超声波地下反向散射的检测和评估的制作方法

超声波地下反向散射的检测和评估
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年11月7日提交的美国申请序列号62/932,215的更早提交日期的权益，该美国申请的全部公开内容以引用方式并入本文。


背景技术：

3.声学成像包括用于能源产业以测量或估计地层特性的各种技术。此类技术包括井眼表面的井眼声波成像和井眼超声波成像。例如，超声波成像工具可以部署在井眼中并且用于基于井眼的表面的声学图像获得关于地层特性(诸如岩性和裂缝形态)的信息。


技术实现要素：

4.一种用于估计感兴趣区域的属性的系统的实施方案，该系统包括声学测量装置，该声学测量装置被配置成设置在地层中的感兴趣区域中，该声学测量装置包括发射器和接收器，该发射器被配置成发射具有至少一个选定频率的声学信号，该声学信号被配置成穿透井眼的表面并且从该表面后面的和该感兴趣区域内的地层材料产生内部漫反向散射，该接收器被配置成检测来自该感兴趣区域的返回信号并且产生返回信号数据。该系统还包括处理装置，该处理装置被配置成接收该返回信号数据，处理该返回信号数据以识别指示该内部漫反向散射的内部漫反向散射数据，计算该内部漫反向散射的一个或多个特性，并且基于该内部漫反向散射的该一个或多个特性估计该感兴趣区域的属性。
5.一种估计感兴趣区域的属性的方法的实施方案，该方法包括：在地层中的该感兴趣区域内的井眼中部署声学测量装置，该声学测量装置包括发射器和接收器。该方法还包括：由该发射器发射具有至少一个选定频率的声学信号，该声学信号被配置成穿透该井眼的表面并且从该表面后面的和该感兴趣区域内的地层材料产生内部漫反向散射，以及由该接收器检测来自该感兴趣区域的返回信号并生成返回信号数据。该方法进一步包括：通过处理装置处理该返回信号数据以识别指示该内部漫反向散射的内部漫反向散射数据，计算该内部漫反向散射的一个或多个特性，基于该内部漫反向散射的该一个或多个特性估计该感兴趣区域的属性，以及基于所估计的属性控制能源产业操作的操作参数。
附图说明
6.以下描述不应被认为以任何方式进行限制。参考附图，相同元件以相同附图标记表示：
7.图1描绘了用于评估或测量地层的系统的实施方案；
8.图2a和图2b描绘了声学信号的表面回波的方面；
9.图3描绘了来自地层的感兴趣区域的内部漫反向散射的方面；
10.图4描绘了通过来自地层的感兴趣区域的声学测量信号的反射产生的声学返回信号的示例；
11.图5a至图5d描绘了声学返回信号和与来自地层的感兴趣区域的内部漫反向散射
相关联的声学返回信号的部分的示例；
12.图6描绘了声学返回信号的门控部分的示例；
13.图7描绘了基于图6的门控部分计算的功率谱的示例；
14.图8描绘了发射声学测量信号并处理声学返回信号以估计地层的感兴趣区域的非线性度的方面；
15.图9描绘了发射声学测量信号并处理声学返回信号以估计地层的感兴趣区域的非线性度的方面；
16.图10描绘了估计地层的感兴趣区域的至少一个结构属性的方法的实施方案；并且
17.图11描绘了使用图10的方法产生的感兴趣区域的图像的示例。
具体实施方式
18.本文提供了用于对资源承载地层或地层区域的属性进行声学评估的系统、方法和设备。用于评估感兴趣区域的系统的实施方案包括至少一个发射器装置，该发射器装置被配置成发射具有超声波频率的声学信号(声学测量信号)，该声学信号被配置成穿透井眼壁的表面进入井眼后面和/或周围的感兴趣区域的内部结构中。声学返回信号通过与发射器装置周围的环境相互作用而产生。
19.在一个实施方案中，该系统包括至少一个接收器装置，该接收器装置被配置成检测声学返回信号，生成返回信号数据并处理返回信号数据以识别指示来自感兴趣区域的内部结构特征的声学内部漫反向散射(称为“内部漫反向散射”)的内部漫反向散射数据。内部漫反向散射用于基于内部漫反向散射的一个或多个特性来估计感兴趣区域的结构属性。
20.图1示出了系统10的示例性实施方案的方面，该系统用于执行能源产业操作(例如，地下操作和/或勘测)，诸如地层测量和/或评估、油气生产、完井和增产。系统10包括井眼柱12(诸如管柱)、连续油管、测井电缆或被设置在井眼14中的其它载具，该载具适用于将工具或其它部件下降穿过井眼或将部件连接至地表。井眼14可以是如图1所示的竖直井眼，但不限于此。井眼或其部分可以是竖直的、偏斜的、水平的，并且可以具有通过地层的任何选定路径。
21.在图1的实施方案中，系统10被配置为测井系统，该测井系统包括经由测井电缆18设置在井眼14中的测井组件或测井工具16。应注意，测井工具16不限于此，因为测井工具16可以被配置成用于和部署为任何其它类型的系统的一部分，诸如钻柱中的随钻测量(mwd)或随钻测井(lwd)系统。
