CN101285381B - 一种泄漏模式波反演软地层横波速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泄漏模式波反演软地层横波速度的方法，属于应用地球物理声波测井技术。具体步骤如下：输入扩径严重的软地层井段的单极或偶极泄漏模式波波形和对应井段地层的常规测井资料，再由阵列波形中提取出泄漏模式波的相速度频散曲线，并确定泄漏模式波的主要能量频段，计算不同地层横波速度下的理论计算的与现场阵列波形提取的泄漏模式波相速度的方差，确定方差为零时对应的地层横波速度，作连续井段处理并输出反演横波速度成果图。本发明解决了现有多极子阵列声波测井仪器，在超大井径、疏松浅层或扩径严重的软地层井段不能直接测量地层横波速度的问题，拓宽了井孔声波测井技术在石油勘探与开发过程中的应用领域和提高了其应用价值。

Description

一种泄漏模式波反演软地层横波速度的方法

技术领域

本发明属于应用地球物理声波测井技术，特别是涉及超大井径、疏松浅层或扩径严重的软地层勘探时，利用频散的泄漏模式波来反演地层横波速度的方法。

背景技术

随着石油勘探和开发技术的发展，地震勘探和钻井工程等领域均迫切要求声波测井提供准确的地层横波速度剖面，如地震弹性波阻抗反演、地震AVO属性处理、钻井地层压力预测和井壁稳定性评价。目前，井孔声波测井技术是提供连续地层横波速度剖面的最有效手段。但在地层横波速度小于井内泥浆声速的软地层，传统声波测井的对称单极子声源不能激发起地层的横波，而是利用单极激发的斯通利波反演地层横波速度。近年来，发展了非对称的偶极子声源，通过激发井孔弯曲模式波实现测量任意地层横波速度的偶极子声波测井技术。实际测井时，单极斯通利波和偶极弯曲波的激发强度和频散特性均受地层性质和井径等参数影响严重，甚至在大井径、疏松的浅层或扩径较严重的软地层，偶极声源往往不能激发起弯曲波，单极声源也不能激发起斯通利波，如图1中430～435米和446～452米井段所示。因此，在大井径、疏松的浅层或扩径较严重的软地层，从现有偶极声波测井技术测量的角度和单极斯通利波反演的角度，均无法保证提供地层的横波速度。

从大量现场多极子(单极和偶极)阵列声波测井资料中发现，大井径、疏松的浅层或扩径较严重的软地层偶极测井无法直接测量地层的横波速度。建立井孔多极子声波测井理论模型，数值模拟研究软地层的单极、偶极声波测井响应特征表明，在理论上扩径严重的软地层单极、偶极均激发幅度较大的泄漏模式波，而用于测量横波速度的单极斯通利波和偶极弯曲波幅度很小，甚至完全消失，如图2和图3所示。软地层单极、偶极激发的泄漏模式波是一种频散模式波，即相速度随频率变化而变化，如图4所示。泄漏模式波的频散特性主要敏感于地层纵波速度、井内泥浆声速和地层横波速度，如图5所示，其中，该模式波对地层横波速度的敏感程度达到10％。因此，在单极斯通利波和偶极弯曲波均没有激发起来的软地层情况，可考虑用相对比较稳定的单极或偶极的泄漏模式波的频散特性反演软地层的横波速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泄漏模式波反演软地层横波速度的方法，以解决利用频散的泄漏模式波对大井径、疏松浅层或扩径较严重的软地层的横波速度进行反演的技术问题。

本发明的目的是基于内存256M以上的微型计算机的Windows环境，利用Microsoft VC++软件开发工具，通过如下方式实现：

首先，将扩径严重的软地层井段一个深度点的由多极子阵列声波测井仪器单极或偶极工作模式测量的泄漏模式波的波形数据和对应的该深度点由常规测井测量的地层纵波速度、井径、泥浆声速、泥浆密度参数输入给计算机的几个存储器。

其次，利用频谱加权相关法、Prony方法、修正的Matrix Pencil法或同态处理方法的阵列波形频散曲线提取技术，由软地层的单极子阵列波形或偶极子阵列波形提取出泄漏模式波的相速度频散曲线，并确定单极泄漏模式波或偶极泄漏模式波的主要能量频段。

