張 偉，師奕兵，劉西恩，仇 傲，康師源

(1. 電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 611731；2. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 北京 通州區(qū) 101149)

·自動(dòng)化技術(shù)·

隨鉆聲波井下時(shí)差實(shí)時(shí)提取算法研究與應(yīng)用

張 偉1，師奕兵1，劉西恩2，仇 傲2，康師源1

(1. 電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 611731；2. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 北京 通州區(qū) 101149)

隨鉆聲波測(cè)井儀能夠伴隨鉆井作業(yè)，在泥漿侵入地層之前或侵入很淺時(shí)采集聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。然而目前在用的泥漿脈沖傳輸方式傳輸速率極低，井下儀器和地面系統(tǒng)之間只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的通信交互，大量聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)上傳到地面系統(tǒng)，從而導(dǎo)致地面人員不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)狀況。針對(duì)這一問(wèn)題，該文將時(shí)差提取算法集成到井下電路系統(tǒng)中，在井下實(shí)現(xiàn)從聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中實(shí)時(shí)提取反映地層狀況的時(shí)差信息，并將此時(shí)差處理結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到地面系統(tǒng)，地面作業(yè)人員則能夠通過(guò)時(shí)差信息來(lái)實(shí)時(shí)了解地層狀況，從而指導(dǎo)鉆井作業(yè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠在井下電路中高效運(yùn)行，且計(jì)算速度快、實(shí)時(shí)處理性能優(yōu)異、時(shí)差提取精度高，完全滿足隨鉆聲波測(cè)井儀實(shí)際工作的需求。

隨鉆聲波測(cè)井儀; 井下電路系統(tǒng); 泥漿脈沖傳輸; 實(shí)時(shí)處理; 時(shí)差提取算法

時(shí)差是聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中包含的重要地層信息，是反應(yīng)地層特性的關(guān)鍵參數(shù)，由于聲波在不同特性的地層中傳播速度不同，相應(yīng)的時(shí)差也會(huì)不同。這一特性使得時(shí)差在劃分地層、判斷氣層以及估算地層孔隙度等方面有著重要的作用[1-3]。

傳統(tǒng)的電纜測(cè)井方法是在地面利用高性能計(jì)算機(jī)從大量實(shí)時(shí)傳送的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中計(jì)算時(shí)差參數(shù)。然而采用的隨鉆聲波泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率一般在3～5 bit/s[4-5]，只能完成命令收發(fā)等簡(jiǎn)單交互通信，無(wú)法滿足大量隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，從而導(dǎo)致地面人員不能實(shí)時(shí)獲取地層信息。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文首先給出一種高效的井下時(shí)差提取算法，該算法對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行時(shí)域相關(guān)處理，能夠同時(shí)準(zhǔn)確提取地層縱波、橫波以及斯通利波的時(shí)差，克服了傳統(tǒng)振幅比值法，短長(zhǎng)窗能量比法等由于僅僅依靠首波到時(shí)檢測(cè)來(lái)提取時(shí)差，容易受噪聲尖峰干擾而出現(xiàn)偏差的缺點(diǎn)。然后將該時(shí)差提取算法集成到隨鉆聲波測(cè)井儀井下電路系統(tǒng)中，在井下實(shí)現(xiàn)從大量測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中實(shí)時(shí)提取時(shí)差信息并上傳到地面系統(tǒng)，從而使地面作業(yè)人員能夠?qū)崟r(shí)跟蹤地層信息狀況，指導(dǎo)鉆井作業(yè)。

1 井下時(shí)差提取算法原理

1.1 算法概述

隨鉆聲波測(cè)井儀井下發(fā)射換能器在高壓脈沖的激勵(lì)下產(chǎn)生特定頻率的聲波信號(hào)，使其按照特定角度入射到待測(cè)地層，從而激勵(lì)出地層波，該地層波在地層中傳播一定時(shí)間再次經(jīng)過(guò)折射由接收換能器接收[6-7]，其基本原理如圖1所示。其中，地層波到達(dá)兩個(gè)接收換能器所用時(shí)間的差值即為時(shí)差。

