基于阵列声波测井波形二维谱分布的纵_横波时差处理方法

文章编号:1004󰀁1338(2004)05󰀁0373󰀁05

测󰀁井󰀁技󰀁术

WELLLOGGINGTECHNOLOGY

Vol.28󰀁No.5

Oct.2004

基于阵列声波测井波形二维谱分布的纵、横波时差处理方法

朱留方1,3,沈建国2

(1.中国科学院地质与地球物理所,北京100029;2.天津大学药学院检测中心,天津300072;

3.胜利石理局测井公司,山东东营257096)

摘要:用Matrix方法可以从阵列声波测井波形中得到其二维谱分布。利用这些分布曲线可以得到地层的纵、横波以及Stoneley波时差,研究孔隙结构和孔隙流体特征。参考STC处理思路,主要讨论用二维谱分布求地层的纵、横波和Stone󰀁ley波时差的方法:群速度法和相速度法。给出类似于STC方法的图件,但其灰度不是相关系数,宽度表示时差的频散。在得到地层纵、横波时差的同时,对测量波形或地层纵、横波时差的频散特征有一定的显示,为认识孔隙及孔隙流体特征提供信息。用该方法处理单极子阵列声波测井波形,得到地层的纵波、横波以及Stoneley波的时差及其频散指示,处理偶极子声波测井波形,得到横波时差及频散分布。对比单极子和偶极子处理结果,两者得到的横波时差较接近。关键词:阵列声波测井;纵横波;时差;谱分布;波形处理;Matrix方法;频散曲线中图分类号:P631󰀂814;O343󰀂1󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

TheMethodProcessingtheSlownessofP󰀁andS󰀁wavefromWaveformsofArraySonicLogging

ZHULiu󰀁fang1,3,SHENJian󰀁guo2

(1.GeologyandGeophysicsInst.ofScienceAcademyofChina,Beijing100029,China;2.Pharm.School,TianjinUniversity,

Tianjin300072,China;3.WellLoggingCo.,ShengliPetroluemAdministration,Dongying,Shandong257096,China)

Abstract:Fromarraysonicloggingdata,the2DspectrumcanbeenobtainedbyMatrixpencilmethod.Usingthespectrum,theslownessesofP󰀁wave,S󰀁waveandStoneleywavearecalculatedbytwonewmeth󰀁odsthatarecalledphasevelocityandgroupvelocityinthispaper.ThecalculatedresultisthesameasSTC,butthecharacterizationofdispersionforP󰀁waveandS󰀁wavearedisplacedbythewidthofdistributionintheprocessingresults.Byprocessingthedataofdipoleandmonopolesoniclogging,theslownessesofS󰀁wavea󰀁greewitheachother.

Keywords:arraysoniclogging;P󰀁waveandS󰀁wave;slowness;spectrumdistribution;waveformprocess󰀁

ing;Matrixmethod;dispersioncurve

展起来的。本文给出2种处理方法,在给出地层的纵、

0󰀁引󰀁言

很多科技工作者依据几何声学理论,用传统的地层声速为常数的均匀弹性介质模型,以地层的纵波、横波速度为中间结果,没有考虑到声波在井内传播时其速度随频率变化,孔隙或物理衰减比较大的地层的声波传播速度也随频率变化(频散)。

近代声波测井波动声学理论告诉我们[6~

[1~5]

11]

横波时差的同时还给出了其频散信息。

1󰀁原始测量波形及其二维谱分布

用Matrix方法处理阵列声波测井波形可以得到其

[12]

二维谱分布,图1是一组实际测井波形及其二维谱分布处理结果。图1(a)的上边是实际测量到的8个源距的声波波形,下边是用这8个波形处理出来的二维谱分布,其横坐标是频率,纵坐标是波数,那些离散的点连成的直线代表波形中存在的声波,该声波的时差(声速的倒数)对应于直线的斜率。用经过原点的直线拟合后知道,该二维谱分布中主要有3条直线,其斜率分别对应于上边波形图中3种声波的时差:纵波P的时差最,井内

