CN102395904B - 创建远离钻孔的区域中的非线性声学性质的三维图像的系统和方法 - Google Patents

Abstract

在本公开的一些方面中，公开了一种使用传送的测井工具(140)创建远离钻孔(110)的区域(180)中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的方法。在一些方面中，所述方法包括：将第一源(105)安排在钻孔中并生成第一频率的弹性能的可控波束；将第二源(115)安排在钻孔中并生成第二频率的弹性能的可控波束，使得第一频率的可控波束和第二频率的可控波束在离开钻孔(110)的位置(130)相交；以及在钻孔(110)处通过传感器(135)接收通过三波混合过程产生的第三弹性波，该第三弹性波具有等于第一频率与第二频率之差的频率和朝向钻孔的传播方向。

Description

创建远离钻孔的区域中的非线性声学性质的三维图像的系统和方法

相关申请的交叉引用

按照35U.S.C§119(e)条款，本申请要求2010年5月11日提交的美国专利申请第12/463,802号的权益，而该申请又要求2009年4月16日提交的美国临时专利申请第61/170,070号的优先权，特此通过引用将两者全文并入本文中。

政府权利

本发明是在政府支持下按照美国能源部签署的合作研究和开发协议(CRADA)第DE-AC52-06NA25396号合同作出的。政府可能对本发明拥有某些权利。

技术领域

本发明一般涉及岩层的地震探询，尤其涉及通过使用钻孔中的被配置成提供弹性能的源的组合以及接收和分析由三波混合过程形成的所得第三波，创建远离钻孔的区域中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像。

背景技术

地下特征的声学探询往往受到实际源的尺寸和功率的限制，并且实际上，井下声学换能器的输出受到绳索缆的输电能力的限制。高频信号具有相对较短的穿透距离，而低频信号一般需要固定在井壁上的大的源，以便最大化到地层的能量传送和最小化钻井内的不期望信号。当前，声学钻孔工具被设计成利用钻孔中的声源来检测沿着井壁传播或被围绕钻孔的岩层的线性性质的异质物散射的返回声波。Leggett，III等人的美国专利第7,301,852号公开了一种随钻测井工具，它被设计成利用通过在声信号的相交处的岩石中的假设非线性混合而生成第三波的从钻孔中发出的两个声源阵列来检测岩层边界。第三波被地下性质的异质物散射，并且散射信号被测井工具中的传感器检测。声源阵列只是引导性地作了公开，而没有作任何进一步的描述。

人们已经对表征有希望从钻孔中找到油气的区域中的地层的非线性性质作了一些尝试，但每一种尝试都有它的局限性。例如，D′Angelo等人的美国专利第5,521,882号公开了一种声学工具，该声学工具被设计成利用压力接收器来记录沿着井壁传播的非线性波，该非线性波有限地穿透到周围的岩层中并折射回到钻井流体中。Khan的美国专利第6,175,536号公开了根据从一个钻孔发送到地层中并在第二钻孔中接收到的地震信号的谱分析，来估计地层的非线性度的方法。鉴于这些先前尝试，需要一种在远离钻孔的区域中生成非线性性质的三维图像的装置和方法。

发明内容

依照本公开的一些方面，公开了一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的方法。所述方法包括：利用特定空间配置将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的可控弹性能主波束；将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的可控弹性能主波束，使得两个可控波束在远离钻孔的位置相交；通过钻孔处的传感器阵列接收由岩层中的三波混合过程创建的第三弹性波的到达，第三弹性波具有等于第一主频和第二主频之差的频率并在特定方向上传播回到钻孔；根据第一和第二源的安排和第三波信号的性质，定位三波混合区；以及使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复所述生成、接收和定位步骤而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。

依照本公开的一些方面，公开了一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的方法。所述方法包括：利用特定空间配置将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的弹性能初波；将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的弹性能初波；通过钻孔处的三分量传感器的阵列接收通过三波混合过程产生的第三弹性波的到达，第三弹性波具有等于第一主频和第二主频之差的频率并传播回到钻孔：根据由所述传感器阵列接收的信号，确定第三波的传播方向；根据第一和第二源的安排和第三波的传播方向，成像三波混合区的所在地；以及使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复所述生成、接收、确定和成像步骤而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。

依照本公开的一些方面，公开了使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的进一步方法。这些方法共享钻孔中的两个源和一个传感器阵列的共同配置，但不同之处在于：两个源中的一个或另一个可能生成可控弹性能波束或波，以及阵列中的传感器单元可以是非定向和三分量器件的组合。所述方法包括：利用特定空间配置将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的可控弹性能主波束或弹性能初波；将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的可控弹性能主波束或弹性能初波，使得来自两个源的能量在远离钻孔的位置混合；通过钻孔处的传感器阵列接收通过三波混合过程产生的第三弹性波的到达，第三弹性波具有等于第一主频和第二主频之差的频率并在特定方向上传播回到钻孔；根据第一和第二源的安排和第三波信号的性质来定位三波混合区；以及使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复所述生成、接收和定位步骤而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。

