CN109804135B - 井下光纤水听器 - Google Patents

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Abstract

用于钻孔中的声检测的方法、系统、装置以及产品。设备实施方案包括声传感器，所述声传感器包括：压力转换器，所述压力转换器包括附着到光学介质的挠曲构件，所述转换器被配置成经由所述挠曲构件的移动将入射在所述转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述介质的轴线的交变应变，同时抑制低频信号和恒压转换成所述光学介质的应变，所述声压信号经由与所述转换器耦合的井下流体来传播；以及检测器，所述检测器被配置成响应于沿着所述轴线透射穿过所述介质的接收到的电磁辐射来产生声学测量信息，所述介质的至少一个光学性质对所述介质上的所述交变应变有反应，使得所述检测器接收到的所述电磁辐射表示所述声信号。

Description

井下光纤水听器
技术领域
本公开通常涉及钻孔工具，并且特别地涉及用于在与地球地层相交的钻孔中进行声调查的方法和设备。更特别地，公开涉及声传感器和在包括声波测井工具的各种工具中使用此类声传感器的方法。
背景技术
用于各种用途的钻井是众所周知的。可以出于地热用途钻出这些井，以得到烃类(例如，油和气)、得到水等。井深可以在几千英尺到25,000英尺或更大尺寸的范围内。在烃井中，井下工具常常合并各种传感器、仪器和控制装置，以便实行任何多种井下操作。用于调查地下特征的井下声波测井工具能够包括一个或多个声发射器或声源和许多声接收器。另外或可选地，自主式声传感器可以临时地或永久地安装在钻孔内。
在一些情况下，发射器发射声能到井眼周围的地下环境中。声信号被与井眼、井结构和/或地层相关联的界面反射。被反射的声信号由测井工具中的接收器检测，并且经过处理以提供对井眼、井结构和/或地层的一个或多个性质的估计。已知具有作为井底总成的部分的声“钻井时测井”(“LWD”)或“钻井时测量”(“MWD”)系统的钻井系统，或具有声装置的钻井后电缆测井系统，所述声装置用于测量地下地层的性质(在钻出井眼期间或之后)，例如用于确定井底总成周围(如在MWD系统中)或电缆测井系统周围的地层床边界的位置。
在钻出钻孔以从大地回收油时，朝向或远离地下目标转动或导向井下钻头常常很有用。声数据可以用于确定在地震剖面上的钻头位置以促进地质导向。利用垂直地震剖面法(VSP)，可以在大地表面上或附近的一个或多个声(地震)源与大地中(例如井眼中)的接收器之间进行采集。可以记录在钻孔中的各种深度处的声传感器(例如地震传感器(例如，水听器))对表面上的源的响应，以作为井下测量结果。
发明内容
在多个方面中，本公开涉及用于执行与大地地层相交的钻孔中的地层评估(包括估计与地层相关的至少一个兴趣参数)的方法和设备，所述至少一个兴趣参数例如地层中的声反射边界的性质。
设备实施方案可以包括声传感器，所述声传感器包括：压力转换器，所述压力转换器包括附着到光学介质挠曲构件，所述转换器被配置成经由所述挠曲构件的移动将入射在所述转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述介质的轴线的交变应变，同时抑制低频信号和恒压转换成所述光学介质的应变，所述声压信号经由与所述转换器耦合的井下流体来传播；以及检测器，所述检测器被配置成响应于沿着所述轴线透射穿过所述介质的接收到的电磁辐射来产生声学测量信息，所述介质的至少一个光学性质对所述介质上的所述交变应变有反应，使得所述检测器接收到的所述电磁辐射表示所述声信号。所述压力转换器可以包括介于含有储槽流体的储槽之间的界面，其中所述界面包括所述挠曲构件和用于提供所述储槽流体在所述储槽之间的连通的至少一个开口。
所述设备可以包括钻柱的一部分，并且所述环境压力噪音可以包括所述钻柱的振动。所述接收到的辐射包括以下各项中的至少一者：i)透射穿过所述介质中的光纤布拉格光栅(FBG)的辐射；ii)从所述介质中的光纤布拉格光栅(FBG)反射的复数个。所述高频声压信号的平均信号幅度与所述公称钻孔压力的比可以小于10-3。
所述压力转换器可以被配置成对低频环境压力噪音进行流体机械滤波。所述开口和所述储槽可以被配置成使用所述储槽流体经由压力平衡通过所述开口的旁路流动来对环境压力噪音进行流体机械滤波。所述挠曲构件可以包括i)隔膜和ii)弯曲机杆中的至少一者。所述至少一个开口可以包括i)所述挠曲构件中的狭缝和ii)毛细管中的至少一者。所述至少一个开口可以包括多个狭缝，并且所述挠曲构件可以包括介于所述多个狭缝中的第一狭缝与所述多个狭缝中的第二狭缝之间的所述界面的一部分。
所述压力转换器可以包括介于所述储槽中的一个与所述井下流体之间的第二界面，所述第二界面包括对入射在所述转换器上的所述高频声压信号有反应的第二挠曲构件。所述储槽中的第一储槽可以由第一储槽构件限定，并且所述储槽中的第二储槽可以由第二储槽构件限定。所述第一储槽构件可以由所述第二储槽构件收纳。
所述储槽的尺寸和定向可以被配置成通过产生基本上等于所述第二储槽中的所述挠曲构件处的另一压力的所述第一储槽中的所述挠曲构件处的压力来抑制加速度诱发的准静水压力信号。在一些设备实施方案中，正交于与组合的储槽流体体积的重心相交的线的每个平面：i)与所述第一储槽和所述第二储槽均相交，或ii)不与所述第一储槽相交，也不与所述第二储槽相交。
所述转换器可以包括支撑所述挠曲构件的弯曲元件。所述转换器可以包括弯曲元件，所述弯曲元件支撑所述挠曲构件并且被配置成放大所述挠曲构件的移动。所述介质可以包括光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅相对于所述弯曲元件定位在所述介质发生最大移位的位置近旁。所述转换器可以包括充满胀流型流体的储槽。所述胀流型流体可以被配置成：响应于所述高频声压信号而充当将所述高频声压信号传输到所述挠曲构件固体，并且响应于所述环境压力噪音而充当阻止所述环境压力噪音传输到所述挠曲构件的液体。
方法包括：使用包括附着到光学介质的挠曲构件的压力转换器，以经由所述挠曲构件的移动将入射在所述压力转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述介质的轴线的交变应变，同时抑制低频信号和恒压转换成所述光学介质的应变，所述声压信号经由与所述转换器耦合的井下流体来传播；以及使用检测器，以响应于沿着所述轴线透射穿过所述介质的接收到的电磁辐射来产生声学测量信息，所述介质的至少一个光学性质对所述介质上的所述交变应变有反应，使得所述检测器接收到的所述电磁辐射表示所述声信号。方法可以包括使用所述声学测量信息以估计兴趣参数，例如地层或钻孔的性质。所述兴趣参数可以是以下各项中的至少一者：i)地层的兴趣体积的慢度；ii)声数据通信消息；iii)从所述转换器到所述钻孔的壁的间隙；iv)所述钻孔的几何形状；以及v)所述井下流体的声速。
一些实施方案包括一种非暂时性计算机可读介质产品，所述非暂时性计算机可读介质产品可被处理器访问并且在其上具有指令，所述指令在执行时致使至少一个处理器执行上述方法。设备实施方案可以包括至少一个处理器和所述至少一个处理器可访问的计算机存储器，所述计算机存储器包括上面具有指令的计算机可读介质，所述指令在执行时致使所述至少一个处理器执行上述方法。
公开的一些特征的实例可以在本文中相当广义地概述，使得可以更好地理解随后的关于所述实例的详细描述，并且使得可以了解所述实例为技术提供的贡献。
附图说明
为了详细理解本公开，应结合附图来参考实施方案的以下详细描述，在所述附图中，相似元件已被赋予相似数字，其中：
图1A和图1B图示根据本公开的实施方案的系统的部件；
图2A至图2C是图示包括根据本公开的实施方案的声传感器的装置实施方案的操作的示意图；
