УДАЛЕНИЕ ПСЕВДОЭХО- СИГНАЛОВ ИЗ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
DELETION OF PSEUDO ECHO-SIGNALS FROM ACOUSTIC WAVES

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США №61/774700 под названием «Системы и способы, обеспечивающие удаление псевдоэхо-сигналов из акустических волн», которая подана 8 марта 2013 года заявителем «P. Tracadas» и которая полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Операторам нефтяного месторождения требуется доступ к большому количеству информации о состоянии скважины. Такая информация обычно включает характеристики земных формаций, через которые проходит буровая скважина, и данные, касающиеся размера и конфигурации самой буровой скважины. Сбор информации, касающейся состояния скважины, обычно называется «каротажем» и может быть осуществлен несколькими способами, включая «каротажные скважинные измерения во время бурения» (КВБ) и кабельный каротаж.
Среди доступных инструментов для кабельного каротажа и КВБ известны множество акустических каротажных инструментов, включая, в частности, ультразвуковые «каверномеры». В таких инструментах используют акустические сигналы для выполнения измерений, например для измерения расстояния до стенки буровой скважины. С использованием соответствующей совокупности результатов измерений расстояния могут быть оценены диаметр и форма скважины, а также относительное положение инструмента внутри буровой скважины.
Использование акустических преобразователей сопряжено с ухудшением рабочих характеристик различных видов, включая явление «псевдоэхо-сигналов» вследствие механического перемещения преобразователя, которое не прекращается после удаления приводного сигнала. Напротив, имеются некоторые остаточное перемещение и вибрация, которые обязательно должны быть подавлены или учтены иным образом. Эти явления могут быть уменьшены с использованием улучшенных преобразователей, однако такие преобразователи могут оказаться иметь высокую стоимость по сравнению с обычными преобразователями, доступными для использования в настоящее время.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Соответственно, в настоящей заявке описаны способы удаления детерминированного шума из акустических волн и реализующие их системы. На чертежах:
На фиг. 1 показана иллюстративная среда для каротажных скважинных измерений во время бурения ("КВБ").
На фиг. 2 показана иллюстративная среда для кабельного каротажа.
На фиг. 3 показана иллюстративная генерация акустической волны и измерительный инструмент, имеющий одиночный акустический преобразователь.
На фиг. 4А и 4В показаны иллюстративная генерация акустической волны и измерительный инструмент, имеющий два акустических преобразователя.
На фиг. 5 показана блок-схема иллюстративного способа удаления детерминированного шума из волны.
На фиг. 6 показана схема технологического процесса с некоторыми иллюстративными волнами.
На фиг. 7 показана другая схема технологического процесса с некоторыми иллюстративными волнами.
На фиг. 8 показаны иллюстративные диаграммы акустического каротажа с использованием описанных способов обработки и без них.
Разумеется, конкретные варианты реализации, показанные на чертежах и подробно описанные ниже, не ограничивают настоящее изобретение. Напротив, они предоставляют специалистам основу для поиска дополнительных форм, эквивалентов и модификаций, которые вместе одним или более вариантами реализации охвачены пунктами приложенной формулы.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описанные в настоящей заявке системы и инструменты наряду с относящимися к ним способами обеспечивают удаление детерминированной шумовой волны или нежелательной волны взаимных помех в случае использования ультразвуковых преобразователей. Такой шум может быть волной псевдоэхо-сигналов или шумом, переданным между преобразователями через корпус инструмента. Иллюстративные преобразователи присутствуют в имеющихся в продаже инструментах, включая инструмент для кавернометрической регистрации марки ХВАТ ("XCAL") компании Halliburton, инструмент для акустической кавернометрии ("ACAL"), датчик кавернометрического повторителя ("PCAL", как компонент инструмента для азимутального литоплотностного каротажа) и периферийный акустический сканирующий инструмент ("CAST"). (Первые три из них представляют собой инструменты для КВБ, последний представляет собой инструмент для спуска в скважину посредством кабеля). Если такие преобразователи действуют в тяжелых окружающих условиях, теряют свои характеристики с течением времени или сохраняют свое номинальное качество только в начальные периоды работы, они могут испытывать действие изменяющихся или продолжительных псевдоэхо-сигналов. Такие псевдоэхо-сигналы могут препятствовать измерениям акустической волны с понижением чувствительности инструмента и сопоставимой обнаруживаемости эхо-сигнала (эхо-сигналов).
