Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Обращенное ВСП 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 ВСП с использованием в качестве источника работающего бурового инструмента"

министерство науки, высшей школы и технической политики российской федерации

люсковскии геологоразведочный институт

На правах рукописи

ПЕВЗНЕР Сергей Львович

ОБРАЩЕННОЕ ВСП С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА РАБОТАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУАШ1ТА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

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

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

профессор А. А. Никитин.

Официальные оппоненты-.

доктор технических наук М. Б. Шнесрсон,

кандидат технических наук, доцент Г. Н. Б о г а н и к.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский горный институт.

Защита диссертации состоится 1993 г. в

часов на заседании специализированного совета Д.063.55.03

при Московском геологоразведочном институте по адресу: 117485,

г. Москва, ГСГ1-7, В-485, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, ауд. 6-38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

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

Автореферат разослан «/2

Ученый секретарь

специализированного совета, профессор

Ю. И. Блох.

Лзту&шность рлбзгы. Повышение эффестисности осговнзго структурного метода геофизики - сейсмордекшси и эозможностл управления не.юсредствсно процессом бурение глубоких и, в особенности, сверхглубоких скважин в значнтельнолй степени связано с возможностью детального нз) челна охолоехпокинного и, о *г>м числе.прсдзаиойиого пространства •

В настоивдг. время все отеч«хвек:ше и .»рубежные сверхглубокие скважины бурятся практически дважды. Первое, бурение осуществляется опережающим стулом малого диаметра для изучения разреза п только послезтого выполняется буренне стволом основного дммеп», обеспечивающим проектную копиру кшю скважины.

Затраты ¡<а проведениевертикальногосейсмического профилирования (ВСП), позволяющего мз/чагь строение околоскаажиниоги и предзабойного пространства, по прежнему очень эшнятелькы за счет применения специальных источников, склижинного оборудования а большого времени простоя буровой, необходимого дня подготовки и проведения ге:ледоганн*. Кроме того,во многих сквижнмях со сложными термодинамическими условиям« и агрессивными с радами наблюдения не выполняются из-за отсупст-вая необходимых техяичесхяж средств.

Одним нз пут£1л преодоления указанных проблем являстсх создание технологии непрерывных обращенных наблюдений ВСП, выполняемых в процессе Сурения с использованием о качестве источника упругих ваш работающего Сурового пдродораэрушаюшего инструменте (РБПИ).

Цель диссертационной работы состоит в разработке технологии (апларатуры и комплекса методических приемов), позволяющей проводить в процессе бурения скважин работа способе.* обращенного ВСП с использованием в качестве нсточ4<ька сейсмических сигналов РБПИ.

Основные задачи исследований:

1. Исследование поля упруги:! колебакий, возбуждаемы» РБПИ, н оценка его информативности для создания промышленной технологии проведения ВСП в процессе бурения скважин.

2. Обоснование требоымкй к информационному сейсмическому каналу и разработка регистрирующей аппаратуры.

3. Выбор и ояробозаипс методики полевых наблюдений и обработки целевых силндлов.

4. Экспериментальна]: оцени разработанной технологии в реальных условии бурения скважин в различных разрезах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Теоретически и зкеперны:нгально ясслеяоъш* структура и состав полкового поля, возбуждаемого различными элементам» бурового оборудования при бурении разведочных н сверхглубоких скважин.

2. Обосповлци технические требования и создана цифровая регистрирующая система, позволяющая осушс тзля-ч. корреляционное преобразование в реальном времени слабых сишалоз большом длительности и накапливать результаты корреляции.

3. Разработаны основные приемы методики наблюдений и обработки сейсмических сигп.1лоп, возбуждаемых РБПИ, обеспечивающие опср?тканое освещение околоскаа-жминого просгрансгва.

А. Веерные к стзчсссвсшоп практике создана технология оперативного освещении строения околоскважмшсго пространства на основе использования упругой энергии, возбуждаемом РоПИ;

Эффсгшьность разработанной техлоло-ии экспериментально подтверждена при изучении скважин, пробуреных в осадочных ь кристаллических породах.

Фактические материалы и личный вклад автора. В основе диссертации лежат рсауль-гаты теоретических п экспер.шенгалъних исследований, проведенных автором в 1985-92 г.г. в прнздодстяснно-геологическом об'едяиснш! "Волкоигеологня'ЧВПГО), в 'тучно-исследовательском отделении сверхглубокого, бурения ШИО СГБ) Государственного научмо-протлодственого предприятия (Г'КПП)"Кедра* и на'кафедре едерчо-радиомет-р.леск'1х методов и геофизический информстики (ЯРМ и ГИ) Мопкоьского геологоразведочного института (МГРИ).

