利用井中低頻偶極橫波進(jìn)行聲波遠(yuǎn)探測(cè)的新方法

魏周拓，唐曉明，蘇遠(yuǎn)大，譚寶海

中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中海油田服務(wù)股份有限公司－中國(guó)石油大學(xué)（華東）聲學(xué)測(cè)井聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，青島 266580

1 引 言

聲波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)可以獲知井旁地質(zhì)構(gòu)造的橫向延伸范圍和發(fā)育情況［1－4］，它把常規(guī)測(cè)井“一孔之見(jiàn)”的測(cè)量范圍提高到井周圍數(shù)十米范圍.1998年，Schlumberger公司推出了單井反射波成像測(cè)井儀BARS（Borehole Acoustic Reflection Survey）［5］.國(guó)內(nèi)，楚澤涵等［6］、喬文孝等［7］、陶果等［8］針對(duì)單極聲源激勵(lì)下的反射縱波，開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究工作，但由于激發(fā)單極聲源頻率一般在10kHz左右，較高頻率的波衰減造成其探測(cè)范圍有限，而且，由于單極聲源輻射的無(wú)方向性，而無(wú)法確定井旁反射體的方位（走向）.為了改進(jìn)不足，Tang［9］于2004年將偶極子聲源引入到了單井聲波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井中，并提出了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像方法.2009年，Tang等［10］利用四分量偶極數(shù)據(jù)對(duì)井旁裂縫和鹽丘內(nèi)部的精細(xì)構(gòu)造進(jìn)行了成像，取得了顯著的應(yīng)用效果.2010年，魏周拓［11］全面系統(tǒng)的結(jié)合對(duì)偶極輻射聲場(chǎng)的數(shù)值模擬，加深了偶極遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特征及反射聲場(chǎng)的理解.2012年，唐曉明等［12］對(duì)偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)所取得重要進(jìn)展進(jìn)行了全面總結(jié)，討論了該技術(shù)發(fā)展?jié)摿?；隨后，唐曉明等［13］利用數(shù)值模擬方法詳述了該技術(shù)的基本原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例說(shuō)明了偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)的重要特征及其有效性.由于偶極聲源使用了相對(duì)較低的激發(fā)頻率（約3kHz），該方法解決了單極反射縱波存在的探測(cè)深度較淺及不能確定反射體空間位置的問(wèn)題.然而，在井中進(jìn)行聲波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井，無(wú)論是對(duì)于單極反射縱波，還是對(duì)新近發(fā)展的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)，并沒(méi)有考慮到遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的實(shí)際需要，因此，該技術(shù)一個(gè)最大問(wèn)題就是來(lái)自地層深部的反射信號(hào)相對(duì)于沿井傳播的直達(dá)波來(lái)說(shuō)是一個(gè)十分微弱的信號(hào)，其振幅只有井中傳播聲波（稱為直達(dá)波）的幾十到幾百分之一，甚至幾千分之一.這種微弱信號(hào)往往被淹沒(méi)在聲波測(cè)井的數(shù)據(jù)噪聲之中，難以測(cè)量和處理，這種測(cè)量的局限性極大地限制了現(xiàn)有遠(yuǎn)探測(cè)聲波技術(shù)的廣泛使用.

為了突破以上所述遠(yuǎn)探測(cè)聲波方法的局限性，進(jìn)一步提高遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的有效性和測(cè)量范圍，本文提出了一種新的遠(yuǎn)探測(cè)方法，即利用井中偶極子產(chǎn)生的井中彎曲波存在低頻截止頻率的現(xiàn)象，在聲源截止頻率以下激發(fā)偶極聲波來(lái)達(dá)到增強(qiáng)反射波的目的.首先，本文利用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法對(duì)井中偶極聲源在井孔內(nèi)外產(chǎn)生的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，從中明確了截止頻率以下井中偶極聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特征和低頻截止頻率激發(fā)偶極橫波的優(yōu)勢(shì).然后，分析了井中偶極聲源激發(fā)的反射聲場(chǎng)差異，最后給出本文的結(jié)論.

