用于檢測地震信號以便獲得鉆孔操作過程的垂直地震剖面圖的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于檢測地震信號以便獲得鉆孔操作過程的垂直地震剖面圖的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及地震勘測方法，該方法的目的在于借助于對穿過地層傳播的地震信號的測量獲取有關鉆孔操作所感興趣的巖層構造特性的數據。
這樣的一種檢測基本上是根據對應于由一個地震源所產生的一個信號的若干反射信號的檢測時間的測量，由地震源所產生的這個信號是由振動或彈性能量脈沖構成，測量是在由地震源所產生的信號在各種深度水平被若干地質層反射之后進行的。概括地說，該檢測系統是由一個地震源和圍繞并分布的一系列用于接收直接的和反射的信號的信號接收器構成，還包括用于對由這些接收器所檢測的返回信號進行處理和數據分析的若干裝置和程序。
這種檢測技術雖然是用于鉆孔，但目前仍然用它的縮寫“VSP”(垂直地震剖面圖)來稱呼，并且使得能夠由構成地面下層的一些地層上的信號反射出發獲得對毗鄰被鉆孔的該地面下層的描述。這些各種地面下層地層的位置是根據該信號返回這些接收器伴隨的延遲時間來再現的。
用于對反射信號進行數據分析的技術還借助于以計算機保障的數據處理業已得到重大地發展，使得能夠根據鉆孔感興趣的地層以及根據該鉆孔的走向獲取信息。
用于VSP勘測的通常技術需要中斷鉆井操作，從井孔中抽出鉆具組和鉆頭，將一個或多個檢測地震檢波器放入已鉆好的鉆孔中，并在表層，或在淺層以及在靠近井處發出聲脈沖(例如通過引爆炸藥包)，以及檢測到達安裝在井內部中的地震檢波器的信號。這樣的一種操作方式不引起有關在地表層所產生的“初級”信號的誤差，并且，所檢測到的返回信號并不形成嚴重的數據分析上的困難，但還是有明顯的缺陷。這種情況導致上述操作還由于需要將鉆井操作中斷很長時間而成為一種成本高的操作，并且因此這種操作在鉆井過程中只能進行極少次數。提出鉆具組并重新插回去的操作是一種非常復雜并且有風險的操作，因此需要采用特別安全的操作步驟和預防措施。
最近，有人建議，進行這樣一些勘測應該利用在鉆井操作過程中由鉆頭所產生的同一信號作為地震源。
例如，可以引證這樣一些勘測系統，這些系統公開于授予Atlantic Richfield的美國專利4965744;授予Western Atlas Inc.的美國專利4862423、4954998和4964087，授予S.N.Elf AquAtaine的美國專利4718048和授予Gas Research Institute的美國專利5050130。
利用同一鉆井鉆頭作為地震源提供了這樣一種優點，這優點就是在鉆孔操作過程中可以進行地表測量而不干擾鉆井操作并且可以采集大量數據，然而成本低并且風險小，可以頻繁地進行檢測活動，或甚至可以連續地進行。不幸的是由鉆井鉆頭所產生的信號有如下這樣的缺陷，這缺陷就是受傳播擾動的影響并且連續地超時工作，因此，要確定由鉆井鉆頭所產生的可靠的信號以便能將它與由安裝在地層(該地層處于正在鉆探的井的周圍區域)中的檢測器所檢測到的返回信號進行有效的比較是困難的。
在

圖1中顯示出了一個鉆井設備和該地震測量數據采集系統的一些特有的部件的典型的構造，在圖中-1表示鉆塔的結構，-2表示鉆具組，在其端部裝有鉆井鉆頭，-3表示鉆井鉆頭，-4表示將旋轉運動傳輸給鉆具組2的旋轉平臺，-5表示驅動旋轉平臺4的電動機，-6表示泥漿槽，-7表示泥漿輸送泵，所述泥漿沿著該鉆具組內部流動，向下流至鉆頭3，在此處泥漿離開該鉆具組，并且沿著井流動，上升返回地面，-8表示在鉆頭3向下在地面下層內運動過程中由該鉆頭鉆出的井，在該井之內被泵7輸送的泥漿上升返回地表面，-9表示一列檢測傳感器10，這些傳感器接收由以鉆頭為代表的地震源所產生的直接的地震信號和反射的地震信號，這些信號穿過地層，借助于記錄器11被采集和記錄。
這一(幾)個檢測器通常簡稱為“地震測線”，并且通常根據最優化判據被定位于距該鉆井設備一定距離的地方，所述最優化判據使得可以從具有圍繞被鉆出的孔的一定的地表面積的區域獲取地震數據。這是指鉆孔是在陸地上進行的情況，如果鉆探操作是在近海進行，則是由水下地震檢波器構成。
被測量的返回信號通過一個轉移函數被耦合在由鉆頭產生的信號上并且通常要受到噪聲的影響。如果人們成功地探測到鉆頭信號[這種鉆頭信號的分布超出規定的時間范圍并受到強烈的環境噪聲(例如由在該鉆井設備上運轉的其他機器零件和一些泵所產生的噪聲)的影響]并將所述信號與這樣的噪聲分離開，那么這地震源就可以提供若干種很大的好處。換句話講，此刻的發明旨在解決的技術問題就是獲得足夠高的信噪比，以便得到關于該鉆孔工作所感興趣的巖性構造的性質和結構的有意義的信息。
存在于初級信號中的噪聲的強度引起了檢測量的衰減，該噪聲分量必須從這樣的一種信號中盡可能完全的被除去。