Автор в качестве соисполнителя, а с 1989 г. ответственного исаолг.нгеля тем. иалраа-' ленных на выполнение заданий межведомственной научио-техиичессои программы 03001, осуществлял руководство к непосредственно проводил экспериментальные исследования н обработку всех первичных материалов, выполнил обоснование ^разработку основных элементов методики наблюдений и обработки, а также участвовал в постановке задачи, формирозании технических требований, отладке и ксаьгганиях регистрирующей аппаратуры.

. Обобщение всех результатов работ выполнено лично автором.

Научные положения, защищаемые в работе: 1. ?БПИ в процессе бурения скважины возбуждает квпзнгармонлчессие еейсмичесхис сигналы и последовательности импульсов в диапазоне частот и энергий, пригодном для оперативного изучения околосквакинного пространства в скважинах глубиной, но крайней мере, до 5 км.

2. Выделение целевых сигналов, ¿осуждаемых РБПИ, из сложного поля волн-помех, создаваемых наземным буровым оборудоЕанчем.эффективно осуществляется разработанными техническими средствами на основе корреляционного преобразования.

3. Аппаратурко-методический комплекс, состоящие из специальной технологии наблюдении, регистрирующей и обрабатывающей аппаратуры и графа обработки, обеспечивает, за счет использования колебаний, возбуждаемых РБПИ, изучение околосквакинного пространства в широком диапазоне технологичесхих в геолоп-ческих условий бурения.

Практическая ценность работы заключается в том,что разработанная технология обращенною ВСП с использованием в качестве гсточиикя сейсмических колебаний РБПИ позволяет повысить эффективность всего комплекса ГРР.

Внедрение результат«» исследований осуществлялось в процессе буреич* глубоких и опорных схважин ГНПП "Недра".

, Апробация рэбюы. Основные положении и результаты диссертационной работы по-кладывдлисьи обсуждалнсыш конференциях молодых ученых ПГО "Вол ковгсология" (г. Алма-Ата, 1987 и 1988 r.r.),Hi научных конфергничих профессорско-нреподанательско-госостива МП1 И (г.Москва. 1990 к ¡992г.г.), на мйддуна.оодион конференции общества геофизиков-разведчиков SEG-92 (г.Москва, 1992 г.), ьа научно-технических советик ГНПП "Недра", л также на рабочих совещаниях в НПО "Нгфтегеофизика".

Отдельные положения работы изложены з 11 научных работах, 4 itj которых опубликованы.

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

Автор выражает глубокую признательность за направление работы и постоянную помощь в ее разработке научному руководителю профессору, д.ф.-м.н. Никитину А Л., а также пользуется случаем отметить большой вклад с.ч.с. Казахского филиала ВИРГ Дика П.И. о создание регистрирующей аппаратуры и сотрудников Центральной геологоразведочной экспсяидаи сверхглубокого бурения (ЦГРЭ СГБ) и НПО СГБ ГНПП "Недра" в осуществление экспериментальных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Современное состояние сейсмических исследований и процессе бурения скважин.

Несмотря на то, что идея использования сигналов, возбуждаемых РБПИ.дчя изучения в процесса бурения околосквахсшжого пространства впервые была выдвинута почти 50 лет назад (F.Willis, 1943г.) и затем неоднократно изучалась многочисленными отечестпе-нымп (Рукпвнцын В.Н.,Горбовицкий Г.Б.,Кузнецов ОМ., Лукьянов Э.Е, Копылсв В.Е., Гуреев И.Л., КайдановЭ.П. и др.) и зарубежными (J.G.Scott, M.Gay, S.Gstalder, J.Raynat, C.Quichaud, M.RaynaW и др.) исследователями, создать промышленную технологию использования сигналов РБПИ не удавалось по многом причинам.

Главьымн среди них являются следующие:

1. Сложный характер регистрируемого волнового поля, одновременно создаваемого многочислеными разнообразными нсточннкзыи, расположенными как в стволе скияжи-ны, так и на дневиой поверхности вблизи устья.

?.. Отсутствие мощных технических средств селекции и подавлении неинформативных источников поля.

3. Отсутствие надежного канала связи РБПИ с дневной поверхностью.

По мере совершенствования регистрирующего сейсмического канала и исследования процессов распространения упругих волн, во-збуидаемых РБПИ, появляются более конкретные предложения по использованию РБПИ в качестве источника сейсмических сигналов (Рукавииып H.H., Кузнецов О. Л., M.Gay. G.Raynal и др,). В результате были разработаны и внедрены аппаратур'! и методика сейсмоакустических исследований в процессе бурения. Эти исследования, при всех своих достоинствах (высокая опёратив-

кость получения информации, возможность хои^рага за ироцессоы бурения), в: пргдус-мзтризают изучена» ¿гросши охолоаимжк-кого прострлчетза, и, по кругу решаемых геоло.ъ-геофшнчччжих задач, чрак .imeoui аналогичны акустическому кзротизку (ЛК).

