专利名称：处理频散声波的方法
技术领域：
本发明一般涉及从声波数据中检测、去除和/或分离信号的方法及装置。更具体地说，其涉及处理从声波钻孔测井获得的数据的方法。
背景技术：
声学测井仪在提供关于测井仪附近地层和钻井参数信息方面很有用。声学钻井测量的主要作用是用于估计压缩波和/或剪切波的地层慢度。不直接测量地层慢度，而是从由接收器接收到的各种声波中确定。地层慢度通常通过下述方法来测量在钻井中的探测装置中安放传感器阵列，所述阵列包含至少一个发送器和至少一个接收器；从发送器发送声音信息；用接收器接收声音信号；并考虑发送器和接收器之间的距离以及发送器发送信号和接收器接收信号之间的时间来计算地层慢度。但是计算地层慢度是复杂的，因为响应于一个所发送的信号，会接收到多种不同声音类型的信号。单个发送的声音信号(不论是单极、双极、四极或多极的)在钻井环境中能产生多种由接收器接收到的波形。为了处理声音数据，有必要对各种接收到的波形进行分离和分类为大体的波形种类，诸如压缩波、剪切波和Stoneley(斯通利波)。
一种估计地层慢度的方法是慢度-时间相关法(slowness-time coherence，STC)，其中传感器阵列接收到的波形中的相似性波峰位于慢度-时间平面。美国专利第4,594,691号描述了STC处理，并且在此以整体方式被并入。特定的接收信号(诸如那些由双极弯曲模式(dipole flexural mode)产生的信号)是频散的。对于频散模式，STC的频散变形(诸如在美国专利第5,278,805号中描述的频散STC(dispersive STC，DSTC)处理和在美国专利第5,587,966号中描述的QDSTC，二者都在此以整体方式被包含)在处理频散声音信号时是有用的。STC处理的一个特殊用处是确定地层的压缩和剪切慢度。
STC相似性处理使得确定沿(across)声波阵列传播的各种分量的慢度变得方便。相似性处理的结果通常表示为二维时间-慢度表(时间对慢度)。根据下列等式，通过将时间-慢度表投影到慢度轴上，相似处理的结果通常相对于深度表达Pi(S)=maxtρi(S,t)]]>其中Pi为慢度投影，ρi为在每一层计算得到的相似性，它是慢度S和时间t的函数。
在STC处理中，对每一种到达类型识别一个窗口或频带(band)。为了最小化频散STC中参数不确定性(uncertainty)的影响，根据迭加(stacking)的慢度和测量到的井径(钻井直径)，考虑到对这些参数的敏感性，动态地调整处理频带。虽然DSTC处理是鲁棒的和有用的，但是它也有局限性。DSTC处理中的基本假设是钻井地层是均匀的、各向同性的地层，并且接收信号中由于钻井中测井仪存在导致的测井仪影响可以很容易地处理。随着钻井声学测井仪和声波测井数据处理的发展，可以修正这些假设。
在双极声波测井中，弯曲波通过钻井流体，并沿井壁以一定速率移动，该速率取决于钻井流体速度(即泥浆慢度)和地层剪切慢度。弯曲模式也对其他参数敏感(诸如井径、密度和地层的压缩慢度)。必须考虑这些参数，但是它们的确切值可能难于确定。缺少这些参数的精确值意味着最后的慢度估计也会包含一定程度的不确定性。另外，它们在整个测井过程中还会变化，使得在整个测量间隔中采用一个统一值或校正值变得不正确。
在估计声波数据过程中，在最终慢度估计中提供不确定性程度的测量将是有用的。本发明涉及一种在双极声波测井中确定频散因子及计算的地层剪切慢度对这些因子的敏感性的方法。更具体地说，本发明提供一种在双极声波测井中确定弯曲模式慢度对地层剪切慢度的敏感性的方法。
