专利名称：套管深井的超声波成象方法及其装置的制作方法
本申请涉及美国专利申请S／N 60／070531(用于弯曲波成象套管深井的方法和装置(METHOD AND APPARATUS FOR FLEXURALWAVE IMAGING OF CASED WELLS))，并且要求以该申请作为优先权申请，该申请的全部内容以引用方式结合在本申请中。
一般来说，本发明涉及套管深井的超声波成象方法和装置。更具体地说，本发明涉及对(i)套管与围绕套管的地层构造之间的环形区域和(ii)所说地层构造的壁表面进行具有方位分辨率的成象和表征的方法和装置。
在钻井完成时，在井孔中设置一组套管柱，并且在套管与地层构造之间的环形区域中压入填充材料(通常为水泥)。加入水泥的主要目的是将产油层与产气层彼此分开，以及与含水层分开。
如果水泥未能将一个区域与另一个区域隔离开，加压液体可能会从一个区域渗透到另一个区域，从而降低了生产效率。特别是在某些情况下，水渗透到含碳氢化合物区域会使得油气井丧失商业价值。而从环境保护方面和经济效果方面来说，碳氢化合物渗透到含水层中也是不希望发生的。因此，对环形间隙进行成象，特别是检测水泥与流体通道之间和／或水泥与地层构造之间的界面对于可靠地确定地层构造中不同层面之间的液压隔离状态是十分重要的。
目前的开孔测井程序使用电子设备，如Schlumberger生产的FullFormation MicroImager(FMI)成象仪，或声学装置，如Schlumberger生产的Ultrasonic Borehole Imager(UBI)成象仪，这更加增强了对地层构造壁面成象的重要性。这些成象技术能够识别地层构造中的碳氢化合物矿床，和检测出断裂、喷发和冲蚀，以帮助评定油井的稳定性；但是，它们不是借助于套管工作的。
根据广泛的报道可知，现有的大部分套管深井在封井之前从未成象。这些油井之所以在封井之前从未成象，可能有下述几个原因，例如，缺乏完善的成象技术、成本太高等等。但是，现在人们认为现有套管深井的成象对于所谓的支流含油区域的检测和确认是特别需要的。
液压破裂过程中也需要贯穿套管的成象，所说的液压破裂过程通常在油井已经设置套管之后进行，用于刺激油井生产。破裂过程常常伴随着喷砂，从而地层构造中的某些层中的细砂通过套管孔洞流入钻井中，然后上升到地面，这样会损坏生产设备。如果检测到产生砂石的区域，就可以解决这个问题-例如，可以利用能够透过套管的成象技术实现这个目的。
一般来说，套管深井在井孔内不同物质的接合点处具有许多分界面。“第一分界面”位于套管中井孔流体与套管接合点处。(套管通常被称为“第一种物质”，一般由钢制成。)“第二分界面”形成在套管与和套管外壁相邻的第二种物质之间。如果在环形间隙中完全灌注了水泥，则“第二分界面”位于套管(即第一种物质)与水能(即第二种物质)之间。“第三分界面”位于水能与“第三种物质”(即地层构造)之间。
研究环形间隙内填充材料的问题刺激了各种使用声能的水泥评价技术的发展。这些技术通常分为两类(i)声波水泥评价技术，和(ii)超声波水泥评价技术。
在授予Synott等人的美国专利US-3401773中记载了一种声波水泥评价技术，这种技术使用了应用常规的、纵向分隔的声波发射器和接收器的一种测井设备。将接收的信号处理后抽取受到水泥存在或不存在影响的部分。然后分析抽取的部分以测量其能量，由此给出在套管外是否有水泥的指示信号。这种技术能够对第二分界面处的水泥缺陷给出有用的信息。但是，声波技术有很多局限性，诸如(i)方位分辨率和轴向分辨率较差，和(ii)对于套管与水泥之间的粘合质量过于敏感，因此在粘合质量较差的情况下，需要增大套管的内压，而这种内压本身会降低水泥的整体性。
超声波水泥评价仪器，例如Schlumberger制造的水泥评价仪(CET)和超声波成象仪(USI)共同在第二分界面处工作以确定在套管与地层构造之间的环形间隙中水泥或泥浆是否与套管相邻。这些仪器的测量结果基于脉冲回波技术，按照这种技术，一个受到宽带信号脉冲激励的传感器发出以接近正入射角度穿过套管的超声波，并接收所反射的回波。这种测量方法包括激励套管谐振，测量时间周期和幅值衰减速度，并分析这些数据以确定在套管附近是否存在水泥或位置不定的泥浆。这种特别适用于获得有关套管厚度信息的超声波技术记载在授予Mason的美国专利US-2538114和授予Havira的美国专利US-4255798中。这些脉冲回波技术的主要局限性在于只有很少一部分声能(即通常少于10％)能够透过套管用于探测环形间隙。
授予Broding的美国专利US-5011676声称解决了钻井套管的主要和多次反射与地层构造反射信号之间的干涉问题。Broding建议通过使用一个或多个声传感器来消除相互干涉的套管反射信号，这些传感器以处于(井孔流体)-钢分界面的压缩波和剪切波临界角之间的入射角向套管发射超声波，从而使得在套管内仅仅激励剪切波，而不产生压缩波。该方法基于这样的事实，只要水泥-套管分界面是规则的，则接收不到信号，所说环形间隙中不包含沟槽或间断，并且水泥-地层构造分界面也是平滑的。所以，当传感器接收到信号时，就存在这些缺陷中的一种或一种以上。Broding没有给出如何将所接收的信号与产生它们的散射体之间相关联的方法。此外，Broding的专利说明书中也说到，如果以大于剪切波临界角发射传感器能量，则能量无法透过套管，进入环形间隙中。本申请人发现这是不正确的。
