劉 豪，周 靜，杜 霄，楊雨舟

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065）

石油具有不可再生性質(zhì)，勘探難度大，開采率低，隨著石油的不斷開采，要求勘探目標(biāo)更遠(yuǎn)更準(zhǔn)。聲反射成像測井技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對于提高聲波測井技術(shù)的探測范圍和探測準(zhǔn)度尤為重要。這種技術(shù)可以探測井眼附近的相鄰地層構(gòu)造，描述井眼附近的裂縫狀產(chǎn)物，判斷油儲邊界等，探測范圍有數(shù)十米左右。聲反射成像測井中，反射縱波位于縱波和橫波之間，在井旁高角度層界面和裂縫的識別上效果優(yōu)異，但由于其幅度較小，常常被其他模式波所淹沒，用常規(guī)的濾波方法提取較為困難，往往需要后處理。因此，在聲反射成像技術(shù)出現(xiàn)后，前人對波場分離技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。1989 年，Hornby[1]首次將反射波信號從全波列中分離了出來。該實驗所用的全波形聲波采集儀有一個單極發(fā)射器和十二個接收器，發(fā)射器距離第一個接收器3.35 m，接收器之間相距15 cm。他對模擬數(shù)據(jù)和實際測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理，利用速度濾波數(shù)據(jù)生成了一個共中心點（CMP）疊加截面，在CMP 疊加剖面上可以清晰的識別反射縱波和橫波及模式轉(zhuǎn)換的到達(dá)點。1998年，王乃星等[2]首次通過波場分離技術(shù)從全波列中分離出了反射波，并利用地震處理中的橢圓形法計算井外裂縫和反射界面的視傾角，對實際全波列測井記錄實現(xiàn)了井外反射波的成像。目前所采用的波場分離方法主要包括f-k 濾波方法、時間慢度相關(guān)法、Radon 變換法、線性預(yù)測方法、徑向道濾波方法、中值濾波方法等，本文對上述幾種波場分離方法進(jìn)行基本概述，并展望其未來發(fā)展。

1 波場分離方法

1.1 Radon 變換方法

Radon 變換方法是波場分離的常用方法之一，其存在多種形式，例如線性Radon 變換，是將捕獲信號沿一類傾斜線進(jìn)行疊加，此外還有雙曲Radon 變換和拋物Radon 變換，也都是將捕獲的聲波信號沿某一類型雙曲線和拋物線進(jìn)行疊加。通常在共接收陣列中使用Radon 變換，經(jīng)過正變換，聲波數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)換到Radon 域中來。雖然Radon 變換形式多、應(yīng)用廣，但是，Radon 變換采用的是最小二乘算法，一個顯著的缺點就是Radon 域的聚焦不夠明顯，因此，高分辨率Radon變換采用貝葉斯和最大熵原理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)Radon 變換的缺點。2008 年，莊春喜等[3]對線性Radon 變換的算法進(jìn)行了討論，并將線性Radon 技術(shù)應(yīng)用到了現(xiàn)場資料處理中，最終分離出了直達(dá)波、上下行反射波、斯通利波反射波等，不僅對算法進(jìn)行了驗證，也說明了線性Radon 變換方法的有效性。2014 年，李超、岳文正等[4]在前人研究的基礎(chǔ)上，針對兩個問題：井孔滑行波很難徹底消除和有用的反射波會被濾掉，采用了高分辨率Radon 變換來提取反射波，并與f-k 濾波、最小二乘Radon 變換和中值濾波的結(jié)果進(jìn)行比較，得出結(jié)論：高分辨率Radon 變換的提取效果接近于理論波形，比最小二乘Radon 變換的效果好。而相比于常規(guī)的中值濾波方法也有很大優(yōu)勢，證明了其方法的有效性。

1.2 f-k 濾波方法

f-k 濾波方法即頻率-波數(shù)域濾波方法，最早用于地震方面，其采用三維傅里葉變換，從時域中將聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)域。接著通過直達(dá)波和反射波的視速度差異來分離兩種類型的波。f-k 濾波方法在去除噪聲干擾的同時還能夠保證有效振幅。但是頻散效應(yīng)對其有一定的影響。2011 年，王兵、陶果等[5]針對如何有效提取反射波的問題，利用參數(shù)估計法和f-k 濾波法對有限差分模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了反射波提取，并選取某深度點第一個接收器的波形提取結(jié)果進(jìn)行對比說明。對比結(jié)果表明，雖然f-k 濾波結(jié)果較參數(shù)估計法好一點，但直達(dá)波殘留較多，且其幅度大小與反射波幅度大致相同，這樣對于反射信號的提取不利。因此，選擇將小波變換與時間慢度相關(guān)法結(jié)合,可以有效提取反射縱波和反射橫波。