本發明是基于這樣一種技術，該技術的要點是增加大量在一個離散的時間周期內被這些檢測傳感器所收集到的大量數據的影響，以便提高所述信噪比。可匯總所述數據的期間所述的時間周期的長度受到以下這樣的因素的限制，這種因素就是在工作過程中，鉆頭的推進同時伴隨著下沉。這樣的一種技術發現了實用特性的應用范圍，例如鉆探較軟的或不那么致密的地層就產生較弱信號并且測量就必須延續更長的時間周期，以便更有意義。不幸的是，在這種情況下，鉆進更為快并且一些限制必定要面臨有關這些測量所能允許的時間周期的長度的問題，以便不損失空間分辨率，這歸因于在這些測量的過程中鉆頭的過分下沉。
這種噪聲阻止對鉆頭信號的清楚的檢測，并且導致借助于這樣一種技術也是能將該噪聲部分地除去，這種技術的要點是增加在一些離散的時間周期內重復的大量的測量的影響可以完成的結果就是更好的信噪比，但是該信噪比還不夠高。該噪聲可以根據它的特性(例如某種規則性，或以隨機峰為特征這樣的因素)來加以識別。由于在鉆孔操作過程中鉆頭/巖石耦合的偶然性，鉆頭信號包含有不可預見的分量。它具有一個脈動形自相關，并且可以借助于環境噪聲加以識別。
根據本發明的檢測方法是基于借助于檢測器10采集該返回信號(或更好一些是一些信號)以及基于返回信號同由鉆頭產生的信號的測量值的相互關系，這是在對返回信號進行處理后一通過采集和利用從一系列檢測器所獲得的鉆頭信號的一系列共同測量值(以下稱為“指示信號”)，以便獲得在極為有利的條件下對返回信號所做出的有意義的測量，這種測量值又構成了一種代表該鉆頭信號的新的指示信號。
這種相關操作的要點從定性觀點看來在于在一段時間內移動兩個待相互比較的信號，直到使它們最終對準一些非常類似的剖面為止。如果這種操作沒有產生有效的結果，那么在被比較的兩個信號之間就不存在相關性。自相關操作的要點在于將該信號與其自身相比較以識別可能的回波或混響。互相關是指示信號與借助于地震測線采集到的信號之間的相關操作。
按照這種方式，對由脈沖的時序構成的信號(帶有正或負號的強度峰)加以識別該信號被濃集于所測量的每一地球物理現象的一個單個脈沖信號中，例如由鉆頭發射的直接信號，該信號之后繼之以它的反射信號。這種信號一般由一系列脈沖構成，這些脈沖具有得到很好鑒定的相對振幅和時間坐標。
還必須將這樣一種因素考慮進去，這一因素就是指示信號實際上并不是一種理想的信號，這是因為-該指示信號由于從鉆頭到用于測量該信號的檢測器的信號傳播有其自身的延遲。由于相關時間是兩信號之間的一種相對的延遲，為了獲得在該區域所測量的地球物理數據的絕對延遲，所以，已包含在指示信號中的延遲必須加以補償;
-指示信號并不是鉆頭所產生的脈沖的唯一的時序，然而，由于例如在鉆孔設備內部的混響現象它還包括它的若干再現，這種鉆孔設備有它自身的彈性振動特性;因而利用這些檢測器所采集到的每一個信號在該處理步驟過程中必須是去混響的，以便人們能重新構組一個由鉆頭產生的有意義的信號。
用于確定指示信號的每一測量值都包含有疊加到鉆頭信號上的環境的和寄生的噪聲;為了減少這種噪聲的存在并使該信號加強，必須對檢測到的信號進行處理。
根據到目前所暴露出來的問題并根據利用鉆頭作為地震源的地震檢測技術的總的方針，現在將對根據本發明的檢測系統就其典型的構成部分參考圖1的簡圖加以討論，所述的簡圖說明了它的一典型的實施例，該實施例是用于說明的，并非為了對它加以限制。
已在以上所引用的美國專利4954998中所建議的是從所述指示信號中有效地扣除噪聲的解決辦法，所采用的方式是選擇這樣一種噪聲的頻帶，將噪聲放大，然后從指示信號中將它扣除，根據以上解決辦法用一些安裝在同一鉆具組上的不同的檢測器采集噪聲，而所用的這個檢測器指的是實質上對鉆頭信號無響應的檢測器。
不幸的是，這樣的一種技術解決辦法看起來確實不能令人滿意，因為這沒有考慮到同時存在一系列來自不同來源的信號和噪聲記錄道。這篇已有技術文獻所提出的技術結果是一種基于單獨測量存在于指示信號中的噪聲的正交化技術，然而這并不能實現統計學獨立性。事實上，為了將這種信號從輸出信號中扣除而又不產生失真，這種信號應不含任何殘留的鉆頭信號，在這樣一種情況下，考慮到以上所述先有技術的文獻，我們不可能理解這種技術是如何在工業實踐中實現的。
本發明的要點實質上在于發生指示信號。然后這種指示信號必須與用地震檢測器10所采集的信號相關。在已有技術所公開的那些方法中，被指定用來檢測由鉆頭發出的指示信號的那些檢測器一般是安裝在鉆具組上。
當使用一個單個指示信號檢測器時，選擇傳感器將是很重要的，借助于這種檢測器，很重要的是鑒別鉆頭信號，這種信號不僅很強(就它的有意義的峰具有有意義的振幅而言)，而且尤其是高質量的信號[就這樣的有意義的峰不受噪聲(這種噪聲可能使它們難以鑒定)的影響而言]。
借助于本發明的方法(該方法將一系列信號組合起來，以便將它們分解，使那些成分量不同的物理現象分離開)，操作者可以使用強信號，而不必限制自身使用不可能得到的無噪聲信號。
根據本發明的方法使得信號能有益地用于以下一種情況，在這種情況下噪聲和鉆頭信號顯示出了甚至可以比較的能譜，假若這些信號和噪聲當它們實際出現時是以在所進行的測量中按不同的規則和按不同的比例測量的統計學特性為特征的。
