使用地震能量確定爆破延伸範圍的方法

2023-07-21 08:56:31

專利名稱：使用地震能量確定爆破延伸範圍的方法
技術領域：
本發明涉及地下鑽井、完井和井維護。更具體地說，本發明涉及通過聚能射孔爆炸提高井產量和核實生產區射孔的方法過程。
背景技術：
石油工業的人們特別關心通過向地下深巖層鑽孔來抽取石油。為改善碳氫化合物流體從圍巖向井孔中的流入，將爆炸設備放入井孔並起爆，造成巖石穿孔和破裂。這些爆炸設備稱作射孔槍，它包含一系列聚能射孔彈，每個聚能射孔彈有一個由稱作引爆線的炸藥線連接的雷管。在射孔槍內該引爆線還與一個起爆器相連。爆炸由起爆器啟動，並沿引爆線傳播，通過一系列聚能射孔彈，依次引爆它們中的每一個，直至射孔槍中的最後一個聚能射孔彈。在一次成功的爆破中，所有聚能射孔彈都爆炸。偶爾在所有射孔彈都爆炸之前爆炸序列終止，與操作者的願望和打算相反。在最壞的情況中，沒有任何爆炸孔彈起爆，儘管操作者已經啟動了點火序列。
在工業技術的當前狀態下，尚沒有操作員可用的方法能快速和可靠地提供射孔槍爆炸延伸範圍的定量估計。一個爆炸延伸範圍的定量估計會是這樣一種估計，它向操作者提供爆炸的射孔槍長度或爆炸部分佔射孔槍總長度的百分數。當前充其量不過是，操作者從放在井口或接近井口的井結構上的換能器得到射孔槍可能點火的指示。可能是以一個信號的缺失表明整個不爆炸。這一方法往往不能繪出如實際情況那樣的射孔槍爆炸或不爆炸的正確指示。再有，這一井口傳感器方法既不能提供部分不爆炸的指示也不能提供爆炸延伸範圍的定量估計。
油管傳送的射孔槍(TCP Gun)通常在封隔器以下爆炸，並且要在爆炸後石油生產接著進行時永久性地留在原地。這樣，在TCP的情況下，操作者可能永遠不會從射孔槍的回收和直接檢查得知已發生了部分爆炸。他可能由於生產巖層只被部分射孔並且被射孔井孔的石油生產量相應的降低而蒙受直接經濟損失。潛在的遠大得多的經濟損失可能來自操作者根據部分射孔後的較低生產率對油田生產潛力造成的過低估計，因為他把部分射孔相信為是巖層的完全射孔。對油田潛力的過低估計會導致錯誤的決定，如限制進一步的鑽井行動或者甚至放棄該油田和在那個油田的初始投資。
其他類型射孔槍可在預期的爆炸之後被回收到地面供檢查。操作者將能夠根據檢查了解爆炸延伸範圍。即使用這一操作方法，操作者知道爆炸延伸範圍而不必等待回收和檢查是有用的。如果操作者立即知道失敗的爆炸，他能儘可能好地採取適當的補救措施。如果可用的話，可啟動備用爆炸裝置。對存在未爆炸射孔彈的了解能允許操作者實現為增強這種場合工人安全性而設計的那些方法過程。
在TCP操作的情況中，在射孔槍本身所在地直接感知爆炸是不能實行的，因為沒有任何導線或電纜能被方便地連接到射孔槍。
這樣，在石油工業需要一種間接遙感爆炸的方法，它能快速和可靠地確定射孔槍的爆炸延伸範圍。

發明內容
本發明的一個優選實施例是一組地震接收器、一個與射孔槍爆炸控制系統連結的地震記錄和控制系統，其中含有計算機被編程為處理和分析地震波振幅，使專業人員能確定置於地下井孔的射孔槍的爆炸延伸範圍。
地震接收器由傳統的地震檢波器或其他換能器組成，它們單個布設或組成多換能器陣列或子陣列。地震接收器的放置位置可在靠近射孔槍周圍的地表面或井孔中，以利於感知和處理從射孔槍直接到達的地震波。
射孔槍可根據需要布放在井孔內的任何深度並可以有任何可實現的長度或構造風格，以達到它的目的。它可由任何可用的裝置起爆。假定爆炸是由一個起爆器啟動，在爆炸沿射孔槍行進時，爆炸從起爆器的位置向遠處前進。
井孔軸線可以是垂直的、水平的、直線的或彎曲的，即可以是任何曲線形狀。
由相繼的爆炸引起的地震波沿所有方向傳播併到達地震接收器。地震波振幅被檢測、記錄，然後被處理，以改善信噪比和形成最佳信號估計。一個控制和處理計算機在爆炸瞬間之前啟動記錄，這是通過與起爆控制系統的連結實現的。這一連結可以是自動的電子連結，也可以是地震記錄器和起爆系統的操作人員之間簡單的語音通信。
最佳信號估計被分析並由此確定射孔槍的爆炸延伸範圍(EOD)，即射孔槍是否被成功引爆、部分未引爆或完全未引爆，並且在部分未引爆的情況下確定射孔槍的定量的爆炸延伸範圍。這種確定可以包括將最佳信號估計與根據模型預測的信號進行比較和/或與來自其他爆炸的信號估計進行比較。這種確定還可包括應用新的反演算法和進一步的分析，以最好地定量確定爆炸延伸範圍。在所有這些方法過程中，這種確定依賴於預先確定的射孔槍潛力。
這一過程能快速完成並在現場提供結果，從而使操作者能在爆炸之後迅速得到結果。


為更詳細地描述本發明的優選實施例，現在將參考附圖，其中圖1是巖層截面圖，顯示井孔和系統元件以及在地表面接收的來自射孔槍爆炸的合成小波。
圖2是優選實施例的一部分位於地表或接近地表時的視圖。
圖3是優選實施例的一部分的視圖，其地震接收器布設在深井孔中。
圖4是在地表面的地震接收器的示意圖。
圖5是位於井孔中的地震接收器的示意圖。
圖6描繪信號處理器，顯示其基本元件。
圖7是處理控制器示意圖。
圖8是射孔槍截面示意圖。
圖9是爆炸和記錄過程的時間線。
圖10描繪射孔槍爆炸和地震能量傳播的相繼階段。
圖11顯示可變槍長度的模擬合成波形和自相關。
圖12顯示持續時間為6、24和96毫秒(msec)時的基本小波及其合成。
圖13顯示對爆炸延伸範圍做不同假定時合成小波反演的相繼階段。
圖14包含三幅圖，顯示在24msec情況下確定持續時間的反演過程的輸入和輸出。
圖15包含三幅圖，顯示在6mse情況下確定持續時間的反演過程的輸入和輸出。
圖16與圖14比較，顯示噪聲對反演過程的影響。
圖17顯示估計持續時間的自相關方法。
圖18顯示由時移法和脈衝密度法模擬的曲線井孔合成小波的比較。
圖19顯示曲線井孔模擬合成小波反演第一階段和反演第二階段中相繼步驟表。
圖20以圖形顯示使用脈衝密度法模擬的合成小波反演第二階段的結果。
圖21顯示可與圖20比較的結果，但這裡是使用時移法模擬的合成小波。
圖22顯示合成小波分解的相繼階段的取樣方程。
圖23顯示持續時間和走時對槍段的值表。
圖24是射孔槍分割成槍段的圖形，並顯示未引爆點和有效槍長度。
圖25顯示一個射孔槍的成功爆炸和完全未引爆的地震記錄。
具體實施例方式
參考圖1，圖中顯示若干地震接收器100位於地表160或地表160附近並與信號處理器和記錄器105相連。這一單元105進一步與爆炸延伸範圍(EOD)控制器110連結。這一控制器110控制本發明獨特的全部元件。這三個子系統一起構成完全的EOD系統115。圖1中設備的其餘部分是通常用於鑽開、射孔、完井和從井孔產生石油各項業務的裝備。所顯示的井孔和井孔設備與井口裝置120相連。所顯示的射孔槍140位於井孔中，已準備好爆炸。
當射孔槍準備起爆時，射孔操作員通知地震觀測員，他啟動EOD系統。然後EOD系統開始記錄由地震傳感器100接收並在信號處理器和記錄器105中被處理和數位化的地震數據。EOD系統繼續記錄數據並將數據存儲在存儲器中和介質上(如磁帶)，直至由射孔槍爆炸引起的地震能量已經降低了為止。
在圖1上顯示的地震射線路徑145給出從射孔槍140到地震傳感器106的近似地震波傳播路徑。如圖1所示，這些射線路徑並不是完美的直線，而是彎曲的，因為它們穿過具有不同地震波速的地層而且受到折射。振幅時間圖150稱作合成小波，代表在地震傳感器110接收並被數字記錄和處理的地震振幅。一般地，如果地震噪聲水平低，則在收到來自射孔槍140爆炸的能量之前的振幅是小的，由爆炸輻射的地震波的初期振幅將會相對較高，在幾百毫秒之後它們將逐漸降到較低水平，在幾秒鐘之後最終消失並再次只留下地震噪聲。
