CN85109403A - 偶极声切变波测井的方法和装置 - Google Patents

偶极声切变波测井的方法和装置 Download PDF

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Abstract

在存在显著的弯曲波形至的条件下，确定地层的切变速度。从相对于钻井中某一共同位置的偶极声波探测中，获得许多波形。弯曲波形相速的低频渐近线是频率的函数，如果此渐近线存在，则该渐近线就是切变速度，如果此渐近线不存在，则需确定出多条理论曲线，再将这些曲线用于适配过程之中，以导出切变速度。

Description

本发明涉及一种偶极声波测井的方法和装置;更具体地说涉及利用偶极声源在有套管和无套管钻井中的切变波速度测井。而且，本发明涉及存在钻井干扰声波至条件下测井时，切变波速度的确定。
早期广泛采用的声波测井技术，是测量由单极（轴对称）声源所激励的压缩声波横穿0.3米地层所需的时间。这被称作“德耳塔时间”（“deltat”）测量。例如，可参见施鲁姆伯格有限公司的“声波测井”，测井说明：第一卷，原理，1972年，第37页至41页（Schlumberger    Limited，“The    Sonic    Log”，Log    Zterpretation;Volume    1，Principles，1972，pp.37-41）。另一种熟知的波，即切变波，其波速也被发现是有用的，可以在一定的条件下，由常规的单极声波测井下井仪得到。
在常规的声波测井中，当单极声源发出的能量发生模式转换并且在井壁上发生临界折射时，就会激励起切变波。遗憾的是，切变速度并非总是存在的。例如，在相对松散的地层中，由于切变速度小于或等于钻井的流体速度，切变速度便不能直接得到。在这些情况下，以切变速度传播的能量不能发生临界折射，因而没有切变能量沿井壁传播。更有甚者，在某些情况下，切变能量由于压缩波至而被强烈地误差和阻隔。
早在1967年，J.E.怀特（White）就提出一种能记录所有各种波型，包括切变波，但又不依赖于折射的下井仪。参见J.E.怀特，“休拉测井：一种建议采用的声波下井仪”，《专业测井分析工作者协会汇刊》，第八届年度测井专题讨论会，论文I，1967年（J.E.White，“The    Hula    Log：A    Proposed    Acoustic    Tool”，Paper    I，Transactions    SPWLA，Eighth    Annual    Logging    Symposium，1967）。这种下井仪包括与井壁接触的四个点力紧压于井壁支承的换能器，据说，它能激励起四种钻井波型：径向波型式，轴向波型，扭转波型和弯曲波型。图1和图2所示的径向波型和轴向波型，被看作类似于常规测井下井仪的激励源特性。图3所示的扭转波型，据说完全由切变波组成。图4所示的弯曲波型，据说由伴随井壁显著运动的切变波组成。图1-4中的矢量线，指出了所施的点力的方向，并表示成同样大小。由于扭转波型和弯曲波型作用时，直接激励起切变波，因此，即使是在慢地层中，当临界折射不能发生时，也可望探测到切变作用。但是，对于弯曲波型，怀特从慢页岩地层中只发现微弱的切变作用。
在怀特以后，还有人提出过一些其他的接触换能器或称“直接激励”换能器。例如可参见：1983年7月19日公布的授予瓦特（Waters）的美国专利第4，394，754号;1983年4月19日公告的授予瓦特（Waters）等人的美国专利第4，380，806号;1967年11月28日公布的授予埃里克森（Erickson）等人的美国专利第3，354，983号。这一类型的接触装置，从工业适用观点看，一般是不受欢迎的，因为它们严重限制了测井的速度。
对于弯曲波型，怀特还提出一种测井下井仪，该下井仪有一个能提供偶极型或对称型激励声源，它是间接地通过钻井流体，而不是直接地通过换能器与井壁接触发生作用的。每一发射换能器和接收换能器皆由钛酸钡对分半圆筒组成。例如，就发射换能器而言，它的两个半圆筒分别由极性相反的电压所驱动，因而，其中半个圆筒发射正压力脉冲，而另半个圆筒发射负压力脉冲。参见1971年7月13日公告的授予怀特的美国专利第3，593，255号。
还有其他一些类型的采用间接偶极激励声源的测井系统，被建议用于切变波测井。基苏内泽基（Kisunezaki）提出一种具有动圈或圆筒的偶极声源。圆筒的运动，在垂直于井轴方向排出一定量的水，同时从相反的方向吸入同等量的水。参见1980年6月17日公告的授予基苏内泽基的美国专利第4，207，961号;也可参见1983年5月17日公告的授予奥古拉（Ogura）的美国专利第4，383，591号。
其他用于提供偶极间接激励的换能器设计，都包含有弯曲型元件。1981年7月15日公告的安高纳（Angona）和泽马奈克（Zemanek）发明的欧洲申请专利公告第31，989号，介绍了这种设计，它包含有两个粘在一起，并镶插在一塑料封装化合物中的片状压电元件。这种设计也可参见1983年5月10日公告的授予考德威尔（Caldwell）的美国专利第4，383，308号。
一些理论研究业已导致对间接激励偶极换能器所产生的声能的物理本质的了解。怀特对类似于在上述美国专利第3，593，255号中公开的一种下井仪作了分析，他假定声源频率为12.5千赫，结果，并没有认定会有大的切变作用发生;因此，怀特并没有认为此种方法是有价值的。参见前面的怀特文章：“休拉测井：一种建议采用的声波下井仪”。基苏内泽基忽略了钻井的影响，而只考虑换能器与钻井之间的耦合，原因是声能的波长比井径要大很多。参见C.基苏内泽基，”一种切变波测井的新方法”，《地球物理学》，第41卷，第10号，1980年10月，第1489页至1506页（C.Kitsunezaki，“A    New    Method    of    Shear    Wave    Logging”，Geophysics，Volume    41，Number    10，October    1980，pp    1489-1506）。他采用将环境近似看成为一无限大均匀固态介质来处理波场，并且预言，源脉冲将在轴向以地层的切变速度无色散地传播。
在文献中人们业已对空井情况下的弯曲波型作了理论上的研究。参见A.博斯特拉姆和A·博登的“弹性表面波沿圆柱腔的传播及其被点力激励的情况”，《美国声学学会杂志》，第72卷，第3号，1982年9月，第998页至1004页（A.Bostrom    &    A.Burden，”Propagation    of    Elastic    Surface    Waves    Along    a    Cylindrical    Cavity    and    Their    Excitation    by    a    Point    Force”，J.Acoust.Soc.Am.，Vol.72，No.3，September    1982，PP.998-1004）;对充满流体的钻井，参见W·诺埃活，J·卢森堡和T·温宁的“充满流体钻井中脉冲源产生的声波”，《美国声学学会杂志》，第55卷，第6号，1974年6月，第1144页至1157页（W.Roever，J.Rosenbaum    &    T.Vinning，“Acoustic    Waves    from    an    Zmpulsive    Source    in    a    Fluid-Filled    Borehole，”J.Acoust.Soc，Am.，Vol.55，No.6，June    1974，pp.1144-57）;R·库马和S·拉姆的“无限大固态介质中充满流体的圆柱腕的弯曲振动”《声学》，第22卷，1969至1970年，第163页至171页（R.Kumar    &    S.Ram，“Flexural    Vibrations    of    a    Fluid-Filled    Cylindrical    Cavity    in    an    Infinite    Solid    Medium，”Acoustica，Vol.22，1969-70，pp.163-71）。的确，人们对弯曲波型还了解得很少，与熟知的管波型相比尤其是如此。
