DE112016001828T5

DE112016001828T5 - Kontinuierliche Strahlenbündelung während der Bewegung: Verfahren zum Reduzieren von räumlicher Überlappungsverzerrung bei der Leckerkennung

Info

Publication number: DE112016001828T5
Application number: DE112016001828.2T
Authority: DE
Inventors: Yi Yang Ang; Nam Nguyen; Joni Lie
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2018-01-04
Also published as: US10520626B2; GB2555280B; MX2017013034A; FR3037993A1; BR112017021695A2; GB2555280A; WO2016209388A1; GB201719285D0; US20170184751A1

Abstract

Werkzeuge, Systeme und Verfahren können für das Erkennen von einer oder mehreren unterirdschen Schallquellen und Orten derselben in Tiefe und radialem Abstand von einem Bohrloch mithilfe eines Arrays aus wenigstens drei Akustiksensoren, die in dem Bohrloch angeordnet sind, in Verbindung mit Array-Signalverarbeitung, die eine Bewegung der Akustiksensoren und räumliche Überlappung mittels adaptiver zeitabhängiger modellierter Lenkvektorgewichtungen berücksichtigt, konfiguriert sein oder dies beinhalten.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Anmeldung betrifft die Bohrlochleckerkennung.
Während des Lebenszyklus eines Öl- oder Gasbohrlochs ist es wünschenswert, die Unversehrtheit des Bohrlochs zu überwachen und zu bewahren. Insbesondere die Unversehrtheit der Bohrlochbarrieren (wie etwa der Förderrohre, des Bohrlochfutterrohrs und des umgebenden Zementmantels) ist wichtig, um einen sicheren Betrieb des Bohrlochs sicherzustellen und Blowout-Vorfälle oder das Austreten von Kohlenwasserstoffen in die Umgebung zu vermeiden. Lecks in den Bohrlochbarrieren können grundsätzlich anhand von unterirdischen Fluidströmungen (z. B. von Öl oder Gas) in und um ein Bohrloch erkannt werden. Das Überwachen von Untertageströmen um Bohrlöcher, wie etwa eingespritztem Wasser, kann bei der Lagerstättencharakterisierung ebenfalls von Interesse sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgenden Figuren sollen bestimmte Aspekte der vorliegenden Ausführungsformen veranschaulichen und sind nicht als ausschließliche Ausführungsformen zu betrachten. Der offenbarte Gegenstand kann beträchtlichen Modifikationen, Abänderungen und Äquivalenten in Form und Funktion unterliegen, die für Fachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung auf der Hand liegen werden.
1 stellt ein beispielhaftes Akustiksensorarray dar, das in einem Bohrloch eingesetzt wird.
2 stellt auf stark abstrahierter Ebene dar, wie eine Schallquelle in zwei Dimensionen geortet werden kann.
3 stellt ein Gesamtblockdiagramm eines kontinuierlichen Strahlenbündelungsverfahrens dar, das adaptive zeitabhängige modellierte Lenkvektorgewichtungen verwendet.
4 ist ein veranschaulichendes Kurvendiagramm, das das beispielhafte ΔT_n für verschiedene Arraygeschwindigkeiten darstellt.
5 stellt ein beispielhaftes Wireline-Bohrlochvermessungssystem dar. Das System beinhaltet ein Sondenwerkzeug, das an einer Wireline im Inneren eines ausgekleideten Bohrlochs aufgehängt ist.
6 stellt ein System zum Erkennen und Orten unterirdischer Schallquellen dar, die in einem Bohrsystem für MWD-Vermessungsvorgänge implementiert sind.
7A–7C vergleichen die Genauigkeit von (A) eines stationären Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, (B) eines sich bewegenden Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen und (C) eines sich bewegenden Sensorarrays mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, wobei die Quellenfrequenz (7 kHz) niedriger als die räumliche Überlappungsfrequenz ist.
8A–8C vergleichen die Genauigkeit von (A) eines stationären Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, (B) eines sich bewegenden Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen und (C) eines sich bewegenden Sensorarrays mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, wobei die Quellenfrequenz (25 kHz) höher als die räumliche Überlappungsfrequenz ist.
9A–9C vergleichen die Genauigkeit von (A) eines stationären Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, (B) eines sich bewegenden Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen und (C) eines sich bewegenden Sensorarrays mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, wobei die Quellenfrequenz (47 kHz) wesentlich höher als die räumliche Überlappungsfrequenz ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft die Bohrlochleckerkennung.
Unterirdische Fluidströmungen geben allgemein akustische Signale ab, die sich beispielsweise mit Glasfaserkabeln, die am Bohrloch entlang angeordnet sind, oder mit akustischen Punktsensoren wie etwa Faser-Bragg-Gitter(FBG)-Sensoren oder Hydrophonen messen lassen. existierende Verfahren sind jedoch hinsichtlich der Genauigkeit und Präzision, mit der sich ein erkannter Fluidstrom orten lässt, sehr eingeschränkt. Ferner gehen existierende Verfahren in der Regel davon aus oder verlangen, dass das Werkzeug relativ stationär ist, während akustische Signale von den Fluidströmungen aufgezeichnet werden. In der Praxis wird jedoch bevorzugt, dass sich das Werkzeug in der Regel mit einer festen Geschwindigkeit von 20 ft/min (6,096 m/min) bis etwa 30 ft/min (9,144 m/min) durch das Bohrloch bewegt.
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten Werkzeuge, Systeme und Verfahren zum Erkennen von einer oder mehreren unterirdischen Schallquellen und Orten derselben in Tiefe und radialem Abstand von einem Bohrloch mithilfe eines Arrays aus wenigstens drei Akustiksensoren (hier auch als ein „Sensorarray” bezeichnet) in dem Bohrloch in Verbindung mit Array-Signalverarbeitung, die eine Bewegung der Akustiksensoren und räumliche Überlappung mittels adaptiver zeitabhängiger modellierter Lenkvektorgewichtungen berücksichtigt. Die Schallquellenerkennung und -ortung gemäß den vorstehenden Ausführungen kann insbesondere eingesetzt werden, um unterirdische Fluidströme (z. B. aufgrund von Lecks in den Bohrlochbarrieren) aufzufinden, aus denen akustische Signale hervorgehen.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Tiefe” allgemein eine Koordinate in Richtung des Bohrlochs, unabhängig davon, ob sich das Bohrloch vertikal in die Formation erstreckt oder in Bezug auf die vertikale Richtung geneigt ist. Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „radialer Abstand” eine Richtung senkrecht zu und weg von der Längsachse des Bohrlochs.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Array-Signalverarbeitung” allgemein Techniken zum Schätzen oder Berechnen von Parametern von einer oder mehreren Signalquellen (wie etwa den Quellenpositionen und abgestrahlten Wellenformen) durch Vereinigen von Daten, die von einem Sensorarray mit bekannten geometrischen Beziehungen entweder im Wesentlichen gleichzeitig oder allgemeiner mit bekannten zeitlichen Beziehungen zwischen den unterschiedlichen Sensorsignalen. Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „im Wesentlichen gleichzeitig” relativ zu Zeitintervallen, dass die Zeitintervalle, über die Signale gesammelt werden, einander zwischen den unterschiedlichen Sensoren wesentlich überlappen (z. B. um wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens 99%).