授予Stanke等人的欧洲专利EP-0549419B1公开了用于确定油田套管液压隔离的一种方法和装置，这种方法考察套管与地层构造之间环形间隙的全部空间，并表征形成在与套管外侧接触的第二种物质与和所说第二种物质外侧相邻的第三种物质接合处的第三分界面的特性。“第三分界面”的探询是通过在一段套管上发射声波脉冲实现的。超声波传感器以相对于套管内壁落入水-钢分界面的压缩波和剪切波临界角范围内的入射角，即大约14至27度，沿套管轴向排列，使得在套管内的剪切波最佳，而排除套管内的压缩波。为了当环形间隙厚度变化时能够有效地跟踪第三分界面回波，需要设置一个接收器阵列和复合信号处理算法。此外，测量结果会受到逐渐减少的泥浆的不利影响。
如上所述，本发明的一个目的是提供一种对套管深井进行超声波成象的方法和装置，它们克服了常规方法的上述缺陷中的一种或多种。
一般来说，但不是限制本发明的范围，本发明的一个方面涉及对套管深井进行分析、成象和表征的方法，例如包含下述步骤的一种方法(i)通过使用以大于流体-套管分界面剪切临界角的一个角度发射的平行脉冲声波激励信号穿透所说套管在套管中激励弯曲波；(ii)接收一个或多个回波信号；(iii)分析这些回波以表征所说套管深井的特性；或者(iv)生成所说套管深井至少一部分的图象。此外，本发明还可以包括(iv)识别环形间隙中的散射体或构造壁面的特征物；(v)使用一种转换方法获得射向所说散射体或特征物的探测波束的覆盖区域；和(vi)利用在步骤(v)中获得的信息得到有关所说散射体或特征物尺寸的更加准确的信息。此外，本发明还可以包括(iv)生成环形间隙中散射体和／或构造壁面特征物的三维图象和(v)根据操作者的指令变换所说三维图象的大小；或(iv)生成环形间隙中散射体和／或构造壁面特征物的三维图象，和(v)重构所说三维图象以集中研究三维空间中的特定区域。
进一步，根据本发明的另一个方面，而且也不是对本发明的限制，“分析回波”可以包括下列步骤中的一个或多个(a)分析回波的传播时间，以确定环形间隙中散射体的位置；(b)分析回波的包络线幅值，以确定环形间隙内散射体在角向和轴向的近似大小；(c)分析回波的正峰值和／或负峰值以确定环形间隙内散射体的阻抗；(d)确定散射体是否为液体填充的沟槽或气体填充的沟槽；(e)分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定孔洞直径；(f)分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定套管偏心度；(g)分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定其在水泥中的波速，并分析这些波速信息以获得有关水泥机械特性的信息；(h)分析从构造壁面反射的回波幅值以检测和／或识别与井孔相交的裂隙和／或断层；(i)分析从构造壁面反射的回波的幅值和传播时间以检测和／或识别由于崩落、冲蚀和／或空腔造成的井孔直径的增大；(j)分析从构造壁面反射的回波的正峰值和／或负峰值以检测和／或识别地层构造中的倾斜层；(k)利用一种反演变换方法，按照这种方法，使用有关由于在套管中传播而先期到达回波的信息近似表示传输到环形间隙中能量的分布；(l)使用这些分布构成探测波束的分布，这样就导致回波在环形间隙中和在构造壁面处发生，并且利用一种反演变换方法与探测波束分布结合，从第三分界面回波幅值中抽取有关环形间隙中散射体和／或构造壁面上裂隙尺寸的信息；(m)分析先期到达的回波以定性地评价套管在腐蚀和穿孔方面的特性；(n)分析先期到达的回波以检测在套管-水泥分界面处是否存在气体状物质；(o)确定先期到达的回波是否类似于一个时间延长的波列(例如，振铃回声)，如果是，则表明在套管-水泥分界面中存在气体物质；(p)分析这些回波以定性表示水泥强度；(q)分析先期到达回波以抽取它们的离散特性；(r)根据所说离散特性确定套管厚度；(s)根据所说套管厚度信息确定套管金属损失状况；(t)处理在先期到达回波之后到达的回波以确定它们的重复度，定性地确定水泥强度；(u)处理在先期到达回波之后到达的回波以确定它们在水泥内的传播时间；和／或，(v)处理在先期到达回波之后到达的回波以确定它们是否产生于环形间隙中的散射体或构造壁面。
一般来说，并且同样不是对本发明的限制，通过使用平行的脉冲声激励信号以大于流体-套管分界面的剪切临界角的一个角度(大约25至29度)穿透套管，或者利用任何其它能够在套管中生成实质的、占优势或占主导地位的复合激励的方法也可以实现弯曲波激励。
