CN105074127B - 用于从声波波形中移除衰荡效应的方法、系统以及计算机可读介质 - Google Patents

Abstract

一种说明性声学测距方法，其包括：部署井下工具；使用所述工具的传输声学换能器来传输第一声波波形；使用所述工具的接收声学换能器来接收第二声波波形；从所述第二声波波形中移除确定性波形，以获取回波波形；以及从所述回波波形导出测量结果。

Description

用于从声波波形中移除衰荡效应的方法、系统以及计算机可 读介质

相关申请的交叉引用

本申请要求标题为“Systems and Methods Providing Ring Down Removal fromSonic Waveforms”且由P.Tracadas于2013年3月8日申请的美国临时申请61/774,700的优先权，所述申请据此以引用的方式并入本文。

发明背景

油田操作者要求访问关于在井下遇到的状况的大量信息。这种信息通常包括被井眼横越的地层的特性以及与井眼自身的尺寸和构造相关的数据。收集与井下状况相关的信息(通常被称为“测井”)可通过包括“随钻测井”(LWD)和电缆测井的若干方法来执行。

在可用的电缆工具和LWD工具中，存在多种声学测井工具，具体包括超声波“测径仪”工具。这种工具采用声信号来执行测量，例如，测量到井壁的距离。在具有适当的一组此类距离测量结果的情况下，可估计井眼尺寸和形状，以及工具在井眼内的相对位置。

声学换能器面临许多性能挑战，包括由于当移除驱动信号时，换能器的机械运动无法立即停止而造成的“衰荡”现象。相反，存在一些必须被抑制或以其它方式解释的残余运动和振动。可通过使用改进的换能器来减少该现象，然而，与当前可用并使用的现有换能器相比，这样做可被证明是成本昂贵的。

附图简述

因此，本文公开用于从声波波形中移除确定性噪声的方法和相关联的系统。在附图中：

图1示出用于随钻测井(“LWD”)的说明性环境。

图2示出用于电缆测井的说明性环境。

图3示出具有单个声学换能器的说明性的声波产生和测量工具。

图4A和图4B示出具有两个声学换能器的说明性的声波产生和测量工具。

图5示出说明性的确定性噪声波形移除方法的流程图。

图6示出一些说明性波形的工作流程图。

图7示出一些说明性波形的另一工作流程图。

图8描绘了使用和不使用所公开的处理技术的说明性的声波测井。

然而，应理解，附图中给出的具体实施方案及其详细描述不限制本公开。相反，它们为普通技术人员提供辨识替代形式、等同物和修改的基础，所述这些替代形式、等同物和修改连同给出的实施方案中的一个或多个都涵盖在随附权利要求书的范围内。

具体实施方式

本文公开的是用于当使用超声波换能器时提供对确定性噪声波形或不期望的干扰波形的移除的系统和工具，连同相关联的方法。这种噪声可以是衰荡波形或通过工具主体在换能器之间传送的噪声。说明性的换能器存在于可商购的仪器中，包括哈里伯顿公司(Halliburton)的XBAT测径仪测井(“XCAL”)工具、声波测径仪(“ACAL”)工具、声波发射器测径仪(“PCAL”—方位岩性密度工具的一部分)传感器和环形声波扫描仪(“CAST”)。(这些工具的前三个是LWD工具、最后一个是电缆工具。)。如果这种换能器被暴露在极端条件下、随时间推移而降解或开始仅具有标称质量，那么它们可经历可变的特性或长衰荡特性。这种衰荡特性可干扰声波波形测量结果，从而降低仪器灵敏度和回波的相称可检测性。

至少一些所公开的系统通过学习确定性波形并将其从所获取的波形中减去而进行操作，从而导致仅含有从井壁或地层反射的真实“回波”的波形。在一些实施方案中，可通过在时间上接近当前测量的波形的其它波形的统计分析来获悉声学换能器的确定性波形。在其它实施方案中，可经由如今存储在存储器中的先前获取的波形，或通过在与井下经历的那些条件类似的实验室测试条件下研发的预测性的波形来获悉确定性波形。这种方法有利地允许当前使用的现有组件继续被使用，但是具有增加的精确性和可靠性。

