CN104321668B - 用于控制震源中的谐波失真的装置和系统 - Google Patents

用于控制震源中的谐波失真的装置和系统 Download PDF

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Abstract

一种用于产生震源信号的震源信号设备可包括用于将反作用体耦连到地表的震源组件；可操作地连接到震源组件的可控阀；和控制器，其利用主控制信号对可控阀进行控制，该主控制信号通过在选定操作范围上采用可控阀的响应模型来产生。模型被用于降低可控阀的流量‑位移响应的非线性。

Description

用于控制震源中的谐波失真的装置和系统
发明人：WEI，Zhouhong和PHILLIPS，Thomas F.
技术领域
本公开大体涉及地震勘探，特别地涉及用于产生具有增强地震频率扫描的震源信号的方法和装置。
背景技术
在石油及气体勘探业，地球物理工具及技术通常被采用以便识别具有潜在碳氢化合物沉积物的地下结构。许多不同的技术被用于产生地震信号。
地震振动能量源已在该领域使用很多年。最简单形式的地震振动器仅仅为重型汽车，其具有以大约2-100Hz的预定频率范围使地面震动的能力。振动器在较长时段期间将信号施加到地表地下，其允许小于诸如炸药的脉冲发生器的能量水平。
被称为震源信号或“导频”信号的被施加的能量穿过地下行进，并由特定的地下地质边界或层反射部分能量。反射的能量随后被传送回地表，在那里，其利用地球运动检测器来记录。所记录的数据被处理成产生关于构成地下物质的层的位置和物理特性的信息。
地震振动器源信号典型地为扫频信号或仅仅为扫描(sweep)信号。扫描信号为在上述的2-100Hz范围上的正弦振动，且取决于地形、地下岩性、和振动器的经济制约和物理能力具有在2-20秒级别的持续时间。正弦扫描可随着时间在频率上增加，其被称为“升频扫描”。升频扫描为现代地震勘探中典型采用的信号。而且，正弦扫描信号可随着时间在频率上降低，其被称为“降频扫描”。振动器扫描信号的最终产品为波，其穿过地球传播以返回关于地下物质的线索。
本公开提供用于增强地震扫描信号的方法和装置。
发明内容
一方面，本公开提供利用可操作地连接到可控阀的震源来产生地震信号的方法。该方法可包括利用选定工作范围上的可控阀的响应模型来产生主控制信号，其中，模型被用于降低可控阀的流量-位移响应上的非线性；以及将主控制信号传送给可控阀以利用震源产生地震信号。
一方面，本公开还提供用于产生震源信号的震源信号设备。该设备可包括将反作用体耦连到地球的震源部件；可控阀可操作地连接到震源部件；以及控制器，其利用通过采用选定工作范围上的可控阀的响应模型所产生的主控制信号来控制可控阀，其中，该模型被用于降低可控阀的流量-位移响应上的非线性。
附图说明
为了详细理解本公开，应联合附图参考下面优选实施例的详细说明，其中，同样的元件已给予同样的附图标记，且其中：
图1阐释了采用本发明的一方面的典型的地震数据的采集操作；
图2为振动源的剖视图的正视图；
图3为诸如图1的源的振动震源的功能特征的示意图；以及
图4为阐释传统伺服阀的流量增益响应的图表；
图5示意性地阐释了传统伺服阀的线轴；
图6为降低了传统伺服阀上的非线性的控制系统的一个实施例的示意框图；
图7为描述用于降低传统伺服阀上的非线性的一个示例性方法的流程图；以及
图8为阐释采用图7的控制系统来控制的传统伺服阀的流量增益响应的图表。
具体实施方式
现代地震振动器典型地由流体力学反作用体系统组成，其由诸如电控伺服阀组件的可控阀来驱动。控制电子器件输出作为命令的扫描信号以驱动伺服阀组件。作为响应，伺服阀组件输出高压液压油流。该高压流交替地供给到反作用体中的上部和下部室以形成差压。该差压上下驱动反作用体以产生反作用体力。同时，该反作用体力被均等地且相对地施加到振动器基板并以振动器作用力(ground force)的形式辐射到地面。在该系统中，伺服阀组件用作放大器，其将小的可控电流放大成大的差压。
与此同时，伺服阀细件中的非线性动力学特性也可被放大并表现为反作用体力的差压中的谐波失真。本公开的一方面使得能够通过采用改进振动器性能的谐波失真减少(HDR)控制来朝向低频(低于10Hz)延伸可控震源的带宽。尽管谐波失真减少可在整个扫频带上获得，这种减少在低频最为明显。
