CN101553742A - 使用图像和声波测井图的组合区分天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性 - Google Patents

Abstract

使用图像和声波测井图的组合区分裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性。通过已知的技术得到井眼图像和声波测井图。在各向异性地层中的来自单极P波和S波的声波数据和交叉偶极横波声波数据的分析用于估算至少一个压缩模量和两个剪切模量以及偶极快横波方向。图像测井图的裂缝分析能够确定裂缝的类型和几何特性。来自图像测井图的地质学分析和地质力学分析提供天然裂缝和应力导致的裂缝的先前区分。基于由图像测井图解释的裂缝特性的知识的天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性的正演定量模型允许计算快横波方位和快慢横波慢度之间的差。然后优化预测的与观测的声波测量值(即，快横波方位和快横波慢度)之间的不吻合值，以区分具有被张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和由不相等的主应力效应导致的裂缝所影响的弹性介质的深度带。

Description

使用图像和声波测井图的组合区分天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性

技术领域

本发明总体涉及井眼地质学和地球物理学领域，本发明更具体地涉及具有弹性介质的深度带的确定和估算，该弹性介质通过天然裂缝或者应力导致效应而被改变。

背景技术

通过将井眼钻到含油气层、完井、然后采收产物而将石油和天然气从地下岩层提取。使用各种传感器来提高井眼的建造和已完井的产率。例如，使用电缆和随钻声波测井仪以利用纵波和横波速度测量值测量井眼周围的地层的动态弹性特性。当地层的弹性特性是各向异性时，根据传播方向和偏振方向，可以测量若干个速度，并使用该速度部分或全部地表征各向异性弹性张量。各种条件可以引起各向异性，包括但不限于岩石固有特性、裂缝、和不相等的主应力。后者条件对于井眼的稳定性、最佳压裂、完井设计和其它地球和石油物理应用来说有一些指示意义。因此正确的识别各向异性的原因是重要的。

用于识别引起各向异性的原因的一些技术是公知的。在各向异性地层中的单极P波和S波，单极斯通利波和交叉偶极横波声波数据可以用来评估一个压缩模量和三个剪切模量[2005年75th Ann.Internat.Mtg.Soc.of Expl.Geophys.中Sinha，B.等人的Radial profiling of three formation shear moduli；2004年3月30日授予Sinha，B等人的题目为”Determination of anisotropicmoduli of earth formations”的美国专利6,714,480，这些文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]。具有垂直对称轴线的正交地层由三个剪切模量c₄₄、c₅₅、和c₆₆表征。在垂直井眼中，能够通过交叉偶极波形的方位各向异性分析直接评估两个垂直剪切模量(c₄₄和c₅₅)。快横波方位能够使用诸如Alford旋转的方法来计算，而快横波慢度(slowness：或者时差)和慢横波慢度可以由交叉偶极频散的零频率极限来估算[1986年56th Ann.Internat.Mtg.，Soc.of Expl.Geophys.中Alford，R.M.的Shear data in the presence of azimuthal anisotropy；1994年64^th Ann.Internat.Mtg，Soc.of Expl.Geophys.中Esmersoy，C.等人的Dipole shear anisotropy logging；2004年75th Ann.Internat.Mtg.Soc.of Expl.Geophys.中Sinha，B.等人的Radial profling of three formation shear moduli；1993年5月25日授予Esmersoy，C.的题目为“Method and Apparatus for Determining Properties of Anisotropic ElasticMedia”的美国专利5,214,613；1998年9月15日授予Esmersoy，C.的题目为“Dipole Shear Anisotropy Logging”的美国专利5,808,963，或者对于可选的方法参见2004年4月6日授予Sinha，B.等人的题目为“Determination of dipoleshear anisotropy of earth formations”的美国专利申请6,718,266；1999年Geophysics中Tang，X.等人的Simultaneous inversion of formation shear-wave anisotropy parameters from cross-dipole acoustic-array waveform data，这些文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]。假设施加校正以消除任何近井眼变化和测井仪影响，第三剪切模量c₆₆能够由斯通利波数据来估算[Geophysics，1993，58，1091-1098中Norris，A.N.等人的Weak elastic anisotropy and the tube wave；2004年3月30日授予Sinha，B.的题目为“Determination of anisotropic moduli of earth formations”的美国专利6,714,480，这些文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]。然后使用偶极频散曲线识别弹性特性的各向异性的原因：(i)使用偶极曲线的特征交叉识别应力导致的效应(由于远场不相等的主应力和井眼周围近场压力集中)[1996年的Geophysics中Sinha，B.K.等人的Stress-induced azimuthal anisotropy in borehole flexural waves；1998年的Geophysics中Winkler，K.W.等人的Effects of borehole stress concentrations on dipole anisotropy measurements；2000年的Geophysics中Sinha，B.K.等人的Dipole dispersion crossover and sonic logs in a limestone reservoir；1995年3月14日授予Sinha，B.的题目为“Identification of Stress Induced Anisotropy in Formations”的美国专利申请5,398,215，这些文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]。或者(ii)使用平行频散曲线的特征识别固有各向异性或者裂缝导致的各向异性[1994年的Geophysics中Sinha，B.K.等人的Borehole flexural modes in anisotropic formations；1995年3月14日授予Sinha，B.的题目为“Identificationof Stress Induced Anisotropy in Formations”的美国专利申请5,398,215，这些文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]。然而，当裂缝和应力效应都存在时，或者由于高频率的衰减难于解释频散曲线的分析时[2006年47^thAnnu.Logging Symp.，SPWLA中Donald，A.等人的Advancements in acoustic techniques for evaluating natural fractures，此文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]，或者当各向异性介质的对称轴线和井眼轴线没有对齐时，所观测的各向异性的解释变得更加具有挑战性。必须提供独立的信息以确认观测和区分不同效应的相对重要性。