依照本公开的一些方面，使用地层非线性和所述性质之间的适当关系，将围绕钻孔的地层的非线性性质的三维图像变换成储层性质。该图像可以具有测井时的性质，或可以代表相隔一段时间的两次测井作业之间的变化。

依照本公开的一些方面，公开了创建围绕钻孔的岩石的压缩剪切声速比的三维图像的方法。这些方法是上面第5到8段所讨论的创建非线性性质的三维图像的方法的变型。

依照本公开的一些方面，公开了使用传送的测井工具创建远离钻孔的岩层的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的装置。所述装置包括：安排在钻孔中并被配置成生成第一频率的可控弹性能波束或波的第一源；安排在钻孔中并被配置成生成第二频率的可控弹性能波束或波的第二源，使得第一频率和第二频率的波束或波在离开钻孔的位置相交；以及非定向或三分量传感器阵列，配置成如果感兴趣区域的非线性性质导致通过三波混合过程产生了第三弹性波，则接收所述第三弹性波，所述第三弹性波具有等于第一频率和第二频率的差值的频率和传播回到钻孔的特定方向；安排在钻孔中以控制第三弹性波的源发射和记录的第一处理器；配置成通过绳索工具的绳索缆向井上发送数据的设备；以及安排成部分根据接收的第三波的性质以及第一和第二源的安排来创建三维图像的第二处理器。

通过参考相同标号表示各个图形中的相应部件的形成本说明书一部分的附图对如下描述和所附权利要求书加以考察，可以更加清楚地了解本发明的这些和其它目的、特征、和特性，以及操作方法、结构的相关元件的功能、部件的组合和制造的经济。但是，显而易见，这些附图只是为了例示和描述的目的，并未打算作为限制本发明的定义。正如用在说明书和权利要求书中的那样，“一个”、“一种”、和“该”等的单数形式也包括复数指示物，除非上下文另有明确指出。

附图说明

图1示出了依照本公开的各个方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的配置；

图2示出了依照本公开的一些方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的配置；

图3示出了依照本公开的一些方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的配置；

图4示出了依照本公开的各个方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的流程图；

图5a、5b和5c示出了当两个初波是波束时，表1的波束-波束交互的选择规则1的数值模拟；

图6例示了通过如受非线性混合选择规则支配的两个初声波的非线性混合生成差频第三波的几何结构；以及

图7示出了本公开一些方面对使用波束和宽波束或平面波成像的应用。

具体实施方式

图1示出了依照本公开的各个方面，创建远离钻孔的区域中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的几种可能配置之一。第一源105被安排在钻孔110中，以生成第一频率f₁的可控声能主波束。第二源115也被安排在钻孔110中，以生成第二频率f₂的可控声能主波束。举一个非限制性例子来说，第一源105和第二源115两者可以是源的相控阵列，并且可以配置成生成压缩或剪切可控波束。

如图1所示，第一源105被安排在第一工具主体120上，而第二源115被安排在第二工具主体125上。但是，本公开不受此限制，也可以将第一源105和第二源115一起安排在公用的工具主体(未示出)上。将工具主体120和125安排成可在钻孔110内以包括沿着钻孔110的纵轴150平移和在绕钻孔110的纵轴的方位上旋转155的至少两个自由度独立地移动。可以将第一源105安排在钻孔110中的第二源115的上面或下面。可以将工具主体120和125安排在钻孔110内的传送的测井工具(未示出)上。

对于第一源105和第二源115的给定方位取向，将第二源115所生成的波束和第一源105所生成的波束配置成使得波束会聚并在远离钻孔110的混合地带130相交。通过独立地操控波束和改变源105、115之间的间隔的组合操作，在控制相交角度的同时，混合地带130在由波束和钻孔纵轴150定义的平面内移动。混合地带130距钻孔110的距离可以从钻孔110的边缘附近到进入周围地下岩层大约300米。举一个非限制性例子来说，可以修改在第18段中提到的源阵列中的相邻单元之间的相差和/或时延，以将主波束的声能聚焦在特定混合地带。

