CN1011920B - 非破坏性井下地震振动源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非破坏性的井下地震源，它能够单独地或组合地产生S_V-波，S_H-波和P-波，以确定关于周围地质结构的信息，本发明还包括在钻孔内进行地震测井工作的装置。

Description

本发明涉及井下地震源。特别，本发明涉及非破坏性的液压的井下地震源。

在钻一口井的过程中或钻完了一口井后，常常希望得到关于该钻井周围的结构的信息，在所钻的井进入或穿过含有碳氢化合物的结构的区域时，要求具有得到有关这些生产区的信息的技术。测井曲线图常常被用来决定诸如电阻率、电导率等参数，以及可用来导出油和产油结构的特性，给出该钻井周围环境的较清楚的图案的其它一些参数。

一种测量技术包括在地面地震源产生穿过该地质结构的地震波的同时，使用放入钻井下面的地震探测器，该地震探测器感受这些波，对由这些波所产生的记录进行随后的处理，提供钻井周围环境的较清楚的图案。然而，地壳的风化层使地震源的能量在到达钻井周围感兴趣的结构区域之前显著地减弱了。在风化层以下，在钻井内提供一个地震源并在离开一段距离的另外的钻井中放置地震探测器可以消除风化层的影响。

典型地，通过在钻井内用水泥固定一个套筒形成一口井的结构。在钻井中使用的任何源必须能够把所需量的能量传入将要在地面或者在邻近的钻井中检测的结构中。然而，能量的形式必须不产生能使套筒和水泥分离的剪切或压缩钻孔的应力。这种应力应小于推荐的在套管水泥界面上的最大剪切应力，它大约为20磅/平方英寸（Psi），这是由美国石油学会提出的（API，RP2A，1984年10月22日）。

图12与图13中比较了已知的破坏性井下源，即1.1磅（500克）的甘油炸药，40立方英寸（655立方厘米）的气枪和本发明的输出为4，000磅（18，000牛顿）的地震源之间在钻孔应力和有效能量上的区别。这些值适用于100赫兹附近，这频率处于常用的频带之间。这些图表明该地震振动源达到了高的有效能量而具有低的钻孔应力。由本发明的地震源产生的10Psi的钻孔应力只是根据美国石油学会标准（APT    RP2A1984年10月22日）推荐的在套管水泥界面上的最大允许剪切应力的一半。

当前，采用一种称为“垂直地震剖面”（VSP）的技术获得关于钻井周围结构内感兴趣的特殊区域的信息。典型地，这种技术要求在提供诸如甘油炸药那样的各种地面地震能源的同时在钻井内放入地震探测器，把地震能量传入结构中，被地震探测器接收。该地震探测器放在钻井中的指定深度处，一个地面地震能源放在地面上，把地震能量传入结构中，由地震探测器检测与记录。把地震探测器移到不同的深度，并重复此过程。把地面地震能源移到离钻不同距离的各种位置，并重复此过程。这种过程是极其费钱和费时的。这样重复地使用破坏性的地面源使得这种方法不宜用于人口稠密地区，并且不受土地所有者的欢迎。

如果能把一个非破坏性的地震源放入钻井中并使用逆VSP（RVSP）方法，可以节省大量时间与费用。RVSP方法需要在钻井中的一个源和在地面上的许多地震探测器，由地面上的地震探测器来检测地震源所产生的地震能量。由于大量的地震探测器可以相对于钻井放置成一个两维列阵，因而可以移动地震源，同时，保持地震探测器的位置不动，而不是要求同时移动地震源和地震探测器。

假定可以将一个非破坏性的地震源放在一个钻井中，而在分开一段距离的一个邻近的钻井中放置一个或多个地震探测器，由于源可以放在引起衰减的地壳风化层之下，所以可以使用生产井的井间层面照相的高级方法。