当主应力的方向和天然裂缝平面的法向不对齐时，区分不同效应的相对重要性尤其重要。对斯通利波波型反射和衰减的分析允许识别井眼中的张开裂缝，并且估算所述张开裂缝的孔径[1989年9月26日授予Hsu，K.的题目为“Method and apparatus for detecting and evaluating borehole wall”的美国专利4,870,627；1989年的Geophysics中Hornby，B.E.等人的Fracture evaluation using reflected Stoneley-wave arrivals；1997年Geophysics中Tezuka，K.等人的Modeling of low-frequency Stoneley-wave propagation in an irregular borehole；1989年5月16日授予Hornby，B.的题目为“BoreholeLogging Method for Fracture Detection and Evaluation”的美国专利4,831,600，这些文献公开的内容通过引用在此全文并入]。此外，井眼图像(电图像和超声图像)的解释可以用于识别张开裂缝或闭合裂缝[2000年的Springer中Luthi，S.M.的Geological well logs：their use in reservoir modeling；1993年9月7日授予Luthi，S.的题目为“Width determination of fracturesintersecting a borehole”的美国专利5,243,521，这些文献公开的内容通过引用在此全文并入]。然后可以计算诸如位置和走向的裂缝特性。然而，不存在实际技术用于正演定量模拟天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性，从而区别它们的相对效应。

发明内容

根据本发明的一个实施例，用于区分天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性的方法包括步骤以下：获得与井眼相关的图像数据和声波数据；使用声波数据估算至少一个压缩模量和两个剪切模量以及偶极快横波方向；使用图像数据识别裂缝类型和走向；计算快横波方位和由于地质断裂引起的快慢横波之间的慢度的差；以及识别具有正被张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和不相等的主应力效应中的至少一个影响时的弹性介质的深度带。

根据本发明的另一方面，用于区分天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性的设备包括：存储器，所述存储器能够操作以存储与井眼相关的图像数据和声波数据；能够操作以使用声波数据估算至少一个压缩模量和两个剪切模量以及偶极快横波方向的电路；能够操作以使用数据图像识别裂缝类型和走向的电路；能够操作以计算快横波方位和由地质断裂导致的快慢横波之间的慢度的差的电路；和能够操作以识别具有正被张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和不相等主应力效应中的至少一个所影响时的弹性介质的深度带的电路。

附图说明

图1示出了一种准备用于识别和估算各向异性的声波处理；和

图2示出了具有弹性介质的深度带的识别和评估，所述弹性介质通过天然裂缝、不相等的主应力效应及其任意组合而被改变。

具体实施方式

参照附图1和2，在初始步骤(100)中，利用现有波型(包括但不限于单极波型(mode)、偶极波型和斯通利波波型)中的任一个及其组合获得声波测井图。与各向异性地层相关联的单极P波和S波，单极斯通利波和交叉偶极横波声波数据用于估算一个压缩模量和三个剪切模量。具有垂直对称轴线的正交地层由三个剪切模量c₄₄、c₅₅和c₆₆表征。

