用于采用表面地震或表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的3d图像的系统和方法
用于采用表面地震或表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的3d图像的系统和方法
【专利说明】用于采用表面地震或表面到井眼地震或两者生成岩层的非 线性特性的3D图像的系统和方法
[0001] 交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月27日提交的美国临时专利申请No. 61/730417的优先权， 通过引用将该申请全文并入本文。
[0003] 政府权利
[0004] 本发明的一部分是在政府的支持下做出的（在美国能源部授予的编号为 DE-AC52-06NA2539 的合同下），并且一部分是在LLC的LosAlamosNationalSecurity的 合作研发和开发协议（CRADA)N〇.LA05-C10518之下做出的。政府可享有本发明的某些权 利。
技术领域
[0005] 本发明总体上涉及采用表面地震对岩层进行声探询，且更具体而言涉及用于采用 表面地震或者表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的2D和3D图像的系统和方 法。文中采用的"表面地震"一词包括从大约10米的深度到大约1千米的深度的地震波传 播。
【背景技术】
[0006] 声波在固体物质当中的非线性行为可以与固体物质中的裂缝或其他损伤相关，并 且有可能与应力状态和流体饱和相关。在80年代后期，岩石的非线性行为在理论和试验上 得到了研宄和确立。Guyer和Johnson(Non-LinearMesoscopicElasticity,Wiley1999) 以及Ostrovsky和Johnson(RivistadelNouvoCimento，Vol. 24,No. 7, 2001)对此给出了 概述。
[0007] 决定声波在弹性介质中的非线性相互作用的一般理论是公知的，如 Landau&Lifshitz,TheoryofElasticity, 3rdedition,PergamonPress,Oxford, 1986 所 描述的。存在被称为选择定律的具体运动学特性，其决定两个声束或声平面波之间的非 线性、非共线相互作用，如Jones,G.L.&D.R.Korbett,Interactionofelasticwavesin anisotropicsolid,J.Acoust.Soc.Am. ,35, 5-10 (1963)所公开的。根据所述选择定律， 由第一声波和第二声波的非线性混合得到的第三平面波或射束波等于第一平面波的频率 fl和第二平面波的频率f2之间的频率差。此外，根据选择定律，在第一和第二平面波的相 交区带内，针对所述介质的任何特定泊松比而言，只能以第一和第二平面波的特定交角和 频率比来生成第三平面波。Korneev,Nihei和Myer.(NonlinearInteractionofPlane ElasticWaves,LawrenceBerkleyNationalLaboratory,EarthScienceDivision,June 1998,LBNL414914)提供了对两个非共线声平面波之间的相互作用的更加全面的计算。
[0008] 具有非线性声探头的基本遥感系统一般由处于两个隔开位置处的两个声源和处 于与该声源不同的位置处的声波探测器阵列构成。所述两个声源能够生成第一和第二声波 (例如，第一和第二声束波），它们在所要探查的介质内的不同的位置处相交。能够通过第 一和第二声波与所述介质的非线性相互作用来生成第三声波（例如，第三声束波）。之后， 在接收器阵列处检测到所述第三声波。
[0009] D'Angelo等（美国专利No. 5521882)、Leggett等（美国专利No. 73〇1852)、 Khan(美国专利No. 6175536)和Johnson等（美国专利申请公开文本No.US2010/0265794) 描述了针对井眼环境内的具体应用所设计的各种系统。这些系统提供了对源自于第一和第 二声波与介质的非线性相互作用的复杂干涉图样的测量。
【发明内容】
[0010] 作为本发明的一个方面，提供了一种用于根据非线性相互作用来表征介质的特性 的方法。所述方法包括：通过设置在介质表面上的第一声源生成第一声波；以及通过设置 在介质表面上的沿第一线与所述第一声源隔开的第二声源生成第二声波，其中，第一声源 和第二声源是可控制的，从而使第一和第二声波的轨迹在介质内的混合区带内相交。所述 方法还包括：通过置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器接收通过第一声波和第 二声波在所述混合区带内的非线性混合过程生成的第三声波；以及基于所接收到的第三声 波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第一平面内的所述介质的非线性 特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第一二维图像。
[0011] 在一个实施例中，所述方法还包括将所述第一声源、第二声源移动到第二线，并基 于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平面内 的所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的第二二 维图像。在一个实施例中，可以使所述介质的第一二维图像和所述介质的第二二维图像结 合，来建立所述介质的三维图像。
[0012] 本发明的另一方面提供了一种用于根据非线性相互作用来表征介质的特性的系 统。所述系统包括设置在介质表面上的第一声源，所述第一声源被配置为生成第一声波；以 及设置在介质表面上的沿第一线与第一声源隔开的第二声源，所述第二声源被配置为生成 第二声波，其中，第一声源和第二声源是可控的，从而使得第一和第二声波的轨迹在介质内 的混合区带内相交。所述系统还包括置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器，所 述接收器被配置为接收由第一声波和第二声波在混合区带内的非线性混合过程所生成的 第三声波；以及被配置为基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有 所述第一线的第一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一 比值或两者的第一二维图像。
[0013] 在一个实施例中，所述第一声源和第二声源可移动到第二线，并且所述处理器还 被配置为基于所接收到的第三声波在大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平 面内建立所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的 第二二维图像。在一个实施例中，可以通过所述处理器使所述介质的第一二维图像和所述 介质的第二二维图像结合，来建立所述介质的三维图像。
[0014] 参考附图考虑以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他目的、特征和特性， 以及相关结构元件的操作方法和功能，以及各部分的组合和制造的经济性，将变得更加清 楚，所有附图都形成本说明书的一部分，其中在各幅图中类似的附图标记表示对应部分。不 过要明确理解，附图仅仅为了例示和描述，并非意在作为本发明限度的界定。如说明书和权 利要求中所用的那样，单数形式"一"、"一个"和"该"包括多个指示物，除非语境明确做出 其他说明。
【附图说明】
[0015] 图1是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的用于地表地震应 用的配置；
[0016] 图2是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0017] 图3是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0018] 图4是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0019] 图5示出了根据本发明的实施例由第一源生成的第一声信号、第二源生成的第二 声信号以及在非线性混合区带内由第一声信号和第二声信号的非线性混合产生的第三声 信号；
[0020] 图6A和6B分别示出了根据本发明的实施例的来自第一声源和第二声源的编码信 号；
[0021] 图7A示出了根据本发明的实施例的在接收器阵列的六个接收器处接收并记录的 两个脉冲序列的广播而产生的非线性作用所生成的计算仿真信号；
[0022] 图7B示出了根据本发明的实施例的用于在接收器阵列处提取相关信号的模板信 号；
[0023] 图7C示出了根据本发明的实施例的图7B所示的模板信号与图7A所示的每个所 考虑的接收器处的记录或测量信号的相关处理的结果；
[0024] 图8A示出了根据本发明的实施例的在接收器阵列的6个接收器处记录的含有噪 声的仿真接收信号；
[0025] 图8B示出了根据本发明的实施例的模板信号的例子；
[0026] 图8C示出了根据本发明的实施例的当图8B所示的编码模板信号与图8A所示的 噪声信号相关时从相同接收器的噪声信号所得到的信号；
[0027] 图9示出了根据本发明的实施例在介质具有恒定的声传播速度但是具有变化的 非线性地球参数时，对于第一声信号和第二声信号之间的起始时间差S和频率比d的对 (S，d)而言，在含有第一声源和第二声源的平面中的位置混合区带Mc(S，d)中的位置；
[0028] 图10示出了根据本发明的实施例的第一声源是用于生成声波的源，且第二声源 生成锥形声广播的情况；以及
[0029] 图11是根据本发明的实施例的用于实施地震测量方法的计算机系统。
【具体实施方式】
[0030] 图1是地球截面图，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的用于地表地震应用 的配置。在这一实施例中，公开了处于地表14上的相互隔开的第一和第二声源（例如，振 动器阵列）10和12。第一声源（S1) 10被配置为以第一频率n生成第一声波11，且第二声 源（S2) 12被配置为以不同于第一频率fl的第二频率f2生成第二声波13。文中采用的"声 波" 一词包括所有类型的弹性波。第一声源10和第二声源12可以包括一个或多个声波发 生元件（例如，振动元件）。声源10中的一个或多个声发生元件（例如，声学元件阵列）可 以被配置为将第一声波11朝向预期方向转向或指引。类似地，声源12中的一个或多个声 发生元件（例如，声学元件阵列）可以被配置为将第二声波13朝向预期方向转向或指引。 例如，第一声波11和第二声波13可以被指引，从而使第一和第二声波11和13在地表14 下面的岩层17的预期区域或者混合区带18内相交。换言之，第一声源10和第二声源12 可以被控制，从而使得第一和第二声波11和13的轨迹在岩层17内的混合区带18内相交。 声源10和声源12可以被配置为生成声束或声锥。接收器阵列（R) 16还被设置到地表14 上与第一声源10和第二声源12隔开的位置处。接收器阵列16位于含有第一声源10和第 二声源12的平面内。在一个实施例中，接收器阵列16与第一声源10和第二声源12位于 同一条线上。接收器阵列16被配置为检测返回地表14的第三声波15,第三声波15是由第 一声波11和第二声波13在岩层17内的混合区带18中的非线性相互作用而生成的。两个 波11和13之间的位置处（即混合区带18处）的地球的非线性特性导致了第三波15的生 成。第三波15的强度是混合区带18内的岩石的非线性度的函数。
[0031] 第三声波15具有等于第一频率fl和第二频率f2之间的差的频率f3。例如，在 具有频率fl的初级（primary)压缩（P)第一波和具有频率f2的初级压缩（P)第二波在非 线性介质内交叉或相交时，能够生成第三剪切（SV)波，其具有等于第一频率fl和第二频 率f2之间的差的频率f3。能够将这种类型的相互作用写为（P+P-SV)。尽管文中讨论了 P+P-SV的相互作用，但是应当认识到还可以设想其他类型的相互作用。下述讨论同样适 用于P+SV-SV或者两个弹性波（即压缩P波或剪切波（SV和SH模式））的非线性混合的 任何排列用以生成第三波。在下面的表1当中提供了其他类型的相互作用的例子，其中n 代表完整的排 列列表。
[0032] 表 1
[0034] 在一个实施例中，声源10和12是二维阵列声源，其被配置为能够以指定射入角 (例如，以等于零的固定方位角）向下射出分别处于第一频率fl和第二频率f2的地震能 束。在一个实施例中，接收器阵列16也可以是二维阵列。
[0035] 非共线非线性混合的选择定律决定着第一声波11的第一频率fl和第二声波13 的第二频率f2之间的关系。选择定律还决定着第一声波11的第一波矢量kl和第二声波 13的第二波矢量k2之间的交角0，以及压缩波速度Vp和剪切波速度Vs之间的速度比Vp/ Vs及第三声波15的第三波矢量k3和第一声波11的第一波矢量kl之间的角9。
[0036] 在一个实施例中，采用声波矢量k3、k2和kl之间的三角学关系（其中，k3等于kl 和k2之间的差（k3 =kl-k2))和选择定律，能够确定下述角度关系。在发明名称为"SYSTEM ANDMETHODFORINVESTIGATINGSUB-SURFACEFEATURESOFAROCKFORMATIONUSING COMPRESSIONALACOUSTICSOURCES"的美国专利申请No. 13/292908中提供了对这些关系的 详细描述，通过引用将其全部内容并入本文。
[0039] 通过改变射束方向角（S卩，通过改变角度0 )以及频率fl和频率f2之间的比f2/ fl，混合区带能够被置于沿着含有第一声源10、第二声源12和接收器16的平面的所有位置 处。根据方程⑴和方程（2)，能够由在接收器16中检测到的返回信号导出和映射Vp/Vs。 所接收到的第三波的幅度与混合区带处的地球的非线性特性成比例。其允许构造出描述直 接处于声源10和声源12的区域之下的平面内的所述Vp/Vs比或所述幅度或两者的地球图 像。
[0040] 图2是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置。在这一实施例中，类似的附图标记表示图1所示的类似元件。不过，在图2 中，置于地表14上的第一声源10、第二声源12和接收器16能够在主侧线（inline)方向上 移动。具体而言，如图2所示，置于地表14上的第一声源10、第二声源12和接收器16依 次从主侧线方向20-1移动到主侧线方向20-2,再移到主侧线方向20-3……最后移到主侧 线方向20-N，其中，N可以是任何整数。在每个主侧线方向20-1、20-2、20-3……20-N，执行 测量。因此，在主侧线方向20-1到20-N的每个处重复测量。通过这种方式，能够构造出或 者获得沿线20-1、20-2、20-3……或20-N的垂直面内的或者大体垂直于地表14并含有线 20-U20-2或20-N的平面内的地下非线性特性的二维（2D)图像。通过使整个设置（即第 一声源10、第二声源12和接收器16)在地表14上沿基本上垂直于线20-1、20-2、20-3等 的方向移动距离D来重复沿线的测量。距离D在两条相继的线之间（即在20-1和20-2之 间、20-2和20-3之间等等），可以是相同的也可以是不同的。在主侧线位置20-1、20-2、 20-3……20-N的每个上执行测量，以获得非线性特性的另一个2D图像。通过沿多条线进 行重复测量，能够获得非线性特性的多个2D图像，因而能够获得地表14下面的地球的非线 性特性的3D图像。所述3D图像通过采用地震行业内常用的3D地震处理成像技术合并所 述多个2D图像来建立。换言之，沿线20-l、20-2、20-N的每个所获得的地球的非线性特性 的二维图像的每个代表地表14下面的地球的非线性特性的3D图像的片层。
[0041] 在图2中，第一声源10和第二声源12被示为一起沿基本上垂直于线20-U20-2 等的轴移动，同时在源10和12之间保持相同的间隔。但是，可以认识到第一声源10和第 二声源12之间的间隔从一个主侧线位置（例如，线20-1)到另一个主侧线位置（例如，线 20-2或线20-3等）也可能存在变化。此外，接收器30与源10或12之一之间的间隔能够 保持恒定，或者从一个主侧线位置到另一个主侧线位置存在变化。
[0042] 图3是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置。这一实施例在很多方面与上文联系图1所描述的实施例类似。在图3中， 采用相同的附图标记指示与图1中相同的元件。不过，在这一实施例中，在井眼32内提供 接收器30。接收器或接收器阵列（R) 30被设置在与第一声源10和第二声源12隔开的位置 处。接收器30被置于含有第一声源10和第二声源12的平面内。接收器30被配置为检测 第一声波11和第二声波13在岩层17内在混合区带18处的非线性相互作用而生成的第三 声波35。两个波11和13之间的位置处的（即混合区带18处的）地球的非线性特性导致 了第三波35的生成。第三波35的强度是混合区带18内的岩石的非线性度的函数。
[0043] 与上面的图1的实施例类似，第三声波35具有等于第一声波11的第一频率fl和 第二声波13的第二频率f2之间的差的频率f3。
[0044] 非共线非线性混合的选择定律决定着第一声波11的第一频率fl和第二声波13 的第二频率f2之间的关系。所述选择定律还决定着第一声波11的第一波矢量kl和第二 声波13的第二波矢量k2之间的交角0，以及压缩波速度Vp和剪切波速度Vs之间的速度 比Vp/Vs及第三声波35的第三波矢量k3和第一声波11的第一波矢量kl之间的角9。
