CN114139584A - 一种随钻声波测井套管波衰减反演方法和装置 - Google Patents

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CN114139584A CN202111470330.3A CN202111470330A CN114139584A CN 114139584 A CN114139584 A CN 114139584A CN 202111470330 A CN202111470330 A CN 202111470330A CN 114139584 A CN114139584 A CN 114139584A
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李�杰
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罗博
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Abstract

本发明公开了一种随钻声波测井套管波衰减反演方法和装置。根据本发明提供的技术方案，根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数；在测井深度区间内的多个探测位置处进行套管井随钻单极声波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号；针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至反演目标函数中并利用最优化算法进行运算，得到探测位置对应的套管波衰减率；依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到测井深度区间对应的套管波衰减率曲线。本发明能够便捷地得到套管波衰减率曲线。

Description

一种随钻声波测井套管波衰减反演方法和装置
技术领域
本发明涉及声波勘测领域，具体涉及一种随钻声波测井套管波衰减反演 方法和装置。
背景技术
随着石油钻探技术的发展，在油气田开发的过程中，如果固井质量不好， 会导致层间流体串槽，增加了勘探开发成本。因此，需要在套管和地层之间 注入水泥，来保证固井质量，并进一步保证油气田的安全开发和环境保护。 而在套管和地层之间注入水泥之后，则需要通过固井质量评价方法来了解水 泥与地层的胶结状况。
而现有技术中，对于水平井或大斜度井，传统的电缆声波固井质量评价 仪器无法适用，需要采用随钻声波固井质量评价仪器才可能解决这一问题。 但随钻声波固井质量评价仪器采用单极模式(即单极声源)在套管井中进行 固井质量测量时，由于钻铤波和套管波几乎同时到达，因此钻铤波信号会和 套管波信号重叠在一起，也就无法直接利用套管波信号的幅度进行固井质量 评价。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分 地解决上述问题的一种随钻声波测井套管波衰减反演方法和相应的一种随钻 声波测井套管波衰减反演装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种随钻声波测井套管波衰减反演方法， 包括：
根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系，构造随钻 声波套管波衰减的反演目标函数；
在测井深度区间内的多个探测位置处进行套管井随钻单极声波测井，获 取每个探测位置对应的阵列波形信号；
针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形信号确定该探测位 置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各个接收换能器的首波信 号的能量值带入至所述反演目标函数中并利用最优化算法进行运算，得到该 探测位置对应的套管波衰减率；
依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述测井深度区间对应的 套管波衰减率曲线。
上述方案中，所述反演目标函数包含有所述接收换能器阵列中第一接收 换能器对应的钻铤波信号与套管波信号之间的信号幅度比以及所述接收换能 器阵列的套管波衰减率。
上述方案中，所述根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号幅 度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数进一步包括：
根据所述接收换能器阵列中第一接收换能器与其他接收换能器之间的位 置关系以及信号幅度关系，构造所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接 收换能器之间的信号幅度比函数；
依据不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数、测量误差以 及所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合方式，构造随钻声波 套管波衰减的反演目标函数。
上述方案中，所述针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形 信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值进一步包括：
针对每个探测位置，对该探测位置对应的阵列波形信号进行希尔伯特变 换，计算所述阵列波形信号的包络曲线；
依据所述包络曲线，计算在预设时间窗内各个接收换能器的信号能量值 作为各个接收换能器的首波信号的能量值。
上述方案中，利用如下公式计算所述首波信号的能量值：
Figure BDA0003391670950000031
其中，En为第n个接收换能器接收到的首波信号的能量值；Tn为第n个 接收换能器对应的预设时间窗的起始时间；Tw为预设时间窗的窗长；Sn(t)为 包络曲线。
上述方案中，所述首波信号包括：钻铤波信号和套管波信号。
上述方案中，所述根据所述接收换能器阵列中第一接收换能器与其他接 收换能器之间的位置关系以及信号幅度关系，构造所述接收换能器阵列中不 同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数进一步包括：
距离所述发射换能器为x+Δ1的第二接收换能器的信号为：
Figure BDA0003391670950000032
距离所述发射换能器为x+Δ2的第三接收换能器的信号为：
Figure BDA0003391670950000033
