CN103140773A - 用于对钻孔周围地层的非线性和线性特性进行成像的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在本发明的一些方面，公开了一种用于调查钻孔周围的材料的方法和装置。该方法包括：在钻孔内生成第一低频声波，其中，第一低频声波在材料中的、与钻孔的半径大致垂直的一个或多个特征部中诱导线性和非线性响应；沿与钻孔的纵轴相对垂直的方向，将其频率为低频声波的10到1000倍的高频脉冲的第一序列与第一声波同时期地引导到材料中；以及在可定位在钻孔中的一个或多个接收器处，接收因高频脉冲的第一序列与经历因第一低频声波导致的线性和非线性弹性变形的一个或多个特征部之间的交互所生成的一个或多个第二高频脉冲，来调查钻孔周围的材料。

Description

用于对钻孔周围地层的非线性和线性特性进行成像的装置和方法

政府权利

本发明借助政府支持在由美国能源部授予的合作研究和开发协议（CRADA）合同号DE-AC52-06NA25396下作出，该政府在本发明中可以具有特定权利。

技术领域

本公开总体上涉及环绕钻孔的岩层的声询问，并且更具体地说，涉及对钻孔周围地层的非线性和线性特性进行成像。

背景技术

远离钻孔的天然和诱生裂缝的详细特征化、CO₂的可靠封存（sequestration）、评估油气储集层中的机械完整性和预测钻孔崩落、以及探测水泥完整性需要针对材料特征化和成像的新方法。在对材料弹性的现有探测当中，弹性非线性响应（滞弹性）是用于探测材料完整性的方法。固体的弹性非线性是对材料机械损伤状态的度量。弹性非线性响应趋于成为材料损失的最佳度量。由此，作为近钻孔探测，非线性方法保持为用于辨别机械损伤区域或潜在裂缝/破裂管道的最佳预示。

发明内容

根据本公开的一些方面，公开了一种用于调查钻孔周围材料的方法。方法包括：在钻孔内生成第一低频声波，其中，第一低频声波在材料中的、与钻孔的半径大致垂直的一个或多个特征部中诱导线性和非线性响应；沿相对于钻孔的纵轴垂直的方向，将高频脉冲的第一序列与第一声波同期地引导到材料中；以及在可定位在钻孔中的一个或多个接收器处，接收由高频脉冲的第一序列与经历由第一低频声波阶次导致的线性和非线性弹性变形的所述一个或多个特征部之间的交互所生成的一个或多个第二高频脉冲，来调查钻孔周围的材料。

在方法中，如果高频脉冲的第一序列遇到材料内的具有导致向钻孔反射或反向散射能量的声阻抗的差异的一个或多个特征部，则可以在一个或多个接收器处接收到第二高频脉冲。在方法中，如果高频脉冲的第一序列遇到这样的一个或多个特征部：其被定向为使得一个或多个特征部将能量反向引导至钻孔、同时经历因第一低频声波而造成的变形以致使变形在低频声波的循环期间改变声阻抗的差异，则可以在一个或多个接收器处接收第二高频脉冲。

在该方法中，第一声波和高频脉冲的第一序列可以由压缩波源和/或横波（shear wave）源生成。针对第一声波来自横波源的情况，材料中的一个或多个特征部可以经历将标记加在高频反射脉冲上的裂剪切。针对第一声波来自压缩波源而高频脉冲的第一序列是横波的情况，接收器将趋于接收在泵诱导一个或多个特征部中的裂缝扩张期间的反射能量。在一些方面，第一声波的源可以包括被配置成诱导材料中的弹性非线性的振动部件。

在该方法中，一个或多个接收器可以在钻孔中按阵列布置，并且可以被配置成记录一个或多个第二高频脉冲的一个或多个方向分量。

该方法可以包括：重复生成第一声波和使得高频脉冲的第一序列在钻孔内按不同方位取向并且按不同深度引导的引导，以生成钻孔周围材料的线性和非线性反射和反向散射特征部的三维图像。钻孔周围的材料可以包括：水泥、套管、岩层、钻孔中或周围的流体、水泥/岩石界面和或钢套管/水泥界面中的剥离。所接收的第二高频脉冲可以具有取决于在高频脉冲的第一序列被材料反射的位置和时间的低频脉冲的相位的特性。

方法还可以包括：基于接收的一个或多个第二高频脉冲，确定材料是包括线性反射体还是非线性反射体。方法还可以包括：对接收的一个或多个第二高频脉冲滤波。滤波器可以包括高通滤波器，高通滤波器可以从接收的一个或多个第二高频脉冲中隔离高频分量。而且，方法可以包括：确定被过滤的一个或多个第二高频脉冲的随时间的幅度变化。高频脉冲的第一序列可以被啁啾或者被编码，或者既被啁啾又被编码。高频脉冲的第一序列可以按幅度、相位、以及/或周期来调制。

在一些方面，高频脉冲的第一序列可以具有为低频声波频率的频率的大约10倍至1000倍之间的频率。

在一些方面，该方法可以包括：利用第一时间（发送高频脉冲的第一序列的时间）、和第二时间（接收第二高频脉冲的时间）、以及钻孔周围材料的估算声音速度，来确定到一个或多个特征部的径向距离。确定可以包括：计算高频脉冲的第一序列和第二高频脉冲的互相关。