Arraysignalverarbeitungstechniken beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, verschiedene räumliche Filterungsverfahren, wie etwa übliche Strahlenbündelung, Capon-Strahlenbündelung, Multiple Signal Classification (MUSIC) und verschiedene parametrische Verfahren sowie Zeitverzögerungsschätzung. Array-Signalverarbeitung greift allgemein auf ein vorwärtsgerichtetes Modell der Wellenausbreitung von der oder den Quellen zu den Sensoren zum Lösen des inversen Problems zurück (z. B. Quellenortung). In traditionellen Anwendungszusammenhängen wie etwa Radar und Sonar ist dieses vorwärtsgerichtete im Allgemeinen einfach, da die Wellenausbreitung in einem gleichförmigen (homogenen und isotropen) Medium (z. B. Luft oder Wasser) stattfindet und angenommen werden kann, dass die Quelle weit von den Sensoren entfernt ist. Wenn jedoch Fluidströme in und um ein Bohrloch gemessen werden sollen, gelten die Annahmen eines gleichförmigen Mediums und weiten Felds nicht. Entsprechend wird das vorwärtsgerichtete Modell in verschiedenen Ausführungsformen angepasst, um die Konfiguration und den Zustand des Bohrlochs und der umgebenden Formation (die gemeinsam verschiedene Ausbreitungsmedien und Grenzen dazwischen beinhalten) und ihre Auswirkung auf das Wellenfeld (z. B. Brechungen, Reflexionen und Resonanzen von Wellen) zu berücksichtigen und die Verarbeitung von Nahfeldsignalen (d. h. Signalen, die aus einer Quelle stammen, deren Abstand von den Sensoren nicht wesentlich (z. B. um Größenordnungen) größer als die räumliche Ausdehnung des Sensorarrays ist) zu ermöglichen.
Das Implementieren von Array-Signalverarbeitung schließt gemäß einigen Ausführungsformen das Vereinigen der Signale, die von den einzelnen Sensoren des Arrays empfangen werden, für eine Vielzahl von vermuteten Quellenpositionen in einer vorgegebenen zweidimensionalen Region (die z. B. eine bestimmte Länge in der Tiefenrichtung überspannt und sich über einen bestimmten radialen Abstand vom Bohrloch erstreckt), um auf diese Weise eine zweidimensionale Karte eines Schallquellenenergiepegels, einer Schallquellenamplitude oder anderer Parameter aus vereinigten Signalen in Abhängigkeit von Tiefe und radialem Abstand zu berechnen. Die tatsächliche(n) Quellenposition(en) lässt sich bzw. lassen sich anhand dieser Karte bestimmen, indem das lokale Maximum (oder mehrere lokale Maxima) des Schallquellenenergiepegels oder anderer Parameter identifiziert wird bzw. werden. Die Größe des lokalen Maximums kann verwendet werden, um abzuleiten, ob die Schallquelle tatsächlich einer unterirdischen Strömung entspricht. In einigen Ausführungsformen beispielsweise werden akustische Signale unter mehreren Strömungs- und Nichtströmungsbedingungen erfasst, um einen statistischen Erkennungsschwellenwert zur Verwendung in einer Binärhypothesenprüfung oder einer ähnlichen statistischen Prüfung aufzustellen.
1 stellt ein Beispiel eines sich bewegenden Akustiksensorarrays dar, das in einem Bohrloch eingesetzt wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Wie gezeigt, können die Sensoren 100 linear an der Längsachse 102 des Bohrlochs (dessen radiale Koordinate null ist) entlang angeordnet sein. Sie können gleichmäßig beabstandet sein (wie gezeigt) oder variierende Abstände zwischen benachbarten Sensoren aufweisen. Die Sensorumgebung beinhaltet allgemein mehrere physische Barrieren für den Fluidstrom, wie etwa die Förderrohrleitung 104, durch die Öl oder Gas nach oben und aus dem Bohrloch gepumpt werden kann, ein oder wahlweise mehrere verschachtelte Bohrlochfutterrohre 106 und einen Zementmantel 108, der den Raum zwischen Futterrohr(en) 106 und der Formation 110 um das Bohrloch herum füllt. Außerdem kann das Bohrloch in mehrere vertikale Teile geteilt sein, z. B. von Packern 112 zwischen den Futterrohren 106, die separat sein können, z. B. ein unterer perforierter Abschnitt der Rohrleitung, in den Kohlenwasserstoffe von einem oberen (nicht perforierten) Abschnitt eintreten, der als eine aufwärts führende Leitung dient. Nicht vorgesehene Strömungssituationen, die in dieser beispielhaften Untertagekonfiguration auftreten können, können, ohne darauf beschränkt zu sein, Strömungen über das Futterrohr 106 oder die Rohrleitung 104 aufgrund von Rissen oder Löchern darin (angezeigt durch Pfeile 120), Strömungen vorbei an einem Packer 112 zwischen benachbarten vertikalen Bohrlochteilen aufgrund unzureichender Dichtung (angezeigt durch Pfeile 122) und Strömungen in der Formation 110, im Zementmantel 108 oder einer anderen Schicht mehr oder weniger parallel zu den Schichtgrenzen (angezeigt durch Pfeile 124). Wenn Strömung durch beengte Kanäle tritt, können aufgrund des damit einhergehenden Druckabfalls akustische Signale erzeugt werden. Die akustischen Signale breiten sich allgemein in alle Richtungen durch die Formation und/oder das Bohrloch aus und können an den verschiedenen Sensorpositionen erkannt werden.
Zu Akustiksensoren 100, die für die vorliegenden Ausführungsformen geeignet sind, gehören beispielsweise und ohne Einschränkung (piezoelektrische) Hydrophone, FBG-Sensoren oder Segmente eines verteilten faseroptischen Kabels. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Akustiksensoren omnidirektional, d. h. sie können nicht selbst zwischen unterschiedlichen Einfallsrichtungen des Signals unterscheiden. Durch Ausnutzen der zeitlich-räumlichen Beziehungen zwischen den Signalen von derselben Quelle an mehreren Sensoren können jedoch Informationen über die Signalrichtung und/oder die Quellenposition erlangt werden. Durch Verwendung von beispielsweise wenigstens drei Sensoren in einer linearen Anordnung entlang der Bohrlochachse, wie in 1 gezeigt, ist es wenigstens unter Bedingungen möglich, die Tiefe und den radialen Abstand der Quelle zu bestimmen (wie unten weiter erläutert wird). Um die Quelle weiter in Azimutrichtung zu orten, kann die Konfiguration der Sensoranordnung modifiziert werden, z. B. durch Anordnen verschiedener Sensoren an verschiedenen radialen Positionen oder anderweitiges zwei- oder dreidimensionales Anordnen derselben, durch teilweises Verdecken von Sensoren, um ihre Erkennung auf bestimmte Azimutfenster (unterschiedliche für verschiedene Sensoren) zu beschränken, während die teilweise verdeckten Sensoren gedreht werden, um den gesamten Azimutbereich abzudecken, oder durch Verwenden direktionaler Sensoren (d. h. Sensoren, die inhärent Richtungsinformationen bereitstellen). Eine lineare Konfiguration, wie sie in 1 gezeigt ist, kann sich aus den räumlichen Beschränkungen durch die Rohrleitung 104 ergeben, in der die Sensoren angebracht sind.
