影響聲波全波列測井速度分析的因素剖析

沙振海

(鐵一院集團(tuán)甘肅鐵道綜合勘察院，甘肅蘭州730000)

影響聲波全波列測井速度分析的因素剖析

沙振海1

(鐵一院集團(tuán)甘肅鐵道綜合勘察院，甘肅蘭州730000)

目前，速度分析是聲波全波列測井提取縱、橫波速度的必要流程。本文介紹了井場中的聲波波形成分，提出了一種相似相關(guān)速度分析算法，并在其基礎(chǔ)上深入研究了影響速度分析結(jié)果的關(guān)鍵因素，如帶通濾波，窗口寬度，總疊加時(shí)間，以及低速地層等等。通過討論分析，給出了這些處理參數(shù)在速度分析中的取值，它對精確提取巖石縱、橫波速度有著重要的指導(dǎo)意義。

速度分析聲波全波列測井聲波波形相似相關(guān)算法

Sha Zhen－h(huán)ai．Factors with influence on velocity analysis of full wave sonic logging［J］．Geology and Exploration，2012，48(4):0784－0789．

1 引言

聲波全波列測井的主要作用是為工程提供巖石的縱、橫波的速度。怎樣從復(fù)雜的聲波全波列數(shù)據(jù)(FWS)中提取出可靠的橫波速度一直是測井研究的重要課題。早期主要是根據(jù)不同性質(zhì)的波，通過波形識別法、泊松比法來拾取橫波(董清華，2000;曹正良等，2005);當(dāng)?shù)貙訖M波速度小于井液速度時(shí)，全波列數(shù)據(jù)沒有橫波，則需通過對斯通利波的分析來計(jì)算地層橫波速度;隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，則通過相關(guān)對比法、相似相關(guān)法來提取橫波;近年來陣列聲波測井則出現(xiàn)了二維譜處理技術(shù)和相位相關(guān)法(王冠貴，1988;劉天佑，2004)。

相似相關(guān)法算法相對簡單、計(jì)算效率較高、速度譜效果較好，在測井處理成圖軟件中應(yīng)用普遍。除了地層速度、探管聲系參數(shù)對速度分析結(jié)果造成影響外，還有數(shù)據(jù)預(yù)處理、處理參數(shù)的不同也會(huì)對速度分析結(jié)果造成較大的影響(洪有密，1998;張勝業(yè)，2004)。本文旨在對這些因素進(jìn)行分析研究，為提高速度分析效果提供有益的幫助。

當(dāng)然，要做好速度分析，則需要對井場中的聲波波形的物理成因和速度分析算法有深入的理解。

2 井場中的聲波波形成分

在鉆孔中，處于井液中的聲波探管發(fā)射的聲波脈沖經(jīng)過井液、井壁巖石等轉(zhuǎn)播到接收器，其接收聲波波型的主要成分有滑行縱波、滑行橫波、假瑞利波和斯通利波(沈建國，2004;張廣智等，2011;沈永進(jìn)等，2012)。

滑行縱波是一種體波，無頻散。若源距選擇合適，在全波列中，它是首波，且具有傳播速度快，頻率高，幅度小的特點(diǎn)。接收器接收的滑行縱波其實(shí)是PPP波，即在井液中以P波的形式傳播且以第一臨界角入射到井壁，在巖層中產(chǎn)生折射波，以滑行縱波(P)的形式傳播，再后又折回井液中，以P波的形式傳播到接收器。

滑行橫波也是一種體波，無頻散。若源距選擇合適，在全波列中，它是次首波，其傳播速度比縱波小，頻率比縱波低，幅度比縱波大。接收器接收的滑行橫波其實(shí)是PSP波。只要滑行橫波速度大于井液速度，接收器就能接收到此波，但若小于井液聲速，全波列中就沒有滑行橫波。

假瑞利波是一種界面波，沿井壁界面?zhèn)鞑ィ鋫鞑ニ俣冉橛诘貙訖M波速度與井液聲速之間。它是多模式波，每種模式波具有自己的頻散曲線，且有自己的截止頻率。只有聲源頻率高于截止頻率時(shí)才能激發(fā)此種模式波。在截止頻率處相速度等于地層的橫波速度，隨著頻率的增高，相速度下降較快，最后趨近于井液泥漿速度。

