基于改进人工蜂群的高精度纵波慢度提取方法_陈立雄.pdf

测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGYVol.46 No.6 Dec 2022第46卷 第6期 2022年12月文章编号：10041338（2022）06066405基于改进人工蜂群的高精度纵波慢度提取方法陈立雄1，董兴蒙2（1.中国石油集团测井有限公司天津分公司，天津 300280；2.中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡453000）摘要：声波测井仪器在复杂地层中的测量波形存在信噪比低、相干性差的问题，传统的慢度提取方法往往不能获得稳定的慢度结果。为了获取精确的慢度值，利用Akima插值技术对原始波形进行重采样，用于提高地层纵波波形的相关性；采用n次方根法对插值后的波形进行慢度提取。考虑到实时测井对算法高效性的要求，在慢度计算过程中引入人工蜂群优化算法，用于降低n次方根法的计算量。此外，为了加快人工蜂群算法的收敛速度和提高全局寻优能力，在算法的搜索阶段设计了自适应惯性因子，用于实现收敛速度和收敛精度的动态平衡。实验结果表明，所提方法处理速度快，可靠性高，能够有效提高复杂地层慢度曲线的精度，清晰刻画薄互层特征，满足现场解释要求。关键词：声波测井；n次方根法；人工蜂群算法；纵波慢度；高精度中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi:10.16489/j.issn.10041338.2022.06.004High-Precision Compression Wave Slowness Extraction Based on Improved Artificial Bee ColonyCHEN Lixiong1,DONG Xingmeng2(1.Tianjin Branch,China National Logging Corporation,Tianjin 300280,China;2.The 22nd Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Xinxiang,Henan 453000,China)Abstract:The measurement waveforms of acoustic logging tools in complex formations suffer from low signal-to-noise ratio and poor coherence,and traditional slow extraction methods often fail to obtain stable slowness.To obtain accurate slowness,the original waveform is resampled using the Akima interpolation method,with the aim of improving the correlation of the compression waveform.Then,the interpolated waveform is used for slowness extraction by the n-th root method.Considering the requirement of real-time logging for the efficiency of the algorithm,the artificial bee colony optimization algorithm is introduced in the process of slowness calculation,which is used to reduce the computational effort of the n-th root method.In addition,in order to accelerate the convergence speed and improve the global optimization ability,an adaptive inertia factor is designed in the search stage of artificial bee colony algorithm to realize the dynamic balance of convergence speed and convergence accuracy.The experimental results show that the proposed method has fast processing speed and high reliability,and can effectively improve the accuracy of complex formation slowness curve,which clearly detecting the thin-bed characteristics of sand-shale sequences in formation and meeting the requirements of log interpretation.Keywords:acoustic logging;n-th root method;artificial bee colony algorithm;compression wave slowness;high-precision0 引 言自从出现长源距声波测井以来，研究人员已经提出许多测井声波慢度处理方法，如小波变换法1、长短窗长比值法2、波形相干叠加法3等。其中，小波变换法和长短窗长比值法是对单道波形本身进行研究，对噪声比较敏感，当声波信号噪音干扰比较严重时，难以准确提取波形的慢度值。