根據本發明，依據一系列(至少兩個或更多個)不同類型的指示檢測器的檢測獲得指示信號并對它進行處理，這些指示檢測器如下面所指出的那樣-(a)安裝在鉆塔結構1上的振動檢測器13，例如，地震檢波器、加速度傳感器、或者(無論是采用什么方式)單軸或三軸檢測器，這些檢測器供給有關環境噪聲以及有關由鉆頭運動所產生的脈沖的信息，以便通過借助于支承懸索14聯接的鉆塔-鉆具組檢測通過鉆具組傳給鉆塔的信號。事實上，人們發現，不必將檢測器直接安裝在鉆具組上，在鉆具組上，這些傳感器要進行安裝和管理是困難的并且是不方便的，這是因為操作者對鉆具組的不斷干預;
-(b)電流強度檢測器15，例如，電流表，以便測量旋轉平臺4的馬達5的電流的瞬態吸收。施加到鉆具組的部件上扭轉應力傳到同一鉆具組，傳遞到與該馬達相連接的旋轉平臺上。這些檢測器提供與振動檢測器13所測量的大小不同類型的可變化的大小的測量，然而，由于這種測量，最終導致了嚴格的相關性;
-(c)安裝在泥漿環路中(例如在泵7的輸送管道中)的壓力傳感器16。在鉆孔工序期間由鉆頭3的撞擊所產生的振動通過泥漿傳播并到達地表面。通過泥漿的傳播在這些脈沖的波至與通過鉆具組鋼的同樣的脈沖的波至之間引起了一個時間的偏移并且對混響現象不太敏感，而恰恰相反，這種混響現象就通過金屬的傳播這一方面來說達到了相當可觀的程度;
-(d)地震檢測器12，或等效的振動檢測器，安裝在與鉆具組所在場地相同的場地上，適合于從地面以不同振幅檢測由鉆機所產生的噪聲和來自鉆頭的有用信號這樣兩種信號。
這些打算彼此組合起來使用的不同類型的傳感器的每一個檢測一種通過不同傳遞方式傳播的信號;這些傳遞方式包括通過鉆具組的鋼、通過馬達的電氣連接，通過鉆孔泥漿和通過正在進行鉆孔的地層，每一種傳遞方式對信噪比具有不同的影響。
相互組合起來使用的這些檢測器的每一種提供一種信號，或更準確地講，是一種相對于其他檢測器具有一時間偏移的記錄道，在這樣的記錄道中，信號/噪聲成分呈現出不同的數，因此這些成分可以彼此分離開，以便獲取準備用于互相關的由鉆頭產生的有意義的信號。
因此，每一個檢測器提供一個一些測量值的時序，這些測量值或者以數字值或者以模擬值來表示，通常稱之為“記錄道”。
每一個記錄道由一組以數字值或模擬值表示的測量值構成，其特征在于兩個基本的數據，即一個強度值和一個時間坐標值，這些值在測定過程中可以成為測量的一個序數。
根據本發明的強度值，按照所用的檢測器，由于聲音的傳播所形成的彈性波的影響可以表示為質點速度(當用地震檢波器測量時)，可以表示為壓力(當用安裝在泥漿輸送管道上的壓力計測量時)以及可以表示為加速度(當用加速度計測量時)，或者最后可以表示為被電動機吸收的電流(當用安培計測量時)。另一種可測量的參數可以是應變，它可以使用精密應變儀測量。
由以上所提到的檢測器所獲得的那些記錄道最終是彼此相干的，并且使由鉆頭脈沖所測定的峰可以根據相關性來鑒別。
根據一個優選的實施例，這些數據的檢測和記錄可以利用數值來進行。然后將這些測量值彼此相互組合，以形成非常有意義的指示信號，這些指示信號將用于它與借助于地震測線所測定的信號的相關。用于產生這種指示信號的這些組合方法可以或多或少得到改進。
指示信號受到時間矯正或進行簡單的再分布根據這些測量的順序，測量掃描時間可以提供時間相對應性;它們可以加以濾波，以便變得類似于具有已知延遲的一個參考信號，該參考信號可以是以上所列指示信號中的一個。
例如，可以采用由檢測器13獲得的記錄道作為參考記錄道，因為鉆具組的長度和鋼中的聲速是已知的，因此，可以得到一次鉆頭撞擊和與其相對應的脈沖到達檢測器13這兩時刻之間的真實延遲的可靠的數值。
如以上已經作過的說明那樣，用于監視被指定產生指示信號的傳感器12、13、15和16……接收N個記錄道Pj(ω)，其中j＝1…N。這些記錄道被用作它們的頻率范圍內的變換(ω表示頻率)。
所謂“該頻率范圍內的變換”這種說法一般指的是將該信號分解為存在于其中的基本的正弦波振蕩，它們之中的每一個都具有它自身的相位和振幅。
結果，為了描述每一個分量，需要兩個實數，并因此使用一些復數(參考Prodi G.“Analisi Matematica”，1976，Pages 91/97)。這種變換以“富利葉變換”這一名稱著稱(見Bracewell R.“The Fourier transform and its applications”，1985)。
這個頻率范圍構成了一個非常有用的用于測定信號的區域，這歸因于呈現在這個范圍內的兩個信號之間的相關性運算的簡單性，這種運算的要點僅在于計算第一信號乘以第二信號的共軛復數(用符號“★”表示的乘積(頻率×頻率)。
此外，進行濾波運算是通過簡單地頻率乘頻率，即濾波器頻譜乘待濾波的信號的頻譜。
借助于這一必須的說明性的前言，檢測器13的記錄道P1(ω)于是根據P2(ω)…PN(ω)的值，使用以下方法加以估算。
在對指示信號(作為時間的一個函數)進行矯正(在近似的基礎上)之后，對新的值
加以計算。
水平線表示頻率平均值，而e表示空白噪聲，即被疊加到表示平均能譜｜Pj(ω)2｜的那一項上以便使該變換穩定的恒定的頻率值。這個值是個相當小的值，以至不能使信號頻譜發生有意義的變化，但又要大到足以防止在沒有信號的那些區域(以頻率計)接近0的分母值可能在公式(1)中產生過大的分數值。表達式(1)的分數表示一個使信號Pj(ω)適合于信號P1(ω)以便產生估計值 的濾波器。
