专利名称：从钻孔产生声能量束的方法和系统及其应用的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及钻孔周围岩层的声询问，更具体地，涉及将包括井筒中的单个 传感器或者传感器阵列的声源和声学非线性的近井筒岩层的组合用作声束源。
背景技术：
地下特性的声询问(acoustic interrogation)倾向于受实际源的尺寸和功率限 制，并且在实践中井下声传感器的输出受线缆的功率传输能力限制。高频信号具有相对短 的穿透距离，而低频信号通常需要夹在钻孔壁上的较大的源以最大化对地层的能量传输并 且最小化在井筒中不需要的信号。为了产生这样的低频信号已经做过尝试，但每个尝试都 有其缺点。例如，D’ Angelo等人的美国专利No. 5521882公开了设计用来记录非线性波的 声学工具，该非线性波沿钻孔壁传播并折射回井内，该声学工具在周围岩层上的穿透受限。 正如Johnson等人(1987年)所报道的，Leggett，III等人的美国专利No. 7301852公开了用 井底组件产生以某一角度会聚的信号，该井底组件具有位于组件的相对端的传感器阵列。 以一定角度非线性混合的信号极微弱和分散，并且不会穿透深入周围岩层。鉴于这些在先 的尝试，需要一种能够在地下环境里从钻孔产生低频能量的声信号源。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种在被钻孔穿透的岩层中产生声能量束的方法。 该方法包括以第一频率产生第一声信号；以不同于第一频率的第二频率产生第二声信 号，其中第一声信号和第二声信号由位于钻孔中的传感器阵列产生；将第一和第二声信号 传输到钻孔外的岩层的声学非线性部分；通过三波混合过程组合第一和第二声信号以在岩 层中产生准直的第三信号，其中准直的第三信号以与第一和第二声信号的初始方向相同的 方向传播通过岩层，并且该第三信号具有与第一和第二声信号的频率差相等的频率和取决 于岩层的非线性性质的振幅；在第三信号从岩层中的不均勻处被反射或反向散射后，在一 个或多个接收器处接收该第三信号；分析该接收的信号来确定关于岩层的信息。根据本发明的一方面，提供了一种用于确定关于被钻孔穿透的岩层的信息的系 统。该系统包括一个或多个传感器，配置该传感器用来产生第一频率的第一声信号和产生 不同于第一频率的第二频率的第二声信号；一个或多个接收器，该接收器与所述一个或多 个传感器通信，配置该接收器用来穿过岩层检测第三信号，该第三信号是由第一和第二声 信号在钻孔外的岩层区域中相互作用产生的，其中检测的第三信号是在穿过岩层的一部分 后被检测的；处理器，该处理器可用机器可执行的指令编程来分析接收的信号以确定关于 岩层的信息。
根据本发明的一方面，提供了一种用于表征被第一钻孔穿透的岩层的非线性性质 的系统。该系统包括一个或多个传感器，配置该传感器以产生第一频率的第一声信号和产 生不同于第一频率的第二频率的第二声信号，其中该阵列设置在第一钻孔中；一个或多个 接收器，该接收器设置在第二钻孔中，并与该一个或多个传感器通信，配置该接收器以穿过 岩层检测第三信号，该第三信号是由第一和第二声信号在第一钻孔外的岩层区域中相互作 用产生的，其中检测的第三信号是在穿过岩层的一部分并从不均勻处反射后被检测的；处 理器，该处理器可用机器可执行的指令编程来分析接收的信号以确定关于在第一和第二钻 孔之间的非线性相互作用区域中的岩层的信息。当参考附图考虑以下的描述和所附的权利要求时(其构成说明书的一部分)，本 发明的这些或其他目的、特征和特点，和操作方法、结构的相关元件的功能、各部分的组合 以及制造的经济性，将会变得更加明显，其中类似的参考数字指代不同的附图中相应的部 分。然而需要明确理解的是，附图仅仅是为了说明和描述的目的，并非作为定义本发明的限 制。如在说明书和权利要求中使用的，除上下文做出清楚规定外，单数形式的“一个”、“一 种”、“该”包括复数个指示物。
