[发明专利]用于对钻孔周围地层的非线性和线性特性进行成像的装置和方法

说明书

政府权利

本发明借助政府支持在由美国能源部授予的合作研究和开发协议（CRADA）合同号DE-AC52-06NA25396下作出，该政府在本发明中可以具有特定权利。

技术领域

本公开总体上涉及环绕钻孔的岩层的声询问，并且更具体地说，涉及对钻孔周围地层的非线性和线性特性进行成像。

背景技术

远离钻孔的天然和诱生裂缝的详细特征化、CO₂的可靠封存（sequestration）、评估油气储集层中的机械完整性和预测钻孔崩落、以及探测水泥完整性需要针对材料特征化和成像的新方法。在对材料弹性的现有探测当中，弹性非线性响应（滞弹性）是用于探测材料完整性的方法。固体的弹性非线性是对材料机械损伤状态的度量。弹性非线性响应趋于成为材料损失的最佳度量。由此，作为近钻孔探测，非线性方法保持为用于辨别机械损伤区域或潜在裂缝/破裂管道的最佳预示。

发明内容

根据本公开的一些方面，公开了一种用于调查钻孔周围材料的方法。方法包括：在钻孔内生成第一低频声波，其中，第一低频声波在材料中的、与钻孔的半径大致垂直的一个或多个特征部中诱导线性和非线性响应；沿相对于钻孔的纵轴垂直的方向，将高频脉冲的第一序列与第一声波同期地引导到材料中；以及在可定位在钻孔中的一个或多个接收器处，接收由高频脉冲的第一序列与经历由第一低频声波阶次导致的线性和非线性弹性变形的所述一个或多个特征部之间的交互所生成的一个或多个第二高频脉冲，来调查钻孔周围的材料。

在方法中，如果高频脉冲的第一序列遇到材料内的具有导致向钻孔反射或反向散射能量的声阻抗的差异的一个或多个特征部，则可以在一个或多个接收器处接收到第二高频脉冲。在方法中，如果高频脉冲的第一序列遇到这样的一个或多个特征部：其被定向为使得一个或多个特征部将能量反向引导至钻孔、同时经历因第一低频声波而造成的变形以致使变形在低频声波的循环期间改变声阻抗的差异，则可以在一个或多个接收器处接收第二高频脉冲。

在该方法中，第一声波和高频脉冲的第一序列可以由压缩波源和/或横波（shear wave）源生成。针对第一声波来自横波源的情况，材料中的一个或多个特征部可以经历将标记加在高频反射脉冲上的裂剪切。针对第一声波来自压缩波源而高频脉冲的第一序列是横波的情况，接收器将趋于接收在泵诱导一个或多个特征部中的裂缝扩张期间的反射能量。在一些方面，第一声波的源可以包括被配置成诱导材料中的弹性非线性的振动部件。

在该方法中，一个或多个接收器可以在钻孔中按阵列布置，并且可以被配置成记录一个或多个第二高频脉冲的一个或多个方向分量。

该方法可以包括：重复生成第一声波和使得高频脉冲的第一序列在钻孔内按不同方位取向并且按不同深度引导的引导，以生成钻孔周围材料的线性和非线性反射和反向散射特征部的三维图像。钻孔周围的材料可以包括：水泥、套管、岩层、钻孔中或周围的流体、水泥/岩石界面和或钢套管/水泥界面中的剥离。所接收的第二高频脉冲可以具有取决于在高频脉冲的第一序列被材料反射的位置和时间的低频脉冲的相位的特性。

方法还可以包括：基于接收的一个或多个第二高频脉冲，确定材料是包括线性反射体还是非线性反射体。方法还可以包括：对接收的一个或多个第二高频脉冲滤波。滤波器可以包括高通滤波器，高通滤波器可以从接收的一个或多个第二高频脉冲中隔离高频分量。而且，方法可以包括：确定被过滤的一个或多个第二高频脉冲的随时间的幅度变化。高频脉冲的第一序列可以被啁啾或者被编码，或者既被啁啾又被编码。高频脉冲的第一序列可以按幅度、相位、以及/或周期来调制。

在一些方面，高频脉冲的第一序列可以具有为低频声波频率的频率的大约10倍至1000倍之间的频率。

在一些方面，该方法可以包括：利用第一时间（发送高频脉冲的第一序列的时间）、和第二时间（接收第二高频脉冲的时间）、以及钻孔周围材料的估算声音速度，来确定到一个或多个特征部的径向距离。确定可以包括：计算高频脉冲的第一序列和第二高频脉冲的互相关。

在一些方面，如果高频脉冲的第一序列遇到材料中的被取向以使得特征部在经历裂缝剪切的同时反向引导能量的非线性弹性特征部，则可以在一个或多个接收器处接收第二高频脉冲。