CN103362502A

CN103362502A - 在声波测井中消除直达波干扰的方法、系统及声波测井仪

Info

Publication number: CN103362502A
Application number: CN2012100834837A
Authority: CN
Inventors: 鲍雪山; 肖加奇; 白庆杰
Original assignee: CNPC Great Wall Drilling Co
Current assignee: CNPC Great Wall Drilling Co
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN103362502B

Abstract

本发明涉及在声波测井中消除直达波干扰的方法、系统和测井仪，其中从声波测井仪的发射换能器向接收换能器发射测井声波；通过接收换能器采集测井声波；通过在时间域和慢度域进行扫描求取测井声波的时间慢度相关系数，由此形成时间慢度相关系数谱；搜索时间慢度相关系数谱，通过峰值查找确定地层各个模式波的慢度；根据慢度确定各个模式波首次到达接收换能器的时间；加大测井声波中的直达波从发射换能器到达第一个接收换能器的第一慢度与直达波从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第二慢度之间的差异，使得第一慢度明显区别于第二慢度，以便在进一步从时间慢度相关系数谱中滤除掉直达波的时间慢度相关系数谱。从而实现有用测井数据的真实性和准确性。

Description

在声波测井中消除直达波干扰的方法、系统及声波测井仪

技术领域

本发明涉及一种在利用声波测井仪进行的声波测井中消除直达波干扰的方法和系统，其中从声波测井仪的发射换能器向两个或更多接收换能器发射测井声波，通过所述接收换能器采集所述测井声波,对于每个接收换能器，通过在时间域和慢度域进行扫描求取所述测井声波的时间慢度相关系数，由此形成时间慢度相关系数谱，搜索所述时间慢度相关系数谱，通过峰值查找确定地层各个模式波的慢度，根据所述慢度确定各个模式波首次到达所述接收换能器的时间，从而提供测井分析数据。另外，本发明还涉及一种应用于该方法和系统的相应声波测井仪。

背景技术

声波测井方法是用于记录井剖面上岩石的声学性质，如声速和声波幅度衰减规律，进而判断岩性，估计储集层孔隙度及岩层的弹性力学性质，了解井壁附近岩层的性质和流体的分布，研究钻井地质剖面、判断固井质量等问题的一种测井方法。声波测井仪就是实现该方法的观测仪器。声波测井仪有很多种，但是基本原理是类似的，图1是常见的阵列声波测井仪器的测量原理图。

如图1所示，测井仪器居中放置在井中，它有一个声波发射换能器1，二个声波接收换能器3和5。各换能器1、3、5之间设有隔声槽2、4。根据射线声学理论，当声波从发射换能器1穿过泥浆再到达井壁的地层表面时，如果声波在地层的传播速度快于声波在泥浆里的传播速度，在某一个临界的入射角度下，声波会以一种滑行波的形式沿着地层表面继续向前传播，最后再返回到泥浆中并被接收换能器3、5所接收。

如图2所示，同时记录相距L的具有不同源距（指发射换能器到接收换能器的距离）的两个接收换能器3和5接收到的声波信号。这两道波由于源距不同，因此声波到达接收换能器的时刻不同。计算出两道波的到时差异△T，由已知两个接收换能器的源距差异L，就可以算出声波在接收换能器3和5之间对应的地层的声波传播速度V：

V=L/△T

在测井界，往往用慢度S，即声波传播速度V的倒数来描述地层的声波传播快慢：

S=△T/L，其中该慢度值越大，表示声波传播速度越慢，反之越快。

这种算法的关键是找到声波首次到达接收换能器的时间（通常称之为首波到时）。为找到该首波到时，使用最广泛的方法是门阈法，如图3所示。

在图3中，由测井工程师现场设置一个首波搜索起始时间A（也即图中的声窗起始点），一个首波搜索终止时间B（也即图中的声窗终止点），一个首波幅度低门阈值C（也即低门限），一个首波幅度高门阈值D（也即高门限）。通过计算软件从时间A开始搜索信号，直到时间B停止。在这个时间范围内，找到一个点，它的幅度介于C和D正中间，即图中的小圆圈所示，它即可以被认为是首波到达。

上述门阈法应用非常广泛，目前仍然是测井界低端测井市场的主力。它的好处在于仪器结构简单可靠。缺点是：一旦地层变化剧烈，由于不同性质的地层对声波幅度的衰减作用差异很大，首波幅度会剧烈波动，而且对于偏软地层，噪声和首波幅度值相当，首波更难以找到，表现在最终输出的测井曲线会剧烈跳动，导致测不准。

