CN100344994C - 永久井下共振源 - Google Patents

Abstract

用于在地层中产生地震波的井筒系统和方法。该系统包括一个装有流体的腔。该腔被置于可以是套筒或者开采管道的井孔管和井孔地层之间的空间中。一个装置置于这个腔中以产生与腔的共振频率相同的压力波。该压力波产生地震波，然后地震波辐射到邻近的地层中，最后被记录下来。记录下来的地震波会被用于确定所研究的地层的参数。

Description

永久井下共振源

技术领域

本发明涉及地震波的井下产生，用于调查或监测一个钻井周围的地球地层(formation)储集层(reservoir)特性。具体地，本发明涉及监测从钻井辐射进其周围地球地层的地震能量的方法和系统。这些辐射进周围地球地层(即在井孔结构中形成)的地震体波，被用于交叉井类型规划和反垂直地震剖面(RVSP)类型规划，以此来调查及监测在开采储集层的开采期间碳氢化合物或者其他沉积矿物。

这是一套用于监测地下沉积矿物含量在其经济寿命范围内的分布以进行长期资源管理的系统。该系统采用在井孔结构中产生的压力波，它是作为地震波被辐射进入周围地球结构中的。那些通过位于钻井与钻井之间或者钻井与地震传感器之间的沉积物的地震波的选择性品质的时间变动变化是矿物含量的时间上的变化的指示。

背景技术

在油气工业中，地球物理勘探技术广泛地应用于寻找和评估地下沉积的碳氢化合物。一般地，地震能量源用于产生地震信号，该信号传入地球且至少会被地下反射体(例如两个不同声学阻抗的地下地层之间的界面)部分地反射。反射波被一些地震探测器记录，这些探测器可能位于或接近地球表面，或者在水体中，或者在井筒的某一深度位置。然后这些得到的地震数据经过处理后就可以得到一些有用信息，这些信息涉及地下反射体的位置和地下形成物的物理特性。

地球物理勘探用于发现地球结构，矿物沉积和矿物沉积(如石油，天然气，水，硫磺等)的地下范围。地球物理方法也可能用于监测沉积物的变化，例如在沉积物的经济寿命内的矿物生产导致的损耗。地球物理研究的用途依赖于数量测量的能力和对与所考虑的矿物存在相关的岩石物理参数地球物理模拟参数的评估。

地震方法可能应用于开采管理监测及碳氢化合物储集层的探测。正如地球物理学家熟知的，在多个源探测站的任何一个，位于或者接近于地球表面的声学地震源以一定周期向地下辐射地震波。声学地震源通常都是脉冲或者扫频类型的。一个脉冲源产生一个非常尖锐的甚短周期的最小相波，并且一定程度上模拟一个脉冲的产生。爆炸是这种脉冲源的一个例子。

扫频或者啁啾类型的地震源产生一个可控波列以形成一个相对较长(如2-30秒)的导频信号以确保已经有足够能量传递到地球中了。扫频或者啁啾类型的源方法依赖于信号压缩以便压缩信号并保证足够的垂直分辨率以解决地下反射体的位置。信号压缩一般叫做解卷积，有许多在地震数据处理领域熟知的方法。扫频或者啁啾信号的解卷积将源信号压缩到一个非常短的信号代表一个地下反射界面。解卷积技术的精确度以及有效性与源信号的被知晓或者被理解程度直接相关。许多解卷积算子起源于对实际源波形的统计计算。

扫频类型地震源以在地震频率范围内有规律的增加(向上扫描)或降低(向下扫描)频率的形式发射能量。除了向上和向下扫描，各种其他的扫频信号形式在本领域是熟知的，例如所谓的随机扫描，伪随机扫描及非线性扫描。对非线性扫描，扫描高频信号所需的时间会高于扫描低频信号所需时间，以此补偿信号在地球中传播过程中的衰减，或者形成所需的小波。振动是被控制信号控制的，该控制信号可以控制地震信号的频率和相位。

声学地震波场向各个方向发射以穿透地下地球地层。辐射波场能量被反射回来，被位于指定位置的地震传感器(接收器)探测到。这些传感器可位于或者接近于地球表面，也可在地下，如在井孔中(在这里也叫钻井)。地震传感器根据反射的波场，将机械的地球运动转变成电信号。获得的电信号在一个任意所需形式的信号传输链上传输到仪器中显示为数字形式，在那里这些地震数据信号被以存档方式存储等待下一过程。

地震源波场发射与接收器对反射的信号序列的接收之间的传播时间推移可用于测量各自地球地层的深度，正是这些地层反射这些波场。反射波场的相对幅度可能是各自的地球地层的密度和孔隙率的函数(模拟的)，波场就是在这些地球地层中传播以及被其反射的。反射波中的返回信号的相角和频率可能会受地层液体，所找的矿石或者其他地层特性的影响。

