專利名稱：：使用菲涅耳體積層析成像來確定巖層和鉆孔參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及一種使用在鉆孔(borehole)中進(jìn)行的聲音測(cè)量(sonicmeasurement)來勘測(cè)地下(subsurface)巖層的方法。更特別地，此發(fā)明針對(duì)一種用于沿著和圍繞鉆孔來確定巖層慢度(formationslowness)的方法。
背景技術(shù)：
：鉆孔聲波的生成和記錄是在油田鋼纜測(cè)井(wirelinelogging)中采用的關(guān)鍵測(cè)量。目前，很多鉆孔工具和方法可用于進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量。一些工具包括單個(gè)音波源以及兩個(gè)或更多接收器；然而，現(xiàn)在，多數(shù)工具包括排成陣列的很多接收器。盡管當(dāng)前可用的聲學(xué)工具在提供有關(guān)相鄰巖層和鉆孔參數(shù)的大范圍的信息中是有用的，但聲學(xué)鉆孔測(cè)量的主要用途是估計(jì)壓縮波巖層慢度。典型地，使用通過第一運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過程而獲取的行程時(shí)間(traveltime)而估計(jì)壓縮波巖層慢度。在現(xiàn)有技術(shù)所提出的單個(gè)源、兩個(gè)接收器工具的情況中，通過將兩個(gè)接收器之間的到達(dá)時(shí)間相減并除以接收器間的間隔，而估計(jì)巖層慢度。然而，由于工具傾斜、鉆孔沖蝕(washout)、地層邊界效應(yīng)(bedboundaryeffect)等，會(huì)使此估計(jì)不精確。除此之外，已使用額外的聲源和接收器以及更健壯的方法如STC(Slowness-Time-Coherencyanalysis，慢度時(shí)間相干性分析)，來減小由這種環(huán)境效應(yīng)引入的不精確。用于確定巖層慢度的上述行程時(shí)間測(cè)量技術(shù)也受到其它不足的影響?，F(xiàn)有方法僅提供沿鉆孔軸的巖層慢度的一維值，并丟棄與沿其它方向(如與鉆孔軸垂直的徑向和/或角向)的巖層屬性有關(guān)的信號(hào)中所固有的有價(jià)值的信息。為了克服在沿軸向和徑向估定(assessing)慢度分布中的困難，可采用行程時(shí)間層析成像反演(tomographicinversion)(即“層析成像”)。行程時(shí)間層析成像反演的目標(biāo)在于找到使所測(cè)量的行程時(shí)間和所計(jì)算的所有源-接收器對(duì)的行程時(shí)間之間的差異最小化的解或模型(即，沿著和圍繞鉆孔的巖層慢度分布)。行程時(shí)間層析成像的控制方程(governingequation)通常為非線性的，但是可以通過以初始模型開始的迭代解算法而求解。在此求解過程的每個(gè)迭代中，執(zhí)行下面的兩個(gè)步驟正演建模(forwardmodeling)以及反演。通過“正演建模”，根據(jù)給定模型(來自初始猜測(cè)或先前迭代的結(jié)果)而為每個(gè)源和接收器對(duì)計(jì)算行程時(shí)間。然而，由于所使用的模型未必就是真實(shí)的地下模型，所以，典型地，所計(jì)算的行程時(shí)間與實(shí)際測(cè)量的行程時(shí)間不一致。由此，跟隨在此“正演建?！辈襟E之后，計(jì)算實(shí)際測(cè)量的和所計(jì)算的行程時(shí)間之間的差異，并且，隨后通過優(yōu)化/最小化方法(例如，反投影或共軛梯度)而使該差異最小化，以更新/調(diào)整先前所得到的模型。重復(fù)進(jìn)行這兩個(gè)步驟，直到實(shí)現(xiàn)最佳適配(fit)為止(即，行程時(shí)間誤差收斂)。由此，得到最終求解模型。成功的層析成像顯著取決于這些正演建模和反演步驟。對(duì)于這兩個(gè)步驟中的每個(gè)，用于正演建模的數(shù)值方法更為關(guān)鍵和必要?？扇菀椎乩斫猓痪_和不夠健壯的建模將生成不正確的行程時(shí)間，由此導(dǎo)致錯(cuò)誤的最終解。美國(guó)專利第5081611號(hào)(B.Homby(霍恩比)，1992)提出了基于用聲音工具(sonictool)測(cè)量的行程時(shí)間的反演的這種層析成像方法?；舳鞅葦嘌运姆椒軌蜻h(yuǎn)離鉆孔而確定慢度分布。然而，霍恩比公開的方法并不被頻繁使用，這大概是因?yàn)榛谡凵洳ǖ纳渚€跟蹤技術(shù)的建模內(nèi)核是不可靠的。另外，霍恩比方法需要沿鉆孔軸而隱含地施加虛擬層，這缺乏有關(guān)現(xiàn)有信息和地質(zhì)支持的魯棒性。此外，霍恩比所教導(dǎo)的方法僅限于二維，即，沿著鉆孔軸和一個(gè)徑向。如前所述，建模是在此層析成像反演中的所需步驟，并且，其魯棒性和效率對(duì)于反演的成功是至關(guān)重要的。盡管射線跟蹤是公知的數(shù)值仿真技術(shù)、并被廣泛地用于聲疇以便進(jìn)行行程時(shí)間計(jì)算，但是，此方法存在大量限制，而妨礙了其對(duì)于聲音層析成像的健壯使用。例如，射線跟蹤技術(shù)假定音波的頻率為無限高。然而，實(shí)際波常常是有限頻帶的。實(shí)際波的傳播不僅受如射線近似法所暗示的沿射線路徑的結(jié)構(gòu)的影響，還受到射線路徑附近的介質(zhì)的影響。對(duì)于其中波長(zhǎng)不顯著小于源和接收器之間的距離的音波，這種射線近似法是不夠精確的。