這裡的地震噪聲定義為環境噪聲(即來自不受控制的外部源，如風和交通，的地震波)與射孔槍爆炸造成的地震波(槍產生的噪聲)的組合，但不是由射孔槍本身穿過地球直接到達的地震波。為了確定射孔槍爆炸延伸範圍這一目的，信號被定義為這些直接到達的地震波，即合成小波150。這樣，由射波槍爆炸過程直接或間接造成的任何其他地震波都被認為是地震噪聲的一個分量。這種由槍產生的噪聲分量的實例是由爆炸引起設備在井孔中和在井口運動造成的地震波以及從射孔槍到傳感器沿間接路徑傳播的地震波，包括從阻抗邊界的反射(但不是混響)。混響被定義為跟隨直達事件的短周期多次反射能量，它們向源小波貢獻能量，為了確定爆炸延伸範圍這一目的，它們被認為是信號。信號通常只是壓縮波能量，因為它先行到達，故比其他振型更好地與由槍產生的地震噪聲分離。然而，在原理上，信號也能是剪切波或其他振型的直達地震能量。
圖2提供EOD系統115的進一步細節。地震傳感器100被連結在一起並通過地面地震電纜200與信號處理器105相連。傳感器可以是市場上可買到的地震檢波器和/或水聲檢波器，水聲檢波器適用於被水覆蓋的地區。傳感器可放在地表面或者可以埋在地下以改善耦合和降低環境噪聲。傳感器還可以放在淺井中。地震檢波器可以是垂直向和/或水平向地震檢波器，即能感知地面垂直或水平運動。地震檢波器可以是3分量地震檢波器，它感知運動的三個正交分量。還可使用一個垂直向傳感器、兩個水平向傳感器以及一個壓強敏感傳感器或水聲檢波器總共四個傳感器(稱作4C傳感器)。在飽含水的環境中可使用水聲檢波器作為唯一傳感器類型。能感知壓強或地動變化的任何類型換能器或傳感裝置都可能適用於EOD目的。
圖4顯示表面地震傳感器100以一維陣列形式放在地表面，每個子陣列有4個地震檢波器，由7個子陣列構成整個地震陣列孔徑410。在子陣列中的地震檢波器可相加組合以改善信號噪聲比，優選作法是在組合之前進行單個時移以對齊信號，或者可以使用其他陣列處理算法進行組合。可利用有各種傳感器類型的多重陣列，每個陣列由多個子陣列構成。可以採用相異迭加、自適應噪聲編輯有適應濾波、相干濾波、維納濾波以及其他方法來利用採集信號波和噪聲波的多重傳感器子陣列或陣列。如果希望的話，可以利用具有適當的二維或三維幾何設計的多個子陣列，以提供具有所希望的信號和噪聲特性的信道的更大冗餘度，以利於通過陣列處理增強信號噪聲比。例如，小陣列能放在一個二維陣列的矩形區上，總共49個子陣列，其中7個子陣列沿測線排列，7個子陣跨越測線。利用適當的處理，由採樣努力的這種擴張會造成更好的信號估計。這些多重子陣列、陣列以及處理技術的利用可被視作為得到真實合成小波的最佳可能表示。
然而，在理想條件下能使用單個傳感器而不是上文描述的更複雜的途徑，這會是由於成本原因而優選的。利用經驗，專業人員能決定什麼努力水平將提供所希望的結果質量程度。
所得到的信號估計，即理想的無噪聲合成小波的最好的可用表示150，受到分析和進一步數學處理，以產生對射孔槍是否被引爆或未引爆，是否部分未引爆，以及如果是部分未引爆其射孔槍的定量爆炸延伸範圍如何等的確定結果。
連接電纜200可以由到信號處理器和記錄器105的無線電鏈路替代，以提供傳輸地震數據的一種等效方法。另一種等效方法是在每個傳感器或傳感器組處記錄數據並在其後將其發射或傳送到中央信號處理器和記錄器105。
配置EOD系統的另一種方法示於圖3。地震傳感器被放在深井300中，以替代或補充放在地表面的地震傳感器。這個井孔或者可以是含有射孔槍140的同一井孔170，或者它可以是另一個但相鄰的井孔。井下地震傳感器330可彼此連接並通過井下電纜320沿井口向上到達地面連接到信號處理器和記錄器105。另一種作法是它們可以存儲它們的信息供以後回收。在這一修改中，可以在井下地震傳感器返回地面之後從中回收地震波記錄，或者通過其他可用方法，如EM或井孔壓強波遙測方法，傳送到地面。與地面傳感器子陣列的應用相似，可以使用多種處理技術組合多個井下傳感器，如對地面傳感器所描述的那樣，以增強信號估計的信號噪聲比。井下傳感器可以不按區域分布，而是代之以限定於沿一個井孔放置。然而，井下傳感器可以放置在多個井孔中。如在地面傳感器的情況中那樣，最佳組合的信號估計受到進一步分析和處理，以確定爆炸成功、部分成功或失敗，以及對爆炸延伸範圍定量。
圖5顯示井下地震傳感器330當它們被布設供使用時的詳細情況。單個地震檢波器裝在具有鎖臂的容器內，鎖臂可被致動。這些鎖臂可用於把傳感器壓在井壁或容器壁，以改善傳感器與地球的耦合。在這一配置中的井下地震檢波器是在業內傳統使用的。或者，可以使用其他類型井下地震傳感器，如水聲檢波器。多分量地震檢波器可與壓敏傳感器組合，如在地面傳感器方法中那樣。
與地面方法相比，因為在使用井孔時地震傳感器可放置得更靠近爆炸，故可通過井下方法使用改善地震數據信號噪聲比的裝置。更靠近放置提供更高的地震能量水平和更多高頻信號，而且還簡化了地震能量到達傳感器的地震射線路徑幾何形狀，這有利於本發明的方法，井下放置的另一好處是環境噪聲水平一般比地表面低得多。然而，不利於井下傳感器放置策略的是布設傳感器的成本。這一成本通常顯著高於地面布設的成本。一種折中方案是把傳感器放在井孔中的淺深度或者只是把傳感器埋在地面以下。
對於地面和井下放置傳感器這兩種情況，專業人員應考慮由槍產生的噪聲可能對直達信號事件的影響。在一個距離上設置傳感器使得由槍產生的噪聲事件不會與信號事件同時到達，為此可能需要在一些情況下保持一個到進孔的最小距離。或者在井下傳感器的情況下保持射孔槍到傳感器的一個最小距離。這是因為沿井孔向上傳播的高速波可能干涉，或在井口或井口孔近激發次級噪聲振型，這能干涉通過地球傳播的直達波。經驗將提供關於何時將存在這種條件的指導。解決方案是把傳感器放在這一臨界最小距離以外。
圖6顯示信號處理器和記錄器105的元件。圖7顯示EOD控制器。這兩個設備基本上是市場上可買到的那些類型的計算機。所有硬體部件都是熟悉的類型和市場上可買到的。使用EOD控制的軟體和方法提供本發明的獨特性。
參考圖6，地震信號經由電纜100或300輸入到設備105。這些地震信號可以是模擬信號，如本圖中假定的那樣，或者可以是在地震傳感器處或在其附近已經數位化的信號。在後一種情況中，可以CPU640向控制傳感器的在線設備發送命令。如果地震信號是以模擬形式作為電纜中的電壓傳送到設備105，則在A/D轉換器620中進行模數轉換之前由前置放大器610放大和調節該地震信號。數位化地震振幅可被存儲在存儲器中並可由I/O設備650寫入物理介質，如磁帶。設備105的基他標準子系統包括電源680、監視器與鍵盤670以及時鐘630。所示用於信號處理器和記錄器105的系統元件是以集成化形式存在於市場上可買到的基於PC的地震數據採集系統，如由Geo-X Systems Ltd.公司製造的ARAMARIES。
圖7中顯示第二個計算機系統。被指定為EOD控制器110。它可以是如圖7指出的那樣聯網到或連接到信號處理器和記錄器105，或者只是利用由設備105記錄的物理介質和由EDO控制器110經由物理介質向設備105提供的控制信息來實現EOD控制器110與設備105的接口。
EOD控制器110包括如圖所示標準型設備CPU720、存儲器740、時鐘710、I/O設備730、監視器和鍵盤750以及電源760。它被顯示為與爆炸控制器130連結。爆炸控制器可以是用於引爆或控制引爆射孔槍140的任何裝置。它可被包含在位於井口附近的單個設備中並與井孔內的射孔槍組合通信。另一種作法是，爆炸控制器130可以是位於井的地表面和井孔中的若干設備的協作組合，例如物理上與射孔槍耦合的那些設備。EOD控制器可以利用任何類型的物理的、電子的或電的連結，或者它可包括由無線電、蜂窩電話或其他裝置實現的通信鏈路。這一鏈路的目的是通知地震觀測員使其可在剛好射孔槍引爆之前的正確時刻啟動地震記錄並允許井方面的活動與地震觀測方面的活動進行一般性協調。
