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专利名称：创建远离钻孔的区域中的非线性声学性质的三维图像的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及岩层的地震探询，尤其涉及通过使用钻孔中的被配置成提供弹性能的源的组合以及接收和分析由三波混合过程形成的所得第三波，创建远离钻孔的区域中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像。
背景技术：
地下特征的声学探询往往受到实际源的尺寸和功率的限制，并且实际上，井下声学换能器的输出受到绳索缆的输电能力的限制。高频信号具有相对较短的穿透距离，而低频信号一般需要固定在井壁上的大的源，以便最大化到地层的能量传送和最小化钻井内的不期望信号。当前，声学钻孔工具被设计成利用钻孔中的声源来检测沿着井壁传播或被围绕钻孔的岩层的线性性质的异质物散射的返回声波。Leggett，III等人的美国专利第 7，301，852号公开了一种随钻测井工具，它被设计成利用通过在声信号的相交处的岩石中的假设非线性混合而生成第三波的从钻孔中发出的两个声源阵列来检测岩层边界。第三波被地下性质的异质物散射，并且散射信号被测井工具中的传感器检测。声源阵列只是引导性地作了公开，而没有作任何进一步的描述。人们已经对表征有希望从钻孔中找到油气的区域中的地层的非线性性质作了一些尝试，但每一种尝试都有它的局限性。例如，D' Angelo等人的美国专利第5，521，882 号公开了一种声学工具，该声学工具被设计成利用压力接收器来记录沿着井壁传播的非线性波，该非线性波有限地穿透到周围的岩层中并折射回到钻井流体中。Khan的美国专利第 6，175，536号公开了根据从一个钻孔发送到地层中并在第二钻孔中接收到的地震信号的谱分析，来估计地层的非线性度的方法。鉴于这些先前尝试，需要一种在远离钻孔的区域中生成非线性性质的三维图像的装置和方法。

发明内容
依照本公开的一些方面，公开了一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的方法。所述方法包括利用特定空间配置将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的可控弹性能主波束；将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的可控弹性能主波束，使得两个可控波束在远离钻孔的位置相交；通过钻孔处的传感器阵列接收由岩层中的三波混合过程创建的第三弹性波的到达，第三弹性波具有等于第一主频和第二主频之差的频率并在特定方向上传播回到钻孔；根据第一和第二源的安排和第三波信号的性质，定位三波混合区；以及使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复所述生成、 接收和定位步骤而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。依照本公开的一些方面，公开了一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的方法。所述方法包括利用特定空间配置将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的弹性能初波；将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的弹性能初波； 通过钻孔处的三分量传感器的阵列接收通过三波混合过程产生的第三弹性波的到达，第三弹性波具有等于第一主频和第二主频之差的频率并传播回到钻孔根据由所述传感器阵列接收的信号，确定第三波的传播方向；根据第一和第二源的安排和第三波的传播方向，成像三波混合区的所在地；以及使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复所述生成、 接收、确定和成像步骤而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。依照本公开的一些方面，公开了使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的进一步方法。