用於在地下巖層中進行地震發射的設備以及實現其的方法
2023-07-15 15:39:16
專利名稱：用於在地下巖層中進行地震發射的設備以及實現其的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在地下巖層中進行地震發射的設備以及實現其的方法。
這種地震發射設備尤其應用在地震工作領域中，其中所探測的地下巖層的地震圖象是由適當的地震接收器拾取的彈性波形成的，底層土響應於由例如機電振子的源所發射的波而不連續地反射這些波。
根據本發明的系統尤其可以用於在發展狀態下的地下儲集層(例如液體儲藏庫或者儲油庫)中長期監控操作，稱為重複的地震勘測，其中比較在有規律的間隔上獲得的底土層的地震圖象，以檢測在那裡出現的變化作為其發展的結果。由於觀測的變化是相當慢的，因此這是一個持久的操作。
本發明的背景技術地下儲集層的地震監測通常是通過與不同組合形式的地下震源和接收器耦合來實現的，這些不同的組合為該源和/或接收器排列在其表面上或者在附近、或者在通過勘探過的巖層的一個或者多個井中。一系列地震發射—接收循環是根據稱為走開技術(walk-away technique)的技術通過每次改變震源相對於裝配了接收器的井的軸的位置、以及通過記錄作為傳播時間t的函數的接收器R1至Rn的到達來實現的。
在大多數情況下，使用的震源為機電振子電動液壓振子、壓電振子等等。例如在專利FR-2791180或者在專利US-5360951中描述了壓電類型的振子。
儲集層的演變的監測通常需要在相隔開間隔(spaced-out interval)上的地震監測操作。實際上，對於每個新的地震記錄，必須重新安裝表面地震測定設備，並且最好再現前一個地震操作的發射的條件。
監測油氣層或者流體儲集層的已知的方法包括利用監測系統，該監測系統包括由利用能夠連接到與地震實驗室連接的連結電纜上的連接裝置分別永久的裝配在淺井中的互連的地震接收器形成的接收天線，以及在該範圍內移動的振子車。
尤其是在地下儲集層的周期監測的範圍內，利用例如振子的可移動源具有缺點。可移動的源在所發射的地震波的時間和空間上不具有足夠的可再現性。難以將源精確地定位在前一個發射—接收周期期間佔據的同一點上，並且在精確定位於同一點的情況下，難以精確地獲得相同的地面耦合係數。
專利FR-2728973(US-5724311)描述了適於地下巖層的永久地震監測的方法和設備。在地下區域中的常規長期監測操作中，地震發射-接收設備永久的裝配在形成地段上，因此每次又會具有穩定的操作條件相同的發射-接收位置、與該巖層耦合的相同的品質等等。該設備包括多個在表面或者埋藏在淺水平上的固定位置處的震源(例如機電振子)，這些震源通過中央控制和記錄站供給或者觸發。震源和連接網絡能夠埋藏或者永久裝配在表面上，並且震源和連接網絡與至少一組接收器連接，該組接收器在表面上與大地永久耦合或者與穿過地下區域的至少一個井的壁耦合。所有的這些永久裝配的與周圍的巖層耦合的源保持穩定，並且至少部分埋藏的這個供應網絡允許在穩定的操作條件下，在不會與形成地段發生不相容的危險的條件下實現一系列的地震監測操作，其中限制這個供應網絡的表面覆蓋區域。
專利FR-2728973(US-5724311)描述了適用於通過一個或者多個地震發射-接收組的方式進行地下巖層的永久監測的另外一個地震設備，其每一個包括例如振子的源，以及接收天線，其由多個下放在井中並且與巖層耦合的例如地震檢波器和/或水聽器的彈性波接收器組成。能夠將該震源設置在固定到地面上的混凝土塊上的表面。最好固定到在接近井或者通過加寬在上面部分中的井的部分形成的空腔中的厚平板層砂巖上以減少與底面的測定比重的變量相關聯的幹擾。該接收器和源連接到外部信號採集以及控制站。允許這些設備的設置的操作是相對簡單的並且在多種井中的地面覆蓋區域被減小，這樣便於在它們儲集層形成地段中的集中。