在步骤(100)中要求的声波测井图在准备用于识别和估算声波各向异性慢度特性中被处理。如步骤(101)中所示的，单极波型纵波慢度被识别。来自单极波型的纵波慢度用作步骤(221)中的输入。如步骤(102)中所示的，由偶极波型数据识别横波各向异性。在垂直井眼中，两个垂直偶极剪切模量(c₄₄和c₅₅)由交叉偶极波形的方位各向异性分析直接估算。快横波方向(或者方位)也被确定。用于确定快横波方向的技术包括但不限于Alford旋转和交叉偶极波形的参数反演。最高剪切模量(c₄₄或c₅₅)用作步骤(221)中的输入。快横波方位和快慢慢度用作步骤(224)中的输入，用于计算预测的声波测量值与观测的声波测量值之间的不吻合值。如步骤(103)中所示，偶极频散(dipole dispersion)曲线可以用来识别各向异性的原因：(i)使用偶极曲线的特征交叉识别应力引起的效应(由于远场不相等的主应力和井眼周围近场压力集中)，或者(ii)使用平行频散曲线识别固有各向异性或者由裂缝导致的各向异性。频散曲线用作步骤(300)中的质量控制指示器。如步骤(104)中所示，假设施加校正以消除近井眼变化和测井仪的影响，第三剪切模量c₆₆由垂直井眼中的斯通利波数据估算。当比较c₄₄、c₅₅和c₆₆时，如果来自斯通利波的剪切模量是最高剪切模量，则所述剪切模量用作步骤(221)中的输入。对于具有垂直或者非垂直对称轴线的正交地层中的非垂直井来说，结合步骤(101、102和104)。使用用于沿井眼轴线的Sh波和Sv波速度的综合表达式估算三个弹性模量，而由用于q-P波速的表达式估算弹性模量的第四组合。然后，来自单极的测量的纵波慢度(DTco_meas)，和来自偶极的横波慢度(DTs^fast _meas)或者来自斯通利波的横波慢度(DTs^ST)中的最低横波慢度用作步骤(221)中的输入。来自斯通利波波型的裂缝分析在步骤(105)中执行。斯通利波波型反应的分析允许识别井眼中的张开裂缝并估算所述张开裂缝的孔径。来自斯通利波波型的裂缝位置的识别用作步骤(300)中的质量控制指示器QC。

现在参照图2，根据在步骤(200)中得到的图像测井图在步骤(201)中执行裂缝分析。井眼图像的解释通常包括层理分析(bedding analysis)、构造分析、不均匀性分析以及裂缝分析。对于电测井仪来说，裂缝的识别基于与主岩相比的电阻率的观测(或者导电裂缝或者具有电阻性的裂缝)，而对于超声波测井仪来说，裂缝的识别基于振幅衬度以及传播时间的结合。井眼图像的解释包括区分不同裂缝类型(例如，天然裂缝和由不相等的主应力和井眼周围的应力集中产生的裂缝)，并确定裂缝的地质学特性(即，给定深度的位置和走向、倾角和倾斜方位特性)。所述解释还可以包括裂缝孔径的确定[1990年Geophysics中Luthi，S.M.等人的Fracture apertures from electrical borehole scans，该文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]，裂缝迹线长度连通性(fracture trace length connectivity)、裂缝孔隙度、储层裂缝间隔和裂缝组的裂缝密度。

