使用近场与远场超低频和极低频干涉测量合成孔径雷达以用于地下成像的系统和方法

使用近场与远场超低频和极低频干涉测量合成孔径雷达以用于地下成像的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于地球物理勘探、地下流体监测的设备和处理，更具体地，涉及使用控制源电磁(“CSEM”)信号和大地电磁(Magnetoturelic)(“MT”)信号来建立地下结构和流体的图像的干涉测量技术的使用。
【专利说明】使用近场与远场超低频和极低频干涉测量合成孔径雷达以 用于地下成像的系统和方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于地球物理勘探、地下流体监测的装置和处理，并且更具体地涉及 使用控制源电磁（"CSEM"）信号和大地电磁（Magnetoturelic) ( "MT"）信号来建立地下 结构和流体的图像的干涉测量技术的使用。

【背景技术】
[0002] 现有技术涉及使用依赖于诸如水听器的监听装置的处理，该监听装置被布置在 邻近的平行井中或被协同定位在所关注的井周围。该方法通常称为微震监测（MSM)，由第 7, 872, 944号专利所代表并且通过引用并入本文中。
[0003] MSM技术具有若干基本缺点。（a)该方法是地下地层内的实际流体位置与广度的 次级指示器。（b)该方法未指示支撑剂（propant)是否已经成功地被引入地下地层。（c) 该方法不报告与地层中所存在的流体的质量或压裂有关的任何信息，而该信息可以通过对 孔隙率和电导率的测量所限定。（d)存在移动并且重新定位用于发生压裂操作的每个地下 深度的传感器阵列所需要的复杂过程。
[0004] 还存在纯理论的专利申请 "Controlled Source Fracture Monitoring"US 2010/0147512,该专利申请描述了该处理可以如何使用CSEM来进行操作，但是未描述产生 可用的成像数据所需要的方法或技术。
[0005] 在Cramer等人的US 2010/0147512中所提出的方法具有若干基本缺点。（a)在 Cramer等人的US 2010/0147512中，该方法需要对其进行修改以增强其电磁（EM)性质的 支撑剂。（b)在Cramer等人的US2010/0147512中所提出的方法需要有源发射器以使用 CSEM，或需要很长时期的数据收集以便使用TM方法。（c)在Cramer等人的US2010/0147512 中，需要通过管道、套管或钢缆工具来电学地将信号传导至地层。（d)在Cramer等人的 US 2010/0147512中，存在与将激励脉冲传递至或耦合至地层的方法有关的实际影响，这 使得所提出的方法限于仅在发生压裂操作之前或之后进行操作。（e)在Cramer等人的 US2010/0147512中，所需要的功率量将相对较大并且在压裂操作期间引入该功率将伴随问 题。功率将直接地控制调查的深度并且这可以被证明为限制因素。（f)在Cramer等人的 US 2010/0147512中，未讨论对天线进行调谐以朝向管道和周围地层从而确保AC信号的良 好耦合的处理。在缺少对天线进行调谐以朝向周围地层的关键步骤的情况下，很可能天线 将不会与地层可靠地耦合，从而由于来自地层的反射信号导致了不一致的结果以及可能的 发射器输出级故障。（g)被假定应当教示审查员关于本发明的某些方面的参考文献并未讨 论与天线的位置和极化有关的数学问题，而为了实现收敛，其对于所参考的当前的数据反 演技术而言是必须已知的。对于在Cramer等人的US 2010/0147512中所陈述的方法而言 固有的是：在压裂操作期间，该信息将是未知的并且依赖于管道的形状和尺寸以及支撑剂 和流体在地层中已经迁移的区域。