圖1 隨鉆聲波測(cè)井儀測(cè)井原理

由于聲波在不同特性的地層中傳播速度不同，相應(yīng)的時(shí)差也會(huì)不同。如在砂泥巖性的地層中泥巖的時(shí)差較大而砂巖的時(shí)差較小，氣層的時(shí)差比含油含水地層的時(shí)差大得多，孔隙性和裂縫性的石灰?guī)r時(shí)差比致密石灰?guī)r的時(shí)差要大。因而時(shí)差是反應(yīng)地層特性的關(guān)鍵參數(shù)。然而在隨鉆聲波實(shí)際測(cè)井過(guò)程中，利用現(xiàn)有的泥漿脈沖傳輸技術(shù)不可能把采集到的大量聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面系統(tǒng)。針對(duì)這一問(wèn)題，在井下電路系統(tǒng)中設(shè)計(jì)時(shí)差提取功能，只將數(shù)據(jù)量極小的時(shí)差處理結(jié)果上傳到地面系統(tǒng)是比較可行的辦法。

本文采用慢度?時(shí)間相關(guān)法(slowness-time coherence，STC)進(jìn)行時(shí)差計(jì)算。所謂慢度就是時(shí)差與接收換能器間距的商值，時(shí)差和儀器本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，而慢度值在反映客觀地層信息時(shí)顯得更加直觀[8]。STC算法的基本原理如下：在一組聲波信號(hào)的不同位置加設(shè)時(shí)間窗，時(shí)間窗加設(shè)位置的選擇由第一個(gè)接收換能器的聲波到時(shí)和慢度值決定。這里的聲波到時(shí)和慢度值均為可能值，即假定聲波到時(shí)和慢度值可能出現(xiàn)的取值范圍中的一組值。對(duì)于所有可能的聲波到時(shí)和慢度值，算法通過(guò)相關(guān)函數(shù)對(duì)時(shí)間窗內(nèi)的聲波信號(hào)的相似程度進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果為相關(guān)系數(shù)，數(shù)值在0～1之間，越接近1說(shuō)明該時(shí)窗內(nèi)聲波信號(hào)越相似，此時(shí)的聲波到時(shí)和慢度值就越接近實(shí)際情況。

1.2 相關(guān)函數(shù)分析

相關(guān)函數(shù)計(jì)算公式為：

式中，ρ(τ,s)為相關(guān)系數(shù)，其數(shù)值大小反映相似程度；N為接收裝置數(shù)量；fn(t)為第n個(gè)接收換能器接收到的聲波數(shù)據(jù)，1≤n≤N；zn為第n個(gè)接收換能器到發(fā)射換能器的距離，當(dāng)n為1時(shí)z1為源距(發(fā)射換能器與第1個(gè)接收換能器之間的距離)；TW為選用的時(shí)間窗寬度[9]。通過(guò)相關(guān)函數(shù)可以判斷聲波信號(hào)中到時(shí)為τ和慢度為s的成分波是否存在。相關(guān)系數(shù)的值在0～1之間，只有在N道聲波信號(hào)完全一致的情況下相關(guān)系數(shù)才會(huì)等于1，如果假定的慢度和聲波到時(shí)與實(shí)際聲波的慢度和到時(shí)不一致，相關(guān)系數(shù)則會(huì)是一個(gè)較小的值。對(duì)于聲波信號(hào)中的不同成分波，在各自對(duì)應(yīng)的聲波到時(shí)和時(shí)差區(qū)域內(nèi)都會(huì)有一個(gè)相關(guān)系數(shù)的局部極大值。相關(guān)函數(shù)分析的具體計(jì)算過(guò)程如圖2所示。

從圖2可以看出，相關(guān)函數(shù)計(jì)算步驟如下：

1) 在第1道波形的當(dāng)前起始時(shí)間τ_min處加設(shè)時(shí)間窗，時(shí)間窗寬度為TW，第2～第4道波形加窗位置依次后移s_min?(zn?z1)，其中s_min為處理起始慢度，zn?z1為第n個(gè)接收換能器和第1個(gè)接收換能器的間距，兩者的乘積即為當(dāng)前的時(shí)差值，然后通過(guò)公式計(jì)算出此時(shí)4道波形的相關(guān)系數(shù)；

2) 第1道波形的時(shí)窗位置不變，后3道波形的加窗位置再次后移s_step?(zn?z1)，s_step為慢度步長(zhǎng)，計(jì)算出此時(shí)的相關(guān)系數(shù)并令s=s+s_step，然后重復(fù)本步驟直到s的值等于處理終止慢度s_max，重復(fù)次數(shù)為：