Следующим шагом в нзучешш возможностей применения РБПИ в качестве сейсинч:-схого источника сгал>; исследоааиия шцелсшше иа испид-зопаипг созбузэдаеыых им упругих воли для изучении строеггиа оеоласкваманюго пространства (Руииыцып В.Н..Гвоздев П Л., A-Klavcmcs). Большой об'сы тгсрстичгскнх нсслсяовишй ( Рукзвп-цьш В.Н., Жуков А.Н., Шехтыгл Г.А., Шнеерсоп М.В., B.WWrow, D.Levi, J.W.Rector, В P.Bnicc и др.) и едишшпые успешно ссудесталяишезкснерпмс.гга (Шехткик Г.Л.,Ру-ашщьш В.П.), привели, в J9S5 г., * практической реализацией обращенного ВСП в процессе бурешех фирмой Western A.t!as kucwtticnal (США) в результате разработки методии: YOMEX. Однако результаты ерпменешн этой ыстодп&и представлены милым числом экспериментов, и, кроме того, она рассчитана ш> регсетрацшо сштюлов возбуждаемых РБПИ только при бурении забойными машшамк.

На основе фактов, изложенных о главе делаются следующие.выводы:

1. Возможность испэльзовпни» РБПИ в качестве источника сейсмических сигналов при исследован«« сквшыш в процессе бурения практически доказана разработкой к внедрением методики :i аппаратуры дла ссйшоакустическнх исследований.

2. Специфика наблюдений ВСП, требующая регистрации н изучения не тяько первых вступлений, но и всей последующей части записи (а, в осбепности, отрагеыгых воли), приводит к существенным затруднением при использовании РБПИ в кячеаве скважнн-иого сейсмического источника upu проведении исследований в процессе бурения.'

3. Для успешного приыснеьия РБПИ о кзчгстзс ешхишого сейсмического источника при проведеиш: ВСП необходимо учитывать особенности возбуждаемых им упругих колебаний, а аакже разработать специальные приемы, позволяющие выделять целевые сигналы на фоне помех от других элементов бурового оборудования.

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

В первом разделе главы рассматривается явления, происходящие о процессе бурении в результате взаимодействия РЛПИ с забоем скважины, и приводящие к тому, 410 часть энергии бурового привода расходуется на возбуждение в околоскважинной среде упругих колебаний.

Упругое динамическое взаимодействие РБПИ с забоем, возбуждающее в среде сейсмические сигналы различного w.n», в большинстве случаев обуслоален -о регулярными вынужденными колебанием» бурильной колонны (БК), вызываемыми различными причинами.

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

Таблиц» I

Характеристика колебаний бурильной колонны

. N Источник колебаний Тип колеба ний .Частот» . (Гц* Амплитуда смещений корпуса РПБМ(мм)

1. Перекатывание шарошек с зубиа на зубец Квазисинус оидальнме {, -100-500 А ,1*0. и

2. Перекатывание шарошек но ухабо-обрнзному забою или врезание лезвий Квазнсинус ПИДШГЬНЫ.! Гг- 10-100 Кг < 20-25

3. Крутильные авто колебания Квазксннус оклальные Г3 - 1 - 10 А, <20

4. Пульсация промывочной жидкости Квазнсинус оидальнме ^ » 0.9

5. Отскоки РБПИ при: а)резонансе; б)превышекни критической скорости вращения. Последовлт сльностъ импульсов а б) Г,« (г Л5 <30-50

В целом, параметры колебаний БК зависят от многих факторов, основными нэ которых являются типоразмер породораэрушаюшего инструмента , степень его изношенности, значения параметров режима бурения (частоты вращения а и нагрузки на забой Рс). компоновка БК и фнзнко -механические свойства разбуриваемой породы.

Пра работе породоразрушающего инструмента в реальных условия» обычно наблюдается наложение друг на друга нескольких типов колебаний, и, фактически, в сре^у посылается некоторый волновой пакет Б' (О .представляющий собой аддитивную смесь:

' 8,<«>'^<«)+...+5<<0+...+$1(0, (1)

гае 84(1) - колебания различных типов.

Таким образом, взаимодействующий с горными породами РБПИ возбуждает а около-скважннно!) среде упруше кваэсгармонические колебания с частотой от единиц до сотен герц, и (или) последовательности упругих импульсов с достаточно широким спектром (10 - 100 Гц) >1 частотой следования от единиц до десятков герц.

В качестве основного критерия, по которому тот или иной источник можно о гнести к вибрационным или импульсным (Шнсерсом М.Б., Майоров В.В., 1980 г.), можно использовать значение произведения средней частоты ^сигнала, посылаемого в среду, на его длительность Т. Аля вибрационных источников должно выполняться соотношение:

Поскольку РКП И в процессе бурения непрерывно возбуждает в околоскважинной среде колеблш я, и величина Т стремится к бескочечности, то для любого типа колгбалия !>/<() будет верно соотношение (2). Следовательно РЬПИ удовлетпоряет требованиям вибрационного источника.

