CN105182405B - 频率域低频补偿扫描信号的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种频率域低频能量补偿的非线性低频扫描信号的设计方法，该方法包括：设计出低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线；对关系曲线进行变换，求取低频段可控震源的最佳出力；给定常规时频曲线f(t)；得到新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)；将时间函数t(f)进行反变换求取时频函数F(t)，并将频率域的最佳出力A(f)根据t(f)曲线换算到时间域A(t)；通过对时频函数F(t)进行积分求取瞬时相位，进而求取正弦可控震源扫描信号。本发明扫描信号不仅能够扩展地震资料的低频成份，而且低频段资料还具有较强的能量，激发的地震资料具有较高的信噪比，可较大地提高可控震源地震资料品质。

Description

频率域低频补偿扫描信号的设计方法

技术领域

本发明涉及油田可控震源地震勘探领域，具体的是指一种非线性可控震源低频扫描信号设计方法。

背景技术

低频地震勘探技术是目前可控震源应用技术的主要发展方向之一，其中低频扫描信号设计是关键技术。上世纪90年代初，俄罗斯的科学家在研究北高加索和东西伯利亚地区的油气聚集特征时发现：位于油区上方的环境噪音功率谱在1-10Hz范围内的幅值明显高于油区外的观测结果，研究人员分析认为：这可能成为油气藏的经验性指示标志。

低频可控震源是指能够用于激发信号最低频率低于5Hz，并且具有一定下传能量的可控震源。常规可控震源扫描信号的低频极限频率普遍在6Hz左右，而低频可控震源的低频极限频率则远低于6Hz。目前，随着油气勘探中复杂地质问题所带来的挑战与地震数据处理方法的进步，使地球物理工作者再次想到了低频信号在解决这些复杂问题时的技术优势：①提高垂向分辨率；②改善地震采集数据的信噪比；③改善深部地质目标的成像质量；④实现全波场反演；⑤高速/高阻/高吸收特征地层下的成像研究；⑥近地表反演及复杂地区的速度建模；⑦非烃类盆地研究。

富含低频信息的地震记录一直是地震勘探中广泛存在的问题，西方地球物理公司(Schlumberger-Western-Geoco)在2006年推出了基于最大位移扫描(MD-Sweep)的信号设计技术，通过加强、改善可控震源低频扫描信号的能量，提高低频有效信号下传。Spectraseis公司的低频地震技术研究取得重大进展，2009年与雪佛龙、埃克森美孚等公司联合开展了低频合作项目；2009年，东方地球物理公司与壳牌合作开展的低频震源试验获得成功。他们采用等频扫描频率，逐渐增加震源出力进行激发，记录每次实测的低频段样点出力，确定震源低频段样点实际输出最大出力，根据拟合的重锤最大位移曲线和系统流量曲线的焦点，确定可控震源低频输出曲线，生成的信号实际测试，如果发生震源振动超出重锤位移或流量限制时，将超限频点的实测振幅值减少2-6％，然后重复以上步骤，直至振动结果不发生超出重锤位移限制或流量限制时得到最佳低频扫描信号，然而该方法采用不断重复循环，实现较为麻烦，不利于低频扫描信号的推广应用。因此，亟待研制一种可控震源低频扫描信号设计方法，提高低频段扫描能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种扫描信号具有较高的低频段能量、较好的相关子波形态，扫描信号起始频率达到1-2Hz，并可以根据需求进行修改，可较好地提高可控震源地震资料品质的频率域低频补偿扫描信号的设计方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：频率域低频补偿扫描信号的设计方法，该频率域低频补偿扫描信号的设计方法包括：步骤1，通过瞬时扫描频率与重锤位移以及泵流量限制关系，设计出低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线；步骤2，对低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线进行变换，求取低频段可控震源的最佳出力A(f)；步骤3，给定常规时频曲线f(t)；步骤4，按照扫描持续时间与震源出力的关系进行补偿，求出各个瞬时频率所对应的时间长度，按照所求取的时间长度对扫描信号的扫描时间进行重新分配，得到新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)；步骤5，将步骤4中得到新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)进行反变换求取时频函数F(t),并将频率域的最佳出力A(f)根据t(f)曲线换算到时间域A(t)；步骤6，通过对时频函数F(t)进行积分求取瞬时相位，进而求取正弦可控震源扫描信号。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，设计得到最佳出力的低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线为：

F_s＝2·π²·f²·S_M·M_r (1)

Q＝0.52·S_M·A_p·f (2)