基于实际数据的研究也已经被进行。日本奥约（OYO）公司利用基苏内泽基的偶极声源，继续对他的切变测井方法进行研究。参见K.奥古拉“悬型S波测井系统的研制”报告1，奥约技术记录TN-34，奥约公司，乌拉瓦研究所，日本，1979年11月（K.Ogura，“Development    of    a    Suspension    Type    S-Wave    Log    System”，Report    No.1，OYO    Technical    Note    TN-34，OYO    Corporation，Urawa    Research    Institute，Japan，November    1979）;K·奥古拉，S·纳卡尼谢和K·莫里塔的“悬型S波测井系统的研制”报告2，奥约技术记录TN-39，奥约公司，乌拉瓦研究所，日本，1980年11月（K.Ogura，S.Nakanishi，and    K.Morita，“Development    of    a    Suspension    Type    S-Wave    Log    System”，Report    No.2，OYO    Technical    Note    TN-39，OYO    Corporation，Urawa    Research    Institute，Japan，November    1980）。他们发现了基苏内泽基理论没有预示出的现象，尤其是发现，直接切变波的频率成分强烈地取决于切变波速度本身;具有慢切变速度的地层比具有较快切变速度的地层所产生的直接切变波的频率要低。
应用对于测井的偶极声源频率特性的选择，人们业已作了一定程度的研究。一般说来，偶极声源的频率会影响切变波的激励和探测效率。在安高纳等人的专利申请中公开的发射换能器的频率范围大约是1至6千赫，其中主要频率大约为3千赫。
尽管技术上的这些进展，但是可以相信，在测井经常遇到的特定条件下，利用偶极或多极声源测量切变速度仍然是不精确的。
因此，本发明的目的之一就是改善偶极切变波测量的精度。
本发明的另一目的是避免钻井干扰声波至对偶极切变波测量的影响。
本发明的再一个目的是在有显著的弯曲波型的波至时获得精确的偶极声切变波测井。
利用直接获取被无套管或有套管的钻井横穿的地层的切变速度这一方法和装置，便可达到上述这些以及其他的目的。通过在钻井中某一共位置对地层的偶极声波探测，可以获得许多波形。在这一探测中，波形的带宽实际上由一上频率fu所限，fu的含义是指在等于或低于此频率时，以切变速度传播的能量占优势。而且，波形的带宽集中在频率fu的附近。作为频率函数的上述地层的切变速度和/或弯曲波型的相速，可由这些波形确定。
在一个实施例中，宽带偶极声波探测所得到的波形，先经低通滤波，暂时的切变速度Vs就由这滤波后的波形确定。滤波和Vs的确定首先是相对一初始的fcut进行的，随后再依次相对减少了的fcut值进行，直至fcut和Vs之间满足预定的关系。其最后确定的Vs，就是切变速度。
在另一实施例中，偶极声波的探测得到一组由上限源频率fux所限制的波形，从这组波形，可以确定一个暂时的切变速度Vs。波形的获得和Vs的确定首先是相对一初始的fux进行的，随后再依次相对减少了的fux进行，直至fux和Vs之间满足预定的关系。其最后确定的Vs，就是切变速度。
在第三个实施例中，频带限定的偶极声波的探测，得到一组由上限源频率fux所限制的波形。
在第四个实施例中，由偶极声波的探测，得到许多组波形，各组波形分别由各自的上限源频率fux所限。由各组波形分别确定各自的暂时切变速度Vs，对所有的Vs进行验证，以便确认，其Vs之值与相应的fux之间是否满足预定的关系。被验证满足预定关系的Vs，就是切变速度。
在第五个实施例中，存在明显的弯曲波型的波至，如果从弯曲波型的相速可以辩认出一低频渐近线的话，那么就将它看作切变速度。如果辨认不出低频渐近线的话，那末根据各个估计的切变速度，理论上便可确定许多条弯曲波型的相位速度的附加曲线，这些附加曲线都是频率的函数。这些理论上确定的曲线分别同由波形所确定的曲线进行适配比较，直至得到一个满意的最小适配误差。最后估计的切变速度被记作地层的切变速度。
在所有的附图中，凡相同的参考标号均代表相同的部件：
图1-4为先有技术图，用以说明怀特所指的径向波型，轴向波型，扭转波型和弯曲波型;
图5是依据本发明的偶极声波测井装置的平面图;
图6是依据本发明的偶极声波测井装置的电路系统方块图;
图7-10是用于了解本发明的波形图。
图11包括在几种块地层和慢地层中弯曲波型的波散和激励曲线，这些曲线有助于了解本发明的内容;
图12包括了显示三种不同的地层模型中切变波和弯曲波型之间差别的曲线，这些曲线有助于了解本发明的内容;
图13是依据本发明的一种方法的流程图;
图14是频率特性曲线;
图15是依据本发明的另一种方法的流程图;
图16包括用以说明在三种情况下的弯曲波型相位慢度和弯曲波型剩余的曲线，这三种情况是：无粘结套管钻井，充分粘结套管钻井和无套管钻井;
图17包括用以说明有套管模式的典型的相位慢度，衰减和剩余的曲线;
图18是依据本发明的再一种方法的流程图;
图19和20包括有助于了解图18的方法的曲线。
根据本发明制作的测井装置大致如图5所示。充有流体的钻井10深入地层20。偶极声波测井下井仪50为一心轴式装置，适于在钻井10中移动，通过一铠装多股电缆30与地面设备和仪器40联结。电缆30用于提高和降低下井仪30在整个钻井10中的位置，其上端通过一滑轮32，联结至一适当的滚筒绞车装置（图中未画出），绞车属地面设备40的一部分。地面设备40还包含一适当的测量轮机构（图中未画出），测量轮随电缆30的移动而转动，从而测出下井仪50在钻井10中的深度。
下井仪50包含有偶极发射器56，它与偶极接收器58和59同彼此隔开地装于换能器盒54中。尽管本发明也打算只用一个接收器或者两个以上接收器，但采用两个接收器是一种最佳方案。转换能器56，58和59最好采用间接激励型，比如前面提到的欧洲申请专利公告第31，989号中所公开的那种类型，或者是1984年2月15日公告的温鲍（Winbow）和陈（Chen）发明的英国申请专利公告第2，124，337号中所公开的类型，这两种类型引列在此作为参考。用于控制发射器56的激励，接收器58和59的信号接收，通信，下井仪50的其他功能，以及某些可能的信号处理等所有井下电路，都包括在电子线路盒52中。电子线路盒52通过电缆30中的导线，与地面仪器40联结。地面仪器40包括通信，配电装置和信号处理等其他电路。信号处理任务可以根据需要，利用专门电路或一个或多个通用处理机或微处理机来实现。
下井仪50和地面仪器40的电路系统都相当详细地示于图6中，应当了解，图6中所示的各电路单元的选择和组合，仅仅是用于说明的示例，也可以采用其他方案。发射器56的启动是由脉冲形成电路62，再经过后面的放大器64实现的，启动作用由微处理机80通过发射器接口60进行控制。所得到的声波由接收器58和59检测，它们的输出分别经过门放大器72和73放大，再分别加至模-数转换器74和75中。放大器的门控作用由微处理机80通过接收器接口70进行控制。数字化的波形被送至微处理机80，并储存在那里，以便根据要传送至地面和/或进行井下处理。
