通过使用钻头地震对断裂的干涉测量钻头成像、时间反演成像来进行断裂表征、和经由时间反演的声学和电震对断裂产生的监测

摘要

装置、系统、和方法，可用于在辐射能与地质地层交互后接收辐射能作为散射能，其中在用于将散射能转换为接收到的信号的地下多通道传感器阵列处接收到散射能，且其中所接收到的信号由弹性能的地下源所提供；并且用于通过将所接收到的信号干涉测量比较作为在传感器阵列中的一些传感器的弹性信号和/或电磁信号、或者通过将所接收到的信号时间反演传播作为在地质地层的体积的数字模型中的弹性信号和/或电磁信号，来标识地质地层中的不连续特征。还公开了附加装置、系统、和方法。

说明书

背景技术

断裂是在储层的流体流动中经常起作用（无论是作为管道或障碍）的近地 表要素，且因此，检测与定位断裂是有用的。断裂可自然地发生或人为地引起 （如，通过将流体高压注入地下地层）。检测与定位断裂在多个油气区中有用， 包括美国西部地区的较大的“致密天然气”项目（play），此处的商业性开采 利用了大量断裂来克服储集岩中的低渗透性。在储层中和储层周围所存在的断 裂定位的资料可被用于更有效地使用钻探、水力压裂处理、和生产。

地表钻头或某个其他能源（诸如安装在钻头附近的振动或压电井下 （downhole）能源）所产生的弹性能，自围绕钻口（borehole）的界面和结构反 射并散射。这样的能量可由沿建筑物下的钻口、沿监测钻口、或位于地面表面 处放置的接收器所记录。弹性能可在散射过程中（经由震电效应）被转换为电 磁（EM）能并由相应的EM接收器所记录。弹性能和电磁能还可在人为断裂创 建过程中被直接产生，并可类似地被记录。

当钻头被用作能量源时，已知的记录技术，使用置于钻柱上和钻机上的传 感器来测量、或至少来估算，该源的实际远场特征波形。在大多数情况下，相 比于和受控源相关联的频谱内容，由钻头源提供的信号的频谱内容更为受到限 制；所得到的图像经常具有较少的分辨率和更多伪像。

当在钻柱上可得到受控源时，可使用垂直地震剖面（VSP）和井间分析/ 成像工具来在地层的走廊或子体积（sub-volume）上产生图像。在这个设置中， 通过结合钻探产生井间或VSP数据组，人员可实现实用的运作开销节省。此外， 有时可在近乎原始的开孔环境中产生源能量并将之传递至地下，而不延迟放置 打钻后外壳。

当人为断裂提供能量源时，能量从该断裂辐射出来且可由位于一个或多个 附近钻口中的传感器所记录。商用微震服务使用一个或多个弹性传感器阵列来 对于由断裂处理产生的微震的位置进行三角测量。然而，至今，对于如何使用 由断裂处理所创建的震电地产生的电磁辐射，来单独地或结合微震记录地，检 测并定位断裂，还没有研究。

在任意的这些情况下，被用于记录能量存在的传感器可用被证明为不适用 于常规地下成像的方式被布置。例如，传感器阵列可被布置为在储层层段中或 靠近储层层段的侧线（sidetrack）或附近的井中来记录在水平钻探过程中产生 的地震能。来自储层中的矿床界面（即，接近于钻头）的反射可不同于直接波 至的。所记录的信号还可极大地被在储集层中回荡（reverberating）的引导波影 响。作为结果，很多所感兴趣的近地表要素（诸如断裂）的可靠的检测或定位， 可能是难以克服的挑战。

附图说明

图1是示出根据本发明各实施例的装置和方法的功能框图。

图2是示出根据本发明各实施例的装置和方法的另一个功能框图。

图3是示出根据本发明各实施例的装置的框图。

图4-5示出本发明的附加系统实施例。

图6是示出根据本发明各实施例的数种方法的流程图。

图7是示出根据本发明各实施例的制品的框图。

具体实施方式

在特定实施例中，公开了装置、系统、和方法，用于通过用钻头或钻柱上 的受控源产生的弹性能来照射预先存在的断裂、使得这些断裂用作辐射回地下 的弹性和电磁能的次级来源（在地下，该次级来源可由合适的传感器所检测）， 从而定位预先存在的断裂。在一些实施例中，公开了装置、系统、和方法，用 于无论是例如在钻探处理过程中同时产生断裂、或作为商业断裂操作的结果产 生断裂时，用于定位断裂。在很多实施例中，使用合适的传感器监测来自断裂 初始化或照射的弹性、磁性、和/或电场发射。在很多这些实施例中，使用时间 反演的信号处理来接近地确定地层中断裂的位置。以此方式，不仅是断裂的位 置、还有受到该断裂影响的地层的范围、和断裂的取向，可被可靠地确定。

因此，在特定实施例中，使用弹性能量。假设该弹性能包括在所有方向中 （而不仅是在某个反射平面中）向外传播的震源能。因此，当这个能量遭遇到 位于地下的包含在常规沉积矿床中的、或跨常规沉积矿床切割得到的阻抗间断 点，一些能量在该间断点被散射，从而在沿钻口的传感器处被接收。然后，使 用下文所述的各处理技术，可标识出该间断点的位置。间断点的示例包括断裂 的空洞、碎屑、瑕疵、和边缘。

为了从位于或靠近断裂地下地层处的基于钻口的传感器处获得断裂位置 信息，可使用至少两个不同的非常规成像技术—每一个可提供在钻口附近的断 裂的图像。这两个技术利用断裂本身作为主或次级源。

第一个非常规方法结合了来自干涉测量的技术和微震监测分析来检测和 定位作为次级源的间断点。对于受控的靠近钻头的源，在布置于侧线中或靠近 井的传感器阵列中所记录的多通道震动图，具有来自每一个次级源的曲线波 至，这是由于每一个靠近钻头的源活动发射的信号的散射引起的。在使用三组 件传感器的一般情况下，检测到压缩（P-波）和剪切波（S-波）波至。使用固 定的钻口阵列，这些波至的形式一样，因为钻头移动时散射器的位置没有改变。 在靠近钻头的源移动地接近或远离散射器时，仅是到达时间和相对幅值改变。

