（地球探测与信息技术专业论文）相关技术在随钻地震中的应用.pdf

相关技术在随钻地震中的应用 学位论文完成r 期 指导教师签字 答辩委员会成员签字 洲1 1 1 i i 帅| l | l i m 州0 i y 18 2 9 9 3 6 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 l 洼! 垫塑查墓丝盂蔓缱型主明数：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：w 去昆签字日期：浏。年6 月呼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： l 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刁：、豇 签字日期：k 加年多月p 日 、 新签字卜易 签字日期：跏【口年6 月钐日 相关技术在随钻地震中的应用 摘要 随钻地震是2 0 世纪9 0 年代初发展起来的新技术，它以钻头钻进时的震动作 为震源。随钻地震的方法有许多，但总起来在实际中常采用的方法主要为依靠安 装在地面钻柱顶部的加速度传感器接收到的信号作为钻头信号的估计，再通过先 导信号与地面检波器记录做互相关处理得到地震剖面。这种方法简单、实用、成 本低，丝毫不影响钻井作业，但随钻地震资料受地面强干扰噪声和钻柱传播的影 响严重。如果能通过去噪、反褶积等处理技术，可提高随钻地震资料的信噪比， 达到预测钻头f j 方地层构造细节等勘探目的。 互相关是随钻地震数据基础性处理的核心部分，虽然这种方法不是唯一的办 法，但它是最可靠、应用最广泛的方法。本文在前人研究的基础上对随钻地震处 理的互相关方法进行了进一步研究及新的互相关方法的探索。 随钻地震的互相关方法，其实质是得到一个以钻头信号的自相关为震源子波 的剖面。本文研究的相关技术主要包括先导信号的自相关和先导信号与地面检波 器信号间的互相关。前者主要用于检测先导信号中的周期性成分，衰减随时间变 化的不相干成分，对其中的钻头信号特征进行提取，同时可以通过钻柱多次波计 算钻柱的延迟时间，为后续互相关剖面的时延校正提供准确的数据。而先导信号 与地面检波器记录互相关的主要作用是：把连续的钻头信号压缩成类似于点震 源激发记录的信号；只保留两个参与互相关的道所共有的信号和噪声，衰减独 立存在于两者之外的不相干噪声，以提高信噪比。 在对传统的纵波资料进行相关处理基础上，本文对随钻地震的三分量资料进 行了互相关处理，得到了一定的认识。 在传统的相关方法求取的剖面上，互相关峰值并没有完全的压缩为尖脉冲， 并伴有一定宽度的旁瓣。本文通过三阶累积量方法能够完全压制野外采集的数据 中高斯噪声影响的特点，对随钻地震方法进行了改进。求取的地层响应剖面，峰 值处更窄，旁瓣压制更加彻底，处理效果也更好。三阶累积量方法，能够在最大 程度上压制高斯噪声的影响，通过三阶累积量对角切片，也能更好的描述先导信 号的特征。对于传统的二阶累积量的方法，也就是常用的互相关方法，是一种很 好的改进。 关键词：随钻地震；自相关；互相关；三阶累积量 a p p iic a tio no fo o rr eia tio nt e c h n o io g y ins eis micw h iled riili n g a b s t r a c t s e i s m i cw h i l ed r i l l i n gi san e wt e c h n o l o g yw h i c h d e v e l o p e di nt h ee a r l y9 0 t so f t h e2 0 t hc e n t u r y i tu s e st h ev i b r a t i o n sp r o d u c e db yad r i l l b i tw h i l ed r i l l i n ga sa d o w n h o l es e i s m i ce n e r g ys o u r c e t h e r ea r em a n yd i f f e r e n tw a y si n s e i s m i cw h i l e d r i l l i n g b u tt o g e t h e r , t h e yo f t e nu s et h em e t h o di np r a c t i c er e l i e sm a i n l ya c c e l e r a t i o n s e n s o rw h i c hi n s t a l l e da tt h et o po ft h ed r i l ls t r i n gt or e c e i v es i g n a la sa na p p r o x i m a t e b i ts i g n a l ，a n dt h e nt h r o u g ht h