[0045] 通过在井眼32内提供接收器30,能够降低第三声波35的第三波矢量k3与第一 声波11的第一波矢量kl之间的角度9,从而进一步促进对声波35的检测。可以认识到，可 以按需来改变井眼32内的接收器30的位置，以检测声波35。此外，尽管将井眼32示为相 对于地表14相对垂直，但是应当认识到井眼不限于这一配置。实际上，在一个实施例中，井 眼32可以相对于地表14成一定角度或倾斜。在另一实施例中，井眼32可以是弯曲的。例 如，井眼32可以是弯曲的，从而使井眼32的一部分可以是相对水平的。接收器30可以被 置于井眼32的任何部分内，包括相对于表面14倾斜或成角度的部分内，或者置于弯曲井眼 的相对水平的部分内。
[0046] 图4是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置。这一实施例在很多方面与上文联系图2所描述的实施例类似。因此，在这 一实施例中，类似的附图标记表示图2所示的类似元件。不过，在图4中，第一声源10和第 二声源12被置于地表14上并间隔开，并且它们一起绕井眼32的轴移动。如图3所示，接 收器30被置于井眼32内。如图4所示，第一声源10和第二声源12绕井眼32的轴（即穿 过接收器30的轴）以圆圈形式移动或旋转，从而依次从主侧线方向40-1移到主侧线方向 40-2,之后移到主侧线方向 40-3、40-4、40-5、40-6、40-7、40-8、40-9、40-10、40-11，且最后 移到主侧线方向40-N，其中，N可以是任何整数。在每个主侧线方向40-1、40-2、40-3…… 40-N上执行测量。
[0047] 在主侧线方向40-1到40-N的每个上重复测量。通过这种方式，能够构建或者获 得沿线40-1、40-2、40-3......40-N的垂直面内的地下非线性特性的二维（2D)图像。通过使 第一声源10和第二声源12在地表14上绕井眼32的轴移动预期的角度间隔a来重复沿 线的测量。角间隔a在两条相继线之间（即40-1和40-2之间，40-2和40-3之间等等） 可以是相同的，也可以是不同的。在主侧线位置40-1、40-2、40-3......40-N的每个上执行测 量，以获得非线性特性的另一个2D图像。通过沿多条线重复测量，能够获得非线性特性的 多个2D图像，接下来采用地震行业内的各种3D成像技术来合并所述多个2D图像，以建立 绕井眼32的地表14之下的地球的非线性特性的3D图像。在图4中，将第一声源10和第 二声源12示为一起绕井眼32的轴移动或旋转，同时保持其间相同的间隔。但是，应当认识 到第一声源和第二声源之间的间隔从一个主侧线位置（例如，线40-1)到另一个主侧线位 置（例如，线40-2或线40-3等）也可能存在变化。此外，井眼内的接收器30的位置（处 于某一深度）能够保持恒定或者从一个主侧线位置或角位置到另一主侧线位置或角位置 发生变化。类似地，接收器30与源10或12之一分开的径向距离能够保持恒定或者从一个 主侧线位置或角位置到另一主侧线位置或角位置发生变化。
[0048] 尽管上文在参考图1-4的同时描述了两种配置，但是应当认识到，所述源和接收 器布置或配置不限于关于图1-4所描述的配置，而是可以包含其他布置或配置。例如，在一 个实施例中，可以将一个声源置于井眼内，同时将另一声源和所述接收器置于表面上。在另 一实施例中，可以将一个声源置于表面上，同时将另一声源和所述接收器置于井眼内。此 外，在其他实施例中，可以将第一源和第二源置于两个不同的井眼内，同时可以将接收器置 于表面上，或者可以将一个源和接收器置于两个不同的井眼内，同时将另一个源置于表面 上。
[0049] 在一个实施例中，有可能对分别来自声源10和12的声波11和13进行编码，并且 检测介质的非线性响应或者声波15、35并在计算机上对检测到的非线性声波15、35进行处 理，以生成带限的尖峰声信号，该带限的信号模拟了发生在所述介质或者地下岩层内在所 述经编码的声波11和13的非线性相互作用混合区带18内的微地震事件。文中将所述带 限的尖峰声信号称为源自于非线性相互作用的模拟微地震事件。本公开的各种实施例描述 了一种方法和一种系统，以：
[0050]a)建立源和接收器的适当测量配置，从而对介质进行远程勘探，并检测介质的非 线性响应；
[0051] b)对声源信号进行编码；
[0052] c)在处理器上对经编码的检测信号进行处理，从而在探测器或接收器处生成对应 于介质内的具体位置处的模拟微地震事件的测量响应，其中，事件的强度与介质的非线性 特性成比例；
[0053] d)对所述模拟微地震事件进行处理，以生成所述介质的非线性特性的三维2D或 3D图像和传播速度模型。
[0054] 在一个实施例中，所述第一声源（S1) 10和（S2) 12被配置为生成编码声信号。换 言之，分别由声源10和12生成的声波11和13包括编码声信号。可以对编码方案进行选 择，从而获得介质内的预期混合特征。
[0055] 在一个实施例中，两个初级声波11和13的编码信号可以在所述介质或者地下岩 层17内混合，并通过非线性相互作用来生成第三声波15、35的继承特定编码信号。对由介 质17内的非线性相互作用得到的编码返回信号15、35的测量结果可以与模板编码信号进 行相关，所述模板编码信号可以根据发生混合的区域内的非线性混合的选择定律来计算。
[0056] 例如，在给定声波11和13内的初级编码声信号之间的适当起始时间差S并且给 定声波11和13内的编码声信号的频率fl和f2之间的频率比的情况下，由非线性相互作 用的每个区带所生成的结果信号对应于第三声波15、35。例如，可以例如通过相关处理技 术对第三声波15、35进行解码，从而隔离出或者找到源自于非线性相互作用或者由其而生 成的声脉冲信号。可以将解码声脉冲信号看作是由模拟微地震事件生成的频率带限的声信 号，所述模拟微地震事件是在两个初级波11和13的波前的相交处生成的。脉冲的强度与 相互作用区带18的非线性特性以及初级波11和13的应变幅度的乘积成比例。到接收器 16、30的传播时间对应于从声源10或声源12到非线性相互作用区带（相互作用区带或混 合区带）18的核心（locus)的传播时间与第三波16A从相互作用区带18的核心到接收器 16、 30的传播时间之和。
[0057] 图5示出了根据本发明的实施例由第一源10生成的第一声信号Ul、第二源12生 成的第二声信号112以及在非线性混合区带18内由第一声信号ui和第二声信号u2的非线 性混合产生的第三声信号u3。
[0058] 在一个实施例中，第一声源10广播压缩（P)波（例如，平面波或束波），其中ujf 号包括多个或者一系列的声信号脉冲。在一个实施例中，所述多个声脉冲在时间上隔开，从 而使所述脉冲不存在重叠。每个脉冲具有处于中心频率处的调制声信号，其中，m等于 1到M，且M是第一多个脉冲当中的脉冲数量。每个声脉冲具有振幅包络，其具有给定的持 续时间。在整个信号广播过程中，广播中心频率以固定时间间隔顺次出现（staged)。
[0059] 第二声源12广播压缩（P)波（例如，平面波或束），其中u2信号包括多个或者一 系列的声信号脉冲。u2信号的第二多个声脉冲所具有的脉冲中心之间的时间间隔与u:信 号的第一多个脉冲的脉冲中心之间的时间间隔相同。每个脉冲具有处于中心频率 处的调制声信号，其中，m等于1到M，且M是第一多个脉冲的脉冲数量，d是所有脉冲的固 定频率比。每个声脉冲具有振幅包络，其具有持续时间。应当认识到这里将符号用作 乘法算子。
[0060] 图5示出了所述广播编码信号的实施例，其中示出了 Ul信号的所述多个脉冲的前 三个脉冲。第一声信号…被描绘为具有第一脉冲22A、第二脉冲22B和第三脉冲22C。在时 间^处生成第一脉冲22A。所述第一脉冲具有时间宽度或持续时间Ati。第一脉冲22A具 有第一包络221A，且其内的第一调制信号具有第一中心频率。在时间&处生成第二脉 冲22B。所述第二脉冲具有时间宽度或持续时间At2。第二脉冲22B具有第二包络221B， 且其内的第二调制信号具有第二中心频率。在时间&处生成第三脉冲22C。所述第三 脉冲具有时间宽度或持续时间At3。第三脉冲22C具有第三包络221C，且其内的第三调制 信号具有第三中心频率《 3。在一个实施例中，例如，如图5所示，第一脉冲22A的第一包络、 第二脉冲22B的第二包络和第三脉冲22C的第三包络是不同的。但是，脉冲22A、22B和22C 的包络可以是相同的。在一个实施例中，第一频率、第二频率《2和第三中心频率《 3是 不同的。所述第一多个脉冲22A、22B和22C在时间上间隔开（心不同于12,t2不同于13)。 此外，例如，两个相继的脉冲22A和22B的中心频率（例如，〇^和《 2)是不同的。尽管在 图5中将第一信号Ul描绘为具有3个脉冲，但是应当认识到，第一声信号ui可以具有一个 或多个脉冲（即，m等于1到M个脉冲，其中M是大于或等于1的整数）。
[0061] 第二压缩声源12广播许多频率（d*?m)的声信号，其中，d是所有m值的固定频率 比，并且振幅包络和频率按照与第一声信号…相同的固定时间间隔依次排列。例如，如图5 所不，第二声信号被描绘为具有第一声脉冲24A、第二声脉冲24B和第三声脉冲24C。第一 脉冲24A是在时间（ti+S)处生成的，其中，S是第一声信号和第二声信号的生成之间的起 始时间差。换言之，S对应于第一多个脉冲22A、22B和22C的广播的起始时间和第二多个 脉冲24A、24B和24C的广播的起始时间之间所提供的起始时间差。第一声脉冲24A具有第 一包络241A，其内的第一调制信号具有第一中心频率其中，d是第一声信号Ul中的 声脉冲22A、22B或22C内的调制信号分别与第二声信号112中的对应声脉冲24A、24B或24C 内的调制信号的频率之间的频率比。在时间（t2+S)处生成第二声脉冲22B。第二声脉冲 24A具有第二包络241B，其内的第二调制信号具有第二中心频率（d*?2)。在时间（t3+S) 处生成第三声脉冲24C。第三脉冲24C具有第三包络241C，且其内的第三调制信号具有第三 中心频率（d*?3)。在一个实施例中，例如，如图5所示，第一声脉冲24A的第一包络、第二 声脉冲24B的第二包络和第三声脉冲24C的第三包络是不同的。但是，脉冲24A、24B和24C 的包络也可以是相同的。在一个实施例中，第一中心频率（(!*?〇、第二中心频率（d*?2) 和第三中心频率（d*?3)是不同的。所述第二多个脉冲当中的两个相继脉冲（例如，24A和 24B)的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个对应脉冲（22A和22B)的中 心之间的时间间隔相同。在一个实施例中，所述第一多个脉冲当中的两个相继脉冲（例如， 22A和22B)的中心之间的时间间隔可以大于每个脉冲的持续时间（即，大于持续时间A& 和持续时间At2)。尽管在图5中将第二声信号u2描绘为具有3个脉冲，但是应当认识到 第二声信号u2可以具有一个或多个脉冲（即m个脉冲，其中，m是大于或等于1的整数）。 [0062] 可以分别通过下述关系式（3)和（4)来数学地表示声信号+和u2。
[0066] 其中，m是与脉冲相关的索引编号（indexnumber);
[0067] E表示在索引m= 1到M上的求和，M是大于或等于1的整数；
[0068] Elm(t_tm)是第一声信号Ul的脉冲m的振幅包络；
[0069] E2m(t-tm_S)是第二声信号u2的脉冲m的振幅包络；
[0070] ?m是第一声信号ui的脉冲m的调制信号的中心频率；
[0071] (d*?m)是第二声信号u2的脉冲m的调制信号的中心频率；
[0072] d是频率和频率之间的频率比，其中，d是正实数；
[0073] S是第一声信号Ul和第二声信号u2的发生之间的起始时间差；
[0074] exp(i?m(t_tm))是第一声信号Ul的脉冲m内的调制信号；
[0075] exp(id*?m(t-tm_S))是第二声信号u2的脉冲m内的调制信号；
[0076] tm是脉冲m在第一声信号ui中被生成的时间；
[0077] tm+S是脉冲m在第二声信号u2中被生成的时间；以及
[0078] exp(iGm)是第一信号Ul或第二信号u2内的每个脉冲m的相位项。
[0079] 在一个实施例中，两个相继脉冲m和m+1的频率《_"和《m+1选择为彼此不同，使得 频率《m+1之间的差（该差被表示为（《m-?m+1))与《m相比不小。在一个实施例中， 频率《m的范围相对较大，其跨越一个或多个倍频程（octave)。在一个实施例中，两个相邻 时间段&和12之间的时间间隔大于脉冲m的持续时间Atm(其中，m是大于或等 于1的整数）。换言之，相继脉冲m和m+1之间的时间差大于Atm(即Atm< < (tm+1_tm))，且相继脉冲m_l和m之间的时间差（H)大于Atm (即Atm< < (tu-t^))。
[0080] 当第一声信号Ul和第二声信号u2在某一距离处非线性混合时，所述非线性混合 生成第三声信号u3。所述第三声信号u3包括一系列声脉冲，每个声脉冲具有包络和调制信 号。对于信号U3中的第m个脉冲而言，u3信号中的第m个脉冲的调制信号具有等于第一声 信号的调制信号的频率和第二声信号的调制信号的频率（d*?m)之间的差的中心频率， 即 〇m-d*?m)或（（l_d)*?m)。
[0081] 例如，如图5所示，第三声信号u3被描绘为具有第一声脉冲26A、第二声脉冲26B 和第三声脉冲26C。这些脉冲26A、26B和26C是在第一声信号的生成和第二声信号的生成 之间的起始时间差S等于'和^之间的时间差时在混合区带处生成的，其中，!\是第一声 信号+从第一声源10到混合区带18的中心的传播时间，且T2是第二声信号u2从第二声 源12到混合区带18的中心的传播时间。在时间接收第一脉冲26A，其中，T3是 从生成第三信号的混合区带18的中心到接收器16、30的传播时间。在一个实施例中，两个 相继脉冲（例如，脉冲26A和26B)的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个 对应相继脉冲（22A和22B)的中心之间的时间间隔相同。
[0082] 第一脉冲26A具有包络261A，其内的第一调制信号具有第一中心频率（1-dhc^。 脉冲26A的包络宽于第一信号1^中的脉冲22A和第二信号u2中的脉冲24A的包络。该第 一中心频率（1-d)*%对应于第一信号11:中的第一脉冲22A的中心频率《i和第二信号 u2中的第二脉冲24A的中心频率（d*?D之间的频率差。在时间h+Ti+l#接收第二脉冲 26B。第二脉冲26B具有包络261B，其内的第二调制信号具有第二中心频率（l-d)*?2。脉 冲26B的包络宽于第一信号1^中的脉冲22B和第二信号u2中的脉冲24B的包络。该第二 中心频率（l-d)*?2对应于第一信号1中的第二脉冲22B的中心频率《 2和第二信号112中 的第二脉冲24B的中心频率（d*?2)之间的频率差。在时间接收第三脉冲26C。 第三脉冲26C具有包络261C，且其内的第三调制信号具有第三频率（l-d)*?3。脉冲26C的 包络宽于脉冲22C和脉冲24C的包络。该中心频率（1-(1)*?3对应于第一信号1^中的第三 脉冲22C的中心频率和第二信号u2中的第三脉冲24C的中心频率（d*? 3)之间的频率 差。因此，所述第三多个脉冲中的每个脉冲（例如，脉冲26A、26B或26C)在接收器处的抵 达时间相对于所述第一多个脉冲的对应脉冲（22A、22B或22C)的生成都发生了时间延迟， 该延迟为从第一声源到混合区带的中心的传播时间0\)和从混合区带的中心到接收器的 传播时间（T3)的和。
[0083] 可以通过下述数学公式（5)表示由第一和第二信号在非线性介质17内在混合区 带18处的非线性相互作用而生成的第三信号u3。
[0085] 其中，m是与每个脉冲相关的索引编号；
[0086] E表示在索引m= 1到M上的求和，M是大于或等于1的整数；
[0087] ESjt-VTi)是第三信号u3的脉冲m的振幅包络；E3，略宽于El，E2 m的包络 函数，其可以由EljPEZm、《m、d以及混合区带的尺寸计算出来；
[0088] (1-d)*?m是第二彳目号u3的脉冲m的调制彳目号的中心频率；
[0089] d是频率《m和频率d* ?m之间的频率比，其中，d是正实数；
[0090] exp(i(l_d) * ?m* (t-m))是第二/[目号u3的脉冲m内的调制{目号；
[0091]k+Ti+l是接收到第三信号u3中的脉冲m的时间；
[0092] exp(iGm)是第三信号u3内的每个脉冲m的相位项。
[0093] 在一个实施例中，在1^-1=S时（即在第一声信号Ul的脉冲m到混合区带18的 中心的传播时间和第二声信号u2的脉冲m到混合区带18的中心的传播时间T2之间的 时间差等于第一声信号ui的脉冲m的生成和第二声信号u2的脉冲m的生成之间的起 始时间差S时）并且第一声信号的脉冲m内的调制信号的频率和第二声信号的脉冲m 内的调制信号的频率之间的频率比满足方程⑴时，两个编码广播信号uJPu2的所 有脉冲完全对准，以生成第三波113，其中，所述编码信号如图5所示。其可以表明，在没有强 吸收Q传播效应的情况下，第三波是来自混合区带18的中心的有效广播，其具有以下的方 程（5)的继承编码信号u3。
[0094] 例如，如果Elm(t)和E2m(t)被选择为高斯函数，那么可以通过方程（6)来表示第 一声信号~的脉冲m的包络Elm(t-tm)和E2m(t-tm)的幅度。
[0095] Elm(t-tm) =E2m(t-tm) =exp(-(t-tm)2/4(Atm)2) (6)
[0096] 并且如果混合区带相对较大的话，能够通过方程（ 6)表示包络E3m(t-tm)的幅度。
[0097] E3m(t-tm) =exp(-(t-tm)2/8(Atm)2) (7)
[0098] 例如，如果Elm(t)和E2m(t)被选择为高斯函数，那么可以通过方程（6)表示第一 声信号七的脉冲m的包络Elm(t_tm)和E2m(t_tm)的幅度。
[0099] 如果不满足1^=S的条件或者d不满足方程（4)，那么每个脉冲的选择定律就 无法被满足。因此，所产生的第三波u3将减弱或衰减。应当指出，如果地球吸收Q效应大， 那么通过方程（3)表达的所产生的第三信号将存在额外的复杂性。