Принцип действия по меньшей мере некоторых из описанных систем основан на изучении детерминированной волны и ее вычитании из полученных волн, в результате чего может быть получена волна, содержащая только истинный "эхо-сигнал", отраженный от стенки ствола буровой скважины или пласта. Согласно некоторым вариантам реализации детерминированная волна акустического преобразователя может быть изучена с использованием статистического анализа других волн, расположенных рядом во времени с измеряемой в данный момент времени волной. Согласно другим вариантам реализации детерминированная волна может быть изучена с использованием ранее полученных волн, сохраненных в запоминающем устройстве, или с использованием прогностических волн, разработанных в лаборатории и испытанных в условиях, подобных условиям исследуемой скважины. Такие способы предпочтительно обеспечивают возможность продолжения применения используемых в настоящее время стандартных компонентов с увеличенной точностью и надежностью.
На фиг. 1 показана иллюстративная среда для КВБ. Как показано на фиг. 1, буровая платформа 2 поддерживает буровую вышку 4, содержащую талевый блок 6 для подъема и спуска бурильной колонны 8. Квадратная штанга 10 бурильной колонны поддерживает остальные части бурильной колонны 8 во время ее спуска сквозь роторный стол 12. Роторный стол 12 вращает бурильную колонну 8 и, таким образом, вращает буровую коронку 14. При своем вращении буровая коронка 14 создает буровую скважину 16, которая проходит сквозь различные пласты 18. Насос 20 обеспечивает циркуляцию буровой текучей среды вдоль питающей трубы 22 к квадратной штанге 10, в скважину сквозь внутреннюю часть бурильной колонны 8, сквозь отверстия в буровой коронке 14, обратно на поверхность вдоль затрубного пространства 9 вокруг бурильной колонны 8 и в пласт-коллектор 24 для бурового раствора. Буровая текучая среда переносит отходы бурения из буровой скважины 16 в пласт-коллектор 24 и способствует поддерживанию целостности буровой скважины 16.
Буровая коронка 14 представляет собой только одну часть узла для КВБ в необсаженной части ствола скважины, содержащей одну или большее количество утяжеленных бурильных труб 26 и каротажный инструмент 28. Утяжеленные бурильные трубы 26 представляют собой толстостенные стальные трубные секции, которые обеспечивают вес и жесткость, необходимые для процесса бурения. Каротажный инструмент 28 (который может быть встроен в одну из утяжеленных бурильных труб), собирает результаты измерений различных параметров бурения или пласта. Каротажный инструмент 28 может быть встроен помимо прочего в компоновку 25 низа буровой колонны рядом с коронкой 14 для сбора результатов измерений. Собранные результаты измерений могут быть отображены графически и использованы для регулирования бурильной колонны 8 и/или анализа свойств пласта. Согласно по меньшей мере некоторым вариантам реализации каротажный инструмент 28 представляет собой акустический каротажный инструмент с одним или большим количеством высокоточных акустических передатчиков, как описано ниже в настоящей заявке.
Результаты измерений от каротажного инструмента 28 могут быть получены телеметрическим переводником (например, интегрированным с каротажным инструментом 28) для сохранения во внутреннем запоминающем устройстве и/или передачи на поверхность посредством линия связи. Гидроимпульсная телеметрическая связь представляет собой один общий способ организации канала связи для передачи результатов каротажа к расположенному на поверхности приемнику 30 и для приема команд с поверхности, но также могут быть использованы другие телеметрические способы. Согласно по меньшей мере некоторым вариантам реализации результаты измерений, полученные от каротажного инструмента28, обрабатывают с использованием компьютерной системы для составления одной или более каротажных диаграмм для анализа пользователем. Рассмотренные диаграммы содержат результаты акустического каротажа, такие как скорости распространения продольных и поперечных волн, принятые волны и извлекаемые значения, такие как акустическое сопротивление.
