CN1432135A - 声频测井仪中的声频选择 - Google Patents

Abstract

一个在井孔中具有探头的测井系统，它用一个或多个偶极源发射声波、以便在井孔中最佳地激励偶极弯曲模型声波。该系统首先确定井孔中的爱里频率。而后，以基于该爱里频率所选择的偶极激励频率激励该偶极源。

Description

声频测井仪中的声频选择

技术领域

本发明涉及通过在钻孔中发射声波、并处理所得到的声波波形数据而描述地下构造物理特性的方法，具体地涉及通过选择发射声波的声频率而在井孔中最佳地激发偶极弯曲型声波的方法。

背景技术

在天然油气(例如，油)层的开采中，井孔一般从表面位置钻入地下。通常进行井下各种现象和特性的测量以确定与地下资源或构造相关的各种特性或与井孔处理相关的其它特性。为了进行这种测量，各种井孔传感器或检测器可被设置在钻头内、井底(或井孔)组件(BHA)内、井下马达之上的钻柱内、或设置在地表面之下钻柱的任何部分。井孔传感器通常放置在诸如测井电缆的特殊设备内，测井电缆被下放到电缆孔中。井下测量仪器也可设置在井孔中产生信号的各种信号源，以便测量仪器中的传感器在穿过井孔和/或井孔周围的地下构造之后进行检测。

检测或测量数据通常被发送到地面并可进行储存、处理或其它使用，例如发送到监测器并控制钻井操作。由下井仪测量或检测的数据一般借助各种遥测技术和系统发送或遥测返回到地面的接收器和处理设备，例如使用硬线电缆或测井电缆仪，硬线电缆或测井电缆仪设有基于电感耦合或其它原理的将数据发送到地面的电和/或光纤导体。

除测井电缆遥测技术之外的遥测技术也可用于将检测数据发送到地面。例如，MWD(钻探时测量)和LWD(钻探时测井)技术有时被用于井下测量，典型地，通过钻柱本身应用钻探液体或泥浆脉冲遥测术、电磁遥测术、或声学遥测术而向地面发送数据。声学井孔遥测术和相关的调制方案在S.P.Monroe所著文章“在泥浆遥测术中使用数字数据编码技术”中公开(Proceeding of the 5th SPE Petroleum Computer Conference，Denver，Jun.25th-28th，1990，SPE 20236，pp.7-16)。

利用穿过地下构造的声波的检测可确定地下构造的特性。所以，一种井下测量是利用声音发生器或发送器产生的声波测量，其中声波穿过井孔和/或地下构造。于是，在碳氢化合物开发和勘探的种种阶段声波测井被使用。

例如，利用测井电缆将声波测井仪下放到打开的井孔中。这种有时被称作测井探头的仪器通常设有一个或多个声波发生器或声源(发送器)、和一个或多个声波接收器(通常为水下检测器)，声波发生器与声波接收器在该仪器上以预定距离分开。声波测井仪一般根据施加到声波源上的激励或驱动电压波形以脉冲形式发射或“触发”声波。这些发射的声波穿过井孔周围的构造、而后在接收器被检测。之后，所检测的声波信号经过例如测井电缆内的电线发送到地面，用于处理、存储、监测、或其它目的。除了打井测量外，声波测井仪也可用于探井测量。

声波主要能以两种形式通过岩石构造：体波(body wave)和表面波。在岩石中通过的波有两种体波：剪切波和挤压波。挤压波或P波是在声波通过岩石构造时被突然压迫所产生的压缩和膨胀波。在挤压波的情况下，小颗粒振动在波传送的同一方向上产生。剪切波或S波是当物体从侧面被碰撞时所产生的具有剪切作用的波。在这种情况下，岩石颗粒运动垂直于波传送方向。

表面波是在井孔周围所发现的来自井孔中的源所反射的复杂的井孔导向波的反射波。井孔导向表面波的最普通形式是斯顿莱(St)波。这种声波形作为从例如单极的(非定向的、或对称的)源产生或发射的声波结果可被接收器检测。单极源主要产生与挤压和剪切首波一起的模型系列波。

偶极(定向)源和接收器也可在某些方面使用。偶极源激励与挤压和剪切首波一起的井孔模型的弯曲系列波。弯曲模型波可称作弯曲波。声波还沿仪器本身穿过井孔中的的液体。在不与构造相互作用的情况下，这些波不会携带有用的信息，并且如果它们与被检测波具有相似的传播速度则会影响被检测波的波形。

偶极发射器主要包括能从其“扬声器纸盆”两侧发射压力脉冲的动圈式扬声器。扬声器纸盆一般是压电源或盘，例如直径2”的钛盘。当(具有驱动或激励波形的)电流信号通过线圈时，盘产生平行其轴的振动，并在测井探头一侧的井孔液体上产生正压力、而在其它侧上产生负压力。在应用偶极源时，附加剪切/弯曲波沿井孔传播、并由响应发自该源的偶极信号的井孔的弯曲作用引起。接收器可以是水下检测接收器，它以距声波产生器规定的距离沿井孔轴设置在仪器中。

各种单极信号源和转换器已经被应用或提出。它们包括，例如，在Schlumberger＝s DSI仪中使用的电磁转换器装置(见Hoyle et al.的US4,862,991，1989.09.05公开；Kitsunezaki的US4,207,961，1980.06.17公开；Ogura的US4,383,591，1983.05.17公开)；被磁致伸缩激励器驱动的连接质量振动器(例如，见S.M.Cohick&J.L.Butler的“Rare-EarthIron＞SquareRing＝DipoleTransducer”，J.Acoust.Soc.Am.72(2)(Aug.1982)，pp.313-315)；在例如Baker Atlas的XMAC仪中使用的压电弯曲器装置(例如，见Angona et al.的US4,649,525(1987.03.10公开))；例如在MPIXMAC仪中使用的、与声波导向系统中的液体接触的磁排斥转换器驱动板(例如，见Gill et al.的US 5,852,262)；以及在US4,709,362(Cole)和US5,135,072(Meynier)中提出的主要用于地震应用的偏心轨道物质。

