声波测井是地球物理测井中的主要方法之一,其核心是运用声波在岩层中的各种传播规律,测量所钻地层的地质和岩石物理参数,从而获取地层的油、气藏的存在与岩性等特征。早期的声波测井只是简单的利用一个声源和一个接收器测量沿着井壁传播的首波(即纵波)到达的时间或幅度。随着科学技术的进步,为了提高测量精度及适应不同地层的需求,各大测井公司陆续推出了:单发双收声波测井仪、双发双收声波测井仪、长源距声波测井仪,阵列声波测井仪等。现代阵列声波测井仪同时具有单极子声源和偶极子声源以及多个接收探头。其中,2种声源可以分别以不同的振动方式激发声波信号,而接收器阵列则以不同的组合方式接收声波信号。相比于早期的声波测井,其探测深度更大,测量结果更精准,并且可以接收多种不同类型的波。但是,阵列声波测井信号并不能直接提供太多有用信息,其需要经过一定的数学方法进行处理。目前,现有的阵列声波测井的解释流程中,核心思想是提取各组分波的慢度,通过慢度随井深变化的曲线来判断井眼附近地层某些性质的变化。而慢度提取的方法则主要包括时间域方法与频率域方法两类。时间域方法通常从信号时间域的波形入手,并且能够充分利用阵列声波测井重复采集同一深度信息这一特点,包括门限法、慢度-时间相关法等。频率域方法则通常要对声波测井信号进行Fourier变换,最终可以求得各组分波的频散曲线,解决了斯通利波和偶极横波这类频散波的慢度提取问题,包括频谱相位分析法、Prony方法、Matrix Pencil算法等。众所周知,信号通常具备3个最基本的物理量:时间、频率和幅度(能量)。阵列声波测井信号亦是如此,但其慢度仅仅反映其中一个方面的信息,即各组分波到达时间的早晚。也就是说,常规的处理方法对测井信号的频谱特征的重视程度不足。信号的频谱可以很容易地由Fourier变换求出,但是,Fourier变换是一种全局式的变换,得到信号频率域信息的同时就会失去时间域信息。既然,即要获取信号的频谱特征,又不能放弃信号时间域信息,那么,就有必要引入时频分析方法。时频分析方法的优点在于可以将时间、频率和幅度联系起来,获得信号的幅度在时间-频率坐标系上的分布情况。时频分析方法种类繁多,主要分为线性与双线性两类,其中,线性的方法包括短时Fourier变换、小波变换、Hilbert-Huang变换、分数阶Fourier变换等;双线性的方法包括主要包括Cohen类双线性时频分布和Affine类双线性时频分布等。然而,若将单一的时频分析方法应用于阵列声波测井信号处理,效果并不理想。这主要有两方面的原因:第一,阵列声波测井信号往往由多种分波组成,各分波之间时间和频率较为接近,有时难以区分;第二,各分波之间幅度相差很大,这使得时频分布图很难将幅度较低的分波展现出来。为此,本文考虑联合分数阶Fourier变换和Choi-Williams分布,利用分数阶Fourier变换的旋转特性对阵列声波测井信号的Choi-Williams分布进行时频域滤波,分别提取纵波、横波的时频分布,再结合原始Choi-Williams分布中较易分辨的斯通利波的时频分布,研究纵波、横波和斯通利波的时频特征,探索一种新的阵列声波测井数据处理及解释的方法。本文所进行的工作主要包含三个部分:第一,引入分数阶Fourier变换和Choi-Williams联合分布的方法,并对相关程序进行编写;第二,通过相应的处理,获取阵列声波测井信号时频特征;第三,建立阵列声波测井信号时频特征与地层裂缝之间的联系。下面简述各部分的工作内容。1.引入分数阶Fourier变换和Choi-Williams联合分布的方法,继而探讨其物理意义及实践意义。将编程的工作分为两部分:井段处理和单点处理。井段处理的目的是计算某个深度范围乃至整口井内所有阵列声波测井信号的时频分布(可用于获取斯通利波特征),然后提取纵波和横波的时频分布,并按照深度顺序与原始波列一一对应排列,从而分别获取各组分波的时频特征随深度变化而变化的宏观规律。