声反射成像测井数据处理研究进展

李超 ，岳文正，金行林，李永权，张岩

（1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2.中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室，北京102249；3.中国石油长城钻探工程有限公司测井公司，辽宁 盘锦124011；4.中国石油集团测井有限公司长庆事业部，陕西 西安710201）

0 引 言

声反射成像测井是适应复杂地区勘探开发的一种测井新技术，它利用阵列声波测井中的反射波信息对井周地层界面、裂缝、溶洞、盐丘等进行成像［1－7］。该技术可以对井周围数米到数十米范围内的地层构造及地质体进行探测，其分辨率和探测深度介于常规声波测井和井间地震之间［2］，该技术在复杂非常规储层有较好的应用效果［3－7］

国外在声反射成像测井方面起步较早。Hornby在1989年利用从增加了记录时间的阵列声波数据中分离出反射波，首次将地震勘探的偏移方法应用到声波测井成像处理中，得到了井旁地层结构变化的图像［1］；Schlumberger公司于1998年推出BARS（Borehole Acoustic Reflection Survey）反射波成像测井仪［2］，2006年推出 Sonic Scanner仪器［8］，可进行具有方位分辨能力的声反射成像测量；Baker－Hughes公司相关研究基于传统的多极子阵列声波仪器XMACⅡ，开发了声反射成像处理软件［9－10］；Tang等［11］进行了偶极横波反射波成像的研究，证明低频偶极声源具有的辐射指向性，使其反射波比单极纵波有更大的探测深度，且具有井旁反射体的方位识别能力。Baker－Hughes公司目前已将该技术应用于评价非常规储层的裂缝［7］，其径向探测深度可达21m，而且SH反射波具有更高的信号幅度。该领域目前已成为声反射成像测井的研究热点。

1998年，王乃星等［12］把声波全波列测井记录中的反射波信息分离并进行了成像处理，计算了井外裂缝或声阻抗界面的视倾角。针对声反射成像测井的良好前景，陶果在2000年测井重点实验室会议上提出了声反射成像测井研究的项目；2001年中国石油天然气集团公司立项远探测声波成像测井方法与仪器研究。此后，国内陆续开始了系统的声反射成像测井研究。2002年，薛梅、楚泽涵等［13－14］研究了源距及声源频率对全波列波形、频谱和能量的影响，用几何声学的方法研究了各种反射波的到时、入射角以及信噪比，并进行了相关实验研究，为声反射仪器的源距及声源设计提供了指导；2003年，车小花、乔文孝等［15－16］采用二维有限元法系统地研究了相控线阵辐射器的参数选择对反射波的影响，以及等效相控接收阵技术在反射声波成像测井中的应用，2004年，他们用物理实验考察了不同倾角界面对反射波的影响［17］，所设计的相控线阵辐射器被国内远探测声反射仪器所采用；2003年，李长文等［18］探讨了不同类型裂缝反射波的传播响应特点和信号处理方法以及在裂缝评价中的应用方法，为声反射成像测井的解释及应用奠定了基础；2004年，宋立军等［19］对超长源距声反射波测井进行了数值模拟，并对远井界面进行成像，证实了利用反射波探测径向界面的可行性；2005年，针对几何声学分析方法缺乏动力学参数及二维方法难以反映空间特性的不足，何峰江、陶果［20］对单极子和偶极子声反射成像测井响应进行了三维数值模拟，研究了单极子纵波反射波的信号提取方法，为仪器设计及信号处理奠定了基础。中国石油渤海钻探工程有限公司测井公司于2005年成功开发了远探测声反射成像仪器，陶果等为其开发了相应的处理软件。近几年远探测声反射成像测井技术在中国华北、大庆等油田裂缝性储层评价［5］以及在塔里木缝洞型碳酸盐岩储集层评价中的应用［6］显示了其优于常规测井的特性，可以为后续勘探开发提供有力的支持。针对单极纵波无方位分辨能力的不足，2010年，魏周拓［21］在国内首次系统地对偶极声源的远场辐射特征及反射声场的变化规律进行了研究，证实了偶极横波比单极纵波有更高的探测深度，同时具备方位识别能力；唐晓明等［22］总结了单井声反射技术的进展及偶极横波声反射技术相对于单极纵波的优势，并指出应该从理论研究、仪器设计及数据处理等多方面做进一步的工作；乔文孝等［23］总结了声波测井尤其是相控声波技术的发展，并指出采用相控组合圆弧阵技术是真正实现三维声反射测井的希望。

