Способ акустического каротажа
Изобретение относится к геофизическим методам исследования скважин и может быть использовано для решения задачи эффективного вьщеления полезного сигнала на фоне помех в широком динамическом диапазоне регистрации . Способ может быть также применен в сейсморазведке с использованием невзрывных источников колебаний. Цель изобретения - увеличение отношения сигнал/шум путем подавления корреляционных шумов. Цель достигается модуляцией зондируюЕЦ-ix акустических импульсов в пределах не менее трех периодов бинарной псевдослучайной периодической М-последовательностью с последуюшкм дополнительным возбуждением в исследуемой среде последовательности акустических импульсов с нулевой начальной фазой через временной интервал, не меньший периода М-последовательности. При этом длительность возбуждаемор: последовательности равна не менее, чем двум периодам модулирующей М-последовательности . Амплитуда акустических импульсов равна амплитуде зондирую- mjix сигналов, а частота следования акустических импульсов равна частоте следования импульсов в М-последовательности. Затем осуществляют преобразование принятых дополнительно возбужденных сигналов в цифровой код и суммирование с результатом корреляционной обработки сигналов предше- cтвyюш x посьшок. 4 ил. 2 1 О) со 4 00
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (51) 4 С 01 V 1/40
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4219629/24-25 (22) 01.04.87 (46) 30.03.89. Бюл. Р 12 (71) Нижне-Волжский научно-исследовательский институт геологии и геофизики (72) M.Ò,ÀáäóëâàëèåB, Ю,M.Áoëû÷åBñêèé и Н.П.Сыэранцева (53) 550.83(088.8) (56) Ивакин Б.Н. и др. Акустический метод исследования скважин, Г1.:
Недра, 1978, с, 142-144.
Авторское свидетельство СССР
Ф 416651, кл, Г 01 V 1/40, 1974.
Авторское свидетельство СССР
N - 890320, кл. G Oi V 1/40, 1981. (54) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАНА (57) Изобретение относится к геофизическим методам исследования скважин и может быть использовано для решения задачи эффективного выделения полезного сигнала на фоне помех в широком динамическом диапазоне регистрации. Способ может быть также применен в сейсморазведке с использованием невзрывных источников колебаний..1
Изобретение относится к геофизическим методам исследования скважи((, в частности к способам акустического каротажа, кроме того, его можно использовать в геофизической разведке, в частности в сейсморазведке с невзрывными источниками колебаний.
Цель изобретения — увеличение отношения сигнал/шум путем подавления корреляционных шумов.
Цель изобретения — увеличение отношения сигнал/шум путем подавления корреляционных шумов, Цель достигается модуляцией зондирующих акустических импульсов в пределах не менее трех периодов бинарной псевдослучайной периодической Г1-последовательностью с последующим дополнительным возбуждением в исследуемой среде последовательности акустических импульсов с нулевой начальной фазой через временной интервал, не меньший периода И-последовательности. При этом длительность возбуждаемой последовательности равна не менее, чем двум периодам модулирующей Г1-последовательности. Амплитуда акустических импульсов равна амплитуде зондирующих сигналов, а частота следования акустических импульсов равна частоте следования импульсов в Г1-последовательности, Затем осуществляют преобразование принятых дополнительно возбужденных сигналов в цифровой код и суммирование с результатом корреляционной обработки сигналов предшествующих посылок. 4 ил.
Сущность предлагаемого способа акустического каротажа состоит в том, что модуляцию зондирующих сигналов осуществляют в пределах не менее трех периодов модулирующей Г1-последовательности, что обеспечивает равенство корреляционных шумов слева и справа от масимума функции взаимной корреляции (ФВК) регистрируемого акустического сигнала и Г1-последо1469487 вательности в интервале (-i,c) где — максимальная длительность отклика среды на одну посылку зондирующих акустических импульсов, равная максимальной длительности полного акустического сигнала на входе приемного тракта. При этом период Т
М-последовательности выбирают исходя из условия Т 7 i (в соответствии с 1п характером ее автокорреляционной функции). Для удобства принимаем Тр равным 7 (Т Р = ). Максимум ФВК соответствует полезному сигналу и моменту времени t = -- О,,т.е. началу записи, причем запись осуществляют в интервале (О, ).