图1描述了可采用根据本公开的实施例开发的HDR控制的地球物理勘探布局。震源100被设置在勘察区域的预定位置并被耦连到地表。在所示出的实施例中，震源100为卡车载振动震源。振动震源100可为单轴源，例如其仅仅将压缩P波传递到地表。本领域技术人员会认识到，根据下文详细描述的本公开而无需附加的阐释或说明，可构造能够将P波和S波都施加到地表的多轴振源。因此，为了简便起见而不是限制本公开的范围，本公开将聚焦于单轴震源。
震源100包括卡车170，其具有容纳控制器108的驾驶室172。震源包括用于移动反作用体104的液压泵子系统140。如参考图3更详细描述的，移动的反作用体104作用到基板106上以将震源信号102施加到地表。该震源信号102穿过地表，在间断和岩层处反射，并朝向地球表面行进。
多个传感器160按距震源100间隔开的阵列的形式耦连到地表。传感器160检测反射的震源信号102，且电信号162，其可为数字的和/或模拟的，被从传感器阵列160传递到典型容纳在卡车中的记录站(未示出)。记录站包括地震记录仪168且也可包括相关性处理器，其也接收指示施加到地表的实际震源信号102的电信号180。
仍旧参考图1，震源100包括若干子系统，其具有用于产生震源信号102的系统组件。震源100包括液压泵子系统140，其具有将液压流体114运送到诸如伺服阀件112的可控阀的液压管路142。冷却器150典型地被提供以使液压泵子系统冷却。安装在卡车上的低频蓄能器144较大，例如大约10加仑以上，并用于抑制由液压系统的操作引起的例如大约25Hz或更小的低频噪声。
图2为类似于上述和图1中所述的震源100的振动地震信号源200的剖面的正面图。振动地震信号源或者仅仅为源200，可被承载在如上述的及图1中所示的卡车170的车辆上。源200包括举升机构件202、可移动质体204和基板206。质体204和基板206每一个都基本上可由诸如钢或铁的金属构造。本领域技术人员精通普通的构造材料，所以详细的材料列表在本文不是必需的。举升机构件202可为液压的、机械的、电动机械的或用于将基板206降低和升起以结合或脱离地面的任何机构件。
支柱结构208从基板206延伸穿过质体204。横档210，其可由钢或铁的I型梁构造，被耦连到支柱结构208的顶截面，以在质体204振动时为支柱结构提供稳定性。支柱可为由钢或铁制成的管状管道，尽管其它形状可被采用。
活塞212包括延伸穿过质体204的相对的活塞杆214，216。上层杆214被耦连到横档210上的中心毂，且下层杆被耦二连到基板206上的中心毂。活塞212可滑动地接纳在垂直延伸穿过质体204的汽缸218中。上部和下部环形室(即汽缸室)220，222直接定位在活塞212的上面和下面，并围绕上层和下层活塞杆214，216。液压流体通道224，226从各个室220，222引导到安装在质体204的外表面上的伺服阀件228。可替换地，装有汽门的垫片234可被安装在质体204与伺服阀件228之间。供给和返回液压管路(图1的142)将邻近于伺服阀件228安装在质体204上的伺服阀件224和一个或多个小的蓄能器230，耦连到上述的及图1中所示的液压泵子系统140。一对高频蓄能器230与伺服阀件尽可能近地安装，其已被发现有助于震源信号噪声的降低。高频蓄能器230相对较小，例如大约5加仑或更小，并用于抑制由伺服阀件228的操作引起的例如大约25Hz或以上的高频噪声。压力传感器236被用于测量供给液压、返回液压和进入/离开液压通道224，226的液压，以至少部分地用于根据本公开的控制算法和方法。
从汽缸室220，222泵入泵出的液压流体114使得质体204在垂直方向上往复地振动。由振动质体产生的力经由支柱结构208和下层活塞杆216传递到基板206。振动力借助于本领域公知的隔离体232与车辆相隔离。隔离体的数量和位置部分由基板的形状确定。
图3示意性地阐释了基本上如上所述的及图1和2中所示的震源100，以用于将正弦震源信号102施加到地表。参考标记与图1的同样元件相一致，但是图3的示意性阐释的组件也可应用于具有不同参考标记的图2上所示的类似的元件，清楚起见，其在下面用括号提供。基板106(206)经由静止重量耦连到地表。反作用体104(204)可移动地耦连到基板106(206)，以使得反作用体104(204)经由液压泵子系统140的受控运动使基板106(206)以期望的幅值和频率振动，或者扫描以产生震源信号102。控制器108包括用于震源100的处理器110。控制器电耦连到伺服阀件112(228)。伺服阀件112(228)包括伺服电机120、导向阀122和主级阀124。