经过加工的与单一接收器有关的地震数据一般表现为显示岩层反射幅度的一维时间尺度记录，这些数据一般是双路波场传播时间的函数。从许多连续分布于一定间隔(如25米)的测量线路上的接收器获得的大部分地震轨迹可能会并排形成一个二维地球横截面的模拟模型。从分布于考察的区域的许多测量交叉线上得到的地震截面提供了三维(3-D)图像。在同一区域在连续的时间间隔(如每6个月)内测量的一系列的三维测量结果会构成一个四维(4-D)时间推移的地下问题研究结果，这些研究将会有利于监视诸如碳氢化合物的流体损耗速率等。

根据上述考虑，有理由期望时间推移地震监视，即在一个长周期中监视与沉积矿物如油或气的碳氢化合物储集层随时间变化的地震数据的特性，可能允许监视流体或矿物含量的损耗，或者绘出时间变化映射，如在蒸汽驱油操作中的热前的前进。

成功的时间推移监视要求处理的数据集之间的区别必须可归因于沉积物的岩石物理特性的物理变化。该判据之所以如此严格是因为不可避免的多年长时间引起的获取数据的装置以及处理算法的变化有可能会在各自独立的数据集之间引入差别，而这些差别是由于仪器的使用，而非储集层的动态变化结果。

特别地，使用传统表面勘探技术，在场条件如天气和地物上的长期的环境变化可能会影响开采。如果时间推移的X线断层摄影术或者地震监视能对定量碳氢化合物储集层监视有用处，那么并非由于储集层特性导致的装置和环境影响必须在地震数据集之前或之后都是透明的。成功的时间推移X线断层摄影术要求仔细的预先计划。

避免许多依赖于时间的环境变化及本领域更新的装置变化的一个方法是在所研究的地震区域内部或者附近的一个或多个钻孔中安装永久的地震源及地震探测器。相同的处理数据的方法应用于整个监视周期中，该方法运用多交叉井(交叉孔)X线断层摄影术而非传统表面型场地震操作。一种这样的方法公布于美国专利号为No.5,886,255，Aronstam，1997年11月14日，并转让给本发明的受让人，该方法以参考文献的形式合并与此作为多交叉井X线断层摄影术的教导。

另一包含永久性井下地层的评估体系的钻井描述见美国专利号为No.6,456,566，Aronstam，2000年7月21日。并转让给本发明的受让人，它的所有内容以参考文献的形式合并与此。‘566专利教导作为地震能量源的最小钻孔阻塞物的方法。

美国专利5406530，1995年4月11日，授权给Tokuo Yamamoto，教导一种无破坏性的测量沉积物物理特性以得到横截面的多孔性及渗透性评价及变化的分布和剪切弹性系数及剪切张量分布的方法。一对钻孔的相互入口之间具有预先确定的间隔，许多水听器也放置于预先已知的位置。作为地震能量源的伪随机二进制序列代码产生器放置于另一个钻孔中并且使产生并将伪随机波能量从源传到水听器。地震波特性可以通过大量运用交叉井X线断层摄影术从源散发到水听器的途径测量到。

Yamamoto教导主要直接用于浅钻孔中，作为工程研究。这种钻孔一般小于100米深，与油井相反。油井一般都有2000-5000米深。一个放置于钻井中各种水平位置的活性源的必要条件存在一定的问题，因为该源可能会破坏钻孔以及干预开采。由于地震仪器必须在钻孔中上下移动，那么在一个很长的时间周期中保持相同的记录条件是不可能的。

G.W.Winbow在1991年2月12日的专利号为US4993001的专利中描述了一种将井筒波转变为应用于地震探测的井下的体波的方法和设备。该装置包含一个产生扫频井筒波的旋转阀井筒波源，这些井筒波会注入井筒的或钻井流体中。这些井筒波会被一个置于钻井中选定位置的细长井筒波转换器转变成体波。井筒波转换器包含一个更适宜充分填满钻井或管体的细长体，以及有一个合适的形状以便在钻井中选定的位置高效地将井筒波转变成体波。该专利主要专注于反垂直地震剖面(RVSP)。Winbow承认，正如在本领域所熟知的，‘钻井中的不均匀性’导致了地震波模式的变化，而这种变化导致二级地震辐射以及相关的多重性。