图1示出说明性的LWD环境。在图1中，钻井平台2支撑井架4，井架4具有用于提升和降低钻柱8的游动块6。当钻柱8通过回转台12下降时，钻柱方钻杆10支撑钻柱8的其余部分。回转台12旋转钻柱8，从而旋转钻头14。当钻头14旋转时，其产生通过多个地层18的井眼16。泵20使钻井液循环通过给液管22直至方钻杆10、在井下通过钻柱8的内部、通过钻头14中的孔、经由钻柱8周围的环体9回到地面并进入贮留池24中。钻井液将切屑从井眼16输送到池24中，并帮助保持井眼16的完整性。

钻头14仅仅是开孔LWD组件的一个零件，该开孔LWD组件包括一个或多个钻铤26和测井工具28。钻铤26是用于提供重量和刚性以用于钻井过程的厚壁钢管段。测井工具28(其可内置在钻铤中的一个内)收集各种钻井或地层参数的测量结果。在不限制的情况下，测井工具28可被集成到靠近钻头14的底部钻孔组件25以收集测量结果。所收集的测量结果可被绘图并用于转向钻柱8和/或用于分析地层特性。根据至少一些实施方案，测井工具28与具有如本文所述的一个或多个高纯度的声学传输器的声波测井工具对应。

来自测井工具28的测量结果可通过遥测接头(例如，与测井工具28集成)获取，以存储在内部存储器中和/或经由通信链路传送到地面。泥浆脉冲遥测是一种用于提供用于将测井测量结果转移至地面接收器30，并且用于接收来自地面的命令的通信链路的常见技术，但还可使用其它遥测技术。根据至少一些实施方案，从测井工具28收集的测量结果由计算机系统处理，以产生一个或多个钻井记录以供用户分析。预想的记录包括声波测井测量结果，诸如压缩波和剪切波的传播速度、所接收的波形和诸如声阻抗的可导出的值。

在钻井过程的多个时间，可从井眼16移除钻柱8，如图2中示出。一旦已移除钻柱，则可使用通过电缆42悬挂的电缆测井探头34进行测井操作，所述电缆测井探头34具有用于向测井探头34输送电力的导体和从测井探头34到地面的遥测。在一些实施方案中，测井探头34可具有衬垫和/或集中构件，以当朝向井上拉起工具时，使工具保持在井眼的轴线附近。

应注意，各种类型的地层特性传感器可包括在电缆测井管柱34内。如示出，说明性的电缆测井管柱34包括测井工具28，其可收集如本文所述的声波测井数据。测井工具28可通过一个或多个适配器33耦合到电缆测井管柱34的其它模块。测井设施44收集来自测井探头34的测量结果，并且包括用于处理和存储通过传感器收集到的测量结果的计算机系统45。除了其它之外，计算机系统45还可包括能够执行指令以执行此类任务的非临时性计算机可读介质(例如，硬盘驱动和/或存储器)。除了收集和处理测量结果之外，计算机系统45还能够控制测井管柱34和测井工具28。测井设施44可进一步包括显示测量结果的用户界面(未示出)，例如监视器或打印机。

图3示出说明性的声波产生和测量工具300(下文称为“工具300”)，其具有单个声学换能器302。工具300可类似于图1和图2的测井工具28，因此是在井下的井眼16内传送的钻柱8(或测井管柱34)的一部分。声学换能器302传输并接收声波波形，以提供测径仪测量结果。例如，声学换能器302可包括压电式换能器。在操作时，声学换能器302朝向井眼16壁传输第一声波波形或询问波形304。当与井眼16壁相互作用时，由于环体9内的井内流体与井眼16壁之间的声失配，所以在工具300的方向后方产生第二声波波形或返回波形306。

当移除驱动信号时，声学换能器302的机械运动不会立即停止，因此声学换能器302可测量在记录反射的返回波形306的同时产生的询问波形304的残余部，也称为“衰荡”现象。这种现象可通过实施本文讨论的各种方法来解释。