两个波之间的位置处的地球非线性性质导致第三弹性波的生成。第三弹性波是出现在非线性物质(在这种情况下是岩层)中的三波混合过程的结果。在这个过程中，也被叫做初波的不同频率f₁和f₂的两个会聚非共线波混合，从而形成谐波和互调频率f₁-f₂、f₁+f₂、2×f₁和2×f₂等的附加波。第三波的强度是混合地带中的岩石的非线性的函数。举一个非限制性例子来说，当具有频率f₁的压缩(P)初波和具有频率f₂的剪切(SV)初波在非线性介质中相交时，生成具有频率f₁-f₂的第三压缩(P)或剪切(SV)波。有关进一步描述，请参阅Johnson等人(1987)和Johnson和Shankland(1989)的文献，特此通过引用并入其全文。

正如下面在第31和33段中进一步讨论的那样，按照传播选择规则，第三波传播矢量与两个初波的传播矢量共面。相交角度、f₁/f₂比和压缩剪切速度比的某些组合导致具有频率f₁-f₂的第三弹性波以相对于主波束的特定角度传播回到钻孔110。

传感器或接收器阵列135被安排在钻孔110中的特定位置，以检测返回到钻孔110的第三波。在本公开的一些方面中，如图所示，传感器阵列135包含作为传感器的阵列安排在传感器工具主体140上并与工具主体120和125分开的多于一个的传感器。传感器135被配置成在钻孔110内沿着钻孔110的纵轴150独立地移动。在一些方面中，将传感器工具主体140安排在工具主体120和125的下面或安排在工具主体120和125的上面和下面。在一些方面中，将传感器工具主体140与工具主体120和125的任一个或两者连接。

在钻孔110处通过传感器阵列135来检测第三波。图2示出了与图1类似的安排，其中接收器135被固定在井壁上的三分量地音探听器145取代。通过处理将所得信号分解成它的倾角和方位，以便通过确定到来第三波到达的方向来增加系统的冗余度。

在一些方面中，可以将配置成执行机器可读指令的第一处理器(未示出)安排在钻孔110中，以执行诸如控制源发射和压缩或过滤由传感器阵列135记录的数据的各种处理任务。可以将配置成执行机器可读指令的第二处理器(未示出)安排在钻孔110的外部，以辅助第一处理器或执行与第一处理器不同的处理任务。例如，第二处理器可以执行创建三维图像过程中的部分或全部处理活动。可以将发送器或收发器(未示出)安排在钻孔110中，以通过绳索缆(未示出)向井上发送数据。

在源105、115之一沿着钻孔的给定深度上，在恒定相对方位上以倾角扫过波束以便在经过钻孔轴的平面内空间扫描混合地带，在方位方向上旋转源以便旋转扫描混合地带，以及沿着钻孔110移动整个组件，导致针对非线性性质对围绕钻孔的混合地带的三维体进行扫描。利用位于独立工具主体上的源105、115和传感器阵列135，能够获得高的数据冗余并能改变探查的深度。这样，可以针对非线性性质探询围绕钻孔的岩石的三维体，并且可以从返回信号中处理和计算非线性性质的3D图像。

图3示出了依照本公开的各个方面创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的另一种安排。图3的安排与图2中的安排类似，主要差异在于将源安排在钻孔110中以产生弹性波，而不是可控波束。参考图3，第一源305被安排在钻孔110中的第一工具主体320上，以生成第一频率f₁的第一声能弹性波。第二源315被安排在钻孔110中的第二工具主体325上，以生成第二频率f₂的第二声能弹性波。源305、315产生的第一和第二弹性波被安排成离开钻孔110在各种混合地带130相交。接收器145被安排在钻孔110内，以接收通过上面讨论和下面进一步讨论的三波混合过程在混合地带130中产生的第三波。由于源305、315产生的波基本上是非定向的，在还延伸到图面以外的混合地带130的整个区域中同时发生波之间的混合，而接收器145往往具有定向特性。举一个非限制性例子来说，可以将三分量地音探听器阵列用于这个目的。通过处理将所得信号分解成在一定倾角和方位以及行进时间范围内的多个到达信号。给定源和接收器的位置、行进时间和每个分解定向到达信号的方向，有足够的信息应用下面在第31到33段中所述的选择规则来确定生成第三波的唯一混合地带。这种唯一映射允许从接收的信号的性质中构建三维图像。