Winbow采用一个单井筒波转换器来提供单个直接源和反射地震波，但是它必须像在交叉井X线断层摄影术中那样，在沿钻井向下的不同空间分离间隔处重复配置器件以得到延伸的垂直收敛。因此那组系统对于实现4维地震监视操作的固定持久仪器装置需求的实现就变得很困难了。这一方案的另一缺点是需要非常高能量的管状波，从而导致当管状波进入钻孔和撞击孔底时形成强的背景噪声。

另一种井下设备涉及美国专利No.4993001是由Winbow等人在美国专利No.5268537中披露的宽带共振波井下地震源。该设备部分或完全用于阻挡钻井以及产生一个流体填充的钻孔腔。在腔中的流体是振动的以便建立一个持续的通过钻井辐射进入周围地层的压力波。然而，该设备在高频(高于1500Hz)能够高效工作。而在低频(低于1000Hz)，众所周知更适合常规反射地震和X线断层摄影术图像工作。

由Kennedy等在1987年1月9日发表的美国专利No.4671379以及于1989年5月30日发表的美国专利No.4834210披露了一个系统，在该系统中，一个脉冲的能量源配置在两个末端部分之间。钻井流体占据了这两个末端部分的中间，并且这个脉冲能量源激励该流体在这两个终点之间的钻井空间中产生振动。这两个终点之间的距离随着脉冲能量源的频率而变化以保持该系统处于共振状态。

在Kennedy的专利中，能量从表面通过与位于井下装置上的旋转阀相联系的盘绕进管提供给井下。钻井中的一列流体被提供的能量激励起来产生一个共振驻波。该过程的实现包括从两个气泡中隔离出流体以形成一柱状流体以及激励该列中的流体产生振动运动，这一振动运动与该柱状流体相联系。这一流体的振动频率等于由这两个气泡所确定的列的共振频率。在这一发明的操作中，需要在共振频率范围内扫描旋转阀以得到更多的关于地下的信息。为了该发明能够执行一个频率扫描并在该列中保持流体的共振频率，在扫描过程中该列的长度必须变化以适应不同的频率。该装置通过在扫描过程中物理地移动气泡来实现这一工作。为了保持该列为1/2波共振，在通过总共距离为100英尺的过程中气泡被近似移动45秒扫描。该装置必须保持共振以保证操作效率。

源很强并且不会导致钻孔损坏。该专利声称，通过在该列流体的共振频率上操作，该装置提供了一个相对有效地能量源。然而，该方法存在几个问题。第一，机械移动井下是必须的，因为源必须在该列的共振频率处工作并且在不改变该列长度时不能改变共振频率。为了改变该列的长度，该装置必须包括相对复杂的井下仪器。像这样的需要井下运动部分的系统对比所需是不太可靠的。修复的实施只能受在操作中由于把系统从钻孔中移出导致的高代价的时间的影响。第二个问题是关于该装置的扫描时间周期的。因为一次扫描构成了序列变化的长度。各个气泡在一次扫描中必须行进的距离大约是50英尺(基于共振压力驻波的半个波长)。因此，扫描需要一段较长的时间，大约45秒。对该系统而言，在数秒内进行短扫描操作是不可能的。而像激励一样作为脉冲源操作也是不可能的。

Kennedy等人的专利还描述了一个不改变序列波长的备选实施体。在该实施体中，膨胀的管套围绕在端头之间的管道周围。这些管套会因空气而膨胀，导致钻孔流体中的仪器的可压缩性发生变化。流体特性的变化改变了腔的共振频率。然而，在该实施例中，该系统只能执行相对较长的扫描并且需要井下运动部分导致低的场可靠性。

对一个地震源系统而言，钻孔中的一个持久固定的用于监视时间变化储集层属性如沉积矿物分布等是需要的。更可取的是该系统不会干预或者破坏经济资源的开采。此外，对于一个不但有意地应用产生的地震能量而且自然地利用钻孔中产生的或者周围的能量(如流体流动能量)，能够转变成辐射到钻孔周围的地层中的地震体波的系统，是需要的。

发明内容

本发明是一个在地层的碳氢化合物储集层中产生地震体波的方法。所研究的碳氢化合物储集层的参数指示信号通过许多地震探测器探测到。地震体波从至少位于钻孔中一个共振腔中辐射出来并且横穿地层。被不止一次探测到的横穿地层和碳氢化合物储集层的信号提供了所研究的参数指示信号。通过比较当前以及后一次探测到的指示研究的碳氢化合物储集层的参数的信号，这些信号用来确定碳氢化合物储集层的变化情况。

附图说明

从如下的具体描述以及附图，被确信为该发明的特征的独特性质，关于操作的组织和方法，以及其中的目的和有利效果，将会更好地理解。其中该发明通过举例的方法被图解说明。举例仅仅是为了说明和描述，并非打算限制该发明：