2 井中偶極聲源的井孔內(nèi)外聲場(chǎng)對(duì)比分析

圖1所示為井孔內(nèi)外接收器陣列空間布置示意圖，充液井孔半徑為0.1m，圓弧陣列接收半徑為5.0m，圓弧上每隔10°放置一系列接收器，分別為R90至R0總計(jì)10個(gè)接收器，其中R0接收器位于充液井孔內(nèi)，其余9個(gè)接收器放置于井外地層中.偶極聲源位于空間x＝1m，y＝3.5m和z＝1m處，其偶極矩指向始終為y軸，采用Kelly子波作為聲源的時(shí)間函數(shù)［14］，其它相關(guān)地層參數(shù)見(jiàn)表1.本文在數(shù)值計(jì)算中設(shè)置了兩種偶極激發(fā)頻率，一種是常規(guī)偶極聲波測(cè)井頻率3kHz，另一種是低于彎曲波截止頻率1kHz，針對(duì)這兩種激發(fā)頻率，我們分別計(jì)算了井內(nèi)和井外與偶極矩平行的位移場(chǎng)，對(duì)于井外聲場(chǎng)，這一位移方向的波動(dòng)是SH型橫波［10］.

圖1 充液井孔中的偶極聲源激發(fā)的沿井傳播和向井外輻射聲波的計(jì)算模型Fig.1 The simulation model used for a study of propagating along borehole and outside borehole radiation of a dipole source in a fluid－filled borehole

表1 井孔流體和地層彈性參數(shù)Table 1 Physical properties of medium and materials used in the numerical simulation

圖2給出了常規(guī)偶極聲波測(cè)井頻率段（約3kHz）的井孔內(nèi)外全波波形，第一個(gè)接收器（位于井中的R0）與其余接收器的波形（位于井外的R10至R90）對(duì)比，同時(shí)給出了對(duì)應(yīng)的波形頻譜.從圖2a中可以看出，位于井中的R0接收器的波形振幅（虛線）與位于井外的其它接收器的波幅（實(shí)線）相比，前者超過(guò)后者一個(gè)量級(jí)以上，從圖2b的頻譜圖，也說(shuō)明了井中R0接收器的波形幅度遠(yuǎn)大于輻射到井外的，這種情況對(duì)遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井時(shí)記錄井外的反射聲場(chǎng)是極為不利的，主要原因是當(dāng)測(cè)井聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采樣時(shí)，需要將記錄信號(hào)通過(guò)增益調(diào)節(jié)后，再送入模／數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量化.量化時(shí)的最大信號(hào)振幅是由記錄信號(hào)中的最大振幅所決定，即上述沿井中聲波的最大振幅（圖2a和圖2b虛線所示）.而從井中偶極聲源輻射出去的聲波，經(jīng)聲阻抗不連續(xù)面反射回井中的信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳播距離上的幾何擴(kuò)散和地層的非彈性吸收衰減后，將變得很小（與圖2a中相對(duì)微弱的井外輻射聲波信號(hào)相比，反射波幅度將更為微?。?顯然，與井中的直達(dá)波振幅相比，反射波信號(hào)在量化采樣時(shí)，只能在幅度很小的低位數(shù)上被數(shù)字化.這樣，在量化后的數(shù)字化波形數(shù)據(jù)中，反射波信號(hào)的振幅將非常的低，甚至?xí)陀诓ㄐ螖?shù)據(jù)中的噪聲信號(hào)的水平，從而會(huì)導(dǎo)致常規(guī)偶極測(cè)井的數(shù)據(jù)中很難觀測(cè)到來(lái)自遠(yuǎn)處地層的反射信號(hào).