22.地表部署系统包括地表控制单元20，用于控制绞盘22或从钻井架24、平台、井口和/或其他地表结构降下测井电缆18的其他部署装置。系统10可以包括用于促进测量操作和/或促进其它能源操作的各种其它部件。例如，系统10可以包括与流体罐或其它流体源流体连通的泵送装置，用于将流体循环通过井眼14。系统10还可以包括钻井组件，该钻井组件包括钻柱、井底组件和钻头。井底组件可以包括地层评估传感器(fe工具)、旋转导向系统、泥浆马达和/或通信装置(例如，例如泥浆脉冲发生器)。地层评估传感器可以包括声学传感器、电阻率传感器、伽马传感器、nmr传感器、采样工具、压力传感器、密度传感器(核)和/或其它传感器或测量装置。因此，测量操作可以结合各种能源产业操作(诸如钻井操作、增产操作(例如，水力压裂和蒸汽举升)、完井操作和生产操作)来执行。
23.测井工具16可以被配置为作为声学测量和/或监测系统的一部分的数据采集工具。测井工具16可以包括存储器，该存储器用于在测井工具16处于井眼14内部的同时在测井工具16内存储获取的数据。在另选的实施方案中，获取的数据存储在地表位置处(例如在地表控制单元20内部)的存储器中。测井工具16设置在井眼14中并且前进到对应于感兴趣区域的选定位置，该感兴趣区域包括地层26的至少一部分。地层26可以是资源承载地层。测井工具16被配置成将声学测量信号发射到感兴趣区域和地层26中以估计其特性。
24.测井工具16包括声学测量组件，该声学测量组件具有一个或多个声学单极和/或多极发射器或收发器装置28，该装置发射超声波信号和/或其他声学信号作为能量脉冲(也称为“测量信号”或“声学信号”)。一个或多个声学接收器或收发器装置30设置在工具16处，用于接收由于声学测量信号与发射器装置28周围的环境之间的反射和其它相互作用而产生的返回信号(也称为回波)。接收器装置30和发射器装置28可以以允许对感兴趣区域进行超声波测量的任何合适的方式进行配置。例如，声学测量组件可以包括旋转声换能器或电旋转超声波声束的相控阵换能器。旋转是指围绕工具16的纵向轴线旋转或围绕井眼14的纵向轴线旋转。
25.接收器装置30和发射器装置可以被配置为脉冲回波换能器和/或一发一收换能器。当以脉冲回波模式操作时，使用一个换能器，并将其用作发射器和接收器(收发器)。当以一发一收模式操作时，一个换能器被配置为发射器并发射声学测量信号作为声学脉冲(例如超声波脉冲)，而另一换能器表现为接收器并且收集由于声学脉冲的反射而产生的返回信号。接收器可以包括使用压电晶体的压电接收器。发射器可以包括使用压电晶体的压电发射器。
26.声学测量组件可以具有各种布置和数量的发射器和接收器。例如，布置可以包括发射多个频率的一个或多个发射器，和/或包括沿着测井工具16排列的多个换能器以检测反向散射。
27.测井工具16和/或其他井下部件与一个或多个处理单元或装置(诸如包括处理器的井下电子单元32和/或地表处理器(诸如地表控制单元20))通信。(一个或多个)处理装置被配置成执行各种功能，包括接收、存储、传输和/或处理来自工具16的数据。处理装置包括任何数量的合适部件，诸如处理器、存储器、通信装置和电源。通信可以通过任何合适的配置来实现，诸如声学、电气或光学通信、无线通信和泥浆脉冲遥测。例如，在工具16中包括的装置之间、在钻柱中的井底组件中的不同工具之间或在工具16与地表控制单元之间进行通信。
28.在钻井操作中，在一个实施方案中，可以通过顶部驱动器或旋转台驱动钻柱来旋转钻柱。钻柱将旋转传递给钻头，该钻头切割地层材料(例如，岩石)并以一定的穿透速度传播到地层中。工具16与旋转钻柱一起旋转，并以一定的穿透速度穿过地层，同时在增加的深度(起钻时为减小的深度)处执行声学测量。声学信号由发射器发射到周围的地层中，并且声学返回信号由接收器从井眼表面和井眼周围的地层内的感兴趣区域接收。获取的测井数据通常是基于时间的，因为井下深度通常是未知的。获取的测井数据可以由工具16中的处理器在井眼中处理。在另选的实施方案中，通过使用泥浆脉冲遥测或另选的通信装置(例如，有线管道)将获取的数据传输到地表，从而提供实时数据。一旦在地表接收到获取的数据，可以由地表处理器进一步处理获取的数据，并分配深度。先进的技术可以允许井下的深
度赋予(井下深度)。具有井下可用的基于深度的数据提供了自动钻井控制，而无需从地表远距离传输到井眼中的井底组件(下行链路)的钻井控制信息。通过自动钻井控制，实现最佳井位的井下自动化地质导向变得可行。
29.在一个实施方案中，系统10被配置成对远离井眼14的表面并在该表面之后的感兴趣区域的结构特征的属性进行成像或者以其他方式进行估计。此类特征在本文中被称为“内部结构特征”。内部结构特征可以与测井工具16周围的体积中的其它特征(诸如，井眼流体的特征、设置在井眼14中的部件的特征、地层的流体属性和井眼表面(例如，裸井眼或套管的壁或)特征)不同。测井工具16被配置成基于远离井眼14的表面并在该表面之后的感兴趣区域内的声学信号(例如，超声波信号)的内部漫反向散射(内部漫反向散射)来估计内部结构特征。术语“远离井眼的表面并在该表面之后的”是指来自对应于进入井眼14周围的地层的探测深度(doi)的位置或区域的声学信号。典型的doi可以在约几厘米至约一米的范围内。在一些实施方案中，doi可以是约1cm至约10cm。在其它实施方案中，doi可为约1cm至约5cm。在另外的实施方案中，doi可以是约1cm至约3cm。doi在垂直于工具16的纵向轴线的方向上测量，或者另选地，在垂直于井眼14的纵向轴线的方向上测量。