图1总体上示出P波在钻孔中的三波混合现象是如何发生的，其中两个输入波以 两个不同的频率和f2在地层中被发射，作为地层的非线性性质的结果，导致具有低频率 f_ = f2_f\的第三个波的生成。图2示出根据本发明的一方面的实验测试设计方案。图3a，3b和3c示出从图2的实验测试设计方案得到的一些结果，示出由两个频率 为38kHz和43kHz的初级束混合产生的5kHz的明显相干的束信号。图4示出位于钻孔处的源和位于钻孔外的来自源的信号进行混合的混合区域的 几何形状。图5是传感器阵列的示意图连同相移Δ识和转向角θ的定义。图6是示出如何通过绕钻孔轴旋转和在垂直于钻孔轴的平面内摆动来实现阵列 平面的方位角和倾角的控制的例子的示意图。图7示出用于图2，3，4，8中的实验方案的阵列的源的分布。图和8b示出从图7的传感器阵列中的源的分布中得到的实验结果，该结果表 明可以通过转动初级束来转动5kHz的差频束。黑圆圈表明传感器阵列在砂岩块相反侧上 的位置。图8b示出转动初级束如何造成处于差频的转动束。图9a和9b示出可用于在钻孔周围生成包括三维图像的图像的实施例的一方面。图10示出执行井间层析(cross-well tomography)的实施例的一方面。图Ila和lib示出一个实施例的一方面，其中第一钻孔中的源被轴向移动并在第 二钻孔中的多个位置处被接收，该源以设计用于井间地层性质和岩床解释的方式配置。图12示出用于根据本发明的一个实施例生成第三信号的系统部件。
具体实施例方式在一个实施例中，使用传感器阵列在钻孔周围的非线性岩层中通过借助于混合两较高频率的准直的初级声信号的三波混合现象来产生声束，如图1所示。因为高频源可以 容易地安装在钻孔130中，所以两个准直的初级声信号110，120可在较高频率的宽范围上 由紧凑的阵列产生。钻孔周围的岩层140的非线性导致通常被称为参量阵列束的准直声束 150的产生，该声束具有与初级声信号之间的差相等的频率，并且具有足够的强度以传播进 入岩层相当大的距离。如所示，高频源分布在平行于钻孔轴的平面内。初级源可取决于应 用而具有多种类型，例如单极源(即各向同性辐射)或者偶极源(即等同于点力)，或者夹 在钻孔壁上或固定在位于钻孔中的工具上的单极折流源的集合。地层的非线性行为可以通过从三波混合现象导致的P波的性质的分析来表征，其 中处于两个不同频率和f2的两个入射波混合，以在f2_f1; f2+f1; 2f,和2f2等谐波频率和 互调频率处产生第三频率分量。在本发明的一方面中，三波共线混合现象被设计成在井筒 附近发生。本申请仅对结果得到的具有差频f2_f\的第三个波感兴趣。可通过位于相同的 或者另一个井筒中的一个或多个接收器记录该第三个波。这种设置如图1所示，其中示出 了具有差频的第三个波由两个初级源产生。在初级源被设置为单极折流源的情况下，在阵列的平面内刚性阻挡所述源，并且 所述源与钻孔壁接触。在传感器阵列中，以一个频率&驱动一些源和传感器，而以另一频 率&同时驱动其他的源和传感器。在临近井筒处，通过两个高频初级波在地层中的非线性 混合产生低频波(f_= f2_f\)。β是表征应力与应变之间非线性关系的非线性参数，例如 在一维情况下表现为公式ο =Κε (1+β ε+...)，其中σ是施加的应力，K是体积模量，ε 是应变。对于岩石β通常在200到1000的范围内。产生第三个波的体积由V_ = π a2LT 给出，其中a是包围源的半径，Lt是与这些频率的衰减有关的长度。应当注意的是，众所周 知波的衰减(或吸收)长度La表征降至振幅的Ι/e，并且由下式给出A=生，(1)其中f是频率(Hz)，Q是品质因数，c是波速(m/s)。Lt是表示为Lt.1 = Lr^L2"1 ^ 2W1的完全衰减长度。差频信号从体积乂_产生并通过从具有对比声阻抗的界面反射、或者通过从不均 勻处反向散射、或者通过透射至第二钻孔，而从体积I传播到相同钻孔中的接收器或者接 收器阵列。该传播发生在准直束中，准直束的宽度由k_LT决定，其中k是第三个波的波数 k_ = Ii2-Ii1 = 2 π (f^-D/co所感兴趣的另一个长度是所谓的瑞利距离LK，Le定义了束的近场和远场区域之间的界限