其中，Amp为接收换能器收到的接收信号；AmpCol(TR1)为第一接收换 能器所接收到的钻铤波信号；AmpCas(TR1)为第一接收换能器所接收到的套 管波信号；TR1为所述接收换能器阵列中第一接收换能器与所述发射换能器 之间的距离；x+Δ1为所述第二接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x+ Δ2为所述第三接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x为所述接收换能 器阵列中作为基准的接收换能器与所述发射换能器之间的距离；所述第一接 收换能器为所述接收换能器阵列中从下向上的第一个接收换能器；所述第二接收换能器和第三接收换能器为所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接 收换能器；ATTCRE为所述接收换能器阵列的钻铤波衰减率；ATTNRE为所 述接收换能器阵列的套管波衰减率；
所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比 函数为：
Figure BDA0003391670950000041
其中，R为第一接收换能器所接收到的钻铤波信号与套管波信号之间的 信号幅度比，
Figure BDA0003391670950000042
上述方案中，所述依据不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比 函数、测量误差以及所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合方 式，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数进一步包括：
根据所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅 度比函数与所述测量误差得到包含测量误差的信号幅度比函数：
Figure BDA0003391670950000043
其中，δ(x,Δ1，Δ2)为所述接收换能器阵列的测量误差；
根据所述接收换能器阵列中的接收换能器数量确定所述接收换能器阵列 中各个接收换能器的信号的组合数量，并得到所述随钻声波套管波衰减的反 演目标函数；其中，所述反演目标函数Ω(ATTNRE，R)为：
Figure BDA0003391670950000044
其中，n为所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合数量。
上述方案中，所述将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反 演目标函数中并利用最优化算法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰 减率进一步包括：
对所述反演目标函数采用最优化算法，搜索所述反演目标函数的全局最 小值对应的所述第一接收换能器所接收的钻铤波信号与套管波信号之间的信 号幅度比以及该探测位置对应的所述接收换能器阵列的套管波衰减率。
根据本发明的另一方面，提供了一种随钻声波测井套管波衰减反演装置， 包括：构造模块、探测模块、运算模块以及确定模块；其中，
所述构造模块，用于根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号 幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数；
所述探测模块，用于在测井深度区间内的多个探测位置出进行套管井随 钻单极声波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号；
所述运算模块，用于针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波 形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各个 接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目标函数中并利用最优化算 法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率；
所述确定模块，用于依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述 测井深度区间对应的套管波衰减率曲线。
根据本发明提供的技术方案，根据接收换能器阵列中各个接收换能器之 间的信号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数；在测井深度 区间内的多个探测位置处进行套管井随钻单极声波测井，获取每个探测位置 对应的阵列波形信号；针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形 信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各个接 收换能器的首波信号的能量值带入至所述反演目标函数中并利用最优化算法 进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率；依据多个探测位置对应的 套管波衰减率，得到所述测井深度区间对应的套管波衰减率曲线。由此解决 了现有技术中，现有随钻声波测井固井质量评价仪器，套管波信号与钻铤波 信号相重叠，无法直接利用套管波信号的幅度进行固井质量评价以真实反映 水泥与地层胶结状况的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技 术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它 目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本 领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的， 而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示 相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的随钻声波测井套管波衰减反演方法 的流程示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的随钻声波信号包络曲线及能量计算 示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的确定测井深度区间的套管波衰减率 曲线的流程示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的在套管井中的随钻声波仪器结构示 意图；
图5示出了根据本发明一个实施例的基于不同ATTNRE和R的目标函数 曲线图；