圖2 偶極聲源頻率為3kHz時(shí)，井孔接收到的直達(dá)波和井外輻射的聲波波形和幅度對(duì)比圖（a）偶極聲源頻率為3kHz時(shí)，井孔內(nèi)外接收到的全波波形；（b）偶極聲源頻率為3kHz時(shí)，井孔內(nèi)外接收到的全波波形頻譜.Fig.2 Radiated wave amplitude relative to that of borehole wave（above cut－off frequency，dipole source frequency of 3kHz）（a）When dipole source frequency is 3kHz，full waveform inside and outside borehole are shown；（b）When dipole source frequency is 3kHz，frequency spectrum of full waveform inside and outside borehole are shown.

圖3 對(duì)應(yīng)圖2中的井孔彎曲波相速度、群速度頻散曲線和彎曲波的激發(fā)響應(yīng)強(qiáng)度曲線Fig.3 Borehole flexural wave phase velocity，the group velocity dispersion curve and flexural wave excitation response curve of the corresponding figure 2

現(xiàn)分析常規(guī)偶極聲波測(cè)井頻率段下，井孔內(nèi)外接收波形振幅差別的原因.圖3顯示了井孔彎曲波相速度和群速度頻散曲線和彎曲波的激發(fā)響應(yīng)曲線，計(jì)算模型和參數(shù)分別如圖1和表1所示.可以看出，對(duì)應(yīng)于相速度隨頻率劇烈下降的頻率區(qū)間，群速度呈現(xiàn)出一極小值，在此極小值頻率范圍內(nèi)激發(fā)和傳播的導(dǎo)波稱為艾里相，其具有能量傳播速度低而激發(fā)振幅強(qiáng)的特征，在艾里相的頻率范圍內(nèi)，彎曲波具有很強(qiáng)的頻散效應(yīng)［15］，常規(guī)偶極聲波測(cè)井頻率恰好位于該范圍內(nèi).此時(shí)，振幅激發(fā)強(qiáng)度曲線極大值對(duì)應(yīng)于群速度的極小值，也就是說(shuō)圖2a中井孔波形（虛線）就是群速度曲線上極小值在波列中產(chǎn)生艾里相波包.按照上述模型和參數(shù)，本文計(jì)算了井中偶極聲源激發(fā)頻率為3kHz時(shí)，井孔接收到的陣列波形及求取的頻散曲線，如圖4所示，可以看出，與艾里振相滯后相關(guān)的能量很明顯大大落后于波的初至，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的頻散特征（見(jiàn)圖4b），聲源輻射的大部分能量都被集中在井孔附近，而向井外輻射的能量相對(duì)微弱.

通過(guò)以上分析可知，在艾里相附近，彎曲波的激發(fā)強(qiáng)度最大，在其兩側(cè)逐漸降低為零.當(dāng)聲源頻率在艾里相附近時(shí)，地層橫波和彎曲波都能被激發(fā)出來(lái)（圖4），全波列中出現(xiàn)了一個(gè)臨界折射橫波和一個(gè)高度頻散的彎曲波.

為了避免艾里相的巨大振幅對(duì)數(shù)據(jù)量化時(shí)產(chǎn)生的飽和效應(yīng)，以提高反射波信號(hào)在量化采樣后的數(shù)字化數(shù)據(jù)中的相對(duì)振幅，一種有效的方法就是在井中彎曲波的截止頻率以下測(cè)量地層反射波.根據(jù)圖3的激發(fā)強(qiáng)度曲線可知，在低頻范圍內(nèi)（＜2kHz）彎曲波的激發(fā)強(qiáng)度很小，幾乎為零，此時(shí)彎曲波被截止，不能被有效激發(fā)，這個(gè)臨界頻率稱為截止頻率（cutoff frequency）.當(dāng)偶極聲源頻率低于彎曲波的截止頻率時(shí)，無(wú)論是在井中，還是在井外地層中，接收到的波形只有一個(gè)占主導(dǎo)地位的地層橫波波包［16］，這一點(diǎn)可以在數(shù)學(xué)上加以證明［10］.