图3A示出图示根据本公开的实施方案的声传感器的示意图；
图3B图示在单个光纤上包括多个压力转换器的传感器；
图4A至图4H图示根据本公开的实施方案的转换器；
图5A和图5B图示根据本公开的实施方案的转换器部件；
图6图示根据本公开的实施方案的另一转换器；
图7A示出图示根据本公开的实施方案的用于执行与大地地层相交的钻孔中的测井的方法的流程图；
图7B示出图示用于获得声数据的方法的流程图。
具体实施方式
本公开的方面涉及用于声学测井的设备和方法，声学测井包括对指示地层、钻孔或其中的井下流体的兴趣参数的物理现象的测量和判读，包括垂直地震剖面法(使用来自钻孔的地震测量结果)。本公开的方面包括尤其适合检测极高压力环境中的极小压力差(例如，声信号)的新颖声传感器(例如，水听器)。本公开的方面可以适合检测例如地质结构的声反射边界(在本文中被称为“反射器”或“边界”)，和来自钻孔声阵列数据的相关兴趣参数(例如，边界的性质)。
本公开的方面包括使用井眼内的传感器和井附近的地面处的源来获取垂直地震剖面(VSP)。VSP测量结果可以产生分辨率比地面地震图像高的图像。VSP测量结果也可以用于在钻井操作期间预测钻头。地面地震源(例如，陆地上的版式振荡器、海中的气枪)可以用于生成检测到的声信号。
本公开的实施方案包括评估大地地层的方法。方法可以包括在钻孔中布署一阵列的地震接收器，和响应于大地地面上的多个位置处的地震源的激活来记录所述阵列的接收器中的地震信号。针对远行(walkaway)几何结构，所述方法还可以包括根据地震波从所述多个源位置到所述多个接收器的行程时间来估计经过多个间隔传播地震波的速度。估计的参数(例如，垂直速度、估计的各向异性参数等)可以用于进一步处理地面地震数据，以产生供判读用的地震深度图像。
本公开的方面可以涉及地震反演，其中地震反射数据经过处理以恢复兴趣参数，所述兴趣参数包括地层(例如饱和岩石骨架的一部分)的兴趣体积的性质。这些参数可以包括声阻抗、剪切阻抗、密度、各向异性参数等。执行反演可以包括使用根据额外储槽测量结果(例如，井测井)产生的其他约束。其他方面涉及地层慢度的估计、声数据通信消息(例如，泥浆脉冲等)、声学间隙、声学井径仪、一般声速测量等。
已知利用使用带有光纤布拉格光栅(FBG)的光纤的水听器来检测液体中的声信号。这些传感器结合压力转换器来使用FBG，所述压力转换器将声信号(例如，交变压力)转换成沿着光纤轴线作用于光纤的交变应变。FBG反射在光纤中传播的光的小光谱部分。这一光谱的中心波长随测量量(例如，压力)改变，使用光纤的一个末端处的光学检测器(检测反射或剩余光谱)来检测所述测量量。
在本公开的方面中，可以使用飞秒激光将布拉格光栅写入到光纤或其他光学介质(例如，块状玻璃或玻璃箔)中。这种技术允许通过修改光栅周期和深度来印出各种光栅形状，并且因此实现广泛多种效果，尤其包括切趾、pi移位和啁啾光栅。此外，这个过程能够应用于标准光纤。相比而言，在特定应用中可能有利的基于UV光的方法可能需要光敏光纤核心，并且可以在井下条件下经历氢暗化。使用基于飞秒激光的过程因此可以增加光纤的寿命，并且潜在地降低封装成本。
为了获得例如油和气的烃类，穿过含烃的地点地层钻出钻孔(井眼)。近来，已经钻出延伸几千米的水平钻孔(“延伸到达”钻孔)，以接近储槽侧翼处的烃储量和从现有海上平台开发卫星场。用于调查地下特征的井下声波测井工具能够包括一个或多个声发射器或声源和许多声接收器。可选地，钻出的钻孔可以装备独立的声传感器。
例如地下或海底井的深油井中的环境条件非常恶劣。温度可以接近250摄氏度，而压力可以达到20到30,000psi(200MPa)或更高。除了防止早期磨损或故障所需的严格工具规范之外，这些极高压力也使小幅度的所需信号加剧，并且使准确信号检测成问题。关于由钻孔的环境压力提供极大恒定偏移压力，声压信号的变化可以是例如1Pa到10kPa(10-4到1psi)。因此，高频声压信号的平均信号幅度与公称钻孔压力的比常常小于10-3，并且可以达到10-4至10-6或更小的范围。举例来说，可能需要关于20,000psi或更高的偏移压力检测到小于0.1psi的信号压力。
因此，本公开的方面包括在钻孔中使用的检测声信号的方法和设备。一般设备实施方案可以包括声传感器，所述声传感器包括压力转换器，所述压力传感器包括附着到光学介质的挠曲构件。声压信号可以经由与所述转换器耦合的井下流体来传播。所述转换器可以被配置成经由所述挠曲构件的移动将入射在所述转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述介质的轴线的交变应变。配置可以如此，以使得在抑制低频信号和恒压信号两者到所述光学介质的应变的转换的同时实现此转换。所述压力转换器还可以被配置成对低频环境压力噪音进行流体机械滤波。
检测器可以被配置成响应于沿着所述轴线透射穿过所述介质的接收到的电磁辐射来产生声学测量信息，并且所述介质的至少一个光学性质对所述介质上的所述交变应变有反应，使得所述检测器接收到的所述电磁辐射表示所述声信号。参见例如Chang等的美国专利6,396,572号。
在特定实施方案中，所述压力转换器包括介于含有储槽流体的储槽之间的界面。所述界面可以包括所述挠曲构件和用于提供所述储槽流体在所述储槽之间的连通的至少一个开口。所述开口和所述储槽可以被配置成使用所述储槽流体经由压力平衡通过所述开口的旁路流动来对环境压力噪音进行流体机械滤波。所述压力转换器还可以包括介于所述储槽中的一个与所述井下流体之间的第二界面，所述第二界面包括对入射在所述转换器上的所述高频声压信号有反应的第二挠曲构件。所述转换器可以包括支撑所述挠曲构件的弯曲元件。
在其他实施方案中，所述转换器可以用充满胀流型流体的储槽来实现。响应于所述高频声压信号，所述胀流型流体可以被配置成充当将所述高频声压信号传输到所述挠曲构件固体；响应于所述环境压力噪音，所述胀流型流体可以被配置成充当阻止所述环境压力噪音向传输到所述挠曲构件的液体。
本公开的方面涉及使用至少一个声传感器作为一个或多个井下声学测井工具或分布式传感器系统的部分，以响应于在传感器处从大地地层接收到的压力信号来产生声学信息。所述信号实际上可以是地震，或可以从钻孔中的激励产生。至少一个声接收器可以设置在钻孔中。所述信息指示兴趣参数。如本文中所用的术语“信息”包括任何形式的信息(模拟、数字、EM、印刷等)，并且可以包括原始数据、处理后数据和信号中的一种或多种。
方法可以包括根据所述信息来估计兴趣参数、使用所述兴趣参数来评估所述信息和/或视反射点的位置、边界的位置、边界的兴趣参数或从此导出的其他兴趣参数而执行其他钻孔或地层操作。在特定实施方案中，可以使用兴趣参数来估计钻井操作的状态、钻孔或地层的特性或井下工具的部件的定向，然后在执行如上所述的操作时使用这些信息。
本公开的方面经历各种不同实施方案中的应用。传感器可以结合载体使用，所述载体例如钻柱、卷曲管、钢丝绳、电线、电缆等。传感器可以设置在测量用工具上、从工具布署或分开布署(在将工具在钻孔中输送之前或之后。传感器、井下工具和其他系统部件可以与额外工具联接或组合，额外工具包括例如在下文更详细地讨论的一些或全部的信息处理系统，如图1B中所示。在一些一般实施方案中，载体被实现为钻井系统的工具柱，并且声学井眼测井可以表征为“钻井时测井”(LWD)或“钻井时测量”(MWD)操作。如本文中所描述，“钻孔”或“井眼”是指构成钻井的全部或部分的单个孔。视配置而定，本文中示出的系统可以在钻井期间和/或在井眼已经形成之后(在一些例子中，包括在安装护套或生产基础设施之后)使用。尽管示出了地上系统，但是本公开的技术也可以用于海上或水下应用中。如本文中所描述，“地层”是指在地下环境中可能遇到并且包围钻孔的各种特征和材料。