3) 將第1道波形加窗位置后移τ_step，τ_step為時(shí)間窗步長(zhǎng)，重復(fù)步驟1)和步驟2)，完成后令然后重復(fù)本步驟直到τ值等于處理終止時(shí)間τ_max，重復(fù)次數(shù)為：

圖2 相關(guān)函數(shù)計(jì)算過(guò)程

圖3 某型聲波測(cè)井儀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理結(jié)果

以聲波到時(shí)和慢度為變量的相關(guān)函數(shù)是后續(xù)處理的基礎(chǔ)，通過(guò)相關(guān)函數(shù)能得到所有可能的到時(shí)和慢度取值范圍內(nèi)的一條聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的信息，這些信息一般通過(guò)一個(gè)以聲波到時(shí)和慢度為坐標(biāo)的等值圖表現(xiàn)，各成分波的慢度值和到達(dá)時(shí)間就是等值圖中峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)。圖3所示即為某型聲波測(cè)井儀器在3 000 m裸眼井段測(cè)得波形數(shù)據(jù)處理后的等值圖，從圖中能輕易地分析出縱波、橫波以及斯通利波的到時(shí)和慢度信息。除等值圖外也常用色彩深度圖來(lái)生動(dòng)顯示處理結(jié)果。

1.3 尋峰方法分析

在實(shí)際測(cè)井過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生成千上萬(wàn)條測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)每一條數(shù)據(jù)都通過(guò)畫等值圖進(jìn)行分析是不切實(shí)際的[10]。因此有必要對(duì)相關(guān)函數(shù)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)量進(jìn)行縮減，為此采用“尋峰”方法尋出相關(guān)函數(shù)的處理結(jié)果中的慢度峰值，即聲波信號(hào)的實(shí)際慢度值，然后用慢度隨測(cè)井深度變化的圖像來(lái)描繪整個(gè)測(cè)井結(jié)果。尋峰，顧名思義就是尋找相關(guān)系數(shù)中的峰值，尋峰方法有兩個(gè)特征：1) 尋峰的范圍為慢度?時(shí)間平面上一個(gè)預(yù)先設(shè)定的區(qū)域；2) 尋峰方法中對(duì)于“峰值”的定義與眾不同。

圖4 慢度?時(shí)間平面上的尋峰范圍

如圖4所示，尋峰的范圍為慢度?時(shí)間平面上的一個(gè)平行四邊形。與此對(duì)應(yīng)，相關(guān)函數(shù)也只對(duì)該區(qū)域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通常情況下，尋峰范圍對(duì)應(yīng)的慢度值定為100～800 μs/m，聲波到時(shí)的范圍下限一般從0開始，上限為：

理論上，假如某地層的縱波時(shí)差為s，源距為z1，那么縱波應(yīng)為兩者之積。然而，只有在地層均勻的情況下地層時(shí)差值才是一個(gè)定值，也只有此時(shí)式(1)成立。因此由式(2)在慢度?時(shí)間平面上確定的某條直線周圍才有可能存在真實(shí)聲波到時(shí)，這片區(qū)域也是尋峰的搜索范圍。在隨鉆聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)差提取過(guò)程中，尋峰的搜索范圍不確定，對(duì)于地層縱波，到時(shí)的搜索范圍上限一般設(shè)置在1 800～2 000 μs之間。

尋峰方法的關(guān)鍵在于定義何為“峰值”。最簡(jiǎn)單也最顯而易見的標(biāo)準(zhǔn)就是在慢度?時(shí)間上的尋峰范圍內(nèi)存在一點(diǎn)(τ ,s)，相關(guān)系數(shù)在該點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)的縱坐標(biāo)值s即所求峰值。然而，這種定義并不完善，因?yàn)槁暡ㄐ盘?hào)中包含縱波、橫波以及斯通利波等多種成分波，該定義顯然只能找到其中一種成分波的峰值，所以針對(duì)各種成分波，需要分別處理。

實(shí)際處理時(shí)，峰值點(diǎn)必須滿足兩個(gè)條件：1) 相關(guān)函數(shù)在該點(diǎn)的值超過(guò)了設(shè)定的閾值；2) 相關(guān)函數(shù)在該點(diǎn)的值超過(guò)了以該點(diǎn)為中心的矩形區(qū)域內(nèi)所有其他點(diǎn)的值。

