多极子阵列声波测井数据的纵横波慢度联合反演方法

多极子阵列声波测井仪器采集的单极和偶极数据受到地层、井孔、仪器测量系统的影响.在处理实际声波测井数据时,必须考虑多极子模式波的频散效应,以及测井仪器在其中的影响.根据仪器等效理论和相位匹配方法,本文提出了一种从多极子阵列声波测井数据中同时获得纵、横波慢度的联合反演方法.这种方法的关键在于利用相同仪器-地层模型计算多极子模式波频散曲线,以此来匹配频域内纵波与横波数据的相位.相对于将泄漏纵波和弯曲波频散效应分开处理的其他方法,该方法不仅可以减少纵横波速度反演的不确定性,而且还避免了从声波数据中提取频散数据的繁琐过程.通过理论分析和现场数据处理证明了本文联合反演方法的准确性和有效性.     

斯通利波和弯曲波联合反演地层VTI各向异性的阵列声波处理方法

利用声波测井获取地层各向异性已成为储层油气评价的一项重要的课题.本文提出了一种单极和偶极振型联合反演地层各向异性的阵列声波处理方法,采用VTI（vertical transversely isotropic）介质斯通利波和弯曲波频散特征,分频段联合求取各向同性面内剪切模量,反演精度相比于传统方法得到了提高;研究了一种同时适用于单极和偶极声波测井的仪器标定方法,消除了仪器对井孔声传播的影响.通过对数值模拟数据的处理和现场测井数据的应用,验证了新方法的正确性和有效性.本文工作为利用阵列声波测井资料评价横观各向同性地层中横波速度的各向异性提供了有效的处理方法.     

孔隙地层轻质水泥套管井中偶极弯曲波的激发与传播特性

针对软地层套管井中弯曲波频散移向高频,以致超出了现行偶极声波测井仪器的激发频带的问题,本文在井外为孔隙地层时,采用Biot模型对套管井多极源激发的声波场进行了理论推导,对套管井偶极弯曲波的频散特性进行了数值模拟,考察了高密度水泥(或快速水泥)和低密度水泥(或轻质水泥)情况下的弯曲波频散,分析了不同水泥环对弯曲波主频散区和激发谱偏移的影响,重点对轻质水泥套管井中偶极源激发的模式波频散与激发谱及临界折射P、S波激发特性进行了研究,并考察了渗透率、孔隙度对弯曲波频散及衰减的影响,利用实轴积分法计算了偶极声源激发的时域全波波形.分析对比结果表明,在快速水泥情况下弯曲波频散曲线随着地层特征横波速度的减小会迅速向高频移动,随着快速水泥向轻质水泥变化,弯曲波频散曲线向高频移动将会减缓,对于特征横波速度低于1400m·s~(-1)的软地层,偶极弯曲波基础模式主频散区(或截止频率)可以由原来13kHz向低频移动至4kHz;在轻质水泥套管井中,无论是硬地层还是软地层,在目前偶极声波测井仪器声源主频激发下,接收波形中弯曲波均占主导地位.     

从阵列声波测井波形处理地层纵、横波时差的新方法

阵列声波测井波形中包含丰富的地层纵、横波速度信息.如何从这些波形中提取出这些速度信息,得到比较准确的地层纵、横波时差是资料应用人员非常关心的问题.目前,最常用的纵、横时差处理方法是STC———慢度—时间相关法.该方法只有在波形的速度频散不严重时比较有效.而井内声波传播的基本特征是具有频散特征.利用Ma-trix pencil方法可以求出阵列声波测井波形的二维谱.借助于波形的二维谱,本文给出一种求地层的纵、横波时差的方法.本方法充分利用井内声波传播的规律,有效地减小了频散对纵、横波时差计算的影响,得到的纵、横波时差值精度比较高.     

横向各向同性地层倾斜井中的声场模式分析

针对横向各向同性地层包围的倾斜井模型,基于有限元方法求解频率一波数域波动方程,使用卷积完全匹配层进行数值截断.从计算得到的二维谱中可以直观地看到模式波的分布,继而得到模式波的相速度.与前人的方法相比,该方法对地层各向异性的强弱程度没有要求,可以计算强各向异性介质;此外,计算不依赖于具体的声源形式,可以在较宽的频率范围内进行,且准确度高,误差基本不超过1%.计算了不同倾斜角度、不同偶极源指向性条件下快、慢地层包围的倾斜井中的弯曲模式波的相速度频散曲线.计算结果表明,当井孔倾斜时,偶极源激发的弯曲波分裂成快、慢两条弯曲波,其低频速度分别趋近于地层的SH和qSV速度.接收器接收到的快、慢弯曲波的相速度由倾斜角决定,与声源指向角无关.本文中的方法具有较好的拓展性,可以很方便地修改以分析其他模型.     