通過利用這些永久裝配的源很容易在儲集層形成地段或者流體存儲地段中集中，並且其與周圍巖層的耦合品質是已知的並且是穩定的，一系列地震監測操作能夠在相似的操作條件下實現。可以有利地比較地震道組，並且它們的差異反映出在巖層中產生的變化。
前面所述的振子通過有限的表面與巖層耦合，這具有顯著的缺點。事實上，輻射圖促進了表面波以及S類型波的形成，其沿水平傳播，幹擾記錄並且使其處理複雜化。此外，它們的壓縮波產生是相對低的並且由於它們的埋藏深度相對小，風化帶的石彈性(petroelastic)特性的變化會因為氣候條件不能被這些波完全地忽略。
發明概述根據本發明的設備適於在地下巖層中發射波。其包括一個或者更多個振子，每個振子包括兩個厚平板，至少一個運動元件，其適於產生振動並且適於使其與厚平板通訊，以及用於將周期控制信號應用到該運動元件上的發生器。其特徵在於該或者每個振子位於井或者空腔中並且埋入至少一個提供其與地下巖層耦合的固體材料中，這個材料與在其相對應的面的每一個的至少一部分的上部的兩個厚平板相接觸。
每個振子能夠包括與至少一個厚平板相關聯的緊固杆，以增加振子與耦合材料塊的耦合。
根據一個實施例，每個厚平板包括彼此間距的設置並且通過緊固杆連接的至少兩個板。
優選的，每個板的外表面以及緊固杆的外表面提供不均勻的起伏(槽型表面)以增加該設備與耦合材料耦合的面積。
能夠對該槽穿孔以便於在兩個板之間包含的空間內耦合材料的透過。
例如，可以使用單面塗料，以至少在振子的相對端配置提供與巖層的耦合。使用至少兩種不同的塗料是可能的，第一材料在其相對的端面上分布在兩個分離的塊上以提供振子與巖層的耦合，並且第二材料插入在兩個塊之間。
由於其厚平板與耦合材料密切接觸，振子的效率有所改進並且S波的發射被兩個板相對方向上的運動大大地衰減。
根據最優實施例，該設備包括幾個與信號發生器連接的振子，這些振子以彼此相關的間隔沿著井設置並且所有的振子都埋藏在耦合材料中。控制箱能夠插入到振子和信號發生器之間，這樣就能允許它們連續地被觸發，以獲得主要根據預定模式定向的發射。
為了允許振子的順序觸發，該設備包括例如在確定深度上與井周圍的巖層耦合的地震接收器，該地震接收器與適于振子的順序控制的採集和處理單元相連接。
其還可以包括與多個振子(例如它們緊固到固定到緊固杆上的支架上)相關聯並與採集和處理單元相連接的地震接收器，採集和處理單元適於確定在不同振子的位置之間的波的傳播時間，並順序控制它們。
運動元件能夠為任何類型機電、電磁、液壓等等的類型。根據最優實施例，每個振子包括塗有保護套的靈敏元件柱，耦合材料與保護套接觸並且與在每個其相應表面的至少一部分上部的兩個端厚平板相接觸。在套和靈敏元件之間的空間能夠由例如油的流體填充。
根據本發明的方法能夠根據定向發射模式在地下巖層中產生振動信號。其包括—在相同的井中裝配幾個振子，這些振子中的每個包括兩個厚平板、適於產生振動並且將振動傳遞給板的至少一個運動元件，以及將周期控制信號應用到運動元件的發生器，將每個振子設置在井或者空腔中並且埋入到至少一個固體材料中，該固體材料提供其與地下巖層的耦合，這個材料與位於其上的相應的每個面的至少一部分上部的兩端面厚平板相接觸，以及—通過控制箱的方式利用在相應的觸發時間之間的時延順序控制多個振子，觸發時間依賴於在振子的位置之間的間隔以及在井周圍的巖層中的波的傳播速度。
振子的順序控制包括例如在固定頻率f上應用振子控制信號，固定頻率的相位Φi通過關係式ΦI＝2π.f.ti與頻率f相關並且與時延相關。
也可以通過在其上應用不同的固定頻率的控制信號，以將其分離，從而順序地控制振子。
根據一個實施例，該方法包括與振動接收器周圍的巖層耦合併且優先確認分別在每個振子和所述的接收器之間的波的傳播時間。