控制信号和数据分别通过井下遥测系统90和井上遥测系统92，在井下电子线路52和地面仪器40之间进行交换。井下遥测系统90与微处理机80相联，而井上遥测系统则与处理机94相联。微处理机80为任一合适的专用或通用微处理机。处理机94为任一合适的通用小型计算机，用来控制测井操作以及分析井下数据。与处理机94发生联系的还有现场工程师控制台96，诸如大容量存储单元，胶片记录仪等各种其他输入/输出装置97，以及下井仪深度指示器98等。
通过对作用于慢地层和快地层两种情况下从偶极声源产生的波形进行理论分析，并将从偶极声源产生的波形与作用于慢地层和快地层两种情况下由熟知的单极声源产生的波形进行比较，可以对本发明更好地加以了解。这里，所谓的“慢地层”一词，是指切变速度小于泥浆速度的地层，而“快地层”一词，是指切变速度大于泥浆速度的地层。
与熟知的单极声源相联系的波形，包括压缩波、切变波、管型波（〔亦称作低频斯顿萊波（Stoneley    Wave）〕、以及一些简正波。简正波只存在于快地层中，且每一简正波都有一个低频截止频率。在慢地层中，切变波相对于其他波至为小，因而实际上在波形中并不存在。在低频部分，管型波无论在慢地层还是快地层中，均较所有其他波至占优势。
与偶极声源相联系的波形，业已发现包含压缩波，切变波，弯曲波和一些简正波。由偶极声源激励的压缩波，切变波和简正波类似于由单极声源激励的同类波型。其简正波也象在单极声源情况下一样，只存在于快地层中，且都有一个低频截止频率。
在下文中，“弯曲波型”一词，其物理含义是指由钻井维持的弯曲振动。这种弯曲的传播类似于一根弦被拨动之后产生的波的传播。实际上，偶极声源通过在钻井中某一点横向推动钻井来“拨动”它。然后这一扰动沿轴向传播。所谓的波型是就下列含意而言：即不同的频率由不同的量所激励，并以不同的速度传播。“弯曲波型”一词在已有技术中含义是各不相同的。例如，怀特用这一词表示被所谓的振动源激起的所有波，包括切变波、本文所定义的弯曲波以及简正波。
弯曲波型的大多数特征都不同于管波型。虽然这两种波型都没有截止频率，但是，弯曲波型相对于其他波至，特别是相对于切变波，随着频率的降低而减弱。而管波相对于其他波至，则随着频率的降低而加强。因此，在低于一定频率内，切变波将超过弯曲波。这一结果与单极声源的情况截然不同，并从而说明为什么偶极声源下井仪能够在慢地层和快地层两种情况下记录切变波。
由偶极声源产生的压力场，在钻井轴上基本上衡等于零。因此，沿上井方向放置的各向同性的压力传感器阵列，将探测不出信号。为了探测偶极声场，需要偶极接收元件阵列。偶极接收器在与偶极声源指向相同时，能够检测质点加速度、速度、位移和压力梯度的水平分量。这些场的大小，在轴上都不等于零。在下面的分析中，假定要测量质点的加速度，其加速度正比于与轴正交的水平压力梯度。单极接收器阵列被用于检测单极场。
分析步骤参照图7、8、9和10进行，每一图包括三组波形，每一组又包括四种波形。这四种波形分别对应于接收器位于距声源1.2、2.4、3.6和4.8米的地方。在每一波形的时间轴上，用箭头标明根据声线理论算得的压缩能量（“C”），切变能量（“S”）和流体能量（“F”）的理论波至时间。可以看出，从一个波形到另一个波形，压缩，切变和流体的波至时差是线性的。每一图中的三组波形，分别相当于所用的声脉冲具有不同的中心频率。第一组对应的声脉冲中心频率为1千赫;第二组对应的中心频率为5千赫;第三组对应的中心频率为10千赫。图7对应于快地层中的单极声源;图8对应于快地层中的偶极声源;图9对应于慢地层中的单极声源;图10对应于慢地层中的偶极声源。
用以说明快地层和慢地层的典型参量在下表中给出。
表1
参量    快地层    慢地层
密度比    2.0    2.0
钻井半径（厘米）    10.0    10.0
泊松比（Poisson's    Ratio）    0.25    0.25
流体波速度（千米/秒）    1.50    1.50
切变波速度（千米/秒）    2.0    1.20
压缩波速度（千米/秒）    3.464    2.078
快地层单极声源的情况示于图7。在声脉冲频率为1千赫时（波形100，102，104和106），可以看出管波在波形中占优势。所有其他波至比管波要小几个数量级，因而不能看出。还应当注意到，管波的速度与切变波的速度不相等。在声脉冲频率为5千赫时（波形110，112，114和116），管波相对于微弱的压缩波至和强的切变波至而言，已变得非常之小。在声脉冲频率为10千赫时（波形120，122，124和126），压缩波至和切变波至已经明显。那些在声脉冲频率较低时被截止的简正波也已明显。
快地层偶极源的情况示于图8中。在声脉冲频率为1千赫时（波形130，132，134和136），可以看出，一束能量以地层的切变速度传播。这束能量是切变波和弯曲波型低频部分的组合。在声脉冲频率为5千赫时（波形140，142，144和146），弯曲波型看来已在波形中占优势;它以低于切变波的速度传播。而压缩波在这一比例图上则看不出来。在声脉冲频率为10千赫时（波形150，152，154和156），简正波被强烈在激励起来。这些是较高频率的波，它们在切变波至时刻开始出现。弯曲波型的频率要低得多，可以看作是波形中最后一种波至。压缩波和切变波都是可以看得见的。总的说来，从快地层切变波测井的观点来看，偶极声源在所有的声频率上，给出相当大的切变波至。而且，在频率较低的范围内，波形特别简单，因为波形中唯一的波至是以切变传播的。不过，压缩波至，只有在更高的频率才会明显。
慢地层单极声源的情况示于图9中。在声脉冲频率为1千赫时（波形160，162，164和166），如同快地层的情况一样，得到一个很强的管波。在声脉冲频率为5千赫和10千赫时（波形分别为170，172，174和176，及180，182，184和186），快地层和慢地层的情况一般说来相反。在慢地层中，波形由压缩波和管波组成，切变波至看不到，也未发现简正波至。这一结果可由声线理论导出，并且已经在声场波形中观察到。
慢地层偶极声源的情况示于图10中，在声频率为1千赫时所得到的结果（波形190，192，194和196）非常有意义，此时，波形的能量以地层的切变速度传播。当声脉冲频率为5千赫和10千赫时（波形分别为200，202，204和206，及210，212，214和216），慢地层偶极声源的情况类似于慢地层单极声源的情况，只有压缩波和弯曲波型是显著的波至。
业已发现，在波形190，192，194和196中以地层切变速度传播的能量，是两种物理现象，即弯曲波型和切变波的组合。原则上，切变速度可以在低频范围内得到，因为切变波在低频处占优势。实际上，偶极声切变波测井最好不超出一定的频率范围。过低的频率将不能充分地激励起切变波，而过高的频率将激励起干扰波。还发现，当采用的频率高于上界频率时，弯曲波型将在所得到的波形中占优势（例如，当脉冲频率为5千赫时），切变速度可由弯曲振动方式确定。这是因为，弯曲振动方式的传播特性主要由地层的切变速度所支配。此外还发现，压缩波偶极子测井可以在等于或高于切变波测井的上限频率时实现。因此，无论是在低于上限频率时的偶极子切变波测井，还是由弯曲振动方式导出的偶极子切变波测井都是有效的测井技术，它们能够在慢地层和快地层中提供连续的精确的切变速度测量。
直接切变速度偶极测井