在一些方面，如果高频脉冲的第一序列遇到材料中的被取向以使得特征部在经历裂缝剪切的同时反向引导能量的非线性弹性特征部，则可以在一个或多个接收器处接收第二高频脉冲。

根据本公开一方面，公开了一种用于调查钻孔周围材料的装置。该装置包括：可定位在钻孔中的第一声波源，其被配置成生成具有低频的第一声波，该第一声波在材料中的、与钻孔的纵轴大致平行的一个或多个特征部中诱导线性和非线性响应。该装置包括：可定位在钻孔中的源，并且该源被配置成与第一声波同期地引导与钻孔的纵轴垂直的高频脉冲的第一序列。该装置包括：可定位在钻孔中的一个或多个接收器，该一个或多个接收器被配置成接收由高频脉冲的第一序列与经历因第一声波而导致的线性和非线性弹性变形的材料之间的交互所生成的一个或多个第二高频脉冲。

在一些方面，如果高频脉冲的第一序列遇到材料内的具有导致向钻孔反射或反向散射能量的声阻抗中的差异的一个或多个特征部，则可以在一个或多个接收器处接收第二高频脉冲。而且，如果高频脉冲的第一序列遇到这样的一个或多个特征部：其按使得一个或多个特征部将能量反向引导至钻孔、同时经历因第一低频声波而造成的变形来取向，以致使变形在低频声波的循环期间改变声阻抗中的差异，则可以在一个或多个接收器处接收第二高频脉冲。

在一些方面，第一声波源、高频脉冲的第一序列的源或两者可以被配置成生成压缩波、横波或两者。第一声波源可以包括振动部件，振动部件被配置成诱导材料中的弹性非线性。

在一些方面，一个或多个接收器可以在钻孔中按阵列布置。而且，一个或多个接收器可以被配置成记录一个或多个第二高频脉冲的一个或多个方向分量。

在一些方面，装置可以包括与具有指令的存储器通信的处理器，其准许确定从钻孔至一个或多个特征部的径向距离。装置可以包括与具有指令的存储器通信的处理器，所述指令准许基于在钻孔内按不同方位取向并且按不同深度进入材料的重复声波穿透，来构造材料的一个或多个三维图像。钻孔周围的材料可以包括：水泥、套管、岩层、钻孔中或周围的流体、以及/或水泥/岩石界面和或套管/水泥界面中的剥离。而且，装置可以包括与具有存储在其中的机器可执行指令的存储器通信的处理器，所述指令在执行时使处理器基于接收的一个或多个第二高频脉冲，确定线性反射体和/或非线性反射体的材料的存在性。

在一些方面，该装置可以包括被布置成对接收的一个或多个第二高频脉冲滤波的滤波器。该滤波器可以包括高通滤波器，该高通滤波器被布置成在接收的一个或多个第二高频脉冲中隔离高频分量。在一些方面，装置包括被配置成确定经滤波的一个或多个第二高频脉冲的随着时间的幅度变化的处理器。

在一些方面，该装置可以包括编码器，该编码器被布置成，通过引入啁啾和/或频率协议，利用时变标记来编码高频脉冲的第一序列。在一些方面，该装置包括：可使用所编码的高频脉冲的第一序列来测量高频脉冲的第一序列与所接收的第二高频脉冲之间的飞行时间的处理器。时变标记可以包括高频脉冲的第一序列的幅度、相位、以及/或周期的随时间的变化。

在一些方面，高频脉冲的第一序列具有为低频声波频率的大约10倍至1000倍之间的频率。

在一些方面，径向距离通过利用高频脉冲的第一和第二序列按时域计算互相关来确定。处理器可以被布置成基于发送高频脉冲的第一序列的第一时间、接收高频脉冲的第二序列的第二时间、以及材料的估算声音速度，来确定到材料的径向距离。

根据本公开的一些方面，公开了一种用于调查钻孔周围材料的方法。该方法包括：在钻孔内生成间歇低频振动，其作为管状波向钻孔纵向传播，并且在材料中的、与钻孔的纵轴大致垂直的一个或多个特征部中诱导非线性响应；在钻孔内生成高频脉冲的一序列，高频脉冲的该序列按它们在周围材料内向钻孔纵向行进的方式引导；以及在可定位在钻孔中的一个或多个接收器处，在间歇生成低频振动期间接收包括来自低频振动的分量和高频脉冲的该序列的信号，以调查钻孔周围的材料。

在一些方面中，高频脉冲的该序列可以被配置成传播到材料中作为折射波、散射波或直接波。在该方法中，低频振动、高频脉冲的序列或两者可以由压缩源、横波源或两者生成，其中，压缩源、横波源或两者可以包括被配置成诱导材料中的弹性非线性的振动部件。

在一些方面，一个或多个接收器可以在钻孔中按阵列布置，并且一个或多个接收器可以被配置成记录高频脉冲的序列的一个或多个方向分量。

该方法可以包括：重复生成低频振动和在钻孔内按不同方位取向并且按不同深度的高频脉冲序列，以生成材料的一个或多个图像或者材料的特性，包括：线性速度、线性模量、非线性速度和/或非线性模量。

在一些方面，可以因低频振动而造成的弹性变形循环导致材料中的局部速度的对应循环振动。

在一些方面，方法可以包括：处理从材料返回至一个或多个接收器的一高频脉冲序列，以确定材料的弹性非线性响应。

根据本公开的一些方面，公开了一种用于调查钻孔周围的材料的装置。该装置可以包括：第一声波源，被配置成在钻孔内生成间歇低频振动，其作为管状波向钻孔纵向传播，并且在材料中的、与钻孔的纵轴大致垂直的一个或多个特征部中诱导非线性响应；第二声波源，被配置成将对于钻孔为纵向的高频脉冲的连续序列引导到材料中；以及可定位在钻孔中的一个或多个接收器，被配置成在间歇生成低频振动期间接收包括来自低频振动的分量和高频脉冲的序列的信号，以调查钻孔周围的材料。

