声反射成像测井波场分离方法概述

刘 豪，周 静，杜 霄，杨雨舟

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

石油具有不可再生性质，勘探难度大，开采率低，随着石油的不断开采，要求勘探目标更远更准。声反射成像测井技术的出现和发展，对于提高声波测井技术的探测范围和探测准度尤为重要。这种技术可以探测井眼附近的相邻地层构造，描述井眼附近的裂缝状产物，判断油储边界等，探测范围有数十米左右。声反射成像测井中，反射纵波位于纵波和横波之间，在井旁高角度层界面和裂缝的识别上效果优异，但由于其幅度较小，常常被其他模式波所淹没，用常规的滤波方法提取较为困难，往往需要后处理。因此，在声反射成像技术出现后，前人对波场分离技术进行了深入的研究。1989 年，Hornby[1]首次将反射波信号从全波列中分离了出来。该实验所用的全波形声波采集仪有一个单极发射器和十二个接收器，发射器距离第一个接收器3.35 m，接收器之间相距15 cm。他对模拟数据和实际测井数据进行了处理，利用速度滤波数据生成了一个共中心点（CMP）叠加截面，在CMP 叠加剖面上可以清晰的识别反射纵波和横波及模式转换的到达点。1998年，王乃星等[2]首次通过波场分离技术从全波列中分离出了反射波，并利用地震处理中的椭圆形法计算井外裂缝和反射界面的视倾角，对实际全波列测井记录实现了井外反射波的成像。目前所采用的波场分离方法主要包括f-k 滤波方法、时间慢度相关法、Radon 变换法、线性预测方法、径向道滤波方法、中值滤波方法等，本文对上述几种波场分离方法进行基本概述，并展望其未来发展。

1 波场分离方法

1.1 Radon 变换方法

Radon 变换方法是波场分离的常用方法之一，其存在多种形式，例如线性Radon 变换，是将捕获信号沿一类倾斜线进行叠加，此外还有双曲Radon 变换和抛物Radon 变换，也都是将捕获的声波信号沿某一类型双曲线和抛物线进行叠加。通常在共接收阵列中使用Radon 变换，经过正变换，声波数据可以被转换到Radon 域中来。虽然Radon 变换形式多、应用广，但是，Radon 变换采用的是最小二乘算法，一个显著的缺点就是Radon 域的聚焦不够明显，因此，高分辨率Radon变换采用贝叶斯和最大熵原理，弥补了传统Radon 变换的缺点。2008 年，庄春喜等[3]对线性Radon 变换的算法进行了讨论，并将线性Radon 技术应用到了现场资料处理中，最终分离出了直达波、上下行反射波、斯通利波反射波等，不仅对算法进行了验证，也说明了线性Radon 变换方法的有效性。2014 年，李超、岳文正等[4]在前人研究的基础上，针对两个问题：井孔滑行波很难彻底消除和有用的反射波会被滤掉，采用了高分辨率Radon 变换来提取反射波，并与f-k 滤波、最小二乘Radon 变换和中值滤波的结果进行比较，得出结论：高分辨率Radon 变换的提取效果接近于理论波形，比最小二乘Radon 变换的效果好。而相比于常规的中值滤波方法也有很大优势，证明了其方法的有效性。

1.2 f-k 滤波方法

f-k 滤波方法即频率-波数域滤波方法，最早用于地震方面，其采用三维傅里叶变换，从时域中将声数据转换到频率-波数域。接着通过直达波和反射波的视速度差异来分离两种类型的波。f-k 滤波方法在去除噪声干扰的同时还能够保证有效振幅。但是频散效应对其有一定的影响。2011 年，王兵、陶果等[5]针对如何有效提取反射波的问题，利用参数估计法和f-k 滤波法对有限差分模拟数据进行了反射波提取，并选取某深度点第一个接收器的波形提取结果进行对比说明。对比结果表明，虽然f-k 滤波结果较参数估计法好一点，但直达波残留较多，且其幅度大小与反射波幅度大致相同，这样对于反射信号的提取不利。因此，选择将小波变换与时间慢度相关法结合,可以有效提取反射纵波和反射横波。

1.3 中值滤波方法

中值滤波法为非线性滤波方法，应用广泛、计算较为简单。其基本原理是将一组数据中某一点相邻区域的数据进行排序后，取序列的中值作为输出值。中值滤波的这一特性需要绝对误差最小才准确。中值滤波方法因其能够保护信号的边缘，所以对去除声波数据中的噪声有良好的应用效果，而且，算法简单，易于实现。2003 年，车小花、乔文孝等[6，7]分别通过物理和数值模拟，对中值滤波波场分离方法进行了验证，其结果表明，中值滤波方法虽然可行，但对于井眼复杂的特殊情况不太适用，其很难分离出与井轴平行的反射波。