Обеспечение равенства амплитуд корреляционных шумов в интервале (-, ) облегчает следующий этап их 20 эффективного подавления. Оптимальным является осуществление модуляции зондирующих сигналов в пределах трех периодов М-последовательности, так как увеличение числа ее периодов не 25 приводит к снижению уровня корреляционных шумов, производительность каратажа при этом падает.
Хотя запись сигналов осуществляется в интервале (О,Г), подавление кор- 30 реляционных шумов необходимо осуществлять в интервале (-С,7), т.е. не только справа, но и слева от полезного сигнала. Это связано с тем, что кажцый из шумовых импульсов пред З5 ставляет собой отклик среды па одну посылку зондирующих сигналов, т.е. имеет длительность I Поэтому в пределах (- 7,0) корреляционные шумы влияют на полезную запись .и требует-10 ся их подавление, а за пределами этого Интервала (слева) влияние шумов отсутствует.
Таким образом, временной интервал,, в пределах которого необходимо пода- 4 вить корреляционные шумы, должен быть не медее 2а. Если учесть, что T = 8, то этот интервал должен быть не менее двух периодов М-последовательности. Корреляционные шумы в соответствии с ФВК представляют собой в цифровом виде последовательность из -1, что в аналоговом виде соответствует последовательности акустических импульсов с начальной фазой, равной gj частотой следования, рав- ной частоте следования импульсов в
M-последовательности, и амплитудой, равной амплитуде принятого акустического сигнала, соответствующего одной посылке.
Если дополнительно возбудить в исследуемой среде последовательность акустических импульсов с нулевой начальной фазой, длительностью не менее двух периодов модулирующей M-последовательности, с частотой следования импульсов, равной частоте следования импульсов в M-последовательности, и амплитудой, равной амплитуде зондирующий сигналов, преобразовать принятые сигналы в цифровой код (получается последовательность иэ +1) и суммировать с результатом корреляционной обработки сигналов предшествующих посылок, то в результирующей записи будут полностью отсутствовать корреляционные шумы, При этом между последовательностью акустических импульсов, модулированных М-последовательностью с длительностью не менее трех ее периодов, и дополнительно возбуждаемой последовательностью акустических импульсов с нулевой начальной фазой необходима пауза не менее . Такая пауза нужна для исключения влияния откликов среды, вызванных возбуждением первой последовательности (длительность каждого из которых равна ) на дополнительно возбуждаемую последовательность, На фиг.1 изображена функциональная схема устройства акустического каротажа для осуществления предлагаеМого способа, на фиг.2 — временные диаграммы, на фиг,З и 4 - последовательности операций корреляционной обработки сигналов.
Устройство (фиг.1) содержит тактовый генератор 1, генератор 2 М-последовательности, формирователь 3 импульсов возбуждения излучателя, излучатель 4, приемник 5, аналого-цифровой преобразователь 6, умножитель 7, сумматор 8 и .оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 9.
На фиг.2 изображены сигналы 10 на выходе тактового генератора, сигналы 11 на выходе генератора М-последовательности и сигналы 12 на выходе излучателя °
На фиг.З" схематически показаны последовательность операций корреляционной обработки принятых и преобразованных в цифровой код сигналов при реализации способа с использова1469487 нием биполярных излучателей (позиция и слева от прямой CD и позиции
Б-<) для случая N = 7, где N— число импульсов в одном периоде Ипоследовательности, и результат этой обработки (позиция y), а также последовательность операций подавления корреляционных шумов при реализации способа с использованием как биполярных, так и однополярных излучателей (позиция а справа от прямой CD u пбзиция и ) и результирующая запись (позиция к), На фиг,3 обозначены: — период
М-последовательности: л — период следования импульсов в М-последовательности, А — начало записи сигнала в ОЗУ.
На фиг.4 схематически показаны последовательность операций корреляционной обработки сигналов и результат этой обработки при реализации способа с использованием однополярных излучателей, Способ акустического каротажа может быть реализован как при использовании биполярных излучателей (излучателей с идеальной нечетной электромеханической связью), так и при использовании однополярных, например магнитострикционных, излучателей, Далее приведены два примера осуществления способа, отражающих специфику реализации с использованием различных типов излучателей.