地质学分析和地质力学分析允许区分天然裂缝和由不相等的主应力以及井眼周围应力集中导致的裂缝。应力导致的裂缝是在现有平面处的受拉钻进和剪切钻进导致的裂缝、劈开(breakout)和滑移(slip)。受拉钻进导致的裂缝在井眼图像上容易地探测到，因为它们相对于井壁对称，通常接近垂直或者沿垂直于最小主应力的平面产生。剪切钻进产生的裂缝在垂直于最小主应力的方向上被探测到，但是在井壁的相对侧不对称地扩大，且断裂角度(failure angle)小于直角，并与岩性单位的机械强度有关。当一个或者优选地两个无变形弧(即，所述弧的半径接近钻头的半径)被两个受损区带近似180°地间隔开的情况下，产生劈开。在井壁处的切向应力最大的情况下劈开。由于垂直井通常平行于垂直主应力，因此劈开简单地说明最小主应力的方位。倾斜井倾斜于影响最大切应力的三个主应力。在钻井期间或者钻井之后可以重新激活岩石中的滑移面。这种平面通常相对于当前的应力轴线以倾斜角被定位。在图示的技术中，当考虑张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝、和应力导致的裂缝时，裂缝的类型(或者裂缝组)的数目可以为三个但不限于三个。步骤(201)中的裂缝分析使得确定了裂缝类型和地质特性(例如，倾斜角度和倾斜方位)，所述裂缝类型和地质特性用作用于步骤(221)中的计算的输入。

当存在具有各种走向的若个平坦裂缝并且可以在图像测井图上识别所述裂缝时，张开的裂缝将在弹性介质中产生过柔量(excess ofcompliance)，并因此增加声波慢度，即，降低速度[参见示例，1995年的Geophysics中Schoenberg，M.，等人的Seismic anisotropy of fractured rock，该文献所公开的全部通过引用在此全文并入]。然而，愈合的裂缝可以减少介质(例如充满方解石和石英的介质)的整个柔量。假设存在一个或若干个平行裂缝组，长波长的有效介质可以看作为具有不同可能对称性(例如，横向各向同性的、正交的、单斜晶系、甚至三斜晶系)的各向异性弹性岩石。然而，Grechka和Kachanov[2006年的Geophysics中Grechka，V.等人的Seismic characterization of multiple fracture sets：does orthotropy suffice？，该文献所公开的全部内容通过引用在此全文并入]示出不管裂缝组的数量、所述裂缝组裂纹密度和走向，正交对称性通常对干裂缝是足够的。如果裂缝填充有可压缩流体或者如果考虑裂缝表面的粗糙度，则可以得到诸如单斜晶系的和三斜晶系的较低的对称性。基于裂缝类型、结构及其它裂缝特性的解释，可以分析将对弹性介质有影响的所观测的裂缝。由图像测井图和斯通利波方法观测的裂缝张开度典型地大约为10μm-2mm。假设声波频率为1-5kHz并且慢度为100-800μs/ft，典型的声波波长大约为0.25-10ft(0.08-3.05m)。因此，低频声波波长总是大于裂缝开口度。对于裂缝组来说，另一重要参数是相邻裂缝之间的距离，所述相邻裂缝之间的距离由裂缝密度参数(裂缝数量与给定距离的比)来描述。对于非常稀疏的裂缝组来说，典型的裂缝密度值小于0.75(单位是1/米)，而对于密集裂缝组来说，所述裂缝密度值可以超过10(1/米)。裂缝间距(裂缝密度的倒数)总是大于裂缝张开度，但是裂缝间距可以小于、等于或者大于声波波长。当裂缝间距比波长小的多时，可以应用有效介质模型，并且该模型的参数仅仅取决于裂缝组的走向和密度、填充裂缝的材料的特性以及主岩石的弹性系数(例如，来自1980年的J.Eng.Mech.Div.Am.Soc.Civ.Eng.中Kachanov，M.的Continuum model of medium with cracks；1980年Journal of the AcousticalSociety of America中Schoenberg，M.的Elastic wave behavior across linear slip interfaces；1980年Mathematical Proceedings of the Cambridge PhilosophicalSociety中Hudson，J.A的Overall properties of a cracked solid，这些文献公开的内容通过引用在此全文并入]的用于非相互作用裂纹的有效介质理论)。当裂缝间距接近或者大于声波波长时，由有效介质理论获得的数据和模拟的定量比较不是严格正确的。然而，当可以忽略第一级散射效应时，仍然可以以定性的方式使用该模型。

