CN105008663A - 揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法以及实现其的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法并且涉及实现其的系统。特别地，该方法(200)特征在于包括以下步骤：通过电声换能器(20)，在电声换能器(20)的轴(A)的方向生成(210)第一压力声波，并且接收由于从第一地质地层(51)到不同的第二地质地层(52)的通行而由至少一个不连续性界面(50)生成的这种第一压力声波的反射信号，其中两个地层依次沿电声换能器(20)的发射方向(A)定位；基于接收到的反射信号，计算(220)生成的第一压力声波的速度(v₁)以及电声换能器(20)与至少一个不连续性界面(50)之间的距离(d)；通过电声换能器(20)，在所述电声换能器(20)的轴(A)的方向中生成(230)第二压力声波并且揭示(240)在电声换能器(20)的端子处引起的电阻抗(Z_E)；基于揭示出的所述电阻抗(Z_E)，估计(250)特征化第一地质地层(51)和第二地质地层(52)的多个参数；基于计算出的所述声速(v₁)和所述距离(d)以及估计出的所述多个特征参数，估计(260)第二地质地层(52)的压力。

Description

揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法以及实现其的系统

技术领域

本发明涉及揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法并且涉及实现其的系统。

背景技术

为了避免烃从采集井中不受控地释放的危险事件，也称为井喷，重要的是关于在油井的钻探操作中仍然必须被钻头钻探的地质地层的孔隙压力预测在钻探过程中钻头将遇到什么。

识别孔隙压力的异常不连续性界面的位置的可能性事实上使得有可能采取一系列预防措施，从而防止井喷条件被触发。

在地层具有低渗透性(10-100微达西(microDarcy))，诸如不允许直接在孔隙处测量压力的场景中，这种预测特别有用。

目前所使用的解决办法是通过反射地震法关于钻探操作抢先估计压力，从而以大约几十米的分辨率识别这种压力的趋势。

随后，利用在钻探过程中执行的井中的局部测量(声速、电阻率、伽玛射线、密度等)，所估计的趋势有可能按照井深度被重新校准。以这样一种方式，还获得压力趋势的横向分辨率的改进。

现如今用于处理测量结果以及地层的孔隙压力趋势的定义的数学模型是不可以预测异常压力的估计模型，这种异常压力有可能在仍然要被钻探的地层中存在，尤其是如果这种地层的岩性关于钻头旁边的地层具有快速变化和/或如果异常高地层压力(geopressure)由不能归因于欠压实的现象造成的话。

发明内容

本发明的目的是避免以上提到的缺陷，并且尤其是设计用于识别未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法，该方法使得有可能预测在仍然要在钻头前面被钻探的地层中几米的深度处的异常压力。

本发明的另一个目的是提供用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法，该方法提供以米为量级的压力的预测分辨率。

本发明的另一个目的是产生用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统，该系统能够在钻头前面直接执行测量。

根据本发明的这些和其它目的是通过产生如在权利要求1中概述的、揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法来实现的。

该方法的更多特征是从属权利要求2-10的目标。

这些以及还有其它目的是利用如在权利要求11中概述的、揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统获得的。

该系统的更多特征在从属权利要求12-20中指示。

附图说明

参考所附示意图，根据作为例子并且不用于限制目的的以下描述，根据本发明的用于识别未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法的特征和优点将变得更加清晰，在附图中：

图1a和1b分别是根据本发明的用于识别未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统的一种优选但非限制性实施例的透视图和平面图；

图2是在根据本发明的系统中所使用的电声发送器的一种优选但非限制性实施例的示意图；

图3是在根据本发明的系统中所使用的电声接收器的一种优选但非限制性实施例的示意图；

图4a和4b是用于识别未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法的第一测量阶段的示意性表示；

图5是声音接收器中所包括的处理装置的示意性表示；

图6a和6b是用于识别未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法的第二测量阶段的示意性表示。

具体实施方式

参考附图，示出了用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统，该系统总体上用标号100指示。

用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统100包括用于钻探地层的钻头10，根据本发明，在钻头10中集成了电声换能器20。

电声换能器20连接到适合用作电源的电子处理单元30，电子处理单元30生成导频信号并且处理由换能器20揭示的数据。

为了这个目的，电子处理单元30包括导频信号发生器31、用作电源的装置32以及用于获得并处理数据的装置33。

因此，用于获得并处理数据的装置33包括软件装置(未说明)，用于实现根据本发明的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法200。

电声换能器20包括发送器21和接收器22，每个具有特定压电换能器29、35，分别连接到用于生成声波的压电换能器35的驱动装置34(也称为发送换能器)，以及从用于接收声波的压电换能器29接收的信号的类比(analogical)调节装置27(也称为接收换能器)。

