基于S TC的纵波时差提取算法

吴冬平(杭州瑞利声电技术公司 浙江 富阳 311400)

一、引言

慢度—时间相关(STC)【1】处理的基本思路是：分别向可能的分波波包开窗（即截取一段时间间隔内的数据，开窗起点用τ表示），并选择一个试探慢度s，按此慢度和不同接受器的间距计算不同道上该波包的延迟（同时也就是开窗的延迟），然后按某种规则计算不同τ、s下各道的相似系数（或相关系数），使相似系数最大的慢度应代表该分波的最可能慢度值。

波形在一组时窗上的相似度（Semblance）定义为：

其中，M是接收器的个数，Tw是时窗长度，us；s为慢度范围内某一慢度（时差），us/ft；τ为时窗在第一道波形上的位置，us。Δz为(zm-z1)，ft；R 取值范围为0≤ R ≤1，R=0表示波形间无任何相关；R=1表示波形形态完全相同。

应用STC算法可以得到一个慢度和相关数的一个关系图，该关系图相关数一般会产生好几个峰值，由于窗长的设置是根据纵波的包络来定的，所以一般情况下相关数最大的峰值就是纵波的时差。当然由各个峰值中找到纵波时差，还需要用到其他一些方法。

二、纵波时差提取

由于现场声波波形质量难以保证，有些波形会出现限幅，有些波形信噪比低等，这些客观条件导致STC计算出来的关系图可能出现多个峰值，要高效而准确的找到纵波时差实现起来并不容易。

针对这些技术难点，设定了4个条件来确定纵波时差。(1)，相似度峰值的值要大于0.3，如果相似度太小，这样的峰值没有被选择的意义。(2)，峰值的相似度值，如果该值越大，是纵波时差的概率就越高，因为时窗被选为200us，从纵波的包络角度来说，纵波的相似度会比横波和斯通滤波大。该设置通过了大量的数据验证。(3)，纵横波波速比一般在1.414～2.2之间，同理横波和纵波的时差比一般也在1.414～2.2之间。该“匹配法”用来提取纵波横波慢度，可以排除部分干扰。(4)，与上一个深度点的纵波时差距离，与上一个深度点时差的差值越小，成为时差的概率应该越高。

以上4种方法在试验中很好的排除了干扰，能够快速准确的找到正确的纵波时差。

三、实井数据处理及对比

图1 水平井STC和Gate的比较图

通过STC算法求得纵波时差得到的曲线如图1所示。图中DT(STC)是由STC算法求得得纵波时差曲线，DT(Gate)是由过门槛方法求得的纵波时差曲线，从图中可以看出，DT(STC)曲线比过门槛方法波动小很多，不会出现由于基线干扰而导致DT(Gate)剧烈变化的情况出现。STC方法在此波形情况下受干扰小，但是过门槛方法将会计算错误，在声波波形中，若在纵波波形前部出现碰撞等干扰时，容易使得过门槛方法得到的纵波到达时间提前，而STC计算的DT通过波形验证，相对比较准确稳定很多。

在马古2的测井资料中，STC和过门槛两种算法的对比，两条曲线总体上重合还可以，可以看出DT(STC)曲线上下起伏较大，这个是由于DT(Gate)曲线已经经过平滑，而DT(STC)曲线未经过平滑处理。在马古2井4391.552m-4393.463m处可以看出DT(Gate)有个明显的高值，而DT(STC)曲线还是保持低值。

在4392.32m的位置DT(Gate)值为119.86，而DT(STC)的值是56.82，回放该井数据，在4392.32m处，该位置的第一道和第三道波形首波位置变小，用过门槛方法算出的DT会偏高，而STC方法的DT受到的影响较小，第5道波形第一个波谷在137点的位置，第3道波形第一个波谷在164点位置，第1道波形第一个波谷在192点位置，可以计算得出DT为56us/ft，与DT(STC)曲线吻合。

通过以上两口井数据对比可以看出，STC算法比过门槛算法稳定性要好，碰在信号存在干扰、首波信号变小等情况时，过门槛算法很容易计算错误，这些情况对STC算法影响不大。

将DT(STC)曲线连续的显示到各个深度点上，并且将整个STC的相似度曲线映射成颜色，红色表示相似度高，蓝色表示相似度低。从出图效果可以看出，DT(STC)曲线基本上在红色的中间区域，说明应用该方法计算出来的DT是比较可靠的。

在马古2井的DT计算中发现，由于波形在上一个深度点DT值位置相关性突然变低，DT值将会偶尔跳变，如果连续有好几个点在原来的DT位置相关性低，将导致DT整个出现偏移。在2070点处，DT值变大，DT值变到第2个高相关区域，可以看到第一个高相关区域在变化的位置有部分蓝色区域，说明在该深度点，相似度在该慢度下太小，导致DT出现偏移。这种情况的出现，通过调整纵波选择算法，已经得到解决。当然是否所有跳变得到改正还未证实，这就需要新的算法和现有参数的调整来解决。

结论

通过实际井资料计算出的STC图，可以看出当波形质量好的情况下，相似度曲线会比较平滑，而且计算出来的纵波时差可靠性高；当波形质量不好的情况下（一般出现在水平井中），相似度曲线会偶尔出现跳变的情况，但是通过前面所述4种限定条件后，也可以得到准确的纵波时差。

总体来说STC算法准确性和稳定性都较过门槛方法好，当然该算法还存在许多不足，还有待改进。将来需要做的工作和方向主要有以下几点：1、将STC算法优化应用到井下仪器中去，优化后的算法减少运算时间，可以让测井速度范围变大；2、提出新的方法限定STC计算的起始时间，减少基线部分的高相关的干扰；3、验证时窗长度的选择和仪器频率之间的关系；4、信噪比对STC的影响有多大，并找到方法降低噪声对STC的影响。5、STC受到5道波形到达时间不在同一斜率的影响，找到原因，并想办法解决。

[1]Kimball C.V，Marzetta T.L，Semblance Processing of Bore⁃hole Array Data[J].Geophysics,1984,49.