1.4 时间慢度相关法

时间慢度相关法也是较为常用的一种波场分离的方法。它的特点是时域处理，主要应用在反射纵横波和斯通利波的慢度提取方面。其根据各种声波的相关性，通过设置窗口，从而得到时间和慢度的相关函数。前人还将时间慢度相关法和小波变换的多尺度特性结合，得到了一种新的方法：多尺度时间慢度相关法。其数据处理可以在时域内也可以在频域内，并且可以完美地提取反射纵波，提取效果比单纯的时间慢度相关法更好。2005 年，何峰江[8]提出了多尺度时间慢度相关法。其对多尺度时间慢度相关法进行了数值模拟和实际测量的应用，结果表明多尺度时间慢度相关法的应用效果很不错。2009 年，董经利[9]针对单极测井和偶极测井中，利用时间慢度相关法（STC）得到的横波时差不同的问题，提出了一种利用胜利测井公司和天津大学合作研发的声波处理软件来估算二维谱分布的技术，并采用矩阵、相位等处理方法得到了纵横波及斯通利波时差。在对实际资料进行处理后发现，该方法可以进行井眼稳定性分析、预测地层孔隙压力等。2010 年，范宜仁等[10]考虑到反射纵波识别井旁裂缝具有优越性，首先介绍了多尺度理论和时间慢度理论，接着利用多尺度时间慢度相关法对滑行纵横波之间的反射纵波进行了提取处理，结果表明，该方法提取出的反射纵波趋于完美，并且由于反射纵波为小信号的原因，所以该方法也不失成为提取小信号有效方法。2011 年，孙锋[11]针对声反射成像测井数据处理未从测井业内专业角度出发的问题，讨论了各种声数据处理方法，包括利用时间慢度相关法进行单极纵横波、斯通利波的慢度提取、利用九点中值滤波进行反射纵波的提取以及利用Radon 变换进行上下行波分离的方法。2016 年，宫昊[12]针对反射波信号的信噪比过小等问题，优化改进了线性预测方法，并采用时间慢度相关法对直达波进行了估计并剔除。将线性预测方法和时间慢度相关法进行了结合后对直达波某油田实际数据资料进行了处理，结果表明，井中弯曲波被大大压制，进而说明这种结合的方法有效实用。

1.5 其他方法

2009 年，X.M.Tang 等[13]首次将波场分离技术应用于阵列数据，根据直达波和反射波两者不同的辐射特性，从全波列中减去估计的直达波，实现了反射波的提取处理，并进一步地分离了上下行反射波，接着通过沿阵列叠加对反射波数据进行了叠加，使常规阵列声波测井成像近钻孔地质构造成为了可能。该波场分离方法不仅显著的改善了声反射成像结果的质量，而且可以应用于随钻测井中，在钻头前获取声波图像。2008年，仵燕[14]讨论了径向道滤波方法与参数估计法两种波场分离技术。前者根据模式波和反射波的时距曲线差异来压制模式波；后者基于反射波的慢度差异来提取反射波。仵燕还对两种方法进行了分析，结果表明，径向道滤波方法效果不及参数估计法。2010 年，魏周拓、陈雪莲等[15]基于线性预测的波场分离技术提出了一种适用于阵列测井获取反射波的方法，并对实际资料进行了数据处理，结果表明该方法既实用又有效。2017 年，Asma Hadjadj 等[16]提出了将一种基于Hough 变换的新方法用于垂直地震剖面（VSP），新方法基于灰度Hough 变换（GSHT）滤波程序，是传统的Hough 变换用于直线和其他类型曲线的扩展。这种新的方法与中值滤波方法相比，即使在噪声很大的情况下，也可以很好的进行波分离，并改善信噪比和保持振幅，但如何将GSHT 应用到地面地震滤波仍需要进一步研究。2019 年，Woodon Jeong 等[17]针对传统波场分离方法存在大量剩余能量或串扰的问题，提出了一种利用信号和噪声正交化的滤波方法来减少纵横波分离过程中不必要的伪信号，该方法效率高，精度高。并以合成数据和实际数据为例，结合正交化滤波，说明了其在弹性全波形反演中的应用，并试图将其应用于模式转换波之间的干扰噪声处理。

2 结论

（1）国内现存的几种波场分离方法中，f-k 滤波方法在去除噪声干扰的同时能够保证有效振幅，但频散效应对其有影响，而且滤波后存在较多的直达波；中值滤波法计算简单，但仅适用于去除噪声，在反射波的分离上不太适用；高分辨率Radon 变换和基于小波变换或线性预测法的时间慢度相关法在反射纵波的提取上效果优异，是目前国内的最新技术。国外的GSHT 滤波程序和利用信号与噪声正交化的滤波方法对去除噪声十分有利，可以借鉴。

（2）波场分离技术在声反射成像测井中处于关键地位。但国内的各种波场分离方法均存在一定的缺点，对小信号的提取不是特别精确，因此，需要进一步研究更为优异的方法或者将多种方法结合起来进行应用。目前国内的最新技术有两种，一种是高分辨率Radon 变换，另一种是将时间慢度相关法与小波变换或者线性预测法综合起来进行应用，在反射波的提取方面均起到了不错的应用效果，但尚未有人综合考虑两种方法。

（3）声反射成像测井的发展，对波场分离方法提出了更高的要求。目前声反射成像测井大多采用单极子或偶极子声源，但单极子声源无方位识别能力，偶极子声源有180°的方位不确定性，随着声源的不断完善，波场分离技术也会不断更新。目前所知的新型声源是等离子体冲激声源，其幅度大、频带宽，可适用于声反射成像测井中，这种新型声源将带动波场分离技术的更新与完善。