ec r o s s - c o r r e l a t i o np r o c e s s i n gb e t w e e nt h er e f e r e n c e s i g n a la n dt h eg r o u n dd e t e c t o rr e c o r d s ，s e i s m i cp r o f i l e sc a nb eg o t t h i sm e t h o di s s i m p l e ，p r a c t i c a l ，l o wc o s t ，d o e sn o ta f f e c tt h ed r i l l i n go p e r a t i o n h o w e v e r s e i s m i c d a t aw h i l ed r i l l i n gi s s e r i o u s l ya f f e c t e db yt h es t r o n gs u r f a c en o i s ea n dd r i l ls t r i n g p r o p a g a t i o n i fb yn o i s er e m o v a l ，d e c o n v o l u t i o np r o c e s s i n gc a n i m p r o v et h es i g n a lt o n o i s er a t i oo fs e i s m i cd a t aw h i l ed r i l l i n g ，i tc a nb ea b l et o p r e d i c tt h ec o n s t r u c t i o n d e t a i l so ft h es t r a t u ma h e a do ft h eb i t c r o s s 。c o r r e l a t i o ni sac o r ep a r to ft h es e i s m i cd a t aw h i l ed r i l l i n g p r o c e s s i n g ， a l t h o u g ht h i sm e t h o di sn o tt h eo n l yw a y , b u ti ti st h em o s tr e l i a b l ea n dm o s tw i d e l y u s e dm e t h o d i nt h i sp a p e r , b a s e do np r e v i o u ss t u d i e sd e a l i n gw i t ht h ec o r r e l a t i o no f s e i s m i cd r i l l i n gm e t h o d s ，f u r t h e rr e s e a r c ha n dn e wc r o s s c o r r e l a t i o nm e t h o d sa r e e x p l o r e d t h ee s s e n c eo fs e i s m i cw h i l e d r i l l i n gc r o s s - c o r r e l a t i o na l g o r i t h mi st og e ta s e i s m i cp r o f i l ew h i c hm a k ea u t o c o r r e l a t i o no fb i t s i g n a l t ob eaw a v e l e t n e c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yo ft h es e i s m i cw h i l ed r i l l i n g i n t h i s p a p e rm a i n l yi n c l u d e s r e f e r e n c es i g n a la u t o c o r r e l a t i o na n dt h ec r o s s - c o r r e l a t i o nb e t w e e nr e f e r e n c es i g n a l a n dt h eg r o u n dd e t e c t o rs i g n a l t h ef o r m e ri su s e dt od e t e c tt h e c y c l i c a lc o m p o n e n ti n t h er e f e r e n c es i g n a l ，d e c a yu n r e l a t e de l e m e n t sw i t ht h e t i m e v a r y i n g ，e x t r a c tb i t s i g n a l sa n dc a l c u l a t ed e l a yt i m eo fd r i l ls t r i n gt h r o u g ht h ed r i l ls t r i n gm u l t i p l ew a v et o p r o v i d ea c c u r a t ed a t af o rt h ef o l l o w u pt i m ed e l a yo ft h ec r o s s c o r r e l a t i o np r o f i l et h e c r o s s 。