图1说明了一个流体流动源声学腔共振器。

图2A说明了用于声学共振器的一个电子螺线管驱动源。

图2B说明了一个声学共振器，图2的共振腔，其中设计的腔用于宽频率共振发射。

图3A说明了一个置于一个位于开采管道外面的钻井中的声学共振器。

图3B说明了钻井中的一个隔离的共振腔以及其截面图。

图4说明了一个用于宽共振频率而成形的共振腔。

图5说明了一个开采流驱动共振源。

图6A说明了一个由双填塞物形成的共振腔。

图6B说明了一个特殊形状双填塞物的共振腔。

图6C说明了一个双填塞物的组合而形成的共振腔。

图6D说明了一个填塞物位于套筒和地层外部的共振腔。

图6E说明了一个特殊形状的填塞物位于套筒和地层外部的共振腔。

图7是本发明中用到的反VSP型规划的示意图。

图8是本发明中用到的交叉井应用型规划的示意图。

图9是本发明中用到的多交叉井应用型规划的示意图。

在描述该发明的时候将会与最适宜的实施例联系起来，但必须理解的是该发明并非仅仅局限于此实施例。相反地，本发明将覆盖所有包含在该发明的精神与范围之内的其他选择，修正以及等价方法，该发明的精神与范围将会在权利要求中说明。

具体实施方式

该发明是一套为了长久的资源管理而用于产生和测量一个地震波场以得到地下沉积矿物在其经济寿命上的含量分布的方法和系统。该系统采用在井孔结构中产生的压力波。钻井结构是在至少一个钻井管之外的共振腔。该共振腔从一个装置中接收压力波，或者从一个与井中流体流率相联系的共振腔设计特性中发展地震波。共振腔中的压力波在邻近地层转变成地震体波并从井中辐射出去。这些被传感器探测到的地震体波会处理成地层中的相关的指示参数。

这些通过钻孔之间或者钻孔与地震传感器之间的地震波的选择的属性的时间变化可能成为储集层矿含量的时间上的变化的指示。基于以下具体的描述，该领域的技术人员将会了解其变化。以下具体的讨论对于一个实施例或者该发明的一个特定应用，从这一方面来说，其目的仅仅在于说明性的，但并不说明该发明就局限于这一范围。

正如在本领域熟知的那样，钻井开采系统包含管道。钻井系统一般包括一个在地球中的井套筒。这个井套筒沿着井路把井装置和开采仪器从地层中分离开来。套筒并不是总是存在于比如在有些井的井底。其他管道可能在套筒里面而有时延伸到套筒下面，包括一个或多个开采管道柱(production tubing string)。其他一些管道可能传输流体、化学品并在表面和井下位置之间提供连接和能量管道。本发明的共振腔至少在一个钻井管道结构之外。

本发明在钻井中提供地震波源的目的在于现场成像。现有的钻孔地震源作为钻孔中的瞬时应用并且需要干涉及破坏开采流。本发明为了在开采管道的外部永久装备地震源，它相对于其辐射强度能够用很小的功率。这种类型的信号源能够用于实现一个场宽范围的现场成像阵列。

‘信号’作为一个术语用在这里表示一个地震波形(如一个Ricker小波)的幅度，频率以及相位的变动。该地震波形在时域中表示为时间坐标记录。术语‘震尾’表示传递给位于特定位置的邻近的地层的地震体波地震能量。予特定的地震能量源点、共振腔或者微小钻井阻塞物相联系的震尾将会是表示地震能量源点的地震特征。术语‘共振腔’包括充满流体的任何形状或者特性的腔膛，从这些腔膛中有地震能量散发出来。共振腔可能会包含多于一种流体。术语‘微小钻井阻塞’或者‘钻井非连续’或‘非连续’表示在钻孔中的任何形状或特性的不规则性，于是通过钻井的井筒波能量将会影响钻井中的能量变为无规则性，并且因此而辐射体波能量到周围地层中，同时继续沿着钻井传输和反射一些井筒波能量。术语‘脉冲响应’表示仪器(地震传感器和信号处理装置)对一个针状Dirac函数或者脉冲的响应。地震传感器所接受的声波场的能量依赖于岩层的质地。无论是垂直方向或者水平方向，波场都在这些岩层中传播，或者被这些岩层反射，或者其他一些联系。术语‘质地’包括岩石性质参数如岩石的类型、组成、多孔性、渗透性、密度、流率、流体类型以及晶粒间粘性等，这些只是举例说明，而事实并非局限于这些。

为了解释或者明白起见，本发明的方法将会用一个钻井和地表中有接收器的交叉井X线断层摄影术例子来描述，但并非是一个限制。该方法将会应用于任意的多通道数据记录几何构型或者采集方案，其中地震传感器可能在地下，或者钻井中，或者在地表或者接近于地表。