Неоднократно во время процесса бурения бурильная колонна 8 может быть удалена из буровой скважины 16, как показано на фиг. 2. После удаления бурильной колонны могут быть выполнены каротажные операции с использованием кабельного каротажного зонда 34, подвешенного на кабеле 42, содержащего проводники, подающие питание для каротажного зонда 34 и телеметрической связи каротажного зонда 34 с земной поверхностью. Согласно некоторым вариантам реализации каротажный зонд 34 может иметь прижимные башмаки и/или центрирующие элементы для удерживания инструмента рядом с осью буровой скважины при его подъеме вверх по стволу скважины.
Следует отметить, что в кабельную каротажную колонну 34 могут быть включены датчики свойств пласта различных типов. Как показано на чертеже, иллюстративная кабельная каротажная колонна 34 содержит каротажный инструмент28, который может собирать данные акустического каротажа, как описано в настоящей заявке. Каротажный инструмент 28 может быть связан с другими блоками кабельной каротажной колонны 34 посредством одного или большего количества адаптеров 33. Каротажная регистрирующая станция 44 принимает результаты измерений от каротажного зонда 34 и содержит компьютерную систему 45 для обработки и хранения результатов измерений, собранных датчиками. Помимо прочего, компьютерная система 45 может содержать энергонезависимый машиночитаемый носитель (например, дисковод для жестких дисков и/или запоминающее устройство), выполненный с возможностью исполнения инструкций для выполнения таких задач. В дополнение к сбору и обработке результатов измерений, компьютерная система 45 может быть выполнена с возможностью управления каротажной колонной 34 и каротажным инструментом 28. Каротажная регистрирующая станция 44 дополнительно может содержать пользовательский интерфейс (не показан), который отображает результаты измерений, например отслеживающее устройство или печатающее устройство.
На фиг. 3 показана иллюстративная генерация акустической волны и измерительный инструмент 300 (далее "инструмент 300"), содержащий одиночный акустический преобразователь 302. Инструмент 300 может быть подобно каротажному инструменту 28, показанному на фиг. 1 и 2, и, таким образом, представляет собой часть бурильной колонны 8 (или каротажной колонны 34), спускаемой в буровую скважину 16. Акустический преобразователь 302 передает и принимает акустические волны для обеспечения результатов кавернометрических измерений. Например, акустический преобразователь 302 может состоять из пьезоэлектрического преобразователя. После спуска в скважину акустический преобразователь 302 передает первую акустическую волну или опросную волну 304 в направлении к стенке буровой скважины 16. После взаимодействия со стенкой буровой скважины 16 вторая акустическая волна или возвратная волна 306 генерируется обратно в направлении инструмента 300 из-за акустических рассогласований между скважинной текучей средой в затрубном пространстве 9 и стенкой буровой скважины 16.
Механическое перемещение акустического преобразователя 302 не прекращается немедленно с прекращением ведущего сигнала, и, таким образом, акустический преобразователь 302 может измерить остатки опросной волны 304, генерируемые несмотря на то, что в то же самое время происходит регистрация отраженной возвратной волны 306, также известной как явление "псевдоэхо-сигналов". Это явление может быть учтено различными способами, описанными в настоящей заявке.
На фиг. 4А и 4В показана другая иллюстративная генерация акустической волны и измерительный инструмент 400 (далее "инструмент 400"). Как показано на фиг. 4А, инструмент 400 по существу может быть подобно инструменту 300 и, таким образом, может быть более понятно со ссылкой на него, где подобные позиционные номера обозначают подобные элементы, которые повторно не описаны подробно. Однако по сравнению с инструментом 300, который содержит одиночный акустический преобразователь 302, инструмент 400 содержит два акустических преобразователя (на чертеже показаны как первый и второй акустические преобразователи 302а и 302b) внутри самого инструмент 400.