Sayers和Kachanov[1995年的J.Geophys.Res.中Sayers.C.M.等人的Microcrack-induced elastic wave anisotropy of brittle rocks和1995年的Geophysics中Schoenberg和Sayers Schoenberg，M.等人的Seismic anisotropy of fractured rock，这些文献所公开的内容通过引用在此全文并入]描述了一种用于包括在通过断裂岩石的地震传播中地质上的实际裂纹和裂缝的效应的简单位移不连续方法。他们考虑任意形状和有限尺寸的纤细裂纹或平坦和平行裂纹组，对于所述纤细裂纹或平坦和平行裂纹组来说，不同裂纹和裂缝是不相互作用的(每一个裂纹被假设为受到不被相邻裂纹干扰的均衡的应力场)。显示裂纹或裂缝相互作用和交叉的非相互作用近似值的数值确认对有效弹性几乎没有影响[2006年的Geophysics中Grechka，V.等人的Effective elasticity of rocks with closely spaced and intersecting cracks，该文献所公开的内容通过引用在此全文并入]。利用此假设，整个弹性柔量sijkl能够通过裂纹或裂缝组的柔量s_ijkl ^f和基底介质(host medium)的柔量s_ijkl ^h的线性相加来分解：

$s_{\mathrm{ijkl}}=s_{\mathrm{ijkl}}^h+s_{\mathrm{ijkl}}^f\·\·\·$ (方程1)

当裂纹或裂缝旋转不变(例如，裂纹或裂缝是平坦的)，基底介质的过柔量s_ijkl ^h可以写成：

$s_{\mathrm{ijkl}}^f=\frac{1}{4}({\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jl}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{il}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jk}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{il}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jl}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}})+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ijkl}\_}\·\·\·$ (方程2)

其中δ_ij是Kronecker符号，α_ij是二阶张量，而β_ijkl是四阶张量。对于嵌入在典型的体积V中的单个裂纹来说，Sayers和Kachanov(1995)将α_ij和β_ijkl定义为：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{V}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}{B}_T^{\left(r\right)}{n}_i^{\left(r\right)}{n}_j^{\left(r\right)}{A}^{\left(r\right)}\·\·\·$ (方程3)

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ijkl}}=\frac{1}{V}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}(B_N^{\left(r\right)}-B_T^{\left(r\right)})n_i^{\left(r\right)}{n}_j^{\left(r\right)}{n}_k^{\left(r\right)}{n}_l^{\left(r\right)}{A}^{\left(r\right)}\·\·\·$ (方程4)

其中B_N ^(r)和B_T ^(r)是r^th裂纹法向和切向柔量(单位：长度/应力)，n_i ^(r)是该裂纹法向的i^th分量，而A^(r)是体积V内的裂纹的面积。

对于平坦和平行裂缝组来说，Schoenberg和Sayers(1995)将α_ij和β_ijkl定义为：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{V}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{Z}_T^{\left(m\right)}{n}_i^{\left(m\right)}{n}_j^{\left(m\right)}\·\·\·$ (方程5)

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ijkl}}=\frac{1}{V}\underset{m}{\mathrm{\Σ}}(Z_N^{\left(m\right)}-Z_T^{\left(m\right)})n_i^{\left(m\right)}{n}_j^{\left(m\right)}{n}_k^{\left(m\right)}{n}_l^{\left(m\right)}\·\·\·$ (方程6)

其中，Z^(m) _N和Z^(m) _T是m^th裂缝的法向和切向柔量(单位：1/应力)，n^(m) _i是裂缝法向i^th分量。可以对特殊情况得到这两个方程之间的关系，例如，在立方体V＝L×L×L中具有规则间距s＝L/N和相等面积A＝L×L的一组N个平行纤细裂纹(裂纹平行于立方体一个面)给出B_TN/1＝B_T/s＝Z_T和(B_N-B_T)N/1＝(B_N-B_T)/s＝Z_N-Z_T。