图6示出了根据本发明一个实施例的不同位置各个接收换能器的信号能 量曲线图；
图7示出了根据本发明一个实施例的随钻单极声波信号套管波衰减率计 算示意图；
图8示出了根据本发明一个实施例的随钻声波测井套管波衰减反演装置 示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示 了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不 应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地 理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明一个实施例的随钻声波测井套管波衰减反演方法 的流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101，根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系， 构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数。
具体的，所述反演目标函数包含有所述接收换能器阵列中第一接收换能 器对应的钻铤波信号与套管波信号之间的信号幅度比以及所述接收换能器阵 列的套管波衰减率。
具体的，根据所述接收换能器阵列中第一接收换能器与其他接收换能器 之间的位置关系以及信号幅度关系，构造所述接收换能器阵列中不同位置处 的两个接收换能器之间的信号幅度比函数；依据不同位置处的两个接收换能 器之间的信号幅度比函数、测量误差以及所述接收换能器阵列中各个接收换 能器的信号的组合方式，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数。
步骤S102，在测井深度区间内的多个探测位置处进行套管井随钻单极声 波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号。
优选的，在获取探测位置对应的阵列波形信号后，判断是否完成对测井 深度区间中全部探测位置对应的阵列波形信号的获取，完成后则继续执行步 骤S103。
步骤S103，针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形信号确 定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各个接收换能 器的首波信号的能量值代入至所述反演目标函数中并利用最优化算法进行运 算，得到该探测位置对应的套管波衰减率。
具体的，针对每个探测位置，对该探测位置对应的阵列波形信号进行希 尔伯特变换，计算所述阵列波形信号的包络曲线；依据所述包络曲线，计算 在预设时间窗内各个接收换能器的信号能量值作为各个接收换能器的首波信 号的能量值。
优选的，利用如下公式计算所述首波信号的能量值：
Figure BDA0003391670950000081
其中，En为第n个接收换能器接收到的首波信号的能量值；Tn为第n个 接收换能器对应的预设时间窗的起始时间；Tw为预设时间窗的窗长；Sn(t)为 包络曲线。如图2所示，图2示出了根据本发明一个实施例的随钻声波信号 包络曲线及能量计算示意图；其中，
实线为不同探测位置的阵列波形信号，虚线为不同探测位置阵列波形信 号的包络曲线；虚线框宽度即为预设时间窗的窗长Tw，虚线框内所包含的曲 线即为各个接收换能器接收到的首波信号曲线。
可选地，也可以根据所述包络曲线，得出预设时间窗内各个接收换能器 的信号能量的最大值作为各个接收换能器的首波信号的能量值。
具体的，对所述反演目标函数采用最优化算法，搜索所述反演目标函数 的全局最小值对应的所述第一接收换能器所接收的钻铤波信号与套管波信号 之间的信号幅度比以及该探测位置对应的所述接收换能器阵列的套管波衰减 率。
步骤S104，依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述测井深度 区间对应的套管波衰减率曲线。
图3示出了根据本发明一个实施例的确定测井深度区间的套管波衰减率 曲线的流程示意图，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤S301，根据接收换能器阵列中第一接收换能器与其他接收换能器之 间的位置关系以及信号幅度关系，构造接收换能器阵列中不同位置处的两个 接收换能器之间的信号幅度比函数。
具体的，对于距离发射换能器x的接收换能器和距离发射换能器x+Δ的 接收换能器的信号幅度关系如下式：
Figure BDA0003391670950000091
因此，两个接收器信号的视衰减为：
Figure BDA0003391670950000092
图4示出了根据本发明一个实施例的在套管井中的随钻声波仪器结构示 意图。如图4所示，其中，发射换能器与第一接收换能器的距离为TR1，所 述第一接收换能器为所述接收换能器阵列中从下向上的第一个接收换能器； 发射换能器与其他任一接收换能器的距离为TRX；ATTCRE为所述接收换能 器阵列的钻铤波衰减率；ATTNRE为所述接收换能器阵列的套管波衰减率； ATTCTR1为发射换能器与第一接收换能器之间的钻铤部分的钻铤波衰减率； ATTNTR1为发射换能器与第一接收换能器之间的钻铤部分的套管波衰减率。
优选的，第一接收换能器的接收信号为钻铤波信号和套管波信号之和：
Amp(TR1)＝AmpCol(TR1)+AmpCas(TR1)
公式4
其中，Amp为接收换能器收到的接收信号；AmpCol(TR1)为第一接收换 能器所接收到的钻铤波信号；AmpCas(TR1)为第一接收换能器所接收到的套 管波信号。
那么距离发射换能器为x的接收换能器的信号可表示为：
Figure BDA0003391670950000093
其中，所述x为某个接收换能器与所述发射换能器之间的距离；Amp(x) 为该接收换能器收到的接收信号；TR1为所述第一接收换能器与所述发射换 能器之间的距离；x-TR1为该接收换能器与所述第一接收换能器之间的距离。
距离发射换能器为x+Δ的接收换能器的信号可表示为：
Figure BDA0003391670950000101
其中，所述x+Δ为另一个接收换能器与所述发射换能器之间的距离； Amp(x+Δ)为该接收换能器收到的接收信号；x-TR1+Δ为所述该接收换能器 与所述第一接收换能器之间的距离。
优选的，将所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器分别称 为第二接收换能器和第三接收换能器；
则距离所述发射换能器为x+Δ1的第二接收换能器的信号可表示为：
Figure BDA0003391670950000102
距离所述发射换能器为x+Δ2的第三接收换能器的信号可表示为：
Figure BDA0003391670950000103