所接收信号的类比调节装置27优选地包括级联连接的第一自动增益控制电路27a、减法电路27b、第二自动增益控制电路27c、乘法电路27d以及低通滤波器27e。

特别地，钻头10包括至少一个钻探侧12，电声换能器20从这一侧延伸，因此电声换能器20具有其基本上与钻探侧12正交的轴A。

优选地，钻头10是PDC(聚晶金刚石合成物，PolycrystallineDiamond Composite)类型，包括至少一个钻探侧12、其上布置有优选地是金刚石类型的切割装置14的多个脊13。

在钻头10的钻探侧12的中心部分，还提供多个注入器15，也称为过滤(duse)注入器，用作钻探泥浆的通道。

电声换能器20优选地位于钻头10中，使得从钻探侧12延伸，利用脊13之间的空间并且避开面12的中心部分，在中心部分存在注入器15。

钻头10中的电声换能器20的外壳对换能器20的维度强加约束，尤其约束其辐射和接收表面的维度，其辐射和接收表面必须具有大约几厘米的直径。

根据在图1a和1b中所说明的优选实施例，发送器21和接收器22分离地位于脊13的中间，优选地以不大于6-7cm的距离分离，从而允许钻探泥浆在两个元件21、22之间通过。

在一种未说明的备选实施例中，发送器21和接收器22位于圆柱形外壳中，圆柱形外壳优选地具有不大于6-7cm的直径。

为了揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面，电声换能器20必须满足一些先决条件，包括：

-在几百Hz和几kHz之间的频带内操作；

-辐射必要的功率，以便穿透地层大约10m的深度；

-最小化发送器21和接收器22之间的串扰。

除了由特定应用指示的具体外壳需求强加到电声换能器20的尺寸约束，同时满足此类先决条件的必要性使得可用作发送器21和接收器22的压电换能器29、30的选择相当重要。

在从发送换能器35，或者源，的辐射表面向地层传输机械功率的过程中，电声换能器20所工作的相对低的频率造成极其低效。

关于这一点，值得指出的是所谓的“辐射阻抗”Z_rad，即，由发送换能器35施加的力与其振荡的速率之比，依赖于源35与地层之间的交互。

更精确地可以表述为

Z_rad＝A(Z_Az_rad+B)

其中

-Z_A是在缺少源的情况下(平面波传播)被看作波压力与其粒子速度之比的标量，仅仅依赖于地层的声学和几何属性；

-A是辐射表面的面积；

-Z_rad(规格化的辐射阻抗)是关于地层中的波长λ(与工作频率成反比)考虑源的维度(直径D)的校正项，等于

$z_{rad}=r_{rad}+{\mathrm{jx}}_{rad}=1-\frac{J_1\left(2ka\right)}{ka}+j\frac{K_1\left(2ka\right)}{2k^2{a}^2}$

-B是代表源和地层之间的弹性耦合效果的阻抗并且可以表述为：

$B=-j\frac{2E}{kv(1-{\mathrm{\υ}}^2)\mathrm{\π}a}$

其中：

-J1()是第一类贝塞尔(Bessel)函数；

-K1()是斯特鲁夫(Struve)函数；

-v是地层中的声音速度；

-k＝2π/λ＝ω/v是地层中的波数；

-E是地层的弹性模数；

-ν是地层的泊松(Poisson)系数；

-a是源的圆形表面的半径。对于可用于特定应用的维度和频带，其中波长是发送换能器35的辐射表面的直径的大约100倍，从而导致ka～0.03，从换能器20看到的电阻性阻抗r_rad的部分关于电抗性阻抗x_rad的部分其量值小大约2个数量级。

因此，辐射阻抗Z_rad主要是电抗性的，或者更加确切地说，注入源35的功率当中只有一小部分作为辐射的声学功率被耗散。

辐射的声学功率等于

$P_{rad}=\frac{{\left|F\right|}^2}{2R_{rad}}=\frac{{\left|U\right|}^2{\left|Z_{rad}\right|}^2}{2R_{rad}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{X}^2{\left|Z_{rad}\right|}^2}{2R_{rad}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{X}^2{A}^2{\left|Z_A{z}_{rad}+B\right|}^2}{2\mathrm{Re}\left(Z_A{z}_{rad}\right)}$

其中A是辐射表面的面积，R_rad是Z_rad的实部，X是源在轴向方向的移位的真实矢量，定义为ξ(t)＝Xsin(ωt)，U是辐射表面的粒子速度的矢量，具有模数|U|＝ωX，而F是由源在地层上施加的力的矢量，具有模数|F|＝|UZ_rad|＝ωX|Z_rad|。