根據另一個實施例，該方法包括增加與信號採集和處理單元連接的振子接收器並且利用在各個觸發時間之間的時延順序觸發多個振子，觸發時間是通過關聯由多個接收器產生的信號藉由所述的單元計算出的。
附圖的簡要說明通過下面的參考附圖，以非限定性示例的方式給出的實施例的描述能夠清楚的了解根據本發明的設備和方法的其他特徵和優點，其中—
圖1用圖解法顯示了埋藏在例如水泥或者類似材料的耦合材料中的振子，—圖1a顯示了具有分布在其外圍上的緊固杆的每個振子的端面板，—圖2a用圖解法顯示了每個振子的耦合模式，其中端面厚平板通過單面耦合材料分別與周圍的巖層耦合，—圖2b和2c分別顯示了在每個厚平板的水平面上提供在井中的空腔以及允許產生每個空腔的特定模式，—圖3用圖解法顯示了埋藏在井的不同深度上的幾個振子的布局，其中這幾個振子與表面控制系統連接，並且在考慮在井周圍的巖層中的波的真實速度的情況下允許利用時延順序控制振子，—圖4用圖解法顯示了具有相關聯的地震檢波器的振子，其允許順序控制井中的振子的另外一個模式，以及—圖5用圖解法顯示了該設備的一個實施例，其中每個厚平板包括彼此平行排列的兩個板。
詳細描述根據本發明的該設備包括至少一個(並且最優的是更多個)振子V。該振子可以為機電的、電磁的、液壓的等等任何類型。
在下面的描述中，我們將通過示例的方式說明振子的情況，振子包括至少一個靈敏元件(壓電的或者磁力控制的)的柱1，該柱僅僅在其上的相對端的每一端上與厚平板2、3相關聯。靈敏元件的柱位於相對於厚平板2、3居中，並且用可變形膜4將其覆蓋。連接電纜5將柱1連接到控制信號發生器6。
振子V設置在空腔或者井W中，並且例如將水泥或者混凝土的耦合材料7例如注入該井，從而在其總長度上與柱1緊密接觸，並且也與每個厚平板2、3的相對表面緊密接觸。為了允許耦合材料7均勻的分布在厚平板之間的空間內，厚平板的後面一個可提供穿孔8。厚平板2、3的直徑必須充分符合空腔或者井W的直徑以獲得最大耦合表面面積。
為了進一步改進耦合併且為了在耦合材料7的大體積中分布壓力，適當長度的緊固杆9能夠固定到厚平板2、3的外圍。
根據圖5的實施例，如在圖中所示，每個厚平板2、3包括至少兩個彼此平行設置並且通過緊固杆9連接的板2a、2b。為了改進與耦合材料7的耦合，每個板2a、2b和耦合棒9的外表面最好具有不均勻的起伏，諸如凹槽。如圖所示，可以將諸如油的液體L填充在可變形的管狀膜4以及靈敏元件的柱1之間的空間。
用於耦合的水泥必須在不發生收縮的條件下乾燥，以確保良好的耦合。
不是將振子全部埋藏在耦合材料的單體積7中，而是如在圖2a中所描述的，也可以通過該材料的兩個體積7a、7b單獨地將每個厚平板與周圍巖層分別耦合。為了相對彼此隔離體積7a、7b，將另外一種材料10灌注入它們之間。一旦弄溼就具有膨脹特性的斑脫土或者類似的材料能夠用於填充中間的空間。例如當耦合材料的機械特性與周圍巖層的那些不同的時候，這個解決方案是有益的。
如圖2b所示，如果在該井壁上的每個厚平板的水平面上設置有空腔11，那麼根據變化，振子與巖層的耦合能夠得到改善。為了產生這種室，例如可以使用適合的鑽具或者爆炸物。一種解決方案為例如(圖2c)在振子埋藏的布置點上將鑽具或者爆炸物向下放入該井，杆12攜帶導火索的線圈13，這兩個線圈有效的分離開，並且被引爆。
根據圖3的實施例，該設備包括類似於圖1或者5的振子沿著井W間隔排列的幾個振子V1、V2、...、Vn。該振子也被埋藏在一個或者更多個耦合材料7、10中(圖1或者圖2a)。
利用這種布局，通過控制箱14，並利用所選擇的時延順序致動振子，將多個振子V1至Vn連接到發生器6可以獲得方向性效果。
適當向下發射的振動信號因此被放大，導致在其他方向上傳播的那些的損害。巖層表面的第一多次反射的幅度因此顯著的減小了，該幅度的不穩定性對信號的可重複性有損害。
該觸發時間例如通過下面的方式確定。