[0006] 干涉测量技术通常已经被用于许多不相关的领域中，诸如，用于医学成像的核磁 共振成像（"MRI")、天体物理学中的基线射电天文成像、对地球表面进行成像的合成孔径雷 达（"SAR"）、探地雷达（"GPR"）以及干涉测量SAR(InSAR或IFSAR)。这些系统中的每个 系统使用电磁频谱的不同部分，但是没有一个系统成功地被应用于CSEM。事实上，本领域多 数从业者期望在图像中干涉条纹包含多个为Pi的倍数的相移；然而，如以下将进一步讨论 地，对于所公开的主题而言，情况并非如此。存在如下一些相关的专利：IVAN VASCONCELOS 等人的题为"ELECTROMAGNETIC EXPLORATION"的US 2009/0302849A1，描述了使用格林公式 来解决问题的建模方法，该专利的全部内容通过引用并入本文中。还存在讨论应用于CSEM 的干涉测量技术的若干论文，这些论文是：Wapenaar等人的"Seismic interferometry by crosscorrelation and multi-dimensional deconvolution:a systematic comparison，'， 其全部内容通过引用并入本文中；以及2012年10月3日提交的Knaak等人的"3D synthetic Aperture for Diffuse Fields",其全部内容通过引用并入本文中。重要的是 要注意到：这两篇论文中的后者将其调查限于0. 25赫兹的现存海洋CSEM数据。
[0007] 干涉测量技术在较高频处较好地被理解，但是在低频处较少地被关注。
[0008] 干涉测量合成孔径雷达（IFSAR)是使用信号处理以将分辨率提高到超过物理天 线孔径的限制的已知技术-Samuel W McCandless Jr.和 Christophe R Jackson 的"SAR Marine User's Manual"描述了该技术的示例，其全部内容通过引用并入本文中。与该技术 相关联的问题之一是由于多普勒效应引起的相位展开误差，如在Olaf Hellwich的"BASIC PRINCIPLES AND CURRENT ISSUES OF SAR INTERFEROMETRY" 中所公开地，其全部内容通过 引用并入本文中。在IFSAR技术中，根据接收器的直线部署来收集固定间隔测量值并且将 该固定间隔测量值用于"合成"非常长的天线。IFSAR使得使用较长的波长并且仍以合理尺 寸的天线结构实现良好的分辨率成为可能。结合相位数据，理论上可以获得任意分辨率。
[0009] 在多分量CSEM接收器的噪声消减以及相位精度中的最近的进展允许引起场分辨 率上显著提高的额外的提高。在通过引用并入本文中的2011年7月7日提交的美国公开 专利第2012/0010818号以及通过引用并入本文中的2012年5月17日提交的美国临时专 利第61/648, 305号中公开了这样的方法和系统。
[0010] 如在扩展频谱无线传输方案中所使用的伪随机二进制（"PRB"）码的概念较好 地被理解。对所提出的用于使用PRB码进行近表面调查的系统的描述可以在2009年12 月26日提交的美国专利公布第2010/0102822号中找到，并且其通过引用并入本文中。第 2010/0102822号公布包含阻止其在本文所预想的应用中进行操作的若干约束；最重要的 是使用短PRB码的约束。使用短PRB码严重地限制了有效深度（例如，小于300m)。为了 达到可用的深度（例如，超过300m至3, OOOrn以上），该码必须非常长并且必须以非常大的 功率进行发射。在1980年提交给SEG的P. M. Duncan等人的论文"The development and applications of a wideband electromagnetic sounding system using a pseudo-noise source "描述了类似的PRB系统并且其全部内容包括在本文中。
[0011] 当前CSEM技术存在若干问题，这些问题限制了对所建立的图像进行解释的能力。 发生这些问题是因为当前系统以较大的空间不确定性来生成图像。在为了缓解该问题所进 行的努力中，本领域的多数从业者使用复杂的信号处理方法以便约束结果，其中复杂的信 号处理方法涉及使用其他数据集（诸如，地震数据）的建模以及反演。不可避免地，此方法 导致了不精确并且不确定的结论。