在研究陆下结构时，要求接收并分析许多不同类型的地震波，例如P-波，S_V-波，S_H-波。这 样，极其希望有一种仪器能够在一个钻井中非破坏性地产生一种或几种这样类型的波，由放在地面或一个邻近的钻井中的地震探测器接收以推断出关于结构的信息。还希望有一个能在风化层以下非破坏性地产生频率超过100赫兹的源，以进行井间层面照相和井间剖面图。目前不能用油井来实现相邻钻井之间的井间层面照相，是因为现在市售的井下地震源（诸如甘油炸药或空气枪）为得到可检测的地面地震波都是产生超过API标准规定的剪应力的脉冲力。用地面数据采集源（例如地震探测器）形成层面照相图象库的企图已经失败，其原因是风化层的衰减效应和高频滤波性质以及不恰当的源-接收器的结构。

我已经发明了一种非破坏性的井下地震源，它能够产生可检测的地震波，亦即，可被放在钻井本身内、地面上或一个邻近的钻井内的敏感装置所检测的波。该源可单独地或组合地产生P-波，S_V-波和S_H-波以完成RVSP，井间层面照相和其它为确定关于结构的信息的有用操作。通过用与井下振动器放在同一井内的接收器记录地震信号，该地震源还可以被用来记录井内的日常地震状况。该接收器应以夹紧的方式离开地震源一段距离但与地震源相连。在源与接收器之间有一个衰减隔离物，阻尼沿着含源与接收器的器具传播的振动。该非破坏性井下地震源最好不仅产生低频振动，还产生超过100赫兹直到500赫兹或更高的高频振动，随着所产生的地震波的频率增加，任何测量的分辨率也增加，因而可以分析结构中更细小的区域的性质，这将使生产工程师可以研究一种特殊的技术，使生产区之间的碳氢化合物的产量达到最大和/或延长生产区的寿命。另外，该地震源可以从仅约300磅（136公斤）的作用质量获得4000磅（18，000牛顿）的非破坏性输出力，这个功率在数量级上大于迄今存在的可用的井下振动源，诸如气动振动器，其它具有高振动功率输出的脉冲源会破坏钻井。

图1表示在钻井剖面图中的井下地震源的一个实施例。

图2表示在钻井中的井下地震源的又一个实施例。

图3表示在钻井中的由图2表示的井下地震源的顶视图。

图4表示在钻井剖面图中的井下地震源的又一个实施例。

图5表示图4表示的实施例的顶视图。

图6表示在钻井剖面图中的井下地震源的另一个实施例。

图7给出由图2表示的一个井下液压式地震源的力输出图。

图8说明井下地震源如何产生地震S_V-波和P-波。

图9说明由井下地震源产生的另一个地震波。

图10说明使用井下地震源的三维逆垂直地震剖面图;以及

图11说明使用井下地震源的井间层面照相。

图12是使用甘油炸药、空气枪和本发明的4，000磅地震源的井下源所产生的钻孔应力的比较图;以及

图13是比较使用甘油炸药、空气枪和本发明的振动源的井下源所产生的有效能量的比较图。

参照着附图可以更清楚地说明本发明的各种方法和装置的实施例，图1表示在一个被钻井500穿过的地球结构100内的井下地震源10。放入钻井500中的地震源10带有一根与一个适当的锚具28连结的缆绳29。

该地震源10包括一个与适当的夹具结合在一起的上体12，以保持该源可靠地放于钻井内预先确定的位置上，该夹具应产生足够的力在套管或钻井中固定源10，但不打破钻井、套管、套筒或破坏水泥，该夹具产生的力应该至少大于地震源运行状态下产生的力输出。通常比所产生的振动力大一倍，但在任何情况下要小于使套管或钻井套筒破裂或使水泥破坏所需要的力，源10中的一种适用的夹具表示为由板16连结在一起的液压活塞14a和14b组成的液压夹具，夹具工作期间，作为缆绳29的一部分的输液管道18由地面加压，强制活塞14a与14b从它们的套筒中伸出，使平板17顶住钻井500。