一般来说，并且仍然不是对本发明的限制，本发明的又一个方面涉及用于勘查、成象、分析和表征套管深井的一种设备，例如包括以下部分的一种设备(i)用于通过使用平行脉冲声激励信号以大于液体-套管分界面剪切临界角的一个角度穿透套管而在套管中激励产生弯曲波的装置(任何类型的)；(ii)用于接收一个或多个回波的装置(任何类型)；(iii)用于分析所说回波以表征所说套管深井的装置(任何类型)；以及，可以任选的，(iv)用于生成所说套管深井至少一部分的图象的装置(任何类型)；或者，可以任选的，(iv)用于识别环形间隙中散射体或构造壁面上特征物的装置(任何类型)；(v)用于利用一种反演变换方法得出射向所说散射体或特征物的探测波束覆盖区域的装置(任何类型)；和(iv)用于使用从(v)获得的信息得出有关所说散射体或特征物大小的更加精确的信息；或者，可以任选地，(iv)用于提供生成环形间隙中散射体和／或构造壁面上特征物的三维图象的装置(任何类型)；和(v)用于根据操作者的指令改变所说三维图象大小的装置(任何类型)；或者，可以任选地，(iv)用于生成环形间隙中散射体和／或构造壁面上特征物三维图象的装置(任何类型)；和(v)用于重构所说三维图象以集中在三维空间的特定区域的装置(任何类型)。
进一步，根据本发明的再一个方面，当然也不是对本发明的限制，“用于分析回波的装置”可以包括下列部分中的一个或多个(a)用于分析回波传播时间以确定环形间隙中散射体位置的装置(任何类型)；(b)用于分析回波包络线幅值以确定环形间隙中散射体在角向和轴向的近似大小的装置(任何类型)；(c)用于分析回波的正峰值和／或负峰值以确定环形间隙中散射体阻抗的装置(任何类型)；(d)用于确定所说散射体是否为液体填充的沟槽或气体填充的沟槽的装置(任何类型)；(e)用于分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定井孔直径的装置(任何类型)；(f)用于分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定套管偏心度的装置(任何类型)；(g)用于分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定水泥中波速和利用该信息计算有关水泥机械性能的信息的装置(任何类型)；(h)用于分析从构造壁面反射回波的幅值以检测和／或识别与井孔相交的裂隙和／或断层的装置(任何类型)；(i)用于分析从构造壁面反射回波的幅值和传播时间以检测和／或识别由于崩落、冲蚀和／或空腔造成的井孔直径增大的装置(任何类型)；(j)用于分析从构造壁面反射回波的正峰值和／或负峰值以检测和／或识别构造中倾斜层的装置(任何类型)；(k)使用反演变换方法的装置(任何类型)，在该装置中使用有关由于在套管中传播而先期到达回波的信息作为传输到环形间隙中能量分布的近似；(l)使用所说分布构成探测波束分布的装置(任何类型)，由此使得回波发源于环形间隙或构造壁面；(m)用于分析先期到达回波以定性地评价套管在腐蚀和／或穿孔方面特性的装置(任何类型)；(n)用于分析先期到达回波以探测在套管-水泥分界面处是否存在气体物质的装置(任何类型)；(o)用于确定先期到达回波是否类似于一个时间延长波列的装置(任何类型)，如果是，则表示在套管-水泥分界面处存在气体物质；(p)用于分析回波以定性地表示水泥强度的装置(任何类型)；(q)用于分析先期到达回波以抽取它们的离散特性的装置(任何类型)；(r)用于根据所说离散特性确定套管厚度的装置(任何类型)；(s)用于根据所说套管厚度信息确切套管金属损耗的装置(任何类型)；(t)用于处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们的重复性，进而定性地确定水泥强度的装置(任何类型)；(u)用于处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们在水泥内的传播时间的装置(任何类型)；和／或，(v)用于处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们是否来自环形间隙中散射体或构造壁面上的特征物的装置(任何类型)。
上文所提及的激励信号可以利用一个或多个发射元件产生。类似地，上述回波可以利用一个或多个接收元件接收。
可取的是，采用包括至少一个激励装置和一个接收装置的一种组合设备(例如一个探测器，或钻具组)来实现本发明。这种组合设备可以利用测井电缆、挠性管作为钻具的一部分，或者利用一个机器人装置，设置(和垂直放置)在井孔中，并且最好能够围绕井孔转动以提供方位角信息。或者，可以借助于围绕井孔轴同心设置的多个发射器和／或接收器获得方位角信息。
通过以下附图可以更加清楚地了解本发明的某些特征和优点，在这些附图中
图1为测井工作的示意图；图2为表示在一个钻成井孔中为实现液压隔离水泥灌浆而使用的各种材料的横截面示意图；图3表示根据本发明设置的一个发射器和接收器的工作情形；图4表示激励信号在套管深井中行进的多个示例性路径，以及在这些传播过程中产生的示例性波形。