信號處理器和記錄器105可與EOD控制器110組合，從而只需要一臺計算機代替兩臺來完成所需要的行動，作為本發明的另一種和等效的實現。
射孔槍140示於圖8。射孔槍140的基本元件包括在槍的頂部連接到起焊器850的電導線；引焊線860以及一系列聚能射孔彈855。對每個聚能射孔彈855提供點火炸藥870、容器875、襯套880和主爆炸炸藥890。
儘管在圖8中只描繪了四個聚能射孔彈，但在通常所用長度的射孔槍中會包含多得多的聚能射孔彈。射孔槍各部分的製造使得總槍組合長度可實現從幾英尺到數百英尺的改變。聚能射孔彈通常將均一地分布在射孔槍組合有效部分的整個長度上，射孔彈之間的間隔小於1英尺，在設計成刺穿多個區域而留下一些插入的未被刺穿區域的射孔槍中，槍的一些部分將沒有聚能射孔彈。
通常的實踐是如圖所示將起爆器850放在射孔槍組合的上端，從而使爆炸從上端開始。在這種情況下，爆炸將從起爆器沿起爆線860相繼前進到沿起爆線較低各點直至爆炸息止。當爆炸前沿達到每個點火炸藥870時，起爆線將使點火炸藥870爆炸，除非發生未爆炸情況。點火炸藥870的爆炸將使其聚能射孔彈855的主爆炸炸藥890爆炸。
如果如所希望的那樣爆炸前沿沿射孔槍前進而沒有中斷，每個相繼的聚能射孔彈將依次被引爆，直至最後一個聚能的孔彈爆炸，它是距起爆器850最遠的一個，從而完成爆炸過程。
如果當操作員試圖引爆起爆器850時，它未能起爆，則發生射孔槍「完全未引爆」。如果起爆器起爆，但在最後一個聚能射孔彈被引爆之前一個未引爆中斷了爆炸前沿沿起爆線的前進，則發生「部分未引爆」。如果全部聚能射孔彈都爆炸，包括距起爆器最遠的聚能射孔彈，則發生「完全引爆」或「成功引爆」。
在工業界可得到若干種射孔槍組合，業界專業人員提供了引爆射孔槍的各種方法。本發明的方法不限於任何特定類型的射孔槍組合或引爆方法，但能有效地工作，只要爆炸在射孔槍頂端或低端的一點開始並從那一點開始沿射孔槍前進。
圖8指出射孔槍的三種關鍵參數，它們是認作位置的「槍頂」800、「槍底」810以及「槍長」820、「槍頂」定義為沿井孔軸最上邊的聚能射孔彈的中心位置。「槍底」是在井孔內最低的聚能射孔彈的中心位置。這兩個位置都是利用三維空間的X、Y、Z坐標定義。以其射孔槍放在準備爆炸的位置。「槍長」是沿井孔軸線「槍頂」和「槍底」之間的距離。
類似地，地震接收器的位置由相對於地震傳感器陣列孔徑420幾何中心的三維坐標給出。
圖9顯示當射孔操作員通知地震觀測員他打算在一指定時刻進行爆炸時所發生的步驟序列。地震觀測員在時刻t0啟動EOD系統115(圖1)，此時已布設好了地震傳感器並測試過全部子系統。在最早可能爆炸開始時刻t3之前，他使信號處理器和記錄器105已始記錄地震數據，而且記錄從這一時刻t1繼續到t6。射孔操作員在時刻t0採取行動，按照射孔系統特定類型的需要並根據已通知地震觀測員的時間表啟動爆炸過程。在其後的某個時刻(t4)，爆炸開始，即起爆器850起爆。爆炸過程起始和進行爆炸瞬間之間的延時量是可變的，取決於所用點火系統和控制系統的類型。在任何情況中，地震記錄過程都必須在爆炸之前開始並繼續到射孔槍爆炸在t5息止之後的某個時候。
本發明方法的獨特特點在於為了成功確定爆炸延伸範圍並不需要知道爆炸時間。所以不需採取措施測量、確定或用其他方法知道特定的時刻，即爆炸時刻。這個方面簡化了記錄過程的的野外實現，因為不必在爆炸控制器130和EOD系統115之間建立電子的或電的連結。
然而，如果在槍點火系統和地震記錄系統之間存在連結，或者如果這兩個系統被裝備或可訪問準確的被同步的時鐘或諸如來自GPS衛星的外部信號，從而精確知道爆炸時刻，那麼次一級好處可降臨專業人員頭上。對確切點火時刻的了解允許使用射孔槍地震記錄作為單炮點VSP(垂直地震剖面)勘測。使用這一信息和本領域技術人員熟悉的方法，在這一區域的地震勘深可以以該爆炸記錄進行校準並與該爆炸記錄結合，並進而結合井孔地質。參考圖1，如果爆炸控制器130從地面控制一個電點火系統，它能被容易地連結到過程控制器110。這將有助於將所記錄的數據用於這個次級目的。
必須記錄的附加時間量依賴於地震傳感器和射孔槍之間的距離、地震波速以及其他因素。通常在最遲的預期爆炸時間之後要記錄至少20秒數據。只有包括初至和緊跟它們的餘波的頭幾百毫秒數據對於本發明的反演過程是有用的，然而，從在此之後的數據中可能搜集到該爆炸甚至射孔槍爆炸範圍的附加證據。這樣的一個實例是由孔井中氣體後來的運動所造成的地震能量，這些氣體是由該爆炸產生的。這樣的地震能量可以以多變化的非直達路逕到達地震傳感器，能用於肯定爆炸事實上的確發生了。
圖10顯示射孔槍140在該槍爆炸和輻射地震波的相繼四個階段中在周圍地層中的截面圖。在t4，如在前一幅圖中那樣，在槍頂開始爆炸。稍後，在t4.5，爆炸前沿已沿射孔槍前進了50％路程，達到槍頂和槍底之間沿井孔軸線的中間位置。在時刻t5，爆炸前沿1030剛好啟動射孔槍中最底端聚能射孔彈的爆炸。爆炸前沿1030以恆定速度Vd沿射孔槍軸線和幾乎處在共同位置的井孔本身軸線前進。
這一爆炸速度Vd是操作員選擇的射孔槍類型的特定設計的一個特性。它將是已在實驗室中測定的一個已知量。Vd的一個典型值是10英尺/毫秒。這個速度小於攜帶爆炸前沿1030的起爆線860的爆炸速度的一半。這種減速是由於在射孔槍內的起爆線當從聚能射孔彈到裂能射孔彈下降時具有螺旋形配置，那些聚能射孔彈圍繞射孔槍軸線放置，有從0到360度的各種取向。因為起爆線通常採取這種沿槍軸的不直接路徑，所需起爆線的長度可能大於射孔槍長度的兩倍。對於典型射孔槍而言，這造成沿槍軸測量的有效爆炸速度顯著低於沿起爆線本身的絕對爆炸速度。
然而，某些射孔槍，或者對於槍的整個長度或者只是槍的某些部分，並沒有這種螺旋形起爆線配置，而是代之以沿射孔槍軸多少為直線的起爆線。當然，這些射孔槍設計表現出有效爆炸速度接近於起爆線本身的絕對爆炸速度，例如大於20英尺/毫秒。
圖10還描繪與從爆炸槍向地表傳播的地震能量關聯的地震小波。當然，地震小波沿所有方向傳播，但這裡只考慮向上傳播的波。在圖10中的波A是首波1000的引導沿，首波1000即來自爆炸的第一個聚能射孔彈的向上傳播地震小波中的第一地震能量。它以速度Vr向上前進，Vr是它穿過的巖石的壓縮波速度(p波速度)，它通常是由地震傳感器陣列記錄的來自爆炸的第一能量。
如圖所示，在時刻t4.5，波A1000將已達到槍頂之上的一個位置。在這時爆炸前沿1030已達到沿射孔槍的一個中途位置。隨著每個聚能射孔彈爆炸，新的地震能量發射出來。一個準連續的小波序列，每個來自每個聚能射孔彈，在它們向上前進時互相混合。圖形顯示來自沿射孔槍中間位置的聚能射孔彈的首波前沿在t4.5開始形成。
在時刻t5，波A和後續波已經進一步向上前進，而且爆炸前沿已進一步向下前進並剛好引起最底下的聚能射孔彈爆炸。在此時刻波B開始向上輻射，代表拖尾小波的前沿。由於現在在射孔槍內的爆炸材料都已全部用盡，沒有再進一步發起小波。
稍後在時刻t5.5，波B向上前進到槍底之上某處的一點，而被定義為拖尾小波尾沿的波C已向上前進到從槍底向上的一個短距離處。在A和C之間的所有波繼續向上，最終達到地震傳感器並作為合成小波記錄下來。
這一合成小波1100可看作是一組單個基本小波1210之和，每個來自一段射孔槍，每個後續小波比其前一個小波延遲少量時間，其延時量是爆炸沿槍向下傳播到下一段所用時間加上從較低段向較上段的地震波是時之和。
槍段2410可定義為射孔槍有效部分的任意小長度，其中含有一個或多個(但為一個整數)聚能射孔彈。利用這一定義，任何射孔槍可被分割成一系列等功率的槍段(最後一段可能例外)。在相同爆炸條件下，每個槍段將產生相同的基本小波1210。圖24顯示分成一組槍段2410的射孔槍。