一个液压致动器装置22用任何适当的方式，诸如螺栓、焊接等与上体12相连接，在致动器装置22中的活塞26可以使平行于钻井与其相连的作用质量24运动，产生如图8所示的水平方向的S_V-波以及从垂直到接近垂直（离垂直0-45度）的P-波。所述方向（例如水平，垂直）适用于典型的垂直定向井。作用质量24产生地震波的运动 表示为1000。液压致动器22由通过管路20从地面来的高压流体所驱动。该质量的大小以及移动的距离是要求产生的地震波的振幅与频率的函数。

可以期望致动器22能够适于使与它相连的作用质量24在垂直于钻井的方向上运动，产生水平压缩的P-波（如图9所示）和从垂直到接近垂直（离垂直0-45度）的垂直剪切波（S_V-波）。在图9中以2000表示作用质量24产生地震波的运动。

装置10还可按另一方式运行以产生地震波，即通过对活塞14a和14b加压，使夹板16去顶钻井500，以扫频方式改变由活塞14a及14b所施加的力将产生水平压缩的P-波（如图9所示）和从垂直到接近垂直（离垂直0-45度）的垂直剪切波（S_V-波）。以2000表示活塞产生地震波的运动。虽然可以由夹板16撞击钻井500来产生地震波，但是，较好的方法是使板16始终以必需的力与钻井500相接触以保持该源于固定位置。然后，以脉冲的、定常的或振荡的方式通过板16对该钻井施加附加压力，以便在结构100中产生要求的地震波。自然，地震波2000的强度和幅度受不破坏钻井套管或结构的要求所限制。

图2与3表示另一种地震源30，源30包含一个壳体或主体32，它包括两个连在夹板36上的液压致动活塞34a和34b，使源30在钻井500内处于固定位置。在此实施例中，一个标为38的由电动机驱动的液压泵与活塞34a和34b相连，通过缆绳58中的电线54使得液压泵38中的阀门引起液压活塞34a及34b的运动，活塞34a和34b的运动强制夹具36与钻井500相接。可选Vicker′s    Inc，Jackson，Mississippi或Moog，Inc，Buffalo，New    York的适用的电动机和液压泵装置，能够在100°F下工作并在5gpm液体流量下产生5，000Psi压力的任何泵与电机的组合对本发明均是适用的。

主体32还包含一个运动检测装置50，它在电气上与地面联络，以便在运行期间能够测量钻井内的该装置的运动。用于钻井环境的标准加速度计与地震探测器适用于本申请。

与主体32的基础相连的是一个电子控制的液压致动器40，它能够通过在线性加速装置42中的液压驱动活塞44的运动使作用质量46运动。一个适于用作液压致动器线性加速装置组合的源是由Moog    Corporation，Buffalo，N.Y.所制造的。此致动器-加速装置组合可以把在很大范围内变化的频率传送给作用质量46，它们通过导线56送来的电信号由地面控制。导线54和56是缆绳58的电气部分，缆绳58具有足够的强度可在钻井500内放下和提升源30。缆绳58在缆绳锚具52处与源30相连。

作用质量46应该另外提供包含运动检测装置48（例如一个加速度计）的空间，以便为运行时产生的频率提供基线测量。

图3表示放在钻井中的源30的顶视图。主体32的边沿具有锯齿状或者雉堞状的部分32a和32b，以使对夹板36加压时主体32可靠地定位在钻井500内。夹板36也可以有锯齿形的表面36a，当夹板36接触钻井500时，锯齿36a，32a和32b产生很高的点力，从而消除或者大大减小滑动，有效地使该夹具成为一个机械刚性装置。