30.如上文所述，在一个实施方案中，系统10被配置成使用超声波或超声频率对感兴趣区域的内部结构特征进行成像或估计。超声波频率可以被分类为高于约20khz的频率。与低于20khz的声波频率相反，超声波频率允许检测和评估相对小的结构特征(例如，微结构)。小结构特征可以指厘米范围内的特征。在一些实施方案中，小结构特征可以指毫米范围内的特征。在另外的实施方案中，小特征可以指微米范围内的特征。
31.例如，在低于20khz的声波频率和大于175mm的波长下，地层中岩石的颗粒结构有效地呈现连续的均匀波介质，其中相干波衰减的主要来源是耗散性的。使用这种频率的声波仪器测量声波速度、衰减和允许的声学模式，以约1000mm的分辨率来表征地层，但是没有解决岩石的微结构特征。如本文所用，术语“岩石”是指地层材料中的岩石材料。
32.相反，发射器装置28被配置成在产生内部漫反向散射的超声波频率下发射声学信号。选择超声频率以具有参数kd的有利值，该参数是声学信号的波数k与粒度d(例如，地层材料中的颗粒尺寸或孔隙尺寸)的乘积。在一个实施方案中，基于地层的粒度特性选择频率，使得kd小于约2。
33.例如，发射器装置28被配置成发射声学信号，该声学信号具有以下属性：具有大于约500khz的超声波频率，具有约7mm数量级的一个或多个波长，并且具有约0.2250的kd值。在此示例中，超声波场(声学信号)与岩石的颗粒微结构相互作用，使得波衰减(声学信号衰减)通过漫散射增强。这允许通过测量来自岩石内的漫超声波场特性来表征岩石微结构。在一个实施方案中，发射器装置28被配置成发射具有介于约250khz到约1mhz之间的频率的声学信号，已经发现这对于在具有高度衰减性的钻井液中操作的工具是实用的。
34.除了发射具有上述特性的超声波声学信号之外，测井工具16被配置成检测声学返回信号并处理声学返回信号以识别或分离并且评估表示内部漫反向散射的返回信号的成分。如下文进一步讨论的，内部漫反向散射是声学返回信号的许多成分之一。
35.除了内部漫反向散射之外，返回信号还包括来自井眼14的表面的反射信号(回波)，该反射信号包括表面镜面回波和漫射表面回波。现有的脉冲回波测井电缆和lwd超声波裸井成像仪器可通过捕获此类表面反射信号并记录其振幅和传播时间来探测井眼14的
表面。
36.图2a和图2b分别示出了由声学测量信号40产生的镜面回波和漫射表面回波的方面。如图所示，表面镜面回波42源自具有光滑表面的相对大和/或规则形状的表面特征。这些回波强度相对高并且是角度相依性的。漫射表面回波44源自相对小、弱反射性的和/或不规则形状的特征，并且角度相依性较少，强度较低。镜面回波也称为镜面反射。漫射表面回波也称为漫射表面反射。
37.镜面反射是井眼流体与地层声阻抗之间的对比度的函数，而漫射表面反射由井眼表面纹理主导。所得的振幅图像可以指示穿过井眼的层面和裂缝以及井眼的表面粗糙度。
38.包括检测器和处理装置(其可与检测器结合在接收器装置30内或远离检测器设置)的接收器装置30被配置成处理返回信号数据以将指示表面回波的数据与指示内部漫反向散射的数据区分或分离。内部漫反向散射的示例如图3所示。在此示例中，根据本文描述的实施方案产生的返回信号46包含由于由颗粒、空隙和其它微结构50引起的反射而在地层区域的主体内产生的内部漫反向散射48。术语内部漫反向散射也称为内部漫反射回波或内部漫反射。检测器包括传感器。传感器可以包括压电晶体。
39.返回信号46可以被门控和/或以其它方式处理以分离代表内部漫反向散射的成分。在一个实施方案中，通过选择与内部漫反向散射相关联的特定时间长度来对返回信号46进行门控。门控由处理装置控制。
40.这由图4示出，图4示出了包括超声波时域(tx)信号脉冲52的声学测量信号的示例，该声学测量信号在与测井工具周围的地层体积相互作用之后产生反向散射信号或声学返回信号54。测量信号可以具有单个频率或多个频率。返回信号54被示出为时域波形，该时域波形具有主要由表面反射引起的第一部分56和主要由内部漫反向散射引起的第二部分58。通过正确门控波形(即，分离时间轴的选定长度)，可以识别指示内部漫反向散射(地下反向散射)的波形的第二部分58。然后可以评估该部分以估计感兴趣区域的一个或多个结构特征。
41.图5a至图5d示出了通过朝向具有不同微结构的地层材料发射单个超声波脉冲而产生的声学返回信号54的示例。在图5a中，声学返回信号54取自厚的零孔隙度反射体。信号54仅包含表面反射，并且因此由具有很少或没有后续波能的返回脉冲主导。
