CN101535842B - 通过使用磁耦合的有源噪声抵消 - Google Patents
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Abstract
使用无源和有源套管信号抑制来提高测量地层速度的能力。无源抑制包括使用可滑动地耦合到套管的磁体。有源抑制使用对套管信号的测量来控制机电声换能器的抵消传播信号的输出。可以提供反馈控制。
Description
技术领域
本发明涉及声学井筒测井。更具体地，本发明涉及用于减小套管井筒(cased wellbore)中的回响(ringing)的设备和方法。
背景技术
在本领域已知声学阵列井筒测井工具用于确定井筒所穿透的地球地层的声学性质。本领域已知的阵列声学井筒测井工具通常包括称作发射器的能量发射换能器，以及多个称作接收器的接收换能器，接收器沿着伸长的工具心轴在轴向与发射器间隔开。该工具通常在铠装电缆的一端被下降到井筒中。发射器周期性地用声学能量脉冲激励井筒。声学能量通过填充井筒的流体传播，并与流体和井筒壁之间的界面交互作用。然后，一些声学能量能够沿着井筒壁传播。在沿着井筒壁传播以后，一些能量能够朝着所述工具传播回到井筒中，在所述工具处，接收器能够检测到此能量。接收器把声学能量转换为具有和声学能量幅度对应的幅度的电学信号。
用于分析声信号的常用方法是所谓的相似性技术(semblancetechnique)。例如，一种本领域已知的用于确定地层的声传输速度的方法包含确定来自信号之间的对应程度达到最大值的每一个接收器的信号之间的时间差的值，所述方法被称作相似性相关。然后，使用所述时间差计算地层声速，因为接收器之间的距离是已知的。例如参见授予Kimball等的US4594691，授予Tang的US5541890，授予Dubinsky等的US6023443，授予Tang等人的US6930616。
在套管孔环境中，套管的存在经常妨碍地层压缩波慢度的测量，特别是当套管被接合得很差的时候。这是由于当声源被激活时套管将回响的情况所致。回响信号(ringing signal)基本无损耗地传播，并且将盖过地层到达信号。而另一方面，如果套管被很好地接合到地层，套管的回响则不是问题。本发明是一种确定套管钻孔中地层压缩和剪切波速度的方法。
发明内容
本发明的一个实施例是一种用于评估具有套管钻孔的地球地层的设备。在钻孔中传送的测井工具上的声发射器产生通过套管并通过地层传播的声信号。测井工具上的接收器响应于套管信号和地层信号。测井工具上置于发射器和接收器之间的装置在接收器处抑制套管信号。所述装置可以包括可滑动地耦合到套管以提高发射器和接收器之间的套管密度的磁体。所述装置可以包括具有不同直径的段和/或至少一个被连接的块。发射器可以是四极发射器，工作于套管的截止频率之下。所述装置可以包括产生指示套管信号的输出的传感器，和使用所述传感器的输出产生抑制套管信号的输出的换能器。多个接收器可以和处理器一起使用，所述处理器使用所述多个接收器的输出估计地层的压缩波速度和/或剪切波速度。
本发明另一个实施例是一种评估具有套管钻孔的地球地层的方法。使用测井工具上的发射器产生声信号，其通过套管和地层传播。测井工具上的接收器产生响应于套管信号和地层信号的输出。使用测井工具上在发射器和接收器之间的一种装置抑制套管信号。通过使用可滑动地耦合到套管从而提高套管密度的磁体作为所述装置可以实现所述抑制。通过使用工作于套管的截止频率之下的四极发射器可以产生所述信号。通过使用被置于发射器和接收器之间的产生指示套管信号的输出的传感器，并使用所述传感器的输出操作换能器，能够实现所述抑制。所述抑制可以基于套管信号在发射器和接收器之间的估计的传播时间。通过使用具有不同直径的段和/或被连接的块来衰减套管信号中被选择的频率，可以完成所述抑制。
附图说明
为了详细理解本发明，应该结合附图参考下面对优选实施例的详细描述，在附图中：
图1是电缆测井系统的示意图；
