаратуре.

Одним из основных требований к аппаратуре является наличие корреляционного преобразования сигналов, которое может быть реализовано различными способами.

Наиболее пропой способ заключается в том, что в полевых условиях регистрируемый сиглал записывается и цифровой «ли аналоговой форме на магнитный носитель и, в последующем, подвергается корреляционному преобразованию на ЭВМ в вычислительном центре. Однако при этом теряется одно кз основных достоинств исследований - их оперативность.

Второй способ предусматривает осуществление корреляционного преобразования непосредственно в процессе регистрами сигпалсш, что позволяет оценивать получаемые результата и изменять условия проведении эксперимента. В этом случае преобразование монет проводится либо универсальной бортовой ЭВМ, либо специальным электронным устройством - коррелятором. Нами был выбран именно этот способ как удовлетворяющий требованию оперативности получения информации и, кроме тою, обеспечивающий, за счет контроля качества результате, лучшую помехозащищенность.

Еще одним существенным требованием к регистрирующему комплексу является наличие возможности прослеживания целевого сигнала одновременно в нескольких точках для выбора и реализации наиболее оптимальных условий наблюдении и прослеживания целеммх вол» на различных удалениях от устья скважины - то есть необходимость многоканальное«!.

При разработке аппаратуры было также решено максимально использовать существующую аппаратурную базу. Наиболее подходящей по техническим параметрам к предъ-яслгашым требованиям оказалась 24-х канальнс? цифровая сснсмостаиция ИСН-01-24, которая н была принята ¿а основу комплексе.

С учетом имеющихся разработок (Дик Г1.И.,ПалапщВ.В., 1980 г.) был сконструирован и изготовлен состыкованный с сейсмостанцмей ИСН-01-24 блок корреляциопого преобразования (коррелятор).

Разработанный хоыплекс аппаратуры ИСН-01-24 - коррелятор ИСН позволяет:

1. Использовать различные виды вибрационных сигналов и осуществлять их регистрацию и преобразование в любой момент времени работы источника в условиях интенсивных сейсмических и промышленных помех различно» природы.

2. Регистрировать сигналы большой дпггельности и осуществлять их корреляциокое преобразование в реальном времени.

3. Регистрировать волновое поле одновременно во многих точках.

4. Сохранять полученную информацию в пригодной для дальнейшей обработки на ЭВМ форме.

Перечисленные функциональные возможности комплекса обеспечиваются следующими техническими решениями:

-мплораэрвдным кодированием сигналов в АЦП коррелятора; •наличием в корреляторе собственного твердотельного накопителя емкостью 32 КГшй -ш;

-лоследовательио-иараллслыюй схемой построения коррелятора с покадровым обновлением регистра памяти опорного сигнала; -миопжанальнсстыо аппаратуры;

-оперативной визуализацией результатов корреляции и накопления ни дисплее и плоттере сейсмосгвици; -записью информации в цифроиой форме на магнитный носитель; -использованием комбинированного суммирования л некоррелированных сигналов накопителями сечсыостанции и коррелятора.

Последнее техническое решение позволяет, помимо подавления нерегулярных помех, ослабить к корреляционные шумы, что особенно важна при преобразовании сигналов с полимодальиыми спектрами.

Схема реализации чехиолоши использования сигнплов РГ>ПИ лри проведении обращенного ВСП с использованием разработанной аппаратуры, приоедена на рис. I.

Экспериментальное опробование аппаратуры проведено на двух об'ектах - Ворогаловской глубокой скважине (ГС) и Медягинской опорной скважине (ОС) - существен© отличающихся друг от друга как геологическим строением разбуриваемого разреза, так и применяемым буровым оборудованием.

Воргшловская ГС заложена в 1989 году в пределах П/чеж - Катунской оруктур.», расположенной в центральной части Восточно- Европейской платформы. Скважина и интервалах глубин от 530 до 5300 м вскрывает породы фундаменте Восточно-Европейской платформы. Бурение осуществлялось станком Ф-320Э с использованием забойного двигателя и ротора.

Медягииская ОС находится вблизи Ярославля в пределах Московской спнешшзы и вскрывает типичные терригеино-карбоиатные породы чехла платформы.

Проектная глубина' скважины - 2300 м., бурение ведется серийным станком нефтяного ряда БУ-46 с использованием забойной машины А9.0гдельи«е игггерваяи ствола преходятся при помощи ротора.

