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张梦柯：钻头随钻地震技术综述

时间：2023-06-03 来源：浏览：

张梦柯：钻头随钻地震技术综述

张梦柯勘探与开发

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摘　要 　钻头随钻地震技术是利用钻井过程中钻头冲击地层产生的振动作为震源的井中勘探技术。它凭借不中断钻井作业这一特点，可以实现连续的逆垂直地震剖面（ＲｅｖｅｒｓｅＶｅｒｔｉｃａｌＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏｆｉｌｅ，ＲＶＳＰ）测量，以达到 实时监测钻头位置、预测钻头前方地层地质参数、前瞻成像等目的 。钻头随钻地震的本质是ＲＶＳＰ技术，因此本文通过常规ＲＶＳＰ技术引出钻头随钻地震，对钻头随钻地震的基本原理、采集技术和处理技术的优化进行重点介绍，并简单介绍部分应用实例。最后结合钻头随钻地震的优势和局限对其未来的发展方向做出展望。

关键词 　随钻地震技术；ＲＶＳＰ技术；实时监测；钻头震源；前瞻成像

０　引　言

垂直地震剖面（ＶｅｒｔｉｃａｌＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏｆｉｌｅ，ＶＳＰ）技术和逆垂直地震剖面（ＲｅｖｅｒｓｅＶｅｒｔｉｃａｌＳｅｉｓｍｉｃＰｒｏｆｉｌｅ，ＲＶＳＰ）技术是有效的井中勘探技术。但无论是ＶＳＰ技术还是常规ＲＶＳＰ技术，为获取井旁地震资料，在采集时都需要中断钻井过程．

这种观测方式带来的滞后性使得人们不能实时了解井筒周围和钻头前方的地层情况，更无法实时掌握钻头与目的层的相对位置．然而地下地层结构未知且复杂，在不了解地层信息的情况下进行钻进，可能会使钻探轨迹完全偏离目标层，影响勘探效益．严重情况下还会发生井下事故，甚至造成人员伤亡．因此，如何在持续钻探的同时，实时掌握地下地层的各项地质参数，了解钻头与目标层的相对位置关系等就显得尤为重要．

为了保证钻井作业更加安全、有效、低成本地进行，地球物理工作者提出了随钻地震技术，即在不中断钻井作业的情况下进行井中地震勘探．石油技术杂志（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪＰＴ）曾针对随钻地震技术对２５０名美国石油工程师协会（ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＳＰＥ）成员进行调研，得到的结论是随钻地震技术具有跨越性的意义，其主要

具备以下优点：（１）可将随钻地震资料与地面地震资料联合解释，并使地面地震数据进行精确的时深转换；（２）使钻井工作更加安全；（３）地质导向优化井筒布置；（４）实时前瞻成像．

广义的随钻地震技术包括钻头随钻地震（ＤｒｉｌｌＢｉｔＳｅｉｓｍｉｃＷｈｉｌｅＤｒｉｌｌｉｎｇ，ＤＢＳＷＤ）和随钻垂直地震剖面（ＶＳＰＷｈｉｌｅＤｒｉｌｌｉｎｇ，ＶＳＰＷＤ）．钻头随钻地震（ＤＢＳＷＤ）是利用钻井过程中钻头冲击地层产生的振动作为震源，从而获取ＲＶＳＰ资料的井中地震技术．随钻垂直地震剖面（ＶＳＰＷＤ）是采用炸药等常规陆地震源在地表激发，利用集成于井下随井工具上的检波器获取ＶＳＰ资料的井中地震技术．

