СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ДИСПЕРГИРУЮЩИХ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
METHOD OF PROCESSING DISPERSING ACOUSTIC SIGNALS

Область техники, к которой относится изобретение
В общем настоящее изобретение относится к способам и устройству для обнаружения, удаления и/или выделения сигналов из акустических данных о колебательных сигналах. Более конкретно оно относится к способам обработки данных, регистрируемых при акустическом скважинном каротаже.
Уровень техники
Инструменты акустического каротажа являются полезными при получении большого объема информации, относящейся к параметрам пласта и ствола скважины вблизи каротажных инструментов. Основное применение акустические скважинные измерения находят при оценивании медленности пласта для продольной и/или поперечной волны. Медленность пласта не измеряют непосредственно, а определяют на основании различных акустических сигналов, принимаемых приемниками. Медленность пласта часто измеряют путем размещения в стволе скважины группы датчиков в зонде, при этом группа включает в себя по меньшей мере один излучатель и по меньшей мере один приемник; излучения акустического сигнала от излучателя; приема акустического сигнала приемником и вычисления медленности пласта с учетом расстояния между излучателем и приемником и времени между излучением сигнала излучателем и сигналом, принимаемым на приемнике. Однако вычисление медленности пласта является сложным, поскольку в ответ на излученный сигнал принимаются акустические сигналы многих различных видов. Единственный излученный акустический сигнал, будь то монопольный, дипольный, квадрупольный или мультипольный, в скважинных условиях может вызывать образование ряда волн, которые принимаются приемниками. Для обработки акустических данных необходимо разделить и проклассифицировать различные принятые волны по общим категориям форм колебаний волны, таким, как вступления продольных волн, поперечных волн и волн Стоунли.
Одним способом оценивания медленности пласта является метод на основе когерентности медленности-времени, в котором пики мер когерентности колебательных сигналов, принятых группой датчиков, располагают в плоскости медленность-время. В патенте США №4594691 описана обработка методом на основе когерентности медленности-времени, и этот патент полностью включен в настоящую заявку посредством ссылки. Некоторые принимаемые сигналы, например создаваемые дипольной изгибной модой, являются диспергирующими. В случае диспергирующих мод при обработке дисперсионных акустических данных является полезным дисперсионный вариант обработки методом на основе когерентности медленности-времени, такой как обработка методом на основе дисперсионной когерентности медленности-времени, описанная в патенте США №5278805, и быстрая обработка методом на основе дисперсионной когерентности медленности-времени, описанная в патенте США №5587966, каждый из которых включен в настоящую заявку посредством ссылки. Одно конкретное использование обработки методом на основе когерентности медленности-времени относится к определению медленности пласта для продольных и поперечных волн.
Обработка мер когерентности медленности-времени облегчает определение медленности для различных компонент акустических сигналов, проходящих поперек группы. Результат обработки мер когерентности обычно представляют на двумерной карте времени-медленности (времени в зависимости от медленности). Результат обработки мер когерентности обычно представляют в зависимости от глубины путем проецирования карты времени-медленности на ось медленности в соответствии с нижеследующим уравнением:
,
i
где P - проекция медленности, и
i
ρ - мера когерентности, вычисляемая на каждом уровне, которая является функцией медленности S и времени t.
При обработке методом на основе когерентности медленности-времени окно или полосу частот в плоскости медленность-время отождествляют со вступлением волны каждого типа. Для минимизирования влияния неопределенности дисперсионной когерентности медленности-времени полосу частот обработки динамически корректируют в зависимости от медленности суммирования и измеренного диаметра ствола скважины, принимая во внимание чувствительность к этим параметрам. Несмотря на робастность и полезность обработка методом на основе дисперсионной когерентности-времени имеет ограничения. Основные предположения при обработке на основе дисперсионной когерентности-времени заключаются в том, что пласты вокруг ствола скважины являются однородными изотропными пластами, и в том, что влияния каротажного инструмента на принимаемые сигналы вследствие присутствия каротажного инструмента в стволе скважины могут быть легко исключены. По мере того как делаются успехи в области скважинных инструментов акустического каротажа и обработки акустических данных каротажа, эти предположения могут быть пересмотрены.