【发明内容】

[0012] 所公开的主题涉及用于地球物理勘探、地下流体监测的装置和处理，并且更具体 地涉及使用控制源电磁（"CSEM"）信号和大地电磁（"MT"）信号来建立地下结构和流体 的图像的干涉测量技术的使用。
[0013] 所公开的主题的目的是对在水力压裂或液化石油气（LPG)地下压裂操作期间所 引入的地下流体的监测具有特别的应用。地下压裂操作领域中的技术人员将理解在地下压 裂操作期间或之后尽快建立流体柱和填隙支撑剂的广度和质量的重要性。这对于确保压裂 处理成功并且不撞击可能包含饮用水或另一方的地下矿床的邻近结构是特别重要的。
[0014] 所公开的主题提供了不需要使用采用地震数据进行的反演的解决方案。在一个实 施例中，提供了四个步骤的处理。这些步骤中的每个可以独立地使用，但是适当地采用所有 四个处理将实现地下结构和内容的更完整的图像。
[0015] 用于该实施例的步骤为：收集并且处理来自PRB码发射的数据以提供用于第二步 骤的近场相速度的步骤；提供用于第三步骤的深度信息的雷达探测计时步骤；建立目标结 构的干涉测量图像的步骤；使用相位聚焦处理将干涉测量图像的"堆叠"建立到近场域中的 步骤。
[0016] 深度和相速度信息可以以其他方式获得；诸如，使用退出测井曲线（exiting well logs)、地质层图、以及在水力压裂情况下的所关注的压裂阶段的精确位置。每个步骤使用 相位测量接收器阵列以及相位展开处理。
[0017] 所公开的主题的目的是不需要对其进行修改以增强其电磁（EM)性质的支撑剂。
[0018] 除了 Cramer等人的专利中的需要有源发射器以使用CSEM或需要非常长的数据收 集时期以便使用TM方法的方法之外，所公开的主题的目的是示出存在依赖于在压裂处理 期间发生的地层的另一性质的第三方法。
[0019] 所公开的主题的另一目的是使得在没有将信号引导至压裂位置的中间线的情况 下能够进行来自表面的激励脉冲的发射。
[0020] 所公开的主题的又一目的是示出：与仅限于在压裂操作发生之前或之后进行操作 相反地，监测可以贯穿操作发生并且使得用户能够立刻观测到任何可能的问题。
[0021] 所公开的主题的目的是提供对于CSEM领域较新的干涉测量和化解波（defuse wave)干涉测量技术。
[0022] 所公开的主题的目的是使用高于0. 25Hz的频率来建立使所公开的主题有效所需 要的可接受的分辨率。
[0023] 所公开的主题的又一目的是通过对特定工程实现进行微调以匹配由探测波的目 标以及特性所形成的独特的特性和挑战（例如，定位接收器；将发射器定位在多于一个位 置；相位调整；相位聚焦等；以克服可能掩蔽、遮蔽或另外地隐蔽所关注的区域的困难的地 质情况），来根据真实世界干涉测量应用实现最佳结果。
[0024] 所公开的主题的目的是通过在取得读数时使所公开的主题保持静止而减小或消 除由于多普勒效应引起的相位展开误差。
[0025] 所公开的主题的目的是通过使用多个发射器位置以及使用相位聚焦技术而重新 获得在目标区域上移动源和接收器的内在优点。
[0026] 所公开的主题的又一目的是允许多个发射器位置。
[0027] 所公开的主题的目的是将干涉测量技术的使用扩展至低频电磁频谱。
[0028] 所公开的主题的目的是通过使用数据成帧技术来克服采样率和ADC分辨率的硬 件限制。
[0029] 出于对所公开的主题进行命名的目的，术语化解波干涉测量CSEM和采用CSEM的 远场干涉测量将称为"InCSEM"。针对该应用，电磁（"EM"）模式与感应极化（"IP"）模式 可以根据下述进行区分：感应极化是涉及电荷的分离与复合的缓慢的处理，而EM模式依赖 于EM波传播以及与具有不同电导率的材料之间的界面的相互作用。
[0030] 本发明使用基线无线电干涉测量的改变的并且增强的形式以使用如在本文中所 描述的专用的接收器的合理地小的阵列、其专有的信号处理方法以及成像几何结构来实现 高地下空间分辨率。

【专利附图】

【附图说明】
