地质上的裂缝是指岩石内丧失结合力的面状空间。确定裂缝发育区域、描述地层裂缝分布受到广泛关注。多年来,裂缝探测理论和技术不断被探索,目的是能够更有效地描述出地下裂缝的分布。在人们不断的努力探索和研究下,近来陆续出现了基于不同理论基础的裂缝预测方法,其中一些方法也取得了较为良好的效果。但是,由于地下裂缝分布的复杂性,不同预测方法都存在局限性,裂缝的预测仍是未解决的世界性难题。声波测井是一种重要测井方法。现有声波测井理论也大都基于各向同性均匀介质的假设,或基于水平分层各向同性介质的假设,且是轴对称的。以往的声波全波列应用研究主要计算分析声波时差和衰减系数等参数,有效利用各种振型波时-频特性并对其进行研究的很少。针对阵列声波测井数据信号的处理研究主要集中在各组分波的波形分离以及慢度提取等方面;相对于其中暗示的丰富的地层(岩性)信息、断裂信息以及接触关系,目前的研究尚存在许多不足。因此,通过研究,进一步探索出更加科学有效、快捷而有意义的数据处理和分析方法应该是目前阵列声波测井研究的一个重要方向。针对阵列声波测井的非平稳信号特性,本文研究以裂缝性地层的弹性波传播特征为基础,引入时频分析方法,即将分数阶Fourier变换和平滑伪Wigner-Ville分布两种方法相结合,通过改变分数阶Fourier变换的阶数,利用平滑伪Wigner-Ville分布获得测井曲线信号在某一过渡域的时频分布,从这样一个新的角度来分析信号,研究该种声波测井信号在裂缝性地层所具有的时频特征,获得全波列的幅度谱、时间-频率-幅度(能量)谱参数,提取和分析裂缝性地层全波列所蕴涵的构造等时-频信息,研究井孔声场参数与地层各向异性裂缝构造之间的内在联系,为裂缝性评价提供更为准确有效的依据。分数阶Fourier变换是一种线性算子。在时频平面上,若将Fourier变换看作从时间轴逆时针旋转90°轴,则分数阶Fourier变换算子就是可旋转任意角度的算子;故可认为分数阶Fourier变换是一种广义的Fourier变换。对于分数阶Fourier变换:当阶数p=0时,相当于信号没有进行变换,反映信号的时间域信息;当阶数p=1时,相当于对信号进行了传统Fourier变换,反映信号的频率域信息;而当阶数p在0到1之间时,则反映信号在时间域和频率域之间某一过渡域的信息。本文提出的思路可以得到信号位于过渡域时的时频分布图,从而可以从不同于传统方法的角度分析信号,获得有别于传统方法的时频特征。Wigner-Ville分布不仅能够准确地反映信号随时间的变化,也能反映信号随频率的变化,是一种描述量聚集性好的时频分布。考察任一个多分量信号,二次型时频分布都存在交叉项,交叉项来自多分量信号中不同信号分量之间的交叉作用。时频分布里的信号项对应于每个分量而言,交叉项是时频分布里的干扰产物,应尽可能抑制交叉项的影响。结合上述思想,利用MATLAB编程实现了单个测井曲线数据的分数阶Fourier变换结合平滑伪Wigner-Ville分布(FRFT-SPWD),用已知断裂处的数据、岩性单一段数据和复杂岩性段数据分别作图,进行对比分析,得到断裂分布特征。非裂缝性地层的FRFT-SPWD分布特点为:1)纵波到时约为1 ms,主频约15 k Hz,波峰幅度低;2)横波与伪瑞利波的叠加波到时约为2 ms,主频约5 k Hz,波峰幅度稳定;3)斯通利波到时约为2.6 ms,主频约5 k Hz,波峰幅度约为1×107;4)伪瑞利波到时约为3.7 ms。由于裂缝成因复杂,无法定量描述裂缝性地层的FRFT-SPWD分布,但是普遍具有裂缝性地层波幅降低的特点。这是因为,裂缝性地层构造破碎、疏松程度较强,质子在其中传播时所受摩擦力增大,转换热能增加;所以声波的能量减小,波幅降低。测井曲线的解释是对空间位置关系密切的多条曲线的联合解释,因此需要编制一个实现上述思想的数据处理和成图软件。软件的核心任务是批量完成每一深度上测井数据的变换处理并成变换图,然后实现这些图像的对比显示。采用MATLAB与VB.NET 2010混合开发的方式实现软件开发,这样既利用了MATLAB强大的数据处理优势和分数阶Fourier变换和平滑伪Wigner-Ville分布成熟的程序代码,又利用VB.NET 2010满足了批量图像处理、大量图像对比展示及图形大小控制方面和可视化界面方面的需求。以中国大陆科学钻探主孔的部分数据为例进行计算和分析,以验证方法的有效性。对典型断裂构造特征进行解剖,选择单一岩性非裂缝性地层、复杂岩性非裂缝性地层、单一岩性裂缝性地层、复杂岩性裂缝性地层等4段典型地层进行分析。研究表明,各典型地层位置的图像特征分别与前述裂缝和非裂缝性地层的FRFT-SPWD分布特点相符,也分别与声电成像图指示相符,证实了方法的有效性。最后,对主孔1 140~1 170 m的数据进行处理,分析底层岩性及构造现象的声波特征。结果表明,3D时频分布图在不同岩性发生断层接触和突变接触关系时,以及在地层存在裂缝和破碎断裂构造时,都体现出了裂缝性地层区别于非裂缝性地层的时频分布特征,而且在深度上能够较好地与裂缝位置吻合。据此认为,基于分数阶Fourier变换、结合平滑伪Wigner-Ville分布(FRFT-SPWD)的时频分布是识别裂缝性地层的有效手段。