SU1469487A1 - Способ акустического каротажа - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к геофизическим методам исследовани  скважин и может быть использовано дл  решени  задачи эффективного вьщелени  полезного сигнала на фоне помех в широком динамическом диапазоне регистрации . Способ может быть также применен в сейсморазведке с использованием невзрывных источников колебаний. Цель изобретени  - увеличение отношени  сигнал/шум путем подавлени  коррел ционных шумов. Цель достигаетс  модул цией зондируюЕЦ-ix акустических импульсов в пределах не менее трех периодов бинарной псевдослучайной периодической М-последователь- ностью с последуюшкм дополнительным возбуждением в исследуемой среде последовательности акустических импульсов с нулевой начальной фазой через временной интервал, не меньший периода М-последовательности. При этом длительность возбуждаемор: последовательности равна не менее, чем двум периодам модулирующей М-последовательности . Амплитуда акустических импульсов равна амплитуде зондирую- mjix сигналов, а частота следовани  акустических импульсов равна частоте следовани  импульсов в М-последова- тельности. Затем осуществл ют преобразование прин тых дополнительно возбужденных сигналов в цифровой код и суммирование с результатом коррел ционной обработки сигналов предше- cтвyюш x посьшок. 4 ил. 2 1 О) со 4 00

Description

Изобретение относитс  к геофизическим методам исследовани  скважи}, в частности к способам акустического каротажа, кроме того, его можно использовать в геофизической разведке, в частности в сейсморазведке с невзрывными источниками колебаний.

Цель изобретени  - увеличение отношени  сигнал/шум путем подавлени  . коррел ционных шумов.

Сущность предлагаемого способа акустического каротажа состоит в том, что модул цию зондирующих сигналов осуществл ют в пределах не менее трех периодов модулирующей М-последовательности , что обеспечивает равенство коррел ционных шумов слева и справа от масимума функции взаимной коррел ции (ФВК) регистрируемого акустического сигнала и М-последо

3

вательности в интервале (- ,)

где - максимальна  длительность отклика среды на одну посылку зондирующих акустических импульсов, равна

максимальной длительности полного акустического сигнала на входе приемного тракта. При этом период Тр М-последовательности выбирают исход  из услови  Тр 7у (в соответствии с характером ее автокоррел ционной функции). Дл  удобства принимаем Тр равным t (Т р Г). Максимум ФВК соответствует полезному сигналу и моменту времени t О, т.е. началу за

1ШСИ, причем запись осуществл ют в интервале (0,t).

Обеспечение равенства амплитуд коррел ционных шумов в интервале (- Г, t) облегчает следуютций этап их

20

Если дополнительно возбудить в исследуемой среде последовательность акустических импульсов с нулевой начальной фазой, длительностью не менее двух периодов модулирующей М-последовательности , с частотой следовани  импульсов, равной частоте следовани  импульсов в М-последовательности , и амплитудой, равной амплитуде зондирующих сигналов, преобразовать прин тые сигналы в цифровой код (получаетс  последовательность из +1) и суммировать с результатом коррел ционной обработки сигналов предшествующих посылок, то в результирующей записи будут полнЪстью отсутствовать коррел ционные шумы.

При этом между последовательностью акустических импульсов, модулированных М-последовательностью с длительностью -не менее трех ее периодов, и

эффективного подавлени . Оптимальным . вл етс  осуществление модул ции зондирующих сигналов в пределах трех периодов М-последовательности, так

как увеличение числа ее периодов не 25 дополнительно возбуждаемой последо- приводит к снижению уровн  коррел ци- вательностью акустических импульсов онных шумов, производительность каро- с нулевой начальной фазой необходима тажа при этом падает.