1.3 中值濾波方法

中值濾波法為非線性濾波方法，應(yīng)用廣泛、計算較為簡單。其基本原理是將一組數(shù)據(jù)中某一點相鄰區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序后，取序列的中值作為輸出值。中值濾波的這一特性需要絕對誤差最小才準(zhǔn)確。中值濾波方法因其能夠保護(hù)信號的邊緣，所以對去除聲波數(shù)據(jù)中的噪聲有良好的應(yīng)用效果，而且，算法簡單，易于實現(xiàn)。2003 年，車小花、喬文孝等[6，7]分別通過物理和數(shù)值模擬，對中值濾波波場分離方法進(jìn)行了驗證，其結(jié)果表明，中值濾波方法雖然可行，但對于井眼復(fù)雜的特殊情況不太適用，其很難分離出與井軸平行的反射波。

1.4 時間慢度相關(guān)法

時間慢度相關(guān)法也是較為常用的一種波場分離的方法。它的特點是時域處理，主要應(yīng)用在反射縱橫波和斯通利波的慢度提取方面。其根據(jù)各種聲波的相關(guān)性，通過設(shè)置窗口，從而得到時間和慢度的相關(guān)函數(shù)。前人還將時間慢度相關(guān)法和小波變換的多尺度特性結(jié)合，得到了一種新的方法：多尺度時間慢度相關(guān)法。其數(shù)據(jù)處理可以在時域內(nèi)也可以在頻域內(nèi)，并且可以完美地提取反射縱波，提取效果比單純的時間慢度相關(guān)法更好。2005 年，何峰江[8]提出了多尺度時間慢度相關(guān)法。其對多尺度時間慢度相關(guān)法進(jìn)行了數(shù)值模擬和實際測量的應(yīng)用，結(jié)果表明多尺度時間慢度相關(guān)法的應(yīng)用效果很不錯。2009 年，董經(jīng)利[9]針對單極測井和偶極測井中，利用時間慢度相關(guān)法（STC）得到的橫波時差不同的問題，提出了一種利用勝利測井公司和天津大學(xué)合作研發(fā)的聲波處理軟件來估算二維譜分布的技術(shù)，并采用矩陣、相位等處理方法得到了縱橫波及斯通利波時差。在對實際資料進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，該方法可以進(jìn)行井眼穩(wěn)定性分析、預(yù)測地層孔隙壓力等。2010 年，范宜仁等[10]考慮到反射縱波識別井旁裂縫具有優(yōu)越性，首先介紹了多尺度理論和時間慢度理論，接著利用多尺度時間慢度相關(guān)法對滑行縱橫波之間的反射縱波進(jìn)行了提取處理，結(jié)果表明，該方法提取出的反射縱波趨于完美，并且由于反射縱波為小信號的原因，所以該方法也不失成為提取小信號有效方法。2011 年，孫鋒[11]針對聲反射成像測井?dāng)?shù)據(jù)處理未從測井業(yè)內(nèi)專業(yè)角度出發(fā)的問題，討論了各種聲數(shù)據(jù)處理方法，包括利用時間慢度相關(guān)法進(jìn)行單極縱橫波、斯通利波的慢度提取、利用九點中值濾波進(jìn)行反射縱波的提取以及利用Radon 變換進(jìn)行上下行波分離的方法。2016 年，宮昊[12]針對反射波信號的信噪比過小等問題，優(yōu)化改進(jìn)了線性預(yù)測方法，并采用時間慢度相關(guān)法對直達(dá)波進(jìn)行了估計并剔除。將線性預(yù)測方法和時間慢度相關(guān)法進(jìn)行了結(jié)合后對直達(dá)波某油田實際數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了處理，結(jié)果表明，井中彎曲波被大大壓制，進(jìn)而說明這種結(jié)合的方法有效實用。