值 (j＝2，……N)的每一個值構成了一個新的經過處理的指示信號，該信號再現了存在于P1(ω)中的相關的部分，即被與用其他傳感器所采集的其他信號共享的信號，這一信號最終是存在于Pj(ω)之中。
一個簡單的組合方法的要點在于計算值Pj(ω)(j＝2，……N)的總和以及將這一值用作指示信號。這一數據必須用P1(ω)的延遲加以修正，結果在存在于P1之中的相關的噪聲可忽略不計的情況下將優于單獨從P1導出的數據，并且優于由其他一些傳感器單獨提供的那些數據。
這樣測定的數值加強了那兩個指示傳感器之間的相關部分。如果取自這些指示傳感器的那兩個信號之間的相關的噪聲可以忽略不計，那么濾波器的估算是有效的，并且殘余噪聲被從求和運算中除去。反過來，如果那些指示信號之間的相關的噪聲不能忽略的話，那么就存在束縛著來自兩個不同的指示傳感器之間的鉆頭的那些信號的濾波器的失真。在這種情況，可以借助于如下處理程序進行那些噪聲的剩余扣除，所述處理程序公開于以下內容之中，并且這使得該程序有可能在進行的同時也使信號受到相當可觀的噪聲特性的影響。事實上，這一方法使得指示信號有可能同在估算一個高質量的有代表性的信號時被提高的信噪比結合起來，以便求出(甚至是從含噪聲相當可觀的信號中)有意義的鉆頭信號并將存在于同一數據中的噪聲除去。
該方法的要點在于將指示信號分解為來自幾種物理現象的成分，這幾種物理現象被總計入用那些傳感器所采集的測量數據中。一些不同指示信號彼此相互組合，同時還要注意到產生信號(強度峰，例如機械的或聲振動的，壓力的或吸收電流的，這些強度峰取自鉆頭、鉆具組部件的側碰撞、場地噪聲等等)的那些物理現象的特征在于不同的統計學分布。
該方法的目的在于通過由用指示傳感器測定的信號出發來處理來自鉆頭的碰撞，這種處理的出發點是由該操作的機械的靜態運行所產生的噪聲還有鉆具組沿井的側碰撞以及由鉆孔操作所產生的其他噪聲，只是不包括鉆頭脈沖。為了獲得這種分離，可以采納一些不同的方法，例如人們可以借助于證實一些重建的方法的獨立性，或借助于證實重建的方法具有與那些事前假定的推測相一致的統計學特性。
在兩種情況下，這種運算是借助于使指示信號相互補償來進行的，以便將可能被反褶積的相應的波至加以比較-通過“反褶積”，一種反濾波運算，目前認為這種反濾波運算有效地除去了混響以及鉆頭信號的多次反射波-為了除去存在于它們之中的混響，還可能加以濾波，以便使出自單獨的波道的脈沖響應彼此類似。
如果一個瞬時波至產生一個在一個波道中測量的信號，它不精確地產生一個脈沖，而是形成一個具有波形、一般說來時間過程極短的信號，這取決了一系列的因素，例如，傳感器的特性，被測量的維數，傳感器和加有信號的介質之間的耦合，等等。因此，可以制造一些濾波算子，當評估這些用于人工匹配來自不同傳感器的信號的濾波器時，這些濾波算子通過從對該設備的特性的了解出發以及從直接的測量數據出發對這些差別進行補償，如上文所公開的那樣。
這里公開了根據獨立性鑒別法和根據一致性要求的分離運算，為簡單起見，參考二個指示信號P1和P2P1＝aS+bNP2＝cS+dN (2)P1和P2分別通過將信號S和噪聲N疊加，并加權a、b、c、d而構成。
獨立性鑒定方法有效地利用了這樣的概念，這就是信號和噪聲不僅是相互垂直的，而且在統計學上也是獨立的。為了提供更清楚的論述以及更好地說明借助于本發明的方法對信號進行統計學處理的技術應用，在以下將更詳細地說明信號的正交性和統計學獨立性的概念的意義。
變量X和Y表示兩個隨機變量，通常稱為“隨機的”，也就是說它們顯示出一種以幾率分布為特征的性質(這里參考了Papoulis A.“Probability，random variables and stochastic processes”，2nd Edition，1984)。
統計學上的獨立性的條件指的是E[f(x)g(y)]＝E[f(x)]E[g(y)] (3)其中f()和g()是兩個無論什么種類的函數，E表示期待值(見Papoulis)。
對于由M個取樣構成的一組來說，期待值E的非常好的近似的表達是利用下式 (4)同時，以公式(3)所表達的條件隱含著在x和y之間的相關，即E[xy]＝E[x]E[y] (5)對于相應于根據本發明處理地震數據的實際情況的應用顯示出特殊的意義。在真實實際情況中，存在著一個非限定性條件，即該數據具有零平均E[x]＝E[y]＝0 (6)且同樣情況對于它們的奇數次乘方還保持成立。
E[x(2n+1)]＝E[y(2n+1)]＝0 n＝0，1，2，…(7)從表達式(5)和(6)可以看出，x和y是彼此垂直的，即E[xy]＝E[x]E[y]＝0 (8)類似地，公式(3)和(7)保證用式(3)的第一項表示的相互動量對于階數比隨機變量x和y的第一階冪高的奇數次冪來說是零。