套管井偶极弯曲波频散向高频偏移的特性

对套管井偶极弯曲模式波的频散特性进行了系统的数值考察、实例对比和分析.发现套管井弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低,特别是地层横波速度小于2000 m·s^-1以下,会迅速移向高频区,偶极弯曲波基础模式主频散区（或截止频率）可出现在13 kHz以上,以致超出了现行低频偶极子声波测井仪的激发与接收频带,这是一过去没有被研究者注意到的现象,并进一步被现场实例所证实.研究表明控制套管井弯曲波频散曲线主频散区位置的主要是钢套管的厚度和地层横波速度.对地层横波速度大于井孔流体声速的快速地层,在钢套管壁厚一定（8 mm）的情况下,频散曲线主频散区可移至11 kHz以上,可能出现的最大可能频域位置是同一井孔内径,井外全钢时的频散曲线上等于、小于地层横波速度那一段,这对各种地层和套管参数都是适用的.对地层横波速度小于等于井孔流体声速（1500 m·s^-1）的慢速地层,弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低移向高频区的特点更为明显,可能移至16 kHz以上;而套管厚度的影响,也比快速地层大的多,对地层横波速度小于1380 m·s^-1的慢速地层,无论用多高的频率激发,都不能在现行使用的各类套管井（壁厚6~12 mm）中用偶极声波测井仪测到弯曲模式波.     

软地层横波速度的偶极随钻测井反演

在电缆测井中,可以利用偶极声场中的弯曲波反演软地层的横波速度.然而,在随钻声波测井(LWD)中,钢制钻铤的存在使得井孔结构变得复杂,同时改变了井孔声场,弯曲波也变得难以测定.此外,弯曲波与钻铤波耦合在一起,使得地层横波速度的反演变得困难.本文计算分析了随钻声场的频散曲线和激发曲线,注意到了偶极舒尔特波在较宽频带内速度频散很弱,特别是在本文研究的软地层情况下,偶极舒尔特波速度在3至25kHz的频率范围内几乎为一个常值,并且该值与地层横波速度存在一一对应关系.舒尔特波速度远小于其他模式波速度,与其他模式波在时域上易分离.相对于其他地层参数,舒尔特波对地层横波速度十分敏感.因此,它可以用来反演软地层的横波速度.     

加权频谱相干法在识别地层各向异性类型中的应用

利用交叉偶极声波数据可以提取出快慢弯曲波曲线,在此基础上利用加权频谱相干法可以稳定的提取出快慢弯曲波频散曲线.利用快慢弯曲波频散曲线的形态能够区分各向异性的类型.若产生交叉现象,则证明应力作用明显.若两者重合,则证明该点地层属于各向同性地层.当地层中存在页岩、裂缝等地层固有的各向异性特征时,快慢弯曲波曲线在整个频段分开,并在低频处逼近地层真实慢度.     

含偏心钻铤充液井孔中正交偶极子声波测井的数值模拟研究

采用三维有限差分方法模拟了正交偶极子声源在含偏心钻铤的充液井孔中激发的声场,研究了钻铤偏心对模式波的种类、激发幅度、以及频散特征的影响.研究结果表明,钻铤偏心导致偶极子声源激发的声场的模式不唯一,观察到了除偶极模式外的单极模式波和四极模式波;钻铤偏心导致偶极模式波出现分裂现象,尤其是快速地层F2模式和慢速地层弯曲波的稍高频率的部分,且快、慢波所对应的两个方位为偏心的方位和与偏心方位垂直的方向;井孔折射横波以及快速地层F2模式的低频部分的慢度基本未受到钻铤偏心的影响,仍然能够正确反映地层的横波慢度及各向异性;对于本文研究的慢速地层井孔模型,当偏心距离l小于等于0.01 m时,弯曲波的慢度和激发幅度受钻铤偏心的影响很小,从快、慢弯曲波中提取的快、慢横波慢度基本能够反映地层的各向异性特征.     