声波在地下岩石构造中穿过的速度由岩石的诸如密度和弹性力学常数的力学特性、和诸如岩石中液体的量和种类、岩石颗粒结构及粒间粘结度的其它构造特征所控制。所以，测量声波在井孔中的传播速度可借助与开采油气井所需的那些特性相关的参数来描述周围构造的力学特性。声波的速度经常表示为1/速度。由于仪器上的声波源和接收器按已知和固定的长度分开，所以声波在通过仪器两点之间所产生的时间差(△T)直接与构造中声波的速度/慢度相关。于是，地面处理设备对于各种声波一般通过确定所测量的源与接收器之间的通过时间来确定给定声波的速度。之后，以给定频率发射的给定声波的速度通过适当的处理确定构造特征。

例如，声波测量可用于：对均质断裂岩石的鉴定；岩石孔隙度的测定；相对气体鉴定填充在多孔构造的油；对多孔构造中泥浆液体对井孔附近侵入的鉴定；构造的过压区；测定可在井孔附近产生径向变化的大构造应力存在。这种声波测井技术是已知的。例如，见Jay Tittman，Geophysical WellLogging，Oralando，Fla.：Academic Press(1986)；IllustratedPhysical Exploration，Physical Exploration Society(1989)；Bikashk.Sinha & Sinha k.Sinha & Smaine Zeroug，“Geophysical ProspectingUsing Sonics and Ultrasonics，”in John G.Webster，ed.WileyEncyclopedia  of Electrical and Electronics  Engineering，NewYork：John Wiley & Sons，Inc.(1999)，pp.340-365。

偶极声波测井仪有时优选单极测井仪，这是因为前者不能在剪切慢度超过液体压缩慢度(180-200μs/ft)的构造中测定剪切△T。在井孔中应用偶极声波传播，这个物理限制被消除，并且远大于液体慢度的剪切慢度可被测量。如上所述，偶极发射器的作用很像活塞，它在井孔一侧产生增大的压力、而在其它侧减小压力。于是，产生小的井孔弯曲，该弯曲直接在构造中导致挤压和剪切波。挤压波大多直接穿过构造，而剪切波多沿井孔壁传播。当剪切波向井孔上方传播时，它在与其一起传播的井孔流体中产生压力差。这个压力差被声波测井仪即s定向声波接收器检测。与单极声波测井仪不同，不论波速如何，偶极测井仪总能够记录剪切波。

在偶极剪切波后面的是弯曲波，它被井孔的弯曲作用激励。弯曲波是非常频散的(即，它们的速度是频率的函数)。由于弯曲波的低频成分以构造剪切慢度传播、即以与剪切慢度波相同的(但低于挤压波的)速度传播，所以弯曲波的持续时间较长。于是，即使构造的剪切波和弯曲波一起移动，剪切波也可被检测，因此构造的剪切慢度可直接根据弯曲频散和实际剪切波测量而确定或估算。例如，可根据测量的井孔弯曲频散估算剪切速度的径向变化。例如，见US5,587,966(Kimball et al.，1996.12.24公开)中所述的用于根据测量的弯曲波推导井孔信息的技术。

在历史上，作为剪切波测井的一种变通方法，弯曲波测量已经被应用于构造剪切慢度慢到剪切首波不能在井孔中产生的情况中。弯曲波测量是基于弯曲波慢度接近构造的剪切慢度这一事实。

不过，弯曲波被认为携带比剪切波较多的信息。弯曲波的状态对于井孔的各种物理特性较敏感。具体地，弯曲波的频散关系表示诸如应力产生的各向异性的各种有用信息。该构造、特别是“慢”构造中的剪切慢度可根据测量的弯曲波的频散曲线而估算。相关技术在Bikash K.Sinha，Michel R.Kane，Bernard Bernard Frignet & Robert Burridge的“Radial Variationsin Cross-dipole Shear Slownesses in a Limestone Reservoir”[在这里引用]中公开。

另外，随着弯曲模型传播(flexural mode propagation)的知识的增加，弯曲测井可被扩展以确定其它有用信息。例如，它也可用于各向异性处理，其中，诸如DSI仪的仪器在快构造中运行以发现相对井孔径向平面内的各向异性。这种各向异性处理用于确定井孔周围构造的特性，这些特性基于角方位而不同。对于声波测井，各向异性一般表现为正交径向平面中的传播速度差。典型地，慢速方向平面和快速方向平面相差90°。这种各向异性可与例如构造中的应力等动力的数量相关。所以，这种信息可在例如设计断裂操作进而根据构造进行生产中使用。

因此，它可用于激励、检测和分析弯曲波。具有偶极源的下井仪一般以单个的固定激发频率发射声波。不过，与用发射器对于给定测量的所用可能的最佳或理想声波频率相比、偶极发射器的声波频率对于给定构造和在井孔中某位置的井孔并不是最佳的。其一个原因是频散分析所需的频带宽度是基于井孔直径和构造慢度而变化的函数。所以，对于给定构造，如果使用非最佳激发频率，则最佳弯曲波激励将不会发生。于是，当检测和分析接收声波中的弯曲模型时，只能得到比更多能量被耦合到弯曲模型波中、即该弯曲波被发射的声波更佳地激励时所能得到的信息少的信息。

