CN103874935A - 地震频率扫描增强 - Google Patents

Abstract

一种执行地震扫描的方法，包括形成合力分布；利用合力分布构建目标地震频率扫描；以及利用构建的目标频率地震扫描操作地震源。

Description

地震频率扫描增强

背景技术

1、技术领域 

本发明主要涉及地震勘探，特别是涉及用生成具有增强的地震频率扫描的地震源信号的方法和装置。 

2、相关技术 

在石油和天然气勘探行业，通常采用地球物理工具和技术来识别具有潜在烃类储藏的地下结构。可利用多种不同的技术来生成地震信号。 

地震的振动能量源在本领域已经使用多年。地震振动器的最简单形式仅仅是能够以大约2到300Hz的预定频率范围震动地面的重型车辆。经过相对长的一段时间，振动器的信号传递到地下，其能够达到的能量等级小于诸如炸药的冲击波发生器。 

被传递的能量，已知为地震源信号或“导向”信号，穿过地下并且从某些地下地质边界或层反射部分能量。被反射的能量然后传送回地表，在地表处利用地球运动检测器进行记录。处理被记录的数据，产生关于组成地下的层的位置和物理性质的信息。 

地震的振动源信号典型地是扫描(sweep)信号，或者简称扫描。扫描是在上述2-300Hz的范围内的正弦振动，并且持续时间在2到40秒的级别，这取决于地形、地下的岩性、经济约束以及振动器的物理性能。可以随着时间增加正弦扫描频率，这称为“升频扫描”。升频扫描是典型地用在现代地震勘探中的信号。而且，正弦扫描还可以随着时间减小扫描频率，这称为“降频扫描”。振动器扫描的最终产物是通过地表传播以返回地下线索的波。 

本发明提供用于增强地震扫描的方法和装置。 

发明内容

在各个方面中，本发明提供一种执行地震扫描的方法。该方法可以包括形成合力分布；利用合力分布构建目标地震频率扫描；以及利用构建的目标频率地震扫描操作地震源。该合力分布可以通过利用以下方法获得两个或多个力分布而形成：一个或多个稳态扫描；一个或多个瞬态力扫描；一个或多个瞬态频率扫描；以及一个或多个瞬态力和频率扫描。 

在各个方面中，本发明还提供一种计算机可读媒介，具有嵌入其中的计算机程序并且可由处理器访问以执行计算机程序。计算机程序可以包括形成合力分布的指令以及利用合力分布构建目标地震频率扫描的指令。计算机程序还可以包括利用构建的目标频率地震扫描操作地震源的指令。 

附图说明

为了详细地理解本发明，结合附图，参考以下优选实施例的详细说明，附图中相同的元件给出了相同的标记，并且其中： 

图1示出了利用本发明各个方面的典型地震数据采集操作； 

图2是振动型地震源、例如图1中的地震源的功能特征的示意性表示； 

图3示出了根据本发明的一个实施例生成合力分布的方法； 

图3A示出了可用于产生目标扫描的示例性曲线拟合方法； 

图4A示出了根据本发明一个实施例的利用稳态方法产生的测试扫描； 

图4B示出了利用图4A的测试扫描识别的基本力； 

图5A示出了根据本发明一个实施例的利用瞬态力方法产生的测试扫描； 

图5B示出了利用图5A的测试扫描识别的基本力； 

图6A示出了根据本发明一个实施例的利用瞬态频率方法产生的测试扫描； 

图6B示出了利用图6A的测试扫描的用于频率的优选时间； 

图6C示出了与在利用瞬态频率方法获得的频率范围内的驱动力值相关联的时间表； 

图7A示出了根据本发明一个实施例的利用瞬态频率和瞬态力方法产生的测试扫描； 

图7B示出了利用图7A的测试扫描识别的瞬态力； 

图8示出了根据本发明一个实施例利用图3中的方法产生的目标地震扫描；以及 

图9示出了根据本发明的一个实施例构建目标扫描的方法。 

具体实施方式

通过下面的论述，将能够意识到的是，本发明的各个方面提供了执行增强的地震扫描的方法。振动器的行为可取决于用于产生力分布的方法。在一个方面，通过建立合力分布(profile)控制地震振动器的行为，获得这种增强。该过程的结果是基于结果扫描的目的来确定振动器的最优力分布。这些方法的一个方面是利用合力分布构建目标地震频率扫描。该目标频率地震扫描可以包括包括单一频率的频率扫描；频率随时间增加的频率扫描；频率随时间减小的频率扫描；包括单一频率和增加的频率的频率扫描；包括单一频率和减小的频率的频率扫描；或者包括单一频率和增加的频率以及减小的频率的频率扫描。 