42.图5b示出了来自低密度材料的返回信号54。在该示例中，信号包括高能量初始部分和不同的尾部部分，该高能量初始部分包括对应于表面反射的初始脉冲，该尾部部分对应于来自感兴趣区域中的内部结构特征的内部漫反向散射。图5c和图5d分别示出了来自中密度材料和高密度材料的返回信号54。
43.如上所示，通过分离(门控)并分析如本文所讨论的超声波声学返回信号的尾部部分，可以估计地层材料的内部结构特征，诸如密度和孔隙度。
44.可以以多种方式执行对内部漫反向散射进行识别和分析。分离和表征内部漫反向散射的技术描述如下。每个技术包括处理返回信号以估计内部漫反向散射的特性或属性，然后将该特性或属性与感兴趣区域的一个或多个内部结构特征(诸如，密度、孔隙度和/或脆度)相关联。
45.参考图6，在一个实施方案中，系统门控并分析声学返回信号以估计声学返回信号的衰减特性。在此实施方案中，选择并比较时域返回信号的尾部部分的多个区段或部分，以
估计衰减。例如，通过选择跟随具有高能量返回脉冲的初始部分的两个部分来对时域返回信号60进行门控。两个部分表示为第一时域返回信号区段s1和第二时域返回信号区段s2。s1的门控间隔用τw表示，s2的门控间隔用τ
st
表示。如下文进一步讨论的，以不同的方式比较这些部分，以估计声学返回信号的衰减特性，然后可以使用该衰减特性来估计感兴趣区域的一个或多个结构属性。图6所示的时间间隔τd包括换能器响应的强信号，这是特定换能器(或者特定发射器)的特性。为了在处理步骤中从声学返回信号中提取内部结构特征的信息，需要将换能器响应与声学返回信号的尾部部分(s1和s2)分离。通过仅处理时间间隔τw和τ
st
中的返回信号来实现分离，其中时间间隔τs在τw和τ
st
之间。时间间隔τd可以通过使用完美或接近完美的均匀反射器(例如玻璃或钢)进行的参考测量来获得。
46.在一个实施方案中，接收器装置30通过执行频谱差衰减分析来估计衰减值。分析结果为衰减系数α，该衰减系数可以与地层结构属性相关联。
47.该分析包括选择声学返回信号的两个区段，这两个区段与距感兴趣区域中的井眼表面不同空间距离相关联。例如，一旦选择了区段s1和s2的基于时间的返回信号，就使用傅立叶变换为每个区段s1和s2计算作为频率(f)的函数的功率谱。区段s1的功率谱被表示为p1(f)，并且区段s2的功率谱被表示为p2(f)。衰减系数函数α(f)基于以下等式估计：
[0048][0049]
其中δz是从发射器到第一返回信号区段s1的距离(沿着超声波信号的方向或纵向方向)和从发射器到第二返回信号区段s2的距离之差。衰减系数α被计算为系数函数α(f)的最佳拟合直线的斜率.距离z以米(m)为单位，并且被定义为在时间间隔内的声学信号的传播距离。δz是从发射器到第一返回信号区段s1的距离和从发射器到第二区段s2的距离之差。δz可以通过将第一返回信号区段s1和第二返回信号区段s2之间的时间差乘以声速来计算。时间差由与第一返回信号区段s1相关联的时间长度τw内的代表性时间和与第二返回信号区段s2相关联的时间长度τ
st
内的代表性时间之间的时间差来定义。根据本公开的实施方案，非限制性地，与第一返回信号区段和第二返回信号区段相关联的时间长度内的代表性时间可以是门控返回信号的选定时间长度(τw和τ
st
)的中心时间。代表性时间的其他定义是可能的，并且不改变等式(1)。
[0050]
图7示出了可以从返回信号60计算的不同距离z处的功率谱的示例。如图所示，任何数量n的返回信号区段(s1、s2、s3、sn)和相关联的功率谱(p1、p2、p3、pn)可以用来计算衰减系数。在一些实施方案中，可以使用对数功率谱代替功率谱的使用。功率谱或对数功率谱也可以称为频谱。使用功率谱或对数功率谱，本文公开的所有等式都是成立的。
[0051]
在一个实施方案中，接收器装置30通过估计功率谱的频谱质心偏移和/或表观频谱质心偏移来估计声学返回信号的衰减。在该实施方案中，接收器装置30估计频谱质心，该频谱质心以与能量中心或质量中心计算类似的方式来计算。频谱质心被计算为频谱质心频率(fc)，该频谱质心频率对应于信号60的返回信号区段(si)中每个频率(fi)的加权平均值。例如，频谱质心频率(fc)计算如下：
[0052][0053]
其中fi是频率i1和i2之间的中心频率，p(fi)是给定频率fi下的功率谱，并且δf是最低频率和最高频率之差。
[0054]
为了获得衰减偏移(α)，从第二区段(f
c2
)的频谱质心频率减去第一区段(f
c1
)的频谱质心频率。例如，表观频谱质心偏移衰减计算如下：
[0055][0056]
其中，σ2是用于测量返回信号的换能器的频谱带宽(方差)。在一些实施方案中，σ2是接收器的频谱带宽或发射器的频谱带宽。
[0057]
另选地，除了f
c1