此外，射線跟蹤計(jì)算是昂貴、不穩(wěn)定的，并且難以在實(shí)踐中應(yīng)用于三維(3-D)層析成像。本發(fā)明旨在克服或至少減少上面概述的一個(gè)或多個(gè)問題的影響。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明滿足上述和其它需要。特別地，本發(fā)明提供了一種確定鉆孔穿過的區(qū)段的巖層慢度的方法，該方法包括通過具有源和至少一個(gè)接收器的聲音工具而生成聲波；以及計(jì)算該聲波的菲涅耳體積波徑。本發(fā)明還提供了一種根據(jù)具有聲源和多個(gè)接收器的聲音工具的數(shù)據(jù)而確定鉆孔周圍的3-D巖層慢度的方法，包括為巖層和鉆孔分配初始慢度模型；計(jì)算表示一個(gè)或多個(gè)波傳播路徑的一個(gè)或多個(gè)菲涅耳體積；對(duì)于每個(gè)接收器，基于菲涅耳體積波傳播路徑而計(jì)算理論上的一個(gè)或多個(gè)首先到達(dá)時(shí)間；對(duì)于每個(gè)接收器，計(jì)算所測(cè)量的首先到達(dá)時(shí)間和理論上的首先到達(dá)時(shí)間的函數(shù)，其中根據(jù)聲音工具的數(shù)據(jù)而確定用于每個(gè)接收器的所測(cè)量的首先到達(dá)時(shí)間；沿首先到達(dá)的菲涅耳體積波徑而對(duì)該函數(shù)進(jìn)行反投影，由此提供對(duì)多個(gè)巖層區(qū)段的初始慢度模型的修改；以及修改初始慢度模型作為所提供的修改的函數(shù)。另一方面提供了一種確定鉆孔穿過的區(qū)段的巖層慢度的方法，其包括將菲涅耳區(qū)層析成像應(yīng)用于聲音數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供了一種巖層慢度確定裝置，其包括聲源、聲接收器、以及處理器，該處理器被耦接到聲源和聲接收器，并被編程為對(duì)于由聲源生成并由聲接收器接收的聲波而計(jì)算和更新菲涅耳區(qū)。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和新穎的特征將在下面的描述中闡述，或可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過閱讀這些材料或?qū)嵺`本發(fā)明而知曉?？赏ㄟ^在所附權(quán)利要求中闡述的部件而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本專利或申請(qǐng)文件包含至少一個(gè)有色繪制的繪圖。一經(jīng)請(qǐng)求和支付必要費(fèi)用后，將由有關(guān)部門提供具有有色繪圖的此專利或?qū)＠暾?qǐng)公開的副本。附解了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并且是說明書的一部分。附圖與下面的描述一起演示和說明了本發(fā)明的原理。圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的耦接到計(jì)算機(jī)處理器的聲音工具的代表圖。圖2為與源和接收器相對(duì)應(yīng)的菲涅耳體積的示意性表示。圖3a為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的四層介質(zhì)中的菲涅耳體積頭波的例子。圖3b為圖3a的四層介質(zhì)的第一到達(dá)射線路徑的圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的重構(gòu)算法的概略說明。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的用于確定巖層慢度的流程圖。圖6a為用于計(jì)算機(jī)仿真的假設(shè)巖層的慢度剖面圖(profile)。圖6b為從為假設(shè)巖層計(jì)算的合成行程時(shí)間而反演的所估計(jì)的慢度剖面圖。圖6c示出了在假設(shè)的慢度域上觀測(cè)的行程時(shí)間和在重構(gòu)的慢度域上計(jì)算的行程時(shí)間之間的百分比差的變化。在所有圖中，用相同的附圖標(biāo)記來指定相同的元素。具體實(shí)施例方式現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，并且特別是在圖1中，聲音工具(100)被示出為與均勻巖層(102)相鄰。聲音工具(100)包括源(S)、以及至少一個(gè)接收器(R)。在本實(shí)施例中有兩個(gè)接收器(R)，然而，還可使用更多的接收器(R)和源(S)。所示出的一個(gè)源(S)、兩個(gè)接收器(R)的配置本質(zhì)上是示例性的，并且可以有接收器和/或源的完整陣列。接收器(R)和源(S)被耦接到用于收集和處理來自聲音工具(100)的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理器(104)。并且示出了波向線路徑(waveraypath)(106)，其代表通過激活源(S)而產(chǎn)生的壓縮波的路徑。接收器和(R)可具有不同類型的性質(zhì)，所述不同類型包括但不限于壓電和限磁(magneto-restrictive)接收器。接收器(R)能夠檢測(cè)音波的到達(dá)。將可包括由接收器(R)隨著時(shí)間的過去而生成的波形的從聲音工具(100)收集的信息或數(shù)據(jù)經(jīng)由懸掛聲音工具(100)的線纜(108)或通過任意其它便利的通信技術(shù)，而發(fā)送到計(jì)算機(jī)處理器(104)。