一种岩石超声波速度及品质因子同时测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种岩石超声波速度及品质因子同时测量方法及系统，其中，该方法包括：选取参考样品，利用超声波脉冲透射测量系统获取参考样品的标准信号，拾取标准起跳时间；选取待测岩石样品，获取待测岩石样品的测量信号，确定测量信号的初始起跳时间；按照时差对测量信号进行时移，获取时移信号；设定待测岩石样品的品质因子初始值及剩余相对时移初始值，将其作用到标准信号进行正演，得到正演信号；在有效时窗内对比时移信号及正演信号，建立目标函数；从品质因子初始值及剩余相对时移初始值开始，利用优化算法搜索目标函数的最小值，获取待测岩石样品的品质因子最优值及剩余相对时移最优值；计算获得待测岩石样品的走时及超声波速度。

说明书

技术领域

本发明涉及基于超声波脉冲透射技术的速度及衰减测量领域，尤其涉及一种岩石 超声波速度及品质因子同时测量方法及系统。

背景技术

现今，随着地震及测井技术的发展，为了提高储层预测及流体检测的准确性，人 们迫切需要更详细地了解储层流体及岩石的弹性波性质，包括速度、衰减、各向异性 等方面。

超声波脉冲透射技术(Birch，1960)是目前研究岩石的波传播特征比较常用的实验 测量手段。采集的岩芯通常被加工成一定形态和尺寸的样品(例如圆柱体)，该样品的 孔隙度、渗透率、密度甚至组构特征均可以事先通过其他实验方法获取得到，所研究 的岩石样品非常清楚。此外，界面及射线路径可通过人为设定，有些实验装置可实现 对温度、压力、饱和流体类型及饱和状态的准确控制(Timur，1968；Gregory，1976； Wang and Nur，1988等)。因此，通过该方法可以建立弹性参数与目标储层参数之间 比较可靠的关系，具有实际应用价值。

对于速度测量而言，一般通过拾取信号起跳时间，由下式计算速度V：

$V=\frac{L}{T_1-T_0};$

其中，T₀和T₁分别为探头对接信号和岩石样品信号的起跳时间。样品长度L通常 可以比较准确地测量得到。

而在衰减介质中，随着传播距离增加，信号的幅度及形态会发生变换，起跳时间 拾取存在较大不确定性，导致速度的测量误差可能会超过2％，使得实验结果准确度 较低。

另外，地下储层岩石普遍表现出黏弹性特征，尤其是流体饱和岩石，其衰减机制 主要归咎于流体与岩石骨架的相互作用。弹性波衰减通常用品质因子Q来进行描述， Q值越小衰减越严重。对于给定的信号源，发射信号的频带宽度相对有限，一般可以 认为Q值不随频率发生变化。谱比法是一种非常流行方法来估计Q值。我们可以比较 两个不同传播距离时信号的振幅谱，然后从根据斜率来确定Q值(Bourbiē等，1987)：

$\ln \left[\frac{S_1(f,x_1)}{S_2(f,x_2)}\right]=\frac{\mathrm{\pi f}}{\mathrm{QV}}[x_2-x_1]+\ln \left(\frac{G_1}{G_2}\right);$

其中，G为包括几何扩散、透射、反射等影响的系数。

等(1979)对上式进行修改，通过对比参考样品和岩石样品的振幅谱成功获 得岩石样品的Q值。然而，谱比法的成功应用需要建立在不受干扰波影响的基础上。 如果信号范围比较宽，那么样品的边缘反射和多次波都会污染信号的尾部，从而影响 计算Q值的准确性。

速度测量中信号起跳时间的拾取受衰减影响，而Q值计算方法中速度又是重要的 输入参数，因此很难独自对速度和衰减进行准确测量。很显然，需要发展出一种新的 方法，能够准确地从信号中同时提取速度和Q值。

发明内容

由于现有技术中，速度测量中信号起跳时间的拾取受衰减影响，而Q值计算方法 中速度又是重要的输入参数，很难独自对速度和衰减进行准确测量，本发明提出了一 种同时获取岩石超声波速度及品质因子的方法及系统，解决了现有超声波实验技术不 能准确获取岩石速度及衰减的问题。