Оценка энергии Ер продольных волн, возбуждаемых РБПН и сколоскважинном пространстве, проиедснмая с учетом реального диапазона динамических нагрузок на забой для сершн-ого бурового оборудования, показала, что за один период колебаний буропого инструмента в С(>еду будет излучиться от их! до лх100 Дж, а мощность ]р, уносимая иродольными волнами, составит лх0,1 - пх 10 КОт.

Рассчйтлния 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 семсмопри- . емникамн.

'Делаетск вывод, что РБПИ можно рассматривать в качестве вибрационного источника, ' характеризующегося параметрами, приведенным» в таблице 2.

Таблица 2

Основные технические данные РБПИ как источника сейсмически;; колебаний.

. N • • Параметр • • Значение параметра

• .. 1 . Тип источника Скважиннын, вибрационный

2. Форма возбуждаемых сигналов Последовательности импульсои и хпазн-гармонические сигналы

3. Частотный диапазон . Гц 0.9-500

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

5. Тип преобразуемой энергии Энергия бурового привода

6. Возможность управления сигналом Ограниченная , за счет изменения частоты вращения РБПИ н статической кагрупки на забои

Сопоставление максимального рабочего усилия и частотного диапазона ?БП И и серийных сейсмических вибраторов СВ-5-150 и ВСК-2 позволяет, в соответствии с классификацией, предложенной М.Б.Шиеерсоно»:, отнести РБПИ к третьему классу вибрационных источников непрерывного и дискретного действии.

Таким образом, РБПИ в процессе бурения скважины зозбухдает кьазигармониче-ские ссйсмическкс сигнала и последовательности импульсоь о диапазоне частот н энергий, пригодном д<1я оперативного изучения окслоскважниного пространства а скважинах глубиной, по крайней мере, до 5 км.

Для успешного пыделения на дневной поверхности сишалов, необходимо иметь о.чнду следующие особенности этого источника:

1. Поскольку РБПИ является вибрационным источником, то для преобразования сигналов, возбуждаемых им, целесообразно использовать тот же принцип, что и п способе "виброссйс"- то есть "сжатие" сигналов путем вычисления функций взаимной корреляции (ФВК) сигналов, регистрируемых па днепной поверхности, с модельным (опорным) сигналом.

2. Помимо нелепых волн, возбуждаемых РБПИ, на дневной поверхности регистрируются золны-пэмехн, возбуждаемые другими элементами бурового оборудования, и мик-росейсмы, что существенно осложняет выделение целевых сигналов.

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

Осуществление корреляционного преобразования требует знания формы сигилле, возбуждаемого в среде РБПИ (опорного сигнала). При этом существенным валяется вопрос о таком канале передачи этого сигнала на дневную поверхность, который вносил бы минимальные искажения в передаваемую информацию, обладал бы невысокой стоимо:чтыо и,кроме того, а мннималыюн степени затруднял бы процесс бурения. С эгнх позиций наиболее удачным оказался акустический канал связи по бурильным'трубам, позволяющий передавать упругие колебания в диапазоне частот до 500 Гц с относительно небольшим затуханием.

Необходимо также учитывать, что по колонне бурильных груб будетраспространлгьса сигнал, искаженный передаточной характеристикой системы "горная норода-РБПИ" л в процессе распространения на него будут накладываться помех):, вызванные взаимодействием колонны с окружающей ее средой. Таким образом, в результат корреляционного преобразования заведомо будут вносится искажения. Однако многолетний успешный опыт применения вибрационной сейсморазведки показывает, что использование в качество опорного сигнала вместо колебаний посылаемых а среду, сигналов снимаемых с управляющего органа вибрат opa, с его платформы или в произвольных точках вблизи нее, позволяет, с необходимой точностью, получать целевую информацию (Шнесрсон М.В., Майоров В.В., Колесов С.Б., Гродненский В.Л. и др). Возможность использования в качестве опорного сигнала колебаний, регистрируемых в различных точках среды подтверждается и последними исследованиями Г.И.Петрашеня. Это позволило предположить, что использование в качестве опорного сигнала колебаний, регистрируемых в верхней чьстн бурильной колонны,также позволит решить задачу выделен»» целевых сигналов, что и подтвердилось в дальнейшем при экспериментальных исследованиях.

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

S(t)»S"<i)+S„<t)+N<0, (3)

где S"(0 - сигнал от РБПИ, регистрируемый на поверхности при отсутствии помех;

S„(f) - сигналы.еозбуждаемые комплексом наземного оборудования;

N(l) - микросе.Чмн.