图2是在具有较差粘合的套管钻孔中根据本发明的测井工具的图；
图3a示出了地球地层中轻套管的波形的模拟结果；
图3b示出了加窗和滤波后图3a的波形的模拟结果；
图4a示出了地球地层中轻套管的波形的模拟结果；
图4b示出了加窗和滤波后图3a的波形的模拟结果；
图4c示出了图4a中数据的相似性显示；
图4d示出了图4b中数据的相似性显示；
图5a示出了本发明的替代实施例，其中，给磁体提供了不同的内部直径；
图5b示出了本发明的替代实施例，其中，给磁体提供了被连接的块；
图6示出了本发明的实施例，其中使用了有源噪声抵消；和
图7是代表图6的电路图。
具体实施方式
参考具体的测井仪器讨论本发明，这些仪器可以形成用于进行电缆测井操作的几个测井仪器的串的一部分。可以理解，这里所讨论的具体仪器的选择不应被理解为一种限制，并且本发明的方法也可以被用于其他的测井仪器。
图1中示出了测井系统的典型配置。这是对来自授予Fertl等的4,953,399号美国专利的设置的一种修改，上述专利具有和本发明相同的受让人，其内容通过引用被包含于此。根据本发明的设备和方法的各种说明性实施例，图1中所示是测井仪器套件10，被置于穿透地球地层13的钻孔11内(在垂直剖面中示出)，并耦合到在地面处的装备。测井仪器套件10可以包括电阻率装置12、自然伽马射线装置14，和/或两个孔隙度确定设备，例如中子装置16和/或密度装置18。这些设备以及钻孔中使用的用于测井操作的其他设备被共同地称作地层评估传感器。电阻率装置12可以是本领域已知的许多不同类型的用于测量包围钻孔的地层的电阻率的仪器中的一种，只要这样的设备具有相对较深的勘测深度。例如可以使用如在授予Beard等的5,452,761号美国专利中所描述的HDIL(高分辨率感应测井)设备，上述专利具有和本发明相同的受让人，其内容通过引用被包含于此。自然伽马射线装置14可以是包括闪烁检测器(scintillation detector)的类型，所述检测器包括协同耦合到光电倍增管的闪烁晶体，所以当伽马射线冲击晶体时，产生一系列电脉冲，这些脉冲具有和冲击伽马射线的能量成比例的量值。中子装置16可以是本领域已知的用于使用地层对中子辐射的响应特性来确定地层孔隙度的几种类型中的一种。这样的设备实质上响应于地层的中子调节性质。密度装置18可以是用来确定地层的体积密度(bulk density)的常规伽马-伽马密度仪器，例如在授予Wahl的3,321,625号美国专利中所描述的那种。在适当的位置可以提供井下处理器29作为所述仪器套件的一部分。
测井仪器套件10被电缆20在钻孔11内传送，电缆20包含用于在测井仪器套件10和位于地面的由22总地指示的表面电子线路之间传递电信号的电导体(未示出)。测井仪器套件10内的测井装置12、14、16和/或18被协同地耦合，所以电信号可以在测井装置12、14、16和/或18中的每一个和表面电子线路22之间传递。电缆20被以本领域熟知的方式连接到地面处的卷筒24。通过也以本领域熟知的方式把电缆20缠绕在卷筒24上或从其释放，可以使测井仪器套件10穿过钻孔11。
表面电子线路22可以包括操作测井仪器套件10内的测井装置12、14、16和/或18和处理来自其的数据所必需的电子电路。一些处理可以在井下完成。具体来说，用于做出关于加快(下面讨论)或放慢测井速度的决定所需的处理最好在井下完成。如果这些处理在井下完成，则加快或放慢测井的指令的遥测基本上可以被实时地执行。这避免了如果对于做出改变测井速度的决定所需的处理，大量数据要被在井上遥测则可能发生的潜在延迟。应该注意，利用足够快的通信速率，则在哪里做出决定无关紧要。但是，利用电缆上可获得的当前数据速率，决策最好在井下完成。
控制电路26包含测井仪器套件10内的测井装置12、14、16和/或18的所选实施例的运转所需的电源，并且还包含以常规方式处理和归一化来自这些测井装置12、14、16和/或18的信号以产生与包围钻孔11的地层有关的数据的基本上连续的记录或者日志所需的电子电路。然后，在进一步处理之前，这些日志可以被以电子方式存储在数据存储器32中。表面处理器28可以处理地层评估传感器12、14、16和/或18所做的测量。这种处理也可以由井下处理器29完成。