本发明的其他优点和新颖特征将在随后的说明中给出，或本领域技术人员通过阅读这些材料或实践本发明可以了解到。本发明的优点可以通过引用所附权利要求的方式得到。
发明内容
本发明提供一种最小化由钻井中由于测井仪的存在导致的声音数据中的误差概率以及其他模型参数中的不确定性。本发明提供一种利用DSTC处理来处理声学数据的方法，包括计算频散敏感性和实现动态处理频带以最小模型误差的影响。所述方法还包括确定接收声音数据中针对各种参数(包括钻井中测井仪的存在)的敏感性极限或“截止频率”。通过认识到弯曲模式到达的敏感性依赖于发送信号的频率，可以建立用于处理的有用频带的极限。本发明的另一个实施例包括在每个深度层的迭代过程，其中第一慢度是通过利用假设各向同性模型的参数来估计的，然后重复迭代相似性处理，直到满足停止标准。所述停止标准的例子包括被降低的误差条大小、两次迭代间的最小的慢度变化或者是低于阈值的一致性(均值或峰值)。
附解了本发明的优选实施例，并且是本说明书的一部分。所述附图和下列描述一起展示和解释了本发明的原理。
图1示出一个安放在钻井中的传统声学测井仪的示意图；图2A和2B示出了快速地层中弯曲模式慢度对各种参数的敏感性；图3A和3B示出了慢速地层(例如Ss＝600μs/ft)中弯曲模式慢度对各种参数的敏感性；图4A示出了在钻井中具有测井仪的6英寸钻井中的配置以及在钻井中只有流体的钻井配置的、针对信号频率和计算得到的慢度的各种组合的模型结果；图4B示出了建模为6英寸钻井中在从0到8kHz的频率范围上、包含测井仪的模型与不包含测井仪的模型之间慢度的差别；图5A示出了在钻井中具有测井仪的12英寸钻井中配置以及在钻井中只有流体的钻井配置的、针对信号频率和计算得到的慢度的各种组合的模型结果；图5B示出了建模为6英寸钻井中的在从0到8kHz的频率范围上的、包含测井仪模型与不包含测井仪模型之间慢度的差别；图6示出了为了允许定义等效井径而最小化的残差差值；图7示出了针对不同流体慢度的一组偏移表a(s，d)；和图8示出了动态滤波器频带随深度变化并且依赖于等效井径和迭加慢度。
具体实施例方式
现在转到附图，具体转到图1，声学测井仪(100)被示为接近均匀地层(102)，所述均匀地层(102)由外壳包着。所述声学测井仪(100)包括至少3个传送器，其包含至少一个发送器(T)和至少一个接收器(R)。本实施例中有两个接收器(R)和一个发送器(T)，但是也可以使用更多接收器(R)和发送器(T)。示出的一个发送器(T)和两个接收器(R)的配置实际上是示范性的，可以有整个阵列的接收器和/或发送器，或者是单个发送器(T)和接收器(R)。发送器(T)和接收器(R)连接到计算机处理器(106)，用于收集和处理来自声学测井仪的数据。同时示出了波向线路径(108)，表示由发送器(T)激活引起的压缩波的路径。接收器(R)可以为不同类型，包括但不仅限于压电的和磁致伸缩的接收器。接收器(R)可以检测到声波的到达。
从声学测井仪(100)收集到的信息或数据可能包括接收器(R)不时产生的波形，这些信息或数据通过一根悬吊声学测井仪(100)的电缆(110)而发送到计算机处理器(106)。数据还可以通过任何其他便利的通信技术在计算机处理器(106)和接收器(R)之间发送。计算机处理器(106)可以从许多来源商业获得。由声学测井仪(100)获得并被计算机处理器(106)接收的声音数据可以根据STC处理来处理。