对于井段处理的部分,本文利用VB.NET与Matlab混合编程的方式进行面向对象的程序设计。单点处理的目的则是通过制作由声波测井全波列曲线,原始信号时频分布,纵波时频分布和横波时频分布4个部分组成的图像,更加精确地获取某些地层中具有代表性的深度点处各组分波的时频信息。对于单点处理的部分,本文利用Matlab对程序进行编写,继而利用Matlab中的GUI设计工具,制作可视化界面。2.选取来自不同地区、不同井孔的裂缝性地层阵列声波测井实测数据,对其进行数据解编,再进行去增益和均衡化处理,然后选取多个深度范围内的数据进行井段处理,分别得到原始测井信号、纵波及横波的时频分布随深度变化的图像。从中选取某些具有代表性的信号进行单点处理,得到该深度点原始测井信号、纵波及横波的时频分布,继而对各组分波进行时频定位,并确定其幅度的大小。3.利用井段处理的结果,探索各组分波时频特征随某些地层性质变化的规律;再利用单点处理的结果,更清晰的认识这些规律。继而结合其它测井及地质资料,从地学及物理学角度对这些规律进行解释,建立阵列声波测井信号时频特征与多种不同类型裂缝性地层之间的关系。经过上述研究工作以后,本文得到了如下结论:1.在阵列声波测井信号的Choi-Williams分布图中,只有斯通利波较为明显,而纵波和横波均不易识别。而分数阶Fourier变换和Choi-Williams联合分布的方法则能将二者加以提取。本文利用该方法处理及分析裂缝性地层的阵列声波测井数据的过程中,获得了较好的效果。因此,该方法具备一定的实践意义。2.对于致密性地层而言,在时频分布图中,阵列声波测井原始信号的Choi-Williams分布图比较规则,斯通利波幅度远高于纵波和横波。相对与中低角度张开缝或网状缝发育的地层而言,各组分波的幅度衰减不明显,波峰时间较早,纵波和横波主频均较高。3.对于半充填的裂缝性地层而言,在时频分布图中,各组分波的波峰时间和主频不会发生明显改变,而幅度衰减则介于致密性地层和中低角度裂缝性地层之间。4.对于中低角度张开缝发育的地层而言,较之致密性地层,在时频分布图中,纵波的波峰时间相对推迟,而主频相对降低,幅度衰减更加严重;横波的波峰时间有所推迟,主频相对降低,幅度衰减同样更加严重;斯通利波波峰时间相对推迟,其幅度衰减十分明显,但幅度值仍明显高于纵波和横波。5.对于高角度张开缝发育的地层而言,相对于致密性地层,在时频分布图中,纵波幅度略微有一些衰减,横波幅度变化不大,斯通利波幅度出现一定的衰减,而各组分波的波峰时间和主频则无明显变化。6.对于网状裂缝发育的地层而言,相对于致密性地层,在时频分布图中,纵波的波峰时间相对推迟,而主频相对降低,幅度衰减更加严重;横波的波峰时间有所推迟,主频相对降低,幅度衰减更加严重;斯通利波波峰时间相对推迟,幅度衰减更加严重。网状裂缝对阵列声波测井信号时频特征的影响较为复杂,无法准确探究其中的规律,但将其与致密性地层区分比较容易。7.对于某些常规测井曲线未明显反映的裂缝,仍可通过本文所介绍的方法获取阵列声波测井信号时频特征,继而对裂缝进行识别。8.将上述规律反过来利用,通过本文介绍的方法做出各井段原始信号及纵波和横波的时频分布图之后,若各组分波波峰时间较早,幅度较高,且纵波和横波主频较高,则可将其判定为致密性地层,并作为参照;若斯通利波幅度相对出现了一定的下降,则说明地层中存在裂缝,且裂缝未被完全充填;若斯通利波幅度严重衰减,同时,纵波幅度也出现了一些衰减,而各组分波的波峰时间和主频及横波幅度变化不大,则判定裂缝具有较高的倾角;若斯通利波幅度严重衰减的同时,其波峰时间也有所推迟,且纵波的波峰时间相对推迟,主频相对降低,幅度衰减严重,横波的波峰时间相对推迟,主频相对降低,幅度衰减严重,则判定裂缝的倾角为中低角度或裂缝呈网状。