[0100] 如果Ti-TfS并且d满足方程（1)，那么16、30处的接收器R处的检测信号 u3 (R，t)将为从混合区带M。18的中心发出的广播信号u3 (M。，t)，该信号存在传播时间1~3的 时间延迟。可以通过下述方程（7)表示接收器处的信号u3(R，t)。
[0102] 如果将u3(R，t)与通过下面的方程（9)表示的模板信号us(t)交叉相关。
[0104] 其中，就像对啁啾信号（chirpedsignal)的标准信号处理一样，Wm(t)是选出或选 定的包络，而g(?m)是选出或选定的频率函数，假设信号udPu2含有跨越频率范围《 _到 的稠密《m集，那么所产生的信号将是发生在时间t=T1+T3处的频率带限的尖峰。所述 带限的尖峰具有频率范围（1-(1)*?_到（l_d)*?max，或者具有由对应于（l-d)*〇lm_?2m) 的每个值的一系列离散频率构成的频率成分，其中，m= 1到M。可以适当地选择方程（9)中 的函数g(?m)。对适当函数g(?J的选择可以基于测量信号u3内的预期调制函数的形状， 以获得对最佳非线性信号的提取。g(?m)取决于频率分数d。例如，可以选择函数g(?m) 使得g(wm) = (l-d)*wm。但是，也可以选择其他函数。
[0105] 所述带限的尖峰实际上是源自在时间处发生在混合区带18中的微地震事件的 信号。所述来自混合区带18处的微地震事件的信号在时间！^内朝向接收器传播。接收器 16、30在时间I\+T3处检测所述信号。
[0106] 相关的测量信号具有下述特性。首先，只有当第一和第二初级编码信号之间的起 始时间差s等于从第一声源10到混合区带18的传播时间和从第二声源12到混合区带 18的传播时间T2之间的差的情况下，即只有在S=1^-1^^情况下，所述的相关信号才含 有对应于混合区带18处的非线性相互作用的尖锐的带限的尖峰。如果不满足这一条件，那 么所述的相关信号将受到高度抑制。其次，如果满足条件S=1^-1，那么将在时间T处在 所述相关信号上出现带限的尖峰，其中，T等于从第一初级声源10到混合区带18的传播时 间和从混合区带18到接收器阵列16、30内的接收器Ri的传播时间的和，如图1和图3所 示，即T=I\+T3=S+T2+T3。第三，提高编码信号序列的持续时间，即，增加（第一信号Ul 和/或第二信号u2中的）广播序列中的脉冲数量M将提高信号与噪声的区别性，因为噪声 不具有模板信号^的形式。
[0107] 在图6A和6B中分别示出了在第一源10和第二源12发射由具有高斯包络的顺 序声脉冲构成的编码信号序列!!"。和11 2(〇的声束的情况下所得到的数值模拟。在这个 非限制性范例中，使用由12个脉冲构成的编码信号，其具有频率对（22. 960Hz，14. 920Hz) (24. 960Hz，16. 224Hz)(28. 000Hz，18. 200Hz)(30. 280Hz，19. 680Hz)(32. 080Hz，20. 852Hz) (34. 820Hz，22. 640Hz) (37. 880Hz，24. 620Hz) (40. 000Hz，26. 000Hz) (44. 800Hz，29. 120Hz) (48. 720Hz，31. 680Hz) (52. 960Hz，34. 440Hz) (57. 600Hz，37. 440Hz)。各对之间的频率比d =?2/Wl为常数0.65。两个信号序列uJPu2之间的起始时间差S被选择为等于（Ti-ig。 在计算机上执行对由两个编码波序列^和^的广播而导致的非线性相互作用的数值模拟。 图7A示出了由在接收器阵列的六个接收器处所接收并记录的两个顺序脉冲的广播的非线 性相互作用所导致的模拟微地震事件信号。从1到6对每个接收器Ri16, 30做出索引，并 且在图7A中将其示为具有沿接收器阵列的以米为单位的距离。图7B示出了返回编码信号 的模板us。图7C示出了在每个所考虑的接收器处的模板信号与记录信号之间的相关结果。 图7C所示的在每个接收器处得到的相关信号表现出了非常尖锐的带限的尖峰。这一尖锐 的带限的尖峰发生在时间T= ^+^处，其中，Ti是从源S10到混合区带18的中心的传播 时间，T3是从混合区带18的中心到每个接收器Ri16,30的传播时间。在一个实施例中，T3 对于每个接收器Ri16,30是不同的，该不同是相关尖峰沿接收器阵列向外移动的原因，如 图7C所示。
[0108] 图7A-7C所示的数值模拟清晰地示出了所述编码方案的能力和实用性。其允许对 接收器16、30处的记录信号进行计算机处理，以生成含有带限的尖峰信号的相关记录，所 述尖峰信号的强度与混合区带18处的非线性相互作用的强度成比例。所述带限的尖峰的 抵达时间T等于从源10到混合区带18以及回到接收器Ri16,30的总传播时间。所述带 限的尖峰的幅度随接收器的位置而变化，最大幅度出现在特定接收器上，该特定接收器的 位置取决于混合区带18处的非线性相互作用的散射角9。散射角9取决于混合区带18处的 材料或介质的特性，例如，Vp/Vs速度比。应当指出这一结果是所述编码方案的特征。高斯 包络和编码信号结合模板的使用是非限制性例子，该非限制性例子的目的在于对编码方案 及其特征进行举例说明。也可以考虑UpUjPus的变形从而响应于应用所带来的各个考虑 事项在分辨率和信噪比方面优化所述相关处理的性能。
[0109] 在本公开的一些方面当中，也可以采用初级声信号中的编码声信号来增强朝向接 收器传播的非线性信号的幅度和聚焦，并且提高信号检测灵敏度和信噪比。图8A-8C示出 了将所述编码信号方案应用于通过数值模拟生成的噪声时间序列信号的例子。所述噪声时 间序列信号模拟由非线性相互作用所产生的返回至井眼的信号。在与编码模板的相关被应 用之前，向在非线性模型内由波传播的数值模拟所生成的时间序列信号增加幅度比非线性 相互作用信号的幅度大10%的白高斯噪声。图8A示出了在接收器阵列16,30的6个接收 器处所记录的含噪声的仿真接收信号。图8C示出了在与图8B所示的由12个脉冲构成的 编码模板\(〇相关时从相同接收器的所述噪声信号（在这种情况下为仿真噪声信号）得 到的信号。因而，可以表明所述编码方案从非线性相互作用有效地提取了信号，并使噪声最 小化，对于现场应用而言这是一个有用的特征。
[0110] 当声源10和12发射声波而非声束时，在介质17中，在任何接收器Ri16,30处的 测量信号的编码和后续相关的测量结果M(Ri，t)(被表示为M(Ri，t))是所述介质内满足条 件^二S并且d满足方程⑴的所有Me点的所有声脉冲的和。因而，对于每个时间差 和频率比对（S，d)而言，有很多满足条件1^-1=S以及d满足方程（1)的Me点（被表 示为Me(S，d))。可以通过下述方程（10)来表示每个点i的方程M(Ri，t)。
[0112] 其中，A(Mc)是考虑了传播效应和Me处的非线性强度的振幅系数；
[0113] 其中，E表示在以Mc(S，d)为中心的所有混合区带上的求和；
[0114] 其中，T(Sl，Mc)是从源S1到特定Mc(S，d)的传播时间；
[0115] 其中，T(Mc，Ri)是从特定Mc(S，d)到接收器Ri的传播时间；并且
[0116] 其中，WB(t，是频率范围处于《_和之间的带限的尖峰。
[0117] 因而，如方程（10)所定义的，解码测量结果M(Ri，t)包括对很多微地震事件的多 个测量结果，所述微地震事件发生在介质17内的位置Me(S，d)上，在接收器Ri16, 30处 对微地震事件的接收时间对应于从源10到位置Me(S，d)以及从位置Me(S，d)到接收器 Ri16, 30的总传播时间。但是，应当注意，在对传播效应和混合运动学效应进行校正之后， 微地震事件的强度与微地震事件位置Mc(S，d)的位置处的岩石的非线性特性成比例。
[0118] 应当认识到，图5所示的编码方案只是允许将测量结果处理成模拟微地震事件的 编码方案的一个例子。这一编码方案可以有很多种变型。例如，在一个实施例中，每个频率 的脉冲之间的时间段是可变的，其具体时间间隔可以是随机的或者周期性的。在一个实施 例中，每个脉冲的振幅能够是可变的，其具体值可以是随机性的或者周期性的。在一个实施 例中，所述信号时间段（即，脉冲之间的时间段）能够是可变的。在一个实施例中，带有脉 冲的调制信号其本身可以是被布置在调制信号之间的变化监听时段处的一系列调制信号 的合成或叠加，从而（例如）增强模拟微地震事件的信噪比。应当认识到，可以单独地实施 上述实施例，或者按照任何预期方式对上述实施例加以组合，以获得任何预期的编码方案。
[0119] 图9示出了根据本发明的实施例在介质具有恒定的声传播速度但是具有变化的 非线性地球参数时位置Me(S，d)在含有第一声源S1 10和第二声源S2 12的平面中的位 置。在含有源S1 10和S2 12的平面内，具有恒定S的点的轨迹是垂直取向的双曲线。具 有恒定频率比d的点的轨迹定义了多个圆Cd。圆Cd的中心处于SI10到S2 12的线段的等 分线上。各个圆在同一平面内都通过点S1和S2。因此，对于每个（S，d)对，对于Mc(S，d) 而言在平面内都恰好有两个点（例如，PJPP2)。通过使该平面绕S1S2轴旋转，能够将 Mc(S，d)的轨迹定义为圆C(S，d)，对于每个（S，d)对而言，该圆都具有处于S1S2轴上的 圆心。如果对（S，d)对的所有值都进行扫描，那么能够建立绕S1S2线的所述介质内的体 积空间当中的所有位置的微地震事件。
[0120] 可以看出，在放宽恒定声速的假设时，由于传播效应，例如，射线折曲和波前复杂 性的原因，Mc( 8,d)的轨迹将更加复杂。但是，不管非线性介质内的复杂性如何（例如，不 同的波前速度等），都能够采用上文所述的测量和编码方案来将微地震事件模拟为发生在 来自两个源S1 10和S2 12的波前的相交处。
[0121] 在一个实施例中，如果声源S1 10和S2 12具有射束辐射图样，那么能够对所述模 拟微地震事件进行进一步的定位。图10示出了根据本发明的实施例的声源S1 10是生成 辐射束的阵列源的情况。在一个实施例中，将阵列源S1 10放置为垂直于S1S2轴。通过源 元件的适当起始时间差，阵列源S1能够生成相对于S1S2轴存在特定倾角的声波。例如，源 S1 10的声波波前限于锥形。如图10所示，所述锥形的轴垂直于所述S1S2轴。因此，模拟 微地震事件局限于介质内的两个点乂和M2，所述两个点处于所述锥形与轨迹圆C(S，d)的 相交处，如图10所示。因而，S1和S2的辐射束图样控制着模拟微地震事件能够发生在介 质内的何处。
[0122] 在地震学当中，通过假设介质的声传播速度的模型，能够对地震测量结果执行时 间反演操作。所述时间反演建模操作能够将声波重新聚焦回地震事件起始时的波峰。起始 时的聚焦能量峰的强度是初始地震事件的强度的函数。在声学领域，时间反演的一般原理 已经生成了很多应用。通常被称为逆时偏移或RTM的一般性时间反演方法已经被用到了 (例如）油气勘探当中的复杂介质中的成像（参考GeorgeA.McMech an,Determinationof sourceparametersbywavefieldextrapolation,GeophysicalJournalofTheRoyal AstronomicalSociety，Volume71，Issue3,pages613_628，December1982)，通过引用 将其全部内容并入本文。
[0123] 可以将所述时间反演方法应用于上面段落中描述的模拟微地震测量。在本申请 中，时间反演操作能够将波聚焦回微地震事件的起始时间和地点（即，位置Me(S，d)和时 间T(S1，Me)，如上面段落中指出的）。如上面的段落中所陈述的，起始时的微地震事件的强 度与微地震事件的位置处的非线性特性成比例。因此，能够采用所述时间反演操作作为工 具来确定起始点Me(S，d)处的非线性特性的相对值。因而，如果针对所有的（S，d)对对 模拟微地震事件执行所述时间反演操作，那么能够对所有位置Me(S，d)处的非线性特性 进行定量。通过合并所有位置Me(S，d)处的非线性特性的值，能够构建源S1和S2的周围 的介质的非线性特性的相对强度的三维（3D)图像。
[0124] 也可以对勘探地震学中的常规标准成像方法（例如，Kirchhoff、射束和波动方程 偏移）加以修改，并将其应用到当前的非线性声相互作用，从而在假设介质的传播速度模 型的情况下由模拟微地震事件的测量结果导出介质的非线性特性的相对强度的3D图像。 可以将对于各种行业而言已知的其它高级反演方法应用到模拟微地震事件。
[0125] 下面的段落将详细描述将Kirchhoff成像方法用于由两个声波在非线性介质内 的非线性相互作用得到的模拟微地震事件的实施例。
[0126] 在一个实施例中，可以将模拟微地震事件表达为M(Ri,t)。对于介质内的每个给 定点Me而言，能够采用传播速度模型计算从相互作用区带Me到接收器阵列16, 30的接收 器Ri(例如，Rl，R2等）的传播时间T(Ri，Me)以及从声源S1 10到接收器（例如，Rl，R2 等）16, 30的传播时间T(S1,Me)。在一个实施例中，还可以计算从源S1到相互作用区带Me 的波传播振幅A(Sl，Me)、从源S2到相互作用区带Me的波传播振幅A(S2,Me)以及从相互作 用区带Me到接收器Ri(例如，Rl，R2等）的束传播振幅A(Mc，Ri)。可以通过下面的方程 (11)表示非线性特性的图像值。
[0128] 在一个实施例中，在计算反演因数（例如，l/A(Sl，Mc))的过程中，可以将适当的 小的"噪声因数"引入到方程（11)当中，从而根据标准信号处理最佳实践来使这些反演加 权因数稳定。如果在Me处存在微地震事件，那么来自于Me处的微地震事件的所有测量响 应Ri的和都将是同相的，而其他位置处的所有其他微地震事件的贡献将是异相的。因此， 由方程（11)计算出的I(Me)仅含有来自Me处的微地震事件的信息。
[0129] 方程（11)示出了怎样能够从模拟微地震事件构造出3D图像，所述微地震事件是 由来自一对声源S1和S2的声波生成的。可以从处于不同位置处的许多对声源S1和S2构 造出多幅图像I(Me;S1，S2)。如果传播速度模型是正确的，那么这些图像将必然是相同的。 如果它们不同，那么传播速度模型中存在误差。可以采用这一自相容条件确定正确的传播 速度模型以及混合位置Me处的局部速度比Vp/Vs。
[0130] 可以假设初始传播速度模型以及混合位置Me处的局部速度比Vp/Vs来构造多个 S1 10和S2 12的位置处的多幅图像I(Me;S1，S2)。可以通过速度层析成像法来执行对传 播速度模型的更新，从而使获得的（3D)图像I(Me;S1，S2)中的差异最小化。在一个实施例 中，可以对更新过程进行迭代，直到所获得的图像I(Mc;Sl，S2)中的差异最小化。之后，可 以将所述多幅图像I(Me;S1，S2)结合起来，以建立介质的非线性特性或者局部速度比Vp/ Vs或两者的最终图像。
[0131] 在本公开的一些方面当中，也可以采用上述数据采集、处理和成像来执行时间推 移勘察。由（例如）应力、岩层流体压力或饱和变化所导致的非线性度或速度比Vp/Vs的 变化在d，S，t空间内是可见的，因而可以大致对其进行定位，而不需要进行复杂的处理来 将其转换为映射的特性。
[0132] 可以将文中描述的方法和系统应用于维持声波传播的任何介质。例如，可以将所 述方法和系统应用到地震学、钻孔测井、医疗超声波成像、非破坏性测试和材料科学，例如 但是不限于，对扩散粘结样本中的损伤进行定位，对爆炸物中的损伤进行定位，对骨骼中的 损伤进行定位，与合成物中的裂缝密度和非线性度进行相关，对固体块内部的非线性特征 进行定位等等。也可以将所述方法和系统用于对材料的一般性的非线性、非破坏性评估 _)〇
[0133] 在一个实施例中，可以将上文描述的一种或多种方法实现为能够通过计算执行的 一系列指令。应当认识到，文中采用的"计算机"一词包含任何类型的计算系统或装置，包括 个人计算机（例如，台式计算机、膝上型计算机或任何其他手提计算装置）或主计算机（例 如，IBM主机）或者超级计算机（例如CRAY计算机）或者处于分布式计算环境内的多个连 网计算机。
[0134] 例如，可以将所述方法实现为软件程序应用，其能够存储在计算机可读介质内，例 如，硬盘、〇?(通、光盘、0￥0、磁光盘、狀113?1?(通3￡?1?(通、磁卡或光卡、闪速卡（例如，化8闪 速卡）、PCMCIA存储卡、智能卡或其他介质。
[0135] 或者，能够通过诸如Internet、ATM网络、广域网（WAN)或局域网的网络从远程计 算机或服务器来下载部分或整个软件程序产品。
[0136] 或者，作为在将所述方法实现为通过计算机体现的计算机程序产品（例如，软件 产品）的替代或补充，可以将所述方法实现为硬件，其中，（例如）专用集成电路（ASIC)可 以被设计为实现所述方法。
[0137] 图11是根据本发明的实施例的表示用于实施所述方法的计算机系统110的示意 图。如图15所示，计算机系统110包括处理器（例如，一个或多个处理器）112以及与处理 器112通信的存储器114。计算机系统110还可以包括用于输入数据的输入装置116 (例 如，键盘、鼠标等）和用于显示计算结果的输出装置118 (例如，显示装置）。可以将计算机 系统110配置为控制包括控制模块120在内的各种模块，以控制声源10和12,以及控制用 于采集从一个或多个接收器16, 30获得的测量数据的采集或处理电子装置122。可以将测 量数据存储到存储装置124内，以后可以对其进行可视化或处理等。应当认识到文中采用 的处理器一词包含一个或多个处理器。在提及处理器的地方，应当将该词理解为包含这些 计算布置中的任何布置。
[0138] 尽管基于当前认为是最实际和优选的实施例出于例示的目的详细地描述了本发 明，但要理解，这样的细节仅仅是为了该目的，本发明不限于公开的实施例，而是相反，意在 涵盖所附权利要求的精神和范围之内的修改和等价布置。例如，要理解，本发明考虑到在可 能的范围内，可以将任何实施例的一个或多个特征与任何其他实施例的一个或多个特征组 合。
[0139] 此外，由于本领域技术人员将容易地想到很多修改和变化，因而决不希望使本发 明局限于文中描述的确切构造和操作。因此，应当认为所有适当的修改和等价方案均落在 本发明的精神和范围内。