根据由井眼图像解释得出的裂缝特性，如果满足长波长有效介质条件，则该模型可以应用于计算裂缝导致的声波各向异性。主岩石的裂缝柔量s^h _ijkl和裂缝Z^(m) _N和Z^(m) _T中的一个必须被指定(221)。在声波发射器和接收器(由测井仪的几何结构给出)之间探测到的弹性介质限定在其上满足长波长近似值的体积。基底介质柔量s^h _ijkl涉及无裂缝介质的弹性特性(即，声波慢度)。它们在井中是未知的，因为具有所有混合效应的介质由 $s_{\mathrm{ijkl}}=s_{\mathrm{ijkl}}^h+s_{\mathrm{ijkl}}^f$ 测量。然而，实际上好的起始点是将基底介质各向异性而考虑。然后，通过由单极测量的纵波慢度(DT^co _meas)、由偶极测量的最低横波慢度(DTs^fast _meas)以及密度在离散深度处定义两个各向同性的弹性常数。在正演模拟问题的情况下，法向Z^(m) _N和切向Z^(m) _T柔量是未知的，并且对于每个裂缝来说可以不同。目前，在图像测井图上观测的每个裂缝(m)被假定为具有带有柔量[Z^(m) _N]⁽ⁿ⁾和[Z^(m) _T]⁽ⁿ⁾的给定类型的裂缝组(n)的一部分。在开始时，每个裂缝根据地质解释属于给定组。在工作流程(220)的后期阶段，每个裂缝可以被重新指定为不同的裂缝组。对于干裂缝或者填充气体的裂缝来说，Z^(m) _N/Z^(m) _T～1是良好的临近值，但是通常，对于填充水或填充油的裂缝来说，Z^(m) _N/Z^(m) _T＜＜1(Sayers，2002)。当法向柔量和切向柔量相等时(Z^(m) _N/Z^(m) _T＝1)，β_ijkl为零，并且弹性张量的最低的可能对称性是斜方晶的。通过对于石英二长石和石灰石的实验室测量，裂缝法向和剪切柔量的估算值在0.01.1e-12到0.5.1e-12m/pa的范围内变化；[1995年Int.J.Rock Mech.Min.中Pyrak-Nolte，L.J.的The seismic response of fracture and the interrelationships among fracture properties：；2005年Dphil Thesis中LubbeR.的A field and laboratory investigation of the compliance of fractured rocks，这些文献公开的内容通过引用在此全文并入]，和通过在主频率为2kHZ下的井间地震实验，所述值从0.25.1e-12到3.5.1e-12m/pa的范围内变化[2006年Geophys.Prosp.中Lubbe，R.等人的A field investigation of fracture compliance，该文献公开的内容通过引用在此全文并入]。法向和切向柔量Z^(m) _N和Z^(m) _T与裂缝的物理特性的关系不在本专利的保护范围内；更多细节参见Pyrak-Nolte(1995)。在本发明的方法中，我们通过不同的裂缝组区分不同的裂缝类型。例如，使用井眼图像解释，三组裂缝可以被定义为张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和应力导致的裂缝。因为裂缝弹性柔量s^h _ijkl(方程5和6)是各个裂缝贡献的线性叠加的结果，因此总裂缝柔量能够例如以张开的天然裂缝分量s^of _ijkl、闭合的天然裂缝导致的分量s^cf _ijkl和应力导致的分量s^if _ijkl的形式被分解成给定数量组的线性叠加：

$S_{\mathrm{ijkl}}^f={S^{\mathrm{of}}}_{\mathrm{ijkl}}+{S^{\mathrm{cf}}}_{\mathrm{ijkl}}+{S^{\mathrm{if}}}_{\mathrm{ijkl}}$ (方程7)

过张量柔量s^of _ijkl、s^cf _ijkl、s^if _ijkl被各自定义如下：

$s_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{of}}=\frac{1}{4}({\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jl}}^{\mathrm{of}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{il}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jk}}^{\mathrm{of}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{il}}^{\mathrm{of}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jl}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}^{\mathrm{of}})+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{of}}$ (方程8)

$s_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{cf}}=\frac{1}{4}({\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jl}}^{\mathrm{cf}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{il}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jk}}^{\mathrm{cf}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{il}}^{\mathrm{cf}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jl}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}^{\mathrm{cf}})+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{cf}}$ (方程9)

$s_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{if}}=\frac{1}{4}({\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jl}}^{\mathrm{if}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{il}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jk}}^{\mathrm{if}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{il}}^{\mathrm{if}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{jl}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}^{\mathrm{if}})+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{if}}$ (方程10)

且使用具有相应法向和切向分量的[Z^(m) _N]^(of)、[Z^(m) _T]^(of)、[Z^(m) _N]^(cf)、[Z^(m) _T]^(cf)、[Z^(m) _N]^(if)和[Z^(m) _T]^(if)的方程(5)和方程(6)定义二阶张量α^of _ij、α^cf _ij和α^if _ij和四阶张量β^of _ij、β^cf _ij和β^if _ij。在步骤221中，根据定义的组的数量，法向和切向柔量作为[Z^(m) _N]⁽ⁿ⁾、[Z^(m) _T]⁽ⁿ⁾被指定给每个组(n)。