在一個恆定速度的圍巖環境中，各槍段2410將產生有相同形狀的一系列上行地震小波。這些小波除了形狀相同外還在離開槍附近時和到達地震接收器時以相同的時間增量彼此在時間上分離。這就提出了一種模擬合成小波1100的方法，合成小波1100用於圖11及其後各圖，以模擬給定一個任意基本小波1210的合成小波，該基本小波是來自射孔槍一個槍段的小波。
圖11顯示來自從13英尺到320英尺5個不同長度射孔槍的合成小波。每個合成小波的自相關出現在圖的右側。隨著射孔槍長度的增大，其形態從相當簡單的小波逐漸變為有兩部分的小波，其第一半主要是正的而第二半主要是負的。事實上第二半的樣子與第一半相同但極性相反。確實是這種情況。一個長射孔槍的合成小波第一半可以是負的或正的，取決於基本小波的初始極性，但永遠與第二半的極性相反。320英尺射孔槍還發現在第一半和第二半之間有一個延時，確切地等於模擬的「首波前沿」和「施尾波前沿」(見圖10)之間的時間。自相關還在這一時間表現出一個相對於零延時峰值的強負側瓣。
圖12提供三個合成小波1210舉例，它們有不同的持續時間6、24和96毫秒。還顯示出基本小波1210，它被求和以產生合成小波。基本小波是來自射孔槍一段的小波。持續時間定義為「首波前沿」和「拖尾波前沿」之間的時間間隔，在簡單的垂直幾何形狀情況中可通過把第一槍段的爆炸和最後一個槍段的爆之間的時間間隔與最後爆炸的槍段位置和第一槍段的位置之間的地震波走時二者相加計算出來。
給定射孔槍的一個給定爆炸的持續時間是地震傳感器陣列位置的函數。對於垂直井孔和均一地質，將在井口觀測到最大持續時間。在這種情況中，如果傳感器陣列位於離開井口處，則持續時間減少，在很遠離井口處最終減為零。對於非垂直井孔，在離開井口的某一組位置，該持續時間將有最大值。如果能觀測到持續時間最大值，則對EOD的確定有利，所以專業人員在決定傳感器陣列位置時應考慮這一點。射線路徑模擬能指導這一決定。在某些情況中需要在使持續時間最大和達到最佳信號噪聲比二者之間折衷。
再參考圖12、6毫秒和24毫秒持續時間的合成小波沒有顯示出分開成一個極性的第一半和相反極性的第二半。這是由於相對於持續時間其基本小波太長，不允許這一出現，造成兩部分重疊。然而，96毫秒持續時間的合成小波的確顯示出這一清楚的分離，成為兩個相反極性的一半。在前峰1220及其負的對應物，即後續波谷1230之間的時間間隔精確地等於96毫秒，是嚴格的持續時間值。
這至少為長射孔槍，即槍長足以在合成小波的首段(第一極性)和拖尾段(與第一極性相反的第二極性)兩半之間有好的分離的情況，提供一種確定爆炸延伸範圍的方法。可惜的是，許多射孔槍沒有足夠長度使其發生這種情況。但是，當射孔槍足夠長以在合成小波中提供這種分離時，能這樣估計爆炸延伸範圍，如果已知槍和地震接收器的幾何分布和位置，如果能模擬射線路徑幾何形狀而且已知爆炸速度和地震波速度的話。合成小波第一半和第二半之間的時間間隔可被直接測量，或優選地藉助自相關。這一時間等於從第一槍段到最後一個槍段的爆炸傳播時間和到接收器的地震波走時差二者之和。為實現最佳等效，假定為實際已爆炸的最後一個槍段的位置在計算中是改變的。如果在計算射孔槍中最後一個物理槍段時未得到最佳等效，則由此確定已發生了部分未引爆。
使用自相關方法或直接觀查地震記錄，也能方便地確定完全未引爆。如果在射孔槍預期已點火之後接收的地震數據的自相關沒有表明在一個已知的平靜時段期間存在一個顯著較高的水平，則可能已發生了完全未引爆。完全未引爆的一個進一步證據是在地震記錄上沒有第一能量，如在地震方法方面有經驗的人能確定的那樣，這第一能量應具有從一個地震子陣列到下一個地震子陣列的可預測延時，有其典型的波形和能量分布花樣。
圖25a描繪以EOD系統115和圖4中詳細顯示的典型地面地震接收器210得到的地震記錄。在這一記錄中，射孔槍已被成功地引爆。特徵性地震能量分布花樣表現為相繼的到時如射線追蹤模擬可預測的那樣從距射孔槍最近的到最遠的地震傳感器子陣列相繼出現。地震能量在地震噪聲能量水平之上。相似小波波峰和波谷時刻的測量能與射線追蹤模擬預測的從槍頂到每個地震子陣列的走時一起使用，以確定地震能量的起源是否在射孔槍的位置。儘管相干地震事件花樣能在地震噪聲記錄上出現，但它們不表現為從射孔槍位置發出的能量的到時分布花樣。它們也不表現為長射孔槍的具有一個極性的第一半和相反極性的第二半的小波形狀特徵。最後，典型地震噪聲的水平達不到來自射孔槍爆炸的特徵能量的振幅水平。所有這些判據能用於驗證所觀測到的地震能量事實上是來自射孔槍爆炸。
圖25b顯示在射孔槍預期引爆期間所做的地震記錄。來自射孔槍的特徵性地震能量分布花樣不明顯。只有表明為地震噪聲的振幅和能量分布花樣可辨別得出。從圖25b中的記錄的證據，能得出該射孔槍未引爆的結論。只有在地震噪聲水平相對很高的情況，即高到足以掩蓋來自射孔槍的能量時，這一結論才可能是不正確的。經驗能告訴人們什麼樣的地震噪聲水平會掩蓋如由給定地震傳感器陣列檢測到的特定射孔槍的地震能量。這樣，直接觀測和分析由EOD系統記錄的地震能量分布花樣能用於以高度肯定性確定完全未引爆的發生。
與小波形狀無關，由射孔槍爆炸觀測到的合成小波的振幅也能指出射孔槍的實際引爆長度。對振幅的各種測量，包括例如最大峰值振幅、rms振幅、平均絕對振幅和平均功率，可用於將一個特定觀測的合成小波與其他合成小波進行比較。參考圖11，各種槍長度的合成小波表現為從最短射孔槍到最長射孔槍的漸進增加(圖的左側標記射孔槍特徵信號)。對這些子波進行模擬，以仿真在相同物理條件下會觀測到的小波，這些物理條件包括地質、射孔槍類型、槍頂位置以及地震接收器的類型和位置。如果對這些相同的條件但有不同槍長度的另一個射孔槍合成小波進行模擬，它能容易地與這六個小波進行比較，於是能計算出它的有效射孔槍長度，在較短的和較長的槍之間內插。這樣便能得到爆炸產生新合成小波的射孔槍長度的定量估計。當然，小波形狀以及振幅能一起使用以改善估計結果。
如果比較小波可得到的話，在實際觀測的合成小波情況中也能應用這同一方法過程。優選地，已從同一槍類型在相似深度在相似地質條件下得到比較小波，當然，要像上述模擬研究中那樣有完全相同的條件將是不可能的。如果在一個給定地質環境中常規地記錄射孔槍爆炸，如在一個地質盆地內或一個油田內，則能得到一組比較小波，用於比較和計算有效槍長度和爆炸延伸範圍，如上文對模型描述的那樣。能應用對變化深度、射孔槍類型以及其他變量的簡單校正因子，以改善確定準確度。如在模型的情況中那樣，小波形狀和振幅二者能分開使用和組合使用，以改善爆炸延伸範圍計算的準確度。
下面公開說明確定射孔槍爆炸延伸範圍的另一種方法。這一方法依賴於合成小波反演以代替先前描述的觀查、比較和計算。與前文描述的方法相似，該反演方法也依賴於根據物理條件、計算、合成小波的理論預測和/或實際觀測所預先確定的射孔槍潛力。該方法能獨立使用或與其他方法一起給出爆炸延伸範圍的獨立定量確定。
當射孔槍在一個即非完全線性也非垂直的一部分井孔中被引爆時，本發明的爆炸延伸範圍確定方法能有效地工作。在許多情況中，井孔將不是垂直的，即射孔槍往往用於水平井孔中或代表非垂直性的不那麼極端情況但仍然又是非垂直的井孔。再有，井孔軸線不一定為直線；它可以是二維或三維的曲線。在三維中彎曲的井孔這裡被稱作曲線井孔或3D井孔。
在構造圖11和圖12的合成小波時所做的假定之一是在射孔槍周圍的地震波速度是一個常數。對於涉及相對較短的射孔槍的許多情況，這一假定可能是好的，但還是希望有一種方法，它將不依速賴於這樣一個假定。要成為一般可通用的和能夠處置中等長度和更長射孔槍的方法，確定爆炸延伸範圍的方法必須能處置射孔槍圍巖中可變地震波速度的情況。
這種把所有這些希望的和重要的特性組合起來的方法已發明出來並使用模擬數據演示其工作；這一方法是這一優選實施例部分其餘內容的主題。