由于不可能增加辐射表面，这是由于以上概述的尺寸约束，因此必需增加源35的最大移位X。

因此，为了获得一定的辐射功率P_target，源必需具有等于 $X_{t\arg et}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}\sqrt{\frac{2P_{t\arg et}{R}_{rad}}{|Z_{rad}{|}^2}}$ 的移位。

理论上，发送换能器35的本征共振频率将因此位于工作频带之下，使得有用信号的可能谐波在共振频率的区域之外，发送器21在共振频率的区域内的灵敏度更大。

以这样一种方式，可能谐波变形的量将最小化。

但是，作为特定应用的特点的尺寸约束使得几乎不可能使共振系统低于500Hz。

因此，共振频率必须在工作频带之上。无论如何，这种频率都不应当太高，因为发送换能器35的电压响应在共振频率之前每八倍频减小12dB。

最后，源35和接收换能器29之间的接近性使得系统遭受串扰，或者更确切地说，从源35通过钻头10的结构传播到接收换能器29的信号往往打扰或者甚至“隐藏”包含关于地层的几何和声学属性的信息的有用信号。

考虑以上所述，使用像传输线或“三明治”类型的发送换能器35是特别适当的，例如在图2中所说明的。

传输线发送换能器35包括具有对应金属电极23d的陶瓷层23c的堆叠23。

为了根据本发明的特定应用，陶瓷层23c的堆叠23在第一端23a被约束到固定的支撑件26并且在第二端23b被约束到适合用于减小发送换能器35的本征共振频率并部分地修改岩石地层的机械阻抗以使其适应陶瓷堆叠23的机械阻抗从而最大化辐射功率的块体24。

以这样一种方式，第一端23a被阻塞并且整个移位朝着第二自由端23b可用。

优选地，陶瓷堆叠23是PZT4D类型的单片式多层致动器。

特别适于特定应用的一种非限制性实施例为陶瓷堆叠23提供了等于大约10-20cm的长度，其中每个陶瓷盘23c被封在通过陶瓷上的化学沉积所获得的电极之间并且具有大约几十微米的厚度。

第二自由端上的块体24优选地由钢制成。

根据优选实施例，这种块体24具有等于几厘米的厚度以及诸如采用在钻头10内可用空间的直径，例如大约3cm。

块体24优选地以适应地层的一层材料(例如聚氨酯)结束，具有等于几毫米的厚度，从而进一步改进与地层的耦合。

有利地，这类传输线发送换能器35使得有可能获得：

-大约几十微米的移位，这种移位足以确保感兴趣的频带内的足够辐射声学功率，诸如以便穿透典型的孔隙地层至少10m；

-稍高于感兴趣频带的共振频率(包括在几百Hz与几kHz之间)。

在未示出的备选实施例中，发送换能器35是“tonpilz”类型，即，包括被压缩在两个末端块体之间的具有对应金属电极的陶瓷层的堆叠。

末端块体被选择为使得确保朝向钻头10内部的一端具有零速度，使得所有移位在朝向外部，或者更确切地说朝着地层，的一端可用。

由于必须把电声换能器20放在钻头10中而导致的尺寸约束，发送换能器35的这种备选实施例关于传输线实施例不太优选。

实际上，为了正确的操作，每个块体有必要具有等于共振频率的四分之一波长的厚度。考虑共振频率的值等于3kHz的示例值，钢块必须具有等于大约40cm的长度，因此使得其相当难以容纳在钻头10内。

为了最小化发送换能器35与接收换能器29之间的串扰，尤其适合使用“加速平衡”类型的包含浸在油中的两个陶瓷半球25的水中检波器(例如在图3中所说明的)作为接收换能器29。

优选地，两个陶瓷半球25是PZT5A类型。

加速平衡水中检波器29使得有可能把来自不同于与水中检波器29的轴A平行的方向的声音信号，实际上就像通过钻头10的结构从发送换能器35传播到接收换能器29的声学串扰，衰减大约30-40dB。

电子处理装置28优选地在水中检波器29中集成提供，用于所接收信号的预先放大，这适于在朝电子处理单元30发送之前适当地增加信号电平并且用于最小化水中检波器29的输出阻抗。

在描述的其余部分，将概述本发明的源和接收器对象的性能的量化估计。这种估计显著地通过SNR(信噪比)来描述。

SNR的计算的第一元素部分是由换能器在地层上施加的力的水平，其可以合理地达到1000Nrm的值。所考虑的工作频率等于1.5kHz。在一种纯弹性地层中，位于8m深度的辐射声学压力的水平将是大约117dBSPL，即，比20μPa的标准值高117dB，该标准值代表空气中的最小可听阈值(作为参考例，这个水平可以被认为类似于由链锯产生的噪音)。