再次，根据Kurkjian等人提出的充液井孔声场理论，建立井孔多极子声波测井模型，模型中的地层纵波速度、密度、井径、泥浆声速和泥浆密度由传统的测井方法测量已知，改变地层横波速度用迭代法或抛物线法由理论的频散方程D(f，k，V_s，V_c，V_f，ρ，ρ_f，R)＝0解出软地层单极或偶极泄漏模式波的相速度随频率变化的频散曲线，式中，k＝²πf/V_p为波数，f—频率，V_p—相速度，V_s—地层横波速度，V_c—地层纵波速度，V_f—井内泥浆声速，ρ—地层密度，ρ_f—泥浆密度，R—井眼半径。

然后，在单极或偶极泄漏模式波主要能量频段内，计算不同地层横波速度下理论计算的泄漏模式波相速度与现场阵列波形资料提取的泄漏模式波相速度的方差之和，得到随地层横波速度变化的方差曲线。利用拉格朗日法对方差曲线精确插值，确定出方差为零时对应的地层横波速度，即为该深度点反演得到的地层横波速度。

最后，利用上述反演流程对扩径严重的软地层井段进行连续处理，获得软地层井段的地层横波速度成果图，将成果图显示在显示器上，或打印出图。

本发明克服了现有多极子阵列声波测井仪器在扩径严重的疏松软地层井段不能直接测量地层横波速度的缺点，利用单极或偶极阵列波形中频散的泄漏模式波来反演地层横波速度，这一方法拓宽了井孔声波测井技术在石油勘探与开发过程中的应用领域，提高了其应用价值。

附图说明

图1是疏松浅层井段单极和偶极声波测井的波形资料及对比示意图。

图2是软地层理论合成的单极子声波测井的阵列时域波形示意图。图3是软地层理论合成的偶极子声波测井的阵列时域波形示意图。

图4是软地层单极子声源激发的泄漏模式波的相速度频散曲线图。

图5是软地层单极子泄漏模式波对地层横波速度、纵波速度和井内泥浆声速的敏感性曲线图。

图6是依据本发明所提供的一种频散的泄漏模式波反演地层横波速度方法的流程框图。

图7是理论合成的软地层的单极子阵列时域波形示意图。

图8是软地层单极子阵列波形对应的频谱示意图。

图9是利用频谱加权相关法从单极子阵列波形得到的泄漏模式波的频谱加权相干图和提取出的频散曲线(粗实线所示)。

图10是井孔单极子声波测井理论模型示意图。

图11是依据本发明所述方法从阵列波形中提取的泄漏模式波相速度频散曲线(小圆圈)和调整地层横波速度理论计算的泄漏模式波相速度频散曲线(实线)图。

图12是依据本发明所述方法在单极泄漏模式波主要能量频段内，不同地层横波速度下计算的泄漏模式波频散曲线与提取频散曲线的方差之和，由两者方差等于零时反演出软地层横波速度的示意图。

图13是依据本发明所述方法对现场浅层井段(地层纵波速度在2500米/秒左右，地层横波速度在1200左右的)多极子阵列声波测井资料的单极泄漏模式波反演得出的地层横波速度成果图。

具体实施方式

本发明关于附图的说明如下：

图1反映了疏松浅层井段单极和偶极声波测井的波形资料及对比，该井段为软地层井段，图中第1道给出自然伽马、钻头尺寸和井径曲线，第2、3道分别给出偶极和单极波形。从430～435米和446～452米两个井段的单极和偶极波形可看出：由于扩径严重导致单极和偶极声波测井资料只有一种泄漏模式波，没有激发起单极斯通利波和偶极弯曲波。

图2反映了软地层理论合成的单极子声波测井的阵列时域波形，从图中可看出，该软地层情况单极声源只激发起泄漏模式波，没有斯通利波。

图3反映了软地层理论合成的偶极子声波测井的阵列时域波形，从图中可看出，该软地层情况偶极声源只激发起泄漏模式波，没有弯曲波。

图4反映了软地层单极子声源激发的泄漏模式波的相速度频散曲线，其中横坐标为频率，纵坐标为相速度。

图5反映软地层单极子泄漏模式波对地层横波速度、纵波速度和井内泥浆声速的敏感性曲线，从图中可看出泄漏模式波的频散特性在低频段主要敏感于地层纵波速度，高频段主要敏感于井内泥浆声速。同时发现在主要能量频带该模式波的频散特性对地层横波速度也比较敏感，敏感系数达到10％左右。

图7反映了理论合成的软地层的单极子阵列时域波形，其中只有一种泄漏模式波，没有斯通利波。

图8反映了软地层单极子阵列波形对应的频谱，主要能量集中在5千赫兹～10千赫兹。

下面结合附图和实施例来详细描述本发明。

在扩径严重的软地层，单极声源和偶极声源均激发起幅度很强的频散的泄漏模式纵波，该模式波相对比较稳定，且非常敏感于地层横波速度。因此，本发明在井径大于30厘米、地层横波速度小于1400米/秒的软地层，可采用单极泄漏模式波反演地层横波速度和偶极泄漏模式波反演地层横波速度两种具体实施方案。