在步骤(222)中使用方程(7)来计算由于所有裂缝组的过柔量。

在步骤(223)中执行快慢横波慢度以及方位的预测。一旦已经定义上述参数，则可以在离散深度点处执行计算。在选定的离散深度处，存在于所选择的深度上下方的深度窗(depth window)内的裂缝包括在计算中，并且裂缝深度、倾斜角度和倾斜方位的知识允许为每个裂缝确定n^(r) _i，并计算所有弹性柔度张量。可以对柔度张量反演以得到刚度张量。要注意的是在此方法中，对弹性介质的任何具体的对称性不做假设。然后使用刚度张量通过Christoffel方程求解用于任意各向异性的运动。假设传播方向沿着井眼轴线，我们对弹性波传播的三种波型的偏振矢量求解一个压缩qP波和两个剪切qS1波和qS2波。在正交于井眼的横波速度的方位变化的分析提供通常在声波各向异性中所观测的两个特性：快横波方位和两个快慢横波慢度。

在步骤(224)中使用步骤(223)的输出，即，预测的快横波方位和快慢横波慢度。

在步骤(224)中，观测值与预测值之间的不吻合值用于在由张开的天然裂缝影响的区带、闭合的天然裂缝影响的区带和应力导致的裂缝影响的区带之间进行区分。在深度z处，观测的快横波方位和慢度差与预测的快横波方位和慢度差之间的预测值误差或不吻合值可以表示为：

(方程11)

$e_i^{\mathrm{DTs}}\left(x\right)={({\mathrm{DTs}}^{\mathrm{slow}}-{\mathrm{DTs}}^{\mathrm{fast}})}_i^{\mathrm{obs}}-{({\mathrm{DTs}}^{\mathrm{slow}}\left(x\right)-{\mathrm{DTs}}^{\mathrm{fast}}\left(x\right))}_i^{\mathrm{pre}}$ (方程12)

然后，下面的不吻合矢量的标准Ln在被定义为：

${\left|\right|e\left|\right|}_n={\left[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left|e_i\right|}^n\right]}^{1/n}$ (方程13)

或者

${\left|\right|e^{\′}\left|\right|}_n={\left[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left|\frac{e_i}{{\mathrm{\σ}}_i}\right|}^n\right]}^{1/n}$ (方程14)

其中，σ_i是方程(11)和方程(12)中使用的观测值的标准偏差。

使用方程(11)和方程(12)，定义下面的标准：

(方程15)

(方程16)

${\left|\right|e^{\mathrm{DTs}}\left|\right|}_n={\left[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left|e_i^{\mathrm{DTs}}\right|}^n\right]}^{1/n}$ (方程17)

${\left|\right|e^{{\mathrm{DTs}}^{\′}}\left|\right|}_n={\left[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left|\frac{e_i^{\mathrm{DTs}}}{{\mathrm{\σ}}_i^{\mathrm{DTs}}}\right|}^n\right]}^{1/n}$ (方程18)

(方程19)

然后，通过将各个裂缝重新指定在不同类型中，并对每一种裂缝类型重新定义柔量特性，在重复的计算步骤221、222、223、224中执行优化环路(步骤220)。以上方程(分别是独立的方程15、方程16、方程17、方程18，或者用于联合反演(joint inversion)的方程19)可以最小化为反演问题，以对于给定深度间隔为每一个裂缝得到最优类型和柔度参数[Z^(m) _N]^(of)、[Z^(m) _T]^(of)、[Z^(m) _N](^cf)、[Z^(m) _T]^(cf)、[Z^(m) _N]^(if)和[Z^(m) _T]^(if)。还可以定义最小化方程15、16、17、18和19的反演波型(至少平方或不平方，即，n＝2或者n≠2)。当方程15、16、17、18及19中的数量在定义的临界值以下时，停止优化环路。224的输出是已经重新指定给三种裂缝类型(张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和由应力产生的裂缝)中的一个的裂缝的集合，并且对于所述裂缝来说，柔度参数[Z^(m) _N]^(of)、[Z^(m) _T]^(of)、[Z^(m) _N]^(cf)、[Z^(m) _T]^(cf)、[Z^(m) _N]^(if)和[Z^(m) _T]^(if)现在是已知的。