伺服阀件112(228)控制液压泵子系统140中的流体运动，其提供用于使反作用体104(204)移动的力。具有期望扫描信号特性的电信号(即控制信号)116被从控制器108传递到伺服电机，其操作导向阀122。导向阀122被耦连到主级阀124并包括液压耦合，用于传递液压来操作主级阀。当操作时，主级阀为液压通道226，224加压和减压以根据控制器信号移动反作用体104(204)。高频蓄能器230降低或移除频率为大约25Hz或更高、典型地为25-30Hz的伺服阀谐波失真。
根据本公开的一个方面用于产生主控制信号116的一个示例性控制算法为：
其中：
Q＝通过伺服阀的液压流量；
K＝液压流量增益；
XV＝伺服阀位移量；
Ps＝液压流体供给压力，其包括PH-PR；以及
PL＝液压差压，其包括控制压PA-PB。
该方程的伺服阀控制算法被用于根据来自于转矩电机电流传感器134和主级阀位置指示器136的过程反馈信号，进一步调节伺服阀件112(228)。
伺服阀件112(228)可在操作期间显示出非线性，其在施加到地表的声学信号中产生谐波失真。在这些非线性中，伺服阀特性接近于零，且伺服阀的非线性的流量-压力特性可为使得该震源100产生不期望的低颜谐波的主要的源。
图4用作展现这些非线性的示例。通过对伺服阀位移或打开的伺服阀流量-增益响应，这些非线性可被清楚地阐明。水平轴代表以电压为单位的伺服阀位移。纵轴为以加仑/分钟为单位的流量。该流量利用相关反作用体速度乘以活塞面积来计算。在零阀位移的点或区域或者零位260处，应注意到，流速与位移量的关系为非线性的。特别地，伺服阀的位移不会导致相应的流量变化。零位260处的期望流量增益响应为穿过零位260的线性响应，或者大体为直线。
某些可引入非线性的因素可被在图5中示出，其示意性地阐释了伺服阀件112的线轴300。通常，线轴的台肩(land)302与流动路径304具有少量的重叠，该流动路径可为传送油的通道或孔隙。重叠区域306作为流量增益的非线性出现在原点或零位260(图5)的区域内的流量增益响应中。这意味着，即使伺服阀112的线轴300正在移动，在该区域也不具有流量输出。而且，重叠区域306可关于垂直基准线308为非对称的。例如，伺服阀112的线轴300可相对于基准线308稍微偏置。这一偏置会导致伺服阀的台肩302在一侧比另一侧具有更多的重叠。而且，这可使得来自于伺服阀的流量输出在一侧具有重叠，而另一侧处于欠重叠；即，阀体中的间隙允许流体流动。欠重叠允许流体运动在伺服阀位移之前发生。
现在参考图6，示出了使伺服阀件112的流量增益行为线性化的谐波失真减少(HDR)控制系统320的一个非限制实施方式的框图。一方面，HDR控制系统320使用非线性控制算法来使上述的伺服阀系统112中的流量增益非线性特性线性化。在一个实施例中，HDR控制系统320可包括电路、处理器、或其它器件，其被配置或编制成产生位置反馈控制信号322，其用作供给到伺服阀件112的控制信号116的负反馈。
在某些实施例中，流量-增益响应行为可被模型化为利用实验和/或历史数据的曲线。这些可被考虑为预定的计算机模型，其可由编译到HDR控制系统320的算法采用。在其它实施例中，可通过在一段时间上操作振动地震信号源200(图2)以采集流速和线轴位移数据，来开发流量-增益响应模型。在其它的实施例中，流量-增益响应模型可在振动地震信号源200(图2)的操作期间被动态更新。即，HDR控制系统320可周期地或连续地确定伺服阀112对负反馈的响应并进行调节以使零位360处的非线性最小化(图7)。除了具有流量-增益曲线之外，诸如重叠宽度和开始及结束点的谐调性也可被预定。
HDR控制系统320可直接地或间接地接收伺服阀位移信息。例如，伺服阀件112可包括一个或多个传感器(未示出)，其直接估算或确定伺服阀112的位移并将位移测量结果324传递到HDR控制系统320。例如，线性可变差动变压器(LVDT)传感器(未示出)可测量线轴300的位移(图5)。在其它的实施例中，伺服阀位移的间接测量结果可被采用。例如，位移传感器可被用于测量反作用体204(图2)的移动。表示该移动的信号可被作为信号324发送给HDR控制系统320。
用于使零位处的非线性最小化的控制架构可被结合到震源100(图1)的任一个子系统。在一个实施例中，HDR控制系统320可包括处理器，其利用采用流量-增益模型以产生反馈控制信号322的算法来编程。HDR控制系统320和/或模型可被集成到控制器108(图1)或便携式手提计算机(未示出)上，其与控制器108(图1)数据通信。因此，负反馈信号可被本地和/或远程生成。在其它实施例中，HDR控制系统320和/或模型可位于进行地震勘测的地理位置之外，诸如在采用卫星通讯与控制器b108(图1)相交互的中央局处。进一步，应理解，处理活动可在两个或多个处理器之间被分解或划分。例如，本地处理器可提供反馈控制信号，且远程处理器可动态地更新用于生成反馈控制信号的模型。
