具有井下地震波形壓縮的方法和裝置制造方法
【專利摘要】一種示意性隨鉆地震系統(tǒng)包括：鉆柱，具有能夠用于在鉆井過程的暫停期間，例如在延長鉆柱的長度時，檢測地震信號的至少一個地震傳感器。嵌入式處理器數(shù)字化來自所述地震傳感器的信號以獲得數(shù)字波形，并且處理所述數(shù)字波形以推導出用于存儲或傳輸?shù)慕?jīng)壓縮的波形表示。通過根據(jù)一個或多個質(zhì)量限制來適應性地降低采樣率和量化分辨率而提供壓縮，所述質(zhì)量限制包括例如初至波時間中的誤差、初至波符號中的誤差、均方誤差和比特數(shù)?？梢砸孕∮?00比特來實現(xiàn)對所接收的聲波波形的相當優(yōu)良的表示。
【專利說明】具有井下地震波形壓縮的方法和裝置
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年10月5日提交的，名稱為“Methods and Apparatus HavingBorehole Seismic Waveform Compression (具有井下地震波形壓縮的方法和裝置)”，申請?zhí)枮?1/543，616的美國臨時專利申請的優(yōu)先權。該申請通過引用合并于此。
【技術領域】【背景技術】
[0003]隨鉆測井/測量的當前發(fā)展已使得能夠開發(fā)新的地震工具，其在鉆井過程中實時獲取和傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)而不破壞鉆機作業(yè)。這種隨鉆地震(SWD)技術可顯著(有利地)影響勘探和開發(fā)鉆井的成本，尤其在深水環(huán)境中和具有明顯的地震不確定性的其它地帶中。SWD的主要應用是在地震剖面中適當定位井，使得鉆井者能夠?qū)⒕蚰繕艘龑?。SWD還可以幫助鉆井者進行其它鉆井決策，包括:設定、取芯和套管點；鉆井風險規(guī)避；以及過壓區(qū)識別。
[0004]在SWD中，通過將巖層對在相對于一個或多個麥克風(例如水聽器和/或地震檢波器)的遠端點處的聲源的信號響應進行數(shù)字化來捕獲時域波形。地表處的處理器處理地震時域數(shù)據(jù)，并把它轉(zhuǎn)換成空間域表示。為了做到這一點，這些處理器采用通常是從地震數(shù)據(jù)本身估計的速度模型。然而，與這些估計相關聯(lián)的誤差可能相當大，尤其在井信息稀缺或不存在的勘探地帶。這樣的誤差可能會導致在空間中錯誤地放置反射器(并且因此導致錯誤地放置目標)。為了正確地放置正在鉆設的井，需要地震相對時間剖面或地震相對深度剖面。這些都可以經(jīng)由SWD來實現(xiàn)。
[0005]隨鉆地震可以大約以至少三種不同的方式來完成:1)使用井下源(活動源或鉆頭)和地表接收器；2)使用地表上的活動地震源和井下一個或多個接收器；3)同時使用井下源和井下接收器。早期的商業(yè)SWD服務采用第一種方法。然而，隨著PDC鉆頭的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)在許多情況下鉆頭信號太弱而無法作為有用的地震源。
[0006]后兩種選擇采用井下接收器。常規(guī)鉆井系統(tǒng)采用眾所周知的低數(shù)據(jù)傳輸速率的泥漿脈沖遙測系統(tǒng)來將井下測量值通信到地表。這種系統(tǒng)的帶寬限制使其無法將收集到的所有波形通信到地表以供處理、可視化和解釋。我們認為之前并未充分地試圖解決這一問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]因此，在附圖和下面的描述中公開采用井下地震波形壓縮的具體裝置和方法實施例以至少部分地解決這一問題。在附圖中:
[0008]圖1a示出由鉆頭產(chǎn)生聲波波形的示意性SWD設置。
[0009]圖1b示出由空氣槍產(chǎn)生聲波波形的示意性SWD設置。
[0010]圖1c示出示意性的時鐘同步技術。[0011]圖2示出在不同的深度處捕獲的原始的、未經(jīng)濾波的SWD波形的示意性圖。
[0012]圖3示出示意性的8英寸隨鉆地震工具。
[0013]圖4示出從5次空氣槍校驗炮(check-shot)接收到的并經(jīng)過帶通濾波的示意性
重疊聲波波形。
[0014]圖5示出用以消除OHz偏移和IOOHz以上的頻率的示意性凱撒(Kaiser)帶通濾波器。
[0015]圖6比較初始信號和濾波后的信號的示意性頻譜成分。
[0016]圖7示出對應于空氣槍校驗炮的示意性的各個接收波形。
[0017]圖8比較在2035Hz的初始采樣處的示意性的“疊加”波形與各個經(jīng)濾波的校驗炮。
[0018]圖9a和圖9b比較不同壓縮比的第一示意性疊加和重構(gòu)波形。
[0019]圖1Oa和圖1Ob比較不同壓縮比的第二示意性疊加和重構(gòu)波形。
[0020]圖1la和圖1lb比較不同壓縮比的第三示意性疊加和重構(gòu)波形。