該計(jì)算機(jī)處理器(104)在商業(yè)上可從非常多的來源獲得。根據(jù)本發(fā)明的方法，可使用菲涅耳體積方案(下面描述)，而處理由聲音工具(100)得到并由計(jì)算機(jī)處理器(104)接收的聲音數(shù)據(jù)，以確定巖層慢度?？捎捎?jì)算機(jī)處理器(104)在井場(chǎng)(well-site)執(zhí)行巖層慢度的計(jì)算，或者，可使用由聲音工具(100)收集的聲音數(shù)據(jù)，而在場(chǎng)外(off-site)處理位置完成所述計(jì)算。另外，根據(jù)本發(fā)明的某些方法，可由計(jì)算機(jī)處理器(104)實(shí)時(shí)完成采用菲涅耳體積方案的巖層慢度的計(jì)算。接下來轉(zhuǎn)到圖2，示出了菲涅耳體積(200)的示意表示?？筛鶕?jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)用于處理聲音數(shù)據(jù)的菲涅耳體積(200)方案，以確定巖層慢度。由滿足以下方程的點(diǎn)(P)來表示與聲源(S)和接收器(R)相對(duì)應(yīng)的菲涅耳體積(200)Δτ=τSP+τRP-τSR≤12f----(1)]]>其中，τSP為從源(S)到所考慮的點(diǎn)(P)的行程時(shí)間，τRP為從接收器(R)到所考慮的點(diǎn)(P)的行程時(shí)間，τSR為從源(S)到接收器(R)的最短行程時(shí)間，以及f為聲波的頻率(1/f為周期)。因此，可將菲涅耳體積或區(qū)(200)描述為在時(shí)間上延遲一半周期或更少的很多可能的射線(射線為與波前垂直的線)。菲涅耳體積(200)的實(shí)現(xiàn)有利地消除了對(duì)難以實(shí)現(xiàn)且在實(shí)踐上限于2-D層析成像的現(xiàn)有技術(shù)的射線跟蹤技術(shù)的需要。不需要跟蹤精確的射線，這是因?yàn)槠浔浑[含地包括在菲涅耳體積(200)中。可根據(jù)本發(fā)明通過Vidale的方法(Vidale，1988)而實(shí)現(xiàn)菲涅耳體積(200)的估計(jì)，該方法包括用有限差分近似來求解短時(shí)距方程(Eikonalequation)。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方法而確定菲涅耳區(qū)(200)包括波動(dòng)論、互易定理、以及費(fèi)馬原理的整合。波傳播理論適用于互易，即，向和從接收器(R)和所考慮的點(diǎn)(P)的行程時(shí)間為相等的(τRP＝τPR)。費(fèi)馬原理闡述了兩點(diǎn)之間的光線的路徑是使行程時(shí)間最小化的路徑。費(fèi)馬原理也適用于聲波。因此，可根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過對(duì)整個(gè)空間(例如，單元(202))計(jì)算波行程時(shí)間、將接收器(R)和所考慮的點(diǎn)(P)之間以及源(S)和所考慮的點(diǎn)(P)之間的行程時(shí)間相加(τRP+τSP)、從該和中減去源(S)和接收器(R)之間的行程時(shí)間(τRP+τSP-τSR)、并找到滿足方程(1)的區(qū)，而得到菲涅耳區(qū)。此區(qū)是根據(jù)定義的菲涅耳區(qū)(200)，并且是健壯的“射線跟蹤”技術(shù)，這是因?yàn)樵撍惴ㄎ凑业骄_的射線路徑。然而，可在各個(gè)網(wǎng)格(grid)點(diǎn)上通過加權(quán)值來矯正由菲涅耳區(qū)(200)定義的路徑。為通過加權(quán)值來矯正路徑，選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)函數(shù)。例如，可選擇指數(shù)加權(quán)值，根據(jù)下面的方程，該值隨著所測(cè)量的時(shí)間行程延遲的增加，而以指數(shù)方式從1減小到0w=exp(-(2fΔt)2),(Δt≤12f)0,(Δt)>12f)----(2)]]>其中，Δt＝τSP+τRP-τSR圖3a示出了使用方程(2)的加權(quán)函數(shù)而被表示為加權(quán)值的頭波的菲涅耳體積的例子。該圖示出了指明巖層中的多個(gè)層(212、214、216、218)的多個(gè)菲涅耳區(qū)(206、208、以及210)。類似地，圖3b示出了首先到達(dá)四層巖層的一個(gè)源位置的多個(gè)接收器的到達(dá)射線路徑。在圖3b中，可清楚地看到來自第二(214)、第三(216)、以及第四(218)層的折射波。菲涅耳體積層析成像不同于基于考慮單個(gè)射線路徑的準(zhǔn)確射線跟蹤的標(biāo)準(zhǔn)層析成像技術(shù)。通過菲涅耳體積層析成像，將射線路徑視為束，而不是單條線。通過網(wǎng)格上的加權(quán)值來實(shí)現(xiàn)這些射線路徑。因而，加權(quán)值被包括在層析成像反演內(nèi)核中?？赏ㄟ^積分方程來表示具有高頻近似的從源到接收器的行程時(shí)間tk=∫Tk(r)s(r)dr----(3)]]>其中，Tk(r)表示第k路徑，s(r)表示網(wǎng)格的慢度，而dr表示弧線長(zhǎng)度。包括這里所實(shí)現(xiàn)的加權(quán)值w(r)，將該方程重寫為tk＝∫射線路徑w(r)s(r)dr(4)通過選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)函數(shù)，菲涅耳體積可表示從波動(dòng)論導(dǎo)出的具有有限頻率的波傳播。