CN101672924B - 提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法。它是考虑到检波器尾锥的密度、底面积、表面粗糙度等物性参数，利用检波器耦合振动系统理论通过调整尾锥的几何参数来进行检波器耦合系统谐振频率的计算。然后，通过对比分析理论计算结果，设计出检波器尾锥的最佳接收参数。之后，根据计算设计的最佳接收参数进行检波器尾锥的制作。最后，利用特制的检波器尾锥和石膏进行检波器与灰岩地表的耦合，进行地震数据的接收。本发明使得所接收的地震信号无论在能量上还是在优势频带上都要优于常规耦合方式，提高了灰岩出露区地震数据的接收品质，解决了我国南方海相碳酸盐岩地区地震采集中检波器耦合效果不好的难题。

Description

提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法

技术领域

本发明涉及地震勘探领域，尤其是涉及一种提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法。

背景技术

中国南方海相碳酸盐岩沉积盆地的分布幅员辽阔，从目前普光气田的发现来看，该地区地下油气等资源极为丰富，但是由于地表大面积坚硬灰岩的出露，给地震检波器与灰岩地表的完好耦合带来了很大困难。目前常规的检波器与灰岩耦合方法是利用粘土等耦合介质将带有铁质尖尾锥的检波器埋置在灰岩表面，利用这种检波器耦合方式采集的地震数据能量和频率都较低，降低了灰岩出露区地震采集资料的品质，严重制约了南方海相碳酸盐岩盆地进一步的油气勘探。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法。

提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法包括如下步骤：

1)检波器圆盘尾锥的设计：

利用石膏将检波器圆盘尾锥与灰岩耦合在一起，这种情况下检波器-灰岩耦合系统响应主要受到尾锥与石膏所构成的谐振系统的影响，尾锥与石膏谐振系统的固有频率f跟检波器尾锥的密度ρ_g、底半径R_g和高度h、系统刚度系数k₂有关，其关系式为，

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\π}{R}_g^{2}h+0.01}}---\left(1\right)$

刚度系数k为主要与尾锥、石膏之间的接触刚度有关，是组合弹性模量E、检波器尾锥底面粗糙度D、尾锥半径R_g、尾锥高度h、尾锥密度ρ_g的函数，可表示为，

k₂＝φ(E，D，R_g，h，ρ_g)                (2)

检波器尾锥材料为铁质，因此其密度ρ_g等于7800Kg/m³，底面粗糙度等于10^-11，检波器底面半径给定为2cm，铁质圆盘尾锥与石膏的组合弹性模量等于2×10⁹，如果固有频率f≥500Hz，那么检波器-灰岩耦合效应对地震信号的影响就大大降低了，利用公式(1)、公式(2)计算出尾锥高度h≤1cm，考虑到机床等加工设备的加工能力，检波器圆盘尾锥的高度取为1cm；

2)检波器圆盘尾锥的制作：

选择直径为4cm的圆柱状铁质材料，首先在铁柱表面中心加工出与检波器尾锥插孔尺寸吻合的中心螺丝，螺丝的高度为1.2cm，直径为0.5cm；然后截取一个1cm厚的圆盘，利用机床设备加工出检波器圆盘尾锥；

3)检波器的耦合：

首先把常规检波器铁质尖尾锥取下来，然后把检波器圆盘尾锥的中心螺丝紧紧的拧到检波器外壳上；野外施工时，将石膏粉用水进行稀释，并进行搅拌至糊状，川东北碳酸盐岩地区地震勘探技术难点与对策石膏上，并稍微压一下，让两者紧密地接触在一起。等石膏凝固后，即可进行地震数据的采集接收。

本发明利用石膏和检波器圆盘尾锥进行灰岩出露区地震检波器的耦合，采用新的耦合方法比常规耦合方法使得灰岩出露区所接收的地震数据无论是在能量还是在优势频带宽度上都得到了较大幅度提高的预期效果，提高了灰岩出露区地震有效反射信号的检测能力，为解决我国南方海相碳酸盐岩地区的检波器耦合难题提供了一个有效的实施方案。

附图说明

图1是检波器-灰岩耦合系统理论模型示意图；

图2是不同检波器尾锥高度与耦合系统谐振频率的关系图；

图3是在新耦合方法与常规耦合方法接收的浅层单道对比记录；

图4是新耦合方法与常规耦合方法接收的深层单道对比记录；

图5是新耦合方式方法采集的地震浅层信号的频谱；

图6是常规耦合方法采集的地震浅层信号的频谱；

图7是新耦合方法采集的地震深层信号的频谱；

图8是常规耦合方法采集的地震深层信号的频谱；

图9是新耦合方法与常规耦合方法接收的浅层地震信号的能量对比图；

图10是新耦合方法与常规耦合方法接收的深层地震信号的能量对比图。

具体实施方式

提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法包括如下步骤：

1)检波器圆盘尾锥的设计：

利用石膏将检波器圆盘尾锥与灰岩耦合在一起，这种情况下检波器-灰岩耦合系统响应主要受到尾锥与石膏所构成的谐振系统的影响，尾锥与石膏谐振系统的固有频率f跟检波器尾锥的密度ρ_g、底半径R_g和高度h、系统刚度系数k₂有关，其关系式为，