在图2中以30表示的实施例具有不要求从地面来的液压管道的附加好处，源30是由地面进行电力驱动的，并且有一个为使作用质量46往复运动和使夹具顶住钻井所必需的独立的液压功率源装置。此实施例避免了当源放在一个深井中而由地面提供液压功率，在长流体管道中遇到的十分严重的压力损失。缩短流体管道，即，使仪器成为独立的，避免了在长流体管道中发生的液体摩擦损失，并且可以以更高频率使作用质量46往复运动和使板36运动，以产生更高频率的更大的力，具有来自地面的流体管道的示于图1的实施例对于浅的应用场合是更方便的。

对于图2和图3描述的装置，图7中给出了作用质量为25磅（11公斤）和75磅（34公斤）时的作用力频率范围。这些曲线代表了作用质量平行于钻井500的振动，它产生图2中由运动1000所表示的S波。

图4和图5说明本发明的一个较佳实施例。该井下地震源被标为60。源60有一个带有四个夹板66a，66b，66c和66d的主体62，它们对称地径向分布在该源的外面，平板66a-d通过活塞64a-h与钻井500紧紧相接，从而形成一个把源60可靠地夹紧在钻井500内的装置。该夹紧装置可以把来自源60的地震S_V波，S_H波和径向的P-波传入该结构。在一个较佳的脉动模式中，活塞 64a-h可以同时径向脉动，改变加于钻井500上的力，产生地震波并传入该结构中。当然，如果证明在三角形对心上有优点，源60最好可以设计为仅有三个夹板。此装置的一个优点是可以通过全向型板对该结构施加振荡形的力来产生径向地震波，避免单向地震波产生时的问题，具有一个或几个夹板的该装置可以用来实现本发明的方法。

该装置的功能如下，从地面来的信号通过缆绳58送到电动机67，电动机67使液压泵68工作，伺服控制阀69（伺服阀）通过液压管道72和活塞致动器阀门74来推动活塞64a-h。活塞致动器阀门74还控制活塞64a-h的作用，通过反向的各对活塞的脉动来产生径向地震波。伺服阀69将流体引向与作用质量73相连的垂直致动器70或者转动致动器71。一个运动检测装置50（例如一个加速度计）监测地震源60的输出。该电动机和该液压泵组合的适用来源包括Reda    pump，Bartlesville，Oklahoma和Vickers，Inc.由Moog，Inc提供的伺服阀和带有液压活塞的致动器是合用的。

井下地震源60还包含运动检测装置79，它由可扩展的保护罩78固定于钻井壁500。适用的检测装置79包括为检测钻井壁500的振动而设计的地震探测器和加速度计。检测装置79通过一个隔声装置75与地震源的其它部分隔离开来，但由电线76与装置60相连。电线76的终端在组件77中，它包含检测装置79的电气部分。可扩展的保护罩78的一个合适的来源是得克萨斯州休斯敦的Baker    Tool。

在地震源60中的另一个运动检测装置50并不与该装置地震源发生部分相隔离。比较来自被隔离的检测装置79的信号和来自没隔离的装置50的信号，可以得到关于夹具的有效性以及能量传入该结构的信息。电子组件77接收来自地面的指令信号，并控制地震源的各个部件。该电子组件还接收来自运动检测装置79和50的信号，并将它们传送到地面，最好用声频隔离装置75把电子组件77与致动器的振动隔离开来，以避免震坏灵敏的电子仪表。将电子组件77安放在保护罩78和运动检测装置79的下面可以达到进一步的防震作用。

在这一较佳实施例中，源60是用一个与上面实施例中的夹具不同的独立的夹具来固定位置的。分成不同的部分来分别完成产生地震源和夹具的功能，可以更可靠地把地震源60卡紧在钻井500内，使得产生地震波时地震源60没有产生滑动的潜在危险。在夹具的主体部分80内有一个与液压驱动双向活塞81相连的传动楔82，通过82的金属对金属的接触产生可靠的卡紧动作，当传动楔82向下运动时，它强制楔子83a和83b与钻井500接触;当传动楔82向上移动时，它使楔子83a及b与钻井500脱离接触。传动楔82与接触楔83a和83b之间金属对金属的接触比在活塞气缸中流体运动产生更为可靠的卡紧动作。接触楔83a和83b上还可以装有弹簧，以便当钻井500中的源60不可靠时缩回到源60内（例如，在工具电时这是有好处的）。当然，在任何其它的实施例中，若要求更为可靠的卡紧动作，均可采用这种楔子卡紧装置。