然后，可直接应用微震处理技术来定位并成像次级源散射器。如果仅记录 了单个分量（如，使用水听器），可通过源自靠近钻头源活动的渐进（progressive） 位置到潜在散射中心的每一个栅格化体积的射线来确定散射器的三维位置。最 为接近地预测在传感器阵列上的实际多通道波至的体积中的位置，被认为是次 级源的位置。在为所有所选曲线波至族执行这个操作后，出现次级源的分布， 突出了围绕钻口的体积中的断裂的位置。

当钻头本身用作连续的未受控的源时，可使用干涉测量（如，包括任意一 个或多个相对相位比较、互相关、或去卷积）建立散射器的图像。此处，阵列 中的任意传感器，假设没有一般性损失地被固定到位（如，位于阵列中间的传 感器），被选择且使用由所选择的传感器所记录的信号来互相关或去卷积来自 每一个其他传感器、和所选择的传感器，的信号。在钻柱或平台处测得前导信 号的情况下，在干涉测量处理之前，可使用带有该前导信号的互相关或去卷积 达到附加带宽和分辨率。

次级源位置引起在所选择的传感器位置处穿过时间零的曲线弧，并且向上 或向下倾斜，其开口向着该次级源位置。为了在三维空间中定位该散射源，标 识出对应于该次级源散射器的P-波和S-波弧。由于这是用微震分析的情况下， 弧的标识允许确定P-波的颗粒方向并允许射线轨迹从每一个传感器离开达由 P-波、S-波时间差异确定的时间量、或仅仅是一些所选择的时间范围，从而发 现在地下模型中最佳收敛的射线。当在附加钻口中采用传感器时，可使用三角 测量来进一步约束该次级源位置估算。

在第二个非常规方法中，替代互相关接收器来创建脉冲化的曲线波至，原 始接收的信号被直接传播回围绕着钻口的三维体积栅格中（由独立的单元构 成）。波至每一个单元的被传播回的能被累积（如，通过使用在时间数列、或 包络上的平方和（RMS）），并按需被放大来解决几何扩散和受限的孔径。因 此，在一些实施例中，这个处理可与在照相机中暴露底片相比较，所以该方法 本质上是“照相”。

在所得到的强度容积（intensity volume）上扫描，可视地或通过算法地， 可标识出对应于由断裂（和其他散射器）创建的次级源的强聚焦的区域。除了 累积数据来形成散射器的“照片”之外，还可有用于将每一个独立时间步进的 影像（movie）捕捉为波的传播。对于振动源（如，钻头），这样的影像可用 于展示邻近于或大致集中在静止的次级源位置处的扩展的脉动（pulsation）。 当钻头是主地震源时，这个动画是特别有用的，因为钻头还从层叠的地下地层 的反射中创建虚拟图像。当钻头沿钻口移动时，与固定在单个位置的散射器图 像不同，这些图像将随时间移动。

下文将给出每一个方法的实现的附加细节。然而，在进一步解释各实施例 的操作前，现在将提供一些定义，还有对于时间反演信号处理和时间反演图像 处理的介绍。

为了本文件的目的，应该注意的是“弹性能”可产生压缩（声学）、剪切、 和震电信号。

“电磁能”可源自震电活动，其中震电产生经由其特征波形（signature） 和空间分布留下烙印。

“干涉测量比较”的过程包括在数据组之间的相对相位比较、互相关、和 去卷积中的任意一个或多个过程。

传感器阵列中一些传感器之间的“比较”（如，干涉测量比较）可包括将 由阵列中一个传感器接收到的信号与阵列中另一个传感器或一组传感器接收 到的信号进行比较，以及将阵列中第一组传感器接收到的信号与阵列中第二组 传感器接收到的信号进行比较。

“散射能”包括所反射的能、所发射（transmitted）的能、和/或衍射的能。

“时间反演信号处理”包括使用随时间反演不变化的波动方程处理信号， 从而当发现特定波动方程的解是时间t的函数时，-t的同样的函数也是该方程 的解。这个性质经常用术语表达为“可逆性”，且所涉及的处理对于本领域普 通技术人员而言是已知的。

当信号从弹性能的源传播至接收器时，源和接收器之间的介质的材料性质 经常被修改。无论源是主动源（如，钻头、弹性发射器、电磁发射器，等）或 被动源（如，散射器能源从另一个源撞击在其上的位置），都是如此。在线性 材料介质中，所接收到的信号是介质的脉冲响应（其中脉冲处于该源）与所发 射的信号的时间卷积。在频域中，所接收到的信号是介质的转移函数（在源和 接收器之间）与所发射的信号的傅里叶变换的乘积。

对于很多类型的波而言，发射器和接收器之间的响应是基本可逆的，从而 发射器和接收器可在不影响所接收到的信号的值的情况下被互换。因此，应该 注意的是，相对于此处给出的所有示例，通过可逆性的性质，为了操作方便， 源和接收器的位置可被互换。

一般而言，当损失可被忽略时（特定地，当一阶时间导数可忽略时），可 逆性是有用的假设。当该介质既是线性又是可逆时，简单地通过时间反演所接 收到的信号并用系统的脉冲响应过滤该信号，可能重新构建出如同出现在源处 时的信号。

如果源的特征波形已知，不过介质的脉冲响应未知，可能估算脉冲响应、 时间反演接收到的信号，使其通过所估算的脉冲响应，使用误差度量（error  metric）（如，使用误差的平方和）将所得到的信号与源的特征波形比较，且 迭代所估算的脉冲响应直至误差度量结果低于某个期望的最小值。更特定地， 使用弹性波或电磁波，脉冲响应是源与接收器之间的材料性质、以及两者之间 的距离的函数。因此，当源的波形特征已知时，使用这个技术可能定位该源。

如果源的波形特征是已知的，不过在多于一个位置观察到来自该源的信 号，可能以迭代方式应用同样的技术。即，可将这个技术应用于所有估算的源 位置，且相对于所选择的接收器，当估算的源位置处于所指定的误差极限中时， 可终止该迭代，且所估算的源的波形特征与特定规范一致。这个处理可被称为 时间反演图像处理。