取自对应于表面镜面回波的区段或窗口，可以类似于表观频谱质心偏移衰减来计算频谱质心偏移衰减。
[0058]
在一个实施方案中，接收器装置30被配置成估计内部漫反向散射差异参数，该参数用于估计感兴趣区域的结构属性。在此实施方案中，从信号的两个不同门控部分(例如，s1和s2)获得功率谱。减去功率谱(以db为单位)以获得内部漫反向散射差异频谱d(f)。
[0059]
可以计算差异频谱的统计属性以估计结构属性。例如，通过在分析带宽上对d(f)进行频率平均，获得内部漫反向散射差异频谱的平均值(mbd)。通过在相同带宽上测量d(f)的频率斜率，获得内部漫反向散射差异频谱的斜率(sbd)。来自内部漫反向散射信号的第一门控部分和第二门控部分(返回信号区段)的功率谱p1(f)和p2(f)被转换成分贝并相减以获得差异频谱d(f)：
[0060][0061]
在一个实施方案中，分析信号的熵特性以估计结构属性。熵可用于分析原始射频(rf)超声信号，以定量表征散射介质的微结构的变化。此类特性包括，例如，加权熵和谱熵。在声学测井中，术语rf信号或rf波形指的是在将任何类型的滤波器(包络滤波器、卡尔曼滤波器等)应用于时域信号或时域波形之前的时域信号或时域波形。
[0062]
在一个实施方案中，为了增加接收器装置30的灵敏度，可以估计加权熵。加权熵可以表示为：
[0063][0064]
其中y是时间序列数据的幅度，w(y)是时间序列数据(原始超声波rf数据)的概率分布函数(pdf)，并且y
min
和y
max
表示时间序列数据的最小值和最大值。pdf可以表示为
[0065][0066]
其中an是傅立叶系数的级数，并且n
co
表示级数中的有限数目的项。加权指的是选择幅度分辨率δy和n
co
以获得检测超声散射浓度变化的最佳灵敏度。例如，对于n
co
＝[0，2，4，8，16，32，64，128]和δy＝[0.01，0.02，0.04，...0.25]，选择归一化rf幅度的δy为0.02，并且nco为64。
[0067]
在一个实施方案中，接收器装置计算返回信号的谱熵(s)。计算返回信号的功率谱，并且将该功率谱归一化以计算归一化功率谱pn(fi)。通过设置归一化常数cn来计算归一化功率谱，使得在选定频率区域[f1，f2]上的归一化功率谱之和等于1：
[0068][0069]
对应于频率范围[f1，f2]的谱熵s被计算为和：
[0070][0071]
熵值s被归一化到1(最大不规则性)和0(完全规则性)之间的范围。该值除以因子log(n[f1，f2])，其中n[f1，f2]等于范围[f1，f2]中频率分量的总数：
[0072][0073]
归一化谱熵sn可以以各种方式表达。例如，归一化谱熵sn可以是总谱熵(整个返回信号的熵)，内部漫反向散射谱熵(整个内部漫反向散射信号的熵)和/或内部漫反向散射差异熵(针对返回信号的不同门控部分计算的熵之间的差)。
[0074]
图8和图9示出了可以计算并用于估计感兴趣区域的结构属性的信号特性的附加示例。在这些示例中，接收器装置30通过估计两个返回脉冲或回波之间的差异来计算区域的线性指数或指示非线性度的其它值，其中脉冲相对于彼此反向。反向返回脉冲可以通过，例如，使用反向调频激励或使用宽发射脉冲进行发射来生成。
[0075]
如图8所示，可以使用宽激励脉冲70激励发射器装置28，这导致两个反向脉冲a1和a2。使用返回脉冲a1的第一个上升沿和脉冲a2的第一个下降沿使脉冲时间同步。如果产生内部漫反向散射的介质(感兴趣区域)是线性的，当时间同步和求和时，两个脉冲的和将为零。然而，如果介质是非线性的，则脉冲将不会抵消。因此，可以检测岩石样品的相对非线性度。
[0076]
在图8的示例中，通过计算时间同步的返回脉冲a1和a2的和来估计非线性值或指数。在用反向或半振幅发射脉冲激励换能器后，可以通过检测来自岩石内的内部漫反向散射来估计非线性度。
[0077]
在图9的示例中，发射第一脉冲72和第二脉冲74。第二脉冲74是第一脉冲72的半振
幅复制品。这些脉冲产生第一返回脉冲76(第一返回信号区段)和第二返回脉冲78(第二返回信号区段)，该第一返回脉冲和第二返回脉冲可以是时间同步的。第二返回脉冲78乘以2，并且与第一返回脉冲76相加。
[0078]
如果感兴趣的区域是线性的(例如，高密度岩石)，该区域的结构对正压和负压的响应相同，并反射回相等但相反的回波(第一返回信号区段和第二返回信号区段)，这些回波将被抵消。任何非线性目标(诸如具有流体填充孔隙的低密度岩石)以具有相长相加的不同相的高阶谐波响应来响应。因此，该总和提供可以与特征(诸如密度或孔隙度)相关联的非线性指数。
[0079]
如上文所指，发射器装置28可以被配置成发射具有多个频率的声学测量信号。在一个实施方案中，可以通过比较由不同频率声学测量信号生成的返回信号来估计感兴趣区域的结构特性。例如，已经发现，砂岩岩石中400khz至2mhz超声传播是频率相依性的，并且当kd的值在0.2附近变化时，内部漫反向散射的振幅将变化。可以测量两个频率(例如，500和750khz)处的内部漫反向散射信号的熵作为检测岩石基质中的物理差异的手段。