在一个实施例中，本发明的方法包括产生一组估计的慢度曲线。慢度计算对多个钻井参数敏感，这些参数包括如井径、流体慢度、密度以及压缩慢度(Vp)和剪切慢度(Vs)的比值。为了估计慢度估计中的误差，计算频散对各种参数的敏感性。充满流体的钻井的弯曲模式频散的敏感性可以如下估计令P＝{P1，P2，P3，P4，P5}＝{Ss，Vp/Vs，HD，Smud，DR} (1)在频率f，弯曲模式慢度Sk(P0，f)对参数Pk的相对敏感性定义为Sk(P0,f)=PkSflex(P,f)∂Sflex(P,f)∂Pk|P=P0---(2)]]>其中Sflex(P，f)是在频率f的弯曲波针对参数P的相位慢度；Ss是地层剪切慢度；Vp/Vs是压缩波和剪切波的速率比；HD是井径；Smud是流体慢度，DR是地层和流体密度的比率。
图2A和2B示出了快速地层中弯曲模式慢度对各种参数的敏感性。从图2A和2B可以看出，快速地层中弯曲模式慢度对地层剪切慢度的敏感性在某一频率下降，对其他参数的敏感性(尤其是井径和流体慢度)变得占主导地位。例如，在快速地层(Ss＝100μs/ft)，对于6英寸钻井，对剪切慢度的敏感性在4kHz快速下降(图2A)，而对于12英寸钻井，在2.5kHz快速下降(图2B)。相反，对井径和泥浆慢度的敏感性在这些频率迅速增加。因此，期望处理频带低于该频率以便滤除这些敏感性的影响。
图3A和3B示出了慢速地层(Ss＝600μs/ft)中弯曲模式慢度对各种参数的敏感性。从图3A和3B中可以看出，慢速地层中弯曲模式慢度对地层剪切慢度的敏感性不如在快速地层中变化快。同时，对其他参数的敏感性也相对低。因此，在慢速地层中，可以利用整个频率分量来得到尽可能高的信号电平。
慢度计算还可能对钻井中存在的测井仪敏感。本发明的另一个实施例包括一种确定地层慢度的方法，该方法考虑钻井中测井仪存在的影响，通过对钻井测井仪结构和通过等效同轴材料对充满流体的钻井进行建模，并搜索各种到达模式。图4A示出了在钻井中有测井仪的6英寸钻井中的配置以及在钻井中只有流体的钻井配置的、针对信号频率和计算得到的慢度的各种组合的模型结果。图4B示出了6英寸钻井中从0到8kHz的频率范围上、包含测井仪模型与不包含测井仪模型之间慢度的差别。图5A示出了在钻井中有测井仪的12英寸钻井中的配置以及在钻井中只有流体的钻井配置的、针对信号频率和计算得到的慢度的各种组合的模型结果。图5B示出了12英寸钻井中从0到8kHz的频率范围上、包含测井仪模型与不包含测井仪模型之间慢度的差别。
注意通常在对地层剪切慢度的敏感性一致的频带中的差别非常小或可以忽略。在快速地层(Ss＝100μs/ft)、小钻井(HD＝6英寸)中的敏感性截止频率大约为4KHz(图2A)，并且直到该频率，频散曲线的差别小于1％(图4A)。在大钻井(HD＝12英寸)中频散曲线的差别直到2.3KHz小于1％(图5A)。注意敏感性截止频率依赖于测井仪的结构、井径和地层剪切慢度(图2、3)。因此，为了保持该观测的有效性，仔细选择处理频带很重要。同时注意测井仪存在的影响依赖于井径和地层慢度两者(图4、5)。
直到3KHz，由于测井仪存在的频散曲线中的差别大约在1％，这已经覆盖了大部分信号，在6英寸钻井中对井径的敏感性相对较低(图4)，在大于12英寸的钻井中通常小于1％(图5)。与无测井仪存在的钻井的频散曲线相比，存在测井仪结构时的频散曲线稍微向低频偏移，并几乎等效于稍大的钻井。