其中k是波数，也即k = 2 π fp/c, a是源的半径。频率fp指初级束的频率。近场 区域对应的距离Lx小于Lp。在这一区域中，束在尺寸上不变。在远场区域，即Lx > Lp，束 振幅随着束的扩展因子Lp/Lx下降。图2示出根据本发明的一方面的实验测试设计方案。在该方案中，一块Berea砂 岩210的尺寸是1. 8m*0. 4m*0. 4m 包括阵列230的各个源220的直径是2. 5cm,设置在6cm半径的圆圈内。以频率f2 = 43kHz激发一半的源，以频率A = SSkHz激发另一半的源。于 是第三个波具有频率f_ = 43kHz-38kHz = 5kHz。信号发生器240和放大器250驱动具有 频率的每一个源220，信号发生器240被配置为生成频率的信号。类似地，信号发生 器260和放大器270驱动具有频率f2的每一个源220，信号发生器260被配置为生成频率 f2的信号。位于Berea砂岩210的相反侧上的激光振动计280检测处于差频的运动，以确 保在应变测量中不会有电子干扰。图3a，3b, 3c是激光振动计280记录的图2的方案在对应于初级频率和差频的三 个频率处的一系列应变图。具体地，图3a示出了 43kHz处的初级信号，图北示出了 38kHz 处的另一初级信号。图3c示出了由两个初级信号非线性混合的参量阵列效应而得到的频 率5kHz的第三信号。如图3c所示，该第三信号继承了初级信号的准直性质。为了实验室 的实验，品质因数取50，波速取2000m/s，两个初级信号的衰减长度是0. 37m和0. 42m (分别 对于43kHz和38kHz)，而第三个波的衰减长度是3.加。具有6cm的源半径的瑞利距离大致 等于0. an。这演示了在远场区域进行应变测量。图4示出位于钻孔中的源和位于钻孔外的、来自源的信号进行耦合的混合区域的 几何形状。差频(f2_f\)束源的强度和束的聚焦效应取决于初级源的强度、钻孔周 围岩层的非线性性质和初级源的波数以及结果得到的差频。在图4中，Ic1和1 分别是与初 级频率相关联的波数。k_是与通过在地层中非线性混合而产生的频率为(f2-f\)的 第三个波相关联的波数。角度θ从对应于θ =0的水平方向开始计算，并对应于相对于 钻孔的方位角方向。认为初级源分布在半径a的圆圈内。在接收器钻孔处的与第三个波相关联的表示为ε _的应变场无量纲方程可由下式决定其中β是地层的非线性参数，ζ等于k_L，其中I = I^k1, L是钻孔分隔。ε ^P ε2是分别是频率处的应变。(从束轴测量的角度θ的)函数Da和Dw是分别起因 于源的有限宽度a和长度Lt的方向性。方向性Da由下式给出
权利要求
1.一种在被钻孔穿透的岩层中产生声能量束的方法，该方法包括以第一频率产生第一声信号；以不同于第一频率的第二频率产生第二声信号，其中第一声信号和第二声信号由位于 钻孔中的传感器阵列产生；将第一和第二声信号传输到钻孔外的岩层的声学非线性部分中；通过三波混合处理组合第一和第二声信号以在岩层中产生准直的第三信号，其中准 直的第三信号以与第一和第二声信号的初始方向相同的方向传播通过岩层，并且该准直的 第三信号具有与第一和第二声信号的频率差相等的频率和取决于岩层的非线性性质的振 幅；在第三信号从岩层中的不均勻处被反射或反向散射后，在一个或多个接收器处接收该第三信号；分析该接收的信号来确定关于岩层的信息。
2.根据权利要求1的方法，其中该一个或多个接收器位于另一钻孔中。
3.根据权利要求2的方法，其中该接收的信号通过透射、反射和反向散射由所述一个 或多个接收器来接收。
4.根据权利要求1的方法，其中该一个或多个接收器位于相同的钻孔中。
5.根据权利要求1的方法，进一步包括绕钻孔轴旋转所述传感器阵列以控制第一和第 二声信号的方位角并因此控制第三个波的方位角。
6.根据权利要求1的方法，进一步包括控制准直的第三信号在穿过钻孔轴的平面内的倾角。
7.根据权利要求6的方法，其中所述控制包括在所述阵列的至少两个传感器之间引入 相对相位的控制。
8.根据权利要求6的方法，其中所述控制包括使用一个或多个致动器来改变所述阵列 的倾角。
9.根据权利要求1的方法，进一步包括控制该准直的第三信号相对于钻孔的方位角和倾角。
10.根据权利要求7的方法，其中所述分析进一步包括处理接收的第三信号以产生岩 层的图像。
11.根据权利要求8的方法，其中所述分析进一步包括处理接收的第三信号以产生岩 层的图像。
12.根据权利要求9的方法，其中所述分析进一步包括处理接收的第三信号以产生岩 层的图像。
13.根据权利要求1的方法，进一步包括通过向第一和第二声信号之一引入包括一个或多个啁啾或扫频的时变分量，来以时变 码编码第三信号，其中所述分析包括使用所述编码来测量第三信号的飞行时间。
