CN103558637B - 基于三分量传感器的远探测方法 - Google Patents
基于三分量传感器的远探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于三分量传感器的远探测方法,该方法主要包括以下步骤:在待探测井中布置声源和三分量传感器;声源激发产生波场,波场通过待测反射体的反射产生反射波场;三分量传感器接收反射波场,得到反射波场的三个分量;将三个分量转换为固定坐标系下的分量,并进行数据处理,得到水平分量和垂直分量;根据水平分量计算待测反射体的方位角;对水平分量与垂直分量联合反演,对井周围待测反射体进行成像,得到待测反射体与井轴的距离,并且消除了方位角的不确定性。根据待测反射体与井轴的距离和消除不确定性后的方位角得到待测反射体的准确位置。本发明采用联合反演反射波场的水平分量与垂直分量的方法,准确地确定了待测反射体的位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种远探测方法,特别是涉及一种基于三分量传感器的远探测方法。
背景技术
随着油、气勘探开发的不断深入,人们对地球物理资料的分辨率与精度要求越来越高。常规测井技术虽然分辨率与精度都很高,但受探测范围与探测尺度的限制,无法探测井壁附近以外的地区。
在井中,通过声波测井对井周围数米到数十米范围内的地层构造及地质体进行反射波成像的技术称为远探测技术,它把常规测井技术的测量范围从距井壁一米左右提高到几十米。该技术应用前景十分巨大,可以用来显示与井相交的地质界面;探测井旁的倾斜地层界面、裂缝、断层等;在水平井还可以用来追踪油储边界等。
声波远探测技术分单极纵波法和偶极横波法。如果采用无方向性的单极声源激发单极接收,则该方法不能确定井旁反射体的方位,只给出了三维空间中界面的二维图像。随后,具有方向性的偶极子被用于单井反射声波测井中[1],由于偶极子声源的指向性,采用四分量的交叉偶极发射与接收(在井中分别激发X方向与Y方向的偶极声源,并在井中接受井外地质体反射回来的XX,XY,YX,YY分量),然而,由于采用的是与多极子声波测井相同的接收器,即只接收水平方向的振动,目前偶极横波远探测测井仍然不能确定井周围的反射体是位于井的右侧还是左侧,即存在180°的方位不确定性,因而只能确定反射体的走向而不能确定反射体的倾向。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷,提供一种基于三分量传感器的远探测方法,以实现准确地确定待测反射体位置。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于三分量传感器的远探测方法,该方法包括以下步骤:在待探测井中布置声源和三分量传感器;所述声源激发产生波场,所述波场通过待测反射体的反射产生反射波场;所述三分量传感器接收所述反射波场,得到所述反射波场的三个分量;将所述三个分量转换为固定坐标系下的分量,并进行数据处理,得到水平分量和垂直分量;根据所述水平分量计算所述待测反射体的方位角;对所述水平分量与所述垂直分量联合反演,对井周围待测反射体进行成像,得到所述待测反射体与井轴的距离,并且消除了方位角的不确定性;根据所述待测反射体与井轴的距离和消除不确定性后的方位角得到所述待测反射体的准确位置。
进一步地,所述声源满足以下条件:所述声源满足以下条件:所述得到反射波场的三个分量中的水平分量和垂直分量,将所述待测反射体方位角置换为时,两种分量中的一种改变符号,另一种符号保持不变;
所述声源为偶极子源时,X方向偶极子源激发声场,水平分量中X分量为:水平分量中Y分量为:垂直分量Z分量为:
Y方向偶极子源激发声场,水平分量中X分量为:水平分量中Y分量为:垂直分量Z分量为:
其中,xxp、xyp、xzp、yxp、yyp、yzp表示接收到的位移为纵波的位移,xxs、xys、xzs、yxs、yys、yzs表示接收到的位移为横波的位移,UR、Uθ为与方位无关的系数,θ和θ1分别为波场从井中的出射角及所述待测反射体反射回来的入射角,为所述待测反射体方位角;
所述声源为单极子源时,水平分量中X分量为: 水平分量中Y分量为:垂直分量Z分量为:mzp=URcosθ1,mzs=Uθsinθ1,其中mxp、myp、mzp表示接收到的位移为纵波的位移,mxs、mys、mzs表示接收到的位移为横波的位移。
进一步地,所述成像结果中,存在所述待测反射体的一侧,水平分量和垂直分量成像结果极性相同,所述待测反射体像的强度被增强;不存在所述待测反射体的一侧,水平分量和垂直分量成像结果极性相反,所述待测反射体像强度被削弱。