2 stellt auf hoher Abstraktionsebene 200 dar, wie eine Schallquelle 202 (z. B. ein Fluidstrom) in zwei Dimensionen (z. B. radialer Abstand x und Tiefe y) aufgrund der gleichzeitig mit mehreren Sensoren 204, 206, 208 (dargestellt als drei) an verschiedenen Positionen R1, R2 bzw. R3 geortet werden kann, vorausgesetzt, das Medium ist gleichförmig, derart, dass sich das Signal von der Quelle geradlinig (ohne beispielsweise Brechung oder Reflexion) und bei einer bekannten konstanten Schallgeschwindigkeit v zu den Sensoren bewegt. In diesem Fall ist die Bewegungsdauer t des Signals von der Quelle zu einem Sensor einfach das Verhältnis des jeweiligen Abstands d 210, 212, 214 zwischen Quelle 202 und Sensoren 204, 206, 208 zu v. Wie für einschlägige Durchschnittsfachleute auf der Hand liegen wird, kann ein absolutes t in dem hier beschriebenen passiven Strömungserkennungsverfahren nicht gemessen werden, da das akustische Signal keinen bekannten zeitlichen Anfangspunkt aufweist (da das Strömen in der Regel lange vor dem Messen und in jedem Fall zu einem unbekannten Zeitpunkt ihren Anfang nimmt). Die Verzögerung Δt_ij = t_i – t_j zwischen dem Empfang eines bestimmten Signalmerkmals (z. B. einer Spitze in der zeitlichen Wellenform) an einem ersten Sensor i und dem Empfang desselben Merkmals an einem zweiten Sensor j (d. h. die relative Phasenverschiebung) kann jedoch grundsätzlich mit den Gleichungen 1 und 2 bestimmt werden.
Mit bekannten Sensorpositionen (R1 bei (x_ri, y_ri), R2 bei (x_r2, y_r2) und R3 bei (x_r3, y_r3) und bekanntem v ergibt diese Verzögerung eine nichtlineare Gleichung mit zwei Unbekannten, nämlich den Koordinaten (x_s, y_s) der Quelle s. Eine zweite Verzögerung, die zwischen einem der Sensoren i oder j und dem dritten Sensor k gemessen wird, stellt eine zweite, unabhängige nichtlineare Gleichung bereit. Aus diesen zwei Gleichungen kann die zweidimensionale Quellenposition leicht berechnet werden, in einer Weise, die einschlägigen Durchschnittsfachleuten bekannt ist. Wenn v unbekannt ist und/oder sich verändert, während sich das Signal durch verschiedene Medien ausbreitet, kann ein Array mit einer größeren Anzahl von Sensoren (z. B. vier oder mehr Sensoren) verwendet werden, um ausreichend Informationen zum Orten der Quelle bereitzustellen.
In den komplexeren Situationen, die in der Regel in Strömungserkennungsanwendungen angetroffen werden, wie sie hier vorgesehen sind, nimmt die Signalverarbeitung allgemein eine komplexere Form an. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Arraysignalverarbeitungsverfahren (wie etwa räumliche Filterung) eingesetzt werden, um die verschiedenen gleichzeitig erfassten Sensorsignale zu vereinigen und die Schallquelle zu orten.
In einigen Fällen kann die Arraysignalverarbeitungstechnik wenigstens eins von räumlicher Filterung, Verzögerungsschätzung oder einem Schallenergieverfahren umfassen.
3 stellt eine Übersicht über eine beispielhafte Arraysignalverarbeitungstechnik 300 bereit, die adaptive zeitabhängige modellierte Lenkvektorgewichtungen 316 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet. Beispielsweise kann eine schmalbandige WeitfeldSchallquelle („s(t)”) verwendet werden, wie hierin beschrieben, um die Grundgedanken zu veranschaulichen, die den räumlichen Filterungsverfahren der vorliegenden Offenbarung zugrunde liegen.
Mathematisch kann das Signal 302, das mithilfe eines statischen Sensorarrays, das an der Y-Achse (d. h. an der Längsachse 102 des Bohrlochs aus 1) angeordnet ist, wahlweise durch Anwenden eines Normierungsvorgangs 304 normiert werden, um ein empfangenes Signal p_m(t) 306 am m-ten Sensor mit Signalen von der K leckenden Quelle, s₁(t), ..., s_K(t) zu erzeugen. Vorausgesetzt, dass M Sensoren in dem Sensorarray mit einem Abstand d zwischen den Sensoren vorliegen, kann der Vektor des Empfangssignals 306 jedes Sensors als Gl. 3 ausgedrückt werden.
wobei
die Transferfunktion der k-ten Quelle ist, die sich zum m-ten Sensor ausbreitet,
ein Vektor ist, der die Position der k-ten einfallenden Quelle angibt, s_k(t) die Stärke der k-ten einfallenden Quelle ist und q_m(t) das additive weiße gaußsche Rauschen ist, das die Auswirkungen von thermischem und Umgebungsrauschen erfasst.
Das empfangene Signal p_m(t) 306 für alle Sensoren kann auch in der Vektorform p(t) dargestellt werden, die als Gl. 4 definiert ist. p(t) = [p₁(t) ... p_m(t) ... p_M(t)]^T = As(t) + q(t), Gl. 4 wobei
und (.)^T die Umstelloperation bezeichnen.
Mit Gl. 4 weist die theoretische Kovarianzmatrix R des statischen Sensorarraymodells die folgende Form auf. R = AE{s(t)s^H(t)}A^H + σ_qI, Gl. 5 wobei E{.} die Erwartungsoperation bezeichnet, (.)^H die hermitetische Umstelloperation bezeichnet und σ_q die angenommene Rauschleistung ist, wobei I die Identitätsmatrix ist.
In praktischen Anwendungen kann die theoretische Kovarianzmatrix R durch eine Stichproben-Kovarianzmatrix R ^ ersetzt werden, die anhand von Gl. 6 berechnet wird.
wobei ΔT die Dauer des erfassten empfangenen Signal 306 für das Array ist.
Üblicherweise lässt sich das Orten eines statischen Sensorarrays durch Konstruieren des räumlichen Spektrums β(r_j) und Suchen nach Spitzen erreichen. Die Spitzen dienen als die Wahrscheinlichkeit der Quellenposition. Wenn R = {r₁ ... r_L} den Satz bezeichnet, der die Gitterposition enthält, in der die räumliche Abtastung durchgeführt wird, so werden für jede Position zunächst die festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen wo r_j ∈ R zuerst berechnet wird, bevor das räumliche Capon-Standardspektrum β(r_j) durch Gl. 7 geschätzt wird.
Wenn das Array stationär ist findet das lokale Maximum idealerweise bei
statt, wenn die Richtungsvektorgewichtung a(r_j) gut mit der Kovarianzmatrix R ^ übereinstimmt.
Wenn sich das Sensorarray jedoch bei einer konstanten Geschwindigkeit v, bewegt, erzeugt das empfangene Signal 306 mit der Dauer ΔT eine Kovarianzmatrix R ^, die nicht mehr mit der Richtungsvektorgewichtung a(r_j) des stationären Modells in Gl. 5 übereinstimmt. Insbesondere kann die relative Verlagerung, die von der Bewegung zum Zeitpunkt t (0 ≤ t ≤ ΔT) verursacht wird, als Δr = vΔT modelliert werden. In diesem Fall kann das empfangene Signal 306 von den K Quellen wie folgt ausgedrückt werden:
wobei
Angesichts des sich bewegenden Sensorarrays zielt die vorliegende Anmeldung darauf ab, die Leckquellenposition
wo k = {1, ..., K} mittels der folgenden Analyse des empfangenen Signals 306 zu orten.