1.4 算法流程

井下時(shí)差提取算法的執(zhí)行流程如圖5所示，首先根據(jù)實(shí)際井況設(shè)置波形參數(shù)和處理參數(shù)；再加載采集到的攜帶地層信息的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)；然后根據(jù)濾波、控制參數(shù)等設(shè)置，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，從而計(jì)算出井下時(shí)差，并存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果。

圖5 井下時(shí)差提取算法實(shí)現(xiàn)流程

井下時(shí)差提取算法中涉及兩類參數(shù)：一類為與測(cè)井波形數(shù)據(jù)有關(guān)的波形參數(shù)，這類參數(shù)是基本不會(huì)改變的恒定值，在時(shí)差提取過(guò)程中不可更改；另一類為處理參數(shù)，這類參數(shù)與后續(xù)的數(shù)字濾波、時(shí)差提取操作緊密相關(guān)，參數(shù)變化對(duì)算法結(jié)果影響較大，需要根據(jù)不同地層情況進(jìn)行設(shè)置。

波形參數(shù)包括：波形道數(shù)、每道波形點(diǎn)數(shù)、采樣時(shí)間間隔、源距以及接收器間距。波形道數(shù)、源距以及接收器間距與儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，在儀器設(shè)計(jì)成型后就已經(jīng)確定，而每道波形點(diǎn)數(shù)和采樣時(shí)間間隔一般也不會(huì)修改，因此波形參數(shù)是基本恒定的參數(shù)。

處理參數(shù)較之波形參數(shù)包含更多的內(nèi)容，主要涉及以下4個(gè)方面：

1) 處理時(shí)窗設(shè)置，包括處理起始時(shí)間、處理終止時(shí)間、處理時(shí)窗長(zhǎng)度以及處理時(shí)窗步長(zhǎng)；2) 處理慢度(時(shí)差的倒數(shù))設(shè)置，包括處理起始慢度、處理終止慢度以及處理慢度步長(zhǎng)；3) 濾波參數(shù)設(shè)置，包括截止頻率、濾波器階數(shù)以及濾波窗選擇；4) 地層參數(shù)設(shè)置，包括地層提取模式和地層類型。

時(shí)窗和慢度的設(shè)置主要用來(lái)確定時(shí)窗的加設(shè)位置以及時(shí)窗的移動(dòng)方式，為后續(xù)的波形相關(guān)處理和尋峰處理預(yù)先設(shè)定一個(gè)范圍。本文算法采用FIR濾波器進(jìn)行濾波處理，根據(jù)參數(shù)可以選擇截止頻率、濾波階數(shù)以及窗函數(shù)。地層提取模式和地層類型確定本次提取的模式波為縱波、橫波、斯通利波，是快地層還是慢地層。處理參數(shù)設(shè)置完成后，需要對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行合理性控制，控制的目的是保證上述所有參數(shù)處于合理范圍，對(duì)于處理起始時(shí)間/處理終止時(shí)間和處理起始慢度/處理終止慢度兩對(duì)參數(shù)，還需保證起始值小于終止值。

在預(yù)設(shè)置好各種參數(shù)后，接下來(lái)進(jìn)行最為核心的時(shí)差提取操作，其基本原理描述如下。首先在一組聲波信號(hào)的不同位置加設(shè)時(shí)間窗，時(shí)間窗加設(shè)位置的選擇由兩個(gè)參數(shù)決定：第一個(gè)接收換能器的聲波到時(shí)以及慢度值。這里的聲波到時(shí)和慢度值均為一個(gè)可能出現(xiàn)的估計(jì)值，即假定聲波到時(shí)和慢度值可能出現(xiàn)的取值范圍中的一組值。對(duì)于所有可能的聲波到時(shí)和慢度值，算法通過(guò)相關(guān)函數(shù)對(duì)時(shí)間窗內(nèi)的聲波信號(hào)的相似程度進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果為聲波信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，其取值范圍在0～1之間，結(jié)果越接近1說(shuō)明該時(shí)間窗內(nèi)聲波信號(hào)越相似，此時(shí)的聲波到時(shí)和慢度值就越接近實(shí)際情況[11]。通過(guò)相關(guān)函數(shù)分析，每次計(jì)算得到的為單點(diǎn)時(shí)差處理結(jié)果，這時(shí)只要進(jìn)一步將該次測(cè)井過(guò)程的所有單點(diǎn)時(shí)差結(jié)果進(jìn)行尋峰處理，就能夠獲得本次測(cè)井的井段時(shí)差。

