Метод и система оценки характеристических свойств двух контактирующих сред и поверхности раздела между ними с учетом смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль поверхности их раздела
Владельцы патента RU 2439317:
Математический Институт им.В.А.Стеклова Российской академии наук (RU)
Изобретение касается оценки характеристических свойств как минимум одной из двух контактных сред. Способ оценки характеристических свойств как минимум одной из двух контактирующих сред, при этом одна из сред представляет собой твердое тело, характеризуется этапами регистрации акустических сигналов, генерируемых при прохождении звуковых волн в указанных средах. Определяют одну или несколько волновых характеристик смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль указанной поверхности раздела на основании зарегистрированных акустических сигналов. Рассчитывают характеристические свойства как минимум одной из указанных сред и указанной поверхности раздела на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн. Система содержит средство регистрации звуковых сигналов, средство обработки данных для определения одной или нескольких волновых характеристик указанных смешанных поверхностных волн и расчета характеристических свойств скважинного флюида и/или окружающей формации и/или стенки ствола скважины на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн. Техническим результатом является повышение эффективности оценки характеристических свойств сред. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
В общем изобретение касается оценки характеристических свойств как минимум одной из двух контактных сред, например погребенной формации, окружающей ствол скважины, и ствола скважины. В частности, изобретение касается измерения и анализа смешанных поверхностных волн, проводимых с такими целями.
Уровень техники
Акустические методы определения характеристик формации и ствола скважины хорошо известны. Все эти методы состоят в передаче звукового сигнала от источника на приемник через интересующую нас формацию. Обычно для акустических измерений ствола скважины используются объемные волны или модальные волны ствола скважины. Обычно делается допущение о том, что единственными компонентами волнового поля и типами волн являются волны сжатия, волны сдвига, волны Стоунли, дипольные волны изгиба и, возможно, четырехполюсные и вытекающие волны. Другие типы упругих волн рассматриваются как паразитные и не учитываются. Ультразвуковые измерения заслуживают особого комментария, т.е. обычно они основываются на простом измерении времени прохождения отраженной или преломленной объемной волны. Суммируя вышесказанное, можно сказать, что смешанные поверхностные волны (MSW) не используются в акустических исследованиях ствола скважины.
Таким образом, существуют различные методики оценки разломов - построение изображения стенки ствола скважины при помощи электромагнитных измерений (см., например, Патент США 4567759), с использованием свойств распространения волн Стоунли в присутствии разломов (US 4831600) и т.д. Существующие методики не основываются на смешанных поверхностных волнах.
Смешанные поверхностные волны, в состав которых входят волны шепчущей галереи, ползущие волны и т.д., могут проявляться в случае распространения волн вдоль поверхности раздела, который имеет эффективную кривизну, отличную от нуля. Последнее означает геометрическую кривизну, градиент скорости или любое сочетание данных величин. Первые попытки рассмотрения смешанных поверхностных волн в академической литературе относятся к 60-м гг. Их изучение и описание производилось с математических позиций [J.B.Keller, A geometrical theory of diffraction. In Calculus of Variations and Its Applications, pp.27-52, Ed.: L.M.Graves, New-York, (1958) // Дж.Б.Келлер, «Геометрическая теория дифракции. Математическое выражение отличий и его применение», с.27-52, под ред. Л.М.Грэйвз, Нью-Йорк (1958); В.М.Бабич, «Распространение волн Рэлея на поверхности однородного упругого тела произвольной формы», докл. Акад. Наук СССР, т.137, с.1263 (1961); И.А.Молотков, П.В.Крауклис, «Смешанные поверхностные волны на границе раздела упругой среды и жидкости», Известия Акад. Наук СССР, физика твердого тела, т.9 (1970);
V.M.Babich, N,Ya.Kirpichnikova The boundary-layer method in diffraction problems, v.3, Springer, Berlin, Heidelberg, (1979) // В.М.Бабич, Н.Я.Кирпичникова, «Метод пограничного слоя в проблемах дифракции», т.3, Шпрингер, Берлин-Гейдельберг (1979); B.J.Botter, J.van Arkel, Circumferential propagation of acoustic boundary waves in boreholes, J.Acoustic.Soc.Am., v.71, p.790 (1982) // Б.Дж.Боттер, Дж.Ван Аркель, «Периферическое распространение акустических пограничных волн в стволах скважин». Журнал акустического общества Америки, т.71, с.790 (1982); A.F.Siggins, A.N.Stokes, Circumferential propagation on elastic waves on boreholes and cylindrical cavities, Geophysics, v.52, p.514 (1987) / А.Ф.Сиггинс, А.Н.Стоукс, «Периферическое распространение упругих волн в стволах скважин и в цилиндрических полостях», Геофизика, т.52, с.514 (1987)]. Смешанные поверхностные волны наблюдались в ходе лабораторного эксперимента [В.Г.Грацинский, «Исследование упругих волн в модели ствола скважины». Изв. АН СССР, геофиз. серия, т.6, с.322 (1964); В.Г.Грацинский, «Амплитуды ползущих волн на поверхности ствола скважины». Изв. АН СССР, геофиз. серия, т.6, с.819 (1964); П.Г.Гильберштейн, Г.В.Губанова, «Квазисползание волн сжатия в случае вогнутой отражающей границы», Изв. АН СССР, физика земли, с.48 (1973)]. Тем не менее, смешанные поверхностные волны до настоящего времени не использовались при изучении акустических аспектов ствола скважины. Таким образом, изобретение является первой попыткой создания аппарата, способного возбуждать и обнаруживать смешанные поверхностные волны в стволе скважины, и разработки метода, способного обеспечить возможность томографического изучения характеристик ствола скважины и свойств формации.
Сущность изобретения
Цель изобретения состоит в разработке эффективного метода оценки характеристических свойств как минимум одной из двух контактирующих сред, например, погребенной формации, окружающей ствол скважины, и ствола скважины, а также взаимодействия между ними, например, по стенке ствола скважины.