При дипольном акустическом каротаже изгибная волна проходит через скважинный флюид и вдоль стенки ствола скважины со скоростью, зависящей от скорости волны в скважинном флюиде (то есть от медленности бурового раствора) и медленности пласта для поперечной волны. Изгибная мода также чувствительна к другим параметрам, таким как диаметр ствола скважины, плотность и медленность пласта для продольной волны. Эти параметры необходимо учитывать, но может оказаться трудным определение их точных значений. Отсутствие точных значений параметров означает, что конечная оценка медленности также будет включать в себя некоторую степень неопределенности. Кроме того, они могут изменяться в течение скважинного каротажа, что делает их неточными для того, чтобы они могли применяться как постоянные значения или поправки на протяжении интервала каротажа.
При оценивании акустических данных полезно обеспечивать определение степени неопределенности конечной оценки медленности. Настоящее изобретение относится к способу определения коэффициентов дисперсии при дипольном акустическом каротаже и чувствительности вычисленной медленности пласта для поперечной волны к таким коэффициентам. В частности, согласно настоящему изобретению предложены способы определения чувствительности медленности изгибной моды к медленности пласта для поперечной волны при дипольном акустическом каротаже.
Дополнительные преимущества и новые признаки изобретения будут изложены в описании, которое следует ниже, или могут быть установлены специалистами в данной области техники при изучении этих материалов или практическом использовании изобретения. Преимущества изобретения могут быть получены с помощью средств, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предложены способы минимизации возможности погрешности в акустических данных, обусловленной присутствием каротажного инструмента в стволе скважины, и других неопределенностей модельных параметров. Согласно настоящему изобретению предложен способ обработки акустических данных путем использования обработки методом на основе дисперсионной когерентности медленности-времени, который включает в себя вычисление чувствительности дисперсии и реализацию динамической полосы частот обработки для минимизации влияний погрешности модели. Способ дополнительно включает в себя определение пределов чувствительности или критической частоты в принятых акустических данных для различных параметров, включая присутствие каротажного инструмента в стволе скважины. Один такой предел относительно полезной для обработки полосы частот устанавливают путем осознания того, что чувствительность вступлений изгибной моды зависит от частоты излученных сигналов. Другой вариант осуществления изобретения включает в себя итеративный процесс на каждом уровне глубины, при этом сначала оценивают медленность, используя параметры в предположении однородной изотропной модели, а затем обработку мер когерентности итеративно повторяют до тех пор, пока не будет удовлетворен критерий остановки. Примеры критериев остановки включают в себя сниженную величину ошибки, минимизированное изменение медленности между итерациями или когерентность (среднюю или максимальную), которая снижается ниже порога.
Краткое описание чертежей
Сопровождающими чертежами иллюстрируются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, и они являются частью описания. Вместе с нижеследующим описанием чертежами демонстрируются и поясняются принципы настоящего изобретения.
На чертежах:
фиг.1 - схематический вид известного инструмента акустического каротажа, расположенного в стволе скважины;
фиг.2А и 2В - графики чувствительности медленности изгибной моды к различным параметрам в быстром пласте;
s
фиг.3А и 3В - графики чувствительности медленности изгибной моды к различным параметрам в медленном пласте (например, S=600 мкс/фут);
фиг.4А - представления модельных результатов для различных сочетаний частоты сигнала и вычисленной медленности применительно к конфигурациям в шестидюймовом стволе скважины с каротажным инструментом в стволе скважины и результатов для конфигураций ствола скважины только с флюидом в стволе скважины;
фиг.4В - иллюстрация различий медленностей между моделями с включенным каротажным инструментом и в отсутствие каротажного инструмента в частотном диапазоне от 0 до 8 кГц, полученных путем моделирования для шестидюймового ствола скважины;
фиг.5А - представления модельных результатов для различных сочетаний частоты сигнала и вычисленной медленности применительно к конфигурациям в двенадцатидюймовом стволе скважины с каротажным инструментом в стволе скважины и результатов для конфигураций ствола скважины только с флюидом в стволе скважины;
фиг.5В - иллюстрация различий медленностей между моделями с включенным каротажным инструментом и в отсутствие каротажного инструмента в частотном диапазоне от 0 до 8 кГц, полученных путем моделирования для шестидюймового ствола скважины;
фиг.6 - иллюстрация значения остаточной разности, минимизированной для обеспечения возможности нахождения эквивалентного диаметра ствола скважины;
фиг.7 - иллюстрация наборов сводок удалений a(S, d) для различных медленностей флюида; и
фиг.8 - иллюстрация изменения динамической полосы частот фильтра с глубиной и ее зависимость от эквивалентного диаметра ствола скважины и медленности суммирования.