现在较高端的仪器使用的是另一种方法，即时间慢度相关法STC。这种方法需要设置更多的接收换能器，少则4个，多者8个或更多。这些换能器等间距分布，同步采集接收信号。

由于STC算法比传统的门阈法更加稳定，可靠，逐渐在一些高端阵列仪器上得到应用。然而，STC本身的特性决定了它对通道之间的信号相关性更加敏感，而对信号本身的能量不太敏感。即使很微弱的信号，如果通道之间的相关性足够好，也能够被检测到。因此，该方法极易受到相关性较好的干扰信号的干扰。在这种干扰信号中，典型的就是直达波信号，该信号未经过地层的传播而直接到达接收器。

在实际应用中，接收换能器阵列既能够接收到通过地层到达的声波，也能够接收到通过隔声体到达的声波。源距较短的仪器，由于刻槽的空间有限，通过外壳传播的直达波的信号幅度往往低于地层波，但是其依然具有较高的信噪比，加上刚性外壳的物理属性稳定，通过它传播过来的直达波，通道间的相关性较好。在STC相关性峰值判决中，该直达波有时会被误认为是地层波，这种情况在软地层尤为明显。这就限制了短源距仪器的地层适应范围，但是短源距的阵列声波仪器又有其紧凑，信号能量高的优势。因为直达波的幅度往往并不大。当地层的相关性弱于直达波的相关性时，就会造成误判。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于，在声波测井中消除直达波对测井数据分析的影响，提高测井数据分析的真实性和准确性。

为解决该技术问题，本发明的用于在声波测井中消除直达波干扰的方法包括以下步骤：

a.从声波测井仪的发射换能器向两个或更多接收换能器发射测井声波，

b.通过所述接收换能器采集所述测井声波,

c.对于每个接收换能器，通过在时间域和慢度域进行扫描求取所述测井声波的时间慢度相关系数，由此形成时间慢度相关系数谱，

d.搜索所述时间慢度相关系数谱，通过峰值查找确定地层各个模式波的慢度，

e.根据所述慢度确定各个模式波首次到达所述接收换能器的时间，从而提供测井分析数据，

还包括步骤：

加大所述测井声波中的直达波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第一慢度与所述直达波从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第二慢度之间的差异，使得所述第一慢度明显区别于所述第二慢度，以便在步骤c中进一步从所述时间慢度相关系数谱中滤除掉所述直达波的时间慢度相关系数谱。

在所述的方法中，优选地通过在所述声波测井仪的各个接收换能器声窗之间不刻槽来减小所述第二慢度，从而加大所述差异。可以通过在所述发射换能器与第一个接收换能器之间的声波测井仪外壳上进行隔声体设计来增加所述第一慢度，从而加大所述差异。可以在设计隔声体时加宽所述声波测井仪外壳上的刻槽长度。

在所述的方法，优选在步骤c中，通过时间慢度相关系数STC算法检测所述第一和第二慢度，以及检测其它模式波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第三慢度与从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第四慢度，由此形成STC处理结果的相关系数等高线图，将该等高线图中的对应于所述第一和第二慢度的区域的相关系数置为0，以便滤除所述直到波的相关系数等高线图，将滤除处理后的相关系数等高线图对慢度轴进行投影，以便得到其它模式波的时间慢度相关系数谱。

有利的是，在滤除所述直到波的相关系数等高线图时，给所述第一和第二慢度分别设置余量，以增加消除直到波干扰的可靠性。

所述STC算法可以采用以下公式：

或

其中，

是N个接收换能器的阵列中第m个接收换能器的波形，d为接收换能器间距，

为时间窗窗长,s为慢度变量，T 为时间变量，n为幂指数。

可以取所述波形的2-3个周期，和/或 n为4。

根据本发明的一种用于在声波测井中消除直达波干扰的系统，包括：

声波测井仪，其包括发射换能器和两个或更多接收换能器，所述发射换能器用于向所述接收换能器发射测井声波，所述接收换能器用于采集所述测井声波,

STC算法阵列仪器，用于针对每个接收换能器通过在时间域和慢度域进行扫描求取所述测井声波的时间慢度相关系数，由此形成时间慢度相关系数谱，

搜索装置，用于搜索所述时间慢度相关系数谱，并通过峰值查找确定地层各个模式波的慢度，

输出装置，用于根据所述慢度确定各个模式波首次到达所述接收换能器的时间，从而提供测井分析数据，

在所述系统中：

所述声波测井仪的各个接收换能器声窗之间不刻槽，和/或在所述发射换能器与第一个接收换能器之间的声波测井仪外壳上进行隔声体设计，以便加大所述测井声波中的直达波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第一慢度与所述直达波从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第二慢度之间的差异，使得所述第一慢度明显区别于所述第二慢度，