【主权项】
1. 一种根据非线性相互作用来表征介质特性的方法，所述方法包括： 通过设置在介质表面上的第一声源来生成第一声波； 通过设置在介质表面上的沿第一线与所述第一声源隔开的第二声源来生成第二声波， 其中，第一声源和第二声源能够被控制以使第一声波和第二声波的轨迹在介质内的混合区 带内相交； 通过置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器来接收通过第一声波和第二声 波在所述混合区带内的非线性混合过程所生成的第三声波；以及 基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第 一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第 一二维图像。2. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一声源、第二声源移动到第二线，并基 于所接收到的第三声波来建立大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平面内的 所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的第二二维 图像。3. 根据权利要求2所述的方法，其中，移动所述第一声源和第二声源包括沿基本上垂 直于所述第一线和第二线的方向将所述第一声源和第二声源从第一线移动到所述第二线。4. 根据权利要求2所述的方法，还包括使接收器随第一声源和第二声源一起从第一线 移动到第二线。5. 根据权利要求2所述的方法，其中，移动所述第一声源和第二声源包括围绕穿过接 收器的轴使第一声源和第二声源从第一线旋转预期角间隔到达第二线。6. 根据权利要求2所述的方法，还包括使所述介质的第一二维图像和所述介质的第 二二维图像结合，以建立所述介质的三维图像。7. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述接收器设置到介质的表面上。8. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述接收器设置到所述介质内的井眼内。9. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述介质是地下岩层。10. 根据权利要求1所述的方法，其中，生成第一声波包括生成包含被布置为时间序列 的第一多个脉冲的第一编码声波，所述第一多个脉冲在时间上隔开，每个脉冲包括处于中 心频率上的调制信号，其中两个相继的脉冲的中心频率是不同的。11. 根据权利要求10所述的方法，其中，生成第二声波包括生成包含被布置为时间序 列的第二多个脉冲的第二编码声波，所述第二多个脉冲在时间上隔开，其中，两个相继脉冲 的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲中的两个对应脉冲的中心之间的时间间隔相 同，其中，在所述第二多个脉冲的广播的起始时间和所述第一多个脉冲的广播的起始时间 之间提供起始时间差，其中，每个脉冲包括调制信号，并且所述第二多个脉冲当中的每个脉 冲内的调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲中的对应脉冲的调制信号的中心频率的 选定分数d。12. 根据权利要求11所述的方法，还包括通过处理器对接收到的声波执行数据处理， 或者使接收到声波与编码信号模板相关，或者实施两者，从而相对于噪声或者相对于线性 相互作用过程生成的信号或相对于两者提取出非线性混合过程所生成的第三信号，以获得 在第一声波和第二声波的混合区带处出现的模拟微地震事件信号。13. 根据权利要求12所述的方法，其中，生成第一编码声波包括生成第一声波，从而使 第一多个脉冲中的两个相继脉冲的中心之间的时间间隔大于每个脉冲的持续时间。14. 根据权利要求12所述的方法，其中，通过非线性混合过程生成的且在接收器处接 收到的第三信号包括按照时间序列抵达的并且在时间上隔开的第三多个脉冲，其中，两个 相继脉冲的中心之间的时间间隔与第一多个脉冲当中的两个相继脉冲的中心之间的时间 间隔相同， 其中，所述第三多个脉冲中的每个脉冲包括调制信号，所述调制信号的每个脉冲的中 心频率等于第一多个脉冲中的对应脉冲的中心频率与第二多个脉冲中的对应脉冲的中心 频率之间的差， 其中，第三多个脉冲的每个脉冲在接收器处的抵达时间相对于第一多个脉冲中的对应 脉冲的生成发生了时间延迟，该时间延迟为从第一声源到混合区带的中心的传播时间和从 混合区带的中心到接收器的传播时间的总和。15. 根据权利要求12所述的方法，还包括针对一定范围的起始时间差和一定范围的频 率分数d来重复第一编码声信号的生成、第二编码声信号的生成、第三信号的接收以及数 据处理的执行或者与编码信号模板的相关或两者，以获得来自在多个混合区带处生成的模 拟微地震事件的信号。16. 根据权利要求12所述的方法，其中，生成第一声波包括生成作为多个脉冲的和 的 第一编码声信号，其中，每个脉冲具有等于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度，并 且其中，生成第二声波包括生成作为多个脉冲的和的第二编码声信号，其中，每个脉冲具有 等于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度。17. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述相关包括使检测到的信号与编码模板信 号相关，其中，所述模板信号包括多个脉冲，其中，模板信号内的多个脉冲的中心之间的时 间间隔与第一声信号的多个脉冲的中心的时间间隔相同，并且其中，第三信号中的多个脉 冲的中心频率是第一声信号的多个脉冲的中心频率和频率分数d的函数。18. 根据权利要求17所述的方法，还包括提高第一多个脉冲的数量以及提高第二多个 脉冲的数量，以增强由非线性混合过程生成的第三信号相对于噪声或者相对于由线性相互 作用过程生成的信号或两者的辨别力。19. 根据权利要求18所述的方法，还包括： 通过处理器使接收器Ri处的第三声波与编码模板信号us (t)相关，由此从混合区带处 的模拟微地震事件提取出第三信号，以及 针对第二多个脉冲和第一多个脉冲之间的多个起始时间差S以及针对第二多个脉冲 中的每个脉冲的调制信号的中心频率和第一多个脉冲中的每个对应脉冲的调制信号的中 心频率之间的多个频率比d来重复模板信号与检测信号之间的相关，从而针对每个起始时 间差S以及针对每个频率比d得出针对每个接收器Ri的被表示为M(Ri，t)的相关信号， 所述相关信号含有根据非线性相互作用的选择定律在特定混合位置处由非线性相互作用 所生成的模拟微地震事件。20. 根据权利要求19所述的方法，还包括针对每个起始时间差S并且针对每个频率 比d和对应的相关信号M(Ri，t)，基于压缩波或剪切波速度的速度模型采用轨迹分析和传 播时间计算来计算其中两个声信号发生非线性的相互作用的模拟微地震事件的空间坐标。21. 根据权利要求20所述的方法，还包括应用时间反演操作，从而借助于传播速度模 型使模拟微地震事件的信号在时间上反向传播至微地震事件的起始的时间和位置。22. 根据权利要求19所述的方法，还包括采用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成 像或者时间反演方法根据含有第一声信号和第二声信号的混合区带处的模拟微地震事件 的相关信号来生成介质的微地震事件或者介质的非线性特性或两者的二维或三维图像，其 中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的，其中，所述第一源和第二源 位于不同的位置处。23. 根据权利要求19所述的方法，还包括通过将第一源设置到多个位置处来多次重复 由第一源对声波信号的生成，以及通过将第二源设置到多个位置处来多次重复由第二源对 第二声波的生成；以及通过将接收器设置到多个位置处来多次重复对第三信号的接收；以 及采用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或时间反演法根据含有第一声信号和第二 声信号的混合区带处的模拟微地震事件的相关信号来生成所述介质的非线性特性的多幅 三维图像，其中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的。24. -种根据非线性相互作用来表征介质特性的系统，所述系统包括： 第一声源，被设置在介质表面上，所述第一声源被配置为生成第一声波； 第二声源，被设置在介质表面上沿第一线与第一声源隔开，所述第二声源被配置为生 成第二声波，其中，第一声源和第二声源能够被控制以使得第一声波和第二声波的轨迹在 介质内的混合区带内相交； 接收器，被置于含有第一声源和第二声源的平面内，所述接收器被配置为接收由第一 声波和第二声波在混合区带内的非线性混合过程所生成的第三声波；以及 处理器，被配置为基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所 述第一线的第一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比 值或两者的第一二维图像。25. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述第一声源、第二声源能够移动到第二线， 并且其中，所述处理器还被配置为基于所接收到的第三声波来建立大体垂直于所述表面并 且含有所述第二线的第二平面内的所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波 速度的第二比值或两者的第二二维图像。26. 根据权利要求25所述的系统，其中，所述第一声源和第二声源能够沿基本垂直于 所述第一线和第二线的方向从第一线移动到第二线。27. 根据权利要求25所述的系统，其中，接收器能够随第一声源和第二声源一起从第 一线移动到第二线。28. 根据权利要求25所述的系统，其中，通过使第一声源和第二声源围绕穿过接收器 的轴旋转预期角间隔，能够使第一声源和第二声源从第一线移动到第二线。29. 根据权利要求25所述的系统，其中，所述处理器被配置为使所述介质的第一二维 图像和所述介质的第二二维图像结合，以建立所述介质的三维图像。30. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述接收器被设置到介质的表面上。31. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述接收器被设置到所述介质内的井眼内。32. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述介质是地下岩层。33. 根据权利要求24所述的系统，其中，第一声源被配置为生成包含被布置为时间序 列的第一多个脉冲的第一编码声信号，所述第一多个脉冲在时间上隔开，每个脉冲包括处 于中心频率上的调制信号，其中两个相继脉冲的中心频率是不同的。34. 根据权利要求33所述的系统，其中，第二声源被配置为生成包含被布置为时间序 列的第二多个脉冲的第二编码声信号，所述第二多个脉冲在时间上隔开，其中，两个相继脉 冲的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个对应脉冲的中心之间的时间间 隔相同，其中，在所述第二多个脉冲的广播的起始时间和所述第一多个脉冲的广播的起始 时间之间提供起始时间差，其中，每个脉冲包括调制信号，并且所述第二多个脉冲当中的每 个脉冲内的调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲当中的对应脉冲的调制信号的中心 频率的选定分数d。35. 根据权利要求34所述的系统，其中，所述处理器被配置为对接收到的声波执行数 据处理，或者使接收到的声波与编码信号模板相关，或者实施两者，从而相对于噪声或者相 对于由线性相互作用过程生成的信号或相对于两者来提取由非线性混合过程所生成的第 三信号，以获得在第一声信号和第二声信号的混合区带处出现的模拟微地震事件信号。36. 根据权利要求35所述的系统，其中，第一声信号被生成为使所述第一多个脉冲当 中的两个相继脉冲的中心之间的时间间隔大于每个脉冲的持续时间。37. 根据权利要求35所述的系统，其中，通过非线性混合过程生成的且在接收器处接 收到的第三信号包括按照时间序列抵达的并且在时间上隔开的第三多个脉冲，其中两个相 继脉冲的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个相继脉冲的中心之间的时 间间隔相同， 其中，所述第三多个脉冲中的每个脉冲包括调制信号，所述调制信号的每个脉冲的中 心频率等于第一多个脉冲中的对应脉冲的中心频率与第二多个脉冲中的对应脉冲的中心 频率之间的差， 其中，第三多个脉冲的每个脉冲在接收器处的抵达时间相对于第一多个脉冲中的对应 脉冲的生成发生了时间延迟，该时间延迟为从第一声源到混合区带的中心的传播时间和从 混合区带的中心到接收器的传播时间的总和。38. 根据权利要求35所述的系统，其中，第一声源和第二声源被配置为重复第一编码 声信号的生成和第二编码声信号的生成，且接收器被配置为重复第三信号的接收，并且所 述处理器被配置为针对一定范围的起始时间差和一定范围的频率分数d来重复数据处理 的执行或与编码信号模板的相关或两者，以获得来自在多个混合区带处生成的模拟微地震 事件的彳目号。39. 根据权利要求35所述的系统，其中，第一声源被配置为生成作为多个脉冲的和的 第一编码声信号，其中，每个脉冲具有等于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度，并 且其中第二声源被配置为生成作为多个脉冲的和的第二编码声信号，其中每个脉冲具有等 于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度。40. 根据权利要求35所述的系统，其中，所述处理器被配置为使检测信号与编码模板 信号相关，其中模板信号包括多个脉冲，其中，模板信号中的多个脉冲的中心之间的时间间 隔与第一声信号中的多个脉冲的中心的时间间隔相同，并且其中第三信号中的多个脉冲的 中心频率是第一声信号的多个脉冲的中心频率和所述频率分数d的函数。41. 根据权利要求40所述的系统，其中，第一声源被配置为提高第一多个脉冲的数量， 且第二声源被配置为提高第二多个脉冲的数量，以增强由非线性混合过程生成的第三信号 相对于噪声或者相对于由线性相互作用过程生成的信号或者相对于两者的辨别力。42. 根据权利要求41所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过使接收器Ri处的第 三声波与编码模板信号us(t)相关而从混合区带处的模拟微地震事件提取第三信号，并且 针对第二多个脉冲和第一多个脉冲之间的多个起始时间差S以及第二多个脉冲中的每个 脉冲内的调制信号的中心频率与第一多个脉冲的每个对应脉冲的调制信号的中心频率之 间的多个频率比d来重复模板信号和检测信号之间的相关，从而针对每个起始时间差S和 每个频率比d，来得到针对每个接收器Ri的被表示为M(Ri，t)的相关信号，该相关信号含有 根据非线性相互作用的选择定律由特定混合位置处的非线性相互作用来生成的模拟微地 震事件。43. 根据权利要求42所述的系统，其中，所述处理器被配置为针对每个起始时间差S 并且针对每个频率比d和对应的相关信号M(Ri，t)，基于压缩波或剪切波速度的速度模型 采用轨迹分析和传播时间计算来计算其中两个声信号发生非线性相互作用的模拟微地震 事件的空间坐标。44. 根据权利要求43所述的方法，其中，所述处理器被配置为应用时间反演操作，借助 于传播速度模型来使模拟微地震事件的信号在时间上往回传播至微地震事件的起点的时 间和位置。45. 根据权利要求42所述的方法，其中，所述处理器被配置为采用基尔霍夫成像、射束 成像、波动方程成像或者时间反演方法根据含有第一声信号和第二声信号的混合区带处的 模拟微地震事件的相关信号生成介质的非线性特性或所述微地震事件或两者的二维或三 维图像，其中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的，其中，所述第一 源和第二源位于不同的位置处。46. 根据权利要求42所述的方法，其中，第一声源被配置为在多个位置处来多次重复 第一声波的生成，且其中，第二声源被配置为在多个位置处来多次重复第二声波的生成；并 且其中，接收器被配置为在多个位置处来多次重复对第三信号的接收；并且其中，处理器被 配置为采用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或时间反演法根据含有第一声信号和 第二声信号的混合区带处的模拟微地震事件的相关信号生成所述介质的非线性特性的多 幅三维图像，其中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的。
【专利摘要】一种用于由非线性相互作用表征介质的特性的系统和方法包括通过沿第一线设置在介质表面上的第一和第二声源生成第一和第二声波。第一和第二声源是可控的，从而使第一和第二声波的轨迹在介质内的混合区带内相交。所述方法还包括通过置于含有第一和第二声源的平面内的接收器接收由第一和第二声波在混合区带内的非线性混合过程生成的第三声波；以及基于所接收到的第三声波建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第一平面内所述介质的非线性特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第一二维图像。
【IPC分类】G01V1/42, G01V1/00
【公开号】CN104903746