因此，定位断裂的一个方法是使用沿钻口分布的多个弹性换能器监测弹性 发射，并实现所描述的时间反演图像处理的技术。使用由在从断裂、或从断裂 本身散射之后、用作当断裂被初始化时的主动弹性源的钻头发出的弹性信号， 可应用时间反演的图像处理。即，微震监测可使用压缩和剪切波至的组合来确 定弹性信号源起的近似方向。因此，断裂可至少部分地用单个换能器被定位， 且用换能器阵列被较好地定位。

当地层电阻率支持发射和/或源与接收器间隔足够小使得可逆近似是有用 的时，可对于直接发射的或散射的电磁信号应用同样的技术。可接受的偏移可 逆性的程度将取决于在定位源时可被容忍多少误差。一般，要断裂的地层是致 密的、具有较低的流体流度，且电阻率足够高来支持有效的可逆性假设。

当弹性波跨过可渗透分界面且离子流体出现时，产生震电波。这是一种类 型的电磁波，是由于当弹性波引起流体运动时跨界面的离子迁移率中的差异引 起的。界定断裂的边界可用作分界面。因此，当弹性波跨过断裂时，经常产生 震电波。一旦被产生，这些波作为电磁波在地层中传播。

可使用磁力计和/或电场传感器将电震波检测为电磁波。这使得可基于在钻 口的单个位置处获得的测量，来执行时间反演成像。该测量可使用在同一位置 （诸如钻口）的弹性换能器和磁性换能器（和/或电场换能器）来做出。

仅使用弹性换能器，使用时间反演信号处理，该断裂的位置是未知的，除 非弹性源的波形特征、以及介质的弹性脉冲响应是已知的。类似地，使用时间 反演信号处理通常不确定断裂的位置，除非介质的电磁脉冲响应是已知的。然 而，当两个信号类型（弹性和电磁）都可获得时，可一起处理，处理方式类似 于，当时间反演图像处理被应用至单个波类型且介质性质是已知时进行的处理 方式。

通过认识到断裂具有通用于在产生弹性和电磁脉冲响应时所使用的模型 的基本唯一的位置，可完成此举。因此，使用时间反演成像，对于两种信号类 型可执行迭代步骤来推断断裂的不变的位置。

例如，当由于瑕疵的创建或移动观察到弹性发射时，可定位电磁波的两个 源。第一个源是由于震电效应引起的，其可能是在瑕疵平面两侧上产生的震电 波将创建近乎抵消的信号（canceling signal）。第二个源是由于一般在矿体 （mineral body）中完成断裂的创建或膨胀的电荷的分离引起的。这产生随时间 变化的偶极层，其继而产生电磁波。因此可在单点监测这个电磁波，还有弹性 发射波、和施加至两者的时间反演信号处理，如上所述，来获得瑕疵的唯一位 置。

为了测试这个概念的实现，发明人构建了在断裂产生过程中所建立的电磁 信号的数学模型。为了最小化创建模型的成本，假设在沿钻口的两个位置之间 打开（open up）垂直瑕疵，该瑕疵从钻口径向地延伸指定距离进入地层，且该 瑕疵被具有基本均匀宽度的平面表面所近似。

还假设了瑕疵的开口的时间波形特征。特定地，假设瑕疵开口为正弦时间 依赖性达特征时间的周期的二分之一，然后在二分之一周期时间段上返回其具 有第二正弦时间依赖性的原始位置。第二时间段提供的附加优势在于，发展了 对于波的明显离散的理解。更为理想的模型可已经包括断裂的传播速度，以及 在第二个半个周期过程中对于不同的瑕疵开口距离的返回。

在一些测试中，假设断裂被产生在位于10ohm·m地层中的约32cm直径的 钻口中，且断裂沿钻口延伸2米且径向延伸20米从钻口壁进入地层。进一步 假设，断裂开口至1毫米宽度，具有1coulomb/m²的电荷分离，且断裂花费10 毫秒打开，在30附加毫秒后返回至未开口的状态。

该测试结果展示了断裂创建产生的电场，如在钻口中所观察到的，具有与 断裂的平面正交的主要分量。还确定，由断裂创建产生的磁场，如在断裂的最 上端的钻口中所观察到的，具有沿钻口轴的主要分量。平行于断裂平面的径向 分量在一些情况下也是可感知的。磁性波形特征极大地不同于电波形特征，因 为磁场是电荷的运动产生的，且因此近似地成比例于电场的时间导数。

观察到电场信号快速地随着距离而衰减，不过信号的整体形状并没有以令 人注目的方式改变。在100米的范围处，电场信号可难以观察到，其所衰减的 信号强度处于数毫微伏的数量级。

电场的视在群速度（apparent group velocity）被描绘为与断裂的最近端之 间的距离的函数。通过追踪在峰值信号幅值相对时间和距离中的位置将其计算 出。由于该源是分布的源，几何效应也影响了波形的时差（moveout）。即， 视在群速度是距离的函数。在较低的电阻率、或在较大的距离处，离散 （dispersion）增加。

磁场分量的视在群速度也被描绘为两个值：磁场信号的第一、高频部分， 和波形的低频、正向（positive-going）的部分。如前文，波速度中的变化的一 部分被认为是由于几何效应引起的，且其一部分是由于源自底层电导率的依赖 频率的损失引起的。

作为测试的一部分，还确定地层电导率对于衰减和对于离散具有极大的影 响。当地层具有较低电阻率（如，具有在1ohm·m数量级的电导率的地层）， 信号以类似于声速的速度传播，且时差（moveout）可被有利地包括在时间反 演分析中。然而，当地层电阻率较高时（如，高一千倍），波速接近于真空中 的光速。在这个情况下，结合时差修正并不如此有用。

测试结果还表示，在一些实施例中，可使用在与钻口轴正交并彼此正交的 方向中具有最大电阻率的一对电场天线，来确定相对于仪器封装（如，井下工 具）的钻口中断裂的取向。这是由于在与断裂平面正交的方向中，电场具有极 大的分量。因此，在沿钻口的断裂的情况下，所观察到的交叉轴向（cross-axial） 电场的方向（不论幅值）将与断裂平面正交。如果没有沿钻口轴填充的断裂是 所感兴趣的，则可使用三个电场天线，具有彼此正交的敏感度的三个轴。在这 个情况下，在断裂事件过程中的任何瞬时，电场的方向将与断裂平面正交。