Соответственно первый аспект изобретения состоит в разработке метода оценки характеристических свойств как минимум одной из двух контактирующих сред, имеющих траекторию поверхности раздела с отличной от нуля эффективной кривизной, при этом как минимум одна из сред представляет собой твердое тело; метод включает в себя шаги по регистрации акустических сигналов, генерируемых при прохождении акустических волн в указанных средах, определение одной или нескольких волновых характеристик смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль указанной поверхности раздела, на основании зарегистрированных звуковых сигналов, и расчет характеристических свойств как минимум одной из указанных сред и указанного взаимодействия на основе определенных характеристик смешанных поверхностных волн.
В предпочтительных воплощениях волновые характеристики смешанных поверхностных волн являются как минимум одной из следующих характеристик: время прохождения, величина, обратная скорости волны, и затухание указанных смешанных поверхностных волн. Характеристическими свойствами как минимум одной из указанных сред является как минимум одно из следующих свойств: модули упругости среды; тензоры соответствия среды; скорости волн сжатия или преломленных объемных волн или обоих видов волн в данной среде; градиент упругих свойств в среде; профиль скоростей волн сжатия или преломленных объемных волн или обоих видов волн в данных средах; глубина проникновения зон, в которых в данной среде присутствует градиент упругих свойств, в данные среды; анизотропия данных сред; наличие сосредоточенных неоднородностей среды. Характеристические свойства поверхности раздела представляют собой как минимум один из радиусов геометрической кривизны поверхности раздела и присутствие сосредоточенных неоднородностей в свойствах поверхности раздела.
Еще одна цель изобретения состоит в разработке метода оценки параметров ствола скважины и окружающей формации. Метод включает в себя регистрацию звуковых сигналов, вырабатываемых при прохождении акустических волн и смешанных поверхностных волн, определение одной или нескольких волновых характеристик указанных смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины на основании зарегистрированных звуковых сигналов и/или расчета характеристических свойств скважинного флюида, и/или окружающей формации, и/или стенки ствола скважины на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн.
В предпочтительных воплощениях этап определения волновых характеристик смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, основан на зарегистрированных звуковых сигналах, включает в себя этапы отделения смешанных поверхностных волн от других компонентов обнаруженных звуковых сигналов, а также инвертирование результатов как минимум на одну из следующих позиций: скважинный флюид, формацию и оценку свойств стенки.
В одном из предпочтительных воплощений метод, кроме того, включает этап возбуждения акустических волн как минимум в одной из следующих позиций: в стволе скважины, в формации и в стенке ствола скважины, - с тем, чтобы обеспечить генерирование смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, до регистрации акустических сигналов, генерируемых при прохождении указанных акустических волн и указанных смешанных поверхностных волн.
Еще в одном предпочтительном воплощении смешанные поверхностные волны возбуждаются как минимум одним акустическим источником, смещенным относительно оси ствола скважины.
Еще в одном воплощении смешанные поверхностные волны возбуждаются как минимум одним акустическим источником, располагающимся на оси ствола скважины, проникающей в формацию с градиентом скорости, имеющим компонент в направлении нормали к стенке скважины.
Еще в одном воплощении данного аспекта изобретения метод, кроме того, включает этап возбуждения звуковых волн как минимум одним акустическим детектором, который может использоваться для возбуждения звуковых волн, а также этап регистрации звуковых сигналов, генерируемых при прохождении указанных звуковых волн и указанных смешанных поверхностных волн, как минимум одним источником акустического сигнала, который может использоваться для регистрации акустических сигналов.
Еще в одном воплощении данного аспекта изобретения акустические сигналы регистрируются как минимум одним акустическим детектором.
Еще в одном воплощении этого аспекта изобретения акустические сигналы регистрируются распределенной азимутально-детекторной матрицей.
Еще в одном воплощении данного аспекта изобретения возбуждение акустических волн и регистрация акустических сигналов осуществляется одними и теми же средствами.
Еще в одном воплощении данного аспекта изобретения волновые характеристики смешанных поверхностных волн являются как минимум одной из следующих характеристик - временем прохождения, величиной, обратной скорости волны и затуханию смешанных поверхностных волн.
В другом воплощении данного аспекта изобретения указанные характеристические свойства формации представляют собой как минимум одно из следующих свойств: модулей упругости формации; тензоров соответствия формации, скорости объемных волн сжатия и/или волн сдвига в формации; градиента упругих свойств формации; профиля скоростей объемных волн сжатия и/или волн сдвига в формации; градиента скоростей объемных волн сжатия и/или волн сдвига в формации или обеих указанных характеристик; глубины проникновения зон, в которых присутствует градиент упругих свойств в формации, присутствия анизотропии, присутствия сосредоточенных неоднородностей в формации.
Еще в одном воплощении данного аспекта изобретения указанные характеристические свойства скважинного флюида представляют собой как минимум одно из следующих свойств: модулей упругости скважинного флюида; тензоров соответствия скважинного флюида; скоростей объемных волн сжатия и/или волн сдвига в скважинном флюиде, или обеих указанных характеристик.
В другом воплощении данного аспекта изобретения характеристическим свойством стенки ствола скважины является радиус геометрической кривизны.
Еще одной целью изобретения является разработка системы параметров оценки ствола скважины, стенки скважины и окружающей формации. Система включает в себя средства регистрации акустических сигналов, генерируемых при прохождении акустических волн, включая смешанные поверхностные волны, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, средства обработки данных для определения одной или нескольких волновых характеристик указанных смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины на основании зарегистрированных акустических сигналов, и расчета характеристических свойств скважинного флюида, и/или погребенной формации, и/или стенки ствола скважины на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн.
В одном из предпочтительных воплощений система, кроме того, включает в себя средство возбуждения акустических волн, установленное как минимум в одном стволе скважины, в формации и в стенке ствола скважины с целью генерирования смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины.
В предпочтительных воплощениях указанное средство для возбуждения акустических волн включает в себя как минимум один источник звука, смещенный относительно оси ствола скважины.