[0021]圖12是提供井下地震波形壓縮的示意性編碼器的框圖。
[0022]然而，應當理解的是，在附圖和其詳細描述中給出的具體實施例不限制本公開內(nèi)容，相反，它們?yōu)槠胀夹g人員提供基礎以辨別由所附權利要求書的范圍涵蓋的所給實施例的替代形式、等同方案和變型。
【具體實施方式】
[0023]圖1示出示意性的隨鉆地震(SWD)環(huán)境。鉆井平臺2配備有井架4，井架4支撐用于升高和降低鉆柱8的升降機6。升降機6懸吊適于通過井口 12旋轉(zhuǎn)鉆柱8并降低鉆柱的頂驅(qū)10。連接到鉆柱8下端的是鉆頭14。在鉆頭14旋轉(zhuǎn)時，鉆頭14產(chǎn)生穿透各種地層18的鉆孔16。泵20將鉆井液通過供給管22循環(huán)到頂驅(qū)10，穿過鉆柱8的內(nèi)部向下，通過鉆頭14的孔，經(jīng)由圍繞鉆柱8的環(huán)形區(qū)回到地表，并進入存留坑24。鉆井液將來自鉆孔的鉆屑輸送到坑24中并有助于保持鉆孔16的完整性。
[0024]測井工具套件26集成到鉆頭14附近的井底鉆具組合(bottom-hole assembly)中。當鉆頭14延伸穿過地層時，測井工具26收集與各地層特性相關的測量值以及工具定向和各種其它鉆井情況。在鉆井過程暫停時(例如，當通過附加管子的附加長度來延長鉆柱8時)，工具套件26收集地震測量值。由于在此延長過程中泵20通常停止，所以這些暫停期間井下環(huán)境通常很安靜。井底鉆具組合可以被配置為自動檢測這樣的暫停，并啟動可編程的時間窗口以記錄任何接收到的地震波形。
[0025]例如地表振動器或空氣槍的地震源40以預定的時間間隔被觸發(fā)，從而產(chǎn)生一“炮”，即作為地震S波和/或P波42傳播到地下的突然爆發(fā)出的地震能量。這種波經(jīng)過部分透射、反射、折射，并在諸如由地層界面、流體界面和斷層導致的聲阻抗改變處進行波形變換。工具套件26包括地震傳感器，以檢測到達井底鉆具組合的改變的地震波。當在地表發(fā)射每一炮時，將數(shù)據(jù)記錄在井下存儲器中。工具套件26 (以及其它系統(tǒng)組件)具有高精度的時鐘，以確保所記錄的測量值的時間可以同步到炮的時間。一種可行的同步方法是在插入鉆孔之前將井底鉆具組合時鐘同步到全球定位系統(tǒng)(GPS)中的時鐘信息。
[0026]工具套件26可采取一個或多個鉆鋌的形式，即提供重量和剛度有助于鉆井過程的厚壁管件。工具套件26還包括導航傳感器封裝，該導航傳感器封裝具有用于確定井底鉆具組合(BHA)的傾斜角、水平角和旋轉(zhuǎn)角(又名“工具面角”)的方向傳感器。如本領域中所通常定義的，傾斜角是相對豎直向下的偏角，水平角是在水平面中相對正北的角度，而工具面角是相對井筒(wellbore)的高邊的定向(圍繞工具軸線旋轉(zhuǎn))角度。根據(jù)已知的技術，方向測量可以進行如下:三軸加速度計相對于工具軸線和被稱為“工具面劃線(scribe line)”的工具的周面上的點來測量地球重力場矢量。(工具面劃線為通常描繪在工具表面上作為平行于工具軸線的線。)通過該測量，可確定BHA的傾斜角和工具面角。此外，三軸磁力計以類似的方式測量地球磁場矢量。由合并的磁力計和加速度計數(shù)據(jù)，可確定BHA的水平角。慣性傳感器和陀螺儀傳感器也適于和有助于跟蹤地震傳感器的位置和定向。
[0027]包括泥漿脈沖遙測子構(gòu)件28以將測量數(shù)據(jù)傳送到地表接收器30并從地表接收命令。遙測子構(gòu)件28通過調(diào)制鉆井液流以產(chǎn)生沿井底鉆具組合與地表之間的液柱傳播的壓力脈沖來工作。(泥漿脈沖遙測通常要求鉆井液的流動，因此，在泵停止時無法進行。)
[0028](多個)泥漿脈沖遙測接收器30耦接到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)將接收到的信號數(shù)字化并經(jīng)由有線或無線鏈路60將其通信到地表計算機系統(tǒng)66。鏈路60還可以支持從計算機系統(tǒng)66傳輸命令和配置信息給井底鉆具組合。地表計算機系統(tǒng)66由軟件配置(如圖1所示以可移動存儲介質(zhì)72的形式)以監(jiān)測和控制井下儀器26、28。系統(tǒng)66包括顯示設備68和用戶輸入設備70，以使操作人員能夠與系統(tǒng)控制軟件72進行交互。
[0029]于是，SffD系統(tǒng)可大致劃分為兩個部分:以同步方式工作的地表系統(tǒng)和井下系統(tǒng)。地表系統(tǒng)可以包括聲源40和通常執(zhí)行微指令以控制聲源的致動的至少單個處理單元66。其它實施例可包括專門的硬件來控制聲源40的致動。通常，聲源40可以是能在預定時間間隔內(nèi)發(fā)射/振動的空氣槍或地震振動器(例如，可控震源)。它們工作以激發(fā)經(jīng)由巖層傳播到井下系統(tǒng)的聲信號。除了巖層，對于海上作業(yè)，聲信號可經(jīng)由水傳播。