为保证给规定应用提供适当的激励，一个可行方案是提供宽频带偶极源，该偶极源产生超宽范围的频率，以便不论在什么情况下都能确保发射理想的声波频率。但是，这个方案需要具有较大(因而更昂贵和复杂的)动态范围和在产生这种信号宽频带时的较高功率消耗的探测系统。由于实用测井仪具有限制功率的发射器和有限动态范围的接收器，所以不能发射足够功率和宽频带信号，而只能使用窄的频率范围。但是，在这种情况下，如果对给定井孔和构造特征使用错误的激发脉冲频率，则不能得到超过足够频带的有用信号。使用宽频带偶极源的另一个问题是得到的声频波形会含有诸如偶极挤压波形的不希望的模型。

因此，当偶极声波测井的潜在应用增加时，必需选择理想的声波偶极发射频率(源信号)、以便最佳地激发井孔中的偶极弯曲模型波。

发明内容

在本发明中，测井系统具有位于井孔中的测井探头，它发射具有一个或多个偶极源的声波、以便在井孔中最佳地激发偶极弯曲模型声波。该系统首先确定井孔的爱里(Airy)频率。而后，偶极源在基于爱里(Airy)频率而选择的偶极激发频率被激发。

附图说明

图1是本发明实施例的测井系统的示意图；

图2是表示从图1系统的测井仪的每个接收器站所得到的偶极波形中弯曲成分的到达时间的确定的示例图；

图3-8是表示从沿图1的声波仪发射的沿该声波仪长度相互分开的声波接收器阵列所接收的声波信号的示例波形；

图9是由图1声波仪的偶极发射器提供的多个可选择源波形的振幅对频率的曲线图，每个源波形具有不同的激发频率和频率范围；

图10A-C是用于驱动声波置换器的激励波形的曲线图；

图10D是分别由图10A-C的激励波形所产生的声波波形的频谱曲线。

具体实施方式

如上所述，必需激励弯曲波。而后，检测和分析这些波以确定诸如指示构造剪切慢度的传播速度的信息。有关井孔和地下构造特征的其它信息也可通过分析所测量的弯曲波而确定。例如，可对正交弯曲测量的频散进行分析以确定井孔壁周围构造中的应力分布。于是，弯曲波的传播速度和这个速度在井孔周围的变化、以及所测弯曲波的其它特性均可产生有关井孔周围地下构造的有用信息。

为了提取这种信息，足够能量的弯曲波必需被激励、并从震源传播到井孔中的接收器。在实施例中，希望在井孔爱里(Airy)频率周围的频带中具有足够能量的弯曲波；具体地，在实施例中，该频带是井孔爱里(Airy)频率的一半到两倍。这将很好地使能量耦合为弯曲模型。实验结果和理论分析已经证明，将激励频率设置成爱里(Airy)频率可最佳地激励偶极弯曲波。在给定激励频率激发意味着用偶极发射器发射的声波具有该激励频周围的频率范围或带宽。激励频率可被认为是例如线性、对数或其它读出值的激励频率范围的“中心”频率。例如，具有爱里(Airy)频率的一半到两倍的激励频率可被看作在爱里(Airy)频率被激发。

在本发明中，测井仪的偶极发射器可利用相应驱动或激励波形通过选择多个可能的激励频率之一而激发、而不是不变化地重复激发预先的激励频率或应用宽带偶极源。具体地，偶极发射器在激励频率(超过给定的频率范围)被激发。这个激励频率是多个可得到的激励频率之一，它最接近井孔的爱里(Airy)频率或基于爱里(Airy)频率。

爱里(Airy)频率基于井孔因数，例如；井孔直径和构造剪切慢度。在本发明中，作为井孔直径和构造剪切慢度的函数，爱里(Airy)频率借助恰当和十分精确的技术而确定或估算。偶极发射器随电压脉冲而博动，足以在爱里(Airy)频率产生声脉冲。在实施例中，声频脉冲具有约从爱里(Airy)频率的一半到爱里(Airy)频率的两倍的频率范围，以提供最佳的弯曲波激励。

本发明的声测量技术具有很多优点。第一，取代固定的和常规的非最佳激励频率，可根据主要条件快速选择激励频率、以便得到最佳弯曲波激励。第二，由于不需要应用宽频率范围的“猎枪方案”，所以这一技术是能量有效的。第三，由于单一频率是一次使用的，所以波形不包含诸如偶极挤压的不需要的模型。另外，因为这一处理可由井孔中的处理和控制设备自动地进行，所以现场工程师不必选择激励频率。

在一个实施例中，根据本发明的方法，借助仪器中的微控制器或处理器、利用相关的井孔测量值进行爱里(Airy)频率的估算。本发明可应用仪器本身的和/或地面上的处理器、并在无论使用电缆测井或是LWD中、均可在打井或探井环境中使用。

抽油装置系统

图1是本发明测井系统100的示意图。诸如系统100的测井系统一般包括：地面处理设备2，它位于井孔8附近的地面5；声波测井仪或探头3，它可在井孔8内上下运动；测井电缆4，用于处理设备2与仪器3之间的机械和电耦合。井孔8具有外壳或侧壁9。地面设备2包括可转动鼓6，它连接测井电缆4的一端。鼓6卷绕或释放电缆4以使仪器3在井孔8中运动。电缆4经延伸部分4＝被连接到地面设备2的计算机11。