c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e f e r e n c es i n g l ea n dt h eg r o u n dd e t e c t o rr e c o r d si s m a i n l yt oc o m p r e s sc o n t i n u o u sb i ts i g n a li n t oe q u i v a l e n t r e c o r de x c i t e db yp o i n t s o u r c ea n de n h a n c es i g n a lt on o i s er a t i ot h r o u g hk e e p i n gt h ec o m m o ns i g n a la n d n o i s ea n da t t e n u a t en o n c o h e r e n tn o i s eb e t w e e nt h ec r o s s - c o r r e l a t i o nt r a c e s i nt h i sp a p e r , t h r e e - c o m p o n e n ts e i s m i cw h i l ed r i l l i n gd a t ah a v eb e e np r o c e s s e d t h r o u g hc r o s s c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g ya n ds o m ec o g n i t i o n i s g o tb a s e d o nt h e p r o c e s s i n gw i t hp - w a v e c r o s s c o r r e l a t i o np e a ki sn o tc o m p l e t e l yc o m p r e s s e ds h a r pp u l s ei nt r a d i t i o n a l c r o s s c o r r e l a t i o np r o f i l e t h er e s u l t sh a v eac e r t a i nw i d t ho ft h es i d el o b e i nt h i s p a p e r ，s e i s m i cw h i l ed r i l l i n gm e t h o di si m p r o v e db y t h et h i r d 。o r d e rs t a t i s t i c sm e t h o d ， b e c a u s ei tc a nc o m p l e t e l ys u p p r e s st h ea f f e c t o fg a u s s i a nn o i s ei nf i e l dd a t a c o l l e c t i o n i nt h er e c e i v e df o r m a t i o nr e s p o n s ep r o f i l e ，p e a ki sm o r en a r r o w , s i d e l o b e s u p p r e s s i o ni sm o r et h o r o u g h ，a n dp r o c e s s i n ge f f e c ti sb e t t e r t h et h i r d o r d e rs t a t i s t i c s m e t h o dc a ns u p p r e s sg a u s s i a nn o i s ei nt h em a x i m u me x t e n t i tc a nb e t t e rd e s c r i b et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e f e r e n c es i g n a lt h r o u g ht h i r d - o r d e rs t a