[0030]如上所述，井下SWD組件可以是分別用于提供隨鉆測井(LWD)/隨鉆測量(MWD)月艮務的LWD或MWD子系統(tǒng)的一部分。本文的教導還可以應用于電纜服務，其中井下組件是電纜測井探測儀的一部分。提供SWD服務的示意性隨鉆測井(LWD)井下系統(tǒng)可以包括至少一個嵌入式處理系統(tǒng)，其能夠以地表系統(tǒng)也使用的預定的時間間隔同步工作，從周圍的巖層接收聲信號的至少一個復制信號，數(shù)字化和存儲接收到的聲信號，并且將至少一些接收到的聲信號壓縮和轉(zhuǎn)換到地表系統(tǒng)。在典型的實施例中，在進入鉆孔之前，地表系統(tǒng)可以在地表經(jīng)由通信鏈路(綁定(tether)或其它方式)下載或配置井下子系統(tǒng)內(nèi)的預定時間間隔。
[0031]在預定時間間隔內(nèi)獲取的數(shù)字化的聲信號被壓縮。接收到的波形的數(shù)字波形壓縮可以用于LWD或MWD服務，供存儲和傳輸任一和/或兩者。對于存儲而言，波形壓縮的效用在于能夠增加給定的有限閃存或其它非易失性存儲器的存儲密度。因此，相對于無壓縮的對比LWD井下裝置，數(shù)字波形壓縮使得記錄的更多波形可以具有額外的準確性或更長的運行時間。對于傳輸而言，除了可以提高存儲密度外，波形壓縮的效用集中于增加在傳輸?shù)降乇硐到y(tǒng)時通過通信信道的數(shù)字波形的吞吐量。因此，壓縮可以使得能夠以有效的數(shù)據(jù)傳輸速率及時傳輸數(shù)字化的接收到的波形，這使得能夠?qū)崿F(xiàn)實時SWD服務，并不對其它MWD服務產(chǎn)生負面影響。對于電纜系統(tǒng)而言，壓縮的好處類似于L/MWD，可以有額外的波形采樣密度，即每縱尺更多的波形。
[0032]作為預定時間間隔的替代方法，炮(和記錄間隔)可以為事件驅(qū)動。例如，它們可以通過來自地表計算機系統(tǒng)66的命令致動，其可經(jīng)由泥漿脈沖遙測下行鏈路或經(jīng)由循環(huán)泵在開和關狀態(tài)之間的循環(huán)來通信。作為另一示例，上述時間可以設定為泵周期的一部分。泵周期是地表泥漿泵在關和開狀態(tài)之間變換，例如“開到關到開”是一個完整的周期。
[0033]檢測這些事件的能力可以存在于L/MWD子系統(tǒng)的其它地方，并且通過工具間通信系統(tǒng)，井下SWD組件接收指示事件發(fā)生的消息或響應于事件動作的命令。在這些實施例中，井下裝置監(jiān)聽/監(jiān)視(接收)用于跟蹤來自周圍巖層的聲學反射，即“回聲”。接收到的至少一個數(shù)字化的聲信號的數(shù)字波形壓縮便于存儲和/或傳輸?shù)哪康摹?br> [0034]源40不必在地表上，并且在一些預期的實施例中，源40被包括為鉆柱的一部分。例如，井下地震子系統(tǒng)還可以包括壓電換能器，如在哈里伯頓聲學測徑儀(Halliburton’ sAcoustic Caliper)和/或SONIC/BAT井下工具中找到的。井下源的觸發(fā)對應于記錄間隔的時間，例如以事件驅(qū)動方式或以在井下系統(tǒng)進入鉆孔之前由地表系統(tǒng)配置的預定時間間隔。
[0035]下面的參考文獻提供可能有助于理解本文的SWD構(gòu)思的額外的細節(jié)。這些文獻通過引用合并于此:
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[0042]接收到的聲波波形包含用于鉆井目的的有用信息。當在地表可得到時，接收到的聲波波形可以相對時間和深度繪制以構(gòu)建地震圖像(參見，例如圖2)。因而將從接收這些波形(位于鉆孔內(nèi)深處)的井下工具接收到的聲波波形通信到地表計算機系統(tǒng)成為挑戰(zhàn)。理想情況下，將完整的波形發(fā)送到井上用于實時處理、可視化和解釋(圖2)，但這樣是不可行的。事實上，在許多情況下，甚至只是在工具的存儲器中存儲所有的記錄波形都是不可行的。因此，在本文中公開了數(shù)字壓縮技術，以有利于將足夠數(shù)量的波形通信到地表用于幾乎實時的分析并進一步有利于在給定容量的存儲器中存儲大量波形。所公開的壓縮技術不僅適用于泥漿脈沖遙測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲，而且還用于其它遙測系統(tǒng)(包括，例如電磁遙測、聲學遙測和電纜遙測)。