在本发明的一些实施例中，通过利用自动和自适应的频率滤波器频带选择，动态实现频率选择。因为存在测井仪时的敏感性截止频率是关注的焦点，将导出有测井仪存在和无测井仪存在频散曲线之间的关系。为了获得该关系，两个频散曲线之间的残差差别R定义为R=Σf|SSS(S,f){Stool(S,f,d)-Sempty(S,f,d+a(S,d))}|2---(3)]]>其中S是地层剪切慢度，Ss是对地层剪切慢度的敏感性，Stool是有测井仪存在时的频散曲线，Sempty是无测井仪存在时的频散曲线，d是井径，f是频率。然后对于a、针对每个S和d最小化R(图6)，因而允许等效井径被定义为d+a(S，d)，其中a(S，d)是偏移。可以计算对于不同流体慢度的一组偏移a(S，d)的表(图7)，并被包含在DSTC中。
利用针对给定参数(Vp、流体慢度和密度)计算而产生的频散曲线组，通过计算对井径的敏感性Shd与对地层剪切慢度的敏感性Sshear之间的比率，可以确定由于在井径测量中的期望的不确定性δhd而导致的剪切慢度估计中的期望的不确定性ee(S,f)=Shd(s,f)Sshear(s,f)δhd,---(4)]]>等效井径可用于确定频率上限和剪切慢度估计中的期望不确定性e，对每个慢度S，处理上限fa(S)可以被定义为频率fu，其中从0到fu对e(S，f)的积分达到预定阈值E。
E≥∫0fue(S,f)df,---(5)]]>E和δhd可以被设置为初始值，例如分别为25和0.1。E和δhd的最优值可以根据实验数据确定。为了考虑测井仪存在的影响，根据本发明的一个实施例，偏移a(S，d)可以被加到井径中，使得上限频率可以被计算为fupper＝(s，d)(a(S，d)+d)/d，(6)或者，也可以采用下述表达式fupper＝f(S，d_e)， (7)其中d_e是等效井径。
在一些实施例中，可以计算处理频率下限以使得常数因子被定义为
q=12(fupper+flower)(fupper-flower),---(8)]]>其中q是固定的，初始为1.0，中心频率为Airy相位频率，被数值计算为其中模式的dk/dω有最大值的频率。
在一些实施例中，在反向传播和在DSTC处理中迭加之前，可以对波形先进行动态滤波。动态滤波频带随深度变化，并依赖于等效井径d和迭加慢度S(图8)。本发明包括一个改进的DSTC处理，其包括如下计算相似度ρ(S，τ)令Xk(f)＝F{xk(t)}，ρ(S,τ)=Σt=τ-Tτ|Σk=1MF-1{W(f,S,d)Xk(f)e-2πfirka(f,S,d)}|2Σt=υ-TτΣk=1M|F-1{W(f,S.d)Xk(f)e-2πfirka(f,S.d)}|2,---(9)]]>其中xk(t)是第k个接收器的信号，t是采样时间，f是频率，F{}是傅立叶变换，F-1{}是傅立叶逆变换，S是地层剪切慢度(待估计的参数)，d是井径，τ是积分时间窗口的位置，W(f，S，d)是滤波器响应，其截止频率根据地层剪切慢度S和井径d动态计算，α(f，S，d)是在频率f的每单位长度的理论相位延迟，i为(-1)的平方根，rk是第k个接收器和迭加参考点之间的距离，M是接收器的数目，T是计算相似度的时间窗口的长度。整个数据流可以如图9所示。注意到执行模式搜索以便对每个迭加慢度产生一组参考频散曲线，对每个接收器和每个迭加慢度产生反向传播因子。然后对于每个迭加慢度计算优化处理频带和设计滤波器。滤波器系数和反向传播因子相乘，使得反向传播波形被自动滤波，以便具有优化频带。
在一些实施例中，傅立叶逆变换只考虑了正频率部分，使得结果变成复解析信号(complex analytic signal)且其范数是迭加频率的包络。
本发明处理声音数据的方法自动地调整处理频带以抑制模型误差(包括测井仪的影响)。引入等效井径以通过将缩放没有测井仪影响的频散曲线来近似有测井仪的频散曲线。处理通过预先计算的缩放因子表来使用等效井径。上述描述和附图展示了用于动态滤波声音波形的方法和装置。