类似地，可测得两个或三个正交的磁场分量。如在钻口中所观察到的，磁 场的方向将可能位于断裂的平面中并与定义断裂的最大范围（extent）的轴正交。 磁场向量的取向取决于断裂的几何形状。对于构成此处所描述的测试的简单示 例，取向最多地取决于断裂的长度和宽度。

因此，此处所述的方法已经应用于在钻口中单个位置处做出的测量。由于 所接收到的信号强度趋于随着与断裂的距离快速下降，可能有利的是在沿钻口 的多个深度处提供仪器。来自位于多个位置的传感器的信号，使用相同的时间 反演成像技术，可被单独或同时处理。

在一些实施例中，在所观察到的数据中标识出搜索到来自断裂的信号的时 间窗可能是有用的。在受控源的情况下，参看源的触发，易于确定该时间。如 果该源是未受控的源（如，当该源是钻头时）、或将被分析的信号是由于断裂 的自发产生而产生的，则应该为超过预定阈值的事件而监测由传感器组所提供 的信号系列，从而位于围绕这个阈值的预定时间窗中的数据可被定位并被分 析。此外，可使用预定波形特征来标识事件，该预定波形特征被期待为类似将 被分析的弹性和/或电磁时间的波形特征。

图1是示出根据本发明各实施例的装置100和方法的功能框图。在这个情 况下，可使用用于在位于井中同一位置处（或甚至是间隔相对较小距离）的弹 性传感器和电磁传感器基本同时测量的技术来推断断裂的位置。这个装置100 在其中地层电阻率不是非常高从而电磁信号的到达时间基本上独立于源位置 的情况下是有用的。

为方便起见，接收电磁信号的电磁传感器102被图示为电感器（代表电磁 式拾波器）；信号还可使用例如环、电偶极子、或电单极天线接收。因此，电 磁传感器102可包括一个或多个磁场传感器、一个或多个电场传感器、或任何 数量与组合的这些传感器。类似地，为方便起见，尽管仅示出了单个电磁传感 器102和弹性传感器104；可在两个或更多传感器102、104的阵列中使用任意 数量的这样的传感器102、104。单个阵列可包括一个或多个传感器类型（如， 图3中的阵列302）。

假设弹性106和电磁108信号的采样率充分高，以使采样可在时间上有效 地逐点匹配。在弹性和电磁信号106、108被获取并被转换为数字格式之后， 且在感兴趣的时间段已经被标识后，对于弹性和电磁的经数字化的数据序列， 在这个时间段中的数据可在时间上被反演。

作为简单示例，假设仅源位置和波形特征是未知的。即，P-波和/或S-波速 度是已知的（或允许计算这些波速的岩石性质是已知的），且沿引入的 （incoming）电磁和弹性波所行进的路径的地层电阻率也是已知的。

信号到达时间取决于该信号的源的位置。仅使用所给出的已知信息、和位 于单个位置的单个传感器，不可能确定源位置。然而，使用位于同一位置的对 应于不同波的类型的两个传感器（如图1中所示），可能确定源位置。严格而 言，传感器不需要精确地位于同一位置，不过如果它们被置于极为不同的位置， 分析更为复杂，如本领域普通技术人员所了解的那样。

在图1的示例中，三个或更多可能的源位置被指定。这些三个（或更多） 位置的初始值被设设为充分地远离从而围绕着在其上应该观察信号的整个范 围，可能对应于最小的所期待的信号强度。这些三个值中每一个被输入弹性地 层模型和电磁地层模型中，与时间反演的弹性和时间反演的电磁数据一起，从 而产生位于该源的弹性波形特征的三个估算和位于该源的电磁波形特征的三 个估算。

然后使用该源的弹性波形特征的三个估算来做出该源的电磁波形特征的 三个附加估算。作为第一近似，来自断裂的起始的电场波形特征可以是在该源 的P-波弹性波形特征的成比例的副本，而来自断裂的起始的磁场波形特征将是 在该源的P-波弹性波形特征的时间导数的成比例的副本。

在分析的下一阶段中，在从弹性波形特征中导出的每一个电场波形特征和 通过合成地使得时间反演观察到的电磁信号通过地层导出的每一个电场波形 特征之间做出成对的比较。通过卷积该成对的信号、或通过做出最小平方拟合， 可执行这个比较，从弹性波形特征导出的每一个电磁波形特征和从所观察到的 电磁信号导出的其相对应的波形特征的成对的成比例的版本为成对，其可包括 各自被分开地测得的电和磁场分量。为了本说明书的目的，“电磁波形特征” 可包括用电场传感器、磁场传感器、或两者的某个组合所获得的波形。

如果使用卷积技术，如下式所示，出现三个卷积信号：

$C_i\left(t_j\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{EA}}_i(t_j-t_k)*{\mathrm{ER}}_i\left(t_k\right)$，其中i是从1到至少3（即， 原始地估算的间隔的数量）、在 j＝1到N的时间t_j处获取数据样本，其中N是数据样本的全部数量（优选地对 于每一个值i，数量相同），EA_i(t_j)是在时间j从弹性波形特征i导出的电磁波 形特征，且是ER_i(t_k)是通过以间隔估算i过滤通过地层的时间反演的电磁波形 特征获得的电磁波形特征。

如果在比例因子中两个波形特征相同，卷积过滤器的峰值应该出现在卷积 的时间段的中间。将卷积的峰值位置定义为P_i，则为迭代而选择最接近于卷积 时间段中间的P_i的两个值。

如果使用最小平方技术，则根据下式，可为i个待选源的间隔的每一个计 算以下项：

$x_i=\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{ER}}_i{\left(t_m\right)}^2-\frac{{(\underset{m=1}{{\Sigma }^N}{\mathrm{ER}}_i\left(t_k\right)*{\mathrm{EA}}_i\left(t_k\right))}^2}{\underset{m=1}{{\Sigma }^N}{\mathrm{EA}}_i{\left(t_k\right)}^2}$

在这个情况下，为迭代而选择两个最小的X_i值。

在这个过程中的这个点处，做出测试比较110来看两个峰值位置的区别是 否小于预定准确度规范（如，一个位置或另一个位置的大小的百分比）。如果 它们是的话，则终止迭代。否则，可计算两个最为接近匹配的间隔的平均时间 从而形成第三时间，且在框114可将这三个值用作所指定的距离，继续迭代， 直到完成了特定数量的迭代（没有成功地符合认可规范）、或者满足了认可规 范。