[0043]一個示意性的8英寸SWD工具以下面的格式捕獲聲波波形數(shù)據(jù):對八個聲波接收換能器(四個水聽器和四個地震檢波器)中的每一個，以2035次采樣/秒的采樣頻率采樣至少2分鐘，且32比特/采樣。因此，在沒有額外的信號處理和壓縮以減少總比特數(shù)的情況下，總的數(shù)字化的接收到的一組波形共計為8個信號X32比特/采樣X2035采樣/秒X 120秒=62，515，200比特，即7，814，400字節(jié)。即使給定每秒15比特信息的理想泥漿脈沖遙測速率，傳輸?shù)目倳r間為48.23天。即使一個換能器0.5秒將包括32X2035X0.5=32，560比特，并將以15比特/秒的速率花費?36分鐘來傳輸，鉆井作業(yè)的禁止的時間間隔依賴于MWD信息而非SWD波形。
[0044]更典型的泥漿脈沖遙測速率為?3比特/秒，使傳輸單個0.5秒的波形的時間達到?3小時。對于依賴于泥漿脈沖遙測的更易于管理的SWD系統(tǒng)而言，我們認為單個經(jīng)處理的數(shù)字化的接收到的波形應該被壓縮到不超過約?190比特。本文公開的方法可以做到這一點，對于3比特/秒的遙測速率使傳輸時間達到I分鐘的量級。在每個特定高度(管道的3段或?90英尺)處，為SWD波形遙測花費I分鐘是完全可以接受的，不會不利影響依賴于泥漿脈沖遙測的其它鉆井作業(yè)。甚至當限制為每個波形不到200比特時，我們?nèi)钥梢蕴峁┳銐蛸|(zhì)量的SWD波形，以在當前鉆井運轉(zhuǎn)期間為鉆井提供有用的信息，而無需從鉆孔中取出用于進行工具讀取。
[0045]所公開的SWD技術的實現(xiàn)的一個合適的目標是實時產(chǎn)生“垂直地震剖面(VSPYIte探，其及時將完整的地震波形經(jīng)由泥漿脈沖遙測發(fā)送到地表。在此情況下，一個“完整”的波形是比如初至波時間(first break arrival time)附近的512毫秒窗口中的時域波形。一系列這樣的波形使得能夠連續(xù)更新地震速度剖面，以有利于在地震時間/位置中適當定位井。帶有完整地震波形的實時VSP分析還有助于識別/解釋地震束(seismic tie)的反射和走廊疊加(corridor stack)以及預測應用，并節(jié)省為相同目的在其它情況下可能花費在有線VSP勘探上的額外的時間和金錢。
[0046]所公開的方法和裝置可自適應地調(diào)整接收到的聲波波形的濾波、采樣和量化，具有使用地震分析師所依賴的多個感測參數(shù)來解釋垂直地震剖面的質(zhì)量尺度。所得到的數(shù)據(jù)壓縮有利于多個數(shù)字化的接收到的地震波形的存儲和/或傳輸，這一地震波形保留了對于地震測井分析師記錄和/或?qū)崟r應用而言重要的特征。在地表和井下的許多實施例允許用戶定義/定制可以以加權線性方式和/或非線性通道方式使用的加權參數(shù)(即，如果爆炸開始時間(break time)小于某閾值，則相對另一閾值檢查加權感測參數(shù)，例如符號、振幅、均方誤差)。
[0047]圖3示出對接收到的數(shù)字波形的示意性的壓縮處理。工具的高精確度的時鐘302例如，在將工具布置到井下之前借助于GPS參考時鐘，被同步到地表系統(tǒng)的時鐘。(其它同步技術是已知的并且可以采用。)井下工具至少部分基于時鐘302來確定記錄時間間隔和采樣時間。用于數(shù)據(jù)存儲和/或通信到地表的工具模塊304用來自時鐘302的時間讀數(shù)來標記測量值。
[0048]在記錄窗口期間，一個或多個A/D轉(zhuǎn)換器306開始從一個或多個地震傳感器308采樣信號。帶通濾波器310分離出感興趣的頻率范圍，篩去高頻率噪聲，并且潛在地阻斷任何DC分量。炮曲線檢測器312檢測并分離出單獨的波形。(通常，源以記錄間隔發(fā)射一系列炮。炮剖面檢測器定義每炮的時間窗口，由此將數(shù)字化信號分離成各個波形。)疊加器314對給定一系列炮的各個波形總體求平均值，由此提高信噪比。
[0049]初至波檢測器316處理疊加波形以識別接收到的聲波波形的“開始”，其對應于地震能量從炮的第一次到達。(標準的檢測技術可從文獻中得到，并且可以包括，例如識別超過預定閾值的第一峰值之前的零交叉。)失真計算器318依靠此開始點和/或從疊加波形推導出的其它信息而工作，將它們與從重構(gòu)波形推導出的對應測量值比較，以推導出對由壓縮處理造成的失真度。合適的失真度包括開始點誤差以及疊加波形與重構(gòu)波形之間的均方誤差，或它們的組合?；谑д鏈y量，失真計算器調(diào)整壓縮參數(shù)以在失真的限制下最大限度地壓縮。示意性的壓縮參數(shù)包括:采樣量化、采樣率以及抗混疊濾波器截止。
[0050]抗混疊(“下采樣”)濾波器320對疊加信號進行低通濾波操作以抑制高于可編程的截止頻率的任何頻率成分，使得隨后的下采樣器322不產(chǎn)生頻率混疊地工作。最大截止頻率受到所需的下采樣率的限制，但如果需要也可以更低。
[0051]下采樣器322降低了經(jīng)濾波波形的采樣率，在需要時采用插值(例如，當初始采樣率不是降低后的采樣率的整數(shù)倍時)。然后，通過再量化器324對下采樣后的波形進行再量化。再量化器324用較小的比特數(shù)表示每個波形采樣，例如每個采樣2比特或3比特，而不是每個采樣32比特。再量化器324可以采用均勻間距的量化閾值，但均勻間距不是必需的。一些實施例可以采用非均勻的量化閾值間距。在任何情況下，有效的再量化一般采用某種形式的波形歸一化，即在再量化器324處或在再量化器324上游幾乎任何點處對波形應用增益項。