斯通利波也是一種界面波，沿井壁界面?zhèn)鞑?，其傳播速度低于井液速度。它只有一種模式波，且頻散輕微，無截止頻率(章成廣等，1990;T．O．Boulbet［F］et al，1994)。

3 相似相關(guān)速度分析算法

對全波列數(shù)據(jù)(FWS)集的每一個(gè)深度點(diǎn)，我們都可以畫出如圖1所示的時(shí)間－道距(Time［μs］－Distance［m］)波列圖，其中Tx是發(fā)射點(diǎn)，Rx1、Rx2、Rx3…為接收點(diǎn)，其波列在時(shí)間軸方向延伸。在圖中，我們可以通過發(fā)射點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn))畫出一系列不同斜率(Slope)的直線，每一條直線的斜率用時(shí)間與距離的比來表示慢度(Slowness，μs/m，速度的倒數(shù)) (高爾根，2000;王德利等，2001;孫志峰等，2011)。對給定慢度的直線，可以計(jì)算出與Rx1、Rx2、Rx3…波列的時(shí)間交點(diǎn)t，并計(jì)算交點(diǎn)處聲波信號振幅的相干度(Coherence)，其計(jì)算公式如下:

其中:i是Rx1、Rx2、Rx3…不同的道;t是給定慢度Slowness的直線與波列的時(shí)間交點(diǎn)國;j是窗口寬度。

在一個(gè)時(shí)間窗口j內(nèi)，(1)式是所有道疊加后的能量與每一道能量和的比值，描述了這些點(diǎn)振幅的互相關(guān)(cross－correlation)程度(Willis．M．E，1983; Kimball．C．V，1984;Lang．S．W，1987;Kimball．C．V，1998;Geerits．T．W et al，2003)。

圖1 速度分析掃描原理Fig．1 Diagram showing the principle of velocity analysis scanning

這樣，我們就可以用FWS的格式存儲(chǔ)(1)式計(jì)算的結(jié)果。所不同的是在每一個(gè)深度點(diǎn)，用慢度代替了時(shí)間，用相干度St代替了波列的振幅，成為速度譜。

在具體計(jì)算時(shí)，除了窗口寬度j的大小要考慮外，還有另一個(gè)因素就是:由于井液的速度較慢，降低了縱、橫波的傳播速度，使得穿過這些波的直線并不與原點(diǎn)(發(fā)射點(diǎn)Tx)相交，而是有一個(gè)偏移量，這會(huì)對速度分析的結(jié)果造成影響。算法設(shè)計(jì)了一個(gè)總疊加時(shí)間(Total Time Stack)，如圖2所示，它包含了窗口寬度j，且j在總疊加時(shí)間內(nèi)平行移動(dòng)，并把每次計(jì)算的結(jié)果疊加起來作為給定的速度譜。

窗口寬度j應(yīng)該包含一個(gè)波長的波，考慮聲波測井的發(fā)射頻率23 kHz，其可能的最高頻率為46 kHz，則對應(yīng)的波長為21 μs，因此j的范圍為15～35 μs較為合適。

總疊加時(shí)間(Total Time Stack)主要是低速的井液造成的，與井徑有關(guān)。一般設(shè)置為50 μs，可以依據(jù)井徑的大小調(diào)整，通過試算確定。

圖2 總疊加時(shí)間和窗口寬度Fig．2 Total time stack and window width

4 速度分析結(jié)果的影響因素

本次處理的FWS數(shù)據(jù)是由英國RG公司的單發(fā)三收全波列探管(Slim－Hole Full－Waveform Triple Sonic Probe)測得。其收發(fā)距幾何參數(shù)為0．6 m (Rx1)，0．2 m(Rx2)，0．2 m(Rx3)，發(fā)射頻率23 kHz，采樣間隔為4 μs，采樣長度512×16 Bit。

本次處理采用ALT(Advanced Logic Technology)公司開發(fā)的WellCAD3．2軟件平臺的FWS模塊。其算法為文中第3節(jié)所述的相似相關(guān)算法。

以下就不同濾波方法，速度分析中的窗口j、總疊加時(shí)間(TotalTimeStack)，以及低速地層對速度分析的影響進(jìn)行討論(Advanced Logic Technology，2009;Block．L．V，1991)。