为达到上述目的，本发明提出了一种岩石超声波速度及品质因子同时测量方法， 包括：步骤1，选取一参考样品，利用超声波脉冲透射测量系统获取所述参考样品的 标准信号，并拾取所述标准信号的标准起跳时间；步骤2，选取一待测岩石样品，利 用所述超声波脉冲透射测量系统获取所述待测岩石样品的测量信号，并与所述标准信 号进行相关性分析，根据所述标准起跳时间确定所述测量信号的初始起跳时间；步骤 3，按照所述标准起跳时间与所述初始起跳时间的时差对所述测量信号进行时移，获 取时移信号；步骤4，设定所述待测岩石样品的品质因子初始值及剩余相对时移初始 值，将其作用到所述标准信号进行正演，得到正演信号；步骤5，设定有效时窗，在 所述有效时窗内对比所述时移信号及正演信号，建立目标函数；步骤6，从所述品质 因子初始值及剩余相对时移初始值开始，利用优化算法搜索所述目标函数的最小值， 根据所述目标函数的最小值获取所述待测岩石样品的品质因子最优值及剩余相对时 移最优值；步骤7，根据所述初始起跳时间以及剩余相对时移最优值计算获得所述待 测岩石样品的走时，并根据所述待测岩石样品的走时计算获得待测岩石样品的超声波 速度。

为达到上述目的，本发明还提出了一种岩石超声波速度及品质因子同时测量系统， 包括：标准信号获取模块，用于根据一参考样品，通过超声波脉冲透射测量系统获取 所述参考样品的标准信号，并拾取所述标准信号的标准起跳时间；测量信号获取模块， 用于根据一待测岩石样品，通过所述超声波脉冲透射测量系统获取所述待测岩石样品 的测量信号，并与所述标准信号进行相关性分析，根据所述标准起跳时间确定所述测 量信号的初始起跳时间；时移模块，用于按照所述标准起跳时间与所述初始起跳时间 的时差对所述测量信号进行时移，获取时移信号；正演模块，用于设定所述待测岩石 样品的品质因子初始值及剩余相对时移初始值，将其作用到所述标准信号进行正演， 得到正演信号；目标函数建立模块，用于设定有效时窗，在所述有效时窗内对比所述 时移信号及正演信号，建立目标函数；品质因子最优值及剩余相对时移最优值获取模 块，用于从所述品质因子初始值及剩余相对时移初始值开始，利用优化算法搜索所述 目标函数的最小值，根据所述目标函数的最小值获取所述待测岩石样品的品质因子最 优值及剩余相对时移最优值；超声波速度计算模块，根据所述初始起跳时间以及剩余 相对时移最优值计算获得所述待测岩石样品的走时，并根据所述待测岩石样品的走时 计算获得待测岩石样品的超声波速度。

本发明提出的岩石超声波速度及品质因子同时测量方法及系统，与现有技术对这 两个量单独进行测量的方法不同，本发明在时间域有效信号时窗范围内进行分析，能 够同时测量得到岩石样品的超声波速度及品质因子，克服了两者之间的相互作用，还 排除了后续干扰波的影响，可有效地提高测量精度，同时大大提高了实验测量的效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的岩石超声波速度及品质因子同时测量方法流程图。

图2为本发明一实施例岩石超声波速度及品质因子同时测量的数据关系示意图。

图3为本发明一实施例的岩石超声波速度及品质因子同时测量方法中步骤4的详 细流程图。

图4为本发明一具体实施例的参考样品及待测岩石样品的超声波信号示意图。

图5为本发明一具体实施例时移后的信号及最优正演理论信号示意图。

图6为本发明一实施例的岩石超声波速度及品质因子同时测量系统结构示意图。

图7为本发明一实施例的正演模块的具体结构示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所 采取的技术手段。

图1为本发明一实施例的岩石超声波速度及品质因子同时测量方法流程图。图2 为本发明一实施例岩石超声波速度及品质因子同时测量的数据关系示意图。结合图1 及图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，选取一参考样品，利用超声波脉冲透射测量系统获取参考样品的标准信 号S₁(t)，并拾取标准信号的标准起跳时间T₁；

