[科普中国]-随钻地震技术

在钻井作业中利用地震波传感器对常规地震震源（如气枪、可控震源或炸药震源）或非常规震源（钻头振动）产生的地震波信号进行记录并获取VSP或逆VSP数据的技术被称为随钻地震技术。

释义在钻井作业中利用地震波传感器对常规地震震源（如气枪、可控震源或炸药震源）或非常规震源（钻头振动）产生的地震波信号进行记录并获取VSP或逆VSP数据的技术被称为随钻地震技术。1

发展概况涉及术语广义的随钻地震包括了钻头随钻地震（Drill-Bit SWD，DB-SWD）和随钻垂直地震剖面（VSP While Drilling，VSP-WD）。钻头随钻地震（DB-SWD）利用钻头破岩振动作为震源，在地面布置改造过的地震检波器进行记录，大部分文献中提到SWD就是指DB-SWD。由于其观测系统几何形式与常规VSP互逆并且基于互等原理（Reciprocity principle），DB-SWD又被称为Reverse VSP或Reciprocal VSP（R-VSP）。应用该技术的商业化产品有Western Atlas公司的TOMEXTM系统以及IFP-France的TRAFORTM系统。随钻VSP采用的是常规VSP的观测系统，它利用炸药、气枪等地面常规震源，利用集成于井下随钻工具上的地震波传感器进行记录来获取VSP数据，该技术也被归为随钻地震，又被称为随钻地震测量（Seismic Measurement While Drilling，SMWD），Schlumberger是该技术的倡导者，其Seismic Vision TM产品就是基于该技术发展起来的。

发展历程利用钻头振动作为震源信号来研究地下信息的设想要追溯到1930年。初始构想来自钢丝绳冲击钻产生的脉冲信号，这种方式获取的波形数据处理起来相对简单，但当旋转钻井技术普及后，该技术就不再发展了。

1968年，IFP（Institut Françaisdu Pétrole）的地质学家M.Chapuis开始利用钻头的振动信号作为震源，他发现近钻头地层中“地层越坚硬，振动信号越强烈”，于是在井架附近的地面用地震波信号来采集这些信号。

1972年，Elf-Aquitaine的JeanLutz联合钻井工程、地球物理专家，开始通过在钻柱顶部安装加速度计，来测量通过钻柱传输的振动。

80年代初，Elf-Aquitaine与CGG的地球物理学家认识到钻柱顶部的加速度计接收到的连续信号与地表检波器接收到的信号是类似的，只是传播路径的速度不同，即两道信号存在时移，通过互相关运算，可以得到该时移量。1985年Elf申请了此项技术的专利。

1986年Western-Atlas发表了一口油井利用TOMEXTM技术的测量结果，但很快多个地震服务承包商就发现TOMEXTM技术得到的结果并不理想：比如当使用PDC钻头时无法获得满意数据，即使在理想条件下（比如在中硬地层、钻头牙齿足够长、合适的钻井参数、简单井眼轨迹的情况下）使用牙轮钻头也不一定能得到理想的结果。

90年代初，IFP测试了新的TRAFORTM系统，该系统是由IFP钻井部的机械工程师与电子工程师设计的，可以利用埋设导线的钻杆进行有线连接，实时传输数据，以便实时分析钻井过程中的井下振动，提高钻井作业的安全性。

1997年，为了突破DB-SWD的局限性，Schlumberger开始对利用随钻VSP对钻头前方预测的研究，并对“钻柱集成检波器、地面设置震源”这一方案的可行性进行了研究，于1998年完成了实验样机的测试，并取得了较好效果。1999年，BP开始与Schlumberger合作进行研发随钻VSP产品，对改进样机进行测试并获得成功。此后，Schlumberger公司加大研发力度，并加强了野外实验，推出了名为SeismicMWDTM的随钻VSP测量系统，经过改进发展成现在的SeismicVisionTM。该系统包括：集成了地震波传感器的LWD工具、地表震源以及用来向地面传输信息的MWD系统。

近年来TEMPRESS公司引入了一种名为SweptImpulseTool（SIT）的扫频脉冲震击震源，克服了钻头随钻地震应用中震源强度不足等问题，使得利用PDC钻头进行斜井随钻地震探测成为可能。

国内，韩继勇等对钻头随钻地震的原理、功能、系统组成等进行了介绍。

张绍槐等对钻头随钻地震技术中的原理、处理方法等关键内容进行了理论研究及数值模拟，对钻头随钻地震与随钻录井、随钻测井的集成与发展方向进行了探讨，1996年在江汉油田范3井2250m左右井段上，获得了有效实测信号，并对其进行特征分析。

杨进等给出了利用SWD采集数据进行地层压力计算的理论模型，通过对南中国海域某试验井SWD采集信息的处理和分析，阐述了预测地层孔隙压力和确定技术套管的下入深度的方法。