Абсолютные смешения, вызываемые мпкрпсейсмами, оцениваются величинами 0,002 -10,0 мкч (Шнесрсон М.Б., МайоропВ.В., 1980 г.), а смещения, вызываемые волнами от наземного бурового оборудования - 2,0 - 5,0 мкм (Васильев 10.С. й др., 1978 г.).

Сопоставление указанных параметров с амплитудой смещений, вызываемых волнам« от РвП И, позволяет рассчитывать ма выделение последних с применением специальных методических приемов.

Для ni имения слабых сигналов на фойе нерегулярных помех с широким спектром (микросейсм) наиболее часто применяется накопление данных, сдоим из вариантов которого является корреляционное преобразование (Шнесрсон М.Б.» др.,1990 г.).

При наличии источников регулярных помех (таких кг к комплекс нвземнзхо бурового оборудования) выделение нелепых сигналов на этапе регистрации традиционно осуществляется пр;т помощи различных видов линейной неоптпмальной и оптимальной фильтрации. Основным!' из них звлпгатсь частотная, скоростная и поляризационная, а также оптимальна? обнаруживающая.

С делмо оценки эффективности применения тех или иных способов выделен.*« целевых сигналоа на схважишх, бурящихся в различных геологических и технологических условиях, били выполнены экспериментальные работы по изучению помех от наземного бурового оборудования (Певчиср С.Л.,1991 г.), и проведено сопоставление их характеристик с теоретическими и полученными экспериментально параметрами целевых сигналов. При этом было выяснено следующее:

1. Частотный спектр помех практически совпадает по ширине со спектром целевых сигналов, причем ках тот, так и другой яипаютсч лоламодалышми- Характерной особенностью спектра помех является доминирующая гармоника частотой 30 Гц.

2. Интенсивность помех у устья сквахмны весьма высока ( амплитуда смещений, по вашим оценкам, достигает 50 мкм), по сравнению с интенсивностью целевых волн и существенно уменьшается (на 30- 40 Дб) ухе 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 различия в кажущихся скоростях волн-помех и целевых воли.

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

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

рззсвзчип, а также ряда дополнительных методнчесгси* приемов, позволяющих погнет. соотношение сигнал/помеха, основными из которых являются:

1. Примените специальных приемов подавления промышленных помех (зкраииро-вшшого оборудования и кабелей, а гакже режекторной фильтрацчи, для подавленна гармоники 50 Гц).

2. Использование шггерфсреншшнных систем, рассчитанных на снижение уровня иизхоскорсстных волн-помех.

3. Выбор зоны приема целевых сигналов с учетом оптимального соогношення енг-пал/помеха.

Оценка и выбор конкретных параметров перечисленных приемов должны проводится исхода из реальных условий наблюдений.

В конце главы формулируется второе защищаемое положение:

Выделение целевых сигналов, возбуждаемых РБПИ, из сложного поля аолп-помех, создаваемых наземным буровым оборудованием, эффективно осущсстпляется разработанными техническими средствами на основе корреляционного преобразования.

Глава 3. Разработка н опробование аппаратурио-мстодического комплекса изучения строения околоскважшшого пространства с использованием сигналов РБПИ

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

Технология должка отвечать следующим требованиям:

1. Позволять регистрировать (с использованием корреляционного приема) на различных удаленная от устья скважины сигналы, возбуждаемые РБПИ в процессе бурения, с учетом следующих их особенностей:

-сигналы непрерывны во времени к имеют квазнгармоническую форму или представляют собой последовательности импульсов;

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

-интенсивность целевых сигналов при регистрации на дневной поверхности сравнима, а во многих случаях ке презыщает 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 адапт ироваться для применения в широком диапазоне геологических и технологических условий бурения.

Для практнческогодоказательства возможности использования волнового поля РБПИ при изучении околоскважинного 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 сохранять полученную информацию ддя последующей углубленной обработки и анализа.

С учетом всего вышеизложенного были сформулированы технические требования к регистрирующей аппаратуре.

Одним из основных требований к аппаратуре является наличие корреляционного преобразования сигналов, которое может быть реалнзонано различными способам и.

Наиболее простоя способ заключается в том, что п полевых условиях регистрируемый сигнал записывается и цифровой или аналоговой форме на магнитный носитель и, в у последующем, подвергается корреляционному преобразованию кл ЭВМ в вычислительном центре. Однако при этом теряется одно из основных достоинств исследований - их . оперативность.

Второй способ предусматривает осуществление корреляционного преобразования непосредственно в процессе регистраци сигналов, что позволяет оценивать получаемы; результате и изменять условия проведения эксперимента. В этом случае преобразование может проводится либо универсальной бортовой ЭВМ, либо специальным электронным устройством - коррелятором. Нами был выбран именно этот способ хак удоалстворяющий требованию оперативности получения информации и, кроме того, обеспечивающий, .1 за счет контроля качества результатов, лучшую помехозащищенность.