式中：

F_s------可控震源输出力的大小；

f------瞬时频率；

S_M------有效冲程大小；

M_r------重锺质量；

Q------瞬时流量；

A_p------活塞面程。

在步骤2中，根据步骤2中的(1)、(2)关系式，求出低频段可控震源的最佳出力A(f)：

$A\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}{F}_s/F_{\max },& f_1\&le;f\&le;f0\\ Q/Q_{\max },& f0<f\&le;f_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：

F_max------可控震源输最大出力；

Q_max------最大液压油流量；

f0------当F_s/F_max＝Q/Q_max时的瞬时频率；

在步骤4中，得到的新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)为：

$t\left(f_i\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\mathrm{\&Delta;t}/A{\left(f_i\right)}^2]}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\mathrm{\&Delta;t}/A{\left(f_i\right)}^2]}\&CenterDot;T---\left(4\right)$

$N=\frac{f2-f1}{\mathrm{\&Delta;f}}---\left(5\right)$

式中：

Δt------扫描信号时间采样间隔；

Δf------扫描信号频率采样间隔；

f1、f2------扫描信号起止频率；

T------扫描信号时间。

在步骤6中，根据时频函数f(t)求取扫描信号的相位，输出的正弦可控震源扫描信号为：

$S\left(t\right)=B\left(t\right)\&CenterDot;\sin \left[2\mathrm{\&pi;}{\&Integral;}_0^{t}F\left(t\right)\mathrm{dt}\right]---\left(6\right)$

式中：

$B\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}A\left(t\right)& 0<t<T1\\ 1& T1<t<T2\\ w\left(k\right),k=\frac{T-t}{\mathrm{\&Delta;t}},& T2\&le;t\&le;T\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\begin{array}{c}w\left(k\right)=0.42-0.5\cos \left(2\mathrm{\&pi;}\frac{k-1}{N-1}\right)+0.08\cos \left(4\mathrm{\&pi;}\frac{k-1}{N-1}\right)\\ k=\mathrm{1,2},...,N_i\end{array}---\left(8\right)$

$N_i=\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{\&Delta;t}}+1,i=\mathrm{1,2}---\left(9\right)$

式中：

S(t)------可控震源扫描信号；

B(t)------布莱克曼斜坡(Blackman)斜坡函数；

T 1------A(t)达到1满驱的时间；

T2------可控震源扫描信号终止段斜坡长度；

Δt------可控震源扫描信号采样率。

在步骤3中，给定的常规时频曲线f(t)为线性升频。

随着油气勘探中复杂地质问题所带来的挑战与地震数据处理方法的进步，低频信号具有能够解决较多的复杂问题的技术优势，因此可控震源低频扫描信号的质量尤为重要，它对提高地震勘探效果具有重要影响。本发明中的频率域低频补偿扫描信号的设计方法，建立了频率域低频补偿扫描信号的设计流程，设计的扫描信号具有较高的低频段能量、较好的相关子波形态，扫描信号起始频率达到1-2Hz，并可以根据需求进行修改，便于推广应用，并能够较好地提高可控震源地震资料品质。与常规线性与非线性扫描信号相比，本发明扫描信号不仅能够扩展地震资料的低频成份，而且低频段资料还具有较强的能量。发明的扫描信号激发的地震资料具有较高的能量与信噪比，可较大地提高可控震源地震资料品质。本发明的通过频率域低频能量补偿提出的一种非线性信号设计的方法，从在新疆某地区的成功应用来看，频率域低频补偿的可控震源低频扫描信号的设计方法具有良好的适用性和应用前景。

附图说明

图1为本发明的频率域低频补偿扫描信号的设计方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量关系最大出力曲线；

图3为本发明的一具体实施例中频率域低频补偿扫描信号的一具体实施例的信号；

图4为本发明的一具体实施例中频率域低频补偿扫描信号一具体实施例的时频分析；

图5为本发明的一具体实施例中频率域低频补偿扫描信号的一具体实施例低频段频谱分析；

图6为本发明的一具体实施例中频率域低频补偿扫描信号的一具体实施例自相关子波分析；

图7为本发明的一具体实施例中新疆某地区频率域低频补偿扫描信号单炮解编记录；

图8为本发明的一具体实施例中新疆某地区频率域低频补偿扫描信号单炮频谱分析。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