作为SNR计算的一部分的第二元素是发送通道的衰减以及在地层上反射之后的接收。

但是，本专利的应用领域中感兴趣的岩石(例如页岩)的大部分具有强烈衰减声音的孔隙弹性行为，即，粘弹性。典型的衰减值可以是3dB/m1.5kHz。因此，在8m之后，所辐射的声音压力的水平减小24dB。

为了获得到达接收器的声音压力的水平，有必要减去以下：

-24dB，考虑从地层中的可能界面到接收器的8m传播，

-10dB，考虑在实际岩性中难以存在几乎全反射(即，推测由于褶皱而存在散射，并且表面是部分朗伯(Lambertian)的)。

-6dB，考虑由于球面传播而导致的几何因素，从而获得-64dB的总体衰减。

作为SNR计算的一部分的第三元素是接收器的灵敏度。

在1.5kHz的频率下，典型的水中检波器特征在于：

-大约-200dBV re 1μPa的灵敏度，对应于-174dBV re 20μPa；

-具有40dB的增益的预放大器。

作为SNR计算的一部分的第四元素是在接收器处的噪声水平，这对于典型的水中检波器等于-164dBV/√Hz1kHz。有用信号的貌似合理的最大频带扩展(见方法1)是大约200Hz。

因此，添加到有用信号的噪声水平是20log₁₀[10^(-164+40)/20√200]＝-101dBV。

通过使用现在处理过的四个元素，有可能计算SNR：

SNR＝(117–64–174+40)–(–101)＝20dB

在这些条件下，信号仍然是揭示性的，有可能是通过执行合适的后期处理(例如堆叠)，从而进一步减小噪声的影响。

由用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统100实现的方法200如下。

电子处理单元30的导频信号发生器31向发送器21的驱动装置34发送导频信号。

发送器21在由土壤中的不连续性反射回接收器22的电声换能器20的轴A的方向生成(阶段210)第一压力声波，其中，对于大地中的不连续性，是指关于岩性和/或关于孔隙压力而言不同的两个地层51、52之间的通道界面50。

在通常高达大约10m的大揭示范围内，基于由接收器22接收的反射信号，电子处理单元30估计(阶段220)所生成的压力声波的速度以及电声换能器20与沿该压力声波的传输方向A存在的第一地层51和第二地层52之间第一不连续性界面50之间的距离。

揭示深度与通常从100Hz到几kHz的用于生成声波的频率范围有关，其中这种范围通常包括波的色散行为在其中更大的频率范围。

随后，发送器21在电声换能器20的轴A的方向生成(阶段230)第二压力声波。

然后，电子处理单元30揭示(阶段240)在电声换能器20的端子处感应出的电阻抗，以便随后跨所揭示的不连续性界面50估计(阶段250)特征化两个地层51、52的多个参数，从而区分(阶段260)从前一阶段(阶段220)产生的异常是否是由于处于过压的地层的存在。作为备选方案，所揭示的异常可以是由于例如岩性的改变。

实际上，根据由地层中流体的存在对电声换能器20的电阻抗引起的影响，有可能根据之前对其揭示出异常(阶段220)的地层中导频信号的频率得出压力声波的速度变化。

第一压力声波的生成阶段(阶段210)优选地包括连续啁啾的生成，即，线性扫描频率(FMCW，频率调制连续波)或者，换句话说，其频率随时间线性增加的连续信号。

这种信号的选择特别有利，因为它使得所接收信号的处理更简单，因此能够以类比方式实现。以这样一种方式，确保在获取之前没有信号分辨率的减小。

而且，对于相同的辐射能量，有可能在较小的驱动电压操作，因为这种信号需要较低的发送功率峰值。

最后，对于相同深度的不连续性界面50，确保接收器22处更好的信号/干扰比，因为有用信号的频带更小并且噪声能量因此更小。

基于在声音接收器22的端子处的信号的估计步骤(阶段220)包括在接收器22的端子处的类比信号的第一调节阶段，示意性地在图5中示出，包括以下阶段：

-利用通过第一自动增益控制电路27a发送到发送器21的导频信号的幅度水平放大并均衡在接收器22的端子处的信号(阶段221)；

-通过减法电路27b从在接收器22的端子处的信号减去发送到发送器21的导频信号(阶段222)，用于进一步衰减理想地与导频信号相同的串扰成分；

-通过第二自动增益控制电路27c，放大(阶段223)去掉串扰成分的信号并且在与发送到发送器21的导频信号相同的幅度水平对齐进行均衡；

-通过乘法电路27d，将得自放大阶段的信号乘以(阶段224)对于发送到发送器21的导频信号；

-通过低通滤波器27e，对相乘后的信号进行滤波(阶段225)，就像例如4阶贝塞尔滤波，以提取低频成分(拍频f_B)。

基于这样获得的拍频f_B，第一地层51中的声波的速度v1被估计(阶段226)-其频率几乎是恒定的，因为第一地层被假设是正常施压的–并且计算第一地层51和第二地层52之间潜在不连续性界面50(急剧的或逐步的)的深度。实际上，通过所使用的频率范围ΔF和由发送器21发送的压力声波的持续时间T，拍频f_B与压力波从发送器21传播到不连续性界面50并且返回接收器22所需的“行进时间”τ成比例。按公式，是