这些方法共享钻孔中的两个源和一个传感器阵列的共同配置，但不同之处在于两个源中的一个或另一个可能生成可控弹性能波束或波，以及阵列中的传感器单元可以是非定向和三分量器件的组合。所述方法包括利用特定空间配置将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的可控弹性能主波束或弹性能初波；将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的可控弹性能主波束或弹性能初波，使得来自两个源的能量在远离钻孔的位置混合；通过钻孔处的传感器阵列接收通过三波混合过程产生的第三弹性波的到达，第三弹性波具有等于第一主频和第二主频之差的频率并在特定方向上传播回到钻孔；根据第一和第二源的安排和第三波信号的性质来定位三波混合区；以及使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复所述生成、接收和定位步骤而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。依照本公开的一些方面，使用地层非线性和所述性质之间的适当关系，将围绕钻孔的地层的非线性性质的三维图像变换成储层性质。该图像可以具有测井时的性质，或可以代表相隔一段时间的两次测井作业之间的变化。依照本公开的一些方面，公开了创建围绕钻孔的岩石的压缩剪切声速比的三维图像的方法。这些方法是上面第5到8段所讨论的创建非线性性质的三维图像的方法的变型。依照本公开的一些方面，公开了使用传送的测井工具创建远离钻孔的岩层的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的装置。所述装置包括安排在钻孔中并被配置成生成第一频率的可控弹性能波束或波的第一源；安排在钻孔中并被配置成生成第二频率的可控弹性能波束或波的第二源，使得第一频率和第二频率的波束或波在离开钻孔的位置相交；以及非定向或三分量传感器阵列，配置成如果感兴趣区域的非线性性质导致通过三波混合过程产生了第三弹性波，则接收所述第三弹性波，所述第三弹性波具有等于第一频率和第二频率的差值的频率和传播回到钻孔的特定方向；安排在钻孔中以控制第三弹性波的源发射和记录的第一处理器；配置成通过绳索工具的绳索缆向井上发送数据的设备；以及安排成部分根据接收的第三波的性质以及第一和第二源的安排来创建三维图像的第二处理器。
通过参考相同标号表示各个图形中的相应部件的形成本说明书一部分的附图对如下描述和所附权利要求书加以考察，可以更加清楚地了解本发明的这些和其它目的、特征、和特性，以及操作方法、结构的相关元件的功能、部件的组合和制造的经济。但是，显而易见，这些附图只是为了例示和描述的目的，并未打算作为限制本发明的定义。正如用在说明书和权利要求书中的那样，“一个”、“一种”、和“该”等的单数形式也包括复数指示物，除非上下文另有明确指出。


图1示出了依照本公开的各个方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的配置；图2示出了依照本公开的一些方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的配置；图3示出了依照本公开的一些方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的配置；图4示出了依照本公开的各个方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的流程图；图5ajb和5c示出了当两个初波是波束时，表1的波束-波束交互的选择规则1 的数值模拟；图6例示了通过如受非线性混合选择规则支配的两个初声波的非线性混合生成差频第三波的几何结构；以及图7示出了本公开一些方面对使用波束和宽波束或平面波成像的应用。