利用這些說明性的前提，通過將這一類型的處理方法運用于指示信號，該程序如下在只有兩個指示信號，P1和P2的簡單情況下，這兩個信號P1和P2與適當的系數(或權)相組合，以便得到x和y的組合，并且借助于式(8)，驗證由這樣的組合定義的重組信號是否彼此不相關，并且進一步驗證所述統計學上的獨立性。這樣的驗證使得組合(x，y)的區域中的一點得以設定，這樣就得出了所探尋的問題的解決辦法。通過增加組合的區間的范圍和驗證正交性和獨立性的次數對一系列信號進行擴展。
這點確定了指示信號結合的加權函數，以便基本上達到統計學上的獨立性并且不僅僅獲得不同組合的不相關性，這如在已有技術中所描述的那樣。換句話講，借助于本發明的方法，將來自鉆頭的信號通過將指示傳感器信號分解為統計學上的獨立的波至的方式加以集中和區分。
根據本發明的一個不同的實施例，一個進一步的驗證方法的要點在于將疊加在一起的過程分離成根據式(2)的幾個指示信號，同時驗證這些重組過程具有與事先根據該現象的物理性質假定的那些特性一致的統計學上的特性，這要借助于使用x和y變量的第n個動量，對于變量x來說，這可以表示為mn＝E[xn] x＝1，2，……N (9)事實上，借助于利用統計學上的假設可以引入一些條件，這些條件不僅與第一動量(平均值)或第二動量有關(相關性的統計學定義)，而且與較高階的動量相關。
這樣的一個進一步的驗證方法憑借了“峰態”(Kurtosis)(見Walden A.T.，1985，Non-Gaussian reflectivity，entropy and deconvolutionGeophysics，Vol.50，No.12，pages 2862-2888)，所述“峰態”是用該變量的第二動量的平方去除第4動量計算出來的。驗證這樣的條件的所得到信號的組合然后就是所尋求的解。
為了說明性的目的，當被疊加到根據式(2)的信號上的鉆頭信號和噪聲具有脈沖自相關性而彼此不相關時，可以將這種情況考慮進去。它們產生一個脈沖峰，既是自相關，又與信號(2)互相關，因此不可能知道它們之中的這一個或那一個對這樣的信號的貢獻達到什么程度。
如果噪聲和鉆頭信號不具有相同的統計學特性，并且其中之一，例如第1個，是以隔離脈沖信號為特征(如同對于鉆具組的側撞擊所發生的情況那樣)，峰態被證實是一個估算手段，這種手段較高階的統計學特性是敏感的并且最終成為存在隔離峰的一種良好的指示(峰態大于3并且該峰上升的越高則被隔離的程度越大)。這種性質使得最大(或最小)的峰態條件可能受到帶有適合的系數的信號(2)的組合的影響，或者更一般地講，是受到所述組合的一些函數的影響。該組合以及從而鑒別它的權函數(它們遵守這樣的一種最大或最小條件)就是所要尋求的解，因為這個解將較高的峰態過程(例如以隔離峰為特征的噪聲)與較低的峰態過程(例如由鉆頭發射的更為均勻的信號)完全隔離開。在相反的情況下，即反過來噪聲比起鉆頭信號具有更高的均勻性時(在這種情況下，較高的峰態過程是鉆頭信號過程)同樣的分離方法仍然保持同樣的效果。此外，這種驗證方法使得一個良好的鉆頭信號可以重新構成。
用以上所公開的方法處理的指示信號而后被用于代表初始信號的指示信號和用地震測線的地震檢波器10所采集的信號之間的互相關。
借助于到目前為止所公開的處理方法所獲得的結果是代表鉆頭脈沖并與它的噪聲分量分離開的一種高質量的地震信號。
實例在S.Margherita Staffora(PV)的市區范圍內，在型號為Casanova Staffora 1 of Agip S.P.A的鉆孔設備上，按照以下方式在現場對根據本發明的方法進行檢驗。
利用多組信號進行記錄，每次記錄時間長24秒，每一組(20-21次記錄)總的時間大約為500秒。鉆頭每鉆進2米之后開始記錄。
在圖2中給出了鉆孔場地和各種設備及連接機構的位置的頂視圖，地震測線的構造標示在圖3的地圖中。選擇這樣的一種布置草圖是為了識別和區分由外部環境噪聲源所產生的噪聲或“寄生噪聲”，即可以求和并掩蓋由鉆頭產生的噪聲的那種噪聲。特別是記錄測線被設置在被認為是最無噪聲的地區(所謂最無噪聲是就寄生噪聲，例如道路交通或其他由于人類在這一地區的活動所產生的噪聲而言)，這是根據一幅具有等級差別和具有以下參數的草圖-內區間(intertrace)，即兩相鄰監聽點之間的距離，20米;
-10Hz地震檢波器;
-記錄測線或地震測線的每一個監聽點是由12個等間隔的地震檢波器(垂直分量區)，將它的信號求合。
安裝在鉆孔設備上的信號檢測裝置是-壓差檢測儀16，被設置在輸送管道的通路上。
-電流表，安裝在電源系統上，該系統為驅動轉動平臺的電動機提供電源;
-地震檢波器13(垂直分量z)，以剛性方式用鍵固定到鉆孔鉆塔的框架上。
現場上的監聽點由一些地震檢波器12構成，它們其中的一些具有垂直分量z，而其他的則具有三個分量(x，y，z)，安裝在泥漿泵和發電機單元附近。
用于該試驗的數據采集系統的設備的技術性能和要求如下-記錄儀Sercel型 SN-348波道數 128控制系統 IFP控制動態特性 84db數據格式 GRC 6250 BPI SEG B記錄道數 9-地震檢波器類型 傳感器SM4固有頻率 10Hz阻抗 70歐姆每個鉆具組的數量(Number per string) 12-壓力計制造廠家 PCB Piezoelectronics Inc.