Еще одним существенным требованием к регистрирующему комплексу является наличие возможности прослеживания целевого сигнала одновременно в нескольких точках для пыборв и реализации наиболее оптимальных условий наблюдения и прослеживания целечых воли 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 предъявленным требованиям оказалась 24-х ханалытя цифровая сснсмоствнцип ИСН-01-24, которая и была принята оснозу комплекс;.

Сучетом имеющихся разработок (Дик П.И.,Палаши В.В.,1980г.) был сконструировал и изготовлен состыкованный с сейсмостанцнен ИСН-01-24 блок ко^реляциопого преобразования (коррелятор).

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

1. Использовать различные виды вибрационных сигналов и осущестзлять их регистрацию и преобразование в любой момент времени работы источника в условиях интенсивных сейсмических н промышленных помех различной природа.

2. Регистрировать сигналы большой дтителыюсти и осуществлять их корреляционое преобразование в реальном времени.

3. Регистрировать волновое поле одновременно во многих точках.

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

Перечисленные функцчоналыше возможности комплекса обеспечиваются следующими техническими решениями:

-малоразрядным кодированием сигналов л .АЦП коррелятора;

-наличием в корреляторе собственного твердотельного накопителя емкостью 32 К Пай -та; .'..'.

-последовательно-параллельной схемой построения коррелятора с покадровым обновлением регистра памяти опорного сигнала;

-многоканальисСтью аппаратуры;

-оперативной визуализацией результатов корреляции и накопления ни дисплее и плоттере сейсмостанцн; ' -записью информации в цифровой форме на магнитный постель;

-использованием комбинированного суммирования прокорреДированных сигналов накопителями сечсмостанции и коррелятора.

Последнее техническое решение позволяет, помимо подавления нерегулярных помех, ослабить и корреляционные шумы, что особенно важно при преобразовании сигналов с полимодальными спектрами.

Схема реализации «ехнологии использования сигналов РБПИ при проведении обращенного ОСП с использованием разработанной аппаратуры, приведена на рис. I.

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

Вортиловская ГС заложена в 1989 году в пределах Пучеж - Катунской структуры, расположенной в центральной чисти Восточно-Европейской платформы. Сквахспна в интервалах глубин от 530 до 5300 м вскрывает породы фундамента Восточно-Европейской платформы. Бурение осуществлялось станком Ф-320Э с использованием забойного двигателя н ротора.

Медягинская ОС находится вблизи Ярославля в пределах Московской синеклнзы и вскрывает типичные герригенно-карбонатные породы чехла платформы.

Проектнз» глубина скважины - 2300 м., бурение ведётся серийным станком нефтяного ряда БУ-46 с использованием забойной машины А9.Отдельные интервалы ствола проходятся при помощи ротора.

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

• На каждом об'екте для определения основных элементов методики наблюдений выполнялись следующие работы:

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

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

3. Определялись параметры интерференционных систем приема.

4. Определялись параметры корреляционного приема - длительность регистрации и количество пакоплений прокоррелпрованного сигнала.

5. Выбирались системы наблюдений.

Рис. 1 Схема реализации технологии обращенного ВСП с использованием а качестве источника РЕПИ

1. Буровая

2. Вертлог

3. Бурильная колонна

4. РБПИ

5. Дневная поверхность

6. Сейсмические границы

7. Наземная расстановка сейсмоприемников

8. Датчик опорного сигнала

9. Регистрирующий комплекс

10. Обрабатывающий комплекс

11. Шок усиления и фильтрации входных данных

12. мультиплексор

13. Аналогово-цифровой преобразователь

14. Блок электронных кличей

15. Коррелятор

16. Накопитель сейсыостанцин

17. Цифровой магнитофон

18. Цифрово-аналоговый преоСра-аователь

19. Дисплей

20. Плоттер

21. Спецпроцессор ИСП-01

22. ЭВМ ЕС-1061 с пакетом обработки СЦС-3

С целые вменения оптимальной точки регистрзнни опорного сигнала было проведено большое число экспериментов, в результате которых выяснено, что при буренчи забойной машиной сигнал целесообразно снимать с ведущ-гй грубы (квадрата), ч при вращении колонны ротором -с вертлюге.

На основе анализа систем наблюдений для способа обращенного ВСГ1 при проведений рабст нд Воротиловской ГС, в связи со сложным строением разреза, была выбрнна многоуровневая система, позволяющая сочетать уроеневые и вертикальные наблюдение и получать достаточно детальную информацию о стрении исследуемого разреза.

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

1. Система наблюдений, реализующая многоуровневое ВСП, с. шагом пунктов приема на поверхности 50 м и шагом пуктов возбуждения в скважине 5 м, что позволяет уверенно прослеживать различные типы волн в ожидаемом частотном диапазоне как на уровневы», так н на всрпииньных сейсмограммах.