应当理解，这些附图仅仅用于说明，而不是限定本发明的边界和范围，也不是作为将不存在或没有叙及的限制读入权利要求的基础。
首先参见图1，该图为表示测井操作的一个示意图，用于获取声学数据的一个探测器10(它可以是一个独立仪器，或者是钻具或其它设备的一部分)包括一个耐压力外壳12，用带有保护套的多导体电缆14(或挠性管或其它传送装置)悬吊在井孔16中。电缆14包括使外壳12内部设备与一个数据处理系统18电连接的导体，可取的是，所说数据处理系统位于地面。在地面上设置有一个卷扬机(未示出)，该卷扬机利用所说电缆14使探测器10在井孔中下降和上升，由此横穿地层构造20。
探测器10通过向套管22内发射声脉冲并检测反射波形而获取声数据。根据本发明构成的一个装置24包括至少一个检测器和至少一个发射器。所说发射器在受到激励时产生脉冲信号。该脉冲信号射入套管22中，并由所说接收器检测到所形成的返射信号。所说数据处理系统18分析所说返射波形。在本领域中已知有许多种分析声波形的技术。一种特别有用的技术是“二进制处理技术”，如在授予Miller和Stanke的美国专利US-5859811中所记载的，该专利的内容以引用方式结合在本申请中。
图2为一横截面示意图，它表示在一个钻成的井孔中为实现液压隔离水泥灌浆而使用的各种材料。井孔16用第一种材料，通常是钢管22加固。在与第一种材料22外侧相邻处为第二种材料26。第二种材料一般为填充材料，通常指水泥，它是用泵打入套管22与地层构造20之间的环形间隙中的。水泥与水作用将套管22牢牢地保持定位。更重要的是，希望水泥能够完全填充套管22与地层构造20之间的环形间隙，从而使碳氢化合物矿层相对于其它层完全封闭。水泥代替了井孔流体，通常是泥浆形式，它们保留在套管22内部。当钻井开始生产碳氢化合物时，生产的流体(石油、水和气体)会充满套管22内部。
图3表示安装在探测器10外壳12内的装置24的发射器30和接收器32。发射器30与接收器32分开。传感器30、32以大于流体-钢分界面剪切临界角的一个角度35(相对于套管法线34测量的角度)设置。(清水-钢的剪切临界角大约为27度，盐水-钢分界面的临界角大约为29度；油-钢分界面的临界角大约为25度。)通过以大于流体-钢分界面临界角的一个角度设置传感器30、32，可以在套管中激励产生弯曲波。然后所说弯曲波在套管22中传播，并将能量散发到井孔周围的流体28和环形间隙26中。
(本领域技术人员应当理解，本发明也可以使用一个或多个按照授予Broding的美国专利US-5001676中所公开的方式配置的传感器来实施，该专利内容以引用方式结合在本申请中。)图4表示从发射器30发出并由接收器32接收的激励信号行进的多条示例性路径，以及由这种传播产生的示例性波形(在接收器32处接收到的)。所接收的波形一般包括简单的套管到达波(用A表示)，其后为可清晰分辨的第三分界面回波(用B表示)。
所检测到的第三分界面回波的数量可能是1或大于1，这取决于水泥的特性和在环形间隙中是否存在非均质物及其大小。
在不存在非均质物的情况下，如果水泥强度较软或适中，则第三分界面回波是复合波，而如果水泥强度较硬，则回波为单个波。
如果水泥较软或适中，压缩波(P)和剪切波(S)都在填充水泥的环形间隙中传播，所以在环形间隙-构造分界面处产生P-P、P-S、S-P、和S-S波镜面反射，这些反射波由井孔中的接收器检测到。如果水泥较硬，则只有剪切波能够传播，于是在环形间隙-构造分界面处产生S-S镜面反射回波。
在存在非均质物的情况下，如果非均质物的轴向(即沿着套管圆柱体轴方向)尺度大大小于发射器与接收器之间间隔，则接收器可以检测到从环形间隙与非均质物和环形间隙与构造分界面产生的多重第三分界面回波。
如果非均质物较大，则在环形间隙-非均质物分界面产生的第三分界面回波的数量取决于水泥特性，与没有非均质物存在的情况一样。
在环形间隙中填充有流体的情况下，只有压缩波能够在环形间隙中传播。在使用高强度水泥良好地填充环形间隙的通常条件下，可以预期只检测到一个第三分界面回波，而在使用轻质量水泥良好填充环形间隙的通常条件下，能够检测到一个以上的第三分界面回波(通常为PP和PS／SP波)。在存在流体填充的微环隙情况下，本发明也是有效的。在这种情况下，套管到达信号和第三分界面回波的幅值可能不同于没有微环隙的情况。
在本发明的一个优选实施例中，由接收器32检测到的信号，根据套管到达信号和环形间隙／构造壁面反射回波的行进时间和幅值，提供有关套管、环形间隙填充物和水泥-构造分界面的定量信息。套管到达信号的行进时间主要取决于T-R间隔和测量仪与套管之间的距离。
当弯曲波沿着套管传播时，其幅值以与套管厚度、套管-水泥粘结状况、和水泥声学特性相关的速率呈指数衰减。环形间隙／构造回波相对于套管到达信号的时间延迟与水泥的压缩波和剪切波波速和环形间隙厚度或引起回波的散射体位置有关。环形间隙／构造回波的幅值与弯曲波衰减速率、T-R间隔、水泥中的波速和衰减、以及水泥／构造或水泥／散射体分界面的反射率有关。可以使用套管到达信号和第三分界面回波的行进时间求得环形间隙厚度和散射体的位置，或者，水泥波速。