如图4a中所指示的，在处于已知距离Δd的两个位置A和B执行至少两次行进时间测量τ_A和τ_B是必要的，以便通过公式估计在第一地层51中声波的速度v₁，并且基于这个速度v₁，通过公式确定电声换能器20与有可能处于不同压力的第二地层52的界面50的距离d，并且因此确定钻头10离界面50的距离。

第二压力声波的生成阶段(阶段230)优选地包括在感兴趣的频带内生成连续单音信号，作为导频信号。

基于从揭示阶段(阶段240)获得的、在电声换能器20的端子处感应出的电阻抗估计(阶段250)特征化跨不连续性界面50的两个地层51、52的多个参数参考换能器20的理论模型并且参考在描述的剩余部分中描述和在图6a中说明的地层51、52。

换能器的理论模型：电声换能器20是通过机电模型，即，具有通过利用电气域和机械域之间的类推选择的部件的电子电路来描述的。

这种电路“被加载”辐射阻抗Z_rad，如关于系统100所描述的，Z_rad依赖于两个地层(电声换能器20放在其上的第一地层，以及第二地层)的声学属性，依赖于两个地层51、52之间的界面50的深度d并且依赖于发送器21的辐射表面的尺寸(直径D)与第一地层中的声音波长λ之比。

具体而言，Z_E与Z_rad之间的关系由以下等式定义：

$Y_E=\frac{1}{R_0}+{\mathrm{j\ωC}}_0+\frac{N^2}{R_m+{\mathrm{j\ωL}}_m+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_m}+\frac{Z_{rad}}{1+{\mathrm{j\ωC}}_c{Z}_{rad}}}$

$Z_E=\frac{1}{Y_E}$

以这样一种方式，辐射阻抗Z_rad可以通过在发送器21的端子处的整体电阻抗Z_E(ω)的测量来获得。这种阻抗可以直接从发送器21端子处的电压V与电流I测量结果之比来测量。

根据以下等式，辐射阻抗Z_rad进一步关联到面朝地层的发送器21“看到的”整体声学阻抗Z_A(ω)：

$Z_{rad}=Z_A\left\{{\mathrm{\πa}}^2\[1-\frac{J_1\left(2k_{1}a\right)}{k_{1}a}\]+j\frac{\mathrm{\π}}{2k_1^2}{K}_1\left(2k_{1}a\right)\right\}+\frac{2E_{1}a}{{\mathrm{jk}}_1{v}_1\left(1-{\mathrm{\υ}}_1^2\right)}$

地层模型：一般而言为孔隙弹性介质的地层优选地被建模为声学有损传输线，其长度等于两个地层51、52之间的界面50的深度d(具有单个平面波的模型)。

在备选实施例中，有可能使用考虑更复杂传播或者甚至不是单个平面波的模型。

声学传输线具有地层51的第一特征阻抗Z₁(假定处于正常压力)钻探钻头10位于地层51中，并且以等于处于可能过压的地层52的第二特征阻抗Z₂的负载终止。

因此，声学阻抗Z_A(ω)又根据以下等式关联到阻抗Z₁和Z₂：

$\begin{array}{cc}{Z}_A=Z_1\frac{e^{{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{{\mathrm{jk}}_{1}d}+{\mathrm{re}}^{-{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{-{\mathrm{jk}}_{1}d}}{e^{{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{{\mathrm{jk}}_{1}d}-{\mathrm{re}}^{-{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{-{\mathrm{jk}}_{1}d}}& r=\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\end{array}$

其中换能器离不连续性界面50的距离d是通过以上详细描述的估计和计算步骤(阶段226)获得的。

一般来说，地层的特征阻抗可以通过以下公式就密度、速度和衰减来表述：

$\begin{array}{cc}{Z}_i={\mathrm{\ρ}}_i{v}_i\frac{1+j\frac{{\mathrm{\α}}_i{v}_i}{{\mathrm{\ω}}_i}}{1+\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2{v_i}^2}{{{\mathrm{\ω}}_i}^2}}& i=1,2\end{array}$