图1A和图1B图示根据本公开的实施方案的系统的部件。图1A示意性地图示具有井下工具10的系统100，所述井下工具被配置成使用声学的测量仪器40获取用于估计井下兴趣参数(例如，地层80、钻孔50或钻井中的井下流体90的性质的值)的信息。转换器模块45可以限定所述仪器的外表面的一部分，从工具本体30伸出到钻孔中，或尾随在工具本体30后面。至少一个测量仪器40对兴趣参数有反应。井下流体的非限制性实例包括钻井液、回流液、地层流体、含有一种或多种烃的生产流体、结合井下工具使用的油和溶剂、水、卤水、工程流体，以及其组合。
系统100可以包括建立在钻台70上的常规井架60。可以是硬质或非硬质的输送装置(载体15)可以被配置成将井下工具10输入到接近大地地层85的兴趣体积80的井眼或钻孔50中。载体15可以是钻柱、卷曲管、钢丝绳、电线、电缆等。井下工具10可以与额外工具联接或组合，额外工具例如一些或全部信息处理系统(插图)。因此，视配置而言，井下工具10可以在钻井期间和/或在井眼或钻孔50已形成之后使用。如本文中所描述，“钻孔”或“钻孔”是指构成钻出井的全部或部分的单个孔。尽管示出了地上系统，但是本公开的教示内容也可以用于海上或水下应用中。载体15可以包括针对电力和/或数据的用于提供地面与井下设备(例如，七导体缆线)之间的信号和/或电力通信的嵌入导体。载体15可以包括井底总成，所述井底总成可以包括用于使钻头旋转的钻井电动机。
井下流体(例如，钻井液或“泥浆”)90可以存在于地层85与井下工具10之间。地面控制系统65从声学的测量仪器40和系统100中所用的其他传感器接收信号，并且根据提供给地面控制系统65的已编程指令来处理这些信号。地面控制系统65可以在被操作者利用的显示器/监视器上显示所需参数和其他信息。地面控制系统65可以另外与位于井下工具10上的合适位置处的井下控制系统20通信。地面控制系统65可以处理与操作相关的数据和来自测量仪器40的数据，并且可以控制由系统100执行的一个或多个井下操作。
在一个实施方案中，与测量仪器40相关联的电子设备可以被配置成记录和/或处理所获得的信息。本公开的特定实施方案可以用硬件环境来实现，所述硬件环境包括信息处理器17、信息存储介质13、输入装置11、处理器存储器9，并且可以包括外围信息存储介质19。所述硬件环境可以是在井中、在钻机处或在远程位置。此外，所述硬件环境的几个部件可以分散在那些位置中。输入装置11可以是任何数据读取器或用户输入装置，例如数据卡读取器、键盘、USB端口等。信息存储介质13存储由检测器提供的信息。信息存储介质13可以包括用于标准计算机信息存储的任何非暂时性计算机可读介质，例如USB驱动器、记忆棒、硬盘、可移动RAM、EPROM、EAROM、闪存和光盘，或所属领域的技术人员已知的其他常用的记忆存储系统，包括基于互联网的存储。信息存储介质13存储在执行时致使信息处理器17执行公开的方法的程序。信息存储介质13还可以存储由用户提供的地层信息，或地层信息可以存储在外围信息存储介质19中，所述外围信息存储介质可以是任何标准计算机信息存储装置，例如USB驱动器、记忆棒、硬盘、可移动RAM或所属领域的技术人员已知的其他常用的记忆存储系统，包括基于互联网的存储。信息处理器17可以是任何形式的计算机或数学处理硬件，包括基于互联网的硬件。当所述程序从信息存储介质13加载到处理器存储器9(例如计算机RAM)中时，所述程序在执行时致使信息处理器17从信息存储介质13或外围信息存储介质19检索检测器信息，并且处理所述信息以估计兴趣参数。信息处理器17可以位于地面上或井下。
如本文中所用的术语“信息”包括任何形式的信息(模拟、数字、EM、印刷等)。如本文中所使用，处理器是传输、接收、操纵、转换、计算、调制、转置、运载、存储或以其他方式利用信息的任何信息处理装置。在本公开的几个非限制性方面中，信息处理装置包括执行用于执行各种方法的已编程指令的计算机。这些指令可以提供设备操作、控制、数据收集与分析和除本公开中所描述的功能以外的其他功能。所述处理器可以执行存储在所述处理器可访问的计算机存储器中的指令，或可以使用实现为现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)、其他组合或顺序逻辑硬件等的逻辑。
为了在单次起下钻期间执行测量，所述工具可以使用高带宽传输将有检测器获取的信息传输到地面以进行分析。举例来说，用于传输获取的信息的通信线路可以是光纤、金属导体或任何其他合适的信号传导介质。应了解，使用“高带宽”通信线路可以允许地面人员“接近实时地”监视和控制操作。
图1A中示出的系统的一个新颖点在于地面控制系统65和/或井下控制系统20被配置成执行不在现有技术中的特定方法(在下文讨论)。地面控制系统或井下控制系统可以被配置成控制上述工具和任何并入的传感器以及根据本文中所描述的方法来估计兴趣参数。
本公开的方面经历各种不同实施方案中的应用。在一些一般实施方案中，载体15被实现为钻井系统的工具柱，并且在钻孔中进行的测量可以表征为“钻井时测井”(LWD)或“钻井时测量”(MWD)操作。
图1B示出用于使用来自声学测量工具的测量结果来评估大地地层的MWD系统的示例性实施方案。钻井系统101包括载体111，所述载体示出为设置在穿透至少一个大地地层195的井眼或钻孔50中。钻井系统101还包括被配置用于在钻孔中进行声学测量的工具110。
图1B示出钻柱120，所述钻柱包括作为载体在钻孔50中输送的钻井总成(BHA)190。钻井系统101包括建立在平台或台112上的常规井架111，所述井架支撑由例如电动机(未示出)的原动机以所需旋转速度旋转的转盘114。在底部附着有钻井总成190的管道(例如有缝的钻探管122)从地面延伸到钻孔50的底部151。附着到钻井总成190的钻头150在其被旋转以钻出钻孔50时崩裂地质地层。钻柱120经由方钻杆接头121、转环128和穿过滑轮的线129联接到绞车130。操作绞车130以控制钻压(“WOB”)。钻柱120可以由顶部驱动器(未示出)旋转，而不是由原动机和转盘114旋转。可选地，卷曲管道可以被用作为管道。管道注入器114a可以用于输送卷曲管道，所述卷曲管道具有附着到其底部末端的钻井总成。绞车130和管道注入器114a的操作是所属领域中已知的，因此在本文中不加以详细描述。
应当理解，本公开的实施方案尤其适合用于具有各种配置的井中，所述井包括水平井、斜井、倾斜井、分支井等。相应地，方向术语(例如，之上、之下、上部、下部、向上、向下、最上部、最下部、井上、井下等)在本文中的使用是指沿着钻孔朝向或远离地面的行进方向，其中向上方向朝向地面，而向下方向远离地面。
来自钻井液源132(例如泥坑)的合适钻井液131(也被称作“泥浆”)在压力下通过泥浆泵134循环通过钻柱120。钻井液131经由卸料器136和流体管路138从泥浆泵134传递到钻柱120中。来自钻井管的钻井液131a经由钻头150中的开口在钻孔底部151处排出。返回钻井液131b穿过钻柱120与钻孔50之间的环形空间127向上循环，并且经由返回管路135和从返回的钻井液131b移除钻井屑186的钻井屑筛185返回到泥坑。流体管路138中的传感器S1提供关于流体流动速率的信息。与钻柱120相关联的表面转矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱120的转矩和旋转速度的信息。管道注入速度是从传感器S5确定，而传感器S6提供钻柱120的钩载。
井控制系统147被放置在钻孔50的顶端。井控制系统147包括与井眼环状件连通的地面吹出防止器(BOP)堆叠115和地面节流器149。地面节流器149能够控制离开钻孔50的流体的流量，以提供控制井所需的背压。