所述STC算法阵列仪器还被设计成从所述时间慢度相关系数谱中滤除掉所述直达波的时间慢度相关系数谱。

优选地，所述隔声体被设计成加宽所述声波测井仪外壳上的刻槽长度。所述STC算法阵列仪器检测所述第一和第二慢度，以及检测其它模式波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第三慢度与从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第四慢度，由此形成STC处理结果的相关系数等高线图，所述STC算法阵列仪器还将该等高线图中的对应于所述第一和第二慢度的区域的相关系数置为0，以便滤除所述直到波的相关系数等高线图，所述系统还包括投影装置，用于将滤除处理后的相关系数等高线图对慢度轴进行投影，以便得到其它模式波的时间慢度相关系数谱。

所述STC算法阵列仪器还被可以设计成在滤除所述直到波的相关系数等高线图时，给所述第一和第二慢度分别设置余量（α，β），以增加消除直到波干扰的可靠性。

同样，所述STC算法阵列仪器可以采用以下公式执行STC算法：

或

其中，

为时间窗窗长,s为慢度变量，T 为时间变量，n为幂指数。这里，

可以取所述波形的2-3个周期，和/或 n为4。

本发明还相应地提供一种用于在声波测井中消除直达波干扰的声波测井仪，包括：发射换能器，两个或更多接收换能器，其中，所述发射换能器用于向所述接收换能器发射测井声波，所述接收换能器用于采集所述测井声波,所述声波测井仪的各个接收换能器声窗之间不刻槽，和/或在所述发射换能器与第一个接收换能器之间的声波测井仪外壳上进行隔声体设计，以便加大所述测井声波中的直达波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第一慢度与所述直达波从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第二慢度之间的差异，使得所述第一慢度明显区别于所述第二慢度。

如上所述述，本发明的核心在于：设计新的隔声体，以便加大所述测井声波中的直达波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第一慢度与所述直达波从接收换能器到达相邻接收换能器的第二慢度之间的差异，使得所述第一慢度明显区别于所述第二慢度。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的具体实施例。图中:

图1是常规阵列声波测井仪器的测量原理图。

图2是两个接收换能器接收到的声波信号的示意图。

图3是利用门阈法搜索声波首波到达接收换能器的方法示意图。

图4是利用时间慢度相关系数(STC)方法测量阵列声波的原理图。

图5是声波测井仪的隔声体以及声波传播路径的示意图。

图6是现有技术的声波测井仪的隔声体内轴和外壳的示意图。

图7是现有技术STC处理结果相关系数等高线图。

图8是现有技术STC处理结果相关系数在慢度轴上的投影图。

图9是按本发明消除直达波干扰的原理示意图。

图10是测井仪按本发明在取消接收换能器之间的外壳隔声之后的STC处理结果图。

图11是声波从发射换能器到第一个接收换能器的传播示意图。

图12是根据本发明考虑了余量的在等效慢度-慢度坐标上描绘的相关系数等高线示意图。

图13是从图12滤除直达波干扰之后的相关系数等高线示意图。

图14是图13所示的STC处理结果相关系数在慢度轴上的投影图。

图15是本发明消除直达波干扰的方法和系统的框图。

图16示出了现有技术的测井仪外壳的构造。

图17示出了1.1英尺长度的隔声段的隔声性能有限元分析结果。

图18示出了图17所示的刻槽方案的通过模拟计算得到的观察点处的波形。

图19示出了0.5英尺长的接收器之间的刻槽方案。

图20示出了图19所示的刻槽方案的相应波形。

图21示出了图19所示的刻槽方案的仪器的直达波和地层模式波STC图。

图22是按照本发明构造的测井仪外壳的实施例。

图23示出了图22所示的刻槽方案的仪器的直达波和地层模式波STC图。

具体实施方式

首先结合图4介绍本发明使用的时间-慢度-相关系数（STC）方法。该STC方法的主要原理就是利用阵列声波测井信号中同一模式波的波形形状相似这一特性来计算模式波慢度。如图4的 STC运算原理图所示，在进行STC运算时，从选定的时间T开始，使用一定长度的时间窗T_W对阵列声波测井波形信号在时间域和慢度域扫描，并分别计算相关系数。相关系数越大，对应的时间窗内是同一模式波的波形可能性就越大。可以对时间-慢度-相关系数谱进行峰值查找得到各个地层模式波的慢度。窗在时间轴的位置代表了模式的到时，而窗的斜率与模式波传播的慢度相关。计算时间窗内波形的相似性的公式有两个：一个是Semblance公式（Kimball和Marzetta,1986年）：