在一些方面中，高频脉冲的序列可以被配置成作为折射波、散射波或直接波传播到材料中。在一些方面，第一声波源、第二声波源、或者两者可以包括压缩源、横波源或两者，其中，压缩源、横波源或两者可以包括被配置成诱导材料中的弹性非线性的振动部件。

在一些方面，一个或多个接收器可以在钻孔中按阵列布置，并且可以被配置成记录高频脉冲序列的一个或多个方向分量。

在一些方面，该装置可以包括控制器，该控制器被配置成重复生成低频振动和在钻孔内按不同方位取向并且按不同深度的高频脉冲序列，以生成材料的一个或多个图像或者材料的特性，该特性包括：线性速度、线性模量、非线性速度以及/或非线性模量。

在一些方面，由第一声波源生成的低频振动的弹性变形周期可以导致材料中的局部速度的对应循环变化。

在一些方面，装置可以包括与具有存储在其中的机器可执行指令的存储器通信的处理器，所述指令在执行时，使处理器基于从材料返回至一个或多个接收器的高频脉冲序列，确定材料的弹性非线性响应。

当参照附图考虑下面的描述和所附权利要求书时，本发明的这些和其它目的、特征以及特性，和结构的相关部件与组合部分的操作的方法与功能以及制造的经济性将变得更清楚，其全部形成了本说明书的一部分，其中，相同标号指定各个图中的对应部分。然而，应当明白，附图仅仅是出于例示和描述的目的，而非旨在作为对本发明的限制的定义。如在本说明书和权利要求书中使用的，单数形式“一（a）”、“一（an）”，以及“（the）”包括多个指示物，除非上下文另外清楚地规定。

附图说明

图1示出了根据本公开一方面的、用于调查材料中的与钻孔平行或近平行地行进的裂缝和其它损伤的示例性布置。

图2a和2b示出了根据本公开多方面的、钻孔周围的材料与低频声波（或“泵”波）和高频脉冲序列（或“探测”波或脉冲）的示例交互。

图3a-3c示出了根据本公开多方面的、被用于在线性与非线性散射之间区分的示例检测处理。

图4示出了根据本公开多方面的、用于调查与钻孔垂直或大致垂直地取向的裂缝和其它损伤的示例布置。

图5a-5e示出了图4的布置的操作的示例图形例示。

图6a-6c示出了根据图4的布置的接收信号的示例。

具体实施方式

图1示出了用于调查钻孔周围的材料中的、与钻孔平行或近平行地行进的裂缝和其它损伤的示例布置。钻孔可以按多种倾斜度（如在岩层中垂直、倾斜或水平）来钻井，并嵌入在岩层中。如在此使用的，术语“近平行”意指几乎平行，但稍微发散或会聚。钻孔周围的材料可以包括：水泥、套管、岩层以及/或各类流体，如钻井泥浆、完井液、地层水或碳氢化合物。将一个或多个低频换能器105布置在钻孔110内，以生成进入钻孔110周围的材料115的低频声波或“泵”波。低频声波足够强力，以诱导具有这种特性的材料115中的非线性行为。例如，低频或“泵”波可以在1Hz与100kHz之间。将一个或多个高频换能器120布置在钻孔110内，以同时期地生成进入材料115的高频脉冲序列或“探测”波。该非线性行为指弹性特性对经历应变的材料的瞬时应变状态的非线性依赖性。作为这种非线性响应的结果，高频脉冲的行为例如可以根据脉冲幅度和/或脉冲速度中的变化来修改。换能器120可以被布置成按高重复率生成脉冲。例如，换能器120可以被配置成针对每一个泵波循环具有5至100倍之间的重复率，并且发射具有泵的频率的10-100倍的高频突发。在一些方面，换能器105、120或两者可以包括振动源，并且可以在钻孔110中钳位或不钳位。

在一些方面，换能器105和120都被布置成使得它们分别生成低频声波和高频脉冲序列，其相对于钻孔110的纵轴径向地传播到材料115中。在一些方面，因为通过换能器105生成的低频声波趋于更分散，所以仅将换能器120取向成生成径向进入材料115的高频脉冲序列。

在一些方面，可以使用一个或多个压电换能器。如果使用一个以上的换能器，则可以将它们按阵列配置布置。通过非限制例的方式，阵列配置可以是线性、圆形、实心圆或方形阵列。阵列内的换能器可以划分成多个组，以使第一组换能器可以通过低频下的源驱动，而第二组换能器可以通过该源或者通过高频下的不同源驱动。

在一些实施例中，可以将一个或多个源（未示出）用于生成驱动换能器105和/或120的信号。通过非限制例的方式，这些信号可以由2信道信号发生器生成。可以使用类似信号或函数发生器。低频源105和高频源120可以通过控制器（未示出）控制，以同期地发射它们各自的声波或脉冲到材料115中。

在一些方面，低频波和/或高频脉冲可以是具有围绕中心频率展开的频率范围的宽带。

可定位一个或多个换能器125，以使它们可以在钻孔110内布置在低频源105或高频源120的上方和/或下方，或者布置在其两者的上方和/或下方。低频源105、高频源120、以及/或接收器125中的一个或多个可以在钻孔110内按阵列配置布置。低频源105、高频源120、接收器125中的一个或多个可以布置在可以在钻孔110内上升或下降的公用工具主体130上。在一些方面，一个或多个接收器125可以被锁定至钻孔一侧，并且可以记录波粒运动的三个分量，以使得可以推断非线性特征部方位。

