CN113126166B - 一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法，该方法包括下列步骤：向测井地层发射激励信号,接收对应的回波信号,提取该回波信号中的弯曲波信号；处理弯曲波信号，得到对应的频谱曲线；获取该频谱曲线中不同频段下的三个幅度；获取三个幅度分别对应的持续时间；增加最大幅度值对应的持续时间，减小最小幅度值对应的持续时间；根据调整后的三个持续时间，确定新的激励信号。从井下作业时实际需求出发，能够根据井下环境变化进行自适应参数调节，从而保证信号适应于变化的井下地质环境。

Description

一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法

技术领域

本发明涉及地球物理测井领域，尤其涉及一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法。

背景技术

在偶极子声波测井中，偶极的低频相速度接近地层横波速度，而高频可以反映近井壁的横波速度。因此，获取较宽频段的信号进而提取宽带的频散曲线，可以更好地进行频散校正和近井壁成像。偶极子在井孔中激发的弯曲波的激发强度随频率变化，一般来说弯曲波的激发强度在艾里相频率点附近相对较高，而在低频段(2kHz附近)以及高频段(8kHz附近)相对较低，特别是在快速地层的情况下，低频段的激发强度将远小于艾里相处的激发强度。如果使用窄带声源或普通的宽带声源，得到的弯曲波的能量将集中在艾里相附近，而在低频段及高频段的能量较少，在信噪比较低的情况下，高频段以及低频段的信号会被淹没在噪声中，使得在这些频段得到的频散曲线异常，不能用于后续的频散校正与近井壁成像中。

传统偶极子脉冲激励模式，即利用单个高压方波脉冲经过变压器后激励换能器的方式激发声源信号，实现简单，但不能对频带进行复杂调控，声源的频率固定，得到的井孔信号一般为窄带。因此，为了获取宽带地层响应，新一代的声波测井仪器大多采用多种激励模式，比如利用线性调频信号作为偶极声源信号，可以模式维持每个频率的时间更长，能向地层提供更多的偶极能量。但线性调频信号将能量均匀分布在整个频带，得到的弯曲波在激发强度较低的频带上信噪比较低，并不能得到整个频带的地层响应。

分段线性调频信号是在非线性调频信号的基础上发展的一种新型偶极激励信号，利用这种激励信号激励发射响应平坦的电磁式换能器，可以对弯曲波激发强度曲线进行补偿，加强高低频段能量，同时减弱艾里相频点的能量，使得到的接收波形近似于一个平坦的宽带响应，从而提高信号在整个频带上的信噪比。但在目前的研究及应用中，分段线性调频信号的参数固定，无法进行调整。在实际测井过程中，地层环境实时变化，且随着井下温度、压力的变化，换能器的频响等各项性能也会随之变化，使用固定的分段线性调频声源无法针对随时变化的弯曲波激发强度曲线进行正确的补偿，这样就影响了测井的质量。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺陷。本发明实施例记载了一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法，该方法包括下列步骤：

向测井地层发射激励信号,接收激励信号对应的回波信号作为原始回波信号,提取原始回波信号中的弯曲波信号；处理弯曲波信号，得到弯曲波信号对应的频谱曲线；获取频谱曲线中不同频段下的第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度；获取第一特征幅度对应的第一持续时间，获取第二特征幅度对应的第二持续时间，获取第三特征幅度对应的第三持续时间；增加第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最小的幅度对应的持续时间，减少第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最大的幅度对应的持续时间；根据调整后的第一持续时间、第二持续时间和第三持续时间，确定用于向测井地层发射的新的激励信号。

进一步地，将第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度分别与预设的幅度标准进行比较，确定第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度对应的回波信号的宽带响应。其中，当第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中至少一个的数值低于幅度标准时，增加第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最小的幅度对应的持续时间，减少第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最大的幅度对应的持续时间；当第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度高于幅度标准时，结束调节。

更进一步的，设置时间粒度，对结束调节后得到的激励信号按照所述时间粒度进行周期性的调节，实现针对变化的测井地层实时自动调节激励信号的目的。

具体地，第一方面，增加第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最小的幅度对应的持续时间，减少第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最大的幅度对应的持续时间的详细方法为：比较第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度的数值，得到最大幅度A_max、次大幅度A_mid和最小幅度A_min；增加所述最小幅度A_min对应的持续时间t_min，得到调整后的持续时间t′_min＝t_min+Δt，减少所述最大幅度A_max对应的持续时间t_max，得到调整后的持续时间t′_max＝t_max-Δt；其中，增加减少的持续时间差Δt＝t_max·(A_max-A_min)/(2·A_max)。

第二方面，采用下列公式得到用于向测井地层发射的新的激励信号f(t)：

其中，第一持续时间t₁对应的第一频带范围f_H1～f_L1；第二持续时间t₂对应的第二频带范围f_L1～f_H2；第三持续时间t₃对应的第三频带范围f_H2～f_L2。