將地震接收器R(水聽器、地震檢波器或者優選的是這兩個拾音器的組合)設置成基本上與容納振子的井垂直或者在充分小的水平距離上，以使在每個振子和這個接收器R之間的傳播時間基本上不會不同於垂直傳播時間。將該接收器定位在容納振子的井中，並且其與例如設置在表面中的採集和處理單元15相連接。如果幾個接收器沿著在振子下面的井定位，例如將選擇最深的一個。也可以使用在表面設置的接收器。首先測量每個振子Vi和這個接收器R之間的波的傳播時間 將被應用到不同振子Vi上的時延ti(i＝1至n)具體可以通過關係式 從這些傳播時間中導出，其中K為恆量，並且根據接收器R不是配置在振子組的上部就是配置在其下部，因此ε為+1或者-1。單元15通過控制箱14的方式控制這些時延應用到振子上。
如在本申請人所申請的專利申請FR-0001792中描述的那樣，在振子發射每個單頻率的應用中，時延通過關係式ΦI＝2πfti以與在先時間相關的頻率相移形式顯示出來。
根據圖4的實施例，通過與每一個例如地震檢波器G1的地震接收器相關聯，在井中放置的振子的控制順序觸發是可能的。每個地震檢波器例如緊固到裝配在兩個緊固杆9之間的支架16上。該地震檢波器分別與在井外部的採集和處理單元15相連接。為了相對於該序列中的第一個實時調整任何振子Vi的觸發延遲，在時域或者在頻域，在它們之間的波的有效傳播時間可以通過任何測量信號之間的延遲的方法測量出來，顯著的通過在地震檢波器產生的信號之間的進行交叉相關測量，並且振子Vi的觸發考慮了該有效傳播時間。可以通過交叉相關來進行這個時延測量。將由處理單元15計算的時延傳遞給控制箱14，控制箱相應地相對於第一個延遲各個振子。
已經說明了包括單個中心柱1的振子。然而，在不脫離本發明的精神的條件下，壓電靈敏元件的多個柱可以插入到兩個厚平板2、3之間。
權利要求
1.一種用於在地下巖層中發射波的設備，其包括至少一個振子，其包括兩個厚平板(2，3)；至少一個運動元件(1)，其適於產生振動並且適於將振動傳遞給厚平板；以及發生器(6)，其用於將周期控制信號施加到該運動元件上，其特徵在於該振子位於井或者空腔(W)中並且埋藏在提供使地下巖層與其耦合的至少一個固體材料(7，10)中，這個材料在兩個端面板的相應面的每一個上的至少一個部分上部與兩個端面板(2，3)相接觸。
2.如權利要求1中的設備，其特徵在於其包括緊固杆(9)，該緊固杆與至少一個厚平板(2，3)相關聯以增加振子與耦合材料的塊(7，10)的耦合。
3.如在權利要求1中的設備，其特徵在於每個厚平板包括彼此間隔排列並且通過緊固杆(9)連接的至少兩個板(2a，2b)。
4.如在權利要求2或者3中的設備，其特徵在於每個厚平板的外表面提供有例如凹槽的非均勻起伏，以增加該設備與耦合材料(7，10)之間的耦合面積。
5.如權利要求2至4中任何一個的設備，其特徵在於緊固杆提供有非均勻起伏，以增加該設備與耦合材料(7，10)之間的耦合面積。
6.如在權利要求1或者2中的設備，其特徵在於將該厚平板(2，3)穿孔以便於在兩個端面板(2，3)之間容納的空間中的耦合材料的滲入。
7.如前面任何一項權利要求的設備，其特徵在於其包括至少在其相反端面上，分布單面固體耦合材料，因此來提供振子與巖層之間的耦合。
8.如在權利要求7中的設備，其特徵在於包括至少兩個耦合材料，第一材料(7a，7b)在其相對的端面上分布在兩個分離的塊上以提供振子與巖層的耦合，並且第二材料(10)插入在兩個塊之間。
9.如前面任何一項權利要求的設備，其特徵在於其包括幾個與信號發生器(6)相連接的振子(V1，…，Vn)，這些振子沿著井(W)彼此間隔的排列並且都埋藏在至少一個耦合材料(7，10)之內。
10.如在權利要求9中的設備，其特徵在於其包括插入在振子(V1，…，Vn)和信號發生器(6)之間的控制箱(14)以允許它們連續地被觸發。