为了满足低频段可控震源重锤位移以及泵流量不超限，采取了降低出力的方法，并通过时间进行补偿来提升低频段的能量进行扫描信号的设计。低频扫描信号的设计实质就是低频段时频曲线的设计，再根据非线性扫描信号公式计算出可供可控震源使用的正弦信号。

如图1所示，图1为本发明的频率域低频补偿扫描信号的设计方法的流程图。

在步骤101，通过瞬时扫描频率与重锤位移以及泵流量限制关系，设计出低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线为：

F_s＝2·π²·f²·S_M·M_r (1)

Q＝0.52·S_M·A_p·f (2)

式中：

F_s------可控震源输出力的大小；

f------瞬时频率；

S_M------有效冲程大小；

M_r------重锺质量；

Q------瞬时流量；

A_p------活塞面程。

流程进入到步骤102。

在步骤102，如图2所示，根据步骤2中的(1)、(2)关系式，求出低频段最佳出力A(f)：

$A\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}{F}_s/F_{\max },& f_1\&le;f\&le;f0\\ Q/Q_{\max },& f0<f\&le;f_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：

F_max------可控震源输最大出力；

Q_max------最大液压油流量；

f0------当F_s/F_max＝Q/Q_max时的瞬时频率；

流程进入到步骤104。

在步骤103，在一实施例中，根据勘探区域扫描频率及能量的要求，选取了常规线性升频信号、起止频率2-84Hz以及扫描长度26s,终了斜坡为300ms。流程进入到步骤104。

在步骤104，按照扫描持续时间与震源出力的关系进行补偿，求出各个瞬时频率所对应的时间长度，按照所求取的时间长度对扫描信号的扫描时间进行重新分配，得到新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)。

$t\left(f_i\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\mathrm{\&Delta;t}/A{\left(f_i\right)}^2]}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[\mathrm{\&Delta;t}/A{\left(f_i\right)}^2]}\&CenterDot;T---\left(4\right)$

$N=\frac{f2-f1}{\mathrm{\&Delta;f}}---\left(5\right)$

式中：

Δt------扫描信号时间采样间隔；

Δf------扫描信号频率采样间隔；

f1、f2------扫描信号起止频率；

T------扫描信号时间。

流程进入到步骤105。

在步骤105，将频时曲线t(f)经过反变换求取等时间间隔的时频曲线F(t),并将频率域的最佳出力A(f)根据t(f)曲线换算到时间域A(t)。流程进入到步骤106。

在步骤106，根据时频函数f(t)求取扫描信号的相位，输出正弦可控震源扫描信号:

$S\left(t\right)=B\left(t\right)\&CenterDot;\sin \left[2\mathrm{\&pi;}{\&Integral;}_0^{t}F\left(t\right)\mathrm{dt}\right]---\left(6\right)$

式中：

$B\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}A\left(t\right)& 0<t<T1\\ 1& T1<t<T2\\ w\left(k\right),k=\frac{T-t}{\mathrm{\&Delta;t}},& T2\&le;t\&le;T\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\begin{array}{c}w\left(k\right)=0.42-0.5\cos \left(2\mathrm{\&pi;}\frac{k-1}{N-1}\right)+0.08\cos \left(4\mathrm{\&pi;}\frac{k-1}{N-1}\right)\\ k=\mathrm{1,2},...,N_i\end{array}---\left(8\right)$

$N_i=\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{\&Delta;t}}+1,i=\mathrm{1,2}---\left(9\right)$

式中：

S(t)------可控震源扫描信号；

B(t)------布莱克曼斜坡(Blackman)斜坡函数；

T 1------A(t)达到1满驱的时间；

T2------可控震源扫描信号终止段斜坡长度；

Δt------可控震源扫描信号采样率。

在一实施例中，如图3所示，得出频率域低频补偿扫描信号的设计方法设计的扫描信号、起止频率2-84Hz、扫描长度为26s。

在应用本发明的一具体实施例中，根据新疆某勘探区扫描频率要求，设计低频扫描信号，起止频率为2-84Hz以及扫描长度26s，终了斜坡为300ms,运用本发明进行信号设计，具体实现步骤如图1；低频段根据可控震源重锤位移以及泵流量不超限的最佳出力出线如图2；生成的可控震源扫描信号如图3所示，并对低频扫描信号进行时频分析，如图4；进行频谱分析，显示了本发明产生的信号起始频率为2Hz，如图5；进行自相关子波分析，如图6。将本发明产生的扫描信号测试合格后，输入到可控震源中就能进行作业，如图7所示为该信号扫描所得到的地震单炮记录；图8为该信号扫描所得到的地震单炮(图7)全炮的频谱分析图。本发明扫描信号较常规的线性扫描信号相比，不仅能够扩展地震资料的低频成份，而且低频段资料还具有较强的能量，较大地提高可控震源地震资料品质。