国内对单极纵波声反射成像已经做了大量细致的研究工作，也取得了很大的进展，但由于单极子声源及接收器无方位分辨能力，无法给出反射体方位信息，声源频率较高，探测深度也没有低频的偶极横波大，使实际应用受到一定限制，因此具有辐射指向性的偶极声源乃至相控阵声源及接收器是未来国内仪器发展的重要方向，这也给数据处理带来新的挑战。国内在这些方面也已经进行了初步研究［21－23］。

陶果等开发的声反射成像测井数据处理软件BARI（Borehole Acoustic Reflection Imager）可以对国内远探测声波测井数据及常规阵列声波测井数据进行处理。我国已经成功开发了声反射测量仪器及相关处理方法，并在实际应用中为我国复杂油气藏的勘探开发提供了有力支持。目前与国外先进技术相比所存在的差距主要体现在测井仪器、数据处理以及成像方法等方面。研究更高效的远探测仪器（偶极横波仪器及相控阵仪器）及发展有效的数据处理方法（尤其是微弱信号检测技术、复杂储层成像方法）是我国能否利用好这一技术的关键。声反射成像数据处理方法一般包括预处理、波场分离、动校正、偏移叠加以及时深转换等［1］，流程类似地震数据处理，但反射信号一般很小，且常与井中模式波叠加在一起，所以常规方法在实际资料处理中往往不尽如人意。因此，有效压制井壁滑行波，提取反射波和增强反射波信号是能否精确和有效成像的关键，对于反射波成像通常可以借鉴成熟的地震偏移叠加方法，但需要针对测井的特殊情况进行改进。本文通过对国内外声反射成像测井数据处理研究进展的总结和分析，对其发展方向作出了展望。

1 波场分离方法研究进展

声反射成像测井数据与常规地震数据有2大区别。①反射信号的幅度比井壁滑行波通常小得多，数值模拟结果表明P－P反射波在一定源距以后介于滑行纵波和滑行横波之间，其余情况反射波与井壁滑行波重叠较多［2，20］。当反射波与滑行波重叠时，用常规的滤波方法很难提取反射波，需要进行后续处理。②由于井孔测井的特殊情况，涉及到上下滑行波的分离［1］。因此，自从这种测井新技术应运而生之后，人们一直在研究有效的波场分离方法。

1.1 国外研究进展

Hornby于1989年首次从全波列数据中提取了反射波信号，并对井旁构造进行了成像处理［1］。该全波列数据采用了较长的采样时间（20ms），仪器为单发（单极子）12收，分别对模拟数据和实际数据进行了处理，把滑行波当作噪音，将共接收道集变换到频率－波数域（F－K域），依据上下倾方向的波数正负不同，以及滑行波与反射波的视速度差异进行滤波，成功分离出了反射P波和S波，并提出转换波应该有更进一步的应用潜力［1］。该方法被广泛应用，但对于滑行波和反射波叠加以及地层垂向速度变化剧烈的情况，效果并不理想，这是由于这2种情况下反射波和滑行波在F－K域会部分重叠，利用视速度差异往往将部分反射波去除。

Esmersoy等设计了一种声反射测井仪器BARS（Borehole Acoustic Reflection Survey），在水平井中利用反射波追踪地层界面位置［2］；Chang等［24］全面介绍了该仪器；Yamamoto等［25］采用了一种新的处理方法，从BARS阵列声波数据中提取了反射波信号，该方法使用一个反褶积因子，对不同道集数据进行处理，以聚焦反射波和直达波，再进行速度滤波和模式波消除，在碳酸盐岩地层中的垂直井中进行了实验，偏移成像结果与其他资料（正交偶极各向异性、斯通利波反射系数、微电阻率扫描）吻合；2000年，Yamamoto等［26］利用BARS声反射测井仪器在水平井清晰识别了井眼周围地层的上下界面以及地震无法识别的小断层，证明了声反射成像测井在水平井的应用可以提供比地震资料更加细致的井旁构造信息。