业已发现，采用偶极声源的直接切变速度测井，应当在其上限频率为fu所限制的一定的频率范围之内进行，其上限频率fu指的是，在等于或低于其频率时，声能以地层的切变速度传播，而高于此频率时，能量不以地层的切变速度传播。而且还发现，所采用的频率最好等于或稍稍低于fu，因为随着的频率的降低，切变波振幅会显著降低。频率fu取决于钻井的半径和地层的切变速度，钻井半径一般说来为一已知量，而地层的切变速度则是待求的值。
通过对图11的曲线组220，230和240以及图12的曲线组250，260和270的研究，可以发现，上限频率的存在是明显的，图11表示了在几种快地层和慢地层中弯曲波型的波散和激励情况，而图12表示了在三种不同的地层模型中切变波和弯曲波型之间的差异。
在图11中，每一曲线组220，230，和240中的6条曲线，分别对应其切变速度为1千米/秒，1.2千米/秒，1.4千米/秒，1.6千米/秒，1.8千米/秒和2.0千米/秒的地层。每一地层的泊松比均为1/4。所有其他的典型参量与上面表1相同。
曲线组220的各条曲线，表示了弯曲波型的相速与频率的函数关系。这里的速度已利用地层的切变速度作了归一化处理。应当指出的是，在所有的地层中，弯曲波型的相速，在低频时趋向于地层的切变速度。在高频时，任一特定地层的相速曲线，渐进地接近一最后值，该值由一平面液态/固态界面上的斯顿萊面波速度给定。不同地层的斯顿萊速度各不相同。曲线组230的各条曲线，以与曲线组220的各条曲线同样的形式，表示了弯曲波型的群速与频率的函数关系。与相速的情况相同，群速在低频时趋向于切变速度，而在高频时趋向于斯顿萊面波速度。曲线组240的各条曲线，以与曲线组220的各条曲线同样的形式，用分贝（db）表示出弯曲波型极剩余的幅值与频率的函数关系。曲线组240的各条曲线，反映了在每一频率下波型被激励的程度。应当注意的是，弯曲波型具有振荡的特性，即是说，它在低频和高频时都显著地减弱。随着地层变得愈来愈慢，弯曲波型的振荡特性更为显著，幅值变得更小。还应当注意的是，该波型最强点的频率，大致就是群速最小点的频率。这就是说，大部分能量是在弯曲波型波至的终了才到达的。
在图12中，地层的切变速度为1千米/秒（曲线组250），1.4千米/秒（曲线组260）和1.8千米/秒（曲线组270）。与前面相同，所有其他典型参量皆如表1所示。每一曲线组250，260，和270表示出弯曲波型和切变波的激励情况，弯曲波型与激励源的距离全都相同，切变波与激励源的距离分别为0.9，1.8，2.7，3.6和4.5米。
与弯曲波型类似，切变波具有振荡特性，特别在较慢地层中是这样。切变波的振幅随与激励源的距离增大而减小（由于几何离散的原因），但是它既可比弯曲波型大，也可比弯曲波型小。在频率较高时，弯曲波型超过切变波，而在频率较低时，切变波超过弯曲波型。从曲线组250显然看出，在较低频率下，切变波大于弯曲波型，但在较高频率下，弯曲波型大于切变波。并且，在弯曲波型达到最强时的频率下，弯曲波型比接收器距激励源为0.9米时的切变波大20分贝（10倍），比接收器距激励源为4.5米时的切变波大40分贝（100倍）。切变波与弯曲波型振幅相等时所具有的频率，只微弱地取决于激励源至接收器的距离，被称作为交叉频率。在激励源与接收器之间距离较大时的交叉频率低于间距较小时的交叉频率。曲线组260和270的特征与曲线组250相似，它们表明了由于地层性质改变所产生的影响。曲线组250中的曲线对应于“慢地层”，曲线组270中的曲线对应于“快地层”，而曲线组260中的曲线则对应于介于慢与快之间的地层。上面对曲线组250所作的说明，对曲线组260和270同样适用。应当注意的是，交叉频率随着地层切变速度的增加而趋向于增加。
定量地确定上限频率fu，可以有三种不同的方法。可以令频率fu等于这样的频率，即在此频率时，弯曲波型的相速与地层切变速度之差小于一给定的百分数，比如说百分之一。可以令频率fu等于这样的频率，即在此频率时，弯曲波型的群速与地层切变速度之差小于一给定的百分数，比如说百分之一。可以令频率fu等于这样的频率，即在此频率时，地层切变速度的振幅等于地层弯曲波型的振幅（亦即交叉频率）。下面说明如何利用这三种方法来确定上限频率。
弯曲波型的相速等于地层切变速度百分之九十九时的频率由下式给出。
fu＝
Figure 85109403_IMG1
(Vs)/(a) （1）
这里
Figure 85109403_IMG2
取值的范围为0.154至0.178，0.154对应于曲线组220所表示的最快地层;0.178对应于曲线组220所表示的最慢地层。
弯曲波型的群速等于地层切变速度百分之九十九时的频率由下式给出：
fu＝
Figure 85109403_IMG3
(Vs)/(a) （2）
这里取值的范围为0.117至0.126，0.117对应于曲线组230所表示的最快地层;0.126对应于曲线组230所表示的最慢地层。
交叉频率由曲线组250，260和270得到。交叉频率取决于激励源至接收器之间的间距。由于交叉频率随上述间距的增加而减小，因此我们采用在最大的预定间距时的频率作为标准，在此情况下，该最大间距为4.5米。采用与最大间距对应的交叉频率，将保证，在所有较短的间距时，切变波将超过弯曲波型。根据曲线组250，260和270，在4.5米间间距时，交叉频率由下式给出：
fu＝
Figure 85109403_IMG4
(Vs)/(a) （3）
这里
Figure 85109403_IMG5
取值范围为0.128至0.137，0.128对应于曲线组250，260和270所表示的最快地层;0.137对应于曲线组250，260和270所表示的最慢地层。
采用这三种不同途径定量地确定上限频率是合理的，然而由群速预示的上限频率fu，小于由振幅交叉所预示的值，继而，由振幅交叉所预示的值又小于由相速所预示的值。可幸的是，利用这三种方法算得的上限频率没有太显著的差别。
在下述推荐的实施例中，上限频率fu被定义为弯曲波型的相速等于地层切变速度百分之九十九时的频率。这一选择的依据是，在所推荐的实施例中将采用象慢度-时间-相干等一类的速度测算技术。作为参考，参见C.V.金保和T.L.马泽塔“钻井声波阵列数据的相似处理”，《地球物理学》，第49卷，第3号，1984年3月，第274页至281页;1984年3月27日提出的美国专利申请序号第593，932号（金保等人“声波测井”）〔C.V.Kimball    and    T.L.Marzetta，“Semblance    Processing    of    Borehole    Acoustic    Array    Data，”Geophysics，Vol.49，No.3，March    1984，pp.274-81;United    States    Patent    Application    Serial    Number    593，932，filled    March    27，1984（Kimball    et    al.，“Sonic    Well    Logging”）〕。当加上一记录的钻井波形阵列时，只要波至是非波散的，或虽然波散但带宽很窄，那末速度估算技术就对波至的相速进行估算。因此最好是（但非必须），选定的速度估算技术和fu的定义包含有同样的参量。这样，在上限频率以下，慢度-时间-相干技术将给出地层的切变速度，其精度误差小于百分之一。
在选择相速作为定义上限频率基准时，比例因子
Figure 85109403_IMG6
可以从在快地层中的0.154变至在慢地层中的0.178。只要选定的
Figure 85109403_IMG7
值不至于得出过高的上限频率，则
Figure 85109403_IMG8
值可以相对于所有感兴趣的地层简化为一不变的额定值。0.15就是合适的值。然而，这种选择并非过于敏感，比如，
Figure 85109403_IMG9