При выборе методики полевых наблюдений был разработан и опробованы ряд технических и методических приемов, которые позволяют выделять и регистрировать на дневкой поверхности целевые сигналы.

• На каждом об'екте для определения основных злементоз методики наблюдении выполнялись следующие работы:

1. Исследовались параметры волн-помех от наземного бурового оборудования.

2. Изучались условия приема сигналов и выдеялюзона регистрации целевых сигналов.

3. Определялись параметры интерфергнционаых систем приема.

4. Определялись параметры корреляционного приема - длительность регистра«)'!! и количество накоплений прокоррелированного сигнала. (

5. Выбирались системы наблюдений.

Рис. 1 Схема реализации технологи» обращенного ВСП с использосаякеи а качестве источника РБПИ

1. Буровая 1а Аналогово-цифровой иро-

г. Вертлюг оСраоователь

а Бурильная колонна 14. Блок электронных ключей

4. РБПИ 15. Коррелятор

5. Дневная поверхность 16. Накопитель сейсмостанцкн

б. Сейсмические границы 17. Цифровой магнитофон

7. Наземная расстановка 18. Цифроао-вналоговый преобра-

сейекоприемаиков зователь

8. Датчик опорного сигнала 19. Дисплей

9. Регистрирующий комплекс 20. Плоттер

10. Обрабатывающий комплекс 21. Спецпроцессор ИС1Ю1

11. Блок усиления и фильтрации 22. ЗШ Е0-1061 с аакетоы об-

входных данных работки СЦС-3

12. Мультиплексор

С деяыо вменения оптимальной точки регистрации опорного сигналя было проведено больше« число экспериментов, в результате которых выяснено, чтопри бурении забойной машипей сигнал целесообразно снимать с ведущей грубы (квадрата), ч при вращении колонны ротором -с вертлюги.

На основе анализа систем наблюдений для способа обращенного ВСП при проведет« работ «а ВоротклмскоЛ ГС, я сляан со сложным строением разреза, была выбрниа тттуротетя система, позволяющая сочетать уропцепие и вертикальные наблюдения я получать достаточно детальную информацию о сгреиии исследуемого разреза.

В результате экспернмаггов установлено, что на Воротиловской ГС методика полевых наблюдений должна включать в себя следующие элементы:

1. Система наблюдений, реализующая многоуровневое ВСП, с шагом пунктов приеме па поверхности 50 ;■« и тагом пуктов возбуждения в скважине 5 м, что позволяет уверенно прослеживать различные типы волн в ожидаемом частотном диапазоне как на уровневых, так и на вертикальных сейсмограммах.

2. Расположение пунктов приеме на поверхности - линейный профиль, проходящий через устье скважины.

3. Вынос пунктов приема от устья - 59-400 и..

4. Прием колебаний осуществляется линейными последовательными группами из 16 сейсмоприсмкккоасбаэоЯ группировали» 45 м.

•5. Регистрация сигналов осуществляется гомплегтом аппаратуры ИСН-01 -24 - коррелятор иен.

б. Корреляционное преобразование сигоалов осуществляется в реальном масштабе гргмепи с суммированием результатов пгкопителемсейсмосташя г визуализацией каждой суммы ил дисплее для контроле качгства информация. Рекомендуемые параметры корреляционного приема: длительность регистрации - 15 - 40 секунд, количество накоплений -5 - 64, опорный сигнал снимается с вертлюга.

7. Использование дня ослабления помехи частотой 50 Гц экранированного оборудования н кабелей, а также ФЕЧ с частотой среза 72 Гц.

Опробование разработанных элеме*гго» методики проводитесь » интервалах глубин 4412 - 4511 и 4772 - 4824 метра. В результате проведенных работ был получен ряд сейсмограмм при фиксированных положениях точек приема для различных глубин источника, из которых на этапе обработки были сформированы сейсмограммы ВСП. На полученных сейсмограммах удается выделить прямые и отраженные волны.

Для проведения наблюдений на Медяпшской ОС были определены следующие элементы методики наблюдений:

1. Зона приема сигналов - на расстоянии более 50 м от устья.

2. Прием сигналов линейными последовательными группами из 10 сейсмоприемников с шагом между приборами 5 м.

3. Параметры кореляционмего приема: длительность регистрации -15 - 20 секунд, количество накоплений - 10 - 30, точка регистрации опорного сигнала при бурении забойной машиной -квадрат, при бурении ротором - вертлюг.