在一些应用中，通过仅旋转钻探管122来使钻头150旋转。然而，在许多其他应用中，设置在BHA190中的井下马达155(泥浆马达)也使钻头150旋转。给定BHA的钻进速度(ROP)主要取决于WOB或钻头150上的推力和所述钻头的旋转速度。
地面控制单元140或控制器接收经由放置在流体管路138中的传感器143来自井下传感器和装置的信号和来自传感器S1到S6和钻井系统101中所用的其他传感器的信号，并且根据提供到地面控制单元140的已编程指令来处理这些信号。地面控制单元140在显示器/监视器141上显示钻井参数和与钻孔、地层和钻井操作相关的其他兴趣参数，以及其他信息，操作者利用所述显示器/监视器来控制钻井操作。地面控制单元140可以是基于计算机的单元，所述基于计算机的单元可以包括地面处理器142(例如处理器)、存储装置144(例如固态存储器、带或硬盘)和在存储装置144中的一个或多个计算机程序146，地面处理器142能够访问所述计算机程序以用于执行这些程序中所含的指令。地面控制单元140还可以与遥控单元148通信。地面控制单元140可以处理与钻井操作相关的数据、来自地面上的传感器和装置的数据和从井下接收的数据；并且可以控制井下和地面装置的一个或多个操作。数据可以模拟或数字的形式进行传输。
BHA190可以包括被配置用于执行声学测量的工具110。BHA 190也可以含有其他地层评估传感器或装置(也被称作钻井时测量(“MWD”)或钻井时测井(“LWD”)传感器)，所述传感器或装置确定井下流体的电阻率、密度、孔隙率、渗透性、声学性质、核磁共振性质、地层压力、性质或特性，和包围BHA190的地层195的其他所需性质。为方便起见，所有这些传感器在本文中通常用数字165表示。BHA 190还可以包括多种其他传感器和装置159，所述传感器和装置用于确定BHA190的一个或多个性质，例如振动、弯矩、加速度、振荡、涡动、黏滑、钻压、流体流动速率、压力、温度、钻进速度、方位角、工具面、钻头旋转等。
BHA190可以包括用于使钻头150沿着所需钻井路径导向的导向设备或工具。在一个方面中，所述导向设备可以包括具有许多施力构件161a到161n的导向单元160。所述施力构件可以直接安装在钻柱上，或所述施力构件可以至少部分地集成到钻井马达中。在另一方面中，所述施力构件可以安装在套筒上，所述套筒能够围绕钻柱的中心轴线旋转。可以使用电机械、电液压或泥浆液压致动器来启动所述施力构件。在又一实施方案中，所述导向设备可以包括导向单元158，所述导向单元具有弯接头，和用于在井眼中定向所述弯接头的第一导向装置158a与用于沿着选择的钻井方向保持所述弯接头的第二导向装置158b。导向单元158、160可以包括靠近钻头的测斜仪和磁强计。
钻井系统101可以包括传感器、电路和处理软件与算法以用于提供关于与BHA、钻柱、钻头以及井下设备(例如钻井马达、导向单元、推力器等)相关的所需钻井参数的信息。尤其是用于钻出大斜度井眼和水平井眼的许多当前钻井系统将卷曲管道用于在井下输送钻井总成。在这些应用中，可以在钻柱120中布署推力器，以在钻头上提供所需力。
用于确定钻井参数的示例性传感器包括但不限于钻头传感器、RPM传感器、钻压传感器、用于测量泥浆马达参数(例如，泥浆马达定子温度、泥浆马达上的差压和泥浆马达中的流体流动速率)，以及用于测量加速度、振动、涡动、径向移位、黏滑、转矩、冲击、振动、应变、应力、弯矩、钻头跳动、轴向推力、摩擦、向后旋转、BHA屈曲以及径向推力的传感器。沿着钻柱分布的传感器能够测量物理量，例如钻柱加速度和应变、钻柱孔中的内部压力、环状件中的外部压力、振动、温度、钻柱内的电场和磁场强度、钻柱的孔等。用于进行动态井下测量的合适系统包括COPILOT，由BAKER HUGHES INCORPORATED制造的井下测量系统。
钻井系统101能包括在合适位置处的一个或多个井下处理器，例如BHA190上的193。所述处理器可以是使用在合适的非暂时性计算机可读介质上实现的计算机程序的微处理器，所述计算机程序使所述处理器能够执行对钻井系统101的控制和对信息(例如来自传感器的信息)的处理。所述非暂时性计算机可读介质可以包括一个或多个ROM、EPROM、EAROM、EEPROM、闪存、RAM、硬盘驱动器和/或光盘。所属领域的技术人员会了解其他设备，例如电力和数据总线、电源和类似设备。在一个实施方案中，MWD系统利用泥浆脉冲遥测，以在钻井操作进行的同时将数据从井下位置传达到地面。地面处理器142能够处理地面测量数据以及从井下处理器传输的数据，以评估地层。
地面处理器142或井下处理器193也可以被配置成控制导向设备、泥浆泵134、绞车130、转盘114、井下马达155、BHA190的其他部件，或钻井系统101的其他部件。地面处理器142或井下处理器193可以被配置成控制上述的传感器以及根据本文中所描述的方法来估计兴趣参数。
对这些部件的控制可以使用下文所描述的方法使用一个或多个模型来实行。举例来说，地面处理器142或井下处理器193可以被配置成：i)在触发条件后自主地修改钻井操作；ii)响应于操作者命令来修改钻井操作；或iii)两种情况的组合。这些修改可以包括改变钻井参数、对钻头导向(例如，地质导向)、更改钻井液程序、启动井控制测量等。对这些装置和钻井系统的各种过程的控制通常可以完全自动化的方式或通过经由通知、图形表示、用户界面以及类似手段与人员互动来实行。也可以使用处理可访问的参考信息。在一些一般实施方案中，地面处理器142、井下处理器193或其他处理器(例如远程处理器)可以被配置成操作消逝工具110，以产生消逝波并且测量信号。
钻井系统101可以包括任何数目的井下工具以用于各种过程，包括地层钻井、地质导向和用于进行对比钻孔中或周围的一个或多个物理性质(包括与钻孔相交的地层的兴趣体积)的深度和/或时间的电气测量的地层评估(FE)。工具110可以包括在BHA、钻柱部件或其他合适的载体中或体现为BHA、钻柱部件或其他合适的载体。
尽管钻柱120被示出为工具110的输送装置，但是应当理解，本公开的实施方案可以结合经由硬质(例如有缝的管状或卷曲管道)以及非硬质(例如电缆、钢丝绳、电线等)输送系统输送的工具使用。钻井系统101可以包括在钻柱或电缆上的井底总成和/或传感器和用于实现本公开的实施方案的设备。
数学模型、查找表或表示信号与参数值之间的关系的其他模型可以用于表征地层、钻孔位置或地层中的操作；优化生产或开发的一个或多个操作参数；等。系统可以通过通知、广告和/或智能控制来实行这些动作。可以使用根据本公开的测量和进行根据本文中公开的实施方案的评估来确定各种类型的井下参数。
Tang的美国专利7,035,165号公开了一种方法，所述美国专利与本公开具有相同的受让人，并且所述美国专利的内容是以引用的方式并入本文中，在所述方法中，在多个深度处并且针对测井工具上的多个源接收器间距来获得多个多分量声学测量。测井工具上的定向传感器(例如磁强计)可以用于获得指示测井工具的定向的定向测量。使用所述定向测量将所述多分量测量旋转到固定坐标系(例如相对于磁北或地理北定义的基于大地的系统)，从而得到旋转的多分量测量。处理所述旋转的多分量测量以提供地下的图像。
Mathiszik等的美国专利US 8,055,448 B2号公开了MWD声学成像中的其他改进，所述美国专利与本公开具有相同的受让人，并且所述美国专利的内容是以引用的方式并入本文中。井下声波测井工具被用于产生导向性钻孔波，所述波作为体波传播到地层中，从界面反射，并且被转换回成导向性钻孔波。由体波的反射引起的导向性钻孔波被用于对反射器成像。Geerits等的美国专利8,811,114B2号公开了MWD声学成像中的其他改进，所述美国专利与本公开具有相同的受让人，并且所述美国专利的内容是以引用的方式并入本文中。
