振幅相位估計法頻散分析及校正

王勇

摘? ?要： 隨鉆聲波測井方法可在地層侵入前測量得到原狀地層縱橫波速度資料，但測量環(huán)境特殊、鉆鋌占據空間過大，使得聲波波形頻散嚴重，傳統(tǒng)的時差—時間相關（STC）法失去可靠性。采用基于數據驅動的振幅相位估計法對隨鉆聲波測井資料進行頻散分析。為聲波波形的幅度和衰減設計高分辨率濾波器，對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)的隨鉆聲波測井響應進行處理，并與加權頻譜相干法進行對比。結果表明，振幅相位估計法不需要假定模型參數，而是直接對波形進行處理，分辨率高、抗干擾能力強，為隨鉆聲波測井理論分析及隨鉆聲波測井資料頻散校正方法開發(fā)提供了理論和方法基礎。

關鍵詞： 隨鉆聲波測井;頻散分析;振幅相位估計法;數據驅動;加權頻譜相干法;正演模擬

引言

隨著復雜油氣藏、海上深層油氣藏的勘探開發(fā)日益深化，隨鉆測井方法的應用越來越廣泛。隨鉆測井方法在地層侵入發(fā)生前進行測量，可以最大限度地獲取原狀地層的信息，在節(jié)省鉆井時間的同時，能夠得到更為精確的地層參數。隨鉆聲波測井作為一種先進的隨鉆測井方法，在地層彈性參數探測方面體現了非常具有潛力的應用價值。通過隨鉆聲波測井測得的原狀地層高精度縱橫波速度資料，可以對地層進行更有效的評價，在孔滲特征評價中具有非常重要的作用[1]。此外，隨鉆聲波測井作為一種可以對井外地層進行探測及評價的方法，在地質導向方面也有較大的應用潛力，因為其可以極大提高目的層的鉆遇率，避免對其他地層造成傷害，可以有效地提高鉆井效率和采油效率。

隨鉆測井測量環(huán)境的特殊性，使得鉆鋌在井中占據的空間較大，導致在隨鉆測量模式中測得的聲波波形信息與傳統(tǒng)的電纜測井差別較大，其中一個突出的特征為頻散現象比較嚴重[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，時差—時間相關法（STC法）被普遍地用于陣列聲波測井資料的時差提取軟件中，可以對地層的縱橫波時差進行可靠、有效的提取[6-8]。當聲波波形中的某些模式波存在頻散時，用STC法處理頻散波形得到的速度值通常會低于地層的真實速度值，帶來了較大誤差，使得后續(xù)隨鉆測井受到了限制。因此，研究隨鉆聲波測井資料的頻散分析方法，分析隨鉆聲波測井波形的頻散特征并加以校正，對隨鉆聲波測井資料的正確利用至關重要。

現有的聲波測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，一類是純數據驅動的方法。基于理論模型的方法，理論基礎比較簡單，但是需要對實際模型進行簡化，并作出井眼規(guī)則、地層各向同性等假設，通過對比實測值與理論模擬值的差異來分析頻散特征，在實際數據處理中受到了較大的限制，這是因為實際聲波測井數據中導致頻散的因素包括井內流體性質、井壁形狀、儀器是否居中、滲透地層的侵入等，這些均會造成聲波波形頻散特征的改變[9-10]。純數據驅動的方法包括加權頻譜相干法等，其直接從波形數據特征入手，通過時頻分析的手段，處理得到波形的頻散特征，在聲波測井資料處理中應用比較廣泛。

振幅相位估計法是近年來提出的基于數據驅動的高分辨率頻散分析新型方法，通過構建幅度、衰減濾波器來實現波形數據的頻散分析，在電纜聲波測井中顯示了較好的應用效果。

本文首先對硬地層、軟地層的隨鉆聲波測井數據進行正演模擬，然后采用振幅相位估計法對正演模擬數據進行處理，并與傳統(tǒng)的加權頻譜相干法的處理結果進行對比。對比發(fā)現，振幅相位估計法可以更有效地對隨鉆聲波測井數據進行頻散分析，且可以得到更高分辨率的處理結果，為隨鉆聲波測井理論的分析及隨鉆聲波測井資料的頻散校正方法開發(fā)提供了理論和方法基礎。

1? 隨鉆聲波測井聲場

2? 隨鉆聲波測井資料頻散分析

振幅相位估計法是一種純數據驅動的方法，不需要對模型的模式波數量等參數進行假定，直接對數據進行處理即可，具有較高的分辨率。

對于式（19）的振幅表達式，當等于時，在局部空間內為最大值;當的取值為其他值時，。因此，對的局部極值進行搜索，即可判斷所處理的波形中存在的模式波的數目。得到振幅數據后，即可在每個頻率值處得到對應的慢度值，即頻散曲線。

3? 結果與討論

3.1? 正演模擬數據頻散分析

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)境下的隨鉆聲波測井數據，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，時間采樣間隔為10 μs，聲源主頻為4 kHz。隨鉆聲波測井幾何結構示意圖如圖1所示，多極子聲源示意圖如圖2所示。

采用表1中的參數進行正演模擬得到波形后，分別用加權頻譜相干法、振幅相位估計法計算其頻散曲線，結果如圖3～圖8所示。

3.2? 討論

分析圖3～圖8的頻散分析結果可知，加權頻譜相干法和振幅相位估計法都可以對隨鉆聲波測井在硬地層、軟地層中測得的陣列聲波波形資料進行頻散分析。其中，單極子聲源激發(fā)的井內模式波為斯通利波成分，偶極子聲源激發(fā)的井內模式波為地層的偶極子波成分，四極子聲源激發(fā)的井內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井環(huán)境中，地層四極子波在測量地層橫波速度時的優(yōu)勢。此外，雖然加權頻譜相干法利用高斯加權方法增加了數據的利用率，但其方法本身的缺陷，導致分析結果的分辨率較低，使頻散曲線的提取受到噪聲的干擾。相對地，振幅相位估計法采用了高分辨率濾波器算法，在獲取幅度信息的同時對慢度信息進行了處理，具有較高的分辨率，在噪聲頻段也能得到較好的處理效果，不需要進行復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法顯然更適合對隨鉆聲波測井資料進行頻散分析。

4? 結論

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)的隨鉆聲波測井響應，分析了各自的模式波頻散特性，同時比選出更準確的頻散分析方法。主要結論有：

（1）受復雜的測量環(huán)境的影響，隨鉆聲波測井方法測得的陣列波形數據存在頻散，采用時間域的STC法無法得到可靠的時差提取結果。通過對比加權頻譜相干法、振幅相位估計法兩種基于數據驅動方法的結果得出，振幅相位估計法更適合對隨鉆聲波測井資料進行頻散分析。

（2）振幅相位估計法通過設計高分辨率的濾波器來實現陣列波形數據中的慢度和衰減的提取，不需要假定模型參數，直接對波形數據進行處理，分辨率高，抗干擾能力強，為隨鉆聲波測井理論分析及隨鉆聲波測井資料頻散校正方法開發(fā)提供了理論和方法基礎。

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