[0052]再量化器324的輸出是經(jīng)壓縮的波形，但在其被接受為存儲和/或傳輸?shù)暮线m表示之前，重構(gòu)器326上采樣并濾波經(jīng)壓縮的信號以提供疊加波形的經(jīng)重構(gòu)的估計。初至波檢測器328依靠所述經(jīng)重構(gòu)的估計而工作，以用與檢測器316相同的方式識別接收到的聲波波形的開始。失真計算器318比較來自檢測器316和328的開始時間和/或經(jīng)重構(gòu)的估計與疊加波形之間的均方誤差，以推導出失真度。如果失真度過高，則調(diào)整一個或多個壓縮參數(shù)以允許在壓縮表示中使用更多的比特。相反，如果失真度比限制值足夠低，則可以調(diào)整壓縮參數(shù)以減少用于壓縮表示的比特數(shù)。當?shù)玫娇山邮艿氖д娑葧r，可以由模塊304用所附的適當時間戳來對壓縮表示進行存儲和/或通信。作為存儲和/或傳輸?shù)囊徊糠?，可以采用熵編碼方案(差分編碼、霍夫曼等)來進一步減少表示經(jīng)壓縮的波形所需要的比特數(shù)。
[0053]失真度可以是從比較經(jīng)重構(gòu)的估計與初始波形、經(jīng)濾波的波形或疊加波形而推導出的多個誤差測量值的加權平均值。失真度包括至少一個感測參數(shù)的至少一個準確性的測量值。一些實施例還可以允許用戶(通過圖形用戶界面(⑶I))指定一組待測量并用于失真標準的感測參數(shù)。類似地，用戶還可以指定與每個感測參數(shù)或其它失真度相關聯(lián)的權重和/或限制線性或非線性的性質(zhì)的標準。然后，這些實施例可以用用戶指定的失真度/閾值通過預定的通信協(xié)議來配置井下系統(tǒng)實施例，允許微調(diào)基于感測的失真度和/或校準井下實施例的任何特定實現(xiàn)。線性閾值的實施例可以被描述為各種感測值和/或誤差的線性加權總和。非線性閾值的實施例可以以門控/串口/如果-則-否則的方式分段連接多個感測標準。例如，如果經(jīng)重構(gòu)的初至波時間與初始接收到的波形偏離超過3毫秒，則井下處理器可以拒絕當前的一組壓縮參數(shù)，并由一些其它參數(shù)組來壓縮。否則，井下處理器可以繼續(xù)進一步用可編程閾值檢查經(jīng)重構(gòu)波形的最大(絕對振幅)峰值的符號并因為無法滿足此標準而拒絕當前壓縮參數(shù)，等等。
[0054]感測參數(shù)可以包括“初至波”(即從聲源接收到的波形的開始)、在接收到的波形內(nèi)的主反射的峰值振幅、主反射的符號、接收到的數(shù)字波形的總體形狀、“斯通利波”的到達時間和振幅以及波形的能量消散到低于閾值的感測到的地震波形的結(jié)束。本領域技術人員可以識別更多的感測參數(shù)。額外的感測參數(shù)可以包括接收到的地震波形的P波部分的特征，如檢測到的開始、P波的主頻的頻譜成分、P波的峰值振幅的幅度、對應于P波峰值幅度的符號。類似地，額外的感測參數(shù)可以包括接收到的地震波形的S波部分的特征，如檢測到的開始、S波的峰值的幅度、S波的主頻的頻譜成分、S波峰值振幅的幅度以及對應于S波峰值幅度的符號。本領域技術人員可以識別出便于感測理解接收到的波形的更多參數(shù)。 [0055]在一個示意性實施例中，將50%的權重施加到初至點時間的準確性，將20%的權重施加到初至點的符號的準確性，將20%的權重施加到超過幅度閾值，并且將剩余的10%施加到相對于接收到的波形的經(jīng)編碼的波形的總體形狀(由均方誤差來測量)。這些權重、對應的閾值以及對比特數(shù)的任何目標或絕對限制可以經(jīng)由用戶界面來指定和改變，以在將井下工具放置在鉆孔中之前或在鉆井運行期間配置井下工具的操作。
[0056]現(xiàn)在更加詳細地用替代實施例描述圖3中的某些元素。在至少某些實施例中，在觸發(fā)源之后，Α/D轉(zhuǎn)換器306以2035采樣/秒的采樣頻率采樣至少2分鐘用32比特/采樣來數(shù)字化每個換能器信號。帶通濾波器310可以具有頻率響應，如在圖4所示，有效地抑制5Hz至IOOHz頻帶之外的任何頻率成分。圖5比較濾波器的輸入和輸出的示意性波形，示出由該濾波器排除了信號能量的很大一部分。圖6比較這些波形的功率譜密度。除了在OHz處排除尖峰，這兩個波形的功率譜密度在O到150Hz之間的示意性頻率范圍中大致相同。
[0057]返回到圖5，示意性波形展示出對應于源的連續(xù)發(fā)射的5次波至。聲波檢測器312識別與每次波至相關聯(lián)的窗口。某些檢測器實施例執(zhí)行將接收到的聲波波形的包含瞬時峰值能量的部分與接收到的聲波波形的其它部分進行關聯(lián)。這些關聯(lián)峰值的位置對應于預定間隔的重復的校驗炮。因而某些檢測器實施例包括關聯(lián)模塊、峰值能量檢測器、同步模塊和存儲器，用于包含與峰值自相關值至少部分相關的多個時間的開始位置。