多极子随钻声波测井波场模拟与采集模式分析

应用三维非均匀交错网格有限差分程序模拟了多极子随钻声波测井的波场,考察了硬地层中单极子随钻声波测井响应及软地层中声源频率对多极子随钻声波测井的影响;计算了接收阵列波形的时域相干谱及频散特征,结果表明随钻测井仪器居中时,在硬地层中可以直接利用单极子声系得到地层横波速度,但地层纵波受到钻铤波的极大干扰.而在软地层中可以利用单极子声系直接测得地层纵波速度,但地层横波速度则需要使用工作在较低频率下的四极子随钻声波仪来测得,此时测井频段又会落入钻井噪声频带而受到影响.为此本文提出数值模拟手段结合物理实验的方法得到钻铤波的影响,在实际测井中通过信号处理方法而不是用在仪器本体上刻槽的方式来更完全地消除钻铤的影响.为了避免钻井噪声的影响,本文提出六极子随钻声波仪更适合软地层的横波测量.本文用数值实验结果来说明这些方法的可行性.     

横向各向同性地层斜井中正交偶极子激发声场的数值模拟

本文采用三维应力-速度有限差分(SV-FD)方法,数值模拟了横向各向同性(TI)地层对称主轴与井轴斜交情况下正交偶极子声源激发的井孔声场.主要解决了与倾斜角有关的三维空间弹性模量矩阵的推导,柱坐标系下应力-速度有限差分方程组的建立,井轴上场点奇异性与内边界处理等几个关键问题,提高了计算精度.在横向各向同性地层对称主轴与井轴平行的情况下,与实轴积分法所得结果进行了对比,验证了本文方法的正确性.计算了不同倾角情况下xx和yy两分量的弯曲波,并用频域加权相似法提取了弯曲波频散曲线,结果显示了横向各向同性介质中不同方向偏振的弯曲波传播的分裂现象,其频散曲线在低频段分裂,随频率增大而逐渐重合.弯曲波低频截止频率处速度与理论公式得到的横波速度基本符合.     

倾斜地层中的井孔声场研究

研究声波在倾斜充液井孔中的传播对于声波测井数据处理和解释具有重要意义.应用三维交错网格有限差分方法模拟了处于倾斜各向同性分层地层中的井孔声场.首先，针对均匀地层中单极子声源在裸眼井中激发的声场，将有限差分的结果和实轴积分法的结果进行对比验证.然后，采用单极子和偶极子两种声源，针对地层分界面和井轴间的不同倾角，计算了相应的声场分布和井轴上的接收波形.数值计算的结果表明，当声源处于倾斜分界面以下，即处于快速（下方）地层，接收器处于倾斜分界面以上（慢速）地层时，随着地层倾斜角度的加大，测得的慢度值从接近上方慢速地层值逐渐减小直至接近下方快速地层的值.任何源距情况下测得的首波慢度均小于上方地层实际的纵波慢度.并且，慢度与源距的关系曲线随源距的加大逐渐平缓.用偶极子声源激发得到的横波慢度与纵波结果相同，并表现得比纵波对倾角的改变更敏感.上述结论在本文中用声场快照和利用合成接收波列的慢度计算得以清楚显示，并且用射线声学理论验证.     

垂向非均匀介质中转换波转换点计算

转换点位置的计算是转换波资料处理中的一个关键问题. 本文提出了分别基于速度随深度线性变化、速度随垂直走时线性变化、慢度随深度线性变化和慢度随垂直走时线性变化四种等效垂向非均匀介质情况下转换点位置的计算方法. 研究了通过速度拟合、走时近似和相似系数谱三种方式选择合适的等效速度方法. 结合理论模型对非均匀介质转换点计算方法、渐进转换点计算方法、Thomsen近似公式和均匀介质解析计算方法的误差进行了分析，结果表明非均匀介质转换点计算方法能更准确地计算转换点位置.     

阵列声波处理技术的研究与应用

本文将根据在声学解释处理技术方面的研究成果,有侧重地介绍高分辨率阵列声波提取技术、频散校正技术、利用斯通利波同时反演地层渗透性和各向异性的阵列声波处理技术,同时还将详细的阐述这些特殊处理技术的基本原理和具体的实现办法,并通过一些实际应用的例子来证明这些特殊处理技术的有效性和先进性.     