4．1 濾波方法對速度分析的影響

圖3是分別在原始數(shù)據(jù)(左)、移動(dòng)平均(中)、帶通濾波(右)情況下的速度分析結(jié)果(j=25，Total-TimeStack=50)。從圖中可以看到，在上述三種情況下，橫波及其后續(xù)波譜(假瑞利波、斯通利波)沒有受到濾波方法的影響，慢度譜相似，變化不大;但只在帶通濾波情況下，縱波譜清晰可辨，而在原始數(shù)據(jù)和移動(dòng)平均情況下，縱波譜與前方干擾連成一片(較寬的黑色)，無法分辨。

分析原因認(rèn)為通過(1)式計(jì)算的相干度，與信號的強(qiáng)度無關(guān)，只與信號的相似相關(guān)性有關(guān)，而FWS數(shù)據(jù)在縱波(首波)接收之前，記錄的數(shù)據(jù)有一個(gè)很小的背景底，它們具有相同的正或者負(fù)的關(guān)系，信號性質(zhì)相同，其相干度得到了增強(qiáng)，在速度分析波譜中與縱波譜混在一起，使縱波譜無法分辨。通過移動(dòng)平均處理的數(shù)據(jù)，在縱波數(shù)據(jù)之前，其背景底數(shù)據(jù)的正或者負(fù)的關(guān)系沒有發(fā)生變化，速度分析波譜與原始數(shù)據(jù)是一樣的。但在帶通濾波后，縱波之前的數(shù)據(jù)，其或正或負(fù)，并不相似相關(guān)，速度分析波譜能量降低，使縱波譜分辨率明顯提高。

4．2 窗口寬度對速度分析的影響

圖4是TotalTimeStack=50時(shí)，窗口寬度j分別為15、25、30、35情況下的速度分析結(jié)果。從圖中可以看到四種情況下，縱、橫波及其假瑞利波、斯通利波的慢度譜依次可辨，但在細(xì)節(jié)上又有一些差別:①從縱波譜來看，145～147．5 m深度A處，j=15的橢圓形位置不可分辨，與之對應(yīng)j=25、30、35則出現(xiàn)微弱、較強(qiáng)、微弱的變化;從波譜的連續(xù)性、相干強(qiáng)弱來看，j =30的效果較好，易于撿取;另外j=15的波譜前面(如B位置上下)存在一些相干干擾，而在j=30、35則較為干凈，且波譜較窄，慢度分辨率較高;②從橫波譜來看，j=15的相干度較弱，其他較強(qiáng);j=35的分辨率較高;③后續(xù)的斯通利波譜差別不大;但假瑞利波，j=15時(shí)慢度分辨率較差，j=35時(shí)相干度較弱，效果較好的是j=25的情況。綜上所述，從縱波、橫波連續(xù)性、分辨率來看，j=30時(shí)效果較好。

圖5是從圖4的結(jié)果中拾取的P、S波(左、右)慢度曲線。窗口寬度j=15～35間，縱波慢度整體表現(xiàn)為越來越小(速度則越來越高)，比較變化平穩(wěn)的153～160 m段，速度差異從3900～5400 m/s，差別較大;而橫波慢度，除j=15稍高外，其他的一致性較好。

考慮本段巖性為閃長斑巖，速度5000 m/s左右，則窗口寬度j=30較為合適。

4．3 總疊加時(shí)間對速度分析的影響

圖6是窗口寬度j=30時(shí)，總疊加時(shí)間TotalTimeStack分別為30、50、75、90情況下的速度分析結(jié)果，其最大相干度分別為17．8、29．7、44．2、52．8，基本上平均最大相干度約為0．59/μs，圖中的顯示是用最大相干度歸一化的結(jié)果。從圖中可以看到四種情況下，各波譜差別不大，但在細(xì)節(jié)上TotalTimeStack=90的縱波譜要窄一點(diǎn)，假瑞利波譜相干度要弱一點(diǎn)。