Подробное описание
Теперь обратимся к чертежам и, в частности, к фиг.1, где показан инструмент (100) акустического каротажа, прилегающий к однородному пласту (102). Однородный пласт (102) обсажен обсадной колонной (104). Инструмент (100) акустического каротажа включает в себя по меньшей мере 3 преобразователя, состоящих из по меньшей мере одного излучателя (Т) и по меньшей мере одного приемника (R). В настоящем варианте осуществления имеются два приемника (R) и один излучатель (Т), однако также может быть использовано намного больше приемников (R) и излучателей (Т). Показанная компоновка из одного излучателя (Т), двух приемников (R) является примерной по своему характеру, и может иметься либо полная группа приемников и/или излучателей, либо один излучатель (Т) и приемник (R). Приемники (R) и излучатель (Т) соединены с процессором (106) компьютера, предназначенным для сбора и обработки данных с инструмента (100) акустического каротажа. Кроме того, показан путь (108) пробега волны, отражающий путь продольной волны, обусловленной возбуждением излучателя (Т). Приемники (R) могут быть различных видов, в том числе, но без ограничения ими, пьезоэлектрическими и магнитострикционными приемниками. Приемниками (R) могут обнаруживаться вступления акустических волн.
Информация или данные, собранные с инструмента (100) акустического каротажа, которые могут включать в себя колебательные сигналы, формируемые приемниками (R) в динамике по времени, передаются к процессору (106) компьютера по кабелю (110), на котором подвешен инструмент (100) акустического каротажа. Данные между приемниками (R) и процессором (106) компьютера также могут быть переданы с помощью любого другого известного способа связи. Процессор (106) компьютера можно получить от широкого круга поставщиков. Акустические данные, получаемые с помощью инструмента (100) акустического каротажа и принимаемые процессором (106) компьютера, могут быть обработаны в соответствии с обработкой методом на основе когерентности медленности-времени.
В одном варианте осуществления способ настоящего изобретения включает в себя формирование набора установленных кривых медленности. Результаты вычислений медленности являются чувствительными к ряду параметров ствола скважины, в том числе к таким параметрам, как диаметр ствола скважины, медленность флюида, плотность и отношение медленности (Vp) продольной волны к медленности (Vs) поперечной волны. Для оценивания погрешности оценки медленности вычисляют чувствительность дисперсии к различным параметрам. Чувствительность дисперсии изгибной моды в заполненном флюидом стволе скважины может быть оценена как
Положим:
k
0
k
Относительная чувствительность S(P, f) медленности изгибной моды к параметру P на частоте f находится как
flex
s
mud
где S(P, f) представляет собой фазовую медленность изгибной волны для параметра Р на частоте f; S - медленность пласта для поперечной волны; Vp/Vs - отношение скоростей продольной и поперечной волн; HD - диаметр ствола скважины; S медленность флюида и DR - отношение плотностей пласта и флюида.
s
На фиг.2А и 2В показана чувствительность медленности изгибной моды к различным параметрам в быстром пласте. Как видно из фиг.2А и 2В, чувствительность медленности изгибной моды к медленности пласта для поперечной волны в быстром пласте спадает на определенной частоте и чувствительность к другим параметрам, особенно к диаметру ствола скважины и медленности флюида, становится преобладающей. Например, в быстром пласте (S=100 мкс/фут) чувствительность к медленности поперечной волны быстро спадает на 4 кГц для 6-дюймового ствола скважины (фиг.2А) и на 2,5 кГц для 12-дюймового (фиг.2В). И наоборот, чувствительность к диаметру ствола скважины и медленности бурового раствора быстро возрастает на этих частотах. Поэтому для фильтрации этих эффектов чувствительности желательно, чтобы полоса частот обработки была ниже этих частот.
s
На фиг.3А и 3В показана чувствительность медленности изгибной моды к различным параметрам в медленном пласте (например, S=600 мкс/фут). Как видно из фиг.3А и 3В, чувствительность медленности изгибной моды к медленности пласта для поперечной волны не изменяется так сильно, как это происходит в случае быстрого пласта. Кроме того, чувствительность к другим параметрам является относительно низкой. Поэтому в медленных пластах все частотные компоненты могут быть использованы для получения наибольшего возможного уровня сигнала.