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\π}{R}_g^{2}h+0.01}}---\left(1\right)$

刚度系数k为主要与尾锥、石膏之间的接触刚度有关，是组合弹性模量E、检波器尾锥底面粗糙度D、尾锥半径R_g、尾锥高度h、尾锥密度ρ_g的函数，可表示为，

k₂＝φ(E，D，R_g，h，ρ_g)            (2)

检波器尾锥材料为铁质，因此其密度ρ_g等于7800Kg/m³，底面粗糙度等于10^-11，检波器底面半径给定为2cm，铁质圆盘尾锥与石膏的组合弹性模量等于2×10⁹，如果固有频率f≥500Hz，利用公式(1)、公式(2)计算出尾锥高度h≤1cm，考虑到机床等加工设备的加工能力，检波器圆盘尾锥的高度取为1cm；

2)检波器圆盘尾锥的制作：

选择直径为4cm的圆柱状铁质材料，首先在铁柱表面中心加工出与检波器尾锥插孔尺寸吻合的中心螺丝，螺丝的高度为1.2cm，直径为0.5cm；然后截取一个1cm厚的圆盘，利用机床设备加工出检波器圆盘尾锥；

3)检波器的耦合：

首先把常规检波器铁质尖尾锥取下来，然后把检波器圆盘尾锥的中心螺丝紧紧的拧到检波器外壳上；野外施工时，将石膏粉用水进行稀释，并进行搅拌至糊状，然后将灰岩出露区灰岩地表的杂物清理干净，以便石膏与灰岩地表能够很好的粘连在一起，将稀释后的石膏均匀的放在灰岩上，最后将带有圆盘尾锥的检波器牢牢地垂直放在石膏上，并稍微压一下，让两者紧密地接触在一起。等石膏凝固后，即可进行地震数据的采集接收。

详细工作过程如下：

检波器圆盘尾锥的设计与制作：

灰岩出露区地表岩石非常坚硬，很难将检波器尾锥直接插置在灰岩地表进行检波器耦合，因此通常是用粘土或土壤等耦合介质把检波器埋置在灰岩地表。从振动力学角度来看，如果利用粘土和土壤等将检波器埋置在灰岩地表，那么检波器-灰岩耦合系统是一个三自由度耦合系统，将受到两个耦合谐振频率的影响。如果利用石膏将检波器圆盘尾锥与灰岩粘连在一起，由于石膏较薄而且较轻，因此这种耦合模式下的系统响应主要受到尾锥-石膏单一耦合谐振频率的影响，从振动系统谐振对检波器耦合效应的影响来看，这种耦合方式是比较有利的，检波器-石膏-灰岩耦合系统的理论模型如图1所示。

那么，尾锥-石膏所构成的振动系统的等效质量为，

m＝ρ_gπR_g ²h+m_壳            (3)

其中，ρ_g为检波器尾锥的密度；R_g为尾锥的底半径；h为尾锥的高度；m_壳为检波器外壳的质量，SN-10型速度检波器外壳质量约为0.01Kg，因此计算时m_壳取0.01。

尾锥-石膏所构成的振动系统的等效刚度系数k主要由尾锥与石膏的接触刚度所决定，两个粗糙表面之间的法向接触刚度公式为，

$k_n=\frac{2\mathrm{ED}{a_l}^{\frac{D}{2}}}{\sqrt{\mathrm{\π}}(1-D)}({a_l}^{\frac{1-D}{2}}-{a_c}^{\frac{1-D}{2}})---\left(4\right),$

其中，E为两个接触介质的组合弹性模量，a_l为两者的最大接触点的面积，a_c为两者的临界接触面积，D为粗糙表面的分形维数，而且，

$\frac{1}{E}=\frac{1-{{\mathrm{\σ}}_1}^2}{E_1}+\frac{1-{{\mathrm{\σ}}_2}^2}{E_2}---\left(5\right),$

其中，E₁、E₂、σ₁、σ₂分别代表两接触介质的弹性模量和泊松比。

临界接触面积的计算公式为，

其中，G为粗糙表面的分形粗糙度参数，k为较软材料硬度和屈服强度的比值，

为较软材料的屈服强度和组合弹性模量的比值。

作用在粗糙表面上的法向力P与最大接触点的面积关系为，

当D≠1.5时，

当D＝1.5时，

本文在计算法向力时，主要考虑了重力的影响。根据(4)-(8)的一系列公式，可求出刚度系数k。

根据振动系统理论，可知尾锥-石膏所构成振动系统的固有振动频率为，

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(9\right)$

这样根据公式(1)-(9)，可计算出检波器圆盘尾锥高度h与固有频率f关系图如图2所示。当考虑f≥500Hz时的情况，这时检波器-灰岩耦合效应对地震信号的影响就大大降低了，可以确定检波器圆盘尾锥的高度h≤1cm。