图4中的楔子卡紧设计特别适用于致动器垂直定向情况下，致动器的振动运动方向和夹具致动器相同的工况，夹具致动器的充满液体的活塞起着振动吸收器的作用，它破坏或吸收原应传入该结构的振动能量。一个诸如液压活塞81或机械螺旋（没有画出）的驱动机构用来驱动平行于钻孔500的传动楔82，传动楔82又推动接触楔83a和83b，楔83a和83b与传动楔82楔形接合，向外与钻井500相接触。这样的楔子卡紧设计不依赖于振动运动方向上的液体压力，因而使该工具更可靠。

该较佳实施例按如下方法工作。本发明的装置60将能够每次一种地发生径向的、扭转的，或垂直的力，作用质量73既作为垂直伺服致动器70的，又作为转动（扭转）伺服致动器71的负载，为了满足尺寸上的限制，作用质量可用重金属，例如Kennertium^（R）来制造。一个由Kennertium^（R）制作的300磅（136公斤）的作用质量大约是直径3.5英寸（9厘米），长45英寸（114厘米）的圆柱体。工作时，在质量73上面的垂直伺服致动器70轴向地上下驱动质量73。用来驱动质量73的力通过装置壳体62、夹具64/66，反作用于钻井壁500。同一个作用质量73与转动伺服致动器71相连。工作时，转动伺服致动器71扭转地驱动作用质量73。

径向力最好由独立的作用质量来产生。同步工 作和直接作用在井筒壁上的一些线性伺服致动器产生径向力。这些致动器安放在上述质量的下面，它们径向地动作，并且互相对称地分开安置。如图5所示，四个夹具64/66互相公开90°地安放。三夹具方案（没有画出）时夹具应互相分开120°地安放。这样定位可以提供多方向力的输出。

产生力的每个轴需要适当的电子装置来驱动相应的伺服阀和提供控制那个轴的闭环伺服致动器。垂直伺服致动器是一个位置控制伺服系统。一个装在作用质量底部的线性可变位移传感器（LVDT位置传感器）给出该轴伺服控制系统的质量位置反馈。一个加在垂直伺服致动器上的正弦形位置指令将使得质量的位置、速度和加速度波形也是正弦形的。

转动伺服致动器也是一个位置控制伺服系统。一个装在作用质量底部的转动LVDT位置传感器给出该转动伺服致动器的角位置反馈。在绕该转动轴往复运动之前，在垂直位置回路上加一个恒定的位置指令，使上述质量处于某个轴端停止位的额定位置上，这样，加在转动伺服致动器上的正弦形角位置指令将使得质量的角位置、速度和加速度波形也是正弦形的。该正弦形的加速度通过夹具装置反作用于井筒的壁上，其力矩等于该质量的转动惯量和该角加速度的乘积。

径向伺服致动器是一个压力控制伺服系统，一个独立的三路操作方式的伺服阀驱动三个致动器的每一个的控制阀。一个用于检测这个共同的控制压力的压力传感器给出径向伺服致动器的压力反馈。在沿径向轴往复运动之前，施加一个额定的压力指令，使径向致动器通过衬垫压紧在井筒壁上。一个叠加在该额定负载指令信号上的正弦形压力指令信号使一个正弦形变化的力径向地施加在井筒壁上。每一个致动器衬垫上的力等于控制压力和每个致动器的净面积的乘积。利用制动弹簧，径向致动器可以缩回到每个衬垫的中心处。对每一正弦形的位置指令信号，质量的位置为X_mSin（ωt），X_m是质量位移的峰值，ω是振动的角频率。该质量的速度为X_mωcos（ωt）。该质量的加速度为-X_mω²sin（ωt）。所以，最后输出的力是