Coates等［3］详细研究BARS仪器在井眼位置识别、井眼与盖层位置关系、裂缝特征描述、油气界面成像的应用，指出其分辨率可达0.5m、探测深度可达10～15m，并认为其更适用于水平井，但是作者未具体说明反射波提取方法，只是指出根据反射波和噪声的时差差异进行滤波。

Chabot等［27－28］使用斯伦贝谢公司的 DSI仪器（Dipole Sonic Imager）的全波列数据，利用 Pro－MAX处理软件在共发射记录下使用径向滤波消除了S和ST波干扰，为了更有效地提取反射波信号，对滤波方式进行了改进，使用了径向倾角滤波消除S、ST及反射ST波，对斜井下的实测阵列声波数据资料进行了上述处理，得到了井周的声反射成像图，效果明显。

Li等［9］对阿特拉斯公司的 XMAC（Elite）仪器在斜井中采集到的全波列数据进行了声反射成像处理，使用VSP的处理方法分别对模拟和实测数据进行处理，处理共分8步，其中波场分离包括高通滤波、观测系统设置、初至拾取、中值滤波、F－K滤波、倾角中值滤波和时窗选择，最后将得到的反射波信号进行偏移处理，获得了清晰的地层界面图像；同时指出，井眼倾角越大，探测深度越大，但受其他因素影响也越多，合适的反褶积处理会改善这种情况。

Tang［29］针对单极子声反射成像无方位识别能力的不足，于2004年提出了一种指向性的测量方法进行单井声反射成像，测量方式采用偶极声源和偶极接收器以及偶极声源和单极接收器（或相反）2种方式进行测量，采用了四分量或者两分量数据的纵波反射波进行成像，不仅获得了反射界面的倾角信息，还获得了方位信息。为了克服仪器旋转的影响，首先将数据转换到固定坐标系下，再利用带通滤波消除低频干扰（单极声源的ST波或偶极声源的低频弯曲横波），指出可以根据反射波和直达波的传播路径不同，使用F－K滤波或者F－K滤波和中值滤波结合分离上、下行反射波，分别进行偏移得到反射界面图像，之后根据不同的仪器结构采用不同的反演方法，再确定反射界面的倾角和方位，并指出偶极仪器具有的低频特性，使其纵波比单极纵波有更高的探测深度，并且具有方位识别能力。

Al Rougha等［30］使用传统的声波测井仪器，针对共发射道集，使用自适应滤波提取出了反射波。Haldorsen 等［31］使用Sonic Scanner仪器进行BARS模式测量，详细说明了这种滤波方法，分别对仪器8个周向的共发射道集进行2D自适应预测误差滤波（Adaptive Interference Cancelling，AIC），通过滤掉全波中的P波、S波和ST波得到反射波；Maia等［32］使用Sonic Scanner对水下水平井进行BARS钻杆输送测量，采用了同样的波场分离处理方法，但是都未给出滤波器的具体含义。该方法由于是针对共发射道集，又是一种自适应速度滤波［32］，当反射波和滑行波视速度差异不大或叠加在一起时效果并不好。

Tang等［33－34］针对阵列反射波成像的问题，分析了反射波的传播特征，提出了一种新的思路分离反射波和滑行波，通过将接收器阵列中其他位置处接收器波形进行时移、叠加预测另外一个接收器波形，选取合适的慢度值，把预测结果与实际数据比较，利用最优化方法可求取各种滑行波慢度，然后再利用最小二乘法估计出滑行波频谱，将其从总的波形频谱中减去得到反射波。分离时，使用共发射道集获得下行反射波，共接收道集获得上行反射波。Tang［11］于2009年针对单极纵波反射波成像无方位识别能力的不足，提出了使用偶极横波进行反射波成像的方法，从四分量的正交偶极数据（XX、XY、YX、YY）中提取了SH和SV反射波，并进行了偏移成像，很好地确定了地层走向，同时指出SH反射波效果更好。