在储集层的经济寿命范围上，碳氢化合物储集层的变化将会通过地震体波的特性或属性的时间上的变化表示的参数变化而探测到。研究的参数可能是探测到的通过储集层的地震体波的任意地震属性，单独的或组合的。地震属性在该领域是非常熟知的。一些属性的例子包括地震阻抗、幅度、扩散、频率、相位、极性、速度、倾向、方位、波包等。

从各个共振腔中辐射出来的体波将会产生一个唯一的源特征。源特征与源行为及资源产生相联系。这些源特征将会被接近于共振腔的传感器直接测量到，或者被离共振腔一定距离的传感器探测到。此外，体波的源特征可能从各个井的已知参数结合与沿开采柱测量的井筒波而得到。

与特定的共振腔相联系的源特征(震尾)将是针对该地震能量源点的地震特征。然而，如Aronstam在美国专利No.6456566中披露的那样，微小钻井阻塞物从钻井中辐射体波(P波和S波)。‘566专利的方法和系统可与本发明的共振腔方法和系统相联系，使得由地震传感器记录的震尾包括从共振腔中辐射的以及微小钻孔阻塞物的信号贡献。

在一个优选的实施例中，一个接收器被置于接近于共振腔的位置以记录与共振腔有关的源特征。然而，有许多其他的用于确定和测量信号的方法，并且也不要求接收器为每个地震源直接测量源特征。一个传感器可能降低在一个环形空间，然后一个导频信号可以被直接记录下来。举例来说，在一个轻质光纤光学传感器会被用于记录数据而同时对穿过的地震能量存在一个忽略效果。

作为选择，接收器阵列(它可以置于地面上或者任意位置)记录的波束操纵可能会用于确定沿着钻井方向的地震源谐振器的位置和信号。波束操纵是一种通过延迟连续通道从一个特定方向或者特定位置加强能量的方法，使得某一个倾角时差(表观速度)的事件发生在同一时间，然后对它们求和。波束操纵包括通过与信号源之间的距离成比例的数量来时间位移来自单信号源的结果，并相加这些结果以导向波束。波束的方向性可以通过改变时间推移加以改变。这一过程可以对一连串的不同的地震源位置进行重复。

复杂的和任意形状的共振腔会设计出来以增加源特征的可变动性，以及改变辐射信号的有效带宽和频率特性。共振腔在钻井的环域中。在优选的实施例中，腔围绕着一个钻井环结构。本发明提供的共振腔可以是非对称的或者任意形状。共振腔可以设计成将一个宽范围的频率发射进入邻近于钻井的地层中。为共振腔声学源提供的能量可以是自然的流率和/或是开采管道中的压力变化。

一旦信号已知，地球就可以通过前面讨论的方法成像出来，例如从源特征中。虽然源特征可以推导出来，但在某些采集条件下，t0(源初始时间)对于一些研究的参数来说可能是未知的。对于地震衰减成像，由于只需要在时间上的频率包络衰减以创造图像，因此t0是不需要的。如果寻求基于时间的重构，那么在单个井甚至运用多井源头运用测得的压力或声学能量的交叉相关，初始考时间参考的确定就可以完成。如前所讨论的，另一个备选方法可能是在一个井中持久应用一个或多个传感器来确定参考时间t0。

每一个共振腔都可以是一个能量辐射源点，它们对辐射进入邻近地层的声学能量具有唯一的波形。一个传感器用来记录这一产生的波形。伴随着记录的地震波场从钻井离开，每一个震尾然后都被解卷积，例如利用在另一个钻井中或者在低平面上或者在海平面上的地震传感器，使用交叉相关。

图1图示说明了一个共振腔是如何被用于与一个钻井开采柱101结合的。为说明需要，钻井在一个随机的方向上包含有流体流117。共振腔103能够用于产生并发展共振能量。共振腔103是一个能够在其内部建立驻波的腔体。这些驻波的频率依赖于腔的体积，几何形状和维度以及任何孔径的尺寸。

对任何一个腔而言，有两个确定其基本频率的变量。第一个变量是物理尺寸。一般而言，腔越小，共振频率越高。第二个控制因子是腔的形状。任何完成的封闭的传导表面，不管它是什么形状，都可以作为共振腔。一般而言，一个腔的共振频率可以通过改变以下三个参数的任意一个参数而改变，这三个参数是：腔体积，腔电容和腔感应系数。改变一个腔的频率称为调谐。