(1)

另外一个是N次方根公式（Mc-Fadden 等，1986年）：

(2)

式（1）和（2）中，是N个接收换能器的阵列中第m个接收换能器的波形，d为接收换能器间距，

为时间窗窗长，一般可取2-3个周期,s为慢度变量，T 为时间变量。在N次方根公式（2）中，n为幂指数，通常为4。相对而言，N次方根公式(2)比Semblance公式(1)得到的相关函数的峰值更加尖锐，因此慢度分辨率更高。而Semblance的计算速度则更快。理论上，上述表示相似性的相关系数ρ（s,T）为1时表示相似性为100%，为0时表示相似性为零。

接下来分析测井仪的隔声体对不同声波慢度求解算法的影响。

测井仪的隔声体通常包括内轴隔声体和外壳隔声体。内轴隔声体通常是利用声阻抗差异特别明显的材料组合来阻隔内轴的声传播路径，这种方式隔声效果往往很好；外壳隔声体往往采用在刚性外壳上刻槽的方式来达到消除直线声传播路径，增加声传播路径长度，对声波造成衰减的目的。但是受到机械强度和源距长度的限制，隔声效果有限。

如图5所示，在发射换能器到最近的接收换能器之间（通常最短的间距是3英尺，少数达到1.5英尺），声传播路径通常包括：

1、发射换能器——泥浆——地层——泥浆——接收换能器，即图中的路径①，

2、发射换能器——泥浆——隔声外壳——泥浆——接收换能器，即图中的路径②，

3、发射换能器——泥浆——隔声内轴——泥浆——接收换能器，即图中的路径③，

4、发射换能器——泥浆——接收换能器，即所谓的“泥浆波”，它是固有存在的一种模式波，和源距有关，和隔声体性能无关，不是本发明的重点，所以这里没有标注。

隔声内轴设计起来较为容易，因为各个阻抗相异材料之间的声阻抗对声波幅度的影响有解析表达式可循，计算起来方便。而且实践中发明人发现，隔声内轴的隔声效果往往都不错，不是造成直达波干扰的主要原因。

隔声外壳，特别是刚性体上刻槽的隔声方式，设计复杂，无解析式可循，往往需要利用有限元/有限差分技术进行模拟计算。不同的刻槽形状得到的声幅度衰减和声延迟效果都不相同。无论在模拟计算和实际应用中，发明人发现不论采用什么样可刻槽形状，其隔声作用都不能达到内轴的隔声效果，其直达波幅度虽然很弱，但是由于形状固定，材质固定，各个接收换能器接收到的直达波往往具有很强的相关性。这表现在STC系数仍然较高，这是由于STC算法和信号的形状相似度关系很大，而对信号幅度之间的差异并不是特别大造成的。特别是归一化STC算法，幅度非常弱的直达波仍然具有很好的STC系数。这在偏软地层（地层回波较弱）的情况下尤其明显，它会对STC系数寻峰造成干扰，可能导致有时候直达波被误认为是地层回波，直达波的慢度被标注成地层慢度。

为此，本发明提出了一种软硬件结合设计方法，可以屏蔽极端情况下的直达波干扰。直达波的特点是到时稳定、慢度稳定、幅度基本可预测。如上文所述，本发明只关注沿隔声外壳传播的直达波对地层回波的影响。由于隔声外壳的形状和加工材质是固定不变的，不像地层变化那么琢磨不定，所以外壳直达波的慢度值和到时（源距最近的接收换能器接收到的直达波的到时）是可以测量的。在消声水池这种没有地层等外界干扰的环境下可以将这两者测量出来。再根据到时和慢度的关系将它从地层回波中剔除。