圖7是由圖6速度分析結(jié)果拾取的縱波(左)、橫波(右)慢度的比較圖。圖7(右)顯示橫波慢度曲線基本一致，與TotalTimeStack關(guān)系不大。縱波慢度(左)曲線趨勢一直，但隨著TotalTimeStack的增加(30～90)，縱波慢度減小約20 μs/m(速度從4760～5260 m/s)，速度差達(dá)500 m/s，約10%;其中TotalTimeStack為75、90的縱波慢度差異較小(小于5 μs/m)，速度差100 m/s左右，約為2%。

綜上認(rèn)為TotalTimeStack=75的效果較好(j= 30)。

圖7 總疊加時(shí)間和P波、S波慢度Fig．7 Total time stack and slowness of P－wave and S－wave

4．4 低速地層的速度分析波譜

圖8是一個(gè)典型的低速地層的速度分析結(jié)果。與前述速度分析結(jié)果四條清晰可辨波譜相比，圖8顯示斯通利波譜(1160 m/s)前面只有一條清晰的速度譜。依據(jù)井場波形成分分析，26～42 m間是縱波速度為1800 m/s左右的低速層，42～47 m間是縱波速度為2800 m/s左右的低速層，這兩段橫波譜都不存在。因此當(dāng)出現(xiàn)小于2800 m/s縱波低速層時(shí)，通過聲波全波列測井速度分析一般不可能直接提取橫波速度。特別注意，不要誤把斯通利波當(dāng)做橫波來拾取。

理論分析認(rèn)為，當(dāng)橫波的速度低于井內(nèi)流體的速度時(shí)，就接收不到滑行橫波。對Vp=2800 m/s的地層，縱、橫波速度比一般都大于2，因此Vs一般也小于1400 m/s，低于井內(nèi)流體的速度，這時(shí)需要通過斯通利波法來求解橫波速度，具體求法參考文獻(xiàn)。

5 結(jié)論

通過上述分析，在進(jìn)行聲波全波列測井速度分析時(shí):

(1)在速度分析前，對FWS應(yīng)進(jìn)行帶通濾波，這樣可以消除縱波譜前的相干干擾，提高縱波慢度的分辨率;

(2)依據(jù)聲波探管的發(fā)射頻率23 kHz及實(shí)際比較，速度分析的窗口寬度應(yīng)該在25～35 μs為好，對應(yīng)的最高聲波頻率為28～40 kHz，與帶通濾波的高截止頻率相當(dāng)，本文推薦j=30 μs;

圖8 典型低速地層速度分析結(jié)果Fig．8 Typical result of velocity analysis to low－velocity strata

(3)總疊加時(shí)間TotalTimeStack主要受井徑、井內(nèi)流體速度的影響，一般為50～100 μs，要通過試算取得，原則是各波譜清晰，拾取的縱波譜變化不大;

(4)縱波速度小于2800 m/s的低速地層，速度分析結(jié)果一般沒有橫波譜，橫波需要通過斯通利波法求取。

致謝在本文撰寫過程中，教授級高工韓永琦給予了傾心指導(dǎo)與幫助，海洋工程師也給予了幫助，在此深表謝意!

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Factors with Influence on Velocity Analysis of Full Wave Sonic Logging

SHA Zhen－h(huán)ai

(Gansu integrated Engineering Investigation of Railway，Lanzhou，Gansu730000)

Velocity analysis is an essential procedure in the processing flow for extracting rock velocity of P－wave and S－wave from full wave sonic logging data．This paper introduces the acoustic waveform component in the well field，suggests a similar correlation velocity analysis algorithm and studies the key factors which influence the results of velocity analysis，such as band－pass filter，window width，total time stack and low velocity layers．Through discussion and analysis，we gave the values of these procesing parameters in the velocity analysis．This may have very important guiding significance for extracting the rock velocity of P－wave and S－wave accurately．

velocity analysis，full wave sonic logging，acoustic waveform，semblance correlation algorithm

book=7,ebook=176

P631

A

0495－5331(2012)04－0784－6

2012－3－20;

2012－04－26;［責(zé)任編輯］郝情情。

沙振海(1968年－)，男，高級工程師，1991年畢業(yè)于河北地質(zhì)學(xué)院物探系，獲學(xué)士學(xué)位，主要從事工程物探數(shù)據(jù)處理與綜合解釋工作。E－mail:szh626@163．com。