菲涅耳體積方案的優(yōu)點(diǎn)在于，與基于波動(dòng)論的其它方案相比，其不需要很高的計(jì)算時(shí)間。菲涅耳體積方案是射線近似法和波動(dòng)論的中間形式。根據(jù)基于聲波方程的全波反演，將要被最小化的誤差函數(shù)定義為剩余波形的總功率。通過將正向傳播的波場(chǎng)與剩余的反向傳播的波場(chǎng)相關(guān)，而計(jì)算誤差函數(shù)相對(duì)于速度的梯度。通過選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)函數(shù)，菲涅耳體積可表示從波動(dòng)論導(dǎo)出的具有有限頻率的波傳播。菲涅耳體積方案的優(yōu)點(diǎn)在于，與基于波動(dòng)論的其它方案相比，其不需要很高的計(jì)算時(shí)間。菲涅耳體積方案是射線近似法和波動(dòng)論的中間形式。如所討論的，菲涅耳區(qū)波徑通過簡(jiǎn)單的二級(jí)行程時(shí)間計(jì)算而計(jì)算，并通過網(wǎng)格上的加權(quán)值來表示。接下來，可對(duì)菲涅耳區(qū)進(jìn)行反演，以在與用于計(jì)算行程時(shí)間和菲涅耳體積的網(wǎng)格相同的網(wǎng)格上重構(gòu)慢度域網(wǎng)格。例如，在均勻慢度域S中，通過作為彼此隔開距離L的源和接收器對(duì)的行程時(shí)間的T，可將慢度和行程時(shí)間之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)方式描述為TS=L,]]>TδTS-TδSS2=0,]]>ΔSS=ΔTT----(3)]]>將更新的慢度即第k迭代的第p網(wǎng)格點(diǎn)的ΔSpk、以及第i射線的行程時(shí)間誤差ΔTl表示為ΔTi=Tiobs-Tical]]>以及ΔSpk=Spk+1-Spk----(4)]]>其中，Tobs和Tcal與當(dāng)前模型有關(guān)的所觀測(cè)的行程時(shí)間和所計(jì)算的行程時(shí)間。如果對(duì)Spk+1分配真慢度值Sptrue并根據(jù)方程(4)，則可得到與每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的加權(quán)值相關(guān)的慢度和行程時(shí)間的關(guān)系如下ΔSpkSpk+1=wpiΔTiTiobs----(5)]]>其中，wpi為通過方程(2)計(jì)算的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的加權(quán)值?？紤]所有射線，可將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的更新的慢度表示為ΔSpkSpk+1=ΣiwpiΔTiTiobs/Σiwpi----(6)]]>最后，根據(jù)方程(4)和(6)，將更新參數(shù)導(dǎo)出為；Spk+1=Spk1-αpik----(7)]]>其中，αpik=ΣiwpiΔTiTiobs/Σiwpi]]>方程(7)為應(yīng)用于菲涅耳區(qū)的普通同時(shí)迭代重構(gòu)技術(shù)(SIRT)的擴(kuò)展，其中在該普通同時(shí)迭代重構(gòu)技術(shù)中，在考慮所有射線路徑之后更新慢度。圖4顯示了重構(gòu)算法的說明，如上面詳述的一種算法。SIRT是一種適合的反投影器方法；應(yīng)當(dāng)理解可使用其它反投影器。最初，在地震應(yīng)用(例如，Watanabe等人，1999)中開發(fā)菲涅耳區(qū)層析成像方法，然而，根據(jù)本發(fā)明，菲涅耳區(qū)方法適用于針對(duì)聲音數(shù)據(jù)的應(yīng)用。通常，由互相間隔覆蓋上百英尺的鉆孔長(zhǎng)度的幾個(gè)偏移的短源-接收器獲取聲音數(shù)據(jù)。然而，重構(gòu)區(qū)域距鉆孔僅幾英尺。因而，將菲涅耳區(qū)層析成像應(yīng)用于聲音數(shù)據(jù)可包括根據(jù)本發(fā)明的特定適用。根據(jù)本發(fā)明的一種方法，將菲涅耳區(qū)層析成像應(yīng)用于聲音數(shù)據(jù)可包括對(duì)巖層分配初始分層的慢度模型。使用菲涅耳區(qū)層析成像來計(jì)算慢度是上面所討論的迭代過程，于是，可基于聲音數(shù)據(jù)的表象分析(semblanceanalysis)并使用井徑測(cè)量(caliperlog)數(shù)據(jù)(如果可用的話)，而分配“最佳猜測(cè)”模型。然而，用于使用菲涅耳區(qū)而確定慢度的迭代過程是穩(wěn)定的，并且因此，更加容忍不準(zhǔn)確的初始模型。圖5圖解了根據(jù)本發(fā)明的使用菲涅耳區(qū)層析成像的慢度計(jì)算的一種方法?？赏ㄟ^delta-t處理并使用井徑測(cè)量信息，而構(gòu)建初始慢度模型(500)?？稍谧鴺?biāo)網(wǎng)格上表示該模型，并且，該慢度計(jì)算方法還可包括如在塊(504和505)中所詳述的，將對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)從模型坐標(biāo)網(wǎng)格分配到由聲音工具(100，圖1)收集的聲音行程時(shí)間數(shù)據(jù)。為創(chuàng)建模型坐標(biāo)網(wǎng)格，從聲音波形中選出首先到達(dá)的信號(hào)(504)，并且隨后，可針對(duì)于模型坐標(biāo)而對(duì)選出的聲音行程時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行排序(505)?？