合力分布可以基于一个或多个实验性的扫描，例如利用一个或多个稳态扫描的力分布，利用一个或多个瞬态力扫描的力分布，利用一个或多个瞬态频率扫描的力分布以及利用一个或多个瞬态力和频率扫描的力分布。然后可以利用目标地震频率扫描来操作振动性地震源。 

图1描绘了根据本发明实施例可以使用目标地震频率扫描的测量布置图。地震源100位于勘探区域中的预定位置并且耦接到地表。在所示的实施例中，地震源100是卡车装载的振动性地震源。该振动性地震源100可以是单轴源，例如仅仅将压缩P波传递到地表。本领域技术人员应当认识到，也可以根据本发明以下的详细描述来配置能够将P波和S波都传递到地表的多轴振动源，而无需附加的描述或说明。因此，为了简便起见而非限定本发明的范围，本发明将重点讨论单轴地震源。 

地震源100包括具有驾驶室172的卡车170，驾驶室中容纳有控制器108。地震源包括用于移动反作用质量块104的液压子系统140。将参照图2进行更详细地描述的，移动反作用质量块104作用到底盘106上，将地震源信号102传递到地表。信号102穿过地表，在不连续的底层处反射，并且朝着地球表面传播。 

多个传感器160以与地震源100间隔开来的阵列形式耦接到地表。传感器 160检测反射的源信号102，并且可以是数字的和/或模拟的电信号162从传感器160的阵列传输到典型地容纳在卡车中的记录站(未示出)。记录站包括地震记录器168，并且还可以包括关联处理器，其还接收表示传递到地表的实际源信号102的电信号180。 

仍然参照图1，地震源100包括几个子系统，具有用于产生地震信号102的系统部件。系统100包括具有液压管路142的液压泵子系统140，用于将液压液114输送到伺服阀组件112。冷却器150典型地被用来冷却液压子系统。安装在卡车上的低频蓄电池144相对大，例如大约10加仑容量或者更大，并且用作抑制液压系统的操作引起的低频噪声，例如大约25Hz或者更小。 

图2示意性地描述了基本上如上所述的并且示出在图1中的用于传递正弦地震信号102到地表的地震信号生成系统100。附图标记与图1中相同的部件保持一致。底盘106通过静重耦接到地表。反作用质量块104可移动地耦接到底盘106，使得反作用质量块104经由液压子系统140的受控的移动以期望的幅度和频率或扫描振动底盘106，从而生成信号102。控制器108包括用于控制系统100的处理器110。该控制器电耦接到伺服阀组件112。伺服阀组件112包括伺服电机120，导向阀122以及主级阀124。 

伺服阀组件112控制液压子系统140中的流体移动，从而提供移动反作用质量块104的力。具有期望的扫描信号特征的电信号116从控制器108传输到伺服电机，操作导向阀122。导向阀122耦接到主级阀124，并且包括液压联轴器，用于传送液压以操作主级阀。当被操作时，主级阀对液压通道(未示出)增压和减压，从而根据控制器信号移动反作用质量块104。 

在本发明的各个方面中，通过调节被加压的液压液114逆着(against)反作用质量块104流动，迫使反作用质量块104快速且反复地在垂直方向上往复运动，创建地震信号102。通过调节液压液114的流动从而调节反作用质量块104的速度和力来控制这种振动的声学特征。 

