用于在地下岩层中进行地震发射的设备以及实现其的方法

专利名称：用于在地下岩层中进行地震发射的设备以及实现其的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在地下岩层中进行地震发射的设备以及实现其的方法。
这种地震发射设备尤其应用在地震工作领域中，其中所探测的地下岩层的地震图象是由适当的地震接收器拾取的弹性波形成的，底层土响应于由例如机电振子的源所发射的波而不连续地反射这些波。
根据本发明的系统尤其可以用于在发展状态下的地下储集层(例如液体储藏库或者储油库)中长期监控操作，称为重复的地震勘测，其中比较在有规律的间隔上获得的底土层的地震图象，以检测在那里出现的变化作为其发展的结果。由于观测的变化是相当慢的，因此这是一个持久的操作。
本发明的背景技术地下储集层的地震监测通常是通过与不同组合形式的地下震源和接收器耦合来实现的，这些不同的组合为该源和/或接收器排列在其表面上或者在附近、或者在通过勘探过的岩层的一个或者多个井中。一系列地震发射—接收循环是根据称为走开技术(walk-away technique)的技术通过每次改变震源相对于装配了接收器的井的轴的位置、以及通过记录作为传播时间t的函数的接收器R1至Rn的到达来实现的。
在大多数情况下，使用的震源为机电振子电动液压振子、压电振子等等。例如在专利FR-2791180或者在专利US-5360951中描述了压电类型的振子。
储集层的演变的监测通常需要在相隔开间隔(spaced-out interval)上的地震监测操作。实际上，对于每个新的地震记录，必须重新安装表面地震测定设备，并且最好再现前一个地震操作的发射的条件。
监测油气层或者流体储集层的已知的方法包括利用监测系统，该监测系统包括由利用能够连接到与地震实验室连接的链接电缆上的连接装置分别永久的装配在浅井中的互连的地震接收器形成的接收天线，以及在该范围内移动的振子车。
尤其是在地下储集层的周期监测的范围内，利用例如振子的可移动源具有缺点。可移动的源在所发射的地震波的时间和空间上不具有足够的可再现性。难以将源精确地定位在前一个发射—接收周期期间占据的同一点上，并且在精确定位于同一点的情况下，难以精确地获得相同的地面耦合系数。
专利FR-2728973(US-5724311)描述了适于地下岩层的永久地震监测的方法和设备。在地下区域中的常规长期监测操作中，地震发射-接收设备永久的装配在形成地段上，因此每次又会具有稳定的操作条件相同的发射-接收位置、与该岩层耦合的相同的品质等等。该设备包括多个在表面或者埋藏在浅水平上的固定位置处的震源(例如机电振子)，这些震源通过中央控制和记录站供给或者触发。震源和连接网络能够埋藏或者永久装配在表面上，并且震源和连接网络与至少一组接收器连接，该组接收器在表面上与大地永久耦合或者与穿过地下区域的至少一个井的壁耦合。所有的这些永久装配的与周围的岩层耦合的源保持稳定，并且至少部分埋藏的这个供应网络允许在稳定的操作条件下，在不会与形成地段发生不相容的危险的条件下实现一系列的地震监测操作，其中限制这个供应网络的表面覆盖区域。
专利FR-2728973(US-5724311)描述了适用于通过一个或者多个地震发射-接收组的方式进行地下岩层的永久监测的另外一个地震设备，其每一个包括例如振子的源，以及接收天线，其由多个下放在井中并且与岩层耦合的例如地震检波器和/或水听器的弹性波接收器组成。能够将该震源设置在固定到地面上的混凝土块上的表面。最好固定到在接近井或者通过加宽在上面部分中的井的部分形成的空腔中的厚平板层砂岩上以减少与底面的测定比重的变量相关联的干扰。该接收器和源连接到外部信号采集以及控制站。允许这些设备的设置的操作是相对简单的并且在多种井中的地面覆盖区域被减小，这样便于在它们储集层形成地段中的集中。