在实施例中，如图1所示，仪器3是声波测井仪，它包括具有一对沿径向平面正交设置的(上和下)偶极源12和单极源(未示出)的发射器部分。声波隔离接点或隔离片部分将具有偶极发射器12的发射器部分分离和连接到接收器部分，该接收器部分包含隔开的接收器站阵列。接收器站的数量取决于所使用的具体仪器。该站一般是八个，但也可以是十二个或十六个站。每个接收器站包含水下检测器或接收器，它们是相等地设置在仪器3周围的检测元件。典型地，在每个站上设置四个水下检测器，但也可设置八个。在每个站14，一对相对的水下检测器与一个偶极源12排成一行，另一对相对的水下检测器与正交源排成一行。电子线路部分(未示出)连接在仪器3的顶部、并允许仪器3与地面设备2之间经电缆4沟通。

仪器3还包括诸如微控制器或微处理器13的处理器，处理器用于控制单极和偶极发射器12的激励。在使用中，声波信号由发射器12产生、并在穿过构造和/或井孔8之后在接收器站14的水下检测器处被检测为声压。在本发明的实施例中，微处理器13用于确定最佳激励频率、即在激励偶极发射器12中所使用的基于Airy频率的激励频率，以便最佳地激励弯曲模型波。此外，地面上的处理器、例如处理设备2的处理器11也可用于运一目的。

无论使用哪个处理器，该处理器首先估算井孔爱里频率。在实施例中，爱里频率通过如下所述地发射、检测和分析初始声波而确定。确定爱里频率后，处理器根据爱里频率选择用于偶极发射器12的激励频率。所选择的激励频率使偶极发射器12在或接近爱里频率处激发声波脉冲，以便最佳地激励弯曲模型波。发射器12能在所选择的多个激励频率之一发射声波。这可利用结合图10A-D详细说明的查阅表(LUT)而进行。将爱里频率输入LUT，而后选择最佳激励波形以驱动该源，以便实现具有频率中心尽可能接近爱里频率的频率范围。通常，激励波形和所产生的声音信号根据爱里频率被选择。

得到的最佳激励弯曲模型波在接收器14被接收，激励时间和接收的波形被发射到地面系统2以便用常规处理技术进行处理。可以理解，接收器是测量压力的水下检测器。随时间的压力变化是接收的声波信号，该信号是从每个水下检测器输出的波形。接收器部分14的每个水下检测器输出随时间变化的压力信号，该声波信号变化模型的到达所引起的压力变化从该震源经构造和/或井孔而传播。

应当注意，被接收站14的接收器检测的波形包括来自声传播、挤压、剪切、弯曲、偶极、单极等不同模型的到达波。这些检测波形必需以某种方式进行分析以确定与该模型(到达波模型)相关的模型。在实施例中，由仪器3输出并传送到地面的信息是数字的。该信号可被仪器或以水下检测器电平形式数字化。在另一个实施例中，模拟波可由水下检测器产生并以模拟形式发送到地面。

由水下检测器测量的波形以数字或模拟形式发送到地面处理设备2以便提取各种信息。在另一实施例中，一些或全部的分析和处理可由仪器本身的处理装置完成而不必在地面进行。

爱里频率确定

利用爱里频率产生“最佳”激励的目的是确保所发射和检测的波形在所需频率范围内包含足够的能量。因此，本发明必需确定爱里频率。而后，可利用所确定的爱里频率选择能够产生“最佳”激励频率范围的、例如一个与爱里频率的一半到两倍的频率范围最匹配的激励频率范围的发射器激励波形。

在本发明中，爱里频率由微处理器13根据由下式给出的众所周知的井孔直径、爱里频率、和构造剪切慢度之间的关系来确定：

Df_AS.0.65                            (1)

其中，D，f_A，和S分别是井孔直径、爱里频率、和构造剪切慢度。为了计算爱里频率f_A，必需提供井孔直径D和构造剪切慢度S。并孔直径通常是已知的或容易被测量的，所以可方便地提供。但是，弯曲到达波的慢度估算、即S是未知的。所以在本发明的实施例中首先确定S、以便确定f_A。爱里频率(或S)可用于选择偶极发射器的最佳激励频率、即最接近爱里频率的激励频率，该频率能最佳地激励弯曲波。

为了估算f_A，主要进行四个步骤：

1.检测波形中的弯曲模型的到达时间(这种来自波形的弯曲模型信息用于检测构造的剪切慢度S)；

2.根据跨过接收器14阵列的到达时间估算ΔT(这是基于已知的发射器激发时间和发射器到接收器的距离、根据上述步骤1所检测的弯曲到达时间所计算的弯曲模型ΔT)；

3.根据估算的ΔT计算S；利用基于S的输入的井孔直径计算爱里频率(如上述公式(1)所示，爱里频率与剪切慢度相关；由于S与ΔT相关，所以爱里频率可根据ΔT确定)；

4.根据计算的爱里频率和操作模型、选择适当的激励波形。

因此，在本发明中，首先确定构造剪切慢度S。而后，根据公式(1)和给定的已知井孔直径D确定爱里频率。可通过比较在每个接收器站14的弯曲波的到达时间、确定慢度S。例如，假定我们有两个相隔距离x的接收器，剪切波的到达时是t1和t2(t1＜t2)，于是ΔT＝(t2-t1)。慢度S可计算为S＝(t2-t1)/x＝ΔT/x。(应当注意，表达式ΔT有时也用于表达慢度S)一旦ΔT被计算、且用于计算慢度S，则可通过公式(1)根据S和D计算爱里频率f_A。

上述步骤4中使用的术语“操作模型”表示用于不同测量目的的不同测量结构。例如，如果操作员只希望得到低频弯曲模型，则在给定操作中，信号的带宽可以不考虑。在某些情况中，操作模型是一个扫频，在该情况中不使用“最佳”频率。在这种情况下，操作模型覆盖所选择的频率。