В других предпочтительных воплощениях изобретения указанное средство регистрации акустических волн включает в себя как минимум один источник звука, установленный на оси ствола скважины, проникающего в формацию с градиентом скорости, имеющим компонент, направленный по нормали к стенке ствола скважины.
В других предпочтительных воплощениях указанное средство регистрации акустических волн включает в себя как минимум один акустический детектор.
Кроме того, в предпочтительных воплощениях указанное средство регистрации акустических волн включает в себя азимутально-распределенную детекторную матрицу.
Кроме того, в предпочтительных воплощениях средство возбуждения звуковых волн может использоваться для регистрации акустических сигналов, а средство регистрации акустических сигналов может использоваться для возбуждения звуковых волн.
В других воплощениях изобретения средства возбуждения звуковых волн одновременно являются средствами регистрации звуковых сигналов.
Прочие аспекты и преимущества изобретения будут видны из следующего описания и прилагаемых заявок.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведены возможные примеры схем измерения смешанных поверхностных волн: а) с одним источником, одним детектором; b) с одним источником и детекторной матрицей.
На фиг.2 приведены другие возможные примеры схем измерения смешанных поверхностных волн: а) с матрицей источников и одним детектором; b) с матрицей источников и детекторной матрицей.
На фиг.3 приведен пример семейства лучей смешанных поверхностных волн (упрощенного за счет того, что в конструкцию входит один источник), образующего сетку на стенке ствола скважины (показаны примеры лучей смешанных поверхностных волн в зависимости от эволюции стенки ствола скважины).
На фиг.4 приведен пример, иллюстрирующий возможность использования детекторов в качестве приемников и наоборот.
На фиг.5 приведен пример смещения детектора относительно оси ствола скважины.
На фиг.6 приведен пример частей форм волны для детекторов, размещенных с различными азимутами. Эксцентриситеты (расстояния до осей ствола скважины) источника (в процентах радиуса ствола): 10% (пунктирная линия), 50% (штрих-пунктирная линия), 90% (сплошная линия).
На фиг.7 приведена схема примера распространения смешанной поверхностной волны в случае центрированного источника и градиента скорости в формации (смешанные поверхностные волны и их лучи в данном примере показаны с учетом допущения о том, что в формации имеется градиент скорости).
На фиг.8 приведен пример семейства лучей смешанных поверхностных волн на эволюции стенки скважины для случая, изображенного на фиг.7 (при тех же допущениях).
На фиг.9 приведен пример модели (а) и набора волн, полученных от детекторов 3, размещенных по полукругу стенки скважины 2 (…) (b), который указывает на возбуждение смешанных поверхностных волн (вступления 5 и 6 на синтетических волнах, соответствующих смешанным поверхностным волнам, проходящим вдоль лучей, как в случаях 7 и 8).
На фиг.10 приведен пример схемы одного из возможных воплощений аппарата: а) вид сбоку; b) вид сверху.
На фиг.11 приведен пример организованных волн от приемников, расположенных на луче определенной смешанной поверхностной волны.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
В соответствии с изобретением регистрируются акустические сигналы, генерируемые при прохождении звуковых волн как минимум в двух контактирующих средах, имеющих отличную от нуля эффективную кривизну поверхности раздела, включая смешанные поверхностные волны (например, смешанные поверхностные волны, распространяющиеся вдоль стенки ствола скважины). В частности, звуковые волны могут возбуждаться раньше последующей регистрации звуковых сигналов за счет использования источника звука (или матрицы источников) системы, а затем регистрироваться детектором (или детекторной матрицей). Затем на основе зарегистрированных звуковых сигналов и характеристических свойств скважинного флюида определяется одна или несколько волновых характеристик указанных смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, а также производится расчет окружающей формации и/или стенок ствола скважины. Расчеты основываются на соответствии между характеристиками распространения смешанных поверхностных волн и свойствами скважинного флюида и/или окружающей формации и/или стенки ствола скважины. Шаг определения волновых характеристик смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, с учетом зарегистрированных акустических сигналов может включать шаги по отделению смешанных поверхностных волн от других компонентов обнаруженных акустических сигналов и на инвертировании результатов оценки скважинного флюида и/или формации и/или свойств стенки ствола скважины.
В соответствии с изобретением необходимо регистрировать смешанные поверхностные волны при помощи некой системы, после чего отделить их в звуковом сигнале от других компонентов и инвертировать результаты для физических свойств ствола скважины и формации. Звуковые волны, включая смешанные поверхностные волны, лучше возбуждать до регистрации. Существенными компонентами такой системы являются средства возбуждения звуковых волн - источник звука (или матрица источников) 1, который располагается таким образом, чтобы возбуждать смешанные поверхностные волны, детектор (или детекторная матрица) 3 (фиг.1, 2) (их размещение может варьироваться - не обязательно на стенке скважины) и средства обработки данных (не показаны). Их сочетание позволяет возбуждать и регистрировать смешанную поверхностную волну (или семейство смешанных поверхностных волн, см. фиг.3) на интересующей нас поверхности раздела, например на стенке ствола скважины 2, а также, если поверхностью раздела является стенка ствола скважины, лучи возбужденного семейства смешанных поверхностных волн покроют ее поверхность (фиг.3). Этот подход не ограничивается типом формации и может быть реализован как для изотропных формаций, так и для формаций с внутренней анизотропией. Кроме того, в некоторых вариантах реализации может существовать возможность использования источников в качестве детекторов и наоборот, что позволяет расширить диапазон возможных воплощений (например, использования гидрофонов в качестве источников/приемников) (фиг.4). Возбужденные и зарегистрированные смешанные поверхностные волны распространяются вдоль поверхности раздела и сканируют информацию о физических свойствах формации (например, о кривизне поверхности раздела, значении скорости в формации и/или в скважинном флюиде, градиенте скорости в формации, возможно - информации об анизотропии и т.д.) (фиг.1, 2). Таким образом, зарегистрированные смешанные поверхностные волны содержат важную информацию о скважинном стволе и о формации.
