CN106814397B - 一种多参数联合反演计算岩石散射衰减的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多参数联合反演计算岩石散射衰减的方法，首先在深度区间内进行阵列声波测井，得到深度区间内偶极阵列波形数据；计算每个深度点实测波形的功率谱；构建反演目标函数；通过最小二乘获得每个深度点的散射衰减；循环执行步骤2至步骤4，最终获得深度区间散射衰减曲线。从声波测井数据正确分析和提取弹性波的散射衰减，将会提供很有价值的地层信息，与大尺度地震波散射衰减相比，声波测井计算的散射衰减可提供地下岩石小尺度的非均匀性信息。

Description

一种多参数联合反演计算岩石散射衰减的方法
技术领域
本发明涉及信号处理及模式识别领域，具体地，涉及一种适用于多光栅传感探测系统的陵区入侵振动信号特征提取与分类识别算法。
背景技术
声波信号的散射衰减是描述地球介质物理化学状态的重要参数，它表征了尾波幅度随时间的变化趋势。迄今为止，有关地球物理问题的弹性波散射研究主要集中在大尺度传播的地震波研究方面，而在井孔声场的研究中却鲜有报道。在声波测井常规数据处理中，散射波和尾波往往被视为噪声而加以压制。现代声波测井仪器已广泛应用于油气勘探，采集了大量包括单极、偶极和正交偶极的阵列声波测井数据。如果能从声波测井数据正确分析和提取弹性波的散射衰减，将会提供很有价值的地层信息，并为声波测井的处理和解释开辟新的应用前景。
目前主要有两种计算散射衰减的模型：单次散射波模型和尾波能量通量模型。单次散射波模型对尾波衰减的分析没有区别固有吸收衰减和散射衰减，而是把两种类型的衰减归为一项，用“Coda Q”来描述，该模型假定尾波衰减与直达波在介质中传播的衰减相等，忽略了散射过程中直达波的能量损失对尾波衰减的影响，难于真实反映地层的散射衰减信息(Aki K,Chouet B.Origin of coda waves:Source,attenuation and scatteringeffects,Journal of Geophysical Research,1975,80:3322–3342)。尾波能量通量模型假定散射衰减和固有吸收衰减对尾波衰变速率的作用不一样，随着持续时间的增加，增加散射衰减将使更多的直达波能量转换为尾波能量，而增加固有吸收衰减，尾波和直达波均将失去更多的弹性能，该方法在声波测井数千赫兹频率下固有吸收衰减品质因子的灵敏度较低，不适用于井孔声波测井的散射衰减计算(Frankel A,Wennerberg L.Energy-fluxmodel of seismic coda:Separation of scattering and intrinsic attenuation,Bulletin of the Seismological Society America,1987,77:1223-1251)。
地层岩石散射衰减既与频率有关，也与尾波的持续时间有关，它与岩石的固有衰减共同作用，在反演的过程中需要综合考量各种因素的影响。因此，本专利提出一种基于偶极声波测井数据的多参数联合反演方法计算岩石的散射衰减。
发明内容
针对现有技术不适用于计算散射衰减的现状，本发明提供了一种多参数联合反演的方法，利用偶极声波测井数据的尾波，综合考虑固有衰减、散射衰减与频率和时间的关系，为计算声波测井频率下散射衰减提供一种实用可行的方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种多参数联合反演计算岩石散射衰减的方法，包括如下步骤：
步骤1：在深度区间内进行阵列声波测井，得到深度区间内偶极阵列波形数据；
步骤2：获得处理深度位置处滤波后的偶极子全波列数据v(t)，设定窗函数g(t)，利用短时傅里叶变换(STFT)计算出实测波形不同时刻的功率谱：
其中，t为时间，为角频率，f为频率，A(t,f)函数给出了以t时为中心的时窗g(t)内信号v(t)的傅里叶振幅谱；
步骤3：构建目标函数ΔE，它是理论的尾波振幅谱AC(t,f)和实测的尾波振幅谱A(t,f)的函数，定义为：
ΔE(t,f,QI,QS)＝|AC(t,f)-A(t,f)|2 (2)
其中QI为固有衰减品质因子，QS为散射衰减品质因子；理论的尾波振幅谱AC(t,f)可由三维非均匀模型的尾波幅度表达式计算得到：
其中，td为直达波走时，ID是直达波振幅AD在时间窗(t1,t2)的积分，表示为：
步骤4：根据步骤3计算每个接收器满足最小二乘求解目标函数ΔE的QI和QS的全局极小值，将每个深度点的N个接收器计算得到的散射衰减品质因子QS的均值作为该深度点的散射衰减品质因子，取倒数得到该深度点的散射衰减值Atten：
步骤5：重复步骤二、步骤三和步骤四，获得深度区间内的散射衰减曲线。
本发明的有益效果是：
本发明采用声波测井的方法来计算岩石的散射衰减，可产生两方面的效益：其一是为声波测井技术指出了一个重要的应用方向，促进该技术的应用和推广；其二是从声波测井数据正确分析和提取弹性波的散射衰减，将会提供很有价值的地层信息，与大尺度地震波散射衰减相比，声波测井计算的散射衰减可提供地下岩石小尺度的非均匀性信息。
附图说明
图1为算法流程图。
图2为实测单点偶极声波数据。
图3为实测数据的振幅谱。
图4为理论计算的最优振幅谱。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。以下的实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
如图1所示，本发明提供一种多参数联合反演计算岩石散射衰减的方法，包括如下步骤：
步骤1：在深度区间内进行阵列声波测井，得到深度区间内偶极阵列波形数据；
步骤2：获得处理深度位置处滤波后的偶极子全波列数据v(t)，设定窗函数g(t)，利用短时傅里叶变换(STFT)即公式(1)计算出实测波形不同时刻的功率谱：
其中，t为时间，为角频率，f为频率，A(t,f)函数给出了以t时为中心的时窗g(t)内信号v(t)的傅里叶振幅谱；
步骤3：构建目标函数ΔE，它是理论的尾波振幅谱AC(t,f)和实测的尾波振幅谱A(t,f)的函数，定义为：
ΔE(t,f,QI,QS)＝|AC(t,f)-A(t,f)|2 (2)
其中QI为固有衰减品质因子，QS为散射衰减品质因子；理论的尾波振幅谱AC(t,f)可由三维非均匀模型的尾波幅度表达式计算得到：
其中，td为直达波走时，ID是直达波振幅AD在时间窗(t1,t2)的积分，表示为：
步骤4：根据步骤3计算每个接收器满足最小二乘求解目标函数ΔE的QI和QS的全局极小值，将每个深度点的N个接收器计算得到的散射衰减品质因子QS的均值作为该深度点的散射衰减品质因子，取倒数得到该深度点的散射衰减值Atten：
步骤5：重复步骤二、步骤三和步骤四，获得深度区间内的散射衰减曲线。
图2给出了实测的单点偶极声波测井数据，为了进行不同深度点的对比，首先将波形进行归一化处理，从图中可以看出波形序列中1ms-5ms的区间是直达波，5ms之后为地层非均匀性引起的散射波(尾波)。根据数据处理流程，将图2中的数据进行短时傅里叶变换，得到如图3所示的实测数据振幅谱的变密度显示，其中横坐标为时间，纵坐标为频率。
首先选取时窗1ms～3ms的数据对直达波进行估计，通过改变QI和QS使得目标函数ΔE最小，即可得到在与如图4所示实测尾波振幅谱A(t,f)最为接近的理论时频谱，此时它对应的固有吸收衰减品质因子QI＝65，散射衰减品质因子QS＝262时，从图中可以看到它与实测的时频图极为相似。
说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (2)