在本实施例中，参考样品的长度L₁、密度ρ₁、超声波速度V₁、品质因子Q₁都是 已知量。

步骤2，选取一待测岩石样品，利用超声波脉冲透射测量系统获取待测岩石样品 的测量信号S₂(t)，并与标准信号S₁(t)进行相关性分析，根据标准起跳时间T₁确定测 量信号的初始起跳时间T₂；

在步骤2中，待测岩石样品的长度L₂、密度ρ₂为已知量，而其超声波速度V₂和 品质因子Q₂是需要利用本发明后面步骤计算获得的量。

在本实施例中，超声波脉冲透射测量系统利用的超声波信号包括P波、SV波、 SH波。

步骤3，按照标准起跳时间T₁与初始起跳时间T₂的时差ΔT对测量信号S₂(t)进行 时移，获取时移信号S₃(t)；其中，ΔT＝T₂-T₁。

步骤4，设定待测岩石样品的品质因子初始值Q₀及剩余相对时移初始值Δτ₀，将 其作用到标准信号S₁(t)进行正演，得到正演信号S₄(t)。

在步骤4中，如图3所示，正演信号的获取包括以下具体步骤：

步骤41，对标准信号S₁(t)进行傅里叶变换得到其相应的标准频谱S₁(f)；

步骤42，利用以下公式计算正演信号的频谱S₄(f)：

其中，S₄(f)为正演信号的频谱；

G为待测岩石样品相对于参考样品的透射校正系数，利用公式(2)求得；

f为超声波脉冲透射测量系统的测量频率，为已知量；

T₀为超声波测量系统的延迟走时，为已知量；

T₁为标准起跳时间；

T₂为初始起跳时间；

Δτ₀为待测岩石样品的剩余相对时移初始值；

Q₀为待测岩石样品的品质因子初始值；

Q₁为参考样品的品质因子，为已知量；

S₁(f)为标准频谱。

另外，待测岩石样品相对于参考样品的透射校正系数G是利用以下公式所得：

$G=\frac{{\rho }_2\frac{L_2}{T_2+\Delta {\tau }_0-T_0}{({\rho }_1{V}_1+Z_0)}^2}{{\rho }_1{V}_1{({\rho }_2\frac{L_2}{T_2+\Delta {\tau }_0-T_0}+Z_0)}^2};---\left(2\right)$

其中，ρ₁为参考样品的密度，为已知量；

ρ₂为待测岩石样品的密度，为已知量；

Z₀为超声波脉冲透射测量系统的探头阻抗，为已知量；

V₁参考样品的超声波速度，为已知量；

L₂为待测岩石样品的长度，为已知量；

步骤43，对正演信号的频谱S₄(f)进行傅里叶反变换得到正演信号S₄(t)。

步骤5，设定有效时窗W₁，在有效时窗W₁内对比时移信号S₃(t)及正演信号S₄(t)， 建立目标函数Y。

在步骤5中，建立目标函数利用的公式如下：

$Y=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[S_3\left(t_i\right)-S_4\left(t_i\right)]}^2;---\left(3\right)$

其中，Y为目标函数；

n为有效时窗W₁内的采样点个数；

S₃(t_i)为时间域时移信号中每个采样点对应的幅值；

S₄(t_i)为时间域正演信号中每个采样点对应的幅值。

步骤6，从品质因子初始值Q₀及剩余相对时移初始值Δτ₀开始，利用优化算法搜 索目标函数的最小值Y_min，根据目标函数的最小值Y_min获取待测岩石样品的品质因子 最优值及剩余相对时移最优值；

在步骤6中，搜索到目标函数的最小值Y_min后，即可通过计算机软件计算出待测 岩石样品的品质因子最优值Q₂及剩余相对时移最优值Δτ₂。

在本实施例中，步骤6利用的优化算法包括：模式搜索法、Rosenbrock方法、单 纯形搜索法、Powell方法、最速下降法、牛顿法、共轭梯度法、拟牛顿法、信赖域方 法、最小二次法、可行方向法、遗传算法、蚂蚁算法、模拟退火法以及神经网络法等 等方法的至少其中之一。