值从0.12变至0.18，将不会显著地使特性变坏。因此，从实用观点考虑，上限频率fu可定义为
fu＝0.15 (Vs)/(a) （4）
实际上fu能变化的范围是有限的。大量用于石油和天然气勘探和生产的钻井，其半径范围是7.62厘米至13.33厘米，同时，地层的切变速度变化范围是0.5千米/秒至4千米/秒。根据最大的切变速度可能是4千米/秒，最小的钻孔尺寸可能是7.62厘米，算得最高的上限频率可能是大约8千赫。根据最低的切变速度为500米/秒，最大的钻井尺寸为13.33厘米，算得的最低上限频率可能是大约500赫。
尽管可望fu变化的范围有限，但是总希望测井能够在可能的最高频率进行，而这个频率又不超过所讨论的地层和钻井的fu值。因为，振幅与频率的平方成正比。特别是根据A.L.库克金的文章“充满流体的钻井中低频水平声学点力的辐射”详细摘要，第54届国际地球物理勘探工作者协会年会，钻井地球物理学I，1984年12月，第5至7页（A.L.Kurkjian，“Radiation    from    aLow    Frequency    Horizontal    Acoustic    Point    Force    in    aFluid-Filled    Borehole，”Expanded    Abstracts，54th    Annual    International    SEG    Meeting，Borehole    Geophysics    I，December    1984，pp.5-7）（此处引作参考），在低频时偶极子切变波的振幅为：
(f2)/(pV2 SZ) 当f＜0.05 (Vs)/(a) 和Z＞ (Vs)/(f) 时 （5）
根据表达式（5），切变波振幅，随频率的降低，间距“Z”的增加，密度“ρ”的增加，以及地层切变速度“Vs”的加快而减少。这一结果假定，发射器提供一给定的力，而接收器感受粒子的加速度。
利用等于或接近于上限频率的频率进行测井的重要性，可以通过图12的曲线组250，260，和270很好地加以说明。例如，假定忽略上限频率随切变速度的增加而增加这一性质，还假定1千赫窄带声源是随机选定的。曲线组250说明，该声源的频率偶然地十分接近交叉频率fc，接收到的频率必然含有占优势的切变波。另一方面，曲线组260和270则说明，所得到的必然是一个大大减弱了的切变波。尽管1千赫的窄带声源，对于记录与曲线组250有关的地层必定是合适的，但是1.5千赫的窄带声源，对于记录与曲线组260有关的地层必然更好，而2千赫的窄带声源，对于记录与曲线组270有关的地层也必然更为合适。
总之，利用偶极子声源的直达切变波测井应当在其上端频率为频率fu所限的频率进行。最佳频率范围的下限相对来说并不重要，但是，如果声源的频谱不是集中在频率fu的附近，那末声能将会被浪费掉。
图13示出了一种动态确定最佳偶极切变测井频率的最佳方法。图13的方法要求，换能器56，58和59具有宽带频率响应;从测井的目的考虑，要求500赫至8千赫范围的频率较多，如图14中曲线290所示的那样。根据以上分析，这一带宽适合于大多数类型的地层以及实际中最常遇到的钻井尺寸。通过由脉冲形成电路62所提供的，并由放大器64进行放大的合适脉冲来激励发射器56，即可在步骤400得到波形。脉冲的时基由微处理机80通过发射器接口60进行控制。传播的声能由接收器58和59探测，探测到的信号输出由门放大器72和73加以放大，门放大器由微处理机80通过接收器接口70进行控制。波形数据由转换器74和75进行数字化转换，并输送至微处理机80。在步骤402，在给定深度的钻井半径“a”，可以借助于通常技术中的机械测径器或超声波测径器测量来得到，也可假定其半径“a”为一额定值，再把测得的或假定的值送入（图中未示出）微处理机80中。
对给定的深度所探测到的波形（步骤400）将包含有以地层切变速度传播的能量，但是多半还含有在频率高于上限频率时以低于切变速度的速度传播的能量。这部分传播速度较慢的能量，由低通滤波器从探测到的波形中滤除。由于上限频率fu开始并不知道，因此合适的低通滤波器不能预先选定。然而，可将一最初的滤波器应用于波形上面，再将所得到的结果加以检查，以确定低通滤波器的截止频率是否足够低。
相应地，截止频率fcut的最初估算是在步骤404选定的。8千赫是一个合适的初始值，因为，正如上面所说明的，这是在实际中能预期遇到的最高上限频率。探测到的波形在步骤406被一个由选定的fcut所表征的低通滤波器滤波。该滤波器可以在微处理机80或处理机94上实行数字化滤波（微处理机80的作用相当于数字化波形的缓冲器），也可以是加在转换器74和75之间的通常的模拟滤波电路。然后，速度Vs可以在步骤408，借助于微处理机80或处理机94，利用上面作为例子讨论过的慢度-时间-相干技术，由滤得的波形确定。
在步骤410中，对fcut是否为一合适低的值进行确定。根据下面的公式，计算出f：
Figure 85109403_IMG10
＝0.15Vs/a （6）
再将
Figure 85109403_IMG11
与fcut进行比较。
如果fcut太高，那末Vs将因为弯曲波的原因而太低，且条件fcut≤
Figure 85109403_IMG12
也将不能满足。于是在步骤412，将频率fcut减少一合适的量，然后，步骤406，408，410和412重覆叠代执行，直至在步骤410中的条件得到满足。fcut的减少量，最好正比于
fcut-
Figure 85109403_IMG13
（7）
这样，如果fcut和
Figure 85109403_IMG14
相差很大，那末在下一步叠代中fcut的减少量就大，同样，如果fcut和
Figure 85109403_IMG15
相差不大，那末在下一步叠代中fcut的减少量就小。此外，也可用当前的
Figure 85109403_IMG16
作为下一次的fcut值。
另一方面，如果fcut等于或低于最佳上限频率fu，那末Vs就是正确值，
Figure 85109403_IMG17
将大于或等于fcut。一旦条件fcut≤
Figure 85109403_IMG18
满足，Vs就将在步骤414中作为切变速度给出。
此外，发射换能器56也可以如图15所示那样用电子方法调节至最佳频率。在步骤420，选定脉冲形成电路62的初始参量，使得发射器56的上限频率fux，如上面所讨论的，最初等于8千赫。钻井半径“a”在步骤422得到，基本上与上面参考图13所述的情况相同：发射器56的激励以及波形的获得在步骤424完成，亦与上面参考图13所述的情况相同。Vs的值或由微处理机80或由处理机94在步骤426确定，并在步骤428检验其精度，也基本上与上面参考图13所述的情况一样。如果检验结果不满足要求，于是在步骤430将fux值减低，然后重覆叠代执行步骤424，426，428和430，直至步骤428检验满足要求。最后，在步骤432，Vs的值作为直达切变波测量结果给出。
有一种简单的但很少采用的测量切变速度的方法，此方法要求换能器56，58和59选定为窄带宽，且上限频率fux满足条件
fux＝0.15 (VS-min)/(max) （8）
这里“αmax”为所考虑的最大钻井半径，Vs-min为所考虑的最慢切变速度。比如，假定αmax＝13.33厘米，Vs-min＝0.5千米/秒，那末f＝500赫。
另外还有一种简单的方法，它要求测井下井仪带有几组发射换能器和接收换能器，每一组换能器都有不同于别组的共频率特性。由最高频率组提供的满足条件fcut≤ （如上所述）的测量被选作为正确的切变速度测量。