Wenn die theoretische Kovarianzmatrix aus dem Empfangssignalvektor in Gl. 8 als R(Δr) angegeben ist, ergibt sich Gl. 9. R(Δr) = E{p(t, Δr)p^H(t, Δr)} = A(Δr)E{s(t)s^H(t)}A^H(Δr) + σ_qI. Gl. 9
Da t, v oder die Signalfrequenz increases zunimmt (kürzere Wellenlänge), nimmt auch die Differenz zwischen A(Δr) und A zu. Die direkte Anwendung von Gl. 7 mithilfe der Kovarianzmatrix, die für die Dauer ΔT mit Gl. 9 erzeugt wurde, führt daher zu einer Nichtübereinstimmung ihrer Richtungsvektoren. Ein Ad-hoc-Ansatz zum Beheben dieser Nichtübereinstimmung ist das Verkürzen der Erfassungsdauer ΔT aus Gl. 6, bis der stationäre Zustand erhalten bleibt. Praktisch kann dies durch Kürzen von ΔT und Verwenden eines festen gewichteten zeitlich unabhängigen modellierten Richtungsvektors erreicht werden, was eine räumliche Capon-Spektrumskonstruktionsoperation 318 ist, die im Folgenden beschrieben wird.
Zum wirksamen Lösen des Nichtübereinstimmungsproblems ergibt sich jedoch eine Lösung, indem das empfangene Signal 306, das in einem Erfassungsfenster ΔT aufgezeichnet wird, in mehrere Frames unterteilt wird. Allgemein zerfällt das empfangene Signal 306 bei Anwendung eines Frame-Zerlegungsoperation 308 auf das empfangene Signal 306 in N gleiche kürzere zerlegte Frames 310 ₀ ... 310 _N-1, in denen der stationäre Zustand gewahrt wird. Dann stellt jeder zerlegte Frame 310 ₀ ... 310 _N-1 ein virtuelles Array dar. Aus den N Sätzen zerlegter Frames 310 ₀ ... 310 _N-1 kann die entsprechende theoretische Kovarianzmatrizen R(nΔr) durch Gl. 10 dargestellt werden. {R(0)R(Δr) ... R(nΔr) ... R((N – 1)Δr)}. Gl. 10
Das Anwenden einer Abtastungskovarianzmatrixschätzung 312 ₀ ... 312 _N-1 (Gl. 11) auf die einzelnen zerlegten Frames 310 ₀ ... 310 _N-1 wandelt die einzelnen zerlegten Frames 310 ₀ ... 310 _N-1 in eine Abtastungskovarianzmatrix 314 ₀ ... 314 _N-1 ({R ^(0) ... R ^(nΔr) ... R ^((N – 1)Δr)}) um. R ^(nΔr) = N / ΔT∫ t=(n+1)ΔT/N / t=nΔT/Np(t, nΔr)p^H(t, nΔr). Gl. 11
Durch Anwenden der räumlichen Capon-Spektrumskonstruktionsoperation 318 ₀ ... 318 _N-1 (Gl. 12) mit den adaptive zeitabhängigen modellierten Richtungsvektorgewichtungen 316 ₀ ... 316 _N-1 auf eine beliebige einzelne Abtastungskovarianzmatrix R ^(nΔr) 314 ₀ ... 314 _N-1, wird die räumliche Capon-Spektrumsantwort (β⁽ⁿ⁾(r_j)) 320 ₀ ... 320 _N-1 für jeden Frame erzeugt, der nach den Spitzensignalen durchsucht werden kann, die der Quellenposition entsprechen.
wobei b_n der Gewichtungsfaktor für jeden n-ten Frame ist und a(r_j + nΔr) die adaptiven zeitabhängigen modellierten Richtungsvektorgewichtungen 316 ₀ ... 316 _N-1 sind.
Obwohl eine beliebige individuelle räumliche Capon-Spektrumsantwort β⁽ⁿ⁾(r_j) 320 ₀ ... 320 _N-1 für die Suche nach der Quellenposition
verwendet werden kann, kann die räumliche Capon-Spektrumskonstruktionsoperation 318 ₀ ... 318 _N-1 zu räumlicher Überlappung tendieren, die Seitenschwingerspitzen in der räumlichen Capon-Spektrumsantwort 320 ₀ ... 320 _N-1 erzeugt, was fälschlich als Quellenpositionen identifiziert werden kann. Um die Stärke von Seitenschwingern zu reduzieren, wird eine gewichtete mittlere räumliche Capon-Spektrumsantwort β_moving(r_j) 324 durch Durchführen einer Summierungs- und Normierungsoperation 322 (Gl. 13) an der räumlichen Capon-Spektrumsantwort 320 ₀ ... 320 _N-1 berechnet. Da die Seitenschwinger nicht gleichmäßig in jeder räumlichen Capon-Spektrumsantwort 320 ₀ ... 320 _N-1 angeordnet sind, bewirkt die Summierungs- und Normierungsoperation 322, dass die starken Seitenschwingerspitzen reduziert werden und die Stärke der Quellenposition erhöht wird. β_moving(r_j) = 1 / NΣ n-1 / n=0β⁽ⁿ⁾(r_j) Gl. 13
In einigen Fällen können die akustischen Signale von den Schallquellen eine höhere Frequenz als eine räumliche Überlappungsfrequenz aufweisen, die in der Arraysignalverarbeitungstechnik verwendet wird. Alternativ können die akustischen Signale eine niedrigere Frequenz als eine räumliche Überlappungsfrequenz aufweisen, die in der Arraysignalverarbeitungstechnik verwendet wird. Zum Verhindern räumlicher Überlappung kann der Abstand zwischen Sensoren beispielsweise d ≤ λ/2 sein. Wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Signals ist. Da das Array jedoch mit einem festen Abstand d zwischen Sensoren ausgelegt ist, kann es unter räumlichen Überlappungseffekten leiden, wenn die Wellenlänge des einfallenden Signals λ/2 ≤ d ist.
In einigen Fällen kann Gl. 11 verwendet werden, um die Auslegung von ΔT_n = ΔT/N, einzugrenzen, wobei: wenn das Array sich nur entlang der z-Achse mit einer Geschwindigkeit v = v_z bewegt, ΔT_n als stationär approximiert werden kann, wenn die Differenz zwischen dem radialen Abstand von nΔT and (n – 1)ΔT innerhalb von 1% begrenzt bleibt. Die Einschränkung auf die Begrenzung innerhalb von 1% lässt sich mathematisch als Gl. 14 ausdrücken.
4 ist ein veranschaulichendes Kurvendiagram, das das beispielhafte ΔT_n für verschiedene Arraygeschwindigkeiten mit Begrenzung innerhalb von 1% darstellt.
Das hier beschriebene Verfahren kann durch einen Satz Anweisungen implementiert werden, die einen Prozessor dazu veranlassen, die hier beschriebene Arraysignalverarbeitungstechnik auszuführen, die einen adaptiven zeitabhängigen modellierten Richtungsvektor beinhaltet, um eine Tiefe und einen radialen Abstand der Schallquelle von dem Bohrloch zu bestimmen.
Der Prozessor kann ein Teil von Computerhardware sein, die zum Implementieren der verschiedenen hier beschriebenen veranschaulichenden Blöcke, Module, Elemente, Komponenten, Verfahren und Algorithmen verwendet wird. Der Prozessor kann dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere Sequenzen von Anweisungen, Programmierungsinstanzen oder Code auszuführen, die auf einem nicht transitorischen computerlesbaren Medium gespeichert sind. Der Prozessor kann beispielsweise ein allgemeiner Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, eine digitale Signalverarbeitungseinheit, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ein feldprogrammierbares Gate-Array, eine programmierbare Logikvorrichtung, ein Controller, eine Zustandsmaschine, eine Gate-Logik, separate Hardwarekomponenten, ein künstliches neuronales Netz oder beliebige ähnliche geeignete Einheiten sein, die Berechnungen oder andere Verarbeitungen von Daten durchführen können. In einigen Ausführungsformen kann Computerhardware ferner Elemente wie beispielsweise einen Speicher (z. B. Schreib-/Lesespeicher (RAM), Flash-Speicher, Lesespeicher (ROM), programmierbaren Lesespeicher (PROM), löschbaren programmierbaren Lesespeicher (EPROM)), Register, Festplatten, Wechseldatenträger, CD-ROMS, DVDs oder eine beliebige andere ähnliche geeignete Speichervorrichtung oder ein beliebiges anderes ähnliches geeignetes Speichermedium beinhalten.