В обоих примерах рассмотрен следующий случай: а) период Т модулируюP щей бинарной M-последовательности выбирают равным максимальной длительности 7 отклика среды на одну посылку зондирующих акустических импуль-г сов, т.е. максимальной длительности ьполного акустического сигнала на входе приемника, а именно Т р =, б) модуляцию зондирующих сигналов осуществляют в пределах трех периодов
M-последовательности, т.е. в пределах временного интервала 3 ; в) длительность дополнительно возбуждаемой последовательности акустических импульсов с нулевой начальной фазой выбирают равной 2Т» т.е. 2 Г, r) паузу между модулированной последовательностью зондирующих сигналов и дополнительно возбуждаемой последовательностью выбирают равной
Пример осуществления способа с использованием биполярных излучателей.
Особенностью осуществления способа является преобразование сигналов в последовательность импульсов, начальная фаза которых принимает зкачения
О или 3 в соответствии с кодом бинарной И-последовательности, на стадии возбуждения зондирующих акустических импульсов путем их фазовой модуляции с помощью M-rtocsrenoaavezbsocxi .
Способ осуществляют следующим образом, Тактовый генератор 1 формирует непрерывную последовательность им15 пульсов, частота следования (1/Д ) которых определяет частоту посылок зондирующих акустических импульсов.
Выбор величины d7 осуществляется исходя из условия
20 Д т
/ где F — ширина спектра акустического сигнала, в противном случае вносятся искажения
25 в спектр полезного сигнала, Практически 1 выбирают в пределах длительности полезного участка сигнала> который обычно составляет 5-10 мс(при длительности полного акустичес10 кого сигнала порядка 100 мс).
Тактовые импульсы в течение временного ичтернала 3 поступают на вход генератора М-последовательности, причем ее период равен °, а частота
35 следования импульсов а Г, При этом общая длительность формируемой И-последовательности равна 3 ° Тактовые импульсы и И-последовательность в течение временного интервала 3 7 посту40 naev Ha формирователь 3 возбуждения излучателя который вырабатывает мощные электрические импульсы возбуждения излучателя 4 таким образом, чтобы фаза акустических им-.
4 пульсов на выходе излучателя (т.е. фаза зондирующих сигналов) была -рромодулирована напряжением И-последа вательности.
Начальная .фаза зондирующих акустических импульсов принимает в результате два значения (О или 1() в saвисимости от полярности модулирующего напряжения И-последовательности (фиг.2, сигналы 12), Акустические сигналы, прошедшие через горные породы, поступают на приемник 5 и пре.образуются им в электрические, после чего их преобразуют в аналого-цифровом преобразователе Ь в цифровой код.
1469487
Далее осуществляют корреляционную обработку сигналов в пределах одного периода М-последовательности.
Корреляционная обработка осуществляется в последовательности, которая наглядно прослеживается на фиг.3.
Сначала закодированная информация в виде последовательности из +1 и -1 с интервалом между ниии Zi и общей длительностью 3 поступает на умножитель 7, где умножается на первый член М-последовательности (+ 1), подаваемой на второй вход того же умножителя. Результат (фиг.3, позиция d
15 слева от CD) передается через сумматор 8 в оперативное ОЗУ 9 и заносится в его память, Затем та же закодированная информация умножается на второй член (-1) M-последовательности, сдвигается влево на временной интервал Л (с помощью сдвигающего регистра) (фиг.3, позиц-:я E) и складывается в сумматоре 8 с сигналами из
ОЗУ 9, после чего результат вновь
25 заносится в память ОЗУ 9.
Та же операция повторяется далее с использованием в качестве множителей поочередно всех оставшихся членов в пределах одного периода М-последо30 вательности (т.е, erne N-2 раза, где
N — число элементов М-последовательности), причем каждый раз суммирование осуществляют со сдвигом влево по отношению к предыдущему результату 35 обработки на временной интервал (фиг ..,
При этом операция умножения при корреляционной обработке эквивалентна операции синхронной фазовой демо- 40 дуляции сигнала в аналоговом виде.