通过利用这些永久装配的源很容易在储集层形成地段或者流体存储地段中集中，并且其与周围岩层的耦合品质是已知的并且是稳定的，一系列地震监测操作能够在相似的操作条件下实现。可以有利地比较地震道组，并且它们的差异反映出在岩层中产生的变化。
前面所述的振子通过有限的表面与岩层耦合，这具有显著的缺点。事实上，辐射图促进了表面波以及S类型波的形成，其沿水平传播，干扰记录并且使其处理复杂化。此外，它们的压缩波产生是相对低的并且由于它们的埋藏深度相对小，风化带的石弹性(petroelastic)特性的变化会因为气候条件不能被这些波完全地忽略。
发明概述根据本发明的设备适于在地下岩层中发射波。其包括一个或者更多个振子，每个振子包括两个厚平板，至少一个运动元件，其适于产生振动并且适于使其与厚平板通讯，以及用于将周期控制信号应用到该运动元件上的发生器。其特征在于该或者每个振子位于井或者空腔中并且埋入至少一个提供其与地下岩层耦合的固体材料中，这个材料与在其相对应的面的每一个的至少一部分的上部的两个厚平板相接触。
每个振子能够包括与至少一个厚平板相关联的紧固杆，以增加振子与耦合材料块的耦合。
根据一个实施例，每个厚平板包括彼此间距的设置并且通过紧固杆连接的至少两个板。
优选的，每个板的外表面以及紧固杆的外表面提供不均匀的起伏(槽型表面)以增加该设备与耦合材料耦合的面积。
能够对该槽穿孔以便于在两个板之间包含的空间内耦合材料的透过。
例如，可以使用单面涂料，以至少在振子的相对端配置提供与岩层的耦合。使用至少两种不同的涂料是可能的，第一材料在其相对的端面上分布在两个分离的块上以提供振子与岩层的耦合，并且第二材料插入在两个块之间。
由于其厚平板与耦合材料密切接触，振子的效率有所改进并且S波的发射被两个板相对方向上的运动大大地衰减。
根据最优实施例，该设备包括几个与信号发生器连接的振子，这些振子以彼此相关的间隔沿着井设置并且所有的振子都埋藏在耦合材料中。控制箱能够插入到振子和信号发生器之间，这样就能允许它们连续地被触发，以获得主要根据预定模式定向的发射。
为了允许振子的顺序触发，该设备包括例如在确定深度上与井周围的岩层耦合的地震接收器，该地震接收器与适于振子的顺序控制的采集和处理单元相连接。
其还可以包括与多个振子(例如它们紧固到固定到紧固杆上的支架上)相关联并与采集和处理单元相连接的地震接收器，采集和处理单元适于确定在不同振子的位置之间的波的传播时间，并顺序控制它们。
运动元件能够为任何类型机电、电磁、液压等等的类型。根据最优实施例，每个振子包括涂有保护套的灵敏元件柱，耦合材料与保护套接触并且与在每个其相应表面的至少一部分上部的两个端厚平板相接触。在套和灵敏元件之间的空间能够由例如油的流体填充。
根据本发明的方法能够根据定向发射模式在地下岩层中产生振动信号。其包括—在相同的井中装配几个振子，这些振子中的每个包括两个厚平板、适于产生振动并且将振动传递给板的至少一个运动元件，以及将周期控制信号应用到运动元件的发生器，将每个振子设置在井或者空腔中并且埋入到至少一个固体材料中，该固体材料提供其与地下岩层的耦合，这个材料与位于其上的相应的每个面的至少一部分上部的两端面厚平板相接触，以及—通过控制箱的方式利用在相应的触发时间之间的时延顺序控制多个振子，触发时间依赖于在振子的位置之间的间隔以及在井周围的岩层中的波的传播速度。
振子的顺序控制包括例如在固定频率f上应用振子控制信号，固定频率的相位Φi通过关系式ΦI＝2π.f.ti与频率f相关并且与时延相关。
也可以通过在其上应用不同的固定频率的控制信号，以将其分离，从而顺序地控制振子。
根据一个实施例，该方法包括与振动接收器周围的岩层耦合并且优先确认分别在每个振子和所述的接收器之间的波的传播时间。