表面电子线路22也可以包括将辅助本发明方法的各种说明性实施例的机器实现的装备。表面处理器28可以是各种形式，但是最好是被编程为处理来自测井装置12、14、16和/或18的数据的合适的数字计算机。存储器单元30和数据存储器单元32均为协同地与表面处理器28和/或控制电路26接口的类型。深度控制器34确定测井仪器套件10在钻孔11内的纵向移动，并把代表这种运动的信号传送到表面处理器28。如下面讨论的那样，根据可以从井下处理器29传送和/或由表面处理器28提供的加快或放慢信号改变测井速度。这通过改变卷筒24的转速完成。可以由遥测单元36通过例如卫星链路提供外部通信。
现在参考图2，示出了专用于本发明的各种说明性实施例的测井工具。地球地层107中的钻孔由具有壁104的钻孔106绘出。在钻孔106内是由103表示的套管。在所示例子中，套管被水泥块109a、109b很差地粘合到钻孔壁104。由101指示声发射器，并且由103指示声接收器。可以使用额外的接收器和发射器，但是为了简化图示未被示出。
在激活声发射器后，声波传播到钻孔和地球地层中。对应于通过地层传播的信号的射线路径由111绘出。这是期望的信号，其行进时间给出了地层速度。此外，也示出了通过套管传播的射线路径105。射线路径105定义了比由射线路径111表示的地层信号更早抵达的套管信号。套管信号105回响极为严重，并且随着时间仅被缓慢衰减。这种回响是由于金属套管的高Q值所致，并且可能被图2中所示的情形加剧，在图2中，套管实质上在由109a、109b指示的支撑点之间自由振动。作为这种回响的结果，很难识别通过地层传播的信号。这在图3a到图3d中被示出。
图3a中所示是针对其中具有7700kg/m3的套管密度的套管在钻孔内的模型的模拟波形。应该注意，术语套管密度按照套管重量除以末端被密封的套管所占体积定义，所以较薄的套管具有比较厚的套管更高的套管密度。横坐标是到达时间(0-4s)，并且纵坐标是阵列的接收器号。针对8个接收器的阵列示出了信号。地层到达133和套管到达131比斯通利波(Stoneley wave)到达135弱得多。在选择了排除斯通利波到达的窗口并应用带通滤波器以后，产生图3b的数据。可以看到套管到达131’和地层到达133’，但是也很清楚，地层信号到达很难识别。
返回图2，本发明包括由121绘出的连接到套管103的磁体。磁体121可以是永久磁体或者电磁体。磁体与套管的连接不是永久性的，并且可以被视为可滑动耦合，所以可以使用电缆20把测井工具沿着套管移动。在测井工具的外部可以提供轮子(未示出)以辅助工具的移动以便进行测井。磁体强度的选择是简单的设计问题以保证磁体可滑动地耦合到套管时，电缆中的移动测井工具所需的张力不超过电缆强度。将磁体耦合到套管的效果是增加了发射器101和接收器103之间的套管的质量。在图4a到图4d中可以看出这个增大的套管质量的影响。
图4a中所示是和图3a类似的阵列显示，只不过现在套管密度是77000kg/m3，即是图3a的值的十倍。现在，在原始时间显示上可识别地层到达153，而看不到套管到达151。在加窗口和带通滤波以后，地层到达153’可以被清楚地识别，并与套管到达151’分离。
图4c是图4a的数据在p-τ(慢度-到达时间)域中的相似性显示。横坐标是从0到250μs/ft(0到825μs/m)的慢度，而纵坐标是到达时间(0到3200ms的刻度)。可以以大约105μs/ft的慢度(9520ft/s或者2900ms/s的速度)清楚地识别对应于地层到达的相似性峰顶161。
在本发明的另一个实施例中，磁体21是具有不同直径的开有凹槽的组件221的一部分。图5a中示出组件在套管203内。选择不同直径部分来衰减沿着套管传播的信号的某些频率。这种具有不同直径的排列在授予Egerev等的美国专利6615949号中被讨论过，上述专利具有和本发明相同的受让人，其内容通过引用被完全包含于此。