【申请号】CN201380069075
【发明人】C·K·武, K·T·二瓶, P·A·约翰逊, R·古耶尔, J·A·藤卡特, P-Y·勒巴斯, C·拉玛特
【申请人】雪佛龙美国公司, 洛斯阿拉莫斯国家安全有限责任公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月27日
【公告号】CA2892437A1, EP2926167A2, US20140160882, WO2014085614A2, WO2014085614A3
【专利说明】用于采用表面地震或表面到井眼地震或两者生成岩层的非 线性特性的3D图像的系统和方法
[0001] 交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月27日提交的美国临时专利申请No. 61/730417的优先权， 通过引用将该申请全文并入本文。
[0003] 政府权利
[0004] 本发明的一部分是在政府的支持下做出的（在美国能源部授予的编号为 DE-AC52-06NA2539 的合同下），并且一部分是在LLC的LosAlamosNationalSecurity的 合作研发和开发协议（CRADA)N〇.LA05-C10518之下做出的。政府可享有本发明的某些权 利。
技术领域
[0005] 本发明总体上涉及采用表面地震对岩层进行声探询，且更具体而言涉及用于采用 表面地震或者表面到井眼地震或两者生成岩层的非线性特性的2D和3D图像的系统和方 法。文中采用的"表面地震"一词包括从大约10米的深度到大约1千米的深度的地震波传 播。
【背景技术】
[0006] 声波在固体物质当中的非线性行为可以与固体物质中的裂缝或其他损伤相关，并 且有可能与应力状态和流体饱和相关。在80年代后期，岩石的非线性行为在理论和试验上 得到了研宄和确立。Guyer和Johnson(Non-LinearMesoscopicElasticity,Wiley1999) 以及Ostrovsky和Johnson(RivistadelNouvoCimento，Vol. 24,No. 7, 2001)对此给出了 概述。
[0007] 决定声波在弹性介质中的非线性相互作用的一般理论是公知的，如 Landau&Lifshitz,TheoryofElasticity, 3rdedition,PergamonPress,Oxford, 1986 所 描述的。存在被称为选择定律的具体运动学特性，其决定两个声束或声平面波之间的非 线性、非共线相互作用，如Jones,G.L.&D.R.Korbett,Interactionofelasticwavesin anisotropicsolid,J.Acoust.Soc.Am. ,35, 5-10 (1963)所公开的。根据所述选择定律， 由第一声波和第二声波的非线性混合得到的第三平面波或射束波等于第一平面波的频率 fl和第二平面波的频率f2之间的频率差。此外，根据选择定律，在第一和第二平面波的相 交区带内，针对所述介质的任何特定泊松比而言，只能以第一和第二平面波的特定交角和 频率比来生成第三平面波。Korneev,Nihei和Myer.(NonlinearInteractionofPlane ElasticWaves,LawrenceBerkleyNationalLaboratory,EarthScienceDivision,June 1998,LBNL414914)提供了对两个非共线声平面波之间的相互作用的更加全面的计算。
[0008] 具有非线性声探头的基本遥感系统一般由处于两个隔开位置处的两个声源和处 于与该声源不同的位置处的声波探测器阵列构成。所述两个声源能够生成第一和第二声波 (例如，第一和第二声束波），它们在所要探查的介质内的不同的位置处相交。能够通过第 一和第二声波与所述介质的非线性相互作用来生成第三声波（例如，第三声束波）。之后， 在接收器阵列处检测到所述第三声波。
[0009] D'Angelo等（美国专利No. 5521882)、Leggett等（美国专利No. 73〇1852)、 Khan(美国专利No. 6175536)和Johnson等（美国专利申请公开文本No.US2010/0265794) 描述了针对井眼环境内的具体应用所设计的各种系统。这些系统提供了对源自于第一和第 二声波与介质的非线性相互作用的复杂干涉图样的测量。
【发明内容】
[0010] 作为本发明的一个方面，提供了一种用于根据非线性相互作用来表征介质的特性 的方法。所述方法包括：通过设置在介质表面上的第一声源生成第一声波；以及通过设置 在介质表面上的沿第一线与所述第一声源隔开的第二声源生成第二声波，其中，第一声源 和第二声源是可控制的，从而使第一和第二声波的轨迹在介质内的混合区带内相交。所述 方法还包括：通过置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器接收通过第一声波和第 二声波在所述混合区带内的非线性混合过程生成的第三声波；以及基于所接收到的第三声 波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第一平面内的所述介质的非线性 特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第一二维图像。
[0011] 在一个实施例中，所述方法还包括将所述第一声源、第二声源移动到第二线，并基 于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平面内 的所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的第二二 维图像。在一个实施例中，可以使所述介质的第一二维图像和所述介质的第二二维图像结 合，来建立所述介质的三维图像。
[0012] 本发明的另一方面提供了一种用于根据非线性相互作用来表征介质的特性的系 统。所述系统包括设置在介质表面上的第一声源，所述第一声源被配置为生成第一声波；以 及设置在介质表面上的沿第一线与第一声源隔开的第二声源，所述第二声源被配置为生成 第二声波，其中，第一声源和第二声源是可控的，从而使得第一和第二声波的轨迹在介质内 的混合区带内相交。所述系统还包括置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器，所 述接收器被配置为接收由第一声波和第二声波在混合区带内的非线性混合过程所生成的 第三声波；以及被配置为基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有 所述第一线的第一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一 比值或两者的第一二维图像。
[0013] 在一个实施例中，所述第一声源和第二声源可移动到第二线，并且所述处理器还 被配置为基于所接收到的第三声波在大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平 面内建立所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的 第二二维图像。在一个实施例中，可以通过所述处理器使所述介质的第一二维图像和所述 介质的第二二维图像结合，来建立所述介质的三维图像。
[0014] 参考附图考虑以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他目的、特征和特性， 以及相关结构元件的操作方法和功能，以及各部分的组合和制造的经济性，将变得更加清 楚，所有附图都形成本说明书的一部分，其中在各幅图中类似的附图标记表示对应部分。不 过要明确理解，附图仅仅为了例示和描述，并非意在作为本发明限度的界定。如说明书和权 利要求中所用的那样，单数形式"一"、"一个"和"该"包括多个指示物，除非语境明确做出 其他说明。
【附图说明】
[0015] 图1是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的用于地表地震应 用的配置；
[0016] 图2是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0017] 图3是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0018] 图4是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置；
[0019] 图5示出了根据本发明的实施例由第一源生成的第一声信号、第二源生成的第二 声信号以及在非线性混合区带内由第一声信号和第二声信号的非线性混合产生的第三声 信号；
[0020] 图6A和6B分别示出了根据本发明的实施例的来自第一声源和第二声源的编码信 号；
[0021] 图7A示出了根据本发明的实施例的在接收器阵列的六个接收器处接收并记录的 两个脉冲序列的广播而产生的非线性作用所生成的计算仿真信号；
[0022] 图7B示出了根据本发明的实施例的用于在接收器阵列处提取相关信号的模板信 号；
[0023] 图7C示出了根据本发明的实施例的图7B所示的模板信号与图7A所示的每个所 考虑的接收器处的记录或测量信号的相关处理的结果；
[0024] 图8A示出了根据本发明的实施例的在接收器阵列的6个接收器处记录的含有噪 声的仿真接收信号；
[0025] 图8B示出了根据本发明的实施例的模板信号的例子；
[0026] 图8C示出了根据本发明的实施例的当图8B所示的编码模板信号与图8A所示的 噪声信号相关时从相同接收器的噪声信号所得到的信号；
[0027] 图9示出了根据本发明的实施例在介质具有恒定的声传播速度但是具有变化的 非线性地球参数时，对于第一声信号和第二声信号之间的起始时间差S和频率比d的对 (S，d)而言，在含有第一声源和第二声源的平面中的位置混合区带Mc(S，d)中的位置；
[0028] 图10示出了根据本发明的实施例的第一声源是用于生成声波的源，且第二声源 生成锥形声广播的情况；以及
[0029] 图11是根据本发明的实施例的用于实施地震测量方法的计算机系统。
【具体实施方式】
[0030] 图1是地球截面图，其示意性地描绘了根据本发明的实施例的用于地表地震应用 的配置。在这一实施例中，公开了处于地表14上的相互隔开的第一和第二声源（例如，振 动器阵列）10和12。第一声源（S1) 10被配置为以第一频率n生成第一声波11，且第二声 源（S2) 12被配置为以不同于第一频率fl的第二频率f2生成第二声波13。文中采用的"声 波" 一词包括所有类型的弹性波。第一声源10和第二声源12可以包括一个或多个声波发 生元件（例如，振动元件）。声源10中的一个或多个声发生元件（例如，声学元件阵列）可 以被配置为将第一声波11朝向预期方向转向或指引。类似地，声源12中的一个或多个声 发生元件（例如，声学元件阵列）可以被配置为将第二声波13朝向预期方向转向或指引。 例如，第一声波11和第二声波13可以被指引，从而使第一和第二声波11和13在地表14 下面的岩层17的预期区域或者混合区带18内相交。换言之，第一声源10和第二声源12 可以被控制，从而使得第一和第二声波11和13的轨迹在岩层17内的混合区带18内相交。 声源10和声源12可以被配置为生成声束或声锥。接收器阵列（R) 16还被设置到地表14 上与第一声源10和第二声源12隔开的位置处。接收器阵列16位于含有第一声源10和第 二声源12的平面内。在一个实施例中，接收器阵列16与第一声源10和第二声源12位于 同一条线上。接收器阵列16被配置为检测返回地表14的第三声波15,第三声波15是由第 一声波11和第二声波13在岩层17内的混合区带18中的非线性相互作用而生成的。两个 波11和13之间的位置处（即混合区带18处）的地球的非线性特性导致了第三波15的生 成。第三波15的强度是混合区带18内的岩石的非线性度的函数。
[0031] 第三声波15具有等于第一频率fl和第二频率f2之间的差的频率f3。例如，在 具有频率fl的初级（primary)压缩（P)第一波和具有频率f2的初级压缩（P)第二波在非 线性介质内交叉或相交时，能够生成第三剪切（SV)波，其具有等于第一频率fl和第二频 率f2之间的差的频率f3。能够将这种类型的相互作用写为（P+P-SV)。尽管文中讨论了 P+P-SV的相互作用，但是应当认识到还可以设想其他类型的相互作用。下述讨论同样适 用于P+SV-SV或者两个弹性波（即压缩P波或剪切波（SV和SH模式））的非线性混合的 任何排列用以生成第三波。在下面的表1当中提供了其他类型的相互作用的例子，其中n 代表完整的排 列列表。
[0032] 表 1
[0034] 在一个实施例中，声源10和12是二维阵列声源，其被配置为能够以指定射入角 (例如，以等于零的固定方位角）向下射出分别处于第一频率fl和第二频率f2的地震能 束。在一个实施例中，接收器阵列16也可以是二维阵列。
[0035] 非共线非线性混合的选择定律决定着第一声波11的第一频率fl和第二声波13 的第二频率f2之间的关系。选择定律还决定着第一声波11的第一波矢量kl和第二声波 13的第二波矢量k2之间的交角0，以及压缩波速度Vp和剪切波速度Vs之间的速度比Vp/ Vs及第三声波15的第三波矢量k3和第一声波11的第一波矢量kl之间的角9。
[0036] 在一个实施例中，采用声波矢量k3、k2和kl之间的三角学关系（其中，k3等于kl 和k2之间的差（k3 =kl-k2))和选择定律，能够确定下述角度关系。在发明名称为"SYSTEM ANDMETHODFORINVESTIGATINGSUB-SURFACEFEATURESOFAROCKFORMATIONUSING COMPRESSIONALACOUSTICSOURCES"的美国专利申请No. 13/292908中提供了对这些关系的 详细描述，通过引用将其全部内容并入本文。
[0039] 通过改变射束方向角（S卩，通过改变角度0 )以及频率fl和频率f2之间的比f2/ fl，混合区带能够被置于沿着含有第一声源10、第二声源12和接收器16的平面的所有位置 处。根据方程⑴和方程（2)，能够由在接收器16中检测到的返回信号导出和映射Vp/Vs。 所接收到的第三波的幅度与混合区带处的地球的非线性特性成比例。其允许构造出描述直 接处于声源10和声源12的区域之下的平面内的所述Vp/Vs比或所述幅度或两者的地球图 像。
[0040] 图2是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置。在这一实施例中，类似的附图标记表示图1所示的类似元件。不过，在图2 中，置于地表14上的第一声源10、第二声源12和接收器16能够在主侧线（inline)方向上 移动。具体而言，如图2所示，置于地表14上的第一声源10、第二声源12和接收器16依 次从主侧线方向20-1移动到主侧线方向20-2,再移到主侧线方向20-3……最后移到主侧 线方向20-N，其中，N可以是任何整数。在每个主侧线方向20-1、20-2、20-3……20-N，执行 测量。因此，在主侧线方向20-1到20-N的每个处重复测量。通过这种方式，能够构造出或 者获得沿线20-1、20-2、20-3……或20-N的垂直面内的或者大体垂直于地表14并含有线 20-U20-2或20-N的平面内的地下非线性特性的二维（2D)图像。通过使整个设置（即第 一声源10、第二声源12和接收器16)在地表14上沿基本上垂直于线20-1、20-2、20-3等 的方向移动距离D来重复沿线的测量。距离D在两条相继的线之间（即在20-1和20-2之 间、20-2和20-3之间等等），可以是相同的也可以是不同的。在主侧线位置20-1、20-2、 20-3……20-N的每个上执行测量，以获得非线性特性的另一个2D图像。通过沿多条线进 行重复测量，能够获得非线性特性的多个2D图像，因而能够获得地表14下面的地球的非线 性特性的3D图像。所述3D图像通过采用地震行业内常用的3D地震处理成像技术合并所 述多个2D图像来建立。换言之，沿线20-l、20-2、20-N的每个所获得的地球的非线性特性 的二维图像的每个代表地表14下面的地球的非线性特性的3D图像的片层。
[0041] 在图2中，第一声源10和第二声源12被示为一起沿基本上垂直于线20-U20-2 等的轴移动，同时在源10和12之间保持相同的间隔。但是，可以认识到第一声源10和第 二声源12之间的间隔从一个主侧线位置（例如，线20-1)到另一个主侧线位置（例如，线 20-2或线20-3等）也可能存在变化。此外，接收器30与源10或12之一之间的间隔能够 保持恒定，或者从一个主侧线位置到另一个主侧线位置存在变化。
[0042] 图3是地球的截面图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置。这一实施例在很多方面与上文联系图1所描述的实施例类似。在图3中， 采用相同的附图标记指示与图1中相同的元件。不过，在这一实施例中，在井眼32内提供 接收器30。接收器或接收器阵列（R) 30被设置在与第一声源10和第二声源12隔开的位置 处。接收器30被置于含有第一声源10和第二声源12的平面内。接收器30被配置为检测 第一声波11和第二声波13在岩层17内在混合区带18处的非线性相互作用而生成的第三 声波35。两个波11和13之间的位置处的（即混合区带18处的）地球的非线性特性导致 了第三波35的生成。第三波35的强度是混合区带18内的岩石的非线性度的函数。
[0043] 与上面的图1的实施例类似，第三声波35具有等于第一声波11的第一频率fl和 第二声波13的第二频率f2之间的差的频率f3。
[0044] 非共线非线性混合的选择定律决定着第一声波11的第一频率fl和第二声波13 的第二频率f2之间的关系。所述选择定律还决定着第一声波11的第一波矢量kl和第二 声波13的第二波矢量k2之间的交角0，以及压缩波速度Vp和剪切波速度Vs之间的速度 比Vp/Vs及第三声波35的第三波矢量k3和第一声波11的第一波矢量kl之间的角9。