钻头随钻地震设想的提出时间远早于随钻垂直地震剖面．Ｗｅａｔｈｅｒｂｙ（１９３６）开创性地提出利用顿钻产生的冲击信号作为震源进行ＲＶＳＰ观测，对地下地质情况进行成像．但受配套采集设备和处理技术的限制，并未得到发展．２０世纪６０年代，随着相关钻井仪器、采集和处理技术的发展，钻头震源这一概念得到了进一步研究（Ｇｕｙ，１９６１；Ｄｅｉｌｙｅｔａｌ．，１９６８）．国外学者提出了利用钻头信号解释岩层属性（Ｌｕｔｚｅｔａｌ．，１９７２）、连续定位钻头位置（Ｂａｉｌｅｙ，１９７４）、进行地层成像（Ｋａｔｚ，１９８４）等一系列切实可行的方法．在前人研究的基础之上，Ｓｔａｒｏｎ等（１９８８）提出了钻头随钻地震的成熟思想，即利用在钻柱顶部附近记录下来的钻头振动作为一种相干可控震源技术来获取钻头随钻地震剖面．这种方法需同时利用钻柱顶端附近的传感器和地面检波器接收钻头信号，并将两者同一深度范围内的信号进行互相关等处理，得到ＲＶＳＰ资料．在Ｒｅｃｔｏｒ等（１９９０）证实利用牙轮钻头可以获取高质量的钻头随钻地震资料后，ＷｅｓｔｅｒｎＡｔｌａｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ公司在１９９１年研制出了第一套随钻地震系统 ＴＯＭＥＸ系统．随后Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ、ＥＮＩＡＧＩＰ、ＯＧＳ以及ＩＦＰ等公司也陆续研发了随钻地震系统．以此为基础，国外进行了大量的钻头随钻地震野外试验（周小慧等，２０１６）．但国外石油公司在技术上对国内进行绝对的垄断，导致国内相关设备条件、理论发展以及野外试验的经验严重滞后．国内对随钻地震技术的研究始于２０世纪末，张绍槐等（１９９９）最早对钻头随钻地震的原理、功能、系统组成进行研究，并在江汉油田进行了国内最早的野外试验．往后，国内学者对随钻地震技术进行深入研究，并逐渐聚焦于钻头随钻地震．钻头随钻地震的本质是ＲＶＳＰ技术，因此本文通过常规ＲＶＳＰ技术引出钻头随钻地震，对钻头随钻地震的基本原理、采集技术和处理技术的优化进行重点介绍，并简单介绍部分应用实例．最后结合钻头随钻地震的优势和局限对其未来的发展方向做出展望．

１　ＲＶＳＰ技术

１．１　ＶＳＰ技术的局限

自朱光明（１９８０）向国内系统性地介绍垂直地震勘探技术之后，国内油田开始使用该技术（赵邦六等，２０１７）．ＶＳＰ技术有地面地震勘探无法代替的重要优势，但也有其独特的观测方式造成的如下四方面缺陷：

（１）由于井下地震采集仪器单次采集级数的限制，需将检波器放到井中不同深度并进行停钻观测．但钻柱出井、测量仪器下井都会带来更多风险和经济损失．另外由于采用多次激发来解决采集仪器单次采集级数限制的问题，故还得额外解决激发条件一致性等问题．目前新兴的分布式光纤传感技术（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｉｂｅｒＡｃｏｕｓｔｉｃＳｅｎｓｉｎｇ，ＤＡＳ）之所以受到ＶＳＰ技术人员的重视，原因之一便是可以有效解决单次采集级数限制的问题．但其在实施过程中还有很多具体工程问题需要解决（周小慧等，２０２１）．

（２）井下检波器与地层耦合程度不佳，且ＶＳＰ采集时还会产生套管波、电缆波等噪声．

（３）随着井源距的增加，叠加次数减少，ＶＳＰ成像精度也会随之降低．

（４）实际勘探中除了会遇到地表条件不允许布置地面震源等情况，ＶＳＰ技术还无法有效应用于大斜度井、水平井等复杂井（姜宇东，２００４）．

１．２　ＲＶＳＰ技术的优势

为提高勘探效率，降低勘探成本，地球物理工作者基于ＶＳＰ技术，利用地震学中的互易原理提出了ＲＶＳＰ技术，如图１所示．Ｓｈｅｒｉｆｆ对互易原理的描述为：“如果震源和检波器合理布置，且都与地表耦合良好，那么地震波在Ａ点产生Ｂ点接收的地震记录与在Ｂ点产生Ａ点接收的地震记录是一样的． ”根据互易原理，可将ＶＳＰ观测系统变成ＲＶＳＰ观测系统，如图２所示，即在地面布置检波器，井中激发地震波

在地面布置检波器可以人为改善检波器与地面的耦合条件、灵活改变观测系统、提高覆盖次数，以提高原始地震资料质量．在井中激发地震波可以降低能量的衰减，避免大量干扰波的影响．ＲＶＳＰ技术最突出的优势在于所得到的资料可以在保持ＶＳＰ资料高分辨率的基础之上，通过地面灵活布置观测系统，还可以实现地表全方位接收地震波，进一步拓宽井周区域的成像范围，增加井旁资料的信息量，提高其在实际勘探工作中的实用价值．