下面，将具体地说明这些步骤中的每一步骤。可以理解，可借助对这里所述步骤进行适当的计算机编程而执行对f_A进行估算的步骤。

到达时间检测

第一步是从每个接收器站检测出偶极波形中弯曲成分的到达时间。图2中示出了表示这种到达时间的曲线210、220、230。这可在测井开始时不进行估算最佳频率的初始声波激励中进行。给定接收器14所接收的波形被提供到微处理器13。根据第一激励所得到的波形确定第二激励频率。进一步慢度估算和激励将以相同方式进行。在实施例中，缺省的初始激励频率被编程到仪器中，如果操作员认为另一频率更有利于起动，则可修改该初始激励频率。

如曲线210所示，输入波形是“断开的”。这是通过扫描输入波形并记录数据符号从正改变到负的位置所作出的。找出该位置后，微处理器13检索到达时间和局部最大值的振幅、并计算数据点的数值，直到符号再次改变(即，测量半周期)。在找出局部最大值中，波形最大振幅的20％的临界值可被使用。在曲线210中，零点交叉被检测，所确定的交叉点之间的局部最大值、即唯一的正数据被考虑。结果系列中的每个点均与正交波形中的点对应。在后期处理的20％临界值(或无论选择什么％临界值)的结果系列中的连续点的组被认为与一个到达波相关。因此，在图2所示的实例中存在如曲线220中的两个相应峰所示的两个到达波。

在第一扫描之后，我们得到如曲线220所示的输入波形的包络线，其中，断开的波形被分成波包。

在第一扫描期间找出的四个数值与包络线的每个点相关，即：

chop_time：    正值部分的开始时间。

chop_itvl：    负值部分的周期。

chop_tmax：    峰的到达时间。

chop_xamp：    峰的振幅。

接着，除了第二扫描找出取代零点交叉的临界交叉外，执行本发明步骤的微处理器13以与第一扫描相同的方式扫描该包络线。在第二扫描后，我们得到如曲线230所示的几个波包和如下有关每个波包的信息：

pckt_time：  波包中第一峰的指数。

pckt_tmax：  波包中最大峰的指数。

可以理解，上述字符串可用作执行本发明方法的程序码中的变量或参数。对于给定周期的220中的点被变换返回到正交波形以判定所查询的峰。这些峰是指上述的“波包”。

到达时间检测的最后步骤是选择最类似该弯曲模型的波包。在这个阶段，对输入波形的特性进行某些假设。假定波形的主要成分是偶极挤压的、弯曲的、和泄漏斯顿莱模型。设置这个假定是因为无论以什么频率驱动、偶极发射器12只能产生上述状态的波。

图2所示的波形具有多于一个的成分、并且只有弯曲成分。该目标能决定与弯曲模型相关的波包。为了选择恰当的弯曲成分，微处理器13计算用于每个波包的、被限定为波包振幅的积(pckt-xamp)能量(enrgy)和波包中具有最大振幅的峰的周期(freqs)。大能量意味着低频率和/或高振幅。于是，如曲线230所示，具有最大能量的波包可被选择。弯曲到达波的频率通常比挤压到达波的频率低，所以具有较高的能量值。

在能量计算之后，一个波包被选择。如果前一步骤只找到一个波包，则该波包被选为弯曲成分。如果在波形中有两个以上的波包，则可通过比较所找到的波包的能量、除去偶极挤压模型。由于偶极挤压模型通常具有高于弯曲模型的频率，所以具有较大能量的波包被选择、以便提供对弯曲模型到达时间的估算。每个波包、即在波形中找到的模型具有与被限定为波包开始时间相关的到达时间。因此，选择恰当的波包意味着选择被认为是表达弯曲模型并因此提供剪切慢度的一个到达时间。

术语“斯顿莱污染”是指斯顿莱模型泄漏到偶极波形中的现象。即使斯顿莱模型通常与单极信号相关，偶极发射器12也可在例如仪器偏心的某些条件下产生斯顿莱模型。斯顿莱污染很难解决。由于斯顿莱模型的频率小于弯曲模型、且它们的振幅有时是可比的，所以斯顿莱模型的能量可大于弯曲到达波的能量。因此，在斯顿莱污染的情况下选择具有最大值波包是不恰当的。即，上述方法(选择具有最大振幅的波包)不能将弯曲波包从斯顿莱波包区分。于是，为了适当地控制斯顿莱污染，应比较最高和第二能量。如果最高能量大于第二能量，具有最大能量的波包被选择为该弯曲。否则，较早到达的波包被选择。在一个实施例中，参数权(weight)被引入、以限定区分上述两种情况的临界值。在以上计算之后，得出以下参数：

peak_Ts：   所选波包的到达时间。

packet_Ts： 该波包中的峰的到达时间。

interval_s：该波包中最大峰的周期。

ΔT估算

上述到达时间检测步骤被施加到由接收器阵列所检测的波形阵列中的每个偶极波形上。如上所述，这个波形阵列是由前面激励所得到的，即该波形来自给定激励的每个接收器站14。对于每个波形计算两种到达时间：波包的开始(packet_Ts)、和波包中峰的到达时间(peak_Ts)。在该波传播时由于多个波包中的峰的位置因频散而移动，所以只使用波包中的峰到达时间不足以确定该波包的到达时间。在这种情况下，波包开始时间给出较好的波包到达时间的估算。

在ΔT估算中，把对于阵列中每个波形所计算的到达时间汇聚在一起、并进行统计处理。该处理施加到两组并行的到达时间。首先，计算相邻接收器之间的到达时间差(peak_dts和pckt_dTs)。而后，将该差的中间值作为对到达时间差的估算(peak_dT和pckt_dT)。