[0080]
例如，比较与第一频率相关联的返回信号的熵和与第二频率相关联的返回信号的熵，并且该差异与结构特征(诸如密度和孔隙度)相关联。此外，由于介入的钻井泥浆可能对内部漫反向散射信号具有显著影响，因此在两个频率下操作提供了校正这种影响的手段。
[0081]
本文描述的实施方案不限于用于估计内部结构特征，因为本文所描述的激励、检测和处理方法可以用于其他目的。例如，通过门控在表面反射脉冲之前接收的返回信号的部分，返回信号数据可以用于检测井眼流体的非线性。例如，可以类似于上文所讨论的那样对表面脉冲之前的信号数据进行门控和分析，以估计非线性指数，该非线性指数可以与流体特性(诸如泥浆钻屑和气体的存在)相关联。在另一个实施方案中，类似的检测方法可用于评估套管后面的水泥的特性(例如，密度、孔隙度)。
[0082]
图10示出了用于估计地层的结构特性和/或执行能源产业操作方面的方法100。方法100包括一个或多个阶段101-105。本文结合接收信号的处理器(例如，接收器装置30和/或地表控制单元20)描述方法100，但该方法不限于此，并且可以结合任何数量的处理装置来执行。在一个实施方案中，尽管可以以不同顺序执行一些步骤或可以省略一个或多个步骤，但阶段101-105按所描述的顺序执行。
[0083]
在第一阶段101中，成像工具或测井工具(诸如测井工具16)设置在地层中的井眼中。测井工具16可以包括单独的发射器装置28和接收器装置30(其可以位于同一位置或者位于沿井眼的不同位置)，或用于发射和检测声学信号的单个换能器装置。
[0084]
在一个实施方案中，接收器装置30是相位不敏感的换能器，该换能器检测反向散射能量(返回信号)的总量，不会由于相位抵消而导致信号退化，并且对入射角的灵敏度降低。在一个实施方案中，接收器装置30和发射器装置28被配置为多级换能器以消除粘滑和粘拉图像伪影。此类换能器在2017年9月19日授予的美国专利第9，766，363b2号中有更详细的讨论，该专利的全部内容以引用方式并入本文。
[0085]
在第二阶段102中，包括一系列时域脉冲的超声波声学测量信号被发射到感兴趣区域，例如资源承载地层或其它地层的区域。可以使用一个或多个发射器(诸如一个或多个发射器装置28或任何其它合适的相控阵发射器或旋转发射器)来发射声学测量信号。测量信号包括一个或多个频率，该一个或多个频率被选择用来穿透井眼的表面并进入感兴趣区
域的内部结构，并且生成包括对应于内部漫反向散射的成分的返回信号。在一个实施方案中，一个或多个发射器装置可利用编码激励来增加岩石内的超声穿透以增强反向散射的信噪比。
[0086]
检测器(诸如一个或多个接收器装置30中的检测器)检测声学返回信号。
[0087]
在第三阶段103中，通过门控返回信号来处理返回信号，以区分或分离与内部漫反向散射相关联的返回信号的部分。例如，返回信号的多个部分被门控，并且与估计的信号特性(诸如，如上文所讨论的衰减、熵、线性和频率差)进行比较。
[0088]
在一个实施方案中，基于所估计的特性生成图像日志。图11中示出了图像日志110的示例。图像日志110可以包括二维和/或三维分量。例如，图像日志110包括第一图像层112和第二图像层114，该第一图像层和第二图像层示出作为深度(沿井眼的长度)和角位置的函数的表面反射特性。第三图像层116示出了可以与结构特征相关联的内部漫反向散射特性(例如，衰减值、线性指数)。
[0089]
同样如图11所示，图像日志可以被转换成三维图像118，该三维图像显示了井眼表面、井眼内部和感兴趣区域的内部结构的特征。可以生成另外的图像，例如与井眼轴线正交的平面中的二维图像120。
[0090]
在第四阶段104中，基于上述内部漫反向散射信号特性中的一个或多个特性来估计感兴趣区域的一个或多个结构特征。例如，如果信号特性和/或图像数据包括衰减或线性的值或分布，则此类特性和/或图像数据可以与结构特征(诸如岩石密度、孔隙度、渗透率和脆度)相关联。
[0091]
在一个示例中，具有绝对值的信号特性可以与密度和孔隙度的值直接相关联，并且具有统计值的特性可以与渗透率和脆度这样的属性相关联。
[0092]
在第五阶段105中，表示结构属性的图像和数据用于促进和/或控制其它操作，诸如建模和规划、钻井、增产和生产。例如，可以将图像日志数据显示给操作者或输入到另一过程或程序，该另一过程或程序基于图像日志数据改变或控制能源产业操作的操作参数。
[0093]
例如，图像和数据可以用于生成或开发数学模型，诸如地质模型、相模型、结构模型、压裂模型、生产模型和钻井导航模型。它们还可以与其它测量结果(诸如地面和竖直井眼地震结果、活动和微震解释结果以及使用其他测量技术(例如电阻率、孔隙度、伽马射线、密度、中子和其他测量值)的储层表征结果)结合使用。另外，结构数据和图像可以用于改进对于技术(诸如地表地震和微震测量技术)的解释结果。