图2是示出根据本发明各实施例的装置200和方法的另一个功能框图。在 这个情况下，存在用于在位于井中同一位置处（或甚至是间隔相对较小距离） 的弹性传感器104和电磁传感器102基本同时测量的技术来推断断裂的位置。 在这个情况下，当地层电阻率足够高使得电磁信号的到达时间基本独立于源位 置时（即，此时电磁信号的定时移动分析是困难的或不可能的），应用所示出 的过程。这个过程使用了时间反演的弹性建模与正向电磁建模的组合，假设仅 源位置是未知的。然而，这个技术可被扩展为确定源的范围和地层参数的估算。

在使用图1的技术时，这个过程开始于从磁性（和/或电）和弹性场传感器 102、104处观察时间标志（time-tagged）的样本。所感兴趣的事件被标识，如 前所述，且弹性波形在围绕该事件的所选时间窗中被时间反演并被合成地传播 通过地层到假定的源位置，此处待选的源波形特征被估算。

再一次，如图1中所示，在源处的所估算的弹性波形特征被用于估算源处 的电磁波形特征。然后所估算的电磁波形特征被合成地传播至观察地点。往后， 计算所观察到的电磁信号和合成电磁信号的频谱并用相同的过滤器过滤这两 者从而用频率移除频域幅值中的快速变化。

此后，在所过滤的频谱中的每一个频率处，计算合成频谱与所观察到的频 谱的比值，且在框216进行测试来确定，在指定容限内，该比值是，随频率的 增加函数、随频率相对较平、还是随频率的减少函数。

如果是增加的，设想是所估算的源位置太过于接近接收器位置，且所估算 的源位置被移动向远处达预先指定的量。

如果是减少的，采取相反的行动：源位置被移动地更为接近接收器位置达 预先指定的量。在迭代中每一个步骤处的变化量可以随着迭代数量而变化。

在中间的情况下，其中两个频谱显示为类似（即，随频率基本是平的）， 终止迭代过程并使用源距离的最后的估算。

如果将要计算断裂的几何范围，除了频谱技术外可应用最小平方技术来迭 代地确定断裂的范围。可以类似于图1描述的方式执行此举。还可结合图1和 2的过程使用最小平方技术来估算源与传感器102、104之间存在的地层参数。 还可实现其他实施例。

例如，图3是示出根据本发明各实施例的装置300的框图。此处可见该装 置300可包含多个组件，包括记录（logging）设备392。

记录设备392，被图示为位于表面308之上，可包括处理模块354和耦合 至该处理模块354的存储器370。可使用存储器374来存储指令，当这些指令 被执行时，导致装置300完成此处描述的任何方法。

该装置300还可包括外壳394，诸如附连至或包括图1-3中所示的任何一 个或多个组件，包括图1-2的装置100、200的那些组件，的井下工具或工具本 体。因此，装置300可形成地下勘测系统的一部分，具有被用于容纳装置300 的多种组件的井下工具。外壳394可因此被附连至一个或多个弹性能源和/或一 个或多个传感器（如，SC1、SC2、SC3，包括天线、弹性换能器、弹性传感器、 和/或电磁（即，电和/或磁）传感器）阵列302。可使用一个或多个接收器366 和发射机368来接收/放大接收自传感器SC1、SC2、SC3和/或驱动源SC1、SC2、 SC3的信号。

在一些实施例中，记录设备392的任意一个或多个组件可位于表面308之 下，可能被包括在外壳394中。在一些实施例中，钻头310可用作弹性能的源。

设备392还可包括接收器和/或发射机（未示出）来接收并发射命令与数据 至外壳394、以及位于其中的组件。可使用显示器396来显示各种信息，包括 不连续的特征312（诸如断裂）相对于地层314中的钻口304的位置。因此， 很多实施例可被实现。

例如，在一些实施例中，装置300可包括多通道传感器阵列302和处理模 块354。因此，装置300可包括多通道传感器阵列302，用于在与地理地层314 交互之后，来接收所辐射的能作为散射能316，所述交互包括在弹性和电磁能 之间的至少部分的震电或电震转换，其中传感器阵列302将散射能316转换为 所接收的信号320。

该装置300可进一步包括处理模块354，用于通过将所接收到的信号干涉 测量比较作为传感器阵列302中的一些传感器SC1、SC2、SC3的弹性信号和/ 或电磁信号、或者通过将所接收到的信号时间反演传播作为在地质地层314的 体积的数字模型中的弹性信号和/或电磁信号，来标识地质地层314中的不连续 特征312。

该装置300可包括不同类型的传感器SC1、SC2、SC3。因此，传感器阵列 302可包括一个或多个弹性传感器、和一个或多个电磁传感器。

该装置300可包括相同类型的传感器。因此，传感器阵列302可包括正交 的电场天线作为传感器SC1、SC2、SC3。还可专有地，或者与一个或多个电场 传感器组合地，使用多个磁场传感器。

可使用时间反演模块372来将所接收到的信号传播回到与所接收到的信号 相关联的地质地层的数字模型中。因此，处理模块354可包括、或可被耦合至 时间反演模块372，来以反向时间顺序处理所接收到的信号来将所接收到的信 号传播回到地质地层316的数字模型中。

该装置300可包括波形特征估算模块374。在一些情况下，该源是良好地 理解的、且可通过合成其波形特征、或可能从所记录的信号中回放其波形特征 来建模。因此，处理模块354可包括、或耦合至波形特征估算模块374来估算 与所接收到的信号相关联的波形特征和弹性源波形特征或震电源波形特征。

该装置300可包括建模模块376。因此，处理模块354可包括、或可耦合 至建模模块376来提供与位于地质地层314的模型中的辐射能的源相关联的传 播模型。

被弹性导出的电磁波形特征可被与假设的转换位置相联系，从而实际记录 的电磁信号被传播回这个位置、与弹性导出的电磁波形特征相比较。然后可用 系统方式搜索假设转换位置的范围，来选择最接近实际记录的电磁信号的那个 作为估算的转换位置。震电信号还可被使用假设转换位置正向建模，并与直接 记录的电磁信号相比较。因此，处理模块354可包括、或被耦合至差异检测模 块378来确定与弹性信号相关联的弹性导出的电磁波形特征相关联的峰值位 置、和与电磁信号相关联的过滤的、时间反演的电磁波形特征的峰值位置，何 时相差小于所选择的量，提供指示何时可终止迭代目标距离规范。