Hier beschriebene ausführbare Sequenzen können mit einer oder mehreren Codesequenzen implementiert werden, die in einem Speicher enthalten sind. In einigen Ausführungsformen kann dieser Code von einem anderen maschinenlesbare Medium in den Speicher eingelesen werden. Die Ausführung der Sequenzen von Anweisungen, die im Speicher enthalten sind, kann einen Prozessor veranlassen, die hier beschriebenen Prozessschritte auszuführen. Ein oder mehrere Prozessoren in einer Multiprozessoranordnung können ebenfalls verwendet werden, um Anweisungssequenzen im Speicher auszuführen. Außerdem können fest verdrahtete Schaltungen anstelle von oder in Kombination mit Softwareanweisungen verwendet werden, um verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen zu implementieren. Somit sind die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf eine spezifische Kombination von Hardware und/oder Software beschränkt.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet ein maschinenlesbares Medium ein beliebiges Medium, das direkt oder indirekt Anweisungen zur Ausführung an den Prozessor bereitstellt. Ein maschinenlesbares Medium kann viele Formen annehmen, darunter beispielsweise nicht flüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien. Nicht flüchtige Medien können beispielsweise optische und magnetische Disks beinhalten. Flüchtige Medien können beispielsweise dynamischen Speicher beinhalten. Übertragungsmedien können beispielsweise Koaxialkabel, Draht, Glasfaser und Drähte beinhalten, die einen Datenbus bilden. Häufige Formen maschinenlesbarer Medien können beispielsweise Disketten, flexible Disks, Festplatten, Magnetbänder, andere ähnliche magnetische Medien, CD-ROMs, DVDs, andere ähnliche optische Medien, Lochkarten, Papierbänder und ähnliche physische Medien mit strukturierter Lochung, RAM, ROM, PROM, EPROM und Flash-EPROM beinhalten.
Die Erkennung und Ortung unterirdischer Schallquellen (und damit unterirdischer Fluidströme) gemäß den vorliegenden Ausführungen kann sowohl in Wireline- als auch MWD(measuring-while-drilling)-Vermessungsvorgängen implementiert werden. 5 stellt ein beispielhaftes Wireline-Bohrlochvermessungssystem dar. Das System beinhaltet ein Sondenwerkzeug 500, das an einer Wireline 502 im Inneren eines ausgekleideten Bohrlochs 504 aufgehängt ist 504.
In verschiedenen Ausführungsformen wird das Werkzeug 500 im Inneren der Förderrohrleitung 506 verwendet, durch die Kohlenwasserstoffe aus dem Bohrloch 504 heraus gepumpt werden. Das Werkzeug 500 beinhaltet eine Vielzahl von Akustiksensoren 508 (wenigstens drei) (wie etwa Hydrophone), die z. B. in einem linearen Array 510 entlang einer Längsachse 511 des Werkzeugs 500 und damit des Bohrlochs 504 angeordnet sind. Ferner kann das Werkzeug geeignete Steuer- und Verarbeitungsschaltungen 512 beinhalten, die wiederum mit einem Oberflächendatenverarbeitungssystem 514 in Kommunikation stehen (z. B. über eine drahtgebundene Verbindung oder ein Telemetriesystem). Die Datenverarbeitungsanlage, die die Rechenfunktionen zum Verarbeiten und Vereinigen der akustischen Signale, die von den einzelnen Sensoren 508 empfangen werden, und Erkennen und Orten von Strömen auf deren Grundlage bereitstellt, kann durch eins von den Steuer- und Verarbeitungsschaltungen 512 oder dem Datenverarbeitungssystem 514 oder durch beide in Kombination implementiert werden. In einigen Ausführungsformen beispielsweise führen die Steuer- und Verarbeitungsschaltungen 512 eine Vorverarbeitung der Signale der einzelnen Sensoren durch (z. B. mittels Signalaufbereitung, Filterung und/oder Rauschunterdrückung) und übertragen sie an das Oberflächendatenverarbeitungssystem 514, wo die Karte der vereinigten Signale berechnet wird und auf Grundlage dessen durch Strömungen verursachte Schallquellen erkannt und geortet werden. Jedes von den Steuer- und Verarbeitungsschaltungen 512 und dem Oberflächendatenverarbeitungssystem 514 können allgemein in Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert sein, wie etwa mit einem in geeigneter Weise programmierten Universal- oder Spezialcomputer mit z. B. einem Prozessor und zugehörigem Speicher (wie in 6 gezeigt). In verschiedenen Ausführungsformen werden die verarbeiteten akustischen Signale in Verbindung mit Messungen von anderen Sensoren (z. B. Temperatur- und Oberflächenbohrlochdruckmessungen) beurteilt, um die Strömungsbedingungen und die Intaktheit des Bohrlochs insgesamt zu beurteilen.
Alternative Sensorkonfigurationen können eingesetzt werden, um Schallquellenerkennung in einem Wireline-Vermessungsvorgang zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen beispielsweise wird ein verteiltes faseroptisches Kabel anstelle akustischer Punktsensoren verwendet. Das faseroptische Kabel kann dauerhaft im Bohrloch installiert sein, indem es z. B. hinter das Futterrohr geklemmt ist oder in den zementierten Ringraum eingebettet ist. Ein Kanal, der einem Segment des faseroptischen Kabels entspricht, kann optisch abgetastet werden, um umgebende akustische Signale zu erkennen. In dieser Konfiguration entsprechen verschiedene Kanäle in unterschiedlichen Tiefen verschiedenen Akustiksensoren.
Mithilfe eines Wireline-Vermessungswerkzeugs 500 kann das Akustiksensorarray in einer gegebenen Tiefe der Vermessung einen vorgegebenen zweidimensionalen Raum, beispielsweise die Array-Aperturlänge in Tiefenrichtung und einige Fuß in die Formation hinein in radialer Richtung, durchsuchen. Diese Suche kann wiederholt werden, während sich das Array in eine andere Vermessungstiefe bewegt. Mit einem Durchlauf der Wireline-Vermessung kann somit eine Region, die sich über die gesamte Länge des Bohrlochs erstreckt, nach durch Strömung induzierten Schallquellen durchsucht werden. In einigen Ausführungsformen wird das Akustiksensorarray bei einer hohen Vermessungsgeschwindigkeit (z. B. bis zu 60 Fuß (18,288 Meter) pro Minute) betrieben, um zunächst Strömungen mit grober räumlicher Auflösung zu erkennen. Wenn ein oder mehrere Strömungen in bestimmten Tiefen erkannt wurden, können Regionen in diesen Tiefen erneut bei einer geringeren Vermessungsgeschwindigkeit oder im stationären Modus vermessen werden, um die Strömung(en) bei einer feineren räumlichen Auflösung zu orten. In Ausführungsformen, in denen ein Akustiksignal an einem gestreckten Weg abgestrahlt wird (im Gegensatz zu einer Punktquelle), kann der gesamte Strömungsweg in einem zweidimensionalen Raum aus Tiefe und radialem Abstand kartiert werden.