方案一，单极泄漏模式波反演地层横波速度的具体步骤为：

(1).将扩径严重的软地层井段一个深度点的由多极子阵列声波测井仪器单极工作模式测量的泄漏模式波的波形(如图7所示)数据和对应的该深度点由常规测井测量的地层纵波速度、井径、泥浆声速、泥浆密度参数输入给计算机的几个存储器。

(2).利用快速傅立叶变换对如图7所示的单极子阵列波形做频谱分析，获得每道波形的频谱，如图8所示。在此基础上，利用下述公式由阵列波形获得频谱加权相关图，并由相关系数极大值提取出单极泄漏模式波的相速度频散曲线，如图9所示，

$\mathrm{\ρ}(f,k)=\frac{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n^{*}\left(f\right)e^{-\mathrm{ikd}(n-1)}\right|}{\sqrt{N\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n^{*}\left(f\right)X_n\left(f\right)}}$

式中f为频率，k＝2πf/V_p为波数，V_p为相速度；N为接收器的个数，d是相邻两个接收器的间距；X_n(f)是第n个接收器的波形对应的频谱，“*”表示取复共轭。

(3).建立井孔单极子声波测井理论模型，如图10所示，根据井孔内、外波动方程和边界条件推导出井孔单极子模式波的理论频散方程D(f，k，V_s，V_c，V_f，ρ，ρ_f，R)＝0，其中，k＝2πf/V_p为波数，f—频率，V_p—相速度，V_s—地层横波速度，V_c—地层纵波速度，V_f—井内泥浆声速，ρ—地层密度，ρ_f—泥浆密度，R—井眼半径。模型中地层纵波速度、密度、井径、泥浆声速和泥浆密度由其他测井方法测量已知，改变地层横波速度用牛顿迭代法由频散方程求解单极泄漏模式波的相速度频散曲线，如图11中实线所示。

(4).在单极泄漏模式波主要能量频段内，即5千赫兹～10千赫兹，计算不同地层横波速度下理论计算的泄漏模式波相速度(图11中的实线)与阵列波形资料提取的泄漏模式波相速度(图11中的小圆圈)的方差之和，得到随地层横波速度变化的方差曲线，如图12所示。

(5).通过对方差曲线插值，确定方差为零时对应的地层横波速度，即为该深度点反演得到的地层横波速度，如图12所示。按本发明所述方法得到的该地层横波速度为507.32m/s，实际的地层横波速度为508m/s。

方案二，偶极泄漏模式波反演地层横波速度的具体步骤为：

(1).将扩径严重的软地层井段一个深度点的由多极子阵列声波测井仪器偶极工作模式测量的泄漏模式波的波形数据和对应的该深度点由常规测井测量的地层纵波速度、井径、泥浆声速、泥浆密度参数输入给计算机的几个存储器。

(2).利用快速傅立叶变换对偶极子阵列波形做频谱分析，获得每道波形的频谱。在此基础上，利用频谱加权相关法提取出偶极泄漏模式波的相速度频散曲线。

(3).建立井孔偶极子声波测井理论模型，根据井孔内、外波动方程和边界条件推导出井孔偶极子模式波的理论频散方程。模型中地层纵波速度、密度、井径、泥浆声速和泥浆密度由其他测井方法测量已知，改变地层横波速度用牛顿迭代法由频散方程求解偶极泄漏模式波的相速度频散曲线。

(4).在偶极泄漏模式波主要能量频段内，即2千赫兹～5千赫兹，计算不同地层横波速度下理论计算的泄漏模式波相速度与现场偶极阵列波形资料提取的泄漏模式波相速度的方差之和，得到随地层横波速度变化的方差曲线。