本申请实施例的优点在于：从井下作业时实际需求出发，能够根据井下环境变化进行自适应参数调节，从而保证信号适应于变化的井下地质环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性工作的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法流程框图；

图2为本发明实施例的分段线性调频偶极声源信号的时域波形图；

图3(a)为本发明实施例中原始声源信号及5次调节后声源信号对应的信号频谱图；

图3(b)为本发明实施例中原始回波信号及5次调节后回波信号对应的信号频谱图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法流程框图。如图1所示，该方法包括下列步骤：

步骤S110：向测井地层发射激励信号,接收对应的回波信号,提取该回波信号中的弯曲波信号。其中，将激励信号的回波信号作为原始回波信号，提取原始回波信号中的弯曲波信号。

步骤S120：处理弯曲波信号，得到对应的频谱曲线；获取该频谱曲线中不同频段下的三个特征幅度。具体地，对提取到的弯曲波信号进行傅里叶变换以及归一化处理，得到频谱曲线；根据该频谱曲线，得到不同频段下的第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度。上述不同频段下的各特征幅度用于反映弯曲波信号的带宽，以及各个频段的能量分布比例。

步骤S130：获取三个特征幅度分别对应的持续时间；增加最大幅度值对应的持续时间，减小最小幅度值对应的持续时间。具体地，获取第一特征幅度A(f₁)所在频段对应的第一持续时间t₁，获取第二特征幅度A(f₂)所在频段对应的第二持续时间t₂，获取第三特征幅度A(f₃)所在频段对应的第三持续时间t₃；比较A(f₁)、A(f₂)和A(f₃)的数值，得到最大幅度A_max、次大幅度A_mid和最小幅度A_min；增加最小幅度A_min对应的持续时间t_min，得到调整后的持续时间t′_min＝t_min+Δt，减少最大幅度A_max对应的持续时间t_max，得到调整后的持续时间t′_max＝t_max-Δt，保持次大幅度A_mid对应的持续时间t_mid不变；其中，增加和减少的持续时间差Δt＝t_max·(A_max-A_min)/(2·A_max)。

步骤S140：根据调整后的三个持续时间，确定新的激励信号。

具体地，采用下列公式，确定新的激励信号：

其中，第一频段f_H1至f_L1对应第一持续时间t₁，第一频段包含第一特征幅度A(f₁)＝A(f_L1)；第二频段f_L1至f_H2对应第二持续时间t₂，第二频段包含第二特征幅度A(f₂)＝A(f_A)；第三频段f_H2至f_L2对应第三持续时间t₃，第三频段包含第三特征幅度A(f₃)＝A(f_H2)；基于艾里相频率f_A和截止频率f_D，设定f_H1＝2f_A，f_L1＝f_A/2，f_H2＝3f_A/2，f_L2＝f_D,如图2所示。通过调整每段信号的持续时间和频带范围，调整整个信号的频谱。

根据测井的地层特征，将步骤S140中公式的三个频段固定，通过步骤S130中调整持续时间的方法，确定声源信号。通过对整个信号分段频谱的调整，对弯曲波激发强度曲线进行补偿，加强高频段和低频段的能量，同时减弱艾里相频点的能量，使得到的接收波形近似于一个平坦的宽带响应。确定的新激励信号对应的新回波信号比原始回波信号的在各个频点的能量分布更平均，进而提高信号在整个频带上的信噪比。

通过上述步骤S110至步骤S140中的调节方法,可以使调节后新的激励信号对应的回波信号相比于原始的回波信号在各个频点的能量分布上更为平均。

接下来我们可以设计用于评价上述调节方法的阈值，使各个频点的能量分布满足分段线性调频的声波测井的最终目标。

步骤S210：预设幅度标准；将三个特征幅度分别与该幅度标准进行比较。通过分别将步骤S120中得到的第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度与幅度标准进行比较，确定调节后新的激励信号是否可以使得到的接收波形近似于一个平坦的宽带响应。

当第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中至少一个的数值低于幅度标准时，重复上述步骤S110至步骤S140，确定新的激励信号，并对新的激励信号对应的第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度执行步骤S210。

当第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度均高于幅度标准时，结束调节，得到满足分段线性调频最终目标的新的激励信号。

基于测井的地层特征，设置时间粒度，对结束调节后得到的激励信号按照该时间粒度进行重新调节，得到适合新的地层的激励信号，实现激励信号的实时自动调节。

在一个具体实施例中，地层的井径为0.2m，横波速度为2300m/s，纵波速度为4000m/s，密度为2500kg/m³。激励信号采用初始波形为线性调频信号，根据当前地层进行调节。