事实上，地下声学处理领域的技术人员可以理解，有多种分析技术可以与本发明的方法／装置结合以提供关于套管深井的有用特征信息。这些技术包括下述内容，但是不限于这些(a)分析回波的传播时间以确定环形间隙内散射体的位置；(b)分析回波包络线幅值以确定环形间隙内散射体的角向和轴向尺寸的近似值；(c)分析回波的正峰值和／或负峰值以确定环形间隙内散射体阻抗；(d)确定所说散射体是否为液体填充沟槽或气体填充沟槽；(e)分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定井孔直径；(f)分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定套管偏心度；(g)分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定水泥中的波速；(h)分析从构造壁面反射回波幅值以检测和／或识别与井孔相交的裂缝和／或断层；(i)分析从构造壁面反射回波的幅值和传播时间以检测和／或识别由于崩落、冲蚀和／或空腔造成的井孔直径的扩大；(j)分析从构造壁面反射回波的正峰值和／或负峰值以检测和／或识别构造中的倾斜层；(k)利用一种反演变换方法，按照该方法使用有关由于在套管中传播而先期到达回波的信息获得传输到环形间隙中能量的近似分布；(l)使用这些分布构成使得回波来自环形间隙和构造壁面的探测波束的分布，并使用反演变换方法与所说探测波束的结合从所说第三分界面回波幅值中获得环形间隙中散射体和／或构造壁面特征大小的信息；(m)分析先期到达回波以定性地评价套管的腐蚀和／或穿孔；(n)分析先期到达回波以检测在套管-水泥分界面处是否存在气体物质；(o)确定先期到达回波是否类似于一个时间延续波列，如果是，则指示在套管-水泥分界面处存在气体物质；(p)分析回波以定性地给出水泥强度指示值；(q)分析先期到达回波以获取它们的离散特性；(r)从所说离散特性确定套管厚度；(s)从所说套管厚度信息确定套管金属损耗；(t)处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们的重复性，进而定性地确定水泥强度；(u)处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们在水泥内的传播时间；和／或，(v)处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们是否来自环形间隙中的散射体或构造壁面。
为了说明和介绍本发明，在上文中已经描述了本发明的优选和替换实施例。但是，这样做并不是为了将本发明穷举或限制为所公开的具体形式。显然，对于本领域技术人员来说还可以作出许多改进和变化。例如，可以使用这个技术将构造壁面上的特征物，例如表征为直径扩大的崩落区域和砂石带成象。此外，这种技术还可以检测环形间隙中沟槽的位置。并且这种技术对于将与井孔相交的裂缝和／或断层、和倾斜层成象也是有用的。
因此，虽然在上文中已经讲述了本发明的各个实施例方面，但是本领域技术人员应当认识到替换元件或方法，和／或所述元件和方法的组合及置换都可以代替或增加到本申请所述的实施例和方法中。所以本发明并非由这里所述的具体实施例和方法所限定，但是由所附的权利要求书限定，这些权利要求按照下述精确定义的权利要求构成原则加以解释对于每个权利要求应当给出与说明书一致的最宽的合理解释。
不应将说明书或附图中的限制读入权利要求中(例如，如果权利要求要求一个“椅子”，而说明书和附图表示了一个摇椅，那么权利要求中的术语“椅子”不应当限制为一个摇椅，而是应当覆盖任何类型的“椅子”)。
“由……构成”、“包括”和“具有”等词语总是开放性的，而不论它们是否表现为一项权利要求的主要过渡用语或权利要求中一个要素或子要素的过渡用语(例如，权利要求为“一种机械产品，由A；B；和C构成”，一个包含2A、B和3C的装置将构成侵权；此外，权利要求为“一个小发明，由A；B构成，包括X、Y、和Z；以及C，具有P和Q”，一个包含3A、2X、3Y、Z、6P和Q的装置将构成侵权)。
不定冠词“a”或“an”意味着“一个或多个”，而真正单个的含义用诸如“一个”、“仅仅一个”或“单个”表示。
仅仅出现在权利要求前序部分中的说明性内容不应视为对权利要求的限定。
权利要求中的字词应当按照它们的基本、普通和一般含义理解，除非在说明书中可以清楚地知道采用了非一般的含义。
在权利要求中出现“用于……的装置(means for)”的短语时，其限定作用如35U．S．C．§112 所规定的；相反，不含有特定词语“用于……的装置(means for)”就意味着在构成限定时遵守“基本含义”原则，而不是按照§112 所规定的。
如果在数据处理或控制“功能”之前有短语“用于……的装置(means for)”，则意味着所构成的装置+功能要素覆盖任何及全部能够实现所述“功能”的计算机实施方式。