Смешанные поверхностные волны распространяются вдоль поверхностей раздела, имеющих эффективную кривизну. Это можно объяснить геометрической кривизной, градиентом скорости или обоими факторами. Примерами являются стенка ствола скважины, трубы, границы слоев формации, поверхность раздела между цементом и формацией, зона проникновения/изменения/повреждения и т.д. Ввиду того, что смешанные поверхностные волны возникают на поверхности раздела между двумя средами, обладающей эффективной кривизной, данная концепция носит общий характер. Таким образом, есть возможность применения изобретения в различных отраслях. Например, в области сейсмических исследований оно может представлять интерес в случае неровных границ между слоями формации или криволинейными границами геологических структур (потенциальное применение в области сейсморазведочных построений), в сейсмологии его можно использовать для обнаружения землетрясений на больших расстояниях (волны проходят вдоль искривленных поверхностей), его также можно использовать для мониторинга дефектов (например, труб в системах транспортировки жидкостей) и т.д. Вкратце варианты применения смешанных поверхностных волн многочисленны и выходят за рамки акустики ствола скважины, которому посвящено данное конкретное изобретение.
Один из возможных путей генерирования смешанных поверхностных волн на стенке ствола скважины 2 состоит в использовании особым образом расположенных источников звука (или матрицы источников) 1 (см. фиг.1, 2). Существует множество вариантов типов источников. Наиболее распространенным является монополярный источник, но могут также использоваться другие источники, например дипольный, квадропольный, прямое возбуждение стенки ствола скважины (например, ударным источником сейсмических сигналов), матрица источников. Размещение источников 1 определяется на основании базовых знаний о физике распространения смешанных поверхностных волн. Например, в формациях без градиента скорости, имеющего компонент, направленный по нормали к стенке ствола скважины 2, источник(и) 1 должны быть смещены относительно оси ствола скважины 4 (фиг.5). Это является существенным, т.к. источник, размещенный на оси ствола скважины, в этом случае не будет возбуждать смешанные поверхностные волны, т.к. обычно источники звука располагаются по центру. В этом случае увеличение эксцентриситета является преимуществом, т.к. при этом облегчается возбуждение смешанных поверхностных волн, а их обнаружение отличается большей точностью и надежностью (фиг.6). Источник 1 вырабатывает звуковой сигнал. Можно одновременно направить единичный сигнал или ряд сигналов (одновременно со всех источников или с некоторой задержкой различными источниками, если используется матрица источников) - опять-таки существует несколько вариантов. Сигнал может представлять собой либо один и тот же сигнал, либо различные сигналы, направленные различными источниками. По достижении стенки ствола скважины 2 сигнал вызывает рост семейства смешанных поверхностных волн. Они распространяются вдоль стенки 2, как изображено на фиг.1, 2, 3. Другим примером являются формации с градиентом скорости вблизи стенки ствола скважины 2. Здесь эффективная кривизна отлична от нуля, даже если отсутствует геометрическая кривизна. Следовательно, в этом случае даже если источник 1, расположенный на оси ствола скважины 4, будет возбуждать смешанные поверхностные волны на стенке ствола скважины 2 (фиг.7), безусловно, лучи смешанных поверхностных волн будут отличаться от предыдущего примера (фиг.8). За счет использования детектора (или детекторной матрицы) 3 возможно обнаружить смешанные поверхностные волны совместно с другими компонентами звукового сигнала (сигналов) (фиг.9b). Каждая обнаруженная смешанная поверхностная волна содержит информацию о поверхности раздела и свойствах формации (например, о кривизне, градиенте скорости и т.д.) вдоль луча ее распространения. Таким образом, данные даже с одного детектора несут ценную информацию о стволе скважины и о формации и могут использоваться в качестве исходных данных при проведении дальнейших этапов. Естественно, чем больше детекторов используется, тем больше информации можно собрать. Имеющуюся информацию о характеристиках ствола скважины и о формации можно расширить, если использовать детекторную матрицу. Также для инвертирования пространственного распределения свойств необходимо собрать данные при помощи детекторной матрицы. Также важно построить решетку из лучей обнаруженных смешанных поверхностных волн от решетки интересующей нас поверхности раздела таким образом, чтобы это обеспечивало "сканирование" стенок ствола скважины 2 с точки зрения свойств ствола скважины и формации (фиг.1b, 2b, 3). Таким образом, при использовании изобретения в области томографии важно применять детекторную матрицу с размещением в виде массива/матрицы. Следует подчеркнуть, что данная компоновка для данного конкретного вида применения делается с конкретной целью возбуждения и обнаружения смешанных поверхностных волн, является новой и представляет собой новое измерение.