2. Расположение пунктов приема па поверхности - линейный профиль, проходящий через устье скважкмы.

3. Вынос пунктов приема от устья - 50 -400 м..

4. Прием колебаний осуществляется линейнымп последовательными группами из 16 сейсыолрнемхнхов с базой группирования 45 и.

•5. Репчгграцпя сигналов осуществляется комплектом аппаратуры ИСН-01-24 - коррелятор ИСН.

б. Корреляционное преобразование сигналов осуществляется в реальном масштабе времени с суммированием результатов пскопителем сейсмостания и визуализацией каждой суммы на дисплее для контроля качгства информации. Рекомендуемые параметры корреляционного приема: длительность регистрации - 15 - 40 секунд, количестао накоплений -5 - 64, опорный сигнал снимается с пертлюга.

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

Опробование разработанных элементов методики проводилось в 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 иа Медягинской 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 кореляциошюго приема: длительность регистрации -15 - 20 секунд, количество накоплений - 10 - 30, точка регистрации опорного енгнала при бурении забойной машиной -квадрат, при бурении ротором - вертлюг.

" 4. Система наблюдений • урознеьая с приемом колебаний на линейном профиле, проходящем через устье скважины, с шагом точек приема по профилю 50 метров н удалении от устья от 50 до 400 метров, •

Наблюдения по выбранной методике проводились в интервале 800 - 1200 метров при нескольких уровнях РБПИ. В результате был получен ряд сейсмограмм, на которых прослеживаются прямые и отраженные волны.

I ia основе результатов проведенных работ делается вывод о практической возможности рггис: рации на дневной поверхности сигналов, возбуждаемых РБПИ. - Глава 4- Обработка и оценка аостозсрности данных

Так как регистрируемый на диевой поверхности целевой сигнал являлся ,ю сути вибрационным, то при Подходе к выбору средств обработки данных не ставилась задача создания новой системы, а максимально использовались уже имеющиеся разработки,позволяющие сделать процесс обработка данных наиболее доступным.

В езязи с этим, обрабатывающий комплекс оказался разнесенным во времени it пространстве.

Фактически, первоначальная обработка сигналов (коррелиционос преобразование и накапливание) осуществляется в полевых условиях соответствующими блоками регистрирующего комплекса (рис.1).

Второй этап обработки, связанный с необходимостью перехода из формата записи станции (ESS) в формат записи, пригодный для обработки н& ЭВМ (COMMAND), осуществлялся на спецпроцессоре KCII-01.

Основная обработка результатов наблюдений выполнялась на ЭВМ ЕС с использованием программного обеспечения из стандартного пакета обработки данных сейсморазведки СЦС-3.

В процессе обработки на ЭВМ применялись различные процедуры, реализующие алгоритмы обработки.предложениые рядом иследоватслей (Рапопорт М.Б., Козлов Е.А., Табаков Г.Г., Гогонеиков Г.Н. и др.), и позволяющие позысить соотношение сигйал/по-мехл -режекторная фильтрация, обратная фильтрация, веерная режекторнаян пропускающая фильтрация, предсказывающая дсконволюция, когерентная фильтрация, в также процедуры суммирования и выравнивания уровня записи.

Для о&ределеннл кстинных времен прихода целевых волн при работе с источниками, удаленными ко значительное распитие отточки регистрации окорнош сигнала, необходима их корректировка, учитывающая время рапсространения сигнала по каналу связи. В связи с этим, на этапе обработки в исходные сейсмограммы вводились задержки, определяемые исходя из скорости распространения сигнала по БК и глубины источника.

Кроме того, в процессе обработки выявились следующие особенности:

1. Для многоуровневых систем наблюдения Hit этапе организации входного потока трасс необходимо формирование сразу двух типов профилен - по общему пункту возбуждения (ОПВ) и общему пункту приема (ОПП) с целью создания уровневых и вертикальных сейсмограмм, что поззоляет в дальнейшем проводить их совместную обработку и интерпретацию.

2. Для подавления помехи с частотой 50 Га, обусловленной интенсивными электрическими ¡шзодкамн, помимо применения специальных методических приемов па эт.ше регистрации, необходимо использование режектернон фильтрации на этапе обработки. Наиболее эффективным оказался алгоритм рекурсивной режскторной фильтрации.

Проьсдено сопоставление материалов полученных в результате экспериментального опробования разработанной технологии с данными других геолого-гсофизкчесхих исследований, проведенных на изучаемых об'ектах.

По данным, получении на Вораталовской ГС, сопоставление осуществлялось с материалами ВСГ1 и АК, и показало хорошее совпадение времен прихода падающих волн. Нерегулярный, сложный характер геологического строении разреза, вскрытого скважиной, и отсутствие устойчивых пакетов отраженных волн не дали основания для проиеде-иил сопоставления по этому типу волн.