步骤7，根据初始起跳时间T₂以及剩余相对时移最优值Δτ₂计算获得待测岩石样 品的走时并根据待测岩石样品的走时计算获得待测岩石样品的超声波速度V₂。

在步骤7中，计算待测岩石样品的走时利用的公式如下：

${\hat{T}}_2=T_2+\Delta {\tau }_2-T_0;---\left(4\right)$

其中，为待测岩石样品的走时；

Δτ₂为步骤6得到的待测岩石样品的剩余相对时移最优值。

在得到待测岩石样品的走时后，即可计算待测岩石样品的超声波速度V₂，利 用的公式如下：

$V_2=L_2/{\hat{T}}_2;---\left(5\right)$

其中，V₂为待测岩石样品的超声波速度；

为公式(4)得到的待测岩石样品的走时数据；

L₂为待测岩石样品的长度，为已知量。

为了对上述岩石超声波速度及品质因子同时测量方法进行更为清楚的解释，下面 结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明 本发明，并不构成对本发明不当的限定。

首先，结合步骤1、2，采用休斯敦大学研制的多功能超声波测量系统对一块铝 块样品和一块观雾山组石英砂岩样品(蒸馏水饱和)进行测量，得到铝块的标准信号 S₁(t)和砂岩的测量信号S₂(t)，如图4所示，图4为本具体实施例的铝块样品(实线) 及砂岩样品(虚线)的超声波信号示意图，并拾取信号的起跳点T₁和T₂。

铝块样品和砂岩样品的基本参数如表1所示：

表1：铝块和砂岩样品的基本参数

其中，由于铝块几乎没有衰减，因此其品质因子可以认为是无穷大。表1中，砂 岩样品的纵波速度和纵波品质因子为待测量。

结合步骤3，按照时移量ΔT＝3.75μs，对测量信号S₂(t)进行向前时移得到时移信 号S₃(t)，如图5中所示的实线；

结合步骤4，设定砂岩样品的品质因子初始值Q₀＝50，剩余相对时移初始值Δτ₀＝0μs，从标准信号S₁(t)正演得到砂岩样品的正演信号S₄(t)，正演信号S₄(t)如图5中 所示的虚线。

结合步骤5，确定有效时窗W₁(至少包含S₁(t)的前三个半周期)，在该时窗内对比 时移信号S₃(t)及正演信号S₄(t)，建立目标函数Y。

结合步骤6，从Q₀和Δτ₀开始，利用优化算法搜索寻找目标函数的最小值Y_min， 利用计算机软件计算得到砂岩样品的纵波品质因子Q₂＝40.95，剩余相对时移最优值 Δτ₂＝0.05μs。

结合步骤7，该超声波测量系统中探头对接时信号的起跳点T₀＝11.52μs，通过计 算得到砂岩样品的走时${\hat{T}}_2=T_2+\Delta {\tau }_2-T_0=11.51\mathrm{\mu s};$

最后，计算得到石英砂岩样品的纵波速度

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种岩石超声波速度及品质因子同 时测量系统，如下面的实施例所述。由于岩石超声波速度和品质因子的获取系统解决 问题的原理与岩石超声波速度和品质因子的获取方法相似，因此该系统的实施可以参 见前述方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块” 可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以 软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图6为本发明一实施例的岩石超声波速度及品质因子同时测量系统结构示意图。 如图6所示，该系统包括：

标准信号获取模块11，用于根据一参考样品，通过超声波脉冲透射测量系统获 取参考样品的标准信号，并拾取标准信号的标准起跳时间；

测量信号获取模块12，用于根据一待测岩石样品，通过超声波脉冲透射测量系 统获取待测岩石样品的测量信号，并与标准信号进行相关性分析，根据标准起跳时间 确定测量信号的初始起跳时间；