Для оценки свойств ствола скважины и формации, в первую очередь, необходимо отделить смешанные поверхностные волны от других компонентов звукового сигнала (например, см. фиг.9b) в данных, полученных с демодулятора (или массива демодуляторов). Необходимо исходить из общих представлений (например, определения времени вступления волны, выбора времени или других представлений [J.L.Mari, D.Painter. Signal processing for geologists and geophysicists. Editions Technip (1999)// Ж.Л.Мари, Д.Пейнтер. Обработка сигналов в геологии и геофизике. Editions Technip (1999)]) и разработать методики с учетом физики смешанных поверхностных волн (физики, основанной на выделении/отделении). Это означает надлежащий учет в реализации зависимости свойств смешанных поверхностных волн от таких параметров, как кривизна поверхности раздела, скорости в скважинном флюиде и в формации, градиент скорости и т.д. Следует учитывать, что эти параметры и, следовательно, свойства смешанных поверхностных волн могут изменяться в пределах лучей смешанных поверхностных волн. Также в случае эксцентрически расположенных источников 1 смешанные поверхностные волны проходят по искривленным траекториям по стенке ствола скважины 2 (фиг.1, 2, 4). В качестве примера для отделения/выделения смешанных поверхностных волн можно воспользоваться следующей процедурой. Зная ожидаемые траектории смешанных поверхностных волн, можно собрать и организовать волны от детекторов, расположенных вдоль луча смешанной поверхностной волны (которые, вообще говоря, будут искривляться по линии стенки ствола скважины). Для оценки величин, обратных скорости смешанных поверхностных волн, и времени прохождения можно провести анализ по признакам подобия (см., например, C.V.Kimball, T.L.Marzetta. Semblance processing of borehole acoustic array data, Geophysics, v.49, p.274, 1984 // K.B.Кимбал, Т.Л.Мардзетта. Обработка по признакам подобия данных звукового массива ствола скважины, Геофизика, т.49, с.274, 1984 г.) данных волн надлежащим образом, учитывая физику смешанных поверхностных волн (например, дисперсию смешанных поверхностных волн, зависящую от различных параметров, таких как радиус кривизны и т.д.). Последнее существенно отличается от общих представлений (например, величина, обратная скорости волны, отличается от величины, обратной скорости формации, как в случае головных волн, законы рассеивания отличаются от режимов ствола скважин и т.д.). Можно продумать также другие инновационные методики. Например, можно развернуть обнаруженный сигнал при помощи исходного сигнала, реализовать полную инверсию волны на основании знаний о распространении смешанных поверхностных волн, провести некоторую выборочную обработку звукового сигнала и т.д. После выделения/разделения смешанных поверхностных волн возможно использовать результат этапа инверсии для нахождения интересующих нас свойств. Т.е. данные детектора (или детекторной матрицы) следует инвертировать в интересующие нас свойства. Опять-таки для разработки методик, учитывающих физику смешанных поверхностных волн (инверсию, основанную на физике), следует использовать общие идеи (например, томографию методом трассировки лучей, инверсию волнового поля или другие идеи [А.Tarantola, Inverse Problem Theory and Methods for Model Parameter Estimation, SIAM (2004) // А.Тарантола. Применение теории и методики проблемы инвертирования для оценки параметров модели]). В случае распространения смешанных поверхностных волн одним из важных факторов является то, что на их скорости оказывает влияние кривизна поверхности раздела. Это требует построения инверсионного метода, учитывающего физику смешанных поверхностных волн. Это означает, например, учет зависимости дисперсии смешанных поверхностных волн от кривизны поверхности раздела и градиента скорости (нормаль к поверхности раздела) при подсчете времени прохождения, лучей волны и т.д. Другой возможный подход состоит в использовании инверсии уравнения эйконала смешанной поверхностной волны. Существуют многочисленные возможности, остановимся лишь на некоторых.
Информация, необходимая для этапа инвертирования и полученная в результате него, может варьироваться. Примеры этого таковы. Амплитуды и типы смешанных поверхностных волн при распространении через разломы испытывают на себе их влияние. Следовательно, эта информация, полученная в результате измерений смешанных поверхностных волн (обнаружение и выделение/разделение), может использоваться для оценки разломов стенки ствола скважины и инвертирования их свойств. Волна шепчущей галереи, распространяющаяся во флюиде, имеет скорость, соотносящуюся со скоростью скважинного флюида, по очень простой формуле [П.Крауклис, Н.Кирпичникова, А.Крауклис, Д.Писаренко, Т.Жарников. "Смешанные поверхностные волны - природа, моделирование и характеристики", тезисы доклада 69 конференции EAGE, EAGE2007]. Следовательно, информация о времени прохождения и величине, обратной скорости, полученная от единичного детектора или от детекторной матрицы (обнаружение и отделение/разделение) может использоваться для инвертирования величины, обратной скорости бурового раствора. Используя время прохождения смешанных поверхностных волн, измеренного при помощи детектора (или детекторной матрицы) в формации без градиента скорости, направленного по нормали к стволу скважины, можно инвертировать пространственное распределение свойств ствола скважины и формации (например, Vp, карту Vs, и т.д.). Измеренные данные смешанных поверхностных волн можно использовать для инвертирования пространственного распределения физических свойств (например, Vp, Vs) в стволе скважины и в формации. Зависимость величины, обратной скорости и времени прохождения смешанных поверхностных волн на кривизне поверхности раздела, может быть использована для инвертирования этих данных с целью составления карты и определения характеристик каверн в стволе скважины или для описания шероховатости стенки ствола скважины. Следует подчеркнуть, что каковы бы ни были реализации этапов разделения/отделения и инвертирования, чтобы быть корректными, они должны основываться на знании физики смешанных поверхностных волн, и, следовательно, быть инновационными. Другой возможный способ применения состоит в следующем. Первый звуковой сигнал оценивается детектором (детекторами) с учетом допущения о базовой модели кривизны поверхности раздела, площади градиента скорости и т.д. Затем эта оценка сопоставляется с измеренным сигналом. Расхождение может служить индикатором присутствия аномалий на поверхности раздела, расположенной на луче смешанных поверхностных волн (это одна из возможных реализаций этапа инвертирования). На распространение смешанных поверхностных волн влияет градиент скорости и его пространственное распространение. Это позволяет использовать смешанные поверхностные волны для характеристики зон изменения, проникновения, повреждения и других зон, в которых отмечается градиент скорости (глубина проникновения зоны, градиент и профиль скорости). Другой вариант состоит в оценке профиля скорости в формации. Смешанные поверхностные волны также можно использовать для оценки внутренней анизотропии формации. Также свойства распространения смешанных поверхностных волн через сосредоточенные неоднородности свойств (например, кривизны поверхности раздела, скорости, градиента скорости и т.д.) делают измерения смешанных поверхностных волн пригодными для обнаружения границ слоев/пластов и характеристики самих границ и слоев/пластов. Смешанные поверхностные волны также можно использовать для характеристики внутренней анизотропии формации. Распространение смешанных поверхностных волн в зависимости от кривизны поверхности раздела открывает возможности применения смешанных поверхностных волн для определения характеристик геометрии стенок ствола скважины (шероховатость, каверны, размывы, эллиптичность, некруглые стволы скважины и т.д.). Измерения смешанных поверхностных волн также можно применить для создания акустического каверномера, т.к. распространение смешанных поверхностных волн зависит от кривизны поверхности раздела и, следовательно, его можно использовать для измерения изменений диаметра ствола скважины. Это лишь некоторые примеры, и мы подчеркиваем, что существует возможность многочисленных вариантов применения измерений смешанных поверхностных волн. Данный метод также предоставляет разнообразную информацию в зависимости от конкретной реализации. Она зачастую отличается или имеет лучшее качество, нежели информация, которую можно получить другими методами и, следовательно, является новым вариантом применения при исследовании ствола скважины акустическими методами. Естественно, при использовании детекторной матрицы можно получить больше информации, но даже при использовании одиночного сейсмоприемника данный метод позволяет получить ценную информацию. В зависимости от конкретного варианта применения этапов метода можно разработать различные варианты применения смешанных поверхностных волн.
