阅读说明：本技术 减弱井下声波工具测量中获取的工具产生的噪声 (Attenuating tool-generated noise acquired in downhole sonic tool measurements ) 是由 R.H.琼斯 T.瓦戈 C.E.亚曼 于 2018-05-29 设计创作，主要内容包括：一种技术包括接收表示由井下声波测量工具的工具运动传感器获取的测量结果的数据；以及接收表示由声波测量工具的压力传感器获取的测量结果的数据。该技术包括至少部分地基于由工具运动传感器获取的测量结果来修改由压力传感器获取的测量结果,以减弱工具产生的噪声。(A technique includes receiving data representing measurements taken by a tool motion sensor of a downhole sonic measurement tool; and receiving data representing measurements taken by a pressure sensor of the sonic measurement tool. The technique includes modifying measurements taken by the pressure sensor based at least in part on measurements taken by the tool motion sensor to attenuate noise generated by the tool.)

减弱井下声波工具测量中获取的工具产生的噪声

背景技术

本申请要求2017年5月30日提交的美国专利申请号15/607708的优先权和权益，该美国专利申请的全部内容通过引用明确地结合于此。

烃流体，例如石油和天然气，是通过钻探穿透含烃地层的井而从地下地质地层(称为储层)获取的。在钻井过程中以及在整个生产过程中的其他勘探阶段，可以使用各种井下工具来获取数据，为了评估、分析和监控井眼和周围的地质地层的目的。在某些情况下，所获取的数据包括声波或地震数据，即响应于与井眼和周围地质地层相互作用的声波/地震能量而由传感器或接收器获取的数据。所获取的数据可以被处理和解释，以用于得出关于含烃地层、井和与地下勘探有关的其他方面的信息的目的。

发明内容

根据示例实施方式，一种技术包括接收表示由井下声波测量工具的工具运动传感器获取的测量结果的数据；和接收表示由声波测量工具的压力传感器获取的测量结果的数据。该技术包括至少部分地基于由工具运动传感器获取的测量结果来修改由压力传感器获取的测量结果，以减弱工具产生的噪声。

根据另一示例实施方式，一种可在井内使用的设备包括工具主体；附接在工具主体上的声波源；压力传感器和加速度计。压力传感器附接在工具主体上，以感测与声波源(发射有关的压力；以及加速度计附接到工具主体，以感测与由压力传感器感测到的归因于工具产生的噪声的压力有关的分量。

根据另一示例实施方式，一种物品包括用于存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在由基于处理器的系统执行时使基于处理器的系统接收表示由井下声波测量工具的工具运动传感器获取的测量结果的数据；接收表示由声波测量工具的压力传感器获取的测量结果的数据；和至少部分地基于由工具运动传感器获取的测量结果来修改由压力传感器获取的测量结果，以减弱工具产生的噪声。

根据又一示例实施方式，一种物品包括用于存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，当该指令由基于处理器的系统执行时使基于处理器的系统基于由测试环境中的井下声波测量工具的工具运动传感器获取的测量结果接收表示补偿信号的数据；接收表示由井中的井下的声波测量工具的压力传感器获取的测量结果的数据；以及至少部分地基于补偿信号来修改由压力传感器获取的测量结果，以减弱工具产生的噪声。

通过以下描述、附图和权利要求，优点和其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是根据示例实施方式的井孔中的声波测量工具的图示；

图2A，2B和2C是描述根据示例实施方式的补偿由井下声波测量工具获取的测量以减弱工具产生的噪声的技术的流程图；

图3是根据示例实施方式的由声波测量工具的源的发射产生的压力与时间的波形的图示；

图4示出了根据示例实施方式的、响应于源的发射而由声波测量工具的加速度计感测到的加速度与时的波形；

图5示出了根据示例实施方式的、响应于源的发射而由声波测量工具的压力传感器感测到的压力与时间的波形；

图6示出了根据示例实施方式的通过对图5的压力与时间波形施加补偿以移除工具产生的噪声而产生的压力与时间的波形；

图7是根据示例实施方式的数据处理系统的示意图。

具体实施方式

在整个说明书中，对“一个实施方式”、“一实施方式”、“某些实施方式”、“一个方面”、“一方面”或“某些方面”的引用是指结合所述实施方式或方面描述的特定特征、结构、方法或特性包括在本公开的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”或“在一些实施方式中”不一定全部指的是同一实施方式。此外，可以在一个或多个实施方式中以任何合适的方式来组合特定的特征、结构、方法或特性。“包括”和“具有”一词应与“包含”一词具有相同的含义。