现在参照图3，这里示出了一种用于构建合力分布202的方法200。该方法200可以包括利用一个或多个稳态扫描通过实验得到的力分布204，利用一个或多个瞬态力扫描通过实验得到的力分布206，利用一个或多个瞬态频率扫描通过实验得到的力分布208，以及利用一个或多个瞬态力和频率扫描通过实验得到的力分布210。这些通过实验得到的力分布204-210可以被关联或合并以获得合力 分布202。例如，在一个实施例中，可利用数学运算，例如加权平均，来合并力分布204-210。在其它实施例中，可利用历史的或经验的数据来调整任一或所有的力分布204-210。在其它实施例中，可省略通过实验得到的力分布204-210中的一个或多个。以下将参照附图4-7，讨论每个实验性的力分布204-210。 

图4A-B描述了可以如何利用稳态方法生成力分布数据。图示出了驱动力(F)关于时间(T)的关系，以及表示出了选定频率处的示意性力分布。如图4A所示，在每个频率处，在选定频率范围内增加目标驱动力。最大的力被标注为数字220。图4B示出了发生在输出力值222(或基本力)处的稳态条件。对每个力间隔监控系统行为，直到检测到该频率的稳态(例如，力值222)。在这些测试过程中采集的系统行为信息可以在完成测试之后进行处理。这种处理可以包括滤波，分类，转换以及其它已知的分析方法以识别最优的力值。 

在图4A-B中，生成力的时间(t)保持恒定，但并不总是需要这样。在期望频率范围内的所有频率上执行该处理，以产生力值和相关频率的数据集。因此，通常，稳态方法通过在预定时间周期施加一个或多个所选择的力来估算每个频率处的驱动力。然后，可以选择预定的时间周期，使得驱动力至少超过瞬态响应。 

图5A-B描述了可以如何利用瞬态力的方法生成力分布数据。所述图示出了驱动力(F)关于时间(T)的关系，并表示出了选定频率处的示意性力分布。如图5A所示，对于每个频率处在时间周期(例如20秒)上，驱动力从零线性倾斜上升到计算的最大力230。图5B示出了发生在输出力值232(或基本力)处的稳态条件。对每个力间隔监控系统行为，直到检测到稳态(例如，力值232)。在这些测试过程中采集的系统行为信息可以在完成测试之后进行处理和分析以识别最优的力值。 

力值232可以被选择为该频率的力。 

图6A-B描述了瞬态频率扫描方法。该图示出了驱动力(F)关于时间(T)的关系，以及表示出了选定频率处的示意性力分布。虽然图6A示出的是恒定频率，该方法也可以使用频率范围。如图6A所示，力保持恒定并且增加时间来确定振动器系统中激励共振的扫描时间。在另一方法中，可以增加时间来确定其它操作特征或参数。例如，可以增加时间来确定跨多个频率的最小持续时间，以便达到适当的振动器性能，例如泵流量。因此，力间隔232-238每个都具有 连续增加的长度。于是，时间保持在可以激励共振的时间之下。如图6B所示，可以分析每个时间周期处的振动器性能来估计何时可接受该响应。在图6B中，可接受的响应可被认为发生在力239处。因此，瞬态频率扫描方法通常通过在整个选定频率范围扫描并且在每个频率处保持变化的时间周期来估算驱动力。根据图6B，可接受的时间进入到图6C中所示的表240中，这里力与每个频率优选的时间相关。 

图7A-B示出了瞬态频率扫描和频率方法。该图示出了驱动力(F)关于时间(T)的关系，以及表示出了选定频率处的示意性力分布。如图7A所示，力倾斜上升并且时间增加。可通过如下方法首先确定可能由于反作用质量块位移限制导致的力，瞬态力可以是倾斜的： 

为了找到低频处的最大理论基本峰值力： 

Max[sin(ω×t)]＝1，a_max＝|-A×ω²|＝A×ω²

F＝m×A×ω²

其中：m是反作用质量块的质量，m_RM

A是反作用质量块位移的峰值幅度 

A＝S_RM/2，S_RM是可用的冲程 

ω＝2×π×f，f是频率 

F＝m_RM×S_RM/2×(2×π×f)²

驱动力按百分比变化(例如，100％、95％、90％、85％、80％等等)。参照图7B，可以选择超过最低基本力的力，这里是力241。在期望频率范围内的所有频率上执行该过程，以产生力值和相关频率的数据集。因此，瞬态力和频率扫描通常通过下列步骤估算驱动力：在整个选定频率范围内扫描；在每个频率处保持变化的时间周期；以及施加从标称力到估算的最大力范围内的多于一个的所选择力。在期望频率范围内的所有频率处执行该处理，以产生力值和相关频率的数据集。因此，通常瞬态力方法通过施加从标称力到估算的最大力范围内的所选择的力来估算每个频率处的多于一个的驱动力。 