图4A和图4B示出另一说明性的声波产生和测量工具400(下文称为“工具400”)。在图4A中，工具400可基本上类似于工具300，且因此可参照其而得到最佳理解，其中相似的数字表示相似的元素，这将不再进行详细描述。然而，与描绘单个声学换能器302的工具300相比，工具400描绘在相同的工具400内的两个声学换能器(被示出为第一声学换能器302a和第二声学换能器302b)。

第一声学换能器302a将向井眼16壁传输询问波形304，所述询问波形304作为返回波形306反射到第二或接收声学换能器302b。由于询问信号的至少一部分也通过工具400传输(被描绘成第三声波波形402)，所以当第二(接收)声波波形302b接收反射的返回波形306时，存在不期望的确定性波形。再者，该现象可通过实施本文讨论的各种方法来解释。

在一些实施方案中，诸如图4A，第一声学换能器302a和第二声学换能器302b可在工具400上垂直对齐。然而，将明白，声学换能器302a、302b可相对于工具400的中心而替代地彼此方位偏移，诸如图4B的自顶向下视图中描绘的。

图5示出说明性的确定性噪声波形(下文称为“确定性波形”)移除方法的流程图。确定性波形是噪声或不期望的干扰，所述噪声和不期望的干扰有利地被移除，仅留下如本文所述的“回波”波形)。在步骤502，测井人员部署井下工具。所述工具被部署在LWD或电缆环境中。在步骤504，所述工具使用工具的传输声学换能器来传输第一声波波形。第一声波波形朝向井壁产生，其中一部分被反射回到所述工具，作为第二声波波形。在步骤506，所述工具可使用接收声学换能器来接收第二声波波形。在一些实施方案中，单个声学换能器可被实施为传输换能器和接收换能器二者。

在步骤508，可从第二声波波形识别并移除确定性噪声波形，以获取回波波形。在数据的后处理期间，该操作可由布置在井下(例如，在工具中)的处理器执行、或替代地由地面的处理器(例如，测井设施44内的计算机系统45(图1))执行。

与实际的回波波形相比，确定性波形可由于其确定性质而被识别。当单个声学换能器被实施为传输换能器和接收换能器时，确定性可作为“衰荡”信号存在。替代地，由于波形通过工具主体在换能器之间传送，可能存在确定性噪声。

在一些实施方案中，如在图6和图7中详细描述的，可通过对在第二声波波形的获取时间周围的时间窗口中获取的其它波形执行统计分析来实现对确定性波形的识别。在识别之后，随后可从第二声波波形减去确定性波形，以仅留下真实的“回波”波形。

在其它实施方案中，可通过从当前获取的波形中减去保存在工具的存储器中的先前记录的波形来移除确定性波形。替代地，模型或实验室试验可用于产生将从当前获取的波形中移除的预测性的确定性波形。

在进一步实施方案中，可通过对在时间窗口中收集的第二声波波形的统计分析来识别确定性波形。这种分析可包括，例如，统计低通滤波器(诸如均值或中值滤波器)，其中跨常见的样本域来应用所述滤波器以找到常见的确定性波形签名。在找到确定性波形后，随后可将其从第二获取的波形中移除，从而仅留下真实的回波波形。

替代地，可将频率转换或其它类型的转换应用到所获取的波形，以识别确定性波形。假设确定性波形是恒定的，而真实的回波波形随时间和所获取的波形之间的特点而改变。因此，可通过将所获取的波形转换成除了时域的域(例如，频域)来识别所述确定性波形，以确定所述确定性波形。在作出这种确定后，所获取的波形可被转换回时域并从所获取的波形移除。

在步骤510，方法500可从回波波形导出测量结果。示例性的期望的测量结果可包括距离测量(例如，从工具到井壁的距离)、声波阻抗测量(例如，确定地层硬度或从中的地层光刻)或水泥胶结质量测量(例如，外部套管壁上的水泥胶结的质量)。这种测量结果可由处理器导出，所述处理器可能被布置在具有工具管柱的井底或工具自身内。