[0094]
可以使用结构数据和图像改进的其它操作包括钻井操作，该钻井操作可以基于结构属性而引导到，例如，具有高烃浓度的目标区域。另外，例如通过将射孔和压裂位置置于热点或可使用结构数据提供更高产量的其它区域中，可增强增产规划和操作。例如，操作员或处理装置(诸如控制单元20)可以基于估计的结构特征操纵或以其他方式控制钻井组件的方向，和/或控制其他参数(诸如流体流速和钻压)。在另一示例中，控制单元20或其它处理装置可以选择、控制或调整生产部件(例如，砂筛)或增产部件(例如，射孔和/或压裂组件)将被定位的一个或多个位置，以最大化或以其它方式增加井眼的生产能力。
[0095]
本文所描述的实施方案提供了许多优点。例如，本文描述的各种特征和实施方案用于改进测井电缆和lwd操作中的声学测量工具的性能。现有的脉冲回波测井电缆和lwd超声波裸井成像仪器通过捕获来自井眼壁表面的回波并记录其振幅和传播时间来探测井眼
表面，但没有评估来自地层内的漫反向散射来探测井眼周围的岩石地层的内部微结构。
[0096]
除了提供额外的结构信息之外，由于相对小的超声波点尺寸和增加的景深能力，相比于当前从现有井眼核和声学工具可获得的空间分辨率，本文所描述的实施方案可以大大提高这些岩石属性的空间分辨率。
[0097]
下面示出了前述公开的一些实施方案：
[0098]
实施方案1：一种用于估计感兴趣区域的属性的系统，所述系统包括：声学测量装置，所述声学测量装置被配置成设置在地层中的感兴趣区域中，所述声学测量装置包括发射器和接收器，所述发射器被配置成发射具有至少一个选定频率的声学信号，所述声学信号被配置成穿透井眼的表面并且从所述表面后面的和所述感兴趣区域内的地层材料产生内部漫反向散射，所述接收器被配置成检测来自所述感兴趣区域的返回信号并且产生返回信号数据；和处理装置，所述处理装置被配置成接收所述返回信号数据，所述处理装置被配置成：处理所述返回信号数据以识别指示所述内部漫反向散射的内部漫反向散射数据；计算所述内部漫反向散射的一个或多个特性；以及基于所述内部漫反向散射的所述一个或多个特性估计所述感兴趣区域的属性。
[0099]
实施方案2：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述属性选自构成所述感兴趣区域的地层材料的密度、孔隙度、渗透率和脆度中的至少一者。
[0100]
实施方案3：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述处理装置被配置成通过门控在与表面反射相关联的所述返回信号数据中的一个或多个初始脉冲之后出现的所述返回信号数据的一部分来识别内部漫反向散射数据。
[0101]
实施方案4：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述处理装置被配置成门控在所述一个或多个初始脉冲之后出现的所述返回信号数据的第一部分和所述返回信号数据的第二部分。
[0102]
实施方案5：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述处理装置被配置成计算所述第一部分的第一功率谱和所述第二部分的第二功率谱，以及基于所述第一功率谱和所述第二功率谱之差计算衰减值，所述衰减值与所述属性相关联。
[0103]
实施方案6：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述处理装置被配置成计算所述第一部分的第一频谱和所述第二部分的第二频谱，估计所述第一频谱的第一频谱质心频率和所述第二频谱的第二频谱质心频率，以及基于所述第一频谱质心频率和所述第二频谱质心频率之差计算频谱质心频率偏移，所述频谱质心频率偏移与所述属性相关联。
[0104]
实施方案7：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述处理装置被配置成计算所述返回信号数据的门控部分的概率分布函数，基于所述概率分布函数估计熵值，所述熵值与所述属性相关联。
[0105]
实施方案8：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述声学信号包括至少两个脉冲，所述至少两个脉冲被配置成从所述感兴趣区域内的结构作为至少第一返回脉冲和第二返回脉冲反射，所述第一返回脉冲相对于所述第二返回脉冲反向。
[0106]
实施方案9：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述处理装置被配置成使所述第一返回脉冲和所述第二返回脉冲时间同步，以及基于所述第一返回脉冲和所述第二返回脉冲的振幅之和来估计所述感兴趣区域的非线性度，所述非线性度与所述属性相关联。
