估算远离井眼区域中纵横波速度比(Vp/Vs)的系统和方法
【专利说明】估算远离井眼区域中纵横波速度比（Vp/Vs)的系统和方法
[0001] 本申请是国际申请日为2010年4月16日、国家申请号为201080016551. 7、发明名 称为"估算远离井眼区域中纵横波速度比（Vp/Vs)的系统和方法"的进入中国国家阶段的 PCT申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2010年5月11日提交的美国专利申请序列号12/463,796的利益，该 美国专利申请要求2009年4月16日提交的61/170, 070号美国临时专利申请的优先权，二 者的全部内容都在此引用作为参考，根据35U.S.C. § 119(e)。
[0004] 政府权利
[0005] 本发明根据美国能源部签订的合作研宄和开发协议（CRADA)合同号 DE-AC52-06NA25396在政府支持下得以进行。政府可以享有本发明的某些权利。
技术领域
[0006] 一般来说，本发明涉及岩层的地震探询，更确切地说，涉及使用被配置为提供弹性 能量的井眼中震源组合产生在远离井眼的区域中非线性性质和纵横波速度比的三维图像， 以及接收并分析由三种波混合过程形成的合成第三波动。
【背景技术】
[0007] 地下特征的声波探询往往受限于实际震源的尺寸和功率，实践中，井下声波换能 器的输出受限于测井电缆的功率传输能力。高频信号具有相对短的穿透距离，而低频信号 通常要求大震源，卡在井壁上，以使传递到地层的能量最大而井眼内的有害信号最小。当 前，声波测井工具被设计为以井眼中的声波震源检测沿着井壁传播或者由井眼周围岩层线 性性质的不均匀性散射的返回声波。Leggett，III等人的7, 301，852号美国专利公开了随 钻测井工具，被设计为检测岩层的边界，以从井眼发射的两个声波震源阵列，由声波信号交 叉位置处岩石的假设的非线性混合产生第三波。这第三波被地下性质的不均匀性散射，而 散射的信号由测井工具中的传感器检测。震源阵列仅仅被公开为是定向的而没有任何进一 步的说明。
[0008] 虽然已经作出了从井眼描述勘探油气区域中地层的非线性特征的尝试，但是每种 尝试都有其自身的限制。例如，由D'Angelo等人的5, 521，882号美国专利公开的声波工具 被设计为以压力接收器记录非线性波，该非线性波有限穿透到周围岩层中地沿着井壁传播 并折射回井眼流体中。Khan的6, 175, 536号美国专利公开的方法根据从一个井眼发射到地 层之中而在第二个井眼接收的地震信号的频谱分析来估计地层的非线性程度。按照这些早 先的尝试，需要某种装置和方法在远离井眼的区域中产生非线性性质的三维图像。
【发明内容】
[0009] 根据本公开的某些方面，公开了使用传送的测井工具产生在远离井眼的区域中非 线性性质三维图像的方法。所述方法包括以特定的空间配置在井眼中安置第一震源，并且 以第一频率产生弹性能量的可控初级波束；在井眼中安置第二震源，并且以第二频率产生 弹性能量的可控初级波束，以使得两束可控波束在离开井眼的位置交叉；由传感器阵列在 井眼处接收第三弹性波至，该第三弹性波由岩层中的三种波混合过程产生，频率等于第一 与第二初级频率之间的差，以特定方向传播回井眼；根据第一震源和第二震源的布局以及 第三波信号的性质定位三种波混合区域；以及使用在井眼内的多个方位角、倾角和纵向位 置重复产生、接收和定位步骤所记录的数据来产生非线性性质的三维图像。
[0010] 根据本公开的某些方面，公开了使用传送的测井工具产生在远离井眼的区域中非 线性性质三维图像的方法。所述方法包括以特定的空间配置在井眼中安置第一震源，并且 以第一频率产生弹性能量的初级波束；在井眼中安置第二震源，并且以第二频率产生弹性 能量的初级波束；由井眼处的三分量传感器阵列接收由三种波混合过程产生的第三弹性波 至，该第三弹性波的频率等于第一与第二初级频率之间的差，传播回井眼；根据传感器阵列 接收的信号确定第三波的传播方向；根据第一震源和第二震源的布局以及第三波的传播方 向对三种波混合区域的位置进行成像；以及使用在井眼内的多个方位角、倾角和纵向位置 重复产生、接收、确定和成像步骤所记录的数据来产生非线性性质的三维图像。
[0011] 根据本公开的某些方面，公开了使用传送的测井工具产生在远离井眼的区域中非 线性性质三维图像的进一步方法。这些进一步方法共享井眼中两个震源和传感器阵列的共 同配置，但是差异在于所述震源的一个或另一个可以产生弹性能量的可控波束或波，并且 阵列中的传感器单元可以是非方向性的和三分量设备的组合。所述方法包括以特定的空间 配置在井眼中安置第一震源，并且或者以第一频率产生弹性能量的可控初级波束，或者以 第一频率产生弹性能量的初级波；在井眼中安置第二震源，并且或者以第二频率产生弹性 能量的可控初级波束，或者以第二频率产生弹性能量的初级波，使得来自两个震源的能量 在离开井眼的位置混合；由传感器阵列在井眼处接收第三弹性波的直接波至，该第三弹性 波由三种波混合过程产生，频率等于第一与第二初级频率之间的差，以特定方向传播回井 眼；根据第一震源和第二震源的布局以及第三波信号的性质定位三种波混合区域；以及使 用在井眼内的多个方位角、倾角和纵向位置重复产生、接收和定位步骤所记录的数据来产 生非线性性质的三维图像。