图2A至图2C是图示包括根据本公开的实施方案的声传感器的装置实施方案的操作的示意图。在一般装置实施方案中，根据本公开的传感器可以实现为探针并且安装在井下流体中。这种安装可以永久的或临时的，并且可以涉及由个别或共同拴绳自由浮动地悬挂在流体中，或附着到井眼。因此，所述探针可以是固定的，或在安装之后运动。
参考图2A，系统200包括多个探针202，所述探针由拴绳204悬挂在钻孔50中的井下流体90中。探针外壳的外部在安装期间可以浸没在井下流体中。在可选实施方案中，探针202可以是可收放的；例如，当在操作中时，探针可以插入或放置到钻孔中的井下流体中，然后被收回以用于清洁，或允许钻孔中的其他操作。
图2B是示出根据本公开的实施方案的VSP测量获取的示意性图解。钻机221驻扎在地球表面223。这个钻机可以是钻井钻机，或所述钻井可以是将电缆输送到钻孔201中的桅杆钻机。钻孔201穿透层203、205。定位在钻孔201中的是由211a、211b、211c、211d表示的地震传感器等。所述传感器中的每一个可以是根据本公开的实施方案传感器(例如，水听器)。通常使用单个地震源(例如在地面处(或在地面处的水体内)的225a)来获得单个偏移VSP的数据。参考图2B，可以将水体的表面视为地球表层。用射线227a来描绘示例性射线路径，所述射线路径描绘地震能量从源225a到接收器211d的传播，射线227a从处于边界206处的层205的底部反射，并且沿着用229a表示的射线路径到达接收器211d。
在一种典型类型的VSP操作中，将由例如225a的单个位置处的源的操作产生的数据记录在钻孔中的接收器211a、211b、211c、211d等的每一个中。对反射数据的分析能提供关于地下中的地震速度和层边界的配置的信息。在远行VSP中，针对多个源位置处的源(例如225b、225c)的操作，重复这个过程。从多个检测器处的多个源位置获取数据提供地下区域的冗余采样，从而使得有可能基于射线在源中的每一个与接收器中的每一个之间的行程时间来确定地下的速度。使用行程时间的这种速度确定被称作“体层反演”，并且众多处理包可公开获得并且作为执行地震行程时间数据的这种体层反演的开源软件(例如，OpenTOAST)。处理VSP测量结果以表征地层是发展很好的领域。参见例如特此以全文引用的方式并入的Aronstam的美国专利7,751,279号和Zhao等的美国专利7,751,279号。
图2C示出地面地震测量的模拟几何。已经采用垂直钻孔，源已经在钻孔中“反射”到地面285a、285b、285c上的模拟接收器位置。类似地，所述射线路径也可以被反射，以给出在钻孔左侧的模拟射线路径。在操作中，方法包括在钻孔中布署如本文中所描述的一阵列的地震接收器，和响应于大地地面上的多个位置处的地震源的激活来记录所述阵列的接收器中的地震信号。针对远行技术，所述方法还包括根据地震波从所述多个源位置到所述多个接收器的行程时间来估计在多个间隔中垂直地传播地震波的速度，和与针对所述多个间隔的压缩波的正态时差曲线相关的两个各向异性参数ε和δ。估计的垂直速度和估计的间隔各向异性参数可以用于进一步处理地面地震数据，以产生供判读用的地震深度图像。针对多方位远行或3D VSP几何，所述方法还可以包括根据地震波从井周围的所述多个源位置到所述多个接收器的行程时间来估计在多个间隔中垂直地传播地震波的速度，和与针对所述多个间隔的压缩波的正态时差曲线相关的五个正交晶系各向异性参数ε1、ε1、δ1、δ2以及δ3。估计的垂直速度和估计的各向异性参数可以用于进一步处理地面地震数据，以产生供判读用的地震深度图像。参见例如特此以全文引用的方式并入的Blias的美国专利8,750,074号。
井下光纤水听器
图3A示出图示根据本公开的实施方案的声传感器的示意图。传感器300是被配置成在钻孔50中输送的测量仪表的部分。传感器300可以包括压力转换器302和询问器304。压力转换器302包括转换器本体312，所述转换器本体有一部分(例如，面322)浸没在井下流体中。转换器本体312可以与传感器工具本体(钻铤、电缆等)机械解耦，以便使转换器本体312与结构承载声音传输绝缘。声压信号将经由与所述转换器耦合的井下流体来传播。在一些实施方案中，一些或全部仪器可以从工具本体突出到钻孔中。压力转换器302被配置成将入射在所述转换器上的在公称钻孔压力内的声压信号转换成光学介质(例如，光纤303)上的交变应变。
光纤303包括光纤布拉格光栅(“FBG”)305。这些光纤布拉格光栅是(例如，通过使用来自飞秒激光的脉冲)建构在一段光纤中的分散式布拉格反射器的类型，所述反射器反射以特定波长为中心的光，例如通过使光纤核心的折射率产生周期性变化，因此产生波长特定介电镜。FBG 305反射在光纤303中传播的电磁辐射(例如，光)的小光谱部分，从而允许剩余部分穿过。
电磁辐射是由能量源308提供，所述能量源例如被配置成经由光纤为传感器提供光的光源。作为一个实例，所述能量源可以是可调谐激光光源，所述可调谐激光光源被配置成提供具有以选定速率在波长范围中扫掠的波长的光，但是所述能量源可以是任何可调谐光源或覆盖包括可见光、紫外光和红外光的波长范围的扫掠波长光源。作为另一实例，发光二极管或超发光二极管可以光学耦合到光纤303，以提供红外光束。能量源308可以作为询问器304的部分任选地并入，如图3A所示。
所述反射光谱部分(“反射式光谱”或“反射光谱”)的中心波长对光纤上的物理参数有反应，特别包括沿着光纤的轴线的应变。由于转换器的配置，光纤上的应变表示压力。因此，光谱的中心波长随转换器上的压力变化改变，并且指示传感器上的声压信号。
光纤303可以延伸穿过压力转换器302而进入询问器304中。询问器304(使用例如一个或多个光检测器、电荷耦合装置、光电转换器或类似物来实现)光学耦合到光纤303，并且检测从光纤接收的电磁信号(例如，光)。
例如光学循环器或光纤分路器的光耦合或分离机构307可以用于耦合或分开在光纤303中在相反方向上行进的光学信号，例如通过经由光纤303将来自能量源308的光提供到压力转换器302，和将在光纤上传回的光自压力转换器302发送到光谱检测器306。光谱检测器306基于响应于电磁能量的部分反射的电磁信号来产生指示压力信号的测量信息。
传感器300可以包括用于进行使用询问器304的测量的电路310。电路310可以包括操作性地连接到能量源308和光谱检测器306的控制单元。电路310可以至少部分地实现为上文参考图1A和图1B所描述的至少一个处理器，或可以是额外处理器或其他支持电路。在一些实现方式中，电路310的多个部分可以位于仪器上、工具中的其他位置(包括例如在其他替补中)或地面处。
在操作中，所述仪器可以由包括控制单元(例如，处理器)的电路310来控制，所述电路在转换器的部分(例如，面322)浸没在井下流体中的同时启动能量源308，并且从光谱检测器306接收测量信息(例如，数据)。
询问器304因此被配置成响应于透射穿过所述介质的接收到的电磁辐射(例如，反射光谱)来产生声学测量信息。可选地，可以使用处于光纤检测的相反末端处的光学检测器或原始光谱的剩余部分来检测中心波长。中心波长的时变值可以用于产生声压信号的时变值。可以例如使用对应于所需波长的一个或多个光检测器来实现光谱检测器306。
图3B图示在单个光纤上包括多个压力转换器341、342、343的传感器。对应于每个转换器的光纤的区段包括唯一的布拉格光栅。光栅中的每一个的特性波长与剩余光栅的特性波长隔开，使得针对特定转换器的信号可以被回收。光谱分用器355(例如检测器上的一组额外布拉格光栅)以每个转换器一个布拉格光栅和一个光检测器的方式将信号分开到光检测器360、361、362的对应组。这个配置允许同时调查两个或更多更传感器。
压力转换器302被配置成经由挠曲构件的移动将入射在所述转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述介质的轴线的交变应变，同时抑制低频信号和恒压转换成所述光学介质的应变。