提供上述描述仅仅用来图解和描述本发明。它并不是详尽的或将本发明限于任何公开的确切形式。根据上述示教，可能会做各种修改和改动。选择和描述优选实施例以便最好地解释本发明的原理及其实际应用。上面的描述是为了使本领域技术人员在各种实施例中以及利用对为适应预期的特定应用而做的各种修改中更好地利用本发明。
权利要求
1.一种处理声音数据的方法，包括产生一组估计的慢度曲线；确定所述估计的慢度曲线中的不确定性；确定频率滤波器频带的上限；确定所述频率滤波器频带的频率下限；和在相似性计算中采用所述频率滤波器频带。
2.根据权利要求1的方法，其中产生一组估计的慢度曲线的步骤包括确定敏感性截止频率。
3.根据权利要求2的方法，其中确定敏感性截止频率包括针对一组钻井参数而对频散曲线进行建模。
4.根据权利要求3的方法，其中该组钻井参数是从包含井径、流体慢度、密度、地层剪切慢度、压缩慢度对剪切慢度的比率、和地层密度对流体密度的比率的组中选择出来的。
5.根据权利要求1的方法，其中产生一组估计的慢度曲线还包括确定测井仪存在对所述慢度曲线的影响。
6.根据权利要求5的方法，其中确定测井仪存在的影响包括定义等效井径。
7.根据权利要求6的方法，还包括根据所述等效井径来缩放所述慢度曲线。
8.根据权利要求5的方法，还包括计算两个频散曲线之间的残差差别RR=Σf|SSs(S,f){Stool(S,f,d)-Sempty(S,f,d+a(S,d))}|2]]>其中S是地层剪切慢度，SSs是对地层剪切慢度的敏感性，Stool是有测井仪存在时的频散曲线，Sempty是无测井仪存在时的频散曲线，d是井径，f是频率，a是常数。
9.根据权利要求8的方法，还包括对于a，针对S和d的每个组合来最小化R。
10.根据权利要求9的方法，还包括对多于一个的频散曲线产生偏移表(S，d)。
11.根据权利要求1的方法，其中确定估计慢度曲线中的不确定性包括计算对井径的敏感性与对地层剪切慢度的敏感性之间的比值。
12.根据权利要求1的方法，其中剪切慢度中不确定性的估计为e(S,f)=Shd(S,f)Sshear(S,f)δhd,]]>其中S是地层剪切慢度，f是频率，sshear是对地层剪切慢度的敏感性，shd(s，f)对井径的敏感性，δhd是在井径测量中的不确定性。
13.根据权利要求12的方法，其中确定频率滤波器频带的上限包括定义所述上限，其中E计算为E≥∫0fue(S,f)df]]>其中E是预先定义的阈值。
14.根据权利要求1的方法，其中相似性ρ(S，τ)计算为ρ(S,τ)=Σt=τ-Tτ|Σk=1MF-1{W(f,S,d)Xk(f)e-2πfirkα(f,S,d)}|2Σt=υ-TτΣk=1M|F-1{W(f,S,d)Xk(f)e-2πfirkα(f,S,d)}|2]]>其中xk(t)是第k个接收器的信号；t是采样时间；f是频率；F{}是傅立叶变换，F-1{}是傅立叶逆变换；S是地层剪切慢度；d是井径；τ是积分时间窗口的位置，W(f，S，d)是根据地层剪切慢度S和井径d动态计算得到的截止频率上的滤波器响应；α(f，S，d)是在频率f的每单位长度的理论相位延迟；i为(-1)的平方根，rk是第k个接收器和迭加参考点之间的距离；M是接收器的数目；和T是计算相似度的时间窗口的长度。
15.一种确定钻井中的地层慢度的方法，包括用发送器产生声波；使用至少一个接收器接收声波并产生原始声音数据；定义动态频率滤波器频带；和利用滤波器频带相似形处理所述数据。