[0012] 根据本公开的某些方面，使用地层非线性与所述性质之间的适当关系，将井眼周 围地层的非线性性质的三维图像变换为储集层性质。图像可以是测井之时的性质，也可以 表示由时间流逝所分离的两次测井作业之间的变化。
[0013] 根据本公开的某些方面，公开了产生井眼周围岩石纵横波声速比的三维图像的方 法。这些方法是以上在段落[0005]至[0008]中讨论的产生非线性性质的三维图像的方法 的变形。
[0014] 根据本公开的某些方面，公开了使用传送的测井工具产生远离井眼的岩层非线性 性质和纵横波速度比三维图像的装置。所述装置包括第一震源，被安置在井眼中并且被配 置为以第一频率产生弹性能量的可控波束或波；第二震源，被安置在井眼中并且被配置为 以第二频率产生弹性能量的可控波束或波，以使得以第一频率和第二频率的波束或波在离 开井眼的位置交叉；以及非方向性的或三分量传感器阵列，被配置为接收第三弹性波，如果 受关注区域的非线性性质引起由三种波混合过程产生第三弹性波，该第三弹性波具有的频 率等于第一和第二频率的差，以特定方向传播回井眼；第一处理器，被安置在井眼中以控制 震源激发和第三弹性波的记录；被配置为经由测井工具的测井电缆向井口上发送数据的设 备；以及第二处理器，被设置为部分地根据所接收的第三波的性质以及第一震源和第二震 源的布局来产生三维图像。
[0015] 在参考附图考虑了以下的说明和附带的权利要求书后，本发明的这些和其他目 的、特点和特征，以及相关结构要素和部件组合的操作方法和功能，制造的技艺，将变得更 加显而易见，全部附图形成了本说明书的一部分，其中相同的附图标记指定不同图中的对 应部件。不过应当清楚地理解，所述附图仅仅是为了展示和说明的目的，不作为本发明若干 限制的定义。说明书和附带的权利要求书中所用的单数形式"某"和"所述"包括多数引用， 除非上下文明确地指示并非如此。
【附图说明】
[0016] 图1显示了根据本公开的多个方面产生在远离井眼的区域中非线性性质三维图 像的配置；
[0017] 图2显示了根据本公开的若干方面产生在远离井眼的区域中非线性性质三维图 像的配置；
[0018] 图3显示了根据本公开的若干方面产生在远离井眼的区域中非线性性质三维图 像的配置；
[0019] 图4显示了根据本公开的多个方面产生在远离井眼的区域中非线性性质三维图 像的流程图；
[0020] 图5a、5b和5c显示了当两种初至波都是射束时用于表1射束-射束交互作用的 选择规则1的数值模拟；
[0021] 图6展示了通过由非线性混合选择规则所支配的两种初至声波的非线性混合，而 产生差频第三波的几何图形；
[0022] 图7显示了本公开的若干方面在使用射束和宽束或者平面波进行成像中的应用。
【具体实施方式】
[0023] 图1显示了根据本公开的多个方面产生在远离井眼的区域中非线性性质和纵横 波速度比的三维图像的几种可能配置之一。第一震源105被安置在井眼110中，以第一频 率心产生可控的初级波束声波能量。第二震源115也被安置在井眼110中，以第二频率f 2 产生可控的初级波束声波能量。作为非限制实例，第一震源105和第二震源115都可以是 相控震源阵列并可以被配置为产生或是纵向的或是横向的可控射束。
[0024] 如图1所示，第一震源105被安置在第一工具体120上，而第二震源115被安置在 第二工具体125上。不过，本公开不限于此，因为第一工具体120和第二工具体125也可以 一起被安置在公用工具体（未显示）上。工具体120和125被安置为在井眼110内以至少 两个自由度独立地可移动，包括沿着井眼110的纵轴150的平移和围绕着井眼110的纵轴 以方位角旋转。第一震源105在井眼110中可以安置在第二震源115之上或之下。工具体 120和125可以安置在井眼110内的传送的测井工具（未显示）上。
[0025] 对于第一震源105和第二震源115的给定方位角方向，由第二震源115产生的射 束和由第一震源105产生的射束被配置为使得这些射束在远离井眼110的混合区域130中 会聚和交叉。通过将这些独立控制的射束进行组合以及改变震源1〇5、115之间的距离，混 合区域130在由这些射束和井眼纵轴150所定义的平面中移动，同时控制交叉角度。混合 区域130离井眼110的距离能够是从靠近井眼110的边缘到进入周围地下岩层大约300米 的范围。作为非限制实例，可以修改在段落[0018]引用的震源阵列中邻近元件之间的相位 差和/或时间延迟，以便在特定混合区域使初级波束的声波能量聚焦。
[0026] 在两种波之间位置处的大地非线性性质导致了第三弹性波的生成。第三弹性波 是发生在非线性材料（在这种情况下，岩层）中三种波混合的结果。在这个过程中，不同 频率 ？1和f 2上的两种会聚的非共线波也被称为初至波进行混合，在调谐和互调频率f i-f2、 4+4、2\4和2Xf 2等形成另外的波。第三波的强度是混合区域中岩石非线性的函数。作 为非限制实例，当频率为4的初至纵（P)波与频率为匕的初至横（SV)波在非线性介质中 交叉时，便产生了频率为4_4的第三纵（P)或横（SV)波。对于进一步的说明