１．３　常规ＲＶＳＰ技术的震源问题

ＲＶＳＰ技术需在井中激发地震波，而井中震源主要需要满足以下三点要求：（１）震源激发的能量必须足够穿透地层到达地表；（２）震源激发的能量不能对井筒造成破坏；（３）整个激发过程要求简单、安全、环保．目前常规ＲＶＳＰ观测大多采用电火花震源．但在实际勘探中，电火花震源只能在激发深度较浅时才能有效应用于ＲＶＳＰ观测，若遇深井或超深井，它激发的能量往往不能被地面检波器有效地接收，故难以获取高质量的井旁地震资料．

综上所述，广泛应用ＲＶＳＰ技术的最大难点，是制造出激发能量既可以传播数千米，又不会破坏井筒的井中震源．

在了解到岩石破裂可以产生高频地震波后，地球物理工作者提出用钻头冲击地层的振动作为震源在垂直方向上进行连续的ＲＶＳＰ测量，即钻头随钻地震．

２　钻头随钻地震基本原理

钻头随钻地震是利用钻井过程中钻头冲击地层产生的振动作为震源的井中地震勘探技术．其利用钻柱上的传感器接收沿钻柱传播的钻头信号（先导信号），利用地面检波器接收沿地层传播的钻头信号（地面信号），并将两者进行互相关得到ＲＶＳＰ资料，如图３所示．该技术的地震波激发方式很好地解决了常规ＲＶＳＰ技术中的震源问题．

除此之外，钻头随钻地震最大的优势在于不中断钻井作业这一特点带来的连续ＲＶＳＰ测量．因为钻头钻进的速度远小于钻头信号的传播速度，故可以认为在一定时间内钻头的位置没有发生变化．只要对钻头随钻地震信号实时采集、处理与解释，便可以实现实时监测钻头位置、预测钻头前方地层地质参数、前瞻成像等目的．

钻头随钻地震不影响钻井作业的正常进行，无需额外激发地震波，对井孔无任何风险（韩继勇等，２０００）．最重要的是，它可以实时确定钻头位置，预测钻头前方地层的深度、速度、压力以及构造细节，为地面施工人员灵活改变钻头轨迹提供参数支持．因此钻头随钻地震技术是一项极具潜力的高新技术．

２．１　钻头震源

大量研究表明，将牙轮钻头冲击地层产生的振动作为井中震源进行ＲＶＳＰ观测是合理的．Ｓｉｍｏｎ（１９６３）发现岩石破裂会产生高频地震波．Ｄｅｉｌｙ等（１９６８）发现钻头与地层相互作用产生的振动可以被布置在钻柱上的传感器接收．Ｌｕｔｚ等（１９７２）提出先导信号的振幅与钻头钻遇地层岩性有关．ＲｅｃｔｏｒＩＩＩ和Ｈａｒｄａｇｅ（１９９２）提出牙轮钻头在钻井时会对地层产生两个方向的作用力，如图４所示：（１）钻头沿钻柱轴向对地层的冲击力，它可以产生连续的Ｐ波（沿钻柱轴向辐射，垂向无辐射）和ＳＶ波（沿钻柱垂向辐射，轴向无辐射）．一般来说ＳＶ波的辐射能量强于Ｐ波的辐射能量，两者的相对振幅由地层泊松比决定．（２）钻头旋转对地层产生的切削力，它会产生沿水平方向连续振动的ＳＨ波，其以球面波的形式向四周辐射．但钻头对地层的切削力产生的辐射能量远小于冲击力产生的辐射能量，故ＳＨ波在实际勘探中很难观测到．

Ｔａｎｇｏ（１９９３）认为由每一个牙轮齿脉冲叠加在一起的牙轮钻头随钻地震信号是一个宽频带信号．Ｐｏｂｌｅｔｔｏ等（２０００）认为钻头破岩时产生的纵波能量与地层的性质、钻柱以及井孔横截面大小有关．Ｐｏｌｅｔｔｏ（２００５）随后进一步分析了钻头震源的能量平衡问题，阐述了钻头震源的特色，并利用垂直作用力模型计算出钻头在井中产生的辐射能量要大于在地表产生的能量．实际勘探中，钻头信号的特性与钻头的钻速、钻压、类型，以及钻遇岩石的种类等许多因素有关，王林飞（２００９）和韩来聚（２０１２）针对这些因素对钻头信号的影响都进行了试验与分析．