一个任意类型和任意类型的钻孔的开采柱部分101可能包含工具，阻塞物(如104)或者其他可以把流动流体能量转换成压力能量的部分。例如，一个气体升降机或者气体开采系统可以修改成在开采管道P1和P2中具有开口，通过一个旋转阀109与共振腔处于压力联系状态。一个流体柱，如由地下地层流体自然形成的，能够通过一个孔径105与共振腔处于压力联系。流体和流体压力会通过一个出口孔径107离开共振腔，这可以是一种流体平衡端口，以保持共振腔中的平均压力，使得压力保持为P1附近的压力水平。出口孔径107会导致气线111。旋转阀109可以用于控制或者初始化频率，而共振腔可以通过开采管道从流体流中接收到这个频率。

作为选择，如图2A所示，对于一个开采柱201，一个共振腔203会通过备选的驱动机构电子螺线管209装置接收到压力脉冲。虽然图1中的共振腔103和图2中的共振腔203为正方形，但可以理解，改变共振腔的几何形状可以比正方形共振腔通常的能力在一个更宽泛范围内得到更均匀宽阔的频率响应。图2B表示图2A中的开采柱201的构型，其中共振腔207的形状允许辐射一个更均匀的宽的共振频率。

一个共振腔通过注入压力脉冲而产生共振，该脉冲的频率与共振腔的长度、宽度或者其他几何属性相匹配，并且因此而产生可以从腔中辐射到包围井的地层中的共振。可以采用各种各样的装置在共振腔中将流量能量转变成压力能量。图1中的旋转阀109为共振腔室将开采的流体流能量转变成压力能量。图2中的电子螺线管209从表面将电能转化为压力能量，并且导引这些能量进入腔里面。旋转阀109或者电子螺线管209的激活速度是共振腔辐射进入地层的信号的频率的函数。可选地，一个泵浦可以作为与旋转阀或者螺线管相结合的设备，或者作为单独将流体流压力能量注入共振腔的设备。共振腔103、203或者207可以有一个可选的压力端P3，它可以允许腔内的压力平衡。共振腔中的地震源压力能量可以围绕某些平均值展开，或者压力涨落可以表现为从某些腔中的常压或背景压力中增加或减少。

如图3A和3B中表示的，这一概念被推广为共振腔303，它是同心的，但是在开采井中的开采管道301的外部。现有技术(Winbow，美国专利5268537)显示，通过改变共振腔的形状可以支持一个宽范围的频率而不用机械地改变腔。这一原则也可以应用于图3A和图3B所示的共振腔303。为了避免不适当的应力或者辐射能返回到开采柱中，图3B显示，用于开采柱301的一个隔离区或者厚壁管道305可以应用于共振腔303的区域。

共振腔303的外表面307有一个相对较薄的壁(与厚壁管道或者隔离区305比较)以允许地震能量能容易的辐射进地下地层中。共振腔303的侧视图如图3B所示，它位于外共振腔壁307和内隔离壁管305之间。这些共振源能够产生P和S波能量。一个压力控制机构309可以用来控制或激发流体压力能量进入共振腔303，它可以称为激发工具，可以是一个阀、螺线管或者泵浦。

为了产生和驱动这种类型的外部同心腔，存在几种变型。如图4表示一个共振腔403，它的一个长度f1沿着共振腔403的外圆周407，另一长度f2沿着邻近于开采柱管的内边。在外圆周的中间部分和共振腔之间是线性变化至腔内侧的锥形结构，但是也可需要其他的形状。大体上与403相似的共振腔可以设计出来并用来产生一个位于高频和低频之间的最强的频率，相对较高的频率由长度f1确定，而相对较低的频率由长度f2确定。旋转阀、泵浦或者螺线管的速度可以被改变以瞄准这些相对频率范围使得来自共振腔的辐射达到最大的共振能量。另一个例子表示在图2中，其中共振腔207的形状允许一个宽的共振频率响应。

如图5所示，如果开采流具有足够的能量以致流量能量与节流门发生了相互作用，则共振腔可以用一系列接近于或者位于井孔开采流附近的端口和节流门(baffle)505来驱动。通过改变流体流经过开采管道和/或共振腔，可以产生一定范围的频率。另一实施例为钻井流体完全隔离共振系统和应用气体提升系统部件来驱动系统(如图1所示)。这可以提供一个高频源，这在某些安装中是合适的。

如图6A所示，可以通过适当间隔填塞物605，而在内钻井管道301和外钻井套筒607之间产生一个外腔603，它一般用于隔离井中的开采区与环空间。这里，填塞物605邻近腔体以提供与其余的圆环井管设备分开。填塞物一般用于改变或者增强共振腔603的信号特性，如图6B所示。在这里，具有特定的或随意形状的特殊填塞物称为‘特定形状’填塞物606可以用于形成特定形状的共振腔例如为共振腔提供完全或半驻波的能力。其他位于共振腔附近的特定形状的填塞物可以实现特定范围的频率或者用于宽的从腔中辐射出来的地震体波的频率。图6C说明了一个传统填塞物605与特定形状的填塞物606的结合体因此形成来自共振腔室603的半驻波型响应。