之后，计算ΔT估算的质量指标QC。它被限定为位于该中间值的特定公差内的取样数。QC表示横跨阵列的到达时间差的一致程度，它可用作慢度估算的质量控制参数。

在此，两个不同的ΔTs和QCs如上所述地被计算或估算。能产生较大QC的ΔT被选择。这能以执行本发明实施例的编码提供下面的可变量：

deltaT：   估算的相邻接收器之间的到达时间差。

interval： 所选波包中主频率成分的半周期。

qc：       表示估算质量的参数。

激励频率选择

井孔的爱里频率f_A可被计算为如下的估算ΔT的函数：

f_A＝(0.65Adz)/(DAΔTAdt＝)                  (2)

其中，D、dt和dz分别表示井孔直径、取样周期、和轴向接收器间隔。另外，所选波包(f_x)中的主频率fx可计算为：

fx＝1/(2τAdt)                         (3)

其中，τ是波形中主频率的半周期(interval)。

在实施例中，在找到适当激励频率之前，用QC、fx和f_A检查估算的质量。首先，检查QC看它是否满足下式： $\mathrm{QC}\∃\[(N!1)/2\]---\left(4\right)$

其中，m＝(N-1)/2；[m]是不大于m的最大的整数，N是波形的数目。例如，对于八个接收器站阵列(N＝8)，m＝3.5和[m]＝3。如果 则不等式(4)的条件被满足。如果不等式(4)的条件被满足，则本发明的方法认为该慢度估算是可靠的。

但是，有一种情况下即使QC足够大我们也不能依赖该估算：当波形只具有非常清楚和很强的挤压到达波时。在这种情况下，该工作步骤“忠实地”发现挤压模型的慢度。当波形只具有挤压到达波时，上述工作步骤不能区分只具有挤压成分的波形的状态和只具有弯曲成分的波形的状态。

所以，在实施例中，上述工作步骤被改进以便区分两种以上两种状态。这个改进如下所述：为了帮助识别挤压到达波，计算f_x相对f_A的比例。如上述等式所示，f_x是所选到达波的主频率，f_A是当所选到达波是弯曲波时所希望的主频率。当所看到的波形中的频率成分明显地大于根据慢度和井孔直径所预期的频率时，f_x/f_A比例具有较大的值。因此，执行本发明步骤的微处理器13可以确定，如果比例f_x/f_A大于将被给定为临界参数(com_flex)的特定值，则估算的慢度不适于弯曲波、但适于偶极挤压波。

如果通过了这些质量检查，则按如下所述地利用查阅表(LUT)选择激励波形。另外，如果这些质量检查没有通过，则使用前一次激励的激励波形，直至不可靠估算的连续数目不大于某个临界整数N的可靠估算可被得到。如果劣质估算持续大于N个激励，则缺省激励频率被使用。

实验结果

结合图3-8描述了根据本发明慢度估算步骤实施例的得到的实验结果，图3-8示出了从仪器3的发射器12发射并被沿图1中声波仪3的长度相互隔开的声接收器14的阵列所接收的声信号的示例波形。每个波中开始的(最左侧的)垂直黑短线表示所选波包的开始，而每个波形的第二个这种短线表示所选波包中峰的到达时间。

图3表示中速构造的实例。从图中可知，每个波形中只有一个波包，并且开始时间不完全一致。这种情况可在偶极挤压和弯曲波的分离不充分时发生，并且挤压模型的振幅略大于弯曲模型振幅。另一方面，这个结果中的峰到达被完全对准。在这个实例中，本发明的步骤将该峰到达作为到达时间的估算。

图4示出了表示本发明方法如何处理斯顿莱污染的波形系列。由于这种污染，或许由于泄漏到偶极测量中的斯顿莱模型，在第三、第四和第五波形中不能发现两个波包。由于这些波包能量是可比的，该步骤比较第一和第二波包的能量、并随后选择较早的到达波。由于其它波只有一个波包，所以峰的到达时间实际上是不同的。因此，在这种情况中，波包的开始时间被很好地估算。

图5表示导致慢构造的波形系列。这个实例说明在这里所作的这种估算中具有风险。可以看出，在波形中具有强的偶极挤压到达波，并且弯曲模型小于该偶极挤压到达波。上述工作步骤将该挤压到达波识别为弯曲到达波。即使很差，该质量控制参数(错误地)表示该估算是可靠的。这种情况难以自动控制。在某些情况中，因这种波形所导致的结果可通过比较所选波包中的估算频率和主频率而消除。

图6表示由图5中波形的同一油井和井孔所导致的波形系列。这个实例中的波形包含所有的三个模型(偶极挤压的、偶极弯曲的、和泄漏的斯顿莱)，这些波形可由本发明的步骤进行处理。可以看出，该工作步骤从第一到第五接收器的波形中发现两个波包，而在其它波形中发现三个波包。这种差别的原因是，当波进一步沿井孔传播时、斯顿莱与弯曲波形之间的分离增大。在这种情况下，本发明的工作步骤选择适当的到达时间。被估算的该到达时间是波形中弯曲成分的到达时间。这个估算的到达时间用于如上所述地估算可用于估算爱里频率的弯曲波的慢度S。

于是，在本发明中，最佳声波偶极激励频率被确定，它将最佳地激励井孔中的偶极弯曲模型波。这可通过设置尽可能接近井孔爱里频率的激励频率而实现。因此，被接收器检测的声波将包括能在地面进行分析以提取构造特征相关信息的弯曲模型。如上所述，弯曲模型波的各种特性可被分析、以确定构造和井孔的诸如构造剪切慢度和在井孔壁附近的应力分布的构造和井孔特征。

为了提供具有达到上述目的的足够能量的弯曲波，声发射器以尽可能靠近井孔爱里频率中心的激励频率而激励，具体地，在实施例中，该频率范围覆盖具有充足能量的爱里频率的一半到二倍。为了确定该爱里频率，初始声波被激励，而后进行上述的分析(例如，接收这些初始声波并确定慢度S)以估算该爱里频率。