已發明了一種兩階段反演過程，它適用於射孔槍被引爆時記錄的合成小波，反演的第一階段(階段1)理想地產生輸出小波(階段1小波)，它等於基本小波與時刻零的正單位脈衝(+1)後跟時刻等於合成小波持續時間處的負單位脈衝(-1)的褶積。或者以另一種方式表述，階段1小波是在時刻零(t＝0)開始的一個正基本小波和延時持續時間(t＝持續時間)的一個負基本小波之和。
只有在一個關鍵性條件下在階段1反演過程中才會發生這一理想輸出。那個條件是給予該過程正確的持續時間值供使用。但專業人員不知道這個值，因為知道持續時間的實際值是該實踐的整個目的。所以，必須進行一系列階段1反演，假定每個可能的持續時間值。最大的可能持續時間對應於整個射孔槍爆炸。最小持續時間對應於只有第一個槍段點火。從最大到最小持續時間的持續時間範圍是以適當小的間隔採樣，例如一個間隔等效於向射孔槍添加單個槍段造成的持續時間增量。
當在階段1反演過程中使用正確的實際持續時間值時，便造成理想輸出。對於較長的射孔槍，階段1輸出將在形態上類似於來自較長射孔槍的合成小波。第二半將是第一半的極性反轉的重複；然而，與合成小波不同，第一半將不是以一種極性(第一極性)為主要極性，第二半也不是以一種極性(與第一極性相反)為主要極性。每一半將有零均值，即將是在零振幅周圍振蕩。
對於短的和中等長度的射孔槍，第一半將與第二半重疊，使得難於觀察階段1子波的正的和負的基本小波分量。對於較長的射孔槍，有可能通過在假定的持續時間值範圍上比較各個階段1小波來判明可能的正確持續時間值。對於短的和中等長度的射孔槍，這是不可能的。
反演過程的第二階段(階段2)應用於階段1小波並產生一個輸出，該輸出是在時刻零(t＝0)開始的單個基本小波，不含所有其他信息。這解決了對射孔槍的所有長度解釋其正確持續時間值的問題，包括短的和中等長度的射孔槍。
階段2反演假定與階段1反演中假定的持續時間相同的值，從而這兩個階段在這方面彼此一致。這樣，從這兩個階段輸出的小波可在一對一基礎上顯示出來，如圖13中所示。在圖中左側顯示五個階段1小波，每個對應於一個不同的假定持續時間值，從11毫秒到15毫秒，以1毫秒為間隔。在圖中右側是相應的階段2小波。
在圖13的例子中，用於模擬作為反演過程輸入的合成小波的持續時間值是13毫秒。通過仔細觀察，人們能夠分辨出對於13毫秒反演的階段1小波1310是正的前一半後跟極性相反的第二半的最完美的重複。然而，這五個中的每一個給出這一形態的合理好的表現，因此，只從這一證據確定正確的持續時間將是某種挑戰。
在圖13的右側，顯示出階段2反演小波。對於持續時間假定為13毫秒的階段2小波1320，清楚地顯示這五個當中的最小能量。它的初始小波後跟一個平靜的尾部，而對於其他持續時間值，該尾部繼續振蕩，對於持續時間11毫秒和15毫秒，其振幅甚至還增大。各個階段2小波由使用者在數學上和視覺上進行比較，以對所發生的爆炸確定正確的持續時間值。選定的正確值是持續時間＝13毫秒。
然後，這一選定的持續時間值必須被轉換成實際被引爆的射孔槍的長度值。這是使用爆炸速度、地震波速度以及接收器和射孔槍位置這些已知值並模擬地震射線路徑以確定地震波走時來完成的。這一過程中的第一步是構建持續時間表，如圖23中所示，其中包含從每個槍段中心到地震接收器的走時值和相應的持續時間值。如果在槍段2410之後射孔槍未被引爆、就會觀察到這些持續時間值。未引爆點2440和有效槍長度2430示於圖24。
如果可得到垂直地震剖面(VSP)走時觀測值，則它們可用於構建持續時間表。如果得不到VSP觀測值，則優選作法是通過射線追蹤，使用關於井孔周圍隨時間-空間變化的地震波速度場的所有可用信息，獲取走時值。在本方法的一個簡化變體中，使用者可以假定直線射線路徑傳播，這種假定在某些條件下(例如當速度幾乎不變時)是模擬射線路徑的一種足夠準確的途徑。
如果已知射孔槍的有效爆炸速度Vd，則適用如下關係持續時間＝(L/Vd)+DT式1這裡L是有效槍長度2430，即引爆到未引爆點的槍長度，或者是到槍底的長度，如果沒有未引爆的話。
Vd是有效爆炸速度，以及DT是引爆的第一槍段和最後一個槍段的(到接收器的)地震波走時差。
在已經按前文所述確定了選定的實際持續時間值，或使用其後描述的更一般的3D井孔方法確定持續時間，專業人員在表(圖23)中找到對應於這一持續時間值的走時值，必要時在表中值之間內插。另一種作法是，可以進行嚴格對應於這一持續時間值的特別射線追蹤。
在這兩種情況中的每一種情況中，對最後一個槍段的走時值和第一槍段的走時值求其差值，以計算DT，於是式1被重新安排以計算L(·表示乘法)。
L＝(持續時間-DT)·Vd 式2值L是射孔槍爆炸延伸範圍的首要測量值，是前文和下文描述的本發明所有過程的目的。爆炸延伸範圍的一個相關測量值是實際被引爆的長度佔總槍長度的百分數，它是L除以總槍長度並乘以100得到的。
總之，實際被引爆的射孔槍長度等於確定的持續時間值減去第一槍段和被引爆的最後一個槍段之間的地震波走時差，然後這個量乘以射孔槍的有效爆炸速度Vd。
因為該結果依賴於走時差而不是總走時，所以該結果不依賴於對槍頂和接收器之間中介地質的高準確度模擬。只有對槍本身周圍射線路徑的模擬必須準確地完成。如果像工業界公知的那樣使用傳統的測井技術測定過射孔槍周圍的地震波速度場，並已使用通常在油田可得到的構造地質圖對其進行了外推，那麼便能容易地和準確地完成這一模擬。
如果先前對於要進行射孔的井已經進行了VSP地震勘測，則對於井孔和選定地表位置之間的傳播，將會是已經準確地測定了沿井孔的多個位置的總地震波走時。在這種情況中，推薦重新佔據這些地表位置的一個子集，作為EOD接收器位置，從而可對整個傳播路徑驗證射線路徑模擬的準確度或將其調節到與觀測時間一致。可對模擬參數進行調整，直至模擬的走時與VSP觀測走時之間達到好的匹配。另一種作法是，模擬走時可以簡單地由VSP觀測走時代替。
圖14顯示另一個例子的結果，這裡槍比較短，因而合成小波和階段1小波的兩半都嚴重重疊。圖14的上圖顯示對於持續時間＝24毫秒估計出的合成小波1100、階段1小波1310和階段2小波1320。中圖顯示對三個不同的假定持續時間23、24和25毫秒的階段2小波1320。下圖是階段2小波拖尾能量的RMS振幅。在這個例子中，構建模型用的持續時間值是24毫秒。各個階段2小波有幾乎相同的第一周期，但其後的時間它們高度分散。持續時間＝24毫秒的階段2小波在幾個振蕩之後變為平靜，但相鄰的子波高度振蕩，顯示出畸變的不穩定的拖尾能量。RMS振幅圖顯示出在持續時間＝24毫秒這個正確值處有很與眾不同的極小值1410。這樣，該過程能很好地在數學上(通過功率計算)和通過視覺證據(小波形狀)發現正確的持續時間值。利用這一發現，能如先前描述的那樣容易地計算出實際被引爆的射孔槍長度。
圖15顯示一個類似的模擬的例子，其中假定小得多的持續時間值6毫秒。這種情況是對本方法的更大挑戰，因為在合成小波和階段1小波中有極端的重疊，即槍很短。圖14的三幅圖對應於圖13的三幅圖。在中圖中的三個階段2小波中觀察到較小的差別。來自階段2的持續時間＝6毫秒小波更穩定並顯示出比其相鄰者小的高頻畸變，但其差別不如前一種情況中明顯。RMS振幅顯示出在6毫秒處有極小值1410，但不如先前那樣好地分辨出來。這樣，本方法能工作，但對於很短持續時間的射孔槍，該方法不是那樣強有力而且沒有那樣高的分辨力。一般地說，通過這一過程，人們可以期望對中等和更長射孔槍小波比來自短槍的小波有更好的分辨能力。這轉換成對較長射孔槍的爆炸延伸範圍有更好的分辨力。對於給定的爆炸，優化的地震接收器位置增大合成小波的持續時間，專業人員應該認為這是提高分辨力的一種方法。