2 時(shí)差提取算法在井下電路系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

時(shí)差算法需要集成到井下電路系統(tǒng)，以達(dá)到時(shí)差信息實(shí)時(shí)提取的目的。本文設(shè)計(jì)的井下電路系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示[12]。

井下電路系統(tǒng)的核心處理芯片選用TI公司的一款高性能32位浮點(diǎn)型處理器TMS320F28335，它集成了符合IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)的單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，擁有改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)。該芯片擁有34k×16 bit的RAM空間，片上自帶256k×16 bit的FLASH空間，并帶有一個(gè)16 bit和32 bit可選的可擴(kuò)展接口，尋址范圍達(dá)2 M以上。

圖6 隨鉆聲波測(cè)井儀井下電路實(shí)物圖

在DSP處理器中的實(shí)現(xiàn)時(shí)差提取算法，主要面臨兩個(gè)問(wèn)題：1) 算法執(zhí)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的中間變量，需要較大的內(nèi)存空間；2) 算法計(jì)算量大，計(jì)算過(guò)程較為繁復(fù)，而井下儀器留給算法的處理時(shí)間并不多，時(shí)差提取算法運(yùn)算時(shí)間限制在300 ms以內(nèi)，因此需要提高算法執(zhí)行效率，縮減算法處理時(shí)間。

2.1 內(nèi)存環(huán)境設(shè)計(jì)

聲波時(shí)差提取算法執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的中間變量以及計(jì)算參數(shù)，需要占據(jù)大塊的內(nèi)存空間，但是井下系統(tǒng)處理器片上內(nèi)存空間十分有限，為了解決內(nèi)存不足的問(wèn)題，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)利用Xintf (External Interface)接口，為系統(tǒng)處理器添加了1 Mb的外擴(kuò)RAM。Xintf采用異步數(shù)據(jù)傳輸方式，由20根地址線、32根數(shù)據(jù)線和3根片選信號(hào)線組成。片選信號(hào)線對(duì)應(yīng)3個(gè)外擴(kuò)區(qū)域Zone0、Zone6、Zone7。本文設(shè)計(jì)中使用的外擴(kuò)區(qū)域?yàn)閆one7，地址范圍從0x20 000～0x30 000。外擴(kuò)RAM選用的是ISSI公司的存儲(chǔ)芯片IS64WV102416BLL，其片選信號(hào)由F28335的片選信號(hào)XZCS7產(chǎn)生，20位的地址線和16位的數(shù)據(jù)線分別連到F28335的地址總線和數(shù)據(jù)總線，讀寫使能信號(hào)由F28335的讀寫使能端產(chǎn)生。

在內(nèi)存空間的硬件環(huán)境搭建后，首先通過(guò)編輯CMD文件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的聲明和分配，再通過(guò)TI公司提供的專用函數(shù)DATA_SECTION實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)搬移工作，實(shí)現(xiàn)方式如下：

#pragma

DATA_SECTION(Variable,”Data_Section”);

其中，“pragma”為預(yù)處理指令；“Variable”為需要重新定位地址的變量；“Data_Section”為指定的段，該段需在CMD文件中有定義。

2.2 時(shí)差提取算法的執(zhí)行效率優(yōu)化

在DSP處理器的不同內(nèi)存單元中，代碼的執(zhí)行速度各不相同，數(shù)據(jù)和程序的讀寫都有不同的等待周期，這些等待周期的長(zhǎng)短決定了該區(qū)域內(nèi)代碼的執(zhí)行效率。CPU訪問(wèn)RAM中數(shù)據(jù)時(shí)，讀寫速度較快，而訪問(wèn)FLASH數(shù)據(jù)時(shí)，則讀寫速度相對(duì)較慢。在隨鉆聲波測(cè)井儀井下電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，程序固化在片上FLASH中，以便掉電后，程序不會(huì)丟失。為提高算法執(zhí)行效率，選擇上電后，將提取算法中的幾個(gè)計(jì)算量比較大，訪問(wèn)頻繁的關(guān)鍵函數(shù)搬移到片上RAM中運(yùn)行，以提高代碼的執(zhí)行速度[13]。