在这种布置中，低频（泵）波和高频脉冲（探测）都垂直于钻孔110地行进到钻孔110周围材料115中。如果泵波具有足够幅度（通常大于10^-6应变幅度），则其将造成由材料115中的裂缝展示的非线性行为（如上讨论的），其与钻孔110的半径近似垂直地取向。换能器120被布置成发射高频脉冲序列或突发，以探测由泵波诱导的非线性。如果存在裂缝，则低频或泵波将导致裂缝根据泵波相位闭合和打开。在压缩阶段期间，裂缝闭合，并且高频波穿过裂缝而不返回至钻孔110，因为闭合的裂缝不展示任何显著的声阻抗差异。在膨胀阶段期间，裂缝被简单地撑开，并且探测脉冲被反向反射回钻孔110，以通过钻孔110中的接收器125检测。裂缝在打开时，创建声阻抗差异。裂缝可以与诸如结构性边界或空隙的其它反射界面区分，因为仅裂缝创建取决于泵波相位的非线性效应。分界面或空隙将反射与泵波相位无关的探测脉冲。按这种方式，裂缝可以与界面、空隙、水泥与套管或地层之间的完好剥离等区分。还可以探测其它非线性特征部，如钻孔中水泥与套管以及水泥与周围地层之间的剥离。

图2a和2b示出了钻孔周围材料与由压缩源生成的低频声波（或“泵”波）以及高频脉冲序列（或者“探测”波或脉冲）的示例交互。在图2a和2b中，示出了相对于时间（任意单位）的岩层的应力幅度（任意单位）。低频振动振荡地层中的裂缝或裂缝序列，导致裂缝在波膨胀（伸张）阶段期间打开，并且在波压缩阶段期间闭合。发射高频脉冲，以使它们在每一个低频振动循环期间为许多脉冲。如果低频振动遇到诸如空隙或层界面的线性弹性特征部，则高频脉冲和低频波都从特征部反向反射至钻孔，如图2a所示。如果遇到裂缝、裂缝的多个系列或者高度机械损伤区，则特征部由其本征非线性而激活。当裂缝处于来自振动效应的压缩下时，高频信号和低频信号穿过其，不感测裂缝。当裂缝处于来自振动的膨胀部分的张力下时，高频信号和低频信号从裂缝反向反射至钻孔，如图2b所示。

图3a-3c示出了被用于在线性与非线性散射之间区分的示例检测处理。图3a示出了与图1类似的布置，其中，裂缝（非线性特征部）位于位置“A”处，而空隙（线性特征部）位于位置“B”处。图3b和3c示出了检测处理如何被用于确定散射体是否为裂缝。针对从位于位置“A”的裂缝返回的信号（其中，已经通过应用高通滤波器去除了低频信号），图3b的上图示出了应力（任意单位）与时间（任意单位）的标绘图，而图3b的下图示出了幅度（任意单位）与时间（任意单位）的标绘图。针对从位于位置“B”的空隙返回的信号，图3c的上图示出了应力（任意单位）与时间（任意单位）的标绘图，而图3c的下图示出了幅度（任意单位）与时间（任意单位）的标绘图。图3b的上图示出了具有座落于其顶部上的高频脉冲的反射和检测低频振动。图3b的下图示出了在将信号高通滤波以消除低频波之后与图3b的上图相同的信号。时间幅度调制返回信号指示，已经检测到非线性特征部。针对非线性特征，如位置“B”处的空隙，如果应用相同过程，则不调制来自线性特征部的反射脉冲的幅度。

在一些方面，来自反射体（无论线性还是非线性）的双向时间延迟可以通过源脉冲与反射脉冲的标准互相关来获取。在这点上，高频脉冲的第一序列可以被啁啾或者被编码，或者既被啁啾又被编码。而且，可以将高频脉冲的第一序列调制，其中，调制可以包括调制脉冲的幅度、相位或周期。如果根据其它钻孔测量技术获知介质的线性速度，则可以获取距非线性特征部的距离。在一些方面，其中，高频脉冲大致非定向，反射体的方位可以通过分解由三分量接收器记录的信号来获取。按针对纵梁（stringer）的不同方位的给定深度并且按不同深度重复上述步骤将提供散射结构的3D图像，并且区分哪些散射体是线性的而哪些不是。

图4示出了用于调查与钻孔垂直或大致垂直地取向的裂缝和其它损伤的示例布置。在这点上，探测和成像非线性特征部可以通过与钻孔平行行进的折射波感测，例如，与钻孔垂直取向的裂缝。如在图1的布置中，钻孔可以按多种倾斜度（如垂直、倾斜或水平）来钻井，并嵌入在岩层中。钻孔410周围的材料415可以包括与钻孔410垂直或大致垂直地行进的损伤430。如在此使用的，术语“大致垂直”意指几乎垂直，但稍微发散或会聚。将一个或多个换能器405布置成生成低频或“泵”波并且被取向成使得波沿钻孔410的纵轴传播。低频波或振动可以沿钻孔410的纵轴向上/向下传播，作为管道波或折射波。如在图1的布置中，因为低频波沿钻孔传播，所以在钻孔410内灵活布置换能器405是可行的，只要低频波在材料415中诱导临近钻孔410的小弹性非线性，作为与钻孔轴平行的周围材料中的颗粒运动的结果即可。在一些方面，换能器405被布置成间歇地生成低频波，以使换能器405具有在其主动地生成低频波时的时段、和在其未主动地生成低频波时的时段。可以控制换能器405的循环时间以最优化该布置的操作。