Хот  запись сигналов осуществл етс  в интервале (0,1), подавление кор-30 ды, вызванных возбуждением первой рел ционных шумов необходимо осущест- последовательности (длительность каж- вл ть в интервале ,:), т.е. не только справа, но и слева от.полезного сигнала. Это св зано с тем, что

35

пауза не менее f , Така  пауза нужна дл  исключени  вли ни  откликов срекаждый из шумовых импульсов представл ет собой отклик среды на одну посылку зондирующих сигналов, т.е. имеет длительность О. Поэто в пределах (-€,0) коррел ционные шумы

дого из которых равна Т) на дополнительно возбуждаемую последователь- ность.

На фиг.1 изображена функциональна  схема устройства акустического каротажа дл  осуществлени  предлагаемого способаj на фиг.2 - временные диаграммы, на фиг.З и 4 - последовавли ют на полезную запись ,и требует- д тельности операций коррел ционной

с  их подавление,.а за пределами это- обработки сигналов.

го интервала (слева) вли ние шумов Устройство (фиг.1) содержит тактоотсутствует .

Таким образом, временной интервал i

вый генератор 1, генератор 2 М-последовательности , формирователь 3 им- -Р

50

в пределах которого необходимо пода- пульсов возбуждени  излучател , излу- вить коррел ционные шумы, должен быть чатель 4, приемник 5, аналого-цифро вой преобразователь 6, умножитель 7, сумматор 8 и .оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 9.

На фиг.2 изображены сигналы 10 на выходе тактового генератора, сигналы 11 на выходе генератора М-последовательности и сигналы 12 на выходе излучател .

На фиг.З- схематически показаны последовательность операций коррел ционной обработки прин тых и преобразованных в цифровой код сигналов при реализации способа с использоване медее 2t. Если учесть, что Тр- , то этот интервал должен быть не менее двух периодов М-последовательности . Коррел ционные шумы в соответствии с ФБК представл ют собой в цифровом виде последовательность из -1, что в аналоговом виде соответствует последовательности акустических импульсов с начальной фазой, равной ОГ , частотой следовани , рав ной частоте следовани  импульсов в М-последовательности, и амплитудой, равной амплитуде прин того акусти

0

5

0

ческого сигнала, соответствующего одной посылке.

Если дополнительно возбудить в исследуемой среде последовательность акустических импульсов с нулевой начальной фазой, длительностью не менее двух периодов модулирующей М-последовательности , с частотой следовани  импульсов, равной частоте следовани  импульсов в М-последовательности , и амплитудой, равной амплитуде зондирующих сигналов, преобразовать прин тые сигналы в цифровой код (получаетс  последовательность из +1) и суммировать с результатом коррел ционной обработки сигналов предшествующих посылок, то в результирующей записи будут полнЪстью отсутствовать коррел ционные шумы.

При этом между последовательностью акустических импульсов, модулированных М-последовательностью с длительностью -не менее трех ее периодов, и

дополнительно возбуждаемой последо- вательностью акустических импульсов с нулевой начальной фазой необходима

ды, вызванных возбуждением первой последовательности (длительность каж-

пауза не менее f , Така  пауза нужна дл  исключени  вли ни  откликов среды , вызванных возбуждением первой последовательности (длительность каж

дого из которых равна Т) на дополнительно возбуждаемую последователь- ность.

На фиг.1 изображена функциональна  схема устройства акустического каротажа дл  осуществлени  предлагаемого способаj на фиг.2 - временные диаграммы, на фиг.З и 4 - последова Устройство (фиг.1) содержит тактовый генератор 1, генератор 2 М-последовательности , формирователь 3 им- -Р

да- быт

- еть вет й , авв й, нием бипол рных излучателей (позици  о слева от пр мой CD и позиции

б - X) дл  случа  N 7, где N - число импульсов в одном периоде М- последовательности, и результат этой обработки (позици  -}), а также последовательность операций подавлени  коррел ционных шумов при реализации

1469А876

Особенностью осуществлени  способа  вл етс  преобразование сигналов в последовательность импульсов, началь- g нал фаза которых принимает значени  О или ЗГ в соответствии с кодом бинарной М-последовательности, на стадии возбуждени  зондирующих акустических импульсов путем их фазовой модул ции

Способ осуществл ют следующим разом.

