CN103742131B - 随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，先通过随钻声波井下信号采集与处理系统采集数据波形，根据采集的数据波形设置系统的波形参数与处理参数，数据波形依次经过参数控制和滤波处理后进行时差实时提取处理，从而能够快速获取到底层声波时差值；在时差提取过程中通过寻找3组相关系数的峰值进一步保证了数据的可靠性，因此能够满足本技术领域发展的需要。

Description

随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法

技术领域

本发明属于测井信号时差提取技术领域，更为具体地讲，涉及一种随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法。

背景技术

测井技术是现代石油工业快速发展的产物，随着社会分工越来越细化，测井技术也成为了一门独立的科学技术。测井技术是利用地球岩层的不同物理特性，测量地层物理参量，测井技术从所利用的地层特性(包括电化学特性、声学特性和放射性特性等)上对测井方法来分类，它包电法测井、声波测井和放射性测井；从测井阶段分类，它包括电缆测井和随钻测井等。从应用的范围来看，测井技术已经不再局限在石油测井中的应用，它已经被广泛地应用在了煤炭、金属以及天然气等自然资源的勘探过程中，成为了自然资源勘探的一种重要手段。

随钻声波测井技术是在电缆测井技术的基础上发展起来的，与电缆测井相比，它能够在泥浆滤液侵入到地层之前对数据进行有效采集，受侵入影响较小，能够更为客观的探测到原始地层状况，地层信息具有更高的研究价值。随钻测井技术的应用，把钻井和测井两个过程合二为一，在钻井的过程中完成录井，提高了钻井作业效率，大大降低了测井的成本。另外，在一些高难度的测井作业中，例如水平井、大斜度井的测试中，电缆测井无法完成测井工作，只能选用随钻测井。然而利用随钻声波测井技术可以得到地层的流体波、纵波和横波的幅度，频率和时差等相关信息，这些参数是评价地层孔隙度、岩性和岩石力学弹性的重要依据，通过一定计算还可以得到地层岩石破压力值，准确的反应当前地层的油气信息，是油气探测的有效方法。与其他测井技术相比，使用声波测井技术所研制的声波测井仪具有测井速度快，仪器重量轻等优点。但随钻声波测井技术采集的数据量比较大，利用泥浆脉冲进行传输，数据传输效率极低，不可能把采集到的大量数据实时传输到地面系统，即无法实时上传测量到的声波数据，地面工作人员无法确定仪器是否工作在正常状态，从而不能从声波数据中提取到井下时差来反应底层信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，将采集的数据波形经过参数控制和滤波处理后，通过时差提取方法法获取到地层声波时差值，因此具有地层声波时差提取快、可靠性高的特点。

为实现上述发明目的，本发明一种随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、根据随钻声波井下信号采集与处理系统采集的数据波形设置随钻声波井下信号采集与处理系统的波形参数和处理参数；

所述的波形参数包括：波形道数、每道波形采样点数、源距、接收器间距和采样时间间隔；

所述的处理参数包括：

处理时间及时窗：起始处理时间、终止处理时间、处理时窗长度和处理时窗步长；

处理时差：最小处理时差、最大处理时差和处理时差步长；

滤波参数：滤波截止频率、滤波阶数和滤波窗选择；

控制参数：参数合理性控制、滤波方式控制、地层提取模式、地层类型、处理方法；

(2)、将随钻声波井下信号采集与处理系统采集所得到的数据波形进行参数控制；

(3)、对步骤(2)处理后的数据波形进行滤波处理；

(4)、通过时域内多通道信号相关分析法对滤波后的数据波形进行时差提取：

(4.1)、在一个时域内的阵列波形中，将处理时窗以起始处理时间Proc_S为开始，以处理时窗长度W_Len为长度对每个数据波形进行截取，截取时，后一个数据波形的时窗截取位置比前一个数据波形的时窗截取位置滞后时间T，其中，T为当前处理时差值DT_Now与接收器间距dr的乘积，当前处理时差值DT_Now的初始值为最小处理时差DT_Min，对截取到的M组数据波形进行相关计算得到一个相关系数，同时记录下此时的处理时间与时差，其中M为接收器的个数；