在步骤300中，在深度窗中的离散深度处，对三种类型中的每一种计算裂缝的比例，并显示为颜色表示/阴影的曲线，所述曲线表示被张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和应力产生的裂缝所影响的区带。

可以将使用偶极频散曲线(步骤104)识别的固有各向异性和应力导致的各向异性的区带的结果与使用斯通利波波型(步骤105)已经识别的裂缝的区带的结果进行比较。

虽然已经通过以上示例性实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将理解的是在不背离这里公开的发明构思的情况下可以对图示的实施例进行修改和改变。此外，虽然结合各种示例性结构说明了优选的实施例，但是本领域的技术人员将认识到可以使用各种具体结构实施该系统。因此，除了被所附权利要求的保护范围和精神限制之外，本发明不应该被看作为限制性的。

Claims (18)

1、一种区分天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性的方法，所述方法包括步骤以下：

获得与井眼相关的图像数据和声波数据；

使用所述声波数据估算至少一个压缩模量和两个剪切模量以及偶极快横波方向；

使用所述图像数据识别裂缝类型和走向；

计算快横波方位和由于地质断裂引起的快慢横波之间的慢度的差；以及

识别正被张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和应力导致的效应中的至少一个影响的深度带。

2、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

根据由所述图像数据解释的裂缝特性的知识，通过天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性的正演定量模型计算快横波方位和由地质断裂导致的快慢横波慢度之间的差。

3、如权利要求2所述的方法，其中，所述正演定量模型基于力学模型。

4、如权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤：

计算预测的与观测的声波测量值，即，快横波方位和快横波慢度之间的不吻合值。

5、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用单极P波估算纵波慢度和相关的弹性模量。

6、如权利要求5所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用单极S波估算所述横波慢度和相关的弹性模量。

7、如权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用交叉偶极横波声波数据估算两个横波慢度和相关的弹性模量以及快横波方向。

8、如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用单极斯通利波估算所述横波慢度和相关的模量。

9、如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

使用所述图像数据以通过地质学分析和地质力学分析识别裂缝特性，所述地质学分析和地质力学分析使得在张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和应力导致的效应之间进行先验区分。

10、一种区分天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性的设备，包括：

存储器，所述存储器能够操作以存储与井眼相关的图像数据和声波数据；

能够操作以使用所述声波数据估算至少一个压缩模量和两个剪切模量以及偶极快横波方向的电路；

能够操作以使用所述数据图像识别裂缝类型和走向的电路；

能够操作以计算快横波方位和由地质断裂导致的快慢横波之间的慢度的差的电路；和

能够操作以识别正被张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和应力导致的效应中的至少一个所影响的深度带的电路。

11、如权利要求10所述的设备，还包括能够操作以根据由所述图像数据解释的裂缝特性的知识，通过天然裂缝导致的声波各向异性和应力导致的声波各向异性的正演定量模型计算快横波方位和由地质断裂导致的快慢横波慢度之间的差的电路。

12、如权利要求11所述的设备，其中，所述正演定量模型基于力学模型。

13、如权利要求12所述的设备，还包括能够操作以计算预测的与观测的声波测量值，即，快横波方位和快横波慢度之间的不吻合值的电路。

14、如权利要求10所述的设备，还包括能够操作以使用单极P波估算纵波慢度和相关的弹性模量的电路。

15、如权利要求14所述的设备，还包括能够操作以使用单极S波估算横波慢度和相关的弹性模量的电路。

16、如权利要求15所述的设备，还包括能够操作以使用交叉偶极横波声波数据估算两个横波慢度和相关的弹性模量以及快横波方向的电路。

17、如权利要求16所述的设备，还包括能够操作以使用单极斯通利波估算横波慢度和相关的模量的电路。

18、如权利要求10所述的设备，还包括能够操作以使用所述图像数据通过地质学分析和地质力学分析识别裂缝特性的电路，所述地质学分析和地质力学分析使得在张开的天然裂缝、闭合的天然裂缝和应力导致的效应之间进行先验区分。

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