型號 H112AS/N 6720范圍 0-3000psi最大壓強 10000psi分辨率 0.004psi
靈敏度 1.26pC/psi線性度 1%FS固有頻率 300KHz尺寸-直徑 1.23英寸-長度 0.25英寸重量 5克-電流表這是一個用于測量電動機所通過電流的測量儀表。該電流表提供一種電信號，該電信號與驅動轉動平臺的電動機所通過的電流的變化成正比，通常測量所述電流的變化，為了控制施加到鉆具組上的扭矩。
在緊急情況下，將該電流表安裝到電動機電源電纜上，它產生一個0至100mV范圍內的電壓信號。然后，將這樣的一個信號放大至0-10V范圍，再將它傳送到一個測量系統，該系統將它轉變為千克米。該信號首先用一個外圍設備單元將其由模擬量轉變為數字量之后，這樣的一些數據在現場操作控制監測器上進行實時顯示并記錄到現場計算機的存儲器中。
記錄測線設計在地面上，若干個測點按10米的規則距離設置，在每一個第二測點(即在那些帶有偶數的順序號的測點)安裝一組地震檢波器，所采用的方式為從圖3中的100測點出發至220測點為止。該記錄測線始自距該井100米處，延續到西北方1200米處。
數據采集操作持續大約3個月。24秒長的信號記錄了6633個。信號的采集是成組地按照鉆頭每鉆進2米的間隔(并不總是完全規則地)從-743m的深度進行到-1837m的深度。
而后，所采集的數據借助于前面所公開的技術利用數字處理方法進行處理，以便識別出由鉆頭所產生的信號直接波至，也就是為了檢驗它們的“屬性”，以及與鉆孔設備的物理性質的關系。
除去直接波至之外，還要辨別可被再傳送到在鉆頭之下被反射的波至的其他成分，這些成分被用來完成相關的VSP斷面圖。
通過按照4毫秒的抽樣頻率對若干個24秒長的信號的單記錄數據進行處理，獲得了以下例子中報告的結果。關于在圖4、6和7的無關化曲線圖中所報導的數據，在橫座標軸上標出那個角(按六十進制的度計)，所考慮到的指示記錄道與該角相組合，不用說，借助這種表達方式，第一個指示記錄道被乘以所述角的余弦，而第二個指示記錄道被乘以所述角的正弦，并且所得的值彼此相加，以便得到該組合。
為了驗證這種獨立性，必須根據前面所述的那些公式利用兩個組合(當考慮到兩個指示信號時)。
它們是按照以下所述獲得的對于每一個組合，要確定最好地驗證了正交條件的其他組合。而后，對于這樣的一些對，檢驗較高的動量，于是得到所記錄的曲線圖。
相反，在縱座標上記錄了與被檢測尺寸的最大值相關的振幅。中心線表示零軸，該曲線圖的上部的值是正值。在這種情況下所測的尺寸，對于X和Y的偶次冪，是式(3)的相對偏差，換句話講，所測的尺寸是公式(3)的第一項與第二項之間的差，對于以上所引述的組合對的偶數次動量，要除以同一公式的第一項。無論何時這一相對偏差總是零，于是，獨立性條件(3)被驗證。
關于在圖4、5、6和8的相關曲線圖中所記錄的尺寸，在縱座標t(s)上時間分布表示相關時間，所述相關時間的零值應該考慮在該圖的分布中的2.0秒處。換句話講，時間0.0表示相關時間-2.0，時間4.0表示相關時間2.0，等等。
圖4和6的曲線圖(上部)的相關性表示對于具有地震測線的相同的記錄道的指示信號的不同組合重復的相關性。在這種情況下，水平座標是獨立曲線圖(下部)的同一個角。
在圖5和8的曲線圖中，觀測沿著地震測線的信號。這些圖的水平座標表示離開井的距離，該距離在所指示出的預先選擇的測線記錄道的間隔之內變化。
對以下所報導的那些例子的總的觀察表明獨立性檢驗曲線圖通過借鑒驗證相關性的過程使得不同性質的處理方法之間的整個走向和分隔點通過觀察在驗證相關性中的這些方法的作用有可能被清楚地定位。特別是對于那些被標出的數據可以觀察到一個清晰的脈沖信號，這個脈沖信號對應于來自鉆頭的信號的直接波至，該信號在2秒后立即到達(在附圖的范圍內)。此外，對于相應的組合值，噪聲的分離也是很清晰的。這些點利用設在這些圖的下部的一些箭頭來識別。
應該詳細說明的是在以下例子中的反褶積運算指的是所謂的“尖峰信號”反褶積算子長度2秒以及加上去的0.5%的空白噪聲(見0.Yilmaz，“Seismic Data Processing，1987，Society of Exploration Geophysicists，Pages 100，101，103，114 and 116)。