1.一种多参数联合反演计算岩石散射衰减的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：在深度区间内进行阵列声波测井，得到深度区间内偶极阵列波形数据；
步骤2：计算每个深度点实测波形的功率谱；
所述步骤2具体为：
对步骤1得到的偶极阵列波形数据进行滤波，获得处理深度位置处的偶极子全波列数据v(t)，设定窗函数g(t)，利用短时傅里叶变换(STFT)计算出实测波形不同时刻的功率谱A(t,f)：
其中，t为时间，ω为角频率，f为频率，A(t,f)函数给出了以t时为中心的时窗g(t)内信号v(t)的傅里叶振幅谱；
步骤3：构建反演目标函数；
所述步骤3具体为：
构建目标函数△E，它是理论的尾波振幅谱AC(t,f)和实测的尾波振幅谱A(t,f)的函数，定义为：
△E(t,f,QI,QS)＝|AC(t,f)-A(t,f)|2 (2)
其中QI为固有衰减品质因子，QS为散射衰减品质因子；理论的尾波振幅谱AC(t,f)可由三维非均匀模型的尾波幅度表达式计算得到：
其中，td为直达波走时，ID是直达波振幅AD在时间窗(t1,t2)的积分，表示为：
步骤4：通过最小二乘获得每个深度点的散射衰减；
步骤5：循环执行步骤2至步骤4，最终获得深度区间散射衰减曲线。
2.根据权利要求1所述的一种多参数联合反演计算岩石散射衰减的方法，其特征在于：所述步骤4具体为：
根据步骤3计算每个接收器满足最小二乘求解目标函数△E的QI和QS的全局极小值，将每个深度点的N个接收器计算得到的散射衰减品质因子QS的均值作为该深度点的散射衰减品质因子，取倒数得到该深度点的散射衰减值Atten：
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