[0058]其它檢測器實施例在時間和/或頻率上處理整個信號，以檢測P波和/或S波的到達時間。作為一個示例，我們在采樣數(shù)為η的長度為N的對稱窗口中定義信號x[k]的平均絕對值:

4=^_1
[0059]A = Iy1'1' Ι^[η-<31

? ￡---=-Λ；/2
[0060]可以定義兩個窗口長度，即一個短期窗口和一個長期窗口，其中，短期窗口的N小于長期窗口的N。將短期窗口的平均絕對值表示為STA，而將長期窗口的平均絕對值表示為LTA，STA/LTA的比值可以用作接收到的聲信號[I]中的P波的到達時間的檢測器。在時間序列中，STA對突然的幅度變化更敏感，而LTA對更長的窗口計算，因此對背景噪聲更為敏感，這導致所述比值提供了在STA[4]的所考慮的時間窗口中的信噪比的測量值。當然，也可以采用根均方值或其它檢測技術的比值。
[0061]疊加器314的操作很簡單，在某些情況下可以是可選的。在圖5的經(jīng)濾波的波形已被分成五個波形之后，疊加器314對其一起求平均值。圖7A至圖7E將每個單獨的波形與疊加波形相比。僅在仔細觀察下可以看出細微的差別。在替代的系統(tǒng)實施例(例如，采用震動源的系統(tǒng))中，波形可以更長，從而不能(且可能不必)執(zhí)行疊加操作。
[0062]圖8A將示意性的疊加波形和由壓縮波形重構(gòu)的估計波形進行比較。該波形的壓縮參數(shù)為512毫秒的窗口，為有利于初至波標記而省略的前導零，101.75Hz的抗混疊濾波器(低通8階切比雪夫I型)的截止頻率，127.2采樣/秒的下采樣率，以及每采樣3比特(包括每采樣I符號位)。壓縮波形可表示為165比特。檢查結(jié)果顯示重構(gòu)波形相當準確。
[0063]圖8B比較圖8A的疊加波形和更深度壓縮的波形的重構(gòu)，更深度壓縮的波形可能由用戶放松失真限度而被允許。除了 101.8采樣/秒的下采樣率以外，壓縮參數(shù)是相同的，實現(xiàn)了 132位表示。幾個峰值受到衰減，但在很大程度上保留了波形的形狀。
[0064]在圖9A和圖9B以及圖1OA和圖1OB中為兩個其它的示意性波形重復上述比較。第二示意性波形的比特表示分別為177比特和138比特。對于第三示意性波形，比特表示分別為192比特和153比特。增加的比特數(shù)主要歸因于這些波形中前導零數(shù)量的減少。和之前一樣，更嚴重的壓縮相對于疊加波形表現(xiàn)出一些失真，但波形的特性在很大程度上被保留。因此，成功實現(xiàn)了壓縮而不需要任何類型的預定義模板。
[0065]由于模塊304存儲和/或傳輸壓縮波形，所以其可以采用熵編碼來實現(xiàn)進一步的壓縮。示意性的例子包括霍夫曼編碼和算術編碼。對應的接收器或重構(gòu)模塊將類似地采用適當?shù)慕獯a器。模塊304還可以包括附加或關聯(lián)用于每個波形的時間標記以及表示用于產(chǎn)生壓縮波形(即，濾波器、下采樣器和量化器設置的組合)的壓縮參數(shù)的至少一個數(shù)字指示符。此外，模塊304還可以提供增益項，在一些實施例中，增益項可以部分地由接收到的第一波形的采樣方差和/或峰值的絕對幅度來確定。增益項(或其某些函數(shù)，包括平方根)可以施加到波形以對其歸一化。將增益項通信到接收器和/或重構(gòu)模塊，使得歸一化可以逆轉(zhuǎn)為波形重構(gòu)的一部分。歸一化可以以絕對的方式或以相對的方式來進行。也就是說，一些實施例相對于可以在第一波形之前或之后接收的第二重構(gòu)波形來調(diào)整第一重構(gòu)波形的比例。
[0066]時間標記可以采取至少一個數(shù)字時鐘基準指示符的形式，其可對應于與接收到的波形的壓縮表示一起檢測到的初至波，并由于差數(shù)表示可以需要較少的比特，所以可以相對于另一數(shù)字時鐘基準指示符來表達。相對于使得地表與井下系統(tǒng)至少部分時間同步的通用時鐘基準點而言，此基準指示符可以是較不重要的數(shù)字。
[0067]在一些實施例中，為了有利于“初至波”的時間基準，可以省略前導零。然后，接收器適當?shù)貙⑶皩Я闾砑拥街貥?gòu)波形。
[0068]因此，在接收器或重構(gòu)模塊中，壓縮波形從存儲器接收或讀取，并用于重構(gòu)在井下捕獲的聲波波形的估計。類似地，從存儲器接收或讀取壓縮參數(shù)的指示，并將其用于重構(gòu)過程的一部分來擴展采樣的位分辨率，以用插值方式上采樣波形，以放大波形，并將其與適當?shù)臅r間間隔或位置相關聯(lián)，并向用戶顯示波形的表示。