16.根据权利要求15的方法，其中定义动态频率滤波器频带包括确定地层慢度对井径的敏感性。
17.根据权利要求15的方法，其中定义动态频率滤波器频带包括计算等效井径。
18.根据权利要求15的方法，还包括估计停止标准，并且如果不满足所述停止标准，则调整所述频率滤波器频带并且重复相似性的计算。
19.一种确定处理声音数据的方法，包括(a)产生一组估计的慢度曲线；(b)确定所述估计的慢度曲线中的不确定性；(c)确定频率滤波器频带的上限；(d)确定所述频率滤波器频带的下限；(e)在相似性计算中采用所述频率滤波器频带；和(f)在钻井的一深度范围上，重复步骤(a)到(e)。
20.根据权利要求19的方法，还包括从相似性中产生慢度测量。
21.根据权利要求19的方法，还包括对阵列中的每个接收器重复步骤(a)到(e)。
22.根据权利要求19的方法，还对阵列中的每个的接收器回传所有的慢度曲线。
23.一种处理利用安放在钻井中的钻井测井仪收集的声音数据的方法，包括利用测井仪等效模型产生估计的声音响应，所述测井仪等效模型包括所述钻井中的所述钻井测井仪存在的影响；至少部分利用估计的声音响应来处理所述声音数据，使得所处理的声音数据包括所述钻井中的所述钻井测井仪存在的影响。
24.根据权利要求23的方法，其中所估计的声音响应是一组估计的慢度曲线。
25.根据权利要求23的方法，其中所述测井仪模型通过等效同轴材料对钻井中的钻井测井仪建模。
26.根据权利要求25的方法，其中所述测井仪模型搜索各种到达模式。
27.根据权利要求23的方法，其中所述钻井测井仪是有线测井仪。
28.根据权利要求24的方法，其中所述步骤或处理包括以下步骤确定所述估计的慢度曲线中的不确定性；确定频率滤波器频带的上限；确定所述频率滤波器频带的下限；和在相似性计算中采用所述频率滤波器频带。
29.根据权利要求28的方法，其中产生一组曲线的步骤包括确定敏感性截止频率。
30.根据权利要求29的方法，其中确定敏感截止频率包括对一组钻井参数的频散曲线建模。
31.根据权利要求23的方法，其中所述测井仪等效模型部分基于一组从包含井径、流体慢度、密度、地层剪切慢度、压缩慢度对剪切慢度的比值、以及地层密度对流体密度的比值的组中选择的钻井参数。
32.根据权利要求23的方法，其中所述钻井测井仪存在的影响是部分地通过定义等效井径部分来确定的。
33.根据权利要求24的方法，还包括通过所述等效井径来缩放慢度曲线。
34.根据权利要求24的方法，还包括计算两个频散曲线之间的残差差别RR=Σf|SSs(S,f){Stool(S,f,d)-Sempty(S,f,d+a(S,d))}|2]]>其中S是地层剪切慢度，SSs是对地层剪切慢度的敏感性，Stool是有测井仪存在时的频散曲线，Sempty是无测井仪存在时的频散曲线，d是井径，f是频率，a是常数。
35.根据权利要求34的方法，还包括对于a，针对S和d的每个组合来最小化R。
36.根据权利要求35的方法，还包括对多于一个的频散曲线产生偏移表(S，d)。
全文摘要
一种处理声音数据的方法，包括采用动态滤波器频带。该方法和装置可特别适用于处理声波数据以测量钻井中的地层慢度。
文档编号G01V1/28GK101014880SQ200580024112
公开日2007年8月8日 申请日期2005年5月12日 优先权日2004年5月17日
发明者斋木芳之, 奥利弗·斯凯尔顿, 杰希尔·帕邦, 比卡什·辛哈 申请人:普拉德研究及发展公司