综上所述，无论从辐射能量还是频率上来说，将牙轮钻头冲击地面产生的振动作为井中震源来进行ＲＶＳＰ观测是合理的．

２．２　先导信号与钻柱传输效应

２．２．１　先导信号

先导信号是指钻柱上的传感器（先导传感器）记录到的钻头振动．

相比常规ＲＶＳＰ观测，钻头随钻地震需要额外获取先导信号并与地面信号互相关的原因在于：钻头震源激发的是一个不可控的、延续时间较长的连续振动信号，子波延续时间甚至要比地震波经过最厚地层的时间都要长，这导致地面检波器记录到的钻头随钻地震记录并不能有效地反映各反射界面．钻头随钻地震需要将先导传感器记录到的钻头振动作为一种相干可控震源技术来获得钻头随钻地震剖面．将先导信号与地面信号互相关，可压缩子波延续时间，并起到对不相干噪声滤波，提高信噪比的作用．这种相干可控震源技术的原理与可控震源勘探中将扫描信号与原始地震资料互相关相似．

２．２．２　钻柱传输效应

实际勘探中通常将先导传感器布置在钻柱顶端附近，故接收到的先导信号会受到钻柱传输效应的影响．将这样的先导信号直接与地面信号互相关不会得到良好的钻头随钻地震资料．因此，详细地了解钻头信号在钻柱中传输时受到了哪些影响十分必要．

（１）能量吸收衰减：先导信号在沿钻柱传播时，部分能量会被传输介质吸收并以热量的形式散失．这种因为能量吸收引起的振幅衰减可以用Ａ＝Ａ０ｅ－ δＬ来表示（王林飞，２００９）．式中：Ａ０为初始振幅，Ａ为衰减后振幅， δ 为钻柱的吸收系数，Ｌ为钻头信号传播的长度．

（２）钻柱时间延迟：若在钻柱顶端附近布置先导传感器，接收到的钻头信号一定存在从钻头沿钻柱传播到先导传感器的时间延迟．若不准确求取并减去该时间，会使互相关记录出现相关时移．可在先导信号的自相关记录中调查长周期多次波来求取钻柱时间延迟．

（３）滤波效应：钻柱是一个类似于周期性的结构体，由多根钻杆、连接部分和钻具组合的各个部件（ＢＨＡ）组成．这种周期性的分布会使钻头信号在传播过程中产生多次波，另外先导传感器并不是布置在钻柱最顶端处，钻头信号到达先导传感器后会继续向上传播，到达钻柱最顶端会反射回来再次被先导传感器接收．如此会形成的大量虚反射，对信号有滤波作用，导致部分频率的缺失，如图５和图６所示．

２．３　波场分类

钻头随钻地震波场可分为钻头波场、钻柱波场和地表干扰波场，如图７所示．

（１）钻头波场是指钻头冲击地层产生的地震波．主要包括地面检波器接收的钻头直达波和钻头反射波，以及先导传感器接收的先导信号．

① 钻头直达波是指钻头冲击地层产生的地震波直接沿地层向上传播被地面检波器接收的波．钻头随钻地震利用直达波获取钻头上方地层的速度．

② 钻头反射波是指钻头冲击地层产生的地震波由下方地层反射后向上传播被地面检波器接收的波，故钻头反射波包含的地层信息是钻头随钻地震勘探能预测钻头前方地层地质参数的关键．

③ 先导信号是先导传感器记录到的钻头振动．

（２）钻柱波场是指钻井过程中钻柱本身产生大量振动，从而形成的波场．主要包括导波、首波以及钻柱多次波

① 导波是指在井壁间多次反射和沿井反射，并径向干涉的波．钻井作业中常见的斯通利波和泥浆管波都属于导波，其频率随传播时间发生变化．

② 首波是指沿钻柱传播的纵波有时会传播到地层，并比直达波先到达地面检波器的波．它与直达波有着相同特点的波前，且钻柱对首波的衰减远小于地层对直达波的衰减，使得首波成为能量很强、去除难度较大的干扰波．

③ 钻柱多次波是指钻头信号沿钻柱传播时与钻杆连接部分、钻具组合的零部件（ＢＨＡ）、钻头以及地层这些良好的反射界面来回反射形成的波．

（３）地表波场主要由钻井活动造成．地表波场对于钻头随钻地震的勘探目的来说，都是干扰波，相比之下钻头震源信号较弱．主要可分为相关地滚波和非相关地滚波（苏义脑等，２０１０）．

① 非相关地滚波是指泥浆泵、柴油机等地面设备产生振动，并沿地面传播所形成的地滚波．可通过对多道信号叠加进行消除．

② 相关地滚波是指钻头信号沿钻柱和流体环空上传过程中所产生噪声信号．其沿空气与地面之间的界面“滚动”至检波器．相关地滚波的消除难度较大，采用多检波器组合可取得一定效果．