其中，x+Δ1为所述第二接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x+ Δ2为所述第三接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x为所述接收换能 器阵列中作为基准的接收换能器与所述发射换能器之间的距离；
优选的，由于所述第二接收换能器和第三接收换能器为接收换能器阵列 中的任两个接收换能器，所以第二接收换能器或第三接收换能器也可能具体 为第一接收换能器。
基于公式7和公式8中，所述第二接收换能器和第三接收换能器的信号， 所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数 为：
Figure BDA0003391670950000111
上式可以转换为：
Figure BDA0003391670950000112
上式可以将换能器的激发能量A0及发射能量进入钻铤能量的百分比α消 除，并进一步转换为：
Figure BDA0003391670950000113
其中，R为第一接收换能器所接到的钻铤波信号与套管波信号之间的信 号幅度比，
Figure BDA0003391670950000114
公式11即为所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的 信号幅度比函数。
步骤S302，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数。
具体的，依据不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数、测 量误差以及所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合方式，构造 随钻声波套管波衰减的反演目标函数。
优选的，在钻铤波衰减率ATTCRE已知时，公式11可以进一步转换为：
Figure BDA0003391670950000121
优选的，公式13中存在两个未知参数，即接收器阵列的套管波衰减率 ATTNRE和第一接收换能器所接到的钻铤波信号与套管波信号之间的信号幅 度比R。在实际测量中测量信号会被噪声影响，产生测量误差，误差值可以 记为δ(x,Δ1,Δ2)。因此，根据所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收 换能器之间的信号幅度比函数与所述测量误差得到包含测量误差的信号幅度 比函数：
Figure BDA0003391670950000122
其中，δ(x,Δ1,Δ2)即为所述接收换能器阵列的测量误差。
具体的，根据所述接收换能器阵列中的接收换能器数量确定所述接收换 能器阵列中各个接收换能器的信号的组合数量，并得到所述随钻声波套管波 衰减的反演目标函数；其中，所述反演目标函数Ω(ATTNRE，R)为：
Figure BDA0003391670950000123
Figure BDA0003391670950000131
其中，n为所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合数量。假 设接收换能器阵列中包含有8个接收换能器，则其组合数量为56。
图5示出了根据本发明一个实施例的基于不同ATTNRE和R的目标函数 曲线图。
步骤S303，在测井深度区间进行套管井随钻声波测井，确定探测位置对 应的各个接收换能器的首波信号的能量值。
具体的，针对每个探测位置，对该探测位置对应的阵列波形信号进行希 尔伯特变换，计算所述阵列波形信号的包络曲线；依据所述包络曲线，计算 在预设时间窗内各个接收换能器的信号能量值作为各个接收换能器的首波信 号的能量值。
图6示出了根据本发明一个实施例的不同位置各个接收换能器的信号能 量曲线图。其中，
横坐标源距为接收换能器阵列中不同位置的接收换能器与发射换能器的 距离；纵坐标为不同位置各个接收换能器的信号幅度，通过信号幅度体现出 信号能量。
步骤S304，根据各个接收换能器的首波信号的能量值得到各个探测位置 对应的套管波衰减率。
具体的，将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目标函 数中，对所述反演目标函数采用最优化算法，搜索所述反演目标函数的全局 最小值对应的所述第一接收换能器所接收的钻铤波信号与套管波信号之间的 信号幅度比以及该探测位置对应的所述接收换能器阵列的套管波衰减率。
以图5中的目标函数曲线以及图6中各个接收换能器的首波信号能量值 为例，可知当第一接收换能器与发射换能器之间的距离TR1＝7ft，相邻两个接 收换能器之间的距离RR＝0.5ft，换能器的激发能量A0及发射能量进入钻铤能 量的百分比α＝20％，发射换能器与第一接收换能器之间的钻铤部分的钻铤波 衰减率ATTCTR1＝5dB/ft，接收换能器阵列的钻铤波衰减率ATTCRE＝0.5dB/ft， 发射换能器与第一接收换能器之间的钻铤部分的套管波衰减率ATTNTR1＝5dB/ft，接收换能器阵列的套管波衰减率ATTNRE＝3dB/ft时，通 过上述参数可以计算得到第一接收换能器所接到的钻铤波信号与套管波信号 之间的信号幅度比R1＝0.1179。采用最优化算法计算目标函数的最小值Ωmin， Ωmin对应的R2＝0.12，ATTNRE2＝2.98。可知，与本发明的理论模型的参数 对比，R的计算误差为1.7％，ATTNRE的计算误差为0.7％。
步骤S305，判断是否取得测井深度区间全部探测位置的套管波衰减率。
具体的，判断是否取得测井深度区间全部探测位置的套管波衰减率的具 体方式，本发明不予限定；
若判断已取得测井深度区间中全部探测位置的套管波衰减率，则执行步 骤S306；若判断还未取得测井深度区间中全部探测位置的套管波衰减率，则 再次执行步骤S303，直至取得全部探测位置的套管波衰减率。
步骤S306，依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述测井深度 区间对应的套管波衰减率曲线。
具体的，通过全部所述测井深度区间对应的套管波衰减率曲线完成对测 井深度区间的固井质量评价。
图7示出了根据本发明一个实施例的随钻单极声波信号套管波衰减率计 算示意图，其中，第一道为第一接收换能器的原始随钻单极变密度曲线，该 信号包含钻铤波信号及套管波信号；第二道为计算得出的对应的首波信号能 量曲线；第三道为采用本发明反演的真实套管波衰减曲线。如图所示，900～ 960m井段反演的套管波衰减率约为2dB/ft，为自由套管响应；960～1850m井 段反演的套管波衰减率约为4～6dB/ft，即该井段的水泥胶结为中等水平； 1850～1890m井段反演的套管波衰减率约为7dB/ft，即该井段的水泥胶结为良 好水平。