按照同樣的模型參數(shù)，我們計(jì)算了偶極激發(fā)頻率為1kHz的情況，此時(shí)，聲源所產(chǎn)生的聲波信號(hào)頻率范圍處在彎曲波的截止頻率以下.圖5顯示了1kHz偶極聲源激發(fā)時(shí)，井孔內(nèi)（虛線）和井外（實(shí)線）所接收到波形，與圖2所示的3kHz的情況完全不同，可以看出，井孔內(nèi)、外接收到的聲波幅度基本一致，從對(duì)應(yīng)的頻譜曲線也可以明顯看出（見(jiàn)圖5b），十分接近其低頻漸近式［10，13］.圖6給出了對(duì)應(yīng)的井孔接收到的陣列波形以及求取的頻散曲線，與圖4相比，在截止頻率以下，彎曲波無(wú)法被有效激發(fā)，井孔波形中只有一個(gè)占主導(dǎo)地位的沿井壁滑行的臨界折射橫波，頻散曲線也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論（見(jiàn)圖6b）.

3 井中偶極聲源的反射聲場(chǎng)對(duì)比分析

為進(jìn)一步說(shuō)明井中直達(dá)的彎曲波在截止頻率之上和之下對(duì)遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井波形數(shù)據(jù)的巨大差別，本文建立了如圖7所示的井旁反射波計(jì)算模型［11］，假設(shè)井旁反射體為一距井軸6.0m的傾角為85°的裂縫，裂縫平面的法線方向與偶極聲源的偶極矩方向相互正交，此時(shí)偶極聲源向井外輻射的SH橫波經(jīng)過(guò)裂縫后發(fā)生全反射，最后進(jìn)入井孔被源距為1.0～8.0m的若干接收器接收，不考慮地層的非彈性衰減，這時(shí)反射波的振幅減少完全由傳播路徑上的幾何擴(kuò)散所致，模擬中采用的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.需要指出的是，對(duì)于實(shí)際的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井過(guò)程，由于采用了四分量的偶極聲源發(fā)射和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，在任意偶極聲源的偶極矩方向下，都可以通過(guò)對(duì)四個(gè)接收分量進(jìn)行組合，得到所需要的對(duì)井旁反射體探測(cè)最有利的SH反射橫波（具體數(shù)據(jù)組合方式見(jiàn)文獻(xiàn)［13］中公式（15—21）），然后就可以得到地質(zhì)反射體的空間圖像和方位，因此，本文對(duì)于偶極矩方向與裂縫平面的法線方向呈任意夾角的情況沒(méi)有做進(jìn)一步闡述.現(xiàn)討論井中偶極聲源激發(fā)頻率分別為3kHz和1kHz時(shí)，井中接收器陣列接收到的直達(dá)波和SH反射橫波的波形.

圖5 偶極聲源頻率為1kHz時(shí)，井孔接收到的直達(dá)波和井外輻射的全波波形和幅度對(duì)比（a）偶極聲源頻率為1kHz時(shí)，井孔內(nèi)外接收到的全波波形；（b）偶極聲源頻率為1kHz時(shí)，井孔內(nèi)外接收到的全波波形頻譜.Fig.5 Radiated wave amplitude relative to that of borehole wave（above cut－off frequency，dipole source frequency of 1kHz）（a）When dipole source frequency is 1kHz，full waveform inside and outside borehole are shown；（b）When dipole source frequency is 1kHz，frequency spectrum of full waveform inside and outside borehole are shown.

圖7 85°傾角的井旁聲阻抗不連續(xù)面的反射聲場(chǎng)計(jì)算模型Fig.7 The reflected wave field simulation model with a near－borehole acoustic impedance discontinuity of 85°dip