1.5 其他方法

2009 年，X.M.Tang 等[13]首次將波場分離技術(shù)應(yīng)用于陣列數(shù)據(jù)，根據(jù)直達(dá)波和反射波兩者不同的輻射特性，從全波列中減去估計的直達(dá)波，實現(xiàn)了反射波的提取處理，并進(jìn)一步地分離了上下行反射波，接著通過沿陣列疊加對反射波數(shù)據(jù)進(jìn)行了疊加，使常規(guī)陣列聲波測井成像近鉆孔地質(zhì)構(gòu)造成為了可能。該波場分離方法不僅顯著的改善了聲反射成像結(jié)果的質(zhì)量，而且可以應(yīng)用于隨鉆測井中，在鉆頭前獲取聲波圖像。2008年，仵燕[14]討論了徑向道濾波方法與參數(shù)估計法兩種波場分離技術(shù)。前者根據(jù)模式波和反射波的時距曲線差異來壓制模式波；后者基于反射波的慢度差異來提取反射波。仵燕還對兩種方法進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，徑向道濾波方法效果不及參數(shù)估計法。2010 年，魏周拓、陳雪蓮等[15]基于線性預(yù)測的波場分離技術(shù)提出了一種適用于陣列測井獲取反射波的方法，并對實際資料進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，結(jié)果表明該方法既實用又有效。2017 年，Asma Hadjadj 等[16]提出了將一種基于Hough 變換的新方法用于垂直地震剖面（VSP），新方法基于灰度Hough 變換（GSHT）濾波程序，是傳統(tǒng)的Hough 變換用于直線和其他類型曲線的擴(kuò)展。這種新的方法與中值濾波方法相比，即使在噪聲很大的情況下，也可以很好的進(jìn)行波分離，并改善信噪比和保持振幅，但如何將GSHT 應(yīng)用到地面地震濾波仍需要進(jìn)一步研究。2019 年，Woodon Jeong 等[17]針對傳統(tǒng)波場分離方法存在大量剩余能量或串?dāng)_的問題，提出了一種利用信號和噪聲正交化的濾波方法來減少縱橫波分離過程中不必要的偽信號，該方法效率高，精度高。并以合成數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)為例，結(jié)合正交化濾波，說明了其在彈性全波形反演中的應(yīng)用，并試圖將其應(yīng)用于模式轉(zhuǎn)換波之間的干擾噪聲處理。

2 結(jié)論

（1）國內(nèi)現(xiàn)存的幾種波場分離方法中，f-k 濾波方法在去除噪聲干擾的同時能夠保證有效振幅，但頻散效應(yīng)對其有影響，而且濾波后存在較多的直達(dá)波；中值濾波法計算簡單，但僅適用于去除噪聲，在反射波的分離上不太適用；高分辨率Radon 變換和基于小波變換或線性預(yù)測法的時間慢度相關(guān)法在反射縱波的提取上效果優(yōu)異，是目前國內(nèi)的最新技術(shù)。國外的GSHT 濾波程序和利用信號與噪聲正交化的濾波方法對去除噪聲十分有利，可以借鑒。

（2）波場分離技術(shù)在聲反射成像測井中處于關(guān)鍵地位。但國內(nèi)的各種波場分離方法均存在一定的缺點，對小信號的提取不是特別精確，因此，需要進(jìn)一步研究更為優(yōu)異的方法或者將多種方法結(jié)合起來進(jìn)行應(yīng)用。目前國內(nèi)的最新技術(shù)有兩種，一種是高分辨率Radon 變換，另一種是將時間慢度相關(guān)法與小波變換或者線性預(yù)測法綜合起來進(jìn)行應(yīng)用，在反射波的提取方面均起到了不錯的應(yīng)用效果，但尚未有人綜合考慮兩種方法。

（3）聲反射成像測井的發(fā)展，對波場分離方法提出了更高的要求。目前聲反射成像測井大多采用單極子或偶極子聲源，但單極子聲源無方位識別能力，偶極子聲源有180°的方位不確定性，隨著聲源的不斷完善，波場分離技術(shù)也會不斷更新。目前所知的新型聲源是等離子體沖激聲源，其幅度大、頻帶寬，可適用于聲反射成像測井中，這種新型聲源將帶動波場分離技術(shù)的更新與完善。