可以将一个或多个换能器420纵向地设置在钻孔410内，以与低频波同期地生成高频脉冲序列或“探测”脉冲。在一些方面，换能器420可以在该布置的操作期间连续操作。在一些方面，高频脉冲序列可以是压缩和/或横波源。换能器420可以被布置成针对每一个泵波循环，以至少10倍的重复率来操作，发射为泵频率的10-1000倍的高频突发。这些高频脉冲与钻孔410平行或纵向地传播，并且作为折射和直接波两者，以及作为材料415中的散射波。在材料415内与钻孔平行地行进的折射探测脉冲在这点上特别受关注。如果泵波具有诱导裂缝非线性的足够幅度（通常大于10^-6应变幅度，但所增加的有效压力需要更大的动态波应变幅度），则泵波将导致材料415中的、与钻孔410近似垂直地取向的现有裂缝或断口除了材料本身的任何固有非线性以外，还展示强烈的非线性行为。换能器420可以被布置成发射突发或脉冲序列，以探测通过由换能器405生成的低频波所诱导的非线性。如果存在裂缝，则其创建所谓的软化非线性。软化非线性由谐波表示，但更重要的是，由在从换能器420至接收器425的低频循环的膨胀部分期间的地层速度的局部变化而表示。速度的变化被用于推断裂缝的存在。通常，在压缩阶段期间，由探测脉冲感测的波速度与低频波的幅度和相位成比例地减小。在大多数情况下，裂缝和/或岩石可以经历由泵波在可以经历非线性行为的特征部上的交互而诱导的软化非线性。这意指，针对泵波最小幅度（零相位、幅度等于零）来说，速度不存在变化。这种速度减小随着泵波相位接近压缩最大幅度而逐渐更大。在膨胀阶段期间，波速度随着泵波接近最大膨胀幅度而逐渐增加。当存在裂缝时，在膨胀循环期间的速度变化更显著，并且可以被用于确定是否存在裂缝。在其它情况下，裂缝和/或岩石可以经历硬化非线性，其中，低频压缩阶段导致探测脉冲在它们横断经历非线性响应的特征部时速度增加。与在低频泵源静默的情况下测量的脉冲传播速度相对地测量速度变化。该测量给出从源至接收器的、地层的线性波速度。

可以将一个或多个接收器425布置在钻孔410内，以记录振动信号加超声脉冲。尽管示出了四个接收器（Rx1、Rx2、Rx3、Rx4），但这仅仅是例示性的，因为可以使用多于或少于四个的接收器。接收425可以被锁定至钻孔侧或不锁定至钻孔侧，并且阵列的单个部件可以记录使得可以推断方位的三个分量。如果使用更多接收器，则可以利用多个接收器探测钻孔410的更长部分。在使用一个以上接收器的情况下，可以从连续接收器对确定波速度的变化并由此确定非线性。这可以通过在一泵波循环期间，互关联一个接收器与另一接收器来进行，其中，每一个先前接收器可以被视为基准以获取其本身与下一接收器之间的非线性，

在这种布置中，存在的裂缝之间的速度的相对变化可以被确定并且用于区分裂缝与诸如地层边界的其它反射界面，因为仅裂缝对速度产生取决于泵波幅度的强烈非线性效应。这种非线性衰减还可以被用作用于推断裂缝的存在的冗余信息。除了速度和衰减变化以外，还可以使用泵波谐波，以帮助确定裂缝的存在性和地层非线性。

处理由接收器425记录的高频折射抵达脉冲信号的序列可以给出针对给定波路径的、钻孔附近地层的完全弹性非线性响应。

信号处理需要测量在没有振动源的情况获取的脉冲信号。该信号因源与接收器之间的距离已知而给出线性时间延迟和介质的速度。该信号与振动处于地层中时所发射的脉冲信号的序列中的每一个信号互相关。

相关性输出给出速度随振动压力的变化。因为波路径长度从脉冲源至接收器是已知的，并且假定从其它钻孔日志记录过程获取的介质密度，所以可以获取作为压力的函数的模量。从该压力导数，可以利用一模型（例如，如本领域已知的弹性的Preisach-Mayergoyz（PM）空间理论）获取介质的总非线性。还可以使用其它合适的模型。

在钻孔410内针对不同方位和频率在给定深度并且在不同深度重复上述步骤可以提供地层的速度和模量以及非线性速度和模量的3D环状图像。具体来说，与钻孔垂直地取向的裂缝将给出较大的非线性标记。该布置可以确定同时包括张力和压缩的非线性模量的所有非线性模量。

该布置的操作类似于在每一个负载间隔，在横跨或沿着样本测量飞行时间的同时应用准静态的、逐渐增加的负载。这允许开发动态应变（10^-9–10^-5），并且张力和压缩都可以被探测，并且一次测量全部材料非线性。更高阶次的非线性在性质上滞后，并且非常敏感于流体和机械损伤的效应。

图5a至5e示出了图4的布置的操作的示例图形例示。在这个示例中，示出了超声速度和振动应变调制。图5a示出了单个脉冲，而图5b示出了可以从换能器420发射的可压缩高频脉冲的规则序列。如果泵源静默，则可以在接收器阵列425的任何部件处记录类似的脉冲的规则序列。图5c示出了可以通过可压缩源405生成的低频振动的两个周期。在这个示例中，图上具有正幅度的振动的部分是振动的压缩阶段，而振动的具有负幅度的部分是振动的膨胀阶段。在接收器425处记录如图5d描绘的、图5b和5c的两个发射信号的和。因为折射波435的速度通过泵波循环而变化，所以所接收的折射脉冲因它们的速度随着压缩和膨胀应变而改变而未规则地抵达。波速度可以按这种方式按张力和压缩两者贯穿一振动循环来测量。类似记录在接收器阵列425的单个部件处进行。可以将图5d的所记录的波列滤波，以去除图5c的低频波，留下图5e上颜色为黑色的不规则脉冲序列。为引用起见，将图5c的规则脉冲序列示出为灰色阴影，以突出显示接收器脉冲序列的调制。在压缩期间，超声波速度减小，并且在峰值泵压缩下达到最小值。在峰值膨胀期间测量最大速度。上述讨论是关于软化非线性；然而，如上所述，特定材料可以经历硬化非线性，其中，泵压缩导致探测脉冲速度增加。在这种硬化情况下，标绘图将按相反意义指示速度变化。根据波速度在波应变循环中的变化，可以定义所有非线性系数。多个振动循环利用应变提供波速度的变化的极好准确度和精度并由此确定非线性系数。