[0045] 通过在井眼32内提供接收器30,能够降低第三声波35的第三波矢量k3与第一 声波11的第一波矢量kl之间的角度9,从而进一步促进对声波35的检测。可以认识到，可 以按需来改变井眼32内的接收器30的位置，以检测声波35。此外，尽管将井眼32示为相 对于地表14相对垂直，但是应当认识到井眼不限于这一配置。实际上，在一个实施例中，井 眼32可以相对于地表14成一定角度或倾斜。在另一实施例中，井眼32可以是弯曲的。例 如，井眼32可以是弯曲的，从而使井眼32的一部分可以是相对水平的。接收器30可以被 置于井眼32的任何部分内，包括相对于表面14倾斜或成角度的部分内，或者置于弯曲井眼 的相对水平的部分内。
[0046] 图4是地球的顶视图，其示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的用于地表地 震应用的配置。这一实施例在很多方面与上文联系图2所描述的实施例类似。因此，在这 一实施例中，类似的附图标记表示图2所示的类似元件。不过，在图4中，第一声源10和第 二声源12被置于地表14上并间隔开，并且它们一起绕井眼32的轴移动。如图3所示，接 收器30被置于井眼32内。如图4所示，第一声源10和第二声源12绕井眼32的轴（即穿 过接收器30的轴）以圆圈形式移动或旋转，从而依次从主侧线方向40-1移到主侧线方向 40-2,之后移到主侧线方向 40-3、40-4、40-5、40-6、40-7、40-8、40-9、40-10、40-11，且最后 移到主侧线方向40-N，其中，N可以是任何整数。在每个主侧线方向40-1、40-2、40-3…… 40-N上执行测量。
[0047] 在主侧线方向40-1到40-N的每个上重复测量。通过这种方式，能够构建或者获 得沿线40-1、40-2、40-3......40-N的垂直面内的地下非线性特性的二维（2D)图像。通过使 第一声源10和第二声源12在地表14上绕井眼32的轴移动预期的角度间隔a来重复沿 线的测量。角间隔a在两条相继线之间（即40-1和40-2之间，40-2和40-3之间等等） 可以是相同的，也可以是不同的。在主侧线位置40-1、40-2、40-3......40-N的每个上执行测 量，以获得非线性特性的另一个2D图像。通过沿多条线重复测量，能够获得非线性特性的 多个2D图像，接下来采用地震行业内的各种3D成像技术来合并所述多个2D图像，以建立 绕井眼32的地表14之下的地球的非线性特性的3D图像。在图4中，将第一声源10和第 二声源12示为一起绕井眼32的轴移动或旋转，同时保持其间相同的间隔。但是，应当认识 到第一声源和第二声源之间的间隔从一个主侧线位置（例如，线40-1)到另一个主侧线位 置（例如，线40-2或线40-3等）也可能存在变化。此外，井眼内的接收器30的位置（处 于某一深度）能够保持恒定或者从一个主侧线位置或角位置到另一主侧线位置或角位置 发生变化。类似地，接收器30与源10或12之一分开的径向距离能够保持恒定或者从一个 主侧线位置或角位置到另一主侧线位置或角位置发生变化。
[0048] 尽管上文在参考图1-4的同时描述了两种配置，但是应当认识到，所述源和接收 器布置或配置不限于关于图1-4所描述的配置，而是可以包含其他布置或配置。例如，在一 个实施例中，可以将一个声源置于井眼内，同时将另一声源和所述接收器置于表面上。在另 一实施例中，可以将一个声源置于表面上，同时将另一声源和所述接收器置于井眼内。此 外，在其他实施例中，可以将第一源和第二源置于两个不同的井眼内，同时可以将接收器置 于表面上，或者可以将一个源和接收器置于两个不同的井眼内，同时将另一个源置于表面 上。
[0049] 在一个实施例中，有可能对分别来自声源10和12的声波11和13进行编码，并且 检测介质的非线性响应或者声波15、35并在计算机上对检测到的非线性声波15、35进行处 理，以生成带限的尖峰声信号，该带限的信号模拟了发生在所述介质或者地下岩层内在所 述经编码的声波11和13的非线性相互作用混合区带18内的微地震事件。文中将所述带 限的尖峰声信号称为源自于非线性相互作用的模拟微地震事件。本公开的各种实施例描述 了一种方法和一种系统，以：
[0050]a)建立源和接收器的适当测量配置，从而对介质进行远程勘探，并检测介质的非 线性响应；
[0051] b)对声源信号进行编码；
[0052] c)在处理器上对经编码的检测信号进行处理，从而在探测器或接收器处生成对应 于介质内的具体位置处的模拟微地震事件的测量响应，其中，事件的强度与介质的非线性 特性成比例；
[0053] d)对所述模拟微地震事件进行处理，以生成所述介质的非线性特性的三维2D或 3D图像和传播速度模型。
[0054] 在一个实施例中，所述第一声源（S1) 10和（S2) 12被配置为生成编码声信号。换 言之，分别由声源10和12生成的声波11和13包括编码声信号。可以对编码方案进行选 择，从而获得介质内的预期混合特征。
[0055] 在一个实施例中，两个初级声波11和13的编码信号可以在所述介质或者地下岩 层17内混合，并通过非线性相互作用来生成第三声波15、35的继承特定编码信号。对由介 质17内的非线性相互作用得到的编码返回信号15、35的测量结果可以与模板编码信号进 行相关，所述模板编码信号可以根据发生混合的区域内的非线性混合的选择定律来计算。
[0056] 例如，在给定声波11和13内的初级编码声信号之间的适当起始时间差S并且给 定声波11和13内的编码声信号的频率fl和f2之间的频率比的情况下，由非线性相互作 用的每个区带所生成的结果信号对应于第三声波15、35。例如，可以例如通过相关处理技 术对第三声波15、35进行解码，从而隔离出或者找到源自于非线性相互作用或者由其而生 成的声脉冲信号。可以将解码声脉冲信号看作是由模拟微地震事件生成的频率带限的声信 号，所述模拟微地震事件是在两个初级波11和13的波前的相交处生成的。脉冲的强度与 相互作用区带18的非线性特性以及初级波11和13的应变幅度的乘积成比例。到接收器 16、30的传播时间对应于从声源10或声源12到非线性相互作用区带（相互作用区带或混 合区带）18的核心（locus)的传播时间与第三波16A从相互作用区带18的核心到接收器 16、 30的传播时间之和。
[0057] 图5示出了根据本发明的实施例由第一源10生成的第一声信号Ul、第二源12生 成的第二声信号112以及在非线性混合区带18内由第一声信号ui和第二声信号u2的非线 性混合产生的第三声信号u3。
[0058] 在一个实施例中，第一声源10广播压缩（P)波（例如，平面波或束波），其中ujf 号包括多个或者一系列的声信号脉冲。在一个实施例中，所述多个声脉冲在时间上隔开，从 而使所述脉冲不存在重叠。每个脉冲具有处于中心频率处的调制声信号，其中，m等于 1到M，且M是第一多个脉冲当中的脉冲数量。每个声脉冲具有振幅包络，其具有给定的持 续时间。在整个信号广播过程中，广播中心频率以固定时间间隔顺次出现（staged)。
[0059] 第二声源12广播压缩（P)波（例如，平面波或束），其中u2信号包括多个或者一 系列的声信号脉冲。u2信号的第二多个声脉冲所具有的脉冲中心之间的时间间隔与u:信 号的第一多个脉冲的脉冲中心之间的时间间隔相同。每个脉冲具有处于中心频率 处的调制声信号，其中，m等于1到M，且M是第一多个脉冲的脉冲数量，d是所有脉冲的固 定频率比。每个声脉冲具有振幅包络，其具有持续时间。应当认识到这里将符号用作 乘法算子。
[0060] 图5示出了所述广播编码信号的实施例，其中示出了 Ul信号的所述多个脉冲的前 三个脉冲。第一声信号…被描绘为具有第一脉冲22A、第二脉冲22B和第三脉冲22C。在时 间^处生成第一脉冲22A。所述第一脉冲具有时间宽度或持续时间Ati。第一脉冲22A具 有第一包络221A，且其内的第一调制信号具有第一中心频率。在时间&处生成第二脉 冲22B。所述第二脉冲具有时间宽度或持续时间At2。第二脉冲22B具有第二包络221B， 且其内的第二调制信号具有第二中心频率。在时间&处生成第三脉冲22C。所述第三 脉冲具有时间宽度或持续时间At3。第三脉冲22C具有第三包络221C，且其内的第三调制 信号具有第三中心频率《 3。在一个实施例中，例如，如图5所示，第一脉冲22A的第一包络、 第二脉冲22B的第二包络和第三脉冲22C的第三包络是不同的。但是，脉冲22A、22B和22C 的包络可以是相同的。在一个实施例中，第一频率、第二频率《2和第三中心频率《 3是 不同的。所述第一多个脉冲22A、22B和22C在时间上间隔开（心不同于12,t2不同于13)。 此外，例如，两个相继的脉冲22A和22B的中心频率（例如，〇^和《 2)是不同的。尽管在 图5中将第一信号Ul描绘为具有3个脉冲，但是应当认识到，第一声信号ui可以具有一个 或多个脉冲（即，m等于1到M个脉冲，其中M是大于或等于1的整数）。
[0061] 第二压缩声源12广播许多频率（d*?m)的声信号，其中，d是所有m值的固定频率 比，并且振幅包络和频率按照与第一声信号…相同的固定时间间隔依次排列。例如，如图5 所不，第二声信号被描绘为具有第一声脉冲24A、第二声脉冲24B和第三声脉冲24C。第一 脉冲24A是在时间（ti+S)处生成的，其中，S是第一声信号和第二声信号的生成之间的起 始时间差。换言之，S对应于第一多个脉冲22A、22B和22C的广播的起始时间和第二多个 脉冲24A、24B和24C的广播的起始时间之间所提供的起始时间差。第一声脉冲24A具有第 一包络241A，其内的第一调制信号具有第一中心频率其中，d是第一声信号Ul中的 声脉冲22A、22B或22C内的调制信号分别与第二声信号112中的对应声脉冲24A、24B或24C 内的调制信号的频率之间的频率比。在时间（t2+S)处生成第二声脉冲22B。第二声脉冲 24A具有第二包络241B，其内的第二调制信号具有第二中心频率（d*?2)。在时间（t3+S) 处生成第三声脉冲24C。第三脉冲24C具有第三包络241C，且其内的第三调制信号具有第三 中心频率（d*?3)。在一个实施例中，例如，如图5所示，第一声脉冲24A的第一包络、第二 声脉冲24B的第二包络和第三声脉冲24C的第三包络是不同的。但是，脉冲24A、24B和24C 的包络也可以是相同的。在一个实施例中，第一中心频率（(!*?〇、第二中心频率（d*?2) 和第三中心频率（d*?3)是不同的。所述第二多个脉冲当中的两个相继脉冲（例如，24A和 24B)的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个对应脉冲（22A和22B)的中 心之间的时间间隔相同。在一个实施例中，所述第一多个脉冲当中的两个相继脉冲（例如， 22A和22B)的中心之间的时间间隔可以大于每个脉冲的持续时间（即，大于持续时间A& 和持续时间At2)。尽管在图5中将第二声信号u2描绘为具有3个脉冲，但是应当认识到 第二声信号u2可以具有一个或多个脉冲（即m个脉冲，其中，m是大于或等于1的整数）。 [0062] 可以分别通过下述关系式（3)和（4)来数学地表示声信号+和u2。
[0066] 其中，m是与脉冲相关的索引编号（indexnumber);
[0067] E表示在索引m= 1到M上的求和，M是大于或等于1的整数；
[0068] Elm(t_tm)是第一声信号Ul的脉冲m的振幅包络；
[0069] E2m(t-tm_S)是第二声信号u2的脉冲m的振幅包络；
[0070] ?m是第一声信号ui的脉冲m的调制信号的中心频率；
[0071] (d*?m)是第二声信号u2的脉冲m的调制信号的中心频率；
[0072] d是频率和频率之间的频率比，其中，d是正实数；
[0073] S是第一声信号Ul和第二声信号u2的发生之间的起始时间差；
[0074] exp(i?m(t_tm))是第一声信号Ul的脉冲m内的调制信号；
[0075] exp(id*?m(t-tm_S))是第二声信号u2的脉冲m内的调制信号；
[0076] tm是脉冲m在第一声信号ui中被生成的时间；
[0077] tm+S是脉冲m在第二声信号u2中被生成的时间；以及
[0078] exp(iGm)是第一信号Ul或第二信号u2内的每个脉冲m的相位项。
[0079] 在一个实施例中，两个相继脉冲m和m+1的频率《_"和《m+1选择为彼此不同，使得 频率《m+1之间的差（该差被表示为（《m-?m+1))与《m相比不小。在一个实施例中， 频率《m的范围相对较大，其跨越一个或多个倍频程（octave)。在一个实施例中，两个相邻 时间段&和12之间的时间间隔大于脉冲m的持续时间Atm(其中，m是大于或等 于1的整数）。换言之，相继脉冲m和m+1之间的时间差大于Atm(即Atm< < (tm+1_tm))，且相继脉冲m_l和m之间的时间差（H)大于Atm (即Atm< < (tu-t^))。
[0080] 当第一声信号Ul和第二声信号u2在某一距离处非线性混合时，所述非线性混合 生成第三声信号u3。所述第三声信号u3包括一系列声脉冲，每个声脉冲具有包络和调制信 号。对于信号U3中的第m个脉冲而言，u3信号中的第m个脉冲的调制信号具有等于第一声 信号的调制信号的频率和第二声信号的调制信号的频率（d*?m)之间的差的中心频率， 即 〇m-d*?m)或（（l_d)*?m)。
[0081] 例如，如图5所示，第三声信号u3被描绘为具有第一声脉冲26A、第二声脉冲26B 和第三声脉冲26C。这些脉冲26A、26B和26C是在第一声信号的生成和第二声信号的生成 之间的起始时间差S等于'和^之间的时间差时在混合区带处生成的，其中，!\是第一声 信号+从第一声源10到混合区带18的中心的传播时间，且T2是第二声信号u2从第二声 源12到混合区带18的中心的传播时间。在时间接收第一脉冲26A，其中，T3是 从生成第三信号的混合区带18的中心到接收器16、30的传播时间。在一个实施例中，两个 相继脉冲（例如，脉冲26A和26B)的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个 对应相继脉冲（22A和22B)的中心之间的时间间隔相同。
[0082] 第一脉冲26A具有包络261A，其内的第一调制信号具有第一中心频率（1-dhc^。 脉冲26A的包络宽于第一信号1^中的脉冲22A和第二信号u2中的脉冲24A的包络。该第 一中心频率（1-d)*%对应于第一信号11:中的第一脉冲22A的中心频率《i和第二信号 u2中的第二脉冲24A的中心频率（d*?D之间的频率差。在时间h+Ti+l#接收第二脉冲 26B。第二脉冲26B具有包络261B，其内的第二调制信号具有第二中心频率（l-d)*?2。脉 冲26B的包络宽于第一信号1^中的脉冲22B和第二信号u2中的脉冲24B的包络。该第二 中心频率（l-d)*?2对应于第一信号1中的第二脉冲22B的中心频率《 2和第二信号112中 的第二脉冲24B的中心频率（d*?2)之间的频率差。在时间接收第三脉冲26C。 第三脉冲26C具有包络261C，且其内的第三调制信号具有第三频率（l-d)*?3。脉冲26C的 包络宽于脉冲22C和脉冲24C的包络。该中心频率（1-(1)*?3对应于第一信号1^中的第三 脉冲22C的中心频率和第二信号u2中的第三脉冲24C的中心频率（d*? 3)之间的频率 差。因此，所述第三多个脉冲中的每个脉冲（例如，脉冲26A、26B或26C)在接收器处的抵 达时间相对于所述第一多个脉冲的对应脉冲（22A、22B或22C)的生成都发生了时间延迟， 该延迟为从第一声源到混合区带的中心的传播时间0\)和从混合区带的中心到接收器的 传播时间（T3)的和。
[0083] 可以通过下述数学公式（5)表示由第一和第二信号在非线性介质17内在混合区 带18处的非线性相互作用而生成的第三信号u3。
[0085] 其中，m是与每个脉冲相关的索引编号；
[0086] E表示在索引m= 1到M上的求和，M是大于或等于1的整数；
[0087] ESjt-VTi)是第三信号u3的脉冲m的振幅包络；E3，略宽于El，E2 m的包络 函数，其可以由EljPEZm、《m、d以及混合区带的尺寸计算出来；
[0088] (1-d)*?m是第二彳目号u3的脉冲m的调制彳目号的中心频率；
[0089] d是频率《m和频率d* ?m之间的频率比，其中，d是正实数；
[0090] exp(i(l_d) * ?m* (t-m))是第二/[目号u3的脉冲m内的调制{目号；
[0091]k+Ti+l是接收到第三信号u3中的脉冲m的时间；
[0092] exp(iGm)是第三信号u3内的每个脉冲m的相位项。
[0093] 在一个实施例中，在1^-1=S时（即在第一声信号Ul的脉冲m到混合区带18的 中心的传播时间和第二声信号u2的脉冲m到混合区带18的中心的传播时间T2之间的 时间差等于第一声信号ui的脉冲m的生成和第二声信号u2的脉冲m的生成之间的起 始时间差S时）并且第一声信号的脉冲m内的调制信号的频率和第二声信号的脉冲m 内的调制信号的频率之间的频率比满足方程⑴时，两个编码广播信号uJPu2的所 有脉冲完全对准，以生成第三波113，其中，所述编码信号如图5所示。其可以表明，在没有强 吸收Q传播效应的情况下，第三波是来自混合区带18的中心的有效广播，其具有以下的方 程（5)的继承编码信号u3。
[0094] 例如，如果Elm(t)和E2m(t)被选择为高斯函数，那么可以通过方程（6)来表示第 一声信号~的脉冲m的包络Elm(t-tm)和E2m(t-tm)的幅度。
[0095] Elm(t-tm) =E2m(t-tm) =exp(-(t-tm)2/4(Atm)2) (6)
[0096] 并且如果混合区带相对较大的话，能够通过方程（ 6)表示包络E3m(t-tm)的幅度。
[0097] E3m(t-tm) =exp(-(t-tm)2/8(Atm)2) (7)
[0098] 例如，如果Elm(t)和E2m(t)被选择为高斯函数，那么可以通过方程（6)表示第一 声信号七的脉冲m的包络Elm(t_tm)和E2m(t_tm)的幅度。