根据本实施例提供的随钻声波测井套管波衰减反演方法，根据接收换能 器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的 反演目标函数；在测井深度区间内的多个探测位置处进行套管井随钻单极声 波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号；针对每个探测位置，依据 该探测位置对应的阵列波形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首 波信号的能量值，将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目 标函数中并利用最优化算法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率； 依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述测井深度区间对应的套管 波衰减率曲线。利用本发明提供的技术方案，通过构造反演目标函数，将接 收换能器阵列接收到的信号代入并利用最优化算法进行运算，消除钻铤波信 号对套管波信号的影响，利用得到的套管波衰减率曲线，完成对测井深度区 间进行固井质量评价。该方案有效解决了现有固井质量评价仪器无法直接进 行固井质量评价以快速得到水泥与地层胶结状况的问题，在充分保证固井质 量评价的精确度的同时，极大地提升了固井质量测量和评价的效率，有效地 提升了测井便利程度。
图8示出了根据本发明一个实施例的随钻声波测井套管波衰减反演装置 示意图，如图8所示，该装置包括：构造模块801、探测模块802、运算模块 803以及确定模块804；其中，
所述构造模块801，用于根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信 号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数；
具体的，所述反演目标函数包含有所述接收换能器阵列中第一接收换能 器对应的钻铤波信号与套管波信号之间的信号幅度比以及所述接收换能器阵 列的套管波衰减率。
具体的，根据所述接收换能器阵列中第一接收换能器与其他接收换能器 之间的位置关系以及信号幅度关系，构造所述接收换能器阵列中不同位置处 的两个接收换能器之间的信号幅度比函数。
优选的，距离所述发射换能器为x+Δ1的第二接收换能器的信号为：
Figure BDA0003391670950000151
距离所述发射换能器为x+Δ2的第三接收换能器的信号为：
Figure BDA0003391670950000161
其中，Amp为接收换能器收到的接收信号；AmpCol(TR1)为第一接收换 能器所接收到的钻铤波信号；AmpCas(TR1)为第一接收换能器所接收到的套 管波信号；TR1为所述接收换能器阵列中第一接收换能器与所述发射换能器 之间的距离；x+Δ1为所述第二接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x+ Δ2为所述第三接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x为所述接收换能 器阵列中作为基准的接收换能器与所述发射换能器之间的距离；所述第一接 收换能器为所述接收换能器阵列中从下向上的第一个接收换能器；所述第二接收换能器和第三接收换能器为所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接 收换能器；ATTCRE为所述接收换能器阵列的钻铤波衰减率；ATTNRE为所 述接收换能器阵列的套管波衰减率；
所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比 函数为：
Figure BDA0003391670950000162
其中，R为第一接收换能器所接收到的钻铤波信号与套管波信号之间的 信号幅度比，
Figure BDA0003391670950000163
具体的，依据不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数、测 量误差以及所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合方式，构造 随钻声波套管波衰减的反演目标函数。
优选的，根据所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间 的信号幅度比函数与所述测量误差得到包含测量误差的信号幅度比函数：
Figure BDA0003391670950000171
其中，δ(x,Δ1，Δ2)为所述接收换能器阵列的测量误差；
根据所述接收换能器阵列中的接收换能器数量确定所述接收换能器阵列 中各个接收换能器的信号的组合数量，并得到所述随钻声波套管波衰减的反 演目标函数；其中，所述反演目标函数Ω(ATTNRE，R)为：
Figure BDA0003391670950000172
其中，n为所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合数量。
所述探测模块802，用于在测井深度区间内的多个探测位置出进行套管井 随钻单极声波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号；
所述运算模块803，用于针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列 波形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各 个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目标函数中并利用最优化 算法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率；
具体的，针对每个探测位置，对该探测位置对应的阵列波形信号进行希 尔伯特变换，计算所述阵列波形信号的包络曲线；
依据所述包络曲线，计算在预设时间窗内各个接收换能器的信号能量值 作为各个接收换能器的首波信号的能量值。
具体的，利用如下公式计算所述首波信号的能量值：
Figure BDA0003391670950000181
其中，En为第n个接收换能器接收到的首波信号的能量值；Tn为第n个 接收换能器对应的预设时间窗的起始时间；Tw为预设时间窗的窗长；Sn(t)为 包络曲线。
具体的，所述首波信号包括：钻铤波信号和套管波信号。
具体的，对所述反演目标函数采用最优化算法，搜索所述反演目标函数 的全局最小值对应的所述第一接收换能器所接收的钻铤波信号与套管波信号 之间的信号幅度比以及该探测位置对应的所述接收换能器阵列的套管波衰减 率。
所述确定模块804，用于依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所 述测井深度区间对应的套管波衰减率曲线。