[0107]
实施方案10：根据任一前述实施方案所述的系统，其中所述声学信号包括具有第
一频率的第一声学信号和具有第二频率的第二声学信号，并且所述处理装置被配置成估计所述第一声学信号的内部漫反向散射的能量和所述第二声学信号的内部漫反向散射的能量之差。
[0108]
实施方案11：一种估计感兴趣区域的属性的方法，所述方法包括：在地层中的所述感兴趣区域内的井眼中部署声学测量装置，所述声学测量装置包括发射器和接收器；由所述发射器发射具有至少一个选定频率的声学信号，所述声学信号被配置成穿透所述井眼的表面并且从所述表面后面的和所述感兴趣区域内的地层材料产生内部漫反向散射；由所述接收器检测来自所述感兴趣区域的返回信号并且生成返回信号数据；通过处理装置处理所述返回信号数据以识别指示所述内部漫反向散射的内部漫反向散射数据；计算所述内部漫反向散射的一个或多个特性；基于所述内部漫反向散射的所述一个或多个特性估计所述感兴趣区域的属性；以及基于所估计的属性控制能源产业操作的操作参数。
[0109]
实施方案12：根据任一前述实施方案所述的方法，其中所述属性选自所述感兴趣区域内的地层材料的密度、孔隙度、渗透率和脆度中的至少一者。
[0110]
实施方案13：根据任一前述实施方案所述的方法，其中处理所述返回信号数据包括门控在与表面反射相关联的所述返回信号数据中的一个或多个初始脉冲之后出现的所述返回信号数据的一部分。
[0111]
实施方案14：根据任一前述实施方案所述的方法，其中处理所述返回信号数据包括门控在所述一个或多个初始脉冲之后出现的所述返回信号数据的第一部分和所述返回信号数据的第二部分。
[0112]
实施方案15：根据任一前述实施方案所述的方法，其中所述内部漫反向散射的所述一个或多个特性包括衰减值，所述衰减值通过以下来计算：计算所述第一部分的第一频谱和所述第二部分的第二频谱，以及基于所述第一频谱和所述第二频谱之差来计算所述衰减值。
[0113]
实施方案16：根据任一前述实施方案所述的方法，其中所述内部漫反向散射的所述一个或多个特性包括衰减值，所述衰减值通过以下来计算：计算所述第一部分的第一频谱和所述第二部分的第二频谱，估计所述第一频谱的第一频谱质心频率和所述第二频谱的第二频谱质心频率，以及基于所述第一频谱质心频率和所述第二频谱质心频率之差计算频谱质心频率偏移。
[0114]
实施方案17：根据任一前述实施方案所述的方法，其中所述内部漫反向散射的所述一个或多个特性包括熵值，所述熵值通过计算所述返回信号数据的门控部分的概率分布函数来计算。
[0115]
实施方案18：根据任一前述实施方案所述的方法，其中所述声学信号包括至少两个脉冲，所述至少两个脉冲被配置成从所述感兴趣区域的结构作为至少第一返回脉冲和第二返回脉冲反射，所述第一返回脉冲相对于所述第二返回脉冲反向。
[0116]
实施方案19：根据任一前述实施方案所述的方法，其中处理所述返回信号数据包括使所述第一返回脉冲和所述第二返回脉冲时间同步，并且计算所述内部漫反向散射的所述一个或多个特性包括基于所述第一返回脉冲和所述第二返回脉冲的振幅之和来估计所述感兴趣区域的非线性度。
[0117]
实施方案20：根据任一前述实施方案所述的方法，其中所述声学信号包括具有第
一频率的第一声学信号和具有第二频率的第二声学信号，并且计算所述内部漫反向散射的所述一个或多个特性包括估计所述第一声学信号的内部漫反向散射的能量和所述第二声学信号的内部漫反向散射的能量之差。
[0118]
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。
[0119]
本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、井筒、和/或井筒中的设备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透率调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井等。
[0120]
虽然已参考一个或多个示例性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可作出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教导内容。因此，预期的是，本发明不限于作为设想用于实现本发明的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入权利要求书的范围内的所有实施方案。另外，在附图和具体实施方式中，已公开了本发明的示例性实施方案，并且尽管已采用了特定术语，但除非另外指明，否则它们仅以一般性和描述性意义使用，而非出于限制的目的，否则本发明的范围因此并不限于此。