如上所述，直达波的影响往往反映在不同源距的接收换能器接收到的直达波具有较好的相关性上，而不是它的幅度。再加上隔声体的延时作用，幅度很低的直达波往往被淹没在地层回波中，所以在门阈法中直达波的影响往往可以忽略，这也就是为什么低端测井仪器（往往采用的就是门阈法测慢度）反而不容易受到直达波的影响。而使用STC算法的新型阵列仪器，其更注重阵列信号之间的相关性，而非信号幅度，所以阵列仪器其实更容易受到直达波的影响，对隔声外壳的设计要求更高。下面结合图6来分别分析阵列仪器直达波的到时和慢度的决定因素。

图6的左侧和右侧分别示出了声波测井仪的隔声体内轴和外壳的示意图。首先根据图6来研究直达波产生的原因。在隔声内轴取得较好隔声效果的时候，隔声外壳的性能直接决定了直达波是否会被接收换能器阵列接收到。设声波发射时间为T₀，直达波沿着隔声外壳传播、到达第一个接收换能器的时间是T₁，到达第二个接收换能器的时间是T₂。对于更多的其它接收换能器，依此类推。假设发射和接收间距为L_tr，接收换能器阵列的各个接收换能器之间的间距为L_rr，被STC算法检测并估计得到的直达波到时为

，慢度（或时差）为

。则有：

可以进一步计算发射换能器和第一接收换能器之间的隔声段内声波传播的“等效慢度”为

它反映了发射换能器和第一接收换能器之间这段隔声外壳对直达波的延时效果。等效慢度值越大，表示隔声外壳延迟效果越好，反之越差。

在实际的很多仪器中，不同接收换能器的接收和接收之间也是刻有隔声槽的。假设不同接收换能器的接收与接收之间的隔声段是完全一样的，STC算法估计得到的直达波慢度

反映的是接收换能器阵列之间的隔声外壳的延时效果。

它反映了不同接收换能器的接收与接收之间的这段隔声外壳对直达波的延时效果。等效慢度值越大，表示延时效果越好。如果能够让偏离仪器的地层慢度测量量程（例如40μs/feet至180μs/feet（微秒/英尺）的范围）之外，就能够使直达波不会对地层慢度估计造成影响。但是为了追求较好的地层深度分辨率，接收换能器之间的间距往往很小，大约0.5feet(英尺)。该空间有限，普通的刻槽难以取得理想的效果，这就造成了

往往落在量程范围之内，一旦地层的回波相关性较弱（例如软地层），直达波的相关性就会出现在量程之内，造成地层慢度估计错误。这种不利的情况被示于图7和8中。

为解决以上问题，本发明提出尽量加大直达波的等效慢度和慢度之间的差异，让它在STC图上清晰可辨，以方便被剔除。如上所述，本发明中的等效慢度系指直达波从发射换能器到达第一个接收换能器的慢度，慢度是指直达波从接收换能器到另一相邻接收换能器的慢度。

为了加大上述差异，本发明不再在接收换能器声窗之间刻槽。这样的结果是STC计算得到的直达波慢度为外壳刚体的慢度，例如不锈钢的57μs/英尺左右。同时可选择性地在发射换能器和第一个接收换能器之间的外壳上进行隔声体设计。在隔声体设计时可以偏重延时效果。在仪器机械强度许可的条件下，尽量加宽槽的长度，增大传播路径。这样一来，直达波的传播时间较长，等效慢度会远高于接收换能器之间的慢度值，造成两者之间很大的偏差。在STC图上表现为图9所示的情形。

如图9所示，本发明方法使得产生有两种趋势，一是使直达波向左上角偏移，要求各接收换能器之间的隔声外壳具有很小的延时效果，而发射换能器和第一接收换能器之间的隔声外壳具有较高的延时效果；二是使直达波向右下角偏移，要求各接收换能器之间的隔声外壳具有很高的延时效果，而发射换能器和第一接收换能器之间的隔声外壳具有较小的延时效果。由于仪器的各接收换能器之间的外壳上可利用空间很有限（要预留足够大的声窗），所以后者实现的空间不大，而前者在工程上更容易实现。

通常来说，刻槽方式的隔声外壳不像内轴那样可以采用不同的声阻抗的材料灵活地组合，所以隔声效果往往很有限。隔声外壳的设计通常同时考虑幅度衰减效果和延时效果，但是两者往往不是可以兼得的。也就是说，声波幅度衰减效果很好的隔声外壳（例如一些异形槽外壳），其延时作用不一定也很好。这里由于源距较短（通常是3feet），要想达到长源距长隔声段（甚至有些长源距仪器采用的是和发射、接收分离的独立隔声段）那样的声幅衰减是不现实的。所以本发明把精力放在制造更大延时上，兼顾一定的幅度衰减。从而使得“到时/源距”和慢度两者的具有明显的反差，让直达波在STC图上的位置尽量落在角落里。由于这种到时和慢度值具有强烈反差的地层是极其罕见的，可以合理地认为它们就是直达波，进而可以在软件中方便剔除。