根据本实施例提供的随钻声波测井套管波衰减反演装置，根据接收换能 器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的 反演目标函数；在测井深度区间内的多个探测位置处进行套管井随钻单极声 波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号；针对每个探测位置，依据 该探测位置对应的阵列波形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首 波信号的能量值，将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目 标函数中并利用最优化算法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率； 依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述测井深度区间对应的套管 波衰减率曲线。利用本发明提供的技术装置，通过构造反演目标函数，将接 收换能器阵列接收到的信号代入并利用最优化算法进行运算，消除钻铤波信 号对套管波信号的影响，利用得到的套管波衰减率曲线，完成对测井深度区 间进行固井质量评价。该方案有效解决了现有固井质量评价仪器无法直接进 行固井质量评价以快速得到水泥与地层胶结状况的问题，在充分保证固井质 量评价的精确度的同时，极大地提升了固井质量测量和评价的效率，有效地 提升了测井便利程度。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本 发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未 详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个 或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时 被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开 的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求 中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样， 发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施 方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身 都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自 适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以 把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可 以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者 单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴 随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或 者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴 随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相 似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其 它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组 合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求 书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理 器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当 理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本 发明实施例中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现 为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如， 计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算 机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从 因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制， 并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实 施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要 求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件 之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括 有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干 装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具 体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单 词解释为名称。

Claims (10)

1.一种随钻声波测井套管波衰减反演方法，包括：
根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数；
在测井深度区间内的多个探测位置处进行套管井随钻单极声波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号；
针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目标函数中并利用最优化算法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率；
