用于采用表面地震或表面到井眼地震或兩者生成巖層的非線性特性的3d圖像的系統和方法
【專利說明】用于采用表面地震或表面到井眼地震或兩者生成巖層的非 線性特性的3D圖像的系統和方法
[0001] 交叉引用
[0002] 本申請要求2012年11月27日提交的美國臨時專利申請No. 61/730417的優先權， 通過引用將該申請全文并入本文。
[0003] 政府權利
[0004] 本發明的一部分是在政府的支持下做出的（在美國能源部授予的編號為 DE-AC52-06NA2539 的合同下），并且一部分是在LLC的LosAlamosNationalSecurity的 合作研發和開發協議（CRADA)N〇.LA05-C10518之下做出的。政府可享有本發明的某些權 利。
技術領域
[0005] 本發明總體上涉及采用表面地震對巖層進行聲探詢，且更具體而言涉及用于采用 表面地震或者表面到井眼地震或兩者生成巖層的非線性特性的2D和3D圖像的系統和方 法。文中采用的"表面地震"一詞包括從大約10米的深度到大約1千米的深度的地震波傳 播。
【背景技術】
[0006] 聲波在固體物質當中的非線性行為可以與固體物質中的裂縫或其他損傷相關，并 且有可能與應力狀態和流體飽和相關。在80年代后期，巖石的非線性行為在理論和試驗上 得到了研宄和確立。Guyer和Johnson(Non-LinearMesoscopicElasticity,Wiley1999) 以及Ostrovsky和Johnson(RivistadelNouvoCimento，Vol. 24,No. 7, 2001)對此給出了 概述。
[0007] 決定聲波在彈性介質中的非線性相互作用的一般理論是公知的，如 Landau&Lifshitz,TheoryofElasticity, 3rdedition,PergamonPress,Oxford, 1986 所 描述的。存在被稱為選擇定律的具體運動學特性，其決定兩個聲束或聲平面波之間的非 線性、非共線相互作用，如Jones,G.L.&D.R.Korbett,Interactionofelasticwavesin anisotropicsolid,J.Acoust.Soc.Am. ,35, 5-10 (1963)所公開的。根據所述選擇定律， 由第一聲波和第二聲波的非線性混合得到的第三平面波或射束波等于第一平面波的頻率 fl和第二平面波的頻率f2之間的頻率差。此外，根據選擇定律，在第一和第二平面波的相 交區帶內，針對所述介質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 頻率比來生成第三平面波。Korneev,Nihei和Myer.(NonlinearInteractionofPlane ElasticWaves,LawrenceBerkleyNationalLaboratory,EarthScienceDivision,June 1998,LBNL414914)提供了對兩個非共線聲平面波之間的相互作用的更加全面的計算。
[0008] 具有非線性聲探頭的基本遙感系統一般由處于兩個隔開位置處的兩個聲源和處 于與該聲源不同的位置處的聲波探測器陣列構成。所述兩個聲源能夠生成第一和第二聲波 (例如，第一和第二聲束波），它們在所要探查的介質內的不同的位置處相交。能夠通過第 一和第二聲波與所述介質的非線性相互作用來生成第三聲波（例如，第三聲束波）。之后， 在接收器陣列處檢測到所述第三聲波。
[0009] D'Angelo等（美國專利No. 5521882)、Leggett等（美國專利No. 73〇1852)、 Khan(美國專利No. 6175536)和Johnson等（美國專利申請公開文本No.US2010/0265794) 描述了針對井眼環境內的具體應用所設計的各種系統。這些系統提供了對源自于第一和第 二聲波與介質的非線性相互作用的復雜干涉圖樣的測量。