根据另一个实施例，该方法包括增加与信号采集和处理单元连接的振子接收器并且利用在各个触发时间之间的时延顺序触发多个振子，触发时间是通过关联由多个接收器产生的信号借由所述的单元计算出的。
附图的简要说明通过下面的参考附图，以非限定性示例的方式给出的实施例的描述能够清楚的了解根据本发明的设备和方法的其他特征和优点，其中—

图1用图解法显示了埋藏在例如水泥或者类似材料的耦合材料中的振子，—图1a显示了具有分布在其外围上的紧固杆的每个振子的端面板，—图2a用图解法显示了每个振子的耦合模式，其中端面厚平板通过单面耦合材料分别与周围的岩层耦合，—图2b和2c分别显示了在每个厚平板的水平面上提供在井中的空腔以及允许产生每个空腔的特定模式，—图3用图解法显示了埋藏在井的不同深度上的几个振子的布局，其中这几个振子与表面控制系统连接，并且在考虑在井周围的岩层中的波的真实速度的情况下允许利用时延顺序控制振子，—图4用图解法显示了具有相关联的地震检波器的振子，其允许顺序控制井中的振子的另外一个模式，以及—图5用图解法显示了该设备的一个实施例，其中每个厚平板包括彼此平行排列的两个板。
详细描述根据本发明的该设备包括至少一个(并且最优的是更多个)振子V。该振子可以为机电的、电磁的、液压的等等任何类型。
在下面的描述中，我们将通过示例的方式说明振子的情况，振子包括至少一个灵敏元件(压电的或者磁力控制的)的柱1，该柱仅仅在其上的相对端的每一端上与厚平板2、3相关联。灵敏元件的柱位于相对于厚平板2、3居中，并且用可变形膜4将其覆盖。连接电缆5将柱1连接到控制信号发生器6。
振子V设置在空腔或者井W中，并且例如将水泥或者混凝土的耦合材料7例如注入该井，从而在其总长度上与柱1紧密接触，并且也与每个厚平板2、3的相对表面紧密接触。为了允许耦合材料7均匀的分布在厚平板之间的空间内，厚平板的后面一个可提供穿孔8。厚平板2、3的直径必须充分符合空腔或者井W的直径以获得最大耦合表面面积。
为了进一步改进耦合并且为了在耦合材料7的大体积中分布压力，适当长度的紧固杆9能够固定到厚平板2、3的外围。
根据图5的实施例，如在图中所示，每个厚平板2、3包括至少两个彼此平行设置并且通过紧固杆9连接的板2a、2b。为了改进与耦合材料7的耦合，每个板2a、2b和耦合棒9的外表面最好具有不均匀的起伏，诸如凹槽。如图所示，可以将诸如油的液体L填充在可变形的管状膜4以及灵敏元件的柱1之间的空间。
用于耦合的水泥必须在不发生收缩的条件下干燥，以确保良好的耦合。
不是将振子全部埋藏在耦合材料的单体积7中，而是如在图2a中所描述的，也可以通过该材料的两个体积7a、7b单独地将每个厚平板与周围岩层分别耦合。为了相对彼此隔离体积7a、7b，将另外一种材料10灌注入它们之间。一旦弄湿就具有膨胀特性的斑脱土或者类似的材料能够用于填充中间的空间。例如当耦合材料的机械特性与周围岩层的那些不同的时候，这个解决方案是有益的。
如图2b所示，如果在该井壁上的每个厚平板的水平面上设置有空腔11，那么根据变化，振子与岩层的耦合能够得到改善。为了产生这种室，例如可以使用适合的钻具或者爆炸物。一种解决方案为例如(图2c)在振子埋藏的布置点上将钻具或者爆炸物向下放入该井，杆12携带导火索的线圈13，这两个线圈有效的分离开，并且被引爆。
根据图3的实施例，该设备包括类似于图1或者5的振子沿着井W间隔排列的几个振子V1、V2、...、Vn。该振子也被埋藏在一个或者更多个耦合材料7、10中(图1或者图2a)。
利用这种布局，通过控制箱14，并利用所选择的时延顺序致动振子，将多个振子V1至Vn连接到发生器6可以获得方向性效果。
适当向下发射的振动信号因此被放大，导致在其他方向上传播的那些的损害。岩层表面的第一多次反射的幅度因此显著的减小了，该幅度的不稳定性对信号的可重复性有损害。
该触发时间例如通过下面的方式确定。