调节方法包括：向测井地层发射激励信号，接收该激励信号的回波信号作为原始回波信号，提取原始回波信号中的弯曲波信号；对提取到的弯曲波信号进行傅里叶变换以及归一化处理，得到频谱曲线；根据该频谱曲线的艾里相频率f_A＝5kHz，得到第一特征幅度A(f₁)＝A(2.5kHz)、第二特征幅度A(f₂)＝A(5kHz)和第三特征幅度A(f₃)＝A(7.5kHz)。获取A(f₁)所在频段对应的第一持续时间t₁，获取A(f₂)所在频段对应的第二持续时间t₂，获取A(f_t)所在频段对应的第三持续时间t₃；比较A(f₁)、A(f₂)和A(f₃)的数值，得到最大幅度A_max、次大幅度A_mid和最小幅度A_min；增加最小幅度A_min对应的持续时间t_min，得到调整后的持续时间t′_min＝t_min+Δt，减少最大幅度A_max对应的持续时间t_max，得到调整后的持续时间t′_max＝t_max-Δt，保持次大幅度A_mid对应的持续时间t_mid不变；其中，增加和减少的持续时间差Δt＝t_max·(A_max-A_min)/(2·A_max)。根据调整后的第一持续时间、第二持续时间和第三持续时间，确定新的激励信号，使新的激励信号对应的新的回波信号比原始回波信号的在各个频点的能量分布更平均。

设置幅度标准A′＝0.2用于判断第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度是否能够实现接收波形近似于一个平坦的宽带响应。通过6次循环上述调节方法，第一特征幅度的值、第二特征幅度的值和第三特征幅度的值均大于0.2，得到合格的接收波形，如图3(b)所示。将图3(a)和图3(b)结合后对比可以看出，在图3(a)中，初始信号为宽频带的线性调频信号，随着循环次数的增加，激励信号的中间频段以及高频段能量比例逐渐降低，低频段能量逐渐升高；在图3(b)中，初始接收波形的能量在高频段较高而低频段较低，随着循环次数的增加，每执行一次上述调节方法，接收波形的低频段能量比例逐渐升高，最终满足合格条件停止调整。最终的接收波形在各个频率点均有相当强的能量分布，从而提升在整个频带范围内的信噪比。

通过本发明实施例中提供的自动调节方法，基于井下作业时实际需求出发，使激发信号能够根据井下环境变化进行自适应参数调节，相对于传统声波仪器使用的固定声源，具有更强的适应性，从而保证信号适应于变化的井下地质环境。拓宽偶极弯曲波的频带范围，从而提升整个频带上的信噪比，得到完整的频散曲线。实施过程中无需预知当前地层信息，可以根据接收的声波信号来确定分段线性调频声源的参数。也无需计算地层弯曲波的激发强度曲线，只需确定接收弯曲波频谱在几个频率点的相对幅值即可，计算量小，可以实现井下的实时计算。

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，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于分段线性调频的声波测井偶极声源自动调节方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

向测井地层发射激励信号,接收所述激励信号对应的回波信号作为原始回波信号,提取所述原始回波信号中的弯曲波信号；

处理所述弯曲波信号，得到所述弯曲波信号对应的频谱曲线；获取所述频谱曲线中不同频段下的第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度；其中，上述不同频段下的各特征幅度用于反映弯曲波信号的带宽，以及各个频段的能量分布比例；

获取第一特征幅度对应的第一持续时间，获取第二特征幅度对应的第二持续时间，获取第三特征幅度对应的第三持续时间；增加第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最小的幅度对应的持续时间，减少第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最大的幅度对应的持续时间；

根据调整后的所述第一持续时间、第二持续时间和第三持续时间，确定用于向所述测井地层发射的新的激励信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度分别与预设的幅度标准进行比较，确定所述第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度对应的所述回波信号的宽带响应。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度对应的所述回波信号的宽带响应，具体包括：

当所述第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中至少一个的数值低于所述幅度标准时，增加第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最小的幅度对应的持续时间，减少第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最大的幅度对应的持续时间；

当所述第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度高于所述幅度标准时，结束调节。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

设置时间粒度，对结束调节后得到的激励信号按照所述时间粒度进行周期性的调节。

5.根据权利要求1或3任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述增加第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最小的幅度对应的持续时间，减少第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度中数值最大的幅度对应的持续时间，具体包括：

比较第一特征幅度、第二特征幅度和第三特征幅度的数值，得到最大幅度A_max、次大幅度A_mid和最小幅度A_min；增加所述最小幅度A_min对应的持续时间t_min，得到调整后的持续时间t′_min＝t_min+Δt，减少所述最大幅度A_max对应的持续时间t_max，得到调整后的持续时间t′_max＝t_max-Δt；其中，增加减少的持续时间差Δt＝t_max·(A_max-A_min)/(2·A_max)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据调整后的所述第一持续时间、第二持续时间和第三持续时间，采用下列公式得到用于向所述测井地层发射的新的激励信号f(t)：

其中，第一持续时间t₁对应的第一频带范围f_H1～f_L1；第二持续时间t₂对应的第二频带范围f_L1～f_H2；第三持续时间t₃对应的第三频带范围f_H2～f_L2。

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