【發明內容】
[0010] 作為本發明的一個方面，提供了一種用于根據非線性相互作用來表征介質的特性 的方法。所述方法包括：通過設置在介質表面上的第一聲源生成第一聲波；以及通過設置 在介質表面上的沿第一線與所述第一聲源隔開的第二聲源生成第二聲波，其中，第一聲源 和第二聲源是可控制的，從而使第一和第二聲波的軌跡在介質內的混合區帶內相交。所述 方法還包括：通過置于含有第一聲源和第二聲源的平面內的接收器接收通過第一聲波和第 二聲波在所述混合區帶內的非線性混合過程生成的第三聲波；以及基于所接收到的第三聲 波來建立在大體垂直于所述表面并且含有所述第一線的第一平面內的所述介質的非線性 特性或者壓縮波速度和剪切波速度的第一比值或兩者的第一二維圖像。
[0011] 在一個實施例中，所述方法還包括將所述第一聲源、第二聲源移動到第二線，并基 于所接收到的第三聲波來建立在大體垂直于所述表面并且含有所述第二線的第二平面內 的所述介質的特性或者所述介質的壓縮波速度和剪切波速度的第二比值或兩者的第二二 維圖像。在一個實施例中，可以使所述介質的第一二維圖像和所述介質的第二二維圖像結 合，來建立所述介質的三維圖像。
[0012] 本發明的另一方面提供了一種用于根據非線性相互作用來表征介質的特性的系 統。所述系統包括設置在介質表面上的第一聲源，所述第一聲源被配置為生成第一聲波；以 及設置在介質表面上的沿第一線與第一聲源隔開的第二聲源，所述第二聲源被配置為生成 第二聲波，其中，第一聲源和第二聲源是可控的，從而使得第一和第二聲波的軌跡在介質內 的混合區帶內相交。所述系統還包括置于含有第一聲源和第二聲源的平面內的接收器，所 述接收器被配置為接收由第一聲波和第二聲波在混合區帶內的非線性混合過程所生成的 第三聲波；以及被配置為基于所接收到的第三聲波來建立在大體垂直于所述表面并且含有 所述第一線的第一平面內的所述介質的非線性特性或者壓縮波速度和剪切波速度的第一 比值或兩者的第一二維圖像。
[0013] 在一個實施例中，所述第一聲源和第二聲源可移動到第二線，并且所述處理器還 被配置為基于所接收到的第三聲波在大體垂直于所述表面并且含有所述第二線的第二平 面內建立所述介質的特性或者所述介質的壓縮波速度和剪切波速度的第二比值或兩者的 第二二維圖像。在一個實施例中，可以通過所述處理器使所述介質的第一二維圖像和所述 介質的第二二維圖像結合，來建立所述介質的三維圖像。
[0014] 參考附圖考慮以下描述和所附權利要求，本發明的這些和其他目的、特征和特性， 以及相關結構元件的操作方法和功能，以及各部分的組合和制造的經濟性，將變得更加清 楚，所有附圖都形成本說明書的一部分，其中在各幅圖中類似的附圖標記表示對應部分。不 過要明確理解，附圖僅僅為了例示和描述，并非意在作為本發明限度的界定。如說明書和權 利要求中所用的那樣，單數形式"一"、"一個"和"該"包括多個指示物，除非語境明確做出 其他說明。
【附圖說明】
[0015] 圖1是地球的截面圖，其示意性地描繪了根據本發明的實施例的用于地表地震應 用的配置；
[0016] 圖2是地球的頂視圖，其示意性地描繪了根據本發明的另一實施例的用于地表地 震應用的配置；
[0017] 圖3是地球的截面圖，其示意性地描繪了根據本發明的另一實施例的用于地表地 震應用的配置；
[0018] 圖4是地球的頂視圖，其示意性地描繪了根據本發明的另一實施例的用于地表地 震應用的配置；
[0019] 圖5示出了根據本發明的實施例由第一源生成的第一聲信號、第二源生成的第二 聲信號以及在非線性混合區帶內由第一聲信號和第二聲信號的非線性混合產生的第三聲 信號；
[0020] 圖6A和6B分別示出了根據本發明的實施例的來自第一聲源和第二聲源的編碼信 號；