包含一个以上用计算机实施的装置加功能要素的权利要求不应被解释为要求每个装置加功能要素在结构上必须是独立的(例如特定的一个硬件或代码组)；而是应当将该权利要求解释为仅仅要求实现本发明的硬件／软件的全部组合作为一个整体必须至少实现该权利要求中的装置加功能要素所提出的功能。
装置加功能要素应当被解释为仅仅要求在权利要求中具体明确地指出的“功能”，而不能解释为要求在说明书中所述或在优选实施例中实现的附加“功能”或“功能限定”。
根据O．l．Corp．v．Tekmar Co．，42 USPQ2d 1777，1782(Fed．Cir．1997)判例，“从执行一系列步骤而必定得出的前序部分的内容并不将这些步骤中的每一步骤转换成步骤加功能从句”存在与一组装置加功能的设备权利要求并列的方法权利要求并不意味着，或表明该方法权利要求应当按照35U．S．C．§112 解释。参见Tekmar，42 USPQ2d，1782(“必须独立地评价每个权利要求以确定它是否受到112节6段的规制。如果仅仅因为它们使用了与受到这个条款规制的其它权利要求中类似的语言，就将不是装置加功能或步骤加功能的权利要求解释为它们是这类权利要求，事实上会造成权利要求解释的混乱。”)35U．S．C．§112 的步骤加功能条款不适用于限制描述“行为”，而是限制描述“功能”。参见Serrano v．Telular Corp．，42 USPQ2d1538，1542(Fed．Cir．1997)。如在下列权利要求中所使用的，动词“激励”、“声穿透”、“接收”、“分析”、“提供”、“确定”、“检测”、“识别”、“利用”、“近似”、“构成”、“获得”、“缩放”、“重构”、“评价”、“指示”、“抽取”、“处理”和“生成”都是用于描述行为，而不是功能或步骤。
装置加功能限定不应被解释为仅仅对说明书中所述结构的限定。参见D．M．I．，Inc．v．Deere & Co．，225 USPQ 236，238(Fed．Cir．1985)(“法条§112-6的原意只是为了避免认定装置加功能限定必须解释为仅仅覆盖在说明书中公开的装置。”)
对于保护范围较窄的权利要求的限定不应“读入”保护范围较宽的权利要求。例如，参见Tandon Corp．v．United States Int’l TradeComm’n，4 USPQ2d 1283，1288(Fed．Cir．1987)(“当在不同的权利要求中使用不同的词或短语时，都假定它们的含义和范围是存在区别的。权利要求区别原则所规定的权利要求之间的差别应是明显的假定是指应当达到这样的程度，不存在这种含义和范围的区别将使得权利要求显得多余。”)
权利要求
1.用于确定一个套管深井特征的一种方法，所说套管深井包括在地层构造中钻出的一个井孔、设置在所说井孔中被流体填充的一个套管和设置在所说套管与所说构造之间环形间隙中的水泥，所说方法包括(i)通过用平行的脉冲声激励信号以大于所说流体-套管分界面剪切临界角的一个角度穿透所说套管在所说套管中激励产生弯曲波，所说角度是相对于所说套管局部内壁法线测得的；(ii)接收一个或多个回波；和(iii)分析所说回波以确定所说套管深井的特征。
2.如权利要求1所述的一种方法，它还包括(iv)生成所说套管深井至少一部分的图象。
3.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析所说回波的传播时间以确定在所说环形间隙内的散射体的位置。
4.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析所说回波包络线幅值以确定环形间隙内散射体角向和轴向尺寸的近似值。
5.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析回波的正峰值和／或负峰值以确定环形间隙内散射体的阻抗。
6.如权利要求5所述的一种方法，其中步骤(iii)还包括确定所说散射体是否为流体填充沟槽或气体填充沟槽。
7.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定井孔直径。
8.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定套管偏心度。
9.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定在水泥中的波速。
10.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析从构造壁面反射回波的幅值以检测和／或识别与井孔相交的裂缝或断层。
11.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析从构造壁面反射回波的幅值和传播时间以检测和／或识别由于崩落、冲蚀和／或空腔造成的井孔直径的扩大。