例1所使用的指示信號是由安裝在泥漿系統中的壓力計提供的記錄道和安裝在鉆塔上的傳感器-地震檢波器的記錄道。進行這些測量是在鉆頭在864米的深度進行鉆孔(這是相對于旋轉平臺)的同時。
進行以下處理步驟1.對鉆塔信號進行反褶積;
2.根據式(1)利用壓力計信號估算這樣的一個信號;
3.而后，將這樣處理過的兩個信號利用相對權彼此組合，根據以上所公開的內容，借助于從0°至180°的旋轉標示出，以便確定彼此垂直的(X，Y)組合;
4.然后，利用單獨的組合對的表達式(3)檢驗統計學獨立性，使用以下算法(E [ X4Y2] - E[X4] E [Y2])/(E [X4Y2])在圖4的曲線中，底部表示對統計學獨立性條件的驗證。用左側箭頭標出的第一點(橫座標大約為52°)和用右側箭頭標出的第二點(橫座標大約為127°)是隔離點。
在圖4的曲線圖中，高的部分記錄了一種事后的檢驗，以便說明根據本發明的方法的效果。這效果代表了圖的下部的相應的組合同帶有設置在大約400米處的監聽點的一地震測線試驗記錄道的相關性。對于那些被識別的隔離點，信號和噪聲之間分離得到證實事實上，在試驗相關性時，在角度為52°處，可以觀察到沿著該記錄道分布的噪聲的一極小峰，并且在角度126°處信號相關性峰幾乎完全消失。
例2圖5的曲線圖表示信號和噪聲之間的分離，這種分離是通過根據圖4的曲線圖中所做的檢驗使獨立的組合相關而得到的，這需要通過對來自安裝在井附近的地震測線的信號進行處理(水平橫座標的分布是從相應于距該井240米的距離的左側的記錄道到相應于距井1300米距離的右側的記錄道54)。左側部分表示噪聲，即用127°角進行的組合，而右側部分表示鉆頭信號，即用52°角進行的組合。
例3從繪制在圖6中的曲線圖可以看出記錄了一些結果，這些結果是在使用由安裝在現場的地震檢波器傳感器所產生的記錄道和由安裝在鉆塔上的地震檢波器傳感器產生的記錄道作為指示信號時而獲得的。
測量是在鉆頭在-864米深度鉆進(這是指旋轉平臺)時進行的。處理程序與例1中所公開的和所使用的一樣。在圖6的曲線圖中，底部表示對統計學獨立性條件的檢驗，這種檢驗在這種情況下是使用以下算法進行的(E [ X4Y4] - E[X4] E [Y4])/(E [X4Y4])第一點和第二點的鑒別是在橫座標值分別大約為105°和165°處進行的。與水平軸的交叉點(用繪在該圖的底部的箭頭表示)鑒定了將鉆頭信號與噪聲分離的獨立組合，因為而后要根據與試驗記錄道的相關性對其進行檢驗，該試驗記錄道是從大約400米距離的地震測線中的監聽點獲得的，這在該圖的頂部表示。
例4取一些來自電流表和來自安裝在鉆塔上的地震檢波器的信號做為指示信號。當鉆頭在-1544米的深度鉆進時進行測量，所使用的程序如下1.借助于式(1)根據電流表信號估算鉆塔信號;
2.而后，將所得信號以類似例1中所公開的方式組合起來，以便得到正交的(X，Y)的組合對;
3.按照式(3)，使用例3的算法檢驗單獨的組合的統計學獨立性，如圖7所記錄的那樣;
4.而后，使表示分離結果的組合(橫座標為73°和156°)反褶積。
根據圖8的曲線圖中所記錄的內容，這些記錄道與來自放置在距井一定距離的地震測線的信號相關(從距井800米處的記錄道40到距井1300米處的記錄道61，如在圖8頂側所記錄的那樣)。
在圖8中說明了利用來自鉆塔的唯一的指示信號在反褶積之后(記錄A)所得到的信號與分離后的重組信號之間所作的比較。這些數據加到一濾波器上，所述濾波器除去了由于反褶積所帶來的高噪聲頻率和較低的頻率。在記錄B中，記錄了具有73°角的噪聲。在記錄C中，在右側描述了具有156°角的信號。相對于記錄A的相應部分，信號的直接波至是以重組的形式出現在記錄C的中心部分中，就如同人們通過在側面箭頭的頂點觀察該圖所注意到的那樣。
權利要求