上面介绍的各种方法，一般说来也同样适用于有套管的钻井，当然此时要作些附加考虑。这些附加考虑将导致频率标准能减少弯曲波型和套管波型的影响，因而，接收器波形中的主要信号将是地层的切变波。
分析工作可参考图16进行。曲线组450说明三种有关情况下的弯曲波型的相位慢度（模态相速的倒数），另一曲线组460则说明三种有关情况下的弯曲波型的剩余（一个表明钻井中被偶极声源激励起来的波型强度的量），这三种情况是：452和462所代表的无粘结套管钻井，454和464所代表的充分粘结套管钻井，以及456和466所代表的无套管钻井。快地层，就是说，该地层的切变速度快于声波在钻井泥浆中的速度。曲线组450的所有相位慢度曲线在低频时都趋近地层的切变慢度，只是有套管情况下弯曲波型趋近切变慢度的频率比无套管情况下要高。产生此差别的一个原因是，有套管钻的直径小。曲线组460中曲线所表示的剩余说明，有套管钻井中的弯曲波型是在较高的频率下被激励起来的。因此，根据公式（4）对无套管钻井测井所选定的上限频率，将同样满足有套管钻井测井的情况。而且，有套管钻井测井的上限频率，可以根据公式（4），用套管半径代入“a”来选定。类似，图13，15以及上面讨论的其他各种方法，也适用于有套管钻井的情况，只要用套管半径代入“a”即可。
但是在选择有套管钻井测井的上限频率时，必须考虑套管波型的影响。套管波型是在无粘结或粘结不好的套管中产生的。图17示出了三种不同地层中套管波型的模态相位慢度（曲线组470），衰减（曲线组480），和剩余（曲线组490），这三种地层具有以下的压缩波慢度和切变波慢度：曲线472，482和492所代表的地层，两种慢度分别为50和85微秒/英尺，曲线474，484和494所代表的地层、两种慢度分别为100和170微秒/英尺，以及曲线476，486和496所代表的地层，两种慢度分别为150和255微秒/英尺。业已发现，在本例中，套管波型大约在6千赫截止，且截止频率对水泥层以外的岩石地层并不敏感。套管波型在接近截止频率时，具有很快的相速（曲线组470）该波型在截止频率以上衰减（曲线组480），且该波型的激励强度，在接近截止频率时下降（曲线组490）。因此，有套管钻井的偶极测井，应当在套管波型的截止频率以下进行。
套管波型的截止频率fcmc，可以由套管尺寸依据以下公式确定：
fcmc＝0.16 (Vcasing)/(rcasing) （9）
这里，Vcasing为套管材料的切变速度（厘米/秒），casing为套管的平均半径（厘米），fcmc为套管波型截止频率（赫）。截止频率对套管厚度相对说来并不敏感。对大多数通常遇到的有套管钻井来说，套管波型截止频率fcmc高于弯曲波形截止频率fu，且无论上限频率fu是基于无套管钻井直接切变准则选定的，还是基于有套管钻井直接切变准则选定的，都没有关系。当由下面所述的变曲方法导出切变速度时，如果所讨论的情况是属于有套管钻井，那末，不论其依据的是无套管钻井准则还是有套管钻井准则，都必须注意不要超过套管截止频率。
由弯曲波型导出切变速度
业已发现，弯曲波型的频率成分、振幅和速度，对于地层的切变速度都是灵敏的。通过对这一发现基础的讨论，以及本发明实施例的介绍，可以对本发明作更好的了解。
在几种快地层和慢地层中弯曲模式的波散和激励情况，已在图11中示出，这在上面已作了详细的讨论。从以上讨论可知，曲线组220，230和240能够证实这一发现，即弯曲波型对地层的切变速度是敏感的。而且，还发现，泊松比，流体速度和密度比等变化，对这些曲线的影响均都很小。钻井半径的变化，会影响频率轴线的定标。因此，一旦钻井半径已知，弯曲波型就主要地由地层的切变速度所控制。
由弯曲波型确定切变速度的方法，在图18中予以说明。在步骤300，通过用一适当的脉冲激励偶极发射器56，即可获得钻井每一深度处的波形，激励脉冲由脉冲形成电路62提供，并由放大器64加以放大。脉冲的时基由微处理机80通过发射器接口60进行控制。传播的声能由接收器阵列，比如象偶极探测器58和59探测，再由门放大器72和73加以放大，门放大器由微处理机80通过接收器接口70进行控制。探测到的声波信号分别由转换器74和75进行数字化转换，并将波形数据输送给微处理机80。波形数据存储在微处理机80中，然后再传送至地面处理机94。
其后的处理，可利用微处理机80或处理机94进行。首先，在步骤302，将最大相似法或普鲁尼（Prony）法等应用于接收到的波形，即可得到弯曲波型的相速作为频率的函数的曲线VfI＊（f）的数字表示。最大相似法及其应用参见K.苏“最大相似法在声速测井中的应用”详细摘要，第54届国际地球物理勘探工作者协会年会，钻井地球物理学会议，1984年12月，第1至3页（K.Hsu，“Application    of    the    Maximum    Likelihood    Method    to    Sonic    Velocity    Logging，”Extended    Abstracts，54th    Annual    International    SEG    Meeting，Borehole    Geophysics    Sessions，December    1984，pp.1-3）（此处引作参考）。普鲁尼方法及其应用参见T·W·帕克斯，J·H·麦克利伦，和C·F·莫里斯“全波形声测井算法”电气与电子工程师协会《音响学，语言与信号处理汇刊》，频谱测算会议，1982年11月（T.W.Parks，J.H.Mc    Clellan，and    C.F.Morris，“Algorithms    for    Full-Waveform    Sonic    Logging，”Transactions，IEEE    ASSP    Workshop    on    Spectral    Estimation，November    1982）（此处引作参考）。
在步骤304，进行检验，以确定速度信息是否包括低频数据。如果包括，那末切变速度就是弯曲波型相速的低频渐近线。这一低频渐近线将在步骤306给出。在图19中，给出了直观的表示，这里V
Figure 85109403_IMG20
I（f）由曲线308表示，而低频渐近线由直线309表示。如果频率信息不包括低频渐近线，如图20曲线310所示，那末还需要作进一步处理。
这进一步处理的目的，就是寻求-Vs值，使得作为频率函数的弯曲波型速度的理论曲线Vfl（f）与V
Figure 85109403_IMG21
l（f）吻合。不过为了得到Vfl（f），还需要一些附加信息。利用常规的测井下井仪和常规的方法，可以在步骤320测得以下参量：钻井半径“a”，地层密度“ρ”，钻井泥浆密度“ρmud”，压缩波速度“Vc”，以及流体速度“Vmud”。
对切变速度Vs也需要作最初估计，这在步骤322进行。在大多数实际感兴趣的测井条件下，V
Figure 85109403_IMG22
l（f）低于地层切变速度，因而恰当的最初估算是Vs（1）＝1.1〔V
Figure 85109403_IMG23
l（fp）〕。实际上，低频弯曲波型的速度只增加了一个适当的百分数，比如百分之十。频率fp定义为能量最大时的频率，它可基于常规频谱分析方法加以确定。具体来说，如图20曲线313所示，信号的能量组成，作为频率的函数，由信号的富里衰变换（Fourier Transform）确定。频率fp被标记为在能量峰值Ep处。第二个边界条件是，切变速度必须小于压缩波速度Vc的0.707，因为对于在测井中所遇到的物质而言，泊松比大于零。因此，Vs估算的界限为
Vs（1）＝〔0.707Vc，1.1V
Figure 85109403_IMG24
l（f）〕中最小值（10）
有了所需的各参量的值之后，Vfl（f）即可在步骤324相对给定的Vs确定如下：下列方程用于求解Kz。