4. Систем наблюдений - уроэнсьая с приемом колебаний на линейном профиле проходящем через устье скважины, с шагом точек приема по профилю 50 метров i • удаленны от усгь» от 50 до 400 метров.

Наблюдения по выбранной методике проводились в интервале 800 • 1300 метроа npi нескольких уровнях РБПИ. В результате был получен ряд сейсмограмм, нп котори прослеживаются прямые и отраженные волны.

I (а основе результатов проведенных работ делается вывод о практической возмохносп регис' рации на дневкой поверхности сигналов, возбуждаемых РБПИ.

Глава 4. Обрзбо пса н оценка аостозериости данммх

Так как регистрируемой на днееой поверхности целевой сигнал является <ю сут вибрационным, то при Подходе к выбору средств обработки данных не ставилась задач создания новой системы, а максимально использовались уже имеющиеся разработки.по зволяющне сделать процесс обработки данных вачболсе доступным.

В сэязи с этим, обрабатывающий комплекс оказался разнесенным во времени н про сгранстве.

Фактически, первоначальная обработка сигналов (коррелицноное преобразование : накапливание) осуществляется в полевых условиях соответствующими блоками регист ркрующаго комплекса (рис.1).

Второй этап обработки, связанный с необходимостью перехода из формата запио станции (ESS) в формат записи, пригодный для обработки ш ЭВМ (COMMAND), осу щесталялся на спецпроцессоре ИСП-01.

Осношмя обработка результатов наблюдений выполнялась на ЭВМ ЕС с использова пнем программного обеспечения из стандартного пакета обработки данных с^йсморазвед ки СЦС-3.

В процессе обработки на ЭВМ применялись различные процедуры, реализуют* алгоритмы обработки,предложенные радом и следователей < Рапопорт М.Б., Козлов ЕЛ, Табаков Г.Г., Гогоиеикоа Г'.Н. и др.), и позволяющие повысить соотношение сигнал/по меха -режехторная фильтрация, обратная фильтрация, веерная режектораая и пропуска юиия фильтрация, предсказывающая деконаолюция, когерентная фильтрация, а такж процедуры суммировании н выравнивания уровня записи.

Для определения истинных времен прихода целевых волн при работе с источниками удаленными па значительное расгояние от точхи регистрации даорною сигнала, иеобхо дима их корректировка, учитывающая время рапсросгранения сигнала по каналу связи. I связи с этим, на этапе обработки в исходные сейсмограммы вводились задержки, опреде лнемые исходя из скорости распространения сигнала по БК и глубины источника.

Кроме того, в процессе обработки выявились следующие особенности:

1. Для многоуровневых систем наблюдения на этапе организации входного потока трас необходимо формирование сразу двух типов профилей - по общему пункту возбужденн (опв) и общему пункту приема (ОПП) с целью создания уровневых и вертикальны, сейсмограмм, что позволяет в дальнейшем проводить их совместную обработку и интер лретадию.

2. Дла подавления помехи с частотоЛ 50 Гц, обусловленной тпсвспзными электричц-оши паводкам», помимо вримеиеши специальных методических приемов на этапе ггнстрации, необходимо использование режектерной фильтрации на этане обработки, ¡анболес эффективным оказался алгоритм рекурсивной режскторной фильтрации.

Проведено сопоставление материалов полученных в результате экспериментального пробования разработанной технологии с данными других геолого-гсофиякчесхих иссле-ований, проведенных на изучаемых об'ектах.

По дашшм, получении «а Воротнловской ГС, сопоставление ссущесталялосьс мате-иалами BCII и АК, и показало хорошее совпадение времен прихода падающих воли. ¡ерегулярныЗ, сложный характер геологического строения разреза, вскрыюго скважной, и отсутствие устойчивых пакетов отраженных волн не дали основания дня проведе-ил сопоставления по зтому типу волн.