总时间延迟为，TDtotal(i)=TD(i)–TD(1)，其中，TDtotal(i)是通过泵波循环获取的超声脉冲序列。每一个脉冲的延迟通过应用利用基准信号TD（1）的互相关来获取。波速度c为，

$c=\sqrt{\frac{M}{\mathrm{\ρ}}}=\frac{L}{\mathrm{TD}}---\left(1\right)$

其中，M=K+4/3μ，而L是传播距离，TD为经过时间，M、K以及μ是压缩模量、体模量以及剪切模量，而ρ是介质的体密度。针对较小幅度/速度变化，

$\frac{\mathrm{\Δc}}{c_0}=-\frac{\mathrm{\ΔTD}}{{\mathrm{TD}}_0}+\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0}=\frac{\mathrm{\ΔM}}{2M_0}-\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{2{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(2\right)$

其中，

$\mathrm{\ΔTD}\≡\mathrm{TDtotal}\≅-\frac{{\mathrm{TD}}_0}{2}\frac{\mathrm{\ΔM}}{M_0}\≈\frac{L}{2{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0^3}\mathrm{\ΔM}---\left(3\right)$

并且

$\frac{\mathrm{\ΔM}}{M_0}=-\mathrm{\β}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LF}}-\mathrm{\δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LF}}^2-\mathrm{\α}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LF}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{LF}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{LF}}\right))---\left(4\right)$

其中，α是滞后非线性参数，ε_LF是泵波的瞬时应变，而

是随着时间的瞬时应变导数，Δε_LF是循环中的最大应变偏移，并且其中，β和δ分别是第三和第四阶非线性系数，而

来自应变导数的符号，并且其细节可以在Renaud、G.、S.Callé、和M.Defontaine的远程动态声弹性测试中找到:Elastic and dissipative nonlinearities measuredunder hydrostatoc tension and compression，和Van Den Abeele、K.E.-A.、A.Sutin、J.Carmeliet以及P.Johnson的Micro-damagediagnostics using nonlinear elastic wave spectroscopy(NEWS)，NDT&E International34，239-248(2001)，这两者通过引用其全部内容而并入于此。

通过利用钻孔410按每一个深度和方位应用该布置，可以获取钻孔附近的完全非线性，并且通过可以基于折射波形迁移的标准成像方法，可以获取钻孔区域附近的非线性图像。

图6a-6c示出了在软化非线性的情况下，针对图4的布置的接收信号的示例。环绕钻孔的材料具有超过接收器阵列425的垂直范围的恒定特性，并且非常薄的打开的破裂430与钻孔相交。图6a示出了针对在换能器405静默时由接收器425接收的信号的幅度与时间的标绘图。图6b示出了针对在最大低频压缩期间由接收器425接收的信号的幅度与时间的标绘图。图6c示出了针对在最大低频膨胀期间由接收器425接收的信号的幅度与时间的标绘图。针对这三个标绘图，时间轴关于接收器Rx1。为简化下面的讨论，忽略了因衰减而造成的幅度损失。在图6a所示的基准条件下，在换能器405静默的情况下，假定同质岩石，并且破裂不影响岩石刚度，那么所有返回信号将按与岩石速度和接收器间距有关的量彼此相对地位移。在泵波循环的压缩部分期间，如图6b所示，在材料软化（展示软化非线性）时，贯穿材料存在波速度减小，由此，连续信号之间的时滞增加。在周期的膨胀部分期间，如图6c所示，贯穿材料存在波速度增加，由此，连续接收器之间的时滞稍微减少。在循环的可压缩部分期间，贯穿材料存在波速度减小，由此，连续接收器之间的时滞稍微增加。

上面详细描述的各种布置可以在从环绕钻孔成像而导出的许多应用中使用。例如，上述声束源可以被用于天然破裂的各种评估，晶簇、结节或其它异质性的映射，一个或多个套管柱与环绕套管井的地层之间的水泥护层的存在和特性的评估，来自钻孔的流体侵入的映射，以及环绕井筒的地层的机械完整性的估计，特别是，因附近井筒应力集中而造成的任何改变或局部机械性损失的估计。

尽管基于当前所考虑的是多种有用实施例，出于例示的目的，对本发明进行了详细描述，但应当明白，这种细节仅用于该目的，并且本发明不限于所公开的实施例，而且，正相反，其旨在覆盖处于所附权利要求书的精神和范围内的修改例和等同布置。例如，虽然在此针对计算机进行了说明，但这可以包括通用计算机、特制计算机、包括机器可执行指令并且被编程成执行方法的ASIC、计算机阵列或网络，或者其它合适计算装置。例如，由接收器收集的数据可以经历某一处理，并且被存储在工具中的存储器中，或者向孔上发送，以供进一步处理和存储。作为另一实施例，应当明白，本发明设想，在尽可能的情况下，可以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相组合。

Claims (58)

1.一种用于调查钻孔周围的材料的方法，该方法包括：

在钻孔内生成第一低频声波，其中，第一低频声波在材料中的与钻孔的半径大致垂直的一个或多个特征部中诱导线性和非线性响应；

沿相对于钻孔的纵轴垂直的方向，将高频脉冲的第一序列与第一声波同时期地引导到材料中；以及

在可定位在钻孔中的一个或多个接收器处，接收由高频脉冲的第一序列与经历因第一低频声波导致的线性和非线性弹性变形的一个或多个特征部之间的交互所生成的一个或多个第二高频脉冲，来调查钻孔周围的材料。