高偏移传感器转换器
图4A至图4H图示根据本公开的实施方案的转换器。参考图4A，转换器400包括含有第一储槽408和第二储槽410的转换器本体406。压力转换器400包括介于储槽之间的界面424。转换器本体406和界面424可以用硅、玻璃、晶体结构、复合物或类似材料制造，例如通过将晶片结合在一起、通过减法制造(例如，蚀刻、激光烧蚀)等。每个储槽充满相同类型的储槽流体(例如，硅油)，并且界面424包括用于提供所述储槽流体在第一储槽408与第二储槽410之间的连通的至少一个开口。所述开口是毛细管404。其他实现方式可以使用多于一个的毛细管，或可以使用不同类型的开口。
界面424还包括实现为可挠性的隔膜420的挠曲构件。可挠性的隔膜420可以由黏接到本体的聚合物(例如，聚偏氟乙烯(“PVDF”))形成。在其他实现方式中，挠曲构件可以是黏接在适当位置的额外晶片，或可以经由转换器本体406的消减制造来形成。一段光纤403附着到所述隔膜，所述隔膜包括接近附着点的FBG。可以使用黏合剂、焊接、软焊接或剪接工艺来附着光纤。所述光纤可以在法线方向上在中心横穿所述隔膜，并且在边界点处附着到所述隔膜。第二界面将第一储槽408与第二储槽410中的一个与井下流体90分开。所述第二界面包括对入射在所述转换器上的所述高频声压信号有反应的第二挠曲构件422。
可以使用飞秒激光将FBG写入到光纤中。这允许通过修改光栅周期和深度来印出各种光栅形状，并且因此实现切趾、pi移位和啁啾光栅。此外，与需要光敏纤核的基于UV光的方法相比，这个过程能应用于标准光纤。
井下流体中的声信号入射在第二挠曲构件422上。在第二挠曲构件422后(内部)的第一储槽408的流体经历来自井下流体的高环境压力，并且这个压力经由毛细管404在隔膜420上被均衡。在毛细管404存在情况下的在转换器本体406内部对恒定或低频压力的流体响应将经由毛细管均衡，而在隔膜420上(移动时)没有可观响应。因此，毛细管404可以据称滤除低频信号。相比而言，入射在第二挠曲构件422上的高频信号在隔膜420上导致对称响应，并且对应的应变信号在光纤上生成。在升高压力跨所有流体均衡的情况下，隔膜420且因此光纤上的响应展现卓越的保真度(例如，约小于每MPa差压百分之10、小于每MPa差压百分之5，或低至并且包括每MPa差压百分之1或更好)。转换器本体406可以从传感器工具本体(钻铤、电缆等)机械解耦，以便使转换器本体406与结构承载声音传输绝缘。
这些特征的集体结果是所述压力转换器被配置成使用所述储槽流体经由压力平衡通过所述开口的旁路流动来对低频环境压力噪音进行流体机械滤波。通过流体旁路来实现这种情况，所述流体旁路具有被配置成通过缓慢地载运两个储槽之间的差压进行补偿的截面。在图4A中，针对所需截止频率(f)，通过在两个充满硅油的储槽之间引入具有恰当直径和长度的毛细管404来实现旁路：
其中
l是毛细管的长度；
r是毛细管的半径；
V是在毛细管后面的储槽的体积；
μ是流体的动态黏度；
ρ是流体密封；并且
c是流体的声速。
图4B和图4C图示根据本公开的实施方案的另一转换器。图4B是转换器430的侧视图。图4C是界面444的俯视图。转换器430包括含有第一储槽438和第二储槽440的转换器本体436。在一些实现方式中，可以配置第一储槽438和第二储槽440，使得在正交于界面444的方向上的所述储槽各自的最大范围相同(并且相反)。这种配置可以导致对由于准静水压力在界面处出现的压差的有效补偿。转换器本体436也可以与传感器工具本体(钻铤、电缆等)机械解耦，以便使转换器本体436与结构承载声音传输绝缘。压力转换器430包括处于储槽之间的界面444。每个储槽充满相同类型的储槽流体(例如，硅油)，并且界面444包括用于提供所述储槽流体在第一储槽438与第二储槽440之间的连通的两个开口。所述开口包括在界面444中的第一狭缝451、第二狭缝452。其他实现方式可以另外使用毛细管，或可以使用各种尺寸的更多或更少开口。
挠曲构件421被实现为形成弯曲机杆的介于所述多个狭缝中的第一狭缝451与所述多个狭缝中的第二狭缝452之间的所述界面的一部分。一段光纤433(例如，使用黏合剂)附着到挠曲构件421，并且包括中心在附着处上方的FBG。第二界面将第一储槽438与第二储槽440中的一个与井下流体90分开。所述第二界面包括对入射在所述转换器上的所述高频声压信号有反应的第二挠曲构件432(例如，隔膜)。
如前所述，井下流体中的声信号入射在外部隔膜、即第二挠曲构件432上。低频压力经由毛细管的第一狭缝451、第二狭缝452在所述界面上均衡，同时防止挠曲构件421上的对应可观响应，从而滤除低频压力信号和恒压。再次，在升高压力跨所有流体均衡的情况下，挠曲构件421且因此光纤上的响应相比传统技术有很大改进。针对所需截止频率(f)，通过在两个充满硅油的储槽之间配置具有恰当尺寸的第一狭缝451和第二狭缝452来实现旁路：
其中
l是狭缝的长度；
h是狭缝的高度；
w是狭缝的宽度；
V是在狭缝后面的储槽的体积；
μ是流体的动态黏度；
ρ是流体密度；以及
c是流体的声速。
图4D至图4H图示根据本公开的实施方案的另一转换器。图4D是转换器470的侧视图。图4E是转换器470的第二侧视图，所述第二侧视图垂直于第一视图。转换器470包括转换器本体476，所述转换器本体含有第一储槽478和第二储槽480。每个储槽充满相同类型的储槽流体(例如，硅油)，并且储槽之间的界面474包括用于提供所述储槽流体在第一储槽478与第二储槽480之间的连通的开口481和482。第二界面包括对入射在所述转换器上的所述高频声压信号有反应的第二挠曲构件472(例如，隔膜)。图4F是所述界面的俯视图。如上所述，一段光纤483(例如，使用黏合剂)附着到挠曲构件491，并且包括中心在附着处上方的FBG 493。
转换器470表示被配置用于振动补偿的转换器。如上文关于图4B和图4C所述，第一储槽478和第二储槽480相对于界面474在正交于界面474的方向上的最大范围可以相等，并且这种配置可以导致对由于准静水压力在界面处出现的压差的有效补偿。为了在所有方向上获得相同效果，可以配置转换器470，使得上部的第一储槽478和下部的第二储槽480可以在两个垂直和分别垂直方向494和495上满足相同条件。
图4G和图4H图示转换器470的一种构造。图4G示出上部储槽构件497的侧视图，并且图4H示出下部储槽构件498的正视图。每个储槽在两个尺寸上对称。下部储槽构件498被配置成收纳上部储槽构件497。通过使上部储槽497旋转90度和联接所述储槽构件以作为联锁总成，可以构建转换器470。还配置所述储槽构件，使得上部储槽构件497与下部储槽构件498基本上对称。上部储槽构件497可以具有与下部储槽构件498基本上相等的尺寸，但是以不同定向对准以便装配。所述储槽的流体容积基本上相等。因此，所述储槽具有导致抑制任何加速度诱发的准静水压力信号的形状和各自的定向。通过保证所述挠曲构件处的压力在两个储槽中相等来实现这种情况。
图5A和图5B图示根据本公开的实施方案的转换器部件。转换器500包括玻璃板544，所述玻璃板以类似于界面444的方式充当界面井。可以通过拉伸转换器本体和隔膜(未示出)而在玻璃板544上方形成额外储槽。压力转换器500包括挠曲构件521。挠曲构件521被实现为形成弯曲机杆的介于所述多个狭缝中的第一狭缝551与所述多个狭缝中的第二狭缝552之间的所述界面的一部分。一段光纤533(例如，使用黏合剂)附着到挠曲构件521。弯曲元件550支撑挠曲构件521。所述弯曲元件包括凹口554(光纤533驻留在所述凹口中)和空腔555。光纤533内的FBG 503与所述凹口相隔一距离定位在空腔555上方，所述距离被配置用于来自所述弯曲元件在凹口末端处产生的杠杆作用力的光纤内的弹性应变。弯曲元件的楔形剖面导致减小的质量，并且因此产生相对于其他实施方案增大的基础频率(例如，接近10kHz或更高频率)。