Результаты экспериментов,выпалненых на Медяпшской ОС, хорошо согласуются с аниым» работ методом ОГТ, полученными lía профилях, проходящих через устье сква-з»Ш| а также с геологическими данными. Наблюдается четкая взаимосвязь сгражакнцих лсмеитов, выделяемых по экспериментальным материалам, с геологическими об'еятами. Таким образом, проведенное сопоставление подтвердило достоверность полученной а езультате опробования разработанной технологии информации и возможность ее ис-ользоваина для оператипного изучении сколоскважшшго пространства. -В койне главы формулируется третье защищаемое научное положение: Аппаратур:ю-ютодичсский комплекс, включающий регистрирующую аппаратуру, ¡озмдгхщгс» ссущсстадять коррелящмшгог ¡¡pcoGpawwiüiC в реальном времени сла-:их cf.vnz.KZ большой длительности и накапливать результаты корреляции, а также яЗДи&яиазс^гсисиш технологии язлегых наблюдении н выбранный граф цифровой брдботкн, обеспечивает выделение целевых сигналов, возбуждаемых РБГН1, в шнро-:ом ддоиазомс технологических н геологических условий бурения. Заключение

В итоге яыполненых ксслсдованна впервые в отечественной практике обоснована, израЗотаиа и экспериментально опробование техналегая оперативного изучения около -кважанного пространства на основе использования уцругой энергии, излучаемой рцбо-аюшим буровым породеразрушающим инструментом. В процессе разработки решены следующие основные вопросы:

1. Изучены состав и свойства упругого ноля, возбуждаемом различными типами РБПИ i разао11одчых геологических условиях. Теоретически и экспериментально доказана ¡озможность применения корреляционного преобразования для целевою использовании юля РБПИ.

2. Обоснованы, разработаны и опробованы основные элементы технологии нспользо-¡аииа эиергии РБГШ цля решения геологических и технологических задач, связанных с >урекием и исследованием глубоких скважин.

а) В основу методики изучения околоскаажииного пространства положена сисгема обращенных иаблюдешй ПСП, позволяющая повысить производительность исследовк-

ний, а также об'ем и качество получаемой информации, за счетвримсаошя многохашип них систем регистра ими.

6; Разработан и изготовлен научно-методический образец регистрирующей аппарату ры, состоящий из серийной сейсмопкацчн ИСН- 01-24 и атквши разработан/юг коррелятора. Комплекс шмволяет осуществят мрредаииошюе преобразование > рс альном времен« слабых сигналов большей длательаоста и накаливал результаты сор реляции.

а) 1Со;>стичсскм и эхсперныситлыю обоснованы элементы иа&ихадеяий при кзучеми: скважнн, бурящч^ся в осадочных я крксталлачсошх порами.

3. Результаты прнмекеяая раз работай иоА технолога* научение оммосксажаиноя пространства сооаспалеаы ¿даышмн другое геолога -геофизических методов (ВСП, АК ОГТ), а результате чего ьодгверждеиа достоверность оатучсияоЛ наформацик.

4. Раэрабтаяаый и азготаалешшй «сшралурно-методические юмплехс внедрен ; ГНПП "Недра" для приведения вябягжяай а процессе бурения с целью спсратааиоп изучения окплосыажшжно иролраясша.

Основные элементы техяолопяаэучашя окадоскаажиниого пространства могут пра меняться с мсаояьзоашасм серийной сейсмической аппаратур* пяа'Продосс*', <го подтверждено эксперммсжаяьнымк неелдошашша, выосдисмима совиест.ю с ПН" ВИИИГеофазиы.

Дальнейшее внедрение разработанной теашюпм может оштса яссьна перепайка мым для оперативного контроля за бурей кем глубока» я сверхглубоких скаааиш.

Осноеные положения диссертации опубликованы а следующих работах

1. Методические речомсиддцня по взучеюпо соекгрв колебаний наземного буровое оборудования/ Пеазиер СЛ. НПО 'Недра*, ХамНИИКИГС.-Яросляжяь, 1991.-24 с. Ру> деп. в ВИНИТИ 23.09.91 N3760-891.

2. Невзиер С.Л. Волиы-помехи от рабогаюшего наземного оборудования буро вой.//Разведка в охрана недр,19Э1.-М.-С.!3-16.

3. Певэиер СЛ. О возможности реалиааони обращенного ВСП с использованием 1 качестве источника работающего породоразрушаюшего инструмента//Сборник рефера юв Международной геофизической конференции и выставки по разведочной геофизик« 27-3! июля 3992 г., г.Москва,С.-522-Л23.

4. Предпосылки использования работающего бурового инструмента в качестве источ ника сейсмических сигналов./ Певзнер СЛ. НПО "Недра", КамНИИКИГС.-Ярос лавль, 1991 .-43 с. Рук. деп. в ВИЭМС 15.09.91 Ы948-МГ91 //Б.У.ЗШШТИ Девоа. паук работы,-199l.-N4.-C.75.