在圖16中研究地震噪聲對反演過程的影響。在實際情況中，將會有一些地震噪聲留在真實合成小波的最終估計中。圖14使用的模型被修改成加入隨機噪聲並再次通過二階段反演進行處理。在階段1小波1310和階段2小波1320中噪聲與信號一起出現。RMS振幅圖顯示在23毫秒有最小值，取代了正確持續時間值24毫秒。這樣，噪聲已在該過程計算出的持續時間中造成一個小誤差。對RMS振幅值的曲線擬合能減小噪聲影響並允許在這一情況中計算出正確值24毫秒。
使用設計得好的地震接收器陣列和子陣列，把接收器放在更靠近射孔槍的位置，把接收器放在足夠遠的距離以避免由槍產生的噪聲與信號幹涉以及通過使用前文描述的信號處理方法可減小地震噪聲，從而減小地震噪聲影響和增強信號估計值。
本發明的方法可以以接下來描述的方式完成。本方法適用於對前文定義的真實合成小波的最終估計。本方法的基礎是假定合成小波是來自一系列槍段的基本小波之和，該射孔槍被任意分割成一系列均一的段，每段含有相同的或至少是基本相似的一組爆炸部件，只有最後一個槍段可能例外。
首先考慮一個簡單模型，其中射孔槍是垂直的，巖石的地震波速度為常數，而且接收器在射孔槍的垂直上方，容易看出，合成小波是基本小波之和，每個基本小波相對於來目前一個槍段的基本小波稍有延遲。合成小波的第一個樣本簡單地等於基本小波的第一個樣本。知道這一點，通過從合成小波的第二個值中減去基本小波的第一個值，便能計算出基本小波的第二個樣本。現在，基本小波中的頭兩個樣本是已知的。這一過程能對整個合成小波繼續進行，直至達到一個假定的持續時間值，於是不再繼續。其結果將是一個純基本小波後跟該基本小波的一個負的複製品，它在合成小波的持續時間時刻開始，如果所假定的持續時間正確的話。
將通過這同一過程嘗試每個可能的持續時間值並比較其結果，反演第一階段的輸出稱作階段1小波。這些階段1小波還將變為對階段2反演的輸入；階段2反演將使用與得到那個特定階段1結果所使用的同樣假定持續時間值。
為得到階段1小波，沒有對諸如基本小波的形狀和長度做任何假定，在進行階段2反演時也將不做任何這樣的假定。這樣，這一反演不需要小波特徵的先驗知識。
前述過程是適用於直線垂直井孔和恆定地震波速度的簡單情況的反演方法的階段1。它的工作利用了第一基本小波的第一樣本未被掩蓋這一事實。這允許相繼剝掉重疊信息而最終揭示基本小波與其本身的被延時的極性反向版本之和，如果持續時間假定是正確的話。如果這一假定不正確，則輸出結果與做出正確假定時得到的結果相比有較大的RMS振幅和非對稱性。
階段2反反演過程應用於階段1結果，如果持續時間假定正確，則將產生簡單和純粹的基本小波。否則將觀察到不正確持續時間假定的徵兆，包括較高的RMS振幅和不穩定的或高頻的尾部振幅。
階段2反演很簡單，通過從延時等於假定持續時間的後來階段1振幅中逐個樣本地減去先來的階段1反演振幅，便完成了階段2反演。這一過程從處在等於持續時間的時刻的第一被修正振幅開始，繼續到顯著大於預測的基本小波總時間為止。在階段2反反演中，在等於2倍持續時間的時刻之後，已經校正過的階段2值(而不是相應的階段1振幅)被用於從下一個階段1值中減掉；這樣，對於大於持續時間2倍的時刻，階段2反演迭代一次。
選擇槍的一部分，它的基本小波與相鄰槍段的基本小波以一個單位時間樣本分開，由此可方便地定義構成一個槍段2410的射孔槍部分。所選槍段的大小相對於所接收和記錄的地震信號帶寬而言應適當地小。例如，如果1毫秒記錄樣本周期對地震信號是適當的，則槍段大小應選為使得合成小波1100內的相鄰基本小波1320彼此分開/毫秒或更小。對於爆炸速度10,000fps(英尺/秒)和地震波速度8000fps，槍段將為4.44英尺以與1毫秒採樣一致。這一結果是通過如先前描述的那樣對假定槍長確定合成小波持續時間，再用該持續時間除槍長得到的。槍段長度可以以一個較短的間隔設置，使得射孔槍中的每個槍段包含一個整數的和不變的聚能射孔彈個數，以避免在各槍段出現可變數量的聚能射孔彈。
接下來描述對來自可變地震波速度的巖石中一個曲線井孔的合成小波進行反演的更一般情況。
在這一情況中，首先計算從每個槍段中心到接收器的射線路徑和相應的地震波走時。這可通過業內使用的各種模擬方法來完成。優選地，將使用從所有可用地下信息源(如從鑽井、測井和先前的地震勘測得到的信息)導出的三維地球模型，以及各槍段和接收器的坐標。還使用射孔槍的爆炸速度，如從先前對同樣射孔槍的測試中得到的爆炸速度。將每個槍段的地震波走時加到它的爆炸延時上，相對於在時刻零(t＝0)的第一槍段，給出每個槍段在接收器處的到時。
這一到時數組用於計算定義為脈衝密度的一個量。脈衝密度就是每單位時間到達接收器的脈衝數與到達合成小波第一樣本中的脈衝數之比。例如，如果合成小波中的第一樣本只是來自第一槍段的基本小波第一到達，而合成小波的一個後來樣本是來自兩個槍段的第一到達之和(由於井的曲率、射線路徑幾何形狀等)，稱那個後來樣本有脈衝密度2。這一約定是任意的，但它使得有可能把先前描述的反演方法方便地修改成考慮一般情況。它還利用了一個函數的採樣密度和振幅的等價性。這一等價性使能以兩倍于振幅的單一採樣值代替一對同時的相等的採樣值。使用這一關係，通過以脈衝密度修改振幅來考慮源自一個時間樣本內的多個重合的基本小波，使得能以每單位時間一個樣本來代表合成小波。
導出一系列脈衝密度值，每個單位時間增量有一個值，它是對於被取樣到時的那個時間增量在接收器處有相同到時的基本小波個數。到時完全歸因於三維井孔曲率以及射孔槍和接收器之間隨時空變化的地震波速度場(這是基於射線路徑計算或VSP觀測得到的)，以及爆炸前沿沿射孔槍傳播造成的時間延遲。對於具有非均勻射孔彈分布和/或沿槍軸線爆炸速度可變的射孔槍，到時能被相應地計算出來，從而允許脈衝密度歸因於這些因素。這類射孔槍通常用於當要刺穿多個區域而要留下若干中間區域不被刺穿的時候。這類射孔槍的構成可使它們表現為沿槍軸線的爆炸速度可變。
基本小波的振幅受到它們從起源槍段到接收器傳播期間的球面擴散損耗、吸收以及傳輸損耗的影響。由於傳播距離不同以及因通過不同巖石而有不同的吸收和傳輸損耗，對於每個槍段這些損耗是不同的。對於遠離接收器的相對較短的射孔槍，這些損耗可能不會在基本小波當中造成明顯改變，然而，對於較長的槍和較短的傳播路徑，這些差別是顯著的，因而在本發明的過程中必須予以考慮。
可以通過地震模擬過程，使用地震處理和模擬領域技術人員所熟悉的技術，可以計算出預其會發生的球面擴散損耗，吸收以及傳輸損耗。另一種作法是，可以從VSP勘測中得到的地震記錄中直接測量這些損耗。這些損耗，每個槍段有一個值，可以方便地乘以脈衝密度值，以計算出修正的脈衝密度值。然後以第一槍段的修正脈衝密度值除每個槍段的修正脈衝密度值，於是得到歸一化的值。這一歸一化方法保證完全反演過程，包括階段1和階段2，是一個真實振幅過程。這一歸一化的實現是針對第一槍段將初始修正脈衝密度分解成每個修正脈衝密度值。這些歸一化的修正脈衝密度值被稱作「權重」。
在本發明的階段1反演過程中，如下文描述的那樣使用歸一化的修正脈衝密度，因所列舉的原因造成的振幅損耗的影響將被充分接納，從而不會在階段1小波的計算中造成誤差。
為準備階段1反演，歸一化的修正脈衝密度值按下述轉換成所謂調節因子βi＝[(MPD)i-1]*(-1) 式3這裡βi是第i個調節因子，(MPD)i是第i個歸一化的修正脈衝密度。
對於沿圖19的解對角線1900的一點，階段1反演計算的一般表達式是
Ynm＝[『A(n-1)』n-『A(n-1)』n-1]+β0·X0+β1·X1+β2·X2+...+βn-3·『A(n-1)』3+βn-2·『A(n-1)』2+βn-1·『A(n-1)』1式4這裡n是解對角線1900上點的腳標，也是階段1小波輸出樣本的腳標；m是以時間單位為單位的假定的持續時間；『A(n-1)』是A，當n＝2時解矩陣中的第一列；B，當n＝3時的第二列，等等；An是解矩陣中在A列n行的值；β0、β1、β2、...、βn-1是調節因子；A1、B1、C1......包含合成小波；以及X0＝『A(n-1)』n+『A(n-1)』n-m+『A(n-1)』n-2m+...繼續到(n-i·m)為負；X1＝『A(n-1)』n-1+『A(n-1)』n-(m+1)+『A(n-1)』n-(2m+1)+...繼續到n-(i·m+1)為負；X2＝『A(n-1)』n-2+『A(n-1)』n-(m+2)+『A(n-1)』n-(2m+2)+...繼續到n-(i·m+2)為負；繼續Xi系列，直到第一項的腳標變負為止。