具体实施例方式图1示出了依照本公开的各个方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的几种可能配置之一。第一源105被安排在钻孔110中，以生成第一频率的可控声能主波束。第二源115也被安排在钻孔110中，以生成第二频率f2的可控声能主波束。举一个非限制性例子来说，第一源105和第二源115两者可以是源的相控阵列，并且可以配置成生成压缩或剪切可控波束。如图1所示，第一源105被安排在第一工具主体120上，而第二源115被安排在第二工具主体125上。但是，本公开不受此限制，也可以将第一源105和第二源115 —起安排在公用的工具主体(未示出)上。将工具主体120和125安排成可在钻孔110内以包括沿着钻孔110的纵轴150平移和在绕钻孔110的纵轴的方位上旋转155的至少两个自由度独立地移动。可以将第一源105安排在钻孔110中的第二源115的上面或下面。可以将工具主体120和125安排在钻孔110内的传送的测井工具(未示出)上。对于第一源105和第二源115的给定方位取向，将第二源115所生成的波束和第一源105所生成的波束配置成使得波束会聚并在远离钻孔110的混合地带130相交。通过独立地操控波束和改变源105、115之间的间隔的组合操作，在控制相交角度的同时，混合地带130在由波束和钻孔纵轴150定义的平面内移动。混合地带130距钻孔110的距离可以从钻孔110的边缘附近到进入周围地下岩层大约300米。举一个非限制性例子来说，可以修改在第18段中提到的源阵列中的相邻单元之间的相差和/或时延，以将主波束的声能聚焦在特定混合地带。两个波之间的位置处的地球非线性性质导致第三弹性波的生成。第三弹性波是出现在非线性物质(在这种情况下是岩层)中的三波混合过程的结果。在这个过程中，也被叫做初波的不同频率f\和f2的两个会聚非共线波混合，从而形成谐波和互调频率f\_f2、 f1+f2、2Xf1*2Xf2等的附加波。第三波的强度是混合地带中的岩石的非线性的函数。举一个非限制性例子来说，当具有频率^的压缩(P)初波和具有频率&的剪切(SV)初波在非线性介质中相交时，生成具有频率1-4的第三压缩(P)或剪切(SV)波。有关进一步描述，请参阅Johnson等人(1987)和Johnson和Siankland(1989)的文献，特此通过引用并入其全文。正如下面在第31和33段中进一步讨论的那样，按照传播选择规则，第三波传播矢量与两个初波的传播矢量共面。相交角度、fVf2比和压缩剪切速度比的某些组合导致具有频率fi-f2的第三弹性波以相对于主波束的特定角度传播回到钻孔110。传感器或接收器阵列135被安排在钻孔110中的特定位置，以检测返回到钻孔110 的第三波。在本公开的一些方面中，如图所示，传感器阵列135包含作为传感器的阵列安排在传感器工具主体140上并与工具主体120和125分开的多于一个的传感器。传感器135 被配置成在钻孔110内沿着钻孔110的纵轴150独立地移动。在一些方面中，将传感器工具主体140安排在工具主体120和125的下面或安排在工具主体120和125的上面和下面。 在一些方面中，将传感器工具主体140与工具主体120和125的任一个或两者连接。在钻孔110处通过传感器阵列135来检测第三波。图2示出了与图1类似的安排， 其中接收器135被固定在井壁上的三分量地音探听器145取代。通过处理将所得信号分解成它的倾角和方位，以便通过确定到来第三波到达的方向来增加系统的冗余度。在一些方面中，可以将配置成执行机器可读指令的第一处理器(未示出)安排在钻孔Iio中，以执行诸如控制源发射和压缩或过滤由传感器阵列135记录的数据的各种处理任务。可以将配置成执行机器可读指令的第二处理器(未示出)安排在钻孔110的外部，以辅助第一处理器或执行与第一处理器不同的处理任务。例如，第二处理器可以执行创建三维图像过程中的部分或全部处理活动。可以将发送器或收发器(未示出)安排在钻孔 110中，以通过绳索缆(未示出)向井上发送数据。在源105、115之一沿着钻孔的给定深度上，在恒定相对方位上以倾角扫过波束以便在经过钻孔轴的平面内空间扫描混合地带，在方位方向上旋转源以便旋转扫描混合地带，以及沿着钻孔110移动整个组件，导致针对非线性性质对围绕钻孔的混合地带的三维体进行扫描。利用位于独立工具主体上的源105、115和传感器阵列135，能够获得高的数据冗余并能改变探查的深度。这样，可以针对非线性性质探询围绕钻孔的岩石的三维体，并且可以从返回信号中处理和计算非线性性质的3D图像。图3示出了依照本公开的各个方面创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的另一种安排。