t i s t i c sd i a g o n a ls l i c e f o r t h et r a d i t i o n a lm e t h o do ft h es e c o n d o r d e rs t a t i s t i c s ，w h i c h i sc o m m o n l yu s e d c r o s s c o r r e l a t i o nm e t h o d ，i ti sag o o di m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：s e i s m i c w h i l e d r i l l i n g ；a u t o c o r r e l a t i o n ；c r o s s c o r r e l a t i o n ； t h i r d o r d e rs t a t i s t i c s 相关技术在随钻地震中的应用 目录 1 前言11 日l j 舌l 1 1 课题来源1 1 2 研究目的及意义1 1 3 国内外发展与研究现状。4 1 4 研究内容6 1 5 技术路线7 1 6 主要创新点7 2 相关技术原理9 2 1 相关系数9 2 2 相关函数1 0 2 3 高阶统计量方法1 1 3 随钻地震勘探方法1 7 3 1 随钻地震基本原理1 7 3 2 钻头震源1 8 3 2 1 钻头信号辐射模式1 8 3 2 2 钻头信号的接收1 9 3 3 随钻地震数据采集1 9 3 3 1 观测系统和采样间隔2 0 3 3 2 野外施工2 0 3 4 随钻地震数据处理2 1 4 随钻地震信号相关处理2 3 4 1 随钻地震记录形成2 3 4 2 相关检测2 4 4 3 先导信号自相关2 5 4 3 1 钻柱多次波2 5 4 3 2 先导信号自相关算子作为反褶积因子3 0 4 4 先导信号与检波器记录互相关3 1 相关技术在随钻地震中的应用 4 4 1 互相关延迟3 2 4 4 2 有效信号和噪音的互相关3 3 4 4 3 钻柱传播效应3 4 4 5 基于高阶统计量的方法3 4 4 5 1 随机噪声的高阶统计量3 4 4 5 2 利用三阶累积量进行先导信号检测3 6 4 5 3 利用三阶累积量提取地层响应3 9 4 6 体相关4 0 5 实际处理效果分析4 2 5 1 模型模拟效果及分析4 2 5 1 1 互相关方法4 2 5 1 2 高阶累积量方法4 5 5 2 实际随钻资料处理效果分析4 8 6 结论及建议5 5 参考文献5 7 致谢6 1 。 个人简历6 2 发表的学术论文6 2 ，l 相关技术在随钻地震中的应用 1 前言 1 1 课题来源 本课题来源于“十一五 国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资源与环境 技术领域重点项目“随钻地震应用技术研究( 2 0 0 6 a a 0 6 a 1 0 8 ) 之子课题“随钻 地震信号处理技术”。该课题的主要目标是形成具有自主知识产权的随钻地震数 据处理系统。 1 2 研究目的及意义 油气勘探包括三个主要步骤：地质解释，钻井和生产【1 1 。在油气开发的钻井 阶段地球物理方法的作用是非常重要的。在对钻井过程进行地球物理监控时，需 要利用测井数据对地面地震数据进行校正。这种校正也可以通过常规的v s p 来完 成，v s p 是将检波器放置在井中，在井旁地表激发，从而得到时深转换关系。但 是由于传统v s p 的局限性，随钻地震测量逐渐发展起来。 钻井到预先设计的目的层是一个复杂的过程，其间需要很高的费用并且存在 很大的风险。如果采用随钻测量技术就可以降低这种费用和风险。钻井的依据主 要来源于地震信息以及同一地区的其他井。通过地震可以对比并校正相邻井之间 的差别，但是在井之间仍存在许多不确定性，这些不确定性可能导致新井位置或 者目的层位置的偏差。在进行新井设计的过程中，使用的一般是经过时深转换的 深度模型或者是深度偏移剖面，因此用于时深转换的速度模型正确与否是一个很 关键的因素。因此，从地震出发设计钻井方案并且不断从地质和地球物理的角度 对钻井过程进行监控是非常重要的。如果原始的地质模型是不正确的，那么对新 井的预测也将是错误的，钻井的时候必须采取措施，不断地校正。 勘探工作者从地质和地球物理的观点监控一口井，使用几种方法获得地层的 信息，然后综合分析这些信息设计钻井方案。在钻井之前，我们通过一些先期的 勘探得到了一些井所在区域的地质信息，而钻井过程中，我们通过泥浆测井即通 过分析钻屑来得到井轨迹所穿地层的岩性信息。同时在钻井问歇段，通过测井得 到地层的声学、密度、电磁性质，或者通过l w d ( 随钻测井技术1 和m w d ( 随钻 测量技术) 来实时了解所钻地层的性质。但是测井数据只反映了井周几米范围的 地层性质，具有一定的局限性。 