传播的声波其速度随频率改变,具有频散特征,声波幅度受频率影响比较大,随频率改变。这些结论为声波测井仪器的发展和阵列声波测井波形处理技术的研究提供了基础。基于二维谱分布基础上的阵列声波测井波形处理技术[6]就是以声波测井波动声学理论为基础发 374 测󰀁井󰀁技󰀁术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2004年󰀁

波的频散最小,与横波连在一起的伪锐利波频散最严重。

在二维谱分布图中,传播速度是常数的声波在图中的分布是一条直线,其斜率是该声波的时差;速度随频率改变的声波其分布是一条曲线。声波测井波动声学理论给出的频散特征是,随着频率的降低,纵、横波附近的模式波的相速度增加,并最终与地层的纵、横波速度相等。从图1可以看到,在横波S和纵波P的附近,随着频率的降低,模式波分布点均在直线的下面,其相速度是增加的。

为了从上述二维谱分布图中得到地层的纵、横和ST波时差,参考STC的处理思路,取过0点的直线方程连续改变直线的斜率,对上述二维谱分布进行扫描,即斜率(对应于声波时差)从0开始,以很小的步长增加,可以得到一系列斜率不同的直线,利用点到直线的距离

(a)第1个深度位置测量的声波波形及其二维谱分布估计结果

公式计算每一个分布点到直线的距离。当直线的斜率与地层的纵、横波时差或ST波时差接近时,其直线附近的分布点比较多(见图1),其它斜率的直线附近的点将比较少。给定距离,统计该距离内直线附近的点数,则不同斜率的直线对应的点数不同。以斜率为自变量,点数为函数,则构成一曲线,本文称其为群速度时差曲线。在地层的纵、横波以及ST波时差附近,该曲线有极大值。图2是与图1对应的2组波形的群速度时差曲线,从图2中可以看到,3个峰是相当明显的。其中纵、横波的峰值比较尖,时差的分辨率比较高,由这些峰

(b)第100个深度位置测量的声波波形及其二维谱分布估计结果

图1󰀁实际测井波形及其二维谱分布处理结果

(a)第1个深度点的处理时差曲线

小、横波S中等、Stoneley(ST)波最大。深度不同,从声

波测井波形中处理出来二维谱分布不一样[见图1(b)],用这种方法计算出来的3个声波时差也不一样。

2󰀁基于二维谱分布的纵、横波时差处理技术󰀂󰀂󰀂群速度法

声波测井波动声学理论给出结论,声波测井波形中的每一种声波均不同程度地具有频散特征,其中,ST(b)第100个深度点的处理时差曲线图2󰀁与图1对应的2组波形的群速度时差曲线

󰀁第28卷󰀁第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁朱留方,等:基于阵列声波测井波形二维谱分布的纵、横波时差处理方法 375

󰀁

图4󰀁单极子阵列声波测井波形群速度时差处理结果

个深度的处理时差曲线绘在一起,用灰度表示其幅度后的结果。从图3、4中可以看到其纵、横波以及ST波时差随深度变化,取其幅度的最大值即可得到工程上需要

的纵、横波以及ST波时差曲线。

图3󰀁2个深度点的处理结果

同样,将该方法用于处理偶极声波测井资料得到图5。图5(a)是原始测井波形,该波形比较单纯,由1个模式波组成,用Matrix方法处理后得到图5(b),其模式波在低频时基本不频散,随着频率的增加,开始频散,相速度随频率降低。用上述方法处理后得到图5(c),时差曲线上有1个主要的、幅度比较大的峰,该时差对应于测量波形中模式波的时差,在该时差的2侧,分别存在2个峰,左边时差小于模式波时差的峰主要反映最高频率处的高速模式波[图5(b)处的A],右边时差大于模式波时差的峰主要反映高频处的频散特征。将不同深度的