Результаты вычислений медленности также могут быть чувствительными к присутствию каротажного инструмента в стволе скважины. Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу определения медленности пласта, при этом в способе учитывается влияние присутствия каротажного инструмента в стволе скважины путем моделирования структуры скважинного инструмента и заполненного флюидом ствола скважины с помощью эквивалентных коаксиальных материалов и анализа различных вступающих мод. На фиг.4А для различных комбинаций частоты сигнала и вычисленной медленности отображены модельные результаты для конфигураций в шестидюймовом стволе скважины с каротажным инструментом в стволе скважины и результаты для конфигураций ствола скважины только с флюидом в стволе скважины. На фиг.4В показаны различия медленностей для моделей с включенным в них каротажным инструментом и в отсутствие каротажного инструмента в диапазоне частот от 0 до 8 кГц, полученные моделированием для шестидюймового ствола скважины. На фиг.5А для различных комбинаций частоты сигнала и вычисленной медленности отображены модельные результаты для конфигураций в двенадцатидюймовом стволе скважины с каротажным инструментом в стволе скважины и результаты конфигураций для случая нахождения в стволе скважины только флюида. На фиг.5В показаны различия медленностей для моделей с включенным в них каротажным инструментом и в отсутствие каротажного инструмента в диапазоне частот от 0 до 8 кГц, полученные моделированием для шестидюймового ствола скважины.
s
В целом заметно, что различия в полосе частот, в которой чувствительность к медленности пласта для поперечной волны равна единице, очень небольшие или еле заметные. Критическая чувствительность в случае быстрого пласта (S=100 мкс/фут) и небольшого ствола скважины (HD=6 дюймов) находится около 4 кГц (фиг.2А), а различие дисперсионных кривых меньше 1% до этой частоты (фиг.4А). Различие дисперсионных кривых при большом стволе скважины (HD=12 дюймов) снова меньше 1% до 2,3 кГц (фиг.5). Отметим, что критическая частота чувствительности зависит от структуры каротажного инструмента, диаметра ствола скважины и медленности пласта для поперечной волны (фиг.2, 3). Поэтому аккуратный выбор полосы частот обработки является существенным для сохранения состоятельности этого наблюдения. Также отметим, что эффект присутствия каротажного инструмента зависит как от диаметра ствола скважины, так и от медленности пласта (фиг.4, 5).
Различие дисперсионных кривых вследствие присутствия каротажного инструмента составляет около 1% до 3 кГц, что охватывает большую часть сигналов, а чувствительность к диаметру ствола скважины является относительно низкой для 6-дюймового ствола скважины (фиг.4) и всегда меньше 1% в большем, 12-дюймовом стволе скважины (фиг.5). По сравнению с дисперсионной кривой для случая отсутствия каротажного инструмента в стволе скважины дисперсионная кривая в том случае, когда структура каротажного инструмента присутствует, несколько сдвинута к низкой частоте и почти эквивалентна для несколько большего ствола скважины.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения выбор частоты осуществляется динамически путем использования автоматического и адаптивного выбора полосы частот фильтра. Поскольку критическая частота чувствительности при наличии каротажного инструмента входит в круг интересов, была получена зависимость между дисперсионными кривыми при наличии и в отсутствие каротажного инструмента. Для получения этой зависимости остаточная разность R двух дисперсионных кривых была определена в виде:
s
tool
empty
где S - медленность пласта для поперечной волны, S - чувствительность к медленности пласта для поперечной волны, S представляет собой дисперсионную кривую при наличии каротажного инструмента и S представляет собой дисперсионную кривую в отсутствие каротажного инструмента, d - диаметр ствола скважины и f - частота. Затем R минимизируют относительно а для каждого S и d (фиг.6), тем самым получая возможность находить эквивалентный диаметр ствола скважины в виде d+a(S, d), где a(S, d) - удаление. Набор сводок удалений a(S, d) (фиг.7) для различных медленностей флюида может быть вычислен и учтен в дисперсионном методе на основе когерентности медленности-времени.