Первый акустический преобразователь 302а передает опросную волну 304 в направлении к стенке буровой скважины 16, которая отражает волну как возвратную волну 306 в направлении к второму или принимающему акустическому преобразователю 302b. По меньшей мере из-за части опросного сигнала, также передаваемого инструментом 400 (на чертеже показанного как третья акустическая волна 402), возникает нежелательная детерминированная волна, когда второй (принимающий) акустический преобразователь 302b принимает возвратную отраженную волну 306. Опять же, это явления может быть учтено путем реализации различных способов, описанных в настоящей заявке.
Согласно некоторым вариантам реализации, таким как показанные на фиг. 4А, первый и второй акустические преобразователи 302а и 302b могут быть вертикально выровнены с инструментом 400. Однако, понятно, что акустические преобразователи 302а, 302b согласно другому варианту реализации могут быть азимутально смещены друг от друга относительно центра устройства 400, как показано на виде сверху на фиг. 4В.
На фиг. 5 показана блок-схема способа удаления иллюстративной детерминированной шумовой волны (в дальнейшем "детерминированная волна"). Детерминированная волна представляет собой шумовую или нежелательную волну взаимных помех, которую предпочтительно удаляют с оставлением только истинной волны отраженного сигнала, как описано в настоящей заявке. На этапе 502 каротажная бригада разворачивает инструмент в скважине. Инструмент может быть развернут в варианте для КВБ или в кабельном варианте. На этапе 504 инструмент передает первую акустическую волну посредством передающего акустического преобразователя инструмента. Первая акустическая волна направлена к стенке ствола буровой скважины, причем часть волны отражается обратно к инструменту в качестве второй акустической волны. На этапе 506 инструмент принимает вторую акустическую волну посредством принимающего акустического преобразователя. Согласно некоторым вариантам реализации одиночный акустический преобразователь может быть реализован как передающий и принимающий преобразователь.
На этапе 508 идентифицируют детерминированную шумовую волну и удаляют ее из второй акустической волны для получения отраженной волны. Эта операция может быть выполнена с использованием процессора, расположенного в скважине (например, в инструменте), или согласно другому варианту реализации процессором, расположенным на поверхности (например, в компьютерной системе 45 в каротажной регистрирующей станции 44 (как показано на фиг. 1)) во время постобработки данных.
Детерминированная волна может быть идентифицирована по ее детерминистической природе путем сравнения с фактической отраженной волной. Детерминизм может присутствовать как "псевдоэхо-сигнал", если одиночный акустический преобразователь реализован как передающий и принимающий преобразователь. Согласно другому варианту реализации детерминированный шум может быть вызван волной, переданной между преобразователями через корпус инструмента.
Согласно некоторым вариантам реализации, как подробно показано на фиг. 6 и 7, идентификация детерминированной волны может быть осуществлена путем выполнения статистического анализа других волн, полученных во временном окне, охватывающем время получения второй акустической волны. После идентификации детерминированную волну вычитают из второй акустической волны с оставлением только истинной "отраженной" волны.
Согласно другим вариантам реализации детерминированная волна может быть удалена путем вычитания ранее записанных волн, сохраненных в запоминающем устройстве инструмента, из полученной в данный момент времени волны. Согласно другому варианту реализации могут быть использованы моделирование или лабораторное экспериментирование для генерирования прогнозирующей детерминированной волны, которая должна быть удалена из полученной в данный момент времени волны.
Согласно другим вариантам реализации детерминированная волна может быть идентифицирована с использованием статистического анализа вторых акустических волн, собранных во временном окне. Такой анализ может включать, например, использование статистического фильтра нижних частот, такого как срединный или медианный фильтр, который применяют к общему области образца для нахождения общей характеристики детерминированной волны. Детерминированная волна после ее нахождения может быть удалена из второй полученной волны, и, таким образом, остается только истинная отраженная волна.
Согласно другому варианту реализации к полученной волне может быть применено частотное преобразование или преобразование другого типа для идентификации детерминированной волны. Допускается, что детерминированная волна остается постоянной, несмотря на то, что истинная отраженная волна изменяется во времени и по характеру между полученными волнами. Таким образом, детерминированная волна может быть идентифицирована путем преобразования полученной волны в некоторую область помимо временной области (например, частотную область) для определения детерминированную волну. После выполнения такого определения полученная волна может быть преобразована обратно во временную область и удалена из полученной волны.