В результате полного цикла корреля,ционной обработки принимаемых акусти1 ческих сигналов с использованием в ,качестве опорного сигнала М-последо- 45
;вательности получают ФВК (фиг.3, позиция y) с центральным максимумом, равным по величине N (на фиг.3
N = 7) и соответствующим полезному сигналу. Слева и справа от максимума >0
ФВК в интервале 2 " расположены равные между собой по амплитуде импульсы корреляционных шумов в виде последовательности из -1 с интервалом между ними о . Амплитуда корреляционных.55 шумов равна амплитуде сигнала до корреляционной обработки.
Далее через временной интервал Б после возбуждения трех периодов
М-последовательности с выхода тактового генератора 1 в течение интервала 2 2 подают на формирователь 3 тактовые импульсы запуска (при этом на вход генератора 2 M-последовательности тактовые импульсы не подаются).
В результате модуляция по фазе дополнительно возбуждаемых импульсов не производится, поэтому начальная фаза акустических импульсов на выходе излучателя 4, т.е ° начальная фаза дополнительно возбуждаемых в исследуемой среде импульсов, принимает только одно значение, равное О.
На выходе излучателя 4 получают последовательность акустических импульсов длительностью 2 с нулевой начальной фазой и частотой следования 1/ d7 (фиг.3 позиция с справа от CD изображение дано в цифровом виде), При этом амплитуда акустических импульсов в данной последовагельности равна амплитуде акустических импульсов предшествующих посылок, промодулированных по фазе М-последовательностью, поскольку в обоих случаях акустические импульсы возбуждаются одним и тем же излучателем.
Дополнительно возбуждаемые в исследуемой среде сигналы после прохождения через горные породы поступают на приемник 5 и преобразуются в электрические. Далее они поступают на аналого-цифровой преобразователь 6 и преобразуются в цифровой код.
С выхода аналого-цифрового преобразователя 6 закодированная последовательность принятых сигналов переда.— ется через умножитель 7 (операция умножения не производится из-за отсутствия второго множителя) на сумматор 8, где ее суммируют с результатом корреляционной обработки сигналов предшествующих посылок, хранящимся в ОЗУ 9 (фиг.3, позиция и).
В результате суммирования в идеальном случае полностью подавляются корреляционные шумы, влияющие на полезный сигнал, т.е. в интервале (- 7, ") а максимум корреляционной функции, соответствующий полезной записи, будет равен N + 1, где N — число импульсов в одном периоде Г1-последовательности (фиг.3, позиция <, N = 7)
Таким образом, в результирующей записи в ицеальном случае будет содержаться только полезная информация, 1О
9 14694 увеличенная по амплитуде в N + 1 раз по сравнению с исходной.
Пример осуществления способа с использованием однополярных, например магнитострикционных, излучателей.
В данном случае излучатель имеет четную характеристику электромеханической связи. Поэтому нельзя осуществить на стадии возбуждения фазовую 10 модуляцию зондирующих акустических импульсов с помощью бинарной М-последовательности. Согласно такой реализации преобразование акустических сигналов в последовательность импуль- 15 сов, начальная фаза которых принимает значения О или Г в соответствии с кодом модулирующей М-последовательности, осуществляют как на стадии их возбуждения, так и на стадии регист- gp рации и обработки принятой информации с помощью технического приема, известного в сейсморазведке.
Особенности реализации способа следующие. Модулирующую 11-последо- 25 вательность длительностью 3 с выхода генератора 2 разделяют на две, каждая из которых состоит из импульсов только одной полярности и имеет длительность, равную длительности 30 исходной М-последовательности, т.е, 33.
При этом последовательность, состоящую из отрицательных импульсов, инвертируют. В результате получают прямую и инверсную последовательности, состоящие только из положительных импульсов, длительность каждой из которых 3 . Эти две сформированные последовательности с интервалом меж- 40 ду ними не менее периода М-последовательности Т подают на формирователь 3 импульсов возбуждения излучателя. Формирователь 3 импульсов возбуждения излучателя вырабатывает мощ- 45 ные электрические импульсы в момент одновременного поступления на него тактовых импульсов с тактового генератора 1 и импульсов М-последовательности C генератора 2, при этом осуществляется кодоимпульсная модуляция акустических импульсов на выходе излучателя 4. В итоге посылку зондирующих акустических импульсов в исследуемую среду осуществляют в двух сеансах (циклах), разделенных интервалом Г . При этом. распределение акус— тических импульсов и пауз между ними в последовательности зондирующих сигналов в первом сеансе возбуждения соответствует коду прямой последовательности, а во втором сеансе коду инверсной последовательности, Принятые сигналы преобразуют в цифровой код, причем сигналы, соответствующие второму сеансу возбуждения, инвертируют.