(4.2)、重复步骤(4.1)，并在上一次滞后时间T上增加时间ΔT，其中ΔT为处理时差步长DT_Step与接收器间距dr的乘积，直到当前处理时差值DT_Now增加到设置的最大处理时差DT_Max为止，其推导公式为：

T+ΔT＝DT*dr+DT_Step*dr

＝(DT+DT_Step)*dr

＝DT_Now*dr＝s*d

设重复步骤(4.1)的次数为DT-Len，则重复的次数可表示为：

$DT\_Len=\[\frac{DT\_Max-DT\_Min}{DT\_Step}\]+1$

其中，[X]表示不大于X的最大整数；

(4.3)、将处理时窗起始位置向后移动处理时窗步长W_Step，并重复步骤(4.1)和步骤(4.2)，直到处理时窗位置移动到设置的终止处理时间Proc_E；

设处理时窗移动次数为T_Len，则由公式表示为：

$T\_Len=\[\frac{\mathrm{Pr}oc\_E-\mathrm{Pr}oc\_S-W\_Len}{W\_Step}+0.5\]+1$

经过步骤(4.1)到步骤(4.3)的处理后得到DT_Len*T_Len个相关系数及相应的时差时间信息，且相关系数的值的范围为[0,1]；

(4.4)、通过寻峰的方法对得到的相关系数进行寻峰处理，每次寻峰需寻到3个相关系数峰值并记录其时差时间信息，峰值信息不满3组则用0补齐，通过比较3组相关系数峰值记录下使相关系数取得极大值的时间和时差，从而确定出数据波形的首波到达时间和时差。

其中，参数控制的原则为：对每个参数的正负进行监控，为正数则保持不变，为负数则变为它的相反数，对于处理起始时间/处理终止时间、最小处理时差/最大处理时差两组参数必须保证前者小于后者，否则将两者数值调换；

进一步地，本发明提供三种不同的滤波处理的方法，分别为：

1)、不进行滤波处理：将数据波形直接送入下一步处理；

2)、FIR滤波处理：采用直接型的FIR滤波器结构，通过窗函数方法实现一个截止频率为12～15KHz的80阶带通滤波器；其中采用的窗函数有：汉明窗、汉宁窗、布莱克曼窗、Welch窗、Bartlett窗以及矩形窗；

3)、FFT滤波处理：对数据的频域信息进行分析。

更进一步地，本发明提供两种对数据波形进行相关计算的方法：

通过波形相似法对数据波形进行相关计算；

波形相似法计算公式为：

$R(s,T1)=\frac{{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{|{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{M}Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{2}dt}{M{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{|Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{2}dt}$

其中，R为相关系数，s为时差，T1为本次处理的处理时窗起始位置，W_Len为处理时窗长度，Fn[t]为第n个接收器在t时刻的声波信号，n＝1,2…M,M为接收器个数，dr为接收器间距，从而得到数据波形相关系数的二维矩阵大小为DT_Len*T_Len；

通过N次方根法对数据波形进行相关计算；

在N次方根法中，先利用指数N将数据波形的振幅进行N次方根缩幅，再通过波形的叠加，最后把叠加结果进行N次幂放大，N次方根法的计算公式为：

$R(s,T1)=\frac{{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{|Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{\frac{1}{N}}\mathrm{sgn}\right\{Fn\[t+s(n-1)dr\]\left\}\right|}^{N}dt}{{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{|Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{\frac{1}{N}}\right|}^{N}dt}$

其中sgn是符号函数，从而得到数据波形相关系数的二维矩阵大小为DT_Len*T_Len；

其中所述的寻峰原则为：利用冒泡法对相关系数的二维矩阵中的相关系数进行排序，获得最大值并记录相应的时间与时差值。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，先通过随钻声波井下信号采集与处理系统采集数据波形，根据采集的数据波形设置系统的波形参数与处理参数，数据波形依次经过参数控制和滤波处理后进行时差实时提取处理，从而能够快速获取到底层声波时差值；在时差提取过程中通过寻找3组相关系数的峰值进一步保证了数据的可靠性，因此能够满足本技术领域发展的需要。

同时，本发明随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明能够快速提取地层声波时差，工作人员能够根据时差数据指导钻井作业；