概括地說，式4中的Ynm是對於假定的長為m個時間單位的持續時間階段1小波的第n個振幅。
式4用於累進地計算階段1小波的振幅值，以第二個值開始，繼續到最後一個值。最後一個值的位置是任意設置的，但要包括階段1小波的整個顯著部分。階段1小波的第一個振幅的值總是設為嚴格等於基本小波的第一個振幅值A1。
這樣做是因為第一個值沒有受到後來到達的掩蓋而且因為起始調節因子總是零，這是前述歸一化過程的結果。可以看到，重要的是如果該過程要保留真實振幅則合成小波的起始值必須保持不被修正，因為這個值還是未被掩蓋的基本小波的起始值。
解對角線1900是從第一點(左上角)到最後一個點(右下角)累進計算的。在遲於該解點的時刻，該矩陣中的值是從前一個值中減去在解對角線中的前一個解值計算出來的。
圖22a顯示假定持續時間為3個時間單位(m＝3)時應用於沿解對角線的典型點的方程舉例。所示沿對角線的計算全是基於一般議程式4從n＝2到n＝7的展開。對於更高的n值，計算將以相同方式進行，其項數增加。
圖22b顯示用於矩陣中解對角線以外各點的方程舉例。特別重要的是在解對角線1900下方小區中的計算。請注意，隨著階段1小波每個相繼值的完成，接下來把它從先前部分解的所有值中減掉。這在效果上是逐漸剝掉覆蓋的的信息以逐點揭示所尋找的階段1小波。圖中右手列包含的值與已沿著解對角線形成的值相同，它們包含階段1小波。
使用式4以及先前描述的用於實現解矩陣的其他關係，在可變地震波速介質中的任何曲線井孔都可被轉換以揭示階段1小波，如先前對更簡單情況描述的那樣。
為適應三維井孔的一般情況，對於階段2反演，無需對先前描述的過程進行修改。
為演示一般化方法對模擬數據的應用，圖18顯示使用兩種不同方法計算的對於曲線井孔的兩個合成小波。脈衝密度方法產生合成小波1800，一個簡單的時移方法產生合成小波1810。在這兩個小波中觀察到小的差別，這是由於所用內插方法(線性內插)中的小誤差，而不是在脈衝密度通用方法中的任何假疵。通過基於式4的一般化反演過程處理這些合成小波。
一般化反演的階段1結果示於圖19a、19b和19c。該解沿解對角線1900形成。在圖19c中出現最終的階段1結果1910。階段2結果1920出現於右側。這些結果在圖20中以圖形表示。階段2結果1920完美地再現用於構建合成小波的模擬小波，該合成小波是反演過程的輸入。如在圖中看到的那樣，正確的持續時間值(13毫秒)產生最低RMS振幅值1410，確認了由比較假定持續時間值為12、13和14毫秒時計算出的基本小波將會做出的選擇。
圖19的計算以及圖20中顯示的結果是從輸入的合成小波1800得到的，合成小波1800是使用脈衝密度方法形成的，以仿真會在實際情況中記錄的小波。圖21顯示由時移合成小波1810和使用如圖19和圖20中所示同一一般化反演方法得到的反演結果。
所得到的基本小波2120顯示出與基本小波1920幾乎相同的形式，但有小的尾部振幅而不是零值。在正確持續時間13毫秒處，RMS振幅中有明顯的尖銳極小值。這樣，對於使用與反演方法本身的假定不同的一組假定所產生的合成小波，該一般化反演方法能很好地工作。
完成反演處理的另一種方法是越過階段1反演步驟並對真實合成小波的最佳估計進行階段2反演。由階段2結果本身在正確的持續時間處產生穩定的衰減小波，其差別在於該輸出不是一個單一基本小波，而是在持續時間段上一系列基本小波之和。可對階段2反演的輸出進行視覺的和數學的分析，如先前描述的那樣，以找出射孔槍持續時間和爆炸延伸範圍的最佳估計。這一途徑的好處在於當存在地震噪聲時階段2反演可比階段1反演更穩健。在實踐中這兩種途徑都可嘗試和比較。
再有，在這另一種途徑中，階段1反演可應用於階段2輸出。這樣，兩個階段的順序可以反轉。在理想的無噪聲情況中，解釋出的結果是完全相同的。
確定爆炸延伸範圍的另一種有生命力的基於模型的方法是計算理論合成的合成小波，如圖11中所示合成小波，並計算與實際的合成小波估計的最佳擬合。一個假定的基本小波能以適當的時間延遲重複相加，該時間延遲是對於射孔槍的物理環境和位置給出的。假定的基本小波可以從類似條件下爆炸前的實際記錄中審慎地選擇，根據本發明的反演從先前的爆炸中得到，或者由其他方式提供。對爆炸延伸範圍的各種假定能用於計算相應的理論合成的合成小波。然後，理論合成的合成小波與實際的合成小波(真實合成小波的最佳估計)進行比較。比較方法能有各種選擇，包括視覺比較、差值、功率計算、最小二乘誤差(LSME)擬合測量、譜擬合以及其他方法。
在數學領域的技術人員可代之以其他數學方法實現一般化反演。
儘管已顯示和描述了本發明的優選實施例，但本領域技術人員可對它們進行修改而不脫離本發明的精神和教導。這裡描述的實施例只是示例而不是限制。對系統和裝置的許多改變和修改是可能的，且都在本發明的範圍內。因此，本發明的範圍不限於這裡描述的實施例，而是只受隨後的權利要求的限制，它的範圍將包括這些權利要求的主題的全部等效物。
權利要求
1.查明井孔中射孔槍的預期爆炸是否成功的方法，所述方法包含如下步驟(a)將地震波傳感器放置在比較接近於井孔中的射孔槍的選定位置；(b)啟動所述射孔槍的爆炸；(c)感知、記錄和分析從所述井孔的位置到地震傳感器位置穿過地球傳播的地震波；以及(d)將所述地震波的分析結果與預先確定的來自所述射孔槍的可能結果進行比較。
2.權利要求1的方法，其中所述地震波受到數學處理以利於對所述地震波的分析。
3.權利要求2的方法，其中所述數字處理包括處理傳感器信號和組合處理過的傳感器信號。
4.權利要求2的方法，其中所述數學處理包括對單個傳感器信號進行時移和組合時移後的傳感器信號。
5.權利要求2的方法，其中所述數學處理包括對單個傳感器信號進行濾波和組合這些濾波後的信號。
6.權利要求2的方法，其中所述數學處理包括噪聲編輯和定標，後跟對單個傳感器信號的組合。
7.權利要求1的方法，其中所述感知所述地震波後跟對單個傳感器信號進行組合的過程。
8.權利要求1的方法，其中選擇所述選定位置以造成對地震波的更有效分析。
9.權利要求8的方法，其中選擇所述優選位置以增大從所述射孔槍到所述傳感器的直達地震波的持續時間。
10.權利要求8的方法，其中選擇所述優選位置以增大從所述射孔槍到所述傳感器的直達地震波與所述以非直達的不同路逕到達的地震波在時間上的分離。
11.權利要求1的方法，其中所述地震波傳感器是地震檢波器。
12.權利要求1的方法，其中所述地震波傳感器是水中檢波器。
13.權利要求1的方法，其中所述地震波傳感器位於或接近於地球表面。
14.權利要求1的方法，其中放置所述地震波傳感器以形成一個或多個一維陣列。
15.權利要求1的方法，其中放置所述地震波傳感器以形成一個或多個二維陣列。
16.權利要求1的方法，其中放置所述地震波傳感器以形成一個或多個三維陣列。
17.權利要求1的方法，其中所述地震波傳感器放在一個井孔內。
18.權利要求1的方法，其中所述分析和所述比較產生對所述射孔槍是否爆炸或未能爆炸的確定結果。
19.權利要求1的方法，其中所述分析和所述比較產生對所述射孔槍部分未引爆的確定結果。
20.權利要求1的方法，其中所述分析和所述比較產生所述射孔槍爆炸延伸範圍的定量估計。
21.權利要求20的方法，其中所述定量估計是通過與模擬的合成地震小波進行比較確定的。