利用下面的步骤确定和估算爱里频率本身。首先，确定用于接收波阵列的弯曲模型的到达时间。这可以是用于估算慢度S和爱里频率的初始激励的结果。弯曲模型的到达时间通过选择最类似该弯曲模型的波包而确定，该选择通过比较波包能量和以上具体说明的相差计算而得出。然后，根据波包的开始和波包中的峰的到达时间对所选择的波包估算到达时间。之后，用两种到达时间测量ΔT。较好“质量”的ΔT被选择并根据它产生最高的QS。由于慢度S与ΔT相关，爱里频率与慢度S相关(对于给定的井孔直径)，因此，井孔的爱里频率f_A被计算为估算的ΔT的函数。这实际上可以或不可以包含计算S的中间步骤；即f_A本身可直接根据ΔT或S确定。(如上所述，到达时间的估算质量可利用所选波包中的主频率f_x进行检测。)

爱里频率一旦被确定，则利用LUT确定用于实现所希望的尽可能接近爱里频率的最佳激励波形。在实施例中，在下文以“激励波形”为标题的详细说明中，这一过程可通过将爱里频率输入LUT以选择多个预定程序的激励波形之一而实现。另外，取代实际上对爱里频率的计算，可将慢度S或ΔT输入LUT以确定源波形。在另一实施例中，发射器具有所施加的、并在根据或基于所计算的井孔爱里频率被选择的给定激励频率(和范围)激励的激励波形。

图7-8表示劣质波形系统和处理结果。由于波形中包含许多未知模型，所以对确定弯曲波的到达时间而言、这些波形被认为是劣质波形。本发明在这种波形中不能找到一致的到达时间。

实验检测表明，本发明的慢度估算步骤对于绝大多数检测波形均能良好地执行。虽然某些波形的成功率不良，但在某些情况下，质量控制参数仍能显示估算不可靠。但是对于另外一些具有太多的诸如未知到达波、从地层界面的反射、基线漂移等噪音的波形而言，难以用自动步骤产生好的结果。不良波形质量的一个原因是可被弯曲模型的激励再聚焦。在一个示例油井井孔中的井孔爱里频率例如被判定为约6.5kHz，而源频率大大低于该频率。在这种环境中，井孔弯曲模型波的较好聚焦将增加波形中的信噪比，因此可改善这里所述方法的操作。

激励波形

如上所述，仪器3优选地提供以多个预定激励频率之一选择性激励的能力，每个频率具有伴生频率范围或带宽。这个激励频率基于爱里频率、且最好尽可能接近实施例中的爱里频率。图9表示由声波仪3的偶极发射器12提供的多个可选择源波形的振幅对频率的曲线图，每个源波形具有不同的激发频率和频率范围。每个声波源波形由施加到源发射器的特定激励波形产生。

在激励频率的选择中，该激励频率被确定为具有多种中心频率的Blackman-Harris窗口的第一导函数。y轴表示该源频谱的归一化振幅，x轴表示以kHz为单位的频率。图顶部的水平伸长的线表示被相应源覆盖的频带。频带“覆盖的”是指发射信号具有其峰振幅50％(-6dB)的频带。

其它源波形选择可根据操作和应用的需要在考虑以下因素的情况下作出：

X    激励序列的最大长度；

X    波形的形状；

X    将被一个震源信号覆盖的频带；

X    估算误差与激励能量损失之间的关系；

X    数据处理要求。

图10A-C表示用于驱动声波转换器的诸如声波偶极发射器12的激励波形的曲线图。图10A-C表示分别用于低频、中频、和高频声波波形的激励波形(相对时间)的曲线图。图10D是分别由图A-C的激励波形所产生的声波波形的频谱曲线1001、1002和1003。在图10D中，标有X的波形是常规型的源，并用于比较。

发射器12能以选择的响应驱动压电源的驱动或激励波形所引起的多个激励频率之一发射声波波形。在实施例中，LUT描述几种震源信号和相关的频带。图10A-C所示的波形表示施加到运算放大器的电流，该运算放大器通过输出具有相同波形和定时的电压而驱动该震源转换器。选择输入波形以与震源转换器和仪器的声波特征相匹配、从而给出所需的声输出。如实施例中所看到的，脉冲长度从0.002秒变化到0.008秒。这种脉冲大约每秒重复两次。LUT储存这些波形、且在从存储器调出时被施加到震源驱动器。

在实施例中，若干激励波形被制备，每个激励波形使声波发射器在某一频率范围激励声波波形。这些波形作为数字序列储存在井孔存储器中。而后，其中一个波形被具有确定爱里频率的LUT程序所选择。于是，对LUT的输入是爱里频率(数值)，而LUT的输出也是一个数值、即波形的标识或索引数。在实施例中，所选的数字序列被提供到数模转换器、并转换成模拟电压信号。这个模拟激励信号被发送到放大器，该放大器提供与输入到发射器的电压成正比的电流。

例如，假定制备三个激励波形，并且波形#1覆盖0.5-2kHz、波形#2覆盖1-4kHz、波形#3覆盖2-8kHz。三个激励波形中的每一个均通过利用具有与使发射器具有某一激励频率和范围所需的相应激励波形驱动该发射器而产生。如果爱里频率被确定为1.8kHz，则波形#2可被选择为输入到LUT的数值1.8k的结果(因为1kHz接近1.8kHz的一半，4kHz约为1.8kHz的两倍)。总之，激励波形、进而产生的声波信号和它的激励频率和频率范围根据计算的爱里频率被选择。