其中密度ρ、衰减α和声速v参数可以从已知的岩石物理模型找出。根据这种模型，地层的声学分散可以检测地层的过压的存在。

当声速v强烈依赖于频率并且衰减α特别显著时，这会发生，从而变成复杂的并且依赖于频率的地层的特征阻抗Z。

在示例条款中，岩石的第一物理模型(由Biot开发的孔隙弹性介质的模型)通过多个参数对衰减和声速中的频率趋势建模，这多个参数可以归因于以下四个：

-低频限速率v₀；

-高频限速率v_∞；

-双相介质密度ρ；及

-特征频率ω_C；

其中下标“0”和“∞”分别指示处于低频(大约10Hz)和高频(大约10kHz)的限值，并且特征频率ω_C依赖于孔隙中流体的粘度并且依赖于孔隙本身的配置。

在存在异常高地层压力的情况下大地中依赖于以上提到的参数的声音分散的一种可能描述由通过以下等式构成的模型(DM–分散模型)给出：

$\begin{array}{cc}v\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{v_0{v}_{\mathrm{\∞}}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_C}\right)}^2}}{\sqrt{{v_{\mathrm{\∞}}}^2+{v_0}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_C}\right)}^2}}& \mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=Q^{-1}\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\mathrm{\ω}}{2v\left(\mathrm{\ω}\right)}\end{array}$

$Q^{-1}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{({v_{\mathrm{\∞}}}^2-{v_0}^2)\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_C}}{v_0{v}_{\mathrm{\∞}}\[1+{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_C}\right)}^2\]}$

根据这种模型，可以得出，随着有效压力减小，等于静岩压力(常量)(也被称为地静压力)与孔隙处的压力之差：

-声速减小；

-声速的频率变化v_∞-v₀增加；及

-逆Q-因子，并且因此与其成比例的衰减，增加。

实质上，从通过在发送器21的端子处测出的电压V和电流I的测量结果获得的电阻抗Z_E(ω)(阶段240)，有可能获得表征跨不连续性界面50的两个地层的合适参数集(阶段250)。

根据第一实施例，对于地层51、51两者，由电阻抗Z_E(ω)获得的参数是：

-低频限速率(v₀₁,v₀₂)；

-高频限速率(v_∞1,v_∞2)；

-双相介质的密度(ρ₁,ρ₂)；及

-特征频率(ω_C1,ω_C2)。

作为备选方案，由电阻抗Z_E(ω)获得的参数是：

-第二地层中的声速(v₂)；

-两个地层的密度(ρ₁,ρ₂)(当频率变化时恒定)；

-第二地层中的衰减(α₂)；

为感兴趣的频带内的每个频率估计这样一组备选参数。

特别地，应当考虑第一介质中的声速v₁(当频率变化时恒定，因为它相对于假设的非分散介质)是在以上详细描述的估计和计算步骤(阶段226)中获得的声速，并且因此第一地层51中的衰减α₁可以近似为零。实际上，在感兴趣的频带内，在最多10米厚的一个非分散层中的衰减效果可以被认为是可忽略的。

在这种第二备选方案中，在至少两个不同的位置重复第二压力声波的生成阶段(阶段230)和电阻抗Z_E(ω)的测量(阶段240)是必要的。

在这两种备选方案中，用于从测出的电阻抗Z_E(ω)(阶段240)并且从估计和计算步骤获得的结果(阶段220)或者甚至第一地层51中的声速v₁和换能器20离不连续性界面50的距离d开始估计感兴趣参数的模型的逆可以按以下备选方式执行：

-模型的参数被调整，直到在测出的电阻抗Z_E(ω)与由正向模型预测的“合成”电阻抗之间获得良好的忠诚度；或者

-基于测出的电阻抗Z_E(ω)值并且从对参数集的合适猜想开始，执行最小二乘方估计。为此，有可能使用合适的算法，就像例如列文伯格－马夸尔特(Levenberg-Marquardt)算法。

用于估计所揭示的异常是否是由于过压地层的存在的阶段(阶段260)根据两种可能的方法提供了在第二地层52中孔隙处的压力估计：

-比较在估计步骤(阶段250)获得的特征化两个地层51、52的参数与预先获得的特征化处于不同压力的实验室岩石样本的参数集或数据库；

-利用把在估计步骤(阶段250)中获得的地层51、52的特征参数与相关地层的孔隙压力关联的合适岩石物理模型。

根据如上所述由电阻抗Z_E(ω)获得的参数集(阶段250)，作为替代，用于特征化通过样本测量获得的岩石的参数是：

-低频限速度v₀；

-高频限速度v_∞；

-双相介质的密度ρ；及

-特征频率ω_C；

或者

-声速的频率曲线图；

-衰减的频率曲线图；

-密度(随频率变化而恒定)。

根据所进行的描述，本发明的用于揭示未钻探的地质地层对象中孔隙压力的异常不连续性界面的方法和系统的特征是清楚的，就像相关优点也应当清楚一样。

实际上，除了强加于电声换能器的严格需求，特定的系统使得有可能以大约几米的预测分辨率揭示钻头前方不连续性界面的位置。

而且，所揭示的信号的创新处理方法使得有可能以一定的精度估计所揭示的不连续性界面下游的压力，从而使得有可能确定所揭示的不连续是否归因于过压的存在。

最后，应当清楚的是这样设想的系统可以经历各种修改和变化，这些全都被本发明覆盖；而且，所有细节都可以被技术上等效的元素代替。在实践当中，所使用的材料以及维度可以是根据技术需求的任何材料和维度。