尽管HDR控制系统320已被描述成利用处理器产生负反馈信号，应理解，模拟电路也可响应于适当的输入(例如，指示伺服阀位移的传感器信号)用于产生反馈信号。
参考图7，示出了根据本公开的用于降低谐波失真的一个示例性方法350。在步骤352处，使非线性特征化的伺服阀件112(图2)的流量增益模型被开发。在步骤354，在伺服阀件112控制反作用体204(图2)的移动的同时，获得伺服阀的位移信息。在步骤356处，该算法采用流量增益模型和位移信息来产生负反馈信号，其降低零位260(图4)附近的伺服阀件112(图2)的非线性行为。在步骤358，负反馈信号被供给到伺服阀关闭位置控制回路。
图8示出了在HDR控制被实施的同时对伺服阀位移的示例性伺服阀流量-增益响应。这一点应理解，非线性区域几乎被移除，且零位360或原点附近的区域处的流量-增益曲线被线性化且更类似于直线。应理解，术语“线性化”或“降低非线性特性”不意味着需要数学上的精确线性。更确切地说，这些术语意指足够线性的行为，以使谐波失真减少到损害所需要的地震数据的有用性的水平。
应理解，本公开的谐波失真减少技术也可与其它的谐波失真减少技术联合使用。例如，参考图6，除了补偿由诸如重叠和偏置的因素所导致的零位处的非线性行为之外，流量-压力非线性控制可被用于解决美国专利7,929,380所讨论的附加的非线性，其实际上合并于此作为参考。
尽管本公开主要涉及振动器卡车，应理解，本教导也可被应用于其它震源。例如，另一个示例性的能源为加速的重锤卡车。重锤卡车为安装在车辆上的地面冲击，其可被用于提供震源。重锤由在卡车后面的起重机提起并降下大约3米以冲击(或“锤击”)地面。为了放大信号，重锤可在同一地点降下一次以上，信号也可通过在成阵列的若干附近位置的锤击来增加，阵列的尺寸可被选择成通过空间滤波增强地震信号。
而且，本教导主要涉及作为可控阀的伺服阀。应理解，任何易受非线性行为影响的阀可从本公开的控制系统和方法获益。同样，本教导可用于控制震源之外的装置的可控阀上。
一方面，本公开还包括用于创建可被用于控制阀操作的阀行为的模型的方法。例如，一个或多个选定扫描方法可被用于以变化的驱动水产和频率创建阀响应的一个或多个模型。示例性的扫描类型包括但不限于：单色、升频、降频、线性、非线性和随机扫描。这些扫描可被用于产生诸如图4和8中所阐释的信息。此后，模型可利用已知的技术(例如，多项式等)来创建，该已知的技术可被用在预测阀响应的控制算法中。
属于本公开的“软件方面”的多个部分公开内容在本文中被使用。这些方面包括详细的说明和权利要求，其依据典型地编码在包括但不限于计算机可读介质、机器可读介质、程序存储介质或计算机程序产品的各种介质上的逻辑、软件或软件实施方面。这种介质可由信息处理装置处理、读取、感测和/或解译。本领域技术人员会理解，这种介质可采取多种形式，诸如卡片、磁带、磁盘(例如，软盘或硬盘驱动器)和光盘(例如，高密度盘可读存储器(“CD-ROM”)或数字化通用(或视频)盘(“DVD”))。本文所公开的任何实施例仅仅用于阐释而不用于限制本公开或权利要求的范围。
本文所使用的术语“信息处理装置”、“处理器”、“计算机”或“控制器”包括但不限于，发送、接收、操纵、转换、计算、调制、调换、运送、存储或其它使用信息的方式的任何装置。在本公开的若干非限制方面，信息处理装置包括执行程序指令以用于实施各种方法的计算机。

Claims (19)

1.一种利用操作地连接到可控阀的震源产生地震信号的方法，所述方法包括：
测量供给液压、返回液压、以及进入和流出液压通道的液压；
将测得的压力值发送给处理器；
利用所述处理器产生主控制信号，其中，该处理器包括可控阀在选定操作范围上的响应的模型，其中处理器采用该模型来降低可控阀的流量与位移响应的关系的非线性，其中，非线性为发生在零阀位移的区域处的零点处的相对于线性的流量与位移关系的变化；以及