[0099] 如果不满足1^=S的条件或者d不满足方程（4)，那么每个脉冲的选择定律就 无法被满足。因此，所产生的第三波u3将减弱或衰减。应当指出，如果地球吸收Q效应大， 那么通过方程（3)表达的所产生的第三信号将存在额外的复杂性。
[0100] 如果Ti-TfS并且d满足方程（1)，那么16、30处的接收器R处的检测信号 u3 (R，t)将为从混合区带M。18的中心发出的广播信号u3 (M。，t)，该信号存在传播时间1~3的 时间延迟。可以通过下述方程（7)表示接收器处的信号u3(R，t)。
[0102] 如果将u3(R，t)与通过下面的方程（9)表示的模板信号us(t)交叉相关。
[0104] 其中，就像对啁啾信号（chirpedsignal)的标准信号处理一样，Wm(t)是选出或选 定的包络，而g(?m)是选出或选定的频率函数，假设信号udPu2含有跨越频率范围《 _到 的稠密《m集，那么所产生的信号将是发生在时间t=T1+T3处的频率带限的尖峰。所述 带限的尖峰具有频率范围（1-(1)*?_到（l_d)*?max，或者具有由对应于（l-d)*〇lm_?2m) 的每个值的一系列离散频率构成的频率成分，其中，m= 1到M。可以适当地选择方程（9)中 的函数g(?m)。对适当函数g(?J的选择可以基于测量信号u3内的预期调制函数的形状， 以获得对最佳非线性信号的提取。g(?m)取决于频率分数d。例如，可以选择函数g(?m) 使得g(wm) = (l-d)*wm。但是，也可以选择其他函数。
[0105] 所述带限的尖峰实际上是源自在时间处发生在混合区带18中的微地震事件的 信号。所述来自混合区带18处的微地震事件的信号在时间！^内朝向接收器传播。接收器 16、30在时间I\+T3处检测所述信号。
[0106] 相关的测量信号具有下述特性。首先，只有当第一和第二初级编码信号之间的起 始时间差s等于从第一声源10到混合区带18的传播时间和从第二声源12到混合区带 18的传播时间T2之间的差的情况下，即只有在S=1^-1^^情况下，所述的相关信号才含 有对应于混合区带18处的非线性相互作用的尖锐的带限的尖峰。如果不满足这一条件，那 么所述的相关信号将受到高度抑制。其次，如果满足条件S=1^-1，那么将在时间T处在 所述相关信号上出现带限的尖峰，其中，T等于从第一初级声源10到混合区带18的传播时 间和从混合区带18到接收器阵列16、30内的接收器Ri的传播时间的和，如图1和图3所 示，即T=I\+T3=S+T2+T3。第三，提高编码信号序列的持续时间，即，增加（第一信号Ul 和/或第二信号u2中的）广播序列中的脉冲数量M将提高信号与噪声的区别性，因为噪声 不具有模板信号^的形式。
[0107] 在图6A和6B中分别示出了在第一源10和第二源12发射由具有高斯包络的顺 序声脉冲构成的编码信号序列!!"。和11 2(〇的声束的情况下所得到的数值模拟。在这个 非限制性范例中，使用由12个脉冲构成的编码信号，其具有频率对（22. 960Hz，14. 920Hz) (24. 960Hz，16. 224Hz)(28. 000Hz，18. 200Hz)(30. 280Hz，19. 680Hz)(32. 080Hz，20. 852Hz) (34. 820Hz，22. 640Hz) (37. 880Hz，24. 620Hz) (40. 000Hz，26. 000Hz) (44. 800Hz，29. 120Hz) (48. 720Hz，31. 680Hz) (52. 960Hz，34. 440Hz) (57. 600Hz，37. 440Hz)。各对之间的频率比d =?2/Wl为常数0.65。两个信号序列uJPu2之间的起始时间差S被选择为等于（Ti-ig。 在计算机上执行对由两个编码波序列^和^的广播而导致的非线性相互作用的数值模拟。 图7A示出了由在接收器阵列的六个接收器处所接收并记录的两个顺序脉冲的广播的非线 性相互作用所导致的模拟微地震事件信号。从1到6对每个接收器Ri16, 30做出索引，并 且在图7A中将其示为具有沿接收器阵列的以米为单位的距离。图7B示出了返回编码信号 的模板us。图7C示出了在每个所考虑的接收器处的模板信号与记录信号之间的相关结果。 图7C所示的在每个接收器处得到的相关信号表现出了非常尖锐的带限的尖峰。这一尖锐 的带限的尖峰发生在时间T= ^+^处，其中，Ti是从源S10到混合区带18的中心的传播 时间，T3是从混合区带18的中心到每个接收器Ri16,30的传播时间。在一个实施例中，T3 对于每个接收器Ri16,30是不同的，该不同是相关尖峰沿接收器阵列向外移动的原因，如 图7C所示。
[0108] 图7A-7C所示的数值模拟清晰地示出了所述编码方案的能力和实用性。其允许对 接收器16、30处的记录信号进行计算机处理，以生成含有带限的尖峰信号的相关记录，所 述尖峰信号的强度与混合区带18处的非线性相互作用的强度成比例。所述带限的尖峰的 抵达时间T等于从源10到混合区带18以及回到接收器Ri16,30的总传播时间。所述带 限的尖峰的幅度随接收器的位置而变化，最大幅度出现在特定接收器上，该特定接收器的 位置取决于混合区带18处的非线性相互作用的散射角9。散射角9取决于混合区带18处的 材料或介质的特性，例如，Vp/Vs速度比。应当指出这一结果是所述编码方案的特征。高斯 包络和编码信号结合模板的使用是非限制性例子，该非限制性例子的目的在于对编码方案 及其特征进行举例说明。也可以考虑UpUjPus的变形从而响应于应用所带来的各个考虑 事项在分辨率和信噪比方面优化所述相关处理的性能。
[0109] 在本公开的一些方面当中，也可以采用初级声信号中的编码声信号来增强朝向接 收器传播的非线性信号的幅度和聚焦，并且提高信号检测灵敏度和信噪比。图8A-8C示出 了将所述编码信号方案应用于通过数值模拟生成的噪声时间序列信号的例子。所述噪声时 间序列信号模拟由非线性相互作用所产生的返回至井眼的信号。在与编码模板的相关被应 用之前，向在非线性模型内由波传播的数值模拟所生成的时间序列信号增加幅度比非线性 相互作用信号的幅度大10%的白高斯噪声。图8A示出了在接收器阵列16,30的6个接收 器处所记录的含噪声的仿真接收信号。图8C示出了在与图8B所示的由12个脉冲构成的 编码模板\(〇相关时从相同接收器的所述噪声信号（在这种情况下为仿真噪声信号）得 到的信号。因而，可以表明所述编码方案从非线性相互作用有效地提取了信号，并使噪声最 小化，对于现场应用而言这是一个有用的特征。
[0110] 当声源10和12发射声波而非声束时，在介质17中，在任何接收器Ri16,30处的 测量信号的编码和后续相关的测量结果M(Ri，t)(被表示为M(Ri，t))是所述介质内满足条 件^二S并且d满足方程⑴的所有Me点的所有声脉冲的和。因而，对于每个时间差 和频率比对（S，d)而言，有很多满足条件1^-1=S以及d满足方程（1)的Me点（被表 示为Me(S，d))。可以通过下述方程（10)来表示每个点i的方程M(Ri，t)。
[0112] 其中，A(Mc)是考虑了传播效应和Me处的非线性强度的振幅系数；
[0113] 其中，E表示在以Mc(S，d)为中心的所有混合区带上的求和；
[0114] 其中，T(Sl，Mc)是从源S1到特定Mc(S，d)的传播时间；
[0115] 其中，T(Mc，Ri)是从特定Mc(S，d)到接收器Ri的传播时间；并且
[0116] 其中，WB(t，是频率范围处于《_和之间的带限的尖峰。
[0117] 因而，如方程（10)所定义的，解码测量结果M(Ri，t)包括对很多微地震事件的多 个测量结果，所述微地震事件发生在介质17内的位置Me(S，d)上，在接收器Ri16, 30处 对微地震事件的接收时间对应于从源10到位置Me(S，d)以及从位置Me(S，d)到接收器 Ri16, 30的总传播时间。但是，应当注意，在对传播效应和混合运动学效应进行校正之后， 微地震事件的强度与微地震事件位置Mc(S，d)的位置处的岩石的非线性特性成比例。
[0118] 应当认识到，图5所示的编码方案只是允许将测量结果处理成模拟微地震事件的 编码方案的一个例子。这一编码方案可以有很多种变型。例如，在一个实施例中，每个频率 的脉冲之间的时间段是可变的，其具体时间间隔可以是随机的或者周期性的。在一个实施 例中，每个脉冲的振幅能够是可变的，其具体值可以是随机性的或者周期性的。在一个实施 例中，所述信号时间段（即，脉冲之间的时间段）能够是可变的。在一个实施例中，带有脉 冲的调制信号其本身可以是被布置在调制信号之间的变化监听时段处的一系列调制信号 的合成或叠加，从而（例如）增强模拟微地震事件的信噪比。应当认识到，可以单独地实施 上述实施例，或者按照任何预期方式对上述实施例加以组合，以获得任何预期的编码方案。
[0119] 图9示出了根据本发明的实施例在介质具有恒定的声传播速度但是具有变化的 非线性地球参数时位置Me(S，d)在含有第一声源S1 10和第二声源S2 12的平面中的位 置。在含有源S1 10和S2 12的平面内，具有恒定S的点的轨迹是垂直取向的双曲线。具 有恒定频率比d的点的轨迹定义了多个圆Cd。圆Cd的中心处于SI10到S2 12的线段的等 分线上。各个圆在同一平面内都通过点S1和S2。因此，对于每个（S，d)对，对于Mc(S，d) 而言在平面内都恰好有两个点（例如，PJPP2)。通过使该平面绕S1S2轴旋转，能够将 Mc(S，d)的轨迹定义为圆C(S，d)，对于每个（S，d)对而言，该圆都具有处于S1S2轴上的 圆心。如果对（S，d)对的所有值都进行扫描，那么能够建立绕S1S2线的所述介质内的体 积空间当中的所有位置的微地震事件。
[0120] 可以看出，在放宽恒定声速的假设时，由于传播效应，例如，射线折曲和波前复杂 性的原因，Mc( 8,d)的轨迹将更加复杂。但是，不管非线性介质内的复杂性如何（例如，不 同的波前速度等），都能够采用上文所述的测量和编码方案来将微地震事件模拟为发生在 来自两个源S1 10和S2 12的波前的相交处。
[0121] 在一个实施例中，如果声源S1 10和S2 12具有射束辐射图样，那么能够对所述模 拟微地震事件进行进一步的定位。图10示出了根据本发明的实施例的声源S1 10是生成 辐射束的阵列源的情况。在一个实施例中，将阵列源S1 10放置为垂直于S1S2轴。通过源 元件的适当起始时间差，阵列源S1能够生成相对于S1S2轴存在特定倾角的声波。例如，源 S1 10的声波波前限于锥形。如图10所示，所述锥形的轴垂直于所述S1S2轴。因此，模拟 微地震事件局限于介质内的两个点乂和M2，所述两个点处于所述锥形与轨迹圆C(S，d)的 相交处，如图10所示。因而，S1和S2的辐射束图样控制着模拟微地震事件能够发生在介 质内的何处。
[0122] 在地震学当中，通过假设介质的声传播速度的模型，能够对地震测量结果执行时 间反演操作。所述时间反演建模操作能够将声波重新聚焦回地震事件起始时的波峰。起始 时的聚焦能量峰的强度是初始地震事件的强度的函数。在声学领域，时间反演的一般原理 已经生成了很多应用。通常被称为逆时偏移或RTM的一般性时间反演方法已经被用到了 (例如）油气勘探当中的复杂介质中的成像（参考GeorgeA.McMech an,Determinationof sourceparametersbywavefieldextrapolation,GeophysicalJournalofTheRoyal AstronomicalSociety，Volume71，Issue3,pages613_628，December1982)，通过引用 将其全部内容并入本文。
[0123] 可以将所述时间反演方法应用于上面段落中描述的模拟微地震测量。在本申请 中，时间反演操作能够将波聚焦回微地震事件的起始时间和地点（即，位置Me(S，d)和时 间T(S1，Me)，如上面段落中指出的）。如上面的段落中所陈述的，起始时的微地震事件的强 度与微地震事件的位置处的非线性特性成比例。因此，能够采用所述时间反演操作作为工 具来确定起始点Me(S，d)处的非线性特性的相对值。因而，如果针对所有的（S，d)对对 模拟微地震事件执行所述时间反演操作，那么能够对所有位置Me(S，d)处的非线性特性 进行定量。通过合并所有位置Me(S，d)处的非线性特性的值，能够构建源S1和S2的周围 的介质的非线性特性的相对强度的三维（3D)图像。
[0124] 也可以对勘探地震学中的常规标准成像方法（例如，Kirchhoff、射束和波动方程 偏移）加以修改，并将其应用到当前的非线性声相互作用，从而在假设介质的传播速度模 型的情况下由模拟微地震事件的测量结果导出介质的非线性特性的相对强度的3D图像。 可以将对于各种行业而言已知的其它高级反演方法应用到模拟微地震事件。
[0125] 下面的段落将详细描述将Kirchhoff成像方法用于由两个声波在非线性介质内 的非线性相互作用得到的模拟微地震事件的实施例。
[0126] 在一个实施例中，可以将模拟微地震事件表达为M(Ri,t)。对于介质内的每个给 定点Me而言，能够采用传播速度模型计算从相互作用区带Me到接收器阵列16, 30的接收 器Ri(例如，Rl，R2等）的传播时间T(Ri，Me)以及从声源S1 10到接收器（例如，Rl，R2 等）16, 30的传播时间T(S1,Me)。在一个实施例中，还可以计算从源S1到相互作用区带Me 的波传播振幅A(Sl，Me)、从源S2到相互作用区带Me的波传播振幅A(S2,Me)以及从相互作 用区带Me到接收器Ri(例如，Rl，R2等）的束传播振幅A(Mc，Ri)。可以通过下面的方程 (11)表示非线性特性的图像值。
[0128] 在一个实施例中，在计算反演因数（例如，l/A(Sl，Mc))的过程中，可以将适当的 小的"噪声因数"引入到方程（11)当中，从而根据标准信号处理最佳实践来使这些反演加 权因数稳定。如果在Me处存在微地震事件，那么来自于Me处的微地震事件的所有测量响 应Ri的和都将是同相的，而其他位置处的所有其他微地震事件的贡献将是异相的。因此， 由方程（11)计算出的I(Me)仅含有来自Me处的微地震事件的信息。
[0129] 方程（11)示出了怎样能够从模拟微地震事件构造出3D图像，所述微地震事件是 由来自一对声源S1和S2的声波生成的。可以从处于不同位置处的许多对声源S1和S2构 造出多幅图像I(Me;S1，S2)。如果传播速度模型是正确的，那么这些图像将必然是相同的。 如果它们不同，那么传播速度模型中存在误差。可以采用这一自相容条件确定正确的传播 速度模型以及混合位置Me处的局部速度比Vp/Vs。
[0130] 可以假设初始传播速度模型以及混合位置Me处的局部速度比Vp/Vs来构造多个 S1 10和S2 12的位置处的多幅图像I(Me;S1，S2)。可以通过速度层析成像法来执行对传 播速度模型的更新，从而使获得的（3D)图像I(Me;S1，S2)中的差异最小化。在一个实施例 中，可以对更新过程进行迭代，直到所获得的图像I(Mc;Sl，S2)中的差异最小化。之后，可 以将所述多幅图像I(Me;S1，S2)结合起来，以建立介质的非线性特性或者局部速度比Vp/ Vs或两者的最终图像。
[0131] 在本公开的一些方面当中，也可以采用上述数据采集、处理和成像来执行时间推 移勘察。由（例如）应力、岩层流体压力或饱和变化所导致的非线性度或速度比Vp/Vs的 变化在d，S，t空间内是可见的，因而可以大致对其进行定位，而不需要进行复杂的处理来 将其转换为映射的特性。
[0132] 可以将文中描述的方法和系统应用于维持声波传播的任何介质。例如，可以将所 述方法和系统应用到地震学、钻孔测井、医疗超声波成像、非破坏性测试和材料科学，例如 但是不限于，对扩散粘结样本中的损伤进行定位，对爆炸物中的损伤进行定位，对骨骼中的 损伤进行定位，与合成物中的裂缝密度和非线性度进行相关，对固体块内部的非线性特征 进行定位等等。也可以将所述方法和系统用于对材料的一般性的非线性、非破坏性评估 _)〇
[0133] 在一个实施例中，可以将上文描述的一种或多种方法实现为能够通过计算执行的 一系列指令。应当认识到，文中采用的"计算机"一词包含任何类型的计算系统或装置，包括 个人计算机（例如，台式计算机、膝上型计算机或任何其他手提计算装置）或主计算机（例 如，IBM主机）或者超级计算机（例如CRAY计算机）或者处于分布式计算环境内的多个连 网计算机。
[0134] 例如，可以将所述方法实现为软件程序应用，其能够存储在计算机可读介质内，例 如，硬盘、〇?(通、光盘、0￥0、磁光盘、狀113?1?(通3￡?1?(通、磁卡或光卡、闪速卡（例如，化8闪 速卡）、PCMCIA存储卡、智能卡或其他介质。
[0135] 或者，能够通过诸如Internet、ATM网络、广域网（WAN)或局域网的网络从远程计 算机或服务器来下载部分或整个软件程序产品。
[0136] 或者，作为在将所述方法实现为通过计算机体现的计算机程序产品（例如，软件 产品）的替代或补充，可以将所述方法实现为硬件，其中，（例如）专用集成电路（ASIC)可 以被设计为实现所述方法。
[0137] 图11是根据本发明的实施例的表示用于实施所述方法的计算机系统110的示意 图。如图15所示，计算机系统110包括处理器（例如，一个或多个处理器）112以及与处理 器112通信的存储器114。计算机系统110还可以包括用于输入数据的输入装置116 (例 如，键盘、鼠标等）和用于显示计算结果的输出装置118 (例如，显示装置）。可以将计算机 系统110配置为控制包括控制模块120在内的各种模块，以控制声源10和12,以及控制用 于采集从一个或多个接收器16, 30获得的测量数据的采集或处理电子装置122。可以将测 量数据存储到存储装置124内，以后可以对其进行可视化或处理等。应当认识到文中采用 的处理器一词包含一个或多个处理器。在提及处理器的地方，应当将该词理解为包含这些 计算布置中的任何布置。
[0138] 尽管基于当前认为是最实际和优选的实施例出于例示的目的详细地描述了本发 明，但要理解，这样的细节仅仅是为了该目的，本发明不限于公开的实施例，而是相反，意在 涵盖所附权利要求的精神和范围之内的修改和等价布置。例如，要理解，本发明考虑到在可 能的范围内，可以将任何实施例的一个或多个特征与任何其他实施例的一个或多个特征组 合。