图4示出了使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质和压缩剪切速度比的三维图像的方法。该方法从步骤405开始，在步骤405中，将第一源安排在钻孔中，以生成第一频率的可控弹性能波束，并且将第二源安排在钻孔中，以生成第二频率的可控弹性能波束。将第一和第二频率的可控波束安排成在远离钻孔的位置相交。这样，在与第一波束相同的方位，但在相对于钻孔纵轴的不同倾角生成第二波束。该方法接着执行步骤410，在步骤410中，在钻孔处通过传感器阵列接收第三弹性波。如上所述，第三弹性波是通过三波混合过程产生的，具有等于第一频率和第二频率之差的频率以及朝向钻孔的传播方向。在步骤415中，借助于下面在第31到33段中讨论的选择规则，根据第一和第二源的安排和第三波的性质来确定离开钻孔的三波混合位置。在步骤420中，使用通过在多个方位、倾角和钻孔内的纵向位置重复步骤405的生成、步骤410的接收和步骤415的确定而记录的数据，创建非线性性质的三维图像。在压缩剪切交互的情况下，在步骤425中按照第38段就压缩/剪切速度比(Vp/Vs)分析接收的信号。在步骤430中，将非线性性质变换成诸如流体饱和度、有效应力、裂缝密度和矿性的储层物理性质。

在本公开的一些方面中，第一和第二源可以是束状、柱状或球状波源，以及传感器阵列可以是非定向单分量传感器和三分量地音探听器的任何组合。在信号处理和成像中，分量部分的交替置换提供了不同冗余度。

固体中两个声波的非线性混合的实验演示已经由例如，Rollins、Taylor和Todd(1960)、Johnson等人(1987)以及Johnson和Shankland(1989)报告过，特此通过引用并入其全文。在具有频率f₁的压缩(P)初波和具有频率f₂的剪切(S)初波彼此相交的特殊情况下，在非线性介质中，生成具有频率f₁-f₂的第三P或S波。如果P和S初波是分别具有波矢k₁和k₂的波束，以及非线性地层性质是一致的，则波交互的运动学要求所得第三波是具有服从选择规则k₁-k₂＝k₃的波矢k₃的平面波。该选择规则对初波的允许相交角度和第三波的特定传播方向施加非常严格的限制。两个线性平面波的非线性混合的一般运动学理论以及选择规则和振幅响应具有来自Jones和Kobett(1963)、Rollins、Taylor等人(1964)以及后来由Korneev、Nihei和Myer(1998)所作的贡献，特此通过引用并入其全文，他们还提供了混合介质的非线性参数和非线性混合信号强度之间的特定关系。例如，Korneev、Nihei和Myer的方程53和54表明了P和SV(垂直极化剪切)平面波的混合强度与岩石的非线性参数的特定组合成比例。

支配两个弹性平面波的非线性交互的Korneev、Nihei和Myer的选择规则可被用作两个弹性波束的交互的引导。这些平面波选择规则规定如下六种非线性交互产生反向散射波。

表1-支配两个弹性平面波的非线性交互的选择规则。在该表中以及在本文中的其它地方，f₁大于f₂。

图5a、5b和5c示出了当两个初波是波束-波束交互的波束时，表1的选择规则1的数值模拟。显示在图5a中的25kHz压缩波束和显示在图5b中的18kHz剪切波束混合，以形成显示在图5c中的具有频率7kHz＝25kHz-18kHz的第三波束。在本例中，依照Korneev、Nihei和Myer的平面波预测，通过在P(f₁)和SV(f₂)波束重叠的区域中的非线性混合，生成相对于P(f₁)波在133°的角度上的具有频率(f₁-f₂)的第三反向传播P波束。

波束的非线性交互的运动学导致生成波矢和频率的特定组合。第三波在特定行进时间返回，并具有诸如f₃＝f₁-f₂和k₃＝k₁-k₂的特定频率f₃和波矢k₃。关于f₁、f₂、k₂和k₃的组合，在由k₁和k₂定义的相同平面内存在第三波的良好定义传播波矢k₃。在在特定接收器位置检测到的信号和发生两个初波k₁和k₂的非线性混合的位置之间，存在直接对应关系。除了其它因素之外，接收器的信号强度将与混合地带中的岩石的非线性的强度成比例，并且在接收器处在矢量k₃上时达到最大。因此，可以沿着如图1所指的波束轨迹，将接收器处的信号强度几何地映射成岩石的非线性。

波传播的几何理论表明，在每个交互地带中生成的波束将在特定时延之后到达钻孔中由三个波矢k₁、k₂和k₃的几何结构定义的特定接收器处。在特定时间，在钻孔中的特定位置上的返回信号的强度取决于交互地带的非线性程度，并因此能够构建沿着波束的岩石的非线性性质的相对强度的时间图像。接收器处的返回信号的振幅幅度本身就指示混合地带的某些岩石物理性质。如果在保持必要的会聚角的同时，在方位和倾角上扫描波束和平面波，则能够获得围绕钻孔的岩石的非线性性质的定域圆周和径向3D图像。通过在钻孔中上下移动整个组件，能够获得围绕钻孔的岩石的非线性性质的重复3D图像。通过加权堆叠这些重复图像，能够通过随后的计算机处理来构建围绕整个钻孔的岩石的非线性性质的最终图像。另外，如果源和接收器是三个分离工具主体的组成部分，则可以在固定第三个工具主体的同时移动一个或二个工具主体(例如，在上下移动接收器工具主体的同时固定这些源)。可替代地，可以在工具主体之间具有不同间距的情况下，进行若干次下降入井。