图3的安排与图2中的安排类似，主要差异在于将源安排在钻孔110中以产生弹性波，而不是可控波束。参考图3，第一源305被安排在钻孔110中的第一工具主体320上，以生成第一频率的第一声能弹性波。第二源315被安排在钻孔110中的第二工具主体325上，以生成第二频率f2的第二声能弹性波。源305、315产生的第一和第二弹性波被安排成离开钻孔110在各种混合地带130相交。接收器145被安排在钻孔110内， 以接收通过上面讨论和下面进一步讨论的三波混合过程在混合地带130中产生的第三波。 由于源305、315产生的波基本上是非定向的，在还延伸到图面以外的混合地带130的整个区域中同时发生波之间的混合，而接收器145往往具有定向特性。举一个非限制性例子来说，可以将三分量地音探听器阵列用于这个目的。通过处理将所得信号分解成在一定倾角和方位以及行进时间范围内的多个到达信号。给定源和接收器的位置、行进时间和每个分解定向到达信号的方向，有足够的信息应用下面在第31到33段中所述的选择规则来确定生成第三波的唯一混合地带。这种唯一映射允许从接收的信号的性质中构建三维图像。图4示出了使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的方法。该方法从步骤405开始，在步骤405中，将第一源安排在钻孔中，以生成第一频率的可控弹性能波束，并且将第二源安排在钻孔中，以生成第二频率的可控弹性能波束。将第一和第二频率的可控波束安排成在远离钻孔的位置相交。这样，在与第一波束相同的方位，但在相对于钻孔纵轴的不同倾角生成第二波束。该方法接着执行步骤410，在步骤410中，在钻孔处通过传感器阵列接收第三弹性波。如上所述，第三弹性波是通过三波混合过程产生的，具有等于第一频率和第二频率之差的频率以及朝向钻孔的传播方向。在步骤415中，借助于下面在第31到33段中讨论的选择规则，根据第一和第二源的安排和第三波的性质来确定离开钻孔的三波混合位置。在步骤420中，使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复步骤405的生成、步骤410的接收和步骤415的确定而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。在压缩剪切交互的情况下，在步骤425中按照第 38段就压缩/剪切速度比(Vp/Vs)分析接收的信号。在步骤430中，将非线性性质变换成诸如流体饱和度、有效应力、裂缝密度和矿性的储层物理性质。在本公开的一些方面中，第一和第二源可以是束状、柱状或球状波源，以及传感器阵列可以是非定向单分量传感器和三分量地音探听器的任何组合。在信号处理和成像中， 分量部分的交替置换提供了不同冗余度。固体中两个声波的非线性混合的实验演示已经由例如，Rollins、Taylor和 Todd (1960)、Johnson 等人(1987)以及 Johnson 和 Shankland (1989)报告过，特此通过引用并入其全文。在具有频率的压缩(P)初波和具有频率f2的剪切( 初波彼此相交的特殊情况下，在非线性介质中，生成具有频率f\_f2的第三P或S波。如果P和S初波是分别具有波矢h和1 的波束，以及非线性地层性质是一致的，则波交互的运动学要求所得第三波是具有服从选择规则Ic1-Ic2 = k3的波矢k3的平面波。该选择规则对初波的允许相交角度和第三波的特定传播方向施加非常严格的限制。两个线性平面波的非线性混合的一般运动学理论以及选择规则和振幅响应具有来自Jones和Kobett (196 、Rollins、Taylor等人(1964)以及后来由Korneev、Nihei和Myer (1998)所作的贡献，特此通过引用并入其全文，他们还提供了混合介质的非线性参数和非线性混合信号强度之间的特定关系。例如， Korneev, Nihei和Myer的方程53和M表明了 P和SV (垂直极化剪切)平面波的混合强度与岩石的非线性参数的特定组合成比例。支配两个弹性平面波的非线性交互的Korneev、Nihei和Myer的选择规则可被用作两个弹性波束的交互的引导。这些平面波选择规则规定如下六种非线性交互产生反向散射波。
表1-支配两个弹性平面波的非线性交互的选择规则。在该表中以及在本文中的其它地方，fi大于f2。
权利要求