11.如在權利要求9或者10中的設備，其特徵在於其包括在確定深度上與該井周圍的巖層耦合的地震接收器(R)，並且該地震接收器與適於順序控制振子的採集和處理單元(15)連接以獲得主要根據預定模式的定向發射。
12.如在權利要求9或者10中的設備，其特徵在於其包括地震接收器(G1)，其與多個振子(V1)相關聯並且與適於確定在不同振子的位置之間的波的傳播時間以及適於順序控制它們的採集和處理單元(15)相連接以獲得主要根據預定模式的定向發射。
13.如在權利要求2和12中的設備，其特徵在於接收器(G1)緊固到固定到緊固杆(9)上的支架(16)上。
14.如前面任何一項權利要求的設備，其特徵在於每個振子包括塗上保護套(4)的靈敏元件的柱(1)，所述的耦合材料與保護套(4)相接觸並且與在其的每個相應的表面上的至少一部分上部的兩個厚平板(2，3)相接觸。
15.如權利要求14的設備，其特徵在於在套和靈敏元件的柱之間的空間由例如油的流體填充。
16.如權利要求14的設備，其特徵在於柱(1)由壓電或者磁力控制的靈敏元件組成。
17.如在權利要求1至13中的任何一項的設備，其特徵在於每個運動元件為機電的、電磁的或者液壓類型。
18.一種根據定向發射模式在地下巖層中產生振動信號的方法，其特徵在於其包括—在同一個井(W)中裝配幾個振子(V1，…，Vn)，每一振子包括兩個厚平板(2，3)；至少一個運動元件(1)，其適於產生振動和將它們與板連接；以及發生器(6)，其用於將周期控制信號施加到運動元件，每個振子定位在井或者空腔(W)中，並且埋藏在與地下巖層相耦合的至少一個固體材料(7，10)中，該材料在其相應表面的每個的至少一部分的上部與兩個厚平板(2，3)接觸，以及—利用在各個觸發時間之間的時延，通過控制箱(10)順序地控制各個振子(V1，…，Vn)以獲得定向的發射，該觸發時間依賴於在振子的位置之間的間隔和在井周圍的巖層中的波傳播的速度。
19.如權利要求18的方法，其特徵在于振子的順序控制包括在固定頻率f上應用振子控制信號，固定頻率的相位Фi通過關係式Фi＝2π.f.ti與所述頻率f相關並且與所述時延相關。
20.如權利要求18的方法，其特徵在于振子的順序控制包括應用不同固定頻率的各種振子控制信號，以能夠將其分離。
21.如權利要求18至20中的任何一項的方法，其特徵在於其包括與地震接收器(R)周圍的巖層耦合，並且在分別確定每個振子和所述的接收器(R)之間的波的傳播時間之前。
22.如在權利要求18至20中的任何一項的方法，其特徵在於其包括增加與信號採集和處理單元(15)連接的振子接收器(R，G1)，並且利用在各個觸發時間之間的時延順序觸發多個振子，觸發時間是由所述單元(15)通過計算由多個接收器所產生的信號之間的時延而計算出的。
全文摘要
本發明涉及一種用於在地下巖層中進行地震發射的設備，該設備包括一個或者更多個任何類型的振子，以及一種實現其的方法。根據最優實施例，每個振子包括在兩個端面板或者厚平板(2，3)之間的至少一個靈敏元件(例如為壓電類型的)的柱(1)，以及用於將振動信號應用到該柱上的信號發生器。該柱(1)塗上保護套(4)並且該振子位於井或者空腔(W)中，並且埋藏在固體耦合材料(7)的塊中，該固體耦合材料與保護套(4)以及在其相應的面的每一個的至少一個部分上部的兩個端面厚平板(2，3)接觸，其提供該振子與周圍巖層的耦合。幾個這種振子能夠彼此間隔的埋藏在井中。利用所選擇的延遲，振子的順序觸發允許迫使該設備發射的波在優選的方向上發射。應用例如在地下儲集層形成期間的反覆地震監測。
文檔編號G01V1/02GK1685248SQ03822532
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月24日 優先權日2002年9月26日
發明者P·梅尼耶, F·於蓋, J·默尼耶 申請人:法國石油研究所, 地球物理學協會