趋势估算模块380可被包括于装置300中。因此，处理模块354可包括、 或被耦合至趋势估算模块380，来估算谱功率随与电磁信号相关联的频谱的频 率的趋势，或是谱功率随与从所估算的弹性信号波形特征导出的估算的电磁源 波形特征相关联的频谱的频率的趋势。在一些实施例中，处理模块354可包括、 或被耦合至频谱计算模块382来计算所接收到的信号的频谱，或正向传播的、 估算的电震源波形特征的频谱。

钻头310，以及其他事物，可被用于产生辐射能（如，使用压缩和/或剪切 波能）。因此，一旦钻头在地质地层314中转动，该装置300可使用钻头310 操作来产生辐射能。还可实现其他实施例。

例如，图4-5示出本发明的系统实施例。图4示出本发明的实施例的钻机 系统464，而图5示出本发明实施例的测井电缆系统564。因此，系统464、564 可包括井下工具的一部分，被实现为工具本体570（如，作为测井电缆记录操 作的一部分）、或实现为作为井下钻井操作一部分的随钻测量（MWD）或随 钻测井（LWD）工具424。

可包括上述任意一个或多个组件的装置300，可位于井下。装置300，包 括上述任意子组件，可因此至少部分地被容纳于井下工具中，可能采用了 MWD/LWD工具424或工具本体570的形式。

在一些实施例中，装置300的一部分，包括处理模块354，可位于表面处。 装置300的其他部分可至少部分地容纳于井下工具中。可使用遥测来在位于井 下的部分与位于表面的部分之间通信。

处理模块354可包括信号处理器。可使用信号处理器来接收并数字化所接 收到的信号（如，由图1-3的传感器所提供）从而提供经数字化的输出信号。

处理模块354可包括遥测发射机来将与来自装置300的输出信号相关联的 值通信至可能包括信号处理器的一个表面记录设备392。因此，表面记录设备 392和获取与处理电子元件可被用于将用于处理由装置300提供的信号的工作 分开。表面设备392可包括显示器（见图4-5的元件396）来显示与输出信号 相关联的值，诸如装置300的输出信号的数字化的版本，以及位于地层中的不 连续的图像。因此，很多实施例可被实现。

通常使用连接在一起的钻杆串执行油井和气井的钻井，钻杆连接在一起从 而形成钻柱，其将轮盘410下降至井眼或钻口412。现在参看图4，可见系统 464可如何形成位于井406的表面404处的钻机402的一部分。钻机402可提 供对钻柱408的支持。钻柱408可用于穿透转盘410，以钻出通过地下地层412 的钻孔412。钻柱408可包括主动钻杆(Kelly)416、钻杆418、和或许位于钻 杆418的下部的井底组件420。在一些实施例中，该装置300可被执行为钻柱 408或工具424的一部分。

井底组件420可包括钻环422、工具424、和钻头426（类似于或等于图3 的钻头310）。钻头426可用于通过穿透表面404和地下地层414来创建钻孔 412。工具424可包括数种不同类型的井下工具中的任何一种，包括MWD（随 钻测量）工具、LWD工具和其他工具。

在钻井操作期间，钻柱408（或许包括主动钻杆416、钻杆418和井底组 件420）可通过转盘410来旋转。除此以外或替换地，井底组件420还可通过 位于井下的电机（例如，抽泥马达）来旋转。钻环422可被用来将重量添加至 钻头426。钻环422还可用于使井底组件420变硬以允许井底组件420向钻头 426传递所添加的重量，并进而辅助钻头226穿透表面404和地下地层414。

在钻井操作期间，抽泥泵432可将钻井液（有时被本领域技术人员称为“钻 探泥浆”）从泥浆池通过软管436泵入到钻杆418中并向下泵到钻头426。钻 探液可从钻头426流出，并且通过钻管418和钻孔412侧面之间的环状区域440 返回到表面404。然后，钻探液可返回到泥浆池434，在该泥浆池中过滤这种 钻探液。在一些实施例中，可使用钻探液来冷却钻头426以及在钻探操作期间 提供对钻头426的润滑。另外，可使用钻探液来去除通过操作钻头414产生的 地下地层426的钻屑。

图5示出在测井电缆记录操作中的井。钻井平台486配备有支承起重机590 的铁架塔480。此处假设，钻柱已经被暂时从钻口412移除从而允许测井电缆 记录工具本体570，诸如携载音速工具的探针或探测器，由测井电缆或记录电 缆574拉下至钻孔412。一般，工具本体570被拉下至感兴趣的区域的底部， 且随后以基本不变的速度向上拉。

在向上的过程中，包括于工具本体570中的装置300可被用于当工具本体 经过时在钻孔412中执行测量。测量数据可被通信至表面记录设备392用于存 储、处理、和分析。记录设备392可被提供电子设备用于各种类型的信号处理， 这可由作为在以下权利要求中所要求保护的、和/或图示于图1-4中的装置或系 统的装置300的任意一个或多个组件实现。记录数据类似于可在钻井操作过程 （如，在随钻记录（LWD）操作过程中）中被收集和分析的那些。因此，附加 实施例可被实现。

例如，系统464、564可包括井下工具（如，工具424或工具本体570）和 一个或多个装置300。系统464、564可使用测井电缆或MWD工具实现。系统 464、564可进一步包括钻头426，从而一旦钻头426在地质地层414中转动， 可产生辐射能。

装置100、200、300；传感器102、104；钻头310、426；模块370-382； 设备392；显示器396；钻机402；井416；钻柱408；转盘410；井口412；地 层414；主动钻杆（Kelly）416；钻杆418；井底组件420；钻环422；井下工 具424；抽泥泵432；泥浆池434；软管436系统464、564；钻井平台486；起 重机480；铁架台490；工具本体570，和测井电缆574全都可被特征化为此处 的“模块”。此类模块可包括硬件电路系统、和/或处理器、和/或存储器电路、 软件程序模块和对象、和/或固件、以及其组合，如由装置300和系统464、564 的架构所期望的，并且适用于各种实施例的特定实现。例如，在一些实施例中， 此类模块可被包括在装置和/或系统操作模拟包中，诸如软件电信号模拟包、电 源使用和分配模拟包、电源/热消散、和/或被用于模拟各种潜在实施例的操作 的软件和硬件的组合。