Bezug nehmend auf 6 ist zu erkennen, dass ein System zum Erkennen und Orten unterirdischer Schallquellen auch in einem Bohrsystem für MWD-Vermessungsvorgänge implementiert sein kann. Dies kann z. B. nützlich sein, um Strömungen zum Zweck der Charakterisierung der Formation und der Kohlenwasserstoffvorkommen zu erkennen und das Bohren auf dieser Grundlage zu lenken oder anderweitig anzupassen.
Wie gezeigt, beinhaltet das Bohrsystem eine Bohranlage 600, die an der Oberfläche eines Bohrlochs 604 angeordnet ist, und, getragen von der Bohranlage 600, einen Bohrstrang 606 zum Bohren eines Bohrlochs 608 durch unterirdische Formationen 610. Der Bohrstrang 606 beinhaltet ein Bohrgestänge 612 und, allgemein am unteren Ende des Bohrgestänges 612, eine Bohrgarnitur (BG) 614. Die BG 614 kann den Bohrmeißel 616 und darüber einen oder mehrere Bohrkragen 618, 620 beinhalten, die einen Anzahl verschiedener Werkzeuge und Instrumente beinhalten, die zum Vornehmen von Messungen während des Bohrprozesses angepasst sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet dieses Werkzeug ein Akustiksensorarray 624 (z. B. mit drei oder mehr linear angeordneten Sensoren) und zugehörige Steuer- und Verarbeitungsschaltungen 626 und kann in Kommunikation mit einem Oberflächendatenverarbeitungssystem 628 stehen. Kollektiv stellen das Akustiksensorarray 624 und die Steuer- und Verarbeitungsschaltungen 626 und/oder das Datenverarbeitungssystem 628 Funktionen zum Implementieren der oben beschriebenen Verfahren bereit.
Die vorliegende Offenbarung beinhaltet Ausführungsformen A–C.
Ausführungsform A ist ein Verfahren, das Bewegen eines Sensorarrays, das wenigstens drei Sensoren umfasst, an einem Bohrloch entlang; im Wesentlichen gleichzeitiges Messen akustischer Signale von einer Schallquelle mit jedem der wenigstens drei Sensoren; und Verarbeiten der akustischen Signale in Kombination unter Verwendung einer Arraysignalverarbeitungstechnik umfasst, die adaptive zeitabhängige modellierte Lenkvektorgewichtungen verwendet, um eine Position des akustischen Signals durch eine Tiefe und einen radialen Abstand vom Bohrloch zu identifizieren.
Ausführungsform B ist ein System, das ein Sensorarray, das an einem Bohrloch entlang bewegbar ist und wenigstens drei Akustiksensoren zum im Wesentlichen gleichzeitigen Messen akustischer Signale von einer Schallquelle, die an ihnen empfangen werden, umfasst; und ein nicht transitorisches computerlesbares Medium, das mit Anweisungen codiert ist, die bei Ausführung Vorgänge ausführen: im Wesentlichen gleichzeitiges Messen akustischer Signale von einer Schallquelle mit jedem von wenigstens drei Sensoren in einem Sensorarray, das sich an einem Bohrloch entlang bewegt; und Verarbeiten akustischer Signale in Kombination mithilfe einer Arraysignalverarbeitungstechnik, die einen adaptiven zeitabhängigen modellierten Richtungsvektor beinhaltet, um eine Tiefe und einen radialen Abstand der Schallquelle vom Bohrloch zu bestimmen.
Ausführungsform C ist ein nicht transitorisches computerlesbares Medium, das mit Anweisungen codiert ist, die bei Ausführung Vorgänge ausführen, umfassend: im Wesentlichen gleichzeitiges Messen akustischer Signale von einer Schallquelle mit jedem von wenigstens drei Sensoren in einem Sensorarray, das sich an einem Bohrloch entlang bewegt; und Verarbeiten akustischer Signale in Kombination mithilfe einer Arraysignalverarbeitungstechnik, die einen adaptiven zeitabhängigen modellierten Richtungsvektor beinhaltet, um eine Tiefe und einen radialen Abstand der Schallquelle vom Bohrloch zu bestimmen.
Wahlweise können die Ausführungsformen A, B oder C ferner eins oder mehrere der folgenden umfassen: Element 1: wobei die Akustiksensoren ein lineares Array entlang einer Längsachse des Bohrlochs bilden; Element 2: wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik wenigstens eins, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus räumlicher Filterung, Verzögerungsschätzung und einem Schallenergieverfahren umfasst; Element 3: wobei die Akustiksensoren eins, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem omnidirektionalen Hydrophon, einem Faser-Bragg-Gittersensor, faseroptischem Kabel und einer beliebigen Kombination davon umfassen; Element 4: wobei das Verfahren oder die Vorgänge ferner Berechnen einer Azimutposition der Schallquelle umfassen; Element 5: wobei die akustische Signale eine höhere Frequenz als eine räumliche Überlappungsfrequenz aufweisen, die in der Arraysignalverarbeitungstechnik verwendet wird; Element 6: wobei die akustische Signale eine niedrigere Frequenz als eine räumliche Überlappungsfrequenz aufweisen, die in der Arraysignalverarbeitungstechnik verwendet wird; Element 7: wobei ein stationärer Zustand des Sensorarrays durch Erfüllen von
beibehalten wird, wobei ΔT_n eine Dauer des akustischen Signals ist, r_j eine Position eines ersten Sensors der wenigstens drei Sensoren ist und v_z eine Geschwindigkeit ist, mit der sich der erste Sensor am Bohrloch entlang bewegt; Element 8: Element 7 und wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik Folgendes umfasst: Anwenden einer Operation der Trunkierung von Daten auf die akustischen Signale, um Frames zu erzeugen; Anwenden einer Schätzungsfunktion der Stichproben-Kovarianzmatrix auf die Frames, um eine Stichproben-Kovarianzmatrix zu erzeugen; Anwenden der räumlichen Capon-Spektrumskonstruktionsoperation unter Verwendung der zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen mit fester Gewichtung auf die Stichproben-Kovarianzmatrix, um eine räumliche Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen; und Identifizieren der Position des akustischen Signals auf Grundlage der räumlichen Capon-Spektrumsantwort; und Element 9: wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik Folgendes umfasst: Anwenden einer Framezerlegungsoperation auf die akustischen Signale, um zerlegte Frames zu erzeugen; Anwenden einer Schätzungsfunktion der Stichproben-Kovarianzmatrix auf die zerlegten Frames, um eine Probenmkovarianzmatrix zu erzeugen; Anwenden einer räumliche Capon-Spektrumskonstruktionsoperation unter Verwendung der adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen auf die Stichproben-Kovarianzmatrix, um eine räumliche Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen; Anwenden einer Summierungs- und Normierungsoperation auf die räumliche Capon-Spektrumsantwort, um einen gewichteten Mittelwert der räumlichen Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen; und Identifizieren der Position des akustischen Signals auf Grundlage des gewichteten Mittelwerts der räumlichen Capon-Spektrumsantwort. Beispielhafte Kombinationen beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein: zwei oder mehr der Elemente 1–4 in Kombination; eins oder mehr der Elemente 1–4 in Kombination mit Element 5 oder Element 6; eins oder mehr der Elemente 1–4 in Kombination mit Element 7 (und wahlweise Element 8) oder Element 9; Element 5 oder Element 6 in Kombination mit Element 7 (und wahlweise Element 8) oder Element 9; und Kombinationen davon.