如在整个说明书和权利要求书中使用的，术语“井下”是指地下环境，特别是在井或井眼中。“井下工具”广泛地用于表示在地下环境中使用的任何工具，包括但不限于测井工具、成像工具、声学工具、永久性监视工具和组合工具。

在此公开的各种技术可以用于促进和改善井下工具和系统中的数据获取和分析。在此，提供了井下工具和系统，其利用被配置或设计为用于在井下传感器工具或模块中进行附接和拆卸的感测装置的阵列，该井下传感器工具或模块被部署在井孔内，用于感测与井下环境和井下工具参数有关的数据。在此公开的工具和感测系统可以在升高的温度和压力下有效地感测和存储与井下工具的部件以及地层参数有关的特性。在此的感测系统可以被结合在诸如电缆测井工具、随钻测量和随钻测井工具、永久监视系统、钻头、钻铤、探空仪等工具系统中。为了本公开的目的，当使用术语“电缆”、“电缆线”，“钢丝”或“连续油管”或“运输工具”中的任何一个时，应当理解，任何引用的部署装备或任何其他合适的等效装备都可以与本公开一起使用，而不脱离本公开的精神和范围。

此外，发明方面在于少于单个公开实施方式的所有特征。因此，具体实施方式之后的权利要求特此明确地并入该具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施方式。

井孔声波测井是地下岩层评价的主要部分，是油气勘探和生产的关键。可以例如使用声波测量工具来实现测井，该声波测量工具包括一个或多个声换能器或声波源，以及一个或多个传感器或接收器。可以将声波测量工具部署在流场井眼中，以激发和记录声波波形。因此，接收器可以获取表示声能的数据，该声能是由声波测量工具的声波源发出的声能产生的。

井孔中的声传播受到井眼周围岩石特性的影响。更具体地，充满流体的井孔支持一定数量的井孔引导的声模的传播，这些声模是由来自置于井孔流体内部的源的能量产生的。这些井孔声波模式的特征在于其声波慢度(即速度的倒数)散布，其中包含有关岩石力学性能的宝贵信息。因此，声波测井可以提供与诸如地震成像的地球物理校准、井眼稳定性的地球力学评估以及压裂刺激的应力表征等多种应用有关的答案。在本申请的上下文中，“声能”是指声频谱中的能量，并且例如可以是200赫兹(Hz)至30千赫兹(kHz)之间的能量。除地层缓慢外，声波测井还用于井完整性应用中，以确定套管与井孔之间的水泥状况。

通常，由声波测量工具的源发出的能量可能以体波或面波(也称为“弯曲波”)的形式穿过岩石地层。体波包括压缩波或P波，其是在与所述波行进的方向相同的方向上发生小粒子振动的波。体波还可以包括剪切波或S波，其是其中粒子移动在垂直于波传播方向的方向上发生的波。除了体波，还有多种井孔引导模式，其传播特性可以被分析以估计周围地层的某些岩石特性。例如，轴对称的斯通利(Stoneley)波和井孔弯曲波在确定地层剪切慢度方面特别重要。如在此所述，弯曲波还可包括沿着声波测量工具传播的波。

声波测量工具可以包括与多个声波源分类或类别相关联的多个声波源。例如，声波测量工具可以包括一个或多个单极源。响应于来自单极声波源的能量，声波测量工具的接收器可以获取代表可归因于各种波动模式的能量的数据，例如代表P波、S波和斯通利波的数据。

声波测量工具还可包括一个或多个定向源，例如四极子源，其产生额外的井孔导波，该波导波行进通过井孔中的流体并沿着声波工具本身行进。代表这些弯曲波的数据可以出于诸如确定是否存在方位各向异性和/或确定地层剪切慢度的目的而被处理。

前述波传播的速度受井下环境的各种特性影响，例如岩石力学特性、密度和弹性动态常数、地层中存在的流体的数量和类型、岩粒的组成、晶粒间胶结的程度等等。因此，通过测量声波在井孔中的传播速度，可以基于与这些特性有关的感测参数来表征周围的地层。速度、给定声波的速度或波形可以用其速度的倒数表示，在在此中称为“慢度”。在在此中，“声波”或“声波形”可以指由一个或多个接收器记录的能量的特定时间段，并且可以对应于特定的声波波形模式，例如体波、弯曲波或其他引导的井孔波。