2.根据权利要求1的方法，其中，如果高频脉冲的第一序列遇到材料内的具有导致向钻孔反射或反向散射能量的声阻抗的差异的一个或多个特征部，则在所述一个或多个接收器处接收到第二高频脉冲。

3.根据权利要求2的方法，其中，如果高频脉冲的第一序列遇到这样的一个或多个特征部，所述一个或多个特征部按使得所述一个或多个特征部在经历因第一低频声波而造成的变形以致使该变形在低频声波的循环期间改变声阻抗的差异的同时、将能量反向引导至钻孔的方式来取向，则在一个或多个接收器处接收到第二高频脉冲。

4.根据权利要求1的方法，其中，第一声波和高频脉冲的第一序列由压缩波源、横波源或两者生成。

5.根据权利要求4的方法，其中，第一声波的源包括被配置成诱导材料中的线性和非线性弹性变形的振动部件。

6.根据权利要求1的方法，其中，所述一个或多个接收器在钻孔中按阵列布置。

7.根据权利要求1的方法，其中，所述一个或多个接收器被配置成记录所述一个或多个第二高频脉冲的一个或多个方向分量。

8.根据权利要求1的方法，还包括：重复生成第一声波，和在钻孔内按不同方位取向并且按不同深度引导高频脉冲的第一序列，以生成钻孔周围的材料的线性和非线性弹性特征部的三维图像。

9.根据权利要求1的方法，其中，钻孔周围的材料从由以下组成的组中选择：水泥、套管、岩层、钻孔中或周围的流体、及其组合。

10.根据权利要求1的方法，其中，所接收的第二高频脉冲具有取决于在高频脉冲的第一序列被材料反射的位置和时间的低频脉冲的相位的特性。

11.根据权利要求1的方法，还包括：基于接收的一个或多个第二高频脉冲，确定材料是包括线性反射体还是非线性反射体。

12.根据权利要求11的方法，还包括：对接收的一个或多个第二高频脉冲滤波。

13.根据权利要求12的方法，其中，滤波器包括高通滤波器，被布置成隔离接收的一个或多个第二高频脉冲中的高频分量。

14.根据权利要求11的方法，还包括：确定经滤波的一个或多个第二高频脉冲的随时间的幅度变化。

15.根据权利要求1的方法，其中，高频脉冲的第一序列被啁啾或者被编码，或者既被啁啾又被编码。

16.根据权利要求1的方法，其中，高频脉冲的第一序列被调制，并且调制从由以下组成的组中选择：幅度、相位、周期及其任何组合。

17.根据权利要求1的方法，其中，在低频波的每个循环发射在5个与100个之间的第一频率脉冲，并且第一高频脉冲具有至少为低频波的频率的十倍的频率。

18.根据权利要求1的方法，还包括：基于发送高频脉冲的第一序列的第一时间、接收到高频脉冲的第二序列的第二时间、以及声音沿高频脉冲的第一序列的路径和沿第二高频脉冲的路径的估算速度，确定到一个或多个特征部的径向距离。

19.根据权利要求18的方法，其中，所述确定包括：计算高频脉冲的第一序列和第二高频脉冲的互相关。

20.根据权利要求1的方法，其中，如果高频脉冲的第一序列遇到材料中的按使得特征部在经历剪切变形的同时反向引导能量的方式取向的非线性弹性特征部，则在一个或多个接收器处接收到第二高频脉冲。

21.一种用于调查钻孔周围的材料的装置，该装置包括：

可定位在钻孔中的第一声波源，被配置成生成第一声波，该第一声波具有进入到材料中的、用以在材料中的与钻孔的纵轴大致平行的一个或多个特征部中诱导线性和非线性响应的低频；

可定位在钻孔中的源，被配置成沿相对于钻孔的纵轴垂直的方向，将高频脉冲的第一序列与第一声波同时期地引导到材料中；以及

可定位在钻孔中的一个或多个接收器，被配置成接收由高频脉冲的第一序列与经历因第一声波导致的线性和非线性弹性变形的一个或多个特征部之间的交互所生成的一个或多个第二高频脉冲，来调查钻孔周围的材料。

22.根据权利要求21的装置，其中，如果高频脉冲的第一序列遇到材料内的具有导致向钻孔反射或反向散射能量的声阻抗的差异的一个或多个特征部，则在所述一个或多个接收器处接收到第二高频脉冲。

23.根据权利要求22的装置，其中，如果高频脉冲的第一序列遇到按使得在所述一个或多个特征部经历因第一低频声波造成的变形、以致使变形在低频声波的循环期间改变声阻抗的差异的同时将能量反向引导至钻孔的方式来取向的一个或多个特征部，则在一个或多个接收器处接收到第二高频脉冲。

24.根据权利要求21的装置，其中，第一声波源和高频脉冲的第一序列的源被配置成生成压缩波、横波或两者。

25.根据权利要求24的装置，其中，第一声波源包括被配置成诱导材料中的线性和非线性弹性变形的振动部件。

26.根据权利要求21的装置，其中，所述一个或多个接收器按阵列布置在钻孔中。

27.根据权利要求21的装置，其中，所述一个或多个接收器被配置成记录所述一个或多个第二高频脉冲的一个或多个方向分量。

28.根据权利要求21的装置，还包括与具有存储在其中的指令的存储器通信的处理器，所述指令在执行时被配置成基于声音沿高频脉冲的第一序列的路径和沿第二高频脉冲的路径的速度，确定从钻孔至一个或多个特征部的径向距离。