对于弹性波束和较宽波束(准平面波)之间的非线性混合，放宽选择规则。如果波束宽度大约是第三波的十个波长，则沿着主波束连续生成中心在波矢k₃＝k₁-k₂附近的频率为f₁-f₂的第三波。f₃＝f₁-f₂的所得信号强度是混合区的平均非线性性质、f₁传播的速度与f₂传播的平均速度的平均比(注意，f₁和f₂可以是压缩的或剪切的)、混合地带的体积和混合的几何结构的函数。可以针对各种混合模式来计算这个函数。例如，诸如f₁的压缩波P和f₂的剪切波SV的特别重要混合模式的信号强度由下式给出：

$U=2{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{PS}}_{v}P}{A}_1{B}_2\frac{f_1{f}_2(f_1-f_2)}{V_P^2{V}_s}\frac{V_{{\mathrm{PS}}_{v}P}}{r}{F}_{\mathrm{PSvP}}{\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{PS}}_{v}P}---\left(1\right)$

其中，U是在钻孔处接收的第三波的位移振幅，A₁是压缩波的纵向极化，以及B₂是剪切波的横向极化。β是代表混合地带中的岩石的非线性的Landau和Lifschitz的A、B和C参数的函数。v是混合地带的体积，r是混合地带到接收器的距离。F是取决于入射束的几何形状和可以针对特定几何结构从Korncev、Nihei和Myer的理论中数值计算的1阶几何形状因子。Δ是选择规则形状因子，该选择规则形状因子作为波矢k₁、k₂和k₃的可数值计算的函数并且只有当交互几何结构尊从选择规则时才有意义。公式中的下标PS_vP指的是生成压缩波的压缩剪切交互。

依照本公开的某些方面，可以按如下构建压缩剪切速度比的图像。当源之一生成具有频率f₁的压缩波(P-波)，而另一个源生成具有频率f₂的SV波，并且两个波被操控朝向特定混合体时，如图6所示，如选择规则所支配的，通过混合地带中的岩石的平均现场Vp/Vs比来控制具有差频f₃＝f₁-f₂的第三压缩波(P-波)的传播方向。根据图2或图3上的三分量接收器阵列145中的信号测量，能够确定这个第三波的方向，从而能够计算混合地带的现场Vp/Vs比。如果在保持必要会聚角的同时，在方位和倾角上扫描波束和平面波，则能够获得围绕钻孔的岩石的现场Vp/Vs比的定域圆周和径向3D图像。通过在钻孔中上下移动整个组件，能获得围绕钻孔的岩石的现场Vp/Vs比的重复3D图像。通过加权堆叠这些重复图像，能够通过随后的计算机处理来构建围绕整个钻孔的岩石的现场Vp/Vs比的最终图像。可替代地，能够在工具主体之间具有不同固定间距的情况下进行若干次下降入井。

在本公开的一些方面中，Vp/Vs比的可替代确定是通过扫描主波束的频率f₁与f₂的比值来实现的。图6例示了可以使用上面在第31到34段中所述的矢量数学和三角函数被分析的诸如在图1的配置中生成的那些的两个波束的交互的几何结构。矢量k₁和k₂的长度k₁和k₂由它们的相应频率和速度的比值来定义。如图6所示，返回角是两个波束的f₁/f₂、Vp/Vs比和相交角度θ的函数。另外，物理选择规则只允许像例示在图5中的例子那样，在f₁/f₂、Vp/Vs比和相交角度θ的特定组合上生成第三波。

将符号r用于Vp/Vs比和定义在图6上的项，矢量k₃的幅度k₃通过k₁和-k₂的矢量和给出，也就是说，也可以通过表述成的余弦定理给出。组合这两个方程，并且用f₁/Vp代替k₁和用f₂/Vs代替k₂得出选择规则施加的几何条件的表述。可以从二次方程中解出r，即混合地带的Vp/Vs比。这样就得出了通过如下序列来测量特定混合区的现场Vp/Vs比的非限制性可替代方法：a)记录标准声音波形测井图，以确定钻井附近的Vp和Vs，以获取估计相控源阵列中的相邻单元之间的相差的数据，以便针对计划测量的几何结构将波束调向在近似会聚角上；b)调向P和SV源，以便会聚在受控角θ上并在围绕钻孔的空间中的特定区域混合；c)在固定f₁的同时改变f₂，并且在钻孔中的传感器测量差频f₁-f₂的接收信号的振幅；d)识别阵列中的每个接收器处的信号达到最大振幅强度的频率；以及e)根据源和接收器的几何结构来确定角度θ和通过在倾角方向扫过波束、在方位角方向旋转、以及在钻孔中上下移动整个组件、以及重复上面的过程，探询围绕钻孔的三维体的Vp/Vs比，从而可以获得围绕钻孔的岩石的现场Vp/Vs比的3D图像。