Claims (21)

1.一种用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述系统包括用于钻探地层的钻头(10)、由集成在所述钻头(10)中的发送器(21)和接收器(22)组成的电声换能器(20)，所述电声换能器(20)连接到电子处理单元(30)，电子处理单元(30)适于给所述电声换能器(20)馈电，生成所述电声换能器(20)的导频信号，并且处理由所述电声换能器(20)揭示的数据。

2.如权利要求1所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述钻头(10)包括至少一个钻探侧(12)，所述电声换能器(20)从该侧延伸，所述电声换能器(20)具有与所述钻探侧(12)基本上正交的轴(A)。

3.如权利要求1或2所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述发送器(21)包括连接到导频装置(34)的用于生成声波的压电发送换能器(35)。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述接收器(22)包括用于接收声波的压电接收换能器(29)，所述压电接收换能器(29)连接到所接收信号的类比调节装置(27)。

5.如权利要求4所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所接收信号的所述类比调节装置(27)包括级联连接的第一自动增益控制电路(27a)、减法电路(27b)、第二自动增益控制电路(27c)、乘法电路(27d)以及低通滤波器(27e)。

6.如权利要求3至5中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述压电发送换能器(35)包括陶瓷层(23c)的堆叠(23)，每个陶瓷层具有电极(23d)，陶瓷层(23c)的所述堆叠(23)在第一端(23a)受限于固定的支撑件(26)并且在第二端(23b)以块体(24)终止。

7.如权利要求6所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述块体(24)以用于与地层阻抗匹配的材料的层终止。

8.如权利要求3至5中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述压电发送换能器(35)包括陶瓷层的堆叠，每个陶瓷层具有电极。

9.如前面任何一项权利要求所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述压电接收换能器(29)是包含浸在油中的两个陶瓷半球(25)的水中检波器。

10.如权利要求9所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的系统(100)，其特征在于，所述压电接收换能器(29)包括用于所接收信号的预放大的电子处理装置(28)。

11.一种用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，所述方法包括以下阶段：

-通过电声换能器(20)，沿所述电声换能器(20)的轴(A)的方向生成(210)第一压力声波，并且接收由于从第一地质地层(51)到不同的第二地质地层(52)的通行而由至少一个不连续性界面(50)生成的所述第一压力声波的反射信号，其中第一地质地层和第二地质地层沿所述电声换能器(20)的发射方向(A)接连定位；

-基于接收到的所述反射信号，计算(220)生成的所述第一压力声波的速度(v₁)以及所述电声换能器(20)与所述至少一个不连续性界面(50)之间的距离(d)；

-通过电声换能器(20)，沿所述电声换能器(20)的所述轴(A)的方向生成(230)第二压力声波，并且揭示(240)在所述电声换能器(20)的端子处引起的电阻抗(Z_E)；

-基于揭示出的所述电阻抗(Z_E)，估计(250)特征化所述第一地质地层(51)和所述第二地质地层(52)的多个参数；

-基于计算出的所述声速(v₁)和所述距离(d)以及估计出的所述多个特征参数，估计(260)所述第二地质地层(52)的压力。

12.如权利要求11所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，第一压力声波的所述生成阶段(210)包括生成其频率随时间变化的连续信号。

13.如权利要求11或12所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，基于所接收的所述反射信号，所述计算阶段(220)包括所接收的所述反射信号的类比调节阶段，所述类比调节阶段包括以下步骤：

-利用发送到用于所述第一压力声波的生成的所述电声换能器(20)的导频信号的幅度水平，放大并均衡(221)所接收的所述反射信号；

-从所接收的所述反射信号减去(222)所述导频信号；

-放大(223)从所述减去阶段(222)得到的信号，并且利用所述导频信号的幅度水平对其进行均衡；

-用所述导频信号乘以(224)从所述放大步骤(223)得出的信号；

-对相乘后的信号进行滤波(225)并且提取所述信号的拍频(f_B)。

14.如权利要求11至13中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，基于所接收的所述反射信号，所述计算阶段(220)包括以下步骤：

-对于从所述电声换能器(20)传播到所述不连续性界面(50)并且返回所述电声换能器(20)的所述第一声波，有必要进行至少两个行进时间测量(τ_A,τ_B)，其中所述电声换能器(20)在处于已知距离(Δd)的两个位置处；