某些声波是非分散的，或者相对于频率没有明显变化。然而，其他声波是分散的，这意味着波慢度随频率而变化。

参考图1，根据示例实施方式，井下声波测量工具100可以被部署在井眼110中，以用于获取通过发射声波测量工具100的一个或多个声波源而产生的声波测量结果的目的。例如，声波测量工具100可以包括源130(例如，单极、偶极和/或四极源)，可以将其发射以用于产生穿过周围地层的声能的目的。根据示例实施方式，声波测量工具100可以包括一个或多个其他源。取决于特定的实施方式，声波测量工具100还可包含一个或多个接收器或传感器120(例如，一个或多个压力传感器)。一个或多个接收器或传感器120(特定的传感器120-1，120-2，120-3和120-4，示出在图1中)会感测通过发射声波测量工具120的给定声波源(例如声波源130)产生的能量，以为了测量声波传播的速度和幅度的目的。根据测得的声波传播，可以表征周围的地质构造。

根据示例实施方式，声波测量工具100可以是水泥评估工具，其用于评估套管(图1中未示出)和井孔110之间的水泥粘结的目的。更具体地，根据示例实施方式，声波测量工具100可以测量每个传感器120处的压力波形幅度，并将该幅度与非水泥接合参考测量(称为自由管测量)的幅度进行比较。如果水泥粘结不良，则接收到的幅度将类似于自由管的，而如果水泥粘结良好，则压力波将被高度减弱，并且幅度将大大低于自由管的。

工具产生的噪声在以上述方式评估水泥粘结时可能会带来特殊的挑战，因为它可能在能量传播通过套管的大约同一时间到达。以这种方式，来自源130的能量可以在两条路径中传播到每个传感器120。如图1中针对传感器120-1的具体示出的，两条路径包括与更强的接收信号相关联的直接路径154，以及与通过地层传播并在稍后的时间到达传感器120-1的能量传播相关联的间接路径150。由于套管和工具主体均由钢制成，因此套管波的传播速度/慢度可能与工具的到达速度相似，因此在获取代表水泥粘结的无噪声压力幅度测量结果时会面临潜在的挑战。在此中描述的技术和系统，即使对于这种挑战性的情况，其也旨在减小(如果不移除)工具产生的噪声。

减弱工具产生的噪声的一种方法是通过主动消除。以这种方式，可以在声波测量工具中内置有主动抵消发射器，使得由发射器产生的声波与工具主体声波相长干涉。但是，使用这种主动抵消方法可能会带来一些挑战。例如，使用这种方法，将额外的发射器添加到工具，从而增加了费用、消耗了能量并影响了工具的整体可靠性。通过主动消除，两个源同时或接近同时发射，因此需要较高的定时精度(例如，定时精度小于1微秒(μs))。为了获取足够的相长干涉，主动消除使用相对复杂的发射波形。因此，抵消波形可能是高压、复杂波形，而且该波形可能会随工具位置、井况和其他潜在因素而变化。

根据在此描述的示例实施方式，使用信号处理而不是使用主动噪声减弱或使用减弱器从测量的压力信号或迹线被动地减弱工具产生的噪声。在在此中，“减弱”工具产生的噪声是指移除或消除至少部分(如果不是全部)的工具产生的噪声。更具体地，根据示例实施方式，取决于特定的实施方式，声波测量工具100包括一个或多个工具运动传感器，诸如一个或多个加速度计134。如在此所述，根据示例实施方式，加速度计134获取测量结果，该测量结果表示响应于诸如声波源130的声波源的发射的声波测量工具100的主体的移动。通过加速度计134的测量结果又与井流体和地层脱开；因此，该测量结果可能被认为与工具传播的噪声密切相关。因此，至少部分地基于由一个或多个这样的加速度计134获取的测量结果，可以估计工具产生的噪声并将其从压力测量中移除。

作为更具体的示例，根据一些实施方式，每个压力传感器120可具有位于压力传感器120附近或处的相关联的加速度计134。例如，根据一些实施方式，给定的压力传感器120可以具有位于压力传感器120的一米之内的相关的加速度计134。加速度计134可以或者可以不布置在压力密封室140内，该压力密封室容纳声波测量工具100的电子设备(例如遥测电路141和控制器144)，取决于具体的实现方式。根据示例实施方式，加速度计134耦接至工具主体(例如，耦接至工具100的轴环)，并且不耦接至井流体。

此外，与常规布置不同，加速度计134被构造为感测与声压测量相关联的频谱中的能量。例如，根据一些实施方式，例如，加速度计134可以对从1至150kHz或更高的范围内的能量敏感。此外，根据示例实施方式，加速度计134可具有一个或多个敏感测量轴。例如，根据一些实施方式，加速度计134可具有与工具的纵轴对准的敏感轴，以感测沿该轴的加速度。根据示例实施方式，加速度计134可具有多个敏感轴，因此，加速度计134可测量沿多个正交轴(例如，沿着三个正交轴)的加速度。