上述方法提供了频率差f₁-f₂很特殊的有利特点，允许谱分析以便提高测量结果的信噪比。此外，如果成比例地同时线性调频两个频率f₁和f₂，则所得频率差信号f₁-f₂也将是良好定义的线性调频信号。时变代码可以包括振幅变化、频率变化、和/或第一、第二或第一和第二波束或波两者的相位变化的一种或多种。如果在固定它们的频率比的同时，通过一定频率范围扫过主频之一，则第三差波可以是宽带。因此，在保持相同方向的同时，将跨过宽频率范围扫过所得第三波束f₁-f₂。这可用于通过线性调频或编码信号的标准自相关来提高信噪比。

由于波矢k₃＝k₁-k₂是良好定义的，可以进一步通过在钻孔中应用三分量接收器来改善来自接收器135的记录的第三波的信噪鉴别。可以通过诸如矢端图分析的技术，将来自三个组件的信号调谐到特定方向性。

在本公开的一些方面中，能够通过将极性反向(180°相差)地重复上述步骤并将结果相加在一起来提高信噪比。返回差频信号将相干地相加，因为它的振幅与两个初波的振幅的乘积成比例，因此，当初源的极性反向时，它的极性将不会反向，而系统中由初波生成的任何线性噪声将极性反向，并在相加时相互抵消。

可以通过波束和波的各种非排他组合设想出可替代方法。举一个非限制性例子来说，一种通过声学和地震信号的计算机处理生成图像的方法包括如下步骤。首先，执行记录的第三波的频率内容的谱分析，并执行差频信号的可应用选择规则，以便分离通过非线性混合过程生成的第三波信号。在传感器包括三分量地音探听器的情况下，使用取向技术来确定入射在钻孔上的第三波的方向。该方法接着分析作为混合初波的频率比的函数的记录的第三波的振幅，并且根据非线性介质中的非共线混合的选择规则、第一和第二波束以及第三波的波数、以及两个波束源和传感器阵列的位置，确定第三波信号起源的混合位置。该方法接着针对每种源-接收器组合，构建通过接收信号与线性调频发送器信号的互相关确定的地震图。该方法接着对整个数据集进行三维时间或深度成像，以便在时间和距离的任一个或两个方面获得围绕钻孔的地层的非线性性质的三维图像。从地震图中生成图像的方法是已知的，例如，Hill等人为从波束中成像的特殊情况提供了一般方法，特此通过引用并入其全文。

另一种非限制性可替代成像方法例示在图7中，图7示出了窄波束705和宽波束710交互的情况。

给定被调查体的Vp和Vs的平滑背景模型，选择规则的应用使得在接收器位置735检测的能量能够几何映射到沿着窄波束的混合地带730。因此，可以沿着窄波束构建非线性性质的时间图像。通过在方位上旋转和沿着钻孔移动组件，可以构建以钻孔为中心的体积的三维时间图像。在不同波束倾角连续重复所述测量并变更f₂/f₁频率比α产生一系列三维时间图像。这种成像冗余允许进一步改进平滑背景模型和三维空间图像。

人们已经发现岩石的非线性参数与诸如随气、油和水饱和度、有效应力、裂缝密度和矿物含量的变化的许多重要烃储层参数有关。例如，参阅特此通过引用并入其全文的Ostrovsky和Johnson 2001。在本公开的某些方面中，变换通过这种方法构建的非线性性质的3D图像，以便提供有关记录时这些性质在钻孔周围的分布的定量信息。另外，这种方法的依次重复被用于检测储层性质随时间的变化，以便监测储层。

处理接收波形的记录以便生成地层的非线性特性的图像。波束的方向性和飞行时间可以确定生成散射波的位置，使这种设备有别于使用传统的非定向单极和偶极源的普通声波成像技术。

尽管为了例示的目的，根据当前认为最实用的优选实施例对本发明作了详细描述，但应该明白，这样的细节仅仅为了那个目的，本发明不局限于所公开的实施例，而是相反，旨在涵盖在所附权利要求书的精神和范围之内的所有修改和等效安排。作为进一步的例子，还应该明白，本发明设想，可以尽可能地将任何实施例的一个或多个特征与任何其它实施例的一个或多个特征组合。