F＝mX_mω²sin（ωt）

通过限制脉动量、压力源、伺服阀流量和伺服阀动态特性，对作为频率之函数的最大输出力加以限制。

如前所述，转动轴力矩（力）发生器使用一个位置伺服系统，对于正弦开的角位置指令信号，该质量的角位置将是θ_msin（ωt）。θ_m是质量角位移的峰值，ω是振动的角频率。该质量的角速度是θ_mωcos（ωt），该质量的角加速度是-θ_mω²sin（ωt）。所以，最后输出的力矩是

T＝Jθ_mω²sin（ωt）

其中J是作用质量关于垂直轴的转动惯量。最后在筒壁上的扭转力是

F＝T/r

其中r是井筒壁的内径。

通过限制脉动量、压力源、伺服阀流量和伺服阀动态特性，对作为频率的函数的最大输出力矩（力）加以限制。

如前所述，径向力发生器是一个压力控制伺服系统。一个额定的静态压力指令信号产生一个对所有三个致动器共同的控制压力（P_O）。附加于此额定指令上的正弦形压力指令信号给出共同的输出压力P_O+P_Csin（ωt）。P_C是输出压力对于额定值（P_O）的变化量的峰值，ω是振动的角频率。所以，在三个径向致动器的各自的板和筒壁界面处的力是

F＝P_OA+P_CAsin（ωt），

其中A是每个径向致动器的净面积。

通过限制压力源、伺服阀流量和伺服阀动态特性，对作为频率的函数的最大径向输出力加以限制。径向力是真正直接传向筒壁的，它不依赖于力通过夹具装置传递的途径。

可以期望本发明的致动器能够产生1000到18，000牛顿（220到4000磅）甚至更高的力。对于许多应用而言，较佳的功率水平是4000到18000牛顿，而对于诸如深的VSP测定这种要求高功率的应用场合，较佳的功率范围是12000到18000牛顿。产生大于18000牛顿的力将对套筒水泥发生近于最大允许的应力。在所有情况下，特别是当产生近于18000牛顿或更高的力时，应该检查水泥的工作情况，以保证不毁坏水泥。

图6说明非破坏性井下地震源90的又一个实施例。地震源90包含一个壳体91，91包括一个通过液压活塞92a和92b与结构100中的钻井500卡紧的夹具（92a和b以及93）。液压泵88对活塞92a及92b和伺服阀95提供功率，伺服阀95 通过活塞96使作用质量97振动，形成S_H-波，活塞96产生S_H-波的扭转运动标为3000。

当然，上述任一个产生S_V-波，径向P-波，S_H-波和P-波的实施例可以和各种实施例一起使用，以满足井下液压源所需的特殊应用。

图8以图形形象地说明本发明的井下源30（诸如图1中的源10，图2中的源30，图4中的源60，或图6中的源90）在钻井中产生地震波的工作情况，带有缆绳300的测井卡车200通过一个适当的钻塔400把源30吊装入钻井500。形象的图形说明表示出作用质量在钻井中作标为1000的往复运动时，所产生的径向S_V-波和P-波分量。该作用质量的运动产生S_V-波和一个较弱的P-波分量。

图9以图形形象地说明本发明的井下源30（诸如图1中的源10，图2中的源30，图4中的源60，或图6中的源90）在运动以产生水平方向的主体P-波（相对于垂直钻井）时，所产生的P-波和S-波分量。由源30所产生的反作用力垂直于钻井。该运动在图9中被标为2000。这里的水平P-波分量比图8中的明显增大了。