A SEMBLANCE-GUIDED MEDIAN FILTER1

Reiter , E.C., Toksoz , M.N. and Purdy , G.M. 1992. A semblance-guided median filter. Geophysical Prospecting 41 , 15–41. A slowness selective median filter based on information from a local set of traces is described and implemented. The filter is constructed in two steps, the first being an estimation of a preferred slowness and the second, the selection of a median or trimmed mean value to replace the original data point. A symmetric window of traces defining the filter aperture is selected about each trace to be filtered and the filter applied repeatedly to each time point. The preferred slowness is determined by scanning a range of linear moveouts within the user-specified slowness passband. Semblance is computed for each trial slowness and the preferred slowness selected from the peak semblance value. Data points collected along this preferred slowness are then sorted from lowest to highest and in the case of a pure median filter, the middle point(s) selected to replace the original data point. The output of the filter is therefore quite insensitive to large amplitude noise bursts, retaining the well-known beneficial properties of a traditional 1D median filter. Energy which is either incoherent over the filter aperture or lies outside the slowness passband, may be additionally suppressed by weighting the filter output by the measured peak semblance. This approach may be used as a velocity filter to estimate coherent signal within a specified slowness passband and reject coherent energy outside this range. For applications of this type, other velocity estimators may be used in place of our semblance measure to provide improved velocity estimation and better filter performance. The filter aperture may also be extended to provide increased velocity estimation, but will result in additional lateral smearing of signal. We show that, in addition to a velocity filter, our approach may be used to improve signal-to-noise ratios in noisy data. The median filter tends to suppress the amplitude of random background noise and semblance weighting may be used to reduce the amplitude of background noise further while enhancing coherent signal. We apply our method to vertical seismic profile data to separate upgoing and downgoing wavefields, and also to large-offset ocean bottom hydrophone data to enhance weak refracted and post-critically reflected energy.     

随钻四极横波测量的数据驱动频散处理方法

针对随钻四极横波测量中的频散效应,本文采用了一种数据驱动的频散处理方法.根据四极子声波频散数据计算慢度概率密度及其拟合函数,再对该函数寻边确定实际地层的横波慢度.该方法在对理论模拟数据及现场随钻测井数据处理中均取得了良好的应用效果,为随钻四极子横波测井提供了一种快速有效的处理方法.     

Array performances for ambient vibrations on a shallow structure and consequences over <Emphasis Type="Italic">V</Emphasis><Subscript><Emphasis Type="Italic">s</Emphasis></Subscript> inversion

Valuable information about one-dimensional soil structures can be obtained by recording ambient vibrations at the surface, in which the energy contribution of surface waves predominates over the one of other types of waves. The dispersion characteristics of surface waves allow the retrieval of the shear-wave velocity as a function of depth. Microtremor studies are usually divided in two stages: deriving the dispersion (or auto-correlation) curve from the recorded signals and inverting it to obtain the site velocity profile. The possibility to determine the dispersion curve over the adequate frequency range at one site depends on the array aperture and on the wavefield spectra amplitude that can be altered by filtering effects due to the ground structure. Microtremors are usually recorded with several arrays of various apertures to get the spectral curves over a wide frequency band, and different methods also exist for processing the raw signals. With the objective of defining a strategy to achieve reliable results for microtremor on a shallow structure, we analyse synthetic ambient vibrations (vertical component) simulated with 333 broadband sources for a 25-m deep soil layer overlying a bedrock. The first part of our study is focused on the determination of the reliable frequency range of the spectral curves (dispersion or auto-correlation) for a given array geometry. We find that the wavenumber limits deduced from the theoretical array re sponse are good estimates of the valid spectral curve range. In the second part, the spectral curves are calculated with the three most popular noise-processing techniques (frequency–wavenumber, high-resolution frequency–wavenumber and spa tial auto-correlation methods) and inverted indi vidually in each case. The inversions are performed with a tool based on the neighbour hood algorithm that offers a better estimation of the global uncertainties than classical linearised methods, especially if the solution is not unique. Several array apertures are necessary to construct the dispersion (auto-correlation) curves in the appropriate frequency range. Considering the final velocity profiles, the three tested methods are almost equivalent, and no significant advantage was found for one particular method. With the chosen model, all methods exhibit a penetration limited to the bedrock depth, as a consequence of the filtering effect of the ground structure on the vertical component, which was observed in numerous shallow sites.