尽管在在此中将加速度计描述为工具运动传感器的特定示例，但是根据其他示例实施方式，可以使用其他传感器。例如，根据一些实施方式，声波测量工具可包括速度传感器，其获取表示声波测量工具的主体的感测速度的数据。

因此，根据一些实施方式，参考图2A结合图1，技术200包括接收(框204)表示由井下声波测量工具的一个或多个工具运动传感器获取的一个或多个测量结果的数据，并接收(框206)表示由声波测量工具的一个或多个压力传感器获取的一个或多个测量结果的数据。可以至少部分地基于由工具运动传感器获取的(一个或多个)测量结果来修改由压力传感器获取的(一个或多个)测量结果，以减轻工具产生的噪声。

图3，4，5和6示出了根据示例实施方式的工具产生的噪声的减弱。参考图3结合图1，声波源130可以被发射，从而产生发射的能量，如在针对源130的压力与时间波形300中的附图标记304处所描绘的。声波源130的发射产生能量，该能量传播通过工具主体并到达加速计134，如图4所示。以这种方式，参见图4结合图1，加速计134-1，134-2，134-3和134-4感测直接从源130传播的能量404，以分别产生对应的感测的加速度信号402-1，402-2，402-3和404-4。

直接从声波源134传播的工具产生的能量又与通过流体和地层传播的能量相结合，以产生由传感器120感测的复合压力与时间波形500，如图5所示。以此方式，参考图5结合图1，压力与时间波形500的时间窗口510可归因于工具产生的噪声。

根据示例，识别并移除归因于工具产生的噪声的感测到的压力的部分。例如，根据一些实施方式，由加速度计134提供的信号可以被时间积分以导出对应的工具主体速度与时间曲线。从这些速度与时间的关系曲线，可以估计通过工具主体传播的能量的到达时间，以相应地识别所感测的压力与时间波形的时间段，这些时间段与工具产生的噪声相关。这样，如图5所示，可以识别时间窗口510，使得从压力信号中减去时间窗口510内的感测压力，从而得出图6所示的补偿压力信号610。在图6中，如果没有消除，则在压力信号600的相应时间窗口610中基本上消除了工具产生的噪声。

因此，参考图2B，根据示例实施方式，技术220包括接收(框222)表示由声波测量工具的一个或多个工具运动传感器获取的一个或多个测量结果的数据，并接收(框224)表示由声波测量工具的一个或多个压力传感器获取的一个或多个测量结果的数据。然后可以根据框226至少部分地基于由工具运动传感器获取的测量结果来确定工具主体速度。以这种方式，工具运动传感器可以是加速度计，并且确定工具主体速度可以涉及对由加速度计发送的加速度进行积分的时间。

技术220包括基于所确定的工具主体速度来估计(框228)在压力传感器测量结果中的工具产生的噪声的到达时间。然后，根据框230，至少部分地基于估计的到达时间和由压力传感器获取的测量结果，可以确定针对每个压力传感器测量结果的工具产生的噪声。然后可以至少部分地基于所确定的工具产生的噪声来修改(一个或多个)压力传感器测量结果(框232)。

根据另外的示例性实施方式，可以基于在测试环境中获取的测量结果(例如，将声波测量工具放在水坑中进行的测量)，预先确定工具产生的噪声补偿信号，该信号被施加到由声波测量工具的给定压力传感器感测到的压力幅度。更具体地，根据示例实施方式，声波测量工具接收表示补偿信号的数据，该数据基于在测试环境中由声波测量工具井下声波测量工具的工具运动传感器获取的测量结果而构造。测试环境可以是测试井，水坑等。例如，可以在测试井中进行测量，在该测试井中，井孔直径比工具大，从而使工具和地层到达在时间和速度上都很好地分开，因此具有“干净的(clean)”工具产生的噪声特征可以用作校准。

在井的井下，声波测量工具接收表示由声波测量工具的压力传感器获取的测量结果的数据；该工具至少部分地基于补偿信号来修改压力传感器获取的测量结果，以减弱工具产生的噪声。

根据另外的示例实施方式，可以使用更鲁棒的基线技术来减弱工具产生的噪声。以这种方式，在整个的其中将声波测量工具移至不同的井下位置并用于获取在这些位置的测量结果的工作过程中，在感测到的加速度中，工具产生的噪声的到达时间和特征保持相对恒定，而由来自声波源的间接传播能量所经历的能量路径发生变化。就这一点而言，在声波测量工具的不同井下位置处，从声波源传播的能量可能会经历不同的泥浆类型、地层类型、井孔尺寸等。基于此前提，与例如从用于声波测量工具的特定深度的单次发射来估计工具产生的噪声相比，可以用更多的“条件”来表征工具产生的噪声，并且可以更加准确地消除噪声。