苫诔跏寄Ｐ?500)，而將坐標(biāo)網(wǎng)格劃分為離散的判讀塊(interpretationblock)(502)，優(yōu)選地，使得該塊包含巖層的均勻區(qū)段。相對(duì)小的判讀塊允許對(duì)反演過程的更便利的應(yīng)用。另外，可分配啟動(dòng)頻率濾波帶(506)。隨后，可通過上面討論的跟隨有根據(jù)反投影方法的對(duì)巖層慢度的反演重構(gòu)(上面也討論了)的對(duì)行程時(shí)間的正向/反向計(jì)算(508)，而估算菲涅耳體積。為了克服聲音數(shù)據(jù)的極限的長(zhǎng)度對(duì)寬度比，根據(jù)本發(fā)明的一種方法，可采用矩形元素(rectangularelement)來進(jìn)行正向行程時(shí)間計(jì)算。例如，可通過快速臨界(fast-marching)方法或線性行程時(shí)間插值方法，來完成用于矩形網(wǎng)格的行程時(shí)間的計(jì)算。最近，已由Sethian(1996)開發(fā)了快速臨界方法，用于分析和計(jì)算大量設(shè)置中的界面移動(dòng)(interfacemotion)。此算法很快，并可被應(yīng)用于一般的幾何形狀，同時(shí)保留實(shí)際的精確性?？焖倥R界方法的關(guān)鍵點(diǎn)可包括以下內(nèi)容從最小行程時(shí)間值起向外構(gòu)建短時(shí)距方程的解；沿順風(fēng)(downwind)方向遠(yuǎn)離邊界條件而步進(jìn)；以及在順風(fēng)相鄰點(diǎn)處重新計(jì)算行程時(shí)間值，這不能產(chǎn)生小于已知點(diǎn)中的任一個(gè)的值。通過使用此方法，不需要返回并重新訪問具有已知值的點(diǎn)，這是因?yàn)橐阎翟谒泻竺娴挠?jì)算中保持不變。另外，菲涅耳體積的估算包括上面所討論的分配加權(quán)值(510)、基于反投影而更新巖層慢度(512)、并隨后檢查所測(cè)量的和模型行程時(shí)間之間的誤差(514)?；谒鶞y(cè)出的誤差，調(diào)整并重分配頻率濾波帶(516)，判讀塊(518)也是這樣；并且，通過重復(fù)由框(508-514)所表示的步驟直到誤差收斂為止，而迭代地估算慢度。當(dāng)誤差收斂時(shí)，該方法終止(520)。還可通過三維層析圖(tomogram)配置，而應(yīng)用使用反投影方案的重構(gòu)的慢度層析圖。為了利于三維重構(gòu)，可使用短時(shí)距求解程序。圓柱短時(shí)距求解程序在繞鉆孔而測(cè)量聲音數(shù)據(jù)時(shí)是有用的。現(xiàn)有技術(shù)在笛卡爾和球面坐標(biāo)中實(shí)現(xiàn)該快速臨界方法。此發(fā)明已在3-D圓柱坐標(biāo)中擴(kuò)展了快速臨界方法的公式表示。下面描述該公式表示。3-D圓柱短時(shí)距求解程序下面描述基于快速臨界算法的圓柱坐標(biāo)中的短時(shí)距方程的公式。短時(shí)距求解程序是如何求解根據(jù)本發(fā)明某些方面所使用的數(shù)學(xué)表示式的例子，然而，還可使用求解所涉及的數(shù)學(xué)式的其它方法。圓柱坐標(biāo)中的短時(shí)距方程的表示為然而，如下所述，計(jì)算邏輯根據(jù)不同情況而改變。一般情況1要計(jì)算的點(diǎn)具有六個(gè)相鄰點(diǎn)，每個(gè)方向兩個(gè)首先，將正向和反向?qū)?shù)算子定義為Dijk-r=Tijk-Ti-1,j,kΔr,Dijk+r=Ti+1,j,k-TijkΔr]]>Dijk-θ=Tijk-Ti,j-1,krΔθ,Dijk+θ=Ti,j+1,k-TijkrΔθ]]>Dijk-z=Tijk-Ti,j,k-1Δz,Dijk+z=Ti,j,k+1-TijkΔz]]>由此，可由下面的公式來近似該短時(shí)距方程沿一個(gè)給定方向，如果已經(jīng)計(jì)算了兩個(gè)相鄰點(diǎn)，則將在短時(shí)距方程近似中出現(xiàn)具有最小值的點(diǎn)。如果僅一個(gè)相鄰點(diǎn)是已知的、而其它點(diǎn)是不定的，那么，由此，將僅在短時(shí)距方程近似中出現(xiàn)已知值。如果未計(jì)算相鄰點(diǎn)中的任一個(gè)，則它們均具有不定值，并由此，對(duì)應(yīng)項(xiàng)將在短時(shí)距方程近似中消失。情況1a——已經(jīng)計(jì)算了至少每個(gè)方向中的一個(gè)點(diǎn)為求解此方程，選擇下面的符號(hào)表示Tmin，I＝min(Ti-1，j，k；Ti+1，j，k)Tmin，J＝min(Ti，j-1，k；Ti，j+1，k)Tmin，K＝min(Ti，j，k-1；Ti，j，k+1)由此，可將短時(shí)距方程寫為(Tijk-Tmin,IΔr)2+(Tijk-Tmin,JrΔθ)2+(Tijk-Tmin,JΔz)2=sijk2---(10)]]>這導(dǎo)出二次方程(11)Tijk2(1Δr2+1r2Δθ2+1Δz2)-2Tijk(Tmin,IΔr2+Tmin,Jr2Δθ2+Tmin,KΔz2)+Tmin,I2Δr2+Tmin,J2r2Δθ2+Tmin,K2Δz2-sijk2=0]]>并且，我們有Δ=4r2Δr2Δθ2Δz2[sijk2(r2Δθ2Δz2+Δr2Δz2+r2Δr2Δθ2)]-4r2Δr2Δθ2Δz2(r2Δθ2[Tmin,I-Tmin,J]2+Δr2[Tmin,J-Tmin,K]2+Δz2[Tmin,I-Tmin,J]2)]]>得到產(chǎn)生大于已經(jīng)計(jì)算的行程時(shí)間的行程時(shí)間的解Tijk=1r2Δθ2Δz2+Δr2Δz2+r2Δr2Δθ2[(r2Δθ2Δz2Tmin,I+Δr2Δz2Tmin,J+r2Δr2Δθ2Tmin,K)+rΔrΔθΔz[sijk2(r2Δθ2Δz2+Δr2Δz2+r2Δr2θ2)-(r2Δθ2(Tmin,K-Tmin,I)2+Δr2(Tmin,J-Tmin,K)2+Δz2(Tmin,I-Tmin,J)2)]12]----(11)]]>并且，使用下面的符號(hào)表示T=Tmin,ITmin,JTmin,K,Δ=ΔrrΔθΔz=ΔriΔrΔθΔz,Δ2=Δr2i2Δr2Δθ2Δz2,Δ3=Δ2[2].