Ｒｅｃｔｏｒ等（１９９２）曾描述了钻头随钻地震波场及其在二维空间的变化特征．罗斌（２００５）从三维空间的角度，更为全面地描述了钻头随钻地震波场，并分析了其在三维空间中不同观测方式下的差异．利用波场的变化特征和差异，可以对随钻地震资料进行波场分离和噪声衰减．

３　钻头随钻地震采集与处理

钻头随钻地震勘探与钻井作业同步进行，会伴随较长的

时间周期，因此钻头随钻地震资料相比常规地震勘探数据量要大得多，且大量井场噪声会沿时间轴遍布于整个资料．除此之外，钻头波场的特征还会根据钻遇地层岩性、钻头的类型与磨损情况等因素发生变化．为了使钻头随钻地震资料可用于工业化生产，有大量地球物理工作者从采集和处理两个方面提出了一系列解决办法．

３．１　钻头随钻地震采集技术

３．１．１　接收方法上的发展与优化

钻头随钻地震相比常规ＲＶＳＰ技术，除了需要在井架附近布置地面检波器来接收钻头产生的振动（地面信号），还需要额外利用在钻柱上记录下来的钻头振动（先导信号）作为一种相干可控震源技术来获取钻头随钻地震资料．如何更加合理地接收先导信号和地面信号以获取更高质量的钻头随钻地震资料便成了研究的重点之一．

（１）针对先导信号的优化方法

① 先导传感器的类型以及组合方式对先导信号的质量有一定影响．Ａｎｇｅｌｅｒｉ等（１９９０）将轴向传感器和扭矩传感器布置在转盘不同位置，将压力传感器布置在泥浆循环中，通

过统计噪声道将先导信号与噪声分离，提高先导信号的信噪比．ＥＮＩ公司和ＯＧＳ公司采用在井架上不同高度处进行传感器组合来改善先导信号的质量，并更好地与地面信号相关．

Ｐｏｌｅｔｔｏ等（２００４）提出将对偶传感器安装在钻柱上，以此衰减多次波引起的钻柱鸣震，并取得了良好的效果．

② 针对获取先导信号有时会受到极大限制的情况，Ｐｏｌｅｔｔｏ等（２００２）提出了利用导波作为先导信号来获取钻头随钻地震资料．Ｐｏｌｅｔｔｏ等（２０２０）为了进一步改进先导信号的质量，提出了将在钻头附近测量到的钻头对地层的作用力纳入先导测量，以更准确的对钻头子波进行估计．

③ 将先导传感器放置在钻头附近会出现先导信号与地面信号接收时间不同步的情况，针对这一问题，Ｅｇｏｒｏｖ等（２０２１）提出了自动两步对准方法，极大地提高井下先导信号和地面数据的时间对齐精度．

（２）针对地面信号的优化方法

① 如何通过地面检波器排列方式来提高地面信号的质量，有学者进行了大量试验．Ｍｉｒａｎｄａ等（１９９６）提出利用地面多检波器排列和检波器大组合来提高钻头随钻地震资料的信噪比．Ｐｅｔｒｏｎｉｏ等（１９９９）进一步优化了地面检波器的排列方式．

② 为进一步提高地面检波器检测地面信号的能力，降低采集成本，并为后续的处理工作提供便利，一系列解决方法被陆续提出．针对在野外经常因为地形原因无法按照理想布局布置地面检波器的情况，Ｖａｓｓａｌｌｏ和Ｂｅｒｎａｓｃｏｎｉ（２００３）将波场延拓算法应用到钻头随钻地震资料的处理当中，不仅减少了检波器数量，降低了采集成本，还提高了地震道集的质量．杨微（２００７）采用高灵敏度三分量流动数字地震仪对钻头信号进行连续采集，并可获取较高信噪比的钻头随钻地震资料．王林飞（２００９）通过结合流动地震仪、陆用压电检波器、１０Ｈｚ常规检波器，进一步实现了对钻头信号的高精度连续采集．针对钻头随钻地震技术需长时间采样和低信噪比这一特性，Ｒｅｐｐｅｒｔ（２０１３）提出一种叠加算法，使用该算法对地面检波器收集的数据进行叠加，可以减少地震数据的收集时间，并允许高密度采样．近年来，ＳａｕｄｉＡｒａｍｃｏ公司研制并完善了ＤｒｉｌｌＣＡＭ系统，其通过采用无线检波器对钻头信号进行采集，可以任意改变检波器布置，适应性强（Ｂａｋｕｌｉｎｅｔａｌ．，２０２０ａ，ｂ）．该系统大多数处理步骤可以自动化实现，这将有助于实现钻井自动化和改善实时决策．