图6图示根据本公开的实施方案的另一转换器。所述转换器可以用充满胀流型流体的储槽来实现。响应于所述高频声压信号，所述胀流型流体可以被配置成充当将所述高频声压信号传输到所述挠曲构件的固体；响应于所述环境压力噪音，所述胀流型流体可以被配置成充当阻止所述环境压力噪音传输到所述挠曲构件的液体。
转换器600包括含有储槽608的转换器本体606。挠曲构件622被实现为储槽608内的多个偏置构件621(例如，弹簧)，所述偏置构件偏置与一段光纤633(所述光纤延伸穿过转换器本体606)连接的多个波冲击构件634(例如，平面的盘)。FBG 603在盘之间居中。光纤可以在法线方向上在中心穿过每个盘(并且连接在所述盘处)。界面607将储槽608中的一个与井下流体90分开。所述界面包括对入射在所述转换器上的所述高频声压信号有反应的外部隔膜652。
储槽608充满胀流型流体。所述胀流型流体被配置成响应于所述高频声压信号而充当将所述高频声压信号传输到所述挠曲构件的固体；然而，所述胀流型流体被配置成响应于环境压力噪音或恒压而充当阻止所述环境压力噪音传输到所述挠曲构件的液体。
如前所述，井下流体中的声信号入射在外部隔膜652上。响应于由隔膜652传递到储槽608的高频声信号，所述胀流型流体充当将信号传输到冲击构件634的固体，这样释放了光纤633上的应变。相比而言，低频或恒压在液体模式流体中被吸收，从而导致这些信号被抑制。
上述的转换器与光纤和FBG一起组成对声诱发的动态压力变化敏感的传感器，但是对恒定和缓慢变化的压力不敏感。因此，上文的转换器实施方案可能对低于特定频率(例如例如10kHz、1kHz、100Hz或10Hz，或更低频率)的压力波不敏感。在不减小对声信号的灵敏度的情况下，这使得传感器对与公称井下环境一致的压力不敏感。
图7A示出图示根据本公开的实施方案的用于执行与大地地层相交的钻孔中的测井的方法的流程图700。在任选步骤710中，在钻孔中定位根据本公开的声传感器。举例来说，可以使用载体在钻孔中输送声学测井工具。钻孔可以充满例如钻井液的井下流体。在其他实例中，传感器探头可以安装在地层中。参见例如Tubel等的美国专利7,201,221号，所述美国专利是共有的，并且以全文引用的方式并入本文中。
方法700的任选步骤720可以包括利用所述声传感器来获得声数据。步骤720可以包括产生在钻孔内或来自地面处的地震震中的多个声信号，和响应于在传感器处接收到的声信息化而产生至少一个井下传感器处的声波数据，例如响应于所传输的声信号的来自边界的声波的多个声反射。
步骤730包括使用所述声数据来表征所述地层，包括产生地层信息。步骤730可以包括使用每个反射点在地层中的位置，以估计声反射边界的至少一个性质。这个步骤可以包括从所述声数据估计与边界、凹陷、地层中的边界的位置等的距离。任选步骤740包括在井上传输地层信息。任选步骤750包括视所述地层信息而在地层中进行其他操作。
图7B示出图示用于获得声数据的方法的流程图760。步骤770包括使用压力转换器，以经由所述挠曲构件的移动将入射在所述压力转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述介质的轴线的交变应变，所述压力转换器包括附着到光学介质的挠曲构件。可以通过减轻由公称钻孔压力引起的压力偏移来实行这个步骤。
步骤780包括使用检测器，以响应于沿着轴线透射穿过所述介质的接收到的电磁辐射来产生声学测量信息。所述介质的至少一个光学性质对所述介质上的所述交变应变有反应，使得所述检测器接收到的所述电磁辐射表示所述声信号。
任选方法可以包括估计地层的兴趣参数和使用所述兴趣参数以估计地层的特性或进行另外的操作。对参数的估计可以包括模型的使用。在一些实施方案中，所述模型可以包括但不限于以下各项中的一个或多个：(i)数学方程式、(ii)算法、(iii)解卷积技术等。也可以使用处理器可访问的参考信息。
方法实施方案可以包括视地层信息、反射器的估计性质或使用其中一者建立的模型而在大地地层中中进行另外的操作。另外的操作可以包括以下各项中的至少一者：i)地质导向；ii)在地层中钻出额外钻孔；iii)对地层执行额外测量；iv)估计地层的额外参数；v)在钻孔中安装设备；vi)评估地层；vii)优化地层中或类似地层中的当前或未来开发；viii)优化地层中或类似地层中的当前或未来勘探；ix)钻出钻孔；以及x)根据地层信息生产一种或多种烃。
估计的兴趣参数可以存储(记录)为信息，或在显示器上视觉地描绘。所述兴趣参数可以在存储或显示之前或之后传输。举例来说，信息可以被传输到其他井下部件或传输到地面以供存储、显示或进一步处理。本公开的方面涉及使用估计的兴趣参数对大地地层的体积建模，例如将估计的参数值与所述估计的参数值所对应的兴趣体积的部分关联，或通过在全局坐标系中表示边界和地层。在本公开的方面中所产生和维持的大地地层的模型可以实现为存储为信息的大地地层的表示。所述信息(例如，数据)也可以被传输、存储在非暂时性机器可读介质上和/或在显示器上显现(例如，以视觉方式描绘)。
处理器对测量结果的处理可以在工具处、在地面或在远程位置处进行。数据获取可以至少部分地由电子设备来控制。数据的控制和处理中的隐含部分是使用合适的非暂时性机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序使处理器能够执行所述控制和处理。所述非暂时性机器可读介质可以包括ROM、EPROM、EEPROM、闪存以及光碟。术语处理器意图包括例如现场可编程门阵列(FPGA)的装置。
如上文所用的术语“输送装置”意味任何装置、装置部件、装置、介质和/或构件的组合，前述各项可以用于输送、容纳、支持或以其他方式促进另一装置、装置部件、装置、介质和/或构件的组合的使用。示例性非限制性输送装置包括卷曲管类型、有缝管类型和其任何组合或部分的钻柱。其他输送装置实例包括护套管、电缆、电缆探空仪、钢丝绳探空仪、吊球、井下接头、BHA、钻柱插入件、模块、内部外壳以及其衬底部分、自行式拖拉机。如上文所用，术语“接头”是指被配置成部分地围封、完全围封、容纳或支撑装置的任何结构。如上文所用的术语“信息”包括任何形式的信息(模拟、数字、EM、印刷等)。本文中的术语“处理器”或“信息处理装置”包括但不限于传输、接收、操纵、转换、计算、调制、转置、运载、存储或以其他方式利用信息的任何装置。信息处理装置可以包括微处理器、常驻存储器和用于执行程序指令的外围设备。所述处理器可以执行存储在所述处理器可访问的计算机存储器中的指令，或可以使用实现为现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)、其他组合或顺序逻辑硬件等的逻辑。因此，处理器可以被配置成执行如本文中所描述的一种或多种方法，并且所述处理器的配置可以包括用于执行已编程指令的与常驻存储器和外围设备的操作性结合。
如本文中所使用，术语“流体”和“多种流体”是指一种或多种气体、一种或多种液体及其混合物。如本文中所用的“井下流体”包括任何气体、液体、可流动固体以及具有流体性质并且与烃回收相关的其他材料。井下流体可以是天然的或人造的，并且可以在井下输送或可以从井下位置回收。井下流体的非限制性实例包括钻井液、回流液、地层流体、含有一种或多种烃的生产流体、工程流体、结合井下工具使用的油和溶剂、水、卤水及其组合。“工程流体”在本文中可以用于表示为了特别用途配制的人造流体。术语“地质导向”可以指代改变钻头的方向、停止钻头的前进或继续钻头的推进。