参照图2C，根据示例实施方式，技术250包括将声波测量工具井下移动到将要获取压力测量结果的下一个井下位置(框252)。根据技术250，接收表示由声波测量工具的一个或多个工具运动传感器获取的一个或多个测量结果的数据(框254)，以及表示由声波测量工具的一个或多个压力传感器获取的一个或多个测量结果的数据(方框256)。根据技术250，然后根据框258确定用于每个压力传感器测量结果的工具产生的噪声。响应于确定(判定框260)要对工具产生的噪声特征深度范围进行更新，移动声波测量工具(框252)并且重复框254，256和258。一旦获取了所有的测量结果，技术250就包括根据框262对所确定的工具产生的噪声进行平均或叠加。以这种方式，叠加将由能量传播通过在工具100的不同测量位置处的流体和周围地层所经历的变化条件进行平均。因此，根据框264，然后至少部分地基于工具产生的噪声的叠加结果，可以补偿压力测量结果。

参照图7，根据一些实施方式，数据处理系统700可以用于确定/识别工具产生的噪声并补偿压力测量结果以减弱工具产生的噪声的目的，如在此所述的。取决于特定的实施方式，数据处理系统700可以是声波测量工具的一部分(如图1所示，工具100的控制器144的一部分)，可以是设置在地球上的处理系统的一部分，可以是远离井设置的处理系统的一部分等，其取决于特定的实施方式。

通常，数据处理系统700可以是基于处理器的架构，其由一个或多个由实际硬件710和机器可执行指令750或“软件”组成的实际物理机器形成。

根据一些实施方式，硬件710可以包括一个或多个处理器714(一个或多个中央处理单元(CPU)、一个或多个CPU处理核，等等)。硬件710可以进一步包括存储器718，其可以例如包含表示由声波测量工具的加速度计获取的加速度测量结果的数据、表示由声波测量工具的其他工具运动传感器获取的测量结果的数据、表示由声波测量工具的压力传感器获取的压力测量结果的数据，与技术相关的参数，这些技术可根据感测到的加速度对工具产生的噪声进行建模，等等。存储器718可以进一步存储可执行指令，该可执行指令当由处理器714执行时使处理器714执行在此描述的一种或多种技术中的一些或全部。

通常，存储器718是非暂时性存储器，其可以由例如半导体存储装置，忆阻器、磁存储装置、相变存储装置、这些存储技术中的一种或多种的组合，其取决于特定的实施方式。

根据示例实施方式，数据处理系统700的硬件710可以包括各种其他部件，诸如一个或多个遥测接口720(例如，其与工具100的遥测接口141通信)、显示器等等。根据一些实施方式，显示器可以显示压力测量结果、工具产生的噪声补偿压力测量结果、加速度测量结果等等。

根据一些实施方式，机器可执行指令750可以包括例如指令754，当该指令由处理器714执行时，该指令可以使处理器714形成执行以下任务的工具噪声补偿引擎：如在此所述的，加速度测量结果的时间积分、工具到达估计、将感测到的加速度转换为用于压力信号的工具产生的噪声补偿、工具产生的测量结果的减弱以导出补偿的压力测量结果等。根据一些实施方式，指令754在由处理器714执行时可以使处理器714形成工具承载的补偿，以施加从测试环境中获取的测量结果导出的工具产生的噪声补偿信号，如在此所述的。此外，根据示例实施方式，机器可执行指令750可以包括形成数据处理系统700的各种其他部件的一个或多个其他指令集，例如，当执行时引起处理器714以形成操作系统的一组指令758。

根据其他示例实施方式，上述基于处理器的架构的全部或部分可以由专用的硬连线电路或专用集成电路(ASIC)代替。因此，可以想到许多实施方式，其在所附权利要求的范围内。

尽管以上仅详细描述了一些示例实施方式，但是本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本公开的情况下，示例实施方式中的许多修改是可能的。因此，所有这些修改旨在被包括在如所附权利要求所限定的本公开的范围内。在权利要求中，装置加功能的语句旨在覆盖在此描述为执行所列举功能的结构，不仅覆盖结构上的等同物，而且还覆盖等同的结构。因此，虽然钉子和螺钉可能不是结构上的等同物，因为钉子采用圆柱形表面将木质零件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面，但是在紧固木制零件的环境中，钉子和螺钉可能是等同结构。申请人的明确意图是不援引35U.S.C.§112的第6段对此处任何权利要求的任何限制，但权利要求明确使用“用于……的装置”和相关功能的限制除外。