进一步地,所述数据处理包括压制三分量传感器接收到的的直达波信号,提取反射波场信号。
优选地,所述联合反演采用逆时偏移的方法。
优选地,所述方位角的计算,选择使用能量准则解析法。
本发明的优点是通过联合反演反射波场的水平分量与垂直分量,使得存在待测反射体的一侧,由于水平分量和垂直分量成像结果极性相同,而使得待测反射体像的强度增强;不存在待测反射体的一侧,由于水平分量和垂直分量成像结果极性相反,而使得待测反射体像强度削弱,进而准确地确定待测反射体的位置。
附图说明
图1为本发明的远探测方法实施例一的流程图;
图2为本发明的实施例一的声源的远场辐射示意图;
图3为本发明的实施例一的井旁地质界面计算模型;
图4(a)为本发明的实施例一的反演反射波场水平分量的成像结果;
图4(b)表示图4(a)中黑色虚线(Z=0)所对应各成像点的强度大小;
图5(a)为本发明的实施例一的联合反演反射波场的水平分量和垂直分量的成像结果;
图5(b)表示图5(a)中黑色虚线(Z=0)所对应各成像点的强度大小;
图6为本发明的远探测方法实施例二的流程图;
图7为本发明的实施例二的井旁地质界面计算模型;
图8(a)为本发明的实施例二的联合反演反射波场的水平分量和垂直分量的成像结果;
图8(b)表示图8(a)中黑色虚线(Z=-7.5)所对应各成像点的强度大小。
具体实施方式
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的远探测方法是利用三分量传感器通过联合反演反射波场的水平分量与垂直分量,增强或削弱待测反射体像,从而得到待测反射体的准确位置。
在实施例一中,声源采用偶极子源,当然声源并不限于使用偶极子源,只要保证声源激发产生波场,三分量传感器接收反射波场,得到的三个分量中的水平分量和垂直分量满足以下关系:“将所述待测反射体方位角置换为时,两种分量中的一种改变符号,另一种符号保持不变”,即可作为该探测方法中的声源,例如单极子源。
图1为本发明的基于三分量传感器的远探测方法实施例一的流程图,如图所示,该方法包括以下步骤:
步骤101,在待探测井中布置声源和三分量传感器。
具体地,在井中分别布置x方向与y方向偶极子源作为声源,布置接收器,这里接收器采用三分量传感器。
步骤102,声源激发产生波场,波场通过待测反射体的反射产生反射波场。
具体地,x方向与y方向偶极子源激发产生波场,波场经过待测反射体的反射产生反射波场。
图2为本发明的实施例一的声源的远场辐射示意图,如图2所示,X方向偶极子源的远场辐射位移分量为:
其中,R为声源到接收点的距离,S(ω)为声源的谱函数,ρ为介质的密度,α、β分别为介质的纵横波速度,为待测反射体方位角,θ为波场从井中的出射角。
通过X方向偶极子源远场辐射、待测反射体的反射和非弹性传播衰减,以及受到井的接受调制后的位移为:
其中,D为弹性波传播的总距离,Qα和Qβ为纵横波的品质因子,θ1为波从井中的反射回来的入射角,RFR、RFθ、分别为相应位移对应的反射系数,将与方位无关的项合并为等号右边的UR、和Uθ。RCR(θ1)和RCθ(θ1)为接收角度调制因子,根据弹性波互易原理,井中声源远场的辐射指向与其远处声场向井入射的接收方向因子是相等的。低频远场条件下,偶极子源与无限大介质中的集中力源辐射形式相同,因此对应于无穷大弹性介质中X方向集中力源与Z方向集中力源的远场辐射形式,得出:
当接收反射波场的X(Y)分量时,RCR(θ1)=sinθ1,RCθ(θ1)=cosθ1。
当接收反射波场的Z分量时,RCR(θ1)=cosθ1,RCθ(θ1)=sinθ1。
步骤103,三分量传感器接收反射波场,得到反射波场的三个分量。
具体地,X方向偶极子源激发声场,接收器接收到的反射波场的X分量、Y分量和Z分量的分别为:
同理,Y方向偶极子源激发声场,接收器接收到的反射波场的X分量、Y分量和Z分量的分别为:
其中,等式左边的第一个字母表示偶极子源的指向,第二个字母表示接收器接收到的反射波场分量,xxp、xyp、xzp、yxp、yyp、yzp表示接收到的位移为纵波的位移,xxs、xys、xzs、yxs、yys、yzs表示接收到的位移为横波的位移。
步骤104,将三个分量转换为固定坐标系下的分量,并进行数据处理,得到水平分量和垂直分量。
具体地,通过测井仪器的旋转,将接收器得到的数据转换为固定坐标系下的分量XX'、XY'、XZ'、YX'、YY'、YZ'。
其中,水平分量的数据转换公式如下:
垂直分量的数据转换公式如下:
其中,AZ为测井仪器相对于固定坐标X方向的方位角。
将接收器接收到的数据转换到固定坐标系之后,压制数据中的直达波信号,提取地层反射波信号,并对得到的分量进行数据处理,得到水平分量XX、XY、YX、YY及垂直分量XZ、YZ。
步骤105,根据以上得出的水平分量XX、XY、YX、YY计算待测反射体的方位角。
具体地,可以选择使用能量准则解析法确定待测反射体的方位角,当然不限于使用能量准则解析法。
三分量地震记录的能量是随方位角变化而变化,能使能量达到最大的角度就是所求的方位角。其中,能量式为:
其中,Z为接收器所在的深度范围,T为接收到信号的时间长度。
使能量取极大的必要条件为:
将(7)式代入(8)式,得出:
上式中点积代表以下的运算:
式中即为所求方位角,反映了待测反射体的走向,由式(10)可以看出,方位角具有180°的不确定性。
步骤106,对水平分量与垂直分量联合反演,对井周围待测反射体进行成像,得到待测反射体与井轴的距离,并且消除了方位角的不确定性。
具体地,反演方法采用逆时偏移,在逆时成像过程中,同时模拟由声源出发的正演波场和由接收器反推的逆时波场,通过对两个波场应用互相关成像,确定待测反射体的位置。
步骤107,根据待测反射体与井轴的距离和消除不确定性后的方位角,得到待测反射体的准确位置。
具体地,结合图3至图5详细分析步骤106和步骤107。
图3为本发明的实施例一的井旁地质界面计算模型,图中X[m]表示X方向的长度,单位为米,Z[m]表示Z方向的长度,单位为米。如图所示,利用有限差分模拟X-Z二维平面内的逆时偏移过程。差分网格在水平和竖直方向的长度均为0.15m,时间步长是16μs。模型长45m,宽45m。X方向偶极源位于(0,0)处,中心频率1000Hz。声源的波形是Gauss函数的一次导数,最高频率是中心频率的4倍,波形关于零点对称。
图4(a)为本发明的实施例一的反演反射波场水平分量的成像结果,图4(b)表示图4(a)中黑色虚线(Z=0)所对应各成像点的强度大小,图中X[m]表示X方向的长度,单位为米,Z[m]表示Z方向的长度,单位为米。如图所示,如果只对反射波场的XX分量进行逆时偏移,可以看出,在关于井轴对称的位置出现了与待测反射体的像强度相等的伪像,我们无法确定待测反射体在井的右侧(方位角为90°)还是在井的左侧(方位角为270°)。
图5(a)为本发明的实施例一的联合反演反射波场的水平分量和垂直分量的成像结果,图5(b)表示图5(a)中黑色虚线(Z=0)所对应各成像点的强度大小,图中X[m]表示X方向的长度,单位为米,Z[m]表示Z方向的长度,单位为米。如图所示,如果联合反射波场的XX分量与XZ分量进行逆时偏移,成像结果中,由于反射波场的水平分量与垂直分量极性相同,井轴右侧待测反射体像的强度增强;由于反射波场的水平分量与垂直分量极性相反,井轴左侧待测反射体伪像的强度削弱。因此我们可以确定井轴右侧强度较大的像对应待测反射体的方位角,方位角为90°。
该远探测方法利用三分量传感器接收反射波场的三个分量,并经过数据处理,得到反射波场的水平分量和垂直分量,通过联合反演反射波场的水平分量与垂直分量,达到增强或削弱待测反射体像的效果,准确地确定了待测反射体的位置。
在实施例二中,声源采用单极子源,其中具体步骤与实施例一中的步骤基本相同,公式中的参数含义及取值方法与实施例一中相应公式相同,这里简单介绍如下。
图6为本发明的基于三分量传感器的远探测方法实施例二的流程图,如图所示,该方法包括以下步骤:
步骤201,在待探测井中布置声源和三分量传感器。
具体地,在井中布置单极子源作为声源,布置接收器,这里接收器采用三分量传感器。
步骤202,声源激发产生波场,波场通过待测反射体的反射产生反射波场。
具体地,单极子源激发产生波场,波场经过待测反射体的反射产生反射波场。
井中单极子源的远场辐射位移分量为:
通过单极子源远场辐射、待测反射体的反射和非弹性传播衰减,以及受到井的接受调制后的位移为:
步骤203,三分量传感器接收反射波场,得到反射波场的三个分量。
具体地,单极子源激发声场,接收器接收到的反射波场的X分量、Y分量和Z分量的分别为:
其中,等式左边的第一个字母m表示单极子源激发,第二个字母表示接收器接收到的反射波场的分量。
步骤204,将三个分量转换为固定坐标系下的分量,并进行数据处理,得到水平分量和垂直分量。
通过测井仪器的旋转,将接收器得到的数据转换为固定坐标系下的分量MX'、MY'、MZ',具体公式为:
将接收器接收到的数据转换到固定坐标系之后,压制数据中的直达波信号,提取地层反射波信号,并对得到的分量进行数据处理,得到水平分量MX、MY及垂直分量MZ。