Soweit nicht anders angegeben, verstehen sich alle Zahlen, die Mengen oder Bestandteile, Eigenschaften wie Molekulargewicht, Reaktionsbedingungen und so fort ausdrücken und in der vorliegenden Beschreibung und den zugehörigen Ansprüchen verwendet werden, als mit dem Begriff „etwa” modifiziert. Soweit nicht anders angegeben, sind daher die numerischen Parameter, die in der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen angegeben sind, Annäherungen, die abhängig von den gewünschten Eigenschaften variieren können, nach welchen die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung streben. Zumindest, und nicht im Versuch, die Anwendung der Äquivalenzdoktrin auf den Umfang des Anspruchs einzuschränken, ist jeder numerische Parameter wenigstens unter Berücksichtigung der Anzahl angegebener signifikanter Stellen und unter Anwendung gewöhnlicher Rundungsverfahren auszulegen.
Eine oder mehrere veranschaulichende Ausführungsformen, die die hier offenbarten Ausführungsformen einbeziehen, sind hierin aufgeführt. In dieser Anmeldung werden aus Gründen der Klarheit nicht alle Merkmale einer physischen Implementierung beschrieben oder gezeigt. Es versteht sich, dass bei der Entwicklung einer physischen Ausführungsform, die die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verkörpert, zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie etwa die Einhaltung systembezogener, wirtschaftlicher, vorschriftenbezogener und anderer Einschränkungen, die je nach Implementierung und Zeitpunkt variieren. Obgleich die Bemühungen eines Entwicklers zeitaufwändig sein können, sind diese Bemühungen trotzdem ein routinemäßiges Unterfangen für Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung.
Obwohl Zusammenstellungen und Verfahren hier als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend”, beschrieben wurden, können die Zusammenstellungen und Verfahren auch aus den verschiedenen Komponenten und Schritte „im Wesentlichen bestehen” oder „bestehen”.
Um ein besseres Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, werden die folgenden Beispiele bevorzugter oder repräsentativer Ausführungsformen beschrieben. Die folgenden Beispiele sollten keinesfalls als den Umfang der Offenbarung beschränkend oder definierend verstanden werden.
BEISPIELE
Die hier beschriebenen Verfahren, Systeme und Werkzeugs verbessern die Fähigkeit des Strahlenbündlers, ein Signal mit einer wesentlich höheren Frequenz als seine räumliche Überlappungsfrequenz, die von der Geometrie des physischen Arrays beschränkt wird, zu erkennen und zu orten. Ergebnisse aus Simulationen unter Verwendung dieses Verfahrens, die die Verbesserung zeigen, sind in 7A–7C, 8A–8C und 9A–9C dargestellt.
7A–7C vergleichen die Genauigkeit von (A) eines stationären Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen (übliches Verfahren), (B) eines sich bewegenden Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen (übliches Verfahren) und (C) eines sich bewegenden Sensorarrays mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen (Verfahren der vorliegenden Anmeldung), wobei die Quellenfrequenz (7 kHz) niedriger als die räumliche Überlappungsfrequenz ist.
7B veranschaulicht im Vergleich zu 7A, dass das Bewegen des Arrays bei der Berechnung mit einem Strahlenbündler mit fester zeitunabhängigen modellierten Lenkungsvektorgewichtung die Daten unscharf werden lässt. 7C veranschaulicht, dass die Verfahren, Werkzeuge und Systeme der vorliegenden Offenbarung, die ein sich bewegendes Array und einen Strahlenbündler mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkungsvektorgewichtungen kombinieren, einen Ausgang für die Schallquellenfrequenz bereitstellen, der in Genauigkeit den Bedingungen in 7A gleichkommt. Da sich das Sensorarray in der Praxis bewegt, veranschaulicht dieses Beispiel die Genauigkeit und Anwendbarkeit der hier beschriebenen beispielhaften Verfahren, Werkzeuge und Systeme.
8A–8C vergleichen die Genauigkeit von (A) eines stationären Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, (B) eines sich bewegenden Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen und (C) eines sich bewegenden Sensorarrays mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, wobei die Quellenfrequenz (25 kHz) höher als die räumliche Überlappungsfrequenz ist.
Ähnlich wie bei dem Beispiel aus 7A–7C erzeugt das Kombinieren eines sich bewegenden Arrays und eines Strahlenbündlers mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkungsvektorgewichtungen einen Ausgang für die Schallquellenfrequenz bereitstellen, der in Genauigkeit den Bedingungen in 8A gleichkommt. In diesem Beispiel kann jedoch der Strahlenbündlerausgang aus 8B die Schallquelle nicht mehr orten. Dieses Beispiel veranschaulicht, dass die hier beschriebenen beispielhaften Verfahren, Werkzeuge und Systeme sowohl die Genauigkeit erhöhen als auch die räumliche Überlappung bei der Leckerkennung reduzieren.
9A–9C vergleichen die Genauigkeit von (A) eines stationären Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, (B) eines sich bewegenden Sensorarrays mit festen zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen und (C) eines sich bewegenden Sensorarrays mit adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen, wobei die Quellenfrequenz (47 kHz) wesentlich höher als die räumliche Überlappungsfrequenz ist.
In 9A enthält der resultierende Strahlenbündlerausgang wesentlich mehr Zweideutigkeit aufgrund von wesentlich stärkerer Überlappung als in 8A, was auch bei einem Vergleich von 8B und 9B zu erkennen ist. Unter den Bedingungen von 9C zeigt der dargestellte Strahlenbündlerausgang jedoch, dass die räumliche Überlappungswirkung reduziert wird und das akustische Signal sich leicht orten lässt.
Daher eignet sich die vorliegende Offenbarung gut, um die genannten sowie darin inhärenten Ziele und Vorteile zu erreichen. Die jeweiligen offenbarten Ausführungsformen sind nur veranschaulichend, und die vorliegende Offenbarung kann in unterschiedlicher, aber äquivalenter Weise abgewandelt und ausgeübt werden, wie es für einschlägige Fachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren auf der Hand liegen wird. Darüber hinaus sind hinsichtlich der Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Auslegung keine anderen Einschränkungen als die in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebenen vorgesehen. Es ist somit deutlich, dass die oben offenbarten jeweiligen veranschaulichenden Ausführungsformen geändert, kombiniert oder abgewandelt werden können und dass alle derartigen Variationen als in den Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet werden. Die Offenbarung kann veranschaulichend in geeigneter Weise unter Weglassung beliebiger Elemente, die hier nicht spezifisch offenbart wurden, und/oder beliebiger hier offenbarter fakultativer Elemente ausgeübt werden. Obwohl Zusammenstellungen und Verfahren als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend”, „enthaltend” oder „beinhaltend” beschrieben wurden, können die Zusammenstellungen und Verfahren auch aus den verschiedenen Komponenten und Schritte „im Wesentlichen bestehen” oder „bestehen”. Alle oben offenbarten Zahlen und Bereiche können um eine gewisse Menge variieren. Immer wenn ein numerischer Bereich mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert offenbart ist, ist auch jede Zahl und jeder darin enthaltene Bereich, die bzw. der in diesen Bereich fällt, ausdrücklich offenbart. Insbesondere gilt jeder hier offenbarte Wertebereich (der Form „von etwa a bis etwa b” oder äquivalent „von ungefähr a bis b” oder äquivalent „von ungefähr ab”) als jede Zahl und jeden Bereich aufführend, die bzw. der in den breiter gefassten Wertebereich fällt. Außerdem tragen die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache, gewöhnliche Bedeutung, sowie nicht durch den Patentinhaber ausdrücklich und deutlich anders definiert. Die unbestimmten Artikel „ein”, „eine”, „einer”, „eines”, „einem” in den Ansprüchen sind dabei derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines der Elemente bezeichnen, denen sie vorangestellt sind.