图10示出了测井仪根据本发明在取消接收换能器之间的外壳隔声之后（也即不刻槽之后）的STC处理结果图。从该图10可以看出，直达波向左上角偏移，在慢度域内明显与有用的测井声波、例如横波与纵波区分开来。

因为仪器的材质和隔声效果（时延和幅度衰减），是可以在实验室精确测量的。如果不在接收换能器之间采取外壳隔声，那么直达波的慢度值决定于声波在金属外壳的传播速度。固体介质的声速决定于材料的密度、泊松比和弹性模量，这些参数和环境温度、仪器受到的应力具有一定的关系，但是变化范围非常有限，通常仪器在井下的工作温度范围是20℃至175℃，在这个范围内可以认为外壳金属里的声速是恒定的。例如某型不锈钢的慢度值是54μs/英尺，它会随环境温度的变化缓慢变化。而且，该值可以在仪器出厂之前测得。这个范围之内，声速在外壳的传播速度可以被精确测量。

如果已知泥浆和外壳材料的声速，就可以估算出如图11所示的直达波从发射换能器到1号接收换能器之间的传播距离，进而计算出到时与源距的比值。

其他因素，例如因为机械安装误差，造成直达波传播路径的细微差异，都不足以造成直达波慢度的显著变化。考虑到STC相关系数的峰值并不会突然降低，而是有一定坡度，所以本发明考虑设置一定的余量，认为直达波慢度：

其中α是一个很小的量，可以通过实验室内大量的实验测得。

同理，直达波的等效慢度（到时与源距的比值），也在一个小范围内变动：

于是，该直达波的情形如图12中的阴影部分所示。

根据本发明的优选方案，在将图12所示的STC相关系数等高线对慢度轴投影之前，可以将上述阴影部分区域的相关系数置为0，从而屏蔽或滤除掉阴影部分所示的直达波区域。图13即为经过该处理之后的结果图。在图13的基础上，将STC相关系数等高线对慢度轴投影，从而得到图14所示的时间慢度相关系数谱。通过软件搜索所述时间慢度相关系数谱，用峰值查找法确定地层各个模式波的慢度。再根据所述慢度确定各个模式波首次到达所述接收换能器的时间，从而提供测井分析数据。

图15示出了本发明消除直达波干扰的方法和系统的框图。首先，通过声波测井仪的两个或更多接收换能器3、5采集从发射换能器发出的测井声波。对于每个接收换能器，由STC算法阵列仪器从选定的时间T开始，使用譬如2-3个波形周期的时窗Tw对阵列声波测井波形信号在时间域和慢度域进行扫描，以求取所述测井声波的时间慢度相关系数，由此形成时间慢度相关系数谱。然后由搜索装置搜索所述时间慢度相关系数谱，通过峰值查找确定地层各个模式波的慢度。进而，由输出装置根据所述慢度确定各个模式波首次到达所述接收换能器的时间，从而提供测井分析数据。这里，所述搜索装置和输出装置可以被构成为所述STC算法阵列仪器的一部分或被构成为单独的部分。通过在发射换能器和最近的第一接收换能器之间采用延时最大的刻槽，使得直达波等效慢度最大，和/或在接收换能器之间不刻槽，使得直达波慢度最小，从而加大所述测井声波中的直达波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第一慢度与所述直达波从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第二慢度之间的差异。这样，所述第一慢度明显区别于所述第二慢度，利用所述STC算法阵列仪器或单独的滤除装置，便可以进一步从所述时间慢度相关系数谱中滤除掉所述直达波的时间慢度相关系数谱。

可选地，在滤除所述直到波的相关系数等高线图之后，通过将等效慢度-慢度图对慢度轴进行投影来得到有用测井声波的时间慢度相关系数谱。例如，通过时间慢度相关系数STC算法检测所述第一和第二慢度，以及检测其它模式波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第三慢度与从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第四慢度，由此形成STC处理结果的相关系数等高线图。然后将该等高线图中的对应于所述第一和第二慢度的区域的相关系数置为0，以便滤除所述直到波的相关系数等高线图。将滤除处理后的相关系数等高线图对慢度轴进行投影，以便得到其它模式波的时间慢度相关系数谱。基于该最后得到的系数谱，搜索有用的地层传播声波和确定其实际的首波到时，据此执行测井数据分析。

