基于S TC的縱波時差提取算法

吳冬平(杭州瑞利聲電技術公司 浙江 富陽 311400)

一、引言

慢度—時間相關(STC)【1】處理的基本思路是：分別向可能的分波波包開窗（即截取一段時間間隔內的數據，開窗起點用τ表示），并選擇一個試探慢度s，按此慢度和不同接受器的間距計算不同道上該波包的延遲（同時也就是開窗的延遲），然后按某種規則計算不同τ、s下各道的相似系數（或相關系數），使相似系數最大的慢度應代表該分波的最可能慢度值。

波形在一組時窗上的相似度（Semblance）定義為：

其中，M是接收器的個數，Tw是時窗長度，us；s為慢度范圍內某一慢度（時差），us/ft；τ為時窗在第一道波形上的位置，us。Δz為(zm-z1)，ft；R 取值范圍為0≤ R ≤1，R=0表示波形間無任何相關；R=1表示波形形態完全相同。

應用STC算法可以得到一個慢度和相關數的一個關系圖，該關系圖相關數一般會產生好幾個峰值，由于窗長的設置是根據縱波的包絡來定的，所以一般情況下相關數最大的峰值就是縱波的時差。當然由各個峰值中找到縱波時差，還需要用到其他一些方法。

二、縱波時差提取

由于現場聲波波形質量難以保證，有些波形會出現限幅，有些波形信噪比低等，這些客觀條件導致STC計算出來的關系圖可能出現多個峰值，要高效而準確的找到縱波時差實現起來并不容易。

針對這些技術難點，設定了4個條件來確定縱波時差。(1)，相似度峰值的值要大于0.3，如果相似度太小，這樣的峰值沒有被選擇的意義。(2)，峰值的相似度值，如果該值越大，是縱波時差的概率就越高，因為時窗被選為200us，從縱波的包絡角度來說，縱波的相似度會比橫波和斯通濾波大。該設置通過了大量的數據驗證。(3)，縱橫波波速比一般在1.414～2.2之間，同理橫波和縱波的時差比一般也在1.414～2.2之間。該“匹配法”用來提取縱波橫波慢度，可以排除部分干擾。(4)，與上一個深度點的縱波時差距離，與上一個深度點時差的差值越小，成為時差的概率應該越高。

以上4種方法在試驗中很好的排除了干擾，能夠快速準確的找到正確的縱波時差。

三、實井數據處理及對比

圖1 水平井STC和Gate的比較圖

通過STC算法求得縱波時差得到的曲線如圖1所示。圖中DT(STC)是由STC算法求得得縱波時差曲線，DT(Gate)是由過門檻方法求得的縱波時差曲線，從圖中可以看出，DT(STC)曲線比過門檻方法波動小很多，不會出現由于基線干擾而導致DT(Gate)劇烈變化的情況出現。STC方法在此波形情況下受干擾小，但是過門檻方法將會計算錯誤，在聲波波形中，若在縱波波形前部出現碰撞等干擾時，容易使得過門檻方法得到的縱波到達時間提前，而STC計算的DT通過波形驗證，相對比較準確穩定很多。

在馬古2的測井資料中，STC和過門檻兩種算法的對比，兩條曲線總體上重合還可以，可以看出DT(STC)曲線上下起伏較大，這個是由于DT(Gate)曲線已經經過平滑，而DT(STC)曲線未經過平滑處理。在馬古2井4391.552m-4393.463m處可以看出DT(Gate)有個明顯的高值，而DT(STC)曲線還是保持低值。

在4392.32m的位置DT(Gate)值為119.86，而DT(STC)的值是56.82，回放該井數據，在4392.32m處，該位置的第一道和第三道波形首波位置變小，用過門檻方法算出的DT會偏高，而STC方法的DT受到的影響較小，第5道波形第一個波谷在137點的位置，第3道波形第一個波谷在164點位置，第1道波形第一個波谷在192點位置，可以計算得出DT為56us/ft，與DT(STC)曲線吻合。

通過以上兩口井數據對比可以看出，STC算法比過門檻算法穩定性要好，碰在信號存在干擾、首波信號變小等情況時，過門檻算法很容易計算錯誤，這些情況對STC算法影響不大。

將DT(STC)曲線連續的顯示到各個深度點上，并且將整個STC的相似度曲線映射成顏色，紅色表示相似度高，藍色表示相似度低。從出圖效果可以看出，DT(STC)曲線基本上在紅色的中間區域，說明應用該方法計算出來的DT是比較可靠的。

在馬古2井的DT計算中發現，由于波形在上一個深度點DT值位置相關性突然變低，DT值將會偶爾跳變，如果連續有好幾個點在原來的DT位置相關性低，將導致DT整個出現偏移。在2070點處，DT值變大，DT值變到第2個高相關區域，可以看到第一個高相關區域在變化的位置有部分藍色區域，說明在該深度點，相似度在該慢度下太小，導致DT出現偏移。這種情況的出現，通過調整縱波選擇算法，已經得到解決。當然是否所有跳變得到改正還未證實，這就需要新的算法和現有參數的調整來解決。

結論

通過實際井資料計算出的STC圖，可以看出當波形質量好的情況下，相似度曲線會比較平滑，而且計算出來的縱波時差可靠性高；當波形質量不好的情況下（一般出現在水平井中），相似度曲線會偶爾出現跳變的情況，但是通過前面所述4種限定條件后，也可以得到準確的縱波時差。

總體來說STC算法準確性和穩定性都較過門檻方法好，當然該算法還存在許多不足，還有待改進。將來需要做的工作和方向主要有以下幾點：1、將STC算法優化應用到井下儀器中去，優化后的算法減少運算時間，可以讓測井速度范圍變大；2、提出新的方法限定STC計算的起始時間，減少基線部分的高相關的干擾；3、驗證時窗長度的選擇和儀器頻率之間的關系；4、信噪比對STC的影響有多大，并找到方法降低噪聲對STC的影響。5、STC受到5道波形到達時間不在同一斜率的影響，找到原因，并想辦法解決。

[1]Kimball C.V，Marzetta T.L，Semblance Processing of Bore?hole Array Data[J].Geophysics,1984,49.