[发明专利]用于采用表面地震或表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的3D图像的系统和方法

说明书

交叉引用

本申请要求2012年11月27日提交的美国临时专利申请No.61/730417的优先权，通过引用将该申请全文并入本文。

政府权利

本发明的一部分是在政府的支持下做出的(在美国能源部授予的编号为DE-AC52-06NA2539的合同下)，并且一部分是在LLC的Los Alamos National Security的合作研发和开发协议(CRADA)No.LA05-C10518之下做出的。政府可享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明总体上涉及采用表面地震对岩层进行声探询，且更具体而言涉及用于采用表面地震或者表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的2D和3D图像的系统和方法。文中采用的“表面地震”一词包括从大约10米的深度到大约1千米的深度的地震波传播。

背景技术

声波在固体物质当中的非线性行为可以与固体物质中的裂缝或其他损伤相关，并且有可能与应力状态和流体饱和相关。在80年代后期，岩石的非线性行为在理论和试验上得到了研究和确立。Guyer和Johnson(Non-Linear Mesoscopic Elasticity,Wiley 1999)以及Ostrovsky和Johnson(Rivista del Nouvo Cimento,Vol.24,No.7,2001)对此给出了概述。

决定声波在弹性介质中的非线性相互作用的一般理论是公知的，如Landau&Lifshitz,Theory of Elasticity,3rd edition,Pergamon Press,Oxford,1986所描述的。存在被称为选择定律的具体运动学特性，其决定两个声束或声平面波之间的非线性、非共线相互作用，如Jones,G.L.&D.R.Korbett,Interaction of elastic waves in an isotropic solid,J.Acoust.Soc.Am.,35,5-10(1963)所公开的。根据所述选择定律，由第一声波和第二声波的非线性混合得到的第三平面波或射束波等于第一平面波的频率f1和第二平面波的频率f2之间的频率差。此外，根据选择定律，在第一和第二平面波的相交区带内，针对所述介质的任何特定泊松比而言，只能以第一和第二平面波的特定交角和频率比来生成第三平面波。Korneev,Nihei和Myer.(Nonlinear Interaction of Plane Elastic Waves,Lawrence Berkley National Laboratory,Earth Science Division,June 1998,LBNL 414914)提供了对两个非共线声平面波之间的相互作用的更加全面的计算。

具有非线性声探头的基本遥感系统一般由处于两个隔开位置处的两个声源和处于与该声源不同的位置处的声波探测器阵列构成。所述两个声源能够生成第一和第二声波(例如，第一和第二声束波)，它们在所要探查的介质内的不同的位置处相交。能够通过第一和第二声波与所述介质的非线性相互作用来生成第三声波(例如，第三声束波)。之后，在接收器阵列处检测到所述第三声波。

D'Angelo等(美国专利No.5521882)、Leggett等(美国专利No.7301852)、Khan(美国专利No.6175536)和Johnson等(美国专利申请公开文本No.US2010/0265794)描述了针对井眼环境内的具体应用所设计的各种系统。这些系统提供了对源自于第一和第二声波与介质的非线性相互作用的复杂干涉图样的测量。

发明内容

作为本发明的一个方面，提供了一种用于根据非线性相互作用来表征介质的特性的方法。所述方法包括：通过设置在介质表面上的第一声源生成第一声波；以及通过设置在介质表面上的沿第一线与所述第一声源隔开的第二声源生成第二声波，其中，第一声源和第二声源是可控制的，从而使第一和第二声波的轨迹在介质内的混合区带内相交。所述方法还包括：通过置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器接收通过第一声波和第二声波在所述混合区带内的非线性混合过程生成的第三声波；以及基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第一二维图像。