Тактовый генератор 1 формируе непрерывную последовательность и 15 пульсов, частота следовани  (l/j которых определ ет частоту посыл зондирующих акустических импульс Выбор величины df осуществл етс  ход  из услови 

20

р

способа с использованием как бипол р- ю с помощью М-йоследовательности. ных, так и однопол рных излучателей (позици  CI справа от пр мой CD и пбзици  и ) и результирующа  запись (позици  k),

На фиг.З обозначены: L - период М-последовательности; -йГ - период следовани  импульсов в М-последовательности , АВ - начало записи сигнала в ОЗУ.

На фиг.4 схематически показаны последовательность операций коррел ционной обработки сигналов и результат этой обработки при реализации способа с использованием однопол рных излучателей.

Способ акустического каротажа может быть реализован как при использовании бипол рных излучателей (излучателей с идеальной нечетной электромеханической св зью), так и при использовании однопол рных, например магнитострикционных, излучателей.

Далее приведены два примера осуществлени  способа, отражающих специфику реализации с использованием различных типов излучателей.

Б обоих примерах рассмотрен следугде F - ширина спектра акустичес

сигнала,

в противном случае внос тс  иска 25 в спектр полезного сигнала. Прак чески л i выбирают в пределах дл тельности полезного участка сигн который обычно составл ет 5-10 м ( при длительности полного акусти кого сигнала пор дка 100 мс).

Тактовые импульсы в течение в менного интервала 3 поступают вход генератора М-последовательн причем ее период равен t , а час следовани  импульсов дГ. При это обща  длительность формируемой М ледовательности равна Bf, Тактов импульсы и М-последовательность

30

35

ющий случай: а) период Тр модулирующей бинарной М-последовательности

Тактовые импульсы в течение временного интервала 3 поступают на вход генератора М-последовательности причем ее период равен t , а частота следовани  импульсов дГ. При этом обща  длительность формируемой М-последовательности равна Bf, Тактовые импульсы и М-последовательность в течение временного интервала 3 Г постувыбирают равным максимальной длитель- 40 ° формирователь 3 импульсов ности L отклика среды на одну посылку зондирующих акустических импуль-г сов, т.е. максимальной длительности С полного акустического сигнала на входе приемника, а именно Т р t , б) модул цию зондирующих сигналов

45

возбуждени  излучател  который выра- батьшает мощные электрические импульсы возбуждени  излучател  Д таким образом , чтобы фаза акустических имг пульсов на выходе излучател  (т.е. фаза зондирующих сигналов) модулирована напр жением М-последовательности .

осуществл ют в пределах трех периодов М-последовательности, т.е. в пределах временного интервала ЗТ; в) длительность дополнительно возбуждаемой последовательности акустических импульсов .с нулевой начальной фазой выбирают равной 2Тр, т.е. 2 С г) паузу между модулированной последовательностью зондирующих сигналов и допол- gg сигналы, прошедщие через горные по

нительно возбуждаемой последовательностью выбирают равной t.

Пример осуществлени  способа с использованием бипол рных излучателей.

оды, поступают на приемник 5 и пр образуютс  им в электрические, посл чего их преобразуют в аналого-цифро вом преобразователе 6 в цифровой цо

Способ осуществл ют следующим образом .

Тактовый генератор 1 формирует непрерывную последовательность им- пульсов, частота следовани  (l/jr) которых определ ет частоту посылок зондирующих акустических импульсов. Выбор величины df осуществл етс  исход  из услови 

с помощью М-йоследовательности.

20

р

где F - ширина спектра акустического

сигнала,

в противном случае внос тс  искажени  в спектр полезного сигнала. Практически л i выбирают в пределах длительности полезного участка сигнала, который обычно составл ет 5-10 мс- (при длительности полного акустического сигнала пор дка 100 мс).