Общую структуру представленного изобретения можно проиллюстрировать путем описания одного из возможных воплощений, которое дает возможность распределения акустической скорости на стенке ствола скважины.
В соответствии с концепцией воплощение изобретения состоит из системы и метода. Целью является составление томографических характеристик стенки ствола скважины 2, а двумя существенными компонентами (см. фиг.9) являются источники звука 1, размещенные таким образом, чтобы возбуждать смешанные поверхностные волны, и детекторная матрица 3. Система может состоять только из источника звука, смещенного относительно оси ствола скважины 4 (что является новым местом для размещения источника) и азимутально распределенной детекторной матрицы 3, укрепленной на некоей раме 9. Данная схема изображена на фиг.10. Существуют многочисленные примеры возможных источников звука. Это может быть монополярный пьезоэлектрический передатчик, дипольный источник, ударный источник сейсмических сигналов (который непосредственно возбуждает смешанные поверхностные волны на стенке ствола скважины) и т.д. В качестве детекторов можно использовать, например, трехкомпонентные сеисмоприемники или акселерометры, касающиеся стенки ствола скважины. Это лишь один из вариантов, и все приведенные выше комментарии о широком диапазоне возможных вариантов воплощений имеют силу. Также стоит упомянуть, что в соответствии с концепцией в зависимости от реализации может быть возможным использовать источники как приемники и наоборот или использовать один элемент для выполнения обеих этих функций. Это позволит увеличить объем данных без расширения состава аппаратуры. Например, при использовании гидрофонов в качестве источника (источников) и приемников их можно переключить. Например, позволить всем новым источникам (бывшим приемникам) излучать звуковые сигналы отдельно. Это приведет к тому, что приемник (бывший источник) обнаружит распространение смешанных поверхностных волн в противоположном направлении (фиг.10).
Работу аппаратуры можно схематически представить следующим образом. Первое - эксцентрически расположенный источник звука 1 излучает звуковой сигнал в скважинном флюиде и возбуждает распространение поля звуковой волны (фиг.1b). Распространяясь, это волновое поле наталкивается на стенку ствола скважины 2. Ввиду эксцентрического расположения источника возрастает распространение поверхностных волн по лучам, определяемым по правилам лучевого приближения [V.M.Babich, V.S.Buldyrev, Short-wavelength diffraction theory (asymptotic methods). Springer-Verlag (1990) // B.M.Бабич, В.С.Булдырев. Теория дифракции коротких волн (асимптотические методы). Springer-Verlag (1990)]. Они схематически изображены на фиг.3. По причине естественной кривизны ствола скважины эти части также имеют геометрическую кривизну (фиг.1b). Таким образом, генерируются смешанные поверхностные волны. Они начинают распространяться вдоль стенки ствола скважины 2 по этим лучам. Затем при помощи детекторной матрицы 3 можно обнаружить поле звуковой волны. Пример волны давления представлен на фиг.9b (примеры вступлений смешанных поверхностных волн показаны как поз. 5 и 6). Можно увидеть, что помимо смешанных поверхностных волн регистрируются и другие компоненты волнового поля. Для иллюстрации того, что эксцентрически расположенный источник является существенным компонентом, на фиг.6 представлены волны давления с различными источниками эксцентриситета. Можно легко увидеть, что амплитуды смешанных поверхностных волн уменьшаются, и с уменьшением эксцентриситета ухудшается точность обнаружения вступления смешанных поверхностных волн. Также в соответствии с концепцией изобретения детекторы следует располагать таким образом, чтобы лучи смешанных поверхностных волн образовывали решетку на стенке ствола скважины, что позволит решить проблему инвертирования. Детекторная матрица описанной системы удовлетворяет данному требованию (фиг.1b, 3, 9, 10). Это хорошо видно на фиг.3, на которой представлены расположения детекторов на закруглении стенки ствола скважины, а также лучи смешанных поверхностных волн.
Средство обработки данных (не показано) для определения одной или нескольких характеристик распространения указанных смешанных поверхностных волн вдоль ствола скважины на основании зарегистрированных звуковых сигналов и расчета характеристических свойств скважинного флюида и/или погребенной формации и/или стенки ствола скважины на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн может представлять собой любое средство обработки данных, позволяющее осуществлять шаги, закодированные в виде исполняемых компьютером инструкций. Например, средством обработки данных может быть персональный компьютер, сервер или подобные устройства.