圖8給出了1.0～8.0m源距范圍內(nèi)充液井孔內(nèi)接收到的SH反射橫波陣列波形，其中點(diǎn)線是計(jì)算的SH反射橫波理論到時(shí)曲線，可以看出和數(shù)值模擬得到的反射波到時(shí)具有很好的一致性.通過(guò)對(duì)比3kHz和1kHz兩種激發(fā)頻率下的井孔陣列波形，可以看出有兩個(gè)方面的不同，其一，在截止頻率以下1kHz激發(fā)時(shí)，井外SH反射橫波幅度相對(duì)于井中直達(dá)波大為增強(qiáng)，兩者幅度具有可比性（相同的量級(jí)），這種情況下對(duì)波形數(shù)據(jù)采樣量化（波形中最大振幅作為歸一化振幅）非常有利，反射波將被明確地記錄下來(lái)；而在截止頻率以上3kHz激發(fā)時(shí)，波形量化時(shí)的最大振幅波形為井中彎曲波的艾里相，與這一振幅相比，來(lái)自井外的反射波的振幅十分微弱，而實(shí)際測(cè)量的反射波幅度往往更小，量化后的反射信號(hào)常常被淹沒(méi)在量化噪聲和其它數(shù)據(jù)噪聲中，從而觀測(cè)不到；其二，在遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理中，為了減小井中直達(dá)波對(duì)于反射波提取的影響，通常會(huì)利用反褶積的方法對(duì)波形進(jìn)行整形，減少振蕩周期，便于成像處理.相比而言，在截止頻率以下激發(fā)，不論是井中直達(dá)波，還是來(lái)自井外的反射波，其波形持續(xù)周期都顯著減少，這將大大有利于后續(xù)的反射波提取和偏移成像處理.

針對(duì)上述計(jì)算模型，我們將偶極聲源的中心頻率從6kHz一直減小為1kHz，變化率為0.5kHz，總計(jì)11個(gè)聲源頻率，在每一種頻率下，數(shù)值模擬得到對(duì)應(yīng)井孔聲場(chǎng)，然后從全波中波場(chǎng)分離出SH反射橫波，利用開(kāi)窗技術(shù)，計(jì)算源距范圍內(nèi)的反射橫波幅度以及與井中彎曲波的相對(duì)大小，將計(jì)算得到的反射橫波絕對(duì)幅值和相對(duì)大小顯示在由源距和頻率所構(gòu)成的三維坐標(biāo)系下，如圖9所示.從圖9a可以看出，在常規(guī)偶極聲波測(cè)井源距范圍內(nèi)，隨著聲源激發(fā)頻率的增加，反射橫波的絕對(duì)幅值在2.5～4.0kHz范圍內(nèi)存在一個(gè)極值區(qū)域，該頻率段正好對(duì)應(yīng)常規(guī)偶極測(cè)井儀的激發(fā)頻率，而這樣的一個(gè)局部極值區(qū)域單純從反射波強(qiáng)度來(lái)說(shuō)對(duì)于遠(yuǎn)探測(cè)是有利的，但正如前面所述，這個(gè)極值區(qū)域所對(duì)應(yīng)的井中直達(dá)波（彎曲波）的幅度在整個(gè)頻率范圍內(nèi)也達(dá)到了最大值，這對(duì)于反射波形數(shù)據(jù)的量化采樣又是非常不利的，往往會(huì)導(dǎo)致反射波信號(hào)被淹沒(méi)在巨大的井中直達(dá)波中，難以觀測(cè)和提取；而對(duì)于圖9b來(lái)說(shuō)，情況完全不同，在測(cè)井源距范圍內(nèi)，隨著聲源激發(fā)頻率的降低，井中直達(dá)波與反射橫波幅值的相對(duì)大小單調(diào)遞減，在頻率為2kHz時(shí)基本不變，該分界位置恰恰是前面提到的截止頻率.在固定聲源激發(fā)頻率時(shí)，隨著源距的增加，反射橫波相對(duì)幅值逐漸減小，這和一般的認(rèn)識(shí)是一致的，即隨著源距的增加或者井旁反射體距井軸越遠(yuǎn)，反射波衰減越大，這就表明進(jìn)行遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井并不需要長(zhǎng)源距的聲波測(cè)井儀，常規(guī)源距即可滿足需求，以上的對(duì)比分析充分說(shuō)明了在井中彎曲波截止頻率以下進(jìn)行偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的優(yōu)越性.