可以理解，输出的声波激励频率和范围也可根据震源的种类、例如某些发射器类型是原有的而某些原本是窄带的震源。不是所有的震源都能输出所有的频率。另外，由于驱动或激励波形不仅是简单的AC输入信号、它还必需根据频率整形以进行最佳输出，所以，分离的波形被使用、并对于给定的爱里频率选择能提供“最好的”激励波形的波形。

在另一个实施例中，极大数量的驱动波形和相应激励频率可被提供，以使任何爱里频率能够非常严格地匹配。在又一个实施例中，对于给定爱里频率能够产生新驱动波形的震源信号被使用，该信号将使激励频率非常接近所需的爱里频率的一半到两倍范围内的爱里频率。

因此，一旦确定爱里频率，则工作步骤将该爱里频率输入LUT以发现覆盖这个爱里频率的频带的震源。在一个实施例中，用一组对于偶极源激励波形的说明将LUT编程输入到仪器3中。它们可以是不同频率、扫频等的脉冲。于是，仪器3可从预定激励频率中进行选择、以确定尽可能接近所需爱里频率的激励频率。扫频可被使用，以使转换器从一个频率(低)开始、并沿着脉冲增加该信号频率到另一端(高)。与某种测量的单频率信号相比，某些构造能较好地响应这一激励频率。扫描波形也可在LUT中提供，但它不能通过计算爱里频率而被激励。

显然，在不脱离权利要求书所描述的本发明原理和范围的前提下，本领域的技术人员可以对已经被具体说明了的本发明的材料和部件设置进行各种改变。

Claims (19)

1.在具有井孔中的测井探头的测井系统中，一种利用一个或多个探头偶极源发射声波以便在井孔中最佳地激励偶极弯曲模型声波的方法，该方法的步骤包括：

(a)确定井孔的爱里频率

(b)以根据该爱里频率所选择的偶极激励频率激励所述的偶极源。

2.一种如权利要求1的方法，其特征在于，以在一频率范围内的偶极激励频率激励该偶极源，该偶极激励频率和频率范围被选择为尽可能接近该爱里频率的一半到两倍的激励频率范围。

3.一种如权利要求1的方法，其特征在于，还包括步骤：

(c)利用声波接收器阵列接收所述的发射声波。

4.一种如权利要求3的方法，其特征在于，还包括步骤：

(d)根据对所述声波波形的测量、确定所述井孔周围地下构造的物理特性。

5.一种如权利要求1的方法，其中步骤(a)还包括步骤：

(1)用所述偶极源在初始激励频率发射初始声波；

(2)用声波接收器接收所述初始声波；

(3)根据所述接收的初始声波确定该井孔的所述爱里频率。

6.一种如权利要求5的方法，其中步骤(a)的步骤(3)包括步骤：用位于井孔中该探头内的处理器确定所述爱里频率。

7.一种如权利要求5的方法，其中步骤(a)的步骤(3)包括步骤：将所述接收的声波信息发送到地面上的处理器、并用该处理器确定所述爱里频率。

8.一种如权利要求5的方法，其中步骤(a)的步骤(3)包括步骤：确定所述声波的弯曲模型的弯曲波到达时间，根据该弯曲波到达时间确定剪切慢度，根据该剪切慢度和井孔直径确定该爱里频率。

9.一种如权利要求1的方法，其中步骤(b)包括步骤：

将该爱里频率输入到查阅表中；

响应该输入的爱里频率，从该查阅表接收输出索引，该输出索引用于根据所选择的具有一频率范围的偶极激励频率选择已选择的多个激励波形中的一个激励波形。

10.一种如权利要求1的方法，其特征在于，所述一个或多个偶极源包括偶极源对。

11.一个用于测量井孔周围地下结构的物理特征的声波测井系统，包括：

(1)处理器，用于确定该井孔的爱里频率；

(2)具有一个或多个偶极源的探头，用于以所选择的多个偶极激励频率中的一个偶极频率在井孔中发射声波，其中，所选择原偶极频率根据该爱里频率进行选择。

12.一个如权利要求11的系统，其特征在于，该探头以在一频率范围的偶极激励频率激励该偶极源，其中，该偶极激励频率和该频率范围是被选择为尽可能接近该爱里频率的一半到两倍的激励频率范围。

13.一个如权利要求11的系统，其特征在于，该探头包括用于接收所述被发射的声波的声波接收器的阵列。

14.一个如权利要求13的系统，其特征在于，还包括根据所述声波波形的测量、确定所述井孔周围的地下构造的物理特征的处理器。

15.一个如权利要求11的系统，其特征在于，还包括：

利用所述偶极源以初始激励频率发射初始声波的装置；用于接收所述初始声波的声波接收器的阵列；和位于该探头内、根据所述接收的初始声波确定井孔爱里频率的处理器。

16.一个如权利要求15的系统，其特征在于，所述处理器通过以下步骤确定该爱里频率：确定所述声波的弯曲模型的弯曲波到达时间，根据该弯曲波到达时间确定剪切慢度，根据该剪切慢度和井孔直径确定该爱里频率。

17.一个如权利要求11的系统，其特征在于，还包括：

查阅表，用于接收作为输入的爱里频率、并响应该输入的爱里频率提供输出索引，该输出索引用于根据所选择的具有一频率范围的偶极激励频率选择已选择的多个激励波形中的一个激励波形。

18.一个如权利要求11的系统，其特征在于，所述一个或多个偶极源是偶极源对。

19.用于发射声波以便在井孔中最佳地激励偶极弯曲模型声波的探头，该探头包括：

(a)处理器，用于确定该井孔的爱里频率；

(b)一个或多个偶极源，用于以所选择的多个偶极激励频率中的一个偶极频率在井孔中发射声波，其中，所选择的偶极频率根据该爱里频率进行选择。

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