Hirabayashi等［35］于2008年针对 AIC滤波和中值及速度滤波的缺点（视速度小于直达P波时被消除，平行井轴同相轴变弱）提出了一种参数反演方法，首先通过波形分解表达式，估计传播函数参数和复慢度，利用表达式重构波形，使重构的波形与原始波形误差最小反演出P、S、ST波慢度，再分别重构出3种波的波场，从输入波形中去掉重构波形，就可得到反射波，再用估计的视速度进行滤波，可以进一步压制残余干扰。通过实际资料处理，较常规方法（AIC滤波）可以明显提高成像质量。但该方法仍存在不足，比如反射波中存在残余斯通利波，传播函数比较简单等。Hirabayashi等［36］2010年使用Schoenberg的滑动边界条件模拟了裂缝的声波响应，研究结果显示裂缝的存在会使得反射波幅度更强，使用上述处理方法提取S－S反射波，通过偏移成像，获得了井眼延伸裂缝的倾角信息。

1.2 国内研究进展

王乃星等［12］对长源距全波列测井资料进行波场分离，提取了反射波信息，进行了偏移成像。利用地震资料处理中的椭圆法原理计算了井外的裂缝或声阻抗界面的视倾角，但未说明波场分离方法。

2003年，车小花等［15］通过对数值模拟结果和物理实验资料进行分析和处理，验证了中值滤波的可行性，但中值滤波对于复杂井眼条件以及地层速度变化较大的情况适应性不好，很难分离同相轴平行井轴的反射波，且对波形有一定的改造作用。2005年，何峰江［20，37］提出了基于双树复小波变换（DTCWT）和慢度时间相关法（STC）的多尺度相关法，该方法结合小波变换的多尺度分解特性可以识别微弱的反射波信号，借助不同尺度上的STC处理结果判断有用信号所处的区域，通过将该尺度道集上的其他区域置0得到反射波信号。利用该方法对数值模拟及实测波形进行处理，结果显示该方法具有明显的优越性。2010年，范宜仁等［38］利用该方法对XMAC全波数据进行了处理，提取了反射纵波，结果证明了该方法处理常规阵列声波数据的能力。2011年，王兵等［39］比较了该方法和F－K滤波以及参数估计法在波场分离中的差异，对比分析表明该方法较其他2种方法具有明显的优越性。通过采用不同的叠加速度，成功分离出了反射纵波和反射横波，该方法为国内声反射成像测井的反射波提取开辟了一条新途径。

何峰江［20］还提出以Ridgelet为基础，对高分辨Radon变换进行改进，实现了反射波信号的识别和提取。Modified Ridgelet变换能够容易地从共中心点道集和共炮点道集中直接提取反射波信号，但是Modified Ridgelet变换还不太实用，对于幅度偏小的反射波信号处理效果欠佳，需要在提高Radon变换的精度和计算速度方面做进一步的工作；由于阵列声波测井接收间距较小、接收阵列个数有限，在时距曲线上反射波通常表现为直线，因此，双曲型的Radon变换对实际资料处理的适应性并不好。

魏周拓等［40］数值模拟了具有井旁裂缝的井孔声场响应，针对数值模拟数据采用线性预测方法对共发射道集进行处理，有效提取了反射纵波信号。处理过程中针对上、下行反射波特点，分别采用不同的阵列组合进行上、下行波分离，结果表明，不同的阵列组合可以更有效地提取反射波。

2 偏移叠加方法研究进展

偏移的目的是将倾斜反射归位到它们真正的地下位置，并使绕射波收敛，得到真实的构造图像。偏移过程中一个重要的问题是速度模型的选取，通常可以根据声波测井资料方便得到。然而对于各向异性地层不仅仅存在速度的垂向变化，还存在速度的横向变化，选用一个常速进行处理，无法适应地下真实情况。Tang等［41］的研究表明将声波测井得到的井壁滑行波速度转换为各向异性轴向速度偏移可以改善成像结果的准确性。