假如算法代碼位于FLASHA中，要將其搬移到RAML1中，則需要在CMD文件的內(nèi)存分配部分添加如下語(yǔ)句：

Ramfuncs: LOAD=FLASHA,

RUN=RAML1,

AD_START(_RamfuncsLoadStart),

LOAD_END(RamfuncsLoadEnd),

RUN_START(RamfuncsRunStart),

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在SECTION中定義了一個(gè)段，名為Ramfuncs，該段特定用來(lái)存儲(chǔ)需要搬移到RAM內(nèi)運(yùn)行的程序，在該段內(nèi)的代碼裝載在FLASHA中，首地址為RamfuncsLoadStart，末地址為RamfuncsLoadEnd，搬移后代碼在RAML1中運(yùn)行，運(yùn)行的首地址為RamfuncsRunStart。在DSP處理器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不會(huì)自動(dòng)將FLASHA中代碼搬移到RAML1中運(yùn)行，需要使用MemCopy函數(shù)完成搬移操作，該函數(shù)原型為MemCopy(&RamfuncsLoadStart,&RamfuncsLoadEnd, &RamfuncsRunStart)。

通過(guò)執(zhí)行上述函數(shù)，F(xiàn)LASHA中地址從RamfuncsLoadStart到RamfuncsLoadEnd的代碼被搬移到了RAML1中起始地址為RamfuncsRunStart的空間中運(yùn)行。通過(guò)實(shí)際測(cè)試對(duì)比，算法在FLASH中運(yùn)行時(shí)間約為380 ms，搬移到RAM中運(yùn)行時(shí)間則為230 ms，運(yùn)行時(shí)間縮減了約39.5%，滿足系統(tǒng)要求。

3 實(shí)例與分析

隨鉆聲波測(cè)井儀在中海油服新疆庫(kù)爾勒基地KY-12井進(jìn)行實(shí)際測(cè)井實(shí)驗(yàn)，圖7為Drilling模式下單點(diǎn)的地層縱波和橫波的時(shí)差提取結(jié)果，包括濾波后的波列圖、頻譜圖、時(shí)間慢度圖和相關(guān)系數(shù)圖(其中，頻譜圖的橫坐標(biāo)做了歸一化處理)。

圖8為深度從1 600～1 850 m井段Drilling模式的處理結(jié)果。其中，第1道為深度道；第2道為原始波形曲線；第3道為主頻在10～15 kHz濾波后全波列曲線；第4、5道為縱波和橫波相關(guān)系數(shù)投影灰度圖；第6道為主頻在2～6 kHz濾波后全波列曲線；第7道為斯通利波相關(guān)系數(shù)投影灰度圖；第8道為縱波、橫波和斯通利波慢度曲線。

圖7 Drilling模式下縱波、橫波時(shí)差提取結(jié)果

圖8 Drilling模式測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理結(jié)果

在每次下井測(cè)試前，首先根據(jù)當(dāng)前油氣井地層的大致情況設(shè)定時(shí)差提取范圍，并且需要針對(duì)每一種成分波分別設(shè)定，科學(xué)設(shè)置波形參數(shù)和處理參數(shù)是精確提取時(shí)差信息的第一步。由于新疆KY-12井地層為軟地層，時(shí)差值較硬地層更大，故縱波時(shí)差范圍設(shè)定為50～153 μs/ft，橫波時(shí)差范圍設(shè)定為80～183 μs/ft，斯通利波時(shí)差范圍設(shè)定為150～301 μs/ft。與此同時(shí)，由于時(shí)差提取算法運(yùn)行過(guò)程中，處理參數(shù)的選擇對(duì)時(shí)差提取結(jié)果影響很大，因此根據(jù)不同測(cè)井地層的具體特性需要對(duì)處理時(shí)窗、慢度時(shí)窗、濾波參數(shù)等進(jìn)行合理設(shè)定，這都依賴于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井操作工程師的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)判斷。