На этапе 510 в завершении способа 500 может быть извлечен результат измерения из отраженной волны. Примеры необходимых результатов измерений включают результат измерения расстояния (например, расстояние от инструмента до стенки ствола буровой скважины), результат измерения акустического сопротивления (например, определения плотности пласта или литографии пласта, выведенной из плотности пласта), или результат измерения качества цементирующего сцепления (например, качества цементирующего сцепления с наружной стенкой обсадной колонны). Такие результаты измерений могут быть получены процессором, который может быть расположен в скважине вместе с колонной инструментов или непосредственно в инструменте.
На фиг. 6 показана диаграмма 600 выполнения операций с некоторыми иллюстративными волнами. Диаграмма выполнения операций включает три полученные волны 602а-602с (на чертеже показаны как первая, вторая и третья полученные волны 602а, 602b и 602с соответственно), которые получены в пределах узкого временного интервала относительно друг друга. Полученные волны 602а-602с могут быть типичными для волны, измеренной акустическим преобразователем 302, показанным на фиг. 3. На чертеже заметен детерминированный (т.е. регулярно наблюдающийся) пик, присутствующий в начале каждой полученной волны 602а-602с. Этот пик представляет собой результат взаимных помех псевдоэхо-сигналов, причем он доминирует над результатами измерений отраженного сигнала.
К полученным волнам 602а-602с был применен статистический анализ с использованием взвешенного усреднения для идентификации детерминированной волны 604, которая в настоящей заявке представляет собой волну псевдоэхо-сигналов. Как описано в настоящей заявке, детерминированная волна 604 может быть идентифицирована на основе относительно постоянных по амплитуде и фазе частей всех полученных волн 602а-602с. Таким образом, в результате удаления детерминированной волны 604 из полученных волн 602а-602с генерируется отраженная волна 606. Как показано на чертеже, детерминированная волна 604 удалена из второй полученной волны 602b, что приводит к соответствующей отраженной волне 606, которая больше не содержит исходную увеличенную амплитудную часть волн 602а-602с. Специалистам понятно, что несмотря на то, что на чертеже показаны только три полученные волны 602а-602с, в настоящей заявке допускается применение большего или меньшего количества помимо трех полученных волн 602а-602с для использования в определении волны псевдоэхо-сигналов.
На фиг. 7 показана другая диаграмма 700 выполнения операций с некоторыми иллюстративными волнами. Как показано на фиг. 7, полученная волна 702 (т.е., представляющая возвратную волну 306, показанную на фиг. 3) принимается акустическим преобразователем. Детерминированная волна 704 записана ранее на основании модели или предсказания на основании статистического анализа. Таким образом, результат удаления детерминированной волны 704 из полученной волны 702 представляет собой отраженную волну 706.
На фиг. 8 показаны иллюстративные диаграммы акустического каротажа с использованием описанных способов и без них. В частности, на диаграмме 801 акустического каротажа показана необработанная полученная акустическая волна, такая как возвратная волна 306, показанная на фиг. 3, в то время как на диаграмме 802 акустического каротажа показана та же самая полученная акустическая волна после удаления детерминированной волны, т.е. истинная отраженная волна. Ось Y отображает глубину буровой скважины, и ось X отображает время. Следует отметить, что обсадная колонна завершается на глубине 20350, в результате чего ниже этой точки регистрировалась необсаженная часть ствола скважины. Штриховка отображает амплитуду сигнала полученной волны в пределах от темного тона (низкая амплитуда) до светлого тона (высокая амплитуда) в произвольных единицах.
Во время работы, как указано выше, детерминированная волна часто имеет увеличенную амплитуду и "принимается" акустическим преобразователем в первую очередь из-за присущей остаточной вибрации после прекращения ведущего сигнала. Таким образом, как можно видеть на диаграмме 801 акустического каротажа, детерминированные волны с увеличенной амплитудой в первую очередь измеряются в исходном временном интервале (т.е. в интервале приблизительно от 25 до 75 мкс), после чего принимаются отраженные волны с уменьшенной амплитудой (т.е. в интервале приблизительно от 75 до 225 мкс). Однако после удаления детерминированной волны на диаграмме 802 акустического каротажа показана волна, в которой исходный сигнал (т.е. в интервале приблизительно от 25 до 75 мкс) отсутствует, пока акустический преобразователь не начнет принимать фактический эхо-сигнал.