显然，在本文中公开的技术中可以互换地使用慢度和速度的值。参数慢度和速度是逆相关的，并且任一个参数的测量结果可以通过所属领域中众所周知的简单数学关系转换成另一个参数。因此，如本文中所用的术语“慢度”可以指代传统上所理解的慢度，以及其他参数等效物。
如本文中所用的术语垂直地震剖面(“VSP”)意图表示零偏移VSP、偏移VSP、远行VSP、上行(walk-above)VSP、盐邻近性VSP、剪切波VSP以及钻井噪声或钻井时地震VSP中的任一者。声信号意图表示以声学方式测量或处理的任何信号，包括地震信号。如本文中所用的术语“快速改变”或“高频”是指对应于用于井下测量应用的典型声信号的频率特性。如本文中所用的术语“缓慢改变”或“低频”是指对应于低于表示所相互声学测量的水平的声信号的频率特性，并且可以由低于截止频率(例如10kHz、1kHz、100Hz、10Hz或更低频率)的压力波来表示。环境压力噪音应被理解为指代钻孔应用特有的非信号压力变化，包括低频压力，例如工具振动。对环境压力噪音进行机械滤波因此可以抑制环境噪声工具振动，例如泵噪声。与1kHz或更高频率的声信号相比，工具振动可以具有80到500Hz的特性频率。
尽管前述公开内容涉及本公开的单模式实施方案，但是所属领域的技术人员将了解各种修改。意图由前述公开内容包括所有变化。

Claims (17)

1.一种在钻孔中使用的设备，所述设备包括：
声传感器，所述声传感器包括：
压力转换器，所述压力转换器包括附着到光学介质的挠曲构件，所述压力转换器被配置成经由所述挠曲构件的移动将入射在所述压力转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述光学介质的轴线的交变应变，同时抑制低频信号和恒压转换成所述光学介质的应变，所述声压信号经由与所述压力转换器耦合的井下流体来传播，其中所述压力转换器包括介于含有储槽流体的第一储槽和第二储槽之间的界面，所述界面包括所述挠曲构件和用于提供所述储槽流体在所述第一储槽和所述第二储槽之间的连通的至少一个开口；以及
检测器，所述检测器被配置成响应于沿着所述轴线透射穿过所述光学介质的接收到的电磁辐射来产生声学测量信息，所述光学介质的至少一个光学性质对所述光学介质上的所述交变应变有反应，使得所述检测器接收到的所述电磁辐射表示所述声压信号，
其中所述第一储槽由第一储槽构件限定，并且所述第二储槽由第二储槽构件限定，并且所述第一储槽构件由所述第二储槽构件收纳，并且其中所述第一储槽和所述第二储槽的尺寸和定向被配置成通过产生基本上等于所述第二储槽中的所述挠曲构件处的另一压力的所述第一储槽中的所述挠曲构件处的压力来抑制加速度诱发的准静水压力信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述压力转换器被配置成对低频环境压力噪音进行流体机械滤波。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个开口以及所述第一储槽和所述第二储槽被配置成使用所述储槽流体经由压力平衡通过所述至少一个开口的旁路流动来对低频环境压力噪音进行流体机械滤波。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述挠曲构件包括i)隔膜和ii)弯曲机杆中的至少一者。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述至少一个开口包括i)所述挠曲构件中的狭缝和ii)毛细管中的至少一者。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述至少一个开口可以包括多个狭缝，并且所述挠曲构件包括介于所述多个狭缝中的第一狭缝与所述多个狭缝中的第二狭缝之间的所述界面的一部分。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述压力转换器包括介于所述第一储槽和所述第二储槽中的一个与所述井下流体之间的第二界面，所述第二界面包括对入射在所述压力转换器上的所述高频声压信号有反应的第二挠曲构件。
8.如权利要求1所述的设备，其中正交于与组合的储槽流体体积的重心相交的线的每个平面：i)与所述第一储槽和所述第二储槽均相交，或ii)不与所述第一储槽相交，也不与所述第二储槽相交。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述压力转换器包括弯曲元件，所述弯曲元件支撑所述挠曲构件。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述压力转换器包括弯曲元件，所述弯曲元件支撑所述挠曲构件并且被配置成放大所述挠曲构件的移动。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述光学介质包括光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅相对于所述弯曲元件定位在所述光学介质发生最大移位的位置近旁。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述压力转换器包括充满胀流型流体的储槽，所述胀流型流体被配置成响应于所述高频声压信号而充当将所述高频声压信号传输到所述挠曲构件的固体，并且所述胀流型流体被配置成响应于低频环境压力噪音而充当阻止低频环境压力噪音传输到所述挠曲构件的液体。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述高频声压信号的平均信号幅度与所述公称钻孔压力的比小于10-3。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述设备包括钻柱的一部分，并且其中所述压力转换器被配置成对包括所述钻柱的振动的低频环境压力噪音进行流体机械滤波。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述接收到的辐射包括以下各项中的至少一者：i)透射穿过所述光学介质中的光纤布拉格光栅的辐射；ii)从所述光学介质中的光纤布拉格光栅反射的辐射。
16.一种用于钻孔中的声检测的方法，所述方法包括：
使用包括附着到光学介质的挠曲构件的压力转换器，以经由所述挠曲构件的移动将入射在所述压力转换器上的在公称钻孔压力内的低幅度、高频声压信号转换成所述光学介质上的沿着所述光学介质的轴线的交变应变，同时抑制低频信号和恒压转换成所述光学介质的应变，所述声压信号经由与所述压力转换器耦合的井下流体来传播，其中所述压力转换器包括介于含有储槽流体的第一储槽和第二储槽之间的界面，所述界面包括所述挠曲构件和用于提供所述储槽流体在所述第一储槽和所述第二储槽之间的连通的至少一个开口；以及
使用检测器，以响应于沿着所述轴线透射穿过所述光学介质的接收到的电磁辐射来产生声学测量信息，所述光学介质的至少一个光学性质对所述光学介质上的所述交变应变有反应，使得所述检测器接收到的所述电磁辐射表示所述声压信号，
其中所述第一储槽由第一储槽构件限定，并且所述第二储槽由第二储槽构件限定，并且所述第一储槽构件由所述第二储槽构件收纳，并且其中所述第一储槽和所述第二储槽的尺寸和定向被配置成通过产生基本上等于所述第二储槽中的所述挠曲构件处的另一压力的所述第一储槽中的所述挠曲构件处的压力来抑制加速度诱发的准静水压力信号。
17.如权利要求16所述的方法，所述方法还包括使用所述声学测量信息以估计兴趣参数，所述兴趣参数包括以下各项中的至少一者：i)地层的兴趣体积的慢度；ii)声数据通信消息；iii)从所述压力转换器到所述钻孔的壁的间隙；iv)所述钻孔的几何形状；以及v)所述井下流体的声速。
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