图5b中所示是本发明的另一个实施例，其中，磁体是具有被连接的块的组件321的一部分。组件被示出可滑动地耦合到套管303。为了预定频率范围中的声脉冲的最大衰减，多个大质量不规则物被间隔开并确定尺寸。这也在Egerev专利中被讨论过。
在本发明的另一个实施例中，取代图2中所示的单极发射器101和单极接收器103，使用了多极发射器和接收器。在授予Tang等的6850168号美国专利中教导了这种设备，上述专利具有和本发明相同的受让人，其内容通过引用被完全包含于此。如在Tang的专利中公开的那样，测井工具包括在钻井套环(drilling collar)上传递的发射器，用于在被钻头钻探的钻孔中激励四极信号，并包括用于接收该信号的接收器。发射器工作于低于四极套环模式的截止频率的频率。被接收的信号主要由地层四极模式构成，地层四极模式在低频时具有接近地层剪切波速度的速度。截止频率的值主要取决于钻探套环的厚度。本发明发现套管和可滑动耦合的磁体具有取决于套管密度的四极波截止频率。通过适当选择套管密度，上面参考图2、图5a或图5b描述的排列可以结合四极发射器使用以确定地层剪切波速度。
上面描述的本发明的实施例依靠对通过套管传播的到达接收器的信号的无源抑制。在本发明另外的实施例中，实现了套管信号的有源噪声抵消。图6中示出了本发明的这个实施例的设备。
图6中所示是地层407和套管403。发射器101和接收器103如图所示。同样应该注意，只示出了单个发射器-接收器组合——实际上可以使用接收器阵列(或者发射器阵列)。该设备包括位于发射器101和接收器103之间的第一传感器405和第二传感器409。第一和第二传感器是可滑动地耦合到套管403的测井工具的一部分。在第一传感器405和第二传感器409之间是可滑动地耦合到套管404的机电声换能器(electromechanical acoustic transducer，EMAT)。
在本发明工作期间，如上面讨论的那样，当发射器101被激活时，信号通过套管(见图2中的射线路径105)传播。第一传感器405检测套管信号。在第一传感器处测得的信号被用来在下面讨论的规定的时间延迟之后激活EMAT 411。EMAT 411被激活以便在套管403中产生与在第一传感器405处检测到的信号相等并且相反的信号，因而基本上抵消了EMAT以下的任何套管信号。
从第一传感器405和EMAT 411之间的距离D和套管中的声速c确定上面提到的时间延迟τ。套管中的声速是已知量，所以时间延迟是已知量。关系由τ＝D/c给出。
为了校正由于对c或者D的不正确认识所致的时间延迟上的任何偏差，本发明包括测量仍沿套管朝接收器103传播的套管信号的第二传感器409。第二传感器的输出是被EMAT不完全抵消的套管信号的指示，并通过适当的电路(未示出)用来控制时间延迟和/或EMAT产生的信号的幅度。
图7示出了工具操作的示意图。沿着套管传播的信号由粗虚线表示。第一传感器501测量套管信号。在时间延迟τ 503以后，并利用适当的增益K 505，EMAT 507被激活。EMAT的输出被耦合到套管中，并且剩余的套管信号被第二传感器509检测。然后，第二传感器的输出被用来控制时间延迟503和/或增益K。
EMAT是可被用来在例如套管的导电材料中激励或接收超声波的设备。当接近套管表面放置的电线被期望频率的交流电流驱动时，通过电磁感应在套管中感应出涡流。在存在静磁场(Bo)时，这些感应的涡流(J)将受到由f＝J X Bo给出的洛伦兹力(f)。这些洛伦兹力被传输到套管中，并起到超声波源的作用。EMAT是可逆器件，即它们能够被用作超声发射器或接收器。因为不要求接触，所以不出现与到套管的声耦合相关联的问题。本领域技术人员将发现，利用压电换能器(代替EMAT)也可以实施上面参考图6和图7描述的本发明。