[0031] 图1示出了根据所公开的主题的实施例的典型的源、对象以及接收器布置。
[0032] 图2示出了根据所公开的主题的实施例的简单的、两元件的、准单色干涉计。
[0033] 图3示出了根据所公开的主题的实施例的各种接收器布局以及它们对场覆盖的 影响。
[0034] 图4a和图4b示出了根据所公开的主题的实施例的示例性相位聚焦。
[0035] 图5示出了根据所公开的主题的实施例的用于增加的相位分辨率的预想数据成 中贞技术。

【具体实施方式】
[0036] 所公开的主题涉及控制源电磁勘探（CSEM)领域，并且更具体地，解决了该技术中 与分辨率和定域性有关的各种缺点。在操作中，所公开的主题提供了用于成像的系统和方 法，该系统和方法通过以下所讨论的数据成帧技术将采用基于干涉测量的合成孔径雷达技 术的ELF或ULF电磁特性与采用过采样的控制源电磁特性相结合。本领域多数从业者期望 在图像中干涉条纹包含多个为Pi的倍数的相移；然而，对于所公开的主题而言，情况并非 如此。在关注的区域中以及在ELF和ULF频率范围内，尤其当使用小于IOHz的频率或探测 非常低的电导率地层时，干涉图案将非常弱并且将由小于Pi的干涉构成。所公开的系统能 够检测由于在表面接收器阵列处所存在的小的相移引起的小的振幅改变。提供对H场和E 场的传统CSEM测量与采用IFSAR的ULF和ELF相控阵雷达技术进行组合的方法和系统。在 美国专利公布第2012/0010818号中所公开的发射器能够根据受控电流源生成ULF和ELF 信号以提供较大的EM发射精度，以便采用近平面波前照射地下地质。在发射器处记录输出 电流、输出电压以及发射波形；例如还根据具有极大精度和分辨率的原子时钟来记录时间。 使发射器输出波形同步并且与时钟相位相干。时钟用于使所有发射器和接收器相位同步。 在一个实施例中，可以通过使用GPS同步时钟并且使所有系统时钟参照GPS同步时钟来实 现该功能。
[0037] 在一个实施例中，接收器和发射器的系统以下述方式布置：增加可以进行的独特 的测量的数量并且还减少干涉测量图像或雷达探测计时数据的不确定性。存在对在任意观 测系统（field setup)中可以部署的接收器和发射器的数量的实际限制。该实施例使用相 位相干发射的"线性调频脉冲"，该线性调频脉冲可以使用多个发射频率来建立。线性调频 脉冲信号可以根据在时间上以离散间隔改变的频率或随时间连续变化的频率而建立。相位 相干发射需要发射器和接收器二者与同一低漂移同步时钟（诸如，原子时钟或GPS同步时 钟）相干。
[0038] 继续该实施例，表面上的与多个发射频率耦合的多分量CSEM接收器和发射器布 局的组合将提供具有足够尺寸和几何定域性的数据集以使得能够建立地下地层的干涉测 量图像。将天文干涉测量技术进行修改并且重新应用于地下远场图像平面。另外，通过相 位调整的应用和相位聚焦的构思，可以通过整个地下结构来建立重叠图像的完整集合。本 发明使得能够将数据聚集成1D、2D、3D和4D成像。4D成像的构思仅仅是在连续时间间隔上 得到的多个图像。
[0039] 由美国临时专利第61/648, 305号所限定的发射器可以被实现为D类放大器。该 配置中的发射器还能够发射用于提供单频线性调频脉冲的发射的一系列正弦波形。这些类 型的波被用于较传统的GPR和IFSAR系统中并且可以应用于预想的系统中。
[0040] 参照术语表（1)。针对ELF和ULF电磁信号假定准静态限制。在该技术的实现中 所使用的基本物理原理是：当采用预想的源辐射进行照射时，具有不同电特性的不同地下 材料的边界将导致包括反射、透射和吸收能量的复杂相互作用。该技术使用等式（1)所示 的形式的斯涅耳定律

【权利要求】