Claims (34)

1.一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的区域中的非线性性质的三维图像的方法，所述方法包含：

将第一源安排在钻孔中并生成第一频率的第一弹性能波；

将第二源安排在钻孔中并生成第二频率的第二弹性能波，其中，第一频率的第一弹性能波和第二频率的第二弹性能波在离开钻孔定位的混合地带相交；

由钻孔处的传感器阵列接收第三弹性能波，该第三弹性能波具有等于第一频率和第二频率之差的频率和朝向钻孔的传播方向，所述第三弹性能波是通过非线性混合地带中的第一弹性能波和第二弹性能波的非共线混合过程创建的；

根据第一和第二源的安排、第三弹性能波的方向和支配声学非线性介质中的非共线混合的选择规则，识别三波混合地带的位置；以及

使用通过在钻孔内的第一源或第二源的或第一源和第二源二者的多个方位、倾角和纵向位置上重复所述生成、接收和识别步骤而记录的数据，创建所述非线性性质的三维图像。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，第一源和第二源被配置成生成从包括下列的组中选择的弹性能波：可控波束、具有有限方向性的波、以及它们的组合。

3.按照权利要求2所述的方法，其中，通过在远离钻孔的区域中，来自被配置成生成第一频率的压缩或剪切弹性能波之一的第一源的弹性能波与来自被配置成生成第二频率的压缩或剪切弹性能波之一的第二源的弹性能波的非线性交互，生成传播回到钻孔的弹性能波。

4.按照权利要求2所述的方法，其中，所述第一源和第二源包含源阵列。

5.按照权利要求2所述的方法，其中，所述第一源、第二源和传感器阵列被安排在传送的测井工具的公用工具主体上，或被安排在传送的测井工具的能够沿着钻孔纵轴独立移动的分离工具主体上。

6.按照权利要求2所述的方法，其中，所述传感器阵列包含固定在钻孔壁上的三分量传感器。

7.按照权利要求2所述的方法，包含：将第一频率的弹性能波的能量和/或第二频率的弹性能波的能量集中在相对于钻孔纵轴的优选方位和倾角上。

8.按照权利要求7所述的方法，包含：在形式为f2＝αf1并且扫过值为α的频率范围f2生成第二频率的弹性能波，其中f1表示第一频率，f2表示第二频率，并且α表示第二频率与第一频率的比率。

9.按照权利要求8所述的方法，包含：在将第二源旋转到相对于钻孔纵轴的所选方位之后，重复所述将第二频率的弹性能波的能量集中在相对于钻孔纵轴的所选方位和倾角上以及在形式为f2＝αf1并且扫过值为α的频率范围f2生成第二频率的弹性能波的步骤。

10.按照权利要求8所述的方法，包含：在沿着钻孔纵轴移动源和/或传感器阵列之后，在将第二源旋转到相对于钻孔纵轴的所选方位之后，重复所述将第二频率的弹性能波的能量集中在相对于钻孔纵轴的所选方位和倾角上以及在形式为f2＝αf1并且扫过值为α的频率范围f2生成第二频率的弹性能波的步骤。

11.按照权利要求8所述的方法，包含：在沿着钻孔纵轴移动源和传感器阵列之后，在将第二源旋转到相对于钻孔纵轴的所选方位之后，利用相反极性重复所述将第二频率的弹性能波的能量集中在相对于钻孔纵轴的所选方位和倾角上以及在形式为f2＝αf1并扫过值为α的频率范围f2生成第二频率的弹性能波的步骤。

12.按照权利要求8所述的方法，包含：通过变更第一与第二源之间的间距、第一源与传感器阵列之间的间距、和第二源与传感器阵列之间的间距中的一个或多个以便改变三维图像的探查深度和分辨率，获得多个径向扫描。

13.按照权利要求8所述的方法，包含：线性调频或编码或既线性调频又编码由第一源和第二源发送的弹性能波的任一个或两者。

14.按照权利要求8所述的方法，包含：调制第一频率的第一弹性能波或第二频率的第二弹性能波的振幅、相位、周期或它们的任意组合。

15.根据权利要求1所述的方法，还包含：

通过谱分析来分析第三弹性能波的频率内容并选择与差频相对应的信号，以便分离通过非线性混合过程生成的第三弹性能波信号；

分析作为第一和第二弹性能波的频率比的函数的第三弹性能波的振幅，并根据非线性介质中的非共线混合的选择规则、第一和第二弹性能波以及第三弹性能波的波数、以及第一和第二源和传感器阵列的位置来确定第三弹性能波起源的混合位置；