应当理解，除了用于记录操作之外，各种实施例的装置和系统可在诸应用 中使用，并且各种实施例因此不被如此限定。对装置300以及系统464、564 的解说旨在提供对各种实施例的结构的一般理解，并且它们并不旨在充当对可 能利用本文中所描述的结构的装置和系统的所有元件和特征的完整描述。

可结合各实施例的新颖装置和系统的应用包括各电子系统，诸如电视机、 收集、个人计算机、工作站、收音机、视频播放器、车辆、和定位技术（如， GPS（全球定位系统）定位技术）、地热工具的信号处理、和智能换能器接口 节点遥测系统，以及其他。一些实施例包括数个方法。

图6是示出根据本发明各实施例的数种方法611的流程图。例如，用于执 行在地质地层中定位断裂的方法的在一个或多个处理器上执行的用处理器实 现的方法611可开始于框621。框621处的活动可包括，通过断裂地层的某部 分、通过断裂的自发起始、或通过在地质地层中旋转钻头、和其他机制，在地 质地层中激活弹性能的地下源。

三维井眼的存在（如，多边井）在一些实施例中是有用的，因为其允许经 由三角测量查看地下特征，其中置于井眼中的阵列中的传感器并不仅处于一个 平面内，因为它们可具有与井眼的二维偏移。因此，框621处的活动可包括钻 多边井眼，其中钻井被包括在该活动中，且其中传感器阵列被置于该井眼中。

方法611可继续到框625，来包括，在辐射能与地质地层交互后，从被激 活的源处接收辐射能作为散射能。可在地下多通道传感器阵列处接收该散射 能，该传感器阵列例如用于将散射能转换为所接收的信号。辐射能可由弹性能 的地下源（诸如断裂初始化、旋转的钻头、等）所提供。

如果散射能信息的获取完成，如在框629处所确定的，方法611可继续到 框633。否则，该方法611可返回至框621或625。

在框633，可指定至源的潜在距离范围。因此，在框633的活动可包括迭 代地指定地下源的至少三个潜在位置。

该方法611可继续到框637，进行估算波形特征。例如，可从弹性波形特 征中估算电磁源波形特征，这继而是从所接收到的信号中被估算的。因此，在 框637处的活动可包括从所接收到的信号直接确定的弹性源波形特征中估算第 一电磁波形特征。

还可直接从由传感器阵列接收到的信号中估算电磁源波形特征。因此，在 框637处的活动可包括直接从所接收到的信号中估算第二电磁波形特征。

同样，可从接收到的信号中估算弹性波形特征。因此，在框637处的活动 可包括使用弹性地层模型、源模型、和地下源的至少一个估算的源位置，从所 接收到的信号中直接估算弹性波形特征。

可同时使用弹性和电震信号数据产生电磁波形特征：可能经由压电效应和 /或磁致伸缩，当弹性波产生电磁波时，震电信号出现，当电磁波产生弹性波时， 电震信号出现。因此，框637处的活动还可包括估算与弹性信号相关联的弹性 导出的电磁波形特征、和与电磁信号相关联的经过滤的、时间反演的电磁波形 特征。

该方法611可进一步到框641，包括通过将所接收到的信号干涉测量比较 作为在传感器阵列中的一些传感器的弹性信号和/或电磁信号、或者通过将所接 收到的信号时间反演传播作为在地质地层的体积的数字模型中的弹性信号和/ 或电磁信号，来标识地质地层中的不连续特征。

如上所述，电磁波形特征的两个不同的推导项可被比较来改进不连续（其 可以是它们本身的源）的定位的估算。存在数种方法作出比较。当地震模型所 基于的假设的地质结构与负责所观察到的电磁信号的地质结构相匹配时，从弹 性波形特征预测的震电波形特征和所观察的电磁波形特征之间的误差的平方 之和应该被最小化。

可选地，或附加地，从弹性信号预测的震电信号和所观察到的震电信号之 间的互相关可被计算。经常对这样的分析应用各种归一化。使用这个或一些类 似的测量，可将该分布的中心设为峰值，且互相关结果的分布应该围绕这个峰 值对称。可将这个互相关结果与观察到的电磁信号的自相关相比较。可对于频 率范围内的比较给予更多的信任，其展现了两个信号之间（即，所观察到的电 磁信号和从地震信号与地层模型中导出的电磁信号之间）的更大程度的相干性

因此，在框641的活动可包括，经由卷积或最小平方拟合，将第一电磁波 形特征与第二电磁波形特征相比较，从而改进包括地下源的不连续特征的位置 的估算。

可为弹性信号和电震信号均估算随频率的谱功率趋势。因此，框641的活 动可包括估算谱功率随与电磁信号相关联的频谱的频率的趋势、以及谱功率随 与所估算的电磁源波形特征相关联的频谱的频率的趋势，其中所估算的电磁源 波形特征是从所估算的弹性信号波形特征中导出的。

频谱趋势的比值可被计算来确定它们与频率的关系，并被用于继续或停止 所估算的源间隔的迭代调整。因此，在框641的活动可包括计算谱功率随与电 磁信号相关联的频谱频率的趋势，以及谱功率随与从弹性信号波形特征导出的 所估算的电磁源波形特征相关联的频谱的频率的趋势，它们之间的频谱趋势比 值。进一步的活动可包括在调整辐射能的源的间隔后迭代该比值计算，直到该 比值随着小于所选择量的频率变化为止。

可使用与弹性和电震信号相关联的频谱趋势的比值，来确定源的所估算的 位置是否应该被增加、或被减少。因此，在框641的活动还可包括基于该频谱 趋势比值调整源间隔。

应当注意，本文中所描述的方法不必按所描述的次序或者任何特定的次序 来执行。另外，关于本文中所标识的方法所描述的各种动作可以按迭代、串行 或并行的方式来执行。为一个方法所描述的一些活动可被添加至另一个、且所 包括的一些活动可被省去。包括参数、命令、操作数和其他数据的信息可以按 一个或多个载波的形式来发送和接收。