22.權利要求21的方法，其中所述模擬的合成地震小波至少是部分地根據由先前的射孔槍爆炸得到的觀測的地震小波計算出來的。
23.權利要求21的方法，其中所述模擬的合成地震小波不是根據觀測的地震小波計算出來的。
24.權利要求20的方法，其中所述與模擬的合成小波的比較是通過最佳擬合法完成的。
25.權利要求20的方法，其中使用模型間的內插以更準確地定量所述定量的估計。
26.權利要求20的方法，其中所述定量估計是通過分析一個或多個數學反演過程的結果確定的。
27.權利要求26的方法，其中應用一個單一反演過程。
28.權利要求27的方法，其中所述單一反演過程被應用多次，每次假定不同的合成地震小波持續時間。
29.權利要求26的方法，其中順序應用兩個或更多個反演過程。
30.權利要求29的方法，其中給定的反演過程序列被應用多次，每次假定不同的合成地震小波持續時間。
31.權利要求26的方法，其中對反演輸出中殘差能量的分析幫助確定所述射孔槍的所述爆炸延伸範圍。
32.權利要求20的方法，其中所述分析或所述比較包括使用從所述地震波中導出的振幅測量值。
33.權利要求20的方法，其中所述分析或所述比較包括使用從所述地震波中導出的小波形狀信息。
34.獲取垂直地震剖面信息的方法，所述方法包含如下步驟(a)將地震波傳感器放置在比較接近於井孔中的射孔槍的選定位置；(b)使用爆炸控制器啟動所述射孔槍的爆炸；以及(c)使用第二控制器以感知和記錄從所述射孔槍的位置到所述地震傳感器位置穿過地球傳播的地震波。
35.權利要求34的方法，其中爆炸控制器直接與爆炸延伸範圍控制器連結以傳送關於爆炸時間的信息。
36.權利要求34的方法，其中爆炸控制器在爆炸時不直接與第二控制器連結，其中兩個控制器利用獨立的時鐘以允許確定爆炸時間。
37.權利要求34的方法，其中爆炸控制器在爆炸時不直接與第二控制器連結，其中一個或兩個控制器利用外部時間信號以允許確定爆炸時間。
38.適於確定井孔中的射孔槍是否成功爆炸的一種利用地震波的系統，包含一個爆炸控制器提供對所述射孔槍啟動爆炸的裝置，一個或多個地震波傳感器位於比較接近於所述射孔槍的優選位置，一個信號記錄器，一個爆炸延伸範圍系統控制器，以及分析所述地震波並將所述地震波與預定的來自所述射孔槍的可能結果進行比較的裝置。
39.權利要求38的系統，還具有組合單個地震波傳感器信號的裝置。
40.權利要求38的系統，其中與所述地震波對應的信號被輸入到一個處理器，它在數學上處理這些信號以利於與所述射孔槍的預定潛在能力進行比較。
41.權利要求40的系統，其中的數學處理包括組合所述信號。
42.權利要求38的系統，其中所述爆炸控制器和所述射孔槍不與該系統的任何其他部件連結。
43.權利要求38的系統，它還包括選擇所述優選位置的裝置，以增大從所述射孔槍到所述傳感器直達地震波的持續時間。
44.權利要求38的系統，其中還包括選擇所述優選位置的裝置，以增大從所述射孔槍到所述傳感器直達地震波與以非直達的不同路逕到達的地震波在時間上的分離。
45.權利要求38的系統，其中所述地震波傳感器是地震檢波器。
46.權利要求38的系統，其中所述地震波傳感器是水中檢波器。
47.權利要求38的系統，其中所述地震波傳感器位於或接近於地球表面。
48.權利要求38的系統，其中放置所述地震波傳感器以形成一個或多個一維陣列。
49.權利要求38的系統，其中放置所述地震波傳感器以形成一個或多個二維陣列。
50.權利要求38的系統，其中放置所述地震波傳感器以形成一個或多個三維陣列。
51.權利要求38系統，其中所述地震波傳感器放在一個井孔內。
52.權利要求38的系統，其中所述分析和所述比較產生對所述射孔槍是否爆炸或未能爆炸的確定結果。
53.權利要求38的系統，其中所述分析和所述比較產生對所述射孔槍部分未引爆的確定結果。
54.權利要求38的系統，其中所述分析和所述比較產生所述射孔槍爆炸延伸範圍的定量估計。
55.權利要求54的系統，其中所述定量估計是通過與模擬的合成地震小波進行比較確定的。
56.權利要求55的系統，其中所述模擬的合成地震小波至少是部分地根據由先前的射孔槍爆炸得到的觀測的地震小波計算出來的。
57.權利要求55的系統，其中所述模擬的合成地震小波不是根據觀測的地震小波計算出來的。
58.權利要求54的系統，其中所述與模擬的合成地震小波的比較是通過最佳擬合法完成的。
59.權利要求54的系統，其中使用模型間的內插以更準確地定量所述定量估計。
60.權利要求54的系統，其中所述定量估計是通過分析一個或多個數學反演過程的結果確定的。
61.權利要求60的系統，其中應用一個單一反演過程。
62.權利要求61的系統，其中一個單一反演過程被應用多次，每次假定不同的合成地震小波持續時間。
63.權利要求60的系統，其中順序應用兩個或更多個反演過程。
64.權利要求63的系統，其中給定的反演過程序列被應用多次，每次假定不同的合成地震小波持續時間。
65.權利要求60的系統，其中對反演輸出中殘差能量的分析幫助確定所述射孔槍的所述爆炸延伸範圍。
66.權利要求54的系統，其中所述分析或所述比較包括使用從所述地震波中導出的振幅測量值。
67.權利要求54的系統，其中所述分析或所述比較包括使用從所述地震波中導出的小波形狀信息。
68.獲取垂直地震剖面信息的系統，所述系統包括裝置用於(a)將地震波傳感器放置在比較接近於井孔中的射孔槍的選定優選位置；(b)使用爆炸控制器啟動所述射孔槍的爆炸；以及(c)使用第二控制器以感知和記錄從所述射孔槍的位置到所述地震傳感器位置穿過地球傳播的地震波。
69.權利要求68的系統，其中所述爆炸控制器直接與所述第二控制器連結以傳送關於爆炸時間的信息。
70.權利要求68的系統，其中爆炸控制器在爆炸時不直接與第二控制器連結，其中兩個控制器利用獨立的時鐘以允許確定爆炸時間。
71.權利要求68的系統，其中爆炸控制器在爆炸時不直接與第二控制器連結，其中一個或兩個控制器利用外部時間信號以允許確定爆炸時間。
72.權利要求21的方法，其中所述模擬的合成地震小波是使用脈衝密度法計算的，該脈衝密度法考慮預測的地震波走時，還考慮三維地質構造、可變的爆炸速度以及所述射孔槍的射孔彈分布。
73.權利要求26的方法，其中在至少一個所述數學反演過程中使用脈衝密度法，該脈衝密度法考慮預測的地震波走時，還考慮三維地質構造、可變的爆炸速度以及所述射孔槍的射孔彈分布。
74.權利要求55的系統，其中所述模擬的合成地震小波是使用脈衝密度法計算的，該脈衝密度法考慮預測的地震波走時，還考慮三維地質構造、可變的爆炸速度以及所述射孔槍的射孔彈分布。
75.權利要求60的系統，其中在至少一個所述數學反演過程中使用脈衝密度法，該脈衝密度法考慮預測的地震波走時，還考慮三維地質構造、可變的爆炸速度以及所述射孔槍的射孔彈分布。
全文摘要
本發明公開說明了一種確定井下射孔槍爆炸延伸範圍的方法。射孔槍(140)位於井孔(170)中，爆炸是在炸藥射孔彈的基本上為曲線的陣列上一點開始的(890)。來自一系列爆炸的地震波輻射從射孔槍向外傳播，並在離開射孔槍一個距離的地方使用地震接收器檢測到，地震接收器是傳統的設計的單個或組成陣列的換能器。地震接收器(100)可放置於或接近於地球表面和/或一個或多個井孔中。所記錄的地震波被處理和分析，還可通過新的反演過程被分解。組合的結果被進一步分析以確定爆炸延伸範圍，包括射孔槍是否爆炸，如果未引爆或部分未引爆，則確定定量的爆炸延伸範圍。
文檔編號E21B47/00GK1625641SQ03803049
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月30日 優先權日2002年2月1日
發明者傑羅德·L.·哈曼, 威廉·T.·貝爾 申請人:Geo-X系統有限公司