相关技术在随钻地震中的应用 井下地震可以达到几百米的调查范围，它可以通过反射波来确定构造信息， 并且可以确定并预测地层的声学和弹性性质，这其实就是逆垂直地震剖面法。这 项技术应用钻头噪音作为地震震源。 常规垂直地震剖面法将接收设备放入井中，这种方法由于需要停钻，因此成 本很高并存在操作上的风险。费用与钻井设备息息相关，并且地面上放炮越多成 本越高。由于进行v s p 测量期间要将钻杆提起一天甚至几天，无法通过泥浆对 地层压力进行控制，因此存在井塌、井涌等风险。 利用钻头破岩过程中产生的震动作为震源、在地面进行接收即随钻地震可以 有效地克服上述v s p 的缺陷【5 1 。当然我们需要将钻头信号从环境噪音中区分出 来，钻头信号通过先导信号检波器和地面检波器测量得到。这种方法还可以通过 增加地面地震测线上的检波器个数将接收范围从井头向外拓展数千米。这样在没 有明显增加成本的情况下就实现了多偏移距r v s p 。 表1 - 1 随钻地震与常规垂直地震的对比【6 】 方法常规垂直地震随钻地震 基本不存在操作风险，井 操作风险高，井中有设备，需要昂 操作风险及费用中没有仪器设备，钻杆_ 贵的下井仪，钻杆要拨出井外 直在井中 工作效率低，停钻时间有时长达数效率高，在不增加成本的 工作效率天，采集不同位置资料时设备的更情况下就可以实现多偏移 换不方便距的随钻地震资料采集 井中激发多时地面排列短，排列长 数据信息丰富 时井中激发次数就少 可实时预测钻头前方地层 不能实时预测钻头前方地层压力 压力，以减少钻井风险， 实时性和构造细节，有效数据在钻井后才 有效数据在钻井过程中可 能够取出，实时性不强 实时传输 对井的要求较高，在高温井孔中不 不受钻井条件的影响，不 适用性能测量，在严重斜井或“狗腿井 受压力和温度的限制 中不能测量 2 相关技术在随钻地震中的应用 如表1 - 1 所示，随钻地震方法有着很多优点，具有巨大的发展潜力，通过安 装在钻柱顶端的先导信号传感器接收由钻柱传送上来的钻头信号( 称为先导信 号) ，通过与地面检波器排列接收到的经地层传播上来的钻头信号( 称为地面检波 器信号1 的互相关运算得到逆v s p 记录。对比常规的垂直地震方法，随钻地震具 有明显的优势，它成本低，风险小，可以及时预测钻头前方地层压力和进行井下 状态监测，并通过井旁构造成像等技术为井队提供实时的地层参数，为决策者在 钻井过程中及时调整钻井方案、提高钻井效率和优化套管设计提供依据【训，具体 来说其应用包括： 实时确定钻头在地震剖面上的位置。 预测钻头前方地层，进行准确的构造细节成像，精确刻画小断层、盐丘 等特殊地质体，确定钻头与目的层的相对位置，及时调整钻井方案。 估算地层速度，校正声波时差曲线。 结合钻井参数和岩屑资料估算地层孔隙压力和岩性，优化钻井液的泥浆 比重，选择取芯和下套管的准确位置。 利用s v 波进行横波井间地震勘探。 结合钻井随钻测量( m w d ) ，提供综合地层评价服务，进行底部钻具组 合的动态监测。 在对随钻地震资料的处理中，相关处理是其中的核心环节，虽然这种方法不 是唯一的办法，但它是最可靠、应用最广泛的方法。这种方法与可控震源原理相 似，它要进行先导信号的扫描以便与地面检波器接收到的信号进行互相关。通过 互相关函数提取钻头信号与地面检波器信号的相似性，从而得到反映地下构造的 地层脉冲响应1 1 j o 目前，随钻地震技术的研究在我国还处于起步阶段，并且主要侧重于理论和 方法的探索性研究，从研究水平和进展上来说与国外相差较大，并且没有成形的 设备和方法，经济效益较差，在生产中适用性较低。而国外的随钻地震技术已经 逐步实现了由理论到实际应用的转变，形成了一整套的采集处理解释的方法。作 为行业领域中的领先科技，基本上被垄断在少数公司手中。对于国内而言，及时 的发展我们自己的随钻地震技术，打破国外垄断，已经成为地震勘探事业中一项 重要的工作，从国家的科技实力和应用的经济效益而言，均有着极其重要的意义。 3 相关技术在随钻地震中的应用 1 3 国内外发展与研究现状 随钻v s p 技术的发展已经历了6 0 多年的历史，早在1 9 3 6 年，w e a t h e r b y 就申 请了用顿钻产生的冲击信号对地下构造进行成像的专利，由于受当时科学技术水 平的限制，未能得到进一步的发展。大约5 0 年后，美国斯坦福大学c l e a r b o u t 教授 领导的斯坦福勘探计划( s e p ) 3 l 重新开展了对随钻地震技术的研究，由r e c t o r 、 m a r i o n 矛l k o s t o v 等人实现了用旋转钻头破岩时的噪声作为井下震源、用地面检波 器接收的新型井中地震勘探方法。其具体做法是：依靠安装在地面钻柱上的加速 度传感器接收到的信号作为钻头信号的估计( 先导信号) ，再通过先导信号与地面 检波器记录做互相关处理，得到与可控震源地面地震记录相类似的单炮地震记 录，当时的主要专利产品有t o m e x 1 4 】。 此后，随着随钻地震技术研究向前发展，人们发现，由于井场钻井作业所产 生的强干扰噪声的影响，上述随钻地震记录多数情况下信噪比低，干扰严重，特 别是p d c 钻头钻井时，很难满足工业化生产的需要。