图7是示出根据本发明各实施例制造的制品700的框图，包括特定机器 702。一旦读取和理解了本公开的内容，本领域技术人员将理解软件程序可从 基于计算机的系统中的计算机可读介质启动以执行该软件程序中定义的功能 的方式。

本领域技术人员还将理解可被用来创生被设计成实现和执行本文中所公 开的方法的一个或多个软件程序的各种编程语言。这些程序可以按面向对象的 形式使用诸如Java或C++之类的面向对象语言来构造。可选地，这些程序可以 按面向过程的格式使用诸如汇编或C之类的过程语言来构造。软件组件可使用 任何数目的对于本领域普通技术人员而言公知的机制来通信，诸如应用程序结 构或包括远程过程调用的进程间通信技术。各种实施例的教导不限于任何特定 的编程语言或环境。因此，其他实施例可被实现。

例如，所制造的架构700，诸如计算机、存储系统、磁或光盘、一些其他 存储设备、和/或任何类型的电子设备或系统，可包括耦合至诸如在其上存储有 指令712（如，计算机程序指令）存储器（如，可移除存储介质、和包括含有 有形介质的电、光、或电磁导体的任何存储器）之类的机器可读介质708的一 个或多个处理器704，当由该一个或多个处理器704执行指令712时，导致计 算机702执行相关于上述过程或方法描述的任何动作。

及其702可采用特定计算机系统的形式，具有直接、和/或使用总线716 耦合至多个组件的处理器704。因此，机器702可类似于或等同于图3中的装 置300、或者是图3-5所示的记录设备392。

现在转向图7，可见机器702的组件可包括主存储器720、静态或非易失 性存储器724、和大容量存储器706。耦合至处理器704的其他组件可包括诸 如键盘之类的输入设备732、诸如鼠标之类的光标控制设备736。诸如视频显 示器之类的输出设备728，可位于机器702之外（如所示），或制成机器702 的整体部件。

将处理器704和其他组件耦合至网络744的网络接口设备740也可被耦合 至总线716。使用数种已知传输协议（如，超文本传输协议）中的任何一种， 经由网络接口设备740，可将指令712在网络744上发送或接收。耦合至总线 716的这些部件中的任意可缺失、单独出现、或呈复数地出现，取决于将要实 现的特定实施例。

处理器704、存储器720、724、以及存储器设备706可各自包括指令712， 当指令被执行时导致机器702执行此处描述的任意一种或多种方法。在一些实 施例中，机器702作为独立设备操作或者可被连接（如，联网）至其他机器。 在联网环境中，机器702可在服务器-客户端环境中以服务器或客户机的能力操 作，或者在对等（或分布式）网络环境中作为对等机操作。

机器702可包括个人计算机（PC）、工作站、台式PC、机顶盒（STB）、 PDA、手机、网络设备、网络路由器、转换机或桥、服务器、客户机、或能执 行一组指令（顺序地或其他）引导由机器所采取的动作实现此处描述的方法和 功能的任何特定机器。进一步，尽管仅示出了单个机器702，术语“机器”还 可被认为包括任何机器的组合，其可独立地或结合地执行一组（或多组）指令 来执行此处描述的任何一个或多个方法。

尽管机器可读介质708被图示为单个介质，术语“机器可读介质”应该被 认为包括单个介质或多个介质，如，中央或分布式数据库、和/或相关联的缓存 和服务器、和/或各种存储介质，诸如处理器704的寄存器、存储器720、724、 就和存储设备706，存储一组或多组指令712。术语“计算机可读介质”还被 认为是包括能存储、编码或执行一组用于由机器执行并引起机器702执行本发 明的任何一个或多个方法的指令、或能存储、编码或执行由这样的指令所使用 或与这样的指令相关联的数据结构的任何介质。术语“机器可读介质”或“计 算机可读介质”都相应地被认为包括有形介质，诸如固态存储器和光学和磁性 介质。

各实施例可被实现为单机应用（如，没有任何网络能力）、客户机-服务器 应用或对等机（或分布式）应用。除了被售卖或经由传统通道授权外，实施例 还可由例如软件作为服务（SaaS）、应用服务提供商（ASP）、或公用计算提 供商所采用。

使用所公开的装置、系统和方法，石油获取行业和其他行业现在能以较高 级别的置信度在地层中定位不连续，诸如断裂。例如，获取操作因此可受益于 用增加的准确度和效率获取的结果。

构成本文的一部分的附图藉由解说而非限定示出了在其中可实践主题内 容的具体实施例。所解说的实施例是以充分详细以使本领域技术人员能够实践 本文中所公开的教导的方式来描述的。可从本公开文本中使用并推导出其他实 施例，由此可进行结构性的或逻辑性的替代和改变，而不脱离本公开的范围。 因此，本详细描述不具有限定意义，并且各种实施例的范围仅由所附权利权利 要求连同这些权利要求授权的等效物的全部范围一起来定义。

发明的主题内容的此类实施例可在本文中被个体地和/或集合地由术语“发 明”来述及，这仅仅出于便利目的，而不旨在将本申请的范围限制到任何单个 发明或发明概念（若一个以上发明或发明概念实际上已被公开）。因此，虽然 在本文中解说并描述了特定实施例，但应当领会，被打算成达成相同目的的任 何布置可被用于替代所示出的特定实施例。本公开旨在覆盖各种实施例的所有 改变或变形。本领域技术人员在阅读了以上描述之后将熟知上述实施例的组合 以及在此没有特别描述的其他实施例。

提供本公开的摘要以遵循37C.F.R.§1.72(b)节，其要求将允许读者能快速 明白技术公开的本质的摘要。应理解，它将不用于解读或限制权利要求的范围 或含义。此外，在前述的详细描述中，为使本公开更为流畅的目的，可将各种 特征编组在单个实施例中。本公开的方法不应被解读为反映下述意图：所要求 保护的实施例需要比在每一权利要求中明确表述的特征更多的特征。相反，如 所附权利要求反映的，发明主题可在于比单个公开实施例的全部特征更少的特 征。因此，以下权利要求被纳入详细描述中，其中每一项权利要求独自作为单 独的实施例。