测量的处理可以由表面处理器28、井下处理器29完成，或者在远程完成。数据获取至少可以部分地由井下电子线路控制。可完成的处理可以包括用于确定地层的压缩和剪切波速度的对例如图4a-4d中所示阵列数据的相似性分析。确定地层的压缩和剪切波速度是可由本发明执行的地球地层评估的一部分。数据控制和处理中隐含的是使用适当的机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序使得处理器能够执行控制和处理。机器可读介质可以包括ROM、EPROM、EEPROM、快闪存储器和光盘。术语处理器预期包括例如现场可编程门阵列(FPGA)的器件。
虽然前述公开涉及本发明的具体实施例，但是各种修改对于本领域技术人员来说是清晰的。预期所附权利要求的范围内的所有变化受到前述公开内容的支持。
Claims (10)
1.一种评估具有套管钻孔的地球地层的设备，所述设备包含：
(a)在钻孔中传送的测井工具上的声发射器，所述发射器产生声信号，该声信号通过套管传播，即套管信号，并通过地层传播，即地层信号；
(b)测井工具上的响应于套管信号和地层信号的至少一个接收器；和
(c)测井工具上置于所述发射器和所述至少一个接收器之间的装置，该装置抑制所述至少一个接收器的位置处的套管信号，所述装置包含：
(i)被置于发射器和所述至少一个接收器之间的第一传感器，该第一传感器产生指示套管信号的输出，
(ii)被置于第一传感器和所述至少一个接收器之间的换能器，换能器使用第一传感器的输出产生将套管信号基本上抑制的输出。
2.如权利要求1所述的设备，其中，换能器选自由(A)压电换能器，和(B)机电声换能器组成的组。
3.如权利要求1所述的设备，其中，换能器通过进一步使用套管信号在第一传感器和换能器之间的估计的传播时间来产生输出。
4.如权利要求3所述的设备，还包含：
(A)被置于换能器和所述至少一个接收器之间的第二传感器，和
(B)使用第二传感器的输出来改变所估计的传播时间的处理器。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个接收器包含多个接收器，所述设备还包含使用多个接收器的输出来估计以下其中至少一个的处理器：(i)地层的压缩波速度，和(ii)地层的剪切波速度。
6.一种评估具有套管钻孔的地球地层的方法，所述方法包含：
(a)使用测井工具上的声发射器产生声信号，该声信号通过套管传播，即套管信号，并通过地层传播，即地层信号；
(b)使用测井工具上的至少一个接收器产生响应于套管信号和地层信号的输出；和
(c)在测井工具上在发射器和所述至少一个接收器之间放置一个装置，并使用所述装置抑制所述至少一个接收器的位置处的套管信号，
步骤(c)包含：(i)使用被置于发射器和所述至少一个接收器之间的第一传感器，该第一传感器产生指示套管信号的输出，(ii)使用被置于第一传感器和所述至少一个接收器之间的换能器，该换能器使用第一传感器的输出产生将套管信号基本上抑制的输出。
7.如权利要求6所述的方法，其中，换能器选自由(A)压电换能器和(B)机电声换能器组成的组。
8.如权利要求6所述的方法，其中，步骤(c)还包含使用套管信号在第一传感器和用来抑制套管信号的换能器之间的估计的传播时间来产生输出。
9.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(c)还包含(A)使用被置于换能器和所述至少一个接收器之间的第二传感器，和(B)使用第二传感器的输出来改变所估计的传播时间。
10.如权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个接收器包含多个接收器，所述方法还包含使用多个接收器的输出来估计以下其中至少一个：(i)地层的压缩波速度，和(ii)地层的剪切波速度。
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