图10形象地给出了使用本发明的井下源30（诸如图1中的源10，图2中的源30，图4中的源60，或图6中的源90）进行RVSP运行时的三维截面图。通过使用井下地震源30产生地震波，以及使用表示为一串地震探测器650a-d的与记录用卡车600相连的许多地面地震探测器675，RSVP可以容易且快速地完成，并得到比SVP更有利的结果。测井卡车200放下地震源30，该地震源工作时产生感兴趣的地震波，亦即S_V-波，P-波或S_H-波，同时地震探测器记录直接的与反射的地震波（1000/2000）。因为不必把精巧的地震探测器放入钻井环境中，并且可以使用地面地震探测器的庞大列阵，所为可以比VSP更快且更有效地做出该结构的剖面。

图11说明利用本发明的井下地震源30（诸如图1中的源10，图2中的源30，图4中的源60，或图6中的源90）完成井间的层面照相，在井间层面照相中，包含钻井500a的第一口井400a包括至少一个或多个地震源，例如30，产生要求的地震波，亦即S_V-波，S_H-波，或P-波，并将这些波传入该结构中，传向至少一个包含钻井500b的接收井400b。

井400b含有悬挂在里面但与地面上适当的记录用卡车（没有画出）相连的地震探测器650a-n。当地震源或者说在井400a中的源30产生地震波时，这些波由钻井400b中的接收器650a-n所记录，并产生一幅在井400a和400b之间的地质结构的地震图。因为风化层通常使地面上产生的地震波严重衰减，所以使得地面的层间照相不能在频率大于约100赫兹的情况下进行。当然，频率越低，读数精度越差，因为这时地震波的波长越长，分辨率越低。使用井下地震源能够产生高频的，亦即大于100赫兹的地震波来提高分辨率，因而可以识别给定结构中越来越小的异常区域。这对生产区域相当小的应用情况是极其有价值的，它们难于得到这样的信息。

利用液压泵和致动器产生的力输出是用已有的气动致动器的力输出的100倍，是用已有的电磁致动器的力输出的20-40倍。液压致动器的频率输出在10赫兹到1500赫兹之间，气动振动器的最大频率约为100-200赫。这一频率输出的差异是由于气体与液体在刚性上有巨大差异。

图1中所示的运动检测装置78还使本发明可以当作一个井下地震探测工具来使用。由致动器30所产生的地震振动传入结构100中，它们被折射或反射回来，并由检测装置78所检测。分析所检测到的信号，可以导出关于钻井周围结构的信息。大多数地面地震记录在10赫兹到200赫兹的范围内。本发明的井下振动器可以产生与地面地震源记录到的同样频率的地震信号。在使用和地面产生的地震数据相同的频率时，由本发明得到的测井数据比起在更高频率下工作的已有探测工具所得到的测井数据，更相符于地面产生的地震数据。因为具有更大的功率输出能力，本发明和已有的工具相比，还具有更强的波穿透能力。

对运动传感器78而言，用三个分地震探测器更好。虽然图4只给出了一个运动传感器组件（76和78），但是可以设想有一串独立的栓在一起的传感器组件。每一个传感器组件对于其它传感器组件和地震源壳体32都是声频隔离的。

参考使用井下地震源的具体的较佳方法和井下 液压地震振动源的具体的较佳实施例叙述了本发明。对本领域中一般技术人员来说是显然的修改，都认为属于本发明的范围内。

Claims (21)

1、一种井下地震源，包括

一个壳体；

一个在该壳体内并与其相连的作用质量；

把该壳体夹紧在钻井内一个预定的固定位置上的装置；

使所述作用质量平行于或垂直于钻井轴线运动的液压装置，它能够产生由下述关系式给出的力输出

F=mX_mω²Sin(ωt)，

这里F是力输出，m是大约5-500磅的作用质量，X_m是质量位移的峰，ω是振动的角频率，t是时间，所述力输出取决于所述作用质量的大小并且至少是500牛顿；

使所述作用质量绕平行于钻井的轴扭转运动的液压装置，它能够产生由下述关系式给出的力输出

F=J·θ_mω²Sin(ωt)/r

这里F是力输出，J是作用质量关于它的垂直轴的转动惯量，所述作用质量的总质量大约5-500磅，θ_m是质量角位移的峰值，ω是振动的角频率，t是时间，r是钻井的内径，所述力输出取决于所述作用质量的总质量并且至少是500牛顿力；