Δ2[3]Δ2[1].Δ2[3]Δ2[2].Δ2[1]]]>產(chǎn)生下面的方程(12)情況1b——在一個(gè)方向上，兩個(gè)相鄰點(diǎn)是未知的在具有兩個(gè)未知相鄰點(diǎn)的一個(gè)方向上，我們僅有將出現(xiàn)在短時(shí)距方程的近似中的兩個(gè)最小值。通過識(shí)別兩個(gè)最小值T1和T2，Δ1和Δ2是對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格間距(沿該方向的網(wǎng)格間距是已經(jīng)計(jì)算出的至少一個(gè)相鄰點(diǎn))。由此，短時(shí)距方程的近似如下(Tijk-T1Δ1)2+(Tijk-T2Δ2)2=sijk2]]>這導(dǎo)出二次方程Tijk2[1Δ12+1Δ22]-2Tijk[T1Δ12+T2Δ22]+T12Δ12+T22Δ22-sijk2=0]]>Δ=4Δ12Δ22[sijk2(Δ12+Δ22)-(T1-T2)2]]]>并由此情況1c——在兩個(gè)方向上，兩個(gè)相鄰點(diǎn)是未知的在具有未知的兩個(gè)相鄰點(diǎn)的兩個(gè)方向上，在短時(shí)距方程中將僅出現(xiàn)一個(gè)最小行程時(shí)間。將此最小值稱為T，而將對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格間距稱為Δ，解的價(jià)值不大，并產(chǎn)生下面的結(jié)果<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="136">Tijk＝T+sijk.Δ</table></tables>(14)情況2——特殊情況要計(jì)算的點(diǎn)在圓柱網(wǎng)格上的垂直軸上情況2a——垂直軸上的相鄰點(diǎn)在垂直軸上，位置不產(chǎn)生任何差異。于是，和一般情況中一樣，將考慮具有最小到達(dá)時(shí)間的相鄰點(diǎn)。情況2b——(r，θ)平面內(nèi)的相鄰點(diǎn)在(r，θ)平面內(nèi)，要計(jì)算的點(diǎn)具有多于兩個(gè)相鄰點(diǎn)。如果該點(diǎn)的位置為(0，j，k)(j可取任意值)，則相鄰點(diǎn)為具有坐標(biāo)(l，j，k)的m個(gè)點(diǎn)，其中j∈{1..m}。因而，確定哪個(gè)點(diǎn)具有最小到達(dá)時(shí)間值，并使用該最小到達(dá)時(shí)間值來求解短時(shí)距方程近似。因此，在當(dāng)前情況中，僅出現(xiàn)短時(shí)距方程近似的兩項(xiàng)。如果T1為沿垂直方向的最小行程時(shí)間，而T2為具有最小行程時(shí)間的(r，θ)平面中的相鄰點(diǎn)，那么，Δ1將是Δz，而Δ2將是Δr。由此，將短時(shí)距方程近似寫為(Tijk-T1Δ1)2+(Tijk-T2Δ2)2=sijk2]]>這導(dǎo)出二次方程Tijk2[1Δ12+1Δ22]-2Tijk[T1Δ12+T2Δ22]+T12Δ12+T22Δ22-sijk2=0]]>Δ=4Δ12Δ22[sijk2(Δ12+Δ22)-(T1-T2)2]]]>并由此根據(jù)本發(fā)明的一種方法，面向工具的算法可識(shí)別源(S)和接收器(R)位置，并將位置信息與層析成像反演相組合，以便創(chuàng)建三維慢度層析圖。通過使用上述方法，可對(duì)3-D層析成像進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。例如，已如下所述而運(yùn)行了實(shí)驗(yàn)嘗試。提供了具有鉆孔、巖層中的損壞區(qū)、以及空白巖層的假設(shè)巖層。圖6a為該假設(shè)巖層的慢度圖。通過具有8個(gè)接收器的仿真工具，而進(jìn)行對(duì)假設(shè)巖層的研究，其中，所述8個(gè)接收器通過在軸向上分開6英寸而定位的13個(gè)級(jí)別而在每45度處角向定位，同時(shí)位于與源相距12到18英尺的距離。通過這種工具，用3-D圓柱短時(shí)距求解程序來計(jì)算仿真的行程時(shí)間。將在接收器位置處得到的行程時(shí)間輸入到層析成像處理，以反演該慢度剖面圖。在圖6b中示出了假設(shè)巖層的慢度的重構(gòu)結(jié)果。圖6c示出了在假設(shè)的慢度域上所觀測(cè)的行程時(shí)間和在重構(gòu)的慢度域上計(jì)算的行程時(shí)間之間的百分比差的變化。在40次迭代之后，所觀測(cè)的和所計(jì)算的行程時(shí)間之間的差約為3個(gè)百分點(diǎn)。圖6a和圖6b的比較演示了成功恢復(fù)用于假設(shè)巖層的慢度剖面圖的方法。已呈現(xiàn)了以上描述僅用于圖示和描述本發(fā)明。不意欲窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制為所公開的任何確定形式。