hd
hd
shear
Используя образованный набор дисперсионных кривых, вычисленных для заданных параметров (Vp, медленности и плотности флюида), можно определить ожидаемую неопределенность оценки е медленности поперечной волны, обусловленную ожидаемой неопределенностью δ результата измерения диаметра ствола скважины, взяв отношение чувствительности S к диаметру ствола скважины и чувствительности S к медленности пласта для поперечной волны
a
u
u
Затем эквивалентный диаметр ствола скважины может быть использован для определения верхнего предела частоты и ожидаемой неопределенности оценки е медленности поперечной волны, при этом верхний предел f(S) обработки может быть определен как частота f, при которой интеграл e(S, f) от 0 до f достигает заранее заданного порога Е для каждой медленности S
hd
hd
Для Е и δ могут быть заданы начальные значения, например 25 и 0,1 соответственно. Оптимальное значение для Е и δ может быть определено на основании экспериментальных данных. Согласно одному варианту осуществления изобретения для учета эффекта присутствия каротажного инструмента удаление a(S, d) может быть добавлено к диаметру ствола скважины, так что верхняя частота может быть вычислена как
или в качестве альтернативы также может быть использовано следующее выражение:
где d_e - эквивалентный диаметр ствола скважины.
В некоторых вариантах осуществления изобретения нижний предел частоты обработки может быть вычислен для того, чтобы иметь постоянный коэффициент, определяемый как
где q первоначально фиксируют на уровне 1,0, а центральная частота представляет собой частоту фазы Эйри, которая численно вычисляется как частота, при которой dk/dω моды имеет максимальное значение.
В некоторых вариантах осуществления динамическая фильтрация колебательных сигналов может быть осуществлена до обращенного распространения волнового поля и суммирования при обработке дисперсионным методом на основе когерентности медленности-времени. Динамическая полоса частот фильтра изменяется с глубиной и зависит от эквивалентного диаметра d ствола скважины и медленности S суммирования (фиг.8). Настоящее изобретение охватывает модифицированный процесс дисперсионного метода на основе когерентности медленности-времени, включающий в себя вычисление меры ρ(S, τ) когерентности в следующем виде:
Полагая Xk(f)=F{xk(t)},
-1
k
где xk(t) представляет собой сигнал приемника k, t - момент получения выборки, f - частота, F{} представляет собой преобразование Фурье, F{} представляет собой обратное преобразование Фурье, S - медленность пласта для поперечной волны (параметр, подлежащий оцениванию), d - диаметр ствола скважины, τ - положение временного окна интегрирования, W(f, S, d) представляет собой характеристику фильтра, частоту среза которого вычисляют динамически в зависимости от медленности S пласта для поперечной волны и диаметра d ствола скважины, α(f, S, d) представляет собой теоретическую фазовую задержку на единицу длины на частоте f, i - квадратный корень из (-1), r - расстояние между приемником k и опорной точкой суммирования, М - число приемников и T - протяженность временного окна, в котором вычисляют меру когерентности.
Общий поток данных может быть таким, какой показан на фиг.9. Отметим, что анализ моды осуществляют для получения набора эталонных дисперсионных кривых для каждой медленности суммирования, а функцию обращенного распространения волнового поля формируют для каждой медленности суммирования и для каждого приемника. Затем вычисляют оптимальную полосу частот обработки и для каждой медленности суммирования рассчитывают фильтры. Чтобы иметь оптимальную полосу частот, коэффициенты фильтров умножают на функцию обращенного распространения волнового поля, так что сигнал обращенного распространения волнового поля фильтруется автоматически.
В некоторых вариантах осуществления при обратном преобразовании Фурье учитывается только вполне определенная часть частот, так что в результате возникают сложные аналитические сигналы, а их нормами являются огибающие просуммированных частот.
В настоящем способе обработки акустических данных для устранения погрешности модели, в том числе влияния каротажного инструмента, автоматически корректируется полоса частот обработки. Эквивалентный диаметр ствола скважины вводят для аппроксимации дисперсионной кривой с учетом влияния каротажного инструмента путем масштабирования дисперсионной кривой без учета влияния каротажного инструмента. Эквивалентный диаметр скважины используют при обработке с помощью предварительно вычисленной таблицы коэффициентов масштабирования. Описание и чертежи, приведенные выше, отражают методологию и устройство для динамической фильтрации акустических сигналов.
Предшествующее описание представлено только для того, чтобы проиллюстрировать и охарактеризовать изобретение. Не предполагается исчерпывание или ограничение изобретения любой точной раскрытой формой. В свете изложенной выше концепции возможны многочисленные модификации и изменения. Предпочтительный вариант осуществления изобретения был выбран и описан для наилучшего пояснения принципов изобретения и его практического применения. Предполагается, что предшествующее описание обеспечит другим специалистам в данной области техники возможность наилучшим образом использовать изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, которые, как предполагается, удовлетворяют требованиям конкретного применения. Имеется в виду, что объем изобретения должен определяться нижеследующей формулой изобретения.