显然，本发明的数据处理和系统结构可以利用现有的计算机用本发明的计算机软件模块来实现。

下面通过具体实施例的对比来讲述本发明的优点。

图16示出了现有技术的测井仪外壳的构造。从该图可见，该仪器源距为3英尺，即发射换能器和最下端的接收换能器的间距是3英尺，其发射和接收之间的刻槽方案和接收器之间的刻槽方案一致，为水平刻槽，槽宽3毫米，纵向槽间距16毫米，周向槽间距80度。第一慢度即决定于发射换能器声窗和第一个接收换能器声窗之间的这段隔声体的延时效果，利用有限元分析方法对这段隔声体中的一小段进行建模，然后推算出该型仪器的直达波第一慢度值。

对于该实施例，1.1英尺长度的隔声段的隔声性能有限元分析结果如图17所示。如本领域公知的那样，颜色的深浅分别代表了声波能量的衰减程度。在模拟计算的时候，假设该结构体的右下端面处等间隔地分布着10个点状声源，其左上端端面处等间隔地放置10个观察点，点状声源和模拟计算得到的观察点处的波形如图18所示，横轴为时间，纵轴为声压，其中一个的点状声源的波峰位于0.05ms处，10个观察点的第一个波峰基本在0.22ms处重合。

上述结果是1.1英尺的隔声体的结果，如果源距是3英尺，除去声窗附近大约0.3英尺的不刻槽段，隔声体的长度通常可以做到2.7英尺左右。那么采用该种刻槽方案的仪器的第一慢度，即名义慢度约为142μs/英尺。

如果在接收换能器声窗之间刻同样的槽，图19即为0.5英尺长的接收器之间的刻槽方案，有限元计算结果如图20所示。图20中，第一个波峰是声源信号，1.1*10^-4秒附近的10个几乎重叠的波峰是在十个等间隔观察点出观测得到的直达波首波。

该隔声体长度0.5英尺，从图中的仿真结果可以算出直达波在通过这种隔声体分别被相邻的两个接收换能器接收到之后，计算得到的慢度值大约在115μs/英尺附近，此即第二慢度值。

最后，这种刻槽方案的仪器的直达波和地层模式波STC图如图21所示。

虚线所示为直达波，其他的为地层模式波。显然直达波和地层横波靠的很近，严重干扰了地层波的检测。

作为对比，按照本发明提供另外一种刻槽方案，即图22所示的发射换能器声窗和第一个接收换能器声窗之间的刻槽，但接收换能器声窗之间不刻隔声窗。于是，直达波等效慢度（即第一慢度）值仍然为142μs/英尺，直达波慢度（即第二慢度）值大约是57μs/英尺，基本上等于声波在这种不锈钢管中的慢度值。

最后得到如图23所示的STC图。比较图21和图23所示的两个不同的STC图，显然图23所示的这个更容易被处理。由于有限元模拟计算结果和实际略有差异，需要把采用第二种刻槽方案的仪器放在消声水池内实测，就可以准确地测出直达波的慢度和等效慢度，以及直达波的相关系数峰的坡度。如前文所述，考虑到一定的慢度余量：

和等效慢度余量：

将这个范围的相关系数置为0或者其他很小的一个数，就可以成功地消除直达波的干扰了。

综上所述，本发明的构思是让直达波的等效慢度和慢度值差异最大，从而使直达波在STC上的位置区域边缘化。一个合理简单的方案是：在发射换能器和最近的第一接收换能器之间采用延时最大的刻槽方法，使得直达波等效慢度最大；和/或在接收换能器之间不刻槽，使得直达波慢度最小。此方案不仅最大差异化了直达波等效慢度和慢度之间的差异，而且由于取消了声窗之间的空槽，提高了外壳的机械强度；或者是在机械强度不变的情况下，容许采取更大的声窗，更大的声窗增大了接收换能器接收面积，提高了接收信号灵敏度。同时声窗附近更简单、均匀的钢结构减少了声窗附近次级噪声对信号的干扰。