因此，自然想到将上述安装 在地面钻柱上的传感器设法安装到井下靠近钻头位置( 如井底钻具组合) 【1 7 1 ，这在 一定程度上改善了随钻地震记录的质量，不仅对牙轮钻头，而且对p d c 钻头也得 到初步应用。这方面典型的专利产品有：意大利原a g i p 公司( 现在的e n i 集团) 开 的s e i s b i t 2 0 】( 钻头地震) 、m w d c ( 随钻实时偏移技术) 及其相应的处理软件 ( d r e a m ) ( 其中部分软件是同西方地球物理公司和s c h l u m b e r g e r 公司共同开发完 成的，方法由a g i p 提供，专利归a g i p 所有) 和法国i f p 石油公司开发的 t r a f o r 1 9 l 。随钻实时偏移技术就是在钻井过程中，根据随钻v s p 得到的速度等 信息，修改速度模型并对原地面地震剖面做深度偏移处理，经过多次反复迭代， 可获得更准确的深度剖面和构造细节，从而在钻井过程中及时改变钻井方案，以 减少不必要的经济损失和钻探风险。 在上面提到了p d c 钻头对随钻地震测量造成的困难，其主要原因是p d c 钻头 在钻井时所产生的轴向振动要比牙轮钻头小得纠2 2 1 。因此使用p d c 钻头钻井时， 上述随钻地震方法所得记录质量较牙轮钻头记录质量差，到目前为止还很难用于 实际生产，只是在个别条件下取得了一定的效果。为解决p d c 钻头钻井时的随钻 地震监测问题，人们也在其它方面寻求新的突破。如在钻井( 或停钻) 过程中，将 传感器安装到井下靠近钻头的钻具组合位置，接收地面激发所产生的地震波，以 4 一相关技术在随钻地震中的应用 达到实时地震监测的目的。该方法完全类似于常规v s p 勘探( 正v s p ) ，只不过是 在钻井( 或停钻) 过程中进行垂直地震( v s p ) 观测，与钻头类型无关并可达到实时 进行地震观测的效果。这方面典型的专利产品有美国s c h l u m b e r g e r 公司的 s e i s m i c m w d ( 又称为s e i s m i c v i s i o n d l 2 3 j 和法国i f p 石油公司的t r a f o r 。从 s e i s m i c m w d n 立t j 面与常规v s p 音l j 面的对比来看，s e i s m i c m w d 的效果尚不是十分 理想。 由于随钻地震对钻探具有现场实时监控的功能，必要时可及时改变钻井方 案，减少钻探风险，因此越来越受到石油勘探、开发界的高度重视，资料采集、 处理水平和装备得到了进一步提高，现阶段实现了地面多检波器排列和检波器大 组合接收【冽。同时，随钻地震与其它相关行业结合得也越来越紧密，如与钻井 方位监狈o ( m w d ) 及随钻测井( l w d ) 等技术的结合使用。并且，随钻地震技术的应 用领域和范围也在不断扩大，不仅在陆上石油勘探、开发中，而且在海上石油勘 探、开发中也得到了初步应用【矧，甚至在其它钻探工程中，如热水井的钻探【2 6 】 和隧道开凿工程【刎中也得到了探索性的应用。 我国在“七五 期间部分单位曾经拟开展随钻v s p 技术的研究，但由于当 时尚属初步探索阶段，技术不成熟，因此一直没有开展这项研究工作。近十几年， 随着该项技术的发展和日趋成熟，国内部分单位也在着手这项技术的研究工作。 较早开展随钻技术研究的是西南石油学院的张绍槐、韩继勇等人【2 8 1 。他们自 1 9 9 6 年开始，开展了该项技术的研究工作，并于1 9 9 9 年承担了国家自然科学基金 资助项目“随钻地震技术理论及工程应用”，对该技术进行了初步的理论方法研 究 3 0 - 3 3 1 ，取得了一定的认识。1 9 9 6 年1 0 月至1 2 月，西安石油学院及江汉石油管 理局物探处联合在江汉油田选择了一口井( 范3 井) ，在井深2 2 5 0 m 左右的井段上， 利用现有的设备进行了随钻地震的数掘采集、处理和实验分析，获得了随钻地震 观测的有效信号，并对其进行了特征分析、干扰波分布以及现有采集、处理设备 的适应能力等内容进行了研究，为随钻地震建立一套一体化的数据采集、处理与 分析、实时提供钻井地质信息和动态监控参数的轻便实用系统奠定了基础。 东方地球物理公司于1 9 9 9 年将随钻地震技术作为前沿研究项目，开展前期技 术研究，并进行了多口井的野外采集实验，同时开展了较系统的采集、处理方法 研究。从2 0 0 1 年开始，该技术作为“十五 重点技术开发项目，继续进行研究。 相关技术在随钻地震中的应用 2 0 0 2 年1 0 。1 2 月，东方地球物理公司研究院在塔罩木盆地轮南地区轮古4 7 井进行 了随钻地震实验，在获得较理想的采集、处理成果后【3 4 , 3 5 】，又于2 0 0 3 年8 月在吐 哈盆地红台地区红台1 1 井进行第二口井的随钻地震实验和研究，取得较大进展。 