图6示出一些说明性的波形的工作流程图600。工作流程图包括在彼此接近的时间段内获取的三个获取波形602a-c(分别示出为第一获取波形602a、第二获取波形602b和第三获取波形602c)。所述获取波形602a-c可表示如由图3的声学换能器302测量的波形。应注意，确定性(即，一直存在)峰值出现在每个获取波形602a-c的开始附近。该峰值是衰减干扰的结果，且其控制回波信号测量。

对获取波形602a-c执行使用加权平均法的统计分析，以识别确定性波形604，此处是衰减波形。如在本文中讨论的，可通过获取波形602a-c的具有相对恒定的幅值和相位的部分来识别确定性波形604。在从获取波形602a-c中移除确定性波形604时，由此产生回波波形606。如所描绘，从第二获取波形602b移除确定性波形604，从而导致对应的回波波形606，所述回波波形606不再包含波形602a-c的最初的大幅值部分。本领域的技术人员将明白，虽然描绘了三个获取波形602a-c，但是本文预想了多于或少于三个获取波形602a-c以用于确定衰减波形。

图7示出一些说明性波形的另一工作流程图700。在图7中，由声学换能器接收获取的波形702(即，表示图3的返回波形306)。从模型或统计分析预测来预先记录确定性波形704。因此，通过从获取波形702中移除确定性波形704，产生了回波波形706。

图8描绘了使用和不使用所公开的处理技术的说明性的声波测井。更具体而言，声波测井801描绘了原始的获取声波波形，诸如图3的返回波形306，而声波测井802描绘了相同的获取声波波形，其中移除确定性波形，即真实的回波波形。Y轴表示井眼深度且X轴表示时间。应注意，套管柱在20350处终止，从而在该点下方产生开孔记录。阴影表示获取波形的信号幅值，以任意单位由暗(低幅值)到亮(高幅值)。

在操作期间，如先前所述，一旦移除驱动信号，则由于固有残余振动而导致确定性波形将通常具有较大的幅值，并且首先被声学换能器“接收”。因此，如可在声波测井801上看到，在最初的时间段(例如，从大约25μsec到75μsec)中首先测量大幅值的确定性波形，并且随后接收较小幅值的回波波形(即，从大约75μsec到225μsec)。然而，在移除确定性波形之后，声波测井802描绘了其中初始信号(即，从大约25μsec到75μsec)不存在直到实际的回波信号被声学换能器接收的波形。

类似地，对衰荡签名的移除使声波测井802能够发信号通知幅值尺度806如今具有较小的范围(从-50到50)，极大地增强了与回波信号的对比度，且因此促进其在加套环境和开孔环境二者中的分析。

一旦充分理解上述公开内容，许多其它修改、等同物和替代物将对本领域的技术人员显而易见。其意图是在适当的情况下，将随附权利要求解译成包含所有此类修改、等同物和替代物。

本文中公开的实施方案包括：

A：一种声学测距方法，其包括：部署井下工具；使用所述工具的传输声学换能器来传输第一声波波形；使用所述工具的接收声学换能器来接收第二声波波形；从所述第二声波波形中移除确定性波形，以获得回波波形；以及从所述回波波形导出测量结果。

B：一种声学测距系统，其包括：井筒；工具，其被布置在所述井筒内并具有传输第一声波波形的传输声学换能器和接收第二声波波形的接收声学换能器；和处理器，其从所述第二声波波形中移除确定性波形，从而导致回波波形。

C：一种非临时性计算机可读介质，其包括计算机可执行指令，所述指令在被进程执行时实施包括以下项的方法：使用井下工具的传输声学换能器来传输第一声波波形；使用所述工具的接收声学换能器来接收第二声波波形；从所述第二声波波形中移除确定性波形，以获取回波波形；以及从所述回波波形导出测量结果。