偏移叠加方法一般借鉴比较成熟的地震数据处理方法。针对声波测井的特殊情况，采用效果较好的叠前偏移方法，并作适当调整。目前应用在声反射成像测井中的偏移方法：①广义Radon变换法偏移；②Kirchhoff积分偏移；③改进的F－K偏移方法；④等效偏移距偏移方法。叠加方法主要是根据阵列时差及界面倾角进行［33］，或是按道集数据质量加权的变权垂直叠加［42］，然后时深转换，最后得到深度域的成像剖面。以上偏移叠加理论方法在国内外文献中已有大量说明，这里仅介绍国内外在声反射成像测井中所用方法以及存在的问题。

2.1 GRT偏移

Hornby［1］于1989年首次把地震数据处理中的偏移方法引入声反射成像处理中，使用广义Radon变换（GRT－Generalized Radon Transform）对滤波后数据进行处理，再进行共中心点叠加提高反射波质量和压制噪音，获得了清晰的井旁构造图像。Yamamoto等、Al Rougha等、Maia等、Haldorsen等、Hirabayashi等针对不同仪器所采集的数据，使用GRT偏移方法得到井旁裂缝（或地层）的图像。值得注意的是，Al Rougha等［30］、Haldorsen等［31］、Maia等［32］分别采用周向分布4个和8个接收器的阵列数据，对每个深度点每个方位都进行声反射成像处理，之后把不同方位数据进行方位聚焦，得到井径向探测深度3～15m［30－32］、井周向分辨率90°（4个接收器）或45°（8个接收器）的剖面，能表征地层反射界面或裂缝方位。这种技术对研究地质体（裂缝、溶洞等）在井外延伸距离及方位特性有重要意义，可以在一定程度上解决目前应用的反射纵波成像无方位识别能力的问题。

2.2 Kirchhoff积分偏移

Kirchhoff积分偏移是基于波动方程积分解的一种偏移方法，它利用Kirchhoff绕射积分公式把分散在地表各个地震道上来自地下同一个绕射点的能量汇聚在一起，置于地下相应的绕射点上，其优点是无倾角限制，网格剖分灵活，缺点是难以对复杂构造进行精确成像，它同时包括时间偏移方法和深度偏移方法，目前在实际中有广泛的应用。

Esmersoy等［2］使用叠前Kirchhoff偏移处理波场分离后的数据进行偏移成像，准确计算了井眼轨迹和地层界面之间的位置关系，指出其在水平井中有着广泛的应用前景。Coates等、Li等、Tang等都利用这种方法进行了偏移成像处理［3，9，11，33］，都获得了井旁地质构造图像。

Tang等［33］针对阵列测井下的反射波成像的问题分析了反射波的传播特征，首先提取反射波直接进行Kirchhoff深度偏移，偏移后得到真实的倾角α（界面与井眼夹角），再对波场分离数据分别按道集叠加（根据时差），再进行偏移成像，可以明显改善成像质量。除了对纵波进行偏移成像，Tang等［11］针对横波反射波同样使用了Kirchhoff偏移方法，成像结果表明，该成像方法可以得到井旁地层走向信息。

2.3 改进的F－K偏移方法

Zheng等［10］为了适应阵列声波测井的数据结构，对Stolt提出的F－K偏移方法进行了改进，使用共发射道集数据。改进后的叠前F－K偏移方法具有无倾角限制、一次处理大量数据、偏移后可直接分离出上、下行波场数据等优点。该方法不足之处是地层速度变化时很难准确对井旁地质构造进行成像。

魏周拓等［43］对传统的F－K偏移进行了改进，通过处理XMACⅡ实际测井数据证实了该方法对于识别井旁地层界面的有效性和可靠性。

2.4 等效偏移距偏移方法

等效偏移距偏移是依据散射理论，将地下界面上的每一点都看成是散射点，将叠前数据体转换成以等效偏移距、时间为变量的共散射点数据体，采用等效偏移距偏移方法成像。该方法分2步，第1步是形成共散射点道集；第2步是应用简化的克希霍夫积分公式针对上述道集进行偏移，以及滤波、动校正，最后叠加完成偏移成像［44］。

Chabot等［27］使用全波列数据进行单井声反射成像。介绍了一种类似地震数据处理的波形处理流程，将DSI测井数据抽取为共散射点道集（CSP道集为双边道集，以反映上、下倾方向不同反射）进行等效偏移距偏移获得井旁地层图像。2002年，他又对该方法进行了改进［28］，包括进行道均衡以使各道所有时间的振幅一致，采用更适合于井孔的等效偏移距参数，以及用于NMO校正更好的速度模型，对斜井实际资料进行处理，达到了很好的效果。