14.根据权利要求13的方法，其中所述时变分量包括振幅、频率、和/或相位的变化。
15.根据权利要求4的方法，进一步包括使用来自该一个或多个接收器的反馈来定向所述组合的第一和第二声信号以将接收的第三信号的信号强度最大化。
16.根据权利要求3的方法，进一步包括使用来自该一个或多个接收器的反馈来定向所述组合的第一和第二声信号以将接收 的第三信号的信号强度最大化。
17.根据权利要求3的方法，进一步包括根据β(X1)/β (X2)产生接近钻孔的岩层的非 线性性质的测量值来确定第一钻孔周围的非线性岩层的相对强度，其中β (X1)/β (X2)等 于对于所有 i 的 Σ ((measured signal (X1, Yi)) / (measured Signal(X2Ji)))与 Yi 的加权 因子的乘积，其中&是第一钻孔中的第一产生位置, 是第一钻孔中的第二产生位置，Yi是 第二钻孔中的第i个接收位置。
18.根据权利要求1的方法，其中准直的声束在方位角和倾角方向上具有定义良好的 方向性。
19.根据权利要求1的方法，其中所述分析进一步包括处理接收的第三信号以产生岩 层的图像。
20.一种用于确定关于被钻孔穿透的岩层的信息的系统，该系统包括一个或多个传感器，被配置为以第一频率产生第一声信号和以不同于第一频率的第二 频率产生第二声信号；与所述一个或多个传感器通信的一个或多个接收器，该接收器被配置为穿过岩层检测 第三信号，该第三信号是由第一和第二声信号在钻孔外的岩层区域中相互作用产生的，其 中检测的第三信号是在穿过岩层的一部分后被检测的；处理器，该处理器可用机器可执行的指令编程来分析接收的信号以确定关于岩层的信肩、ο
21.根据权利要求20的系统，其中该一个或多个传感器被配置为产生单极和偶极信号 中的至少一个。
22.根据权利要求20的系统，其中该处理器进一步可用机器可执行指令编程以便产生 岩层的图像。
23.根据权利要求20的系统，其中该一个或多个传感器以阵列配置。
24.一种用于表征被第一钻孔穿透的岩层的非线性性质的系统，该系统包括一个或多个传感器，被配置为以第一频率产生第一声信号和以不同于第一频率的第二 频率产生第二声信号，其中阵列设置在第一钻孔中；一个或多个接收器，设置在第二钻孔中，并与所述一个或多个传感器通信，该接收器被 配置为穿过岩层检测第三信号，该第三信号是由第一和第二声信号在第一钻孔外的岩层区 域中相互作用产生的，其中检测的第三信号是在穿过岩层的一部分并从不均勻处反射后被 检测的；和处理器，可用机器可执行的指令编程来分析接收的信号以确定关于在第一和第二钻孔 之间的非线性相互作用区域中的岩层的信息。
25.根据权利要求M的系统，其中该一个或多个传感器被配置为产生单极和偶极信号 中的至少一个。
26.根据权利要求M的系统，其中该处理器进一步可用机器可执行指令编程以便产生 第一和第二钻孔之间的岩层的图像。
27.根据权利要求24的系统，其中该一个或多个传感器以阵列配置。
全文摘要
紧凑传感器阵列被用作用于周围岩层的声勘探的井下仪器。该阵列可操作以同时产生第一频率的第一声束信号和不同于第一频率的第二频率的第二声束信号。可通过使用来自传输元件或电机械链接的信号的相对相位控制实现阵列的方位角旋转和倾角旋转以定位这两个信号。由于地层的非线性，第一和第二声束信号混合进入岩层，在该岩层中它们组合形成准直的第三信号，该第三信号在岩层中沿与第一和第二信号相同的方向传播并且具有与第一和第二声信号的差相等的频率。该第三信号在反射后在相同的钻孔中或在透射后在另一钻孔中被接收并被分析以确定关于岩层的信息。沿一些方位角和倾角方向产生的第三信号的记录也提供了岩层的3D图像、关于岩层3D分布的信息和流体性质和地层动态声学非线性的指示。
文档编号G01V1/46GK102057300SQ200980121863
公开日2011年5月11日 申请日期2009年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者C·司科尔特, D·P·施密特, J·A·藤凯特, K·尼赫尔, P·A·约翰松, P-Y·莱巴斯, R·古耶尔, 昆·乌 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