Что касается метода, в примере данного воплощения цель состоит в нахождении распределения скоростей по акустическому каротажу (Vp, Vs) на стенке ствола скважины. В соответствии с изобретением для этого необходимо выделить/разделить смешанные поверхностные волны в обнаруженном звуковом сигнале и инвертировать эти данные, полученные от детекторной матрицы в скорости по акустическому каротажу. Одной из простейших реализации этапа разделения является использование описанной выше процедуры. То есть организация волн, зарегистрированных детекторами на приближенном луче той же смешанной поверхностной волны (фиг.11) и применение анализа по признакам подобия (см., например, C.V.Kimball, T.L.Marzetta, Semblance processing of borehole acoustic array data. Geophysics, v.49, p.274, 1984 // K.B.Кимбал, Т.Л.Мардзетта. Обработка по признакам подобия данных звукового массива ствола скважины. Геофизика, т.49, с.274, 1984 г.) с учетом физики смешанных поверхностных волн. Это означает внесение поправок на зависимость траектории, скорости, дисперсии и т.д. смешанной поверхностной волны от различных параметров, например от радиуса кривизны луча смешанной поверхностной волны, частоты сигнала и т.д. [И.А.Молотков, П.В.Крауклис. Смешанные поверхностные волны на границе раздела упругой среды и жидкости. Известия Акад. Наук СССР, Физика твердого тела, т.9 (1970); П.Крауклис, Н.Кирпичникова, А.Крауклис, Д.Писаренко, Т.Жарников, "Смешанные поверхностные волны - природа, моделирование и характеристики", тезисы доклада 69 конференции EAGE, EAGE2007] при расчете признаков подобия. Например, в случае отсутствия градиента скорости в формации фазовая скорость ползущей волны Р (1 мод) зависит от частоты сигнала, скорости волны в объеме и радиуса эффективной кривизны. В этом случае действует примерная формула:
где VP - скорость сжатия в формации, f означает частоту сигнала, Rb - радиус ствола скважины, 
- угол между траекторией смешанной поверхностной волны и генератрисой стенки ствола скважины, а ξ1 - первый корень функции Эри. В других случаях можно применить другие и/или более сложные функции. Следует подчеркнуть, что эта процедура является новой. Если не будет учтена физика смешанных поверхностных волн, это приведет либо к невозможности получения времени вступления смешанных поверхностных волн, либо к ошибочной их оценке. Напротив, надлежащее разделение/выделение с учетом физики смешанных поверхностных волн приведет к идентификации вступления смешанных поверхностных волн (фиг.9b, 11). Для шага инвертирования можно воспользоваться следующей процедурой. Используя уравнения зависимости скоростей смешанных поверхностных волн от скоростей формации и бурового раствора, радиуса кривизны, частоты и других факторов [И.А.Молотков, П.В.Крауклис, Смешанные поверхностные волны на границе раздела упругой среды и жидкости, Известия Акад. Наук СССР, Физика твердого тела, т.9 (1970); П.Крауклис, Н.Кирпичникова, А.Крауклис, Д.Писаренко, Т.Жарников, "Смешанные поверхностные волны - природа, моделирование и характеристики", тезисы доклада 69 конференции EAGE, EAGE2007] при данной модели скорости можно рассчитать их лучи и время прохождения (фиг.1, 2, 3). Такие модели могут быть анизотропными, например, если радиус кривизны не постоянный, существует градиент скорости (который может изменяться в пространстве), в случае внутренней анизотропии формации и т.д. в общем случае кривизна поверхности раздела в одной и той же точке зависит от направления распространения смешанной поверхностной волны. В этом случае присутствует дополнительный тип анизотропии, который следует надлежащим образом учесть. В свою очередь, приведенные выше уравнения можно использовать при процедуре двухмерной томографии времени прохождения [A.Tarantola, Inverse Problem Theory and Methods for Model Parameter Estimation, SIAM (2004) // А.Тарантола. Применение теории и методики проблемы инвертирования для оценки параметров модели]. Применение этой новой процедуры ко времени прохождения смешанных поверхностных волн от детекторной матрицы (определенному на этапе разделения) позволяет инвертировать эти данные к пространственному распределению скоростей по акустическому каротажу на стенке ствола скважины.
Наконец, изобретение не только вводит новую систему и дает возможности многочисленных возможных измерений, но также представляет собой новый вид применения акустических исследований ствола скважины, как одного из примеров воплощения изобретения. То есть определение томографических характеристик ствола скважины и формации дает информацию, которую не способен дать никакой другой метод.
По сути концепция смешанных поверхностных волн носит общий характер, и можно прогнозировать множество других вариантов ее применения. Например, в принципе можно использовать акустические измерения и концепцию смешанных поверхностных волн для обнаружения и оценки разломов, измерения замедления движения бурового раствора, определения характеристик зон изменения/проникновения/повреждения, оценки анизотропии формации, выявления и определения характеристик слоев, пластов и т.д. Использование измерений смешанных поверхностных волн является новым способом выполнения этих задач и может дать преимущества по сравнению с существующими методиками.
Хотя изобретение описано для ограниченного числа воплощений, специалисты, обладающие квалификацией в данной отрасли, проработают другие воплощения изобретения, которые не выходят за рамки объема изобретения, описанного в настоящем документе. Соответственно объем изобретения следует ограничить только прилагаемыми заявками.
1. Способ оценки характеристических свойств как минимум одной из двух контактирующих сред, имеющих поверхность раздела между собой с отличной от нуля эффективной кривизной, при этом одна из сред представляет собой твердое тело, характеризуемый этапами регистрации акустических сигналов, генерируемых при прохождении звуковых волн в указанных средах, определяющий одну или несколько волновых характеристик смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль указанной поверхности раздела на основании зарегистрированных акустических сигналов, и рассчитывающий характеристические свойства как минимум одной из указанных сред и указанной поверхности раздела на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн.
2. Способ по п.1, включающий в себя этап возбуждения акустических волн как минимум в одной указанной среде до регистрации звуковых сигналов.
3. Способ по п.1, в котором указанные волновые характеристики смешанных поверхностных волн представляют собой как минимум один из следующих факторов: время прохождения, величину, обратную скорости, и затухание указанных смешанных поверхностных волн.
4. Способ по п.1, в котором указанные характеристические свойства указанных сред представляют собой как минимум одну из следующих характеристик:
- модули упругости среды;
- тензоры соответствия среды;
- скорости волн сжатия или преломленных объемных волн или обоих видов волн в данной среде;
- градиент упругих свойств в среде;
- профиль скоростей волн сжатия или преломленных объемных волн, или обоих видов волн в данных средах;
- глубины проникновения зон, в которых в данной среде присутствует градиент упругих свойств, в данные среды;
- анизотропия данных сред;
- наличие сосредоточенных неоднородностей среды.
