用于采用表面地震或表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的3d图像的系统和方法
【专利说明】用于采用表面地震或表面到井眼地震或两者生成岩层的非 线性特性的3D图像的系统和方法
[0001] 交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月27日提交的美国临时专利申请No. 61/730417的优先权， 通过引用将该申请全文并入本文。
[0003] 政府权利
[0004] 本发明的一部分是在政府的支持下做出的（在美国能源部授予的编号为 DE-AC52-06NA2539 的合同下），并且一部分是在LLC的LosAlamosNationalSecurity的 合作研发和开发协议（CRADA)N〇.LA05-C10518之下做出的。政府可享有本发明的某些权 利。
技术领域
[0005] 本发明总体上涉及采用表面地震对岩层进行声探询，且更具体而言涉及用于采用 表面地震或者表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的2D和3D图像的系统和方 法。文中采用的"表面地震"一词包括从大约10米的深度到大约1千米的深度的地震波传 播。
【背景技术】
[0006] 声波在固体物质当中的非线性行为可以与固体物质中的裂缝或其他损伤相关，并 且有可能与应力状态和流体饱和相关。在80年代后期，岩石的非线性行为在理论和试验上 得到了研宄和确立。Guyer和Johnson(Non-LinearMesoscopicElasticity,Wiley1999) 以及Ostrovsky和Johnson(RivistadelNouvoCimento，Vol. 24,No. 7, 2001)对此给出了 概述。
[0007] 决定声波在弹性介质中的非线性相互作用的一般理论是公知的，如 Landau&Lifshitz,TheoryofElasticity, 3rdedition,PergamonPress,Oxford, 1986 所 描述的。存在被称为选择定律的具体运动学特性，其决定两个声束或声平面波之间的非 线性、非共线相互作用，如Jones,G.L.&D.R.Korbett,Interactionofelasticwavesin anisotropicsolid,J.Acoust.Soc.Am. ,35, 5-10 (1963)所公开的。根据所述选择定律， 由第一声波和第二声波的非线性混合得到的第三平面波或射束波等于第一平面波的频率 fl和第二平面波的频率f2之间的频率差。此外，根据选择定律，在第一和第二平面波的相 交区带内，针对所述介质的任何特定泊松比而言，只能以第一和第二平面波的特定交角和 频率比来生成第三平面波。Korneev,Nihei和Myer.(NonlinearInteractionofPlane ElasticWaves,LawrenceBerkleyNationalLaboratory,EarthScienceDivision,June 1998,LBNL414914)提供了对两个非共线声平面波之间的相互作用的更加全面的计算。
[0008] 具有非线性声探头的基本遥感系统一般由处于两个隔开位置处的两个声源和处 于与该声源不同的位置处的声波探测器阵列构成。所述两个声源能够生成第一和第二声波 (例如，第一和第二声束波），它们在所要探查的介质内的不同的位置处相交。能够通过第 一和第二声波与所述介质的非线性相互作用来生成第三声波（例如，第三声束波）。之后， 在接收器阵列处检测到所述第三声波。
[0009] D'Angelo等（美国专利No. 5521882)、Leggett等（美国专利No. 73〇1852)、 Khan(美国专利No. 6175536)和Johnson等（美国专利申请公开文本No.US2010/0265794) 描述了针对井眼环境内的具体应用所设计的各种系统。这些系统提供了对源自于第一和第 二声波与介质的非线性相互作用的复杂干涉图样的测量。
【发明内容】
[0010] 作为本发明的一个方面，提供了一种用于根据非线性相互作用来表征介质的特性 的方法。所述方法包括：通过设置在介质表面上的第一声源生成第一声波；以及通过设置 在介质表面上的沿第一线与所述第一声源隔开的第二声源生成第二声波，其中，第一声源 和第二声源是可控制的，从而使第一和第二声波的轨迹在介质内的混合区带内相交。所述 方法还包括：通过置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器接收通过第一声波和第 二声波在所述混合区带内的非线性混合过程生成的第三声波；以及基于所接收到的第三声 波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第一平面内的所述介质的非线性 特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第一二维图像。
[0011] 在一个实施例中，所述方法还包括将所述第一声源、第二声源移动到第二线，并基 于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平面内 的所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的第二二 维图像。在一个实施例中，可以使所述介质的第一二维图像和所述介质的第二二维图像结 合，来建立所述介质的三维图像。
[0012] 本发明的另一方面提供了一种用于根据非线性相互作用来表征介质的特性的系 统。所述系统包括设置在介质表面上的第一声源，所述第一声源被配置为生成第一声波；以 及设置在介质表面上的沿第一线与第一声源隔开的第二声源，所述第二声源被配置为生成 第二声波，其中，第一声源和第二声源是可控的，从而使得第一和第二声波的轨迹在介质内 的混合区带内相交。所述系统还包括置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器，所 述接收器被配置为接收由第一声波和第二声波在混合区带内的非线性混合过程所生成的 第三声波；以及被配置为基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有 所述第一线的第一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一 比值或两者的第一二维图像。