依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述测井深度区间对应的套管波衰减率曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反演目标函数包含有所述接收换能器阵列中第一接收换能器对应的钻铤波信号与套管波信号之间的信号幅度比以及所述接收换能器阵列的套管波衰减率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数进一步包括：
根据所述接收换能器阵列中第一接收换能器与其他接收换能器之间的位置关系以及信号幅度关系，构造所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数；
依据不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数、测量误差以及所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合方式，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值进一步包括：
针对每个探测位置，对该探测位置对应的阵列波形信号进行希尔伯特变换，计算所述阵列波形信号的包络曲线；
依据所述包络曲线，计算在预设时间窗内各个接收换能器的信号能量值作为各个接收换能器的首波信号的能量值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，利用如下公式计算所述首波信号的能量值：
Figure FDA0003391670940000021
其中，En为第n个接收换能器接收到的首波信号的能量值；Tn为第n个接收换能器对应的预设时间窗的起始时间；Tw为预设时间窗的窗长；Sn(t)为包络曲线。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中，所述首波信号包括：钻铤波信号和套管波信号。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述根据所述接收换能器阵列中第一接收换能器与其他接收换能器之间的位置关系以及信号幅度关系，构造所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数进一步包括：
距离所述发射换能器为x+Δ1的第二接收换能器的信号为：
Figure FDA0003391670940000022
距离所述发射换能器为x+Δ2的第三接收换能器的信号为：
Figure FDA0003391670940000023
其中，Amp为接收换能器收到的接收信号；AmpCol(TR1)为第一接收换能器所接收到的钻铤波信号；AmpCas(TR1)为第一接收换能器所接收到的套管波信号；TR1为所述接收换能器阵列中第一接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x+Δ1为所述第二接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x+Δ2为所述第三接收换能器与所述发射换能器之间的距离；x为所述接收换能器阵列中作为基准的接收换能器与所述发射换能器之间的距离；所述第一接收换能器为所述接收换能器阵列中从下向上的第一个接收换能器；所述第二接收换能器和第三接收换能器为所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器；ATTCRE为所述接收换能器阵列的钻铤波衰减率；ATTNRE为所述接收换能器阵列的套管波衰减率；
所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数为：
Figure FDA0003391670940000031
其中，R为第一接收换能器所接收到的钻铤波信号与套管波信号之间的信号幅度比，
Figure FDA0003391670940000032
8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述依据不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数、测量误差以及所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合方式，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数进一步包括：
根据所述接收换能器阵列中不同位置处的两个接收换能器之间的信号幅度比函数与所述测量误差得到包含测量误差的信号幅度比函数：
Figure FDA0003391670940000033
其中，δ(x，Δ1,Δ2)为所述接收换能器阵列的测量误差；
根据所述接收换能器阵列中的接收换能器数量确定所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合数量，并得到所述随钻声波套管波衰减的反演目标函数；其中，所述反演目标函数Ω(ATTNRE，R)为：
Figure FDA0003391670940000041
其中，n为所述接收换能器阵列中各个接收换能器的信号的组合数量。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其中，所述将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目标函数中并利用最优化算法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率进一步包括：
对所述反演目标函数采用最优化算法，搜索所述反演目标函数的全局最小值对应的所述第一接收换能器所接收的钻铤波信号与套管波信号之间的信号幅度比以及该探测位置对应的所述接收换能器阵列的套管波衰减率。
10.一种随钻声波测井套管波衰减反演装置，包括：构造模块、探测模块、运算模块以及确定模块；其中，
所述构造模块，用于根据接收换能器阵列中各个接收换能器之间的信号幅度关系，构造随钻声波套管波衰减的反演目标函数；
所述探测模块，用于在测井深度区间内的多个探测位置出进行套管井随钻单极声波测井，获取每个探测位置对应的阵列波形信号；
所述运算模块，用于针对每个探测位置，依据该探测位置对应的阵列波形信号确定该探测位置对应的各个接收换能器的首波信号的能量值，将各个接收换能器的首波信号的能量值代入至所述反演目标函数中并利用最优化算法进行运算，得到该探测位置对应的套管波衰减率；
所述确定模块，用于依据多个探测位置对应的套管波衰减率，得到所述测井深度区间对应的套管波衰减率曲线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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