Тактовые импульсы в течение временного интервала 3 поступают на вход генератора М-последовательности причем ее период равен t , а частота следовани  импульсов дГ. При этом обща  длительность формируемой М-поседовательности равна Bf, Тактовые импульсы и М-последовательность в те

° формирователь 3 импульсов

возбуждени  излучател  который выра- батьшает мощные электрические импульсы возбуждени  излучател  Д таким образом , чтобы фаза акустических имг пульсов на выходе излучател  (т.е. фаза зондирующих сигналов) модулирована напр жением М-последовательности .

Начальна  .фаза зондирующих акустических импульсов принимает в результате два значени  ХО или 1() в зависимости от пол рности модулирующего напр жени  М-последовательности (фиг.2, сигналы 12). Акустические

сигналы, прошедщие через горные по

оды, поступают на приемник 5 и преобразуютс  им в электрические, после чего их преобразуют в аналого-цифровом преобразователе 6 в цифровой цор,.

Далее осуществл ют коррел ционную обработку сигналов в пределах одного периода М-последовательностИо

Коррел ционна  обработка осущест- вл етс  в последовательности, котора  нагл дно прослеживаетс  на фиг.З, Сначала закодированна  информаци  в виде последовательности из +1 и -1 с интервалом между 21 и общей длительностью 31 поступает на умножитель 7, где умножаетс  на первый член М-последовательности (+1), подаваемой на второй вход того же умножител . Результат ( позици  а слева от CD) передаетс  через сумматор 8 в оперативное ОЗУ 9 и заноситс  в его пам ть о Затем та же закоди- рова:нна  информаци  умножаетс  на второй член (-1) М-последовательности сдвигаетс  влево на временной ин

тервал А (с помощью сдвигающего регистра ) (фигЛ5 позиц15Я Б) и складываетс - в сум аторе 8 с сигналаг-ги из ОЗУ 9, после чего результат вновь заноситс  в пам ть ОЗУ 9

Та же операци  повтор етс  далее с использованием в кач-естве множителей поочередно всех оставшихс  члено в пределах одного периода М-последовательности (т„е. еще N-2 раза где N - число элементов М-последовательности ) 5 причем каждый раз суммирование осуществл ют со сдвигом влево по отношению к предьщущему результату обработки на временной интервал ( позиции а - -А ) . j При этом операци  умножени  при коррел ционной обработке эквивалентна операции синхронной фазовой демо- дул ции сигнала в аналоговом виде. В результате полного цикла коррел - ;ционной обработки принимаемых акусти |ческих сигналов с использованием в :качестве опорного сигнала М-последо- ;вательности получают ФВК (фиг.З, по- зици  ,) с центральным максимумом равным .по величине N (на фиг«3 N 7) и соответствующим полезному сигналу. Слева и справа от максимума ФВК в интервале 2 расположены равные мелсду собой по амплитуде импульсы кoppeл п oнныx шумов в виде последовательности из -1 с интервалом между ними й1, Амплитуда коррел ционных .шумов равна ai-шлитуде сигнала до коррел ционной обработкие

Далее через временной интервал после возбуждени  трех периодов

0

35 40 45 0 55 М последовательности с выхода тактового генератора 1 в течение интервала 2 подают на формирователь 3 тактовые имцульсы запуска (при этом на вход генератора 2 М-последовательности тактовые импульсы не подаютс ), В результате модул ци  по фазе до- полнител1гно возб-у одаемых импульсов не производитс , поэтому начальна  фаза акустических импульсов на выходе излучател  4, т.е. начальна  фаза дополнительно возбуждаемых в исследуемой среде импульсов, принимает только одно значение, равное 0.

На выходе излучател  4 получают последовательность акустических импульсов длительностью 21с нулевой начальной фазой и частотой следовани  1/ЛТ (фиг.З, позици  а справа от CD, изображение дано в ци фровом виде).