值计算的时差比较准;ST波的峰值比较粗,时差的分辨率比较低,由其计算的时差精度比较低。

二维谱分布中声速的频散特征在该图中也有一定的显示。声波测井波形中频散越小的声波,其峰值越尖[见图2(a)中的S波和图2(b)中的P波];频散越严重,对应的峰值减小,曲线形状变粗,最大峰值两边的形状描述了声速的频散特征。

图3是另外2个深度点的处理结果。图4是将各

图5󰀁偶极声波测井资料

376 测󰀁井󰀁技󰀁术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2004年󰀁

图6󰀁实际测量波形及其处理结果

时差曲线用灰度表示,得到图5(d),这段测井波形中只有1个模式波,该模式波时差随深度的不同而改变。

ST波时差精度低是由于测量波形的低频成分造成的。从图1的2个模式波分布图可以看出,频率低于4kHz的模式波相当单纯,只有1个时差在700󰀁s/m附近的ST波。而且在图1(a)的模式波分布图中,该模式波一直延伸到频率接近于0的位置。这些低频附近的分布点距离时差接近700󰀁s/m的直线比较近,当时差在700󰀁s/m附近一定范围内时差改变时,这些点均被统计在内,所以,处理时差曲线变粗,时差的分辨率降低,这是ST波特有的,因为,声波测井波动声学理论提供了结论:低频时,井内只有ST波,其它所有的模式波均被截止掉。

改变ST波时差的分辨率可以从3方面入手。一是将给定的点到直线的距离减小;二是用频率加权,频率越低权重越小;三是直接从二维谱分布中得到相速度分布。3󰀁相速度法

二维谱分布是由一系列点组成的,如果将这些点所对应的波数除以频率则得到与相速度对应的时差分布,图6是一组实际测量波形及其处理结果。图6(a)是原始测井波形,每个波形的频谱见图6(b),二维谱分布处理结果见图6(c),与相速度对应的时差随频率的分布(即频散曲线)见图6(d),图6(e)、6(f)分别是用二维谱分布与时差分布计算的群速度和相速度时差曲线,用相速度法计算的ST波时差的分辨率得以提高。图7是2种处理方法的比较,从图中可以看到,相速度法的处理结果比较好,纵波比较清楚,ST波时差精度比较高。

将相速度方法用于偶极声波测井波形处理,同样也得到了比较好的处理结果。图8是一段测井资料的处理结果。为了便于对比,同时也绘出了单极子声波测井波形的处理结果,从图8中可以看到,用该方法处理出󰀁第28卷󰀁第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁朱留方,等:基于阵列声波测井波形二维谱分布的纵、横波时差处理方法 377

参数,该参数不同,得到的处理结果󰀂󰀂󰀂群速度、相速度时差曲线会有比较大的差别。一般情况下,该参数越小、处理时差曲线的分辨率越高、从该曲线得到的声波时差的精度越高,但是,处理时差曲线数值越小、灰度差

别越小,对声速频散的显示有影响。所以,在保证时差处理精度与频散指示这对矛盾中应该折中。参考文献:

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图8󰀁单极子(左图)偶极子(右图)声波

测井波形相速度法处理结果

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(收稿日期:2004󰀁07󰀁29󰀁本文编辑󰀁李总南)

来的2种横波时差是比较接近的。

4󰀁讨论与结论

本文提供的处理方法所给出的处理结果与STC相似,但是,与STC方法不同,图4、图5(d)的处理结果中还包含了声速的频散特征。即灰度图不但给出了声速、还用灰度的宽度给出了声速频散特征的描述。图6(d)

给出了(声速)时差随频率的变化规律。

在本处理方法中,点到直线的距离是一个最主要的

󰀁第28卷󰀁第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁作󰀁者󰀁简󰀁介󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁 A1