本文時(shí)間提取算法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為TI公司的32位浮點(diǎn)型處理器TMS320F28335，其數(shù)據(jù)處理精確能夠達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后6位，那么即使聲波時(shí)差提取算法中涉及大量的乘法、除法、平方、開方等復(fù)雜運(yùn)算，DSP處理器帶來(lái)的計(jì)算誤差也會(huì)嚴(yán)格控制在很小的范圍內(nèi)，這就為提高聲波時(shí)差提取精度提供了很好的硬件運(yùn)算處理平臺(tái)。從實(shí)際處理結(jié)果看，3種模式波的慢度值曲線較為清晰，慢度值變化不大，說(shuō)明測(cè)量范圍內(nèi)的整個(gè)地層特性變化不大，也證明了時(shí)差提取算法在井下電路中運(yùn)行良好，能很好地完成時(shí)差提取工作。通過(guò)進(jìn)一步分析計(jì)算，可以得到縱波時(shí)差平均絕對(duì)誤差為2.16 μs/ft，平均相對(duì)誤差為1.82%；橫波時(shí)差平均絕對(duì)誤差為7.78 μs/ft，平均相對(duì)誤差為3.68%；斯通利波時(shí)差平均絕對(duì)誤差為12.84 μs/ft，平均相對(duì)誤差為5.98%。無(wú)論對(duì)于哪種模式波，該方法計(jì)算的聲波時(shí)差與傳統(tǒng)地面軟件計(jì)算的聲波時(shí)差平均相對(duì)誤差都控制在5%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)解釋精度要求。更為重要的是，該算法能夠在井下儀器中高效運(yùn)行，實(shí)時(shí)提取的聲波時(shí)差值可以實(shí)時(shí)上傳到地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)隨即繪制出隨深度變化的慢度值曲線，供地面作業(yè)人員實(shí)時(shí)跟蹤地層信息狀況，指導(dǎo)井下鉆井作業(yè)。實(shí)際作業(yè)情況表明，該算法時(shí)差提取精度高、計(jì)算速度快、實(shí)時(shí)性能優(yōu)異，完全滿足隨鉆聲波測(cè)井儀實(shí)際工作的需求。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)實(shí)際隨鉆測(cè)井作業(yè)的需要，提出了一種隨鉆聲波井下時(shí)差實(shí)時(shí)提取算法，該算法通過(guò)相關(guān)函數(shù)計(jì)算提取出單點(diǎn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中各成分波的時(shí)差信息，利用尋峰處理得到作業(yè)井段時(shí)差信息。然后通過(guò)內(nèi)存設(shè)計(jì)、優(yōu)化關(guān)鍵函數(shù)執(zhí)行效率，確保了算法在井下電路系統(tǒng)中實(shí)時(shí)高效的運(yùn)行。實(shí)際測(cè)井結(jié)果表明，該算法能正確提取聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中的地層時(shí)差信息，實(shí)時(shí)上傳時(shí)差處理數(shù)據(jù)，從而使得地面作業(yè)人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)，及時(shí)跟蹤地層變化狀況，科學(xué)指導(dǎo)井下鉆井作業(yè)。

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編輯漆 蓉

Research and Application of Down-Hole Time-Difference Extraction Algorithm for Acoustic Logging-While-Drilling

ZHANG Wei1, SHI Yi-bing1, LIU Xi-en2, QIU Ao2, and KANG SHI-yuan1
(1. School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731; 2. Well Tech of China Oilfield Services Limited Tongzhou Beijing 101149)

Acoustic logging-while-drilling tool is capable of collecting of acoustic logging data while drilling work processes at the same time. Moreover, the logging data were acquired when the formation was not contaminated by mud. However, mud pulse transmission has an extremely low transmission rate and only simple interactive communications can be realized between surface and down-hole tool, a large amount of logging data cannot be uploaded to the surface, so that logging personnel is not able to monitor geological condition in real time. To solve this problem, this paper embeds a time-difference extraction algorithm into the down-hole circuit system, the time-difference data which reflects formation information can be extracted from acoustic logging data in the down-hole tool. So that the processing result can be real-time uploaded to the surface, thus logging personnel can analyze the formation condition through time-difference data and consequently guide the drilling work. It is shown by experiment that the algorithm can run efficiently in the down-hole circuit and demonstrate the excellent performance of high accuracy, which meets the practical working requirements of acoustic logging-while-drilling tool.

acoustic logging-while-drilling tool; downhole circuit system; mud pulse transmission; real-time processing; time-difference extraction algorithm

TP391.4

A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2015.04.014

2014 ? 06 ? 16；

2015 ? 03 ? 11

基本項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61201131)；國(guó)家863項(xiàng)目重大專項(xiàng)(2011AA090101)；“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05020-005)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(ZYGX2012J092)

張偉(1979 ? )，男，博士，副教授，主要從事聲波測(cè)井技術(shù)、微弱信號(hào)檢測(cè)、高精度信號(hào)采集與處理等方面的研究.