[0069]在一個示意性使用示例中，SWD系統(tǒng)采用空氣槍，該空氣槍在泥漿泵停止之后的預定延遲處發(fā)射定時的一系列五次校驗炮。BHA例如通過井下壓力變化或流速的顯著下降來檢測鉆井中的暫停，并且由SWD工具啟動波形獲取周期?；陬A先編程的參數(shù)，SWD工具確定相對于泥漿泵停止的數(shù)據(jù)獲取窗口，并且在該窗口內(nèi)從其每一個傳感器獲取高分辨率聲波波形。例如，參見圖5中的示例性原始波形。可以將帶通濾波器(例如，圖4)施加到數(shù)據(jù)以分離出感興趣的頻率范圍中的信號。示意性的經(jīng)濾波的信號重疊在圖5中的原始信號上用于比較。圖6中示出兩個信號的頻譜成分。原始波形的OHz分量已被排除。除此之外，感興趣的頻率范圍中的頻譜成分大致相同。
[0070]基于預定炮剖面(例如，一系列五次校驗炮)，SffD工具可以提取各個接收波形，如圖7A-7E所示。優(yōu)選地，可從帶通濾波信號中提取各個波形，盡管這不是必需的。為了提高信噪比，可以疊加各個波形，即，一同求平均(盡管這也不是必需的)。圖7a_7e示出示意性疊加波形與各個波形中的每個的比較。疊加波形經(jīng)過上述壓縮并且存儲或傳輸?shù)降乇怼D8a和圖8b、圖9a和圖％、圖1Oa和圖1Ob示出三個不同的波形，以及它們在不同的采樣率下的壓縮表示。還示出每個表示的比特數(shù)以及壓縮系數(shù)。雖然可見失真，尤其在更高程度的壓縮處，但是波形的實質(zhì)特征被保留。
[0071]就定制和壓縮而言，我們已經(jīng)提出使用一種用戶界面，其可以將多個權重給予對用戶(通常為地震波形分析師)重要的不同感測特征。使用多個感測參數(shù)，我們建議適應性地調(diào)整量化、采樣和/或濾波處理模塊，以有助于經(jīng)由泥漿脈沖遙測而可以得到實時VSP波形。同樣，我們建議允許失真閾值可調(diào)，以便定制鉆井者或分析師可接受的失真度。同樣地，這允許現(xiàn)場工程師能夠適應于對應給定的時間間隔的比特數(shù)(或為給定比特數(shù)調(diào)整時間窗口)。
[0072]就傳輸而言，我們提出了發(fā)送實際的波形，而不是來自碼本的“質(zhì)量(quality)”因素和/或小波。這種實時波形的傳輸對于SWD市場競爭是有利的。該技術也適用于其它地震和聲學鉆孔應用(例如，SONIC測徑儀，其中所述井下工具既激勵聲波波形又從周圍巖層接收反射的聲波波形)。
[0073]在某些示例性方法實施例中，在預定時間間隔剛開始之前、過程中和/或之后，SWD系統(tǒng)多次激勵聲源；從周圍的巖層接收鉆孔內(nèi)的至少一個聲信號；以第一米樣率/周期數(shù)字化至少一個接收到的聲信號；在接收到的聲信號中檢測初至波時間；搜索一組優(yōu)化配置參數(shù)的多個配置參數(shù)(截止頻率、采樣率和量化)，用于減少所需比特數(shù)來在預定比特數(shù)閾值內(nèi)表示接收波形并仍保持在用于重構(gòu)聲信號的預定失真度量的閾值內(nèi)；并且根據(jù)該組優(yōu)化參數(shù)來數(shù)字壓縮數(shù)字化的聲信號，以被存儲或通信到地表。
[0074]某些地表系統(tǒng)實施例包括在計算機上運行的圖形用戶界面，使得用戶能夠在一組加權失真標準內(nèi)定制被強加于多個感測參數(shù)中每個感測參數(shù)的權重。這些地表系統(tǒng)實施例還工作以用加權失真標準配置井下組件，用于在存儲和/或傳輸之前優(yōu)化數(shù)字壓縮參數(shù)(例如濾波、采樣率、量化等)。一些實施例可以使用多組感測參數(shù)和/或失真標準進行存儲和傳輸?？商娲?，一些實施例可以使用多組感測參數(shù)用于不同的深度、區(qū)域、預期鉆井條件和/或預期的巖層。(例如，比特數(shù)限制可以以與泥漿脈沖遙測系統(tǒng)在增加的深度下工作時所預期的對應速率逐步減少。)
[0075]某些井下工具實施例使用炮的預定時間間隔與至少一個地表系統(tǒng)同步。該井下工具包括:至少一個聲波接收器(如地震檢波器、水聽器)，使得能夠從周圍環(huán)境接收聲波波形；至少一個采樣模塊，數(shù)字化/量化聲波波形；濾波器，具有可編程的截止頻率；可編程的向下采樣器；可調(diào)節(jié)的再量化器；處理器，檢測、選擇和/或處理接收到的數(shù)字化聲波波形，以存儲或傳輸壓縮表示。井下工具還可以包括解碼器，以重構(gòu)/解壓經(jīng)編碼的數(shù)字化波形，其中所述處理器比較經(jīng)重構(gòu)的波形和初始波形以確定失真度和一組合適的壓縮參數(shù)。
[0076]此外，井下工具還可以包括存儲器(閃存或RAM)，一旦失真度滿足所期望的閾值或/和經(jīng)編碼的波形表示的比特數(shù)低于所期望的比特數(shù)的閾值，則存儲配置輸入或/和經(jīng)編碼的波形中任一 /或兩者。此外，控制器可以選擇性地傳輸滿足該閾值的經(jīng)編碼的表示?？刂破骺梢酝ㄟ^在非易失性存儲器中存儲每個經(jīng)編碼的波形，然后刪除或覆蓋選擇性編碼的波形來工作。