图4B、5B、6B和7B描述了与目标力扫描相关的输出力。可利用多种方法和装置评估系统行为，例如响应于施加的目标力扫描的失真和稳态条件。例如，声传感器、速度传感器、以及诸如加速度计的运动传感器、称重传感器(load cell)、质点峰值速度传感器、地下地震传感器和地面地震检波器可被用于评估系统响应。而且，可利用使用一个或多个系统参数的量度的模型选择驱动力的值。这些参数包括但不限定于，基本的信号传输媒介力、峰值信号传输媒介力、反作用质量块基本力、反作用质量块峰值力、底盘基本力、底盘峰值力、总的 地面作用力失真、谐波的地面作用力失真、总的反作用质量块失真、谐波的反作用质量块失真、总的底盘失真、谐波的底盘失真、信号传输媒介的刚度估算、信号传输媒介的粘度估算、信号传输力与目标力的相位对比、反作用质量块和底盘的加速度计的相位等等。 

应当理解的是，上述的每种技术都采用了不同的策略用于产生力分布。每种策略都可以根据不同的假设，并且可以依靠用于识别特定频率的优选力的不同标准。也就是说，这些技术的相关性可取决于特定的振动器卡车配置、地层岩性、地面条件(例如，旱地、泥淖、水，等等)、地震传播设计，等等。 

返回到参照图3，力分布204-210以某种方式被关联或合并以获得合力分布202。该合力分布202是力值的数据集，于是可被用于开发目标扫描。可采用已知的方法，例如内插、平滑、外插、回归分析、统计推断、多项式方程以及曲线拟合来开发目标扫描。示例性曲线拟合示出在图3A中。图3A曲线拟合示出了其中曲线与已知数据点“最佳匹配”，但不相交的例子。在另一例子中，曲线拟合可以生成与所有数据点相交的曲线。当这种情况发生时，可利用曲线拟合估算已知点之间各点的值。可利用合力分布202生成目标扫描，例如图8中示出的示意性目标扫描242。 

图9示出了用于生成诸如在图8中示出的增强频率地震扫描的示意性方法250。例如，参照图8。可利用方法250(图9)使扫描形成在低频率范围244，高频率范围246，和/或中间频率范围248。现在参照图9，方法250包括设定期望的扫描参数的步骤252，其可以包括设定上限和下限频率。在步骤254中，采集和评估与可以影响地震扫描的因素相关的信息。该信息可以包括但不限于：仪器的操作设定点、容量和限制；环境条件，例如温度和气候条件；传输地震信号的地表或媒介的岩性；以及振动器与地表之间声耦合的属性。可以测量和/或计算该信息。在步骤256中，可利用图3的方法与步骤252和254中采集的信息一起，获得合力分布。在步骤258中，利用获得的力分布采用已知的技术产生增强的扫描。在步骤260中，利用扫描，连同结合图1-2示出和描述的系统来生成地震信号。 

仅仅是为了示意性的目的，以下提供了生成扫描的方程。应当理解的是，本发明并不限定于这些扫描方程。本领域技术人员可以理解下面的方程仅仅表示可用于生成扫描的数学模型的一般类型和属性。通过利用一个或多个以下扫 描方程，可以构建基于合力分布的扫描，满足期望的扫描性能。这通常被称为分段扫描。 

频率变化相对于时间是线性的线性扫描可以表示如下： 

$S\left(t\right)=A\sin [2\mathrm{\π}{F}_{\mathrm{st}}t+\mathrm{\π}\{\frac{F_{\mathrm{end}}-F_{\mathrm{st}}}{T_{\mathrm{length}}}\left\}{t}^2\right]$

其中：F_t-瞬态频率(Hz) 

F_st-开始频率(Hz) 

F_end-结束频率(Hz) 

T_length-扫描长度(秒) 

t-瞬态时间(秒) 