(5).通过对方差曲线插值，确定方差为零时对应的地层横波速度，即为该深度点反演得到的地层横波速度。

综上所述，用本发明所述方法处理浅层井段的多极子声波测井资料，输出连续的地层横波速度剖面，如图13所示。该浅层井段的地层纵波速度在2500米/秒左右，地层横波速度在1200左右，属于典型的软地层。如图中第1道钻头尺寸、井径和自然伽马曲线所示，该井使用9.5英寸钻头打井在430～435米和446～453米井段出现严重扩径现象，井径达到50厘米。图中第2和3道分别给出多极子阵列声波测井资料的单极和偶极的全波列波形，从全波列波形可看出，在扩径严重的两个井段单极和偶极均激发幅度很强的泄漏模式波，而没有激发用于软地层测量横波速度的单极斯通利波和偶极弯曲波。用传统的慢度时间相关法处理偶极阵列波形资料，得到相关系数平面和对应的地层横波速度如图中第4道所示。从相关系数平面图看出，只有在435～445米规则小井径井段偶极弯曲波的相关系数较大，可由偶极弯曲波提取出可靠的地层横波速度，而在其他两个扩径严重的井段偶极弯曲波的相关性很差甚至没有，此时无法由偶极资料提取出地层横波速度。图中第5道给出利用本发明方法利用单极泄漏模式波频散特性反演的地层横波速度与规则井段偶极提取的横波速度、地层纵波速度对比。对比结果表明，本发明方法在井况复杂的疏松浅层可由泄漏模式波反演获得连续的地层横波速度剖面。在435～445米井径规则的软地层井段，偶极弯曲波波形较好，本发明所述方法的反演结果(粗实线)与偶极提取的横波速度结果(小圆圈)吻合的很好；在430～435米和446～453米扩径严重井段，没有激发起偶极弯曲波，从偶极资料无法提取地层横波速度，本发明所述方法由频散的单极泄漏模式波反演出的地层横波速度稳定、可靠，与地层纵波速度趋势相一致且纵横波时差比合理，可用于石油勘探和开发的工程应用。

1、频谱加权相关法参考文献：唐晓明，郑传汉著，2004年，定量测井声学，石油工业出版社，p52-54。

2、Prony方法参考文献：Lang，S.W.Kurkjian，J.H.等，1987，Estimatingslowness dispersion from arrays of sonic logging waveforms，Geophysics，Vol.52，p530-544。

3、Matrix Pencil法参考文献：Ekstrom，M.P.，1995，Dispersion estimationfrom borehole acoustic arrays using a modified matrix pencil algorithm，29thAsilomar Conference on Signals Systems and Computers，p449-453。

4、同态处理方法参考文献：Ellefsen，K.J.Cheng，C.H.Tubman，K.M.，1989，Estimating phase velocity and attenuation of guided waves inacoustic logging data，Geophysics，VOL，54，p1054-1059。

5、井孔声场建模理论参考文献：Kurkjian，J.H.and Chang，S.K.，1986，Acoustic multipole sources in fuid-filled boreholes，Geophysics.51(1)148-163。

Claims (1)

1.一种泄漏模式波反演软地层横波速度的方法，它是基于内存256M以上的微型计算机的Windows环境，利用Microsoft VC++软件开发工具，通过如下方式实现：

首先，将扩径严重的软地层井段一个深度点的由多极子阵列声波测井仪器单极或偶极工作模式测量的泄漏模式波的波形数据和对应的该深度点由常规测井测量的地层纵波速度、井径、泥浆声速、泥浆密度参数输入给计算机的几个存储器；

其次，利用频谱加权相关法、Prony方法、修正的Matrix Pencil法或同态处理方法的阵列波形频散曲线提取技术，由软地层的单极子阵列波形或偶极子阵列波形提取出泄漏模式波的相速度频散曲线，并确定单极泄漏模式波或偶极泄漏模式波的主要能量频段；

再次，根据Kurkjian提出的充液井孔声场理论，建立井孔多极子声波测井模型，模型中的地层纵波速度、密度、井径、泥浆声速和泥浆密度由传统的测井方法测量已知，改变地层横波速度用迭代法或抛物线法由理论的频散方程D(f，k，V_s，V_c，V_f，ρ，ρ_f，R)＝0解出软地层单极或偶极泄漏模式波的相速度随频率变化的频散曲线，式中，k＝2πf/V_p为波数，f-频率，V_p-相速度，V_s-地层横波速度，V_c-地层纵波速度，V_f-井内泥浆声速，ρ-地层密度，ρ_f-泥浆密度，R-井眼半径；

然后，在单极或偶极泄漏模式波主要能量频段内，计算不同地层横波速度下理论计算的泄漏模式波相速度与现场阵列波形资料提取的泄漏模式波相速度的方差之和，得到随地层横波速度变化的方差曲线；利用拉格朗日法对方差曲线精确插值，确定出方差为零时对应的地层横波速度，即为该深度点反演得到的地层横波速度；

最后，利用上述反演流程对扩径严重的软地层井段进行连续处理，获得软地层井段的地层横波速度成果图，将成果图显示在显示器上，或打印出图。

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