圖8 在井中彎曲波截止頻率以上和以下，在充液井孔中接收到的全波陣列波形（a）在井中彎曲波截止頻率以下（約1kHz）接收到的聲波信號(hào)量化時(shí)，井外反射SH橫波相對(duì)于井中直達(dá)波的有很大的振幅；（b）在井中彎曲波截止頻率以上（約3kHz）接收到的聲波信號(hào)量化時(shí)，井外反射SH橫波相對(duì)于井中直達(dá)波的有很小的振幅.Fig.8 Above and below cutoff frequency of the borehole flexural wave，received full－wave array waveform are shown in a fluid－filled borehole（a）Below the cutoff frequency of borehole flexural wave（～1kHz），the acoustic signal received is quantified，reflection SH shear wave amplitude outside borehole relative to the direct wave inside borehole is strong；（b）Below the cutoff frequency of borehole flexural wave（～3kHz），the acoustic signal received is quantified，reflection SH shear wave amplitude outside borehole relative to the direct wave inside borehole is weak.

圖9 在井中彎曲波截止頻率以上和以下時(shí)，SH反射橫波絕對(duì)幅度及相對(duì)井中直達(dá)波幅度與源距變化關(guān)系（a）SH反射橫波絕對(duì)幅度與源距和聲源頻率的變化關(guān)系；（b）彎曲波和SH反射橫波幅度比與源距和聲源頻率的關(guān)系.Fig.9 The amplitude of SH reflection wave and with respect to the borehole direct wave and spacing and source frequency in a fluid－filled borehole（a）The relationship between the amplitude of SH reflection wave and spacing and source frequency；（b）The relationship between amplitude ratio of flexural and SH reflection wave and spacing and source frequency.

總的來(lái)說(shuō)，在井中彎曲波低頻截止頻率以下激發(fā)偶極橫波的方法，對(duì)遠(yuǎn)探測(cè)反射聲波十分有利.將低頻聲波信號(hào)在井中進(jìn)行數(shù)字化采樣時(shí)，雖然量化中的最大信號(hào)幅度仍由井中的聲場(chǎng)控制，但量化后的反射波相對(duì)于井中直達(dá)波的振幅，較之圖2的情況將有量級(jí)上的提高.正如上述分析結(jié)果表明，這種情況由兩個(gè)因素決定，第一，偶極聲源在井中激發(fā)和向井外輻射的聲場(chǎng)具有相同量級(jí)的振幅（如圖5所示）；第二，由于偶極聲源在低頻激發(fā)，從輻射到反射，最后進(jìn)入井孔被接收器接收所經(jīng)歷的衰減較高頻聲波（截止頻率上的）要小很多.綜合這兩個(gè)因素，數(shù)字量化后的低頻反射波相對(duì)于直達(dá)波的振幅將大大增強(qiáng)，從而有利于遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井.

4 討 論

現(xiàn)有的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)是常規(guī)偶極或交叉偶極測(cè)井儀器采集的，其并沒(méi)有考慮遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的需要.結(jié)合上述分析可知，要提高遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的有效性和測(cè)量范圍，就必須在發(fā)射功率、接收靈敏度、數(shù)據(jù)量化精度以及工作頻率范圍等方面按遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的需求對(duì)現(xiàn)有儀器做進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，其中偶極工作頻率的選擇至關(guān)重要，頻率選擇過(guò)低，低頻發(fā)射換能器以及測(cè)井儀器的工程實(shí)現(xiàn)將遇到極大挑戰(zhàn)，無(wú)法達(dá)到測(cè)井高分辨率和探測(cè)深度的折中；而頻率選擇過(guò)高，將不能有效壓制井中直達(dá)波信號(hào)，無(wú)法改善直達(dá)波和反射波分離的效果，因此，就必須綜合考慮以上兩點(diǎn)，既要保證對(duì)井旁反射體的高分辨率識(shí)別能力，又要達(dá)到有效壓制井中直達(dá)波和增強(qiáng)地層反射信號(hào)的目的.