(2)、本发明中采用不同滤波处理方式，能够满足不同数据波形的需求，增大了滤波处理的精准度；

(3)、本发明中采用了寻峰的基本原理，通过寻找3组相关系数的峰值来确定时差值，进一步保证了数据的可靠性。

附图说明

图1是随钻声波井下信号采集与处理系统的一种具体实施结构框图；

图2是本发明随钻声波井下信号采集与处理系统的时差提取流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是随钻声波井下信号采集与处理系统的一种具体实施结构框图

如图1所示，随钻声波井下信号采集与处理系统包含发射换能器、隔声体、四个接收换能器、四块模拟通道板、电池和井下信号采集与处理电路。发射换能器用来发射特定频率的声波信号，这些信号是探测地层信息的激励信号，发射换能器在工作过程中会产生几千伏的高压，把信号推送出去；隔声体的作用主要是隔离直达波，在声波发射过程中，声波是朝着四面八方传播的，随钻声波井下信号采集与处理系统实际需要的信号是发射换能器发出的，射向井壁并折射回来的滑行纵波信号部分，而对于其他的直接通过钻铤或者骨架传导过来的声波部分要滤除；四个接收换能器，是分布在骨架的不同位置，其作用就是接收来自井壁的折射波，把声波信号转换为电信号；模拟通道板的作用就是接收来自接收换能器的声波小信号，并对这一信号进行多级放大滤波，去除其中的无效成分，使得最终的信号在AD采样的最佳范围之内；电池是整个随钻声波井下信号采集与处理系统的能量来源，随钻声波井下信号采集与处理系统的连续测井能力很强，上面挂载了很多块电路板，电池的容量是十分重要的指标；井下信号采集与处理电路负责对模拟信号进行模拟数字转换，并进行相关处理，然后对数据存储，除此之外，井下信号采集与处理电路还负责通信工作，这些模块在调试完毕之后都会使用塑封技术把电路板包裹起来，只露出电路的接口部分，然后把这些电路板固定在骨架上，并使用耐高温的导线把所有电路进行连接，最后把整个骨架装进钻铤。

图2是本发明随钻声波井下信号采集与处理系统的时差提取流程图。

在本实施例中，如图2所示，采用德州仪器公司(TI)的型号为TMS320F28335的DSP芯片来实现时差提取，本发明一种随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，包括以下步骤：

S201、根据随钻声波井下信号采集与处理系统采集的数据波形设置随钻声波井下信号采集与处理系统的波形参数和处理参数；

设置的波形参数包括：波形道数、每道波形采样点数、源距、接收器间距和采样时间间隔；因为波形道数、源距以及接收器间距是由仪器的机械结构决定的，在仪器不发生变化的情况下这类参数是不可能改变的，而在实际工作中采样时间间隔和每道波形采样点数可能修改的情况也是微乎其微，因此波形参数在设定之后基本是不进行修改；

设置的处理参数包括：

处理时间及时窗：起始处理时间、终止处理时间、处理时窗长度和处理时窗步长；

处理时差：最小处理时差、最大处理时差和处理时差步长；

滤波参数：滤波截止频率、滤波阶数和滤波窗选择；

控制参数：参数合理性控制、滤波方式控制、地层提取模式、地层类型、处理方法；

处理参数需要根据实地测试地层的不同来进行相应不同设置的，这些参数的选取相当重要，一些细微的改变会导致不同的计算结果；

S202、将随钻声波井下信号采集与处理系统采集所得到的数据波形进行参数控制；

根据步骤S201中的参数合理性控制参数决定是否进行参数的合理性控制,目的是为了确保步骤S201中设置的参数都在合理的范围之中,其合理性控制的原则是对每个参数的正负进行监控，为正数则保持不变，为负数则变为它的相反数，对于处理起始时间/处理终止时间、最小处理时差/最大处理时差两组参数必须保证前者小于后者，否则将两者数值调换；

S203、对步骤S202处理后的数据波形进行滤波处理；

在本实施例中提供三种不同的滤波处理方式，分别为：

不进行滤波处理：将地层数据直接送入下一步处理过程；

FIR滤波处理：滤波处理主要选取的方法。采用直接型的FIR滤波器结构，采用窗函数方法实现一个截止频率为12～15KHz的80阶带通滤波器，本方法提供了6种不同的窗函数(汉明窗、汉宁窗、布莱克曼窗、Welch窗、Bartlett窗以及矩形窗)以满足不同波形数据的滤波需求；