波形相干叠加法分为波形相似法4和n次方根法5，其慢度值是对多维波形的全局特点进行研究，具有抗噪能力强、可靠性高的特点，在纵波慢度实时处理和阵列声波综合解释方面应用广泛。随着油气勘探开发复杂程度逐年增高，油气勘探对声波测井提出了更高的要求。测井公司亟需对声波测井曲线进行高精度处理，以满足薄层、薄互层以及厚层细分的精细评价需求6。Tang等7基于波形相第一作者：陈立雄，男，1967 年生，从事测井采集及新技术推广工作。E-mail：通信作者：董兴蒙，男，1988 年生，从事声波测井理论方法及应用研究。E-mail：陈立雄，等：基于改进人工蜂群的高精度纵波慢度提取方法第46卷 第6期665 似法和声波测井深度组合处理技术实现了高分辨率慢度提取的目的。Ishikura等8通过全波形反演方法来提高声波测井慢度提取的精度，但是对于空间域采样严重不足的声波数据而言，上述方法由于相关性不足而导致精度下降。为了解决这个问题，李鹤升9探讨不同插值方法对声波测井慢度精度的影响。苏远大等10将频率波数域相关滤波方法应用到数字声波慢度提取过程，通过改善地层纵波的相关性来提高慢度分辨率。上述方法技术难点多，计算复杂，并不适合纵波慢度的实时提取。郎晓政等11采用首波初至法计算声波测井的慢度，计算速度快，能够满足纵波慢度的实时提取，但是对波形的信噪比要求较高。本文在李鹤升9研究的基础上，通过使用n次方根法和Akima 插值法提高实时测井中纵波慢度的精度。同时，为了降低慢度提取过程中的计算量，将改进的人工蜂群优化（Improved Artificial Bee Colony，IABC）算法与n次方根算法相结合，利用n次方根算法定义的相关函数作为适应度函数，通过智能算法的全局寻优特性获得最佳慢度值。与传统n次方根算法相比，本文所提的方法摆脱了时间步长和慢度步长的限制，能够有效提升纵波慢度实时提取的计算效率。1 高精度慢度提取方法1.1 n次方根法n次方根法是Mcfadden等12在1986年提出的一种适用于多通道信号的非线性滤波方法，其定义的相关函数（s，T）为s TXts mdXts mdtnmNnTT T,sgn/()=+-()+-()=+mmdw1111+-()=+Xts mdtnmNnTT Tmdw111/（1）式中，sgn为符号函数；Xm（t）为N个接收换能器阵列中的第m个接收器数据向量；t为声波到时；T为起始数据点；Tw为数据的时间窗长，s；d为接收器之间的间距，m；s为声波慢度，s/m。n次方根法属于纯粹数学运算，该方法利用指数n对波的振幅取n次方根将其缩幅，将缩幅后的数据进行叠加，再把叠加后的结果取n次幂方进行放大。在慢度提取的过程中，波形中波峰和波谷的振幅相对于其余部分保持不变，因而相干叠加后的相关函数峰值变得更尖锐，有助于慢度精度的提高。图1给出了波形相似法（红线）和n次方根法（蓝线）的相关图，以及利用这2种方法计算得到的相关系数。通过对比两者封闭曲线的面积和相关系数值，可以看出利用n次方根法计算的结果更加精确。图1 n次方根法与波形相似法对比（a）波形相似法（b）n次方根法（c）相关系数2 5002 0001 5001 000500时间/s2 5002 0001 5001 000500700600500400300200时间/s慢度/（sm-1）700600500400300200慢度/（sm-1）相关系数慢度/（sm-1）1.00.80.60.40.20700600500400300200波形相似法n次方根法1.2 Akima 插值法由于复杂地层中声速变化剧烈，并存在界面反射波叠加干扰的情况，声波测井仪的不同接收器在纵波波形幅度上具有明显差异，进而导致波形的相干性很差，使得慢度提取的精度降低。为了消除这类情况对慢度的干扰，采用Akima 插值法对声波测井的现场数据波形进行重采样。Akima 插值法是一种五点求导分段三次多项式插值算法，用于二维平面曲线的插值与平滑13。该算法利用三次多项式在每2个数据点间拟合出1条曲线，最终由这些曲线连接而成的总曲线保证一阶导数连续。给定D个不等间距样本点（ui，vi）（i=0，1，D1），u0 u1 uD1，若在区间ui，ui+1上的2个端点满足式（2）。2022年测 井 技 术666 vf uvf uvvuhvvuhiiiiiiiiii=()=()=+11111dddd （2）则在任意2个邻近点（ui，vi）和（ui+1，vi+1）之间，可以确定唯一的三次多项式见式（3），三次多项式的系数a0、a1、a2和a4计算方法为式（4）。s uaa uuauuauuiii()=+-()+-()+-()012233（3）avahaghhuuahhguuiiiiiiiiiiii012113112322=-=+-()+（4）其中，gi为（ui，vi）和（ui+1，vi+1）之间线段的斜率，其计算公式为式 （5），则（ui，vi）点处的切线斜率hi为式 （6）。gvvuuiiiii=-+11（5）121111121121112,2,2iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiigggggggggg gghgggggggg gg-+-+-+-+-+=-+-=-+-+=况其他情（6）图2为数字声波实际测井数据在Akima插值前后的实际波形和慢度对比。从图2中可以看出，插值后的纵波波形一致性得到一定程度的改善，波形在部分相位处的幅值也有明显改善，因而Akima插值法对慢度精度的提高有一定帮助。时间/s不同接收器的波形原始波形插值后波形4 0003 0002 0001 0000（a）波形相关系数慢度/（sm-1）0.81.00.60.40.20700600500400300200100插值前插值后图2 Akima插值前后实际波形和慢度对比（b）慢度2 基于改进人工蜂群的慢度提取方法考虑到纵波慢度实时提取对算法高效性的要求，将人工蜂群（Artificial Bee Colony，ABC）算法引入到n次方根的慢度计算中，通过克服时间步长和慢度步长的限制降低了算法的计算量。此外，为了加快人工蜂群算法的收敛速度