实施方案A、B和C中的每一个可具有在任何组合中的以下额外元素中的一个或多个：元素1：进一步包括向用户呈现所述测量结果。元素2：其中所述测量结果是距离、声阻抗或水泥胶结质量中的一个。元素3：其中所述传输声学换能器也是所述接收声学换能器，且其中所述确定性波形是衰荡波形。元素4：进一步包括通过对在所述第二声波波形的获取时间周围的时间窗口中获取的其它波形执行统计分析来估计所述确定性波形。元素5：进一步包括通过使用统计低通滤波器过滤所述第二声波波形来估计所述确定性波形。元素6：其中所述统计低通滤波器是均值或中值滤波器。元素7：进一步包括通过以下操作来估计所述确定性波形：将所述第二声波波形转换出所述时域；对所述转换的第二声波波形执行统计分析；以及将所述第二声波波形转换回所述时域。元素8：其中所述确定性波形包括预先记录的波形或估计的波形。元素9：进一步包括在预定的时间窗口内对所述第二声波波形进行窗口化。元素10：其中由井下处理器执行导出所述测量结果。元素11：其中由地面的处理器执行导出所述测量结果。

元素12：进一步包括显示与所述回波波形对应的测量结果的用户界面。元素13：其中所述确定性波形是衰荡波形。元素14：其中所述传输声学换能器和所述接收声学换能器是相同的换能器。元素15：其中所述处理器被布置在井下。元素16：其中所述工具被部署在井下的钻柱上。元素17：其中所述工具被部署在电缆上。

Claims (19)

1.一种声学测距方法，其包括：

部署井下工具；

使用所述工具的传输声学换能器来传输第一声波波形；

使用所述工具的接收声学换能器来接收第二声波波形；

通过对在所述第二声波波形的获取时间周围的时间窗口中获取的其它波形执行统计分析来估计确定性波形；

从所述第二声波波形中移除所述确定性波形，以获取回波波形；以及

从所述回波波形导出测量结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括向用户呈现所述测量结果。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量结果是距离、声阻抗或水泥胶结质量中的一个。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述传输声学换能器和所述接收声学换能器是能够被实现为所述传输声学换能器和所述接收声学换能器两者的相同的声学换能器，且其中所述确定性波形是衰荡波形。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过使用统计低通滤波器过滤所述第二声波波形来估计所述确定性波形。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述统计低通滤波器是均值或中值滤波器。

7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过以下操作来估计所述确定性波形：

将所述第二声波波形转换出时域；

对经转换的第二声波波形执行统计分析；以及

将所述第二声波波形转换回所述时域。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定性波形包括预先记录的波形或估计的波形。

9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在预定的时间窗口内对所述第二声波波形进行窗口化。

10.根据权利要求1所述的方法，其中由井下处理器执行导出所述测量结果。

11.根据权利要求1所述的方法，其中由地面的处理器执行导出所述测量结果。

12.一种声学测距系统，其包括：

井筒；

工具，其被布置在所述井筒内并具有传输第一声波波形的传输声学换能器和接收第二声波波形的接收声学换能器；和

处理器，其通过对在所述第二声波波形的获取时间周围的时间窗口中获取的其它波形执行统计分析来估计确定性波形，并从所述第二声波波形中移除所述确定性波形，从而导致回波波形。

13.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括显示与所述回波波形对应的测量结果的用户界面。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述确定性波形是衰荡波形。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述传输声学换能器和所述接收声学换能器是相同的换能器。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器被布置在井下。

17.根据权利要求12所述的系统，其中所述工具被部署在井下的钻柱上。

18.根据权利要求12所述的系统，其中所述工具被部署在电缆上。

19.一种非临时性计算机可读介质，其包括计算机可执行指令，所述指令在被进程执行时实施包括以下项的方法：

使用井下工具的传输声学换能器来传输第一声波波形；

使用所述工具的接收声学换能器来接收第二声波波形；

通过对在所述第二声波波形的获取时间周围的时间窗口中获取的其它波形执行统计分析来估计确定性波形；

从所述第二声波波形中移除所述确定性波形，以获取回波波形；以及

从所述回波波形导出测量结果。