При этом амплитуда акустических импульсов в данной последовательности равна амплитуде акустических импульсов предшествующих посылок, промоду- лированных по фазе М-последователь- ностью, поскольку в обоих случа х акустические импульсы возбуждаютс  одним и тем же излучателем.

Дополнительно возбуждаемые в исследуемой среде сигналы после прохождени  через горные породы поступают на приемник 5 и преобразуютс  в электрические . Далее они поступают на аналого-цифровой преобразователь 6 и преобразуютс  в. цифровой код.

С выхода аналого-цифрового преобразовател  6 закодированна  последовательность прин тых сигналов передаетс  через умножитель 7 (операци  умножени  не производитс  из-за отсутстви  второго множител ) на сумматор В, где ее суммируют с результатом коррел тдионной обработки сигналов предшествующих посылок, хран щимс  в ОЗУ 9 (фиг.З, позици  w).

В результате суммировани  в идеальном случае полностью подавл ютс  коррел ционные шумы, вли ющие на полезный сигнал, т.е. в интервале (-, f), а максимум коррел ционной функ- циид соответствующий полезной записи, будет равен N - 1 , где N - число импульсов в одном периоде М-последовательности (фиг.З, позици  ьг, N 7).

Таким образом, в результирующей записи в идеальном случае будет содержатьс  только полезна  информаци ,

увеличенна  по амплитуде в N + 1 раз по сравнению с исходной.

Пример осуществлени  способа с использованием однопол рных, например магнитострикционных, излучателей.

В данном случае излучатель имеет четную характеристику электромеханической св зи. Поэтому нельз  осуществить на стадии возбуждени  фазовую модул цию зондирующих акустических импульсов с помощью бинарной М-пос- ледовательности. Согласно такой реализации преобразование акустических сигналов в последовательность импуль сов, начальна  фаза которых принимае значени  О или 1 в соответствии с кодом модулирующей М-последователь- ности, осуществл ют как на стадии их возбуждени , так и на стадии регист рации и обработки прин той информаци с помощью технического приема, известного в сейсморазведке.

Особенности реализации способа следующие. Модулирующую М-последо- вательность длительностью 3 Г с выхода генератора 2 раздел ют на две, кажда  из которых состоит из импульсов только одной пол рности и имеет длительность, равную длительности исходной М-последовательности, т,е. 3i,

При этом последовательность, состо щую из отрицательных импульсов, инвертируют. В результате получают пр мую и инверсную последовательности , состо щие только из положительны импульсов, длительность каждой из которых ЗС. Эти две сформированные последовательности с интервалом между ними не менее периода М-последо- вательности Г подают на формирователь 3 импульсов возбуждени  излучател . Формирователь 3 импульсов воз;буждени  излучател  вырабатывает мощ дае электрические импульсы в момент одновременного поступлени  на него тактовьк импульсов с тактового генератора 1 и импульсов М-последователь ности с генератора 2, при этом осуществл етс  кодоимпульсна  модул ци  акустических импульсов на выходе излучател  4. В итоге посылку зондирующих акустических импульсов в исследуемую среду осуществл ют в двух сеан- сах (циклах), разделенньк интервалом Г . При этом- распределение акус- тических импульсов и пауз между ними в последовательности зондирующих сиг

0

5

0

5 0

5 г

5

0

0

налов в первом сеансе возбуждени  соответствует коду пр мой последовательности , а во втором сеансе - коду инверсной последовательности.

Прин тые сигналы преобразуют в цифровой код, причем сигналы, соответствующие второму сеансу возб ткде- ни , инвертируют.

В результате подлежаща  коррел ционной обработке закодированна  информаци  будет соответствовать двум последовательност м импульсов, начальна  фаза которых принимает значени  О или Л в соответствии с кодом исходной разнопол рной модулирующей М-последовательности,

Наиболее оптимальным вариантом с точки зрени  обьема пам ти ОЗУ 9 и производительности  вл етс  проведение коррел ционной обработка в темпе поступлени  информации, т.е. непосредственно в ходе возбуждени  зондирующих сигналов. При этом не требуетс  внесени  существенных изменений в функциональную схему устройства дл  осуществлени  способа.