1.一種用于作成能提供有關井孔鉆孔操作所感興趣的地下地質構造的信息的垂直地震剖面圖(VPS)的方法，該方法利用由同一個鉆頭所產生的振動作為地震源，并且利用互相關將它們與由一系列接收器所采集的信號加以比較，這些接收器所采用的設置方式使它們構成一個或多個旨在接收由運轉的鉆頭所產生的地震波的接收地震測線，其特征在于獲得代表由鉆頭所產生的信號的指示信號并根據由一系列不同類型的、分布在鉆孔設備之上和其周圍的傳感器所探測的記錄道加以處理，由每個傳感器類型提供的記錄道具有隨時間分布的特征以及它的信號/噪聲成分的加權特征，這些信號/噪聲成分不同于由不同類型的傳感器所獲得的記錄道的那些信號/噪聲成分，在該方法中，進行所述處理是通過將這樣一些成分彼此分離，以便重新構成準備用于所述互相關的有意義的鉆頭信號。
2.根據權利要求1，用于作成能提供有關井孔鉆孔操作所感興趣的地下地質構造的信息的垂直地震剖面圖(VPS)的方法，該方法利用由同一個鉆頭所產生的振動作為地震源，其特征在于準備用于組合的傳感器至少是屬于兩個不同的類型，并且在于這些傳感器是選自于-振動傳感器，例如地震檢波器或加速度計，這些傳感器提供有關鉆頭運動所產生的脈沖的數據，以便檢測通過鉆具組、通過鉆塔一鉆具組聯接傳遞給鉆塔的信號，這些傳感器還適合檢測通過鉆塔傳遞的、最好是分布在鉆孔鉆塔的相同結構上的環境噪聲，-電流強度傳感器，如電流表，以便測量被驅動轉動平臺的電動機所消耗的瞬時電流，-壓力傳感器裝置，安裝在鉆井泥漿管線系統上，例如安裝在泥漿循環泵輸送管道上，-地震檢波器或等效的振動傳感器，安裝在鉆孔探頭的同一場地，適合于捕獲由鉆頭產生的并通過土壤傳播的脈沖，以及通過所述土壤傳播的環境噪聲。
3.根據權利要求1至2之中的一項或多項，用于作成能提供有關井孔鉆孔操作所感興趣的地下地質構造的信息的垂直地震剖面圖(VSP)的方法，該方法利用由同一個鉆頭所產生的振動作為地震源，其特征在于所述鉆頭信號的處理中，對由鉆頭信號傳感器獲得的記錄道進行預先去混響，所述去混響是借助于反褶積進行的，即所謂“逆濾波”，以便從它們之中除去混響以及鉆頭信號的“多頻率”。
4.根據權利要求1至3之中的一項或多項，用于作成能提供有關井孔鉆孔操作所感興趣的地下地質構造的信息的垂直地震剖面圖(VSP)的方法，該方法利用由同一個鉆頭所產生的振動作為地震源，其特征在于在所述鉆頭信號的處理中，由鉆頭信號傳感器獲得的記錄道當它們在自己的頻率范圍內被變換時被使用，其特征還在于當所獲得的信號得到時間矯正之后，進行信號濾波操作是通過頻率×頻率，即濾波頻譜乘待濾波的信號的頻譜，這是根據下式 并且而后將這樣獲得的值 加以組合，并且用由該組合得到的值作為用于與借助于地震測線所采集的信號互相關的鉆頭指示信號。
5.根據權利要求1至4之中的一項或多項，用于作成能提供有關井孔鉆孔操作所感興趣的地下地質構造的信息的垂直地震剖面圖(VSP)的方法，該方法利用由同一個鉆頭所產生的振動作為地震源，其特征在于在所述鉆頭信號的處理中，通過賦予它們系數，例如權，把由這些傳感器所獲得的信號P1、P2、……Pn處理為隨機變量，以便得到相互正交的不相關組合，并且其特征還在于通過將由指示傳感器所提供的信號分解為統計學意義上的獨立波至的方式進一步檢驗它們的統計學獨立性。
6.根據權利要求5，用于作成能提供有關井孔鉆孔操作所感興趣的地下地質構造的信息的垂直地震剖面圖(VSP)的方法，該方法利用由同一個鉆頭所產生的振動作為地震源，其特征在于進行脈沖型的波至和相同特性的波至之間的統計學分離是通過將曲線的峰態，即除以變量的第二動量的平方的第四動量，作為一種適合于較高階統計學的估算手段和作為隔離峰存在的標志，對于鉆頭信號的分離，所述波至類型的分離是借助于利用最大峰態(或最小峰態)條件。
全文摘要
本發明公開了一種用于精確制作鉆孔操作所感興趣的地下的垂直地震剖面圖(VSP)的方法，該方法包括使用鉆頭所產生的振動作為震源，實行鉆頭信號與用地震檢波器測線所采集的信號之間的互相關系，在該方法中，通過將一系列幾種類型的傳感器設置在鉆孔設備上并由此記錄一系列記錄道來對鉆頭信號進行處理，在所述記錄道中，信號/噪聲成分具有不同的特性并可以借助于引入過濾函數，根據這些函數的富利葉變換運算或根據這些函數的統計學分布進行運算加以分離。
文檔編號G01V1/28GK1101428SQ9410275
公開日1995年4月12日 申請日期1994年2月5日 優先權日1993年2月5日
發明者加姆皮埃羅·安格萊利, 塞爾吉奧·帕索利亞, 弗拉維奧·伯萊托, 法比歐·羅卡 申請人:阿吉普公司, 奧斯瓦托里奧·齊奧費斯科·斯帕瑞曼托利