步骤205,根据以上得出的水平分量MX、MY计算待测反射体的方位角。
其中计算方法和实施例二相同,得出方位角为:
步骤206,对水平分量与垂直分量联合反演,对井周围待测反射体进行成像,得到待测反射体与井轴的距离,并且消除了方位角的不确定性。
步骤207,根据待测反射体与井轴的距离和消除不确定性后的方位角,得到待测反射体的准确位置。
具体地,结合图7、图8详细分析步骤206和步骤207。
图7为本发明的实施例二的井旁地质界面计算模型,图中X[m]表示X方向的长度,单位为米,Z[m]表示Z方向的长度,单位为米;图8(a)为本发明的实施例二的反演反射波场水平分量的成像结果,图8(b)表示图8(a)中黑色虚线(Z=-7.5)所对应各成像点的强度大小,图中X[m]表示X方向的长度,单位为米,Z[m]表示Z方向的长度,单位为米。如图7所示,利用单极子源激发产生声场,井两侧均存在待测反射体,两待测反射体距井轴的距离不相等。联合反演水平分量MX和垂直分量MZ,得到偏移结果,如图8所示,可以得到两待测反射体距井轴的距离以及两个待测反射体各自的方位。
本发明将三分量传感器应用于远探测方法中,通过三分量传感器接收并处理数据,得出反射波场的水平分量与垂直分量,联合反演的反射波场的水平分量与垂直分量,使得存在待测反射体的一侧,待测反射体像的强度增强;不存在待测反射体的一侧,待测反射体像强度削弱,结合通过水平分量计算得出的待测反射体的方位角,最终准确地确定待测反射体的位置。因此本发明的远探测方法得到的反射体方位没有180度不确定性,可以达到准确定位待测反射体的效果。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于三分量传感器的远探测方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
在待探测井中布置声源和三分量传感器;
所述声源激发产生波场,所述波场通过待测反射体的反射产生反射波场;
所述三分量传感器接收所述反射波场,得到所述反射波场的三个分量;
将所述三个分量转换为固定坐标系下的分量,并进行数据处理,得到水平分量和垂直分量;
根据所述水平分量计算所述待测反射体的方位角;
对所述水平分量与所述垂直分量联合反演,对井周围待测反射体进行成像,得到所述待测反射体与井轴的距离,并且消除了方位角的不确定性;
根据所述待测反射体与井轴的距离和消除不确定性后的方位角得到所述待测反射体的准确位置;
其中,所述声源满足以下条件:所述得到反射波场的三个分量中的水平分量和垂直分量,将所述待测反射体方位角置换为时,两种分量中的一种改变符号,另一种符号保持不变;
所述声源为偶极子源时,X方向偶极子源激发声场,水平分量中X分量为: 水平分量中Y分量为: 垂直分量Z分量为:
Y方向偶极子源激发声场,水平分量中X分量为: 水平分量中Y分量为: 垂直分量Z分量为:
其中,xxp、xyp、xzp、yxp、yyp、yzp表示接收到的位移为纵波的位移,xxs、xys、xzs、yxs、yys、yzs表示接收到的位移为横波的位移,UR、Uθ为与方位无关的系数,θ和θ1分别为波场从井中的出射角及所述待测反射体反射回来的入射角,为所述待测反射体方位角;
所述声源为单极子源时,水平分量中X分量为: 水平分量中Y分量为: 垂直分量Z分量为:mzp=URcosθ1,mzs=Uθsinθ1,其中mxp、myp、mzp表示接收到的位移为纵波的位移,mxs、mys、mzs表示接收到的位移为横波的位移。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述成像结果中,存在所述待测反射体的一侧,水平分量和垂直分量成像结果极性相同,所述待测反射体像的强度被增强;不存在所述待测反射体的一侧,水平分量和垂直分量成像结果极性相反,所述待测反射体像强度被削弱。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述数据处理包括压制三分量传感器接收到的的直达波信号,提取反射波场信号。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述联合反演采用逆时偏移的方法。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方位角的计算,使用能量准则解析法。
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