３．１．２　激发方法上的发展与优化

据前人研究，相比牙轮钻头，聚晶金刚石复合片（ＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＤｉａｍｏｎｄＣｏｍｐａｃｔ，ＰＤＣ）钻头所得到的钻头随钻地震资料质量较差（Ｍｉｒａｎｄａｅｔａｌ．，１９９９），如图８所示．而且在钻遇软地层、或者在斜井中进行钻头随钻地震时，使用牙轮钻头也会遇到能量不足等问题．故各大公司提出了相应的解决方法．

１９９７年由Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ公司主导研发的新技术：震源在地面发出振动、井下随井工具上的检波器接收，被称为随钻垂直地震剖面（ＶＳＰＷｈｉｌｅＤｒｉｌｌｉｎｇ，ＶＳＰＷＤ）．随钻垂直地震剖面通常是在接钻杆的间歇进行数据采集，不会对正常钻井作业产生影响．这种方法可以有效地解决钻头能量较弱等问题．此后Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ公司加大了这方面的研发力度，代表性的成果是推出了著名的ＳｅｉｓｍｉｃＶｉｓｉｏｎ系统．

国外Ｔｅｍｐｒｅｓｓ科技公司开发了水力脉冲钻井系统，其原理是利用钻井液脉冲，在钻头附近产生强大的井底负压脉冲，产生宽频地震信号．在实现欠平衡钻井的同时，钻头上部液柱保持平衡，从而稳定井壁、提高钻速和破岩效率，如图９所示．钻头钻进时，该系统可同时产生Ｐ波和Ｓ波，当钻头停止钻进时Ｓ波消失，故实际生产中可根据需求选择波场对地层成像．国内学者也在此基础之上进行了改进，改善了ＰＤＣ钻头在软、中硬地层，深井、斜井、大位移井的应用效果（王敏生等，２００６；倪红坚等，２００６；张辉等，２０１４；秦春等，２０１５）．

３．１．３　目前实际应用中的采集方式

牙轮钻头震源是天然的三分量震源，故通常采用三分量检波器接收钻头随钻地震信号．需要注意的是，采用三分量检波器接收的突出优势并不是可以获取多类型的地震波场，因为单分量检波器依然可以接收到多类型的地震波场．三分量检波器的突出优势在于它可以一定程度反映波场在三维空间的极化特征．即使是三维地震勘探，单分量检波器也只能记录某一方向的极化特征，单分量检波器虽然能接收到多波，但只有一个主波场，其他波场难以处理并获得有效应用．

目前，钻头随钻地震勘探的采集方式大致分为两种．

（１）在钻柱顶端附近布置先导传感器接收先导信号，在井架附近排列检波器接收地面信号，两者进行互相关．该方法简单实用，是目前最常用的方法．它可以根据不同任务改变传感器和检波器的类型和排列方式，也只有这种方法才能真正做到“对钻井作业不产生任何影响” ．但缺点在于先导信号会受到钻柱传输效应的影响和井场噪声的改造．

（２）在井下靠近钻头附近布置先导传感器接收先导信号，在井架附近排列检波器接收地面信号，两者进行互相关．它可以避免先导信号受到地面的强烈干扰以及钻柱传播效应的影响．但这种方法需将先导信号的数据储存在井下，等到钻头回到地面才能获取数据，这影响了钻头随钻地震技术 “能实时监测钻头位置”这一重要优势．针对这一缺陷，可以通过用电缆将数据实时传输回地面进行改进，如图１０所示．但以目前技术条件而言，要做到通过电缆将如此大量的数据实时传输回地面成本太高．

３．２　钻头随钻地震处理技术

３．２．１　处理流程

钻头随钻地震数据处理过程可分为两个阶段，如图１１所示：第一个阶段是对钻头随钻地震原始资料进行预处理、去噪、互相关、反褶积、钻柱延迟时间校正等处理，得到ＲＶＳＰ的初始剖面．第二个阶段是对ＲＶＳＰ的初始剖面进行初至拾取、时移排齐、波场分离等常规处理．实际工作中，某些处理步骤没有严格的先后顺序，合理调整即可（徐冰，２０１３；徐冰等，２０１４）．钻头随钻地震处理技术的改进难点集中在第一阶段．

３．２．２　互相关技术

钻头随钻地震数据处理最核心的部分是互相关技术．将先导信号与地面信号互相关不但可以获取经地层传播的直达波、反射波时间，还能加强弱反射信号、衰减不相干噪声（韩继勇，１９９８ａ，ｂ；田玉昆，２０１０）．