12.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析从构造壁面反射回波的正峰值和／或负峰值以检测和／或识别构造中的倾斜层。
13.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括利用一种反演变换方法，按照该方法使用有关由于在套管中传播而先期到达回波的信息近似得出传输到环形间隙中的能量分布。
14.如权利要求13所述的一种方法，其中所说分布用于构成使得回波来自环形间隙或构造壁面的探测波束的分布。
15.如权利要求1所述的一种方法，它还包括(iv)识别环形间隙中的散射体或构造壁面的特征物；(v)利用一种反演变换方法求得指向所说散射体或特征物的探测波束的覆盖区域；和(vi)利用在步骤(v)中得到的信息获得有关所说散射体或特征物大小的更加精确的信息。
16.如权利要求1所述的一种方法，它还包括(iv)产生环形间隙中散射体和／或构造壁面上特征物的三维图象；(v)根据使用者指令缩放所说三维图象。
17.如权利要求1所述的一种方法，它还包括(iv)产生环形间隙中散射体和／或构造壁面上特征物的三维图象；(v)重构所说三维图象以集中在三维空间的特定区域。
18.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析先期到达反射回波以定性地评价所说套管的腐蚀和穿孔状况。
19.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析先期到达回波以检测在套管-水泥分界面处是否存在气体物质。
20.如权利要求19所述的一种方法，其中步骤(iii)还包括确定所说先期到达回波是否类似于一个时间延续波列，如果是，则指示在套管-水泥分界面处存在气体物质。
21.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析所说回波以给出水泥强度的定性指示值。
22.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括分析先期到达回波以获取它们的离散特性。
23.如权利要求22所述的一种方法，其中步骤(iii)还包括根据所说离散特性确定套管厚度。
24.如权利要求23所述的一种方法，其中步骤(iii)还包括根据所说套管厚度信息确定套管金属损耗。
25.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们的重复性，进而确定水泥强度。
26.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括处理在所说先期到达回波之后到达的回波以确定它们在水泥中的传播时间；利用一种反演变换方法和所说传播时间确定在水泥中的波速和／或水泥机械特性；产生波速和／或水泥机械特性的一个三维图象。
27.如权利要求1所述的一种方法，其中步骤(iii)包括处理在先期到达回波之后到达的回波以确定它们是否来自环形间隙中的散射体或构造壁面。
28.用于确定一个套管深井特征的一种方法，所说套管深井包括在地层构造中钻出的一个井孔、设置在所说井孔中被流体填充的一个套管和设置在所说套管与所说构造之间环形间隙中的水泥，所说方法包括(i)通过用平行的脉冲声激励信号以大于25-29度的一个角度穿透所说套管在所说套管中激励产生弯曲波，所说角度是相对于所说套管局部内壁法线测得的；(ii)接收一个或多个回波；和(iii)分析所说回波。
29.用于为套管深井成象的一种方法，该方法包括(i)在套管深井中主要地激励产生弯曲波；(ii)接收一个或多个回波；(iii)分析所说回波；和(iv)产生所说套管深井至少一部分的图象。
30.用于为套管深井成象的一种方法，该方法包括(i)在套管深井中生成基本由弯曲波组成的激励信号；(ii)接收一个或多个回波；(iii)分析所说回波；和(iv)产生所说套管深井至少一部分的图象。
31.用于确定套管深井特征的设备，所说套管深井包括在地层构造中钻探的一个井孔，设置在所说井孔内被流体填充的一根套管和设置在所说套管与所说构造之间环形间隙中的水泥，所说设备包括用于使用平行的脉冲声激励信号以大于流体-套管分界面剪切临界角的一个角度穿透所说套管的装置，所说角度是相对于所说套管局部内壁的法线测量的；用于接收一个或多个回波的装置；和用于分析所说回波以确定所说套管深井特征的装置。
32.如权利要求31所述的设备，它还包括用于产生所说套管深井至少一部分的图象的装置。
33.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析所说回波传播时间以确定环形间隙内散射体位置的装置。
34.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析回波包络线幅值以确定环形间隙内散射体角向和轴向大小近似值的装置。
35.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析回波正峰值和／或负峰值以确定环形间隙内散射体阻抗的装置。