1.一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的方法， 所述方法包含将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的弹性能；将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的弹性能，其中，第一和第二频率的弹性能在离开钻孔定位的混合地带相交；由钻孔处的传感器阵列接收通过非线性混合地带中的三波非共线混合过程创建的第三弹性波，该第三弹性波具有等于第一频率和第二频率之差的频率和朝向钻孔的传播方向；根据第一和第二源的安排、第三波的方向和支配声学非线性介质中的非共线混合的选择规则，识别三波混合地带的位置；以及使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置上重复所述生成、接收和识别步骤而记录的数据，创建所述非线性性质的三维图像。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，第一源和第二源被配置成生成从包括下列的组中选择的弹性能可控波束、具有有限方向性的波、以及它们的组合。
3.按照权利要求2所述的方法，其中，通过在远离钻孔的区域中，来自被配置成生成第一频率的压缩或剪切弹性能之一的第一源的弹性能与来自被配置成生成第二频率的压缩或剪切弹性能之一的第二源的弹性能的非线性交互，生成传播回到钻孔的弹性能。
4.按照权利要求2所述的方法，其中，所述第一源和第二源包含源阵列。
5.按照权利要求2所述的方法，其中，所述第一源、第二源和传感器阵列被安排在传送的测井工具的公用工具主体上，或被安排在传送的测井工具的能够沿着钻孔纵轴独立移动的分离工具主体上。
6.按照权利要求2所述的方法，其中，所述传感器阵列包含固定在钻孔壁上的三分量传感器。
7.按照权利要求2所述的方法，包含将第一频率的波能和/或第二频率的波能集中在相对于钻孔纵轴的优选方位和倾角上。
8.按照权利要求2所述的方法，包含在形式为f2= α Π并扫过值α的频率范围f2 生成第二频率的波。
9.按照权利要求8所述的方法，包含在将第二源旋转到相对于钻孔纵轴的所选方位之后，重复所述将第二频率的波能集中在相对于钻孔纵轴的所选方位和倾角上以及在形式为f2 = α Π并扫过值为α的频率范围f2生成第二频率的波的步骤。
10.按照权利要求8所述的方法，包含在沿着钻孔纵轴移动源和/或传感器阵列之后，重复所述在将第二源旋转到相对于钻孔纵轴的所选方位之后，将第二频率的波能集中在相对于钻孔纵轴的所选方位和倾角上以及在形式为f2= α fl并扫过值α的频率范围 f2生成第二频率的波的步骤。
11.按照权利要求8所述的方法，包含在沿着钻孔纵轴移动源和传感器阵列之后，利用相反极性重复所述在将第二源旋转到相对于钻孔纵轴的所选方位之后，将第二频率的波能集中在相对于钻孔纵轴的所选方位和倾角上以及在形式为f2= afl并扫过值α的频率范围f2生成第二频率的波的步骤。
12.按照权利要求8所述的方法，包含通过变更第一和/或第二源和/或传感器阵列之间的间距以便改变三维图像的探查深度和分辨率，获得多个径向扫描。
13.按照权利要求8所述的方法，包含线性调频或编码或既线性调频又编码由第一源和第二源发送的声能的任一个或两者。
14.按照权利要求8所述的方法，包含调制第一频率的声能或第二频率的声能的振幅、相位、周期或它们的任意组合。
15.一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的岩层的非线性性质的三维图像的装置， 所述装置包含安排在钻孔中并被配置成生成第一频率的弹性能的第一源；安排在钻孔中并被配置成生成第二频率的弹性能的第二源，其中，第一频率和第二频率的能量在离开钻孔的位置相交；被配置成当感兴趣区域的非线性性质导致通过三波混合过程创建第三弹性波时接收第三弹性波的传感器阵列，所述第三弹性波具有等于第一频率和第二频率的差值的频率和朝向钻孔的传播方向；以及被安排成部分根据接收的第三波的性质以及第一和第二源的安排来创建三维图像的处理器。
16.按照权利要求15所述的装置，进一步包含被配置成通过绳索工具的绳索缆向井上发送数据的设备；以及安排在钻孔中以控制第三弹性波的记录的后续处理器。
17.按照权利要求15所述的装置，其中，第一源和第二源被配置成生成从包含下列的组中选择的弹性能可控波束、具有有限方向性的波、和它们的组合。