按照上述教義的許多修改和變形都是可能的。為了最好地說明本發(fā)明的原理及其實(shí)踐應(yīng)用，而選擇和描述了優(yōu)選實(shí)施例。前面的描述試圖使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在適于預(yù)期的特定用途的各種實(shí)施例以及各種修改中最好地利用本發(fā)明。意圖由以下權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求1.一種用于確定鉆孔穿過的區(qū)段的巖層慢度的方法，包括通過具有源和至少一個(gè)接收器的聲音工具而生成聲波；以及對(duì)于該聲波而計(jì)算菲涅耳體積波徑。2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對(duì)菲涅耳體積波徑分配初始分層模型。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，通過慢度分析并使用井徑測(cè)量數(shù)據(jù)而生成所述初始分層模型。4.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括為聲音行程時(shí)間數(shù)據(jù)分配該初始分層模型的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括將所述坐標(biāo)劃分為判讀塊。6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括執(zhí)行行程時(shí)間的正向計(jì)算，以估算菲涅耳體積。7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括通過有限差分近似而求解短時(shí)距方程。8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括為行程時(shí)間的正向計(jì)算而采用矩形元素。9.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括為對(duì)于2-D層析成像計(jì)算行程時(shí)間而采用短時(shí)距求解程序。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，通過快速臨界方法或線性行程時(shí)間插值方法，來執(zhí)行短時(shí)距求解程序。11.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括通過用于3-D層析成像的圓柱坐標(biāo)中的快速臨界方法，來求解短時(shí)距方程。12.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括對(duì)于整個(gè)空間而計(jì)算行程時(shí)間；將從源和接收器位置到所考慮的點(diǎn)的行程時(shí)間相加；減去從源到接收器的最小行程時(shí)間；以及找到將從源和接收器位置到所考慮的點(diǎn)的行程時(shí)間相加再減去從源到接收器的最小行程時(shí)間的結(jié)果小于或等于波周期的一半的區(qū)。13.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過優(yōu)化方法而重構(gòu)巖層慢度。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述優(yōu)化方法包括反投影。15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過坐標(biāo)上的加權(quán)值來表示菲涅耳區(qū)波徑。16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，該重構(gòu)包括同時(shí)迭代重構(gòu)技術(shù)算法。17.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括更新巖層慢度的重構(gòu)層析圖。18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括將重構(gòu)層析圖劃分為多個(gè)塊。19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括對(duì)于在3-D中重構(gòu)層析圖而采用圓柱短時(shí)距求解程序。20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括通過面向工具算法而識(shí)別源和接收器位置，以及將所述位置與重構(gòu)的層析圖相組合。21.一種用于根據(jù)具有聲源和多個(gè)接收器的聲音工具的數(shù)據(jù)而確定鉆孔穿過的區(qū)段的巖層慢度的方法，包括a)對(duì)巖層和鉆孔分配初始慢度模型；b)計(jì)算表示一個(gè)或多個(gè)波傳播路徑的一個(gè)或多個(gè)菲涅耳體積；c)對(duì)于每個(gè)接收器，基于菲涅耳體積波傳播路徑而計(jì)算理論上的一個(gè)或多個(gè)首先到達(dá)時(shí)間；d)對(duì)于每個(gè)接收器，計(jì)算所測(cè)量的首先到達(dá)時(shí)間和理論上的首先到達(dá)時(shí)間的函數(shù)，其中每個(gè)接收器的所測(cè)量的首先到達(dá)時(shí)間根據(jù)聲音工具的數(shù)據(jù)而確定；e)沿首先到達(dá)的菲涅耳體積波徑而對(duì)該函數(shù)進(jìn)行反投影，由此提供對(duì)多個(gè)巖層區(qū)段的初始慢度模型的修改；以及f)修改該初始慢度模型作為所提供的修改的函數(shù)。