36.如权利要求35所述的设备，它还包括用于确定所说散射体是否为液体填充沟槽或气体填充沟槽的装置。
37.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定井孔直径的装置。
38.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定套管偏心度的装置。
39.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析从构造壁面反射回波的传播时间以确定在水泥中波速的装置。
40.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析从构造壁面反射回波的幅值以检测和／或识别与井孔相交的断裂的装置。
41.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析从构造壁面反射回波的幅值和传播时间以检测和／或识别由于崩落、冲蚀和／或空腔造成的井孔直径扩大的装置。
42.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析从构造壁面反射回波的正峰值和／或负峰值以检测和／或识别构造中倾斜层的装置。
43.如权利要求31所述的设备，它还包括用于使用一种反演变换方法的装置，按照该方法，使用有关由于在套管中传播而先期到达回波的信息近似获得传输到环形间隙中的能量分布。
44.如权利要求43所述的设备，它还包括用于利用所说分布构成使得回波来自环形间隙和构造壁面的探测波束的分布。
45.如权利要求31所述的设备，它还包括用于识别环形间隙中散射体或构造壁面上特征物的装置；用于利用反演变换方法获得指向所说散射体或特征物的探测波束的覆盖区域的装置；和用于利用有关所说探测波束覆盖区域的信息获得关于所说散射体或特征物大小的更加精确的信息的装置。
46.如权利要求31所述的设备，它还包括用于产生环形间隙中散射体和／或构造壁面上特征物三维图象的装置；和用于根据使用者的指令缩放所说三维图象的装置。
47.如权利要求31所述的设备，它还包括用于产生环形间隙中散射体和／或构造壁面上特征物的三维图象的装置；用于重构所说三维图象以集中在三维空间的特定区域的装置。
48.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析先期到达反射信号以定性地评价套管的腐蚀和／或穿孔情况的装置。
49.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析先期到达回波以检测在套管-水泥分界面处是否存在气体物质的装置。
50.如权利要求49所述的设备，它还包括用于确定所说先期到达回波是否类似于一个时间延续波列，并且如果是，则指示在套管-水泥分界面处存在气体物质的装置。
51.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析所说回波以产生水泥强度的定性指示值的装置。
52.如权利要求31所述的设备，它还包括用于分析先期到达回波以获得它们的离散特性的装置。
53.如权利要求52所述的设备，它还包括用于根据所说离散特性确定套管厚度的装置。
54.如权利要求53所述的设备，它还包括用于根据所说套管厚度信息确定套管金属损耗的装置。
55.如权利要求31所述的设备，它还包括用于处理在先期到达回波之后到达的回波以确定它们的重复性，进而确定水泥强度的装置。
56.如权利要求31所述的设备，它还包括用于处理在先期到达回波之后到达的回波以确定它们在水泥内部的传播时间的装置。
57.如权利要求31所述的设备，它还包括用于处理在先期到达回波之后到达的回波以确定它们是否来自环形间隙中的散射体或构造壁面的装置。
58.用于确定套管深井特征的设备，它包括至少一个平行脉冲声波源，所说声波源以大于相对于所说深井局部内壁法线成25-29度的一个角度设置；至少一个声波接收器；和带有用于分析由所说接收器所接收回波的程序的一个计算机。
59.用于为套管深井成象的设备，它包括用于在套管深井中主要激励产生弯曲波的装置；用于接收一个或多个回波的至少一个接收器；用于分析所说回波的计算机；和产生所说套管深井至少一部分的图象的一个输出装置。
60.用于分析套管深井的设备，它包括一个或多个声源，其设置在能够在套管深井中产生主要由弯曲波组成的激励信号的位置；用于接收回波的一个或多个接收器；和用于分析所说回波的计算机。
全文摘要
本申请公开了利用弯曲波激励信号确定套管深井特征和/或为之成象的一种方法和设备。还公开了这种方法和设备的各种应用。
文档编号E21B47/00GK1292088SQ99803538
公开日2001年4月18日 申请日期1999年1月6日 优先权日1998年1月6日
发明者S·策罗格 申请人:施卢默格海外有限公司