a11〔a22（a33a44-a43a34）-a23（a32a44-a42a34
+a24（a32a43-a42a33）〕
-a21〔a12（a33a44-a43a34）-a13（a32a44-a42a34）
+a14（a32a43-a42a33）〕
＝0    （11）
表达式a11，…，a44的函义如下：
a11＝-J′n（Yf） （12）
a21＝ (Pf)/(p) X2sJn（Yf） （13）
a12＝H（1） n′（Yc） （14）
a22＝｛2n2+2X2z-X2s｝H（1） n（Yc）-2H（1） n′（Yc） （15）
a32＝2X2zH（1） n′（Yc） （16）
a42＝-2n〔H（1） n′（Yc）-H（1） n（Yc）〕 （17）
a13＝H（1） n′（Ys） （18）
a14＝nH（1） n（Ys） （19）
a23＝2〔（n2-Ys2）H（1） n（Ys）-H（1） n′（Ys）〕 （20）
a24＝2n〔H（1） n′（Ys）-H（1） n（Ys）〕 （21）
a33＝（X2z-Y2s）H（1） n′（Ys） （22）
a34＝nX2zH（1） n（Ys） （23）
a43＝-2n〔H（1） n′（Ys）-H（1） n（Ys）〕 （24）
a44＝｛Y2s-2n2｝H（1） n（Ys）+2H（1） n′（Ys） （25）
这里
Yf＝Kr（mud）a＝ K 2 m u d - K z 2 a，Im（Yf）≥0 （26）
Yc＝Kr（c）a＝ K 2 C - K 2 Z a，Im（Yc）≥0 （27）
Ys＝Kr（s）a＝ K 2 S - K 2 Z a，Im（Ys）≥0 （28）
Xz＝Kza    （29）
Xs＝Ksa    （30）
（Kmud＝W/Vmud;Kc＝W/Vc;Ks＝W/Vs;及W＝2πf），同时，这里“n”等于-，p是地层的密度，Pf是井中流体（泥浆）的密度，H（1）n是第一类n阶汉克尔（Hankel）函数，Jn是n阶贝塞尔（Bessel）函数，撇号是aα/αa的缩写符号（例如
Jn′（Yf）＝aαJn（Yf）/αa＝nJn（Yf）-rfJn+1（Yf）    （31）
曲线Vfl（f）开始在频率fmax处产生。特别是，在f＝fmax时，方程（11）被重覆地加以计算，每次用一个不同的Kz值。在与实际上合理的声速相关的范围内，也许有100个Kz值可供试验。最接近满足方程（11）的Kz值，就被选作在f＝fmax时与弯曲波型有关的最初Kz假定值。在这以后，牛顿-拉夫森（Newtous-Raphson）方法被用于更精确地确定Kz值。该方法及其应用在R·W·哈明“科技工作者数值方法”第二版，1962年，第68至70页（R.W.Hamming，Numerical    Methods    for    Scientists    and    Engineers，SeCond    Ed.，1962，pp.68-70）中作了讨论（此处引作参考）。然后，频率被降低△f，△f的选择是基于暂时的假定作出的，具体说来，如果弯曲波型出现的时间间隔为T（秒），那末△f（赫）应当选择小于或等于1/T。在f＝f-△f时Kz的最初假定值由下式给出
Kz（f-△f）＝Kz（f） (（f-△f）)/(f) （32）
利用这个初始假定值，并再次将牛顿-拉夫森方法用于方程（11），以求出Kz（f-△f）。再将频率进一步减少，并重覆上面同样过程，直至得到整个Vfl（f）曲线。
得到Vfl（f）以后，在步骤326进行检验，以确定Vfl（f）与Vf （f）在f1与f2之间的频带内是否甜酸。这一频带必须预先确定下来，比如说在步骤322，当采用常规频谱分析方法确定fp时，就将它定下来。频率f1和f2被定义为能量比峰值能量低某一预定量时的频率。这一量最好选为十分之一，也就是说，假如在fp时峰值能量为Ep，那末f1和f2的频率，就是能量等于Ep/10时的频率。这些关系可由图20中曲线313加以说明。
曲线的适配问题，可以有两种方式表示。
求Vs，使
f1＜Σ f＜f2｜Vf1（f）-Vf
Figure 85109403_IMG26
（f）｜2（33）
在Vf
Figure 85109403_IMG27
（f）＜Vs＜0.707Vc的条件下最小;
求Vs，使
f1＜
Figure 85109403_IMG28
＜f2｜Vf1（f）-Vf＊ 1（f）| （34）
在Vf1（f）＜Vs＜0.707Vc的条件下最小。
求解这两个问题的方法无需加以叙述了，因为这是一般熟知的方法。例如可参见前述的哈明一书第427至429页（最小二乘方法）和478页（极大极小法）。
在步骤326，对Vf1（f）与Vf＊ 1（f）之间的适配误差作出决定。比如，在图20中，曲线310和312之间适配不好，而曲线310和311之间适配很好。这里将Vs的最初估算值标记为Vs0，而将其根据公式（33）和（34）算得的相应的误差，标记为E0，第二个Vs值标记为Vs1，它是根据Vs1＝1.05Vs0算得的。与第二个Vs相应的误差为E1。其后的Vs估算值，可利用下列关系式算出：
Vsk＝Vsk-1- (EK-1)/(EK-1-EK-2) ·（Vsk-1-Vsk-2），当K＝2，3…，…时 （35）
这一过程一直进行到Vsk不再变化为止，此时表明，迭代已经收敛。例如，一个合适的检验就是｜Vsk-Vsk-1｜/Vsk＜0.01。
一个最佳方法包括利用表达式（33）和（34），对于从0.5千米/秒至4千米/秒范围的不同值，计算误差（步骤330，326和328重覆迭代执行），并给出具有最小误差的Vs值（步骤332）。
到此为止，业已通过几个具体实施例对本发明加以说明，应当了解实施例仅仅是为了说明起见，本发明不只限于已经公开的实施例。那些对这方面技术熟悉的人员，可以在本发明的精神和范围之内，作各种改变和组合。因此，正如下面权利要求书所规定的那样，这些改变都是预料之中的，都是属于本发明范围之内的。

Claims (22)

1、确定被充以流体的钻井横穿的地层的切变速度的方法，包括以下步骤：
从相对于钻井中某一共位置的地层的偶极声波探测中，获得一组波形，其中，所述的方法，其特征在于，上述波形的带宽，为一上限频率fu所限，fu的定义是在等于或低于此频率fu时，以切变速度传播的能量占优势，且上述波形的带宽，集中在上述的频率fu附近；其特征还在于，
根据上述的波形，确定上述地层的切变速度。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述得到的步骤，包括以下步骤：
从地层的宽带偶极声波探测中获得上述的波形;
选择滤波器的截止频率fcut;
根据频率fcut，对上述波形进行低通滤波;
由上述滤波以后的波形，确定一暂时的切变速度Vs;
其中，上述的切变速度的确定步骤，包括以下步骤：
重覆上述最初对起始的fcut所进行的fcut选择，波形滤波和Vs确定诸步骤，并相继地对进一步减少了的fcut重覆这些步骤，直至fcut和Vs的值之间满足一预定的关系;上述的预定关系表明，在上述的波形中，具有其速度低于切变速度的能量，显著地消失;所给出的最后确定的Vs值，就是切变速度。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，上述选定初始fcut的步骤，包括一开始选择一个相应于最高可能切变速度的fcut值。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，上述预定的关系式为fcut≤0.15Vs/a，这里a为钻井半径。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述波形获得步骤，包括以下步骤：
