振幅相位估計(jì)法頻散分析及校正

王勇

摘? ?要： 隨鉆聲波測(cè)井方法可在地層侵入前測(cè)量得到原狀地層縱橫波速度資料，但測(cè)量環(huán)境特殊、鉆鋌占據(jù)空間過(guò)大，使得聲波波形頻散嚴(yán)重，傳統(tǒng)的時(shí)差—時(shí)間相關(guān)（STC）法失去可靠性。采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的振幅相位估計(jì)法對(duì)隨鉆聲波測(cè)井資料進(jìn)行頻散分析。為聲波波形的幅度和衰減設(shè)計(jì)高分辨率濾波器，對(duì)正演模擬得到的硬地層和軟地層環(huán)境下單極子、偶極子和四極子聲源激發(fā)的隨鉆聲波測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行處理，并與加權(quán)頻譜相干法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，振幅相位估計(jì)法不需要假定模型參數(shù)，而是直接對(duì)波形進(jìn)行處理，分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，為隨鉆聲波測(cè)井理論分析及隨鉆聲波測(cè)井資料頻散校正方法開發(fā)提供了理論和方法基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 隨鉆聲波測(cè)井;頻散分析;振幅相位估計(jì)法;數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng);加權(quán)頻譜相干法;正演模擬

引言

隨著復(fù)雜油氣藏、海上深層油氣藏的勘探開發(fā)日益深化，隨鉆測(cè)井方法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨鉆測(cè)井方法在地層侵入發(fā)生前進(jìn)行測(cè)量，可以最大限度地獲取原狀地層的信息，在節(jié)省鉆井時(shí)間的同時(shí)，能夠得到更為精確的地層參數(shù)。隨鉆聲波測(cè)井作為一種先進(jìn)的隨鉆測(cè)井方法，在地層彈性參數(shù)探測(cè)方面體現(xiàn)了非常具有潛力的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)隨鉆聲波測(cè)井測(cè)得的原狀地層高精度縱橫波速度資料，可以對(duì)地層進(jìn)行更有效的評(píng)價(jià)，在孔滲特征評(píng)價(jià)中具有非常重要的作用[1]。此外，隨鉆聲波測(cè)井作為一種可以對(duì)井外地層進(jìn)行探測(cè)及評(píng)價(jià)的方法，在地質(zhì)導(dǎo)向方面也有較大的應(yīng)用潛力，因?yàn)槠淇梢詷O大提高目的層的鉆遇率，避免對(duì)其他地層造成傷害，可以有效地提高鉆井效率和采油效率。

隨鉆測(cè)井測(cè)量環(huán)境的特殊性，使得鉆鋌在井中占據(jù)的空間較大，導(dǎo)致在隨鉆測(cè)量模式中測(cè)得的聲波波形信息與傳統(tǒng)的電纜測(cè)井差別較大，其中一個(gè)突出的特征為頻散現(xiàn)象比較嚴(yán)重[2-5]，在某些超低速地層及重泥漿等特殊條件下，四極子波形的頻散情況尤為明顯。目前，時(shí)差—時(shí)間相關(guān)法（STC法）被普遍地用于陣列聲波測(cè)井資料的時(shí)差提取軟件中，可以對(duì)地層的縱橫波時(shí)差進(jìn)行可靠、有效的提取[6-8]。當(dāng)聲波波形中的某些模式波存在頻散時(shí)，用STC法處理頻散波形得到的速度值通常會(huì)低于地層的真實(shí)速度值，帶來(lái)了較大誤差，使得后續(xù)隨鉆測(cè)井受到了限制。因此，研究隨鉆聲波測(cè)井資料的頻散分析方法，分析隨鉆聲波測(cè)井波形的頻散特征并加以校正，對(duì)隨鉆聲波測(cè)井資料的正確利用至關(guān)重要。

現(xiàn)有的聲波測(cè)井資料頻散分析方法有兩類：一類是基于理論模型的頻散校正方法，一類是純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法?；诶碚撃Ｐ偷姆椒?，理論基礎(chǔ)比較簡(jiǎn)單，但是需要對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并作出井眼規(guī)則、地層各向同性等假設(shè)，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)值與理論模擬值的差異來(lái)分析頻散特征，在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中受到了較大的限制，這是因?yàn)閷?shí)際聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中導(dǎo)致頻散的因素包括井內(nèi)流體性質(zhì)、井壁形狀、儀器是否居中、滲透地層的侵入等，這些均會(huì)造成聲波波形頻散特征的改變[9-10]。純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法包括加權(quán)頻譜相干法等，其直接從波形數(shù)據(jù)特征入手，通過(guò)時(shí)頻分析的手段，處理得到波形的頻散特征，在聲波測(cè)井資料處理中應(yīng)用比較廣泛。

振幅相位估計(jì)法是近年來(lái)提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高分辨率頻散分析新型方法，通過(guò)構(gòu)建幅度、衰減濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的頻散分析，在電纜聲波測(cè)井中顯示了較好的應(yīng)用效果。