A-线性扫描的幅度 

频率变化相对于时间是线性的dB/Hz非线性扫描可以表示如下： 

S(t)＝Asin[φ(t)]dB/Hz 

其中φ(t)可表示为： 

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\{F_{\mathrm{st}}t+\mathrm{\β}\×[(\frac{1}{\mathrm{\α}}+t)\×{\log }_e(1+\mathrm{\αt})-t\left]\right\}$

其中： 

$\mathrm{\β}=\frac{20}{\mathrm{\γ}\×{\log }_e\left(10\right)}$

$\mathrm{\α}=\frac{e^{\left(\frac{F_{\mathrm{end}}-F_{\mathrm{st}}}{\mathrm{\β}}\right)}-1}{T_{\mathrm{length}}}$

log_e-自然对数 

频率变化相对于时间是线性的dB/Octave非线性扫描可以表示如下： 

S(t)＝Asin[φ(t)]dB/Oct 

其中φ(t)可表示为： 

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\{{[{F_{\mathrm{st}}}^{\left(\frac{N+6}{6}\right)}+[\frac{{F_{\mathrm{end}}}^{\left(\frac{N+6}{6}\right)}-{F_{\mathrm{st}}}^{\left(\frac{N+6}{6}\right)}}{T_{\mathrm{length}}}\left]t\right]}^{\left(\frac{N+12}{N+6}\right)}-{F_{\mathrm{st}}}^{\left(\frac{N+6}{6}\right)}\×\mathrm{Fst}\}\×\left\{\frac{(N+6)T_{\mathrm{length}}}{(N+12)[{F_{\mathrm{end}}}^{\left(\frac{N+6}{6}\right)}-{F_{\mathrm{st}}}^{\left(\frac{N+6}{6}\right)}]}\right\}$

其中N＝常数×0.01 

频率变化相对于时间是线性的T-功率扫描可以表示如下： 

S(t)＝Asin[φ(t)]  (T-功率) 

其中φ(t)可表示为： 

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}\{F_{\mathrm{st}}t+\left(\frac{F_{\mathrm{end}}-F_{\mathrm{st}}}{(N+1)T_{\mathrm{length}}^N}\right)t^{N+1}\}$

对于目标频率的确定，可以选择线性扫描的功率谱作为目标谱。因此，在频域中，功率谱可被定义为恒定值的力水平(force level)乘以瞬态频率。对于功率谱P(f)，其可以被表示为如下方程： 

$P\left(f\right)=F_{\max }{\left(\frac{f}{f_p}{e}^{-\frac{1}{m}\left(\frac{f}{f_p}\right)m}\right)}^n$

其中f_p是拐角频率；m是常数，定义函数类型，例如，当m＝2时，函数遵从高斯函数；并且n是导数的阶数。 

功率谱的底部曲线(lower plot)通过以下方程给出： 

$p\left(f\right)=\left(\frac{2}{\mathrm{\π}}\right)P(f_u-f_1){\sin }^2[\frac{1}{3}\mathrm{\π}(f-f_1)/(f_u-f_1)]$

其中，f₁是下频率边界，以及f_u是上频率边界。 

功率谱的顶部曲线(upper plot)通过以下方程给出： 

P(f)＝(f-f₁)(f_u-f)(f_l+f_u-2f)²+ε 

其中ε是大于零的小常数，其可被加入以避免与特定频率处的零功率相关的数字问题。 

可利用本发明的合成方法构建任意扫描，其可被数学地表示或模型化以及编程到诸如计算机的信息处理设备。因此，只要可以数学地确定相位方程或扫描速率，就可以获得任意目标功率谱。 

在一些实施例中，步骤252-258可以在第一信息处理设备(例如编程有指令、算法、软件等的计算机)中执行并且该目标扫描(例如图8中的目标扫描240)可以被输入到被编程为控制振动的地震源的控制器(例如图2中的控制器108)。在其它实施例中，步骤252-258可以都在控制器中执行，该控制器被编程为控制振动的地震源(例如图2中的控制器108)。因此，应当理解的是计算机可读媒介可以包括执行方法250中的部分或所有步骤的计算机程序。该目标扫描可通过任意媒介类型(可移除或固定的(RAM、Flash、NVRAM、EEPROM等))或者借助任意无线或者线缆的方法被输入到控制器/处理器。此外，可利用这些方法中的任意一种，将表格、矩阵或者力分布输入到控制器/处理器。 