Подобным образом, после удаления признаков псевдоэхо-сигналов амплитудная шкала 806 сигнала на диаграмме 802 акустического каротажа имеет уменьшенный диапазон (от -50 до 50), в результате чего по существу улучшается контраст эхо-сигнала и, таким образом, облегчается его анализ как в обсаженной, так и в необсаженной частях ствола скважины.
Многочисленные другие модификации, эквиваленты и альтернативы станут очевидными для специалистов после полного ознакомления с описанным выше настоящим изобретением. Предполагается, что следующие пункты приложенной формулы должны быть истолкованы как охватывающие все такие модификации, эквиваленты и альтернативы в случае необходимости.
Описанные в настоящей заявке варианты реализации включают:
А: Способ определения акустического диапазона, согласно которому: развертывают инструмент в скважине, передают первую акустическую волну с использованием передающего акустического преобразователя, входящего в состав инструмента, принимают вторую акустическую волну с использованием принимающего акустического преобразователя, входящего в состав инструмента, удаляют детерминированную волну из второй акустической волны для получения отраженной волны и получают результат измерения из отраженной волны.
В: Система для определения акустического диапазона, содержащая скважину, инструмент, расположенный в скважине и содержащий передающий акустический преобразователь, который передает первую акустическую волну, и принимающий акустический преобразователь, который принимает вторую акустическую волну, и процессор, который удаляет детерминированную волну из второй акустической волны с получением отраженной волны.
С: Энергонезависимый машиночитаемый носитель, содержащий исполняемые компьютером инструкции, которые при их исполнении процессом реализуют способ, включающий передачу первой акустической волны посредством передающего акустического преобразователя скважинного инструмента, прием второй акустической волны посредством принимающего акустического преобразователя указанного инструмента, удаление детерминированной волны из второй акустической волны для получения отраженной волны и получение результата измерения из указанной отраженной волны.
Каждый из вариантов реализации А, В и С может иметь один или большее количество следующих дополнительных элементов в любой комбинации:
Элемент 1: дополнительно содержащий предоставление пользователю результата измерения.
Элемент 2: в котором результат измерения представляет собой расстояние, акустическое сопротивление или качество цементирующего сцепления.
Элемент 3: в котором передающий акустический преобразователь также представляет собой принимающий акустический преобразователь, причем детерминированная волна представляет собой волну псевдоэхо-сигналов.
Элемент 4: дополнительно включающий оценивание детерминированной волны путем выполнения статистического анализа других волн, полученных во временном окне, охватывающем время определения второй акустической волны.
Элемент 5: дополнительно включающий оценивание детерминированной волны путем фильтрования второй акустической волны с использованием статистического фильтра нижних частот.
Элемент 6: в котором статистический фильтр нижних частот представляет собой срединный или медианный фильтр.
Элемент 7: дополнительно включающий оценивание детерминированной волны путем преобразования второй акустической волны из временной области, применения статистического анализа к преобразованной второй акустической волне и преобразования второй акустической волны обратно во временную область.
Элемент 8: в котором детерминированная волна содержит записанную заранее волну или расчетную волну.
Элемент 9: дополнительно включающий обработку методом окна второй акустической волны внутри предварительно заданного временного окна.
Элемент 10: в котором получение результата измерения выполняют внутрискважинным процессором.
Элемент 11: в котором получение результата измерения выполняют процессором на поверхности.
Элемент 12: дополнительно содержащий пользовательский интерфейс, который отображает результат измерения, соответствующий отраженной волне.
Элемент 13: в котором детерминированная волна представляет собой волну псевдоэхо-сигналов.
Элемент 14: в котором передающий и принимающий акустические преобразователи представляют собой тот же самый преобразователь.
Элемент 15: в котором процессор расположен в скважине.
Элемент 16: в котором инструмент развернут в скважине на бурильной колонне.
Элемент 17: в котором инструмент развернут на кабеле.