FFT滤波处理：备用滤波处理方法，主要针对数据的频域信息进行分析，在后期解释分析中使用较多。

S204、通过时域内多通道信号相关分析法对滤波后的数据波形进行时差提取；

S204.1)、在一个时域内的阵列波形中，将处理时窗以起始处理时间Proc_S为开始，以处理时窗长度W_Len为长度对每个数据波形进行截取，截取时，后一个数据波形的时窗截取位置比前一个数据波形的时窗截取位置滞后时间T，其中，T为当前处理时差值DT_Now与接收器间距dr的乘积，当前处理时差值DT_Now的初始值为最小处理时差DT_Min，对截取到的M组数据波形进行相关计算得到一个相关系数，同时记录下此时的处理时间与时差，其中M为接收器的个数；

在本实施例中提供两种计算相关系数的方法，分别为：

通过波形相似法对数据波形进行相关计算；

波形相似法计算公式为：

$R(s,T1)=\frac{{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{|{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{M}Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{2}dt}{M{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{|Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{2}dt}$

其中，R为相关系数，s为时差，T1为本次处理的处理时窗起始位置，W_Len为处理时窗长度，Fn[t]为第n个接收器在t时刻的声波信号，n＝1,2…M,M为接收器个数，dr为接收器间距，从而得到数据波形相关系数的二维矩阵大小为DT_Len*T_Len；

通过N次方根法对数据波形进行相关计算；

在N次方根法中，先利用指数N将数据波形的振幅进行N次方根缩幅，再通过波形的叠加，最后把叠加结果进行N次幂放大，N次方根法的计算公式为：

$R(s,T1)=\frac{{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{|Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{\frac{1}{N}}\mathrm{sgn}\right\{Fn\[t+s(n-1)dr\]\left\}\right|}^{N}dt}{{\∫}_{T1}^{T1+W\_Len}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{|Fn\[t+s(n-1)dr\]|}^{\frac{1}{N}}\right|}^{N}dt}$

其中sgn是符号函数，从而得到数据波形相关系数的二维矩阵大小为DT_Len*T_Len；

S204.2)、重复步骤S204.1)，并在上一次滞后时间T上增加时间ΔT，其中ΔT为处理时差步长DT_Step与接收器间距dr的乘积，直到当前处理时差值DT_Now增加到设置的最大处理时差DT_Max为止，其推导公式为：

T+ΔT＝DT*dr+DT_Step*dr

＝(DT+DT_Step)*dr

＝DT_Now*dr＝s*d

设重复步骤(4.1)的次数为DT-Len，则重复的次数可表示为：

$DT\_Len=\[\frac{DT\_Max-DT\_Min}{DT\_Step}\]+1$

其中，[X]表示不大于X的最大整数；

S204.3)、将处理时窗起始位置向后移动处理时窗步长W_Step，并重复步骤S104.1)和步骤S204.2)，直到处理时窗位置移动到设置的终止处理时间Proc_E；

设处理时窗移动次数为T_Len，则由公式表示为：

$T\_Len=\[\frac{\mathrm{Pr}oc\_E-\mathrm{Pr}oc\_S-W\_Len}{W\_Step}+0.5\]+1$

经过步骤S204.1)到步骤S204.3)的处理后得到DT_Len*T_Len个相关系数及相应的时差时间信息，且相关系数的值的范围为[0,1]；

S204.4)、通过寻峰的方法对得到的相关系数进行寻峰处理，每次寻峰需寻到3个相关系数峰值并记录其时差时间信息，峰值信息不满3组则用0补齐，通过比较3组相关系数峰值记录下使相关系数取得极大值的时间和时差，从而确定出数据波形的首波到达时间和时差。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、根据随钻声波井下信号采集与处理系统采集的数据波形设置随钻声波井下信号采集与处理系统的波形参数和处理参数；