前文提到钻头随钻地震中的互相关与可控震源技术中的互相关相似．但两者的区别在于：可控震源施工得到的原始资料可直接与扫描信号进行互相关运算；而钻头随钻地震中直接将地面信号与先导信号互相关会严重影响地震波反射信息．原因是可控震源中的扫描信号更接近真实震源信号，而钻头随钻地震中的先导信号会受到钻柱传输效应的影响和井场噪声的改造，使其与真实的钻头震源信号相差较大．第一阶段的处理工作除了互相关技术本身以外，大多数工作也是围绕着如何得到更好的互相关结果而进行，比如使先导信号更接近实际钻头震源信号（反褶积是目前较为有效的方法），以及对先导信号和地面信号去噪的工作等．

３．２．３　钻头随钻地震处理技术的发展与优化

（１）针对先导信号的优化方法

① 钻头随钻地震处理技术中针对先导信号的反褶积方法．Ｒｅｃｔｏｒ（１９８９）提出在先导信号自相关记录中提取反褶积因子的方法以达到消除钻柱多次波的目前．该方法有效实用，目前仍是钻头随钻地震资料处理过程中不可或缺的一环．针对钻柱对先导信号的衰减和井场强噪声对先导信号的影响，罗斌（２００５）分别提出了先导信号反褶积、多道统计子波反褶积、基于线形约束最小平方井场相干噪声衰减等方法加以解决，并在实际资料处理中取得较好效果．王宁健（２００８）假设钻头信号为白噪，钻柱的脉冲响应为最小相位，在此基础之上研发了的先导信号反褶积方法，有效地压制了钻柱传输效应．针对王宁健的两条假设进一步研究，高伟（２０１１）提出基于独立成分分析的含噪地震盲反褶积方法，在无需对钻头信号和钻柱效应做假设的情况下，也能提高钻头信号的质量．崔士波等（２０１０）利用单边反褶积自相关对先导信号进行处理．赵维娜（２０１３）通过室内物理实验详细研究了钻柱对先导信号的影响，并验证了单双边反褶积算法．

② 针对先导信号的其他处理方法．陆斌等（２００９）引入相关域小波变换对先导信号进行预处理，这可以对主要干扰成分进行分析，以设计合理的处理方案．吴何珍等（２０１０）将信号处理中倒谱分析的方法用于对先导信号的处理，消除钻柱对先导信号的影响．田玉昆（２０１０）研究了先导信号的三阶累积量，以此压制井场噪声．秦显科等（２０１６）将稀疏标定理论引入钻头随钻地震先导信号的处理，实现了对钻头随钻地震先导信号的稀疏分解降噪．王林飞等（２０２０）在对周期性钻杆传输效应的研究基础之上，进一步考虑了底部钻具组合的非周期性，推导出非周期钻柱的传输特性．这可以更加合理、准确地分析整个钻柱系统的传输效应，为先导信号的处理提供了有利的技术支持．

（２）针对地面信号的优化方法

① 干涉理论在钻头随钻地震中的应用．Ｋａｔｚ（１９９１）首次将干涉理论应用于钻头随钻地震中对地面信号的处理．

Ｓｃｈｕｓｔｅｒ等（２００４）利用互相关干涉处理对钻头随钻地震资料进行处理并成像．Ｖａｓｃｏｎｃｅｌｏｓ和Ｓｎｉｅｄｅｒ（２００８）将弹性波反褶积干涉理论应用到钻头随钻地震勘探当中，通过实际数据证明在没有先导信号的情况下此方法的效果要优于互相关干涉理论．国内学者黄伟传等（２０１２）详细对比研究了互相关干涉和反褶积干涉两种方法在实际资料中的应用效果，认为反褶积干涉处理方法能够消除地震震源对干涉处理结果的影响，效果更为理想．

② 针对有效波和干扰波的特征差异提出的去噪方法和有效信号检测方法．罗斌（２００５）系统地研究了钻头随钻地震主要波场在三维空间中不同观测方式下传播特性的差异，提出了分离、衰减干扰波场的方法．韩来聚（２０１２）根据有效信号与噪声的周期性差异特征以及非高斯性差异特征，形成了基于信号周期性和独立性的去噪方法．另外他还利用地面信号构建先导信号，形成了不依赖先导信号的钻头随钻地震信号检测技术．