5. Способ по п.1, в котором указанные характеристические свойства поверхности раздела представляют собой как минимум одно из следующих свойств: геометрическая кривизна радиусов поверхности раздела и наличие сосредоточенных неоднородностей свойств поверхности раздела.
6. Способ оценки параметров скважинного флюида, стенки ствола скважины и окружающей формации, метод, включающий в себя:
регистрацию акустических сигналов, генерируемых прохождением акустических волн как минимум в одной из позиций: в стволе скважины, в формации и в стенке ствола скважины, и смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, определяющей одну или несколько волновых характеристик указанных смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, на основании зарегистрированных звуковых сигналов, и расчет характеристических свойств скважинного флюида, и/или окружающей формации, и/или стенки ствола скважины на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн.
7. Способ по п.6, в котором этап определения волновых характеристик смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, на основании зарегистрированных акустических сигналов включает этапы отделения смешанных поверхностных волн от других компонентов обнаруженных акустических сигналов и инвертирование результатов для оценки свойств скважинного флюида, и/или формации, и/или стенки ствола скважины.
8. Способ по п.6, кроме того, включающий в себя этап возбуждения акустических волн как минимум в одной из следующих позиций: в стволе скважины, в формации и в стенке ствола скважины, с целью генерирования смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, до регистрации акустических сигналов, генерируемых при прохождении указанных звуковых волн и указанных смешанных поверхностных волн.
9. Способ по п.8, в котором указанные акустические волны возбуждаются как минимум одним источником звука, смещенным относительно оси ствола скважины.
10. Способ по п.8, в котором указанные акустические волны возбуждаются как минимум одним источником звука, размещенным на оси ствола скважины, проникающей в формацию, с градиентом скорости, имеющим компонент, направленный по нормали к стенке ствола скважины.
11. Способ по п.8, в котором указанные акустические сигналы регистрируются как минимум одним акустическим детектором.
12. Способ по п.8, далее включающий этап возбуждения звуковых волн как минимум одним акустическим детектором, который может использоваться для возбуждения звуковых волн, и этап регистрации акустических сигналов, генерируемых при прохождении указанных звуковых волн и указанных смешанных поверхностных волн как минимум одним источником звука, который может использоваться для регистрации акустических сигналов.
13. Способ по п.8, в котором возбуждение акустических волн и регистрация звуковых сигналов осуществляется одними и теми же средствами.
14. Способ по п.6, в котором указанные акустические сигналы регистрируются азимутально распределенной детекторной матрицей.
15. Способ по п.6, в котором указанные волновые характеристики смешанных поверхностных волн являются как минимум одной из следующих характеристик: времени прохождения, величины, обратной скорости и затухания смешанных поверхностных волн.
16. Способ по п.6, в котором указанные характеристические свойства формации являются как минимум одним из следующих свойств:
- модули упругости формации;
- тензоры соответствия формации;
- скорости объемных волн сжатия и/или волн сдвига в формации;
- градиент упругих свойств формации;
- профиль скоростей объемных волн сжатия, или волн сдвига, или обоих видов волн в формации;
- градиент скорости объемных волн сжатия, или волн сдвига, или обоих видов волн в формации;
- глубины проникновения зон в формации, в которых присутствует градиент упругих свойств;
- анизотропия формации;
- наличие сосредоточенных неоднородностей в свойствах формации.
17. Способ по п.6, в котором указанными характеристическими свойствами скважинного флюида является как минимум одно из следующих свойств:
- модули упругости скважинного флюида;
- тензоры соответствия скважинного флюида;
- скорости объемных волн сжатия, или волн сдвига, или обоих видов волн в скважинном флюиде.
18. Способ по п.6, в котором указанные характеристические свойства стенки ствола скважины являются его радиусами геометрической кривизны.
19. Система оценки параметров ствола скважины, стенки ствола скважины и окружающей формации в соответствии со способом по п.6, система, включающая в себя: средство регистрации звуковых сигналов, генерируемых при прохождении звуковых волн, включая смешанные поверхностные волны, распространяющиеся вдоль стенки ствола скважины; средство обработки данных для определения одной или нескольких волновых характеристик указанных смешанных поверхностных волн, распространяющихся вдоль стенки ствола скважины, на основании зарегистрированных акустических сигналов, и расчета характеристических свойств скважинного флюида, и/или окружающей формации, и/или стенки ствола скважины на основании определенных волновых характеристик смешанных поверхностных волн.
20. Система по п.19, далее включающая в себя средства возбуждения звуковых волн, размещенные как минимум в одной из следующих позиций: в стволе скважины, в формации и в стенке ствола скважины с тем, чтобы генерировать смешанные поверхностные волны, распространяющиеся вдоль стенки ствола скважины.
21. Система по п.19, в которой указанные средства возбуждения акустических волн включают как минимум один источник звука, смещенный относительно оси ствола скважины.
22. Система по п.19, в которой указанные средства для возбуждения звуковых волн включают в себя как минимум один источник звука, размещенный на оси ствола скважины, проникающей в формацию, с градиентом скорости, имеющим компонент, направленный по нормали к стенке ствола скважины.
23. Система по п.19, характеризующаяся тем, что указанные средства регистрации звуковых волн включают в себя как минимум один акустический детектор.
24. Система по п.19, характеризующаяся тем, что указанные средства регистрации звуковых волн включают в себя азимутально распределенную детекторную матрицу.
25. Система по п.19, в которой средства возмущения звуковых волн могут использоваться для регистрации звуковых сигналов, а средства регистрации звуковых сигналов могут использоваться для возбуждения звуковых волн.
26. Система по п.19, в которой средства возмущения звуковых волн одновременно являются средствами регистрации звуковых сигналов.