将地震接收器R(水听器、地震检波器或者优选的是这两个拾音器的组合)设置成基本上与容纳振子的井垂直或者在充分小的水平距离上，以使在每个振子和这个接收器R之间的传播时间基本上不会不同于垂直传播时间。将该接收器定位在容纳振子的井中，并且其与例如设置在表面中的采集和处理单元15相连接。如果几个接收器沿着在振子下面的井定位，例如将选择最深的一个。也可以使用在表面设置的接收器。首先测量每个振子Vi和这个接收器R之间的波的传播时间 将被应用到不同振子Vi上的时延ti(i＝1至n)具体可以通过关系式 从这些传播时间中导出，其中K为恒量，并且根据接收器R不是配置在振子组的上部就是配置在其下部，因此ε为+1或者-1。单元15通过控制箱14的方式控制这些时延应用到振子上。
如在本申请人所申请的专利申请FR-0001792中描述的那样，在振子发射每个单频率的应用中，时延通过关系式ΦI＝2πfti以与在先时间相关的频率相移形式显示出来。
根据图4的实施例，通过与每一个例如地震检波器G1的地震接收器相关联，在井中放置的振子的控制顺序触发是可能的。每个地震检波器例如紧固到装配在两个紧固杆9之间的支架16上。该地震检波器分别与在井外部的采集和处理单元15相连接。为了相对于该序列中的第一个实时调整任何振子Vi的触发延迟，在时域或者在频域，在它们之间的波的有效传播时间可以通过任何测量信号之间的延迟的方法测量出来，显著的通过在地震检波器产生的信号之间的进行交叉相关测量，并且振子Vi的触发考虑了该有效传播时间。可以通过交叉相关来进行这个时延测量。将由处理单元15计算的时延传递给控制箱14，控制箱相应地相对于第一个延迟各个振子。
已经说明了包括单个中心柱1的振子。然而，在不脱离本发明的精神的条件下，压电灵敏元件的多个柱可以插入到两个厚平板2、3之间。
权利要求
1.一种用于在地下岩层中发射波的设备，其包括至少一个振子，其包括两个厚平板(2，3)；至少一个运动元件(1)，其适于产生振动并且适于将振动传递给厚平板；以及发生器(6)，其用于将周期控制信号施加到该运动元件上，其特征在于该振子位于井或者空腔(W)中并且埋藏在提供使地下岩层与其耦合的至少一个固体材料(7，10)中，这个材料在两个端面板的相应面的每一个上的至少一个部分上部与两个端面板(2，3)相接触。
2.如权利要求1中的设备，其特征在于其包括紧固杆(9)，该紧固杆与至少一个厚平板(2，3)相关联以增加振子与耦合材料的块(7，10)的耦合。
3.如在权利要求1中的设备，其特征在于每个厚平板包括彼此间隔排列并且通过紧固杆(9)连接的至少两个板(2a，2b)。
4.如在权利要求2或者3中的设备，其特征在于每个厚平板的外表面提供有例如凹槽的非均匀起伏，以增加该设备与耦合材料(7，10)之间的耦合面积。
5.如权利要求2至4中任何一个的设备，其特征在于紧固杆提供有非均匀起伏，以增加该设备与耦合材料(7，10)之间的耦合面积。
6.如在权利要求1或者2中的设备，其特征在于将该厚平板(2，3)穿孔以便于在两个端面板(2，3)之间容纳的空间中的耦合材料的渗入。
7.如前面任何一项权利要求的设备，其特征在于其包括至少在其相反端面上，分布单面固体耦合材料，因此来提供振子与岩层之间的耦合。
8.如在权利要求7中的设备，其特征在于包括至少两个耦合材料，第一材料(7a，7b)在其相对的端面上分布在两个分离的块上以提供振子与岩层的耦合，并且第二材料(10)插入在两个块之间。
9.如前面任何一项权利要求的设备，其特征在于其包括几个与信号发生器(6)相连接的振子(V1，…，Vn)，这些振子沿着井(W)彼此间隔的排列并且都埋藏在至少一个耦合材料(7，10)之内。
10.如在权利要求9中的设备，其特征在于其包括插入在振子(V1，…，Vn)和信号发生器(6)之间的控制箱(14)以允许它们连续地被触发。