因此，基于以上理论分析，并考虑到加工检波器圆盘尾锥的机床等设备的加工能力，制作了1cm厚度的铁质圆盘状尾锥以替代常规铁质尖尾椎，尾锥的底面直径为4cm，高度为1cm。常规铁质尖尾锥高度一般在7cm，因此，从理论上来说新制作的圆盘尾锥接收能力要优于常规尾锥。

选择直径为4cm的圆柱状铁质材料，首先在铁柱表面中心加工出与检波器尾锥插孔尺寸吻合的中心螺丝，螺丝的高度为1.2cm，直径为0.5cm；然后截取一个1cm厚的圆盘，利用机床设备加工出检波器圆盘尾锥。

野外实施方法：

野外施工时，首先将石膏粉用水进行稀释，并进行搅拌至糊状。然后，将灰岩出露区灰岩地表的杂物(浮土等)清理干净，以便石膏与灰岩地表能够很好的粘连在一起，将稀释后的石膏均匀的放在灰岩上。最后，将带有圆盘尾锥的检波器牢牢地垂直放在石膏上，并稍微压一下，让两者紧紧地接触在一起。等石膏凝固后，即可进行地震数据的采集接收。同时，在附近利用常规的耦合方法将同类型的检波器埋置在灰岩地表，以便进行同等条件下的接收对比，检验新耦合方法的接收效果。

结果分析：

在图3中，左边的信号新耦合方法采集的，右边的信号是常规耦合方法采集的。在图4中，左边的信号新耦合方法采集的，右边的信号是常规耦合方法采集的。由图3、图4可以看出，无论浅层还是深层反射资料，新耦合模式所接收的信号分辨率都较高，而且，波形比较自然，基本上没有畸变，表明所接收信号的信噪比也是比较高的。

由图5、图6对比可以看出，以-15dB所对应的频带来分析，新耦合方法要比常规耦合方法接收的浅层信号频带宽度高出10Hz左右；由图7、图8对比可以看出，新耦合方法采集的深层信号优势频带比常规耦合方法高出5Hz左右。表明新耦合方法所接收地震反射信号的频带宽，分辨率高。

在图9中，左边对应新耦合方法采集的，右边对应常规耦合方法采集的。在图10中，左边对应新耦合方法采集的，右边对应常规耦合方法采集的。由图9、图10可以看出，无论是浅层还是深层反射信号，新耦合方法所接收信号的能量都比常规耦合方式的高，表明新耦合模式检测地震反射信号的能力较强。

综上来看，新的耦合方法比常规耦合方式提高了检波器-灰岩的耦合效果，所接收的地震信号无论在能量上还是在频率上都有明显的优势，提高了灰岩出露区地震信号的检测能力。

Claims (1)

1.一种提高灰岩出露区地震信号检测能力的检波器耦合方法，其特征在于包括如下步骤：

1)检波器圆盘尾锥的设计：

利用石膏将检波器圆盘尾锥与灰岩耦合在一起，这种情况下检波器-灰岩耦合系统响应主要受到尾锥与石膏所构成的谐振系统的影响，尾锥与石膏谐振系统的固有频率f跟检波器尾锥的密度ρ_g、底半径R_g和高度h、系统刚度系数k有关，其关系式为，

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\π}{R}_g^{2}h+0.01}}---\left(1\right)$

刚度系数k主要与尾锥、石膏之间的接触刚度有关，是组合弹性模量E、检波器尾锥底面粗糙度D、底半径R_g、尾锥高度h、尾锥密度ρ_g的函数，表示为，

检波器尾锥材料为铁质，因此其尾锥密度ρ_g等于7800Kg/m³，底面粗糙度等于10^-11，检波器尾锥的底半径给定为2cm，铁质圆盘尾锥与石膏的组合弹性模量等于2×10⁹，如果固有频率f≥500Hz，那么检波器-灰岩耦合效应对地震信号的影响就大大降低了，利用公式(1)、公式(2)计算出尾锥高度h≤1cm，考虑到机床的加工能力，检波器圆盘尾锥的高度取为1cm；

2)检波器圆盘尾锥的制作：

选择直径为4cm的圆柱状铁质材料，首先在铁柱表面中心加工出与检波器尾锥插孔尺寸吻合的中心螺丝，螺丝的高度为1.2cm，直径为0.5cm；然后截取一个1cm厚的圆盘，利用机床设备加工出检波器圆盘尾锥；

3)检波器的耦合：

首先把常规检波器铁质尖尾锥取下来，然后把检波器圆盘尾锥的中心螺丝紧紧的拧到检波器外壳上；野外施工时，将石膏粉用水进行稀释，并进行搅拌至糊状，然后将灰岩出露区灰岩地表的杂物清理干净，以便石膏与灰岩地表能够很好的粘连在一起，将稀释后的石膏均匀的放在灰岩上，最后将带有圆盘尾锥的检波器牢牢地垂直放在石膏上，并稍微压一下，让两者紧密地接触在一起；等石膏凝固后，即可进行地震数据的采集接收。

Images