所述的波形参数包括：波形道数、每道波形采样点数、源距、接收器间距和采样时间间隔；

所述的处理参数包括：

处理时间及时窗：起始处理时间、终止处理时间、处理时窗长度和处理时窗步长；

处理时差：最小处理时差、最大处理时差和处理时差步长；

滤波参数：滤波截止频率、滤波阶数和滤波窗选择；

控制参数：参数合理性控制、滤波方式控制、地层提取模式、地层类型、处理方法；

(2)、将随钻声波井下信号采集与处理系统采集所得到的数据波形进行参数控制；

(3)、对步骤(2)处理后的数据波形进行滤波处理；

(4)、通过时域内多通道信号相关分析法对滤波后的数据波形进行时差提取：

(4.1)、在一个时域内的阵列波形中，将处理时窗以起始处理时间Proc_S为开始，以处理时窗长度W_Len为长度对每个数据波形进行截取，截取时，后一个数据波形的时窗截取位置比前一个数据波形的时窗截取位置滞后时间T，其中，T为当前处理时差值DT_Now与接收器间距dr的乘积，当前处理时差值DT_Now的初始值为最小处理时差DT_Min，对截取到的M组数据波形进行相关计算得到一个相关系数，同时记录下此时的处理时间与时差，其中M为接收器的个数；

(4.2)、重复步骤(4.1)，并在上一次滞后时间T上增加时间ΔT，其中ΔT为处理时差步长DT_Step与接收器间距dr的乘积，直到当前处理时差值DT_Now增加到设置的最大处理时差DT_Max为止，其推导公式为：

T+ΔT＝DT*dr+DT_Step*dr

＝(DT+DT_Step)*dr

＝DT_Now*dr＝s*d

设重复步骤(4.1)的次数为DT-Len，则重复的次数可表示为：

其中，[X]表示不大于X的最大整数；

(4.3)、将处理时窗起始位置向后移动处理时窗步长W_Step，并重复步骤(4.1)和步骤(4.2)，直到处理时窗位置移动到设置的终止处理时间Proc_E；设处理时窗移动次数为T_Len，则由公式表示为：

经过步骤(4.1)到步骤(4.3)的处理后得到DT_Len*T_Len个相关系数及相应的时差时间信息，且相关系数的值的范围为[0,1]；

(4.4)、通过寻峰的方法对得到的相关系数进行寻峰处理，每次寻峰需寻到3个相关系数峰值并记录其时差时间信息，峰值信息不满3组则用0补齐，通过比较3组相关系数峰值记录下使相关系数取得极大值的时间和时差，从而确定出数据波形的首波到达时间和时差。

2.根据权利要求1所述的随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，其特征在于，所述的参数控制的原则为：对每个参数的正负进行监控，为正数则保持不变，为负数则变为它的相反数、对于处理起始时间/处理终止时间、最小处理时差/最大处理时差两组参数必须保证前者小于后者，否则将两者数值调换。

3.根据权利要求1所述的随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的滤波处理的方法有：

3.1)、不进行滤波处理：将数据波形直接送入下一步处理；

3.2)、FIR滤波处理：采用直接型的FIR滤波器结构，通过窗函数方法实现一个截止频率为12～15KHz的80阶带通滤波器；

3.3)、FFT滤波处理：对数据的频域信息进行分析。

4.根据权利要求3所述的随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，其特征在于，所述的窗函数包括：汉明窗、汉宁窗、布莱克曼窗、Welch窗、Bartlett窗以及矩形窗。

5.根据权利要求1所述的随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，其特征在于，所述的步骤(4.1)中对数据波形进行相关计算的方法有：

5.1)、通过波形相似法对数据波形进行相关计算；

波形相似法计算公式为：

其中，R为相关系数，s为时差，T1为本次处理的处理时窗起始位置，W_Len为处理时窗长度，Fn[t]为第n个接收器在t时刻的声波信号，n＝1,2…M,M为接收器个数，dr为接收器间距，从而得到数据波形相关系数的二维矩阵大小为DT_Len*T_Len；

5.2)、通过N次方根法对数据波形进行相关计算；

在N次方根法中，先利用指数N将数据波形的振幅进行N次方根缩幅，再通过波形的叠加，最后把叠加结果进行N次幂放大，N次方根法的计算公式为：

其中sgn是符号函数，从而得到数据波形相关系数的二维矩阵大小为DT_Len*T_Len。

6.根据权利要求1所述的随钻声波井下信号采集与处理系统的时差实时提取方法，其特征在于，所述的寻峰方法为：利用冒泡法对相关系数的二维矩阵中的相关系数进行排序，获得最大值并记录相应的时间与时差值。