29.根据权利要求21的装置，还包括与具有存储在其中的指令的存储器通信的处理器，所述指令在执行时被配置成基于在钻孔内按不同方位取向并且按不同深度进入到材料中的重复声波穿透，来生成材料的一个或多个三维图像。

30.根据权利要求21的装置，其中，钻孔周围的材料从由以下组成的组中选择：水泥、套管、岩层、钻孔中或周围的流体及其组合。

31.根据权利要求21的装置，还包括与具有存储在其中的机器可执行指令的存储器通信的处理器，所述指令在执行时，使处理器基于接收的一个或多个第二高频脉冲，确定材料是包括线性反射体还是非线性反射体。

32.根据权利要求31的装置，还包括被布置成对接收的一个或多个第二高频脉冲滤波的滤波器。

33.根据权利要求32的装置，其中，滤波器包括被布置成隔离接收的一个或多个第二高频脉冲中的高频分量的高通滤波器。

34.根据权利要求32的装置，其中，所述处理器被布置成确定经滤波的一个或多个第二高频脉冲的随时间的幅度变化。

35.根据权利要求31的装置，还包括编码器，该编码器被布置成通过引入时变分量，利用时变标记来编码高频脉冲的第一序列，包括啁啾或频率扫描。

36.根据权利要求35的装置，其中，所述处理器使用经编码的高频脉冲的第一序列来测量第一序列与所接收的第二序列之间的飞行时间。

37.根据权利要求35的装置，其中，时变标记选自由以下各项随着时间的变化构成的组：幅度、相位、周期、及其任何组合。

38.根据权利要求21的装置，其中，在低频波的每个循环发射5个与100个之间的第一频率脉冲，并且第一高频脉冲具有至少为低频波的频率的十倍的频率。

39.根据权利要求31的装置，其中，径向距离通过计算高频脉冲的第一序列和第二高频脉冲的时域上的互相关来确定。

40.根据权利要求39的装置，其中，所述处理器被布置成基于发送高频脉冲的第一序列的第一时间、接收高频脉冲的第二序列的第二时间、以及材料的估算声音速度，来确定到材料的径向距离。

41.一种用于调查钻孔周围的材料的方法，包括：

在钻孔内生成间歇低频振动，其作为管状波向钻孔纵向传播，并且在材料中的与钻孔的纵轴大致垂直的一个或多个特征部中诱导非线性响应；

在钻孔内生成高频脉冲序列，该高频脉冲序列按使得它们在周围材料内向钻孔纵向行进的方式引导；以及

在可定位在钻孔中的一个或多个接收器处，在间歇生成低频振动期间接收包括来自低频振动的分量和高频脉冲序列的信号，以调查钻孔周围的材料。

42.根据权利要求41的方法，其中，高频脉冲序列被配置成作为折射波、散射波或直接波传播到材料中。

43.根据权利要求41的方法，其中，低频振动、高频脉冲序列或两者由压缩源、横波源或两者生成。

44.根据权利要求43的方法，其中，压缩源、横波源或两者包括被配置成在材料中诱导弹性非线性的振动部件。

45.根据权利要求41的方法，其中，一个或多个接收器在钻孔中按阵列布置。

46.根据权利要求41的方法，其中，一个或多个接收器被配置成记录高频脉冲序列的一个或多个方向分量。

47.根据权利要求41的方法，还包括：重复生成低频振动和在钻孔内的不同方位取向和不同深度处的高频脉冲序列，以生成材料的从由以下构成的组中选择的一个或多个图像：线性速度、线性模量、非线性速度、非线性模量、及其组合。

48.根据权利要求41的方法，其中，因低频振动而造成的弹性变形循环导致在材料中的局部速度的对应循环性变化。

49.根据权利要求41的方法，还包括：处理从材料返回至一个或多个接收器的高频脉冲序列，以确定材料的弹性非线性响应。

50.一种用于调查钻孔周围的材料的装置，包括：

第一声波源，被配置成在钻孔内生成间歇低频振动，该间歇低频振动作为管状波向钻孔纵向传播，并且在材料中的与钻孔的纵轴大致垂直的一个或多个特征部中诱导非线性响应；

第二声波源，被配置成将纵向去往钻孔的连续高频脉冲序列引导到材料中；以及

可定位在钻孔中的一个或多个接收器，被配置成在间歇生成低频振动期间接收包括来自低频振动的分量和高频脉冲序列的信号，以调查钻孔周围的材料。

51.根据权利要求50的装置，其中，高频脉冲序列被配置成作为折射波、散射波或直接波传播到材料中。

52.根据权利要求50的装置，其中，第一声波源、第二声波源、或者两者包括压缩源、横波源或两者。

53.根据权利要求52的装置，其中，压缩源、横波源或两者包括被配置成在材料中诱导弹性非线性的振动部件。

54.根据权利要求50的装置，其中，所述一个或多个接收器在钻孔中按阵列布置。

55.根据权利要求50的装置，其中，所述一个或多个接收器被配置成记录高频脉冲序列的一个或多个方向分量。

56.根据权利要求50的装置，还包括控制器，该控制器被配置成重复生成低频振动和在钻孔内的不同方位取向和不同深度处的高频脉冲序列，以生成材料的从由以下构成的组中选择的一个或多个图像：线性速度、线性模量、非线性速度、非线性模量、及其任何组合。

57.根据权利要求50的装置，其中，由第一声波源生成的低频振动的弹性变形循环导致在材料中的局部速度的对应循环性变化。

58.根据权利要求50的装置，还包括与具有存储在其中的机器可执行指令的存储器通信的处理器，所述指令在执行时使处理器基于从材料返回至一个或多个接收器的高频脉冲序列确定材料的弹性非线性响应。

Images