[0013] 在一个实施例中，所述第一声源和第二声源可移动到第二线，并且所述处理器还 被配置为基于所接收到的第三声波在大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平 面内建立所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的 第二二维图像。在一个实施例中，可以通过所述处理器使所述介质的第一二维图像和所述 介质的第二二维图像结合，来建立所述介质的三维图像。
[0014] 参考附图考虑以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他目的、特征和特性， 以及相关结构元件的操作方法和功能，以及各部分的组合和制造的经济性，将变得更加清 楚，所有附图都形成本说明书的一部分，其中在各幅图中类似的附图标记表示对应部分。不 过要明确理解，附图仅仅为了例示和描述，并非意在作为本发明限度的界定。如说明书和权 利要求中所用的那样，单数形式"一"、"一个"和"该"包括多个指示物，除非语境明确做出 其他说明。
【附图说明】
[0015] 图1是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的用于地表地震应 用的配置；
[0016] 图2是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0017] 图3是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0018] 图4是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0019] 图5示出了根据本发明的实施例由第一源生成的第一声信号、第二源生成的第二 声信号以及在非线性混合区带内由第一声信号和第二声信号的非线性混合产生的第三声 信号；
[0020] 图6A和6B分别示出了根据本发明的实施例的来自第一声源和第二声源的编码信 号；
[0021] 图7A示出了根据本发明的实施例的在接收器阵列的六个接收器处接收并记录的 两个脉冲序列的广播而产生的非线性作用所生成的计算仿真信号；
[0022] 图7B示出了根据本发明的实施例的用于在接收器阵列处提取相关信号的模板信 号；
[0023] 图7C示出了根据本发明的实施例的图7B所示的模板信号与图7A所示的每个所 考虑的接收器处的记录或测量信号的相关处理的结果；
[0024] 图8A示出了根据本发明的实施例的在接收器阵列的6个接收器处记录的含有噪 声的仿真接收信号；
[0025] 图8B示出了根据本发明的实施例的模板信号的例子；
[0026] 图8C示出了根据本发明的实施例的当图8B所示的编码模板信号与图8A所示的 噪声信号相关时从相同接收器的噪声信号所得到的信号；
[0027] 图9示出了根据本发明的实施例在介质具有恒定的声传播速度但是具有变化的 非线性地球参数时，对于第一声信号和第二声信号之间的起始时间差S和频率比d的对 (S，d)而言，在含有第一声源和第二声源的平面中的位置混合区带Mc(S，d)中的位置；
[0028] 图10示出了根据本发明的实施例的第一声源是用于生成声波的源，且第二声源 生成锥形声广播的情况；以及
[0029] 图11是根据本发明的实施例的用于实施地震测量方法的计算机系统。
【具体实施方式】
[0030] 图1是地球截面图，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的用于地表地震应用 的配置。在这一实施例中，公开了处于地表14上的相互隔开的第一和第二声源（例如，振 动器阵列）10和12。第一声源（S1) 10被配置为以第一频率n生成第一声波11，且第二声 源（S2) 12被配置为以不同于第一频率fl的第二频率f2生成第二声波13。文中采用的"声 波" 一词包括所有类型的弹性波。第一声源10和第二声源12可以包括一个或多个声波发 生元件（例如，振动元件）。声源10中的一个或多个声发生元件（例如，声学元件阵列）可 以被配置为将第一声波11朝向预期方向转向或指引。类似地，声源12中的一个或多个声 发生元件（例如，声学元件阵列）可以被配置为将第二声波13朝向预期方向转向或指引。 例如，第一声波11和第二声波13可以被指引，从而使第一和第二声波11和13在地表14 下面的岩层17的预期区域或者混合区带18内相交。换言之，第一声源10和第二声源12 可以被控制，从而使得第一和第二声波11和13的轨迹在岩层17内的混合区带18内相交。 声源10和声源12可以被配置为生成声束或声锥。接收器阵列（R) 16还被设置到地表14 上与第一声源10和第二声源12隔开的位置处。接收器阵列16位于含有第一声源10和第 二声源12的平面内。在一个实施例中，接收器阵列16与第一声源10和第二声源12位于 同一条线上。接收器阵列16被配置为检测返回地表14的第三声波15,第三声波15是由第 一声波11和第二声波13在岩层17内的混合区带18中的非线性相互作用而生成的。两个 波11和13之间的位置处（即混合区带18处）的地球的非线性特性导致了第三波15的生 成。第三波15的强度是混合区带18内的岩石的非线性度的函数。
[0031] 第三声波15具有等于第一频率fl和第二频率f2之间的差的频率f3。例如，在 具有频率fl的初级（primary)压缩（P)第一波和具有频率f2的初级压缩（P)第二波在非 线性介质内交叉或相交时，能够生成第三剪切（SV)波，其具有等于第一频率fl和第二频 率f2之间的差的频率f3。能够将这种类型的相互作用写为（P+P-SV)。尽管文中讨论了 P+P-SV的相互作用，但是应当认识到还可以设想其他类型的相互作用。下述讨论同样适 用于P+SV-SV或者两个弹性波（即压缩P波或剪切波（SV和SH模式））的非线性混合的 任何排列用以生成第三波。在下面的表1当中提供了其他类型的相互作用的例子，其中n 代表完整的排