1. 一种经由使用控制源电磁信号的干涉测量技术进行地下监测的方法，所述方法包括 下述步骤： a. 在表面上定位至少一个发射器，所述至少一个发射器被定位成相对于目标结构的法 线小于临界角的角度，所述临界角依赖于每个发射频率，所述至少一个发射器另外地被定 位成使得发射指向所述目标结构，所述目标结构在所述表面之下，其中，所述至少一个发射 器能够发射使用多个所述发射频率所建立的一个或更多个相位相干线性调频脉冲； b. 在所述表面上定位至少两个接收器，所述至少两个接收器被定位成使得由所述至少 两个接收器中的至少一个接收器接收来自所述至少两个发射器中的至少一个发射器的所 述发射，其中，所述至少两个接收器能够通过相位相干检测来自线性调频脉冲的小的相移 和振帖改变； C.其中，所述至少一个发射器和所述至少两个接收器与低漂移同步时钟相位相干和/ 或时间相干； d. 记录由所述至少两个接收器响应于所述线性调频脉冲所接收到的数据； e. 针对多个所述发射频率、所述角度和/或在所述表面上的所述位置，重复步骤a到步 骤d ; f. 使用数据成峽、根据所述数据来建立所述目标结构的至少一个干涉图像，其中，所述 数据成峽建立相位相干的并且与所述低漂移同步时钟相干的数据采样； g. 其中，在无需使用采用地震数据进行的反演或无需使用具有增强电磁（"EM")性质 的支撑剂的情况下实现所述地下监测的方法。
2. 根据权利要求1所述的方法，另外地包括相位聚焦的步骤，所述相位聚焦包括引入 特定相移，从而产生与所述至少两个接收器的相位中也的角度偏离。
3. 根据权利要求1所述的方法，具有至少两个发射器，并且所述方法另外地包括相位 调整的步骤，所述相位调整包括向所述至少两个发射器引入至少一个相移，其中，对于所述 至少两个发射器中的每个发射器，所述至少一个相移为相同的增量。
4. 根据权利要求1所述的方法，另外地包括相位调整的步骤，所述相位调整包括向所 述至少两个接收器引入至少一个相移，其中，对于所述至少两个接收器中的每个接收器，所 述至少一个相移为相同的增量。
5. 根据权利要求1所述的方法，另外地包括收集并且分析来自伪随机二进制（"PRB") 码发射的数据的步骤，从而产生精确地定位的电导率值并且根据所述电导率值建立相对应 的相速度，其中，还根据步骤e重复所述收集并且分析来自PRB的数据的步骤。
6. 根据权利要求5所述的方法，另外地包括关于所述近场相位和中间场速度执行雷达 探测计时，从而产生深度信息，其中，还根据步骤e重复所述执行雷达探测的步骤。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，在水力压裂或液化石油气（LPG)地下压裂操作期 间进行地下监测。
8. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述频率超过0. 25化。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个频率在时间上W离散的间隔改变。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个频率随着时间连续地变化。
11. 根据权利要求1所述的方法，具有至少两个干涉图像，并且所述方法另外地包括建 立所述至少两个干涉图像的堆叠的步骤。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少两个干涉图像的所述堆叠包括所述 目标结构的H维成像。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少两个干涉图像的所述堆叠包括四维 成像，其中，所述四维成像是在一个或更多个时间间隔上所拍摄的H维成像。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个接收器中的一个或更多个接收器 接收下述信号中的一个或更多个： 指示反射的信号； 指示零位的信号；或 作为穿过地层的结果而返回的信号，所述地层与所述目标结构相比更接近于所述表 面。
【文档编号】G01V3/38GK104471443SQ201380036517
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月17日
【发明者】詹姆斯·索科洛夫斯基, 罗伯特·佩顿, 特雷弗·K·皮尤, 亚历山大·卡利什, 马克·希基 申请人:深层成像技术有限公司