18.按照权利要求17所述的装置，其中，第一源和第二源被配置成生成压缩或剪切弹性能的任一种或两者。
19.按照权利要求15所述的装置，其中，第一源和第二源包含源阵列。
20.按照权利要求15所述的装置，其中，所述第一源、第二源和传感器阵列被安排在传送的测井工具的公用工具主体上，或传送的测井工具的能够沿着钻孔纵轴独立移动的分离工具主体上。
21.按照权利要求15所述的装置，其中，所述传感器阵列包含安装在工具主体上的一个或多个水听器，或固定在井壁上的一个或多个三分量地音探听器或加速计，或两者。
22.按照权利要求17所述的装置，其中，所述源之一或两者生成的波的传播方向相对于钻孔纵轴的方位和倾角能够被控制。
23.按照权利要求15所述的装置，其中，所述传感器阵列和源被安排成沿着钻孔的纵轴一起移动或独立地移动。
24.按照权利要求15所述的装置，其中，通过变更所述源和传感器阵列之间的间距来获得多个径向扫描。
25.按照权利要求15所述的装置，其中，通过变更所述源之间的间距来获得多个径向扫描。
26.按照权利要求15所述的装置，其中，在给定钻孔位置，第二源被配置成被控制在形式为f2 = α fl并扫过值α的频率范围f2。
27.按照权利要求17所述的装置，其中，线性调频或编码，或既线性调频又编码第一和第二波的任一个或两者。
28.按照权利要求27所述的装置，其中，调制第一波或第二波，所述调制是从包括下列的组中选择的振幅、相位、周期或它们的任意组合。
29.按照权利要求15所述的装置，其中，在与单个方位、倾角和纵向位置有关的每个定位，重复源的控制，第二次使两个信号处于相反极性。
30.一种计算机实现的方法，被安排成对第三波进行处理以便获得围绕钻孔的地层的非线性性质的三维图像，所述第三波是通过围绕钻孔的地层的远程非线性区域中的两个非共线主波束或波的三波混合过程生成并在钻孔中记录的，所述计算机实现的方法包含通过谱分析来分析记录的第三波的频率内容并选择与差频相对应的信号，以便分离通过非线性混合过程生成的第三波信号；分析作为主混合波束或波的频率比的函数的记录的第三波的振幅，并根据非线性介质中的非共线混合的选择规则、第一和第二波束或波以及第三波的波数、以及两个主源和传感器阵列的位置来确定第三波信号起源的混合位置；根据在传感器阵列处检测到的第三弹性波的分析，确认入射到钻孔上并被传感器阵列记录的第三波的方向；以及进行应用于整个数据集的成像，以便获得围绕钻孔的地层的非线性性质在时间和距离两个方面的三维图像。
31.按照权利要求30所述的计算机实现的方法，进一步包含确定发生三波混合过程的非线性区的位置。
32.按照权利要求30所述的计算机实现方法，其中，第一源和第二源被配置成生成从包括下列的组中选择的弹性能可控波束、具有有限方向性的波、和它们的组合。
33.按照权利要求30所述的计算机实现的方法，进一步包含如果传感器包括三分量地音探听器，则确定入射到钻孔上的第三波的方向。
34.按照权利要求30所述的计算机实现的方法，其中，相加从源的两次相继相反极性发射中获得的记录信号，以便抑制噪声并提高非线性第三波的振幅。
全文摘要
在本公开的一些方面中，公开了一种使用传送的测井工具(140)创建远离钻孔(110)的区域(180)中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的方法。在一些方面中，所述方法包括将第一源(105)安排在钻孔中并生成第一频率的弹性能的可控波束；将第二源(115)安排在钻孔中并生成第二频率的弹性能的可控波束，使得第一频率的可控波束和第二频率的可控波束在离开钻孔(110)的位置(130)相交；以及在钻孔(110)处通过传感器(135)接收通过三波混合过程产生的第三弹性波，该第三弹性波具有等于第一频率与第二频率之差的频率和朝向钻孔的传播方向。
文档编号G01V1/46GK102395904SQ201080016561
公开日2012年3月28日 申请日期2010年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者C·司科尔特, D·P·施密特, J·A·藤卡特, K·T·尼赫伊, P·A·约翰逊, P-Y·勒巴斯, R·古耶尔, 武巩 申请人:洛斯阿拉莫斯国家安全有限责任公司, 雪佛龙美国公司