本文首先對(duì)硬地層、軟地層的隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行正演模擬，然后采用振幅相位估計(jì)法對(duì)正演模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與傳統(tǒng)的加權(quán)頻譜相干法的處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，振幅相位估計(jì)法可以更有效地對(duì)隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行頻散分析，且可以得到更高分辨率的處理結(jié)果，為隨鉆聲波測(cè)井理論的分析及隨鉆聲波測(cè)井資料的頻散校正方法開發(fā)提供了理論和方法基礎(chǔ)。

1? 隨鉆聲波測(cè)井聲場(chǎng)

2? 隨鉆聲波測(cè)井資料頻散分析

振幅相位估計(jì)法是一種純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，不需要對(duì)模型的模式波數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行假定，直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可，具有較高的分辨率。

對(duì)于式（19）的振幅表達(dá)式，當(dāng)?shù)扔跁r(shí)，在局部空間內(nèi)為最大值;當(dāng)?shù)娜≈禐槠渌禃r(shí)，。因此，對(duì)的局部極值進(jìn)行搜索，即可判斷所處理的波形中存在的模式波的數(shù)目。得到振幅數(shù)據(jù)后，即可在每個(gè)頻率值處得到對(duì)應(yīng)的慢度值，即頻散曲線。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 正演模擬數(shù)據(jù)頻散分析

基于第1章的理論，采用正演模擬方法獲得硬地層、軟地層環(huán)境下的隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，聲源類型分為單極子、偶極子和四極子聲源三種情況。正演模型的參數(shù)如表1所示，此外，儀器的源距為1.37 m，接收器間距為0.152 4 m，時(shí)間采樣間隔為10 μs，聲源主頻為4 kHz。隨鉆聲波測(cè)井幾何結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，多極子聲源示意圖如圖2所示。

采用表1中的參數(shù)進(jìn)行正演模擬得到波形后，分別用加權(quán)頻譜相干法、振幅相位估計(jì)法計(jì)算其頻散曲線，結(jié)果如圖3～圖8所示。

3.2? 討論

分析圖3～圖8的頻散分析結(jié)果可知，加權(quán)頻譜相干法和振幅相位估計(jì)法都可以對(duì)隨鉆聲波測(cè)井在硬地層、軟地層中測(cè)得的陣列聲波波形資料進(jìn)行頻散分析。其中，單極子聲源激發(fā)的井內(nèi)模式波為斯通利波成分，偶極子聲源激發(fā)的井內(nèi)模式波為地層的偶極子波成分，四極子聲源激發(fā)的井內(nèi)模式波為地層四極子波成分。在硬地層情形中，受鉆鋌的影響，地層的偶極子波頻散在低頻段有干擾，對(duì)確定低頻截止值處的地層橫波速度造成了影響，但在軟地層中，地層的偶極子波不受鉆鋌影響，地層橫波速度較為準(zhǔn)確。硬地層、軟地層情形中的地層四極子波都可以反映地層的橫波速度信息，展示了在隨鉆聲波測(cè)井環(huán)境中，地層四極子波在測(cè)量地層橫波速度時(shí)的優(yōu)勢(shì)。此外，雖然加權(quán)頻譜相干法利用高斯加權(quán)方法增加了數(shù)據(jù)的利用率，但其方法本身的缺陷，導(dǎo)致分析結(jié)果的分辨率較低，使頻散曲線的提取受到噪聲的干擾。相對(duì)地，振幅相位估計(jì)法采用了高分辨率濾波器算法，在獲取幅度信息的同時(shí)對(duì)慢度信息進(jìn)行了處理，具有較高的分辨率，在噪聲頻段也能得到較好的處理效果，不需要進(jìn)行復(fù)雜的處理即可提取得到干凈的頻散曲線，因此采用振幅相位估計(jì)法顯然更適合對(duì)隨鉆聲波測(cè)井資料進(jìn)行頻散分析。

4? 結(jié)論

本文利用正演模擬方法分別模擬了硬地層和軟地層環(huán)境下單極子、偶極子和四極子聲源激發(fā)的隨鉆聲波測(cè)井響應(yīng)，分析了各自的模式波頻散特性，同時(shí)比選出更準(zhǔn)確的頻散分析方法。主要結(jié)論有：

（1）受復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境的影響，隨鉆聲波測(cè)井方法測(cè)得的陣列波形數(shù)據(jù)存在頻散，采用時(shí)間域的STC法無(wú)法得到可靠的時(shí)差提取結(jié)果。通過(guò)對(duì)比加權(quán)頻譜相干法、振幅相位估計(jì)法兩種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的結(jié)果得出，振幅相位估計(jì)法更適合對(duì)隨鉆聲波測(cè)井資料進(jìn)行頻散分析。

（2）振幅相位估計(jì)法通過(guò)設(shè)計(jì)高分辨率的濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列波形數(shù)據(jù)中的慢度和衰減的提取，不需要假定模型參數(shù)，直接對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，為隨鉆聲波測(cè)井理論分析及隨鉆聲波測(cè)井資料頻散校正方法開發(fā)提供了理論和方法基礎(chǔ)。

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