2 0 0 5 年，罗斌在其博士论文中对该项目的研究成果做了系统的总纠3 6 1 。 2 0 0 5 年，胜利石油管理局钻井工艺研究院承担了中石化先导课题“随钻地震 技术研究，包括随钻r v s p 技术和随钻v s p 技术研究。通过几次不同井深的随 着地震现场实验，开展了探索性的工作，取得了一定得进展，积累了一些野外观 测的经验。 随着石油工业的向前发展以及人们对安全、环保等问题的高度重视，石油勘 探、开发的难度在不断加大。由于随钻地震对钻探具有现场实时监控的功能，必 要时可及时改变钻井方案，减少钻探风险，因此越来越受到石油勘探、开发界的 高度重视，并吸引了大批有志的地球物理人员加入到上述研发行列，资料采集、 处理水平和装备得到进一步提高。 1 4 研究内容 鉴于相关处理在随钻地震信号处理中的重要地位，本文主要围绕相关技术在 随钻地震当中的应用展开讨论。 研究适合于连续随机信号的互相关、高阶累计量方法等新技术，提出能够应 用于随钻地震数据处理的相关算法： 通过先导信号与地面检波器信号之间的互相关，将延续时间很长的钻头 信号，压缩成类似于点震源激发记录的信号。 通过先导信号的自相关，从强噪声背景下初步压制一些井场干扰，并识 别具有一定周期的钻柱多次波。 通过先导信号的自相关拾取钻头信号从钻头到钻杆顶端传播所需时间。 得到钻柱延迟时间与钻杆长度变化规律，从而得到在钻杆中波传播平均速度，计 算不同钻杆长度的时延，由于在随钻地震的互相关原始剖面上存在这个时间延迟 的影响，所以先导信号的自相关能够为互相关剖面的时间校正提供时i 日j 延迟值。 对先导信号进行三阶累积，对采集的先导信号的特征进行研究，通过先 导信号对角线切片分析，研究先导信号在统计上的特点。 运用基于高阶累计量的处理方法，对现有的随钻地震的相关算法进行改 6 相关技术在随钻地震中的应用 进。研究三阶累积量在求取地层响应方面的作用，与互相关方法进行对比，提高 求取地层响应的精度。 一+ 本文首先讲述相关基本的原理和相关技术最新的应用，然后介绍随钻地震的 基本原理，包括钻头信号的辐射模式和接收方法、随钻地震资料野外采集和数据 处理等方面的内容，重点分析了先导信号和地面检波器记录互相关处理及其存在 的问题，以期提出适用于随钻地震的相关处理方法。 1 5 技术路线 根据本文的研究目的和研究内容，采用了以下技术路线： 分析随钻地震波场特征，研究噪声波场特点，对模拟数据及实际数据进 行相关处理，利用噪声值互相关结果基本为零的特点，通过其压制不相干的随机 噪声。 通过模型，假设已经运用合适的方法对钻头信号进行了提取，应用提取 结果与地面记录进行互相关运算，得到反映地下构造的高质量互相关剖面。 对传统随钻地震中应用的互相关方法进行改进，应用基于三阶累计量的 方法进行处理，与传统方法进行对比，对比其提取微弱信号及压制高斯白噪声的 能力。 1 6 主要创新点 本文的主要创新点包括： 随钻地震的互相关应用简单的互相关算法提取两个波形之i 、日j 的相同信 息，也就是钻头信号，但不同于传统的互相关算法仅得到标志信号相似性的一系 列峰值，随钻地震互相关剖面中还包含地层反射系数的信息，研究表明，随钻地 震的互相关其结果等同于以钻头信号自相关为子波的地震剖面。 随钻地震先导信号与地面检波器信号均为三分量检波器记录，并且由于 钻头震动为天然的三分量震源，所以为随钻地震的多分量处理提供了基础。本文 首次对随钻地震三分量数据进行了互相关处理，得到了一些初步的结论。 首次对先导信号的三阶累积量进行了研究，进行先导信号的检测，通过 三阶累计，压制井场中的强高斯干扰，提取淹没在强高斯干扰下的钻头信号三阶 累积量特征，对钻头信号进行分析。 首次研究了基于高阶累计量的方法技术在随钻地震中的应用，充分利用 7 相关技术在随钻地震中的应用 高斯白噪声高阶累积量值为零的特点，对随钻地震数据进行去噪，提取隐藏在强 噪音背景下的弱信号。 一 8 相关技术在随钻地震中的应用 2 相关技术原理 在信号数字处理中，相关的概念是十分重要的，不仅它本身有着重要的物理和 几何意义，而且在滤波等处理中有着重要应用。相关技术是- f 以信息论和随机过 程理论为基础的边缘学科。近三、四十年来，它在力学、光学、声学、电子学、地 震学、地质、神经生物学等领域内，日益得到了广泛的应用。利用相关技术进行弱 信号提取的原理，可以在钻井过程中提取钻头弱信号，也可以压制井场各种噪声的 影响，以便提高野外声学测量的信噪比p 7 1 。 2 1 相关系数 在实际的信号处理工作中，经常需要比较两个信号是否相似，这时候，常常通 过取某个适当的数a ，使与a y 。( ls ns 2 ) 相近似。衡量吒与a y 。相接近的 程度，通常用误差能量的方法，即考虑误差能量【3 7 1 ： q = 而哥薹n ( x - a y , , ) 2 ( 2 - 1 ) 使得q 达最小，即要求口使d 乡乞= o ，由此得： a ；_ 耄声x n y n。2 2 ， a 2 意一 瞄。