Результаты экспериментов.выаолнешх на Медягинской ОС, хорошо согласуются с данными работ методом ОГТ, полученным» на профилях, проходящих через устье скважины, а также с геологическими данными. Наблюдается четкая взаимосвязь отражающих элементов, выделяемых по экспериментальным материалам, с геологическими об'ехтами.

Таким образом, проведенное сопоставление подтвердило достоверность полученной в результате опробования разработанной технологии информации и возможность ее использования для оператншого изучения сколоскважииого пространства. -

■ В коние главы формулируется третье защищаемое научное положение:

Аппаратурло-истодтсскин комплекс, включающий регистрирующую аппаратуру, позвэляющюю осуществлять коррелвщкишое прсобразоааши; в реальном времен»; слабых сигналов большой длительности н накапливать результаты корреляции, а также сг.сщциилыс элементы технологии палсаых наблюдений и выбранный граф цифре ьш! обработки, обеспечивает выделите целевых сигналов, возбуждаемых РБШ1, в широком дгшизоне пянолошчсских и геологических условий бурения. ■ - --Заключение

В итоге яьшолненых исследовании вперсые в отечественной практике обоснована, разработана п экспериментально опробования технология оперативного изучения около-скважшшого пространства на основе использования упругой энергии, излучаемой работающим буровым породоразрущающим инструментом.

В процессе разработки решены следующие основные вопросы:

1. Изучены состав н свойства упругого коля, возбуждаемого различными типами РБПИ з разнородных геологических условиях. Теоретически и экспериментально доказала возможность применения корреляционного преобразования для целевого использования поля РБПИ.

2. Обоснованы, разработаны н опробованы основные элементы технологии использования энергии РБПИ для решения геологических и технолотческих задач, связанных с бурением н исследованием глубоких скважин. >

а) В основу методики изучения охолоскважиыюго пространства положена система обращенных наблюдений БСП, позволяющая повысить производительность исследош.-

ний, • также об'емк качество получаемой информации, за счет применение маогохогаль • ных систем регистрации.

6} Рвзрабшан и изготовлен научно-методический образец регистрирующей аппаратуры, состоящий серийной сейсмосмнцчи ИСК- 01-24 и сопщшю разработанного коррелятора. Комплекс позволяет осуществлять корреляционное преобразившие в реши» ном времени слабых сигналов большой длительное*« н накалшвать результат корреляции.

в) Гео^стнческм и экспериментально обоснованы .элементы набл>оден14Й прк научении ск нажим, бурящчжя в осадочных и кристаллических городах.

3. Результаты применения разработан ио& технология изучения околоекгахшшого пространства сопоставлены с ддышми других геологи -геофизических методов (ВСП, АК, ОГТ), ■ результате чего ыдовержден* достовериисть полученной информации.

4. Разработанный и изготовленный аппаратурно-метвдический комплекс ваддреи » ГНПП "Недра" для приведения наблюдений ■ процессе бурения с целыо оперативного изучения окплосмашыимо ц»;фмюм.

Основные элементы техвологашзуче шя ахалоскважнниого пространства могут применяться с ислолвзооанием серийной сейсмической аппаратуры пша'Прогресс", что подтверждено экслеримсжидышми исследованием«, вшюлиешиш еовыесгм с ПНТ ВШШГеофизяка. .

Дальнейшее внедрение разработанной технолоши может ог-азттъея весьма перспективным для оперативного контроля за бурением глубоках и сверхглубоких схважнв.

Оснориые положения диссертации опубликованы • следующих работах

1. Методические рекомендация по взучешио соек-фа колебаний наземного бурового оборудования/ Певзнер СЛ. НПО "Недра", ХдмНИИКИГС,-Ярославль, 1991.-24 е. Рук. деч. в ВИНИТИ 23.09.91 N3760-891.

2. Левзнер С.Л. Вапаы-помехи ог работающего наземного оборудования буровой.//Разведка к охрзна недр,1991.-N8.-0.13-16.

3. Певзнер СЛ. О возможности реализации обращенного ВСП с использованием в качестве источника работающего породоразрушающего ннсгрумента//Сбор1Ш1: рефератов Международной геофизической конференции и высгашн по разведочной геофизике, 27-3! июля 1992 г., г.Москва,С.-522-523.

4. Предпосылки использования работающего бурового инструмента в качестве источника сейсмических сигналов./ Певзнер СЛ. НПО "Недра", КамНИИКИГС.-Ярос-лавль,199|.-«с.Рук.деп.вВИЭМС15.09.9Гы948-МГ91//Б.У.ВШШТИДепоа.шуча. работы,-199 [.-N4.-C.75.