В результате подлежащая корреляционной обработке закодированная информация будет соответствовать двум последовательностям импульсов, начальная фаза которых принимает значения О или Л в соответствии с кодом исходной разнополярной модулируюшей
M-последовательности, Наиболее оптимальным вариантом с точки зрения объема памяти ОЗУ 9 и производительности является проведение корреляционной обработки в темпе поступления информации, т.е. непосредственно в ходе возбуждения зондирующих сигналов. При этом не требуется внесения существенных изменений в функциональную схему устройства для осуществления способа.
Корреляционную обработку информации, соответствуюшей каждому сеансу возбуждения, осуществляют с использованием в качестве опорного сигнала полной исходной М-последовательности.
При этом принцип корреляционной обработки и ее суммарный результат (фиг.4) полностью идентичны примеру осуществления с использованием биполярных излучателей.
Последовательность операций корреляционной обработки при реализации способа с использованием однополярного излучателя и ее результат схематически представлены на фиг.4, где период M-ïoñëåäîâàòåëüíoñòè, а ь — период следования импульсов в исходной (разнополярной) М-последовательности, вертикальная прямая АВ. условно обозначает начало записи, горизонтальная прямая ЕГ разделяет этапы корреляционной обработки сигналов, соответствующих первому и второму сеансам возбуждения.
Все операции, проводимые после корреляционной обработки, и результирующая запись одинаковы в обоих примерах осуществления способа.
В итоге теоретически возможно полное подавление корреляционных шумов в интервале записи в обоих примерах, 1469487
30 изобретения
Формула
Способ акустического каротажа, основанный на непрерывном перемещении скважинного прибора и периодической посылке в исследуемую среду зондируюНа практике как при использовании биполярных, так и однополярных излучателей за счет нестабильности амплитуд возбуждаемых акустических импуль5 сов, а также эа счет рассинхронизации по времени возможно неполное подавление корреляционных шумов.
Проведенные исследования показали, что чисто техническими средствами 1О возможно достичь того, чтобы уровень остаточных корреляционных шумов, связанных с суммарным эффектом амплитудных и временных нестабильностей, не превышал 107. от уровня корреляционных шумов согласно известному способу.
Таким образом, предлагаемый способ акустического каротажа позволяет за счет подавления корреляционных шумов увеличить отношение сигнал/шум в результирующей записи не менее, чем на порядок, что, в свою очередь, обеспечивает расширение динамического диапазона регистрации не менее, чем на 25
20 дБ. Способ может быть реализован с помощью стандартных акустических зондов, содержащих магнитострикционные излучатели. щих сигналов в виде акустических импульсов, модулированных бинарной псевдослучайной периодической M-noc-! ледовательностью, корреляционной обработке принятых сигналов в пределах ее периода и включающий преобразование сигналов в последовательность импульсов, начальная фаза которых принимает значения 0 или )(в соответствии с кодом модулирующей М-последовательности, о т л и ч а.ю щ и й— с я тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум путем подавления корреляционных шумов, зондирующие акустические импульсы модулируют в пределах не менее трех периодов Мпоследовательности, затем через временной интервал, не меньший периода
M-последовательности, дополнительно возбуждают в исследуемой среде последовательность акустических импульсов с нулевой начальной фазой, при этом амплитуду импульсов вьчбирают равной амплитуде зондирующих сигналов, длительность последовательности выбирают равной не менее, чем двум периодам модулирующей М-последовательности, а частоту следования импульсов, равной частоте следования импульсов
М-последовательности, преобразовыва.ют принятые дополнительно возбужденные сигналы в цифровой код и суммируют их с результатом корреляционной обработки сигналов предшествующих посылок.
1469487
146с4487
Тираж 483
Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35„ Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. ужгород, ул. Гагарина, 101
Редактор А.Orap
Заказ 1358/53
Фиг 9
Составитель Н„Гусева
Техред И.Дидык Корректор С.Черни