矽 磊y 一2 把口代入式( 2 1 ) ，就得到误差能量： q 2 万杀 告：( 荟w n ) 驴参 由此可得到相对误差能量： q 丢晶薹2 一l + 1 惫“ 式中： - - 1 - p 2 q 心。，n 囊 9 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 相关技术在随钻地震中的应用 x n y n 由s c h w a r z 不等式知： 酐y 一 因此： i 岛( l ，2 ) 卜1 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 从式( 2 4 ) 可以看出，当l 如( 1 ，n ：) l 接近1 时，相对误差能量小，特别的，当 j 如( 1 ，2 ) i = 1 时，q = 0 ，再由式( 2 - 1 ) p - j 矢ix , , = a y 。，这说明与y 。完全相似或 完全线性相关。当l p 叫( l ，2 ) i 接近0 时，相对误差能量最大，说明与y 。完全不 相似。因此，可用p x y ( n l ，n 2 ) 作为衡量两个信号相似性的一种度量，氏即为x n 与 y 。的相关系数。而式( 2 6 ) 表明，两个信号的互相关能量，不会大于其能量的几何 平均【3 7 1 。 由于吒与y 。的能量往往是确定的，因此相关系数的大小就由： = x y 。( 2 - 8 ) 的大小确定。式中，) ，删为矗与y 。的标准化的相关系数，也是衡量两个信号矗与 y 。之间相似性的一种度量。 2 2 相关函数 7 。反映了两个固定波形k 和y 。的相似程度，在实际中更需要的是研究两个信 号在经历了一段时移以后的相似程度。例如，由同一震源产生的地震信号在不同的 检波器上记录的结果是不相同的，但是把其中一个检波器记录延迟了一段时间后， 会发现它们有很大的相似性。通常把y 。延迟时间r 使之变成虼- r 考察吒与y 。吖的相 似性，即计算与y 。一，的相关系数【3 7 】： 1 0 也v 自 相关技术在随钻地震中的应用 + o o b p ) = x n y 。吖 n - 一 ( 2 9 ) 当时间延迟f 发生变化时，p ) 就是延迟f 的一个函数，即y n 的互相关 函数。可以用相关函数作为一种衡量的标准，去判断两个信号的相似性。如果对于 所有的值z ，p ) 暑0 ，那么就认为x n 和y 。毫无相似之处；如果存在某一个f 值( 如 ) 使厂p ) 0 ，那么就认为有点相似，其相似程度由卜p 。) l 的最大值去量度。 式( 2 9 ) 也可以写为： p ) = x n + ，y 。 ( 2 1 0 ) 当= y 。，两个信号的相关称为自相关。很容易理解，对于自相关函数，当 z = 0 时，( o ) = 1 为最大值，对于不含有一定周期分量的信号，当f _ 0 0 时，自 相关函数趋于零。 相关函数( 或相关系数) 可以看成是空间l 2 仃) 的内积【3 8 l ，由此可以定义范数和 距离。对于平稳过程，当丁_ ，式( 2 - 1 ) 实际上就是距离的平方。因此两个信号 的相似性，可以用它们之间的距离去量度。这样一来，信号的相似性就有了明确的 几何意义。很明显，在函数( 或波形) 空问2 口) 里，两个“点”相距越近，则可以 认为它们越相似，当两个点的距离趋于零时，它们就完全相似。从数学的意义来讲， 两个信号完全相似，意味着除了在一个零测度( 或零概念) 的集合以外，均有 吒= a y n 吖 3 7 1 。 于是，利用信号的相似性质，可以从几种信号的“混合物”( 线性叠加的几个 信号) 中提取所要的信号，这就是所谓相关技术【钠。 2 3 高阶统计量方法 在信号处理的过程中，我们常常假设信号或者噪声的分布服从高斯分布的规 律，从而仅用二阶统计量( 如二阶矩相关函数，功率谱密度函数等) 便可提取信息， 进行参数辨识以及各种处理f 删。但事实上，还有很多信号和噪声属于非高斯的随机 信号，而非高斯随机信号的概率特性必须由高阶统计量才能完全描述，高阶统计量 是处理非高斯随机信号的主要数学工具。近年来，高阶统计量的理论研究和实际应 用都得到很快发展，在地球物理学方面，例如磁亮点识别技术【4 、地震相干体技术 1 1 相关技术在随钻地震中的应用 4 2 - 4 4 1 、地震信号处理方面【4 5 。7 】，均得到大量的应用。高阶统计量在功能上超越了 二阶统计量，因为它包含了更多的信息，可以毫不夸张地说，凡是在使用功率谱或 相关函数进行分析与处理，而又未得到满意结果的任何问题都值得重新试用高阶统 计量方法进行分析【铝1 。 随机信号的统计特性可以用它在时域的数字特征：数学期望、相关函数以及方 差进行描述。数学期望反映所有样本函数的统计平均，称为一阶原点矩。方差用来 描述随机变量的可能值对平均值的偏离程度。相关函数用来表征随机变量在任意两 个不同时刻取值之间的关联程度，它的方差是二阶中心矩，相关函数是二阶原点矩 【4 8 】 o 在数字信号处理的很多情况下，将单个随机变量的特征函数定义成下述 i a p l a