Claims (6)

1.频率域低频补偿扫描信号的设计方法，其特征在于，该频率域低频补偿扫描信号的设计方法包括：

步骤1，通过瞬时扫描频率与重锤位移以及泵流量限制关系，设计出低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线；

步骤2，对低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线进行变换，求取低频段可控震源的最佳出力A(f)；

步骤3，给定常规时频曲线f(t)；

步骤4，按照扫描持续时间与震源出力的关系进行补偿，求出各个瞬时频率所对应的时间长度，按照所求取的时间长度对扫描信号的扫描时间进行重新分配，得到新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)；

步骤5，将得到的新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)进行反变换求取时频函数F(t),并将频率域的最佳出力A(f)根据t(f)曲线换算到时间域A(t)；

步骤6，通过对时频函数F(t)进行积分求取瞬时相位，进而求取正弦可控震源扫描信号。

2.根据权利要求1所述的频率域低频补偿扫描信号的设计方法，其特征在于，在步骤1中，设计得到最佳出力的低频段扫描频率与重锤位移以及泵流量的关系曲线为：

F_s＝2·π²·f²·S_M·M_r (1)

Q＝0.52·S_M·A_p·f (2)

式中：

F_s------可控震源输出力的大小；

f------瞬时频率；

S_M------有效冲程大小；

M_r------重锺质量；

Q------瞬时流量；

A_p------活塞面程。

3.根据权利要求2所述的频率域低频补偿扫描信号的设计方法，其特征在于，在步骤2中，根据步骤2中的(1)、(2)关系式，求出低频段可控震源的最佳出力A(f)：

$A\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}{F}_s/F_{\max },& f_1\&le;f\&le;f0\\ Q/Q_{\max },& f0<f\&le;f_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：

F_max------可控震源输最大出力；

Q_max------最大液压油流量；

f0------当F_s/F_max＝Q/Q_max时的瞬时频率；

4.根据权利要求1所述的频率域低频补偿扫描信号的设计方法，其特征在于，在步骤4中，得到的新的扫描时间与瞬时频率的关系t(f)为：

$t\left(f_i\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{i}{\&Sigma;}}\&lsqb;\mathrm{\&Delta;}t/A{\left(f_i\right)}^2\&rsqb;}{\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\&lsqb;\mathrm{\&Delta;}t/A{\left(f_i\right)}^2\&rsqb;}\&CenterDot;T---\left(4\right)$

$N=\frac{f2-f1}{\mathrm{\&Delta;}f}---\left(5\right)$

式中：

Δt------扫描信号时间采样间隔；

Δf------扫描信号频率采样间隔；

f1、f2------扫描信号起止频率；

T------扫描信号时间。

5.根据权利要求1所述的频率域低频补偿扫描信号的设计方法，其特征在于，在步骤6中，根据时频函数f(t)求取扫描信号的相位，输出的正弦可控震源扫描信号为：

$S\left(t\right)=B\left(t\right)\&CenterDot;sin\&lsqb;2\mathrm{\&pi;}{\&Integral;}_0^{t}F\left(t\right)dt\&rsqb;---\left(6\right)$

式中：

$B\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}A\left(t\right)& 0\&le;t<T1\\ 1& T1\&le;t<T2\\ w\left(k\right),k=\frac{T-t}{\mathrm{\&Delta;}t},& T2\&le;t<T\end{array}\right.---\left(7\right)$

$w\left(k\right)=0.42-0.5cos\left(2\mathrm{\&pi;}\frac{k-1}{N-1}\right)+0.08cos\left(4\mathrm{\&pi;}\frac{k-1}{N-1}\right)---\left(8\right)$

k＝1,2,…,N_i

$N_i=\frac{Ti}{\mathrm{\&Delta;}t}+1,i=1,2---\left(9\right)$

式中：

S(t)------可控震源扫描信号；

B(t)------布莱克曼斜坡(Blackman)斜坡函数；

T1------A(t)达到1满驱的时间；

T2------可控震源扫描信号终止段斜坡长度；

Δt------可控震源扫描信号采样率。

6.根据权利要求1所述的频率域低频补偿扫描信号的设计方法，其特征在于，在步骤3中，给定的常规时频曲线f(t)为线性升频。