当圆环(套筒与岩石地层之间的间隙)用位于腔端部的填塞物密封以后，一个共振腔可以在外井孔环和钻孔地层之间实现。如图6D所示，当共振腔613包括井套筒607与井地层617之间的间隔时，开采管道301不必是共振腔的一部分。共振室613可以在钻井套筒607的外面，在那里，填塞物605在套筒之外并且地层617是共振室的一部分。图6E说明了一个位于井套筒外的共振室用特定的填塞物606作为共振室形状修改。这些类型的共振腔或者被主动方式或者被被动方式驱动(未示出)。

本发明可能会与反VSP型规划一起使用，如图7示意。一个井761有共振腔(或共振室)701，703和705，体波从这些腔中辐射到周围的地层中。起源于共振腔703的用线表示的体波能量可能直接传递到地球表面740，在那里，传感器711接收到这些能量。起源于例如共振腔703的体波能量可能反射或折射到地球的地质界面750。当一个地质学界面被显示，但应当理解，地球包含了大量数目的可以对地震能量作出响应的地质学界面。体波能量可能从任意一个共振腔701，703，705中发射出来，这些共振腔也可能有相联系的传感器以直接测量从任意其他源点接收的相关的源特征、波形或地震能量。本领域中已知从这些不同的源中分开信号的各种方法。

本发明中也会采用交叉井类型规划，如图8所示。源井861可以包括共振源801，803，805和807。一个交叉井规划至少有一个接收器井863包含接收器811，813，815，817，819和820。源于共振腔803的线显示了一些可能的波路。体波能量可能直接传播到另一个井中的接收器811，813，815和817上。在被接收器815，817，819接收之前，体波能量会在地下被地质界面850反射或者折射。正如在本领域中熟知的，传播介入地层的包含有用信息的许多其它体波路会在交叉井类型规划中被传感器接收。

交叉井类型规划也可以是多井规划，从而许多钻孔(多个井孔)会被同时用于记录从源井963中发射出来的体波能量，如图9所示。例如，源井963包含源点906，907，908和909，例如这些都是共振腔源。接收井961，965包含分别沿着井孔901到905，911到915的接收器。如图8例子所示，一些或者每一个接收器可以与接收井中的接收器相联系，因为接收井可能也作为源井。例中的体波路被显示源于源点907。波传播路径可能正如所示的，在源井963和接收井961之间是直接的。波传播路径可能是地质学界面950反射的能量的组合，直接路线显示为由源井963发射而被接收井965接收的能量。

在接收器或者声学传感器接收了信号以后，本领域熟知的信号处理方法将被用于处理信号。这些方法将会应用处理器如计算机和本领于熟知的算法，例如交叉井方法。

如前述例子所证明的，该方法会在几个时间周期上用于任意时间点的碳氢化合物或其他沉积矿物的评估，并且会作为一个管理方法正在进行的部分和监视开采的储集层。传入钻井之间地层中的声学波的选择的属性随时间的变化是矿物含量随时间变化的指示。本发明考虑了油、气或其他沉积矿物在开采周期中的开采和资源管理的不变的或周期性的评估。碳氢化合物在开采中的迁移，碳氢化合物在操作过程例如二次回收中的迁移，蒸汽驱动前进，水渗入油井或天然气储集层等等都是储集层处理的例子，可以通过该方法进行随时间的监视。分析方法包括断层X光摄影装置重建和绘图表示在地层中的流体界面位置。

本领域技术人员知道，在此作为例子描述的用于产生和测量地震波以及监视底下沉积矿物的系统和方法不是局限于所描述的实施例的。更进一步，该发明也不是局限于前面上述地作为描述目的而给的例子。各种各样地改进和备选可以很容易地被本领域地技术人员提出而不偏离该发明地实际范围，这些范围如权利要求书所描述。

Claims (40)