Коррел ционную обработку информации , соответствующей каждому сеансу возбуждени , осуществл ют с использованием в качестве опорного сигнала полной исходной М-последоват.ельности, При этом принцип коррел ционной обработки и ее суммарньп результат (фиг,4) полностью идентичны примеру осуществлени  с использованием бипол рных излучателей.

Последовательность операций коррел ционной обработки при реализации способа с использованием однопол рно- го излучател  и ее результат схематически представлены на фиг.4, где 1 - период М-последовательности, d C- период следовани  импульсов в исходной (разнопол рной) М-последовательности , вертикальна  пр ма  АВ, условно обозначает начало записи, горизонтальна  пр ма  EF раздел ет этапы коррел ционной обработки сигналов , соответствующих пepвo fy и второму сеансам возбуждени .

Все операции, проводимые после коррел ционной обработки, и результирующа  запись одинаковы в обоих примерах осуществлени  способа,

Б итоге теоретически возможно полное подавление коррел ционньтх щумов в интервале записи в обоих примерах.

И1

На практике как при использовании бипол рных, так и однопол рных излучателей за счет нестабильности амплитуд возбуждаемых акустических импуль сов, а также за счет рассинхрониза- ции по времени возможно неполное подавление коррел ционных шумов.

Проведенные исследовани  показали что чисто техническими средствами возможно достичь того, чтобы уровень остаточных коррел ционных , св занных с суммарным эффектом амплитудных и временньк нестабильностей, не превышал 1-0% от уровн  коррел цион- ных шумов согласно известному способу .

Таким образом, предлагаемый спосо акустического каротажа позвол ет за счет подавлени  коррел ционных шумов увеличить отношение сигнал/шум в результирующей записи не менее, чем на пор док, что, в свою очередь, обеспечивает расширение динамического диапазона регистрации не менее, чем на 20 дБ. Способ может быть реализован с помощью стандартных акустических зондов, содержащих магнитострикцион- ные излучатели.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ акустического каротажа, основанньш на непрерывном перемещении скважинного прибора и периодической посылке в исследуемую среду зондирую (Pus. f

   ) ;

   0 5

   0

   1 2

   щих сигналов в виде акустических импульсов , модулированных бинарной псевдослучайной периодической М-пос-, ледовательностью, коррел ционной обработке прин тых сигналов в пределах ее периода и включающий преобразование сигналов в последовательность импульсов , начальна  фаза которых принимает значени  О или Л в соответ- с кодом модулирующей М-после- довательности, отлича.ющий- что, с целью увеличени 

   с   тем,

   отношени  сигнал/шум путем подавлени  коррел ционных шумов, зондирующие акустические импульсы модулируют в пределах не менее трех периодов М последовательности, затем через временной интервал, не меньший периода- М-последовательности, дополнительно возбуждают в исследуемой среде последовательность акустических импульсов с нулевой начальной фазой, при этом амплитуду импульсов выбирают равной амплитуде зондирующих сигналов, длительность последовательности выбирают равной не менее, чем двум периодам модулирующей М-последовательности, а частоту следовани  импульсов, равной частоте следовани  импульсов М-последовательности, преобразовывают прин тые дополнительно возбужденные сигналы в цифровой код и суммируют их с результатом коррел ционной обработки сигналов предшествующих посылок.

   Ю -i

   It

   J

   Г2 - iP- /l-Х/1- 1Л -пДФиг . г

   I

   r

   в

   Фа. V

   Редактор А.Огар

   Составитель Н„Гусева

   Техред М.Дидш; Корректор С.Черни

   Заказ 1358/53

   Тираж 483

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-355, Раушска  наб., д. 4/5

   Подписное