Claims

Verfahren, umfassend: Bewegen eines Sensorarrays, das wenigstens drei Sensoren umfasst, an einem Bohrloch entlang; im Wesentlichen gleichzeitiges Messen akustischer Signale von einer Schallquelle mit jedem der wenigstens drei Sensoren und Verarbeiten der akustischen Signale in Kombination unter Verwendung einer Arraysignalverarbeitungstechnik, die adaptive zeitabhängige modellierte Lenkvektorgewichtungen verwendet, um eine Position des akustischen Signals durch eine Tiefe und einen radialen Abstand vom Bohrloch zu identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Akustiksensoren ein lineares Array entlang einer Längsachse des Bohrlochs bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik wenigstens eins, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus räumlicher Filterung, Verzögerungsschätzung und einem Schallenergieverfahren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Akustiksensoren eins, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem omnidirektionalen Hydrophon, einem Faser-Bragg-Gittersensor, faseroptischen Kabel und einer beliebigen Kombination davon umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend Berechnen einer Azimutposition der Schallquelle.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die akustischen Signale eine höhere Frequenz als eine räumliche Überlappungsfrequenz aufweisen, die in der Arraysignalverarbeitungstechnik verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die akustischen Signale eine niedrigere Frequenz als eine räumliche Überlappungsfrequenz aufweisen, die in der Arraysignalverarbeitungstechnik verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein stationärer Zustand des Sensorarrays durch Erfüllen von
beibehalten wird, wobei ΔT_n eine Dauer des akustischen Signals ist, r_j eine Position eines ersten Sensors der wenigstens drei Sensoren ist und v_z eine Geschwindigkeit ist, mit der sich der erste Sensor am Bohrloch entlang bewegt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik Folgendes umfasst: Anwenden einer Operation der Trunkierung von Daten auf die akustischen Signale, um Frames zu erzeugen; Anwenden einer Schätzfunktion der Stichproben-Kovarianzmatrix auf die Frames, um eine Stichproben-Kovarianzmatrix zu erzeugen; Anwenden der räumlichen Capon-Spektrumskonstruktionsoperation unter Verwendung der zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen mit fester Gewichtung auf die Stichroben-Kovarianzmatrix, um eine räumliche Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen und Identifizieren der Position des akustischen Signals auf Grundlage der räumlichen Capon-Spektrumsantwort.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik Folgendes umfasst: Anwenden einer Framezerlegungsoperation auf die akustischen Signale, um zerlegte Frames zu erzeugen; Anwenden einer Schätzfunktion der Stichproben-Kovarianzmatrix auf die zerlegten Frames, um eine Stichproben-Kovarianzmatrix zu erzeugen; Anwenden einer räumlichen Capon-Spektrumskonstruktionsoperation unter Verwendung der adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen auf die Stichproben-Kovarianzmatrix, um eine räumliche Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen; Anwenden einer Summierungs- und Normierungsoperation auf die räumliche Capon-Spektrumsantwort, um einen gewichteten Mittelwert der räumlichen Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen und Identifizieren der Position des akustischen Signals auf Grundlage des gewichteten Mittelwerts der räumlichen Capon-Spektrumsantwort.
System, umfassend: ein Sensorarray, das an einem Bohrloch entlang bewegbar ist und wenigstens drei Akustiksensoren zum im Wesentlichen gleichzeitigen Messen akustischer Signale von einer Schallquelle, die an ihnen empfangen werden, umfasst und ein nicht transitorisches computerlesbares Medium, das mit Anweisungen codiert ist, die bei Ausführung Vorgänge ausführen: im Wesentlichen gleichzeitiges Messen akustischer Signale von einer Schallquelle mit jedem von wenigstens drei Sensoren in einem Sensorarray, das sich an einem Bohrloch entlang bewegt und Verarbeiten der akustischen Signale in Kombination mithilfe einer Arraysignalverarbeitungstechnik, die einen adaptiven zeitabhängigen modellierten Richtungsvektor beinhaltet, um eine Tiefe und einen radialen Abstand der Schallquelle vom Bohrloch zu bestimmen.
System nach Anspruch 11, wobei die Akustiksensoren ein lineares Array entlang einer Längsachse des Bohrlochs bilden.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik wenigstens eins, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus räumlicher Filterung, Verzögerungsschätzung und einem Schallenergieverfahren umfasst.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Akustiksensoren eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: einem omnidirektionalen Hydrophon, einem Faser-Bragg-Gittersensor, faseroptischem Kabel und einer beliebigen Kombination davon, umfassen.
Nicht transitorisches computerlesbares Medium, das mit Anweisungen codiert ist, die bei Ausführung Vorgänge ausführen, umfassend: im Wesentlichen gleichzeitiges Messen akustischer Signale von einer Schallquelle mit jedem von wenigstens drei Sensoren in einem Sensorarray, das sich an einem Bohrloch entlang bewegt und Verarbeiten akustischer Signale in Kombination mithilfe einer Arraysignalverarbeitungstechnik, die einen adaptiven zeitabhängigen modellierten Richtungsvektor beinhaltet, um eine Tiefe und einen radialen Abstand der Schallquelle vom Bohrloch zu bestimmen.
Nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 15, wobei die Akustiksensoren ein lineares Array entlang einer Längsachse des Bohrlochs bilden.
Nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Anweisungen, die bei Ausführung Operationen durchführen, die ferner Folgendes umfassen: Berechnen einer Azimutposition der Schallquelle.
Nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 15 oder 16, wobei ein stationärer Zustand des Sensorarrays durch Erfüllen von
beibehalten wird, wobei ΔT_n eine Dauer des akustischen Signals ist, r_j eine Position eines ersten Sensors der wenigstens drei Sensoren ist und v_z eine Geschwindigkeit ist, mit der sich der erste Sensor am Bohrloch entlang bewegt.
Nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik Folgendes umfasst: Anwenden einer Operation der Trunkierung von Daten auf die akustischen Signale, um Frames zu erzeugen; Anwenden einer Schätzfunktion der Stichproben-Kovarianzmatrix auf die Frames, um eine Stichproben-Kovarianzmatrix zu erzeugen; Anwenden der räumlichen Capon-Spektrumskonstruktionsoperation unter Verwendung der zeitunabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen mit fester Gewichtung auf die Stichproben-Kovarianzmatrix, um eine räumliche Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen; und Identifizieren der Position des akustischen Signals auf Grundlage der räumlichen Capon-Spektrumsantwort.
Nicht transitorisches computerlesbares Medium nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Arraysignalverarbeitungstechnik Folgendes umfasst: Anwenden einer Framezerlegungsoperation auf die akustischen Signale, um zerlegte Frames zu erzeugen; Anwenden einer Schätzfunktion der Stichproben-Kovarianz auf die zerlegten Frames, um eine Stichproben-Kovarianzmatrix zu erzeugen; Anwenden einer räumliche Capon-Spektrumskonstruktionsoperation unter Verwendung der adaptiven zeitabhängigen modellierten Lenkvektorgewichtungen auf die Stichproben-Kovarianzmatrix, um eine räumliche Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen; Anwenden einer Summierungs- und Normierungsoperation auf die räumliche Capon-Spektrumsantwort, um einen gewichteten Mittelwert der räumlichen Capon-Spektrumsantwort zu erzeugen; und Identifizieren der Position des akustischen Signals auf Grundlage des gewichteten Mittelwerts der räumlichen Capon-Spektrumsantwort.