将所述主控制信号发送到可控阀以利用震源产生地震信号。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，估算可控阀的位移，并利用所估算的位移和所述模型来产生主控制信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可控阀为包括线轴的伺服阀，并且其中所述非线性至少部分地与线轴相对于标称中心的偏置相关。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可控阀为包括线轴的伺服阀，并且所述方法进一步包括：估算线轴的位移，并利用该估算的位移作为负反馈来产生主控制信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，该模型使用流量与阀位移的关系的曲线的斜率来产生主控制信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作范围小于10赫兹。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主控制信号至少部分地基于由下式限定的关系：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>KX</mi> <mi>V</mi> </msub> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>X</mi> <mi>V</mi> </msub> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>V</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中：
QL＝通过伺服阀的液压流量；
K＝液压流量增益；
XV＝伺服阀位移量；
Ps＝液压流体供给压力，包括PH-PR；以及
PL＝液压差压，包括控制压PA-PB。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在利用震源产生地震信号的同时动态地更新所述模型。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，利用控制算法来控制可控阀，并且其中所述处理器利用该模型来调整所述控制算法。
10.一种用于产生震源信号的震源信号设备，该设备包括：
震源组件，用于将反作用体耦连到地表，其中所述震源向地表施加至少一个选择的扫描信号；
可控阀，可操作地连接到震源组件；以及
控制器，利用通过使用可控阀在选定的操作范围上的响应的模型产生的主控制信号来控制可控阀，其中，该模型用于降低可控阀的流量与位移响应的关系的非线性，其中，非线性为发生在零阀位移的区域处的零点处的相对于线性的流量与位移关系的变化。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，该模型至少基于与流速和位移响应之间的关系有关的信息。
12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述控制器被构造成动态地更新该模型。
13.根据权利要求10所述的设备，进一步包括位移传感器，所述位移传感器被构造成将涉及与可控阀和转矩电机电流传感器相关联的线轴的位置的信息发送到控制器，并且其中确定线轴重叠宽度以及起始和终点的协调。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述控制器被构造成估算线轴的位移，并利用该估算的位移来产生负反馈，并且其中所述位移传感器是线性可变差分变压器换能器。
15.根据权利要求10所述的设备，其中，该模型位于以下中的一个处：(i)定位在震源的处理器，(ii)邻近震源的计算机中，和(iii)远程位置处的处理器。
16.根据权利要求10所述的设备，其中，所述控制器为以下之一：(i)可编程处理器，和(ii)模拟电路。
17.根据权利要求10所述的设备，进一步包括，采用控制算法控制可控阀，并且其中所述控制器利用该模型调整控制算法。
18.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：
安装于可控阀的一对高频蓄能器；和
至少一个低频蓄能器，所述低频蓄能器被构造成以25赫兹或更低的频率抑制液压流体循环增压。
19.根据权利要求10所述的设备，其中，该模型基于流速和位移响应。
CN201380024956.9A 2012-04-04 2013-04-04 用于控制震源中的谐波失真的装置和系统 Active CN104321668B (zh)

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