[0077]此外，井下工具可進一步確定、存儲和/或傳輸表示在每個波形中檢測到的初至波時間的數(shù)字時鐘值。類似地，井下工具可進一步確定、存儲和/或傳輸對應于每個經(jīng)編碼的波形的計算出的失真度。
[0078]本領域技術人員一旦完全理解上述公開，則許多其它的修改、等同和替代將變得顯而易見。適當時，意圖使所附權利要求被解釋為包含所有這樣的修改、等同和替代。
【權利要求】
1.一種隨鉆地震系統(tǒng),包括: 鉆柱，具有至少一個地震傳感器； 嵌入式處理器，數(shù)字化來自所述地震傳感器的信號以獲得數(shù)字波形，并且處理所述數(shù)字波形以推導出用于存儲或傳輸?shù)慕?jīng)壓縮的波形表示，所述經(jīng)壓縮的波形相對于所述數(shù)字波形具有降低的采樣率和降低的量化度，所述降低的采樣率和降低的量化度適應于所述數(shù)字波形與所述經(jīng)壓縮的波形表示之間的失真度。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括: 泥漿脈沖遙測模塊，耦接到所述嵌入式處理器以將所述經(jīng)壓縮的波形表示與相關聯(lián)的降低的采樣率和降低的量化度的指示一同通信到地表。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，還包括: 地表計算機系統(tǒng)，接收所述經(jīng)壓縮的波形表示，并且至少部分基于所述經(jīng)壓縮的波形表示來顯示由所述地震傳感器接收到的信號的表示。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括: 存儲器，耦接到所述嵌入式處理器，其中所述存儲器存儲所述經(jīng)壓縮的波形表示以及相關聯(lián)的降低的采樣率和降低的量化度的指示。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述失真度包括所述數(shù)字波形與重構(gòu)波形之間的均方誤差的測量。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述嵌入式處理器進一步采用熵編碼以推導出所述經(jīng)壓縮的波形表示。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述嵌入式處理器進一步使所述降低的采樣率和降低的量化度部分基于對所述經(jīng)壓縮的波形表示的比特數(shù)限制。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括: 在鉆井液泵停止時激發(fā)的地表地震源。
9.一種方法，包括: 多次激勵聲源； 從周圍巖層接收鉆孔內(nèi)的至少一個聲信號； 數(shù)字化所述至少一個聲信號； 根據(jù)包括至少一個感測特征的失真度，為存儲或傳輸而適應性地壓縮被數(shù)字化的信號。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述感測特征是均方誤差。
11.根據(jù)權利要求9的方法，其中所述壓縮包括:用下采樣濾波器對被數(shù)字化的信號進行濾波。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述壓縮還包括:降低被數(shù)字化的信號的采樣率。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述壓縮還包括:降低被數(shù)字化的信號的量化度以獲得經(jīng)壓縮的波形表示。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述壓縮還包括:對所述經(jīng)壓縮的波形表示進行熵編碼。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述壓縮還包括:從所述經(jīng)壓縮的波形表示推導出重構(gòu)波形； 比較所述經(jīng)壓縮的波形表示和被數(shù)字化的信號，以確定是否滿足失真標準；以及 如果不滿足所述失真標準，則調(diào)整濾波器、采樣率和量化度中的至少一個。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括: 將每個經(jīng)壓縮的波形與所述壓縮中采用的一組壓縮參數(shù)的指示相關聯(lián)，所述壓縮參數(shù)至少包括所述經(jīng) 壓縮的波形的采樣率。
【文檔編號】G01V1/22GK103988096SQ201280044863
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年10月1日 優(yōu)先權日:2011年10月5日
【發(fā)明者】V·斯托爾普曼 申請人:哈利伯頓能源服務公司