22.如權(quán)利要求21所述的方法，還包括重復(fù)步驟b)至f)一次或多次，其中，用于在步驟b)中計(jì)算一個(gè)或多個(gè)菲涅耳體積、以及在步驟c)中計(jì)算一個(gè)或多個(gè)理論上的首先到達(dá)時(shí)間的慢度模型是基于來自步驟f)的結(jié)果的修改的慢度模型，而不是初始慢度值；并且其中，相應(yīng)地修改步驟c)的一個(gè)或多個(gè)理論上的首先到達(dá)時(shí)間和步驟d)的函數(shù)。23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，在鉆孔中的多個(gè)工具位置處收集聲音工具的數(shù)據(jù)。24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，初始慢度模型基于表象分析和井徑測(cè)量數(shù)據(jù)。25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，一個(gè)或多個(gè)菲涅耳體積的計(jì)算還包括行程時(shí)間的正向計(jì)算。26.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括為行程時(shí)間的正向計(jì)算而采用矩形元素。27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，還包括為計(jì)算行程時(shí)間而采用短時(shí)距求解程序。28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，通過快速臨界方法或線性行程時(shí)間插值方法，來執(zhí)行短時(shí)距求解程序。29.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括對(duì)于整個(gè)空間而計(jì)算行程時(shí)間；將從源和接收器位置到所考慮的點(diǎn)的行程時(shí)間相加；減去從源到接收器的最小行程時(shí)間；以及找到將從源和接收器位置到所考慮的點(diǎn)的行程時(shí)間相加再減去從源到接收器的最小行程時(shí)間的結(jié)果小于或等于波周期的一半的區(qū)。30.一種確定鉆孔周圍的巖層慢度的方法，其包括將菲涅耳區(qū)層析成像應(yīng)用于聲音數(shù)據(jù)。31.如權(quán)利要求30所述的方法，還包括通過聲源而生成聲波，以產(chǎn)生聲音數(shù)據(jù)；以及對(duì)于所述聲波計(jì)算菲涅耳體積波徑。32.如權(quán)利要求31所述的方法，還包括為菲涅耳體積波徑分配初始分層模型。33.如權(quán)利要求32所述的方法，還包括為聲音數(shù)據(jù)分配初始分層模型的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。34.如權(quán)利要求33所述的方法，還包括將所述坐標(biāo)劃分為判讀塊。35.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括執(zhí)行聲波行程時(shí)間的正向計(jì)算，以估算菲涅耳體積波徑。36.如權(quán)利要求35所述的方法，還包括為行程時(shí)間的正向計(jì)算而采用矩形元素。37.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括為計(jì)算行程時(shí)間而采用線性行程時(shí)間插值方法。38.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括對(duì)于整個(gè)空間而計(jì)算行程時(shí)間；將從源和接收器位置到所考慮的點(diǎn)的行程時(shí)間相加；減去從源到接收器的最小行程時(shí)間；以及找到將從源和接收器位置到所考慮的點(diǎn)的行程時(shí)間相加再減去從源到接收器的最小行程時(shí)間的結(jié)果小于或等于波周期的一半的區(qū)。39.如權(quán)利要求35所述的方法，還包括通過反投影而重構(gòu)巖層慢度。40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中，通過坐標(biāo)上的加權(quán)值來表示菲涅耳區(qū)波徑。41.如權(quán)利要求39所述的方法，還包括匯編巖層慢度的重構(gòu)層析圖。42.一種巖層慢度確定裝置，其包括聲源；聲接收器；處理器，其耦接到所述聲源和聲接收器，并被編程為對(duì)于由聲源生成并由聲接收器接收的聲波而計(jì)算和更新菲涅耳區(qū)。全文摘要提供了用于確定鉆孔周圍的巖層慢度的方法和裝置。將菲涅耳體積概念應(yīng)用于行程時(shí)間層析成像。菲涅耳體積表示鉆孔周圍的聲波傳播路徑。將菲涅耳體積應(yīng)用于聲音數(shù)據(jù)提供了穩(wěn)定的反演，并產(chǎn)生可行的3－D層析成像。通過迭代反投影方法而完成反演。文檔編號(hào)G01V1/40GK1748157SQ200380109684公開日2006年3月15日申請(qǐng)日期2003年12月18日優(yōu)先權(quán)日2002年12月23日發(fā)明者松岡俊文,遠(yuǎn)藤猛,曹棣,尼古拉斯·班切特,李鐘河申請(qǐng)人:施藍(lán)姆伯格海外股份有限公司