本发明利用算法把STC图中的直达波相关峰置零，并设计不同的隔声外壳，使得发射和第一个接收之间的外壳延时作用最大，而接收之间不刻延时槽，从而达到消除直达波干扰。应当理解，任何刻槽方案，不管是横槽、竖槽还是其他异形槽，甚至是发射和第一个接收之间的独立软连接隔声体，只要它们的是将直达波的等效慢度和慢度差异化，都属于本专利的范畴。虽然在说明书里用的都是普通的横向槽，但是本专利的关键不仅仅在于刻什么形状的槽，而在于是否应用了本发明的上述核心思想。

Claims

1.一种用于在声波测井中消除直达波干扰的方法，包括以下步骤：

a. 从声波测井仪的发射换能器（1）向两个或更多接收换能器（3,5）发射测井声波，

b. 通过所述接收换能器（3,5）采集所述测井声波,

c. 对于每个接收换能器，通过在时间域和慢度域进行扫描求取所述测井声波的时间慢度相关系数，由此形成时间慢度相关系数谱，

d. 搜索所述时间慢度相关系数谱，通过峰值查找确定地层各个模式波的慢度，

e. 根据所述慢度确定各个模式波首次到达所述接收换能器的时间，从而提供测井分析数据，

其特征在于：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在所述声波测井仪的各个接收换能器声窗之间不刻槽来减小所述第二慢度，从而加大所述差异。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在所述发射换能器与第一个接收换能器之间的声波测井仪外壳上进行隔声体设计来增加所述第一慢度，从而加大所述差异。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在设计隔声体时加宽所述声波测井仪外壳上的刻槽长度。

5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，在步骤c中，通过时间慢度相关系数STC算法检测所述第一和第二慢度，以及检测其它模式波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第三慢度与从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第四慢度，由此形成STC处理结果的相关系数等高线图，

将该等高线图中的对应于所述第一和第二慢度的区域的相关系数置为0，以便滤除所述直到波的相关系数等高线图，

将滤除处理后的相关系数等高线图对慢度轴进行投影，以便得到其它模式波的时间慢度相关系数谱。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

在滤除所述直到波的相关系数等高线图时，给所述第一和第二慢度分别设置余量（α，β），以增加消除直到波干扰的可靠性。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述STC算法采用以下公式：

或

其中，

为时间窗窗长,s为慢度变量，T 为时间变量，n为幂指数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

取所述波形的2-3个周期，和/或 n为4。

9.一种用于在声波测井中消除直达波干扰的系统，包括：

声波测井仪，其包括发射换能器（1）和两个或更多接收换能器（3,5），所述发射换能器用于向所述接收换能器发射测井声波，所述接收换能器（3,5）用于采集所述测井声波,

其特征在于：

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述隔声体被设计成加宽所述声波测井仪外壳上的刻槽长度。

11.如权利要求9-10之一所述的系统，其特征在于，所述STC算法阵列仪器检测所述第一和第二慢度，以及检测其它模式波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第三慢度与从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第四慢度，由此形成STC处理结果的相关系数等高线图，

所述STC算法阵列仪器还将该等高线图中的对应于所述第一和第二慢度的区域的相关系数置为0，以便滤除所述直到波的相关系数等高线图，

所述系统还包括投影装置，用于将滤除处理后的相关系数等高线图对慢度轴进行投影，以便得到其它模式波的时间慢度相关系数谱。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，

所述STC算法阵列仪器还被设计成在滤除所述直到波的相关系数等高线图时，给所述第一和第二慢度分别设置余量（α，β），以增加消除直到波干扰的可靠性。

13.如权利要求11述的系统，其特征在于，所述STC算法阵列仪器采用以下公式执行STC算法：

或

其中，

为时间窗窗长,s为慢度变量，T 为时间变量，n为幂指数。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，取所述波形的2-3个周期，和/或 n为4。

15.一种用于在声波测井中消除直达波干扰的声波测井仪，包括：

发射换能器（1），

两个或更多接收换能器（3,5），

其中，所述发射换能器用于向所述接收换能器发射测井声波，所述接收换能器（3,5）用于采集所述测井声波,

其特征在于：

所述声波测井仪的各个接收换能器声窗之间不刻槽，和/或在所述发射换能器与第一个接收换能器之间的声波测井仪外壳上进行隔声体设计，以便加大所述测井声波中的直达波从所述发射换能器到达第一个接收换能器的第一慢度与所述直达波从接收换能器到达另一相邻接收换能器的第二慢度之间的差异，使得所述第一慢度明显区别于所述第二慢度。

16.如权利要求15所述的声波测井仪，其特征在于，所述隔声体被设计成加宽所述声波测井仪外壳上的刻槽长度。