1.一种在地球地层中产生地震能量的井孔系统，包括：

(a)其中可以产生驻波的腔，所述腔包含流体并且被放置于井孔管道和井孔地层之间；和

(b)在所述腔中产生压力波的装置，所述压力波产生在所述地层中的地震波，所述压力波在所述腔的共振频率下被产生。

2.权利要求1中的井孔系统，其中在所述腔中的流体至少是：i)液体和ii)气体中的一种。

3.权利要求1中的井孔系统，其中所述装置至少利用i)井孔流体流动能量和ii)电能中的一种将能量转换成所述压力波。

4.权利要求1中的井孔系统，其中所述装置至少包括：i)旋转阀，ii)电子螺线管振荡器，iii)泵浦和iv)邻近流体流动的节流门中的一种。

5.权利要求1中的井孔系统，其中所述腔的共振频率由所述腔的几何结构确定。

6.权利要求1中的井孔系统，其中所述腔的共振频率由所述用于产生压力波的装置的频率确定。

7.权利要求1中的井孔系统，其中所述用于产生压力波的装置在一个预定的频率的范围内被激发以产生一个扫频信号输入。

8.权利要求7中的井孔系统，其中所述扫频信号输入至少是i)向上扫描，ii)向下扫描，iii)非线性扫描，伪随机扫描和iii)随机扫描中的一种。

9.权利要求1中的井孔系统，进一步包括地震传感器以记录产生的地震波。

10.权利要求1中的井孔系统，进一步包括一个邻近所述腔的地震传感器。

11.权利要求1中的井孔系统，进一步包括在多个井孔中的地震传感器。

12.权利要求1中的井孔系统，其中所述腔被成形为为所述地球地层中的所述地震波提供一个宽频率信号。

13.权利要求1中的井孔系统，其中在所述地球地层中的地震波至少是i)P波，以及ii)S波中的一种。

14.权利要求1中的井孔系统，其中在所述腔中产生的压力波的共振频率与所述腔的形状相关。

15.权利要求1中的井孔系统，其中该腔至少部分地被特定形状的填塞物所限定。

16.权利要求1中的井孔系统，其中所述腔在井孔套筒的外侧。

17.权利要求1中的井孔系统，其中所述腔在井孔开采管道的外侧。

18.权利要求1中的井孔系统，其中所述腔在井孔开采管道和井孔套筒之间。

19.权利要求1中的井孔系统，进一步包括一个压力平衡端口。

20.一种在地球地层中产生地震波的方法，包括：

(a)使用其中可以产生驻波的腔，所述腔包含流体并且被放置于井孔管道和井孔地层之间；以及

(b)以一种装置在所述腔中产生压力波，所述压力波在所述地球地层中产生所述地震波，所述压力波在所述腔的共振频率下被产生。

21.权利要求20中的方法，其中在所述腔中的流体至少是：i)液体，以及ii)气体中的一种。

22.权利要求20中的方法，其中所述装置将井孔流体流动能量转换成所述压力波。

23.权利要求20中的方法，其中所述装置将电能转换成所述压力波。

24.权利要求20中的方法，其中所述装置至少包括：i)旋转阀，ii)电子螺线管振荡器，iii)泵浦，以及iv)邻近于流体流的节流门中的一种。

25.权利要求20中的方法，其中井孔流体流过所述腔。

26.权利要求20中的方法，进一步包括地震传感器以记录所述产生的地震波。

27.权利要求20中的方法，进一步包括邻近所述腔的地震传感器。

28.权利要求20中的方法，其中所述用于产生压力波的装置在一个预定的频率范围内被激活以产生一个扫频信号输入。

29.权利要求20中的方法，其中所述腔被成形为为所述地球地层中的地震波提供一个宽频率信号。

30.权利要求20中的方法，其中所述压力波的共振频率与所述腔的形状相关。

31.权利要求20中的方法，进一步包括至少部分用特定形状的填塞物确定所述腔。

32.权利要求20中的方法，其中在所述地球地层中的所述地震波至少是i)P波，以及ii)S波中的一种。

33.权利要求20中的方法，其中所述腔在井孔套筒的外侧。

34.权利要求20中的方法，其中所述腔在井孔开采管道的外侧。

35.权利要求20中的方法，其中所述腔在井孔开采管道和井孔套筒之间。

36.权利要求20中的方法，进一步包括通过用地震传感器在至少一个处在或接近表面位置的位置记录所述地球地层中的地震波来获取地震数据。

37.权利要求20中的方法，进一步包括通过用地震传感器在第二井孔中的至少一个位置记录所述地球地层中的地震波来获取地震数据。

38.权利要求20中的方法，进一步包括用多个地震传感器记录所述地球地层中的地震波；所述记录的地震波响应所关心的参数；并且处理记录的地震波以得到关于地球地层的信息。

39.权利要求38中的方法，进一步包括从记录的地震波来确定震尾，和用所述震尾对所述记录的数据解卷积。

40.权利要求20中的方法，进一步包括：

从由第一个时间和不同于第一时间的第二时间产生的压力波得到的信号对所关心的地球地层参数的变化作出评估。

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