张铁轩等［45］使用等效偏移距方法也进行了声反射成像测井的反射波偏移。结果显示，与常规叠后深度偏移相比，等效偏移距方法有较高的叠加次数，并且对较低信噪比的井旁构造成像同样有效。

2.5 其他问题

关于各向异性地层偏移速度的选取，Tang等［41］分析了TI介质地层对声反射成像测井图像质量的影响，认为对于远井眼反射波，反射角很小，可认为速度v为TI轴的速度，通过对比常速偏移和TI轴向速度偏移图像，发现应用常速度偏移得到的界面角度比实际模型角度（与井的夹角）大，这是由于偏移速度过大所致，因此，对该类情况应用TI轴向速度可得到较好的成像结果，通过实际数据的处理也证实了这一结果。但对于近井眼界面反射波，由于反射角较大，速度v的选择仍需进一步研究。

Zhu等［46］使用Sonic Scanner对水平井进行BARS测量，处理结果显示了声反射测井中的AVA（Amplitude Variation with Incident Angle）现象。发现MF（远单极）和ML（低单极）图像在某处出现特殊现象，MF在某深度之前有图像，之后没有；ML在该深度之前没有，之后有微弱图像显示。通过建立相似的2D地质模型进行模拟，证实了实际数据中存在的问题，MF和ML在图像中都有振幅极性转换的现象发生，通过对比倾角变化及实测数据，发现这是由于AVA现象的存在，而且MF和ML由于源距不同，倾斜角度变化不同（MF大、ML小），导致极性变化也有差别，AVA现象提供了一个间接方法证实油藏顶界面，为井的定位提供了有效信息。

逆时偏移是基于完整的波动方程，在成像中无倾角限制，不仅可以针对一次波成像，还可以对回转波、棱镜波、鬼波和其他多次波成像。与克希霍夫积分法偏移和单程波动方程偏移相比，其成像结果更好、信噪比更高、复杂地质体边界更清晰，是目前地震勘探偏移成像的前沿技术［47］，缺点是计算量较大。最新的研究［48］表明其在声反射成像测井中的初步应用显示了很好的效果。

3 结 论

（1）波场分离仍然是数据处理研究的重点，国外从最初的F－K滤波发展到现在的多种方法，主要是以线性预测理论为基础的分离方法。国内除了以上方法外，最新技术是以小波变换和STC方法结合的多尺度相关法。目前各种波场分离方法仍存在一定缺点，对于微小的反射波信号很难完全分离，尤其是复杂地层条件下的反射波提取更加困难，因此，需要进一步研究比较各种方法的优缺点，发展新方法或结合多种方法进行综合处理。

（2）偏移叠加方法基本上是采用地震数据处理中的方法，但要针对反射波测井的数据结构（小炮检距、小接收间距、高频率、上下行反射波等）进行适当调整；偏移速度的选取是一个重要问题，对于一般地层只需选取常规声波测井的纵（横）波速度即可，对于强各向异性地层可近似取各向异性对称轴的速度。逆时偏移是复杂介质成像处理的一个方向，但其偏移速度模型的选取仍需深入研究。

（3）随着测量方式及仪器的发展，声反射测井的含义在发生变化，数据处理方式也在变化。从最初的纵波反射波的测量，到现在偶极横波反射波的测量，近年来的研究已证明偶极横波反射波有更高的探测深度和信噪比，而且具有一定的方位识别能力，不仅可以得到反射界面倾角，还可以判断界面走向等。该方法的研究可以拓展目前多极子声波测井仪器的应用范围，为更高效的仪器开发打下基础。另外，利用相控阵技术进行声场定向辐射和接收的三维声反射测量方法也在研究中，这也对未来三维数据处理提出了新的要求。

（4）目前声反射成像测井处理结果只能给出井旁地质构造的几何信息，而地面地震包含多种反演及属性提取方法，因此，该方面需进一步研究。这就要求能够模拟复杂介质条件下的反射波场，以便获得较好的反演方法。

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