在本实施例中，超声波脉冲透射测量系统利用的超声波信号包括P波、SV波、 SH波。

时移模块13，用于按照标准起跳时间与初始起跳时间的时差对测量信号进行时 移，获取时移信号；

正演模块14，用于设定待测岩石样品的品质因子初始值及剩余相对时移初始值， 将其作用到标准信号进行正演，得到正演信号；

目标函数建立模块15，用于设定有效时窗，在有效时窗内对比时移信号及正演 信号，建立目标函数；

品质因子最优值及剩余相对时移最优值获取模块16，用于从品质因子初始值及 剩余相对时移初始值开始，利用优化算法搜索目标函数的最小值，根据目标函数的最 小值获取待测岩石样品的品质因子最优值及剩余相对时移最优值；

超声波速度计算模块17，根据初始起跳时间以及剩余相对时移最优值计算获得 待测岩石样品的走时，并根据待测岩石样品的走时计算获得待测岩石样品的超声波速 度。

在本实施例中，图7为本发明一实施例的正演模块的具体结构示意图。如图7 所示，正演模块14包括：

标准频谱获取单元141，用于对标准信号进行傅里叶变换得到其相应的标准频谱；

正演信号频谱获取单元142，其中利用以下公式计算获得正演信号的频谱：

其中，S₄(f)为正演信号的频谱；

G为待测岩石样品相对于参考样品的透射校正系数，利用公式(2)求得；

f为超声波脉冲透射测量系统的测量频率，为已知量；

T₀为超声波测量系统的延迟走时，为已知量；

T₁为标准起跳时间；

T₂为初始起跳时间；

Δτ₀为待测岩石样品的剩余相对时移初始值；

Q₀为待测岩石样品的品质因子初始值；

Q₁为参考样品的品质因子，为已知量；

S₁(f)为标准频谱；

待测岩石样品相对于参考样品的透射校正系数是利用以下公式所得：

$G=\frac{{\rho }_2\frac{L_2}{T_2+\Delta {\tau }_0-T_0}{({\rho }_1{V}_1+Z_0)}^2}{{\rho }_1{V}_1{({\rho }_2\frac{L_2}{T_2+\Delta {\tau }_0-T_0}+Z_0)}^2};---\left(2\right)$

其中，ρ₁为参考样品的密度，为已知量；

ρ₂为待测岩石样品的密度，为已知量；

Z₀为超声波脉冲透射测量系统的探头阻抗，为已知量；

V₁参考样品的超声波速度，为已知量；

L₂为待测岩石样品的长度，为已知量；

正演信号获取单元143，对正演信号的频谱进行傅里叶反变换得到正演信号。

在本实施例中，目标函数建立模块15中，建立目标函数利用的公式如下：

$Y=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[S_3\left(t_i\right)-S_4\left(t_i\right)]}^2;---\left(3\right)$

其中，Y为目标函数；

n为有效时窗内的采样点个数；

S₃(t_i)为时间域时移信号中每个采样点对应的幅值；

S₄(t_i)为时间域正演信号中每个采样点对应的幅值。

在本实施例中，品质因子最优值及剩余相对时移最优值获取模块16中利用的优 化算法包括：模式搜索法、Rosenbrock方法、单纯形搜索法、Powell方法、最速下降 法、牛顿法、共轭梯度法、拟牛顿法、信赖域方法、最小二次法、可行方向法、遗传 算法、蚂蚁算法、模拟退火法以及神经网络法的至少其中之一。

在本实施例中，超声波速度计算模块17中，计算待测岩石样品的走时利用的公 式如下：

${\hat{T}}_2=T_2+\Delta {\tau }_2-T_0;---\left(4\right)$

其中，为待测岩石样品的走时；

Δτ₂为步骤6得到的待测岩石样品的剩余相对时移最优值。

计算待测岩石样品的超声波速度利用的公式如下：

$V_2=L_2/{\hat{T}}_2;---\left(5\right)$

其中，V₂为待测岩石样品的超声波速度；

为公式(4)得到的待测岩石样品的走时数据；

L₂为待测岩石样品的长度，为已知量。

本发明提出的岩石超声波速度及品质因子同时测量方法及系统，与现有技术对这 两个量单独进行测量的方法不同，本发明在时间域有效信号时窗范围内进行分析，能 够同时测量得到岩石样品的超声波速度及品质因子，克服了两者之间的相互作用，还 排除了后续干扰波的影响，可有效地提高测量精度，同时大大提高了实验测量的效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发 明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。