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)一遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井儀放置于半徑為r的充液井孔中，地層橫波速度為β，井中彎曲波的截止頻率可以通過(guò)下式估算［17］：

其中，γ為一比例系數(shù)，隨地層橫波速度由低至高的變化，其取值范圍為0.11＜γ＜0.14.

對(duì)于專門(mén)的遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井儀器，不僅需要具有低頻偶極遠(yuǎn)探測(cè)的數(shù)據(jù)采集功能，同時(shí)兼具常規(guī)偶極或交叉偶極測(cè)井儀器功能.首先，需要確定地層橫波速度，根據(jù)不同地層的橫波波速范圍，估算出不同地層下井孔中偶極子波的截止頻率范圍，進(jìn)而確定偶極子聲源的工作頻率范圍.按照這樣的思路，具體可以通過(guò)如下過(guò)程實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的，在一個(gè)較寬的頻段內(nèi)（包括彎曲波截止頻率在內(nèi)），進(jìn)行偶極聲源的發(fā)射和數(shù)據(jù)采集.之后，分別針對(duì)井中的直達(dá)波和井外的反射波進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)采集.第一次采集，設(shè)置一個(gè)寬帶濾波器，其帶寬與所選的寬帶聲源頻段相當(dāng).這時(shí)采集到的波形數(shù)據(jù)，主要是沿井中傳播的直達(dá)波（或者彎曲波）.因此，這種波形數(shù)據(jù)即為常規(guī)的偶極聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，可直接用于地層橫波速度的確定.根據(jù)地層橫波速度，結(jié)合上述彎曲波截止頻率估算公式，確定該地層下的彎曲波截止頻率，進(jìn)行第二次數(shù)據(jù)采集，將上述采集到的數(shù)據(jù)送入濾波器帶寬僅限于確定的彎曲波截止頻率以下的頻段.通過(guò)這樣的濾波器就會(huì)將截止頻率上的彎曲波成分濾掉，從而使得截止頻率以下輻射出井外的波動(dòng)與井中直達(dá)的波形振幅相當(dāng)，得到所需的幅度與井中直達(dá)波幅度相當(dāng)?shù)姆瓷錂M波.最后，對(duì)遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井儀采集的包含地層反射波信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以進(jìn)一步得到反映井旁反射體的信息，從而達(dá)到大幅提高井旁反射體成像效果的目的.

5 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)比彎曲波截止頻率以上和以下兩種激發(fā)頻率時(shí)井中偶極聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射和反射聲場(chǎng)，本文得到以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

（1）常規(guī)偶極測(cè)井儀工作頻率通常處在艾里相附近，此時(shí)彎曲波的激發(fā)強(qiáng)度最大，全波列中出現(xiàn)了一個(gè)臨界折射橫波（波至部分）和一個(gè)高度頻散的彎曲波，聲源輻射的大部分能量都被集中在井孔附近，而向井外輻射的能量相對(duì)微弱；

（2）在井中彎曲波低頻截止頻率以下工作，彎曲波被截止，不能被有效激發(fā)，無(wú)論是沿井壁傳播的滑行橫波，還是輻射到井外地層中的SH橫波，都是純粹的剪切橫波，兩者具有相同量級(jí)的振幅，這種特性對(duì)于遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井非常有利，相比傳統(tǒng)的方式更具優(yōu)勢(shì)；

（3）在井中彎曲波的低頻截止頻率以下激發(fā)偶極橫波的遠(yuǎn)探測(cè)方法，既可以避免艾里相的巨大振幅對(duì)數(shù)據(jù)量化產(chǎn)生的飽和效應(yīng)，明確地記錄反射波，還可以使得井中直達(dá)波和接收到的反射波波形持續(xù)周期顯著減少，將大大有利于后續(xù)的反射波提取和偏移成像處理效果；

（4）對(duì)于專門(mén)的遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井儀必須采用低頻偶極橫波換能器，提高測(cè)量靈敏度和接收精度，根據(jù)地層橫波波速范圍，估算出不同地層井孔中偶極子波的截止頻率范圍.儀器的源距采用常規(guī)源距即可滿足需求.

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