在这里使用与本发明“软件方面”有关的本发明的部分。这些方面包括根据逻辑、软件或实施方面的软件的详细说明和权利要求，典型地代码化到不同的媒介中，包括但不限于计算机可读媒介、机器可读媒介、程序存储媒介、或者 计算机程序产品。这些媒介可通过信息处理设备被处理、读取、检测和/或编译。本领域技术人员将理解到的是，这些媒介可以采用不同的形式，例如卡片、磁带、磁盘(例如软盘或硬盘)以及光盘(例如压缩盘只读存储器(“CD-ROM”)或者数字通用(或视频)盘(“DVD”))。这里公开的任意实施例只是用于示意性描述而并非限定本发明或权利要求范围的方式。 

这里使用的术语“信息处理设备”、“处理器”、“计算机”或者“控制器”包括但不限于传输、接收、操作、转换、计算、调制、转置、装载、存储或者以其它方式利用信息的任何设备。在本发明的多个非限定性方面，信息处理设备包括用于执行不同方法的、执行编程指令的计算机。 

Claims (15)

1.一种执行地震扫描的方法，包括：

形成合力分布；

利用合力分布构建目标地震频率扫描；以及

利用构建的目标频率地震扫描操作地震源。

2.根据权利要求1的方法，其中形成合力分布包括以下至少两项：

利用一个或多个稳态扫描获得力分布；

利用一个或多个瞬态力扫描获得力分布；

利用一个或多个瞬态频率扫描获得力分布；以及

利用一个或多个瞬态力和频率扫描获得力分布。

3.根据权利要求2的方法，其中利用稳态扫描计算力分布包括：

通过在预定时间周期内施加一个或多个所选力估算每个频率处的驱动力。

4.根据权利要求3的方法，其中选择所述预定时间周期以使得驱动力至少超过瞬态响应。

5.根据权利要求2的方法，其中利用瞬态力扫描计算力分布包括：

通过施加从标称力到估算的最大力的范围内的所选力在每个频率处估算多于一个驱动力。

6.根据权利要求2的方法，其中利用瞬态频率扫描计算力分布包括：

通过在整个选定频率范围扫描并且在每个频率处保持变化的时间周期来估算驱动力。

7.根据权利要求2的方法，其中利用瞬态力和频率扫描计算力分布包括：

通过在整个选定频率范围内扫描来估算驱动力；

在每个频率处保持变化的时间周期；以及

施加从标称力到估算的最大力的范围内的多于一个所选力。

8.根据权利要求1的方法，其中通过利用加权平均方法来形成合力分布。

9.根据权利要求1的方法，进一步包括输入目标地震扫描到配置为操作地震源的可编程控制器。

10.根据权利要求1的方法，其中通过配置为操作地震源的可编程控制器构建目标地震扫描；并且所述方法进一步包括输入合力分布到可编程控制器。

11.根据权利要求1的方法，其中调整合力分布的选自以下内容的至少一个参数：(i)环境参数，(ii)设备参数，以及(iii)信号传输媒介参数。

12.根据权利要求1的方法，进一步包括：在执行地震扫描前从预先存在的数据库中采集与地震源相关的信息；以及其中合力分布至少部分基于预先存在的数据库。

13.根据权利要求1的方法，其中目标频率地震扫描包括下列至少之一：

包括单一频率的频率扫描；

频率随时间增加的频率扫描；

频率随时间减小的频率扫描；

包括单一频率和增加的频率的频率扫描；

包括单一频率和减小的频率的频率扫描；以及

包括单一频率和增加的频率与减小的频率的频率扫描。

14.一种具有嵌入其中的计算机程序的计算机可读介质，可被用于执行计算机程序的处理器访问，其中计算机程序包括：

形成合力分布的指令；以及

利用合力分布构建目标地震频率扫描的指令。

15.根据权利要求14的计算机可读介质，其中计算机程序进一步包括利用构建的目标频率地震扫描操作地震源的指令。

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