11.如在权利要求9或者10中的设备，其特征在于其包括在确定深度上与该井周围的岩层耦合的地震接收器(R)，并且该地震接收器与适于顺序控制振子的采集和处理单元(15)连接以获得主要根据预定模式的定向发射。
12.如在权利要求9或者10中的设备，其特征在于其包括地震接收器(G1)，其与多个振子(V1)相关联并且与适于确定在不同振子的位置之间的波的传播时间以及适于顺序控制它们的采集和处理单元(15)相连接以获得主要根据预定模式的定向发射。
13.如在权利要求2和12中的设备，其特征在于接收器(G1)紧固到固定到紧固杆(9)上的支架(16)上。
14.如前面任何一项权利要求的设备，其特征在于每个振子包括涂上保护套(4)的灵敏元件的柱(1)，所述的耦合材料与保护套(4)相接触并且与在其的每个相应的表面上的至少一部分上部的两个厚平板(2，3)相接触。
15.如权利要求14的设备，其特征在于在套和灵敏元件的柱之间的空间由例如油的流体填充。
16.如权利要求14的设备，其特征在于柱(1)由压电或者磁力控制的灵敏元件组成。
17.如在权利要求1至13中的任何一项的设备，其特征在于每个运动元件为机电的、电磁的或者液压类型。
18.一种根据定向发射模式在地下岩层中产生振动信号的方法，其特征在于其包括—在同一个井(W)中装配几个振子(V1，…，Vn)，每一振子包括两个厚平板(2，3)；至少一个运动元件(1)，其适于产生振动和将它们与板连接；以及发生器(6)，其用于将周期控制信号施加到运动元件，每个振子定位在井或者空腔(W)中，并且埋藏在与地下岩层相耦合的至少一个固体材料(7，10)中，该材料在其相应表面的每个的至少一部分的上部与两个厚平板(2，3)接触，以及—利用在各个触发时间之间的时延，通过控制箱(10)顺序地控制各个振子(V1，…，Vn)以获得定向的发射，该触发时间依赖于在振子的位置之间的间隔和在井周围的岩层中的波传播的速度。
19.如权利要求18的方法，其特征在于振子的顺序控制包括在固定频率f上应用振子控制信号，固定频率的相位Фi通过关系式Фi＝2π.f.ti与所述频率f相关并且与所述时延相关。
20.如权利要求18的方法，其特征在于振子的顺序控制包括应用不同固定频率的各种振子控制信号，以能够将其分离。
21.如权利要求18至20中的任何一项的方法，其特征在于其包括与地震接收器(R)周围的岩层耦合，并且在分别确定每个振子和所述的接收器(R)之间的波的传播时间之前。
22.如在权利要求18至20中的任何一项的方法，其特征在于其包括增加与信号采集和处理单元(15)连接的振子接收器(R，G1)，并且利用在各个触发时间之间的时延顺序触发多个振子，触发时间是由所述单元(15)通过计算由多个接收器所产生的信号之间的时延而计算出的。
全文摘要
本发明涉及一种用于在地下岩层中进行地震发射的设备，该设备包括一个或者更多个任何类型的振子，以及一种实现其的方法。根据最优实施例，每个振子包括在两个端面板或者厚平板(2，3)之间的至少一个灵敏元件(例如为压电类型的)的柱(1)，以及用于将振动信号应用到该柱上的信号发生器。该柱(1)涂上保护套(4)并且该振子位于井或者空腔(W)中，并且埋藏在固体耦合材料(7)的块中，该固体耦合材料与保护套(4)以及在其相应的面的每一个的至少一个部分上部的两个端面厚平板(2，3)接触，其提供该振子与周围岩层的耦合。几个这种振子能够彼此间隔的埋藏在井中。利用所选择的延迟，振子的顺序触发允许迫使该设备发射的波在优选的方向上发射。应用例如在地下储集层形成期间的反复地震监测。
文档编号G01V1/02GK1685248SQ03822532
公开日2005年10月19日 申请日期2003年9月24日 优先权日2002年9月26日
发明者P·梅尼耶, F·于盖, J·默尼耶 申请人:法国石油研究所, 地球物理学协会