[0021] 圖7A示出了根據本發明的實施例的在接收器陣列的六個接收器處接收并記錄的 兩個脈沖序列的廣播而產生的非線性作用所生成的計算仿真信號；
[0022] 圖7B示出了根據本發明的實施例的用于在接收器陣列處提取相關信號的模板信 號；
[0023] 圖7C示出了根據本發明的實施例的圖7B所示的模板信號與圖7A所示的每個所 考慮的接收器處的記錄或測量信號的相關處理的結果；
[0024] 圖8A示出了根據本發明的實施例的在接收器陣列的6個接收器處記錄的含有噪 聲的仿真接收信號；
[0025] 圖8B示出了根據本發明的實施例的模板信號的例子；
[0026] 圖8C示出了根據本發明的實施例的當圖8B所示的編碼模板信號與圖8A所示的 噪聲信號相關時從相同接收器的噪聲信號所得到的信號；
[0027] 圖9示出了根據本發明的實施例在介質具有恒定的聲傳播速度但是具有變化的 非線性地球參數時，對于第一聲信號和第二聲信號之間的起始時間差S和頻率比d的對 (S，d)而言，在含有第一聲源和第二聲源的平面中的位置混合區帶Mc(S，d)中的位置；
[0028] 圖10示出了根據本發明的實施例的第一聲源是用于生成聲波的源，且第二聲源 生成錐形聲廣播的情況；以及
[0029] 圖11是根據本發明的實施例的用于實施地震測量方法的計算機系統。
【具體實施方式】
[0030] 圖1是地球截面圖，其示意性地描繪了根據本發明的實施例的用于地表地震應用 的配置。在這一實施例中，公開了處于地表14上的相互隔開的第一和第二聲源（例如，振 動器陣列）10和12。第一聲源（S1) 10被配置為以第一頻率n生成第一聲波11，且第二聲 源（S2) 12被配置為以不同于第一頻率fl的第二頻率f2生成第二聲波13。文中采用的"聲 波" 一詞包括所有類型的彈性波。第一聲源10和第二聲源12可以包括一個或多個聲波發 生元件（例如，振動元件）。聲源10中的一個或多個聲發生元件（例如，聲學元件陣列）可 以被配置為將第一聲波11朝向預期方向轉向或指引。類似地，聲源12中的一個或多個聲 發生元件（例如，聲學元件陣列）可以被配置為將第二聲波13朝向預期方向轉向或指引。 例如，第一聲波11和第二聲波13可以被指引，從而使第一和第二聲波11和13在地表14 下面的巖層17的預期區域或者混合區帶18內相交。換言之，第一聲源10和第二聲源12 可以被控制，從而使得第一和第二聲波11和13的軌跡在巖層17內的混合區帶18內相交。 聲源10和聲源12可以被配置為生成聲束或聲錐。接收器陣列（R) 16還被設置到地表14 上與第一聲源10和第二聲源12隔開的位置處。接收器陣列16位于含有第一聲源10和第 二聲源12的平面內。在一個實施例中，接收器陣列16與第一聲源10和第二聲源12位于 同一條線上。接收器陣列16被配置為檢測返回地表14的第三聲波15,第三聲波15是由第 一聲波11和第二聲波13在巖層17內的混合區帶18中的非線性相互作用而生成的。兩個 波11和13之間的位置處（即混合區帶18處）的地球的非線性特性導致了第三波15的生 成。第三波15的強度是混合區帶18內的巖石的非線性度的函數。
[0031] 第三聲波15具有等于第一頻率fl和第二頻率f2之間的差的頻率f3。例如，在 具有頻率fl的初級（primary)壓縮（P)第一波和具有頻率f2的初級壓縮（P)第二波在非 線性介質內交叉或相交時，能夠生成第三剪切（SV)波，其具有等于第一頻率fl和第二頻 率f2之間的差的頻率f3。能夠將這種類型的相互作用寫為（P+P-SV)。盡管文中討論了 P+P-SV的相互作用，但是應當認識到還可以設想其他類型的相互作用。下述討論同樣適 用于P+SV-SV或者兩個彈性波（即壓縮P波或剪切波（SV和SH模式））的非線性混合的 任何排列用以生成第三波。在下面的表1當中提供了其他類型的相互作用的例子，其中n 代表完整的排