选择上限声源频率fux;
从地层的偶极声波探测中获得相应的一组由fux所限定的波形;
从上述相应的一组波形，确定一个暂时的切变速度Vs;以及，其中，上述切变速度的确定步骤，包括以下步骤：
重覆上述最初对起始的fux所进行的fux选择，波形获得和Vs确定诸步骤，并相继对进一步减少了的fux重覆这些步骤，直至fux和Vs的值之间满足一预定的关系;上述的预定关系表明，在上述的波形中，具有其速度低于切变速度的能量，显著地消失;且
将最后确定的Vs值，作为切变速度给出。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，上述fux的选定步骤，包括一开始选择一个相应于最高可能切变速度的fux值，随后，选择逐渐降低的fux值。
7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，上述预定的关系为fux≤0.15Vs/a，这里“a”为钻井半径。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述的一组波形，是从地层的频带限制的偶极声波探测中获得的，其中，声源上限频率fux等于（0.15）（Vs-min/αmax），其中，Vs-min为可能遇到的最低切变速度，而αmax为可能遇到的最大钻井半径。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述波形获得步骤，包括从地层的由相应的声源上限频率fux所限制的偶极声波探测中得到许多组波形的步骤;且上述的切变速度的确定步骤，包括以下步骤：
从上述的各组波形，确定相应的暂时切变速度Vs;
验证暂时的Vs（n），以确认该值与相应的fux之间是否满足预定的关系;上述预定的关系表明，在上述的波形中，具有其速度低于切变速度的能量，显著地消失;且
将验证后确认的Vs值，作为切变速度给出。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，上述的预定关系为fux≤0.15Vs/a，这里“a”为钻井半径。
11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述的钻井为有套管钻井，而其中，上述的频率fu小于：（a）0.15Vs/a，这里“a”为钻井半径，以及（b）0.16Vcasing/rcasing，这里“r”为套管半径。
12、用于直接确定被充以流体的钻井横穿的地层的切变速度的装置，包括：
用于从钻井中某一共位置对地层的偶极声波探测中获得许多波形的装置，以及由上述波形确定上述地层切变速度的装置，其特征在于，上述波形的带宽，实际上由上限频率fu所限，上限频率fu的定义是指，在等于或低于此频率时，以切变速度传播的能量占优势，且上述波形的带宽，集中在上述频率fu的附近。
13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，上述波形获得装置包括：
用于获得上述波形的一个宽带偶极声波换能器阵列;
用于选择滤波器截止频率fcut的装置;
联结至上述换能器、根据频率fcut用于对上述波形进行低通滤波的装置;以及
联结至上述滤波装置、用于从上述滤波后的波形确定暂时切变速度Vs的装置;
其中，上述切变速度确定装置包括：
具有下述功能的装置，这些功能是：重覆起动上述fcut选择装置，波形滤波装置以及Vs选择装置，此过程最初相对一起始的fcut进行，此后，相继地相对进一步减少了的fcut进行，直至fcut值与Vs之间满足一预定的关系，上述的预定关系表明，在上述波形中，具有其速度小于切变速度的能量，显著地消失;以及
给出最后确定的Vs值作为切变速度的装置。
14、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，上述波形获得装置包括：
选择声源上限频率fux的装置;用于获得被频率fux所限制的上述波形的双极声波换能器阵列;以及
联结至上述换能器的用于从上述波形确定暂时切变速度Vs的装置;其中，上述切变速度确定装置包括：
具有下述功能的装置，这些功能是：重覆起动上述fux选择装置，频率限制的波形获得装置以及Vs确定装置，此过程最初相对一起始的fux进行，此后，相继地相对进一步减少了的fux进行，直至fux值与Vs之间满足一预定的关系，上述的预定关系表明，在上述波形中，具有其速度小于切变速度的能量，显著地消失;以及
给出最后确定的Vs值作为切变速度的装置。
15、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，上述波形获得装置包括一个频带限制的偶极声波换能器阵列，其中，声源上限频率fux等于（0.15）（Vs-min/αmax），这里，Vs-min为可能遇到的最低切变速度，而αmax为可能遇到的最大钻井半径。
16、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，上述波形获得装置，包括许多组频带限制的偶极声波换能器阵列，每一阵列都被一相应的上限频率fux所限;其中，上述切变速度确定装置包括：
从上述每组阵列确定相应的暂时切变速度Vs的装置;
验证暂时的Vs（n），以确认该值与相应的fux之间是否满足预定关系的装置，上述预定的关系表明，在上述的波形中，具有其速度低于切变速度的能量，显著地消失;和
给出验证后确认的Vs值作为切变速度的装置。
17、确定被充以流体的钻井横穿的地层的切变速度的方法，包括以下步骤：
从钻井中某一共位置对地层的偶极声波探测中获得许多波形的方法，其特征在于：
从上述波形确定作为频率函数的弯曲波型的相速;和
从上述弯曲波型相速确定切变速度。
18、根据权利要求17所述的方法，其另一特征在于，确定切变速度的步骤，包括以下步骤：
确认上述弯曲波型相速的低频渐近线;和
将上述的低频渐近线，作为切变速度给出。
19、根据权利要求17所述的确定被充以流体的钻井横穿的地层的切变速度的方法，其又一特征在于，包括以下步骤：
选择一估计的切变速度;
从上述估计的切变速度，理论上确定作为频率函数的弯曲波型相速;
将上述理论上确定的弯曲波型相速与上述波形确定的弯曲模式相速进行适配;
相对于另外估计的切变速度，重覆上述的切变速度选择，理论上确定弯曲波型相速和将两相速进行适配等步骤，直至确认出最小的适配误差，和
将最后确定的切变速度，作为地层的切变速度给出。
20、确定被充以流体的钻井横穿的地层的切变速度的装置，包括：
从钻井中某一共位置对地层的偶极声波探测中获得许多波形的装置;
从上述的波形，确定作为频率函数的弯曲波型相速的装置，其特征在于，从弯曲波型相速导出切变速度的装置。
21、根据权利要求20所述的装置，其中，所述的导出切变速度的装置，其特征在于，确认上述的弯曲波型相速的低频渐近线的装置;和
将上述的低频渐近线作为切变速度给出的装置。
22、根据权利要求20所述的用于确定地层的切变速度的装置，其特征在于包括：
选择一估计的切变速度的装置;
从上述估计的切变速度，理论上确定作为频率函数的弯曲波型相速的装置;
将上述理论上确定的弯曲波型相速与上述波形确定的弯曲波型相速进行适配的装置;
具有下述功能的装置，这些功能是：相对于另外估计的切变速度，重复启动上述的切变速度选择装置，理论上确定弯曲波型相速的装置和将两相速进行适配的装置，直至确认出最小的适配误差。和
将最后估计的切变速度作为地层的切变速度给出的装置。
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