③ 独立成分分析技术在钻头随钻地震处理中的应用．

陆斌等（２０１０）采用独立成分方法分析先导信号，通过相关处理，从地面信号中估算各种波场．他发现独立成分分析技术对于解决钻头随钻地震多种信号的混叠问题以及提高数据处理质量非常有效．高伟（２０１１）将基于独立成分分析的多道盲反褶积应用于钻头随钻地震资料处理中，仅通过对地面信号处理就能获取分辨率较高的钻头随钻地震资料Ｂｈａｒａｄｗａｊ等（２０１７）在针对解决钻头随钻地震多种信号混叠问题的独立成分分析法的基础上，将其的适应性拓展到了更复杂的混合模型的地震记录当中．

４　实　例

２１世纪以来，随着钻头随钻地震技术和相关配套系统、设备进一步完善．越来越多的实例证明，钻头随钻地震勘探正在随钻前探技术和随钻远探领域中发挥出不可或缺的作用，并展现出了越来越高实用价值．本文简单介绍以下应用实例来阐述钻头随钻地震在实际勘探中的重要作用．

（１）随钻前探，前瞻成像．ＳａｕｄｉＡｒａｍｃｏ公司、Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ公司以及ＢａｋｅｒＡｔｌａｓＷｉｒｅｌｉｎｅ公司对位于沙特阿拉伯地区的Ｇｈａｗａｒ油田的４口井进行了钻头随钻地震采集，主要是对钻头前方进行成像，并获取油藏上方浅层的时深关系或者速度参数．同时该钻头随钻地震试验证明了，用牙轮钻头钻进该油田的坚硬石灰岩层会产生强烈的纵波信号，也证实了该技术在预测井漏、卡钻等浅层钻井风险方面有很大的应用前景．

（２）随钻远探，应用干涉理论扩展横向成像范围．ＯＧＳ公司对位于美国内华达州沙漠的一口地热井进行钻头随钻地震采集．通过布置一条过井主测线和一条垂直于主测线的联络测线，以获取井周的断层地质信息及构造成像．与以往的钻头随钻地震勘探不同，该井所在地区未进行过地面地震勘探，故钻头随钻地震资料提供的信息更加重要．该采集工作不仅获取到了优质的钻头随钻地震资料，还将干涉理论应用于成像，扩展成像范围，把钻头随钻地震的随钻远探能力进一步拓展，如图１２所示．

（３）灵活建观，方便、高效获取高质量地震资料．ＯＧＳ公司在巴伦支海的威斯汀地区临时对一口井进行钻头随钻地震资料采集，故只在钻机的周围布置了地震监测阵列，并未在钻柱任何位置布置先导传感器，以此来监测钻井情况．地震监测阵列由节点间距为２５ｍ，共１００节点的海底电缆组成，每个节点由三个正交布置的高灵敏度微电机加速度传感器和一个水听器组成，以１ｍｓ的采样间隔，研究了主动钻井期间的所用时间段．最后综合分析发现，即使在没有先导信号的情况下，也能获取有价值的钻头随钻地震数据，而且其分辨率与ＶＳＰ检验炮资料几乎一致．

５　结论和展望

如今，我国主要油田已进入开发中后期，为了开采剩余油，水平井、侧钻水平井、大位移井被广泛应用．针对实际勘探开发中的水平井和大位移井而言，其难点在于如何精确地确定钻头位置，控制钻进轨迹，因此钻头随钻地震技术具有广阔的应用前景．随着随钻前探和远探技术在未来油气勘探开发领域的发展，钻头随钻地震技术将在随钻油藏描述和随钻地质导向方面发挥更大的作用．针对钻头随钻地震技术仍存在的缺陷以及未来油气田勘探开发的需求，本文对钻头随钻地震技术未来的发展方向做出以下展望：

（１）ＰＤＣ钻头随钻地震资料信噪比低，随着ＰＤＣ钻头的广泛应用，进一步提高地震资料信噪比以及提高钻前预测精度仍然下一步的研究重点

（２）在钻头附近布置先导传感器，能从根本上解决先导信号受钻柱传输效应影响的问题，故对该类先导传感器所记录到的信号实现低成本的实时传输是钻头随钻地震技术的发展方向之一．

（３）牙轮钻头震源是天然的三分量震源，充分利用牙轮钻头震源产生的多波信息进行多分量地震勘探将成为钻头随钻地震技术的一个特色应用．

（４）数字油田经过２０多年的发展，开始向着智能化的方向发展．将人工智能应用于钻头随钻地震中提高其精度和效率，是下一步的重要研究方向，也将成为智能钻井和智能油田的重要组成部分

参考文献,略

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