-根据等式基于所述两个行进时间测量结果(τ_A,τ_B)和所述已知距离(Δd)计算所述声速(v₁)；

-根据等式基于所述声速(v₁)计算所述电声换能器(20)与所述至少一个不连续性界面(50)之间的所述距离(d)。

15.如权利要求14所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，所述行进时间测量(τ_A,τ_B)根据以下等式基于在滤波步骤(225)中确定的所述拍频(f_B)来实现，

$\mathrm{\τ}=f_B\frac{T}{\mathrm{\Δ}F}$

其中ΔF是频率范围，并且T是所述第一压力声波的持续时间。

16.如权利要求11至15中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，第二压力声波的所述生成阶段(230)包括在感兴趣的频带内生成连续的单音信号。

17.如权利要求11至16中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，所述电阻抗(Z_E)根据由以下等式描述的模型关联到特征化所述第一地质地层(51)和所述第二地质地层(52)的所述多个参数：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{Z_E}=\frac{1}{R_0}+{\mathrm{j\ωC}}_0+\frac{N^2}{R_m+{\mathrm{j\ωL}}_m+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_m}+\frac{Z_{rab}}{1+{\mathrm{j\ωC}}_c{Z}_{rad}}}\\ Z_{rad}=Z_A\left\{{\mathrm{\πa}}^2\[1-\frac{J_1\left(2k_{1}a\right)}{k_{1}a}\]+j\frac{\mathrm{\π}}{2k_1^2}{K}_1\left(2k_{1}a\right)\right\}+\frac{2E_{1}a}{{\mathrm{jk}}_1{v}_1\left(1-{\mathrm{\υ}}_1^2\right)}\\ Z_A=Z_1\frac{e^{{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{{\mathrm{jk}}_{1}d}+{\mathrm{re}}^{-{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{-{\mathrm{jk}}_{1}d}}{e^{{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{{\mathrm{jk}}_{1}d}-{\mathrm{re}}^{-{\mathrm{\α}}_{1}d}{e}^{-{\mathrm{jk}}_{1}d}},r=\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\\ Z_i={\mathrm{\ρ}}_i{v}_i\frac{1+j\frac{{\mathrm{\α}}_i{v}_i}{{\mathrm{\ω}}_i}}{1+\frac{{{\mathrm{\α}}_i}^2{v_i}^2}{{{\mathrm{\ω}}_i}^2}},i=1,2\\ v_i\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{v_{0i}{v}_{\mathrm{\∞}i}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{Ci}}\right)}^2}}{\sqrt{{v_{\mathrm{\∞}i}}^2+{v_{0i}}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{Ci}}\right)}^2}},{\mathrm{\α}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)={Q_i}^{-1}\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{\mathrm{\ω}}{2v_i\left(\mathrm{\ω}\right)},{Q_i}^{-1}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\left({v_{\mathrm{\∞}i}}^2-{v_{0i}}^2\right)\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{Ci}}}{v_{0i}{v}_{\mathrm{\∞}i}\[1+{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_{Ci}}\right)}^2\]}\end{array}\right.$

18.如权利要求11至17中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，在所述估计步骤(250)中估计的特征化所述第一地质地层(51)和所述第二地质地层(52)的所述多个参数包括：

-低频限速度(v₀₁,v₀₂)；

-高频限速度(v_∞1,v_∞2)；

-双相介质的密度(ρ₁,ρ₂)；

-特征频率(ω_C1,ω_C2)。

19.如权利要求11至17中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，对于在感兴趣的频带内的被分析的每个频率，在所述估计步骤(250)中估计的特征化所述第一地质地层(51)和所述第二地质地层(52)的所述多个参数包括：

-声速(v₁,v₂)；

-密度(ρ₁,ρ₂)；及

-衰减(α₁,α₂)；

其中

-在至少两个不同的位置重复第二压力声波的所述生成阶段(230)和电阻抗Z_E(ω)的检测(240)；及

-第一介质中的声速(v₁)被假设为随频率的变化保持恒定并且等于在所述计算阶段(阶段220)中所获得的速度；及

-衰减(α₁)近似为零。

20.如权利要求11至19中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，所述第二地质地层(52)的所述压力的所述估计阶段(260)包括比较所述第一地质地层(51)和第二地质地层(52)的所述多个特征参数与之前通过实验室测量收集的处于不同压力的岩石的特征参数的集合。

21.如权利要求11至19中任何一项所述的用于揭示未钻探的地质地层中孔隙压力的异常不连续性界面的方法(200)，其特征在于，所述第二地质地层(52)的所述压力的所述估计阶段(260)包括使用岩石物理模型，该岩石物理模型把所述第一地质地层(51)和第二地质地层(52)的所述多个特征参数与相关地层(51，52)的孔隙压力相关联。