朱键等研究了钻头随钻地震数据与垂直地震剖面（VSP）数据的关系，给出了适用于SWD的波动理论模型，提出了一种可用于钻头前方预测的波阻抗反演方法。

罗斌等通过对钻头随钻地震中的直达波、反射波旅行时的计算研究了其空间传播特性，讨论了干扰波的分离和衰减方法。

杨微等利用高灵敏度流动数字地震仪连续检测钻井过程中的钻头振动信号，现场试验获得了高信噪比信号。

王鹏等在Seismod地震波场模拟软件和Matlab信号分析软件的基础上，利用交错网格高阶有限差分求解钻头随钻地震的黏弹性介质地震波动方程，对SWD波场传播、直达波与反射波时距曲线特征、数据处理方法等进行了数值实验。

2005年起中石化胜利钻井院与国家地震局地球物理研究所、胜利物探公司、郑州物探局等单位对随钻地震技术开展联合攻关，2007年该研究被列入863十一五重点攻关项目，目前在系统构建、仪器研制及信号处理方面取得了重要进展，通过现场实验获取了大量基础数据。

李兴龙等根据钻头随钻地震信号记录和地层相关资料建立模型，利用时间序列建模方法，对待钻地层的地层压力、流体性质、岩性等性质的识别方法进行了说明。2

主要随钻地震技术及其应用钻头随钻地震钻头随钻地震系统由以下部分组成：置于地面的地震检波器；置于方钻杆上方的参考信号传感器；用来控制系统、处理数据的工作站。其工作原理是：（1）利用牙轮钻头破岩时产生的振动能量作为震源（旋转牙轮钻头可以看作P波偶极源）。（2）利用地面地震检波器记录经过地层传播的地震波信号。检波器被埋入地面浅孔中以确保与地面间的耦合，提高数据质量。在垂直钻井中，检波器从井眼开始以辐射状布置，偏移距范围一般在200~300m；在斜井与定向井中，检波器被置于井眼轨迹上方。利用安装在顶驱装置上的加速度计来记录经钻柱传播的参考信号（钻杆的轴向振动）。（3）利用钻头直达波可以获得时深转换信息，利用时深转换信息可以将时间域的地面地震剖面转化到深度域，并用于实时更新速度模型。（4）反射波波场数据经过处理可用于钻头前方地层深度预测与成像。当与地面地震剖面联合使用时，可增加成像结果的可靠性，其数据处理方法与常规VSP数据相同。

水力脉冲震击器工具作为震源的随钻地震Tempress Technologies公司研发了一种安装在钻头上方的扫频水力脉冲震击器（Swept Impulse Tool，SIT），该工具可在钻头处产生强大的负压脉冲（Suction Pulses），其高速流道中安装有自驱动分流阀，可将流道中的泥浆流迅速切断从而产生脉冲震击，并造成钻头工作面的局部欠平衡钻井条件，不仅可以提高破岩效率，还可以替代钻头作为震源用于随钻地震。该技术克服了钻头随钻地震的一些局限性，特别是在软地层、斜井\水平井及采用PDC钻头等情况下，可作为震源产生足够能量。其震源强度与流速、泥浆密度的平方根成正比，与流道面积成反比，可以通过改变分流阀流道面积及长度来改变脉冲强度。多项测试表明，采用水力脉冲震击器作为震源，可以从超过830m深度将信号传回地面，其输出脉冲的频率范围为11~19Hz，工作原理与可控震源原理类似。破岩时该工具可同时产生压缩波（P波）和剪切波（S波），当钻头离开工作面后就不再产生剪切波，因此可以根据需要选择P波或S波对孔隙油藏进行探测成像。

随钻VSPVSP-SWD Schlumberger是该技术的倡导者，其随钻VSP技术又被称为钻地震测量（Seismic Measurement While Drilling，SMWD）技术。随钻VSP的观测系统与常规VSP类似：在地面设置震源，利用井下检波器记录P波或S波；数据处理后主要结果包括：时深转换关系、地层速度、反射界面深度位置以及结合测井信息得到的合成地震图。与前面两种在地面采集的随钻地震技术相比，随钻VSP的优势是能够在低噪音环境下记录地震波信号，采集的数据可直接进行标准VSP处理。

系统构成：（1）震源：在海上作业时为气枪，陆上作业时为炸药、可控震源或泥枪。（2）井下随钻工具：包括高灵敏度信号接收器（检波器）、处理器与存储器。随钻VSP使用的检波器及震源与电缆VSP几乎完全相同，主要区别在于井下测量工具与地面没有电缆相连，检波器安装于井下钻具组合上来接收地面震源释放的能量。存储器可以存储大量VSP数据，处理器需具备自动提取初值波时间的功能。（3）用于信号传输的MWD系统：将关键实时分析结果（校验炮时间、质量控制因子等）上传至地面。（4）基于GPS的地震导航系统：在进行诸如垂直入射VSP或含偏移距VSP的数据采集时，需要用GPS对震源进行动态定位。（5）地面软件系统：处理显示现场数据。

工作原理：在工具下井进行数据采集之前，首先需要对工具进行设置（包括启动时间、记录时间、启动深度等）。当工具到达预定深度，便可在连接钻杆过程中激发震源并记录数据，因为此时泥浆循环暂停、钻柱静止不动，采集数据的信噪比高。3

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院