根据在传感器阵列处检测到的第三弹性能波的分析，确认入射到钻孔上并被传感器阵列记录的第三弹性能波的方向；以及

进行应用于整个记录的数据的成像，以便获得围绕钻孔的地层的非线性性质在时间和距离两个方面的三维图像。

16.按照权利要求15所述的方法，进一步包含：确定发生第一弹性能波、第二弹性能波和第三弹性能波的三波混合过程的非线性区的位置。

17.按照权利要求15所述的方法，其中，第一源和第二源被配置成生成从包括下列的组中选择的弹性能波：可控波束、具有有限方向性的波、和它们的组合。

18.按照权利要求15所述的方法，进一步包含：如果传感器包括三分量地音探听器，则确定入射到钻孔上的第三弹性能波的方向。

19.按照权利要求15所述的方法，其中，相加从第一源和第二源的两次相继相反极性发射中获得的记录信号，以便抑制噪声并提高非线性第三弹性能波的振幅。

20.一种使用传送的测井工具创建远离钻孔的岩层的非线性性质的三维图像的装置，所述装置包含：

安排在钻孔中并被配置成生成第一频率的第一弹性能波的第一源；

安排在钻孔中并被配置成生成第二频率的第二弹性能波的第二源，其中，第一频率的第一弹性能波和第二频率的第二弹性能波在离开钻孔的位置相交；

被配置成当感兴趣区域的非线性性质导致通过第一弹性能波和第二弹性能波的混合过程创建第三弹性能波时接收第三弹性能波的传感器阵列，所述第三弹性能波具有等于第一频率和第二频率的差值的频率和朝向钻孔的传播方向；以及

被安排成根据第一和第二源的安排、第三弹性能波的方向和支配声学非线性介质中的非共线混合的选择规则，识别感兴趣区域的位置，以及部分根据接收的第三弹性能波的性质以及第一和第二源的安排来创建三维图像的处理器。

21.按照权利要求20所述的装置，进一步包含：

被配置成通过绳索工具的绳索缆向井上发送数据的设备；以及

安排在钻孔中以控制第三弹性能波的记录的后续处理器。

22.按照权利要求20所述的装置，其中，第一源和第二源被配置成生成从包含下列的组中选择的弹性能波：可控波束、具有有限方向性的波、和它们的组合。

23.按照权利要求22所述的装置，其中，第一源和第二源被配置成生成压缩或剪切弹性能波的任一种或两者。

24.按照权利要求20所述的装置，其中，第一源和第二源包含源阵列。

25.按照权利要求20所述的装置，其中，所述第一源、第二源和传感器阵列被安排在传送的测井工具的公用工具主体上，或传送的测井工具的能够沿着钻孔纵轴独立移动的分离工具主体上。

26.按照权利要求20所述的装置，其中，所述传感器阵列包含安装在所述传送的测井工具的工具主体上的一个或多个水听器，或固定在井壁上的一个或多个三分量地音探听器或加速计，或安装在所述传送的测井工具的工具主体上的一个或多个水听器以及固定在井壁上的一个或多个三分量地音探听器或加速计两者。

27.按照权利要求22所述的装置，其中，所述第一源和第二源之一或两者生成的波的传播方向相对于钻孔纵轴的方位角和倾角能够被控制。

28.按照权利要求20所述的装置，其中，所述传感器阵列和所述第一源和第二源被安排成沿着钻孔的纵轴一起移动或独立地移动。

29.按照权利要求20所述的装置，其中，通过变更所述第一源和传感器阵列之间的间距以及所述第二源和传感器阵列之间的间距中的至少一个来获得多个径向扫描。

30.按照权利要求20所述的装置，其中，通过变更所述第一源和第二源之间的间距来获得多个径向扫描。

31.按照权利要求20所述的装置，其中，在给定钻孔位置，第二源被配置成被控制在形式为f2＝αf1并且扫过值为α的频率范围f2，其中f1表示第一频率，f2表示第二频率，并且α表示第二频率与第一频率的比率。

32.按照权利要求22所述的装置，其中，线性调频或编码，或既线性调频又编码第一弹性能和第二弹性能波的任一个或两者。

33.按照权利要求32所述的装置，其中，调制第一弹性能波或第二弹性能波，所述调制是从包括下列的组中选择的：振幅、相位、周期或它们的任意组合。

34.按照权利要求20所述的装置，其中，在与单个方位、倾角和纵向位置有关的每个定位，重复第一源和第二源的控制，其中在第一次控制中，第一弹性能波和第二弹性能波具有相同极性，并且在相继的第二次控制中，第一弹性能波和第二弹性能波具有相反极性。