[0139] 此外，由于本领域技术人员将容易地想到很多修改和变化，因而决不希望使本发 明局限于文中描述的确切构造和操作。因此，应当认为所有适当的修改和等价方案均落在 本发明的精神和范围内。
【主权项】
1. 一种根据非线性相互作用来表征介质特性的方法，所述方法包括： 通过设置在介质表面上的第一声源来生成第一声波； 通过设置在介质表面上的沿第一线与所述第一声源隔开的第二声源来生成第二声波， 其中，第一声源和第二声源能够被控制以使第一声波和第二声波的轨迹在介质内的混合区 带内相交； 通过置于含有第一声源和第二声源的平面内的接收器来接收通过第一声波和第二声 波在所述混合区带内的非线性混合过程所生成的第三声波；以及 基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第 一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第 一二维图像。2. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一声源、第二声源移动到第二线，并基 于所接收到的第三声波来建立大体垂直于所述表面并且含有所述第二线的第二平面内的 所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第二比值或两者的第二二维 图像。3. 根据权利要求2所述的方法，其中，移动所述第一声源和第二声源包括沿基本上垂 直于所述第一线和第二线的方向将所述第一声源和第二声源从第一线移动到所述第二线。4. 根据权利要求2所述的方法，还包括使接收器随第一声源和第二声源一起从第一线 移动到第二线。5. 根据权利要求2所述的方法，其中，移动所述第一声源和第二声源包括围绕穿过接 收器的轴使第一声源和第二声源从第一线旋转预期角间隔到达第二线。6. 根据权利要求2所述的方法，还包括使所述介质的第一二维图像和所述介质的第 二二维图像结合，以建立所述介质的三维图像。7. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述接收器设置到介质的表面上。8. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述接收器设置到所述介质内的井眼内。9. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述介质是地下岩层。10. 根据权利要求1所述的方法，其中，生成第一声波包括生成包含被布置为时间序列 的第一多个脉冲的第一编码声波，所述第一多个脉冲在时间上隔开，每个脉冲包括处于中 心频率上的调制信号，其中两个相继的脉冲的中心频率是不同的。11. 根据权利要求10所述的方法，其中，生成第二声波包括生成包含被布置为时间序 列的第二多个脉冲的第二编码声波，所述第二多个脉冲在时间上隔开，其中，两个相继脉冲 的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲中的两个对应脉冲的中心之间的时间间隔相 同，其中，在所述第二多个脉冲的广播的起始时间和所述第一多个脉冲的广播的起始时间 之间提供起始时间差，其中，每个脉冲包括调制信号，并且所述第二多个脉冲当中的每个脉 冲内的调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲中的对应脉冲的调制信号的中心频率的 选定分数d。12. 根据权利要求11所述的方法，还包括通过处理器对接收到的声波执行数据处理， 或者使接收到声波与编码信号模板相关，或者实施两者，从而相对于噪声或者相对于线性 相互作用过程生成的信号或相对于两者提取出非线性混合过程所生成的第三信号，以获得 在第一声波和第二声波的混合区带处出现的模拟微地震事件信号。13. 根据权利要求12所述的方法，其中，生成第一编码声波包括生成第一声波，从而使 第一多个脉冲中的两个相继脉冲的中心之间的时间间隔大于每个脉冲的持续时间。14. 根据权利要求12所述的方法，其中，通过非线性混合过程生成的且在接收器处接 收到的第三信号包括按照时间序列抵达的并且在时间上隔开的第三多个脉冲，其中，两个 相继脉冲的中心之间的时间间隔与第一多个脉冲当中的两个相继脉冲的中心之间的时间 间隔相同， 其中，所述第三多个脉冲中的每个脉冲包括调制信号，所述调制信号的每个脉冲的中 心频率等于第一多个脉冲中的对应脉冲的中心频率与第二多个脉冲中的对应脉冲的中心 频率之间的差， 其中，第三多个脉冲的每个脉冲在接收器处的抵达时间相对于第一多个脉冲中的对应 脉冲的生成发生了时间延迟，该时间延迟为从第一声源到混合区带的中心的传播时间和从 混合区带的中心到接收器的传播时间的总和。15. 根据权利要求12所述的方法，还包括针对一定范围的起始时间差和一定范围的频 率分数d来重复第一编码声信号的生成、第二编码声信号的生成、第三信号的接收以及数 据处理的执行或者与编码信号模板的相关或两者，以获得来自在多个混合区带处生成的模 拟微地震事件的信号。16. 根据权利要求12所述的方法，其中，生成第一声波包括生成作为多个脉冲的和 的 第一编码声信号，其中，每个脉冲具有等于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度，并 且其中，生成第二声波包括生成作为多个脉冲的和的第二编码声信号，其中，每个脉冲具有 等于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度。17. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述相关包括使检测到的信号与编码模板信 号相关，其中，所述模板信号包括多个脉冲，其中，模板信号内的多个脉冲的中心之间的时 间间隔与第一声信号的多个脉冲的中心的时间间隔相同，并且其中，第三信号中的多个脉 冲的中心频率是第一声信号的多个脉冲的中心频率和频率分数d的函数。18. 根据权利要求17所述的方法，还包括提高第一多个脉冲的数量以及提高第二多个 脉冲的数量，以增强由非线性混合过程生成的第三信号相对于噪声或者相对于由线性相互 作用过程生成的信号或两者的辨别力。19. 根据权利要求18所述的方法，还包括： 通过处理器使接收器Ri处的第三声波与编码模板信号us (t)相关，由此从混合区带处 的模拟微地震事件提取出第三信号，以及 针对第二多个脉冲和第一多个脉冲之间的多个起始时间差S以及针对第二多个脉冲 中的每个脉冲的调制信号的中心频率和第一多个脉冲中的每个对应脉冲的调制信号的中 心频率之间的多个频率比d来重复模板信号与检测信号之间的相关，从而针对每个起始时 间差S以及针对每个频率比d得出针对每个接收器Ri的被表示为M(Ri，t)的相关信号， 所述相关信号含有根据非线性相互作用的选择定律在特定混合位置处由非线性相互作用 所生成的模拟微地震事件。20. 根据权利要求19所述的方法，还包括针对每个起始时间差S并且针对每个频率 比d和对应的相关信号M(Ri，t)，基于压缩波或剪切波速度的速度模型采用轨迹分析和传 播时间计算来计算其中两个声信号发生非线性的相互作用的模拟微地震事件的空间坐标。21. 根据权利要求20所述的方法，还包括应用时间反演操作，从而借助于传播速度模 型使模拟微地震事件的信号在时间上反向传播至微地震事件的起始的时间和位置。22. 根据权利要求19所述的方法，还包括采用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成 像或者时间反演方法根据含有第一声信号和第二声信号的混合区带处的模拟微地震事件 的相关信号来生成介质的微地震事件或者介质的非线性特性或两者的二维或三维图像，其 中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的，其中，所述第一源和第二源 位于不同的位置处。23. 根据权利要求19所述的方法，还包括通过将第一源设置到多个位置处来多次重复 由第一源对声波信号的生成，以及通过将第二源设置到多个位置处来多次重复由第二源对 第二声波的生成；以及通过将接收器设置到多个位置处来多次重复对第三信号的接收；以 及采用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或时间反演法根据含有第一声信号和第二 声信号的混合区带处的模拟微地震事件的相关信号来生成所述介质的非线性特性的多幅 三维图像，其中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的。24. -种根据非线性相互作用来表征介质特性的系统，所述系统包括： 第一声源，被设置在介质表面上，所述第一声源被配置为生成第一声波； 第二声源，被设置在介质表面上沿第一线与第一声源隔开，所述第二声源被配置为生 成第二声波，其中，第一声源和第二声源能够被控制以使得第一声波和第二声波的轨迹在 介质内的混合区带内相交； 接收器，被置于含有第一声源和第二声源的平面内，所述接收器被配置为接收由第一 声波和第二声波在混合区带内的非线性混合过程所生成的第三声波；以及 处理器，被配置为基于所接收到的第三声波来建立在大体垂直于所述表面并且含有所 述第一线的第一平面内的所述介质的非线性特性或者压缩波速度和剪切波速度的第一比 值或两者的第一二维图像。25. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述第一声源、第二声源能够移动到第二线， 并且其中，所述处理器还被配置为基于所接收到的第三声波来建立大体垂直于所述表面并 且含有所述第二线的第二平面内的所述介质的特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波 速度的第二比值或两者的第二二维图像。26. 根据权利要求25所述的系统，其中，所述第一声源和第二声源能够沿基本垂直于 所述第一线和第二线的方向从第一线移动到第二线。27. 根据权利要求25所述的系统，其中，接收器能够随第一声源和第二声源一起从第 一线移动到第二线。28. 根据权利要求25所述的系统，其中，通过使第一声源和第二声源围绕穿过接收器 的轴旋转预期角间隔，能够使第一声源和第二声源从第一线移动到第二线。29. 根据权利要求25所述的系统，其中，所述处理器被配置为使所述介质的第一二维 图像和所述介质的第二二维图像结合，以建立所述介质的三维图像。30. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述接收器被设置到介质的表面上。31. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述接收器被设置到所述介质内的井眼内。32. 根据权利要求24所述的系统，其中，所述介质是地下岩层。33. 根据权利要求24所述的系统，其中，第一声源被配置为生成包含被布置为时间序 列的第一多个脉冲的第一编码声信号，所述第一多个脉冲在时间上隔开，每个脉冲包括处 于中心频率上的调制信号，其中两个相继脉冲的中心频率是不同的。34. 根据权利要求33所述的系统，其中，第二声源被配置为生成包含被布置为时间序 列的第二多个脉冲的第二编码声信号，所述第二多个脉冲在时间上隔开，其中，两个相继脉 冲的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个对应脉冲的中心之间的时间间 隔相同，其中，在所述第二多个脉冲的广播的起始时间和所述第一多个脉冲的广播的起始 时间之间提供起始时间差，其中，每个脉冲包括调制信号，并且所述第二多个脉冲当中的每 个脉冲内的调制信号的中心频率是所述第一多个脉冲当中的对应脉冲的调制信号的中心 频率的选定分数d。35. 根据权利要求34所述的系统，其中，所述处理器被配置为对接收到的声波执行数 据处理，或者使接收到的声波与编码信号模板相关，或者实施两者，从而相对于噪声或者相 对于由线性相互作用过程生成的信号或相对于两者来提取由非线性混合过程所生成的第 三信号，以获得在第一声信号和第二声信号的混合区带处出现的模拟微地震事件信号。36. 根据权利要求35所述的系统，其中，第一声信号被生成为使所述第一多个脉冲当 中的两个相继脉冲的中心之间的时间间隔大于每个脉冲的持续时间。37. 根据权利要求35所述的系统，其中，通过非线性混合过程生成的且在接收器处接 收到的第三信号包括按照时间序列抵达的并且在时间上隔开的第三多个脉冲，其中两个相 继脉冲的中心之间的时间间隔与所述第一多个脉冲当中的两个相继脉冲的中心之间的时 间间隔相同， 其中，所述第三多个脉冲中的每个脉冲包括调制信号，所述调制信号的每个脉冲的中 心频率等于第一多个脉冲中的对应脉冲的中心频率与第二多个脉冲中的对应脉冲的中心 频率之间的差， 其中，第三多个脉冲的每个脉冲在接收器处的抵达时间相对于第一多个脉冲中的对应 脉冲的生成发生了时间延迟，该时间延迟为从第一声源到混合区带的中心的传播时间和从 混合区带的中心到接收器的传播时间的总和。38. 根据权利要求35所述的系统，其中，第一声源和第二声源被配置为重复第一编码 声信号的生成和第二编码声信号的生成，且接收器被配置为重复第三信号的接收，并且所 述处理器被配置为针对一定范围的起始时间差和一定范围的频率分数d来重复数据处理 的执行或与编码信号模板的相关或两者，以获得来自在多个混合区带处生成的模拟微地震 事件的彳目号。39. 根据权利要求35所述的系统，其中，第一声源被配置为生成作为多个脉冲的和的 第一编码声信号，其中，每个脉冲具有等于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度，并 且其中第二声源被配置为生成作为多个脉冲的和的第二编码声信号，其中每个脉冲具有等 于包络函数和调制信号函数的乘积的信号幅度。40. 根据权利要求35所述的系统，其中，所述处理器被配置为使检测信号与编码模板 信号相关，其中模板信号包括多个脉冲，其中，模板信号中的多个脉冲的中心之间的时间间 隔与第一声信号中的多个脉冲的中心的时间间隔相同，并且其中第三信号中的多个脉冲的 中心频率是第一声信号的多个脉冲的中心频率和所述频率分数d的函数。41. 根据权利要求40所述的系统，其中，第一声源被配置为提高第一多个脉冲的数量， 且第二声源被配置为提高第二多个脉冲的数量，以增强由非线性混合过程生成的第三信号 相对于噪声或者相对于由线性相互作用过程生成的信号或者相对于两者的辨别力。42. 根据权利要求41所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过使接收器Ri处的第 三声波与编码模板信号us(t)相关而从混合区带处的模拟微地震事件提取第三信号，并且 针对第二多个脉冲和第一多个脉冲之间的多个起始时间差S以及第二多个脉冲中的每个 脉冲内的调制信号的中心频率与第一多个脉冲的每个对应脉冲的调制信号的中心频率之 间的多个频率比d来重复模板信号和检测信号之间的相关，从而针对每个起始时间差S和 每个频率比d，来得到针对每个接收器Ri的被表示为M(Ri，t)的相关信号，该相关信号含有 根据非线性相互作用的选择定律由特定混合位置处的非线性相互作用来生成的模拟微地 震事件。43. 根据权利要求42所述的系统，其中，所述处理器被配置为针对每个起始时间差S 并且针对每个频率比d和对应的相关信号M(Ri，t)，基于压缩波或剪切波速度的速度模型 采用轨迹分析和传播时间计算来计算其中两个声信号发生非线性相互作用的模拟微地震 事件的空间坐标。44. 根据权利要求43所述的方法，其中，所述处理器被配置为应用时间反演操作，借助 于传播速度模型来使模拟微地震事件的信号在时间上往回传播至微地震事件的起点的时 间和位置。45. 根据权利要求42所述的方法，其中，所述处理器被配置为采用基尔霍夫成像、射束 成像、波动方程成像或者时间反演方法根据含有第一声信号和第二声信号的混合区带处的 模拟微地震事件的相关信号生成介质的非线性特性或所述微地震事件或两者的二维或三 维图像，其中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的，其中，所述第一 源和第二源位于不同的位置处。46. 根据权利要求42所述的方法，其中，第一声源被配置为在多个位置处来多次重复 第一声波的生成，且其中，第二声源被配置为在多个位置处来多次重复第二声波的生成；并 且其中，接收器被配置为在多个位置处来多次重复对第三信号的接收；并且其中，处理器被 配置为采用基尔霍夫成像、射束成像、波动方程成像或时间反演法根据含有第一声信号和 第二声信号的混合区带处的模拟微地震事件的相关信号生成所述介质的非线性特性的多 幅三维图像，其中，所述相关信号是由在多个接收器处接收到的信号所获得的。
【专利摘要】一种用于由非线性相互作用表征介质的特性的系统和方法包括通过沿第一线设置在介质表面上的第一和第二声源生成第一和第二声波。第一和第二声源是可控的，从而使第一和第二声波的轨迹在介质内的混合区带内相交。所述方法还包括通过置于含有第一和第二声源的平面内的接收器接收由第一和第二声波在混合区带内的非线性混合过程生成的第三声波；以及基于所接收到的第三声波建立在大体垂直于所述表面并且含有所述第一线的第一平面内所述介质的非线性特性或者所述介质的压缩波速度和剪切波速度的第一比值或两者的第一二维图像。
【IPC分类】G01V1/42, G01V1/00
【公开号】CN104903746
【申请号】CN201380069075
【发明人】C·K·武, K·T·二瓶, P·A·约翰逊, R·古耶尔, J·A·藤卡特, P-Y·勒巴斯, C·拉玛特
【申请人】雪佛龙美国公司, 洛斯阿拉莫斯国家安全有限责任公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月27日
【公告号】CA2892437A1, EP2926167A2, US20140160882, WO2014085614A2, WO2014085614A3
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