所述液压装置使所述作用质量运动，产生至少一个具有在约10-1500赫芝预定频率的可检测的非破坏性地震波，所述液压装置与所述壳体相连以使力输出通过壳体和夹紧装置从作用质量作用到钻井中，对所述钻井的最大剪切应力取决于所述输出并且在大约0-80Psi范围内。

2、根据权利要求1的井下地震源，其中用液压产生地震波的装置是一个能够产生大约12，000到18，000牛顿力的液压致动器。

3、根据权利要求1的井下地震源，其中该源从0赫兹到大约10赫兹至1500赫之间的一个频率扫频地产生地震波。

4、根据权利要求1的井下地震源，其中该源从10赫兹到1500赫兹之间的一个频率下降到0赫兹扫频地产生地震波。

5、根据权利要求1的井下地震源，其中所说的作用质量具有一个连在其上的运动检测装置。

6、根据权利要求1的井下地震源，其中所说的用液压产生地震波的装置是一个转动式致动器。

7、根据权利要求1的井下地震源，其中所说的夹紧装置通过按预定的频率改变施加在钻井上的夹紧力能够产生至少一种地震波。

8、根据权利要求7的井下地震源，其中改变夹紧力的力输出由下述关系式给出

F＝P_OA+P_CASin（ωt）

其中F是力输出，P_O是额定压力，A是与钻井接触的每一个液压致动器的净面积，P_C是输出压力偏离P_O的峰值，ω是振动的角频率，t是时间。

9、根据权利要求7的井下地震源，其中该地震波具有的最大频率大约在10赫到1500赫之间。

10、根据权利要求7的井下地震源，其中该地震波可以从0赫兹直到大约10赫兹到1500赫兹之间的一个频率扫频地产生。

11、根据权利要求7的井下地震源，其中该地震波可以从大约10赫兹到1500赫兹之间的一个频率下降到0赫兹扫频地产生。

12、根据权利要求1的井下地震源，其中所说的夹紧装置用下述方法能在一个结构中产生至少一种地震波：

（1）施加

（a）一个较小的夹紧力，它至少等于为保持该源于固定位置所需的夹紧力，以及

（b）一个比上述较小夹紧力大一些的夹紧力;

（2）在上述两个夹紧力之间以预定频率改变夹紧力。

13、根据权利要求1的井下地震源，其中用液压产生地震波的装置包含：

一个为在平行于钻井方向上使该作用质量运动的液压致动器，以及

一个用于绕平行于钻井的轴使该作用质量扭转地运动的液压致动器。

14、根据权利要求13的井下地震源，其中所说的夹紧装置通过按预定频率改变施加在钻井上的夹紧力能够产生至少一种地震波。

15、根据权利要求1的井下地震源，进一步包含至少一个运动检测装置，所说的运动检测装置与上述致动器是声频隔离的，并且能够独立地与钻井相连。

16、根据权利要求15的井下地震源，其中所说的运动检测装置可以从地震探测器，加速度计和它们的组合中选择。

17、根据权利要求1的井下地震源，进一步包括一个与上述壳体相连的不隔离的运动检测装置。

18、根据权利要求17的井下地震源，其中所说的运动检测装置可以从地震探测器，加速度计和它们的组合中选择。

19、根据权利要求15的井下地震源，进一步包括一个不隔离的运动检测装置，该不隔离的运动检测装置与上述致动器是声频耦合的。

20、根据权利要求19的井下地震源，其中所说的运动检测装置可以从地震探测器，加速度计和它们的组合中选择。

21、根据权利要求1的井下地震源，其中所说的用于夹紧的装置包括可以从一个液压夹，二个液压夹，三个液压夹或四个液压夹中选择的夹紧装置，这里所说的夹从上述壳体上径向地向外伸出。

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